JP2008182013A - 照明装置及びそれを用いた半導体検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低照度の場合のみならず高照度の場合であっても、均一性及び平行性（テレセントリック性）が高い照明光で被照明物上の所望の領域を照明することができる照明装置を提供する。
【解決手段】照明装置１は、主光源１１及び補助光源１２と、像側に被照明物上の所定領域が配置される無限共役な像側テレセントリック光学系である照明光学系１３とを備える。主光源１１は照明光学系１３の焦点面ＦＣ上における照明光学系１３の焦点を含む第１領域を照明し、補助光源１２は主光源１１とは独立して制御されて焦点面ＦＣ上における第１領域の周囲に位置する第２領域を照明する。これにより、照度分布が均一であって所定の第１照度を有する照明光と、第１照度よりも高い第２照度を有する照明光とが被照明物上の所定領域に切り替え可能に照射される。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体ウェハ等の被照明物を照明する照明装置、及び当該照明装置で照明される被照明物の検査を行う半導体検査装置に関する。

ＣＣＤ（電荷結合素子）センサやＣＭＯＳ（相補型金属酸化膜半導体）センサ等の固体撮像素子の検査は、その撮像面（受光面）を検査用の照明装置で照明して所望の受光特性が得られるか否かを確認することにより行われる。一般的に、固体撮像素子の検査は、半導体ウェハに形成された状態での検査（前工程での検査）と、個々の固体撮像素子にレンズモジュール等が付加されてパッケージングされた状態での検査（後工程での検査）とがある。図７，図８は、前工程での検査で用いられる半導体検査装置を示す側面図である。

図７に示す半導体検査装置１００は、照明装置１０１、プローバ１０２、テストヘッド１０３、及びテスタ本体１０４を備えており、プローバ１０２により搬送された半導体ウェハＷを照明装置１０１から射出される照明光ＩＬ１０で落射照明し、そのときの個々の固体撮像素子の受光特性をテストヘッド１０３及びテスタ本体１０４で検査する。この半導体検査装置１００は、照明装置１０１及びプローバ１０２と、テストヘッド１０３及びテスタ本体１０４とが離間して配置されており、ケーブル１０７で互いに接続されたＤＵＴボード１０５及びアプリケーションボード１０６を、プローバ１０２及びテストヘッド１０３上にそれぞれ配置することで、プローバ１０２とテストヘッド１０３とが中継される。

図８に示す半導体検査装置２００は、照明装置２０１、プローバ１０２、テストヘッド２０２、及びテスタ本体１０４を備えており、プローバ１０２により搬送された半導体ウェハＷを照明装置２０１から射出される照明光ＩＬ２０で落射照明し、そのときの個々の固体撮像素子の受光特性をテストヘッド２０２及びテスタ本体１０４で検査する。この半導体検査装置２００においては、プローバ１０２の上に配置されたＤＵＴボード２０３上にテストヘッド２０２が載置されているとともに、照明装置２０１の一部（照明光ＩＬ２０の射出口を含む）がテストヘッド２０２に形成されたスコープホール２０２ａ内に介挿されている。半導体検査装置２００は、テストヘッド２０２がＤＵＴボード２０３上に配置されて半導体ウェハＷとテストヘッド２０２との距離が短いため、図７に示す半導体検査装置１００に比べて検査精度及び検査速度の向上を図ることができる。

ここで、図７に示す半導体検査装置１００と図８に示す半導体検査装置２００とを比較すると、図７に示す半導体検査装置１００においてはプローバ１０２の上方（ＤＵＴボード１０５の上方）には、照明装置１０１における照明光ＩＬ１０の射出口が配置されているだけで空間的な余裕があるのに対し、図８に示す半導体検査装置２００においてはプローバ１０２の上方（ＤＵＴボード２０３の上方）がテストヘッド２０２で占有されてしまう。このため、図７に示す半導体検査装置１００では、照明光ＩＬ１０の射出口の近傍であって照明光ＩＬ１０を遮らない位置に補助光源１０８ａ，１０８ｂを備えた構成にすることができ、半導体ウェハＷを斜め方向から照明することにより、照明光ＩＬ１０のみでは光量が不足する場合に、その光量不足を補うことができる。

尚、従来の照明装置の詳細については、例えば以下の特許文献１，２を参照されたい。
特開２００６−２０２６６５号公報 特開２００６−１４７１７１号公報

ところで、近年においては、検査に要するコストを低減するために、同時に検査される固体撮像素子の数（同測数）が増える傾向にある。例えば、従来は同測数「４」が一般的であったが、現在は同測数「８」が主流になりつつあり、更には同測数「１６」である半導体検査装置も提案されている。同測数の増加に伴って、広範囲の領域を均一な照度で照明することができる照明装置が要求されている。

ここで、固体撮像素子の代表的な検査項目として、数ルックス〜数百ルックス程度の光量の照明光を照射して撮像画像の傷、筋、感度、感度ムラ等の検査を行う第１検査項目と、数千ルックス〜数万ルックス程度の大光量の照明光を照射して固体撮像素子の飽和感度や飽和電荷の転送特性の検査を行う第２検査項目とが挙げられる。第１検査項目は低照度の照明光を用いたデリケートな検査であり、第２検査項目は高照度の照明光を用いた大雑把な検査であるということができる。

