JP4788289B2

JP4788289B2 - 液浸顕微鏡装置

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Publication number: JP4788289B2
Application number: JP2005311022A
Authority: JP
Inventors: 敏男内川
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2005-10-26
Filing date: 2005-10-26
Publication date: 2011-10-05
Anticipated expiration: 2025-10-26
Also published as: JP2007121500A

Description

本発明は、基板の液浸観察を行う液浸顕微鏡装置に関する。

基板（例えば半導体ウエハや液晶基板など）に形成された回路パターンの欠陥や異物などを高い分解能で観察するために、液浸系の対物レンズを用い、この対物レンズの先端と基板との間を水などの液体で満たし、液体の屈折率(＞１)に応じて対物レンズの開口数を大きくすることが提案されている（例えば特許文献１を参照）。また、液体供給装置から自動で液体を供給することも提案されている。
特開２００５−８３８００号公報

しかし、液体供給装置の中で液体にバクテリアが発生することもあり、このバクテリアによって基板や対物レンズが汚染されてしまう問題があった。例えば、時間の経過と共に形成されるバクテリアのコロニーが、微小なパーティクルとして基板や対物レンズに付着して起こる汚染などである。バクテリア対策として液体供給装置の中で液体を循環させることも考えられるが、この循環経路から分岐して供給用の開口部に向かう支管内では液体が滞ってしまうため、バクテリアの発生を抑えることができない。このため、液体の循環だけではバクテリアによる汚染を低減できなかった。このような問題は、局所液浸の状態で観察する場合に限らず、全面液浸の状態で観察する場合にも同様に起こりうる。

本発明の目的は、液浸観察の際のバクテリアによる汚染を低減できる液浸顕微鏡装置を提供することにある。

本発明の液浸顕微鏡装置は、観察対象の基板を支持する支持手段と、液浸系の対物レンズと、液浸観察用の液体の循環経路から分岐した支管を介して、前記液体の一部を前記対物レンズの先端と前記基板との間に供給する供給手段と、前記支管の先端に位置する供給用の開口部より大きな排液用の開口部を有し、該排液用の開口部を少なくとも前記対物レンズの光軸方向に移動させて前記供給用の開口部と対向させ、前記支管内に残された液体を前記排液用の開口部から排出する排出手段とを備えたものである。

また、前記排出手段は、前記支管内に残された液体を吸引することにより前記排液用の開口部から排出することが好ましい。
また、前記対物レンズの先端と前記基板との間に供給された液体を吸引する吸引手段を備え、前記排出手段は、前記吸引手段の吸引力を利用して、前記支管内に残された液体を吸引することにより前記排液用の開口部から排出することが好ましい。

また、前記排液用の開口部は、前記支持手段に設けられることが好ましい。

本発明の液浸顕微鏡装置によれば、液浸観察の際のバクテリアによる汚染を低減することができる。

以下、図面を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。
本実施形態の液浸顕微鏡装置１０は、図１に示す通り、ミニエンバイロメント装置(１１〜１５)と、その内部に設置された液浸顕微鏡２０とで構成される。図１(ａ)は液浸顕微鏡装置１０の上面図、図１(ｂ)は断面図である。ミニエンバイロメント装置(１１〜１５)の内部には、観察対象の基板１０Ａを自動搬送する機構１６も設けられる。基板１０Ａは、半導体ウエハや液晶基板などである。液浸顕微鏡装置１０は、半導体回路素子や液晶表示素子の製造工程において、基板１０Ａに形成された回路パターンの欠陥や異物などの液浸観察（外観検査）を行う装置である。回路パターンは例えばエッチングパターンである。

ミニエンバイロメント装置(１１〜１５)は、筐体１１と、その上面に設置された複数のファンフィルタユニット１２〜１５とで構成される。ファンフィルタユニット１２〜１５は、周囲（クリーンルーム内）の空気からゴミや塵などの微小な気体中パーティクルを除去した後、清浄な空気を筐体１１の内部に導入する機構である（FFU；FAN FILTER UNIT）。筐体１１の下面には不図示の通気口が形成され、ファンフィルタユニット１２〜１５からのダウンフローを外部（クリーンルーム内）に排気できるようになっている。図１の矢印は空気の流れを表している。

