KR20050065366A - 현미경 장치 및 액침 대물 렌즈 - Google Patents

현미경 장치 및 액침 대물 렌즈 Download PDF

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고마츠고이치로
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가부시키가이샤 니콘
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Abstract

기판을 관찰할 때 저분해능에서의 관찰과 고분해능에서의 관찰을 필요에 따라 전환할 수 있고, 또한 저렴하게 고분해능화가 가능한 현미경 장치 및 액침 대물 렌즈를 제공한다.
본 발명의 현미경 장치는, 액침계의 대물 렌즈를 통하여, 피검부와 상기 대물 렌즈 사이에 침액을 충전시킨 상태로 상기 피검부의 확대 이미지를 형성하는 현미경 광학계와, 기판 상의 복수의 피검부 중 제 1 피검부가 상기 현미경 광학계의 시야위치에 있는 상태에서 상기 기판 상의 제 2 피검부가 상기 시야위치에 있는 상태로 이동시키는 이동장치와, 상기 대물 렌즈와 피검부 사이에 충전하는 침액을 공급하는 침액 공급장치와, 상기 대물 렌즈와 상기 피검부 사이에 충전된 상기 침액을 제거하는 침액 제거장치와, 상기 이동장치를 동작시키기 전에 상기 침액 제거장치에 의해 침액을 제거시키는 침액 제거 제어 장치를 구비한다.

Description

현미경 장치 및 액침 대물 렌즈{MICROSCOPE DEVICE AND IMMERSION OBJECTIVE LENS}
본 발명은 반도체 웨이퍼나 액정기판 등의 관찰에 사용되는 현미경 장치 및 액침 대물 렌즈에 관한 것이다.
반도체회로소자나 액정표시소자의 제조공정에서는, 반도체 웨이퍼나 액정기판 (대체로 「기판」이라 함) 에 형성된 회로패턴의 결함이나 이물 등의 관찰이 현미경 장치를 사용하여 이루어진다. 현미경 장치는 기판을 자동 반송하는 기구와 광학현미경 시스템을 결합한 것이다. 광학현미경 시스템의 대물 렌즈와 관찰대상인 기판 사이는 공기 등의 기체로 채워진다 (건조계). 또, 현미경 장치를 사용한 관찰은, 결함 검사장치에 의해 검출된 결함이나 이물 등의 원인 또는 그 상태를 육안으로 확인하기 위한 검사에 상당한다.
그리고 최근, 기판을 가시광과 자외광에 의해 관찰하는 장치가 제안되었다 (예를 들어 특허문헌 1 참조). 이 장치도 건조계이다. 자외광을 사용한 경우에는, 광학계의 분해능이 관찰파장에 비례하기 때문에, 가시광보다 높은 분해능으로 기판을 관찰할 수 있다. 특허문헌 1 의 장치에서는 가시광을 사용한 저분해능에서의 관찰과, 자외광을 사용한 고분해능에서의 관찰을 조합함으로써 기판의 효율적인 관찰이 가능해진다.
(특허문헌 1) 일본 공개특허공보 2001-118896호
그러나 상기 장치는, 자외광을 사용하기 때문에 광원의 종류나 대물 렌즈를 포함한 관찰계의 광학재료가 비싼 것에 한정되어, 제조비용이나 러닝코스트가 매우 커진다. 또, 상기 자외광을 사용한 장치에서 분해능을 향상시키기 위해서는, 조명광을 더욱 단파장화해야 하여 광원의 비용이 매우 높고, 안정성에도 문제가 있다.
본 발명의 목적은, 기판을 관찰할 때 저분해능에서의 관찰과 고분해능에서의 관찰을 필요에 따라 전환할 수 있고, 또한 저렴하게 고분해능화가 가능한 현미경 장치 및 액침 대물 렌즈를 제공하는 것에 있다.
청구항 1 에 기재된 현미경 장치는,
액침계의 대물 렌즈를 통하여, 피검부와 상기 대물 렌즈 사이에 침액을 충전시킨 상태로 상기 피검부의 확대 이미지를 형성하는 현미경 광학계와,
기판 상의 복수의 피검부 중 제 1 피검부가 상기 현미경 광학계의 시야위치에 있는 상태에서 상기 기판 상의 제 2 피검부가 상기 시야위치에 있는 상태로 이동시키는 이동장치와,
상기 대물 렌즈와 피검부 사이에 충전하는 침액을 공급하는 침액 공급장치와,
상기 대물 렌즈와 상기 피검부 사이에 충전된 상기 침액을 제거하는 침액 제거장치와,
상기 이동장치를 동작시키기 전에 상기 침액 제거장치에 의해 침액을 제거시키는 침액 제거 제어 장치를 구비한 것을 특징으로 한다.
청구항 2 에 기재된 현미경 장치는, 청구항 1 에 기재된 현미경 장치로서,
상기 이동장치는, 복수의 피검부를 갖는 기판을 미리 정한 영역 내에서 이동 가능하게 지지하는 스테이지와, 상기 기판 상의 상기 복수의 피검부의 위치정보에 기초하여 상기 스테이지를 구동하는 스테이지 제어 장치로 구성되고,
상기 스테이지 제어 장치는, 상기 침액 제거장치에 의한 상기 침액의 제거 후에 다음 피검부가 상기 대물 렌즈의 시야내에 위치하도록 스테이지를 구동하는 것을 특징으로 한다.
청구항 3 에 기재된 현미경 장치는, 청구항 1 또는 청구항 2 에 기재된 현미경 장치로서,
상기 침액 공급장치에 의해 공급된 침액이 상기 대물 렌즈 선단과 상기 기판 사이에 충전되고, 또한 상기 침액 제거장치에 의해 상기 침액이 제거되기 전에, 상기 현미경 광학계의 초점맞춤 상태를 조정하는 자동 조정 장치를 더 구비한 것을 특징으로 한다.
청구항 4 에 기재된 현미경 장치는, 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 기재된 현미경 장치로서,
상기 침액 제거장치는 침액을 흡인하기 위한 흡인 노즐을 가지며, 상기 흡인 노즐의 선단은 상기 대물 렌즈 선단의 근방에 배치된 것을 특징으로 한다.
청구항 5 에 기재된 현미경 장치는, 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 기재된 현미경 장치로서,
상기 침액 공급장치는 침액을 공급하기 위한 토출 노즐을 가지며, 상기 토출 노즐의 선단은 상기 대물 렌즈 선단의 근방에 배치된 것을 특징으로 한다.
청구항 6 에 기재된 현미경 장치는, 청구항 2 에 기재된 현미경 장치로서,
상기 침액 공급장치의 공급노즐의 선단은 상기 기판 근방의 소정위치에 배치되고,
상기 스테이지 제어 장치는, 먼저 피검부를 상기 침액 공급장치의 공급노즐의 선단 바로 아래로 이동시켜 상기 침액 공급장치의 공급노즐로부터 상기 피검부에 침액을 공급하고, 다음에 상기 침액이 공급된 피검부를 상기 대물 렌즈의 시야내로 이동시켜 상기 현미경 광학계에 의해 상기 피검부의 이미지를 형성하는 것을 특징으로 한다.
청구항 7 에 기재된 현미경 장치는, 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 기재된 현미경 장치로서,
상기 침액 공급장치에 의해, 적어도 상기 확대 이미지 형성시의 상기 대물 렌즈 선단과 상기 기판 간의 간극을 채우는 양이 공급되는 것을 특징으로 한다.
청구항 8 에 기재된 현미경 장치는, 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 기재된 현미경 장치로서,
건조계의 대물 렌즈를 통하여 상기 복수의 피검부의 이미지를 형성하는 현미경 광학계와,
상기 건조계의 대물 렌즈를 통하여 형성된 복수의 피검부의 이미지에 기초하여 상기 복수의 피검부 중 소정 피검부의 위치를 기억하는 기억부를 갖고,
상기 기억부에서 기억된 위치정보에 기초하여 상기 이동수단을 제어하고 상기 기억부에 기억된 피검부의 위치를 차례로 상기 액침계의 대물 렌즈의 시야내에 위치시키고, 상기 피검부의 위치마다 상기 액침계의 대물 렌즈를 통하여 이미지를 형성하는 제어수단을 구비한 것을 특징으로 한다.
청구항 9 에 기재된 현미경 장치는, 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 기재된 현미경 장치로서,
건조계의 대물 렌즈를 통하여 상기 기판 상의 상기 복수의 피검부의 이미지를 형성하는 현미경 광학계와,
상기 이동수단을 제어하여 상기 복수의 피검부를 상기 건조계의 대물 렌즈의 시야내에 차례로 위치결정하고, 상기 건조계의 대물 렌즈를 통하여 이미지를 형성시키는 제 1 제어수단과,
상기 건조계의 대물 렌즈를 통한 이미지 형성 후, 상기 액침계의 대물 렌즈를 통해 이미지를 형성할지 하지 않을지를 판정하는 판정수단과,
상기 판정수단에 의해 판정한 결과, 상기 액침계의 대물 렌즈를 통해 관찰하는 경우에, 상기 이동수단을 제어하여 상기 액침계의 대물 렌즈의 시야내에 상기 피검부를 위치결정하고, 상기 액침계의 대물 렌즈를 통하여 이미지를 형성하는 제 2 제어수단을 구비한 것을 특징으로 한다.
청구항 10 에 기재된 현미경 장치는, 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 기재된 현미경 장치로서,
건조계의 대물 렌즈를 통하여 상기 기판 상의 상기 복수의 피검부의 이미지를 형성하는 현미경 광학계와,
상기 이동수단을 제어하여 상기 복수의 피검부를 상기 건조계의 대물 렌즈의 시야내에 차례로 위치결정하고, 상기 건조계의 대물 렌즈를 통하여 이미지를 형성시키는 제 1 제어수단과,
상기 건조계의 대물 렌즈를 통한 이미지를 형성한 후, 상기 액침계의 대물 렌즈를 통한 이미지를 형성하는 경우에는, 상기 피검부의 위치정보를 기억하는 기억수단과,
상기 기억수단에 기억된 상기 위치정보에 기초하여, 상기 이동수단을 제어하여 상기 액침계의 대물 렌즈의 시야내에 상기 피검부를 위치결정하고, 상기 액침계의 대물 렌즈를 통하여 이미지를 형성하는 제 2 제어수단을 구비한 것을 특징으로 한다.
청구항 11 에 기재된 현미경 장치는, 청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 기재된 현미경 장치로서,
상기 침액은 순수인 것을 특징으로 한다.
청구항 12 에 기재된 현미경 장치는, 청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 기재된 현미경 장치로서,
상기 액침계의 대물 렌즈는 작동거리가 0.1㎜ 이상 0.5㎜ 이하인 것을 특징으로 한다.
청구항 13 에 기재된 현미경 장치는, 청구항 1 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 기재된 현미경 장치로서,
상기 액침계의 대물 렌즈는 자외광에 의해 상기 기판의 이미지를 형성하는 것을 특징으로 한다.
청구항 14 에 기재된 액침 대물 렌즈는,
현미경 장치에서 사용하는 액침 대물 렌즈로서,
상기 액침 대물 렌즈는 모든 렌즈성분이 단일 렌즈에 의해 구성되는 것을 특징으로 한다.
