(57)【要約】【課題】光学系で得られる像を、共焦点像と透過像とに迅速に切り換え可能な光学装置を提供する。【解決手段】照明光を出射する照明光源２１と、照明光を被検物に照射し被検物からの反射光により像を得る光学系３と、光学系の光路に設けられ光軸と直交する面内で回転されるディスク４０と、切換制御装置５０を備えて光学装置１を構成する。ディスク４０には、照明光を共焦点ピンホールを介して透過させるピンホール領域と、照明光をそのまま透過させる透過領域とが角度方向に分割して形成されており、切換制御装置５０が反射光を透過領域を透過させて透過像を得る透過モードと、ピンホール領域に形成された共焦点ピンホールを介して共焦点像を得る共焦点モードとに切り換えるように構成される。【選択図】図１
2008046362.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
照明光を出射する照明光源と、
前記照明光を被検物に照射し前記被検物からの反射光により像を得る光学系と、
前記光学系の光路に設けられ光軸と直交する面内で回転されるディスクとを備え、
前記ディスクは、前記照明光を共焦点用微小開口を介して透過させる微小開口領域と前記照明光を均一に透過させる透過領域とが角度方向に分割して形成されており、
前記反射光を前記透過領域を透過させて明視野像を得る透過モードと、前記反射光を前記微小開口領域に形成された前記共焦点用微小開口を介して透過させて共焦点像を得る共焦点モードとに切り換える切換制御装置を備えたことを特徴とする光学装置。
【請求項２】
前記切換制御装置は、前記ディスクに照射される前記照明光の照射タイミングを制御するように構成されることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
【請求項３】
前記照明光源は固体発光素子であり、前記切換制御装置は、前記発光ダイオードの発光タイミングを制御するように構成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学系で得られる像を、共焦点用微小開口を介した共焦点像と共焦点用微小開口を介さない明視野像とに切り換えて観測する光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
上記のように、光学系で得られる像を切り換えて観測する光学装置として、例えば、半導体ウェハ基板や、集積素子（ＩＣ）、液晶表示パネルなどの表面性状を検査する共焦点顕微鏡やエリア高さ測定機などの検査装置がある。これらの検査装置では、共焦点ピンホールを介さない明視野像で被検物の対象部位を探し、共焦点ピンホールを介した共焦点像で精度の高い高さ測定を行うといった、明視野像／共焦点像の観測モードの切り換えを行うのが一般的である。観測モードの切り換えは、共焦点ピンホールが形成されたピンホールディスク（ニッポウディスクとも称される）を光路に挿抜する構成や、光路を切り換えるミラーを挿抜する構成などが実現されている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−３３７９３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ピンホールディスクや光路切り換え用ミラー等の光学部品は、ある程度の慣性を有するため、移動・位置決めに時間がかかり、結果として観測モードの切換時間が長くなるという問題がある。また、これらの方法ではピンホールディスクやミラーを光軸に対して移動させるため再現性や測定精度の面で課題があった。
【０００５】