このように、ミニエンバイロメント装置(１１〜１５)の筐体１１の内部は、基板１０Ａの液浸観察をクリーンな環境で行うために、清浄度を周囲（クリーンルーム内）より高くした局所環境(minienvironment)である。気体中パーティクルの除去は、ＵＬＰＡフィルタ１７によって行われる。また、筐体１１の内部のうち液浸顕微鏡２０の配置された空間には、ファンフィルタユニット１２のケミカルフィルタ１８によって化学物質（有機系ガスやアンモニアガスなど）が除去された清浄な空気が導入され、T.O.C.（Total Organic Carbon：全有機炭素）などのアウトガスの少ない環境に保たれる。

液浸顕微鏡２０には、基板１０Ａを支持するステージ部(２１,２２)と、液浸系の対物レンズ２３と、液浸観察用の液体(不図示)を吐出する際に用いられる吐出ノズル２４と、液体の吸引に用いられる吸引ノズル２５とが設けられる。また、図示省略したが、液浸顕微鏡２０には、照明光学系やＴＴＬ方式のオートフォーカス機構、制御部なども設けられる。

ステージ部(２１,２２)は、ＸＹステージ２１とＺθステージ２２とで構成される。基板１０Ａは、例えば現像装置から搬送されてＺθステージ２２の上面に載置され、例えば真空吸着により固定的に支持される。Ｚθステージ２２は、基板１０Ａの焦点合わせ時に、基板１０Ａを鉛直方向に移動させる。焦点合わせ動作は、不図示の制御部がオートフォーカス機構を用いて行う。また、基板１０Ａの予め定めた観察点を対物レンズ２３の視野内に位置決めする際、ＸＹステージ２１は、基板１０Ａを水平面内で移動させる。ＸＹステージ２１のベース部材は液浸顕微鏡２０の本体に固定されている。

液浸系の対物レンズ２３は、液浸顕微鏡２０の本体に固定され、その先端と基板１０Ａとの間が液浸媒質の液体１９（図２）で満たされたときに、光学系の収差が補正されるように設計されている。不図示の照明光学系には、照明光源などが設けられる。観察波長は、例えば可視域や紫外域である。可視域の場合は接眼レンズを用いた基板１０Ａの液浸観察が可能となる。また、紫外域の場合には、目視観察ができないので、接眼レンズの代わりにＣＣＤカメラなどを設けて撮像し、モニタ装置に表示して液浸観察が行われる。

液浸媒質の液体１９は、例えば純水である。純水は、半導体製造工程などで容易に大量入手できる。また、基板１０Ａのフォトレジストに対する悪影響がないため、基板１０Ａの非破壊検査が可能となる。また、純水は環境に対する悪影響もなく、不純物の含有量が極めて低いため、基板１０Ａの表面を洗浄する作用も期待できる。なお、半導体製造工程で使用される純水は一般に「超純水」と呼ばれる。これは、一般に「純水」と呼ばれるものより純度が高い。本実施形態においても超純水を用いるのがより好ましい。

吐出ノズル２４と吸引ノズル２５は、それぞれ、対物レンズ２３の周辺に固定的に配置され、その先端が対物レンズ２３の先端の近傍に位置する。また、吐出ノズル２４と吸引ノズル２５の各先端は、対物レンズ２３の先端を挟んで対向するように配置される。さらに、吐出ノズル２４と吸引ノズル２５は、各中心軸の延長線が対物レンズ２３の焦点面上で交差するように傾けて配置される。吐出ノズル２４と吸引ノズル２５の各中心軸は対物レンズ２３の光軸と共に同一面に含まれる。

