JP2015111222A - 照明装置、光学検査装置及び光学顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】光量の損失を抑えつつ、ムラのない均一な照明光を照射することができる、特に点光源化が進められた場合に好適に用いられる照明装置を提供する。【解決手段】光Ｌａを出射する光源２と、光Ｌｃを光入射面４ａから入射し、内部で多重反射させた後、光出射面４ｂから出射する多重反射素子４と、光Ｌｂの光線角度分布を変化させる光学素子３と、多重反射素子４の光出射面４ｂから出射された光Ｌｄを拡散させる光拡散素子５と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、照明装置、光学検査装置及び光学顕微鏡に関する。

例えば、半導体ウェハの検査には、光学検査装置が一般的に用いられる。光学検査装置では、検査対象となる半導体ウェハに照明光を照射し、半導体ウェハの表面で反射した光によって得られる画像を撮像し、この画像から欠陥の有無等を検査することが行われている。また、光学顕微鏡においても、観察対象に照明光を照射し、その透過光又は反射光によって得られる画像を撮像することがある。

このような光学検査装置や光学顕微鏡では、例えばＣＣＤ(Charge Coupled Device) やＣＭＯＳ(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)などの撮像素子を用いたデジタルカメラによって撮像が行われる。しかしながら、デジタルカメラを用いた場合には、撮像素子が輝度変化に対して敏感であるために、照明光にムラがあると、その影響が顕著に現れる。したがって、光学検査装置や光学顕微鏡に用いられる照明装置（照明光学系）では、ムラのない均一な照明光を照射することが求められる。

また、光学検査装置では、半導体ウェハに対する欠陥の検出感度を上げる方法として、半導体ウェハの表面に照射される照明光の光量や光線角度分布、波長、偏光方向などのパラメータを調整することが行われている。半導体ウェハには、様々な回路パターンが存在するため、ウェハ毎に最適なパラメータが存在する。その中でも、半導体ウェハに入射する光線角度分布を均一にすることで、検出感度が上がる回路パターンがある。

光学検査装置用の照明装置では、光源として超高圧水銀ランプを用い、この光源から出射された光をリフレクターにより反射して、後段の光学系に向かって集光させる。しかしながら、半導体ウェハに照射される照明光の光量分布は、上述した光学系に入射する光の光線角度を反映して不均一なものとなる。すなわち、この照明光の瞳面における光量分布は、図８（Ａ），（Ｂ）に示すように、超高圧水銀ランプのバルブの影により中心部の光量が最も小さくなり、影を抜けた位置で光量が最も高く、そこから外周部に向かって光線強度が徐々に低下したものとなる。なお、図８（Ａ）は、この場合の照明光の瞳面における面内光量分布を示すグラフである。図８（Ｂ）は、図８（Ａ）に示す面内光量分布の中心を通る断面光量分布を示すグラフである。

そこで、駆動電圧のオン／オフにより傾きが変化する微細なミラーが複数配列されたＤＭＤ(Digital Micromirror Device)素子を用いて、各ミラーにより照明光の光線角度分布を変化させながら、半導体ウェハに照射される照明光の光量分布を均一化することが提案されている（特許文献１を参照。）。しかしながら、ＤＭＤ素子を用いた場合、照明光の瞳面における光量分布は、図９（Ａ），（Ｂ）に示すように、中心部から外周部に向かって均一化されるものの、ミラーの反射率が低いために、光量が全体的に低下したものとなる。なお、図９（Ａ）は、この場合の照明光の瞳面における面内光量分布を示すグラフである。図９（Ｂ）は、図９（Ａ）に示す面内光量分布の中心を通る断面光量分布を示すグラフである。

照明光の光量は、あらゆる半導体パターンを検査する際に必要となるパラメータである。このため、半導体ウェハの検査を行う上で、十分な光量を確保することは必須である。したがって、ＤＭＤ素子を用いた場合は、照明光の光量分布を均一化できるものの、検出感度を上げるのに十分な光量を確保することは困難である。

一方、同心円方向に透過率を異ならせた光学素子を用いて、照明光の光線角度分布を変化させることが提案されている（特許文献２を参照。）。この光学素子を用いた場合、照明光の瞳面における光量分布は、図１０（Ａ），（Ｂ）に示すように、光量の損失を抑えつつ、中心部から外周部に向かって均一なものとなる。なお、図１０（Ａ）は、この場合の照明光の瞳面における面内光量分布を示すグラフである。図１０（Ｂ）は、図１０（Ａ）に示す面内光量分布の中心を通る断面光量分布を示すグラフである。