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、光学系で得られる像を、共焦点像と明視野像とに迅速に切り換え可能な光学装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的達成のため、請求項１に係る発明は、照明光を出射する照明光源と、照明光を被検物に照射し被検物からの反射光により像を得る光学系と、光学系の光路に設けられ光軸と直交する面内で回転されるディスクとを備え、ディスクは、照明光を共焦点用微小開口を介して透過させる微小開口領域と照明光を均一に透過させる透過領域とが角度方向に分割して形成されており、反射光を透過領域を透過させて明視野像を得る透過モードと、反射光を微小開口領域に形成された共焦点用微小開口を介して透過させて共焦点像を得る共焦点モードとに切り換える切換制御装置を備えて光学装置を構成する。
【０００７】
請求項２に係る発明は、請求項１の光学装置において、切換制御装置は、ディスクに照射される照明光の照射タイミングを制御するように構成されることを特徴とする。
【０００８】
請求項３に係る発明は、請求項１の光学装置において、照明光源は発光素子であり、切換制御装置は、発光素子の発光タイミングを制御するように構成されることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、光学系で得られる像を、共焦点像と明視野像とに迅速に切り換え可能な光学装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。本発明を適用した光学装置の一例として、被検物表面の微細形状を観測する検査装置１の概要構成を図１に示しており、まずこの検査装置１の構成について説明する。
【００１１】
検査装置１は、基台となるベース部１１と、このベース部１１に上下方向（Ｚ軸方向）に移動可能に取り付けられた鏡筒部１２と、鏡筒部１２の下側に位置してベース１１に取り付けられテーブルを水平面内で直交二方向（Ｘ軸及びＹ軸方向）に移動可能なステージ１３、及び検査装置１の各部の作動を制御する制御装置５などからなり、ベース部１１と鏡筒部１２との間にはベース部１１に対する鏡筒部１２のＺ軸方向の高さ位置を検出するリニアスケール１５が取り付けられている。ベース部１１には、観測モードを選択するモードセレクタ１６が設けられている。
【００１２】
鏡筒部１２の内部に、照明光を出射する照明光学系２、照明光を被検物８に照射し被検物８からの反射光により被検物８の像を得る共焦点光学系３、共焦点光学系３の光路のひとつの共焦点を含む面に設けられてディスク４０を回転させるディスクユニット４等が設けられている。
【００１３】
照明光学系２は、共焦点光学系３の側方に位置し、第１ハーフミラー２３から側方に延びる光軸上に、コンデンサレンズ２２と照明光源２１を有して構成される。照明光源２１は、例えば白色若しくは単色の発光ダイオード（LED）やレーザダイオード（LD）などのように、比較的高速で照明光のＯＮ／ＯＦＦ制御を行うことができる発光素子が用いられ、後に詳述する切換制御部５０によって発光作動が制御される。
【００１４】
共焦点光学系３は、被検物８から上方に延びる光軸上に並んで、対物レンズ３２、ディスク４０、第１ハーフミラー２３、結像レンズ３３、第２ハーフミラー３４、及び撮像素子３５を有し、第２ハーフミラー３４から側方に延びる光軸上に接眼レンズ３８などから構成される。撮像素子３５は、例えば、ＣＣＤやＣＭＯＳなどの二次元の光電素子を用いることができ、結像レンズ３３の像面に配設される。被検物８はステージ１３に載置され、ステージ１３をＸ−Ｙ方向に移動させることで、観測対象部位が視野内に導入される。照明光源２１から出射された光線はコンデンサレンズ２２及び第１ハーフミラー２３を介してディスク４０上の視野範囲と共役な範囲を照明（ケラー照明）する。
【００１５】
ディスクユニット４は、薄い円盤状のディスク４０と、このディスク４０の中心にモータシャフトが固定されてディスク４０を回転駆動するモータ４５、及びモータシャフトの回転角度位置を検出することでディスク４０の回転角度位置を検出するエンコーダ４６などから構成される。なおフォトインタラプタ等によりディスク４０の回転角度位置を直接検出するように構成しても良い。ディスク４０は、第１ハーフミラー２３で反射された照明光を遮るように、共焦点光学系３の光軸に対して直交して配置される。
【００１６】
