JP6629572B2 - Lighting device and observation system - Google Patents

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Description

本発明は、偏光顕微鏡などに適した照明装置および観察システムに関するものである。   The present invention relates to an illumination device and an observation system suitable for a polarization microscope and the like.

特許文献1には、顕微鏡装置を構成する光学系により生じる偏光状態の変化を補正する偏光補正光学系及びこの偏光補正光学系を備える顕微鏡装置を提供することが記載されている。この特許文献1においては、偏光子、コンデンサレンズ、対物レンズ及び検光子を備える偏光顕微鏡光学系において、偏光子及びコンデンサレンズの間に、第1光学素子、第1波長板の順で並んだ第1偏光補正光学系を配置し、対物レンズ及び検光子の間に、第2波長板、第2光学素子の順で並んだ第2偏光補正光学系を配置して、コンデンサレンズ及び対物レンズで生じる偏光状態の変化を補正することが記載されている。   Patent Literature 1 describes providing a polarization correction optical system that corrects a change in polarization state caused by an optical system included in a microscope device, and a microscope device including the polarization correction optical system. In Patent Document 1, in a polarizing microscope optical system including a polarizer, a condenser lens, an objective lens, and an analyzer, a first optical element and a first wave plate are arranged in this order between the polarizer and the condenser lens. One polarization correction optical system is disposed, and a second polarization correction optical system arranged in the order of a second wave plate and a second optical element is disposed between an objective lens and an analyzer, and is generated by a condenser lens and an objective lens. It describes that a change in the polarization state is corrected.

特開2009−63722号公報JP 2009-63722 A

偏光顕微鏡は物体の結晶構造に密接な関係がある偏光や複屈折特性を観察するための光学顕微鏡であり、コノスコープ観察法やオルソスコープ観察法などで用いられる。しかしながら、観察対象が微小な歪場や転位サイズが原子レベルの格子欠陥である場合、偏光顕微鏡は適していないと考えられており、原子変位レベルの歪や微小な転位欠陥の観察や評価・分析を行うには、破壊検査としてKOHエッチング法、非破壊検査ではフォトルミネッセンス(PL)イメージング測定法、あるいはシンクロトロンによる放射光X線トポグラフなどの大型放射光施設による観察法しかないと考えられている。したがって、可視光またはその近傍の波長の光を用いた観察対象が、より小さな歪場や、よりサイズの小さな格子欠陥まで広がれば、材料の評価がいっそう簡易になり、それに要する費用が軽減される。   A polarizing microscope is an optical microscope for observing polarization and birefringence characteristics closely related to the crystal structure of an object, and is used in a conoscopic observation method, an orthoscopic observation method, and the like. However, if the observation target is a microscopic strain field or a lattice defect with a dislocation size at the atomic level, a polarizing microscope is considered unsuitable, and observation, evaluation, and analysis of distortion at the atomic displacement level and microscopic dislocation defects are considered. It is considered that only KOH etching method is used for destructive inspection, photoluminescence (PL) imaging measurement method for non-destructive inspection, or observation method using a large synchrotron radiation facility such as synchrotron radiation X-ray topograph. . Therefore, if the object to be observed using visible light or light having a wavelength in the vicinity thereof spreads to a smaller strain field or a smaller lattice defect, the evaluation of the material is further simplified, and the cost required for the evaluation is reduced. .

本発明の一態様は、光源から供給された光を伝達し、その途上で照度分布が均一化されるライトガイドと、ライトガイドを経て供給された光を観察対象物に対し平行光として出力するコンデンサーレンズと、コンデンサーレンズの観察対象物と反対側の焦点面に配置された薄い遮光板を有する偏光観察用の照明装置である。遮光板は、ライトガイドを経て供給される準単色光が通過する微細開口であって、ライトガイドの出口径より小さな開口径の微細開口を含む。また、コンデンサーレンズの観察対象物の側に配置された偏光子を有してもよい。   One embodiment of the present invention transmits a light supplied from a light source, and outputs a light supplied through the light guide as parallel light to an observation target, in which a light guide in which illuminance distribution is uniformed on the way. The illumination device for polarized light observation includes a condenser lens and a thin light shielding plate disposed on a focal plane of the condenser lens on a side opposite to an object to be observed. The light-shielding plate is a fine opening through which the quasi-monochromatic light supplied through the light guide passes, and includes a fine opening having an opening diameter smaller than the exit diameter of the light guide. Further, it may have a polarizer arranged on the condenser lens on the side of the observation object.

本願の発明者は、可視光域の偏光顕微鏡であっても、照明光の性質を変えることにより、より小さな歪場や、よりサイズの小さな格子欠陥を検出できると想定した。すなわち、従来の偏光顕微鏡で用いられているケーラー照明は、白色の光源または光源の像をコンデンサーレンズの物体側の焦点面上に置き、光源の各点から出た白色光はコンデンサーで平行光線となり、これが標本面を照明する。また、ケーラー照明では、白色光を用いるので、各波長に対して屈折率が異なる光路により様々な方向(角度)のある光が用いられる。この結果、ケーラー照明は、いろいろな方向(角度から)の平行光の集まりであり低コリメート光として試料を照明することにより光源灯の強度むらを抑制して均一に対象物を照明する。したがって、低コリメートでかつインコヒーレントである光により観察対象物が照明されることにより、様々な光の角度から得られた観察対象物の偏光情報が、相互作用することで積分され、さらに広帯域の波長によりレンズの屈折率が異なり、偏光の方向が一定ではないため得られる位相差情報の空間分解能が低下していると想定した。   The inventor of the present application assumed that, even with a polarizing microscope in the visible light range, a smaller strain field and a smaller lattice defect could be detected by changing the properties of the illumination light. In other words, Koehler illumination used in conventional polarization microscopes places a white light source or an image of the light source on the object-side focal plane of a condenser lens, and the white light emitted from each point of the light source is converted into a parallel light by a condenser. , Which illuminates the specimen surface. Further, in Koehler illumination, since white light is used, light having various directions (angles) is used by optical paths having different refractive indexes for respective wavelengths. As a result, Koehler illumination is a collection of parallel lights in various directions (from different angles) and illuminates the sample as low-collimated light, thereby suppressing unevenness in the intensity of the light source lamp and uniformly illuminating the object. Therefore, by illuminating the observation target with low-collimated and incoherent light, the polarization information of the observation target obtained from various angles of light is integrated by interaction, and is integrated, further broadening the band. It has been assumed that the spatial resolution of the obtained phase difference information is reduced because the refractive index of the lens varies depending on the wavelength and the direction of polarized light is not constant.

この偏光観察用の照明装置においては、まず、コヒーレントであるが、スペックルノイズの発生を抑制できる準単色光を採用し、さらに、準単色光をコンデンサーレンズの焦点面に配置された微細開口を通すことにより点光源としてコンデンサーレンズから準単色光の平行光が出力されるようにしている。さらに、光源からの光を、ライトガイドを通すことにより照度分布を均一化して照度むらを抑制するとともに、さらに、ライトガイドから出た光を、薄い遮光板で遮って、ライトガイドの出口径より小さな開口径の微細開口を通すことにより、ライトガイドから出力された光の分布の中心付近の強度が高く、より一定した分布の光を点光源として、理想的な点光源に近い状況を実現している。   In this illumination device for polarization observation, first, quasi-monochromatic light that is coherent but can suppress the occurrence of speckle noise is adopted.Furthermore, the quasi-monochromatic light is applied to a fine aperture arranged on the focal plane of the condenser lens. The light passes through the condenser lens as a point light source to output quasi-monochromatic parallel light. Furthermore, the light from the light source passes through the light guide to make the illuminance distribution uniform and suppresses the illuminance unevenness. By passing through a small aperture with a small aperture diameter, the intensity near the center of the distribution of light output from the light guide is high, and a light with a more uniform distribution is used as a point light source, realizing a situation close to an ideal point light source ing.

さらに、薄い遮光板を採用することにより点光源で回析が発生することも抑制している。この結果、準単色光で高い精度の平行光をコンデンサーレンズから出力することが可能となり、さらに、偏光子を、コンデンサーレンズと光源との間ではなく、コンデンサーレンズと観察対象物との間に設置することができる。このため、この照明装置により、コヒーレントの準単色光からなり、高い精度でコリメートされた光であって、さらに、レンズにより偏光状態が変化することがない光を観察対象物に照射することができる。   Further, by employing a thin light-shielding plate, generation of diffraction by a point light source is suppressed. As a result, it is possible to output highly accurate parallel light as quasi-monochromatic light from the condenser lens, and furthermore, install the polarizer between the condenser lens and the observation object, not between the condenser lens and the light source. can do. For this reason, by this illumination device, it is possible to irradiate the observation target with light that is made of coherent quasi-monochromatic light, is collimated with high precision, and further does not change the polarization state by the lens. .

この照明装置を用いた観察システムにより、後述するように、原子変位レベルの歪や微小な転位欠陥と考えられる画像が得られている。したがって、この照明装置により、偏光顕微鏡等の偏光観察の観察対象を、より小さな歪場や、よりサイズの小さな格子欠陥まで広げることが可能となり、より簡易に、低コストで、材料の評価などを行うことが可能となる。   As will be described later, an image which is considered to be a distortion at an atomic displacement level or a minute dislocation defect is obtained by an observation system using this illumination device. Therefore, this illumination device makes it possible to expand the observation object of polarization observation such as a polarization microscope to a smaller strain field or a smaller lattice defect, and to evaluate materials easily, at low cost, etc. It is possible to do.

準単色光を生成する1つのシステムは、ライトガイドに波長WL(nm)が以下の(1)式の領域を含む光を供給する光源、たとえばLEDと、ライトガイドと遮光板との間に設けられたバンドパスフィルターであって、(1)式の領域のある波長(中心波長CWL)を中心として半値幅HW(nm)が以下の(2)式の範囲の光を透過するバンドパスフィルターとを有するものである。光源は、中心波長CWLを中心とした波長分布の光を出力するものであ
200 < WL <550・・・(1)
2.0 < HW < 60・・・(2)
One system for generating quasi-monochromatic light is provided between a light guide and a light shielding plate, for example, a light source for supplying light to a light guide, the light having a wavelength WL (nm) including a region represented by the following formula (1). A band-pass filter having a half-value width HW (nm) centering on a certain wavelength (center wavelength CWL) having a region of formula (1) and transmitting light in a range of formula (2) below: It has. The light source, Ru der outputs light having a wavelength distribution around a center wavelength CWL.
200 <WL <550 ... (1)
2.0 <HW <60 (2)

微細開口の開口径(直径)r1(mm)の一例は、以下の範囲である。
0.1 < r1 < 1.5・・・(3)
微細開口の開口径r1と、ライトガイドの出口径r2とが以下の条件を満たすことが望ましい。
0.02 < r1/r2 < 0.5・・・(4)
ライトガイドの一例は、高輝度の光を伝送するのに適したバンドルファイバであり、特に、伝送損失の少ない石英コアのバンドルファイバが好適である。
An example of the opening diameter (diameter) r1 (mm) of the fine opening is in the following range.
0.1 <r1 <1.5 (3)
It is desirable that the opening diameter r1 of the fine opening and the exit diameter r2 of the light guide satisfy the following conditions.
0.02 <r1 / r2 <0.5 (4)
One example of the light guide is a bundle fiber suitable for transmitting high-brightness light, and in particular, a silica-core bundle fiber with small transmission loss is suitable.