청구항 15 에 기재된 현미경 장치는, 청구항 1 에 기재된 현미경 장치로서,
상기 침액 공급장치는, 상기 침액의 공급량을 상기 대물 렌즈의 선단과 상기 피검부 사이의 기둥형 공간의 체적 (V1) 과, 표면장력에 의해 상기 대물 렌즈의 선단에서 밀려나올 수 있는 고리형 공간의 체적 (V2) 을 사용하여, 다음 식 (1) 을 만족하는 체적 (V0) 에 상당하는 양으로 하는 것을 특징으로 한다.
V0 = V1 + V2 ㆍㆍㆍ(1)
청구항 16 에 기재된 현미경 장치는, 청구항 15 에 기재된 현미경 장치로서,
상기 고리형 공간은, 상기 대물 렌즈의 선단에서 밀려나온 폭 (A) 이, 상기 대물 렌즈의 작동거리 (δ) 를 사용하여 다음 식 (2) 를 만족시키는
δ/2 ≤A ≤2δ ㆍㆍㆍ(2)
것을 특징으로 한다.
청구항 17 에 기재된 현미경 장치는, 청구항 15 에 기재된 현미경 장치로서,
상기 침액 공급장치를 제어하여 상기 침액의 공급을 개시시키는 동시에 상기 침액의 공급량이 상기 체적 (V0) 에 상당하는 양이 된 시점에서 상기 침액의 공급을 정지시키는 침액 공급 제어 장치를 구비한 것을 특징으로 한다.
청구항 18 에 기재된 현미경 장치는, 청구항 1 에 기재된 현미경 장치로서,
상기 침액이 상기 피검부에 공급된 상태에서, 상기 피검부를 상기 대물 렌즈의 초점면 중 상기 대물 렌즈의 광축 부근에 위치결정하는 위치결정 장치를 갖고,
상기 침액 제거장치는, 상기 대물 렌즈의 선단 근방에 상기 침액을 흡인하기 위한 흡인부를 갖고, 상기 위치결정 장치에 의해 위치결정된 상태로부터 상기 기판을 상기 대물 렌즈에 근접시켜 상기 피검부로부터 상기 침액을 제거하는
것을 특징으로 한다.
청구항 19 에 기재된 현미경 장치는, 청구항 1 에 기재된 현미경 장치로서,
상기 대물 렌즈의 초점면보다도 상기 대물 렌즈에서 떨어진 면에 상기 기판을 위치결정하는 제 1 위치결정 장치와,
상기 액체가 상기 피검부에 공급된 상태에서, 그 피검부를 상기 대물 렌즈의 초점면 중 상기 대물 렌즈의 광축 부근에 위치결정하는 제 2 위치결정 장치를 갖고,
상기 침액 공급장치는 상기 기판이 상기 떨어진 면에 위치결정된 상태로 상기 기판의 상기 피검부에 침액을 공급하고,
상기 침액 제거장치는, 상기 대물 렌즈의 선단 근방에 상기 침액을 흡인하기 위한 흡인부를 갖고, 상기 제 2 위치결정 장치에 의해 위치결정된 상태로부터 상기 기판을 상기 대물 렌즈에 근접시켜 상기 피검부로부터 상기 침액을 제거하는
것을 특징으로 한다.
청구항 20 에 기재된 현미경 장치는, 청구항 19 에 기재된 현미경 장치로서,
상기 침액 공급장치는, 상기 떨어진 면 중 상기 광축 부근을 타겟으로 하여 상기 액체를 공급하고,
상기 제 1 위치결정 장치는, 상기 기판의 상기 피검부를 상기 떨어진 면 중 상기 광축 부근에 위치결정하는 것을 특징으로 한다.
(발명을 실시하기 위한 최선의 형태)
이하, 도면을 사용하여 본 발명의 실시형태를 상세하게 설명한다.
(제 1 실시형태)
제 1 실시형태의 현미경 장치 (10) 는, 도 1 에 나타내는 바와 같이 관찰대상인 기판 (11) 을 지지하는 스테이지 (12∼14) 와, 건조계의 관찰부 (21∼35) 및 초점검출부 (36) 와, 액침계의 관찰부 (41∼54, 32∼35) 및 초점검출부 (55) 와, 도시하지 않는 제어부로 구성되어 있다. 기판 (11) 은 반도체 웨이퍼나 액정기판이다. 현미경 장치 (10) 는 반도체회로소자나 액정표시소자의 제조공정에서, 기판 (11) 에 형성된 회로패턴의 결함이나 이물 등의 관찰 (외관검사) 에 사용된다. 또한, 기판 (11) 을 관찰할 때 저분해능에서의 관찰과 고분해능에서의 관찰을 필요에 따라 전환할 수 있게 (상세한 것은 후술함) 되어 있다. 회로패턴은 레지스트 패턴이다.
스테이지 (12∼14) 를 설명한다. 스테이지 (12∼14) 는 시료대 (12) 와 XY 스테이지 (13) 와 Z 스테이지 (14) 로 구성된다. 시료대 (12) 는, XY 스테이지 (13) 에 의해 수평면 내에서 이동 가능, Z 스테이지 (14) 에 의해 연직 방향으로 이동 가능하다. 도시하지 않는 자동반송계에 의해, 예를 들어 현상장치에서 반송되어 온 기판 (11) 은 회로패턴의 방위가 조정된 후 시료대 (12) 의 이지미면에 탑재되어, 예를 들어 진공흡착에 의해 고정 유지된다. 회로패턴의 방위 조정은, 기판 (11) 이 반도체 웨이퍼인 경우 노치 또는 오리엔테이션 플랫 등에 기초하여 이루어진다. 시료대 (12) 와 XY 스테이지 (13) 에 의해, 관찰대상인 기판 (11) 은 수평면의 미리 정한 영역 내에서 이동 가능하게 되어 있다. 미리 정한 영역이란 XY 스테이지 (13) 의 가동범위에 상당한다.
그리고, XY 스테이지 (13) 의 가동범위 내의 소정 위치에서는, 건조계의 관찰부 (21∼35) 가 스테이지 (12∼14) 에 지지된 기판 (11) 의 가시광에 의한 관찰을 한다. 그리고, XY 스테이지 (13) 의 가동범위 내의 별도의 위치 (건조계의 관찰부 (21∼35) 와 다른 위치) 에서는, 액침계의 관찰부 (41∼54, 32∼35) 가 스테이지 (12∼14) 에 지지된 기판 (11) 의 가시광에 의한 관찰을 한다.
즉, 건조계의 관찰부 (21∼35) 에 의한 관찰위치 (광축 (10A) 의 XY 위치) 와, 액침계의 관찰부 (41∼54, 32∼35) 에 의한 관찰위치 (광축 (10B) 의 XY 위치) 는 공통된 스테이지 (12∼14) 의 가동범위 내에서 미리 정한 거리만큼 떨어져 있다. 또, 건조계의 관찰부 (21∼35) 의 대물 렌즈 (28) 와, 액침계의 관찰부 (41∼54, 32∼35) 의 대물 렌즈 (48) 는 각각의 초점의 높이 (Z 위치) 가 대략 일치하고 있다. 여기서 「대략 일치하고 있다」는 것은 각각의 초점의 높이 (Z 위치) 의 차가 액침계의 관찰부 (21∼35) 의 자동 초점합치 기구의 인입 범위 내로 되어 있는 것을 나타내고 있다.
따라서, 기판 (11) 과 함께 시료대 (12) 를 수평 이동시킴으로써 건조계의 관찰부 (21∼35) 에 의한 관찰과, 액침계의 관찰부 (41∼54, 32∼35) 에 의한 관찰을 간단히 전환할 수 있다. 이 때, 수평 이동량을 광축 (10A) 과 광축 (10B) 의 거리와 일치시킴으로써, 예를 들어 기판 (11) 상의 광축 (10A) 과 교차하고 있는 관찰점을 광축 (10B) 상에 위치결정할 수 있다. 광축 (10A) 은 건조계의 관찰부 (21∼35) 의 시야 중심에 상당하고, 광축 (10B) 은 액침계의 관찰부 (41∼54, 32∼35) 의 시야 중심에 상당한다.
여기서, 분해능에 대하여 설명한다. 현미경 장치 (10) 의 대물 렌즈 (28, 48) 는 시야가 작기 때문에, 결상에 대해서는 수차가 보정된 거의 이상 광학계라고 생각된다. 수차가 없는 이상광학계의 2 점 분해능 (R ; 인접하는 광량의 동일한 2 점이 분해되어 보이는 간격) 은 결상에 관여하는 광의 파장 (λ) 과 대물 렌즈의 개구수 (N.A.) 를 사용하여 「R = 0.61×λ/N.A.」로 표시된다.
또한, 대물 렌즈의 개구수 (N.A.) 는 시야 내의 1 점으로부터 나와 대물 렌즈에 도입되는 광의 출사각도 (광축과 이루는 각도) 의 최대치 (θ) 와, 대물 렌즈와 기판 사이의 매질의 굴절률 (n) 을 사용하여 「N.A. = n×sinθ」로 표시된다.
건조계의 관찰부 (21∼35) 의 대물 렌즈 (28) 와 기판 (11) 사이를 공기로 채우는 경우, 그 굴절률 (n) 은 "1" 에 가까운 값을 취하기 때문에, 대물 렌즈 (28) 의 개구수 (N.A.) 는 최대로 0.95 정도가 된다. 대물 렌즈 (28) 의 개구수가 0.95 인 것을 사용하면, 결상에 관여하는 광의 파장 (λ) 이 550㎚ (가시광) 인 경우, 2 점 분해능은 353㎚ 가 된다.
이것에 반하여, 액침계의 관찰부 (41∼54, 32∼35) 의 대물 렌즈 (48) 와 기판 (11) 사이를 물로 채우는 경우, 결상에 관여하는 광의 파장 (λ) 이 550㎚ (가시광) 이면, 그 굴절률 (n) 은 "1.33" 정도가 된다. 따라서, 대물 렌즈 (48) 의 개구수 (N.A.) 는 동일한 정도의 도입 각도 (θ) 로 함으로써 1.25 정도가 되어, 결상에 관여하는 광의 파장 (λ) 이 550㎚ (가시광) 인 경우, 2 점 분해능은 268㎚ 이 된다.
일반적으로 현미경 장치에는 접안렌즈로 관찰하는 시야가 결정되어 있다. 이지미면 (35A) 에서의 시야의 크기는 25φ 정도이다. 대물 렌즈의 배율은 피검물체면 (11) 으로부터 이지미면 (35A) 까지의 투영배율을 나타내고 있다. 이 때문에, 관찰 배율이 결정되면 피검물체면 (11) 상에서 관찰할 수 있는 실시야가 일의적으로 결정된다. 현미경 장치에서의 대물 렌즈의 배율과 개구수, 분해능, 실시야, 초점심도와의 관계는 다음 표 1 과 같다.