ここで、ディスク４０は、基本的には、反射防止処理が施された遮光性のディスク面に、共焦点効果を得る条件に合致した直径の光透過性の共焦点ピンホールが、多数列の螺旋状に並んで形成された、ニッポウディスク（Ｎipknow-Ｄisk）と称されるピンホールディスクと同様の機能を備えた円盤である。但し、このディスク４０は、従来のピンホールディスクのようにディスク面全体に共焦点ピンホールを形成するのではなく、遮光性の薄膜に共焦点ピンホールを形成したピンホール領域と、遮光性の薄膜を形成することなく光をそのまま透過させる透過領域とを、角度方向に分割して形成している。またピンホールは円には限られず、楕円であっても良い。
【００１７】
図２(ａ),(ｂ)は、このディスク４０の構成形態を例示した構成例であり、いずれも、ディスク面に、遮光膜及び多数の共焦点ピンホールが形成されたピンホール領域４２と、遮光膜が無くそのまま光を透過させる透過領域４３とが、角度方向に分割して形成されている。なお、透過領域４３は光を均一に透過させれば良く、透明材料を配置することができる。また透過領域４３に何も部材を配置しない空間としても良い。
【００１８】
このうち、図２(ａ)に示す構成形態のディスク４０(Ａ)は、ピンホール領域４２と透過領域４３との分割を、ディスクの中心から半径方向に延びる直線状に角度分割した構成例である。このような構成によれば角度分割を単純化できる。一方、図２(ｂ)に示す構成形態のディスク４０(Ｂ)は、ピンホール領域４２と透過領域４３との分割を、共焦点ピンホールの形成パターンに合わせて螺旋状に角度分割した構成例である。この構成は、共焦点ピンホールの配列に沿って領域を分割するため、撮像素子３５により撮影された画像データから共焦点画像を生成する際の処理を容易化することができる。なお、いずれの分割形態においても、ディスク４０の回転に伴い、共焦点光学系３の光路上において、ピンホール領域４２と透過領域４３とが分割角度に応じた一定比率で得られ、物理的な意義は等価である。
【００１９】
ディスク４０の上面には、ピンホール領域４２及び透過領域４３を含む全面に反射防止膜が製膜されており、ディスク上面での反射を抑制し、反射光が結像レンズ３３に到達しにくい構成になっている。なお、第１ハーフミラー２３に代えて偏光ビームスプリッタを用いるとともに、ディスク４０と被検物８との間の光路中に１／４λ板を設け、ディスク上面での反射光が偏光ビームスプリッタで反射されるように構成しても良い。
【００２０】
ディスク４０は、モータ４５により回転駆動される。モータ４５の回転速度は、共焦点光学系３の光路上におけるディスク４０の周速度が、接眼レンズ３８を通して観察する人間の瞳の応答よりも十分に早く、撮像素子３５の蓄積時間に対して共焦点ピンホールの視野スキャンムラにならない回転速度に設定される。なお、ディスク４０の近傍には透過領域４３と同形状の開口絞り（不図示）が固定されており、開口絞りはディスクが回転しても不動となっている。
【００２１】
ここで、共焦点光学系３の光路上にピンホール領域４２が位置するときには、照明光源２１からコンデンサレンズ２２及び第１ハーフミラー２３を介してディスク４０に照射された照明光のうち、共焦点ピンホールを通過した光が、対物レンズ３２を介してステージ１３に載置された被検物８に共焦点ピンホールの像として集光照射される。
【００２２】
被検物８に集光照射された共焦点ピンホールの像は、被検物８の表面（以下、「物体面Ｏ」と称する）で反射されて再び対物レンズ３２に入射し、この対物レンズ３２により集光されてディスク４０の下面に被検物８の像をつくる。このとき、物体面Ｏが対物レンズ３２の焦点面の高さ位置にある場合には、反射光がディスク下面に結像して反射光のほぼ全量が共焦点ピンホールを通過するが、物体面Ｏが対物レンズ３２の焦点面の高さ位置にない場合には、反射光がディスク下面に結像せず、ほとんど共焦点ピンホールを通過することができない。
【００２３】