国際公開第２００５／０２６８４３号 特開２００７−３３７９０号公報

ところで、近年の光学検査装置では、検出感度の更なる向上を図るために、照明装置の点光源化、すなわち発光点の小さい点光源を用いることが進められている。また、照明装置では、光源から出射された光を光入射面から入射し、内部で多重反射させた後、光出射面から出射するロッドインテグレータ（多重反射素子）を用いて、照明光の面内光量分布を均一化することが行われている。

しかしながら、照明装置の点光源化が進められた場合、ロッドインテグレータの光入射面に集光される光のスポットは、この光入射面よりも十分に小さいものとなる。この場合、照明光の瞳面における光量分布は、図１１（Ａ），（Ｂ）に示すように、中心部が外周部に向かって不均一なものになるのに加えて、多重反射による周期的な光強度分布が発生することになる。なお、図１１（Ａ）は、この場合の照明光の瞳面における面内光量分布を示すグラフである。図１１（Ｂ）は、図１１（Ａ）に示す面内光量分布の中心を通るＸ軸（横軸）方向とＹ軸（縦軸）方向との断面光量分布を示すグラフである。

さらに、上述した光学素子を用いて、照明光の光線角度分布を変化させたときのＸ軸（横軸）方向における断面光量分布のグラフを図１２に示す。図１２に示すように、光学素子を用いた場合には、Ｘ軸方向に周期的に並ぶ各光強度分布の光量を均一化できるものの、多重反射による周期的な光強度分布を消すことは不可能である。

本発明の態様の一つは、このような従来の事情に鑑みて提案されたものであり、光量の損失を抑えつつ、ムラのない均一な照明光を照射することができる、特に点光源化が進められた場合に好適に用いられる照明装置、並びに、そのような照明装置を備えた光学検査装置及び光学顕微鏡を提供することを目的の一つとする。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
〔１〕 本発明の第１の態様に係る照明装置は、光を出射する光源と、前記光を光入射面から入射し、内部で多重反射させた後、光出射面から出射する多重反射素子と、前記光の光線角度分布を変化させる光学素子と、前記多重反射素子の光出射面から出射された光を拡散させる光拡散素子と、を備えることを特徴とする。

〔２〕 前記〔１〕に記載の照明装置において、前記光学素子は、同心円方向に透過率を異ならせた少なくとも３つの透過率領域を有し、最も中心側に位置する透過率領域と、最も外周側に位置する透過率領域との間に、最も透過率の低い透過率領域を有し、前記最も中心側に位置する透過率領域の透過率よりも、前記最も外周側に位置する透過率領域の透過率の方が高い構成であってもよい。

〔３〕 前記〔１〕又は〔２〕に記載の照明装置において、前記光学素子は、前記光源と前記多重反射素子との間に配置されている構成であってもよい。

〔４〕 前記〔１〕又は〔２〕に記載の照明装置において、前記光が照射される照明対象の最も近い位置に対物レンズが配置され、前記光学素子は、前記対物レンズとの瞳共役面に配置されている構成であってもよい。

〔５〕 前記〔１〕〜〔４〕の何れかに記載の照明装置において、前記光源は、点光源であり、前記光源から出射された光を反射して、前記多重反射素子の光入射面に向かって集光させるリフレクターを備える構成であってもよい。

〔６〕 前記〔５〕に記載の照明装置において、前記多重反射素子の光入射面に集光される光のスポット径が前記光入射面よりも小さい構成であってもよい。

〔７〕 本発明の第２の態様に係る光学検査装置は、前記〔１〕〜〔６〕の何れかに記載の照明装置を備えることを特徴とする。

〔８〕 本発明の第３の態様に係る光学顕微鏡は、前記〔１〕〜〔６〕の何れかに記載の照明装置を備えることを特徴とする。

以上のように、本発明の一つの態様によれば、光量の損失を抑えつつ、より均一な照明光を照射することができる、特に点光源化が進められた場合に好適に用いられる照明装置、並びに、そのような照明装置を備えた光学検査装置及び光学顕微鏡を提供することが可能である。

