JPH07262958A - 粒子線装置に使用する光学顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、粒子線装置によって試料を観察す
ると同一領域に光を照射して像を観察する光学顕微鏡に
関し、試料を照射する照射ムラが発生しない光学照射系
を用いて、粒子線による画像と同一地点の試料を照射
し、全反射する試料であっても一様な明るさの画像の観
察を可能にすることを目的とする。 【構成】 内部に穴がなくて粒子線１が試料５を照射す
る中心軸２の近傍に配置したミラー３と、放射した光を
ミラー３によって反射させて試料５に照射する光源１０
と、試料５によって反射された光を同一あるいは別個の
ミラー３によって反射させて取り出した当該試料５の像
を結像させる撮影装置１３とを備えるように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、粒子線装置に使用する
光学顕微鏡に関するものである。粒子線装置、例えば電
子顕微鏡やイオン顕微鏡などは、今日では研究や産業の
多くの分野で使われている。特に半導体産業では加工の
微細化に伴い、各種の検査工程に従来の光学顕微鏡に代
わって専用の電子顕微鏡が使用されるようになっている
が、使い易さや低倍で慣れた像を観察したいことから全
反射するような半導体試料でも十分見やすい画像を得ら
れる光学顕微鏡を組み込むことが望まれている。

【０００２】

【従来の技術】従来、粒子線装置に組み込んで使用され
てきた光学顕微鏡の構造の例として図３を用いて説明す
る。

【０００３】図３は、従来技術の説明図を示す。図３の
（ａ）は、粒子線３１の照射する試料３５上の領域を光
学的に観察できるようにミラー３３を設けた例を示す。
この場合には、撮影装置４３と試料３５との間の距離が
長く、高分解能が得られず、高い倍率が難しい。以下動
作を簡単に説明する。

【０００４】（１） 図示外の粒子源から放射された粒
子線３１を集束レンズ３２によって集束し、ミラー３３
の中央の穴を空けた通路を通って試料３５を照射する。
この照射した状態で、図示外の走査系によって試料３５
を照射した粒子線３１を面走査し、そのときに発生した
２次電子などを収集して輝度変調し、ディスプレイ上に
画像（例えば２次電子像）を表示する。

【０００５】（２） 一方、照明ランプ４０から放射さ
れた光線は、コンデンサレンズ４１によって集束され、
ハーフミラー４２、ミラー３３で反射し、光線３４とし
て試料３５を照射する。試料３５から反射した光は、ミ
ラー３３、ハーフミラー４２を通って撮影装置４３に入
力し、図示外のレンズ系によって試料３５の像を結像
し、観察者が直接に観察したり、ディスプレイ上に表示
したりする。

【０００６】図３の（ｂ）は、ミラー３３と試料３５と
の間にレンズ３６を設けた例を示す。この場合には、レ
ンズ３６と試料３５との距離が短くなり、高分解能で高
倍率が容易に得られ、明るさも増加する。この場合は、
ミラー３３を集束レンズ３２の試料３５がある側と反対
の上側に置くことができ、集束レンズ３２の下面と試料
３５との間の作動距離を小さくする場合に邪魔なミラー
３３がなく都合がよい。

【０００７】図３の（ｃ）は、レンズとなる反射鏡４
７、４８を２つ組み合わせたものである。この場合に
は、作動距離を小さくし、開口角を大きくして明るくか
つ高分解能の光源顕微鏡にする場合に便利である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、試料３５が半
導体ウェハのような鏡面に近い表面をもつものである場
合、図４に示すように、照明ムラが発生してしまう問題
があった。以下説明する。照明方法として、図３の
（ｂ）の構成のもとで、典型的な試料３５に光線の焦点
合わせした場合を図４の（ａ）を用いて示し、試料３５
に並行光線を照射した場合を図４の（ｂ）を用いて示
す。ここで、説明を簡単にするために、図３の（ｂ）の
例で、ミラー３３で全反射するから光路を折り返さず、
更に、ハーフミラー４２の反射と透過をそれぞれなくて
して真っ直ぐに進むとして表現する。また、ミラー３
３’、ミラー３３’’は、図３の（ｂ）のミラー３３の
中央の円形の穴の部分を持つ円環状とする。

【０００９】図４の（ａ）は、図３の（ｂ）の構成例の
光線を試料３５上に焦点合わせした状態を示す。この場
合には、撮影装置４３には、光源像（ランプの像）と、
試料３５の像とが重なって見える。

【００１０】図４の（ｂ）は、図３の（ｂ）の構成例の
光線を試料３５上に並行に照射した状態を示す。この場
合には、撮影装置には、ミラー３３の中央の穴の部分が
暗くなって、試料３５の中央の部分が暗くなった像が見
える。

