JP5513260B2 - 暗視野光学系 - Google Patents

Description

本発明は、暗視野光学系に関し、特に、異物検出に用いられる暗視野光学系に関する。

半導体ウェハなどの鏡面上の異物を検出する方法として、暗視野光学系を用いた暗視野観察が知られている。
暗視野観察では、正反射光が対物レンズに入射しないように、標本を斜めから照明し、標本面に存在する異物で生じる散乱光や回折光（以降、観察光と記す。）のみを対物レンズに入射させる。これにより、異物が存在しない箇所（以降、背景と記す。）は暗く、また、異物が存在する箇所は明るく観察される。

暗視野観察では、背景と異物のコントラストにより、明視野観察では視認することが難しい微小な異物の存在まで確認することができる。このため、暗視野観察に用いられる暗視野光学系は、微細化の進展が著しい半導体分野などの異物検出の用途で広く用いられている。このような暗視野光学系は、例えば、特許文献１に開示されている。

特開昭６３−１３９３１６号公報

ところで、微小な異物の存在を確認し得る暗視野光学系の検出性能を劣化させる一要因として、フレアが知られている。光学系内で生じる迷光によりフレアが引き起こされると、異物のない背景も明るく観察される。このため、コントラストにより異物を検出する暗視野観察では、検出性能が劣化することになる。

異物がμｍオーダ程度と比較的大きな場合には、異物で生じる観察光の強度が強いため、フレアによる性能の劣化はほとんど生じない。
しかしながら、ｎｍオーダの微小な異物を検出する場合には、観察光も微弱となるため、異物からの観察光がフレアに埋もれてしまう。

このような理由から、迷光により引き起こされるフレアを抑制することでより微小な異物を検出し得る暗視野光学系が求められている。

以上のような実情を踏まえ、本発明は、フレアが抑制された暗視野光学系を提供することを課題とする。

本発明の第１の態様は、照明光を標本に向けて反射する暗視野キューブと、前記暗視野キューブと前記標本の間に配置される対物レンズと、前記暗視野キューブと結像レンズの間、または、前記暗視野キューブ内に配置され、迷光を遮断する迷光絞りと、前記暗視野キューブ及び前記迷光絞りを介して入射する前記標本からの観察光を結像する前記結像レンズと、を含み、前記迷光絞りは、開口部の大きさが可変な可変絞りであり、前記可変絞りの前記開口部の大きさは、前記対物レンズに応じて変更される暗視野光学系を提供する。

本発明の第２の態様は、第１の態様に記載の暗視野光学系において、前記可変絞りの開口部の大きさは、前記対物レンズの切り替えに連動して、自動的に変更される暗視野光学系を提供する。

本発明の第３の態様は、第１の態様または第２の態様に記載の暗視野光学系において、前記迷光絞りを複数含む暗視野光学系を提供する。
本発明の第４の態様は、第１の態様乃至第３の態様のいずれか１つに記載の暗視野光学系において、前記迷光絞りの開口部の形状は、円形または矩形である暗視野光学系を提供する。

本発明の第５の態様は、第１の態様に記載の暗視野光学系において、前記暗視野キューブは、前記照明光の光束の中心部を遮断し、前記照明光の光束の周辺部を通過させる遮光部と、前記遮光部を通過した円環状の前記照明光を前記標本に向けて反射する円環ミラーと、前記照明光の一部が通過するスリットを有し、前記観察光が内部を通過する遮光筒と、を含み、前記迷光絞りは、前記スリットと前記結像レンズの間に配置される暗視野光学系を提供する。

本発明によれば、フレアが抑制された暗視野光学系を提供することができる。

実施例１に係る暗視野光学系の構成を例示する概略図である。 実施例１に係る暗視野光学系に含まれる暗視野キューブの構成を例示する概略図である。 実施例２に係る暗視野光学系の構成を例示する概略図である。 実施例２に係る暗視野光学系に含まれる可変絞りの開口部の大きさの調整方法を説明するための図である。 実施例３に係る暗視野光学系の構成を例示する概略図である。 実施例３に係る暗視野光学系の構成を例示する概略図である。 実施例４に係る暗視野光学系の構成を例示する概略図である。

