JP6255305B2 - 光学顕微装置 - Google Patents

Description

本発明は、試料に荷電粒子線を照射して試料の顕微画像つまり観察像を得る荷電粒子線装置に用いられ、試料表面の光学像を撮像するための光学顕微装置に関する。

試料に荷電粒子線を照射して得られる信号に基づいて観察像を得る荷電粒子線装置としては、電子線を用いた走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）や、走査型透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）がある。走査型電子顕微鏡は、観察対象である試料に電子線を照射した際に発生する二次電子や反射電子を検出することにより、試料表面の顕微画像を得るために使用され、走査型透過電子顕微鏡は、試料上を走査させながら電子線を透過させて試料中で散乱、回析された電子に基づいて試料内部の顕微画像を得るために使用される。いずれの電子顕微鏡も、数万倍以上の高倍率を有している。

このような荷電粒子線装置には、電子線の照射により得られる顕微画像の部位ないし領域が試料の中のどの部分かを確認する必要があるため、荷電粒子線装置よりも低倍率の光学顕微鏡が併設される。特許文献１に記載された拡大観察装置は、試料室が設けられた真空容器つまりチャンバーとしての胴部を有し、試料室内の試料の顕微画像を取得するための高倍率の電子線撮像装置と、試料の光学画像を撮像する低倍率の光学撮像装置とが胴部に設けられており、光学撮像装置の対物レンズは試料に電子線が照射される部位に対向している。

特許文献２に記載された検査計測装置は、試料室が設けられた真空容器としてのチャンバーを有し、Ｘ，Ｙの２軸方向に移動自在のウエハホルダが試料室に配置されている。チャンバー内には、試料に向けて電子線を照射する電子光学系と、二次電子線を検出する検出器とが設けられ、さらに、光学顕微鏡部がチャンバー内に設けられている。観察対象の試料は、電子線が照射される位置と、光学顕微鏡部に対向する位置とに、ステージにより移動される。

特許文献３には荷電粒子線の写像投影光学系が記載されている。この光学系は、試料室が設けられた真空容器としてのチャンバーを有し、試料室に設けられたＸ，Ｙの２軸方向に移動自在に試料が配置される。照射用荷電粒子線を試料に照射する照射光学系が設けられた１次コラムと、試料から放出された観察用荷電粒子線を電子ビーム検出器に照射する写像投影光学系が設けられた２次コラムとがチャンバーに設けられている。顕微画像の光学画像を撮像するために、光学顕微鏡の対物レンズが２次コラム内に組み込まれている。観察対象の試料は、特許文献２に記載された検査計測装置と同様に、電子線が照射される位置と、光学顕微鏡の対物レンズに対向する位置とに、ステージにより移動される。

特開２０１２−１５０２７号公報 特開２０１３−３３７３９号公報 特開２０００−３６９２号公報

特許文献１に記載されるように、光学撮像装置の対物レンズを電子線が照射される部位に対向して配置すると、試料を移動させることなく、顕微画像を取り込むと同時に光学画像を撮像することができる。これに対し、特許文献２，３に記載されるように、予め光学顕微鏡部により電子線の照射領域を確認後、目的の視野にステージを移動するが、ステージを機械的に移動するために何回かの微調整が必要となる。このように視野探しに時間が掛かっている。視野にステージを移動するために、顕微画像と光学画像とを同時に得ることができなかった。

上述した従来の荷電粒子線装置においては、顕微画像の部位に光を照射して光学顕微鏡により光学画像を撮像するために、光源が荷電粒子線装置の外部に配置されている。特許文献１に記載された拡大観察装置においては、ファイバにより光源に接続された照明部から試料台に照明光を照射している。また、特許文献２に記載された光学顕微鏡部は、チャンバー内に配置されたＣＣＤカメラを有し、ＣＣＤカメラにより撮像される部位には、チャンバーに取り付けられた光源からの光が照射される。さらに、特許文献３に記載された写像投影光学系においては、外部に配置された光源からの光をファイバにより試料に照射するようにしている。

このように、光源および対物レンズを真空容器としてのチャンバーの外側に配置する方式では、試料に照射されて試料から反射した照明光が充分に光学撮像装置の対物レンズに入らず、明るい光学画像を撮像することができないという課題がある。特に、光学撮像装置を電子線が照射される部位に対向させると、電子線撮像装置と試料との間の距離が狭いので、外部に光源は配置した構造では、照明光が充分に試料に照射されないという課題がある。