ディスク４０はモータ４５により回転されているため、各共焦点ピンホールを通過した照明光がスポット光として被検物８の表面をスキャンすることになり、被検物８の表面全体について、焦点面と物体面とが一致した部位の反射光のみが共焦点ピンホールを通過して第１ハーフミラーに向かう。こうしてピンホール領域４２の共焦点ピンホールを通過した反射光を、以下では便宜的に「通過光」という。
【００２４】
共焦点ピンホールを通過した通過光は、第１ハーフミラー２３、結像レンズ３３、第２ハーフミラー３４を介して撮像素子３５に到達し、第２ハーフミラー３４から接眼レンズ３８を介して瞳に到達して、それぞれ被検物８の像、すなわち共焦点像が得られる。
【００２５】
一方、透過領域４３が光路上に位置するときには、ディスク４０に照射された照明光が、透過領域４３を透過して対物レンズ３２により集光され、ステージ１３に載置された被検物８に照射される。被検物８で反射された反射光は対物レンズ３２で集光され、ディスク４０の下面に被検物８の像をつくる。このとき、物体面Ｏが対物レンズ３２の焦点面の高さ位置にある場合と、そうでない場合とがあるが、透過領域４３には共焦点ピンホールが形成されていないため、反射光全体が透過領域を透過して第１ハーフミラー２３に向かう。このように透過領域４３を透過した反射光を、上記「通過光」と対比して「透過光」という。
【００２６】
透過領域４３を透過した透過光は、第１ハーフミラー２３、結像レンズ３３、第２ハーフミラー３４を介して撮像素子３５に到達し、第２ハーフミラー３４から接眼レンズ３８を介して瞳に到達して、それぞれ被検物８の像が得られる。このように透過光によって得られる像を、以下便宜的に「明視野像」という。
【００２７】
制御装置５に設けられた切換制御装置５０は、共焦点光学系３において得られる像を、モードセレクタ１６において選択された観測モードに応じて、明視野像を得る透過モード（ＢＦ）と、共焦点像を得る共焦点モード（ＣＦ）とに切り換える制御装置である。
【００２８】
図３は、切換制御装置５０の構成を示すブロック図であり、共焦点光学系３の光路上に位置するディスク４０の領域を判定する領域判定部５２と、照明光学系２の作動を制御する照明制御部５５とから構成される。切換制御装置５０には、エンコーダ４６からディスク４０の回転角度位置の信号が入力されており、領域判定部５２は、入力される回転角度位置信号から、共焦点光学系３の光路上に位置する領域がピンホール領域４２であるか透過領域４３であるかを判定する。
【００２９】
切換制御装置５０には、観測モードを切り換えるモードセレクタ１６から観測モードの選択信号が入力されおり、切換制御装置５０は、モードセレクタ１６から入力される選択信号に基づいて、共焦点光学系３において得られる像が、選択された観測モードの像になるように照明光源２１の作動を制御する。
【００３０】
例えば、モードセレクタ１６において透過モードＢＦが選択され、その選択信号が入力されるている場合に、領域判定部５２は、エンコーダ４６から入力される回転角度位置の信号から、透過領域４３が共焦点光学系３の光路上にある角度範囲の間だけ、照明制御部５５に照明指令信号を出力する。照明制御部５５は照明指令信号が入力されているときに照明光源２１に電力を供給して照明光を出射させる。すなわち、共焦点光学系３の光路上に透過領域４３がある間だけ照明光源２１から照明光が出射されディスク４０に照射される。ディスク４０はモータ４５により回転されており、共焦点光学系３の光路上を透過領域４３が通過するタイミングに合わせて照明光源２１の発光が同期制御される。従って、透過モードＢＦでは共焦点光学系３において明視野像のみが間欠的に得られる。
【００３１】
一方、モードセレクタ１６において共焦点モードＣＦが選択され、その選択信号が入力されるている場合には、領域判定部５２は、エンコーダ４６から入力される回転角度位置の信号から、ピンホール領域４２が共焦点光学系３の光路上にある角度範囲の間だけ、照明制御部５５に照明指令信号を出力し、照明制御部５５は照明指令信号が入力されているときに照明光源２１に電力を供給して照明光を出射させる。すなわち、共焦点光学系３の光路上にピンホール領域４３がある間だけ照明光源２１から照明光が出射されてディスク４０に照射され、ディスク４０の回転により共焦点光学系３の光路上をピンホール領域４３が通過するタイミングに合わせて照明光源２１の発光が同期制御される。従って、共焦点モードＣＦでは共焦点光学系３において共焦点像のみが間欠的に得られる。
