JP2013044879A - 光学顕微鏡装置及びこれを備えた検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】パターン段差の小さいウエハなど、明視野観察では十分なコントラストが得られない試料に対してコントラストの高い画像の観察又は撮像を可能にする。
【解決手段】撮像に用いる対物レンズを通して試料を照明し、撮像光学系に開口フィルタを設けて、明視野観察成分の光を大幅に減衰させて撮像する。
【選択図】図１

Description

本発明は、明視野観察ではコントラストが低く観察が困難な試料を、高いコントラストで顕微観察又は撮像する光学顕微鏡装置及びこれを備えた検査装置に関する。

光又は荷電粒子線を用い、半導体ウエハその他の試料を検査する検査装置においては、検査対象とする試料（例えば半導体ウエハ）を検査ステージに搭載する際に、試料面の法線を回転軸とする回転と、試料面に平行な面内での直交２軸方向の位置を正確に定めること（アライメント）が必要とされている。

従来装置（例えば、特許文献１を参照）においては、低倍率の光学顕微鏡を用いて試料上の複数箇所にある特定パターンを撮像し、当該特定パターンが所定の位置に見えるように試料を回転及び／又は平行移動し、位置決めを行っている。光学顕微鏡には、明視野の光学顕微鏡が用いられる。なお、撮像された画像から特定パターンを認識するには、特定パターンが背景に対して高いコントラストを有していることが必要とされる。

特開２００８−１６６３２０号公報 特開２００３−１４９１６９号公報

近年におけるパターンの微細化に伴い、アライメントに用いる撮像画像において、パターンのコントラストが十分に取れなくなっている。結果的に、パターンの認識に失敗し、アライメントがうまく行かない問題が生じている。これは、リソグラフィーの工程で堆積されるレジスト膜や、デバイスを構成する導体や半導体材料の膜厚の減少が一因であると考えられている。膜厚の減少により、レジスト膜に形成されたパターンや、導体や半導体材料にエッチングにより形成されたパターンの段差が、パターンの撮像に用いる可視光の波長と比べて１桁以上小さくなっている。この結果、明視野の光学顕微鏡によっては、パターンのコントラストが十分に得られなくなっている。

コントラスト不足に対する対策として、画像処理によるパターン強調や、明暗視野対物レンズを用いた暗視野観察によるエッジ強調が考えられる。しかし、前者は画像のノイズも強調することになるため、パターンの認識が難しくなるケースが生じている。一方、後者は、その照明効率の低さから撮像画像の明るさが不足し、撮像に時間をかけてスループットを落とさないとアライメントができないという問題がある。さらに、後者は、太い対物レンズを必要とする。この対物レンズは、光学顕微鏡を半導体ウエハ等の試料を検査する検査装置に実装する際の制約条件となり、装置の大型化を招く等の問題がある。

本発明は、以上の課題を考慮してなされたものであり、パターン段差の小さい試料においても、パターン像を十分なコントラストにより安定的に得ることができる小型の光学顕微鏡装置とこれを備えた検査装置を実現する。

本発明は、観察又は撮像に用いる対物レンズを通して試料を照明し、撮像光学系に開口フィルタを設けて、明視野観察成分の光を大幅に減衰させて撮像することにある。

本発明により、パターンの段差が小さく明視野観察では十分なコントラストが得られない試料においても、パターン像を十分なコントラストで安定的に得ることができる。上述した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

光学顕微鏡装置の概略構成を示す図。 光学顕微鏡装置に設置して好適な一組の開口フィルタのうち一方の構成を示す図。 光学顕微鏡装置に設置して好適な一組の開口フィルタのうち他方の構成を示す図。 光学顕微鏡装置に設置して好適な開口フィルタの他の構成を示す図。 光学顕微鏡装置のビームスプリッタの構造例を示す図。 光学顕微鏡装置のビームスプリッタの構造例を示す図。 光学顕微鏡装置の他の概略構成を示す図。 光学顕微鏡装置のビームスプリッタの構造例を示す図。 光学顕微鏡装置のビームスプリッタの構造例を示す図。 光学顕微鏡装置の他の概略構成を示す図。 光学顕微鏡装置の他の概略構成を示す図。 光を透過する試料を観察する場合の光学顕微鏡装置の概略構成を示す図。 照明光と光学系の組み合わせによる照明効果を説明する図。 照明光と光学系の組み合わせによる照明効果を説明する図。 照明光と光学系の組み合わせによる照明効果を説明する図。 照明光と光学系の組み合わせによる照明効果を説明する図。 光学顕微鏡装置を備えた検査装置の概略構成を示す図。 光学顕微鏡装置により観察する試料の構造例を示す図。 光学顕微鏡装置によって撮像される画像の信号例を示す図。 光学顕微鏡装置のセンサ出力例を示す図。 光学顕微鏡装置のセンサ出力例を示す図。 光学顕微鏡装置のセンサ出力例を示す図。

以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態を説明する。なお、本発明の実施態様は、後述する形態例に限定されるものではなく、その技術思想の範囲において、種々の変形が可能である。

［装置構成１］
図１に、実施例に係る光学顕微鏡装置１００ａの概略的な構成を示す。図１は、試料を落斜照明で照明し、試料からの反射光を取得して撮像する装置について表している。

光学顕微鏡装置１００ａは、照明光源１１０、照明光学系１２０、結像光学系１６５、カメラ１９５、ＡＤ変換器１９７、画像処理装置１９８から構成され、結像光学系１６５の物体面１７０に載置された試料の画像１９９を出力する。

照明光源１１０には、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、水銀ランプ、キセノンランプなどが用いられる。なお、照明光は、照明光源１１０からライドガイドを用いて照明光学系１２０に導いても良い。また、照明光源１１０には、発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザダイオード（ＬＤ）を用いても良い。照明光源１１０から放射された光は、照明光学系１２０、ビームスプリッタ１５０、対物レンズ１６０を経て、結像光学系１６５の物体面１７０に載置された試料に照射される。