上述した通り、図７に示す半導体検査装置１００は、照明装置１０１に加えて補助光源１０８ａ，１０８ｂを備えた構成である。このため、照明装置１０１から射出される照明光ＩＬ１０のみを用いれば第１検査項目のデリケートな検査を実現することができ、照明光ＩＬ１０と補助光源１０８ａ，１０８ｂから射出される照明光とを用いれば第２検査項目の大雑把な検査を実現することができると考えられる。

しかしながら、補助光源１０８ａ，１０８ｂは照明光ＩＬ１０の射出口の近傍であって照明光ＩＬ１０を遮らない位置に配置されて半導体ウェハＷを斜め方向から照明している。このため、例えば照明光が照射される半導体ウェハＷの照射面の直前に、小径の凸レンズを備える光学系（瞳レンズ光学系）や微小径のピンホールを備える光学系（ピンホール光学系）を配置した場合には、照明装置１０１から射出される照明光ＩＬ１０とは異なり、補助光源１０８ａ，１０８ｂから射出された照明光は検査上有効な光として半導体ウェハＷ上に到達せず、第２検査項目の検査が実現できない虞が考えられる。

また、図８に示す半導体検査装置２００は、プローバ１０２の上方（ＤＵＴボード２０３の上方）がテストヘッド２０２で占有されており、図７に示す半導体検査装置１００のように補助光源を設けることができない。このため、半導体検査装置２００においては、照明装置２０１単体で低照度の照明光と高照度の照明光とを実現しなければならず、光源としてハロゲンランプを備える従来の構成では実現が困難であった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、低照度の場合のみならず高照度の場合であっても、均一性及び平行性（テレセントリック性）が高い照明光で被照明物上の所望の領域を照明することができる照明装置、及び当該照明装置を備えて被照明物の検査を行う半導体検査装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の照明装置は、被照明物上の所定領域（Ｒ）を照明する照明装置（１、２）において、像側に前記被照明物上の前記所定領域が配置される無限共役な像側テレセントリック光学系（１３）と、前記像側テレセントリック光学系の物体側の焦点面（ＦＣ）上における異なる領域をそれぞれ個別に照明することにより、照度分布が均一であって所定の第１照度を有する照明光と、前記第１照度よりも高い第２照度を有する照明光とを前記所定領域に切り替え可能に照射する複数の光源（１１、１２、２１、２２）とを備えることを特徴としている。
この発明によると、複数の光源によってテレセントリック光学系の焦点面上における異なる領域がそれぞれ照明され、これにより、照度分布が均一であって所定の第１照度を有する照明光と、第１照度よりも高い第２照度を有する照明光とが被照明物上の所定領域に切り替え可能に照射される。
また、本発明の照明装置は、前記複数の光源が、前記焦点面上における前記像側テレセントリック光学系の焦点を含む第１領域を照明する第１光源（１１、２１）と、前記第１光源とは独立して制御され、前記焦点面上における前記第１領域の周囲に位置する第２領域を照明する第２光源（１２、２２）とを含むことを特徴としている。
また、本発明の照明装置は、前記第１領域及び前記第２領域が、前記焦点に関して点対称な領域であることを特徴としている。
また、本発明の照明装置は、射出端が前記焦点面上に配置され、前記複数の光源からの光を前記焦点面に導く導光部（３０）を備えることを特徴としている。
また、本発明の照明装置は、前記導光部が、前記複数の光源の内の少なくとも１つの光源からの光の照度を均一化するオプティカルインテグレータ（３１）を備えることを特徴としている。
また、本発明の照明装置は、前記像側テレセントリック光学系が、像側に凸面を向けた正メニスカスレンズ（Ｌ１）及び平凸レンズ（Ｌ２）からなる第１レンズ群（Ｇ１）と、前記第１レンズ群よりも像側に配置された開口絞り（ＡＳ）と、前記開口絞りよりも像側に配置され、像側に凸面を向けた正レンズ（Ｌ３）からなる第２レンズ群（Ｇ２）とを備えることを特徴としている。
また、本発明の照明装置は、前記第１レンズ群をなす前記正メニスカスレンズと前記平凸レンズとは、近接した状態又は接触した状態に配置されることを特徴としている。
また、本発明の照明装置は、前記第１レンズ群と前記第２レンズ群とは所定の間隔をもって離間して配置され、前記開口絞りは、前記第１レンズ群よりも前記第２レンズ群に近接した位置に配置されることを特徴としている。
更に、本発明の照明装置は、前記複数の光源の各々が、複数の固体光源を配列してなる固体光源アレイであることを特徴としている。
本発明の半導体検査装置は、半導体ウェハ上の所定領域を照明して当該半導体ウェハの検査を行う半導体検査装置において、前記半導体ウェハ上の所定領域を、前記被照明物の所定領域として照明する上記の何れかに記載の照明装置を備えることを特徴としている。

