JPH1048527A - イメージローテータ装置及び走査型光学顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】スポット光の光軸とイメージローテータの回転
中心軸のアライメントがズレている事により発生するス
ポット光の公転運動による対物レンズの瞳によるスポッ
ト光のケラレを無くすこと。 【解決手段】試料８に対して収束光を照射する対物光学
系７と、試料８と収束光とを相対的に二次元方向へ移動
走査する二次元走査手段５と、収束光で点状照明した試
料からの光を受光してその受光強度に応じた検出信号を
出力する光検出手段１３と、対物光学系７の瞳位置付近
に配置され試料８からの光を光軸を中心として回転させ
ることのできるイメージローテータ５０とを具備した走
査型光学顕微鏡である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、観察象の姿勢を所
望の角度に調整するイメージローテータ装置及びイメー
ジローテータ装置を備えた走査型光学顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】点状光源によって観察試料の表面を点状
に照明し、この照明された試料表面からの透過又は反射
光を再び点状に集光し、その集光位置にピンホール開口
を有する検出器に結像させ、この検出器により結像の濃
度情報を得る共焦点走査型光学顕微鏡がある。

【０００３】図６は一般的な共焦点走査型光学顕微鏡の
概略構成図である。この共焦点走査型光学顕微鏡は、点
状光源９１から出射された点状光をハーフミラー９２を
通した後に収差補正のなされた対物レンズ９３によって
観察試料９４の表面に点状に結像し、この点状照明され
た上記試料９４からの反射光を再び対物レンズ９３を通
した後に上記ハーフミラー９２で反射して所定位置に集
光する。この集光位置にピンホール９５を配置してお
り、このピンホール９５を通過した上記反射光を光検出
器９６によって検出する。

【０００４】このような点状照明を観察試料９４表面の
測定領域全体にわたって行い、その反射光の光検出器９
６による検出信号をラスタ走査の如く二次元走査する事
により、観察試料９４の表面の二次元画像が得られるよ
うになっている。

【０００５】半導体製品の品質管理を行う分野では、共
焦点走査型光学顕微鏡を半導体ウエハの表面を拡大観察
するために使用する他、取得された観察像を撮像装置で
画像化してから当該画像に対して所定の画像処理を施す
ことにより欠陥検査や回路パターンの線幅測定等を行な
う為に使用する事がある。

【０００６】半導体製品等の欠陥検査や線幅測定等を行
う場合、図７（ａ）に示すように線幅測定の対象となる
観察像Ｇが水平線に対して角度θだけ傾いているとすれ
ば、検査効率や測定精度を上げるために同図（ｂ）に示
すように画面上に表示した観察像Ｇの直線部を水平線に
対して直角（又は水平）になるように姿勢を所望の角度
に調整してから、検査、測定を実施するのが一般的であ
る。

【０００７】そのような像の向き合わせを行うために、
従来は半導体試料を保持しているウエハホルダを回転さ
せたり、あるいはカメラ自身を光軸を中心に回転させた
りしていた。

【０００８】ところで、ウエハホルダを回転させる方法
では、半導体ウエハのオリフラを利用してウエハ上の観
察したい所を視野中心に位置決めし、然る後、ウエハホ
ルダを回転させて像の姿勢を所望の角度に調整してい
る。しかし、ウエハホルダの回転中心と像の回転中心と
が異なっていると、ウエハホルダを回転させたとき、像
の姿勢は所望の角度となるが、像が観察視野の中心から
動いてしまう。そのため、再度、見たい位置を視野中心
に位置合わせをしなければならないという不都合があ
る。

【０００９】特開平５−２９７３１９号には、ウエハホ
ルダ又はカメラ自身を回転させること無く観察像の姿勢
を調整できるようにしたイメージローテータ装置を備え
た光学装置が開示されている。

【００１０】図８に上記特開平５−２９７３１９号に開
示された光学装置の構成を示している。この光学装置は
ステージ３１上のウエハホルダ３２に保持されたウエハ
Ｓの像を対物レンズ３３を通して取り込み、ＣＣＤカメ
ラ３４で映像信号に変換してコントロールユニット３５
を介してモニタ３６に表示する。モニタ３６に表示した
観察像を所定の画像処理ソフトウエア３７を使用して欠
陥検査などを実行し、また線幅測定ソフトウエア３８を
使用して線幅の測定を画面上で行う。