照明光学系１２０は、照明レンズ、試料面と共役な位置に配置された視野絞り１３０、対物レンズ１６０の瞳面に配置された照明光学系の開口フィルタ１４０ｂを備える。試料で反射された光は、結像光学系１６５を経てカメラ１９５の撮像素子１９３に導かれる。

結像光学系１６５は、対物レンズ１６０、ビームスプリッタ１５０、結像光学系の開口フィルタ１８０ｄ、結像レンズ１９０を備える。結像光学系の開口フィルタ１８０ｄは、対物レンズ１６０の瞳面、すなわち、照明光学系の開口フィルタ１４０ｂと共役な位置に配置される。ビームスプリッタ１５０は、表面に概略一様な透過率分布を持つ薄膜が形成された平板型の素子、又は、内部に概略一様な透過率分布を持つ薄膜が形成されたキューブ型の素子が用いられる。

カメラ１９５の撮像素子１９３には、画素が２次元に配置されたＣＣＤエリアセンサが用いられる。ただし、ＣＣＤリニアセンサやＴＤＩ(Time Delay Integration)センサのように、画素が直線上に並んだリニアセンサを用い、試料を移動させて２次元の画像を取得しても良い。また、撮像素子１９３の形式は、ＣＭＯＳセンサ、又はフォトダイオードアレイ等でも良い。カメラ１９５で光電変換された画像信号は、ＡＤ変換器１９７でデジタル信号に変換され、画像処理装置１９８に送られる。画像処理装置１９８は、階調変換、ノイズ低減処理等の画像処理を実行し、最終的に得られた画像１９９を出力する。

［開口フィルタの構成］
光学顕微鏡装置１００ａで使用する一対の開口フィルタ１４０ｂ及び１８０ｄの構造例を、図２Ａ、図２Ｂ及び図３に示す。なお、図２Ａに示す開口フィルタと図２Ｂに示す開口フィルタで一対の開口フィルタを構成し、図２Ａに示す開口フィルタと図３に示す開口フィルタで他の一対の開口フィルタを構成する。

図２Ａは、照明光学系１２０に用いる開口フィルタ１４０ｂの例である。図２Ａに示す開口フィルタは、中央に円形状の開口を有している。対物レンズ１６０の瞳の直径をｄ１とすると、開口フィルタ１４０ｂは、ｄ１より小さい直径ｄ３の開口内で透過率１００％、その外側で透過率０％（遮光）の透過特性を有している。この構造の開口フィルタ１４０ｂを用いると、コヒーレンスファクタσ＝ｄ３／ｄ１（＜１）の照明が実現される。このように、光軸付近の光を照明に用いると、物体面１７０の照明光の強度分布を一様にし易く、視野端での明るさの低下が小さい画像を得ることが可能となる。このため、開口ファイルタ１４０ｂの構成は、画像処理におけるパターン認識の際に、高い認識率を確保するのに適している。

図２Ｂは、結像光学系１６５の開口フィルタ１８０ｄの例である。対物レンズ１６０の瞳の直径をｄ１とすると、開口フィルタ１８０ｄは、その直径をｄ１とする円とそれより小さい直径ｄ２の円により挟まれた輪帯の開口内で透過率１００％、直径ｄ１の円の外側と直径ｄ２の円の内側で透過率０％（遮光）の透過特性を有している。本明細書においては、この輪帯の開口を有する開口フィルタを、「輪帯開口絞り」ともいう。本実施例の場合、開口フィルタ１８０ｄは薄い板材で作製され、中心部分の直径ｄ２の円形状の遮光部材を外側の４方向から支持する構成を採用する。このために、支持部が形成された部分だけは、直径ｄ１と直径ｄ２の間の領域であっても透過率０％（遮光）である。なお、図２Ｂにおいて、支持部材は、ｘ軸とｙ軸に対して平行に形成される。

本実施例の場合、直径ｄ３＞直径ｄ２を満たす例を示している。この条件を満たす場合、物体面１７０に導かれた照明光１２５ｂのうち物体面１７０で散乱又は回折を受けずに正反射された成分（正反射光成分）の一部（結像光学系１６５内の開口フィルタ１８０ｄの設置面において、光軸から離れた位置を通る成分１８５ｄ）は、開口フィルタ１８０ｄの中心付近の遮光部で遮られることなくカメラ１９５の撮像素子１９３面に到達し、像形成に寄与する。

また、物体面１７０に導かれた照明光１２５ｂのうち物体面１７０で散乱又は回折を受けた成分の一部（結像光学系１６５内の開口フィルタ１８０ｄの設置面において、光軸から離れた位置を通る成分１８５ｂ）は、開口フィルタ１８０ｄの輪帯開口部分を通ってカメラ１９５の撮像素子１９３面に到達し、像形成に寄与する。

前者の成分は明視野光成分に相当し、後者の成分は暗視野光成分に相当する。従って、この例では、カメラ１９５で撮影される画像は、エッジが強調された暗視野画像的な画像に、全体が明るい明視野画像的な画像成分が加算された画像となる。

なお、図２Ｂにおいては、輪帯開口の中心側に設けられる遮光部を支える４本の支持部材が、物体面１７０に形成されたパターンと平行又は直角になるように配置する例を示している。すなわち、４本の支持部材がｘ軸とｙ軸に対して平行に形成される例を示している。支持部材の配置をこのようにすることで、半導体ウエハ等の縦横パターン（図１のｘ軸方向又はｙ軸方向に平行なパターン）が主である試料を観察する際に、画像の見え方の等方性を維持し、歪のない良好な画像を観察することが可能になる。