吐出ノズル２４を用いて対物レンズ２３の先端と基板１０Ａとの間に適量の液体１９を吐出するために、吐出ノズル２４には、図２に示す通り、液体吐出装置３１と超純水の循環経路(３２〜３４)とが接続される。液体吐出装置３１には、不図示の加圧ポンプと水圧レギュレータとが設けられる。超純水の循環経路(３２〜３４)には、最終フィルタ３２と、超純水製造装置３３と、液体タンク３４とが設けられる。

超純水の循環経路(３２〜３４)では、液体タンク３４に純水が注入され、液体タンク３４の純水が超純水製造装置３３のポンプによって汲み上げられ、イオン除去やバクテリア殺菌が行われた後、最終フィルタ３２に送られる。そして、最終フィルタ３２を通過した後、パーティクルなどの水質仕様を満たす超純水が得られる。
この超純水は、不図示の制御部から吐出指令が出されるまでの間、液体タンク３４に再び送られ、この液体タンク３４と超純水製造装置３３と最終フィルタ３２とを循環することになる。循環はタイマーで管理される。

そして、不図示の制御部から吐出指令が出されると、超純水の循環経路(３２〜３４)の最終フィルタ３２から一部の超純水が液体吐出装置３１に送られる。液体吐出装置３１において、この超純水は、水圧レギュレータによって制御された水圧で加圧ポンプに供給され、加圧ポンプから吐出ノズル２４を介して、基板１０Ａの観察点に液浸媒質の液体１９として吐出される。

このように、本実施形態の液浸顕微鏡装置１０では、超純水の循環経路(３２〜３４)と液体吐出装置３１と吐出ノズル２４とを用い、吐出ノズル２４の先端に位置する供給用の開口部から自動で液体１９を供給することができる。また、液体１９の供給は、超純水の循環経路(３２〜３４)から分岐した支管（つまりユースポイント３５から吐出ノズル２４の先端までの管）を介して行われる。そして、液体１９が局所的に供給された局所液浸の状態で基板１０Ａの液浸観察が行われる。

その後、ある観察点での液浸観察が終わると、液体１９の吸引が行われる。吸引ノズル２５を用いて基板１０Ａから液体１９を吸引するために、吸引ノズル２５には、液体吸引装置(４１〜４４)が接続される。液体吸引装置(４１〜４４)は、液体回収用フィルタ４１と、電磁弁４２,４３と、真空レギュレータ４４とで構成される。真空レギュレータ４４には、真空大元の吸引ポンプが接続される。

液体吸引装置(４１〜４４)では、真空レギュレータ４４に接続された吸引ポンプを動作させ、電磁弁４３を開放することで、液体１９の吸引が開始される。吸引ノズル２５には、周囲からの空気が取り込まれ、この空気の流れと共に液体１９が吸引されていく。そして、吸引ノズル２５によって吸引された液体１９は、液体回収用フィルタ４１を介して空気と選別され、電磁弁４２を介して排水される。

本実施形態の液浸顕微鏡装置１０では、液浸観察の際に、液体１９の供給／回収を自動制御で行うため、作業者に対する負担が殆どなく、高スループットで基板１０Ａの観察を行うことができる。
なお、液体タンク３４の超純水が液浸観察用の液体１９として使用され、液体タンク３４が空に近づくと、このことが不図示のセンサによって検知され、新たな純水が自動的に液体タンク３４に注入される。

ところで、本実施形態の液浸顕微鏡装置１０では、バクテリア対策として超純水の循環経路(３２〜３４)を設けているが、この循環経路(３２〜３４)から分岐した支管（つまりユースポイント３５から吐出ノズル２４の先端までの管）の内部では液体が滞ってしまうため、バクテリアの発生を抑えることができない。
支管内で発生したバクテリアによって基板１０Ａや対物レンズ２３が汚染されないようにするため、本実施形態の液浸顕微鏡装置１０では、イニシャライズ動作の際、または、液浸観察の終了から所定時間が経過したとき、または、液浸観察の繰り返しの途中などの適宜のタイミングで、自動的に、支管内（ユースポイント３５から吐出ノズル２４の先端までの管内）に残された液体を排出する。