本発明の目的は、荷電粒子線が照射されて顕微画像が取り込まれる部位の光学画像を、試料を移動させることなく、鮮明に明るく撮像し得るようにすることにある。

本発明の光学顕微装置は、大気圧以下の圧力に調圧される試料室を有し、前記試料室内に試料台が設けられる真空容器と、前記真空容器に設けられ、前記試料台に配置された試料に垂直に荷電粒子線を照射する粒子線照射系と、粒子線が照射された観察部位からの二次粒子線により顕微画像を検出する顕微画像検出系と、光軸が前記試料に対して傾斜するとともに荷電粒子線の線軸に交差し、前記観察部位に対向して前記真空容器に設けられ、前記観察部位の光学画像を撮像する光学撮像系と、前記試料室内に配置され、前記観察部位を照明する照明用光源と、を有し、前記光学撮像系は、前記試料室内に前記観察部位に対向して配置される第１の光学素子と、前記第１の光学素子からの画像光を透過させ、かつ前記真空容器を閉塞する覗き窓と、前記真空容器の外部に配置され、前記観察部位の前記光学画像を撮像する撮像器と、前記真空容器の外部に配置され、前記第１の光学素子からの前記画像光を前記撮像器の結像面に結像させる第２の光学素子と、を有し、前記結像面に対する前記画像光の入射角を２１°±５°の範囲とした。

真空容器内に配置された試料に対して、粒子線照射系から荷電粒子線が照射された試料の顕微画像を得るための観察部位には、光学撮像系が対向して配置されており、顕微画像の光学画像は、光軸が試料に対して傾斜するとともに荷電粒子線の線軸に交差している光学撮像系により直接撮像される。観察部位には真空容器内に配置された照明用光源の光が直接照射されるので、光学撮像系により鮮明な明るい光学画像を撮像することができる。さらに、光学撮像系の結像面に対する画像光の入射角を一定の範囲とすることにより、顕微画像の光学画像を拡大して検出することができる。

光学顕微装置の一実施の形態を示す概略図である。 図１に示した光学撮像系の一例における結像光路を示す概略図である。 （Ａ）は試料のテストパターンを示す観察部位画像であり、（Ｂ）〜（Ｄ）は、それぞれ結像面の入射角を変化させた場合における結像面の光学画像である。 光学画像を形成する光学撮像系の具体的構造を示す概略図である。 試料の観察部位を照明する照明用光源としてのＬＥＤの特性線図である。 光学撮像系の他の具体例を示す概略図である。 光学撮像系のさらに他の具体例を示す概略図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１に示されるように、光学顕微装置１０は、試料室１１が設けられたチャンバーつまり真空容器１２を有しており、試料室１１は、図示しない真空ポンプにより大気圧以下の圧力つまり真空圧に調圧される。真空容器１２には、ウエハ等の試料Ｗが配置される試料台１３が設けられている。試料台１３は、水平面つまり水平方向のＸ，Ｙ２軸方向に試料Ｗを移動自在に支持する。

真空容器１２には、粒子線照射系としての電子線照射系２１が設けられている。電子線照射系２１はコラム２２を有し、コラム２２の基端部には荷電粒子としての電子線を照射する電子線源２３が設けられている。コラム２２内には、コンデンサーレンズ２４、およびスキャン用偏向器２５等が設けられており、これらにより電子線照射系２１が構成されており、電子線源２３から発した電子線は、試料Ｗの観察部位に走査されて照射される。

観察部位に電子線を照射することにより、試料から放出された二次粒子線つまり二次電子線を検出するために、真空容器１２には電子線検出器２６が設けられている。電子線検出器２６は観察部位の顕微画像を検出するための顕微画像検出系を構成しており、電子線検出器２６からの検出信号に基づいて、高倍率の顕微画像が得られる。

試料Ｗの観察部位の光学画像を撮像するために、真空容器１２には光学撮像系３１が設けられている。光学撮像系３１は、試料Ｗの観察部位に対向して配置される第１の光学素子３２を有し、第１の光学素子３２は、真空圧に調圧される真空容器１２の試料室１１に設けられている。真空容器１２には透光性の部材からなる覗き窓３３が設けられており、覗き窓３３は、第１の光学素子３２からの画像光を透過させるとともに、真空容器１２を閉塞して真空圧に調圧される試料室１１と真空容器１２の外部とを閉塞する。

真空容器１２の外部には、観察部位の光学画像を撮像する撮像器３４が設けられており、撮像器３４と覗き窓３３との間には、第１の光学素子３２からの画像光を撮像器３４の結像面に結像させる第２の光学素子３５が設けられている。撮像器３４からの検出信号に基づいて、顕微画像よりも低倍率の光学画像が得られる。光学撮像系３１の光軸Ｏは、電子線照射系２１の電子線軸Ｓに交差しており、電子線が照射される試料Ｗの観察部位の光学画像を直接撮像することができる。