図１は、本実施例に係る暗視野光学系の構成を例示する概略図である。図２は、本実施例に係る暗視野光学系に含まれる暗視野キューブの構成を例示する概略図である。
図１に例示される暗視野光学系１００は、落射照明光学系であり、照明光を射出する光源１と、照明光を略平行光に変換する照明レンズ２と、照明光を標本に向けて反射する暗視野キューブ１０と、照明光を標本に照射する放物ミラー５と、標本と暗視野キューブ１０の間に配置されて標本からの観察光を取り込む対物レンズ９と、迷光を遮断する絞り７（迷光絞り）と、暗視野キューブ１０及び絞り７を介して入射する標本からの観察光を結像する結像レンズ６と、結像レンズ６を通過した観察光を検出する撮像素子８と、を含んでいる。

暗視野キューブ１０は、図２に例示されるように、照明光の光束の中心部を遮断し、照明光の光束の周辺部を通過させる遮光部３と、遮光部３を通過した円環状の照明光を標本に向けて反射する円環ミラー４と、観察光が内部を通過する遮光筒４０（遮光筒４１、遮光筒４２）を含んでいる。また、遮光筒４０は、照明光の一部が通過するスリット４３を有し、スリット４３に対して結像レンズ６側に配置される遮光筒４１と、スリット４３に対して対物レンズ９側に配置される遮光筒４２と、から構成される。
図１は、遮光部３を円形の平板として例示しているが、特にこれに限られない。例えば、遮光部３は、円環状のスリットを有するリング絞りであってもよい。

図１及び図２に例示されるように、光源１から射出される照明光は、照明レンズ２により略平行光に変換されて遮光部３に入射する。遮光部３は、照明光の光束の中心部を遮断し、照明光の光束の周辺部のみからなる円環状の照明光を透過させる。遮光部３を通過した円環状の照明光は、円環ミラー４を反射し、遮光筒４０及び対物レンズ９の外側を通って放物ミラー５に入射する。放物ミラー５は、標本を斜めから照明する。これにより、正反射光が対物レンズ９に入射せず、標本上の異物などの構造物で散乱または回折した光のみが観察光として、対物レンズ９に入射する。

観察光は、対物レンズ９で平行光に変換されて、遮光筒４０の内部を通って、暗視野キューブ１０を通過する。その後、絞り７により暗視野光学系１００で生じた迷光が遮断されて、撮像素子８で観察光が検出される。これにより、迷光により引き起こされるフレアが抑制されるため、暗視野光学系１００は高い検出性能を実現することができる。

図２に例示されるように、スリット４３では、照明光路と観察光路が交わっている。このため、暗視野キューブ１０では、スリット４３を構成する遮光筒４１及び遮光筒４２の端部を反射した照明光が観察光路に導かれることで、迷光が生じうる。また、遮光筒４１及び遮光筒４２の内部を通過する観察光の一部が遮光筒４１及び遮光筒４２の端部を反射することでも、同様に、迷光が生じうる。

このように、落射照明光学系として構成された暗視野光学系１００では、スリット４３を構成する遮光筒４１及び遮光筒４２の端部と、照明光及び観察光との作用が、迷光の主要な発生要因として考えられる。このため、暗視野光学系１００で生じる迷光を遮断する絞り７は、暗視野キューブ１０と結像レンズ６の間に、より具体的には、スリット４３と結像レンズ６の間に配置されることが望ましい。

また、迷光をより多く遮断するためには、絞り７の開口部をできる小さくして遮光部の面積を大きくすることが望ましい。しかしながら、絞り７の開口部を観察光の光束径よりも小さくすると、迷光とともに観察光が遮断されてしまう。このため、絞り７の開口部は、絞り７に入射する観察光の光束径よりも大きく、且つ、光束径と同程度の大きさであることが望ましい。

また、図１に例示されるように、軸上の観察光は、光軸ＡＸと平行な平行光９０に変換されるが、軸外の観察光は、光軸ＡＸに対して傾いた平行光９１に変換される。つまり、観察光全体では、対物レンズ９から離れるほど光束径が太くなる。このため、絞り７は、光束径が比較的細い、暗視野キューブ１０の近く配置することが望ましい。

また、絞り７の開口部の形状は、特に限定されない。例えば、矩形や円形であってもよい。ただし、絞り７の開口部の形状は、撮像素子８の受光面の形状と同形状であることがより望ましい。撮像素子８の受光面は、通常、矩形形状を呈しているため、絞り７の開口部の形状も矩形であることが望ましい。また、絞り７の開口部の形状は、観察光を遮断することなくより大きな遮光部を有することが可能なため、絞り７に入射する観察光の光束の断面形状と同形状であってもよい。光束の断面形状は、通常、円形であるため、絞り７の開口部の形状は円形であってもよい。