【００１１】同図に示すように、対物レンズ３３から取
り込まれた観察像をＣＣＤカメラ３４まで導くための光
路上に第１，第２のプリズム４１，４２を配置し、少な
くとも一方のプリズム（同図には第２のプリズム４２を
駆動する場合が図示されている）を光軸を中心に回転自
在に保持し、プリズム駆動部４３で回転駆動するように
構成している。このイメージローテータ装置は、第１の
プリズム４１で像を反転させ、第２のプリズム４２で第
１のプリズム４１で反転させた像をさらに反転させる。

【００１２】また、特開平４−２７８５５５号には、像
回転光学系をリレーレンズ（結像レンズ）の手前に配置
して像を回転させることで測定対象パターン像の輪郭線
の一方向線との交叉角を所定の角度に修正できるように
した寸法測定装置が開示されている。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記特
開平５−２９７３１９号公報に記載された光学装置で
は、プリズム駆動部４３にて回転駆動される第２のプリ
ズム４２の回転中心と光軸中心のアライメントを調整す
る為の調整機構が備えられていない。回転駆動されるプ
リズムの回転中心と光軸中心のアライメントが不十分な
ことによる不具合を図９及び図１０を参照して説明す
る。

【００１４】図９（ａ）は、プリズム駆動部にて回転駆
動されるプリズム（イメージローテータ）５０の回転中
心と光軸中心とを一致させて観察試料Ｓの表面を点状照
明した状態を示している。

【００１５】図９（ｂ）に示すように、イメージローテ
ータ５０の回転中心と光軸中心がずれている場合、イメ
ージローテータ５０の出射光からなるスポット光は、イ
メージローテータ５０が回転すると、図１０に示すよう
に自転運動するだけではなく公転半径ｒの公転運動も起
こしてしまう。

【００１６】ここで、出射光の公転運動の公転半径ｒ
は、イメージローテータ５０の回転中心軸とイメージロ
ーテータ５０の出射光のなす角度をθ、イメージローテ
ータ５０の位置から対物レンズの瞳５２の位置までの距
離をｘとすると、 ｒ＝ｘｔａｎθ …（１） という関係式が成り立つ。すなわち、出射光の公転運動
の公転半径ｒは、イメージローテータ５０の位置から対
物レンズの瞳５２の位置までの距離ｘ、及びイメージロ
ーテータ５０の回転中心軸とイメージローテータ５０の
出射光のなす角度θのｔａｎに比例する。

【００１７】したがって、イメージローテータ５０の出
射光の公転運動の公転半径ｒが対物レンズの瞳径よりも
大きくなってしまったら、図９（ｃ）に示すように観察
試料Ｓの表面を点状に照明する点状光源がプリズムの回
転に伴って、対物レンズの瞳５２から外れてしまうケラ
レが生じ、点状光源光量が減少して照明ムラが起きてし
まうという問題が起きる。

【００１８】通常、イメージローテータ５０は、図９
（ａ）に示すように結像レンズ５１の後ろ側に固定され
ている。このため、イメージローテータ５０の位置から
対物レンズの瞳５２の位置までの距離ｘが大きくなって
しまい出射光の公転運動の公転半径ｒが大きくなってし
まう問題があった。イメージローテータ５０の回転中心
軸とイメージローテータ５０の出射光のなす角度θを小
さくするために、イメージローテータ５０の回転機構の
回転中心と点状光源軸のアライメントを高い精度で行な
わなければならず組立コストの上昇を引き起こす。

【００１９】また、上記特開平４−２７８５５５号公報
に記載された寸法測定装置では、上記問題のみならず、
イメージローテータを結像レンズの後ろ側に配置してい
るので、イメージローテータには周辺光まで入射させな
ければならず必然的に光束が大きくなり大型のプリズム
を使用せざるをえない。大型のプリズムを使用する事は
コストアップに直結するだけでなくイメージローテータ
を回転させる為のモータの発生トルクも大きいものを使
用しなければならなくなりさらなるコスト上昇を招く。
また、イメージローテータの前後にコリレーションレン
ズ及び補正リレーレンズ等の余分なリレーレンズを配置
しなければならないといった問題もあった。

【００２０】本発明は、以上のような実情に鑑みてなさ
れたもので、イメージローテータの回転中心と照明スポ
ット光の光軸とのアライメントに誤差が含まれていたと
しても、イメージローテータを回転した際の対物レンズ
の瞳によるケラレを無くし、照明ムラが無く、しかもイ
メージローテータを容易に小型ユニット化できてコスト
低減を図り得るイメージローテータ装置及び走査型光学
顕微鏡を提供することを目的とする。