本発明によれば、複数の光源によってテレセントリック光学系の焦点面上における異なる領域をそれぞれ照明しているため、照度分布が均一であって所定の第１照度を有し、且つ平行性（テレセントリック性）が高い照明光で被照明物上の所定領域を照明することができるとともに、平行性が大幅には悪化してはいないが上記の第１照度よりも高い照度を有する照明光で照明光被照明物上の所定領域を照明することができるという効果がある。

以下、図面を参照して本発明の実施形態による照明装置及びそれを用いた半導体検査装置について詳細に説明する。

〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態による照明装置の構成を示す断面図である。図１に示す通り、本実施形態の照明装置１は、主光源１１（第１光源）、補助光源１２（第２光源）、及び照明光学系１３（像側テレセントリック光学系）を備えており、被照明物上の所定領域を照明する。尚、図１においては、説明の便宜上、図中の平面Ｐの位置に被照明物の表面が配置されており、この被照明物の被照明領域Ｒが照明装置１により照明されるとする。被照明領域Ｒの大きさは、例えば照明光学系１３の光軸ＡＸを中心とした直径８０ｍｍの円形形状の領域である。

主光源１１は、照度分布が均一であって所定の照度（第１照度）を有する照明光で被照明領域Ｒを照明するために設けられた光源である。この主光源１１は、照明光学系１３の光軸ＡＸ上であって、その射出面が照明光学系１３の焦点面ＦＣ上に位置するよう配置されている。つまり、主光源１１は、照明光学系１３の焦点面ＦＣ上における照明光学系１３の焦点を含む領域（第１領域）を照明するよう配置されている。

具体的に、主光源１１は、例えば直径が２２．８ｍｍであって光軸ＡＸに直交する面内の形状が円形形状の光源であり、その中心を光軸ＡＸが通るように配置されている。つまり、主光源１１は、照明光学系１３の焦点に関して対称な円形の領域を照明する光源である。この主光源１１としては、例えばＬＥＤ（発光ダイオード）チップやＬＤ（レーザダイオード）チップ等の固体光源を複数配列した固体光源アレイを用いることができる。

補助光源１２は、上記の第１照度よりも高い照度（第２照度）を有する照明光で被照明領域Ｒを照明するために設けられた光源である。この補助光源１２は、主光源１１を光軸ＡＸの周りに取り囲むように配置されており、その射出面が主光源１１と同様に、照明光学系１３の焦点面ＦＣ上に位置するよう配置されている。つまり、補助光源１２は、照明光学系１３の焦点面ＦＣ上において主光源１１が照明する領域（第１領域）の周囲に位置する領域（第２領域）を照明するよう配置されている。

具体的に、補助光源１２は、例えば内径が２２．８ｍｍであるとともに外形が３０ｍｍであって光軸ＡＸに直交する面内の形状が円環形状の光源であり、その中心を光軸ＡＸが通るように配置されている。つまり、補助光源１１は、照明光学系１３の焦点に関して対称な円環形の領域を照明する光源である。この補助光源１２としては、主光源１１と同様に、ＬＥＤチップやＬＤチップ等の固体光源を複数配列した固体光源アレイを用いることができる。尚、補助光源１２の点灯及び消灯は、主光源１１とは独立して制御される。

照明光学系１３は、物体側の焦点面ＦＣ側から順に、第１レンズ群Ｇ１、開口絞りＡＳ、及び第２レンズ群Ｇ２を配列してなり、像側（平面Ｐ側）でテレセントリックとなっている無限共役な像側テレセントリック光学系である。図１に示す通り、照明光学系１３は、第１レンズ群Ｇ１と第２レンズ群Ｇ２とが所定の間隔を持って離間されて配置されているとともに、開口絞りＡＳが第１レンズ群Ｇ１よりも第２レンズ群Ｇ２に近接した位置に配置されている。かかる配置にすることで、焦点面ＦＣ内における主光源１１及び補助光源１２の面積が大きくとも、光束の広がりを抑えた平行光を像側において得ることができる。

第１レンズ群Ｇ１は、物体側の焦点面ＦＣ側から順に、像側（開口絞りＡＳ側）に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ１と、像側（開口絞りＡＳ側）に凸面を向けた平凸レンズＬ２とを配置してなる。尚、図１に示す通り、正メニスカスレンズＬ１は、屈折率及びアッベ数が互いに異なる両凹レンズと両凸レンズとを貼り合わせた貼り合わせレンズである。図示の通り、正メニスカスレンズＬ１と平凸レンズＬ２とは殆ど間隔を空けずに近接した状態又は接触した状態で配置されている。

また、正メニスカスレンズＬ１は、その凹面Ｃ１が主光源１１及び補助光源１２の射出面と対面するよう配置されている。これにより、照明光学系１３の物体側の焦点距離を縮めてＦ値を小さくすることができるとともに、主光源１１及び補助光源１２から射出される光をより多く取り込むことができ、光量の低下を抑えることができる。