また、暗視野光学系１００に含まれる絞り７は、一つに限られない。迷光をより効果的に遮断するために、暗視野光学系１００は、複数の絞りを含んでもよい。
以上、本実施例に係る暗視野光学系１００によれば、絞り７により迷光を遮断してフレアを抑制することができる。従って、暗視野光学系１００は、高い検出性能を有し、より微小な異物を検出することができる。

図３は、本実施例に係る暗視野光学系の構成を例示する概略図である。図４は、本実施例に係る暗視野光学系に含まれる可変絞りの開口部の大きさの調整方法を説明するための図である。

図３に例示される暗視野光学系１０１は、絞り７の代わりに、開口部の大きさが可変な可変絞り７１（迷光絞り）を含む点が、実施例１に係る暗視野光学系１００と異なっている。

図４に例示されるように、可変絞り７１の開口部の大きさは、遮光筒４１に設けられた操作部７２を用いて変更することができる。具体的には、操作部７２を回転して、操作部７２に印字されたマーク７４を、遮光筒４１に印字されたマーク７３のいずれかに対応する位置に移動させることで、変更することができる。

最適な開口部の大きさは光束径に依存するが、光束径は観察する視野数と対物レンズの開口数及び焦点距離によって異なる。即ち、対物レンズ毎に光束径が異なり、最適な開口部の大きさも異なる。本実施例に係る暗視野光学系１０１では、可変絞り７１により、開口部の大きさを対物レンズに応じて変更することで、常に、最適な開口部の大きさを実現することができる。例えば、可変絞り７１の開口部の大きさが対物レンズ毎に最適化された大きさとなる位置に予めマーク７３を印字するで、対物レンズの切換えに合わせて、開口部の大きさを容易に最適な大きさに調整することができる。

また、開口部の大きさを最適な大きさよりも小さくすると、観察する視野が狭くなるが、迷光はより多く遮断することができる。このため、特に微弱な観察光を検出する場合でフレアの影響が大きい場合には、可変絞り７１の開口部の大きさを光束径との関係で最適な大きさよりも小さくすることで、検出性能を向上させることができる。

以上、本実施例に係る暗視野光学系１０１によれば、実施例１に係る暗視野光学系１００と同様の効果を得ることができる。さらに、可変絞り７１の開口部の大きさを対物レンズ毎に最適な大きさに調整することで、対物レンズに拠らずフレアを効果的に抑制することができる。また、予め対物レンズ毎に最適な開口部の大きさとなる位置を特定することで、対物レンズの切換え作業とともに、容易に可変絞り７１の開口部の大きさを最適化することができる。

なお、本実施例に係る暗視野光学系１０１の可変絞り７１の開口部の大きさを変更する機構は、カメラなどに用いられる一般的な機構である。開口部の形状としては、複数の羽から構成される円形形状が一般的であるが、特にこれに限られない。実施例１に係る暗視野光学系１００の絞り７と同様に開口部の形状は矩形であってもよい。

図５及び図６は、本実施例に係る暗視野光学系の構成を例示する概略図であり、それぞれ暗視野光学系の一部分の構成を例示している。
図５及び図６に例示される暗視野光学系１０２は、可変絞り７１の開口部の大きさが対物レンズの切換えに連動して自動的に変更される点が、実施例２に係る暗視野光学系１０１と異なっている。

図５に例示されるように、暗視野光学系１０２は、ステッピングモータ７６と、ギア７７を含んでいる。さらに、暗視野光学系１０２では、遮光筒４１に、ギア７７とかみ合っているギア７５が設けられている。ギア７５は、実施例２に係る暗視野光学系１０１の操作部７２が設けられている位置に形成されている。このため、ステッピングモータ７６の回転がギア７７を介してギア７５に伝達されて、ギア７５が回転することで、可変絞り７１の開口部の大きさを変更することができる。

また、図６に例示されるように、暗視野光学系１０２は、コントローラ１１を含み、コントローラ１１は、複数の対物レンズ９が装着される電動レボルバ１２と、ステッピングモータ７６に接続されている。コントローラ１１は、電動レボルバ１２の各位置に装着されている対物レンズ９とその対物レンズ９に最適な開口部の大きさに関する情報を保持している。

このため、コントローラ１１は、電動レボルバ１２を駆動して対物レンズ９を切り換える際に、可変絞り７１の開口部の大きさが光軸上に配置される対物レンズ９に最適な大きさとなるように、ステッピングモータ７６を回転させることができる。