배율 개구수 분해능 실시야 초점심도
Dry 10× 0.30 1118㎚ 2.5㎜φ 7.82㎛
Dry 20× 0.45 746㎚ 1.25㎜φ 2.95㎛
Dry 50× 0.80 419㎚ 0.5㎜φ 0.79㎛
Dry 100× 0.90 372㎚ 0.25㎜φ 0.50㎛
Dry 150× 0.95 353㎚ 0.167㎜φ 0.40㎛
Water 150× 1.25 268㎚ 0.167㎜φ 0.33㎛
즉, 저배율 관찰이 피검물체면 (11) 의 넓은 범위를 한번에 관찰할 수 있다. 또, 저배의 대물 렌즈의 개구수가 작기 때문에 초점심도도 깊어져, 보이는 범위가 3 차원적으로 커진다. 그러나, 보다 세밀한 부분을 관찰하기 위해서는 대물 렌즈를 전환하고 배율을 올려 분해능을 높게 하지만, 초점심도도 얕아지기 때문에 초점맞춤을 엄밀하게 하면서 관찰할 필요가 있다. 단차의 높이가 초점심도보다도 커져 버리는 경우에는, 피검물체를 대물 렌즈의 광축방향으로 움직이면서 관찰하는 경우도 있을 수 있다.
이와 같이, 제 1 실시형태의 현미경 장치 (10) 에서는, 건조계의 관찰부 (21∼35) 에 의해 광시야 저분해능으로 기판 (11) 을 관찰할 수 있고, 또 액침계의 관찰부 (41∼54, 32∼35) 에 의해 고분해능으로 기판 (11) 을 같은 조명광에 의해 관찰할 수 있다. 따라서, 예를 들어 건조계의 관찰부 (21∼35) 에 의해 광시야 저분해능으로 관찰한 후에, 액침계의 관찰부 (41∼54, 32∼35) 에 의해 고분해능으로 관찰함으로써 기판 (11) 의 효율적인 관찰이 가능해진다. 상세한 관찰순서에 대해서는 후술한다.
건조계의 관찰부 (21∼35) 를 설명한다. 관찰부 (21∼35) 에는, 할로겐램프나 메탈할라이드램프 등의 광원 (21), 콜렉터렌즈 (22), 파장선택필터 (23) 및 개구조리개 (24) 가 형성된다. 콜렉터렌즈 (22) 는, 광원 (21) 으로부터의 빛을 집광하여 개구조리개 (24) 에 광원 (21) 의 이미지를 형성한다. 파장선택필터 (23) 는, 소정 파장역의 가시광만을 선택적으로 투과한다.
그리고, 관찰부 (21∼35) 에는, 시야조리개 (25), 콘덴서렌즈 (26), 분기프리즘 (27) 및 대물 렌즈 (28) 가 형성된다. 대물 렌즈 (28) 는, 관찰부 (21∼35) 의 광축 (10A) 과는 다른 축을 중심으로 회전가능한 리볼버 (29) 에 장착되어 있다. 리볼버 (29) 에는, 배율이 다른 복수의 대물 렌즈 (28) 가 구비되어 있다. 리볼버 (29) 를 회전시킴으로써, 대물 렌즈 (28) 를 전환하여 관찰 배율을 변경할 수 있다. 광축 (10A) 상의 대물 렌즈 (28) 와 기판 (11) 사이는 공기 또는 질소 등의 기체로 채워져 있다 (건조계).
개구조리개 (24) 를 통과한 가시광은, 시야조리개 (25) 를 통과한 후, 콘덴서렌즈 (26) 를 통하여 평행광이 되고, 분기프리즘 (27) 에서 반사되어 광축 (10A) 상의 대물 렌즈 (28) 로 유도된다. 광축 (10A) 상의 대물 렌즈 (28) 는, 분기프리즘 (27) 으로부터의 가시광을 집광하여 건조상태의 기판 (11) 으로 유도한다. 그 결과, 기판 (11) 은 가시광에 의해 조명된다. 또, 개구조리개 (24) 는 대물 렌즈 (28) 의 사출동공과 공액이고, 기판 (11) 을 조명하는 빛의 입사각도범위를 규정한다. 시야조리개 (25) 는, 기판 (11) 의 조명범위를 규정한다.
상기 조명에 의해 기판 (11) 으로부터 발생한 관찰광 (예를 들어 반사광) 은 다시 대물 렌즈 (28) 로 유도되고, 이것을 통하여 평행광이 되고, 분기프리즘 (27) 을 투과한다. 분기프리즘 (27) 의 후단에는, 초점검출부 (36: 후술) 가 형성된다. 초점검출부 (36) 는, 광축 (10A) 상의 대물 렌즈 (28) 에 대한 기판 (11) 의 초점맞춤 상태 (디포커스량) 를 검출하기 위한 기구이다.
또, 초점검출부 (36) 의 후단에 있어서, 관찰부 (21∼35) 에는, 반사미러 (30), 결상광학계 (31), 광로 전환 미러 (32), 분기프리즘 (33), 촬상소자 (34) 및 접안렌즈 (35) 가 형성된다. 기판 (11) 으로부터의 관찰광 중 분기프리즘 (27) 과 초점검출부 (36) 의 분기프리즘 (36A) 를 투과한 빛은, 이들 광학소자 (30∼33) 를 통하여 집광된다. 그 결과, 촬상소자 (34) 의 촬이지미면과 접안렌즈 (35) 의 시야위치 (35A) 의 각각에는, 기판 (11) 의 확대이미지 (패턴이미지) 가 형성된다.
상기한 바와 같이 구성된 건조계의 관찰부 (21∼35) 에서는, 가시광 (예를 들어 파장 550㎚) 을 사용하여 광축 (10A) 상에 위치결정된 기판 (11) 의 관찰점을 저분해능 (예를 들어 2 점 분해능 353㎚) 으로 관찰할 수 있다. 그리고, 광축 (10A) 상의 대물 렌즈 (28) 를 전환함으로써 관찰 배율을 변경할 수 있다. 이 때문에, 비교적 저배에서 관찰한 후, 기판 (11) 상의 관찰 목표를 고배율 관찰시의 시야로 몰아넣을 수 있다.
또, 상기 광로 전환 미러 (32) 는, 건조계의 관찰부 (21∼35) 에 의한 관찰시, 결상광학계 (31) 로부터의 관찰광을 반사하여 분기프리즘 (33) 으로 유도하도록 배치되지만 (도 1), 다음에 설명하는 액침계의 관찰부 (41∼54, 32∼35) 에 의한 관찰시에는 도 2 와 같은 방향으로 배치된다. 이러한 2 가지 배치상태의 전환은 도시를 생략한 구동 기구를 사용하여 제어부가 자동적으로 실시한다.
액침계의 관찰부 (41∼54, 32∼35) 를 설명한다. 액침계의 관찰부 (41∼54, 32∼35) 는, 상기한 건조계의 관찰부 (21∼35) 보다도 개구수가 많다. 액침계의 관찰부 (41∼54, 32∼35) 에는, 할로겐램프나 메탈할라이드램프 등의 광원 (41), 콜렉터렌즈 (42), 파장선택필터 (43), 개구조리개 (44) 가 형성된다. 콜렉터렌즈 (42) 는, 광원 (41) 으로부터의 빛을 집광하여 개구조리개 (44) 에 광원 (41) 의 이미지를 형성한다. 파장선택필터 (43) 는, 소정 파장역의 가시광만을 선택적으로 투과한다.
그리고, 관찰부 (41∼54, 32∼35) 에는, 시야조리개 (45), 콘덴서렌즈 (46), 분기프리즘 (47) 및 대물 렌즈 (48) 가 형성된다. 대물 렌즈 (48) 는, 현미경 장치 (10) 의 본체부에 고정적으로 장착되어 있다. 대물 렌즈 (48) 의 선단 (하면) 과 기판 (11) 사이는, 액침계의 관찰부 (41∼54, 32∼35) 에 의한 고분해능 관찰시, 액침매질의 액체 (40) 로 채워진다 (액침계). 대물 렌즈 (48) 는, 그 선단과 기판 (11) 사이가 액체 (40) 로 채워졌을 때에 광학계의 수차가 보정되도록 설계되어 있다.
본 실시형태에서는, 액체 (40) 로서 예를 들어 순수를 사용한다. 순수는, 반도체 제조공정 등에서 용이하게 대량 입수할 수 있는 것이다. 또한, 기판 (11) 상의 레지스트에 대한 악영향이 없기 때문에, 기판 (11) 의 비파괴검사가 가능해진다. 또한, 순수는 환경에 대한 악영향도 없고, 불순물의 함유량이 매우 낮기 때문에, 기판 (11) 의 표면을 세정하는 작용도 기대할 수 있다.
그리고 액체 (40) 는, 액체 공급 장치 (49) 에 의해 토출 노즐 (50) 을 통하여 공급되고, 흡인 노즐 (51) 을 통하여 액체 회수 장치 (52) 에 의해 회수된다. 토출 노즐 (50) 과 흡인 노즐 (51) 의 선단은, 대물 렌즈 (48) 의 선단 근방의 경사면에 근접하여 배치되어 있다. 액체 공급 장치 (49) 는, 액체탱크나 가압펌프 등을 구비하여 소정량의 액체 (40) 를 토출 노즐 (50) 로 송출한다. 그 결과, 토출 노즐 (50) 의 선단에서 토출된 소정량의 액체 (40) 는, 대물 렌즈 (48) 의 경사면을 따라서 이동하여 대물 렌즈 (48) 의 선단과 기판 (11) 사이 (공간) 에 도달한다.
여기서, 대물 렌즈 (48) 의 선단과 기판 (11) 사이에 공급된 액체 (40) 에 의해 「액적」을 만들기 위해서는, 액체 (40) 가 순수인 경우, 대물 렌즈 (48) 의 작동거리 (즉 대물 렌즈 (48) 와 기판 (11) 사이의 거리) 를 0.1㎜ 이상 0.5㎜ 이하로 하는 것이 바람직하다. 이 경우, 순수의 양은 0.1cc∼0.2cc 정도가 적합하다. 또, 작동거리가 짧을수록 순수의 양은 적어도 되지만, 상기한 하한치 (0.1mm) 보다 짧게 하면, 스테이지 (12∼14) 의 수평이동시에 대물 렌즈 (48) 의 선단과 기판 (11) 이 접촉하여 기판 (11) 상의 패턴을 파괴할 우려가 생긴다. 또한 반대로, 작동거리를 상기 상한치 (0.5㎜) 보다 길게 하면, 높은 분해능을 실현하기 위해 필요한 개구수를 확보할 수 없어 고분해능화를 달성할 수 없다.
생물현미경에서는 60 배의 수침 대물 렌즈로서 개구수 N.A.=1, 작동거리 2㎜ 인 것이 존재한다. 또한, 대물 렌즈 (48) 로서 개구수 N.A. 가 1 보다 큰 것 (예를 들어 1.25) 을 사용하는 경우에는, 대물 렌즈의 설계상 대물 렌즈를 필요 이상으로 크게 하지 않기 위해 그 작동거리를 0.1mm 이상 0.3㎜ 이하로 하는 것이 바람직하다. 대물 렌즈 (48) 의 작동거리를 0.1mm 이상으로 함으로써, 스테이지 (12∼14) 의 수평이동시에 대물 렌즈 (48) 의 선단과 기판 (11) 의 접촉을 회피할 수도 있다.
