JP4765580B2

JP4765580B2 - 液浸観察方法、液浸顕微鏡装置、及び検査装置

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Publication number: JP4765580B2
Application number: JP2005342094A
Authority: JP
Inventors: 由美中川
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2005-11-28
Filing date: 2005-11-28
Publication date: 2011-09-07
Anticipated expiration: 2025-11-28
Also published as: JP2007147988A

Description

本発明は、半導体ウエハや液晶基板の検査や観察などに適用される液浸観察方法、液浸顕微鏡装置、及び検査装置に関する。

昨今の顕微鏡装置、特に、半導体ウェハや液晶基板などの工業製品の観察・検査用の顕微鏡装置には、パターンの微細化が進むに連れて高い解像度が求められている。解像度Ｒは、光源波長をλ、対物レンズの開口数をＮＡとおくと一般に次の式で表される。
Ｒ＝０．６１×λ／ＮＡ
したがって、高解像度を高める（Ｒを小さくする）には、波長λを短くするか開口数ＮＡを高めるかすればよい。

例えば、短波長化を実現する光源として、現在、ＫｒＦエキシマレーザ（２４８ｎｍ）、ＡｒＦエキシマレーザ１９３ｎｍなどがある。因みに、さらに短波長のＦ₂レーザ(１５７ｎｍ)なども存在するが、光学材料の透過率の限界や光学系に及ぼすダメージの早さなどから、ＡｒＦエキシマレーザ（１９３ｎｍ）が短波長化の事実上の限界とされている。
一方、高開口数化を実現させる方法として、液浸法が知られている（特許文献１など参照）。この方法は、対物レンズと物体との間の光路を空気より屈折率の高い浸液で満たし、それによって対物レンズの実効的な開口数を向上させるものである。但し、浸液の屈折率は温度により変化するので、観察・検査精度を悪化させないためには、浸液の温度を一定に保つ必要がある。
特開２００５−１３６４０４号公報

しかし、その温度制御を適切に行わないと、液浸の効果が十分得られずに観察・検査精度が不足したり、温度制御に必要以上のコストがかかったりする可能性がある。
そこで本発明は、浸液の温度制御を適切に行い、観察精度を簡単かつ確実に保つことの可能な液浸観察方法及び液浸顕微鏡装置を提供することを目的とする。また、本発明は、検査精度を簡単かつ確実に保つことの可能な検査装置を提供することを目的とする。

本発明の液浸観察方法は、対物レンズと物体との間に浸液を供給し、前記対物レンズの仕様に応じた精度で前記浸液の温度制御を行うことを特徴とする。
なお、前記温度制御の精度は、少なくとも前記対物レンズの物体距離に応じて設定されることが望ましい。
さらには、前記温度制御の精度は、前記浸液の温度変化量をΔｔ、前記物体距離（＝物体面から前記対物レンズの最も物体側のレンズ面までの光軸上の距離）をｄ、光軸上の物点から射出し前記レンズ面に入射する光線の最大射出角度をθ、温度が１℃変化したときの前記浸液の屈折率変化量をｎ₀’、前記物点から最大射出角度で射出し前記レンズ面に入射する光線の入射位置と、前記物点から射出角度ゼロで射出し前記レンズ面に入射する光線の入射位置との光軸方向のずれ量をｂ、前記対物レンズの波面収差変化の許容量をΔＬ_maxとしたときに、以下の式（１）が満たされるように設定されることが望ましい。

また、本発明の液浸顕微鏡装置は、対物レンズと物体との間に浸液を供給する供給手段と、前記対物レンズの仕様に応じた精度で前記浸液の温度制御を行う制御手段とを備えたことを特徴とする。
なお、前記温度制御の精度は、少なくとも前記対物レンズの物体距離に応じて設定されることが望ましい。

さらには、前記温度制御の精度は、前記浸液の温度変化量をΔｔ、前記物体距離をｄ、光軸上の物点から射出し前記レンズ面に入射する光線の最大射出角度をθ、温度が１℃変化したときの前記浸液の屈折率の変化量をｎ₀’、前記物点から最大射出角度で射出し前記レンズ面に入射する光線の入射位置と、前記物点から射出角度ゼロで射出し前記レンズ面に入射する光線の入射位置との光軸方向のずれ量をｂ、前記対物レンズの波面収差変化の許容量をΔＬ_maxとしたときに、以下の式（１）が満たされるように設定されることが望ましい。