コラム２２の先端は試料Ｗに接近しており、電子線軸Ｓが試料Ｗに対してほぼ垂直となっているのに対し、光軸Ｏはコラム２２の先端との干渉を避けるために、試料Ｗの表面に対して角度θ傾斜している。光学撮像系３１により鮮明な明るい光学画像を撮像するために、照明用光源３６が真空容器１２内の試料室１１に配置されている。照明用光源３６は、ＬＥＤであり、試料台１３よりも上側つまり顕微画像検出系側つまり顕微画像検出系を構成するコラム２２側に寄せて試料室１１に配置されている。照明用光源３６としてのＬＥＤの数は、１つでも良く、複数でも良い。図１に示されるように、照明用光源３６を試料室１１内に配置すると、照明用光源３６を試料Ｗに接近させることができるので、観察部位を明るく照明することができる。

光学顕微装置１０は制御ユニット４１を有し、制御ユニット４１から電子線源２３に電力が供給されるとともに、照明用光源３６に電力が供給される。制御ユニット４１には電子線検出器２６の検出信号が送られるとともに、撮像器３４の検出信号が送られる。制御ユニット４１には、顕微画像を表示する顕微画像表示部４２と、光学画像を表示する光学画像表示部４３とが接続されている。制御ユニット４１は、検出信号を演算するマイクロプロセッサと、演算子やマップデータ等が格納されるメモリとを有しており、電子線検出器２６からの検出信号に基づいて、高倍率の顕微画像を演算し、演算された顕微画像は顕微画像表示部４２に表示される。また、制御ユニット４１は、撮像器３４からの検出信号に基づいて、顕微画像よりも低倍率の光学画像を演算し、演算された光学画像は光学画像表示部４３に表示される。

顕微画像表示部４２と光学画像表示部４３を隣接して配置された別々のディスプレイに表示したり、同一のディスプレイに両方の画像を表示したりすると、顕微画像と光学画像とを同時に表示して両方の画像を比較することができる。したがって、電子線を照射すべき観察部位を位置決めする際には、作業者は、光学画像表示部４３に表示される光学画像を目視しながら、試料台１３を移動操作することにより、観察部位の位置を容易に設定することができる。位置決めされた観察部位の顕微画像を得るには、電子線源２３から電子線を試料Ｗに照射し、その二次電子線を電子線検出器２６により検出する。検出された信号に基づいて、顕微画像表示部４２には顕微画像が表示される。作業者は、顕微画像と光学画像とを両方の表示部を比較することができ、観察部位の変更操作等を容易に行うことができる。

図２は図１に示した光学撮像系３１の一例における結像光路を示す概略図であり、図４は図２に示した結像光路を形成する光学撮像系３１の具体的構造を示す概略図である。

図２に示す光学撮像系３１は、第１の光学素子３２と第２の光学素子３５がいずれもレンズにより構成されている。試料Ｗの観察部位から反射した画像光は、試料室１１内に配置された対物レンズとしての第１のレンズ３２ａを透過した後に、アパーチャ３７により絞られて、覗き窓３３を透過する。覗き窓３３を透過した画像光は、真空容器１２の外部つまり大気中に配置された結像レンズとしての第２のレンズ３５ａにより、撮像器３４の結像面３８に光学画像が結像される。第１のレンズ３２ａは真空状態となる試料室１１にさらされるので、単一レンズにより形成することが好ましい。第２のレンズ３５ａは大気圧にさらされるので、複合レンズにより形成することができる。

撮像器３４は図２において矢印で示すように、揺動自在となっており、結像面３８に対する画像光の入射角αが可変となっている。対物レンズとしての第１のレンズ３２ａの光軸Ｏは、試料Ｗに対して角度θ傾斜しており、第１のレンズ３２ａからの画像光は、観察部位を傾斜した方向からの画像となっている。したがって、結像面３８を光軸Ｏに対して直角とすると、結像面３８には傾斜した方向からの観察部位の画像が結像されることになるが、結像面３８に対する画像光の入射角を変化させることにより、結像面３８には観察部位を正面側から観察した場合にほぼ対応する光学画像が結像される。

図３（Ａ）は試料Ｗの観察部位に形成されたテストパターンとしての観察部位画像を示す。図３（Ｂ）は光軸Ｏに対する入射角αを９０°とし、図３（Ｃ）は入射角αを４５°とし、図３（Ｄ）は入射角αを２１°とした場合における結像面の光学画像を示す。