そして、この排出と同時に、循環経路(３２〜３４)から新しい液体（バクテリアが発生していない液体）を支管内に取り込む。つまり、支管内に残された古い液体（バクテリアが発生した可能性のある液体）を排出して、新しい液体への入れ替えを行う。このような液体の入れ替えは、バクテリアの発生状況や許容できる水質に応じて（または基板１０Ａ上のパターンピッチに応じて）定期的に行うことが好ましい。

また、支管内に残された古い液体を排出する際には、この液体によって装置のトラブル（例えばステージ部(２１,２２)の電気系のトラブルや錆など）が発生しないようにする必要がある。
このため、本実施形態では、図２,図３に示す通り、Ｚθステージ２２の上面（基板１０Ａの載置面）の中央部に排液用の開口部２６を設けると共に、この開口部２６を配管２７によって上記の液体吸引装置(４１〜４４)に接続した。開口部２６の大きさは、吐出ノズル２４の先端に位置する供給用の開口部より大きくしてある。配管２７は、開口部２６の近傍において吐出ノズル２４と同様の傾きを有する。

そして、Ｚθステージ２２の上面から基板１０Ａを取り除いた状態でステージ部(２１,２２)を駆動し、排液用の開口部２６を少なくとも鉛直方向（対物レンズ２２の光軸方向）に移動させて吐出ノズル２４の先端の開口部と対向させる（図４参照）。このとき、吐出ノズル２４の中心軸の延長線上に、開口部２６の近傍における配管２７の中心軸を一致させることが好ましい。

この状態で、不図示の制御部は、循環経路(３２〜３４)から所定量の新しい液体を連続的に支管内に送り出す。これにより、支管内に残されていた古い液体は、吐出ノズル２４の先端の開口部から排液用の開口部２６に向けて連続的に吐出され、排液用の開口部２６から排出される。また、液体吸引装置(４１〜４４)の吸引力を利用して、支管内に残された液体を吸引することにより、排液用の開口部２６から配管２７を介して排出する。

支管内に残された古い液体を全て排出し終えた（つまり支管内の液体を全て新しいものに入れ替えた）ことを確認するために、支管や配管２７の途中に例えばフローメータなどのセンサを設け、液体の量を計測することが好ましい。また、排出時の流量,速度,水圧を予め定めた一定値に保つ場合には、排出開始からの経過時間を計測することにより液体の量を把握して、同様の確認を行ってもよい。

上記のように、本実施形態の液浸顕微鏡装置１０では、循環経路(３２〜３４)から分岐した支管内の液体（非循環の液体）を適宜のタイミングで排出し、新しい液体を循環経路(３２〜３４)から支管内に取り込むため、液浸観察の際のバクテリアによる汚染を低減することができる。したがって、微細なパターンの液浸観察を良好に行える。さらに、吐出ノズル２４の先端の開口部より大きな排液用の開口部２６を用い、この開口部２６を供給用の開口部と対向させた状態で、開口部２６から支管内の液体を排出するため、液体による装置のトラブルが発生することもない。

このような排出動作を装置のイニシャライズ時に前準備として行うことで、液浸観察用の液体をクリーンな状態にすることができる。また、液浸観察の繰り返しの途中で同様の排出動作を行ってもよいし、液浸観察の終了（中断）から所定時間が経過した場合、液浸観察の再開に備えて同様の排出動作を行ってもよい。したがって、循環経路(３２〜３４)から分岐した支管内の液体（非循環の液体）を常にクリーンな状態に保つことができる。バクテリアの発生を未然に防ぐこともできる。