以上、本実施例に係る暗視野光学系１０２によれば、実施例２に係る暗視野光学系１０１と同様の効果を得ることができる。さらに、可変絞り７１の開口部の大きさを対物レンズの切換えに連動して自動的に最適化することができるため、ユーザの調整作業の負担を軽減することができる。

図７は、本実施例に係る暗視野光学系の構成を例示する概略図であり、暗視野光学系の一部分の構成を例示している。
図７に例示される暗視野光学系１０３は、絞り７が暗視野キューブ１０内に配置されている点が、実施例１に係る暗視野光学系１００と異なっている。より具体的には、絞り７は、スリット４３の結像レンズ６側に位置する遮光筒４１の内部で、且つ、スリット４３近傍に配置されている。

絞り７は、迷光の発生要因を考慮すると、スリット４３と結像レンズ６の間に配置されることが望ましい。また、絞り７の遮光部の面積を大きくするためには、絞り７は、観察光の光束径が細い対物レンズ９に近い位置に配置することが望ましい。
暗視野光学系１０３では、観察光の光束径が比較的細い遮光筒４１の内部のスリット４３近傍に絞り７を配置することで、絞り７の遮光部の面積を大きくとることができる。

以上、本実施例に係る暗視野光学系１０３によれば、実施例１に係る暗視野光学系１００と同様の効果を得ることができる。さらに、絞り７の遮光部の面積を大きくとることができるため、迷光の遮断効果及びフレアの抑制効果が向上する。従って、暗視野光学系１０３は、より高い検出性能を実現し得る。

なお、暗視野光学系１０３では、キューブを切り換えて他の観察法で試料を観察する場合に、暗視野キューブ１０とともに絞り７が光路中から退避される。このため、絞り７が他の観察法に影響を及ぼすことがなく、観察法の変更作業にも影響しない点で、暗視野光学系１０３の構成は、望ましい。
また、図７は、遮光筒４１内に配置される絞りを開口部の大きさが固定な絞り７として例示しているが、特にこれに限られない。実施例２及び実施例３で例示されるように、遮光筒４１内に可変絞り７１を配置してもよい。

１・・・光源、２・・・照明レンズ、３・・・遮光部、４・・・円環ミラー、５・・・放物ミラー、６・・・結像レンズ、７・・・絞り、８・・・撮像素子、９・・・対物レンズ、１０・・・暗視野キューブ、１１・・・コントローラ、１２・・・電動レボルバ、９０、９１・・・平行光、４０、４１、４２・・・遮光筒、４３・・・スリット、７１・・・可変絞り、７２・・・操作部、７３、７４・・・マーク、７５、７７・・・ギア、７６・・・ステッピングモータ、１００、１０１、１０２、１０３・・・暗視野光学系、ＡＸ・・・光軸

Claims (5)

1. 照明光を標本に向けて反射する暗視野キューブと、
   前記暗視野キューブと前記標本の間に配置される対物レンズと、
   前記暗視野キューブと結像レンズの間、または、前記暗視野キューブ内に配置され、迷光を遮断する迷光絞りと、
   前記暗視野キューブ及び前記迷光絞りを介して入射する前記標本からの観察光を結像する前記結像レンズと、を含み、
   前記迷光絞りは、開口部の大きさが可変な可変絞りであり、
   前記可変絞りの前記開口部の大きさは、前記対物レンズに応じて変更される
   ことを特徴とする暗視野光学系。
2. 請求項１に記載の暗視野光学系において、
   前記可変絞りの前記開口部の大きさは、前記対物レンズの切り替えに連動して、自動的に変更される
   ことを特徴とする暗視野光学系。
3. 請求項１または請求項２に記載の暗視野光学系において、
   前記迷光絞りを複数含む
   ことを特徴とする暗視野光学系。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の暗視野光学系において、
   前記迷光絞りの開口部の形状は、円形または矩形である
   ことを特徴とする暗視野光学系。
5. 請求項１に記載の暗視野光学系において、
   前記暗視野キューブは、
   前記照明光の光束の中心部を遮断し、前記照明光の光束の周辺部を通過させる遮光部と、
   前記遮光部を通過した円環状の前記照明光を前記標本に向けて反射する円環ミラーと、
   前記照明光の一部が通過するスリットを有し、前記観察光が内部を通過する遮光筒と、を含み、
   前記迷光絞りは、前記スリットと前記結像レンズの間に配置される
   ことを特徴とする暗視野光学系。