入射角αを９０°、つまり結像面３８を光軸Ｏに対して直角とすると、観察部位を傾斜した方向から観察した光学画像となるが、図３（Ａ）に示した観察部位のテストパターン画像よりも図３において上下方向に潰れた光学画像となる。しかも、図３（Ｂ）（Ｃ）においては、上下両端部側のテストパターン線はぼやけた画像となった。

これに対し、入射角αを２１°とすると、図３（Ｄ）に示すように、全体的に焦点が合うようになり、かつ光学画像がテストパターンの観察部位画像よりも拡大された。このように、入射角αを変化させることにより、一種のズーミング作用として結像面３８には光学画像が結像される。この拡大画像が得られる入射角αとしては、２１°を基準として、±５°の範囲とすると、観察部位画像のテストパターンの焦点がぼやけることなく、画像の拡大効果が得られることが判明した。このように拡大効果が得られると、光学画像は観察部位の有無を観察するためであるので、観察部位を容易に検出することができる。

照明用光源３６として使用するＬＥＤとしては、白色ＬＥＤ、青色ＬＥＤ、および赤色ＬＥＤ等を使用することができ、試料Ｗの観察画像の種類等に応じて、最適な色彩のＬＥＤが選択される。また、照明用光源としてのＬＥＤは、観察部位に対して照射角度を変更したり、観察部位に対する距離を変更したりすることができるように、図示しないホルダーに移動自在に装着される。

図４に示される光学撮像系３１は鏡筒３９を有しており、鏡筒３９の先端部には第１のレンズ３２ａとアパーチャ３７が組み込まれ、基端部には第２のレンズ３５ａが組み込まれている。鏡筒３９内には覗き窓３３が組み込まれており、鏡筒３９の基端部側と先端部側は覗き窓３３により閉塞つまり封止されている。鏡筒３９は覗き窓３３に近い部分で真空容器１２に取り付けられ、鏡筒３９と真空容器１２との間はシール部材によりシールされる。

鏡筒３９の先端部側は連通孔により真空容器１２の試料室１１に連通しており、第１のレンズ３２ａは大気圧以下に調圧された試料室１１に圧力にさらされる。これに対して、第２のレンズ３５ａは外部の大気圧にさらされことになる。このため、鏡筒３９のうち第１のレンズ３２ａと第２のレンズ３５ａとの間を密封構造とし、覗き窓３３を使用しない構造とすると、大気圧状態での鏡筒３９と真空容器１２に取り付けられた状態での鏡筒３９とで光軸Ｏのずれか発生することがあるが、上述のように、第１のレンズ３２ａを試料室１１内の真空にさらすようにすると、光軸Ｏのずれ発生がなく、鮮明な光学画像を撮像することができる。

図５は試料の観察部位を照明する照明用光源３６としてのＬＥＤの特性線図であり、図５において横軸は、ＬＥＤの発光を開始させてからの経過時間を示し、縦軸はＬＥＤを支持するための支持台の温度変化を示す。照明用光源３６は大気圧よりも減圧された真空状態の試料室１１内に配置されるので、ＬＥＤが発熱すると、その熱は空気を熱伝達媒体とした放熱が行われず、ＬＥＤは過加熱状態となると考えられた。しかし、図５に示すように、点灯開始から時間ａが経過するまでは、支持台は温度Ｔ2まで大きく上昇したが、その後は大きな温度上昇はなく、通常の連続使用時間ｂを経過しても、定常温度Ｔ1をほぼ維持できることが判明した。定常温度においては、ＬＥＤの発光特性つまり発光照度には変化がなく、しかも、赤、青等のいずれの色彩を発光するＬＥＤについても同様であった。

したがって、画像を検出する時に真空状態に保持される試料室１１内に照明用光源３６としてＬＥＤを配置しても、ＬＥＤは過度に加熱されることなく、所望の照度で、試料Ｗの近傍から試料Ｗの観察部位をＬＥＤで直接照射することができた。観察部位を直接照明することができるので、光学撮像系３１により鮮明な明るい光学画像を撮像することができる。

図６は光学撮像系３１の他の具体例を示す概略図である。この光学撮像系３１は、真空容器１２に一体に取り付けられる鏡筒部５１を有し、鏡筒部５１に設けられた開口部５２には透明性材料からなる覗き窓３３が取り付けられており、覗き窓３３により鏡筒部５１は内部と外部とが閉塞されている。鏡筒部５１の内部には鏡筒部５１よりも小径の鏡筒部５３が装着されており、鏡筒部５３には、第１のレンズ３２ａとアパーチャ３７とが取り付けられている。図６に示される光学撮像系３１は、鏡筒部５１，５３の構造を覗いて、図２および図４に示した場合と同様となっている。