さらに、本実施形態の液浸顕微鏡装置１０では、支管内に残された液体を吸引することにより排出したので、その排出動作を素早く効率的に行うことができる。
また、本実施形態の液浸顕微鏡装置１０では、支管内に残された液体を吸引する際に、液浸観察用の液体吸引装置(４１〜４４)の吸引力を利用するため、排出専用の吸引装置を別に設ける必要がなく、装置の大型化を回避できる。

さらに、本実施形態の液浸顕微鏡装置１０では、排液用の開口部２６をＺθステージ２２の上面に設けたので、排出動作の際に、Ｚθステージ２２の駆動機構を利用して開口部２６を吐出ノズル２４の先端の開口部と対向させることができる。このため、排出専用の駆動機構を別に設ける必要がなく、装置の大型化を回避できる。
また、排液用の開口部２６をＺθステージ２２の上面に設けたので、液浸観察時と殆ど同じステージ位置で排出動作を行うことができる。このため、Ｚθステージ２２のストロークを排出動作のために大きくする必要がなく、装置の大型化を回避できる。

（変形例）
なお、上記した実施形態では、排液用の開口部２６をＺθステージ２２の上面に設けたが、本発明はこれに限定されない。例えば、図５に示す通り、Ｚθステージ２２の外側の近傍にテーブル２８を固定的に設け、このテーブル２８の上面に同様の排液用の開口部を設けてもよい（図５では図示省略した）。この場合でも、Ｚθステージ２２の駆動機構を利用して排液用の開口部を吐出ノズル２４の先端の開口部と対向させることができる。また、Ｚθステージ２２の外に排液用の開口部があるため、Ｚθステージ２２の上面に基板１０Ａを載置した状態のままで、支管内に残された液体の排出動作を行うことができる。

さらに、Ｚθステージ２２に固定されたテーブル２８に限らず、Ｚθステージ２２とは別に設けた外付けのテーブルなどに排液用の開口部を設けてもよい。この場合にも、Ｚθステージ２２の外に排液用の開口部があるため、Ｚθステージ２２の上面に基板１０Ａを載置した状態のままで、支管内に残された液体の排出動作を行うことができる。ただし、排液用の開口部を少なくとも鉛直方向に移動させるための駆動機構が必要となる。

また、本実施形態の液浸顕微鏡装置１０では、支管内に残された古い液体の排出動作の際に、液体吸引装置(４１〜４４)の吸引力を利用して古い液体を吸引したが、本発明はこれに限定されない。液体吸引装置(４１〜４４)とは別の吸引装置を用いて古い液体を吸引してもよい。
さらに、液体吸引装置(４１〜４４)や別の吸引装置を用いた吸引を行わずに、支管内に残された古い液体を排出してもよい。この場合でも、装置のトラブルを回避するために、上記の配管２７と同様の配管を介して、排液用の開口部から排出した液体を装置の外まで導くことが好ましい。

また、上記した実施形態では、装置のイニシャライズ時に前準備として液体の排出動作を行ったが、このような排出動作とは別に、Ｚθステージ２２の平面部位（排液用の開口部２６の周囲）や、図５のテーブル２８の平面部位（排液用の開口部の周囲）などを使って、液浸観察時と同様の吐出ノズル２４による液体の吐出と吸引ノズル２５による液体の吸引とを行い、支管内を完全に液体で満たすようにしてもよい。このような動作を液浸観察の直前に行うことで、液浸観察時の液体の吐出量を正確に制御可能となる。

さらに、上記した実施形態では、支管内に残された液体を排液用の開口部から排出する例で説明したが、液体の排出動作を次のように行ってもよい。つまり、基板１０Ａとは別の任意の平面を使って、液浸観察時と同様の吐出ノズル２４による液体の吐出と吸引ノズル２５による液体の吸引とを繰り返しながら、少しずつ排出動作を行ってもよい。ただし、排液用の開口部から排出した方が、排出完了までの時間が短くて済む。

