(57)【要約】【課題】発光波長帯が違う複数の光源を用いて試料照明用の照明光を生じさせ、かつこれら複数の光源から各々生じる各照明光の光路を、試料に至るまでの間に１つの光路に重ねる顕微鏡装置において、照明光の光路を重ねるために生じる光量ロスを低減する。【解決手段】顕微鏡装置１を、発光波長帯が異なる複数の光源１４ａ〜１４ｃと、複数の光源１４ａ〜１４ｃ毎に設けられこれら光源１４ａ〜１４ｃが生じる光のうち対応する光源が生じた光のみを反射する波長選択反射素子１８ａ〜１８ｃと、を備えて構成し、これら波長選択反射素子１８ａ〜１８ｃを、対応する光源の光をそれぞれが反射した反射光の各光路が相互に重なるように位置決めし、波長選択反射素子１８ａ〜１８ｃで反射する光源１４ａ〜１４ｃの反射光で、試料２を照明する。【選択図】図４
2008051892.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光波長帯が異なる複数の光源と、
前記複数の光源毎に設けられる波長選択反射素子であって、各前記波長選択反射素子の各々は前記複数の光源が生じる光のうち対応する前記光源が生じた光のみを反射し、これら波長選択反射素子は対応する前記光源の光をそれぞれが反射した反射光の各光路が相互に重なるように位置決めされた波長選択反射素子と、を備え、
前記波長選択反射素子で反射する前記光源の反射光で、試料を照明することを特徴とする顕微鏡装置。
【請求項２】
前記複数の光源を個別に駆動する光源駆動部を有することを特徴とする請求項１に記載の顕微鏡装置。
【請求項３】
前記波長選択反射素子は、対応する光源の発光波長帯の光を反射するダイクロックミラーであることを特徴とする請求項１又は２に記載の顕微鏡装置。
【請求項４】
前記光源が、半導体発光素子により構成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の顕微鏡装置。
【請求項５】
前記半導体発光素子は、発光ダイオード及びレーザーダイオードの少なくとも一方であることを特徴とする請求項４に記載の顕微鏡装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、様々な波長帯の照明光で試料表面を照明し、この試料表面で反射した光学像を捉える顕微鏡装置に関する。特に、半導体ウエハや、フォトマスク用基板、並びに液晶表示パネル用基板、液晶デバイス用基板などである試料の表面に形成されたパターンの欠陥を検出する外観検査装置において、これら試料の画像を生成するために利用される顕微鏡装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体ウエハや、フォトマスク用基板、並びに液晶表示パネルなどの半導体装置等の製造は多数の工数から成り立っており、最終及び途中の工程での欠陥の発生具合を検査して製造工程にフィードバックすることが歩留まり向上の上からも重要である。製造工程の途中で欠陥を検出するために、半導体ウエハ、フォトマスク用基板、液晶表示パネル用基板、液晶デバイス用基板などの試料の表面に形成されたパターンを撮像し、これにより得られた画像を検査することにより試料表面に存在する欠陥を検出するパターン欠陥検査などの外観検査が広く行われている。
以下の説明では、半導体ウエハ上に形成されたパターンの欠陥を検査する半導体ウエハ用外観検査装置を例として説明する。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、半導体メモリ用フォトマスク用基板や、液晶デバイス用基板、液晶表示パネル用基板などの半導体装置を検査する外観検査装置に用いられる顕微鏡装置にも適用可能である。
【０００３】
図１に従来から使用されている外観検査装置の概略構成図を示す。半導体ウエハ外観検査装置１（以下、「外観検査装置１」と記す）は、試料である半導体ウエハ２（以下、「ウエハ２」と記す）の表面の撮像画像を生成する顕微鏡部１０と、ウエハ２の表面に形成されたパターンのうち本来同一となるべき対応する２箇所を顕微鏡部１０で撮像した撮像画像同士を比較して、互いに異なる部分を欠陥として検出するためのパターン比較部２０と、を備えて構成される。