開口絞りＡＳは、所定の大きさの円形形状の開口部が形成された部材であって、照明光学系１３の開口数（Ｎ．Ａ．）を決定するものである。第２レンズ群Ｇ２は、正レンズＬ３からなる。図１に示す通り、この正レンズＬ３は、屈折率及びアッベ数が互いに異なるメニスカスレンズと両凸レンズとを貼り合わせた貼り合わせレンズである。尚、図１に示す照明光学系１３のＦ値は、Ｆ４〜Ｆ１０程度に設計されているのが望ましい。

以下に示す表１は、照明装置１が備える照明光学系１３の諸元の値を示す表である。表１において、左端の数字は焦点面ＦＣ側からのレンズ面の順序を示す面番号であり、ｒはレンズ面の曲率半径、ｄは当該レンズ面から次のレンズ面までの間隔である。これら曲率半径ｒ及び間隔ｄを表す数値の単位はミリメートルであり、小数点３桁以下は切り捨てて示している。また、表１中において、ｎは各レンズの屈折率であり、νはアッベ数を示している。尚、表１では、開口絞りＡＳを面番号「６」として表している。

［表１］
面番号 ｒ ｄ ｎ ν
（焦点面） 27.40
１： -65.00 2.00 1.69 30.1 （正メニスカスレンズＬ１）
２： 136.55 25.11 1.72 54.7 （正メニスカスレンズＬ１）
３： -64.30 0.10
４： ∞ 16.00 1.72 54.7 （平凸レンズＬ２）
５： -98.97 135.00
６： ∞ 5.00 （開口絞りＡＳ）
７： 371.21 5.00 1.67 32.2 （正レンズＬ３）
８： 105.45 25.00 1.51 64.2 （正レンズＬ３）
９： -180.00 75.00

尚、本実施形態では、照明光学系１３の物体側の焦点面ＦＣ上に主光源１１及び補助光源１２が配置されている構成を例に挙げて説明するが、主光源１１及び補助光源１２は必ずしも焦点面ＦＣ上に配置されている必要はない。例えば、バンドルファイバ（光ファイバを密に束ねた導光用途のファイバ束）の射出端を焦点面ＦＣ上に配置して、主光源１１及び補助光源１２から射出される光を、図１に示す主光源１１及び補助光源１２が配置された位置にそれぞれ導いて焦点面ＦＣ上の異なる領域をそれぞれ照明する構成であっても良い。

また、主光源１１及び補助光源１２の何れか一方のみを焦点面ＦＣ上に配置するとともに、何れか他方から射出される光をバンドルファイバを用いて焦点面ＦＣ上に導くようにしても良い。更に、主光源１１及び補助光源１２を個別に設ける必要は必ずしも無く、同一基板上に主光源１１及び補助光源１２をなす固体光源アレイを形成し、点灯及び消灯を個別に切り替えるようにすればよい。

図２は、本発明の第１実施形態による照明装置の特性の一例を示す図である。図２（ａ）〜図２（ｃ）は照明光学系１３の焦点面上の点光源から射出された光の光路を示す図であって、図２（ｄ）〜図２（ｆ）は像側の平面Ｐ上における照度分布を示す図である。尚、焦点面ＦＣ上の焦点に対する点光源の位置ずれ量をオフセットとすると、図２（ａ），図２（ｄ）はオフセットが０ｍｍの場合の光路及び照度分布をそれぞれ示す図であり、図２（ｂ），図２（ｅ）はオフセットが１０ｍｍの場合の光路及び照度分布をそれぞれ示す図であり、図２（ｃ），図２（ｆ）はオフセットが１５ｍｍの場合の光路及び照度分布をそれぞれ示す図である。

図２（ａ）を参照すると、焦点の位置に配置された点光源から射出された光は、照明光学系１３を介することによって被照明領域Ｒよりも広い領域を照明することになる。具体的には、被照明領域Ｒの大きさが照明光学系１３の光軸ＡＸを中心とした直径８０ｍｍの円形形状の領域であるとすると、光軸ＡＸを中心とした直径１００ｍｍの円形形状の領域を照明することになる。また、照明光学系１３を介した光の光路は光軸ＡＸに対して平行になっており、照明光学系１３からの光は平面Ｐに垂直入射するのが分かる。図２（ｄ）を参照すると、被照明領域Ｒに入射する光はほぼ均一の照度分布であることが分かる。ここで、被照明領域Ｒの中央部における照度が若干低くなっているが、これは照明光学系１３が備える正メニスカスレンズＬ１の曲率を調整して、中央部の照度よりも周辺部の照度を意図的に２％程度高くした結果である。

また、図２（ｂ），図２（ｃ）を参照すると、オフセットが大きくなるにつれて平面Ｐに対する光の入射角が次第に大きくなるとともに、平面Ｐ内において光が照明される領域の位置ずれが次第に大きくなるが平行性は乱れないことが分かる。ここで、オフセットが１０ｍｍである場合には、図２（ｅ）に示す通り、ほぼ均一の照度分布を有する照明光が平面Ｐ上における被照明領域Ｒの全域にぎりぎり照射されるのが分かる。これに対し、オフセットが１５ｍｍである場合には、図２（ｆ）に示す通り、照明光が照射されない部分が生じて照度分布の均一性も大きく悪化するのが分かる。

