JP2010139654A - 顕微鏡装置 - Google Patents

Abstract

【課題】効率良く被観察物の観察を行うことができる顕微鏡装置を提供する。
【解決手段】本発明に係る顕微鏡装置は、所定倍率の対物レンズ２７，２８（結像光学系ＯＳ２１）を介してウエハ観察像を撮像するＣＣＤ撮像素子４０と、対物レンズ２７，２８により結像されるウエハ観察像をリレーしてＣＣＤ撮像素子４０の撮像面４０ａに再結像させるとともに、撮像面４０ａにおけるウエハ観察像の結像倍率を可変させる変倍光学系３０と、変倍光学系３０により撮像面４０ａに結像されたウエハ観察像に応じてＣＣＤ撮像素子４０から出力される画像信号に基づいて形成される撮像画像を表示する画像表示部４２とを備え、変倍光学系３０は、前記結像倍率を変更させることにより、対物レンズ２７，２８により得られるウエハ観察像の全体を撮像面４０ａに収まるように結像させる低倍率モードと、ウエハ観察像を低倍率モードよりも拡大させてウエハ観察像の一部を撮像面４０ａに結像させる高倍率モードとを設定可能に構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は顕微鏡装置に関し、特に半導体ウエハ製造装置等に搭載される顕微鏡装置に関する。

顕微鏡装置は、一般に接眼レンズで被観察物を観察する。接眼レンズは視野が広く、観察者にとって観察しやすいというメリットがある。しかし、複数の人が同時に観察対象物を観察することができない。この顕微鏡装置をウエハ外観検査装置などのシステムに搭載した場合、エルゴノミクス（人間工学）的見地から、装置の設置高さや奥行きなどの配置的制約を受ける。さらに、顕微鏡装置を防振台の上などに設置した場合、観察者はその振動系の外にいるため、船酔いのような症状を起こす場合がある等のデメリットがある。一方、特許文献１に開示された顕微鏡装置のように、顕微鏡直筒部にＣＣＤカメラ等の撮像素子を搭載し、これを用いて撮像した被観察物の像をモニタに投影すれば、複数の人が同時に観察することができ、またエルゴノミクス的見地からもレイアウト（配置）の自由度が高くなる等のメリットがある。
特開２００６‐２６８００４号公報

しかしながら、このような顕微鏡装置では、一般に、撮像素子の撮像面は矩形状であり、撮像素子で得られる像は全ての素子を有効に使うには接眼レンズ視野（視野数）に最も広くとったとしても内接する矩形状の範囲であるため、接眼レンズを介した目視の視野に比して撮像素子の撮像視野が小さく、同じ倍率で観察すると接眼レンズでは観察できている被観察物の観察対象部位が撮像素子の撮像面には撮像されていない場合があった。この場合には、観察対象部位が撮像面に撮像されるように対物レンズと被観察物との位置関係を再度調整しなければならず、この作業に手間と時間が必要となり使い勝手が悪いという問題があった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、効率良く被観察物の観察を行うことができる顕微鏡装置を提供することを目的とする。

このような目的達成のため、本発明に係る顕微鏡装置は、所定倍率の対物レンズを介して被観察物像を撮像する撮像素子と、前記対物レンズにより結像される前記被観察物像をリレーして前記撮像素子の撮像面に再結像させるとともに、前記撮像面における前記被観察物像の結像倍率を可変させるリレー光学系と、前記リレー光学系により前記撮像面に結像された前記被観察物像に応じて前記撮像素子から出力される画像信号に基づいて形成される撮像画像を表示する表示部とを備え、前記リレー光学系は、前記結像倍率を変更させることにより、前記対物レンズにより得られる前記被観察物像の全体を前記撮像面に収まるように結像させる低倍率モードと、前記被観察物像を前記低倍率モードよりも拡大させて前記被観察物像の一部を前記撮像面に結像させる高倍率モードとを設定可能に構成される。

なお、上記構成の顕微鏡装置において、前記撮像素子は矩形状の前記撮像面を有し、前記リレー光学系は、前記低倍率モードにおいて前記対物レンズを通過した光により得られる円形状の前記被観察物像を前記撮像面に内接するように結像させることが好ましい。