これに対し、図３に示すように、４本の支持部材を光軸に対して４５度回転させた位置に配置した開口フィルタを、結像光学系１６５の開口フィルタ１８０ｄに用いたとしても、図２Ｂに示す構成の開口フィルタを用いる場合と同等の効果を得ることができる。

なお、従来の光学顕微鏡で用いられる明暗視野対物レンズ用の開口フィルタは、輪帯開口の中心側に設ける遮光部を３方向から支持することが多い。しかし、画像の見え方の等方性が問題とならない場合には、本実施例の開口フィルタにおいても、輪帯開口の中心側に設ける遮光部を３方向から支持する構成を採用しても良い。

［ビームスプリッタの構成］
図４Ａ及び図４Ｂに、ビームスプリッタ１５０の他の構造例を示す。ビームスプリッタ１５０の平面領域は、透過領域１５０ａと反射領域１５０ｂで構成される。この実施例の場合、ビームスプリッタ１５０は透過性の基板で構成され、反射領域１５０ｂに対応する基板表面には、光を５０％以上反射させる膜を形成する。因みに、透過領域１５０ａは、透過性の基板で構成されているため、光が透過する。

この構造のビームスプリッタ１５０を用いる場合、物体面１７０で反射された光１８５ｂの透過率を高くすることができる。この場合、より明るい画像１９９を得ることができる。

しかし、図４Ａに示すように、照明光学系１２０に開口フィルタ１４０ｂを設け、ビームスプリッタ１５０の反射領域１５０ｂと透過領域１５０ａの境界面に照明光が当たらないように、開口フィルタ１４０ｂの遮光領域を設定することが必要である。もしそのような設定が存在しない場合、ビームスプリッタ１５０の反射領域１５０ｂと透過領域１５０ａの境界面で散乱された照明光が結像レンズ１９０を経て撮像素子１９３に入射し、画像１９９のコントラストを低下させてしまうためである。

また、試料の特性に応じて照明特性を変える必要がある場合には、ビームスプリッタ１５０も交換（切り替え）することが必要となる。もっとも、ビームスプリッタ１５０の交換（切り替え）は、照明光学系１２０の開口フィルタ１４０ｂを単に切り替える場合又は可変型の開口フィルタにより開口サイズを変える場合と比し、格段に高精度の切り替え機構が必要となり、実現が難しいものとなる。

なお、ビームスプリッタ１５０の反射領域１５０ｂの反射率は、用途によって最適化することが望ましい。照明効率を高めたい場合には、反射率を１００％近くに設定すれば良い。ただし、反射率が１００％の場合には、物体面１７０において散乱及び／又は回折を受けずに正反射された成分（正反射光成分）のうちの一部の成分１８５ｄ（結像光学系の開口フィルタ１８０ｄの設置面で、光軸から離れた位置にある成分１８５ｄ）が、ビームスプリッタ１５０で反射されてしまい像形成に寄与しなくなってしまうことに注意が必要である。

正反射性分による像形成への寄与が必要な場合には、ビームスプリッタ１５０のうち反射領域１５０ｂの反射率を、５０％から１００％の間の低めの値に設定することが好ましい。反射率は、像の明るさと見え方のバランスが試料面上のパターンの認識に最適となるように設定すれば良い。

［装置構成２］
図５に、実施例に係る光学顕微鏡装置１００ｂの概略的な構成を示す。図５には、図１との対応部分に同一符号を付して表している。図５と図１の違いは、照明光学系１２０の開口フィルタ１４０ａと結像光学系１６５の開口フィルタ１８０ｃの特性である。

この実施例の場合、照明光学系の開口フィルタ１４０ａとして、図２Ｂ又は図３に示す構造の輪帯開口を使用する。また、結像光学系の開口フィルタ１８０ｃとして、図２Ａに示す円形状の開口を使用する。

さらに、照明光学系の開口フィルタ１４０ａの中心の遮光部の直径ｄ２と、結像光学系の開口フィルタ１８０ｃの円形開口の直径ｄ３は、ｄ３＞ｄ２の関係を満たすものとする。このとき、照明光学系１２０から射出される輪帯照明光１２５ａのうち物体面１７０（試料）で散乱及び／又は回折を受けずに正反射された成分（正反射光成分）の一部（結像光学系１６５の開口フィルタ１８０ｃの設置面において、光軸に近い位置を通る成分１８５ｃ）は、開口フィルタ１８０ｃで遮られることなくカメラ１９５の撮像素子１９３に到達し、像形成に寄与する。

また、物体面１７０（試料）で散乱及び／又は回折を受けた成分のうち結像光学系の開口フィルタ１８０ｃの設置面で光軸に近い位置を通る成分１８５ａは、結像光学系の開口フィルタ１８０ｃの開口部分を通ってカメラ１９５の撮像素子１９３に到達し、像形成に寄与する。

前者の成分は明視野光成分に相当し、後者の成分は暗視野光成分に相当する。従って、この例の場合にも、図１と類似の原理により、カメラ１９５で撮影される画像は、エッジが強調された暗視野画像的な画像に、全体が明るい明視野画像的な画像成分が加算された画像となる。

なお、この実施例に示したような輪帯照明は、照明光学系内に開口フィルタ１４０ａを用いなくても実現することができる。例えばビームスプリッタ１５０を構成する透明な基体の表面に、光軸から遠ざかる周辺領域は光を反射する一方で、光軸付近の中心部分は光を透過させる膜を形成しても良い。

しかし、この場合には、ビームスプリッタ１５０の反射領域と透過領域の境界面で散乱された照明光が結像レンズ１９０を経て撮像素子１９３に入射する。このため、画像１９９のコントラストが低下することが避けられない。

そこで、図５に示すように、ビームスプリッタ１５０には、概略一様な透過率分布を有する薄膜が基体表面に形成された素子を用い、照明光学系の開口フィルタ１４０ａと組み合わせて輪帯状の照明を実現する。この組み合わせ構成により、コントラストの高い鮮明な画像を取得することが可能となる。