【００１１】図４の（ａ）と（ｂ）の中間では、２つの
状態が重なって見えるので、視野の全体に一様な照明が
得られないこととなってしまう問題が発生してしまう。
これは、半導体ウェハのように全反射する試料３５を用
いたから顕著に発生した現象であり、通常の乱反射する
試料３５には殆ど影響なく、試料３５の光学像を観察す
ることができる。

【００１２】本発明は、これらの問題を解決するため、
試料を照射する照射ムラが発生しない光学照射系を用い
て、粒子線による画像と同一地点の試料を照射し、全反
射する試料であっても一様な明るさの画像の観察を可能
にすることを目的としている。

【００１３】

【課題を解決するための手段】図１を参照して課題を解
決するための手段を説明する。図１において、粒子線１
は、試料５を照射するものであって、電子、イオンなど
の荷電粒子線である。

【００１４】中心軸２は、粒子線１の中心の軸である。
ミラー３は、光線を反射するミラーである。集束レンズ
４は、粒子線１を試料５上の集束するものである。

【００１５】光源１０は、光線を発生するものである。
撮像装置１３は、試料５から反射した光線による像を結
像させるものである。

【００１６】

【作用】本発明は、図１に示すように、光源１０から放
射された光線が穴のないミラー３によって反射されて試
料５を照射する。この試料５は、粒子線１の中心軸２上
に位置し、当該粒子線１によって照射され、そのときに
発生した信号（例えば２次電子など）を検出して図示外
のディスプレイ上に画像を表示する。光線の照射された
試料５から反射した光線は、ミラー３によって反射さ
れ、撮像装置１３にその像を結ぶ。

【００１７】この際、ミラー３は、光源１０からの光線
を反射して試料５に導くものと、試料５から反射した光
線を撮像装置１３に導くものとが同一あるいは別個のい
ずれでもよい。

【００１８】従って、光源１０から放射された光線を反
射するミラー３、更にレンズや曲面鏡に穴などの像をか
けさせる部分がないことにより、ＩＣウェハなどの全反
射に近い試料であっても一様な明るさの画像を観察する
ことが可能となった。

【００１９】

【実施例】次に、図１および図２を用いて本発明の実施
例の構成および動作を順次詳細に説明する。

【００２０】図１は、本発明の１実施例構成図を示す。
これは、光線の放射側の中心軸１６と、光線の受光側の
中心軸１６’とを一致させた場合のものである。図１に
おいて、粒子線１は、図示外の粒子線源から放射された
粒子線であって、電子、イオンなどの荷電粒子線であ
る。

【００２１】中心軸２は、図示外の粒子線源と集束レン
ズ４などの照射系の中心軸である。この中心軸２にそれ
ぞれを軸合わせすることにより、試料５上に微小な粒子
線スポットを照射することが可能となる。従ってこの中
心軸２上に粒子線源、集束レンズ４、更に試料５の観察
中心がくることとなる。本発明は、この中心軸から僅か
ずれた位置に穴の無いミラー３、即ち並行光線をミラー
３に照射したときに試料５の照射に照射むらが発生しな
いようにしている。

【００２２】ミラー３は、中心軸２の近傍に配置したも
のであって、穴のないミラーであり、入射側のミラーと
反射側のミラーとを別個に中心軸１６、１６’を一致さ
せて設けたものである。このミラー３は、全反射あるい
は金属面あるいは両者の反射を使った光線を反射するミ
ラーであって、内部に穴がなく、並行光線が入射したと
きに全て反射して試料５上を均一に照射するものであ
る。

【００２３】集束レンズ４は、粒子線１を試料５上に集
束するものであって、磁界レンズや静電レンズである。
試料５は、粒子線１を照射してそのときに発生する信号
をもとにディスプレイ上に画像を拡大表示する対象の試
料である。例えば粒子線１として電子線を使用した場
合、当該電子線を集束レンズ４によって微小スポットに
して試料５上を照射した状態で、図示外の偏向コイルで
面走査し、そのときに試料５から放射された２次電子あ
るいは試料５から反射した反射電子を検出し、ディスプ
レイ上に２次電子像あるいは反射電子像として拡大表示
する。

【００２４】レンズ６は、試料５から反射した光線をレ
ンズ作用によって撮像装置１３上に結像するものであ
る。光線７はミラー（入射側）３によって反射された試
料５を照射する光線である。光線７’は試料５によって
反射されてミラー（反射側）３に向かう光線である。