また、光源波長は、１９０ｎｍ〜２５０ｎｍの深紫外波長域であることが望ましい。
また、本発明の検査装置は、本発明の何れかの液浸顕微鏡装置と、前記液浸顕微鏡装置が形成する前記物体の像に基づきその物体を検査する検査手段とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、観察精度を簡単かつ確実に保つことの可能な液浸観察方法及び液浸顕微鏡装置が実現する。また、本発明によれば、検査精度を簡単かつ確実に保つことの可能な検査装置が実現する。

以下、本発明の実施形態を説明する。本実施形態は、液浸顕微鏡を用いた検査装置の実施形態である。
先ず、本検査装置の構成を説明する。
図１は、本検査装置の構成図である。図１に示すとおり、本検査装置には、液浸顕微鏡装置１００、コンピュータ２１、モニタ２２などが備えられる。液浸顕微鏡装置１００には、１９０ｎｍ〜２５０ｎｍの深紫外波長域の光を発する光源１、コレクタレンズ２、フィルタ３、開口絞り４、視野絞り５、コンデンサレンズ６、第１ビームスプリッタ７、対物レンズ８、吐出ノズル９、吸引ノズル１０、被検物体（半導体ウエハなど）１１を支持するステージ１３、液体受け１２、温度制御装置２０、第１反射ミラー１４、第２対物レンズ１５、第２反射ミラー１６、第２ビームスプリッタ１７、接眼レンズ１８、撮像素子１９などが備えられる。なお、液浸顕微鏡装置１００の照明タイプは、対物レンズ８を介して被検物体１１を照明する落射照明系である。

光源１から射出した光は、コレクタレンズ２で集光され、フィルタ３、開口絞り４、視野絞り５、コンデンサレンズ６、第１ビームスプリッタ７を介し、対物レンズ８の射出瞳上に光源１の像を形成する。その像から射出した光は、対物レンズ８を経由することにより平行光束となって、被検物体１１の観察エリアＥを照明する。
観察エリアＥにて発生した光は、対物レンズ８を経由することにより平行光束となって進み、第１ビームスプリッタ７、第１反射ミラー１４、第２対物レンズ１５、第２反射ミラー１６を介して第２ビームスプリッタ１７へ入射し、分離される。

分離された一方の光は、撮像素子１９上に観察エリアＥの像を形成する。分離された他方の光は、接眼レンズ１８を介して、不図示の観察眼の網膜上に、被検物体１１の観察エリアＥの像を形成する。なお、眼視観察の必要が無ければ、第２ビームスプリッタ１７及び接眼レンズ１８は省略可能である。
撮像素子１９は、観察エリアＥの像を撮像して画像データを生成する。この画像データは、コンピュータ２１によって取り込まれる。コンピュータ２１は、その画像データに基づき観察エリアＥの検査を行う。なお、ステージ１３が被検物体１１を移動させると、被検物体１１上の観察エリアＥが移動する。コンピュータ２１は、観察エリアＥの検査結果を必要に応じてモニタ２２に表示する。

ここで、対物レンズ８は、液浸系対物レンズであり、対物レンズ８と観察エリアＥとの間の媒質の屈折率が１よりも大きな所定屈折率であるときに収差補正されるように設計されている。以下、この所定屈折率を「理想屈折率」という。また、対物レンズ８の最も物体側の面（第一面）の形状は、平面、又は物体側に凹となった凹面である。従来、この第一面を凹面にすると気泡の付着する可能性のあることが指摘されていたが、実際にはその可能性は殆ど無いことが確認されている。

また、吐出ノズル９は、観察エリアＥの撮像（画像データの取得）に当たり、観察エリアＥと対物レンズ８との間の光路に向けて所定の浸液を供給し、観察エリアＥの画像データの取得が終了すると、吸引ノズル１０がその浸液を吸引する。液体受け１２は、被検物体１１から零れた浸液を受けてその飛散を防ぐ働きをする。
浸液には、例えば、室温（０℃〜４０℃）中の所定温度において前記理想屈折率を示すもの（純水など）が適用される。以下、この所定温度を「理想温度」という。浸液の温度は、温度制御装置２０によって理想温度に保たれるよう制御される。但し、温度制御装置２０による温度制御の精度は、対物レンズ８の仕様に応じて設定される。具体的には、温度制御の精度は、対物レンズ８の波面収差変化量が許容範囲内に収まるように設定される。温度制御の精度と対物レンズ８の仕様との関係の詳細は、後に詳細に説明する。