また、光源における回折の発生を抑制するために、遮光板の厚みt(μm)は、以下の範囲であることが望ましい。
5 < t < 50・・・(5)
Further, in order to suppress the occurrence of diffraction in the light source, the thickness t (μm) of the light shielding plate is desirably in the following range.
5 <t <50 ... (5)

この照明装置により、たとえば、観察対象物に出力される平行光の発散角DA(mrad)が以下の条件の平行光を出力することができる。
0.1 < DA < 3・・・(6)
With this illumination device, for example, the divergence angle DA (mrad) of the parallel light output to the observation target object can output the parallel light having the following conditions.
0.1 <DA <3 (6)

本発明には、上記に記載の照明装置と、照明装置から供給された平行光が観察対象物を透過または反射した観察光を受光する受光装置とを有する観察システムが含まれる。受光装置の一形態は、観察光を受光する撮像素子と、撮像素子の観察対象物の側に配置された対物レンズと、対物レンズの観察対象物の側に配置された検光子とを含むものである。   The present invention includes an observation system that includes the illumination device described above and a light receiving device that receives observation light in which parallel light supplied from the illumination device has transmitted or reflected an observation target. One form of the light receiving device includes an imaging element that receives observation light, an objective lens arranged on the observation element side of the imaging element, and an analyzer arranged on the observation side of the objective lens on the observation object side. .

コヒーレントで発散角が小さな平行光を用いることにより、偏光の制御も容易となり、偏光子と検光子との消光比ERは以下の条件を満たすことができる。
10−6 < ER < 10−2・・・(7)
By using the coherent parallel light having a small divergence angle, the control of the polarization becomes easy, and the extinction ratio ER between the polarizer and the analyzer can satisfy the following condition.
10-6 <ER < 10-2 ... (7)

観察システムは、偏光子と検光子とを同期して回転するユニットを含んでいてもよい。また、受光装置は、撮像素子の出力の高輝度情報をカットして増幅するユニットを含んでいてもよい。さらに、受光装置は、観察対象物が配置されていない状態の光を撮像素子で撮像した第1のデータを保存するユニットと、観察光を撮像素子で撮像したデータを第1のデータで補正するユニットとを含んでいてもよい。   The observation system may include a unit that rotates the polarizer and the analyzer in synchronization. Further, the light receiving device may include a unit that cuts and amplifies the high luminance information of the output of the image sensor. Furthermore, the light receiving device is a unit for storing first data obtained by imaging light in a state where the observation target object is not arranged by the imaging device, and corrects data obtained by imaging observation light by the imaging device with the first data. And a unit.

この照明装置を用いた観察方法の1つは、照明装置から得られた平行光を用いて観測対象物をオルソスコープ観察することを有するものである。   One of the observation methods using the illumination device involves orthoscopic observation of the observation target using parallel light obtained from the illumination device.

観察システムの一例の偏光顕微鏡の概略構成を示す図。The figure which shows the schematic structure of the polarization microscope of an example of an observation system. 観察システムの光学系の構成を示す図。FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of an optical system of the observation system. 図3(a)はピンホールを用いない画像、図3(b)はピンホールを用いた画像を示す。FIG. 3A shows an image without a pinhole, and FIG. 3B shows an image with a pinhole. クロスニコル(直交ニコル)の状態を示す。This shows the state of crossed Nicols (orthogonal Nicols). 図5(a)は工業用顕微鏡で撮影した一例であり、図5(b)は平行光を用いて撮影した一例である。FIG. 5A is an example taken with an industrial microscope, and FIG. 5B is an example taken with parallel light. 図6(a)および(b)は、図5(a)および(b)の図5(b)に四角で示した部分を拡大した画像。FIGS. 6A and 6B are images obtained by enlarging a portion indicated by a square in FIG. 5B of FIGS. 5A and 5B.

図1に、偏光光を用いた観察システムの一例として、透過型の偏光顕微鏡を示す。本装置(本システム、偏光顕微鏡)1は最小2inから最大6inサイズのウエハーを観察対象物5として観察できる。観察システム1は、観察対象物5であるウエハーをセット・固定する治具45と、照明光学系(照明装置)10を内蔵し、治具45にセットされた観察対象物5を含めて前後左右(2次元)に動かすXYステージ43と、ステージ43をスライドして引き出し、観察対象物5を交換したり、照明装置10をメンテナンス可能とするスライド機構42と、それらを支持するフレーム(本体装置)41とを含む。本体装置41は、さらに、治具45の上に受光装置20を内蔵したZステージ(上部ハウジング)46を支持するアーム48と、Zステージ46を上下に動かして受光装置20のフォーカス調整および深度調整を行うマイクロメータ47とを含む。   FIG. 1 shows a transmission type polarizing microscope as an example of an observation system using polarized light. The present apparatus (the present system, a polarizing microscope) 1 can observe a wafer having a size of a minimum of 2 inches to a maximum of 6 inches as an observation target 5. The observation system 1 includes a jig 45 for setting and fixing a wafer as the observation object 5 and an illumination optical system (illumination device) 10, and includes front, rear, left and right including the observation object 5 set on the jig 45. An XY stage 43 that moves (two-dimensionally), a slide mechanism 42 that slides and pulls out the stage 43 to replace the observation object 5 and that allows maintenance of the illumination device 10, and a frame (main body device) that supports them. 41. The main unit 41 further includes an arm 48 that supports a Z stage (upper housing) 46 having the light receiving device 20 built on the jig 45, and moves the Z stage 46 up and down to adjust the focus and depth of the light receiving device 20. And a micrometer 47 for performing the following.

本装置本体41は、外部振動によるハンチングを抑えるために、剛性が高く、厚みのある金属ベース板の上に構成されている。受光装置20を支持するアーム48は、太い金属製であり、観察対象物5が設置される治具45の試料面からの垂直度およびXYステージ43の真直性や平行度を保ち、かつ、外乱による微振動の影響で画像の振れなどが極力起きない構造になっている。治具45は、金属製あるいはプラスチック製で構成されており、第一オリフラ(結晶方位原点)の位置が治具45をセットする際に0度(適正)の位置に来るように構成されている。また、各サイズに対応したウエハーセット治具45は本体装置41から着脱可能になっている。   The apparatus main body 41 is formed on a thick and rigid metal base plate in order to suppress hunting due to external vibration. The arm 48 supporting the light receiving device 20 is made of a thick metal, and maintains the verticality of the jig 45 on which the observation target 5 is installed from the sample surface, the straightness and parallelism of the XY stage 43, and disturbance. The structure is such that image shakes and the like do not occur as much as possible due to the effects of micro vibrations. The jig 45 is made of metal or plastic, and is configured so that the position of the first orientation flat (origin of crystal orientation) is at a 0 degree (proper) position when the jig 45 is set. . Further, the wafer set jig 45 corresponding to each size is detachable from the main unit 41.

Zステージ46に収納された受光装置20の対物レンズと観察対象物(試料)5とのクリアランスが狭いため、観察対象物5をセットする時には治具45を支持するXYステージ43自体が手前側に大きくスライドする機構42を設け観察対象物5の着脱が容易になる様に構成されている。また、このシステム1においては、観察座標を知るために、ステージ43はXY座標値を含み、それぞれXY方向の移動量がウエハー中心点(観察対象物5の中心)からプラスマイナス方向に振り分けられたミリ単位表示されており、異常部位の物理位置が把握できるようになっている。移動ステージ43は、手動による駆動方法とモーターによる電動駆動の何れでも可能となっている。   Since the clearance between the objective lens of the light receiving device 20 housed in the Z stage 46 and the observation target (sample) 5 is narrow, the XY stage 43 itself that supports the jig 45 when the observation target 5 is set is located on the near side. A large-sliding mechanism 42 is provided to facilitate attachment and detachment of the observation target 5. In this system 1, the stage 43 includes XY coordinate values, and the movement amount in the XY directions is distributed in the plus and minus directions from the center point of the wafer (the center of the observation object 5) in order to know the observation coordinates. It is displayed in millimeters so that the physical position of the abnormal part can be grasped. The moving stage 43 can be driven by either a manual driving method or a motor driven driving.

受光装置20と観察対象物5との距離を調整する機構としては、Zステージ46と、フォーカス調整用のデジタルマイクロメーター(1μ単位表示)とを含み、結晶転位部の深さや位置を定量的に知る事が可能である。また、投光側の照射光が操作する人の目に入らない様に受光装置20の対物レンズ側には遮光カバーが設けられている。投光部側も、照明装置10はフルカバーされており防塵対策とともに、事前に照明装置10を構成する要素が調整された状態が容易に変更できない様になっている。   The mechanism for adjusting the distance between the light receiving device 20 and the observation target 5 includes a Z stage 46 and a digital micrometer (in units of 1 μm) for focus adjustment, and quantitatively determines the depth and position of the crystal dislocation. It is possible to know. Further, a light-shielding cover is provided on the objective lens side of the light receiving device 20 so that the irradiation light on the light projecting side does not enter the eyes of the operator. The lighting unit 10 is also fully covered on the light emitting unit side, so that the state in which the elements constituting the lighting device 10 are adjusted in advance cannot be easily changed together with the dust prevention measures.

図2に、観察システム1の光学系を抜き出して示している。この観察システム1は透過型であり、観察対象物5に平行光53を照射する照明光学系(照明装置、投光装置)10と、観察対象物5を透過した観察光54を受光する受光光学系(受光装置)20とを含む。照明装置10は、XYステージ43に搭載されており、2次元方向に移動することにより観察対象物5の観察する個所あるいは領域に平行光53を照射できる。   FIG. 2 shows an extracted optical system of the observation system 1. The observation system 1 is of a transmission type, and includes an illumination optical system (illumination device, light projecting device) 10 for irradiating the observation object 5 with parallel light 53 and a light receiving optic for receiving observation light 54 transmitted through the observation object 5. System (light receiving device) 20. The illuminating device 10 is mounted on an XY stage 43, and can irradiate a parallel light 53 to a position or area of the observation target 5 to be observed by moving in a two-dimensional direction.