また、上記構成の顕微鏡装置において、前記リレー光学系は、前記低倍率モードにおいて用いる低倍率光学系と、前記高倍率モードにおいて用いる高倍率光学系との切り換えにより前記結像倍率を変更させることが好ましい。または、前記リレー光学系は、ズーム光学系を用いて構成されてもよい。さらに、前記リレー光学系は、光学素子の挿抜により前記結像倍率を変更させる構成でもよい。

また、上記構成の顕微鏡装置において、前記リレー光学系は、前記低倍率モードにおいて用いる低倍率光学系と、前記高倍率モードにおいて用いる高倍率光学系とを有し、前記撮像素子は、前記低倍率光学系を介して前記被観察物像を撮像する第１撮像素子および前記高倍率光学系を介して前記被観察物像を撮像する第２撮像素子を有し、前記対物レンズからの光を前記低倍率光学系と前記高倍率光学系とに分岐させるミラー部材を備えて構成されてもよい。

本発明によれば、撮像素子の撮像面に被観察物の観察対象部位を速やかに撮像させることができ、効率良く被観察物の観察を行うことができる。

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。本発明を適用した顕微鏡装置の一例を図１および図２に示しており、この顕微鏡装置により観察対象となる半導体ウエハＷ（以下、単にウエハＷと称する）の表面状態を観察する場合について以下に説明する。この顕微鏡装置１は、図２に示すように、水平テーブル５の上に設置されウエハＷを固定保持するウエハ保持機構１０と、このウエハ保持機構１０の上方に設けられた観察装置２０と、ウエハ保持機構１０および観察装置２０の作動を制御する制御装置５０（図１を参照）とから構成される。

ウエハ保持機構１０は、水平テーブル５の面内の一方向（Ｘ方向）に移動自在なＸステージ１２、およびＸステージ１２の移動方向に対して水平テーブル５の面内で直交する方向（Ｙ方向）に移動自在なＹステージ１３からなるＸＹステージ１１と、ＸＹステージ１１（Ｙステージ１３）の上面に設けられウエハＷを保持可能なチャック１５と、ＸＹステージ１１およびチャック１５を駆動する駆動部１６（図１を参照）とを有して構成される。

チャック１５の内部には、ウエハＷを真空吸着する真空チャック構造が設けられてウエハＷを着脱可能に構成され、チャック１５に吸着保持されたウエハＷの表面（観察対象面）が上向きの水平姿勢で保持される。駆動部１６は、制御装置５０からの制御信号に基づいてＸステージ１２およびＹステージ１３をそれぞれ独立して各方向に移動させ、チャック１５に吸着保持されたウエハＷと観察装置２０における対物レンズ２７との位置関係を調整する。なお、ＸＹステージ１１には手動調整用のジョグダイヤル（図示せず）が取り付けられており、このジョグダイヤルにより各ステージを移動させてウエハＷと対物レンズ２７との位置関係を調整することも可能になっている。

観察装置２０は、ウエハ保持機構１０の上方を覆うように設置されたベース部２０ａと、このベース部２０ａに上下方向に延びて設けられた鏡筒部２０ｂと、ベース部２０ａの上部に設けられた接眼部２０ｃとから構成される。また、観察装置２０は、鏡筒部２０ｂの上端部に取り付けられたＣＣＤ撮像素子４０と、信号処理部４１と、画像表示部４２と、入力部４３とを備えて構成される（図１も参照）。なお、鏡筒部２０ｂは、不図示の駆動機構によりベース部２０ａに対して上下方向（Ｚ方向）に移動可能である。

鏡筒部２０ｂ内には、図１に示すように、光源２１、コレクタレンズ２２、開口絞り２３、視野絞り２４、コンデンサレンズ２５、ハーフミラー２６、対物レンズ２７、第２対物レンズ２８、第２ハーフミラー２９、および変倍光学系３０を備えており、接眼部２０ｃ内には接眼レンズ３５等を備えている。なお、対物レンズ２７は回転式レボルバー（図示せず）に装着された各々倍率の異なる複数の対物レンズの１つであり例えば５０倍の対物を用いることができる。観察装置２０では回転式レボルバーを駆動して対物レンズを切り換えることにより所望の観察倍率を得ることができる。