また、照明光学系の開口フィルタ１４０ａを設けた上で、さらに図６Ａ及び図６Ｂに示す構成のビームスプリッタ１５０を用いても良い。図６Ａ及び図６Ｂに示すビームスプリッタ１５０のうち外周部分の黒く塗りつぶした領域が光の反射領域１５０ｂであり、中央部分が光を透過させる透過領域１５０ａである。具体的には、反射領域１５０ｂに対応する形状の反射膜をビームスプリッタ１５０の表面に形成すれば良い。

なお、ビームスプリッタ１５０の反射領域１５０ｂ（反射率５０％以上）と透過領域１５０ａの境界面には照明光が当たらないように、照明光学系１２０側の開口フィルタ１４０ａの遮光領域を設定する。これにより、前述した散乱光の影響を回避し、コントラストの高い画像を得ることが可能となる。

この実施例の場合、上述した効果に加え、試料面で反射された光成分に対するビームスプリッタ１５０の透過率を高めることができる。このため、本実施例は、より明るい画像を得ることができる。ビームスプリッタ１５０の反射領域１５０ｂの反射率は、前述の通り、用途に応じて最適化することが望ましい。

［装置構成３］
図７に、実施例に係る光学顕微鏡装置１００ｃの概略的な構成を示す。図７には、図１との対応部分に同一符号を付して表している。図７と図１の違いは、照明光学系１２０の開口フィルタ１４０ｂと結像光学系１６５の開口フィルタ１８０ｂの特性である。

この実施例の場合、図１に示す実施例と同様に、照明光学系１２０の開口フィルタ１４０ｂとして、図２Ａに示す円形状の開口を有するものを使用する。また、結像光学系１６５の開口フィルタ１８０ｂとして、図２Ｂ又は図３に示す輪帯開口を有するものを使用する。

ただし、照明光学系の開口フィルタ１４０ｂの円形開口の直径ｄ３と、結像光学系の開口フィルタ１８０ｂの中心に位置する遮光部の直径ｄ２との関係は、ｄ３≦ｄ２の関係を満たすものとする。このとき、照明光学系１２０から射出される照明光１２５ｂのうち試料で散乱及び／又は回折を受けずに正反射された成分（正反射光成分）は、結像光学系の開口フィルタ１８０ｂで完全に遮光され、像形成には寄与しない。一方、試料で散乱及び／又は回折を受けた成分のうち、結像光学系の開口フィルタ１８０ｂの面内において光軸から離れた位置を通る成分１８５ｂは、結像光学系の開口フィルタ１８０ｂの輪帯開口部分を通ってカメラ１９５の撮像素子１９３に到達し、像形成に寄与する。

この実施例では、明視野光成分に相当する光の成分が結像に寄与せず、暗視野光成分だけが結像に寄与する。従って、この実施例の場合、カメラ１９５で撮影される画像は、エッジが強調された暗視野画像となる。

なお、図１及び図７に示したように、結像光学系の開口フィルタが輪帯状の開口を有する場合には、空間周波数の低い領域のＭＴＦの係数が回折限界のＭＴＦに比べて低くなる。この結果、撮像された画像の先鋭度が低くなる場合がある。先鋭度が低くなる場合には、画像処理装置１９８において、撮像された画像に対して逆フィルタを適用し、コントラストが低下した空間周波数成分を強調すれば良い。

開口フィルタによるＭＴＦの低下は、焦点ずれによるボケと異なり、ＭＴＦの係数がゼロになる空間周波数が無い。従って、逆フィルタによってノイズが支配的になってしまうことも無く、画像の先鋭度を回復することが可能となる。

［装置構成４］
図８に、実施例に係る光学顕微鏡装置１００ｄの他の概略的な構成を示す。図８には、図１との対応部分に同一符号を付して表している。図８と図１の違いは、照明光学系１２０の開口フィルタ１４０ａと結像光学系の開口フィルタ１８０ａの特性である。

この実施例の場合、照明光学系の開口フィルタ１４０ａとして、図２Ｂ又は図３に示した輪帯状の開口を有するものを使用する。また、結像光学系の開口フィルタ１８０ａとして、図２Ａに示した円形状の開口を有するものを使用する。

さらに、照明光学系の開口フィルタ１４０ａの中心に位置する遮光部の直径ｄ２と、結像光学系の開口フィルタ１８０ａの円形開口の直径ｄ３は、ｄ３≦ｄ２の関係を満たしている。このとき、照明光学系１２０から射出される輪帯照明光１２５ａのうち試料で散乱及び／又は回折を受けずに正反射された成分（正反射光成分）は、結像光学系の開口フィルタ１８０ａで完全に遮光され、像形成には寄与しない。一方、試料で散乱及び／又は回折を受けた成分のうち結像光学系の開口フィルタ１８０ａの面内において光軸に近い位置を通る成分１８５ａは、結像光学系の開口フィルタ１８０ａの開口部分を通ってカメラ１９５の撮像素子１９３に到達し、像形成に寄与する。

この実施例の場合、明視野光成分に相当する光の成分が結像に寄与せず、暗視野光成分だけが結像に寄与する。従って、この実施例の場合、カメラ１９５で撮影される画像は、エッジが強調された暗視野画像となる。

［装置構成５］
図９に、実施例に係る光学顕微鏡装置１００ｅの概略的な構成を示す。図９には、図１との対応部分に同一符号を付して表している。本実施例に係る光学顕微鏡装置１００ｅは、透過物体の観察向けに、透過照明光学系を採用する点を特徴とする。例えば光学顕微鏡装置１００ｅは、ガラス基板等の観察や検査に適用して好適である。