照明装置10は、光源となるLED11と、LED11からの光51を伝達するライトガイド12と、ライトガイド12から出力された光51の波長の一部を選択的に透過するバンドパスフィルター13と、バンドパスフィルター13から出力された光51を遮光する遮光板14とを有する。遮光板14には微細開口(ピンホール)15が設けられており、バンドパスフィルター13を透過した光の一部がピンホール15を通過する。照明装置10は、さらに、ピンホール15を通過した光52を90度方向に反射するプリズムミラー16と、集光用のコンデンサーレンズ17と、出力側がテレセントリックなテレセントリック・コンデンサーレンズ18と、コンデンサーレンズ18の観察対象物5の側に配置された偏光子(偏光板、ポラライザー)19とを含む。   The lighting device 10 includes an LED 11 serving as a light source, a light guide 12 transmitting light 51 from the LED 11, a bandpass filter 13 selectively transmitting a part of the wavelength of the light 51 output from the light guide 12, And a light-shielding plate 14 that shields light 51 output from the band-pass filter 13. The light shielding plate 14 is provided with a fine opening (pinhole) 15, and a part of the light transmitted through the bandpass filter 13 passes through the pinhole 15. The illuminating device 10 further includes a prism mirror 16 that reflects the light 52 passing through the pinhole 15 in the 90-degree direction, a condenser lens 17 for condensing, a telecentric condenser lens 18 whose output side is telecentric, and a condenser lens 18. (Polarizer, polarizer) 19 arranged on the side of the observation object 5 of the above.

遮蔽板14は、コンデンサーレンズ17および18を含む照明装置10の光学系の焦点面に配置されている。したがって、遮蔽板14に設けられたピンホール15はほぼ理想的な点光源となり、コンデンサーレンズ18から対象物5に対して、拡散角DAが低く、精度よくコリメートされた平行光53が出力される。   The shielding plate 14 is arranged on the focal plane of the optical system of the lighting device 10 including the condenser lenses 17 and 18. Therefore, the pinhole 15 provided on the shielding plate 14 becomes an almost ideal point light source, and the collimated parallel light 53 having a low diffusion angle DA and high precision is output from the condenser lens 18 to the object 5. .

平行光53が対象物5を透過した光(観察光)54を受光する受光装置20は、観察光54を集光する対物レンズ22と、対物レンズ22と対象物5との間に配置された検光子(偏光板、アナライザー)21と、対物レンズ22に集光された光54を受光するCCDまたはCMOSなどの撮像素子23と、撮像素子23から得られた出力(画像データ、輝度データ)を処理する(画像処理する)画像処理ユニット24と、処理された画像データを格納する記録媒体25と、処理された画像を表示するディスプレイ26とを有する。   The light receiving device 20 that receives light (observation light) 54 in which the parallel light 53 has passed through the object 5 is disposed between the objective lens 22 that condenses the observation light 54 and the objective lens 22 and the object 5. An analyzer (polarizing plate, analyzer) 21, an image sensor 23 such as a CCD or a CMOS that receives the light 54 condensed by the objective lens 22, and outputs (image data and luminance data) obtained from the image sensor 23. It has an image processing unit 24 for processing (image processing), a recording medium 25 for storing the processed image data, and a display 26 for displaying the processed image.

観察システム1における観察方法の1つは、ポラライザー(偏光子)19とアナライザー(検光子)21とを90度に直交させ、それぞれの直線偏光が透過するように配置したクロスニコルの状態で、偏光顕微鏡のオルソスコープ観察と同様の画像を取得することである。このため、観察システム1は、クロスニコルを維持したまま、同軸でポラライザー19とアナライザー21とを回転させて、貫通系の結晶転位と、それ以外の結晶転位、ないし何らかの格子歪みを区別する評価を行うための同期回転ユニット31を有する。   One of the observation methods in the observation system 1 is a crossed Nicol state in which a polarizer (polarizer) 19 and an analyzer (analyzer) 21 are orthogonal to each other at 90 degrees and arranged so that each linearly polarized light is transmitted. The purpose is to obtain an image similar to that of orthoscopic observation with a microscope. For this reason, the observation system 1 rotates the polarizer 19 and the analyzer 21 coaxially while maintaining the crossed Nicols to evaluate the discrimination between threading crystal dislocations and other crystal dislocations or any lattice distortion. It has a synchronous rotation unit 31 for performing.

照明装置10の光源11の一例は、中心波長CWL(nm)が405nmの近紫外に近い紫色の光51を出力するLEDである。微細な結晶欠陥を観察しようする場合、平行光53の中心波長CWLは以下の条件を満たすことが望ましい。
200 < CWL <550・・・(1.1)
したがって、光源11は上記の範囲の波長WLの光を出力するものであることが望ましい。このため、光源11の波長WLの範囲は以下が望ましい。
200 < WL <550・・・(1)
An example of the light source 11 of the illumination device 10 is an LED that outputs near-ultraviolet violet light 51 having a center wavelength CWL (nm) of 405 nm. When observing fine crystal defects, it is desirable that the center wavelength CWL of the parallel light 53 satisfy the following condition.
200 <CWL <550 (1.1)
Therefore, it is desirable that the light source 11 emits light having the wavelength WL in the above range. For this reason, the range of the wavelength WL of the light source 11 is preferably as follows.
200 <WL <550 ... (1)

たとえば、光源11は、白色光源であってもよいが、この観察システム1の照明装置10は準単色化した平行光53を出力するので、所定の波長を中心とする光を出力するハイパワーLEDなどの半導体光源、その他の出力波長帯域の狭い光源であることが望ましい。一方、レーザー光そのものは半値幅が通常は1nm以下とコヒーレンス性(可干渉性)が強すぎてスペックルノイズが発生しやすいので好ましくない。   For example, the light source 11 may be a white light source. However, since the illumination device 10 of the observation system 1 outputs the quasi-monochromatic parallel light 53, a high-power LED that outputs light centered at a predetermined wavelength is used. It is desirable that the light source be a semiconductor light source such as the above or another light source having a narrow output wavelength band. On the other hand, the laser light itself is not preferable because the half width is usually 1 nm or less and the coherence (coherence) is so strong that speckle noise easily occurs.

条件(1)および(1.1)の上限は、撮像素子として入手しやすいCCDあるいはCMOSといった可視光あるいは可視光に近い範囲の光の中で、波長が短く、散乱率が高い方が、格子欠陥などの原子配列の変位により生じるような、微細な、あるいはわずかな位相差(リタデーション)を検出しやすい範囲を示す。条件(1)および(1.1)の上限は、500nmであることが好ましく、470nmであることがさらに好ましく、450nmであることがいっそう好ましい。   The upper limit of the conditions (1) and (1.1) is that the light having a shorter wavelength and a higher scattering rate in the visible light such as CCD or CMOS, which is easily available as an image pickup device, has a higher grating. Indicates a range in which a fine or slight phase difference (retardation) such as that caused by a displacement of an atomic arrangement such as a defect can be easily detected. The upper limit of the conditions (1) and (1.1) is preferably 500 nm, more preferably 470 nm, and even more preferably 450 nm.

条件(1)および(1.1)の下限は、撮像素子として入手しやすいCCDあるいはCMOSの感度に依存し、冷却タイプなどのUV側に感度が高いものであれば、200nm程度まで検出できる。一方、可視光領域を主とするCCDであれば、300nm程度で検出感度は極端に低下する。したがって、条件(1)および(1.1)の下限は、300nmであることが望ましく、340nmであることがさらに好ましく、360nmであることがいっそう好ましい。   The lower limit of the conditions (1) and (1.1) depends on the sensitivity of a CCD or CMOS that is easily available as an image sensor, and if the sensitivity is high on the UV side such as a cooling type, it can be detected up to about 200 nm. On the other hand, in the case of a CCD mainly in the visible light region, the detection sensitivity is extremely reduced at about 300 nm. Therefore, the lower limit of the conditions (1) and (1.1) is preferably 300 nm, more preferably 340 nm, and still more preferably 360 nm.

光源11からの光51を伝達するライトガイド12の一例は、紫外線透過率の良い石英ファイバーライトガイド、たとえばバンドルファイバである。バンドルファイバタイプのライトガイド12においては、大口径コア内部で全反射を繰り返し出射光の照度分布をほぼ均一にできるという効果を備えている。バンドルファイバは素線のコアサイズが200〜250μmであり、10本から数100本の範囲で束ねることにより大口径で伝達ロスの少ないライトガイドを構成する。本照明装置10においては、たとえば、コア部分の直径r2が3mmのバンドルファイバをライトガイド12として採用している。   An example of the light guide 12 for transmitting the light 51 from the light source 11 is a quartz fiber light guide having a good ultraviolet transmittance, for example, a bundle fiber. The bundle fiber type light guide 12 has an effect that the illuminance distribution of the emitted light can be made substantially uniform by repeating total reflection inside the large-diameter core. The bundle fiber has a core size of the element wire of 200 to 250 μm, and forms a light guide having a large diameter and a small transmission loss by bundling in a range of 10 to several hundreds. In the present lighting device 10, for example, a bundle fiber having a core portion with a diameter r2 of 3 mm is employed as the light guide 12.

ライトガイド12の下流に設けられたバンドパスフィルター13は、光源11からの光51を準単色化するためのフィルターであり、波長選択性は、中心波長CWLを中心とする半値幅HWで条件(2)を満たすことが望ましい。
2.0 < HW < 60・・・(2)
条件(2)の上限を超えると、平行光53に含まれる波長帯が増大するのでコヒーレンス性が低下し得られる像がぼけやすく、微細な格子欠陥などを検出し難くなる。条件(2)の上限は、50nmであることが望ましく、30nmであることがさらに好ましく、20nmであることがさらに好ましく、15nmであることがいっそう好ましい。条件(2)の下限を超えると、可干渉性が強すぎて、画像に発生するスペックルノイズの量が多く、画像がかえって不鮮明になりやすい。条件(2)の下限は3nmであることが望ましく、5nmであることがさらに好ましい。この照明装置10においては、スペックルノイズが抑制され、かつ微細な欠陥が鮮明に現れる画像を得るために半値幅HWが10nmのバンドパスフィルター13を採用している。
The band-pass filter 13 provided downstream of the light guide 12 is a filter for quasi-monochromaticizing the light 51 from the light source 11, and the wavelength selectivity is determined by the half-width HW centered on the center wavelength CWL. It is desirable to satisfy 2).
2.0 <HW <60 (2)
When the value exceeds the upper limit of the condition (2), the wavelength band included in the parallel light 53 increases, so that the coherence is reduced and the obtained image is easily blurred, and it becomes difficult to detect a fine lattice defect or the like. The upper limit of the condition (2) is desirably 50 nm, preferably 30 nm, more preferably 20 nm, and even more preferably 15 nm. When the value exceeds the lower limit of the condition (2), the coherence is too strong, the amount of speckle noise generated in the image is large, and the image tends to be rather unclear. The lower limit of condition (2) is preferably 3 nm, more preferably 5 nm. In the lighting device 10, a band-pass filter 13 having a half-value width HW of 10 nm is used in order to obtain an image in which speckle noise is suppressed and minute defects clearly appear.