本発明の第１の実施形態に係る照明装置及び光学検査装置の概略構成を示す模式図である。 光学素子の構成例を示す平面図である。 光学素子の構成例を示す平面図である。 光拡散素子の構成例を示す側面図である。 光学素子を省略した場合の照明光の瞳面における面内光量分布及び断面光量分布を示すグラフである。 光学素子及び光拡散素子を用いた場合の照明光の瞳面における面内光量分布及び断面光量分布を示すグラフである。 本発明の第２の実施形態に係る照明装置及び光学検査装置の概略構成を示す模式図である。 従来の照明光の瞳面における面内光量分布及び断面光量分布を示すグラフである。 ＤＭＤ素子を用いた場合の照明光の瞳面における面内光量分布及び断面光量分布を示すグラフである。 光学素子を用いた場合の照明光の瞳面における面内光量分布及び断面光量分布を示すグラフである。 発光点が小さい点光源を用いた場合の照明光の瞳面における面内光量分布及び断面光量分布を示すグラフである。 図１１において光学素子を用いた場合の照明光の瞳面における断面光量分布を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
なお、以下の説明では、各構成要素を見易くするため、図面において構成要素によって寸法の縮尺を異ならせて示すことがある。

（第１の実施形態）
先ず、本発明の第１の実施形態として図１に示す照明装置１Ａ及び光学検査装置１００Ａについて説明する。なお、図１は、照明装置１Ａ及び光学検査装置１００Ａの概略構成を示す模式図である。

光学検査装置１００Ａは、図１に示すように、例えば検査対象となる半導体ウェハ（以下、単にウェハという。）Ｗの欠陥の有無等を検査するものである。具体的に、この光学検査装置１００Ａは、光源２と、光学素子３と、多重反射素子４と、光拡散素子５と、リレー光学系６と、光路変換素子７と、集光光学系８と、結像光学系９と、撮像装置１０とを概略備えている。

このうち、光源２と、光学素子３と、多重反射素子４と、光拡散素子５と、リレー光学系６と、光路変換素子７と、集光光学系８とは、第１の光学軸ＡＸ１上において、順次並んで配置されている。一方、光路変換素子７と、結像光学系９と、撮像装置１０とは、第１の光学軸ＡＸ１と直交する第２の光学軸ＡＸ２上において、順次並んで配置されている。

照明装置１Ａは、光源２と、光学素子３と、多重反射素子４と、光拡散素子５と、リレー光学系６と、集光光学系８とを含み、ウェハＷに対して照明光Ｌを照射する照明光学系を構成している。

光源２は、いわゆる点光源であり、照明光Ｌとなる光Ｌａを発光点から放射状に出射する。また、光源２には、検出感度の向上を図るため、例えば、ＬＰＰ（Laser Produced Plasma）やＬＤＬＳ（Laser Driven Light Source）などの発光点の小さい点光源を用いることが好ましい。

光源２の周囲には、リフレクター１１が配置されている。リフレクター１１は、その断面形状が放物線を描くように形成された内側反射面１１ａを有し、この内側反射面１１ａで光源２から出射された光Ｌａを反射して、後述する多重反射素子４の光入射面４ａに向かって光Ｌｂを集光させる。

光学素子３は、光源２から多重反射素子４に向かう光Ｌｂの光線角度分布を変化させるものである。具体的に、光学素子３の面内には、図２（Ａ）及び図３（Ａ）に示すように、同心円方向に透過率を異ならせた３つの透過率領域３ａ，３ｂ，３ｃが設けられている。

これら３つの透過率領域３ａ，３ｂ，３ｃのうち、図２（Ｂ）及び図３（Ｂ）に示すように、最も中心側に位置する透過率領域３ａと、最も外周側に位置する透過率領域３ｃとの間に、最も透過率の低い透過率領域３ｂが位置している。また、最も中心側に位置する透過率領域３ａの透過率よりも、最も外周側に位置する透過率領域３ｃの透過率の方が高くなっている。

なお、図２（Ａ），（Ｂ）では、３つの透過率領域３ａ，３ｂ，３ｃの間で透過率を段階的に変化させた構成及びその透過率分布を示している。一方、図３（Ａ），（Ｂ）では、３つの透過率領域３ａ，３ｂ，３ｃの間で透過率を連続的に変化させた構成及びその透過率分布を示している。

多重反射素子４は、図１に示すように、ロッドインテグレータからなり、長手方向の一端に光入射面４ａと、長手方向の他端に光入射面４ｂとを有している。多重反射素子４は、光学素子３を通過した光Ｌｃを光入射面４ａから入射し、内部で多重反射させた後、光出射面４ｂから光Ｌｄを出射する。

光拡散素子５は、多重反射素子４の光出射面４ｂから出射された光Ｌｄを拡散させるものである。具体的に、光拡散素子５は、例えば図４に示すように、基材５ａの一面に微細な凹凸パターン５ｂが形成された構造を有している。光拡散素子５は、凹凸パターン５ｂが形成された面を多重反射素子４とは反対側に向けた状態で配置されている。これにより、光拡散素子５は、凹凸パターン５ｂにより拡散された光Ｌｅを出射する。