この実施例の場合、照明光学系の開口フィル１４０ａとして、図２Ｂ又は図３に示した輪帯状の開口を使用する。また、結像光学系の開口フィルタ１８０ｃとして、図２Ａに示した円形状の開口を使用する。

さらに、照明光学系の開口フィルタ１４０ａの中心に位置する遮光部の直径ｄ２と、結像光学系の開口フィルタ１８０ｃの円形開口の直径ｄ３は、ｄ３＞ｄ２の関係を満たしている。このとき、照明光学系１２０から射出される輪帯照明光１２５ａのうち試料で散乱及び／又は回折を受けずに透過した成分（透過光成分）の一部（結像光学系の開口フィルタ１８０ｃの面内において、光軸に近い側を通る成分１８５ｃ）は、結像光学系の開口フィルタ１８０ｃで遮られずにカメラ１９５の撮像素子１９３に到達し、像形成に寄与する。

また、試料で散乱及び／又は回折を受けた成分であって、結像光学系の開口フィルタ１８０ｃの面内にて光軸付近を通る成分１８５ａは、結像光学系の開口フィルタ１８０ｃの開口部分を通ってカメラ１９５の撮像素子１９３に到達し、像形成に寄与する。

前者の成分は明視野光成分に相当し、後者の成分は暗視野光成分に相当する。従って、この実施例の場合にも、図１と類似の原理により、カメラ１９５で撮影される画像は、エッジが強調された暗視野画像的な画像に、全体が明るい明視野画像的な画像成分が加算された画像となる。

［各装置による撮像の効果］
図１０Ａ及び図１０Ｂを用い、各実施例に係る撮像方法の効果を説明する。図１０Ａは、輪帯照明で試料を照明して暗視野観察する場合における照明光の光路と試料表面における反射光の光路を示している。

実際には、試料に入射する照明光と、当該照明光に対して光軸を挟んで対向する位置から入射する照明光による試料での反射光は重なり合う。しかし、図１０Ａ及び図１０Ｂにおいては、反射光の散乱による広がりが分かるように、対向関係にある他方の照明光の光路を省略して表している。

図中に示す角度θ₁ は、結像光学系の物体側ＮＡに対応する角度であり、照明光の入射角の最小値でもある角度を示している。一方、角度θ₂ は、照明光の入射角の最大値を示している。角度θ₃ は、反射光の試料面法線に対する角度の最小値を示している。

試料面にパターンが形成されている場合、回折及び／又は散乱の影響により反射光は広がり、θ₃ はθ₁ より小さくなる。この場合、反射光の一部（角度θ₃ と角度θ₁ の間にある成分）が、結像光学系の開口フィルタ１８０ａの開口を通り抜け、カメラ１９５の撮像素子１９３に到達し、明るい点として撮像される。

一方、図１０Ｂは、結像用の対物レンズ１６０の外側に暗視野照明用の光学素子１６２を備えたレンズ構成を採用する場合を示している。この場合、暗視野照明用の光学素子１６２を通る輪帯照明により試料（対物面１７０）を照明し、暗視野観察する。この図の場合も、図１０Ａの場合と同様に、散乱による反射光の広がりが分かるように、光軸を挟んで対向する位置から入射する照明光は、図では省略して表している。

図中に示す角度θ₁ は、結像光学系の物体側ＮＡに対応する角度を示している。角度θ₂ は照明光の入射角の最大値を示し、角度θ₄ は照明光の入射角の最小値を示している。一方、角度θ₅ は、反射光の試料面法線に対する角度の最小値を示している。

試料面にパターンがある場合には、回折や散乱の影響で反射光が広がり、θ₅ はθ₄ より小さくなる。特にθ₅ がθ₁ より小さくなる場合には、反射光の一部が、結像光学系の開口フィルタ１８０ａの開口を通り抜けてカメラ１９５の撮像素子１９３に到達し、明るい点として撮像される。

図１０Ｂが図１０Ａと異なるのは、θ₅ がθ₄ とθ₁ の間にある場合には像に寄与しない点である。試料面上のパターンの段差が、例えば波長の１／１０以下の場合のように、波長に比べて非常に小さい場合には、散乱光の広がり（すなわち、θ₅ とθ₄ の差）は小さく、θ₅ がθ₄ とθ₁ の間に入ってしまうことがある。θ₄ とθ₁ の差が小さくなるように対物レンズ１６０と暗視野照明用の光学素子１６２のホルダを構成すれば良いが、構造的限界でゼロにすることはできない。

従って、図１０Ｂの場合には、非常に小さい段差を持ったパターンは、像として捕らえることができない場合がある。これに対し、図１０Ａに示す構成（各実施例の方法）は
、図１０Ｂのθ₄ とθ₁ の差に相当する角度をゼロにすることが可能であり、非常に小さい段差を持ったパターンを像として捕らえることに適している。

［応用装置１］
図１１Ａ及び図１１Ｂに、図５に示す光学顕微鏡装置１００ｂに用いて好適な他の光学系の構成例を示す。ここでは、光学顕微鏡装置１００ｂによる撮像を、結像用の対物レンズ１６０の外側に配置した暗視野照明用の光学素子１６２を用いて実現する方法について説明する。

図１１Ａは、完全な暗視野で撮像する場合の設定を示している。このため、暗視野照明用の光学素子１６２を通して照明光を試料（物体面１７０）に照射し、直接の反射光を結像光学系の開口フィルタ１８０ａで完全に遮光する。

図１１Ｂは、図５に示す光学顕微鏡装置１００ｂにおいて、明視野光成分と暗視野光成分を合せて撮像する方式の実施例を示している。図１１Ｂの場合、輪帯状に入射される照明光の幅を輪帯の内側方向に広げ、照明光の一部が対物レンズ１６０を通して試料（物体面１７０）に到達するようにしている。こうすることで、暗視野照明用の光学素子１６２を通過した暗視野照明成分と、対物レンズ１６０を通過した明視野照明成分の両者が寄与した像を撮像することが可能となる。