ここで、図２に示す照明光学系１３の特性から、直径が２２．８ｍｍの円形形状である主光源１１によって、照度分布が均一であって所定の照度を有する照明光が被照明領域Ｒ１に照射されると言える。これに対し、内径が２２．８ｍｍであるとともに外形が３０ｍｍである補助光源１２は、照度分布が均一である照明光を被照明領域Ｒ１に照射するのは困難であるが、被照明領域Ｒ１に照射される照明光の照度を高めることができ、より高い照度の照明光を被照明領域Ｒ１に照射することができると言える。尚、図２に示す通り、点光源からの光であっても、点光源の位置が光軸ＡＸに近ければ、被照明領域Ｒを均一の照度分布を有する照明光で照明する。このため、主光源１１を固体光源アレイで実現すれば、像面では個々の固体光源から射出された光が均一に加算されるため輝度ムラ等は生じない。更に、主光源１１を光軸ＡＸ（対称）に対称にすれば更なる均一性の向上を図ることができる。

図３は、本発明の第１実施形態による照明装置から射出される照明光の照度分布を示す図であって、（ａ）は主光源１１のみを点灯させた場合の照度分布を示す図であり、（ｂ）は主光源１１及び補助光源１２の両方を点灯させた場合の照度分布を示す図である。尚、図３（ａ），図３（ｂ）においては、それぞれの場合における最大照度で規格化した照度分布を示しているが、図３（ｂ）に示す照度分布の最大照度は、図３（ａ）に示す照度分布の最大照度の３倍程度である。

図３（ａ）に示す通り、主光源１１のみを点灯させた場合には、ほぼ均一な照度分布を有する照明光（照度ムラは３％程度）で被照明領域Ｒの全域が照明されていることが分かる。前述した通り、照明光学系１３は、被照明領域Ｒの中央部における照度が周辺部における照度よりも若干低くなるように意図的に設計されている。これにより、照明光学系１３を構成する各レンズのコーティングや収差による周辺光量の低下分が補償され、被照明領域Ｒに照射される照明光の照度分布はほぼ均一となる。尚、主光源１１のみを点灯させた場合において、照明光学系１３からの光束の最大傾斜は６度程度である。

これに対し、主光源１１及び補助光源１２を点灯させた場合には、被照明領域Ｒに照射される照明光の最大照度は、主光源１１のみを点灯させた場合に被照明領域Ｒに照射される照明光の最大照度の３倍程度となる。また、補助光源１２からの光束が傾くため、図３（ｂ）に示す通り、被照明領域Ｒの周辺部における照度が低下して照度分布が均一な領域が狭くなる。しかしながら、照度ムラを１０％程度まで許容すれば、被照明領域Ｒはおおよそ一定の照度を有する照明光で照明されるということができる。尚、主光源１１及び補助光源１２の両方を点灯させた場合において、照明光学系１３からの光束の最大傾斜は８度程度である。

以上の通り、本実施形態の照明装置１は、主光源１１のみを点灯させることにより、照度分布が均一であって所定の照度を有し、且つ平行性（テレセントリック性）が高い照明光で被照明領域Ｒを照明することができる。また、主光源１１に加えて補助光源１２を点灯させることにより、照度分布の均一性及び平行性が若干悪化するものの、主光源１１のみを点灯させた場合に得られる照度よりも高い照度を有する照明光で被照明領域Ｒを照明することができる。ここで、上述の通り、主光源１１及び補助光源１２の両方を点灯させた場合の光束の傾きは最大で８度であり平行性が大幅に悪化している訳ではない。よって、主光源１１のみを点灯させた場合よりは若干悪化するものの、照明領域Ｒは平行性が高い照明光で被照明されているということができる。

また、本実施形態の照明装置１は、主光源１１及び補助光源１２が同一面に配置された構成であるため、これらを一体化することができ、生産性の向上及びコストの低減を図ることができる。また、本実施形態の照明装置１は、照明光学系１３を介する光のみによって照度の異なる照明光を得ているため、図８に示す半導体検査装置２００にも容易に組み込むことができ、半導体検査装置２００においても低照度の照明光を用いたデリケートな検査と、高照度の照明光を用いた大雑把な検査とを実現することが可能となる。

尚、上記実施形態においては、主光源１１及び補助光源１２の２つの光源を備える場合を例に挙げて説明したが、照明光学系１３の焦点面ＦＣを照明する光源は２つに限られず、３つ以上であっても良い。例えば、焦点面ＦＣ内において、光源の点灯・消灯が個別に制御可能な複数の光源を、照明光学系１３の焦点を中心として同心円状に設けても良い。これにより、被照明領域Ｒに対する複数の照明条件を高速に切り替えることが可能となる。

〔第２実施形態〕
図４は、本発明の第２実施形態による照明装置の構成を示す断面図である。尚、図４においては、図１に示した部材と同一の部材については同一の符号を付してある。図４に示す通り、本実施形態の照明装置２は、光源部２０、導光部３０、拡散板４０、及び照明光学系１３を備えており、被照明物上の所定領域を照明する。尚、図４においても、説明の便宜上、図中の平面Ｐの位置に被照明物の表面が配置されており、この被照明物の被照明領域Ｒが照明装置２により照明されるとする。被照明領域Ｒの大きさは、例えば照明光学系１３の光軸ＡＸを中心とした直径８０ｍｍの円形形状の領域である。