LEDとバンドパスフィルターとの組み合わせの代わりに、可干渉性の強いレーザー光をフォトニック結晶ファイバーなどの光学素子あるいは他の波長を分散させる光学系を用いて上記と同様の準単色光を生成してもよい。   Instead of using a combination of an LED and a bandpass filter, a quasi-monochromatic light similar to the above is generated by using an optical element such as a photonic crystal fiber or an optical system that disperses other wavelengths by using a highly coherent laser beam. May be.

バンドパスフィルター13により準単色化された光は、大半が遮光板14により遮蔽され、ごく一部が遮光板(ピンホール板)14に設けられた微細開口(ピンホール、アパーチャ)15を介して出力される。ピンホール板14は、厚み15μmのステンレスプレートであり、光学系を支持するシャーシ(不図示)に固定された外枠にピンホール板14がマウントされるセパレート構造になっている。   Most of the light converted into quasi-monochromatic light by the bandpass filter 13 is shielded by the light-shielding plate 14, and a very small portion of the light passes through the fine opening (pinhole, aperture) 15 provided in the light-shielding plate (pinhole plate) 14. Is output. The pinhole plate 14 is a stainless plate having a thickness of 15 μm, and has a separate structure in which the pinhole plate 14 is mounted on an outer frame fixed to a chassis (not shown) supporting the optical system.

ピンホール15の径(開口径)r1(mm)は、ライトガイド12のコア径(出力径)r2(mm)よりも小さく、開口径r1および開口径r1と出力径r2との比は以下の条件(3)および(4)を満たすことが望ましい。
0.1 < r1 < 1.5・・・(3)
0.02 < r1/r2 < 0.5・・・(4)
条件(4)を設定することにより、ライトガイド12から出力される出射光量のごく一部のみがピンホール15から出力される。たとえば、ライトガイド12の出力径r2が3mm、ピンホール15の開口径r1が0.3mmであれば、理論的に1%の光量がピンホール15から出力されるだけになり、99%の光量が損失となる。ライトガイド12から出力される光は、ライトガイド12により照度分布が均一にされているとは言え、出力される光は光軸から周囲に向かって照度分布が減少したり、何らかの分布を持っている。ライトガイド12から出力される光量の大部分を失っても、その一部をピンホール15により選択することにより、ライトガイド12から出力される光の照度分布をさらに低減し、照度分布(輝度分布)がより均一な理想的な点光源に近い状態を実現できる。
The diameter (opening diameter) r1 (mm) of the pinhole 15 is smaller than the core diameter (output diameter) r2 (mm) of the light guide 12, and the opening diameter r1 and the ratio of the opening diameter r1 to the output diameter r2 are as follows. It is desirable to satisfy the conditions (3) and (4).
0.1 <r1 <1.5 (3)
0.02 <r1 / r2 <0.5 (4)
By setting the condition (4), only a small part of the output light amount output from the light guide 12 is output from the pinhole 15. For example, if the output diameter r2 of the light guide 12 is 3 mm and the opening diameter r1 of the pinhole 15 is 0.3 mm, only 1% of the light quantity is theoretically output from the pinhole 15, and 99% of the light quantity is output. Is a loss. Although the light output from the light guide 12 has a uniform illuminance distribution by the light guide 12, the output light has a reduced illuminance distribution from the optical axis toward the periphery, or has a certain distribution. I have. Even if most of the amount of light output from the light guide 12 is lost, the illuminance distribution of the light output from the light guide 12 can be further reduced by selecting a part of the light with the pinholes 15. ) Can realize a more uniform state close to an ideal point light source.

図3(a)にピンホール板14を外してライトガイド12から供給された光により撮影した画像を示し、図3(b)にピンホール板14を挿入した画像を示している。図3(a)には大きな歪みが数個見えているだけであるが、図3(b)には大きな歪みの周囲に、多数の歪みが観察されている。したがって、ライトガイド12により照度分布が均一化された光を得るとともに、さらに、ピンホール(アパーチャ)15を挿入し、ライトガイド12から得られる光量の損失が非常に大きくなっても、さらに照度分布を均一な光を供給し、理想的な点光源に近づけることは、平行光を用いた観察に有効であることがわかる。   FIG. 3A shows an image taken with the light supplied from the light guide 12 with the pinhole plate 14 removed, and FIG. 3B shows an image with the pinhole plate 14 inserted. While only a few large distortions are visible in FIG. 3 (a), many distortions are observed around the large distortions in FIG. 3 (b). Therefore, the light having the uniform illuminance distribution obtained by the light guide 12 is obtained, and even if the pinhole (aperture) 15 is inserted, even if the loss of the light amount obtained from the light guide 12 becomes extremely large, the illuminance distribution is further increased. It can be seen that supplying uniform light and bringing it closer to an ideal point light source is effective for observation using parallel light.

条件(3)および(4)は、平行光束53を生成するためのピンホール15の径r1の設定条件であり、先ず光源11となるLED自体のハイパワー化を図るとともに、光源11のエネルギーの伝送損失を極力抑えつつ、平行光束53を保ち、下流(後)の撮像素子23であるCCDカメラが持つ感度に対してSNR(信号雑音比)が保てる最低限の光量が得られる範囲である。条件(3)の上限は、1.0mmであることが望ましく、0.7mmであることがさらに好ましく、0.5mmであることがいっそう好ましい。条件(4)の上限は、0.3であることが好ましく、0.2であることがいっそう好ましい。条件(4)の下限は、0.05であることが好ましく、0.07であることがいっそう好ましい。   The conditions (3) and (4) are conditions for setting the diameter r1 of the pinhole 15 for generating the parallel light beam 53. First, the LED as the light source 11 is made to have high power, and the energy of the light source 11 is increased. This is a range in which the minimum light amount that can maintain the SNR (signal-to-noise ratio) with respect to the sensitivity of the CCD camera, which is the downstream (rear) imaging device 23, while maintaining the parallel light beam 53 while minimizing the transmission loss is obtained. The upper limit of the condition (3) is preferably 1.0 mm, more preferably 0.7 mm, and even more preferably 0.5 mm. The upper limit of the condition (4) is preferably 0.3, and more preferably 0.2. The lower limit of condition (4) is preferably 0.05, more preferably 0.07.

また、ピンホール板14自体の形状も光が透過する際に回折が生じないようにすることが好ましい。このため、板厚t(μm)は以下の条件(5)を満たすことが望ましい。材質は薄くても遮光性に優れたものが好ましく、ステンレススチール、アルミニウムなどの金属が適している。
5 < t < 50・・・(5)
板厚が薄すぎると遮光性能が低下し、厚すぎると回析が発生する要因となる。条件(5)の上限は30μmが好ましく、20μmがさらに好ましい。条件(5)の下限は7μmが好ましく10μmがさらに好ましい。
In addition, it is preferable that the shape of the pinhole plate 14 itself does not cause diffraction when light is transmitted. For this reason, it is desirable that the plate thickness t (μm) satisfies the following condition (5). Although the material is thin, it is preferable to be excellent in light-shielding properties, and metals such as stainless steel and aluminum are suitable.
5 <t <50 ... (5)
If the plate thickness is too thin, the light-shielding performance is reduced, and if it is too thick, diffraction becomes a factor. The upper limit of condition (5) is preferably 30 μm, more preferably 20 μm. The lower limit of the condition (5) is preferably 7 μm, more preferably 10 μm.

照明装置10においては、ライトガイド12により供給された光51がバンドパスフィルター13を透過した後、微小径のピンホール(アパーチャ)15が加工されたピンホール板14を通過することにより、点光源が生成され、照明装置10のレンズシステム18sに入射される。コンデンサーレンズ17および18を含むレンズシステム18sの焦点位置に配置された点光源であるピンホール15からは、この照明装置10においては開口角(θ=23°)でレンズシステム18sにある合成石英による直角プリズム16に照射され、90°方向に反射した光は低ディストーションのテレセントリック・コンデンサーレンズ18により高精度なコリメート光(平行光束)53として出力される。なお、直角プリズム16は照明装置10をコンパクトに構成するためには有効であるが、照明装置10を構成するエレメントを直線的に配置できる長さが確保できる環境であれば不要である。また、直角プリズム16あるいは他の角度のプリズムあるいは反射鏡を1つまたは複数採用してもよい。   In the illuminating device 10, the light 51 supplied by the light guide 12 passes through the band-pass filter 13, and then passes through the pinhole plate 14 in which a pinhole (aperture) 15 having a small diameter has been processed, so that a point light source is provided. Is generated and is incident on the lens system 18s of the illumination device 10. From the pinhole 15 which is a point light source disposed at the focal position of the lens system 18s including the condenser lenses 17 and 18, in the lighting device 10, the synthetic quartz in the lens system 18s at an aperture angle (θ = 23 °) is used. The light irradiated to the right-angle prism 16 and reflected in the 90 ° direction is output as a highly accurate collimated light (parallel light beam) 53 by the low distortion telecentric condenser lens 18. Although the right-angle prism 16 is effective for making the lighting device 10 compact, it is not necessary in an environment where the elements constituting the lighting device 10 can be arranged linearly. Also, one or a plurality of right angle prisms 16 or prisms of other angles or reflecting mirrors may be employed.

照明装置10から平行光束53を出力することにより、受光装置20の対物レンズ22の側に入射される光の回り込みを無くし、後の偏光特性による位相差情報に対する空間分解能を飛躍的に向上できる。照明装置10から出力される平行光(照明光、照射光)53の発散角DA(mrad)は条件(6)を満たすことが望ましい。
0.1 < DA < 3・・・(6)
光束平行度(テレセントリシティ)の誤差がmrad(ミリラジアン)単位と高く、また、十分に狭い波長帯域の可干渉性のある準単色光とすることにより、指向性を持ち、直進性に優れ、長距離を伝播しても広がらない空間的コヒーレンスの高い光53を出力できる。このため、測定対象物5を透過偏光した光が相互作用により積分されてノイズ化されてしまうことを抑制でき、光学的歪みに対する空間分解能を大幅に向上できる。条件(6)の上限は1.0であることが望ましく、0.5であることがさらに望ましく、0.3であることがいっそう望ましい。
By outputting the parallel light beam 53 from the illuminating device 10, it is possible to eliminate the wraparound of the light incident on the objective lens 22 side of the light receiving device 20, and to dramatically improve the spatial resolution with respect to the phase difference information based on the polarization characteristics later. It is desirable that the divergence angle DA (mrad) of the parallel light (illumination light, irradiation light) 53 output from the illumination device 10 satisfies the condition (6).
0.1 <DA <3 (6)
The luminous flux parallelism (telecentricity) error is as high as mrad (milliradian) unit, and the coherent quasi-monochromatic light in a sufficiently narrow wavelength band has directivity and excellent straightness. Light 53 having high spatial coherence that does not spread even when propagated over a long distance can be output. For this reason, it is possible to suppress the light transmitted and polarized through the measurement object 5 from being integrated due to the interaction and becoming noise, and it is possible to greatly improve the spatial resolution with respect to optical distortion. The upper limit of the condition (6) is preferably 1.0, more preferably 0.5, and even more preferably 0.3.