［応用装置２］
図１２に、前述した装置構成を応用した検査装置の全体構成例を示す。図１２に示す検査装置は、検査用の画像の取得に用いられる荷電粒子線装置と、試料を所定位置にアライメントする際に用いられる光学顕微鏡装置１００ｆにより構成される。

本実施例の場合、荷電粒子線装置には、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）装置を使用する。ＳＥＭ装置は、ＳＥＭ装置制御部３３０により制御される。一方、光学顕微鏡装置１００ｆは、光学顕微鏡制御部３２０により制御される。検査装置の全体は、ユーザインターフェースを備えたシステム制御部３１０により制御される。

ＳＥＭ装置では、電子源１から発生された電子が一次電子加速電極２で加速され、コンデンサレンズ４を経て対物レンズ７に導かれる。ここでの電子は対物レンズ７より集束され、一次電子線として試料８に照射される。一次電子線の照射位置からは二次電子９が発生される。

二次電子９は反射板５に衝突して新たな二次電子を発生し、反射板５で発生された二次電子が二次電子検出器１０で補足される。二次電子検出器１０に入射する電子の量に応じ、二次電子検出器１０の出力が変化する。

ＳＥＭ装置では、走査コイル６による電子ビームの偏向により、電子ビームが試料表面を走査する。走査に同期して、二次電子検出器１０の出力を画像の濃淡に変換して記録することにより、試料表面の形状を二次元画像として取得することができる。この画像を用いることにより、試料上のパターンの寸法検査、試料上のパターン欠陥の検査、試料上の異物等の検査を実行することができる。

光学顕微鏡装置１００ｆには、図１、図５、図７、図８に示す光学顕微鏡装置のいずれをも使用することができる。本実施例では、図８に示す構成の光学顕微鏡装置１００ｄを使用する。なお、本例の場合、ビームスプリッタ１５０には、概略一様な透過率分布を有する薄膜を形成した平板型の素子を使用する。また、本例の場合、照明光学系の開口フィルタ１４０ａと結像光学系の開口フィルタ１８０ａのそれぞれに、フィルタ切り替え機構１４２及び１８２を搭載する。

照明光学系のフィルタ切り替え機構１４２は、輪帯開口を有する開口フィルタ１４０ａと円形開口を有する開口フィルタ１４０ｂの２種を切り替え対象とする。一方、結像光学系のフィルタ切り替え機構１８２は、円形開口を有する開口フィルタ１８０ａと輪帯開口を有する開口フィルタ１８０ｂの２種を切り替え対象とする。

照明光学系の開口フィルタと結像光学系の開口フィルタは、いずれも透過で使用する開口フィルタであり、0.1mm程度のずれは許容可能である。このため、安価な切り替え機構を用いることができる。

このフィルタ切り替え機構１４２及び１８２の搭載により、１台の光学顕微鏡装置１００ｆを、図７に示す光学顕微鏡装置１００ｃ又は図８に示す光学顕微鏡装置１００ｄとして選択的に使用することが可能となる。または、フィルタ切り替え機構１４２及び１８２の搭載により、１台の光学顕微鏡装置１００ｆを、図１に示す光学顕微鏡装置１００ａ又は図５に示す光学顕微鏡装置１００ｂとして選択的に使用することが可能となる。すなわち、開口フィルタの切り替えにより、１台の光学顕微鏡装置１００ｆにより２種類の光学系構造を実現することができる。

さらに、虹彩絞り（iris diaphragms）を個々の開口フィルタに適用し、開口フィルタの開口サイズを可変とすれば、図１、図５、図７、図８に示す４種類の光学系を１つの光学顕微鏡装置により実現することができる。

なお、コスト高になるが、図４Ａ、図４Ｂ及び図６Ａ、図６Ｂに示すように、反射領域１５０ｂと透過領域１５０ａを有するビームスプリッタ１５０を採用し、複数のビームスプリッタ１５０を切り替え可能としても良い。切り替え機構の搭載により、照明光の利用効率を最適化することが可能となり、消費電力の少ない光源を用いて、より明るい画像を得ることが可能となる。

［試料の観察］
図１３に、明視野観察では、低いコントラストしか得られない試料の例を示す。（ａ）は試料１７０の平面図を、（ｂ）は試料１７０のＡ−Ａ’断面図を示している。試料１７０は、基板１７２とパターン１７４から構成される。半導体ウエハの場合、パターン１７４は、直線で構成されることが多い。もっとも、孤立パターンでは、曲線形状のパターン１７４もあり得る。図１３では、線幅Ｗでパターン高さ（段差）ｈの直線から構成される矩形パターンを示した。

パターン１７４の材質は、Ｓｉ基板上のエッチングパターンの場合のように基板１７２と同一の場合もあるが、レジスト等の光を透過する材料の場合もある。前者の場合には、パターン１７４の高さｈが観察又は撮像する光の波長より小さくなると、明視野観察ではコントラストが低く、パターンの判別が困難となる。一方、後者の場合には、パターン１７４の高さｈが比較的大きくても明視野観察ではコントラストが低く、パターンの判別が困難となる。どちらの場合も背景部分とパターン部分で光の反射率に差がつかないからである。

図１４に、図１３に示したパターン１７４の観察像の特徴を示す。なお、（ａ）は試料の光学像を示している。（ｂ）と（ｃ）は、Ａ−Ａ’ラインでの試料の光学像の明るさのプロファイルを示している。因みに、（ｂ）に示すプロファイルは、明視野観察画像のプロファイルの例である。（ｃ）に示すプロファイルは、暗視野観察画像のプロファイルの例である。