このうち、光源２１、コレクタレンズ２２、開口絞り２３、視野絞り２４、コンデンサレンズ２５、ハーフミラー２６、および対物レンズ２７が照明光学系ＯＳ１を構成しており、対物レンズ２７、ハーフミラー２６、第２対物レンズ２８、第２ハーフミラー２９、変倍光学系３０、および接眼レンズ３５が観察光学系ＯＳ２を構成している。また、対物レンズ２７と第２対物レンズ２８とが結像光学系ＯＳ２１を構成し、変倍光学系３０が結像光学系ＯＳ２１によって結像されたウエハＷの像（以下、ウエハ観察像と称する）をリレーし、ＣＣＤ撮像素子４０の撮像面に再結像させるリレー光学系を成している。

照明光学系ＯＳ１の光源２１から出射された照明光は、コレクタレンズ２２、開口絞り２３、視野絞り２４およびコンデンサレンズ２５を介してハーフミラー２６に照射される。ハーフミラー２６は入ってきた照明光の一部の光を透過して残りの光を反射するものであり、ハーフミラー２６で反射された照明光は、対物レンズ２７によりチャック１５に保持されたウエハＷの視野範囲に集光されて照射される（いわゆるケーラー照明）。

ウエハＷに集光照射された照明光は、ウエハＷの表面で反射され、再び対物レンズ２７に入射してハーフミラー２６を透過し、第２対物レンズ２８に入射して集光され、第２ハーフミラー２９に照射される。第２ハーフミラー２９は、上記ハーフミラー２６と同様に、入ってきた観察光の一部の光を反射して残りの光を透過するものであり、第２ハーフミラー２９で反射された観察光は接眼レンズ３５によって結像される。このとき、観察者は結像光学系ＯＳ２１（対物レンズ２７，２８）によって結像される像と同一範囲のウエハ観察像を接眼レンズ３５を介して観察することが可能である。一方、第２ハーフミラー２９を透過した観察光は、変倍光学系３０を介してＣＣＤ撮像素子４０の撮像面４０ａに再結像される。

変倍光学系３０は、接眼レンズ３５を介して観察可能なウエハ観察像（視野範囲）の全体をＣＣＤ撮像素子４０の撮像面４０ａに収まるように結像させる低倍率光学系３１と、低倍率光学系３１により結像されるウエハ観察像を拡大させてその一部を撮像面４０ａに結像させる高倍率光学系３２と、第２ハーフミラー２９を透過した観察光の光軸上に低倍率光学系３１もしくは高倍率光学系３２を挿入する倍率切換機構（図示せず）とを有して構成される。この変倍光学系３０は、対物レンズ２７および第２対物レンズ２８からなる結像光学系ＯＳ２１によって結像（形成）されたウエハ観察像をリレーし、ＣＣＤ撮像素子４０の撮像面４０ａに再結像させるとともに、低倍率光学系３１と高倍率光学系３２との切り換えにより撮像面４０ａにおけるウエハ観察像の結像倍率を可変させる。

なお、変倍光学系３０は、上記のように低倍率光学系と高倍率光学系との切換方式に代えて、ズームレンズ方式または光学素子（レンズ）の挿抜方式により倍率を変更させる構成としてもよい。

ＣＣＤ撮像素子４０は、複数の受光部が２次元に配列された矩形状の撮像面４０ａを有しており、変倍光学系３０を介して撮像面４０ａに形成されたウエハ観察像に応じて、各々の受光部に電荷が蓄積される。そして、ＣＣＤ撮像素子４０の各受光部に蓄積された電荷は、ＣＣＤを介して転送され、画像信号として信号処理部４１に出力される。信号処理部４１では、ＣＣＤ撮像素子４０から出力される画像信号をデジタルデータ化し、デジタル画像として制御装置５０内のメモリ（記憶装置）に出力する。

制御装置５０は、信号処理部４１により形成されたウエハＷの撮像画像（デジタル画像）を記憶するとともに、その撮像画像を画像表示部４２において表示する。また、制御装置５０は、駆動部１６によるＸＹステージ１１のＸＹ方向移動制御、観察装置２０における鏡筒部２０ｂのＺ方向移動制御、変倍光学系３０における低倍率光学系３１と高倍率光学系３２との切換作動制御等を行う。なお、制御装置５０による各作動制御は、観察者による入力部４３からの入力信号（制御信号）に基づいて行うことも可能である。