空間的コヒーレンスの高い光53を出力するために、テレセントリック・コンデンサーレンズ18は、ディストーションが0.1%以下、さらに好ましくは、0.05%以下、いっそう好ましくは0.01%以下のレンズであることが好ましい。また、テレセントリック・コンデンサーレンズ18は、NAが、0.05以下、いっそう好ましくは、0.02以下、さらにいっそう好ましくは0.015以下のレンズであることが望ましい。   In order to output light 53 with high spatial coherence, the telecentric condenser lens 18 has a distortion of 0.1% or less, more preferably 0.05% or less, and even more preferably 0.01% or less. Is preferred. Further, it is desirable that the telecentric condenser lens 18 has a NA of 0.05 or less, more preferably 0.02 or less, and further more preferably 0.015 or less.

テレセントリック・コンデンサーレンズ18には、XY方向に位置を移動できるステージ43が搭載されており、平行光束53の中心が対物レンズ22のレンズ光軸(中心)に合わせられる構造になっている。このため、各レンズの相対的な光軸位置に誤差の無い正確な位相差情報が得られる。   The telecentric condenser lens 18 has a stage 43 that can move in the X and Y directions, and has a structure in which the center of the parallel light beam 53 is aligned with the lens optical axis (center) of the objective lens 22. For this reason, accurate phase difference information without error in the relative optical axis position of each lens can be obtained.

観察システム1においては、照明装置10の最も下流側にポラライザー(偏光子)19を配置し、受光装置20の最も上流側にアナライザー(検光子)21を配置しており、観察対象物5を、レンズを挟まずに、ポラライザー19とアナライザー21とで挟み込む構成としている。このような偏光板19および21の配置により、さらに電場ベクトルの振動方向である偏光についても歪の少ない良好な直線偏光を得ることができ、かつ短波長が持つ高い屈折率のため僅かな偏光の位相変化に伴う物理的な光弾性効果(結晶性の歪場や転位性欠陥による複屈折現象)をより確実に効率よく抽出できる。   In the observation system 1, a polarizer (polarizer) 19 is arranged at the most downstream side of the illumination device 10, and an analyzer (analyzer) 21 is arranged at the most upstream side of the light receiving device 20. The lens is sandwiched between the polarizer 19 and the analyzer 21 without sandwiching the lens. With such arrangement of the polarizing plates 19 and 21, it is possible to obtain good linearly polarized light with little distortion even for polarized light that is the vibration direction of the electric field vector, and because of the high refractive index of the short wavelength, slight polarized light can be obtained. The physical photoelastic effect (birefringence due to a crystalline strain field or dislocation defect) accompanying the phase change can be more reliably and efficiently extracted.

すなわち、観察システム1においては、高精度にコリメートされた平行光53が対象物5に照射される。このため、偏光素子であるポラライザー(偏光子)19はコリメートされた照明光53の直後に位置し、またアナライザー(検光子)21は対物レンズ22側の手前に位置し、観察対象物5はポラライザー19とアナライザー21の間に位置する。このため、従来の偏光顕微鏡のように、偏光後の光がコンデンサーレンズで歪んで偏光状態が変わったり、観察対象物5を透過した光が対物レンズを通過することにより歪み、偏光状態が変わったものをアナライザー21で検出するということはない。このため、基板などの観測対象物内部に存在する微小な異方性や複屈折などに起因する情報を変化、減衰させることなく抽出することが可能になる。   That is, in the observation system 1, the object 5 is irradiated with the collimated light 53 that has been collimated with high accuracy. For this reason, a polarizer (polarizer) 19, which is a polarizing element, is located immediately after the collimated illumination light 53, the analyzer (analyzer) 21 is located in front of the objective lens 22, and the observation target 5 is a polarizer. It is located between 19 and the analyzer 21. For this reason, as in the conventional polarization microscope, the polarized light is distorted by the condenser lens to change the polarization state, or the light transmitted through the observation object 5 is distorted by passing through the objective lens, and the polarization state is changed. Nothing is detected by the analyzer 21. For this reason, it is possible to extract information caused by minute anisotropy, birefringence, and the like existing inside an observation target such as a substrate without changing or attenuating the information.

高精度にコリメートされた平行光53を用いることにより消光比ERが低い偏光素子を用いることができる。一方、消光比ERが低すぎると、撮像素子23の感度を非常に高くしないと画像を得ることができない。このため、偏光子19と検光子21との消光比ERは以下の条件(7)を満たすことが望ましい。
10−6 < ER < 10−2・・・(7)
条件(7)の上限は、10−3であることが望ましく、条件(7)の下限は、10−5であることが望ましく、10−4であることが好ましい。
By using the highly collimated parallel light 53, a polarizing element having a low extinction ratio ER can be used. On the other hand, if the extinction ratio ER is too low, an image cannot be obtained unless the sensitivity of the image sensor 23 is extremely high. For this reason, it is desirable that the extinction ratio ER between the polarizer 19 and the analyzer 21 satisfies the following condition (7).
10-6 <ER < 10-2 ... (7)
The upper limit of condition (7) is desirably 10 −3 , and the lower limit of condition (7) is desirably 10 −5 , preferably 10 −4 .

図4に示すように、観察システム1で実現される1つの観察方法では、偏光子19の偏光軸は第一オリフラ面に対して垂直(90°)、検光子21の偏光軸については第一オリフラ面に対して水平(0°)の位置(クロスニコルの位置)にある。回転ユニット31により、偏光子19と検光子21とをクロスニコル特性を維持しながら同軸で回転することにより、個々のレタデーション(リタデーション、retardation)の強度や方向などのプロファイルが変化し、貫通系の結晶転位とそれ以外の結晶転位、あるいは何らかの格子歪を区別することができる。   As shown in FIG. 4, in one observation method realized by the observation system 1, the polarization axis of the polarizer 19 is perpendicular (90 °) to the first orientation flat surface, and the polarization axis of the analyzer 21 is the first. It is located horizontally (0 °) with respect to the orientation flat surface (cross Nicol position). By rotating the polarizer 19 and the analyzer 21 coaxially while maintaining the crossed Nicols characteristic by the rotation unit 31, the profile such as the intensity and direction of each retardation (retardation) changes, and the penetration system is changed. It is possible to distinguish between crystal dislocations and other crystal dislocations or some kind of lattice strain.

この観察システム1において、微小な原子変位による転位の有無やプロファイルを重点に観察する場合、白色光源を用いて鋭敏色板などで得られる光弾性による等色線の色彩(干渉色)には重要性を持たない。そのため光源11の好適なものは近紫外光であり、偏光素子19および21についても、紫外透過特性の良い直線偏光板を使用することが好ましい。   In the observation system 1, when emphasis is placed on the presence or absence of dislocations due to minute atomic displacements and the profile, importance is attached to the color (interference color) of the isoelastic line due to photoelasticity obtained with a sensitive color plate using a white light source. Has no nature. Therefore, the preferred light source 11 is near-ultraviolet light, and it is preferable to use a linear polarizer having good ultraviolet transmission characteristics for the polarizing elements 19 and 21 as well.

また、一般に偏光顕微鏡には1/4λ波長板(位相板)を偏光子と検光子の間に挿入し円偏光を生成しているが時間的に振幅の振動方向が回転する円偏光の場合、光波振幅の回転が光速と等しいため得られる情報はアイソジャイアがない積算された像となる。また、円偏光法は画像に等色線(Isochromatics)のみが発現し、等傾線(Isoclinics)は発現しない。そのため、位相差量に依存した主応力の差や分布を測定するには有利であるが非常に微小で軽微な転位線からなる歪場の場合、主応力の方向の有無を知ることができる等傾線がでない。このため視認性や感度が低下する可能性がある。したがって、本観察システム1では、等色線と等傾線との両方が現れる平面偏光器とする直線偏光板のみで構成されている。ただし、この観察システム1において、感度特性の低下より一定の定量化を求めたい場合は、検板や位相板の挿入をすれば良い。   In general, a quarter-wave plate (phase plate) is inserted between a polarizer and an analyzer in a polarizing microscope to generate circularly polarized light. However, in the case of circularly polarized light whose amplitude oscillation direction rotates with time, Since the rotation of the light wave amplitude is equal to the speed of light, the information obtained is an integrated image without isogyre. Further, in the circular polarization method, only isochromatic lines appear in an image, and no isoclinics appear. Therefore, it is advantageous for measuring the difference and distribution of the main stress depending on the amount of phase difference, but in the case of a strain field composed of very small and slight dislocation lines, it is possible to know the presence or absence of the direction of the main stress. There is no tilt line. For this reason, visibility and sensitivity may be reduced. Therefore, the present observation system 1 is constituted only by a linear polarizer as a plane polarizer in which both the equal color line and the equal inclination line appear. However, in this observation system 1, when it is desired to obtain a constant quantification based on a decrease in sensitivity characteristics, a test plate or a phase plate may be inserted.

受光装置20の対物レンズ22は、低歪の無限補正レンズで開口数NAが0.05以下、望ましくは0.02以下、さらに好ましくは0.015以下の分解能の高いレンズを採用することが望ましい。また、対物レンズ22のf値は5.0以下、好ましくは3.5以下、さらに好ましくは2.8以下の明るいレンズを用いることが望ましい。また、近紫外光の透過率は、75%以上、好ましくは80%以上、さらに好ましくは88%以上のレンズを用いることが望ましい。照明装置10においては、光源11から供給される光量を大幅に損失しながら高い精度のコリメート光53を出力しているので、受光装置20は、できるだけ損失の少ない明るい光学系であることが望ましい。   The objective lens 22 of the light receiving device 20 is preferably a low-distortion infinite correction lens having a high numerical resolution of 0.05 or less, preferably 0.02 or less, more preferably 0.015 or less. . Further, it is desirable to use a bright lens having an f-number of the objective lens 22 of 5.0 or less, preferably 3.5 or less, and more preferably 2.8 or less. It is desirable to use a lens having a transmittance of near ultraviolet light of 75% or more, preferably 80% or more, and more preferably 88% or more. Since the illuminating device 10 outputs the collimated light 53 with high accuracy while significantly losing the amount of light supplied from the light source 11, the light receiving device 20 is desirably a bright optical system with as little loss as possible.