温度制御装置２０の加熱方法（冷却方法）には、必要な精度が達成されるのであれば、水冷式や空冷式などの比較的簡単な方法を適用することができる。また、温度制御装置２０の制御方法には、必要な精度が達成されるのであれば、ＯＮ−ＯＦＦ動作、比例動作、積分動作、微分動作、ＰＩＤ動作などのうち、より簡単な方法を適用することができる。
なお、温度制御装置２０をはじめとする液浸顕微鏡装置１００内の各部（光源１、吐出ノズル９、吸引ノズル１０、撮像素子１９、ステージ１３など）は、コンピュータ２１によって制御される。

次に、浸液の温度制御の精度を詳細に説明する。先ずは、簡単のため、対物レンズ８の第一面が平面である場合について説明する。
図２は、対物レンズ８の第一面Ｐ１が平面であるときの各部の距離を示す図である。
浸液の温度制御の精度を説明するに当たり、浸液の温度変化量Δｔと対物レンズ８の波面収差変化量ΔＬとの関係を調べる。

対物レンズ８の波面収差Ｌは、光軸Ｚ上の物点Ａから射出角度ゼロで射出して第一面Ｐ１に到達する光線の光路ＡＢと、光軸Ｚ上の物点Ａから最大射出角度θで射出して第一面Ｐ１に入射する光線の光路ＡＤとの「光学的な光路差」によって表される。
光路ＡＢと光路ＡＤとの光路差（幾何学的な光路差）ＣＤは、式（２）のとおり表される。

但し、ｄは、対物レンズ８の物体距離であり、物体面Ｐ０から第一面Ｐ１までの光軸Ｚ上の距離（光路ＡＢ）である。因みに、第一面Ｐ１が平面である場合、この距離ｄが対物レンズ８の作動距離ＷＤに略一致する。
よって、光路ＡＢと光路ＡＤとの光学的な光路差、つまり波面収差Ｌは、浸液の屈折率ｎを用いて式（３）のとおり表される。

ここで、浸液の屈折率ｎは、浸液の温度に依存する。浸液の屈折率ｎは、浸液の理想屈折率をｎ₀₀、浸液の理想温度からの温度変化量をΔｔ、浸液の屈折率の温度係数（理想温度から１℃変化したときの屈折率変化量）をｎ₀’とおくと、式（４）のとおり表される。

よって、浸液の温度が理想温度であるときの波面収差Ｌ₁は式（５）のとおり表され、浸液の温度が理想温度からΔｔだけ変化したときの波面収差Ｌ₂は式（６）のとおり表される。

したがって、浸液の温度が理想温度からΔｔだけ変化したときの波面収差変化量ΔＬは、式（７）のとおり表される。

式（７）を変形すると式（８）が得られる。

さて、上述したとおり、浸液の温度制御の精度は、波面収差変化量ΔＬが許容範囲内に収まるように設定される。波面収差変化の許容量をΔＬ_maxとおくと、この条件は、以下のとおり表される。
ΔＬ≦ΔＬ_max
この式を式（８）に当てはめれば、以下の条件式（９）が得られる。

つまり、この条件式（９）が、第一面Ｐ１が平面であるときに温度制御の精度に必要となる条件式である。
なお、条件式（９）を参照すると、対物レンズ８の物体距離ｄが長いほど（作動距離ＷＤが長いほど）、温度変化量Δｔを小さく抑えなければならないことがわかる。したがって、温度制御の精度は、対物レンズ８の物体距離ｄが長いほど（作動距離ＷＤが長いほど）、高く設定される。

次に、対物レンズ８の第一面が凹面である場合について説明する。
図３は、対物レンズ８の第一面Ｐ１が凹面であるときの各部の距離を示す図である。
このときも、対物レンズ８の波面収差Ｌは、光軸Ｚ上の物点Ａから射出角度ゼロで射出して第一面Ｐ１に入射する光線の光路ＡＤと、光軸Ｚ上の物点Ａから最大射出角度θで射出して第一面Ｐ１に入射する光線の光路ＡＥとの「光学的な光路差」によって表される。

光路ＡＤと光路ＡＥとの光路差（幾何学的な光路差）は、式（１０）のとおり表される。

但し、ｄは、対物レンズ８の物体距離であり、物体面Ｐ０から第一面Ｐ１までの光軸Ｚ上の距離（光路ＡＤ）である。また、ｂは、光軸Ｚ上の物点Ａから最大射出角度θで射出して第一面Ｐ１に入射する光線の入射位置Ｅと、物点Ａから射出角度ゼロで射出して第一面Ｐ１に入射する光線の入射位置Ｄとの光軸方向のずれ量（光路ＣＤ）である。因みに、第一面Ｐ１が凹面である場合、距離ｄから第１面Ｐ１のサグ量を差し引いた距離が、対物レンズ８の作動距離ＷＤに略一致する。