光源部２０は、複数の主光源２１及び補助光源２２が配列された基板２３と、基板２３を冷却するヒートシンク２４とからなる。主光源２１は照度分布が均一であって所定の照度（第１照度）を有する照明光で被照明領域Ｒを照明するために設けられた光源であり、補助光源２２は第１照度よりも高い照度（第２照度）を有する照明光で被照明領域Ｒを照明するために設けられた光源である。主光源２１は基板２３の中央部に配列されており、補助光源２２は主光源２１を取り囲むように基板２３上に配列されている。

尚、ここでは、主光源２１の周囲に補助光源２２が配列されている例について説明するが、主光源２１及び補助光源２２は任意の配列とすることができる。また、主光源２１及び補助光源２２の各々は、指向性を有しないチップＬＥＤ、表面実装型ＬＥＤ、及び指向性の高い砲弾型パッケージのＬＥＤ等を用いることができ、これらが混在されているものも用いることができる。ヒートシンク２４は基板２３を冷却することにより、主光源２１及び補助光源２２の温度上昇を抑制して一定温度にする。尚、必要であればヒートシンク２４に代えて空冷の冷却素子、水冷の冷却素子、ペルチェ素子等の冷却素子、その他の冷却素子を用いることもできる。

導光部３０は、均一化素子３１と導光部材３２とからなる。均一化素子３１は、入射端から入射した光の照度分布を均一化するオプティカルインテグレータである。この導光部３０は、その入射端が基板２３上に配列された複数の主光源２１に近接した位置であって複数の主光源２１からの光を取り込み可能な位置に配置され、その射出端が照明光学系１３の焦点面ＦＣ上に配置された拡散板４０の近傍に配置されている。ここで、図４に示す通り、均一化素子３１の射出端は、照明光学系１３の焦点面ＦＣ上における照明光学系１３の焦点を含む領域（第１領域）を照明するよう配置されている。

図５は、図４中のＡ−Ａ線に沿った断面矢視図である。図５に示す通り、均一化素子３１は、断面形状が正方形であって、その対角線の長さが例えば２２．８ｍｍである面精度の高い角柱ロッドである。尚、ここでは、均一化素子３１が断面形状が正方形である角柱ロッドを例に挙げるが、多角柱ロッドであっても良い。この均一化素子３１は、照明光学系１３の光軸ＡＸがその中心を通るよう位置決めされ、拡散板４０上における照明光学系１３の焦点に関して対称な正方形の領域を照明する。かかる均一化素子３１を用いることにより、主光源２１として種々のＬＥＤが混在する場合であっても、照明光学系１３の焦点面ＦＣ（拡散板４０）を均一な照度で照明することができ、照度ムラを解消することができる。

また、導光部材３２は、補助光源２２から射出された光を照明光学系１３の焦点面ＦＣ上に配置された拡散板４０上に導くものである。この導光部材３２は、その入射端が基板２３上に配列された複数の補助光源２２に近接した位置であって複数の補助光源２２からの光を取り込み可能な位置に配置され、その射出端が照明光学系１３の焦点面ＦＣ上に配置された拡散板４０の近傍に配置されている。ここで、図４に示す通り、導光部材３２の射出端は、上記の第１領域の周囲に位置する領域（第２領域）を照明するよう配置されている。

図５に示す通り、導光部材３２は、断面形状が円形形状であって、その直径が例えば３０ｍｍである円柱形状の部材である。この導光部材３２の内部には均一化素子３１が挿入されている。但し、均一化部材３１と導光部材３２との間には僅かに隙間が設けられており、主光源２１からの光と補助光源２２からの光とが互いに干渉せずに、各々の内部を全反射して伝播するよう設計されている。尚、導光部材３２は、均一化素子３１のような高い面精度が要求されないが、その内部で補助光源２２からの光を反射しつつ拡散板４０まで導く必要があるため、傷や凹凸が極力無い滑らかな面であることが望ましい。また、導光部材３２は、ガラスによって形成する必要は必ずしも無く、アクリル等の透明樹脂を用いて形成することができる。

また、図４においては、角柱形状の均一化素子３１と、この均一化素子３１の周囲に設けられた円柱形状の導光部材３２とからなる導光部３０を例に挙げて説明した。しかしながら、均一化素子３１及び導光部材３２の入射側は、主光源２１及び補助光源２２の配列に合わせて枝分かれしていたり、傾斜がついていたり、分割した形状であっても良い。拡散板４０は、投影光学系１３の物体側における焦点面ＦＣ上に配置されており、入射する光を拡散させる。