【００３２】
ここで、前述したように、モータ４５の回転速度は、光路上におけるディスク４０の周速度が、撮像素子３５の蓄積時間や人間の瞳の応答速度よりも速く、照明光源２１の明滅速度も同様に高速である。このため、撮像素子３５や人間の瞳が認識する像は、明滅を繰り返す間欠像ではなく一定量照明された像となり、モードセレクタ１６において選択したモードに対応した明視野像若しくは共焦点像である。
【００３３】
従って、目的に応じて観察モードを切り換えることにより、共焦点光学系３で明視野像または共焦点像を得ることができる。そして、共焦点モードＣＦにおいて、ベース部１１に対して鏡筒部１２を昇降移動して被検物８に対する共焦点光学系３の焦点位置を移動させ、各高さ位置で取得した画像データ（高さ情報）を処理することにより、被検物８の各部の高さや三次元形状の測定を行うことができる。なお、このような共焦点モードにおける処理及び測定については、既に公知の種々の方法を適用することができるため、本明細書においては説明を省略する。
【００３４】
このように、検査装置１によれば、共焦点光学系３において得られる像を、明視野像と共焦点像とに切り換えて得ることができる。そして、この明視野像または共焦点像の選択設定が、照明光源２１の発光タイミングを制御する構成のため瞬時に切り換えることができ、迅速な観測モードの切り換えを実現することができる。
【００３５】
また、ピンホール領域４２と透過領域４３とが形成されたディスク４０において、明視野像を得るために共焦点光学系３の光路中に透過領域４３を停止させることなく、回転させながら時分割により取得する構成により、観測モード切り換えの迅速性を確保することができる。また透過領域４３が光路を横切って移動するため透過領域４３の角度幅を視野領域よりも狭くすることができ、ピンホール領域の面積を拡大して共焦点像の取得感度を向上させることができる。さらに、透過領域４３が移動することから、透過領域４３の一部に傷や異物の付着等が生じた場合でも、その影響を緩和することができ、観測不能になるようなことがない。
【００３６】
なお、以上では照明光源２１として、発光ダイオードやレーザダイオードのような、高速でＯＮ／ＯＦＦ制御が可能な発光素子を用い、切換制御装置５０（照明制御部５５）において、ディスク４０の回転角度位置に合わせて照明光源２１の発光タイミングを制御するように構成した実施形態を例示した。しかし、本発明は、ディスク４０に照射される照明光の照射タイミングを制御可能であれば良く、例えば、光源２１と第１ハーフミラー２３との間の照明光学系２に光路を開閉するシャッタ、例えば液晶シャッタや、音響光学変調器（ＡＯＭ）若しくは電気工学変調器（ＥＯＭ）等を利用した光路切換によるシャッタを設け、このシャッタをディスク４０の回転角度位置に合わせて照明制御部５５で制御するように構成しても良い。このような構成によれば、ハロゲンランプやメタルハライドランプ等の高輝度の連続発光光源を用いることができ、高速に高鮮明な像を得る検査装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の光学装置の一例として示す検査装置の概要構成図である。
【図２】上記検査装置に用いられるディスクの構成形態を例示する説明図である。
【図３】上記検査装置における切換制御装置のブロック図である。
【符号の説明】
【００３８】
１  検査装置（光学装置）              ３  共焦点光学系（光学系）
８  被検物                            ４０  ディスク
４２  ピンホール領域                  ４３  透過領域
５０  切換制御装置
【図１】
2008046362.tif 000003
【図２】
2008046362.tif 000004
【図３】
2008046362.tif 000005