액체 (40) 를 공급/회수하는 기구를 더욱 상세히 설명한다. 이 기구는, 전술한 액체 공급 장치 (49) 와 토출 노즐 (50) 과 흡인 노즐 (51) 과 액체 회수 장치 (52) 로 구성된다.
도 9(a) 는, 액체 공급 장치 (49) 의 구성을 나타내는 도면이다. 액체 공급 장치 (49) 는, 토출 노즐 (50) 에 접속된 배관 (131) 과, 배관 (131) 의 도중에 배치된 2 위 전환식의 전자밸브 (132) 와, 새로운 청정한 액체 (103A) 를 수용하는 액체탱크 (133) 와, 가압펌프 (134∼137) 로 구성된다. 가압펌프 (134∼137) 는, 실린더 (134) 와 피스톤 (135) 과 이송나사 (136) 와 모터 (137) 로 구성된다.
피스톤 (135) 은, 모터 (137) 의 동력을 직선운동으로 변환하는 이송나사 (136) 에 결합되고, 임의의 속도로 왕복이동가능하다. 피스톤 (135) 의 이동속도는 모터 (137) 의 회전속도에 따라서 조정가능하다. 피스톤 (135) 의 이동방향은 모터 (137) 의 회전방향에 대응한다.
실린더 (134) 는, 전자밸브 (132) 의 제 1 경로를 통하여 액체탱크 (133) 에 접속되고, 제 2 경로를 통하여 토출 노즐 (50) 에 접속된다. 단, 전자밸브 (132) 에 있어서 2 개의 경로가 동시에 개방되는 일은 없고, 항상 어느 일방만이 개방되어, 접속상태로 설정된다. 전자밸브 (132) 는, 제 1 경로에 있어서, 실린더 (134) 와 액체탱크 (133) 사이의 경로를 접속/차단한다. 또한, 전자밸브 (132) 는, 제 2 경로에 있어서, 실린더 (134) 와 토출 노즐 (50) 사이의 경로를 접속/차단한다.
전자밸브 (132) 에 있어서 제 1 경로가 개방되고, 실린더 (134) 와 액체탱크 (133) 가 실제로 접속된 상태로 피스톤 (135) 을 도면 중 오른쪽방향으로 이동시킴으로써, 액체탱크 (133) 내부의 액체 (103A) 를 실린더 (134) 의 내부에 도입할 수 있다 (액체 (103B)).
전자밸브 (132) 에 있어서 제 2 경로가 개방되고, 실린더 (134) 와 토출 노즐 (50) 이 실제로 접속된 상태로 피스톤 (135) 을 도면 중 왼쪽방향으로 이동시킴으로써, 실린더 (134) 내부의 액체 (103B) 를 토출 노즐 (50) 에 송출할 수 있다. 송출된 액체 (103B) 는, 토출 노즐 (50) 의 선단에서 토출되어, 대물 렌즈 (48) 의 선단과 기판 (11) 사이에 도달한다 (액체 (40)). 즉, 액체 공급 장치 (49) 에 의해 토출 노즐 (50) 을 통하여 액체 (40) 의 공급이 이루어진다. 액체 (40) 의 공급은, 액침 관찰전에 도시를 생략한 제어부가 자동적으로 실시한다.
실린더 (134) 로부터 토출 노즐 (50) 로 송출되는 액체 (103B) 의 양 (즉 액체 (40) 의 공급량 (V)) 은, 실린더 (134) 의 단면적 (S) 과 피스톤 (135) 의 이동량 (X) 의 곱과 같고 (V= SㆍX), 피스톤 (135) 의 이동량 (X) 에 따라 임의로 조정할 수 있다. 또한, 액체 (40) 의 공급속도는, 피스톤 (135) 의 이동속도에 따라서 임의로 조정할 수 있다. 피스톤 (135) 의 이동속도는, 액체 (120) 가 토출 노즐 (50) 의 선단으로부터 비산하지 않도록 느리게 설정하는 것이 바람직하다.
그리고, 액체 (40) 의 공급량 (V) 을 적절하게 할 수 있으면, 액체 (40) 는, 대물 렌즈 (48) 의 선단과 기판 (11) 사이에서 표면 장력에 의해 「액적」을 형성한다. 즉, 주위로 흘러 나가거나, 반대로 기포를 제거할 수 없거나 하는 일은 없다. 액체 (40) 가 주위로 흘러 나가는 것은, 액체 (40) 의 공급량 (V) 이 지나치게 많아 표면장력의 한계를 초과한 경우이다. 이 경우, 관찰후에 모든 액체 (40) 를 회수하기가 어려워진다. 또한, 기포가 잔류하는 것은, 액체 (40) 의 공급량 (V) 이 지나치게 적은 경우이다. 이 경우, 대물 렌즈 (48) 에 의한 선명한 이미지의 형성이 어려워진다. 액체 (40) 의 적절한 공급량 (V) 이란, 표면장력에 의해 대물 렌즈 (48) 의 선단과 기판 (11) 사이에 「액적」을 형성가능한 양이다.
여기서, 도 10(a) 를 참조하여, 대물 렌즈 (48) 의 선단과 기판 (11) 사이에 공급된 액체 (40) 의 표면 형상에 관해서 설명한다. 액체 (40) 의 표면이란, 대물 렌즈 (48) 의 선단과 기판 (11) 사이의 노출면을 말한다. 액체 (40) 의 공급량 (V) 이 적절한 경우, 액체 (40) 의 표면 형상은 표면장력에 의해 그 면적이 최소인 구형이 되려고 한다. 따라서, 액체 (40) 는, 대물 렌즈 (48) 의 선단으로부터 표면장력에 따라서 약간 밀려 나오게 된다. 도 10(a) 에서는, 대물 렌즈 (48) 의 선단 직경을 "d" 로 나타내고, 액체 (40) 의 대물 렌즈 (48) 의 선단에서 밀려 나온 폭을 "A" 로 나타내었다. 도 10(a) 의 액체 (40) 를 상방에서 보면, 도 10(b) 에 나타내는 바와 같다.
이와 같이, 액체 (40) 의 공급량 (V) 이 적절한 경우, 액체 (40) 에 의한 점유공간은, 도 10(a),(b) 에 나타내는 바와 같이 대물 렌즈 (48) 의 선단과 기판 (11) 사이의 기둥형 공간 (2A) 과, 표면장력에 의해 대물 렌즈 (48) 의 선단에서 밀려 나올 수 있는 고리형 공간 (2B) 을 합한 것이 된다. 또한, 그 체적 (V0) 은, 기둥형 공간 (2A) 의 체적 (V1) 과, 고리형 공간 (2B) 의 체적 (V2) 을 사용하여 다음 식 (11) 을 만족한다. 또, 대물 렌즈 (48) 의 선단에서 밀려 나온 폭 (A) 은, 대물 렌즈 (48) 의 작동거리 (δ) 에 의존하여 근사적으로 다음 식 (12) 을 만족하는 것으로 생각된다.
V0= V1＋V2 … (11)
δ/2 ≤A≤2δ … (12)
따라서, 본 실시형태의 현미경 장치 (10) 에서는, 미리 상기 체적 (V0) 을 설계치로서 계산하고, 이 체적 (V0) 에 상당하는 양을 "액체 (40) 의 적절한 공급량 (V)" 으로 한다. 그리고, 적절한 공급량 (V) (= 체적 (V0)) 을 실현하기 위해, 액체 공급 장치 (49) 의 파라미터 (즉 실린더 (134) 의 단면적 (S)) 를 사용하여, 다음 식 (13) 에 의해 피스톤 (135) 의 이동량 (X) 을 계산한다.
X=V0/S … (13)
또, 적절한 공급량 (V) (= 체적 (V0)) 의 계산에는, 대물 렌즈 (48) 의 선단 직경 (d), 대물 렌즈 (48) 의 작동거리 (δ), 대물 렌즈 (48) 의 선단에서 밀려 나온 폭 (A) 이 사용된다. 예를 들어, 대물 렌즈 (48) 의 선단에서 밀려 나온 폭 (A) 이 대물 렌즈 (48) 의 작동거리 (δ) 와 동일할 때, 체적 (V0) 은 다음 근사식 (14) 에 의해 계산할 수 있다. 이것은, 액체 (40) 의 공급량 (V) 으로서 가장 적절한 경우라고 생각된다. 근사식 (14) 에서는 고리형 공간 (2B) 의 단면형상을 "반경 δ의 1/4 원" 으로 가정하였다.
액체 공급 장치 (49) (도 9(a)) 에 있어서, 상기 식 (13) 에 의해 계산한 피스톤 (135) 의 이동량 (X) 을 실현하기 (즉 액체 (40) 의 적절한 공급량 (V) 을 실현하기) 위해서는, 모터 (137) 를 회전시켜 이송나사 (136) 를 이동시켜서 피스톤 (135) 의 이동량 (X) 을 정밀하게 제어하는 것이 바람직하다. 제어방법에는, 모터 (137) 로서 스텝핑모터를 사용하여 개(開)루프제어하는 방법이나, 로터리 인코더 또는 리니어 인코더에 의해 폐(閉)루프제어하는 방법이 있다.
다음으로, 액체 회수 장치 (52) 를 설명한다. 도 9(b) 는 액체 회수 장치 (52) 의 구성을 나타내는 도면이다. 액체 회수 장치 (52) 는, 배관 (141) 을 통하여 흡인 노즐 (51) 에 접속된 폐액 저장 탱크 (142) 와, 배관 (143) 을 통하여 폐액 저장 탱크 (142) 에 접속된 진공펌프 (144) 로 구성된다. 배관 (141, 143) 은 폐액 저장 탱크 (142) 의 상부에 접속되어 있다. 폐액 저장 탱크 (142) 에는 폐액 (104A) 을 배출하기 위한 콕 (145) 이 장착되어 있다. 또, 진공펌프 (144) 대신에 공장내의 진공장치 (도시 생략) 를 배관 (143) 에 접속해도 된다.
액체 회수 장치 (52) 에서는, 진공펌프 (144) 에 의해, 흡인 노즐 (51) 등을 통하여 대물 렌즈 (48) 의 선단과 기판 (11) 사이의 액체 (40) 를 주위의 공기와 함께 흡인한다. 즉, 액체 (40) 를 기판 (11) 으로부터 제거한다. 흡인된 액체 (40) 는, 배관 (141) 을 통하여 폐액 저장 탱크 (142) 로 유도되고, 거기서 공기와 선별되어, 폐액 저장 탱크 (142) 로 낙하한다 (폐액 (104A)). 그리고 공기만이 배관 (143) 을 통하여 진공펌프 (144) 로 유도된다. 이와 같이, 흡인 노즐 (51) 을 통하여 액체 회수 장치 (52) 에 의해 액체 (40) 가 회수된다. 진공펌프 (144) 에는 공기만을 유도하기 때문에, 액체의 유입에 의해 손상되는 일이 없다. 배관 (143) 의 도중에 수분 제거 필터를 형성해도 된다. 액체 (40) 의 회수는, 액침 관찰후에 도시를 생략한 제어부가 자동적으로 실시한다.