対物レンズ22の倍率は、照射光面積を考慮して決定しなければならないが微小な転位欠陥を観察するに必要な倍率は少なくとも2倍程度は必要であり、5倍以上であることが好ましい。撮像側の分解能は、目的に応じて設定できるが、対物レンズ22として×5倍のレンズ(視野範囲V=0.96mm H=1.28mm、1/2CCD時)を搭載し、撮像素子23のCCDが768×494の有効画素数中、640×480をイメージメモリとして使用することにより、2μm程度の物理分解能を得ることができる。放射光X線トポグラフの位置分解能は約1μmとされているので、それに匹敵する精度の位置分解能を備えた、可視光または近紫外光を用いた観察システム1を提供できる。仮に、上記の条件で、放射光X線トポグラフと同等の分解能を得るのであれば×10倍の対物レンズ22を採用すればよい。   Although the magnification of the objective lens 22 must be determined in consideration of the irradiation light area, the magnification required for observing a minute dislocation defect is at least about 2 times, and preferably 5 times or more. The resolution on the imaging side can be set according to the purpose. However, a × 5 lens (field range V = 0.96 mm, H = 1.28 mm, 1/2 CCD) as the objective lens 22 is mounted, When the CCD uses 640 × 480 as an image memory out of 768 × 494 effective pixels, a physical resolution of about 2 μm can be obtained. Since the position resolution of the synchrotron radiation X-ray topograph is about 1 μm, it is possible to provide the observation system 1 using visible light or near-ultraviolet light having a position resolution with an accuracy comparable to that. If a resolution equivalent to that of a synchrotron radiation X-ray topograph is obtained under the above conditions, an objective lens 22 having a magnification of × 10 may be used.

照明装置10においては点光源化してコリメート光を生成するために照度が大幅に低下する。このため、受光装置20において光学的情報を映像化する撮像素子、たとえば、CCDカメラ23は、SN比が高く、高感度で、かつワイドダイナミックレンジのものを採用することが望ましい。   In the illuminating device 10, the illuminance is significantly reduced because the light is converted into a point light source to generate collimated light. For this reason, it is desirable to employ an imaging element that visualizes optical information in the light receiving device 20, for example, a CCD camera 23 having a high SN ratio, high sensitivity, and a wide dynamic range.

CCDカメラ23により得られた画像を処理する画像処理ユニット24は、撮像素子(CCDカメラ)23の出力の高輝度情報をカットして増幅する第1の機能(ユニット)24aと、バックグラウンドを補正する第2の機能(ユニット)24bとを含む。撮像素子23により得られる画像情報のうち、高輝度情報は、従来の偏光顕微鏡でも見られるような、すなわち、インコヒーレントな非平行光でも捉えられるような、非常に高い応力歪によるレタデーションの感度出力で既に飽和状態に達した情報である。したがって、この観察システム1においては、その領域を無視しても実際のプロファイル観察として問題にならない。第1の機能24aにおいては、撮像素子23の出力の高輝度情報をカットして増幅することにより、飽和レベル手前の低中輝度領域に相当するダイナミックレンジのトーンマッピングを対数的に広げる。これにより、撮像素子23の低中輝度領域の情報を効率的に増幅でき、微小な位相差から得られる微弱入光量の変化を抽出することが可能となる。   An image processing unit 24 that processes an image obtained by the CCD camera 23 includes a first function (unit) 24a that cuts and amplifies high-brightness information of the output of the imaging device (CCD camera) 23, and corrects a background. And a second function (unit) 24b. Among the image information obtained by the imaging element 23, high-brightness information is a sensitivity output of retardation due to a very high stress strain, which can be seen even with a conventional polarizing microscope, that is, captured even with incoherent non-parallel light. Is the information that has already reached saturation. Therefore, in the observation system 1, ignoring the region does not pose a problem as actual profile observation. In the first function 24a, by cutting and amplifying the high luminance information of the output of the imaging element 23, the tone mapping of the dynamic range corresponding to the low / middle luminance area just before the saturation level is logarithmically expanded. This makes it possible to efficiently amplify the information in the low-to-medium luminance region of the image sensor 23, and to extract a change in the amount of weak incident light obtained from a minute phase difference.

観察システム1において、観察対象物5が無いときの入力ソースの直交ニコル(クロスニコル)状態は本来、消光状態にある。しかしながら、消光比ERが条件(7)を満足する範囲であっても、厳密には消光状態にならず、僅かに透過光が存在する。観察対象物5が配置されていないときの直交ニコル状態を撮像素子23により撮像した情報には、コリメートされた光53によって通常の偏光顕微鏡による光学観察では確認できない様な光学ノイズ(偏光素子に起因する干渉縞やレンズに起因するコーティングむら、電気的な固定ノイズなどの様々な不均一要素等)が発現していると考えられる。それらの不均一要素は常に撮像装置(撮像素子)23により得られる画像情報内に存在し、観察対象物5を観察する上で目障りな固定パターンのノイズとなって画像に含まれる可能性がある。   In the observation system 1, the orthogonal Nicol (crossed Nicol) state of the input source when the observation object 5 is not present is originally in the extinction state. However, even when the extinction ratio ER satisfies the condition (7), the extinction state is not strictly set, and there is a slight amount of transmitted light. Information obtained by imaging the orthogonal Nicol state when the observation object 5 is not arranged by the imaging device 23 includes optical noise (due to the polarization element) which cannot be confirmed by collimated light 53 by optical observation with a normal polarization microscope. It is considered that various non-uniform factors such as interference fringes, unevenness of coating caused by the lens, and electric fixed noise are generated. These non-uniform elements are always present in the image information obtained by the image pickup device (image pickup device) 23, and may be included in the image as fixed pattern noise that is annoying when observing the observation object 5. .

第2の機能24bは、観察対象物5が配置されていないときの直交ニコル状態を撮像素子23により撮像した情報(画像、第1のデータ)をリファレンス位相情報(リファレンス値)としてフレームメモリなどの記録媒体または記録領域に格納するユニット(機能)24cと、観察対象物5を透過した光(観察光)54により得られた(撮像された)画像をリファレンス位相情報で補正するユニット(機能)24dとを含む。撮像素子23から得られた画像とリファレンス情報とから差分(ディファレンシャル)情報を取得することにより、光学的かつ電気的な不均一要素を観察対象物5の位相情報から大幅に削除でき正規の情報のみ得ることが可能となる。また、この処理は幾つかの同一機器を製造する上での光学的・電気的要素からなる不均一性もキャンセルでき、装置ごとの個体差を解消できるメリットもある。   The second function 24b uses information (image, first data) obtained by imaging the orthogonal Nicol state when the observation target object 5 is not arranged by the imaging device 23 as reference phase information (reference value) such as a frame memory. A unit (function) 24c for storing in a recording medium or a recording area, and a unit (function) 24d for correcting (imaged) an image obtained by light (observation light) 54 transmitted through the observation object 5 with reference phase information. And By acquiring difference information from the image obtained from the image sensor 23 and the reference information, optically and electrically non-uniform elements can be largely deleted from the phase information of the observation target 5 and only regular information can be obtained. It is possible to obtain. This process also has the advantage that it can cancel the non-uniformity composed of optical and electrical elements in the manufacture of several identical devices, and can eliminate individual differences between devices.

画像処理ユニット24は、さらに、観察対象物5であるウエハーをセットするステージをモーターによりモーションコントロールをすることで画像情報を自動でコンピュータなどに取り込む機能を含んでいてもよい。画像処理ユニット24は、取得した画像を貼り合わせることで1枚のウエハー全体画像(ワンショット画像)を表示する機能を含んでいてもよい。これらの機能により、ウエハー全面にある歪場の強度分布や傾向の把握が容易になる。   The image processing unit 24 may further include a function of automatically capturing image information into a computer or the like by performing motion control on a stage on which a wafer as the observation target object 5 is set by a motor. The image processing unit 24 may include a function of displaying one whole wafer image (one-shot image) by pasting the acquired images. These functions make it easy to grasp the intensity distribution and tendency of the strain field on the entire surface of the wafer.

本観察システム1を用いた観察の実施例として、厚さ約360μm、直径約76.2mmの8°オフp型単結晶4H−SiC基板を評価した。その結果を図5に示す。図5(a)は、株式会社ニコン製の工業用顕微鏡ECLIPSELV100Dで基板の表面を観察した結果であり、図5(b)は当社が開発中の観察システム(偏光顕微鏡XS−1)1により同一箇所を観察した結果である。本観察においては、405nmを中心波長CWLとする半値幅HWが50nmの準単色光からなる発散角DAが0.5mrad以下の平行光53を基板に照射し、消光比ERが10−3以下のポラライザー19とアナライザー21との組み合わせを使用して画像を取得した。 As an example of observation using the observation system 1, an 8 ° off p-type single crystal 4H-SiC substrate having a thickness of about 360 μm and a diameter of about 76.2 mm was evaluated. The result is shown in FIG. FIG. 5 (a) shows the result of observing the surface of the substrate with an industrial microscope ECLIPSELV100D manufactured by Nikon Corporation, and FIG. 5 (b) shows the same result with an observation system (polarizing microscope XS-1) 1 which is being developed by our company. It is the result of observing the location. In this observation, the substrate is irradiated with parallel light 53 having a divergence angle DA of 0.5 mrad or less, which is composed of quasi-monochromatic light having a half-value width HW of 405 nm and a center wavelength CWL of 50 nm, and an extinction ratio ER of 10 −3 or less. Images were acquired using a combination of Polarizer 19 and Analyzer 21.

図5(a)は、観察対象であるp型単結晶4H−SiC基板のマイクロパイプ欠陥の光学的歪みを観察した簡易透過偏光像であると判断される。一方、観察システム1において準単色の平行光を用いて同一箇所を観察した画像である図5(b)には、マイクロパイプ以外にも、工業用顕微鏡では観察できない多数の光学的歪みが観察されていることがわかる。   FIG. 5A is determined to be a simple transmitted polarization image obtained by observing the optical distortion of the micropipe defect of the p-type single crystal 4H-SiC substrate to be observed. On the other hand, FIG. 5B, which is an image obtained by observing the same place using the quasi-monochromatic parallel light in the observation system 1, shows many optical distortions that cannot be observed with an industrial microscope other than the micropipe. You can see that it is.

図6(a)および(b)に、図5(a)および(b)の図5(b)に四角で示した部分を拡大した画像を示している。観察システム1で取得した画像(図6(b))には、通常の工業用顕微鏡では検知できない多数の結晶転位が光学的歪みとして検知できていることが分かる。   FIGS. 6A and 6B show images obtained by enlarging the portions indicated by squares in FIG. 5B of FIGS. 5A and 5B. The image (FIG. 6B) acquired by the observation system 1 shows that many crystal dislocations that cannot be detected by a normal industrial microscope can be detected as optical distortion.

なお、以上においては、透過型の観察システム1を例に説明したが、共通の構成で反射型(落射方式)のシステムを提供することも可能である。反射型は測定対象物(観察対象物)5の表面が鏡面で、かつ結晶の歪み場が試料表面あるいはその近傍付近にまで到達しているような比較的、応力歪が大きく高感度を要しない観察用途に有効である。   In the above, the transmission type observation system 1 has been described as an example, but it is also possible to provide a reflection type (emission type) system with a common configuration. The reflection type has a relatively large stress strain and does not require high sensitivity, such that the surface of the measurement object (observation object) 5 is a mirror surface and the crystal strain field reaches the sample surface or its vicinity. It is effective for observation use.