以下、このような構成を有する顕微鏡装置１を用いてウエハＷの表面状態を観察する手順について説明する。まず、回転式レボルバー（図示せず）を回転させて所望の観察倍率（例えば５０倍）を有する対物レンズ２７に切り換える。そして、チャック１５にウエハＷを保持し、駆動部１６によりＸＹステージ１１を移動させてウエハＷの表面（観察対象面）を鏡筒部２０ｂの対物レンズ２７の下方に対向して位置させる。このとき、ＸＹステージは、制御装置５０からの制御信号に基づいて、Ｘステージ１２およびＹステージ１３をそれぞれ独立して各方向に移動させ、チャック１５に保持されたウエハＷ上の所望の観察対象部位を対物レンズ２７と対向するように位置させる。そして、照明光学系ＯＳ１によりウエハ表面に照明光を照射する。

次に、変倍光学系３０において観察光の光軸上に低倍率光学系３１を挿入するとともに、鏡筒部２０ｂを上下方向に移動させて最も鮮鋭なウエハ観察像が得られるようにフォーカス調整を行う。このとき、ＣＣＤ撮像素子４０の撮像面４０ａには、図３(ａ）に示すように、結像光学系ＯＳ２１により得られる円形状のウエハ観察像の全体、すなわち接眼レンズ３５を介して観察可能な円形状の観察範囲Ａ（以下、顕微鏡視野Ａと称する）と同一範囲のウエハ観察像が結像される（低倍率モード）。詳細には、円形状の顕微鏡視野Ａと同一範囲のウエハ観察像が、ＣＣＤ撮像素子４０の矩形状の撮像面４０ａ（撮像範囲）に内接するように結像される。このように結像された顕微鏡視野Ａと同一範囲で広視野のウエハ観察像は、ＣＣＤ撮像素子４０において画像信号に光電変換され、さらに信号処理部４１を介してデジタル画像に変換され、制御装置５０内のメモリに記憶されるとともに、画像表示部４２に表示される。

続いて、ＸＹステージ１１を移動させてウエハ表面における観察対象部位（例えば、図３に示す観察対象物Ｃ）が、ＣＣＤ撮像素子４０を介して観察可能な矩形状の観察範囲Ｂ（以下、ＣＣＤ視野Ｂと称する）の中心部近傍に位置するように調整する。このとき、観察者は、画像表示部４２に表示された顕微鏡視野Ａと同一範囲のウエハ観察画像を見ながら、入力部４３からの入力信号またはＸＹステージに設けられたジョグダイヤル（図示せず）の手動操作に基づいて、Ｘステージ１２およびＹステージ１３を各方向に移動させ、ウエハ表面の観察対象部位がＣＣＤ視野Ｂの中心部近傍に位置するように調整する。

ウエハ表面における観察対象部位をＣＣＤ視野Ｂの中心部近傍に位置させると、変倍光学系３０において観察光の光軸上にある低倍率光学系３１と高倍率光学系３２とを切り換えて、該光軸上に高倍率光学系３２を挿入する。このとき、ＣＣＤ撮像素子４０の撮像面４０ａには、図３(ｂ）に示すように、観察対象部位およびその周辺が拡大されたウエハ観察像が撮像面に結像される（高倍率モード）。例えば、円形状の顕微鏡視野Ａのウエハ観察像が、矩形状のＣＣＤ視野Ｂに外接する以上に拡大されて、撮像面４０ａの全面に観察対象部位およびその周辺のウエハ観察像が結像される。この観察対象部位のウエハ観察像は、上記同様に、ＣＣＤ撮像素子４０において画像信号に光電変換され、さらに信号処理部４１を介してデジタル画像に変換され、制御装置５０内のメモリに記憶されるとともに、ＣＣＤ視野Ｂ全体で得られる高画質なウエハ観察画像として画像表示部４２に表示される。

このように顕微鏡装置１では、低倍率モードにおいて、接眼レンズ３５を介して観察可能な観察範囲Ａ（顕微鏡視野Ａ）と同一範囲のウエハ観察像をＣＣＤ撮像素子４０の撮像面４０ａに結像させることができる。そのため、観察者は、低倍率光学系３１を介して形成された広視野（顕微鏡視野Ａと同一範囲）のウエハ観察画像が表示される画像表示部４２を見て、現在表示されているウエハＷの表面位置を容易に把握することができる。そして、ウエハＷの観察対象部位をＣＣＤ視野Ｂの中心部近傍に位置させた後、低倍率光学系３１を高倍率光学系３２に切り換えることにより、高倍率光学系３２を介してＣＣＤ視野全体で得られる高画質なウエハＷの観察対象部位の画像を画像表示部４２に表示させて、ウエハ表面における観察対象部位の状態を詳細に観察することができる。このようにしてウエハＷの観察対象部位における高画質なウエハ観察画像を速やかに表示させることができ、効率よくウエハ表面の観察を行うことができる。