【００２１】

【課題を解決するための手段】本発明は、試料からの光
を所定倍率の対物光学系を通して画像入力のために光検
出器上に結像させる光学装置に備えられ、前記光検出器
上に結像した像の姿勢を調整するイメージローテータを
前記対物光学系の瞳位置に近づけて配置した事を特徴と
するイメージローテータ装置である。

【００２２】本発明によれば、イメージローテータ装置
は点状光源軸とイメージローテータの回転中心がずれて
いても、イメージローテータの位置から対物光学系の瞳
の位置までの距離ｘが小さくなっているので、イメージ
ローテータからの出射光の公転運動の公転半径ｒが小さ
くなる作用がある。その結果、対物光学系の瞳によるケ
ラレを無くすことが可能となり均一な照明ができる。

【００２３】また、対物光学系の瞳位置近傍では光束が
小さいのでイメージローテータ自体の寸法が小さくなる
ので、イメージローテータの大型化によるコストアップ
を防止できる。

【００２４】本発明の走査型光学顕微鏡は、試料に対し
て収束光を照射する対物光学系と、前記収束光と前記試
料とを相対的に二次元方向へ移動走査する二次元走査手
段と、前記収束光で点状照明した試料からの光を受光し
てその受光強度に応じた検出信号を出力する光検出手段
と、前記対物光学系の瞳位置付近に配置され前記収束光
の光軸を中心として回転させることのできるイメージロ
ーテータとを具備する。対物光学系の瞳位置付近にイメ
ージローテータを配置したことにより、収束光の光軸と
イメージローテータの回転中心がずれていても、イメー
ジローテータの位置から対物光学系の瞳の位置までの距
離ｘが非常に小さくなっているので、イメージローテー
タからの出射光の公転運動の公転半径ｒが小さくなり、
対物光学系の瞳によるケラレを無くすことが可能となり
均一な照明ができる。

【００２５】本発明の走査型光学顕微鏡は、顕微鏡本体
に設けられたレボルバにより光軸上に配置された対物レ
ンズを介して試料に収束光を照射する対物光学系と、前
記収束光と前記試料とを相対的に二次元方向へ移動走査
する二次元走査手段と、前記収束光で点状照明した試料
からの光を受光してその受光強度に応じた検出信号を出
力する光検出手段と、前記レボルバと当該レボルバの取
り付けられる顕微鏡筐体との間に配置され前記収束光の
光軸を中心として回転させることのできるイメージロー
テータとを具備する。

【００２６】本発明によれば、イメージローテータをレ
ボルバと顕微鏡筐体との間の光路上に配置したので、イ
メージローテータの回転中心と収束光の光軸とのアライ
メントが狂っている時でも、イメージローテータの回転
により発生する照明スポット光の光軸の公転運動による
対物レンズの瞳のケラレを無くすことができる。さら
に、レボルバにより交換される複数の対物レンズに対し
て単一のイメージローテータで対処することができる。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て説明する。 （第１の実施の形態）第１の実施の形態は、イメージロ
ーテータを対物レンズに取り付けた共焦点走査型光学顕
微鏡の例である。図１は第１の実施の形態に係わる共焦
点走査型光学顕微鏡のシステム構成を示している。顕微
鏡本体１の内部に設けられたレーザ光源２より発生した
スポット光としてのレーザ光をミラー３で全反射してハ
ーフミラー４を透過させてから２次元走査機構５に入射
している。２次元走査機構５は、例えばＸ軸方向走査用
のガルバノミラーとＹ軸方向走査用のガルバノミラーと
を有しており、２つのガルバノミラーをＸ軸方向、Ｙ軸
方向に振ることでスポット光をラスタ走査と同様にＸＹ
走査することができる。２次元走査機構５により走査さ
れたスポット光を、結像レンズ５１を通してから反射ミ
ラー２６に入射して対物レンズ側へ偏向させる。そし
て、顕微鏡本体１に取り付けられたレボルバ６で光軸上
に配置されている対物レンズ７より試料８に点状に照射
する。試料８は微動ステージ９上に載置されている。点
状照明された試料８からの反射光を対物レンズ７から取
り込んで２次元走査機構５及びハーフミラー４を介して
結像レンズ１１へ入射し、集光レンズ１１の集光位置に
配置したピンホール１２を介して光検出器１３で検出す
る。また、顕微鏡本体１の内部に設けられたランプ光源
１９からの照明光をコリメータレンズ２０で平行光束に
変換してからハーフミラー２１で反射させて集光レンズ
２２へ伝送している。顕微鏡本体１とレボルバ６の取付
面との間の光路上に可動ミラー２３が挿脱自在に設けら
れていて、光路上に配置した可動ミラー２３にランプ光
源１９からの照明光を入射することにより試料を照明す
る。ランプ光源１９からの照明光により照明された試料
像はハーフミラー２１を透過してテレビカメラ２５で撮
像できるようにしている。