反射型のシステムの一例は、照明装置10の点光源をポラライザー(偏光子)に通し、ハーフミラー面に照射するものである。光軸に対して45度にあるハーフミラーにより光は直角に光路を曲げ対物レンズ(テレセントリック・コンデンサーレンズ)側へ照射させることで平行光束(コリメート光)を生成し、厳密な垂直角度にて試料面に照射する。試料面からの正反射成分は再度、対物レンズで受けたのちクロスニコルに設定したアナライザー(検光子)を通して検出器(CCD)に入光させることで試料表面の歪み場の観察が可能になる。   One example of the reflection type system is to irradiate a point light source of the illumination device 10 through a polarizer (polarizer) and irradiate a half mirror surface. The light path is bent at a right angle by a half mirror at 45 degrees to the optical axis to irradiate the objective lens (telecentric condenser lens) side to generate a collimated light beam (collimated light), and the sample is formed at a strict vertical angle. Irradiate the surface. The specular reflection component from the sample surface is received again by the objective lens, and then enters a detector (CCD) through an analyzer (analyzer) set in crossed Nicols, whereby the strain field on the sample surface can be observed.

その際、対物レンズの外側に1/4λ、或いは1/2λの位相板(コンペンセータ)を設け、位相板を回転させる事により入力位相が変化することで試料表面からの反射光を可変できる。また、試料表面あるいはその近傍に存在する歪み場によるレタデーションの変化や観察が可能になる。   At this time, a 板 λ or λλ phase plate (compensator) is provided outside the objective lens, and the reflected light from the sample surface can be varied by changing the input phase by rotating the phase plate. In addition, it is possible to change and observe retardation due to a strain field existing on or near the sample surface.

以上に説明したように、本観察システム1により、従来の偏光顕微鏡では観察が困難であった4H−SiCウエハーなどの一軸性極性結晶基板内に存在する原子変位による微小な結晶転位の有無やプロファイルを観察(可視化)することが可能となる。   As described above, according to the present observation system 1, the presence or absence and profile of minute crystal dislocation due to atomic displacement existing in a uniaxial polar crystal substrate such as a 4H-SiC wafer, which were difficult to observe with a conventional polarizing microscope. Can be observed (visualized).

典型的には観察システム1は、ケーラー照明の低コリメート光とは異なり、極小ピンホール15による点光源を生成しテレセントリック・コンデンサーレンズ18によって直線性が高くテレセントリシティが0.3mrad以下でむらの無い均一な平行光束(コリメート光)53を出力できる。このコリメート光53は、インコヒーレントのケーラー照明と比較して半値幅10nmの狭い波長帯域であることから可干渉性のある準単色光であり空間的コヒーレンスの高い光で、分光スペクトルは広帯域の波長(白色光)とは異なり、屈折率の高い近紫外光405nmを使用している。さらに、偏光子19と検光子21は試料物体(観察対象)5の直接上下に位置することで偏光情報に対して中間光路としてのコンデンサーレンズ18や対物レンズ22などの光学的歪の影響は受けない構成としている。さらに、撮像素子23により得られた画像の低中輝度域増幅し、直交ニコルからの僅かな位相差量を得ることで微小なレタデーション情報の感度を高めた画像を得ている。   Typically, unlike the low collimated light of Koehler illumination, the observation system 1 generates a point light source by the minimal pinhole 15 and has high linearity and a telecentricity of 0.3 mrad or less due to the telecentric condenser lens 18. It is possible to output a uniform parallel light beam (collimated light) 53 without any. The collimated light 53 is a coherent quasi-monochromatic light having a high spatial coherence since it has a narrow wavelength band of 10 nm in half width as compared with the incoherent Koehler illumination, and the spectral spectrum has a broadband wavelength. Unlike (white light), near-ultraviolet light having a high refractive index of 405 nm is used. Furthermore, since the polarizer 19 and the analyzer 21 are located directly above and below the sample object (observation target) 5, the polarization information is affected by the optical distortion of the condenser lens 18 and the objective lens 22 as an intermediate optical path. There is no configuration. Furthermore, an image obtained by amplifying the image obtained by the image sensor 23 in the low to middle luminance range and obtaining a small amount of phase difference from the orthogonal Nicols to obtain an image with enhanced sensitivity of minute retardation information.

この観察システム1により、たとえば、一軸性極性結晶のSiCウエハーの場合、通常の偏光顕微鏡では捉えられないウエハーに存在する原子変位が要因の転位による貫通螺旋転位や貫通刃状転位などの僅かなレタデーションを示す歪場の観察が可能である。コリメート照射によりウエハー内にある転位層のプロファイルは、対物レンズ22のZ方向の焦点位置を可変する事でコントラストが変化し、深度がどのあたりにあるのかの定量観察が可能である。また、観測対象5のウエハーの個体差によってオリフラ面に対する結晶軸方位の誤差がレタデーションの差で確認できる。   With this observation system 1, for example, in the case of a uniaxial polar crystal SiC wafer, a slight retardation such as a threading screw dislocation or a threading edge dislocation due to a dislocation caused by an atomic displacement existing in the wafer that cannot be captured by a normal polarizing microscope. Can be observed. By changing the focal position of the objective lens 22 in the Z direction, the contrast of the profile of the dislocation layer in the wafer by the collimation irradiation changes, and quantitative observation of the depth is possible. Further, an error of the crystal axis orientation with respect to the orientation flat surface can be confirmed by a difference of the retardation due to an individual difference of the wafer of the observation target 5.

透過型X線トポグラフとの画像比較をした結果、この観察システム1で検出された転位欠陥の位置との整合性がある。したがって、本観察システム1により、小規模の透過型X線トポグラフの画像(情報)より圧倒的に高い解像度(空間分解能)がある情報を取得できる。本観察システム1を用いた観察によれば、裏面からの透過観察のため、表面反射型X線トポグラフと比較してレタデーションの情報量が非常に多い画像が得られる。また、別途実施したKOHエッチングの評価により、本観察システム1で捉えられた転位欠陥の位置とKOHエッチングで確認されるような微細な結晶構造の欠陥とのマッチングが得られている。   As a result of comparing the image with the transmission X-ray topograph, there is consistency with the position of the dislocation defect detected by the observation system 1. Therefore, the present observation system 1 can acquire information having a resolution (spatial resolution) that is overwhelmingly higher than an image (information) of a small-sized transmission X-ray topograph. According to the observation using the present observation system 1, an image having an extremely large amount of retardation information is obtained for transmission observation from the back side, as compared with the surface reflection type X-ray topograph. In addition, the evaluation of the separately performed KOH etching shows that the position of the dislocation defect detected by the observation system 1 is matched with a defect having a fine crystal structure confirmed by the KOH etching.

現在、一軸性極性結晶のSiCウエハーに対してさまざまな検証・評価が行われており、放射光X線トポグラフ測定のデータに対して数多くの相関性が認められた。その一方、放射光X線トポグラフとは基本原理が異なるため、本観察システム1で取得した情報の中には一部未知の要素があるのも事実であり、また反射型X線トポグラフの評価結果と比較した場合、本装置側の情報量が多い点から、透過型または反射型X線トポグラフやKOHエッチングなどの検証を併用しながら別視点や観点からの評価・分析データを得ている途上である。   At present, various verifications and evaluations have been performed on a uniaxial polar crystal SiC wafer, and a number of correlations have been found with respect to synchrotron radiation X-ray topographic measurement data. On the other hand, since the fundamental principle is different from that of the synchrotron radiation X-ray topograph, it is also a fact that there are some unknown elements in the information acquired by the observation system 1, and the evaluation results of the reflection X-ray topograph In comparison with the above, the amount of information on the device side is large, so that evaluation / analysis data from different viewpoints and viewpoints is obtained while using verification of transmission type or reflection type X-ray topograph and KOH etching. is there.

本観察システム1および観察システム1を用いた評価工程を有する製造方法、検査方法においては、観察が容易で且つリアルタイムに転位部の観察が可能なうえ、試料による評価・検証にかかる時間が飛躍的に短いというメリットを有する。今後、本観察システム1により得られる情報の解析により、転位に関する様々な要因や識別、分別化が進めばフォトルミネッセンス(PL)イメージング測定や大型施設である放射光X線トポグラフ測定に代わる評価装置として大きな効果と威力を発揮すると考えられる。   In the present observation system 1 and the manufacturing method and the inspection method having the evaluation process using the observation system 1, the dislocations can be easily observed and the dislocations can be observed in real time, and the time required for evaluation and verification by the sample is drastic. It has the advantage of being short. In the future, by analyzing the information obtained by the observation system 1, if various factors related to dislocation, identification, and classification are advanced, it will be used as an evaluation device instead of photoluminescence (PL) imaging measurement and synchrotron radiation X-ray topograph measurement, which is a large facility. It is thought to exert a great effect and power.

観察対象が微小な歪場や転位サイズが原子レベルの格子欠陥である場合、たとえば、結晶の転位密度が低く原子レベルの変位(SiCウエハーなどに見らえる貫通螺旋転位、貫通刃状転位など)に起因する転位近傍の微小な複屈折の検出、原子変位レベルの歪や微小な転位欠陥の観察や評価・分析には、破壊検査としてKOHエッチング法、非破壊検査ではPLイメージング測定法、あるいはシンクロトロンによる放射光X線トポグラフなどの大型放射光施設による観察法しかないと考えられている。本観察システム1により、偏光顕微鏡の観察対象を、たとえば、プラスチック、鉱物、液晶あるいは単結晶体のSiCウエハーに見られるマイクロパイプのような非常に大きな応力歪をもつ変位に加え、より小さな歪場や、よりサイズの小さな格子欠陥まで広げることができる。このため、材料の評価がいっそう簡易になり、それに要する費用が軽減される。   When the object to be observed is a microscopic strain field or a lattice defect with a dislocation size at the atomic level, for example, the dislocation density of the crystal is low and the displacement at the atomic level (such as threading screw dislocations and threading edge dislocations seen in SiC wafers and the like) KOH etching method for destructive inspection, PL imaging measurement method for non-destructive inspection, It is considered that there is only an observation method using a large synchrotron radiation facility such as a synchrotron radiation X-ray topograph. With the present observation system 1, the object to be observed by the polarization microscope is added to a displacement having a very large stress strain such as a micropipe found in a plastic, mineral, liquid crystal or single crystal SiC wafer, and a smaller strain field. Or, it can be extended to smaller lattice defects. Therefore, the evaluation of the material is further simplified, and the cost required for the evaluation is reduced.