次に、図２および図４を参照して上記実施形態と一部異なる第２実施形態について説明する。なお、上記実施形態と同じ機能を有するものについては、同じ付番をしてその説明を省略する。この顕微鏡装置１００は、ウエハ保持機構１０と、このウエハ保持機構１０の上方に設けられた観察装置１２０と、制御装置５０とから構成される。

観察装置１２０は、上記観察装置２０と同様に、ウエハ保持機構１０の上方を覆うように設置されたベース部２０ａと、このベース部２０ａに上下方向に延びて設けられた鏡筒部１２０ｂと、ベース部２０ａの上部に設けられた接眼部２０ｃとから構成される。また、観察装置１２０は、鏡筒部１２０ｂの上端部に取り付けられた第１，第２ＣＣＤ撮像素子１４０，１４５と、信号処理部４１と、画像表示部４２と、入力部４３とを備えて構成される。なお、鏡筒部１２０ｂも、不図示の駆動機構によりベース部に対して上下方向（Ｚ方向）に移動可能である。

鏡筒部１２０ｂ内には、図４に示すように、光源２１、コレクタレンズ２２、開口絞り２３、視野絞り２４、コンデンサレンズ２５、ハーフミラー２６、対物レンズ２７、第２対物レンズ２８、第３ハーフミラー６１、第２ハーフミラー２９、第４ハーフミラー６２、低倍率光学系３１および高倍率光学系３２を備えており、接眼部２０ｃ内には接眼レンズ３５等を備えている。

このうち、対物レンズ２７、ハーフミラー２６、第２対物レンズ２８、第３ハーフミラー６１、第２ハーフミラー２９、接眼レンズ３５、高倍率光学系３２、第４ハーフミラー６２および低倍率光学系３１が観察光学系ＯＳ３を構成しており、高倍率光学系３２および低倍率光学系３１が結像光学系ＯＳ２１によって結像されたウエハ観察像をリレーし、第１，第２ＣＣＤ撮像素子１４０，１４５の撮像面にそれぞれ再結像させるリレー光学系を成している。

照明光学系ＯＳ１によりウエハＷに集光照射された照明光は、ウエハＷの表面で反射され、再び対物レンズ２７に入射してハーフミラー２６を透過し、第２対物レンズ２８に入射して集光され、第３ハーフミラー６１に照射される。第３ハーフミラー６１は、上記ハーフミラー２６等と同様に、入ってきた観察光の一部の光を反射して残りの光を透過するものであり、第３ハーフミラー６１を透過した観察光は第２ハーフミラー２９に到達し、ここで反射された光は接眼レンズ３５によって結像される。一方、第２ハーフミラー２９を透過した観察光は、高倍率光学系３２を介して第１ＣＣＤ撮像素子１４０の撮像面１４０ａに再結像される。また、第３ハーフミラー６１で反射された観察光は、第４ハーフミラー６２（これも上記ハーフミラー２６等と同様の構成である）に到達し、ここで反射された観察光が、低倍率光学系３１を介して第２ＣＣＤ撮像素子１４５に再結像される。

上述のように、高倍率光学系３２および低倍率光学系３１は、対物レンズ２７および第２対物レンズ２８からなる結像光学系ＯＳ２１によって結像（形成）されたウエハ観察像をリレーし、第１，第２ＣＣＤ撮像素子１４０，１４５の各撮像面に互いに倍率の異なるウエハ観察像を再結像させる。

第１，第２ＣＣＤ撮像素子１４０，１４５は、上記ＣＣＤ撮像素子４０と同様に、複数の受光部が２次元に配列された矩形状の撮像面１４０ａ，１４５ａを有しており、高倍率光学系３２および低倍率光学系３１を介して各撮像面に形成されたウエハ観察像に応じて、各々の受光部に電荷が蓄積される。そして、各ＣＣＤ撮像素子の各受光部に蓄積された電荷は、ＣＣＤを介して転送され、画像信号として信号処理部４１に出力される。信号処理部４１では、各ＣＣＤ撮像素子から出力される画像信号をデジタルデータ化し、デジタル画像として制御装置５０内のメモリ（記憶装置）に出力する。