リレー光学系６は、図１に示すように、第１のリレーレンズ１２と、第２のリレーレンズ１３とを含み、ウェハＷの照射面の大きさに合わせて、光Ｌｆのサイズを調整する。

光路変換素子７は、ダイクロイックミラーからなり、光をウェハＷに向かう光Ｌｆを透過する一方、後述するウェハＷから反射して戻ってくる光Ｌｇを撮像装置１０に向けて反射する。

集光光学系８は、コンデンサーレンズ１４と、対物レンズ１５とを含み、ウェハＷの表面に対して集光された光（照明光Ｌ）を照射する。これにより、ウェハＷの表面で反射した光Ｌｇが、対物レンズ１５及びコンデンサーレンズ１４を通過し、光路変換素子７に入射し、結像光学系９に向かって反射される。

結像光学系９は、集光レンズ１６と、結像レンズ１７とを含み、撮像装置１０の撮像面の大きさに合わせて、光路変換素子７で反射された光Ｌｈを撮像装置１０の撮像面上に結像させる。

撮像装置１０は、例えばＣＣＤやＣＭＯＳなどの撮像素子を用いたデジタルカメラにより構成されている。撮像装置１０は、ウェハＷの表面で反射した光Ｌｇによって得られる画像を撮像する。光学検査装置１では、この画像からウェハＷの欠陥の有無等を検査することが可能となっている。

本実施形態の照明装置１Ａでは、上述した光学素子３によって光源２から多重反射素子４に向かう光Ｌｂの光線角度分布を変化させる。さらに、光拡散素子５によって多重反射素子４の光出射面４ｂから出射された光Ｌｄを拡散させる。これにより、発光点の小さい点光源を用いた場合でも、より均一な照明光ＬをウェハＷに対して照射することが可能である。

ここで、参考例として、上記照明装置１Ａの構成のうち、光学素子３を省略した場合の照明光の瞳面における光量分布を図５（Ａ），（Ｂ）に示す。なお、図５（Ａ）は、この場合の照明光の瞳面における面内光量分布を示すグラフである。図５（Ｂ）は、図５（Ａ）に示す面内光量分布の中心を通るＸ軸（横軸）方向とＹ軸（縦軸）方向との断面光量分布を示すグラフである。

図５（Ａ），（Ｂ）に示す照明光の瞳面における光量分布は、光拡散素子５によって多重反射素子４の光出射面４ｂから出射された光Ｌｄを拡散させるため、上述した図１１（Ａ），（Ｂ）に示す照明光の瞳面における光量分布よりも、多重反射による周期的な強度分布を小さくすることができる。

しかしながら、図５（Ａ），（Ｂ）に示す照明光の瞳面における光量分布は、最も中心側に位置する領域と、最も外周側に位置する領域との間に、最も光量の高い領域を有している。また、最も中心側に位置する領域の光量よりも、最も外周側に位置する領域の光量が低くなっている。

これに対応して、上記光学素子３では、最も中心側に位置する透過率領域３ａと、最も外周側に位置する透過率領域３ｃとの間に、最も透過率の低い透過率領域３ｂが位置し、最も中心側に位置する透過率領域３ａの透過率よりも、最も外周側に位置する透過率領域３ｃの透過率の方が高くなっている。これにより、図５（Ａ），（Ｂ）に示す照明光の瞳面における光量分布に合わせて、上記光学素子３を通過する光Ｌｃの光線角度分布を変化させる。なお、上記光学素子３では、図２（Ａ），（Ｂ）及び図３（Ａ），（Ｂ）に示すような３つの透過率領域３ａ，３ｂ，３ｃを有する構成について例示しているが、このような構成に限らず、透過率領域の数を更に増やしたり、各透過率領域の透過率を適宜変更したりすることが可能である。

したがって、上記照明装置１Ａの場合、すなわち光学素子３及び光拡散素子４を用いた場合の照明光Ｌの瞳面における光量分布は、図６（Ａ），（Ｂ）に示すように、光量の損失を抑えつつ、中心部から外周部に向かってより均一化することができる。なお、図６（Ａ）は、この場合の照明光の瞳面における面内光量分布を示すグラフである。図６（Ｂ）は、図６（Ａ）に示す面内光量分布の中心を通るＸ軸（横軸）方向とＹ軸（縦軸）方向との断面光量分布を示すグラフである。