【０００４】
顕微鏡部１０は、２次元又は３次元方向に自在に移動可能なステージ１１と、その上面に設けられた試料台（チャックステージ）１２と、試料台１２に保持されたウエハ２の表面の光学像を撮像するためにステージ１１の上方に設けられた撮像部１７と、ウエハ２を照明する照明光学系と、この照明光学系により照明されたウエハ２の表面の光学像を撮像部１７の受光面上に結像する結像光学系により構成される。
【０００５】
顕微鏡部１０の結像光学系は、少なくとも対物レンズ１３を含み、対物レンズ１３は、以下に説明する照明光学系によって照明されたウエハ２の表面の光学像を投影する。
照明光学系は、光源１４と、光源１４からの照明光を集光して平行光束を生成する集光光学系１５と、集光光学系１５によって集光された照明光を反射して対物レンズ１３に入射させる半透鏡１６と、を備える。
【０００６】
半透鏡１６は対物レンズ１３の光軸上に設けられており、半透鏡１６で反射した集光光学系１５からの照明光は、対物レンズ１３の光軸に沿って対物レンズ１３に入射し、ウエハ２の表面に集光される。
対物レンズ１３は、この照明光によって照明されたウエハ２の光学像を投影し、この投影光は半透鏡１６を通過して撮像部１７の受光面上に結像される。
【０００７】
撮像部１７としては、２次元ＣＣＤ素子を使用したＴＶカメラなどを使用することも可能であるが、高精細の画像信号を得るために１次元ＣＣＤ等のラインセンサを使用することが多い。この場合には、ステージ１１をウエハ２に対して相対移動させ（走査して）、ステージ１１を駆動する駆動パルス信号に同期して撮像部１７の出力信号を取り込み、ウエハ２の２次元画像を生成する。
【０００８】
図２に示すように、ウエハ２上には複数のダイ３が、Ｘ方向とＹ方向にそれぞれ繰返し、マトリクス状に配列されている。各ダイには同じパターンが形成されるので、隣接するダイの対応する部分の画像を比較するのが一般的である。両方のダイに欠陥がなければグレイレベル差は閾値より小さいが、一方に欠陥があればグレイレベル差は閾値より大きくなる（シングルディテクション）。これではどちらのダイに欠陥があるか分からないので、更に異なる側に隣接するダイとの比較を行ない、同じ部分のグレイレベル差が閾値より大きくなればそのダイに欠陥があることが分かる（ダブルディテクション）。
【０００９】
図１に戻り、１次元のＣＣＤカメラ、例えばＴＤＩセンサを備えた撮像部１７を、撮像素子の画素の配列方向に垂直方向に沿って、ウエハ２に対して相対的にスキャンするとダイ３の２次元画像が得られる。画像信号は多値のディジタル信号、例えばグレイレベル信号に変換されてパターン比較部２０に出力される。
【００１０】
パターン比較部３は、顕微鏡部１０の撮像部１７が撮像した画像信号を記憶する画像記憶部２１を備えている。画像記憶部２１に隣り合うダイ２個分のグレイレベル信号が記憶されると、差分検出部２２はこれらの２つのダイの各々同じ部分の小さな部分画像（ロジカルフレーム）のグレイレベル信号を画像記憶部２１から読み出す。実際には微小な位置合わせ処理などが行われるがここでは詳しい説明は省略する。
差分検出部２２は、隣り合うダイの同じ部分の部分画像の一方を検査画像とし他方を参照画像として、各々の対応する画素同士のグレイレベル信号の差（グレイレベル差）を検出して、検出閾値計算部２３と欠陥検出部２４とに出力する。検出閾値計算部２３は、グレイレベル差の分布に応じて所定の統計演算処理により自動的に検出閾値を決定して欠陥検出部２４に出力する。欠陥検出部２４は、差分検出部２２が検出したグレイレベル差と検出閾値計算部２３が決定した検出閾値とを比較し、グレイレベル差が検出閾値を超えるときこれら画素のうちいずれかが欠陥であると判定する。そして欠陥検出部２４は、欠陥と判定された部分について、各欠陥毎に、その欠陥の位置やグレイレベル差などを含む欠陥情報を出力する。