よって、光路ＡＤと光路ＡＥとの光学的な光路差、つまり波面収差Ｌは、浸液の屈折率ｎを用いて式（１１）のとおり表される。

ここで、浸液の屈折率ｎは、浸液の温度に依存し、上述した式（４）のとおり表される。
よって、浸液の温度が理想温度であるときの波面収差Ｌ₁は式（１２）のとおり表され、浸液の温度が理想温度からΔｔだけ変化したときの波面収差Ｌ₂は式（１３）のとおり表される。

したがって、浸液の温度が理想温度からΔｔだけ変化したときの波面収差変化量ΔＬは、式（１４）のとおり表される。

式（１４）を変形すると式（１５）が得られる。

さて、上述したとおり、浸液の温度制御の精度は、波面収差変化量ΔＬが許容範囲内に収まるように設定される。波面収差変化の許容量をΔＬ_maxとおくと、この条件は、以下のとおり表される。
ΔＬ≦Ｌ_max
この式を式（１５）を当てはめれば、以下の条件式（１）が得られる。

つまり、この条件式（１）が、第一面Ｐ１が凹面であるときに温度制御の精度に必要となる条件式である。
なお、この条件式（１）は、第一面Ｐ１が平面である場合にも当てはまる。実際、第一面Ｐ１が平面である場合、図３におけるずれ量ｂはゼロとなるが、ｂ＝０を条件式（１）に代入すると、第一面Ｐ１が平面であるときの条件式（９）が得られる。

また、条件式（１）を参照すると、対物レンズ８の物体距離ｄが長いほど温度変化量Δｔを小さく抑えなければならないことがわかる。したがって、温度制御の精度は、対物レンズ８の物体距離ｄが長いほど高く設定される。
以上、本実施形態の検査装置には、液浸顕微鏡装置１００が利用され、また、その光源１に１９０ｎｍ〜２５０ｎｍの深紫外波長域の光源が利用されるので、画像データの取得精度（観察精度）及び検査精度を高めることが可能である。

しかも、液浸顕微鏡装置１００には、浸液の温度制御装置２０が備えられ、その温度制御の精度は、対物レンズ８の仕様に応じた精度、具体的には、対物レンズ８の波面収差が許容範囲内に収まるような精度に設定される（式（１），（９）を参照）。したがって、観察精度・検査精度を確実に保ちながら、温度制御装置２０の加熱方法（冷却方法）や制御方法を必要最小限に簡略化することができる。

また、これらの方法によって供給された浸液の温度が対物レンズ８や被検物体１１の温度に影響されないよう、その浸液が流されることは言うまでもない。
なお、本実施形態では、被検物体１１の検査を行う検査装置を説明したが、被検物体１１の検査を行わずに観察のみを行う顕微鏡装置を構成してもよい。その場合、画像データの取得は非必須なので、ビームスプリッタ１７及び撮像素子１９を省略することが可能である（但し、それらを省略した場合、接眼レンズ１８は必須となる）。

以下、上述した実施形態に対応した実施例１を示す（各符号は、実施形態におけるそれに対応している。）。
光源波長λ＝２４８ｎｍ，
対物レンズ８の第一面Ｐ１の形状＝平面，
対物レンズ８の第一面Ｐ１の曲率半径ｒ＝∞，
対物レンズ８の波面収差変化の許容量ΔＬ_max＝０．０７λ，
対物レンズ８の物体距離ｄ（≒対物レンズ８の作動距離ＷＤ）＝０．２ｍｍ，
対物レンズ８の光線の入射位置のずれ量ｂ＝０ｍｍ，
対物レンズ８のｓｉｎθ＝０．９，
浸液の理想屈折率ｎ₀₀＝１．３７８４８６９，
浸液の屈折率の温度係数ｎ₀’＝−１．１５×１０^-4，
これらの値を条件式（１）又は条件式（９）に代入すると以下の式が得られた。