진공펌프 (144) 에 의해 인입시의 액체 (40) 의 거동을 도 11(a)∼(c) 에 나타낸다. 끌어 들이기 시작하기 전에는, 도 11(a) 와 같이 (도 10(a) 와 동일), 액체 (40) 의 표면 (노출면) 형상이 구면에 근사하다. 인입을 시작하면 점차 도 11(b) 와 같이 되어, 표면장력에 의해 밀려 나온 부분이 없어진다. 그리고 마지막으로 도 11(c) 와 같이, 대물 렌즈 (48) 의 선단과 기판 (11) 사이의 중심부분이 매우 홀쭉해져 도중에서 끊긴다.
이 때문에, 진공펌프 (144) 에 의한 흡입속도 (진공배기속도) 는, 대물 렌즈 (48) 의 선단과 기판 (11) 의 간격에 기인하는 공기누출량보다도 흡인 노즐 (51) 로부터의 흡입량이 커지는 조건으로 하는 것이 바람직하다. 이것은 베르누이의 정리에서도 명백하다.
또한, 흡입작업의 도중 (도 11(b) 또는 도 11(c) 의 타이밍) 에, Z 스테이지 (14) 를 제어하여 시료대 (12) 를 약간 (<작동거리 (δ) 의 범위내에서) 상승시켜, 도 12(b) 에 나타내는 바와 같이, 기판 (11) 을 대물 렌즈 (48) 에 가깝게 하여 대물 렌즈 (48) 의 선단과 기판 (11) 의 간격 (δ-γ) 을 작게 한다. 이 경우, 기판 (11) 의 상승량 (γ) 에 따라서 간격 (δ-γ) 에 기인하는 공기누출량을 작게 할 수 있어, 기판 (11) 에 잔존한 액체 (40) 를 효과적으로 흡인할 수 있다.
기판 (11) 의 상승량 (γ) (<δ) 은, 대략 이하의 조건식을 만족하도록 미리 설정하면 된다. 좌변 S32A 은, 흡인 노즐 (51) 의 개구의 총면적을 나타낸다. 우변은, 대물 렌즈 (48) 의 선단 (직경 (d) 의 평탄한 부분) 의 원주 길이 (2π(d/2)) 와 상기 간격 (δ-γ) 의 곱, 즉 대물 렌즈 (48) 의 선단과 기판 (11) 에 의해 형성되는 원통공간의 측면적을 나타내고, 근사적으로 공기의 흡입량 (누출량) 에 비례한다.
S32A≥2π(d/2)(δ-γ)
이러한 조건식을 만족하도록 기판 (11) 의 상승량 γ(<δ) 을 설정하여, 액체 (40) 의 흡입작업 도중에, 대물 렌즈 (48) 의 선단과 기판 (11) 의 간격 (δ-γ) 을 작게 하면, 간격 (δ-γ) 에 기인하는 공기누출량이 작아져, 기판 (11) 에 잔존한 액체 (40) 를 효과적으로 흡인할 수 있다. 또, 상기 조건식을 만족하지 않는 경우에는 흡인 노즐 (51) 에 흘러 들어오는 공기의 비율이 너무 많아 액체 (40) 를 효과적으로 흡인할 수 없다.
액침계의 관찰부 (41∼54, 32∼35) 에 있어서, 개구조리개 (44) 를 통과한 가시광은 시야조리개 (45) 를 통과한 후, 콘덴서렌즈 (46) 를 거쳐 평행광이 되고, 분기프리즘 (47) 에서 반사되어 광축 (10B) 상의 대물 렌즈 (48) 에 유도된다. 광축 (10B) 상의 대물 렌즈 (48) 는 분기프리즘 (47) 으로부터의 가시광을 집광하여 액침상태의 기판 (11) 에 유도한다. 그 결과, 기판 (11) 은 가시광에 의해 조명된다. 또, 개구조리개 (44) 는 대물 렌즈 (48) 의 출사동공과 공액이고, 기판 (11) 을 조명하는 빛의 입사각도범위를 규정한다. 시야조리개 (45) 는 기판 (11) 의 조명범위를 규정한다.
상기 조명에 의해 기판 (11) 으로부터 발생된 관찰광 (예를 들어 반사광) 은 다시 대물 렌즈 (48) 에 유도되고, 이것을 통해 평행광이 되어 분기프리즘 (47) 을 투과한다. 분기프리즘 (47) 의 후단에는 초점검출부 (55; 후술함) 가 형성된다. 초점검출부 (55) 는 광축 (10B) 상의 대물 렌즈 (48) 에 대한 기판 (11) 의 초점맞춤 상태 (디포커스량) 를 검출하기 위한 기구이다.
또한, 초점검출부 (55) 의 후단에 있어서, 관찰부 (41∼54, 32∼35) 에는 반사미러 (53) 와, 결상광학계 (54) 와, 도 2 에 나타내는 배치상태의 광로 전환 미러 (32) 와, 분기프리즘 (33) 과, 촬상소자 (34) 와, 접안렌즈 (35) 가 형성된다. 기판 (11) 으로부터의 관찰광 중, 분기프리즘 (47) 과 초점검출부 (55) 의 분기프리즘 (55A) 을 투과한 빛은 이들 광학소자 (53, 54, 32, 33) 를 통해 집광된다. 그 결과, 촬상소자 (34) 의 촬이지미면과 접안렌즈 (35) 의 시야위치 (35A) 각각에는 기판 (11) 의 확대 이미지가 형성된다.
상기한 바와 같이 구성된 액침계의 관찰부 (41∼54, 32∼35) 에서는 가시광 (예를 들어 파장 550nm) 을 사용하여 광축 (10B) 상에 위치결정된 기판 (11) 의 관찰점을 고분해능 (예를 들어 2 점 분해능 268nm) 으로 관찰할 수 있다. 액침계의 관찰부 (41∼54, 32∼35) 를 사용함으로써, 건조계의 관찰부 (21∼35) 보다 높은 분해능에서의 관찰이 가능해진다.
초점검출부 (36,55) 를 설명한다. 초점검출부 (36) 는 건조계의 관찰부 (21∼35) 에 의한 기판 (11) 의 관찰시에, 광축 (10A) 상의 대물 렌즈 (28) 에 대한 기판 (11) 의 초점맞춤 상태 (디포커스량) 를 검출하는 기구이다. 또한, 초점검출부 (55) 는 액침계의 관찰부 (41∼54, 32∼35) 에 의한 기판 (11) 의 관찰시에, 광축 (10B) 상의 대물 렌즈 (48) 에 대한 기판 (11) 의 초점맞춤 상태 (디포커스량) 를 검출하는 기구이다. 현미경 장치 (10) 의 제어부 (도시하지 않음) 는 초점검출부 (36) 또는 초점검출부 (55) 에 의한 검출결과에 따라서, Z 스테이지 (14) 를 제어하여 기판 (11) 의 초점맞춤 상태를 자동조정한다 (AF 제어).
도 3 에 나타내는 바와 같이, 초점검출부 (36) 에서는 광원 (61) 으로부터의 빛을 슬릿 (62) 에 조사하고 렌즈 (63) 로 대략 평행한 빛으로 하여 차광판 (64) 에 입사시킨다. 차광판 (64) 은 슬릿 (62) 을 통과한 빛 중, 반을 차광한다. 차광판 (64) 을 통과한 빛은 분기프리즘 (65, 36A) 에서 반사되고, 분기프리즘 (27) 을 투과하여 대물 렌즈 (28) 에 유도된다. 그 결과, 기판 (11) 에 슬릿 이미지가 투영된다. 기판 (11) 에서 반사된 빛 (AF 검출광) 은 다시, 대물 렌즈 (28) 에서 집광되어, 분기프리즘 (27, 36A, 65) 을 투과하여 결상렌즈 (66) 에 의해 집광된다. 그 결과, 1 차원 촬상소자 (67) 에 슬릿 이미지가 형성된다. 신호처리부 (68) 는 1 차원 촬상소자 (67) 에 있어서의 슬릿 이미지의 중심위치를 검출하고, 그 위치로부터 기판 (11) 의 디포커스량을 구한다.
초점검출부 (55) 는 기본적인 구성이 상기 초점검출부 (36) 와 같고, 도 3 의 광학소자 (61∼67) 와 신호처리부 (68) 와 도 1 의 분기프리즘 (55A) 로 구성된다. 액침계의 경우, 초점검출부 (55) 에 의한 검출결과 (디포커스량) 를 보정하고, 액침매질 (액체 40) 의 굴절률로 나눈 양에 기초하여 Z 스테이지 (14) 의 제어가 실행된다.
다음에, 제 1 실시형태의 현미경 장치 (10) 에 있어서의 기판 (11) 의 관찰동작을 설명한다. 기판 (11) 의 관찰동작은 도시하지 않은 제어부에 의한 자동제어이고, 도 4 에 나타내는 플로우차트의 순서에 따라서 행해진다.
우선 (S1), 관찰대상인 기판 (11) 을 스테이지 (12∼14) 에 반송하여 기판 (11) 상의 회로패턴의 방위를 조정한 후, 시료대 (12) 위에 고정시킨다. 다음에 (S2), 건조계의 관찰부 (21∼35) 의 리볼버 (29) 를 필요에 따라 회전시켜, 대물 렌즈 (28) 를 저배율상태로 설정한다. 다음에 (S3), XY 스테이지 (13) 를 제어하여, 기판 (11) 의 미리 정한 관찰점을, 건조계의 관찰부 (21∼35) 의 시야 내에 위치결정한다. 이 때, 건조계의 관찰부 (21∼35) 의 시야 중심에 관찰점이 위치하도록, XY 스테이지 (13) 의 제어가 실행된다.
다음에 (S4), AF 제어를 개시하고, 초점검출부 (36) 와 Z 스테이지 (14) 를 제어하여 기판 (11) 의 초점맞춤 상태를 자동조정한다. 이 상태에서 (S5), 건조계의 관찰부 (21∼35) 에 의한 기판 (11) 의 관찰 (요컨대 저분해능에서의 관찰) 을 개시시킨다. 관찰자는 촬상소자 (34) 에 접속된 모니터나 접안렌즈 (35) 를 통해 기판 (11) 의 관찰점을 관찰한다. 그 동안, 제어부는 관찰자로부터의 지시대기상태가 되어, 단계 S6 에 있어서의「충분한 관찰 배율로 기판 (11) 을 관찰할 수 있는지의 여부」의 판정결과에 따라 다음 처리로 진행한다.
관찰자로부터의 지시에 따라서「충분한 관찰 배율이 아니었다」라고 판정한 경우 (S6 이 No), 제어부는 다음 단계 S7 에서 AF 제어를 정지시키고, 다시 다음 단계 S8 에서「현재보다 고배율의 대물 렌즈 (28) 가 있는지의 여부」를 판정한다. 그리고 고배율의 대물 렌즈 (28) 가 있는 경우에는 (S8 이 Yes), 리볼버 (29) 를 회전시켜 고배율 관찰상태로 전환하여 상기 단계 S3 의 처리로 되돌아간다. 요컨대, XY 스테이지 (13) 를 제어하여 건조계의 관찰부 (21∼35) 의 시야 중심으로 관찰점을 이동시킨다.