上記構成において、主光源２１から射出された光は、主光源２１の近傍に入射端が配置された均一化素子３１に入射し、均一化素子３１により反射されつつ均一化素子３１の内部を伝播することにより、その照度分布が均一化される。この照度分布が均一化された光は均一化素子３１の射出端から射出され、拡散板４０上の第１領域を照明する。一方、補助光源２２から射出された光は、補助光源２２の近傍に入射端が配置された導光部材３２に入射し、導光部材３２の内部を介して導光部材３２の射出端から射出され、拡散板４０上の第２領域を照明する。拡散板４０上の第１領域及び第２領域を照明した光は、拡散板４０によって拡散され後に照明光学系１３に入射し、照明光学系１３を介して平面Ｐ上に照射される。

本実施形態においても、主光源２１及び補助光源２２の点灯・消灯を独立して制御することにより、照度分布が均一であって所定の照度（第１照度）を有する照明光、又は第１照度よりも高い照度（第２照度）を有する照明光で被照明領域Ｒを照明することができる。尚、以上の説明では、光源部２０と拡散板４０との間の導光部３０が均一化素子３１と導光部材３２とからなる場合を例に挙げたが、導光部３０はこの構成に限られる訳ではない例えば、主光源２１からの光及び補助光源２２からの光を個別に拡散板４０上の第１領域及び第２領域にそれぞれ導くリレー光学系を設けた構成であっても良い。また、かかる構成において、主光源２１からの光及び補助光源２２からの光の少なくとも一方の照度分布を均一化するためにフライアイレンズ等のオプティカルインテグレータが設けられた構成であることが望ましい。

以上説明した本発明の第２実施形態による照明装置２は、図７に示す照明装置１０１の内部に組み込むことも可能であり、また図８に示す照明装置２０１の内部に組み込むことも可能である。特に、図８に示す照明装置２０１の内部に組み込むことで、半導体検査装置２００においても低照度の照明光を用いたデリケートな検査と、高照度の照明光を用いた大雑把な検査とを実現することが可能となる。

また、以上説明した第１実施形態による照明装置１及び第２実施形態による照明装置２は、半導体検査装置の照明装置以外に表面観察装置の照明装置としても用いることができる。図６は、本発明の第１実施形態による照明装置を備える表面観察装置の概略構成を示す図である。図６に示す通り、表面観察装置５０は、照明装置１、ハーフミラー５４、試料台５５、撮影レンズ５６、及びＣＣＤカメラ５７を備える。

照明装置１は、図１に示す照明装置１と同様のものであるが、主光源１１及び補助光源１２に代えて点灯・消灯が個別に制御可能な複数の光源５１〜５３を備える。ハーフミラーは、照明装置１の光軸ＡＸの延長線上に、光軸ＡＸに対して４５度の角度をもって配置されており、例えば入射出光の５０％を反射して５０％を透過するものである。試料台５５は、ハーフミラー５５の下方（鉛直下方向）に配置されており、観察対象物ＯＢを載置するものである。この試料台５５は、落射照明光に対する観察対象物ＯＢの傾きを調整するため調整機構５５ａを備えている。ここで、観察対象物ＯＢは、表面が研磨された金属や半導体ウェハ等である。

撮影レンズ５６は、ハーフミラー５４の上方（鉛直上方向）に配置されており、観察対象物ＯＢで反射されてハーフミラー５４を透過して光を集光する。この撮影レンズ５６は、複数のレンズ（図示省略）を備えており、観察対象物ＯＢの表面とＣＣＤ素子５７ａの撮像面とを光学的に共役にする。ＣＣＤカメラ５７は、ＣＣＤ素子５７ａを備えており、撮影レンズ５６を介した光学像を撮像する。

上記構成において、光源５１〜５３のうちの何れか１つを点灯させると、点灯された光源からは光が射出される。この射出された光は照明光学系１３を介して照明装置１の外部に射出され、ハーフミラー５４に入射する。ハーフミラー５４に入射した光のうちの反射された光は、試料台５５上に載置されている観察対象物ＯＢを落射照明する。観察対象物ＯＢの表面で反射された光のうち、ハーフミラー５４を透過した光は、撮影レンズ５６で集光されてＣＣＤカメラ５７のＣＣＤ素子５７ａの撮像面に入射する。これにより、観察対象物ＯＢの表面が観察される。

以上の表面観察装置５０では、観察対象物ＯＢの表面における反射率の差がＣＣＤカメラ５７のＣＣＤ素子５７ａで撮像された画像のコントラストの差として現れる。このため、観察対象物ＯＢの表面の傷、割れ（ひび）等を容易に観察することができる。ここで、試料台５５の調整機構５５ａによって観察対象物ＯＢの傾きを変えて観察対象物ＯＢに対する照明光の当たり具合を変えれば、先の照明状態では観察できなかった傷等を観察することも可能である。

しかしながら、観察の度に調整機構５５ａを用いて観察対象物ＯＢの傾きを変えるのは効率が悪い。ここで、光源５１〜５３のうちの点灯させる光源を切り替えれば観察対象物ＯＢに対する照明光の入射角度が変わるため、観察対象物ＯＢの照明状態を変えることができる。よって、調整機構５５ａを操作しなくとも、光源５１〜５３の切り替えにより観察対象物ＯＢの照明状態を素早く且つ簡便に切り替えることができる。