たとえば、特開2015−178438号公報には、結晶性の良い高品質な半導体デバイス構造を形成させ得る窒化ガリウム自立基板を提供することが記載されている。窒化ガリウム結晶が完全結晶に近くなると、X線の吸収係数による減衰を示さないで、X線が結晶を通過する異常透過現象が現れ、これを利用した透過X線トポグラフィを試験項目とすることにより、検査工程で許容できない欠陥の検出が可能となることが記載されている。   For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2015-178438 describes providing a gallium nitride free-standing substrate capable of forming a high-quality semiconductor device structure having good crystallinity. When a gallium nitride crystal is close to a perfect crystal, an abnormal transmission phenomenon in which X-rays pass through the crystal without exhibiting attenuation due to the absorption coefficient of X-rays appears, and transmission X-ray topography using this phenomenon is used as a test item. It describes that an unacceptable defect can be detected in the inspection process.

特開2014−189484号には、SiC単結晶基板表面の結晶欠陥がエピタキシャル層に伝播し、または基板内の無欠陥部位の結晶構造が乱れるため、基板上に結晶欠陥の非常に少ない高品質なエピタキシャル層を形成することが困難となることが記載されている。この文献に記載された炭化珪素半導体基板製造方法は、炭化珪素半導体基板に形成される結晶欠陥の位置をX線トポグラフィーまたはフォトルミネッセンス法により特定する欠陥位置特定工程と、結晶欠陥の特定領域に量子ビームを照射することにより、エピタキシャル層への結晶欠陥の伝播を抑制する無効化処理を行う結晶欠陥無効化工程と、無効化処理を施した基板上にエピタキシャル層を形成するエピタキシャル層形成工程とを備えたものである。   Japanese Patent Application Laid-Open No. 2014-189484 discloses a high-quality crystal with very few crystal defects on a substrate because crystal defects on the surface of a SiC single crystal substrate propagate to an epitaxial layer or the crystal structure of a defect-free portion in the substrate is disturbed. It is described that it becomes difficult to form an epitaxial layer. The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor substrate described in this document includes a defect position specifying step of specifying a position of a crystal defect formed in the silicon carbide semiconductor substrate by an X-ray topography or a photoluminescence method; By irradiating the quantum beam, a crystal defect nullification step of performing a nullification process that suppresses the propagation of crystal defects to the epitaxial layer, and an epitaxial layer formation step of forming an epitaxial layer on the nullified substrate It is provided with.

特開2014−2104号公報には、モノクロメータを用いないで反射X線トポグラフィによってSiC単結晶基板の転位密度を評価することができるSiC単結晶基板の評価方法を提供することが記載されている。この文献のSiC単結晶基板の評価方法は、反射X線トポグラフィによってSiC単結晶基板の転位を評価する方法であって、X線源としてMoKα線を用い、回折面として非対称反射面を用いて、SiC単結晶基板のX線トポグラフィ像を得て、該X線トポグラフィ像を用いてSiC単結晶基板の転位密度を計測することを特徴とするものである。   Japanese Patent Application Laid-Open No. 2014-2104 describes that a method for evaluating a SiC single crystal substrate which can evaluate the dislocation density of the SiC single crystal substrate by reflection X-ray topography without using a monochromator is provided. . The evaluation method of the SiC single crystal substrate in this document is a method of evaluating the dislocation of the SiC single crystal substrate by reflection X-ray topography, using MoKα rays as an X-ray source and using an asymmetric reflection surface as a diffraction surface. An X-ray topography image of a SiC single crystal substrate is obtained, and the dislocation density of the SiC single crystal substrate is measured using the X-ray topography image.

これらのX線トポグラフィ像を用いた評価を、本観察システムおよび観察システムを用いた評価により代替えできる可能性がある。本観察システムは、偏光された平行光を基板に照射すること、基板を透過または反射した光により得られた画像より基板を評価することを含む、産業的に有効な方法に適用できる。平行光の中心波長CWL、半値幅HWおよび発散角DAは上述した範囲のものが有効である。評価するステップは、クロスニコルにより評価することを含んでもよく、焦点深度を変えることを含んでもよい。また、評価することは、原子配列の変位に基づく格子歪みを評価することを含んでもよく、原子配列の変位に基づく格子歪みとしては、貫通らせん転位、貫通刃状転位、基底面転位、積層欠陥、インクルージョンを挙げることができる。また、この方法は、評価により選択された基板を用いた製品を製造することを含んでもよく、基板を用いた製品の製造方法であってもよい。また、この方法は、評価により定められた基板の領域に処理を施すことを含んでもよい。   There is a possibility that the evaluation using these X-ray topography images can be replaced by the evaluation using the present observation system and the observation system. The observation system can be applied to industrially effective methods including irradiating the substrate with polarized parallel light, and evaluating the substrate from an image obtained by light transmitted or reflected by the substrate. The central wavelength CWL, half width HW, and divergence angle DA of the parallel light are effective in the above ranges. The step of evaluating may include evaluating by crossed Nicols, and may include changing the depth of focus. In addition, the evaluating may include evaluating a lattice distortion based on a displacement of the atomic arrangement. Examples of the lattice distortion based on the displacement of the atomic arrangement include a threading screw dislocation, a threading edge dislocation, a basal plane dislocation, and a stacking fault. And inclusion. The method may include manufacturing a product using the substrate selected by the evaluation, or may be a method of manufacturing a product using the substrate. The method may also include processing the area of the substrate defined by the evaluation.

また、この観察システム1およびそれを用いた評価方法などは、SiCウエハーに限らず、その他の単結晶基板や高品位なガラス基板、光学フィルターなどの微小歪を観察可能であり、さまざまな用途に応用できる。特に、本観察システム1は、可視光またその近傍の波長域の光を用いており、装置サイズが非常にコンパクトで卓上型で提供することも可能である。したがって、設置場所を選ばず、且つ安全で特別な環境や特定のオペレーション技師を必要としないことも大きなメリットである。   In addition, the observation system 1 and an evaluation method using the observation system are not limited to the SiC wafer, and can observe minute strains of other single crystal substrates, high-quality glass substrates, optical filters, and the like. Can be applied. In particular, the observation system 1 uses visible light or light in a wavelength range near the visible light, and the apparatus size is very compact, and it can be provided as a tabletop type. Therefore, it is also a great advantage that the installation place is not selected, and a safe and special environment and a specific operation engineer are not required.

1 観察システム、 10 照明装置、 20 受光装置 1 observation system, 10 lighting device, 20 light receiving device

Claims (9)

光源から供給された光を伝達し、その途上で照度分布が均一化されるライトガイドと、
前記ライトガイドを経て供給された光を観察対象物に対し平行光として出力するコンデンサーレンズと、
前記コンデンサーレンズの観察対象物と反対側の焦点面に配置された薄い遮光板であって、前記ライトガイドを経て供給される準単色光が通過する微細開口であって、前記ライトガイドの出口径より小さな開口径の微細開口を含む遮光板と、
前記ライトガイドに領域WLの波長を含む光を供給するLED光源と、
前記ライトガイドと前記遮光板との間に設けられたバンドパスフィルターであって、前記領域内の波長を中心として半値幅HWの準単色化された光を透過するバンドパスフィルターと、
前記コンデンサーレンズの観察対象物の側に配置された偏光子とを有し、
前記領域WLと、前記半値幅HWと、前記微細開口の開口径r1と、前記ライトガイドの出口径r2と、観察対象物に出力される平行光の発散角DAが以下の条件を満たす、偏光観察用の照明装置。
200< WL <550
2< HW <60
0.1< r1 <1.5
0.02 < r1/r2 < 0.5
0.1 < DA < 3
ただし、WLおよびHWの単位はnm、r1およびr2の単位はmm、DAの単位はmradである。
A light guide that transmits light supplied from the light source and uniforms the illuminance distribution on the way;
A condenser lens that outputs light supplied through the light guide as parallel light to an observation target,
A thin light-shielding plate disposed on a focal plane opposite to the observation object of the condenser lens, and a fine opening through which quasi-monochromatic light supplied through the light guide passes, and an exit diameter of the light guide. A light-shielding plate including a fine opening with a smaller opening diameter,
An LED light source that supplies light including the wavelength of the region WL to the light guide;
A band-pass filter provided between the light guide and the light-shielding plate, the band-pass filter transmitting quasi-monochromatic light having a half-value width HW around a wavelength in the region,
Possess a polarizer arranged on the side of the observation object of the condenser lens,
Polarization where the area WL, the half width HW, the opening diameter r1 of the fine opening, the exit diameter r2 of the light guide, and the divergence angle DA of parallel light output to the observation object satisfy the following conditions. Lighting device for observation.
200 <WL <550
2 <HW <60
0.1 <r1 <1.5
0.02 <r1 / r2 <0.5
0.1 <DA <3
However, the unit of WL and HW is nm, the unit of r1 and r2 is mm, and the unit of DA is mrad.
請求項1において、
前記遮光板の厚みは、5〜50μmである、照明装置。
In claim 1,
The lighting device, wherein the thickness of the light shielding plate is 5 to 50 μm.
請求項1または2に記載の照明装置と、
前記照明装置から供給された平行光が観察対象物を透過または反射した観察光を受光する受光装置とを有する観察システム。
The lighting device according to claim 1 or 2 ,
An observation system comprising: a light receiving device that receives observation light in which parallel light supplied from the illumination device is transmitted or reflected by an observation target.
請求項において、
前記受光装置は、前記観察光を受光する撮像素子と、
前記撮像素子の観察対象物の側に配置された対物レンズと、
前記対物レンズの観察対象物の側に配置された検光子とを含む、観察システム。
In claim 3 ,
The light receiving device, an image sensor that receives the observation light,
An objective lens disposed on the observation object side of the image sensor,
An analyzer arranged on the observation side of the objective lens.
請求項において、
前記偏光子と前記検光子との消光比ERが以下の条件を満たす、観察システム。
10−6 < ER < 10−2
In claim 4 ,
An observation system, wherein an extinction ratio ER between the polarizer and the analyzer satisfies the following condition.
10-6 <ER < 10-2
請求項4また5において、
前記偏光子と前記検光子とを同期して回転するユニットを含む、観察システム。
In claims 4 and 5 ,
An observation system including a unit that rotates the polarizer and the analyzer in synchronization.
請求項4ないし6のいずれかにおいて、
前記受光装置は、前記撮像素子の出力の高輝度情報をカットして増幅するユニットを含む、観察システム。
In any one of claims 4 to 6 ,
The observation system, wherein the light receiving device includes a unit that cuts and amplifies high-brightness information of an output of the imaging element.
請求項4ないし7のいずれかにおいて、
前記受光装置は、観察対象物が配置されていない状態の光を前記撮像素子で撮像した第1のデータを保存するユニットと、
前記観察光を前記撮像素子で撮像したデータを前記第1のデータで補正するユニットとを含む、観察システム。
In any one of claims 4 to 7 ,
A unit configured to store first data obtained by imaging the light in a state where the observation target is not arranged by the imaging element,
A unit that corrects data obtained by imaging the observation light with the image sensor using the first data.
請求項1または2に記載の照明装置から得られた平行光を用いて観測対象物をオルソスコープ観察することを有する観察方法。 An observation method comprising orthoscopically observing an observation target using parallel light obtained from the illumination device according to claim 1 .
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