本実施形態の光学検査装置１００Ａでは、上記照明装置１Ａを備えることによって、発光点の小さい点光源を用いた場合でも、光量の損失を抑えつつ、より均一な照明光を照射することができるため、ウェハＷに対する検出感度の更なる向上を図ることが可能である。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態として図７に示す照明装置１Ｂ及び光学検査装置１００Ｂについて説明する。なお、図７は、照明装置１Ｂ及び光学検査装置１００Ｂの概略構成を示す模式図である。また、以下の説明では、上記照明装置１Ａ及び光学検査装置１００Ａと同等の部位については、説明を省略すると共に、図面において同じ符号を付すものとする。

照明装置１Ｂ及び光学検査装置１００Ａは、図７に示すように、光学素子３の配置が異なる以外は、上記図１に示す照明装置１Ａ及び光学検査装置１００Ｂと基本的に同じ構成を有している。すなわち、上記図１に示す照明装置１Ａでは、光源２と多重反射素子４との間に光学素子３が配置された構成であるのに対して、図７に示す照明装置１Ｂでは、ウェハＷ（照明対象）に最も近い対物レンズ１５との瞳共役面に光学素子３が配置された構成となっている。

本実施形態の照明装置１Ｂでは、光拡散素子５によって多重反射素子４の光出射面４ｂから出射された光Ｌｄ’を拡散させる。さらに、光学素子３によってリレー光学系６を通過する光Ｌｅ’の光線角度分布を変化させる。これにより、発光点の小さい点光源を用いた場合でも、より均一な照明光ＬをウェハＷに対して照射することが可能である。

したがって、本実施形態の光学検査装置１００Ｂでは、上記照明装置１Ｂを備えることによって、発光点の小さい点光源を用いた場合でも、光量の損失を抑えつつ、より均一な照明光を照射することができるため、ウェハＷに対する検出感度の更なる向上を図ることが可能である。

なお、本発明は、上記実施形態のものに必ずしも限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態では、照明装置１Ａ，１Ｂを備えた光学検査装置１００Ａ，１００Ｂにおいて、ウェハＷの検査を行う場合を例示したが、光学検査装置１００Ａ，１００Ｂにより検査可能なものであればよく、検査対象については特に限定されるものではない。

また、照明装置１Ａ，１Ｂは、光学検査装置１００Ａ，１００Ｂの他にも、観察対象に照明光Ｌを照射し、その透過光又は反射光によって得られる画像を撮像する光学顕微鏡に適用することが可能である。このような照明装置１Ａ，１Ｂを備えた光学顕微鏡では、光量の損失を抑えつつ、より均一な照明光を観察対象に照射できるため、高分解能での観察が可能となる。

１Ａ，１Ｂ…照明装置 ２…光源 ３…光学素子 ３ａ，３ｂ，３ｃ…透過率領域 ４…多重反射素子 ４ａ…光入射面 ４ｂ…光出射面 ５…光拡散素子 ５ａ…基材 ５ｂ…凹凸パターン ６…リレー光学系 ７…光路変換素子 ８…集光光学系 ９…結像光学系 １０…撮像装置 １１…リフレクター １１ａ…内面反射面 １２…第１のリレーレンズ １３…第２のリレーレンズ １４…コンデンサーレンズ １５…対物レンズ １６…集光レンズ １７…結像レンズ １００Ａ，１００Ｂ…光学検査装置 Ｗ…半導体ウェハ Ｌ…照明光

Claims (8)

1. 光を出射する光源と、
   前記光を光入射面から入射し、内部で多重反射させた後、光出射面から出射する多重反射素子と、
   前記光の光線角度分布を変化させる光学素子と、
   前記多重反射素子の光出射面から出射された光を拡散させる光拡散素子と、を備えることを特徴とする照明装置。
2. 前記光学素子は、同心円方向に透過率を異ならせた少なくとも３つの透過率領域を有し、
   最も中心側に位置する透過率領域と、最も外周側に位置する透過率領域との間に、最も透過率の低い透過率領域を有し、
   前記最も中心側に位置する透過率領域の透過率よりも、前記最も外周側に位置する透過率領域の透過率の方が高いことを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
3. 前記光学素子は、前記光源と前記多重反射素子との間に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の照明装置。
4. 前記光が照射される照明対象の最も近い位置に対物レンズが配置され、
   前記光学素子は、前記対物レンズとの瞳共役面に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の照明装置。
5. 前記光源は、点光源であり、
   前記光源から出射された光を反射して、前記多重反射素子の光入射面に向かって集光させるリフレクターを備えることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の照明装置。
6. 前記多重反射素子の光入射面に集光される光のスポット径が前記光入射面よりも小さいことを特徴とする請求項５に記載の照明装置。
7. 請求項１〜６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光学検査装置。
8. 請求項１〜６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光学顕微鏡。