前述したように、背景部分とパターン部分で光の反射率に差がない試料の場合には、明視野観察で得られる光学像は、（ｂ）のプロファイルに示すように、全体的に明るい像となる。なお、パターン部分では、光の散乱により像に寄与する光量が若干減る。このため、パターンが暗く見える場合が多い。

背景部分の明るさを”ｄ”、パターン部分の明るさの低下量を”ｃ”とすると、光学的コントラストＣ_ＢＦは、
Ｃ_ＢＦ≒ｃ／(２ｄ)
により表すことができる。従って、背景部分とパターン部分で光の反射率に差がない試料の場合には、光学的コントラストＣ_ＢＦは小さい値となる。

一方、暗視野観察で得られる光学像は、（ｃ）のプロファイルに示すように、全体的に暗い画像となる。図７又は図８に示したように、パターンの無い部分では、照明光の正反射光成分が結像光学系において全て遮光される。このため、撮像素子１９３により取得される光学像は暗くなる。一方、パターン部では、光の散乱によって若干の光が結像光学系を通過して像に寄与する。このため、パターンが明るく見える。背景部分の明るさをｂ、パターン部分の明るさをａとすると、光学的コントラストＣ_ＤＦは、
Ｃ_ＤＦ＝（ａ−ｂ）／（ａ＋ｂ）
により表すことができる。従って、パターン部分で散乱される光を多く結像光学系に取り込めれば、コントラストを高めることが可能となる。

このように、明視野観察ではコントラストが低くなるパターンの観察には、暗視野観察が適している。

しかし、暗視野観察では、光学像をカメラ１９５で撮像する際に明るさ不足が問題となる。図１５に、撮像素子１９３の撮像面に形成される光学像の明るさと、カメラ１９５のアナログ信号出力の関係を示す。横軸は光学像の明るさを示し、縦軸はカメラ１９５のアナログ出力信号レベルを示している。また、曲線２１０は、カメラ１９５の光電変換特性を示している。

カメラ１９５のアナログ出力信号は、ＡＤ変換器１９７によってデジタル信号に変換される。図１５の縦軸に示す幅ｐの目盛りは、ＡＤ変換の際のステップ幅を示している。曲線２１０に示すように、カメラ１９５の光電変換特性は、光強度が強い領域では線形であるが、光強度が弱い領域で線形でなくなることが多い。一方で、暗視野観察で得られる光学像は、背景が暗い上に、パターン部分の光強度も弱いことが多い。

図１４の（ｃ）に示すプロファイル（背景の明るさがｂ、パターン部の明るさがａで表される）を図１５の横軸上で表すと、明るさａ、ｂともに非線形領域に入ってしまう。この場合、カメラ１９５のアナログ出力信号の振幅は最大でもレベルｅとなり、ＡＤ変換した際に０となってしまう。すなわち、出力画像１９９では、パターンそのものを認識できなくなってしまう。

この解決方法には、照明光源１１０としてより出力の大きいものを用いる方法、照明光学系１２０の照明効率を高める方法等が考えられる。試料に照射する光量を増やすことができれば、図１５に示すように、背景の明るさをｂ’、パターン部分の明るさをａ’に増やすことができる。この場合、パターン部分に対応するアナログ出力信号の最大振幅レベルはｅ’となり、ＡＤ変換後も検出可能なレベルになる。

しかし、出力の大きな光源は、体積が大きくなる、コストが高くなる、開発に時間がかかる等の問題がある。また、照明効率には理論限界があり、あまり改善の余地はない。

一方、別の対策として、カメラ１９５の光電変換のゲインを高めることも考えられる。図１６に、この場合の原理図を示す。曲線２２０は、ゲインを高めたカメラ１９５の光電変換特性を示している。図に示すように、ゲインを高めることによって、光強度が一定レベル以上の領域では、光強度に対する出力信号のレベルを高めることが可能になる。ところが、図に示す明るさａ、ｂのように、光強度がそもそも低い領域では、アナログ出力信号のレベルはほとんど変化せず、カメラ１９５のゲインを高める効果は得られない。

これに対し、図１又は図５に示す光学顕微鏡装置の場合には、暗視野観察で得られる光学像に正反射光成分を加えることにより、光学像の背景明るさをカメラ１９５で検出可能なレベルに持ち上げることができる。その上、こうして得られる光学像を光電変換ゲインの高いカメラ１９５で撮像する。

図１７に、図１又は図５に示す光学顕微鏡装置を用いる場合にカメラ１９５から出力されるアナログ出力信号の波形を示す。まず、横軸を見て分かるように、暗視野光成分の光学像に正反射光成分を加えることにより、像の背景明るさがｂからｆに高められている。この光成分を光電変換ゲインの高いカメラ１９５で撮像することにより、本来はｅのレベルしか得られなかったパターン部分のアナログ出力信号のレベルをｇに増やすことができる。結果的に、前述した実施例の手法を用いれば、出力の大きい照明光源１１０を用いなくても、ＡＤ変換後も検出可能なレベルのアナログ出力信号を得ることができる。

［まとめ］
以上説明したように、各実施例に係る装置構成の採用により、従来の明視野観察では十分なコントラストが得られなかった試料に対しても十分なコントラストを得ることが可能となる。そして、各光顕微鏡装置を半導体ウエハの検査装置に適用することにより、ウエハのアライメントに必要なパターンコントラストを安定的に得ることが可能になる。

［他の装置例］
前述の実施例では、結像光学系１６５を構成する対物レンズ１６０を通して照明光を試料（対物面１７０）に導く例を説明したが、従来の明暗視野対物レンズで用いられているように、照明光を対物レンズの外側から試料に導く方式と併用しても良い。

前述の実施例の場合には、基本的に試料が反射物体である場合について説明したが、装置構成５に示したように、透過物体を透過照明で観察する場合にも適用できる。

なお、本発明は上述した形態例に限定されるものでなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上述した形態例は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある形態例の一部を他の形態例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある形態例の構成に他の形態例の構成を加えることも可能である。また、各形態例の構成の一部について、他の構成を追加、削除又は置換することも可能である。