このような構成を有する顕微鏡装置１００では、まず、回転式レボルバー（図示せず）を回転させて所望の観察倍率を有する対物レンズ２７に切り換える。そして、駆動部１６によりＸＹステージ１１を移動させてウエハＷ上の所望の観察対象部位を対物レンズ２７と対向するように位置させ、照明光学系ＯＳ１によりウエハ表面に照明光を照射する。そして、鏡筒部１２０ｂを上下方向に移動させて最も鮮鋭なウエハ観察像が得られるようにフォーカス調整を行う。

このとき、第２ＣＣＤ撮像素子１４５の撮像面１４５ａには、図５(ａ）に示すように、円形状の顕微鏡視野Ａと同一範囲のウエハ観察像が内接するように結像される（低倍率モード）。また、第１ＣＣＤ撮像素子１４０の撮像面１４０ａには、図５(ｂ）に示すように、円形状の顕微鏡視野Ａのウエハ観察像が撮像面１４０ａに外接する以上に拡大されて結像される（高倍率モード）。ここで、顕微鏡視野Ａの端部にある観察対象部位（例えば、図５(ａ）に示す観察対象物Ｃ）は、第２ＣＣＤ撮像素子１４５の撮像面１４５ａには結像されるが、第１ＣＣＤ撮像素子１４０の撮像面１４０ａには結像されない。このように結像された各ウエハ観察像は、上記同様に、各ＣＣＤ撮像素子において画像信号に光電変換され、さらに信号処理部４１を介してデジタル画像に変換され、制御装置５０内のメモリに記憶されるとともに、画像表示部４２に同時に（もしくは片方ずつ）表示される。

続いて、ＸＹステージ１１を移動させてウエハ表面における観察対象部位（観察対象物Ｃ）が、ＣＣＤ視野Ｂの中心部近傍に位置するように調整する。このとき、観察者は、画像表示部４２に表示された顕微鏡視野Ａと同一範囲のウエハ観察画像、すなわち低倍率光学系３１および第２ＣＣＤ撮像素子１４５を介して形成されたウエハ観察画像を見ながら、入力部４３からの入力信号またはＸＹステージに設けられたジョグダイヤル（図示せず）の手動操作に基づいて、Ｘステージ１２およびＹステージ１３を各方向に移動させ、ウエハ表面の観察対象部位がＣＣＤ視野Ｂの中心部近傍に位置するように調整する。このようにして観察対象部位をＣＣＤ視野Ｂの中心部近傍に位置させると、図５(ｃ）に示すように、第１ＣＣＤ撮像素子１４０の撮像面１４０ａに観察対象部位およびその周辺のウエハ観察像が結像されて画像表示部４２にＣＣＤ視野Ｂ全体で得られる高画質なウエハ観察画像として表示される。

このように顕微鏡装置１００では、低倍率モードにおいて、接眼レンズ３５を介して観察可能な観察範囲Ａ（顕微鏡視野Ａ）と同一の範囲のウエハ観察像を第２ＣＣＤ撮像素子１４５の撮像面１４５ａに結像させることができる。そのため、観察者は、低倍率光学系３１および第２ＣＣＤ撮像素子１４５を介して形成された広視野（顕微鏡視野Ａと同一範囲）のウエハ観察画像が表示される画像表示部４２を見て、現在表示されているウエハＷの表面位置を容易に把握することができる。そして、ウエハＷの観察対象部位をＣＣＤ視野Ｂの中心部近傍に位置させることにより、高倍率光学系３２および第１ＣＣＤ撮像素子１４０を介してＣＣＤ視野Ｂ全体で得られる高画質な観察対象部位の画像を画像表示部４２に表示させて、ウエハ表面における観察対象部位の状態を詳細に観察することができる。このようにしてウエハＷの観察対象部位における高画質なウエハ観察画像を速やかに表示させることができ、効率よくウエハ表面の観察を行うことができる。