｜Δｔ｜≦０.５８℃
したがって、本実施例では、浸液の温度制御の精度を、理想温度からの温度変化量Δｔが−０．５８℃〜＋０．５８℃の範囲に収まるように設定した。

以下、上述した実施形態に対応した実施例２を示す（各符号は、実施形態におけるそれに対応している。）。
光源波長λ＝１９３ｎｍ，
対物レンズ８の第一面Ｐ１の形状＝凹面，
対物レンズ８の第一面Ｐ１の曲率半径ｒ＝８ｍｍ，
対物レンズ８の波面収差変化の許容量ΔＬ_max＝０．０７λ，
対物レンズ８の物体距離ｄ＝０．５１１ｍｍ，
対物レンズ８の作動距離ＷＤ＝０．４３６ｍｍ，
対物レンズ８の光線の入射位置のずれ量ｂ＝０．０６４ｍｍ，
対物レンズ８のｓｉｎθ＝０．９，
浸液の理想屈折率ｎ₀₀＝１．４３６５６８４，
浸液の屈折率の温度係数ｎ₀’＝−１．１５×１０^-4，
これらの値を条件式（１）に代入すると以下の式が得られた。

｜Δｔ｜≦０．２３℃
したがって、本実施例では、浸液の温度制御の精度を、理想温度からの温度変化量Δｔが−０．２３℃〜＋０．２３℃の範囲に収まるように設定した。

実施形態の検査装置の構成図である。対物レンズ８の第一面Ｐ１が平面であるときの各部の距離を示す図である。対物レンズ８の第一面Ｐ１が凹面であるときの各部の距離を示す図である

符号の説明

１００…液浸顕微鏡装置，２１…コンピュータ，２２…モニタ，１…光源，２…コレクタレンズ，３…フィルタ，４…開口絞り，５…視野絞り，６…コンデンサレンズ，７…第１ビームスプリッタ，８…対物レンズ，９…吐出ノズル，１０…吸引ノズル，１１…被検物体，１３…ステージ，１２…液体受け，２０…温度制御装置，１４…第１反射ミラー，１５…第２対物レンズ，１６…第２反射ミラー，１７…第２ビームスプリッタ，１８…接眼レンズ，１９…撮像素子

Claims

対物レンズと物体との間に浸液を供給し、
前記対物レンズの仕様に応じた精度で前記浸液の温度制御を行う液浸観察方法であって、
前記温度制御の精度は、
少なくとも前記対物レンズの物体距離に応じて設定される
ことを特徴とする液浸観察方法。
請求項１に記載の液浸観察方法において、
前記温度制御の精度は、
前記浸液の温度変化量をΔｔ、
前記対物レンズの物体距離をｄ、
光軸上の物点から射出し前記対物レンズの最も物体側のレンズ面に入射する光線の最大射出角度をθ、
前記物点から最大射出角度で射出し前記レンズ面に入射する光線の入射位置と、前記物点から射出角度ゼロで射出し前記レンズ面に入射する光線の入射位置との光軸方向のずれ量をｂ、
温度が１℃変化したときの前記浸液の屈折率変化量をｎ₀’、
前記対物レンズの波面収差変化の許容量をΔＬ_ｍａｘとしたときに、
以下の式（１）が満たされるように設定される

ことを特徴とする液浸観察方法。
対物レンズと物体との間に浸液を供給する供給手段と、
前記対物レンズの仕様に応じた精度で前記浸液の温度制御を行う制御手段とを備え、
前記制御手段は、
前記温度制御の精度を少なくとも前記対物レンズの物体距離に応じて設定する
ことを特徴とする液浸顕微鏡装置。
請求項３に記載の液浸顕微鏡装置において、
前記温度制御の精度は、
前記浸液の温度変化量をΔｔ、
前記対物レンズの物体距離をｄ、
光軸上の物点から射出し前記対物レンズの最も物体側のレンズ面に入射する光線の最大射出角度をθ、
前記物点から最大射出角度で射出し前記レンズ面に入射する光線の入射位置と、前記物点から射出角度ゼロで射出し前記レンズ面に入射する光線の入射位置との光軸方向のずれ量をｂ、
温度が１℃変化したときの前記浸液の屈折率の変化量をｎ₀’、
前記対物レンズの波面収差変化の許容量をΔＬ_ｍａｘとしたときに、
以下の式（１）が満たされるように設定される

ことを特徴とする液浸顕微鏡装置。
請求項３又は請求項４に記載の液浸顕微鏡装置において、
光源波長が１９０ｎｍ〜２５０ｎｍの深紫外波長域である
ことを特徴とする液浸顕微鏡装置。
請求項３〜請求項５の何れか一項に記載の液浸顕微鏡装置と、
前記液浸顕微鏡装置が形成する前記物体の像に基づきその物体を検査する検査手段と
を備えたことを特徴とする検査装置。