【００２５】光源１０は、試料５を照射する光線を発生
するランプである。コンデンサレンズ１１は、光源１０
からの光線をレンズ作用によって、試料５面上に並行に
照射したり、スポット状に照射したり調整するためのも
のである。

【００２６】撮像装置１３は、レンズ６によって結像さ
れた試料から反射した光線による像を観察したり、図示
外のディスプレイ上に表示させたりするものである。中
心軸１６、１６’は、光源１０とコンデンサレンズ１１
の中心軸と、レンズ６と撮像装置１３の中心軸であっ
て、両者を一致させたものである。

【００２７】次に、図１の構成の動作を詳細に説明す
る。 （１） 粒子線１が集束レンズ４によって試料５上にス
ポット状に照射された状態で、図示外の偏向コイルによ
って面走査され、そのときに発生した２次電子を図示外
の検出器で検出し、ディスプレイ上に２次電子画像を表
示する。

【００２８】（２） 光源１０から放射された光線が、
コンデンサレンズ１１によってレンズ作用を受け、穴の
ないミラー（入射側）３によって反射された光線（入
射）７が試料５を照射する。この際、ミラー（入射側）
３には穴がないため、光源１０からコンデンサレンズ１
１によって例え並行にされた光線が当該ミラー（入射
側）３に入射してもそのまま試料５に向けて反射し、従
来の穴があった場合に中心部分が暗くなってしまう現象
（図４の（ｂ）参照）が発生しない。

【００２９】（３） 試料５によって反射した光線は、
穴の無いミラー（反射側）３によって反射し、レンズ６
によってレンズ作用を受けて撮像装置１３の結像面に結
像し、試料５の像を直接観察したり、ＴＶカメラによっ
て信号に変換して図示外のディスプレイ上に試料５の像
を表示する。この際、ミラー（反射側）３にも穴がな
く、試料５によって反射された光線をそのままレンズ６
に導き、試料５からの放射方向の僅かに異なって従来の
図１４の（ｂ）の穴の部分に向けて反射した光が遮光さ
れてしまい像が形成されない事態を無くすことができ
る。

【００３０】以上のように、ミラー（入射側）３および
ミラー（反射側）３に穴のないミラーを使っているた
め、従来の並行光線を試料５に照射した場合に、試料５
上で穴の部分の光線が試料５に当該穴で遮光されて暗く
なって照明ムラが発生していたものを無くすことができ
る。これは、特にウェハなどのように全反射に近い試料
の場合には、顕著に現れ、並行光線で試料５を照射でき
なくなってしまうので、本発明はこの問題を解消したも
のである。

【００３１】図２は、本発明の他の実施例構成図を示
す。これは、光線の放射側の中心軸と、光線の受光側の
中心軸とを一致させない場合の１例である。ここで、粒
子線１、中心軸２、集束レンズ４、試料５、光源１０、
コンデンサレンズ１１、撮像装置１３は、図１の同一番
号のものと同一であるので説明を省略する。

【００３２】図２において、ミラー（入射側）３は、中
心軸２の近傍に配置したものであって、入射した光線を
そのまま試料５に向けて反射するものである。このミラ
ー（入射側）３は、全反射あるいは金属面の反射を使っ
た光線を反射するミラーであって、内部に穴がなく、並
行光線が入射したときでも全て反射してそのまま試料５
上を均一に照射するものである。

【００３３】ミラー（反射側）３は、中心軸２の近傍に
配置したものであって、試料５から反射した光線をその
まま撮像装置１３に向けて反射するものである。このミ
ラー（反射側）３は、全反射あるいは金属面の反射を使
った光線を反射するミラーであって、内部に穴がなく、
並行光線が入射しても全て反射してそのまま撮像装置１
３に向けて反射するものであり、試料５から特定の方向
に反射された光を遮断しないでそのまま撮像装置１３に
向けて反射するものである。

【００３４】次に、図２の構成の動作を詳細に説明す
る。 （１） 粒子線１が集束レンズ４によって試料５上にス
ポット状に照射された状態で、図示外の偏向コイルによ
って面走査され、そのときに発生した２次電子を図示外
の検出器で検出し、ディスプレイ上に２次電子画像を表
示する。

【００３５】（２） 光源１０から放射された光線が、
コンデンサレンズ１１によってレンズ作用を受け、穴の
ないミラー（入射側）３によって反射された光線（入
射）７が試料５を照射する。この際、ミラー（入射側）
３には穴がないため、光源１０からコンデンサレンズ１
１によって例え並行にされた光線が当該ミラー（入射
側）３に入射してもそのまま試料５に向けて反射し、従
来の穴があった場合に中心部分が暗くなってしまう現象
（図４の（ｂ）参照）が発生しない。