図７は光学撮像系のさらに他の具体例を示す概略図である。この光学撮像系３１は、第１の反射ミラー３２ｂと第２の反射ミラー３２ｃとを有しており、第１の反射ミラー３２ｂは試料Ｗの観察部位に対向し、第２の反射ミラー３２ｃは、第１の反射ミラー３２ｂからの反射光を、覗き窓３３を介して第２のレンズ３５ａに反射する。両方の反射ミラー３２ｂ，３２ｃにより第１の光学素子３２が構成される。特に、第１の反射ミラー３２ｂは非点収差を少なくするためにトロイダルミラーが用いられている。この種のミラー型の光学撮像系においても、入射角αの角度を２１°±５°の範囲に設定すると、観察部位の画像を拡大しつつ焦点が合った光学画像を得ることができた。

本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。実施の形態においては試料に電子線を照射して観察部位の顕微画像を得るようにしているが、本発明の光学顕微装置は、イオンビームを荷電粒子線として試料の観察部位の観察や検査などを行うための荷電粒子線装置にも適用することができる。また、ＳＥＭのみならず、ＳＴＥＭにも本発明を適用することができる。

１０ 光学顕微装置
１１ 試料室
１２ 真空容器
１３ 試料台
２１ 電子線照射系
２２ コラム
２３ 電子線源
２４ コンデンサーレンズ
２５ スキャン用偏向器
２６ 電子線検出器
３１ 光学撮像系
３２ 第１の光学素子
３２ａ 第１のレンズ
３２ｂ 第１の反射ミラー
３２ｃ 第２の反射ミラー
３３ 覗き窓
３４ 撮像器
３５ 第２の光学素子
３５ａ 第２のレンズ
３６ 照明用光源
３７ アパーチャ
３８ 結像面
３９ 鏡筒
４１ 制御ユニット
４２ 顕微画像表示部
４３ 光学画像表示部
５１ 鏡筒部
５２ 開口部
５３ 鏡筒部
Ｏ 光軸
Ｓ 電子線軸
Ｗ 試料

Claims (6)

1. 大気圧以下の圧力に調圧される試料室を有し、前記試料室内に試料台が設けられる真空容器と、
   前記真空容器に設けられ、前記試料台に配置された試料に垂直に荷電粒子線を照射する粒子線照射系と、
   粒子線が照射された観察部位からの二次粒子線により顕微画像を検出する顕微画像検出系と、
   光軸が前記試料に対して傾斜するとともに荷電粒子線の線軸に交差し、前記観察部位に対向して前記真空容器に設けられ、前記観察部位の光学画像を撮像する光学撮像系と、
   前記試料室内に配置され、前記観察部位を照明する照明用光源と、を有し、
   前記光学撮像系は、
   前記試料室内に前記観察部位に対向して配置される第１の光学素子と、
   前記第１の光学素子からの画像光を透過させ、かつ前記真空容器を閉塞する覗き窓と、
   前記真空容器の外部に配置され、前記観察部位の前記光学画像を撮像する撮像器と、
   前記真空容器の外部に配置され、前記第１の光学素子からの前記画像光を前記撮像器の結像面に結像させる第２の光学素子と、を有し、
   前記結像面に対する前記画像光の入射角を２１°±５°の範囲とした、光学顕微装置。
2. 請求項１記載の光学顕微装置において、前記照明用光源はＬＥＤであり、当該ＬＥＤを前記試料台よりも前記顕微画像検出系側に寄せて前記試料室内に配置した、光学顕微装置。
3. 請求項１または２記載の光学顕微装置において、前記第１の光学素子は対物レンズであり、第２の光学素子は結像レンズである、光学顕微装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光学顕微装置において、前記第１の光学素子は前記観察部位に対向した第１の反射ミラーと、前記第１の反射ミラーからの反射光を前記第２の光学素子に向けて反射する第２の反射ミラーである、光学顕微装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の光学顕微装置において、前記結像面に対する前記画像光の入射角が可変となるように、前記撮像器を揺動自在とした、光学顕微装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の光学顕微装置において、前記顕微画像を表示する顕微画像表示部と、前記顕微画像表示部に隣接して設けられ、前記光学画像を表示する光学画像表示部とを有し、前記顕微画像と前記光学画像とを比較して表示する、光学顕微装置。

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