基板１０Ａとは別の平面を使う場合、その平面としては、Ｚθステージ２２の上面中央にある平面状のテーブル部（排液用の開口部２６を省略した箇所）を使うことが考えられる。さらに、排液用の工具基板や不良の基板の表面を使ってもよい。これらの場合、基板１０Ａの液浸観察と同じ環境で排出動作を行うことができる。
また、その他に、図５のテーブル２８の上面（排液用の開口部を省略した箇所）や、Ｚθステージ２２とは別に設けたテーブルの上面を使ってもよい。この場合、排液用の平面を３次元的に移動させて吐出ノズル２４と吸引ノズル２５の先端に対向させた後、液体の排出動作を行えばよい。

さらに、Ｚθステージ２２上に基板１０Ａがない場合は、Ｚθステージ２２の上面中央の平面を利用することもできるため、この平面とＺθステージ２２の外部の平面とのうち、吐出ノズル２４と吸引ノズル２５に近い方を選択することで、スループットを高めることができる。
また、排液用の平面の材質としては、ＰＥＥＫ材,電解研磨後のＳＵＳ材,ＰＴＦＥなどのフッ素系樹脂などを用いることが好ましい。これらの材料は、液体を残しにくく、液体への材料の溶出が少なく、バクテリアが付きにくいという利点がある。

さらに、排液用の平面の材質としては、対物レンズ２２の先端より液体のぬれ性が高いもの（表面張力が小さく接触角が小さいもの）を用いることが好ましい。これによって、排液用の平面の方に液体が付着しやすくなり、対物レンズ２２への液体の付着を少なくすることができる。
さらに、上記した実施形態では、局所液浸の状態で基板１０Ａを観察する場合を説明したが、本発明はこれに限定されない。基板１０Ａの観察を全面液浸の状態で行う場合にも本発明を適用できる。

液浸顕微鏡装置１０の全体構成図である。吐出ノズル２４に接続された液体吐出装置３１および循環経路(３２〜３４)と吸引ノズル２５に接続された液体吸引装置(４１〜４４)の構成を示す図である。Ｚθステージ２２の上面に設けられた排液用の開口部２６と配管２７を説明する図である。支管内に残された液体を排出する際の状態を説明する図である。Ｚθステージ２２に固定されたテーブル２８を説明する図である。

符号の説明

１０液浸顕微鏡装置 ; １０Ａ基板 ; １９液体 ; ２１Ｚθステージ ;
２２ＸＹステージ ; ２３対物レンズ ; ２４吐出ノズル ; ２５吸引ノズル ;
２６排液用の開口部 ; ２７配管 ; ３１液体吐出装置 ; ３２〜３４超純水の循環経路 ; ３５ユースポイント ; ４１〜４４液体吸引装置

Claims

観察対象の基板を支持する支持手段と、
液浸系の対物レンズと、
液浸観察用の液体の循環経路から分岐した支管を介して、前記液体の一部を前記対物レンズの先端と前記基板との間に供給する供給手段と、
前記支管の先端に位置する供給用の開口部より大きな排液用の開口部を有し、該排液用の開口部を少なくとも前記対物レンズの光軸方向に移動させて前記供給用の開口部と対向させ、前記支管内に残された液体を前記排液用の開口部から排出する排出手段とを備えた
ことを特徴とする液浸顕微鏡装置。
請求項１に記載の液浸顕微鏡装置において、
前記排出手段は、前記支管内に残された液体を吸引することにより前記排液用の開口部から排出する
ことを特徴とする液浸顕微鏡装置。
請求項２に記載の液浸顕微鏡装置において、
前記対物レンズの先端と前記基板との間に供給された液体を吸引する吸引手段を備え、
前記排出手段は、前記吸引手段の吸引力を利用して、前記支管内に残された液体を吸引することにより前記排液用の開口部から排出する
ことを特徴とする液浸顕微鏡装置。
請求項１から請求項３の何れか１項に記載の液浸顕微鏡装置において、
前記排液用の開口部は、前記支持手段に設けられる
ことを特徴とする液浸顕微鏡装置。