이렇게 하여, 단계 S3∼S8 의 처리를 반복함으로써, 비교적 저배율에서 관찰을 시작하여 서서히 관찰 배율을 높이고, 기판 (11) 상의 관찰점의 관찰목표 (주목 장소) 를 고배율 관찰시의 시야 중심에 몰아넣을 수 있다. 그리고, 건조계의 관찰부 (21∼35) 의 최고배율로 관찰한 후, 단계 S6 의 판정결과가 No 인 경우이면서 (요컨대 충분한 관찰 배율이 아닌), 단계 S8 의 판정결과도 No 인 경우 (요컨대 현재보다 고배율의 대물 렌즈 (28) 가 없는 경우) 에는「건조계의 관찰부 (21∼35) 에 의해 관찰한 후, 액침계의 관찰부 (41∼54, 32∼35) 에 의해 관찰한다」라고 판정한 것으로 되어, 다음 단계 S9 이후의 처리로 진행한다.
그리고 제어부는 우선 (S9), XY 스테이지 (13) 를 제어하여 기판 (11) 을 수평이동시키고, 기판 (11) 상의 관찰점을 액침계의 관찰부 (41∼54, 32∼35) 의 시야 내에 위치결정한다. 이 때, 수평이동량을 광축 (10A, 10B) 의 거리와 일치시킴으로써, 예를 들어 기판 (11) 상의 광축 (10A) 과 교차하고 있는 관찰점을 광축 (10B) 상 (요컨대 액침계의 관찰부 (41∼54, 32∼35) 의 시야 중심) 에 위치결정할 수 있다. 또한, 광로 전환 미러 (32) 의 배치상태를 도 2 와 같이 전기적으로 전환한다.
다음에 (S10), 액체 공급 장치 (49) 와 토출 노즐 (50) 을 제어하여, 대물 렌즈 (48) 의 선단과 기판 (11) 사이에 전술한 바와 같이 소정량의 액체 (40) 를 공급한다. 다음에 (S11), AF 제어를 개시하여 초점검출부 (55) 와 Z 스테이지 (14) 를 제어하고, 기판 (11) 의 초점맞춤 상태를 자동조정한다. 이 상태에서 (S12), 액침계의 관찰부 (41∼54, 32∼35) 에 의한 기판 (11) 의 관찰 (요컨대 고분해능에서의 관찰) 을 개시시킨다. 관찰자는 촬상소자 (34) 에 접속된 모니터나 접안렌즈 (35) 통해 기판 (11) 의 관찰점을 관찰한다.
그리고 관찰자로부터「액침 관찰 종료」지시를 수취하면, 제어부는 다음 단계 S13 에서 AF 제어를 정지시킨다. 다음에 (S14), 전술한 바와 같이, 흡인 노즐 (51) 과 액체 회수 장치 (52) 와 Z 스테이지 (14) 를 제어하여 대물 렌즈 (48) 의 선단과 기판 (11) 사이로부터 액체 (40) 를 회수한다. 요컨대, 기판 (11) 에「액적」이 남지 않도록 한다.
다음에 (S15),「기판 (11) 상에 다음 관찰점이 있는지의 여부」를 판정하여 있는 경우 (S15 가 Yes) 에는 상기 단계 S2 의 처리로 되돌아간다. 요컨대, 다른 관찰점에 관한 건조계에서의 저분해능 관찰이 개시된다. 광로 전환 미러 (32) 의 배치상태는 도 1 과 같이 전환된다. 한편, 다음 관찰점이 없는 경우 (S15 가 No) 에는 단계 S16 으로 진행하여 기판 (11) 을 스테이지 (12∼14) 로부터 회수하고, 기판 (11) 의 관찰동작을 종료한다.
또, 상기 단계 S6 에서 관찰자로부터의 지시에 따라서「충분한 관찰 배율이었다」라고 판정한 경우 (S6 이 Yes), 제어부는 다음 단계 S17 에서 AF 제어를 정지시키고, 단계 S15 의 처리로 진행한다. 이 경우, 그 관찰점에 관해서는 액침계의 관찰부 (41∼54, 32∼35) 에 의한 관찰이 실행되지 않는다.
상기한 바와 같이, 제 1 실시형태의 현미경 장치 (10) 에서는 기판 (11) 상의 미리 정한 관찰점마다, 건조계의 관찰부 (21∼35) 에 의해 관찰 (저분해능) 한 후에, 필요에 따라 액침계의 관찰부 (41∼54, 32∼35) 에 의해 관찰 (고분해능) 하기 때문에, 기판 (11) 의 효율적인 관찰이 가능해진다.
또한, 액침계의 관찰부 (41∼54, 32∼35) 를 형성한 것에 의해, 가시광 (예를 들어 파장 550nm) 으로도 고분해능의 관찰이 가능해지기 때문에, 저렴하게 구성할 수도 있다. 상기 제 1 실시형태의 현미경 장치 (10) 에서는 가시광만으로 고분해능과 저분해능의 관찰을 효율적으로 실행할 수 있다.
또한, 제 1 실시형태의 현미경 장치 (10) 에서는 액침계의 관찰부 (41∼54, 32∼35) 에 의한 관찰시, 액체 (40) 의 공급과 회수를 자동제어로 실행하기 때문에, 작업자에 대한 부담이 거의 없고, 고스루풋으로 기판 (11) 을 관찰할 수 있다.
(제 2 실시형태)
제 2 실시형태의 현미경 장치 (70) 는 도 5 에 나타내는 바와 같이, 도 1 의 현미경 장치 (10) 의 반사미러 (30, 53) 와 광로 전환 미러 (32) 를 생략하고, 결상광학계 (54) 의 후단에 촬상소자 (72) 를 형성하여 광학소자 (41∼47, 54, 72) 를 질소 충전실 (71) 속에 배치한 것이고, 그 밖의 구성이 도 1 과 같다. 도 5 에서는 도시생략하였지만, 현미경 장치 (70) 에도 도 1 과 동일한 초점검출부 (36, 55) 가 형성되고, 일방의 초점검출부 (55) 는 질소 충전실 (71) 속에 배치된다.
현미경 장치 (70) 에서도, 기판 (11) 을 관찰할 때에, 저분해능에서의 관찰과 고분해능에서의 관찰을 필요에 따라 전환할 수 있도록 되어 있다. 저분해능에서 관찰하는 것은 가시광 (예를 들어 파장 550nm) 을 사용한 건조계의 관찰부 (21∼29, 31, 33∼35) 이다. 고분해능에서 관찰하는 것은 자외광 (파장 400nm 이하, 예를 들어 248nm) 을 사용한 액침계의 관찰부 (41∼52, 54, 72) 이다.
여기서, 액침계의 관찰부 (41∼52, 54, 72) 의 대물 렌즈 (48) 와 기판 (11) 사이를 물로 채우는 경우, 결상에 관여하는 빛의 파장 (λ) 이 248nm (자외광) 이면, 그 굴절률 (n) 은 "1.4" 정도가 된다. 따라서, 대물 렌즈 (48) 의 개구수 (N.A.) 가 1.25 정도인 경우, 2 점 분해능은 121nm 가 된다. 요컨대, 액침계의 관찰부 (41∼52, 54, 72) 에 자외광을 사용함으로써, 매우 높은 분해능을 얻을 수 있다.
덧붙여서 말하면, 건조계의 경우 (개구수 0.9), 파장 248nm 에서의 2 점 분해능은 168nm 이고, 파장 193nm 에서 2 점 분해능은 131nm 이다. 따라서, 제 2 실시형태와 같이 액침계에서 자외광 (파장 248nm) 을 사용함으로써, 상기「131nm」보다 높은 분해능이 얻어지는 것을 알 수 있다.
또한, 제 2 실시형태의 현미경 장치 (70) 에서는 액침계의 관찰부 (41∼52, 54, 72) 중, 광학소자 (41∼47, 54, 72) 를 질소 충전실 (71) 속에 배치하고, 자외광이 통과하는 경로를 불활성가스의 질소로 충전하기 때문에, 광원 (41) 으로서 파장 250nm 이하의 심자외광원을 사용한 경우라도, 오존 등의 유해물질이 발생하는 경우는 없다. 또한, 예를 들어 공기 중에서 파장 200nm 이하의 심(深)자외역의 빛을 조사하면 공기 중에 포함되는 여러가지 기체분자가 광화학반응에 의해 활성화되어 광학계의 표면에 대미지를 주지만, 액침계의 광학소자를 불활성가스로 충전하면 이 대미지도 경감할 수 있다. 또, 대물 렌즈 (48) 와 기판 (11) 사이의 광로는 질소 충전실 (71) 밖에 위치하지만, 액체 (40) 가 공급된 후에 자외광에 의해 관찰하기 때문에, 그 자외광이 주위의 공기 (산소) 와 광화학반응을 일으키는 경우는 없다. 따라서, 액침계에서 자외광을 사용하는 경우에는 건조계에서 자외광을 사용하는 경우와 비교하여, 질소 충전실 (71) 의 체적을 작게 할 수 있다는 이점도 있다.
또, 제 2 실시형태에서는 액침계의 관찰부 (41∼52, 54, 72) 만을 질소충전하여 건조계의 관찰부 (21∼29, 31, 33∼35) 는 공기 상태이다. 건조계를 질소충전하지 않기 때문에, 통상의 광학현미경에서 사용되고 있는 리볼버 (29) 를 이용할 수 있다.
또한, 자외광을 사용하는 경우에는 렌즈의 접합면에서 접합재가 자외광에 의해 열화되기 때문에, 대물 렌즈 (48) 에서는 접합을 하지 않고 (요컨대 모든 렌즈성분을 단일 렌즈에 의해 구성하여), 소정의 파장범위에서 색을 지운 대물 렌즈를 사용하는 것이 바람직하다.
다음에, 중심파장 248nm 에서 ±3nm 의 범위에서 색을 지운 N.A. = 1.25 의 수침 무한원계의 대물 렌즈 (48A) 의 일례를 나타낸다. 표 2 는 대물 렌즈 (48A) 의 렌즈 데이터이다. 도 6 은 대물 렌즈 (48A) 의 단면도이다. 대물 렌즈 (48A) 의 초점거리는 약 2mm 이다. 대물 렌즈 (48A) 에서는 초점검출용의 770nm 의 빛을 통과시키기 위해서, 파장 770nm 의 빛의 구면수차를 억제하고 있다. 단, 초점검출 광학계와 관찰계는 분기하는 구성으로 검출 이미지면을 오프셋하여 설정하고 있으므로, 축상 색수차는 완전히 보정되어 있지 않다. 이 광학계의 수차의 개략을 도 7, 도 8 에 나타낸다. 또 렌즈 데이터 (표 2) 에서 공기라고 기재되어 있는 부분은 질소이어도 된다.
또한, 제 2 실시형태에서는 가시광/건조계용 촬상소자 (34) 와, 자외광/액침계용 촬상소자 (72) 가 다른 구성으로 되어 있다. 이것은 가시광용과 자외광용에서 촬상소자의 감도가 다르기 때문이다. 가시광용으로는 컬러 CCD 등의 색정보를 도입 가능한 것을 사용하고, 자외광용으로는 자외광에 감도를 갖는 모노크롬 CCD 를 사용하는 것이 바람직하다. 2 개의 촬상소자 (34, 72) 를 공통의 모니터에 접속해도 되고, 별도의 모니터에 접속해도 된다. 공통의 모니터인 경우에는 기판 (11) 의 관찰시에 건조계와 액침계를 전환할 때, 모니터에 대한 화상입력을 전기적인 스위칭에 의해 전환하여 어느 한쪽의 화상을 표시하면 된다.