次に、図２および図６を参照して上記実施形態と一部異なる第３実施形態について説明する。なお、上記実施形態と同じ機能を有するものについては、同じ付番をしてその説明を省略する。この顕微鏡装置２００は、ウエハ保持機構１０と、このウエハ保持機構１０の上方に設けられた観察装置２２０と、制御装置５０とから構成される。

観察装置２２０は、上記観察装置２０と同様に、ウエハ保持機構１０の上方を覆うように設置されたベース部２０ａと、このベース部２０ａに上下方向に延びて設けられた鏡筒部２２０ｂと、ベース部２０ａの上部に設けられた接眼部２０ｃとから構成される。また、鏡筒部２２０ｂも、不図示の駆動機構によりベース部に対して上下方向（Ｚ方向）に移動可能である。

鏡筒部２２０ｂ内には、図６に示すように、光源２１、コレクタレンズ２２、開口絞り２３、視野絞り２４、コンデンサレンズ２５、ハーフミラー２６、対物レンズ２７、第２対物レンズ２８、ミラー７１、第２ハーフミラー２９、第４ハーフミラー６２、低倍率光学系３１、高倍率光学系３２およびミラー７１を光路に対して挿脱する挿脱機構７０を備えており、接眼部２０ｃ内には接眼レンズ３５等を備えている。

このうち、対物レンズ２７、ハーフミラー２６、第２対物レンズ２８、ミラー７１、第２ハーフミラー２９、接眼レンズ３５、高倍率光学系３２および低倍率光学系３１が観察光学系ＯＳ４を構成しており、高倍率光学系３２および低倍率光学系３１が結像光学系ＯＳ２１によって結像されたウエハ観察像をリレーしＣＣＤ撮像素子４０の撮像面に再結像させるリレー光学系を成している。

照明光学系ＯＳ１によりウエハＷに集光照射された照明光は、ウエハＷの表面で反射され、再び対物レンズ２７に入射してハーフミラー２６を透過し、第２対物レンズ２８に入射して集光され、挿脱機構７０によりミラー７１が光路上に挿入されている場合はミラー７１に照射され、挿脱機構７０によりミラー７１が光路上から抜かれているときには高倍率光学系３２または低倍率光学系３１に照射される。また、挿脱機構７０によりミラー７１が光路上に挿入されている場合はミラー７１で反射した光は接眼レンズ３５によって結像される。一方、挿脱機構７０によりミラー７１が光路上から抜かれているときは透過した観察光は、高倍率光学系３２あるいは低倍率光学系３１を介してＣＣＤ撮像素子４０の撮像面４０ａに再結像される。

このような構成を有する顕微鏡装置２００では、まず、回転式レボルバー（図示せず）を回転させて所望の観察倍率を有する対物レンズ２７に切り換える。そして、駆動部１６によりＸＹステージ１１を移動させてウエハＷ上の所望の観察対象部位を対物レンズ２７と対向するように位置させ、照明光学系ＯＳ１によりウエハ表面に照明光を照射する。そして、鏡筒部２２０ｂを上下方向に移動させて最も鮮鋭なウエハ観察像が得られるようにフォーカス調整を行う。

第３実施形態では、ミラー７１によって光路を切り換えているため目視観察・高倍率光学系３２または低倍率光学系３１を用いたＣＣＤ撮像素子４０による観察のいずれの場合でも、ウエハＷの表面で反射され光をロスすることなく観察することができる。また、挿脱機構７０によりミラー７１が光路上に挿入されている状態での接眼レンズ３５を用いた目視観察から、挿脱機構７０によりミラー７１が光路上から抜かれた状態でＣＣＤ撮像素子４０による観察を時に低倍率光学系３１を用いて容易にすることで、目視観察の観察範囲とＣＣＤ撮像素子４０を用いた観察範囲を同じにすることができ違和感が生じない。

以上のように構成された顕微鏡装置１，１００，２００によれば、観察者は、結像光学系ＯＳ２１により得られるウエハ観察像全体の撮像画像を見て、ウエハ表面の位置を容易に把握でき、観察対象部位を速やかに探し出すことができるとともに、観察対象部位を探すときよりも拡大されたウエハ観察画像を見て、ウエハ表面における観察対象部位の状態を詳細に観察することができ、効率よくウエハ表面の観察を行うことができる。また、低倍率モード時にはウエハ観察像を撮像面４０ａ（１４５ａ）に内接するように結像させるため、ＣＣＤ撮像素子の撮像面を最大限利用した撮像画像に基づいて観察対象部位を速やかに探し出すことができる。また、２つのＣＣＤ撮像素子１４０，１４５を設けることにより、低倍率モードおよび高倍率モードにおけるウエハ観察画像を画像表示部４２に同時に表示することが可能であり、これによって更に効率よくウエハ表面の観察を行うことができる。