【００３６】（３） 試料５によって反射した光線は、
穴の無いミラー（反射側）３によって反射し、撮像装置
１３に入射し、内部に持つレンズによって結像し、試料
５の像を直接観察したり、ＴＶカメラによって信号に変
換して図示外のディスプレイ上に試料５の像を表示す
る。この際、ミラー（反射側）３にも穴がなく、試料５
によって反射された光線をそのまま撮像装置１３に導
き、試料５からの放射方向の僅かに異なって従来の図１
４の（ｂ）の穴の部分に向けて反射した光が遮光されて
しまい像が形成されない自体を無くすことができる。

【００３７】以上のように、ミラー（入射側）３および
ミラー（反射側）３に穴のないミラーを使っているた
め、従来の並行光線を試料５に照射した場合に、試料５
上で穴の部分の光線が試料５に当該穴で遮光されて暗く
なって照明ムラが発生していたものを無くすことができ
る。これは、特にウェハなどのように全反射に近い試料
の場合には、顕著に現れ、並行光線で試料５を照射でき
なくなってしまうので、本発明はこの問題を解消したも
のである。

【００３８】尚、本実施例では、図１および図２ともに
ミラー（入射側）３およびミラー（反射側）３を別個に
設けて両者ともに穴がなく、光をそのまま反射して試料
５にむらなく照射したり、試料５からの光線が欠けるこ
となくそのまま撮像装置１３やレンズ６に入射し、光線
を試料５に照射したときの照明ムラの発生を無くした
り、試料５から反射した光の一部がミラー（反射側）３
で遮断されてしまう事態を無くした。この際、ミラー
（入射側）３およびミラー（反射側）３を図２に示す点
線の部分を接続して一体にし、穴の無い部分をミラー
（入射側）３およびミラー（反射側）３としてその一部
をそれぞれ使用してもよい。これにより、ミラー（入射
側）３およびミラー（反射側）３の保持を一緒にでき、
構造が簡単となる。

【００３９】また、本実施例は、ミラー（入射側）３お
よびミラー（反射側）３について、穴のないミラーをそ
れぞれ用いたが、更に、レンズ６などを試料５に近づけ
て開口数を大きくして分解能および明るさを向上させる
ために、穴の無いレンズや曲面鏡を図１および図２の光
線の経路に挿入してもよい。この際、試料５に対する光
線と、試料から反射した光線とを同じ軸にし、この軸に
レンズおよび曲面鏡の軸を合わせ、当該レンズおよび曲
面鏡によるレンズ作用を生じさせるときの収差を小さく
するか、あるいはレンズおよび曲面鏡を中心軸２と一致
させておき当該中心軸からΔθずれた方向から光線によ
って試料を照射し、中心軸から−Δθずれた方向から試
料５によって反射した光線を外部に取り出すようにす
る。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
光源１０から放射された光線を反射するミラー（入射
側）３、および試料５からの光線を反射して外部に取り
出すミラー（反射側）３、更に、レンズや曲面鏡を使う
ときに穴などがない構成を採用しているため、試料５を
むらなく照射できると共に、試料５から反射した光線の
一部が欠けることなく撮像装置１３に導くことができ
る。これにより、特にＩＣウェハなどの全反射に近い試
料で並行照射を要求される場合でも一様な明るさの画像
をムラなく高画質で観察することが可能となり、粒子線
による像と一緒に見慣れた光学顕微鏡による画像とを併
用した観察が可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施例構成図である。

【図２】本発明の他の実施例構成図である。

【図３】従来技術の説明図である。

【図４】従来技術の問題点説明図である。

【符号の説明】

１：粒子線 ２：中心軸 ３：ミラー ４：集束レンズ ５：試料 ６：レンズ ７：光線 １０：光源 １１：コンデンサレンズ １３：撮像装置 １６、１６’：中心軸

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】粒子線装置によって試料を観察すると同一
   領域に光を照射して像を観察する光学顕微鏡において、 内部に穴がなくて粒子線（１）が試料（５）を照射する
   中心軸（２）の近傍に配置したミラー（３）と、 放射した光を上記ミラー（３）によって反射させて試料
   （５）に照射する光源（１０）と、 試料（５）によって反射された光を上記同一あるいは別
   個のミラー（３）によって反射させて取り出した当該試
   料（５）の像を結像させる撮影装置（１３）とを備えこ
   とを特徴とする粒子線装置に使用する光学顕微鏡。
2. 【請求項２】上記穴のないミラー（３）と試料（５）と
   の間に穴のないレンズあるいは曲面鏡を配置したことを
   特徴とする請求項１に記載の粒子線装置に使用する光学
   顕微鏡。