관찰할 수 있는 시야는 촬상소자의 화면 사이즈와 광학계의 관찰 배율로 결정되지만, CCD 등의 촬상소자를 사용하는 경우에는 화면 사이즈가 촬상소자에 따라 달라지기 때문에, 실시야는 광학계의 배율만으로 일률적으로 결정될 수 없다. 가시광용 CCD 는 여러 가지 종류의 것이 만들어지고 있지만, 현미경용도로는 2/3 인치 (유효 화면범위 8.8mm ×6.6mm) 의 것이 사용하기 쉽다 (표 3 참조). 자외용으로는 종류가 적고, 8mm?의 유효 화면범위를 갖는 것이 있다. 또한, 광학계의 배율에 관해서도 결상광학계의 초점거리를 가시광용의 것으로 바꿔 배치할 수도 있다. 초점심도 (D) 도 촬상소자로 촬상하는 경우에는 인간의 눈의 조정기능이 작용하지 않기 때문에, 광원파장 (λ) 과 대물 렌즈의 개구수 (N.A.) 와 피검물체면 주위의 굴절률 n 로, 다음 식 (1) 에 의해 표시된다.
D = (nλ) / (2N.A.2) ···(1)
파장 배율 개구수 광학분해능 CCD 사이즈 실시야 초점심도
550nm Dry 100× 0.90 372nm 8.8mm×6.6mm 88㎛×66㎛ 0.34㎛
193nm Dry 200× 0.90 131nm 8mm□ 40㎛□ 0.12㎛
248nm Water 200× 1.25 121nm 8mm□ 40㎛□ 0.11㎛
제 2 실시형태의 현미경 장치 (70) 에서는 예를 들어 상기와 동일한 관찰순서 (도 4) 에 의해, 기판 (11) 의 관찰동작이 행해진다. 이 때문에, 기판 (11) 상의 미리 정한 관찰점마다, 건조계의 관찰부 (21∼29, 31, 33∼35) 에 의해 관찰 (저분해능) 한 후에, 필요에 따라 액침계의 관찰부 (41∼52, 54, 72) 에 의해 관찰 (고분해능) 하기 때문에, 기판 (11) 의 효율적인 관찰이 가능해진다.
또한, 액침계의 관찰부 (41∼52, 54, 72) 를 형성한 것에 의해, 가시광 (예를 들어 파장 550nm) 으로도 고분해능의 관찰이 가능해지기 때문에, 저렴하게 구성할 수 있다. 더불어, 제 2 실시형태에서는 액침계의 광학소자 (41∼47, 54, 72) 를 질소 충전실 (71) 속에 배치하였기 때문에, 자외광 (파장 400nm 이하, 예를 들어 248nm) 을 사용할 수 있고, 자외광/건조계의 종래 구성보다 높은 분해능에서의 관찰이 가능해진다.
또한, 제 2 실시형태의 현미경 장치 (70) 에서도, 액침계의 관찰부 (41∼52, 54, 72) 에 의한 관찰시, 액체 (40) 의 공급과 회수를 자동제어로 실시하기 때문에, 작업자에 대한 부담이 거의 없고, 고스루풋으로 기판 (11) 을 관찰할 수 있다.
(변형예)
또한 상기 실시형태에서는 도 4 에 나타내는 플로차트의 수순에 따라 기판 (11) 을 관찰하였으나, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 예컨대 도 4 의 스텝 S8 의 판정결과가 No 인 경우 (즉 현재보다 고배율의 대물 렌즈 (28) 가 없는 경우) 에, 그 관찰점의 위치정보 (예컨대 관찰점을 건조계의 시야 중심에 위치를 결정했을 때의 XY 스테이지 (13) 의 위치) 를 제어부의 메모리에 기억시키고, 동일한 처리를 기판 (11) 상의 모든 관찰점에 대해 순서대로 행하여, 건조계에서의 관찰 후, 제어부의 메모리에 기억된 위치정보에 근거하여 XY 스테이지 (13) 를 제어하고, 액침계에서 관찰할 수도 있다. 이 수순에 의하면, 관찰점마다 건조계와 액침계를 전환하는 시간을 생략할 수 있어, 전체 처리시간을 단축할 수 있다.
또, 이 수순을 채용하는 경우, 액체 (40) 를 공급/회수하는 수순을 다음과 같이 변경할 수도 있다. 즉, 액침계에서의 관찰 중, 다음 관찰점까지의 거리가 가까운 경우에는, 현재의 관찰점에 공급되고 있는 액체 (40) 를 회수하지 않고, XY 스테이지 (13 ; 즉 기판 (11)) 를 이동시켜도 된다. 기판 (11) 의 표면이 어느 정도의 소수성을 갖고, 대물 렌즈 (48) 의 선단이 어느 정도의 친수성을 갖는 경우에는, 액체 (40) 가 액적 (수적) 으로 되어, 대물 렌즈 (48) 측에 계속 부착하려고 한다. 이 때문에, XY 스테이지 (13 ; 즉 기판 (11)) 를 이동시켜도, 액체 (40) 를 대물 렌즈 (48) 의 선단에 부착시켜 둘 수 있고, 다음 관찰점에 도착했을 때에 동일한 액체 (40) 를 이용하여 관찰할 수 있다. 액체 (40) 를 회수할 것인지에 대한 여부의 판단은, 제어부의 메모리 내의 위치정보에 근거하여, 다음 관찰점까지의 이동거리를 계산하여, 이것을 미리 정한 거리와 비교함으로써 실행하면 된다. 비교 결과, 미리 정한 거리 이내이면 액체 (40) 를 회수하지 않고 다음 관찰점까지 이동시키게 된다.
또한, 상기 실시형태에서는, 액체 (40) 로 예컨대 순수를 사용하였으나 (수침계), 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 그 외에, 순수보다도 굴절률이 높은 오일 (예컨대 액침 오일이나 규소 오일 등) 을 액체 (40) 로 사용할 수도 있다 (유침계). 이 경우, 액체 (40) 를 대물 렌즈 (48) 의 선단에 부착시키면서 XY 스테이지 (13 ; 즉 기판 (11)) 를 이동시키기 위해서는, 기판 (11) 의 표면이 어느 정도의 친수성을 갖고, 대물 렌즈 (48) 의 선단이 어느 정도의 소수성을 갖는 것이 바람직하다.
또, 액체 (40) 로 순수보다도 표면장력이 작은 액체 (예컨대 계면활성제를 첨가한 물, 알코올류 등의 유기용매, 및 유기용매와 순수의 혼합물) 를 사용할 수도 있다. 이 경우에는, 기판 (11) 의 회로패턴이 미세한 경우에도, 액체 (40) 를 회로패턴의 오목부에 확실하게 침투시킬 수 있어 양호하게 관찰할 수 있다. 또, 특히 관찰하는 패턴이 레지스트 패턴인 경우, 액체 (40) 의 흡인시에 이 액체의 표면장력에 의해 레지스트 패턴이 파괴되는 것을 방지할 수 있으므로, 100㎚ 이하의 미세 패턴을 관찰할 때에 비파괴에 의한 검사가 가능해진다.
또한, 상기 실시형태에서는, 액침계에서의 관찰 후, 기판 (11) 으로부터 액체 (40) 를 제거하기 위해, 흡인 노즐 (51) 과 액체 회수 장치 (52) 를 사용하여 액체 (40) 를 회수하였으나, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 어떠한 건조수단 (예컨대 감압건조 등) 을 사용하여 액체 (40) 를 제거할 수도 있다. 또, 검사한 기판을 파기하지 않고 다음 라인에 넣기 (완전한 비파괴검사를 행하기) 위해서는, 액체 (40) 의 제거수단으로서 초임계 건조장치를 현미경 장치에 병설하거나 또는 현미경 장치에 일체화하는 것이 바람직하다. 이 경우에는 물론 대물 렌즈에 액체 제거 노즐을 설치하지 않아도 되고, 모든 관찰이 종료된 후, 기판을 초임계 건조장치에 반송하여 액체를 제거한다.
또, 상기 실시형태에서는, 고정된 분기 프리즘 (33) 에 의해 촬상소자 (34) 와 접안렌즈 (35) 의 쌍방에 결상광을 할당하였으나, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 분기 프리즘 (33) 의 위치에 가동 분기 프리즘이나 반사 미러를 넣고 빼도록 해도 된다. 이 경우, 촬상소자 (34) 와 접안렌즈 (35) 의 어느 일방에 결상광을 유도할 수 있어 광량을 확보할 수 있다.
또한, 초점검출부 (36, 55) 로서 화상 콘트라스트 방식을 사용할 수도 있다. 이 경우에는 화상 콘트라스트가 최대가 되는 Z 위치를 구하기 때문에, 액침계에서도 Z 스테이지 (14) 의 이동량을 보정할 필요가 없어진다.
또한 상기 실시형태에서는 액체 (40) 의 가장 적절한 공급량 (V) 으로서 근사식 (14) 에 의해 체적 (V0) 을 계산하였으나, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 예컨대 액체 (40) 의 표면 (노출면) 형상이 도 13 과 같이 되도록 상정되는 경우는, 다음의 근사식 (15) 에 의해 체적 (V0) 을 계산하는 것이 바람직하다. 이 근사식 (15) 은 고리형 공간 (2B ; 도2(b) 참조) 의 단면형상을 "반경 δ/2 의 반경" 으로 가정하는 것이다.
그리고, 액체 (40) 의 비중이 비교적 작은 경우는, 도 13 의 표면형상이 현실적으로, 근사식 (15) 을 사용하는 것이 바람직하다. 또, 액체 (40) 의 비중이 비교적 큰 경우는, 도 10(a) 의 표면형상이 현실적으로, 근사식 (14) 을 사용하는 것이 바람직하다. 단, 대물 렌즈 (48) 의 작동거리 (δ) 가 미소한 경우 (δ≤0.5㎜ 정도) 에는, 근사식 (14) 과 근사식 (15) 의 어느 것을 사용해도, 계산결과의 체적 (V0) 은 거의 동일하다. 이 때문에 어느 근사식을 사용해도 상관없다.
본 발명의 현미경 장치에 의하면, 기판을 관찰할 때에, 저분해능에서의 관찰과 고분해능에서의 관찰을 필요에 따라 전환할 수 있고, 또한 저가로 고분해능화할 수 잇다.
도 1 은 제 1 실시형태의 현미경 장치 (10) 의 전체 구성을 나타내는 도면.
도 2 는 광로 전환 미러 (32) 의 다른 배치상태를 나타내는 도면.
도 3 은 초점검출부 (36) 의 구성을 나타내는 도면.
도 4 는 현미경 장치 (10) 에 의한 기판 (11) 의 관찰수순을 나타내는 플로차트.
도 5 는 제2 실시형태의 현미경 장치 (70) 의 전체 구성을 나타내는 도면.