なお、上述の実施形態において、変倍光学系３０は第２ハーフミラー２９とＣＣＤ撮像素子４０の間に配置されているが、第２対物レンズ２８と第２ハーフミラー２９の間に配置されてもよい。その場合には変倍光学系３０における低倍率光学系３１と高倍率光学系３２とを切り換えることにより接眼レンズ３５を介して観察可能な範囲も変化する。

本発明に係る顕微鏡装置を構成する観察装置の構成図である。 本発明に係る顕微鏡装置の概略構成図である。 （ａ）は低倍率モード時の顕微鏡視野とＣＣＤ視野との関係を示す説明図であり、（ｂ）は高倍率モード時の顕微鏡視野とＣＣＤ視野との関係を示す説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る顕微鏡装置を構成する観察装置の構成図である。 (ａ）は低倍率モード時の顕微鏡視野とＣＣＤ視野との関係を示す説明図であり、（ｂ），（ｃ）は高倍率モード時の顕微鏡視野とＣＣＤ視野との関係を示す説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る顕微鏡装置を構成する観察装置の構成図である。

符号の説明

Ｗ 半導体ウエハ（被観察物） １，１００，２００ 顕微鏡装置
２０，１２０，２２０ 観察装置 ２７ 対物レンズ
２８ 第２対物レンズ ３０ 変倍光学系（リレー光学系）
３１ 低倍率光学系 ３２ 高倍率光学系
４０ ＣＣＤ撮像素子（撮像素子） ４２ 画像表示部（表示部）
６１ 第３ハーフミラー（ミラー部材） ６２ 第４ハーフミラー（ミラー部材）
７１ ミラー
１４０ 第１ＣＣＤ撮像素子（第２撮像素子）
１４５ 第２ＣＣＤ撮像素子（第１撮像素子）

Claims (6)

1. 所定倍率の対物レンズを介して被観察物像を撮像する撮像素子と、
   前記対物レンズにより結像される前記被観察物像をリレーして前記撮像素子の撮像面に再結像させるとともに、前記撮像面における前記被観察物像の結像倍率を可変させるリレー光学系と、
   前記リレー光学系により前記撮像面に結像された前記被観察物像に応じて前記撮像素子から出力される画像信号に基づいて形成される撮像画像を表示する表示部とを備えた顕微鏡装置であって、
   前記リレー光学系は、前記結像倍率を変更させることにより、前記対物レンズにより得られる前記被観察物像の全体を前記撮像面に収まるように結像させる低倍率モードと、前記被観察物像を前記低倍率モードよりも拡大させて前記被観察物像の一部を前記撮像面に結像させる高倍率モードとを設定可能に構成されることを特徴とする顕微鏡装置。
2. 前記撮像素子は矩形状の前記撮像面を有し、
   前記リレー光学系は、前記低倍率モードにおいて前記対物レンズを通過した光により得られる円形状の前記被観察物像を前記撮像面に内接するように結像させることを特徴とする請求項１に記載の顕微鏡装置。
3. 前記リレー光学系は、前記低倍率モードにおいて用いる低倍率光学系と、前記高倍率モードにおいて用いる高倍率光学系との切り換えにより前記結像倍率を変更させることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の顕微鏡装置。
4. 前記リレー光学系は、ズーム光学系からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の顕微鏡装置。
5. 前記リレー光学系は、光学素子の挿抜により前記結像倍率を変更させることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の顕微鏡装置。
6. 前記リレー光学系は、前記低倍率モードにおいて用いる低倍率光学系と、前記高倍率モードにおいて用いる高倍率光学系とを有し、
   前記撮像素子は、前記低倍率光学系を介して前記被観察物像を撮像する第１撮像素子および前記高倍率光学系を介して前記被観察物像を撮像する第２撮像素子を有し、
   前記対物レンズからの光を前記低倍率光学系と前記高倍率光学系とに分岐させるミラー部材を備えて構成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の顕微鏡装置。

Images