１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄ、１００ｅ、１００ｆ…光学顕微鏡装置
１１０…照明光源
１２０…照明光学系
１６５…結像光学系
１８０ａ、１８０ｂ、１８０ｃ、１８０ｄ…結像光学系の開口フィルタ
１９３…撮像素子
１４０ａ、１４０ｂ…照明光学系の開口フィルタ
１７０…結像光学系の物体面（試料面）

Claims (16)

1. 試料の拡大像を観察又は撮像する光学顕微鏡装置において、
   照明光源と、
   前記照明光源からの光を試料に導く照明光学系と、
   試料からの光を集め、像を形成する結像光学系と、
   結像光学系のシステム開口を規定する位置に配置され、正反射光成分を減衰させる第１の開口フィルタと、
   結像光学系の像面に配置され、光学像を電気信号に変換する撮像素子と、
   照明光学系中で、前記第１の開口フィルタと共役な位置に配置された第２の開口フィルタと
   を有することを特徴とする光学顕微鏡装置。
2. 請求項１に記載の光学顕微鏡装置において、
   前記第１及び第２の開口フィルタのうちの一方は、コヒーレンスファクタが１未満（σ＜１）の円形状の開口を有し、他方は輪帯状の開口を有する
   ことを特徴とする光学顕微鏡装置。
3. 請求項２に記載の光学顕微鏡装置において、
   前記第１の開口フィルタはコヒーレンスファクタが１未満（σ＜１）の円形状の開口を有し、前記第２の開口フィルタは輪帯状の開口を有する
   ことを特徴とする光学顕微鏡装置。
4. 請求項２に記載の光学顕微鏡装置において、
   前記第２の開口フィルタはコヒーレンスファクタが１未満（σ＜１）の円形状の開口を有し、前記第１の開口フィルタは輪帯状の開口を有する
   ことを特徴とする光学顕微鏡装置。
5. 請求項２に記載の光学顕微鏡装置において、
   前記輪帯状の開口は、非光透過性の円板状の第１の部材と、前記開口に対して外側に位置して前記開口の外延を規定する非光透過性の第２の部材で挟まれた空間として形成され、前記第１の部材を支持するように前記第２の部材から延びる支持部材は、試料面に形成されたパターンに対して平行又は直角に配置される
   ことを特徴とする光学顕微鏡装置。
6. 請求項５に記載の光学顕微鏡装置において、
   前記支持部材は４つであり、前記第１の部材を四方向から支持する
   ことを特徴とする光学顕微鏡装置。
7. 請求項１に記載の光学顕微鏡装置において、
   前記結像光学系により形成される光学像の平均明るさが、前記撮像素子による光電変換特性が線形な領域に入るように、前記第１の開口フィルタの透過特性と前記第２の開口フィルタの透過特性の関係を定める
   ことを特徴とする光学顕微鏡装置。
8. 請求項１に記載の光学顕微鏡装置において、
   前記照明光学系からの光を結像光学系の対物レンズを通して試料に照射する
   ことを特徴とする光学顕微鏡装置。
9. 荷電粒子源と、荷電粒子線が照射される試料を保持する試料ステージと、前記荷電粒子源から放射された荷電粒子線を試料上で走査させる走査コイルと、前記荷電粒子線が照射した試料から得られる信号を検出する検出器とを有する荷電粒子線装置と、
   照明光源と、前記照明光源からの光を前記試料に導く照明光学系と、試料からの光を集め、像を形成する結像光学系と、結像光学系のシステム開口を規定する位置に配置され、正反射光成分を減衰させる第１の開口フィルタと、結像光学系の像面に配置され、光学像を電気信号に変換する撮像素子と、照明光学系中で、前記第１の開口フィルタと共役な位置に配置された第２の開口フィルタとを有する光学顕微鏡と
   を有する検査装置。
10. 請求項９に記載の検査装置において、
    前記第１及び第２の開口フィルタのうちの一方は、コヒーレンスファクタが１未満（σ＜１）の円形状の開口を有し、他方は輪帯状の開口を有する
    ことを特徴とする検査装置。
11. 請求項１０に記載の検査装置において、
    前記第１の開口フィルタはコヒーレンスファクタが１未満（σ＜１）の円形状の開口を有し、前記第２の開口フィルタは輪帯状の開口を有する
    ことを特徴とする検査装置。
12. 請求項１０に記載の検査装置において、
    前記第２の開口フィルタはコヒーレンスファクタが１未満（σ＜１）の円形状の開口を有し、前記第１の開口フィルタは輪帯状の開口を有する
    ことを特徴とする検査装置。
13. 請求項１０に記載の検査装置において、
    前記輪帯状の開口は、非光透過性の円板状の第１の部材と、前記開口に対して外側に位置して前記開口の外延を規定する非光透過性の第２の部材で挟まれた空間として形成され、前記第１の部材を支持するように前記第２の部材から延びる支持部材は、試料面に形成されたパターンに対して平行又は直角に配置される
    ことを特徴とする検査装置。
14. 請求項１３に記載の検査装置において、
    前記支持部材は４つであり、前記第１の部材を四方向から支持する
    ことを特徴とする検査装置。
15. 請求項９に記載の検査装置において、
    前記結像光学系により形成される光学像の平均明るさが、前記撮像素子による光電変換特性が線形な領域に入るように、前記第１の開口フィルタの透過特性と前記第２の開口フィルタの透過特性の関係を定める
    ことを特徴とする検査装置。
16. 請求項９に記載の検査装置において、
    前記照明光学系からの光を結像光学系の対物レンズを通して試料に照射する
    ことを特徴とする検査装置。

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