도 6 은 수침 무한원계의 대물 렌즈 (48A) 의 일례를 나타내는 단면도.
도 7 은 대물 렌즈 (48A) 의 수차를 나타내는 개략도.
도 8 은 대물 렌즈 (48A) 의 수차를 나타내는 개략도.
도 9 는 액체 공급 장치, 액체 회수 장치의 구성을 나타내는 도면.
도 10 은 액체 (40) 의 형상을 설명하는 측면도, 이지미면도.
도 11 은 액체 (40) 의 회수시의 액체 (40) 의 거동을 나타내는 측면도.
도 12 는 관찰시의 액체 (40) 의 상태를 나타내는 측면도와, 회수시에 Z 스테이지를 상승시킨 경우의 액체 (40) 의 상태를 나타내는 측면도.
도 13 은 액체 (40) 의 형상을 설명하는 측면도.
※ 도면의 주요 부호에 대한 설명
10, 70 : 현미경 장치 11 : 기판
12 : 시료대 13 : XY 스테이지
14 : Z 스테이지 21, 41 : 광원
22, 42 : 콜렉터 렌즈 23, 43 : 파장 선택 필터
24, 44 : 개구 조리개 25, 45 : 시야 조리개
26, 46 : 콘덴서 렌즈 27, 47 : 분기 프리즘
28, 48 : 대물 렌즈 29 : 리볼버
30, 53 : 반사 미러 31, 54 : 결상광학계
32 : 광로 전환 미러 33 : 분기 프리즘
34, 72 : 촬상소자 35 : 접안렌즈
36, 55 : 초점검출부 49 : 액체 공급 장치
50 : 토출 노즐 51 : 흡인 노즐
52 : 액체 회수 장치 71 : 질소 충전실

Claims (20)

  1. 액침계의 대물 렌즈를 통하여, 피검부와 상기 대물 렌즈 사이에 침액을 충전시킨 상태로 상기 피검부의 확대 이미지를 형성하는 현미경 광학계와,
    기판 상의 복수의 피검부 중 제 1 피검부가 상기 현미경 광학계의 시야위치에 있는 상태에서 상기 기판 상의 제 2 피검부가 상기 시야위치에 있는 상태로 이동시키는 이동장치와,
    상기 대물 렌즈와 피검부 사이에 충전하는 침액을 공급하는 침액 공급장치와,
    상기 대물 렌즈와 상기 피검부 사이에 충전된 상기 침액을 제거하는 침액 제거장치와,
    상기 이동장치를 동작시키기 전에 상기 침액 제거장치에 의해 침액을 제거시키는 침액 제거 제어 장치를 구비한 것을 특징으로 하는 현미경 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 이동장치는, 복수의 피검부를 갖는 기판을 미리 정한 영역 내에서 이동 가능하게 지지하는 스테이지와, 상기 기판 상의 상기 복수의 피검부의 위치정보에 기초하여 상기 스테이지를 구동하는 스테이지 제어 장치로 구성되고,
    상기 스테이지 제어 장치는, 상기 침액 제거장치에 의한 상기 침액의 제거 후에 다음 피검부가 상기 대물 렌즈의 시야내에 위치하도록 스테이지를 구동하는 것을 특징으로 하는 현미경 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 침액 공급장치에 의해 공급된 침액이 상기 대물 렌즈 선단과 상기 기판 사이에 충전되고, 또한 상기 침액 제거장치에 의해 상기 침액이 제거되기 전에, 상기 현미경 광학계의 초점맞춤 상태를 조정하는 자동 조정 장치를 더 구비한 것을 특징으로 하는 현미경 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 침액 제거장치는 침액을 흡인하기 위한 흡인 노즐을 가지며, 상기 흡인 노즐의 선단은 상기 대물 렌즈 선단의 근방에 배치된 것을 특징으로 하는 현미경 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 침액 공급장치는 침액을 공급하기 위한 토출 노즐을 가지며, 상기 토출 노즐의 선단은 상기 대물 렌즈 선단의 근방에 배치된 것을 특징으로 하는 현미경 장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 침액 공급장치의 공급노즐의 선단은 상기 기판 근방의 소정위치에 배치되고,
    상기 스테이지 제어 장치는, 먼저 피검부를 상기 침액 공급장치의 공급노즐의 선단 바로 아래로 이동시켜 상기 침액 공급장치의 공급노즐로부터 상기 피검부에 침액을 공급하고, 다음에 상기 침액이 공급된 피검부를 상기 대물 렌즈의 시야내로 이동시켜 상기 현미경 광학계에 의해 상기 피검부의 이미지를 형성하는 것을 특징으로 하는 현미경 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 침액 공급장치에 의해, 적어도 상기 확대 이미지 형성시의 상기 대물 렌즈 선단과 상기 기판 간의 간극을 채우는 양이 공급되는 것을 특징으로 하는 현미경 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    건조계의 대물 렌즈를 통하여 상기 복수의 피검부의 이미지를 형성하는 현미경 광학계와,
    상기 건조계의 대물 렌즈를 통하여 형성된 복수의 피검부의 이미지에 기초하여 상기 복수의 피검부 중 소정 피검부의 위치를 기억하는 기억부를 갖고,
    상기 기억부에서 기억된 위치정보에 기초하여 상기 이동수단을 제어하고 상기 기억부에 기억된 피검부의 위치를 차례로 상기 액침계의 대물 렌즈의 시야내에 위치시키고, 상기 피검부의 위치마다 상기 액침계의 대물 렌즈를 통하여 이미지를 형성하는 제어수단을 구비한 것을 특징으로 하는 현미경 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    건조계의 대물 렌즈를 통하여 상기 기판 상의 상기 복수의 피검부의 이미지를 형성하는 현미경 광학계와,
    상기 이동수단을 제어하여 상기 복수의 피검부를 상기 건조계의 대물 렌즈의 시야내에 차례로 위치결정하고, 상기 건조계의 대물 렌즈를 통하여 이미지를 형성시키는 제 1 제어수단과,
    상기 건조계의 대물 렌즈를 통한 이미지의 형성 후, 상기 액침계의 대물 렌즈를 통해 이미지를 형성할지 하지 않을지를 판정하는 판정수단과,
    상기 판정수단에 의해 판정한 결과, 상기 액침계의 대물 렌즈를 통해 관찰하는 경우에, 상기 이동수단을 제어하여 상기 액침계의 대물 렌즈의 시야내에 상기 피검부를 위치결정하고, 상기 액침계의 대물 렌즈를 통하여 이미지를 형성하는 제 2 제어수단을 구비한 것을 특징으로 하는 현미경 장치.
  10. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    건조계의 대물 렌즈를 통하여 상기 기판 상의 상기 복수의 피검부의 이미지를 형성하는 현미경 광학계와,
    상기 이동수단을 제어하여 상기 복수의 피검부를 상기 건조계의 대물 렌즈의 시야내에 차례로 위치결정하고, 상기 건조계의 대물 렌즈를 통하여 이미지를 형성시키는 제 1 제어수단과,
    상기 건조계의 대물 렌즈를 통한 이미지를 형성한 후, 상기 액침계의 대물 렌즈를 통한 이미지를 형성하는 경우에는, 상기 피검부의 위치정보를 기억하는 기억수단과,
    상기 기억수단에 기억된 상기 위치정보에 기초하여, 상기 이동수단을 제어하여 상기 액침계의 대물 렌즈의 시야내에 상기 피검부를 위치결정하고, 상기 액침계의 대물 렌즈를 통하여 이미지를 형성하는 제 2 제어수단을 구비한 것을 특징으로 하는 현미경 장치.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 침액은 순수인 것을 특징으로 하는 현미경 장치.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액침계의 대물 렌즈는 작동거리가 0.1㎜ 이상 0.5㎜ 이하인 것을 특징으로 하는 현미경 장치.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액침계의 대물 렌즈는 자외광에 의해 상기 기판의 이미지를 형성하는 것을 특징으로 하는 현미경 장치.
  14. 현미경 장치에서 사용하는 액침 대물 렌즈로서,
    상기 액침 대물 렌즈는 모든 렌즈성분이 단일 렌즈에 의해 구성되는 것을 특징으로 하는 액침 대물 렌즈.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 침액 공급장치는, 상기 침액의 공급량을 상기 대물 렌즈의 선단과 상기 피검부 사이의 기둥형 공간의 체적 (V1) 과, 표면장력에 의해 상기 대물 렌즈의 선단에서 밀려나올 수 있는 고리형 공간의 체적 (V2) 을 사용하여, 다음 식 (1) 을 만족하는 체적 (V0) 에 상당하는 양으로 하는 것을 특징으로 하는 현미경 장치.
    V0 = V1 + V2 ㆍㆍㆍ(1)
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 고리형 공간은, 상기 대물 렌즈의 선단에서 밀려나온 폭 (A) 이, 상기 대물 렌즈의 작동거리 (δ) 를 사용하여 다음 식 (2) 를 만족하는
    δ/2 ≤A ≤2δ ㆍㆍㆍ(2)
    것을 특징으로 하는 현미경 장치.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 침액 공급장치를 제어하여 상기 침액의 공급을 개시시킴과 동시에, 상기 침액의 공급량이 상기 체적 (V0) 에 상당하는 양이 된 시점에서 상기 침액의 공급을 정지시키는 침액 공급 제어 장치를 구비한 것을 특징으로 하는 현미경 장치.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 침액이 상기 피검부에 공급된 상태에서, 상기 피검부를 상기 대물 렌즈의 초점면 중 상기 대물 렌즈의 광축 부근에 위치결정하는 위치결정 장치를 갖고,
    상기 침액 제거장치는, 상기 대물 렌즈의 선단 근방에 상기 침액을 흡인하기 위한 흡인부를 갖고, 상기 위치결정 장치에 의해 위치결정된 상태로부터 상기 기판을 상기 대물 렌즈에 근접시켜 상기 피검부로부터 상기 침액을 제거하는 것을 특징으로 하는 현미경 장치.
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 대물 렌즈의 초점면보다도 상기 대물 렌즈에서 떨어진 면에 상기 기판을 위치결정하는 제 1 위치결정 장치와,
    상기 액체가 상기 피검부에 공급된 상태에서, 그 피검부를 상기 대물 렌즈의 초점면 중 상기 대물 렌즈의 광축 부근에 위치결정하는 제 2 위치결정 장치를 갖고,
    상기 침액 공급장치는 상기 기판이 상기 떨어진 면에 위치결정된 상태로 상기 기판의 상기 피검부에 침액을 공급하고,
    상기 침액 제거장치는, 상기 대물 렌즈의 선단 근방에 상기 침액을 흡인하기 위한 흡인부를 갖고, 상기 제 2 위치결정 장치에 의해 위치결정된 상태로부터 상기 기판을 상기 대물 렌즈에 근접시켜 상기 피검부로부터 상기 침액을 제거하는 것을 특징으로 하는 현미경 장치.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 침액 공급장치는, 상기 떨어진 면 중 상기 광축 부근을 타겟으로 하여 상기 액체를 공급하고,
    상기 제 1 위치결정 장치는, 상기 기판의 상기 피검부를 상기 떨어진 면 중 상기 광축 부근에 위치결정하는 것을 특징으로 하는 현미경 장치.
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