【００２８】レボルバ６は、倍率の異なる複数の対物レ
ンズ７を同時に保持して、回転することにより選択的に
一つの対物レンズを光軸上に配置するものである。この
実施の形態では各々の対物レンズにイメージローテータ
５０を取り付けていて、イメージローテータ駆動部５３
によりイメージローテータ５０を回転駆動することによ
り回転させることができるようにしている。対物レンズ
７の瞳５２の近傍に回転中心を光軸とほぼ一致させるよ
うにしてイメージローテータ５０を配置している。イメ
ージローテータ駆動部５３は、手動または例えばリング
式の超音波モータを使用することができる。

【００２９】図２（ａ）に示すように、対物レンズ７の
瞳５２の近傍に回転中心を光軸とほぼ一致させるように
してイメージローテータ５０を配置することにより、イ
メージローテータ５０と対物レンズ瞳５２との間の距離
ｘが非常に小さくなるので、図２（ｂ）に示すように光
軸とイメージローテータ５０の回転中心との間にずれ量
θ１が生じていても、同図（ａ）に示すようにスポット
光の公転半径ｒを非常に小さく抑えることができる。こ
のことは、イメージローテータ５０の回転に伴うスポッ
ト光の公転による対物レンズの瞳５２によるケラレが生
じる可能性を大幅に低減できて照明ムラがなくなること
を意味する。

【００３０】また、イメージローテータ５０と結像レン
ズ５１との関係では、イメージローテータ５０を結像レ
ンズ５１の後ろ側に配置するのではなく、対物レンズ７
の瞳５２の近傍に配置するので、図３に示すようにイメ
ージローテータ５０の寸法が必然的に小さなものとな
る。図３に示すようにイメージローテータ５０を配置し
た場合と、図９（ａ）に示すように配置した場合とで
は、イメージローテータ５０は図３に示すように配置し
た場合のほうが体積比で１／８以下となる。

【００３１】このような実施の形態によれば、イメージ
ローテータ５０を対物レンズ７の瞳５２の近傍にその回
転軸が光軸とほぼ一致するように配置したので、光軸と
イメージローテータ５０の回転中心との間にずれ量θ１
が生じていても、スポット光の公転半径ｒを非常に小さ
く抑えられ対物レンズの瞳５２によるケラレを防げるこ
とから照明ムラを無くし精度の高い測定が可能となる。

【００３２】また、イメージローテータ５０を小形化す
ることができ、発生トルクの低いモータでの駆動が可能
になる等、装置全体としての小形化とコストダウンを図
ることができる。

【００３３】（第２の実施の形態）第２の実施の形態
は、イメージローテータをレボルバと顕微鏡本体の間に
配置してイメージローテータに関する部品の削減を図っ
た例である。なお、基本的に共焦点走査型光学顕微鏡に
係る部分の構成は、第１の実施の形態と同様であるので
同一部分には同一符号を使用する。

【００３４】図４に第２の実施の形態に係る共焦点走査
型光学顕微鏡の構成が示されている。イメージローテー
タ５０′を顕微鏡本体１とレボルバ６の取付面との間の
光路上に配置し、このイメージローテータ５０′をイメ
ージローテータ駆動部５３′により回転駆動するように
構成している。

【００３５】この実施の形態によれば、レボルバ６に取
り付けられる対物レンズ７の数に関係なく共焦点走査型
光学顕微鏡にイメージローテータ５０′及びイメージロ
ーテータ駆動部５３′を１台装着すればよい。しかも、
イメージローテータ５０′と対物レンズ７の瞳５２との
間の位置ｘが小さいためにスポット光の公転半径ｒは小
さくなり、イメージローテータ５０′の回転によるスポ
ット光の公転による対物レンズ７の瞳５２によるケラレ
が無くなり照明ムラがなくなる。