以上の通り、本発明の実施形態による照明装置１，２は、主光源１１，２１のみを点灯させることにより、照度分布が均一であって所定の照度を有し、且つ平行性（テレセントリック性）が高い照明光で被照明領域Ｒを照明することができる。また、主光源１１，２１に加えて補助光源１２，２２を点灯させることにより、照度分布の均一性及び平行性が若干悪化するものの、主光源１１，２１のみを点灯させた場合に得られる照度よりも高い照度を有する照明光で被照明領域Ｒを照明することができる。ここで、上述の通り、主光源１１及び補助光源１２の両方を点灯させた場合の光束の傾きは最大で８度であり平行性が大幅に悪化している訳ではない。よって、主光源１１のみを点灯させた場合よりは若干悪化するものの、照明領域Ｒは平行性が高い照明光で被照明されているということができる。

以上、本発明の実施形態による照明装置及びそれを用いた半導体検査装置について説明したが、本発明は上述した実施形態に制限されることなく、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上記第１，第２実施形態においては、主光源及び補助光源をそれぞれ１つづつ備える場合を例に挙げて説明したが、光源は２つに限られずに３つ以上であっても良い。また、上記実施形態では、主光源１１，２１及び補助光源１２，２２として、ＬＥＤ等の固体光源を備える場合を例に挙げて説明したが、ハロゲンランプ等を備えていても良い。

本発明の第１実施形態による照明装置の構成を示す断面図である。 本発明の第１実施形態による照明装置の特性の一例を示す図である。 本発明の第１実施形態による照明装置から射出される照明光の照度分布を示す図である。 本発明の第２実施形態による照明装置の構成を示す断面図である。 図４中のＡ−Ａ線に沿った断面矢視図である。 本発明の第１実施形態による照明装置を備える表面観察装置の概略構成を示す図である。 前工程での検査で用いられる半導体検査装置を示す側面図である。 前工程での検査で用いられる半導体検査装置を示す側面図である。

符号の説明

１，２ 照明装置
１１，２１ 主光源
１２，２２ 補助光源
１３ 照明光学系
３０ 導光部
３１ 均一化部材
ＡＳ 開口絞り
ＦＣ 焦点面
Ｇ１ 第１レンズ群
Ｇ２ 第２レンズ群
Ｌ１ 正メニスカスレンズ
Ｌ２ 平凸レンズ
Ｌ３ 正レンズ
Ｒ 被照明領域

Claims (10)

1. 被照明物上の所定領域を照明する照明装置において、
   像側に前記被照明物上の前記所定領域が配置される無限共役な像側テレセントリック光学系と、
   前記像側テレセントリック光学系の物体側の焦点面上における異なる領域をそれぞれ個別に照明することにより、照度分布が均一であって所定の第１照度を有する照明光と、前記第１照度よりも高い第２照度を有する照明光とを前記所定領域に切り替え可能に照射する複数の光源と
   を備えることを特徴とする照明装置。
2. 前記複数の光源は、前記焦点面上における前記像側テレセントリック光学系の焦点を含む第１領域を照明する第１光源と、
   前記第１光源とは独立して制御され、前記焦点面上における前記第１領域の周囲に位置する第２領域を照明する第２光源と
   を含むことを特徴とする請求項１記載の照明装置。
3. 前記第１領域及び前記第２領域は、前記焦点に関して点対称な領域であることを特徴とする請求項２記載の照明装置。
4. 射出端が前記焦点面上に配置され、前記複数の光源からの光を前記焦点面に導く導光部を備えることを特徴とする請求項から請求項３の何れか一項に記載の照明装置。
5. 前記導光部は、前記複数の光源の内の少なくとも１つの光源からの光の照度を均一化するオプティカルインテグレータを備えることを特徴とする請求項４記載の照明装置。
6. 前記像側テレセントリック光学系は、像側に凸面を向けた正メニスカスレンズ及び平凸レンズからなる第１レンズ群と、
   前記第１レンズ群よりも像側に配置された開口絞りと、
   前記開口絞りよりも像側に配置され、像側に凸面を向けた正レンズからなる第２レンズ群と
   を備えることを特徴とする請求項１から請求項５の何れか一項に記載の照明装置。
7. 前記第１レンズ群をなす前記正メニスカスレンズと前記平凸レンズとは、近接した状態又は接触した状態に配置されることを特徴とする請求項６記載の照明装置。
8. 前記第１レンズ群と前記第２レンズ群とは所定の間隔をもって離間して配置され、
   前記開口絞りは、前記第１レンズ群よりも前記第２レンズ群に近接した位置に配置される
   ことを特徴とする請求項６又は請求項７記載の照明装置。
9. 前記複数の光源の各々は、複数の固体光源を配列してなる固体光源アレイであることを特徴とする請求項１から請求項８の何れか一項に記載の照明装置。
10. 半導体ウェハ上の所定領域を照明して当該半導体ウェハの検査を行う半導体検査装置において、
    前記半導体ウェハ上の所定領域を、前記被照明物の所定領域として照明する請求項１から請求項９の何れか一項に記載の照明装置を備えることを特徴とする半導体検査装置。

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