【００３６】なお、イメージローテータ５０又は５０′
を構成するプリズムは台形プリズムに限定されるもので
はない。例えば、図５（ａ）に示すようなツインプリズ
ム型のプリズムを用いたイメージローテータ、又は同図
（ｂ）に示すようなＰｅｃｈａｎプリズムを用いたイメ
ージローテータ等、種々の像回転光学系を使用しても同
様の作用効果を奏することができる。

【００３７】本発明のイメージローテータ装置は共焦点
走査型光学顕微鏡に備える場合に限定されるものではな
く、上記した特開平４−２７８５５５号公報に記載され
た寸法測定装置、特開平５−２９７３１９号公報に記載
された光学装置等の他の光学装置にも同様に適用するこ
とができる。

【００３８】以上、実施の形態に基づいて説明したが、
本発明は以下の発明を含む。試料に対して収束光を照射
する対物光学系と、上記収束光と上記試料とを相対的に
二次元方向へ移動走査する二次元走査手段と、上記対物
光学系の焦点位置とを相対的に光軸方向へ移動走査する
光軸走査手段と、上記収束光の光軸を中心として回転自
在にするイメージローテータと、上記収束光の上記試料
による反射光を受光してその受光強度に応じた検出信号
を出力する光検出手段とを備えた共焦点走査型光学顕微
鏡において、前記イメージローテータを対物レンズとレ
ボルバとの間に配置したことを特徴とする共焦点走査型
光学顕微鏡である。また、共焦点走査型光学顕微鏡に限
らず他の走査型顕微鏡にも同様に適用できる。

【００３９】

【発明の効果】以上詳記したように本発明によれば、ス
ポット光の光軸とイメージローテータの回転中心軸のア
ライメントがズレている事により発生するスポット光の
公転運動による対物レンズの瞳によるスポット光のケラ
レを無くす事ができ、照明ムラをなくすことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施の形態に係る共焦点型光学顕微鏡の
全体構成図である。

【図２】第１の実施の形態における対物レンズ瞳とイメ
ージローテータとの距離及びスポット光の公転半径ｒを
示す図である。

【図３】第１の実施の形態におけるイメージローテータ
の配置位置を結像レンズを基準に説明した図である。

【図４】第２の実施の形態に係る共焦点型光学顕微鏡の
全体構成図である。

【図５】イメージローテータを構成するプリズムの変形
例を示す図である。

【図６】共焦点型光学顕微鏡の光学系の原理図である。

【図７】共焦点型光学顕微鏡の観察像の傾き調整前後の
画面を示す図である。

【図８】イメージローテータ装置を備えた光学装置の構
成図である。

【図９】光軸とイメージローテータの回転軸とのずれ量
による対物レンズ瞳でのケラレの発生を説明するための
図である。

【図１０】スポット光の公転軌道と対物レンズ瞳との関
係を示す平面図である。

【符号の説明】

１…顕微鏡本体 ２…レーザ光源 ５…２次元走査機構 ６…レボルバ ７…対物レンズ ８…試料 ５０…イメージローテータ ５１…結像レンズ ５２…対物レンズ瞳 ５３…イメージローテータ駆動部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料からの光を所定倍率の対物光学系を
   通して画像入力のために光検出器上に結像させる光学装
   置に備えられ、前記光検出器上に結像した像の姿勢を調
   整するイメージローテータを前記対物光学系の瞳位置に
   近づけて配置した事を特徴とするイメージローテータ装
   置。
2. 【請求項２】 試料に対して収束光を照射する対物光学
   系と、前記収束光と前記試料とを相対的に二次元方向へ
   移動走査する二次元走査手段と、前記収束光で点状照明
   した試料からの光を受光してその受光強度に応じた検出
   信号を出力する光検出手段と、前記対物光学系の瞳位置
   付近に配置され前記収束光の光軸を中心として回転させ
   ることのできるイメージローテータとを具備したことを
   特徴とする走査型光学顕微鏡。
3. 【請求項３】 顕微鏡本体に設けられたレボルバにより
   光軸上に配置された対物レンズを介して試料に収束光を
   照射する対物光学系と、前記収束光と前記試料とを相対
   的に二次元方向へ移動走査する二次元走査手段と、前記
   収束光で点状照明した試料からの光を受光してその受光
   強度に応じた検出信号を出力する光検出手段と、前記レ
   ボルバと当該レボルバの取り付けられる顕微鏡筐体との
   間に配置され前記収束光の光軸を中心として回転させる
   ことのできるイメージローテータとを具備したことを特
   徴とする共焦点走査型光学顕微鏡。