【００１１】
【特許文献１】国際公開第２００５／１１９２２７号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
物体の光学反射率や透過性、表面における散乱状態は、その物体の材質と入射光の波長帯とに依存する。例えば、半導体回路の配線部分に使用される銅は、可視光域では反射率が高い性質を示すが、３５０ｎｍ付近の波長帯で反射率が程度で反射率が低下するという性質を有する。したがってある固有の材料で形成されたパターンの欠陥を検出する際には、その材料に応じた波長帯の照明光でウエハ２を照明することが好適である。
【００１３】
しかし、ウエハ２の表面の各領域には様々な材料のパターンが形成されており好適な照明光の波長帯が観察箇所毎に異なる。このためウエハ２上の各箇所をそれぞれ好適な照明光で観察するには、予め発光波長帯が異なる複数の光源を用意しておき、撮像光学系がウエハ２上を走査する間に発光する光源を切り替える必要がある。
ここで図１を参照して例示した落射照明光学系に複数の光源を設けると、図３に示すように、各光源１４ａ〜１４ｃ毎にこれらが生じた光の光路を対物光学系１３の光軸に重ねるための半透鏡１６ａ〜１６ｃが必要となり、半透鏡１６ａ〜１６ｃによる光量ロスが大きくなる。
【００１４】
上記問題点に鑑み、本発明は、発光波長帯が違う複数の光源を用いて試料照明用の照明光を生じさせ、かつこれら複数の光源から各々生じる各照明光の光路を、試料に至るまでの間に１つの光路に重ねる顕微鏡装置において、照明光の光路を重ねるために生じる光量ロスを低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するために、本発明では、発光波長帯が違う複数の光源毎に波長選択反射素子を設ける。ここで波長選択反射素子は複数の光源のうち対応する光源からの光だけを反射する。そして各波長選択反射素子の位置を、それぞれ各波長選択反射素子が反射した光源からの光の反射光の光路同士が互いに重なるように決定する。
ここで、各波長選択反射素子が反射した光源からの光の反射光の光路同士が重なるということは、対応する光源に向けられた反射面と反対側の面に、他の波長選択反射素子からの反射光が入射する波長選択反射素子が存在することを意味する。
【００１６】
しかし波長選択反射素子の波長選択性は、対応する光源からの光のみを反射し、他の波長選択反射素子と対応する光源からの光を透過するものであるため、対応する光源に向けられた反射面と反対側の面に入射した他の波長選択反射素子からの反射光を殆ど透過させる。これにより、複数の光源から生じた光の光路を重ねるために生じる光量ロスが大幅に低減する。
【００１７】
本発明によれば、発光波長帯が異なる複数の光源と、複数の光源毎に設けられる波長選択反射素子であって各波長選択反射素子の各々は複数の光源が生じる光のうち対応する光源が生じた光のみを反射し、これら波長選択反射素子は対応する光源の光をそれぞれが反射した反射光の各光路が相互に重なるように位置決めされた波長選択反射素子と、を備え、波長選択反射素子で反射する光源の反射光で、試料を照明することを特徴とする顕微鏡装置が提供される。
【００１８】
このような波長選択反射素子として、対応する光源の発光波長帯の光を反射するダイクロックミラーを使用することが可能である。また光源を、例えば発光ダイオード及びレーザーダイオードのように半導体発光素子を用いて構成してもよい。
顕微鏡装置に複数の光源を個別に駆動する光源駆動部を設けて、例えば複数の光源のうち発光させる光源を逐次変更することにより、試料に照射される照明光の波長帯を変えてもよい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によって、長寿命及び低価格で光学設計しやすいレーザーダイオード光源や発光ダイオード光源を光源に用いながら、被測定物の材料に応じて複数波長の照明光を組み合わせることが可能な顕微鏡装置が実現される。また、このとき異なる波長の複数の光源の光軸同士を合わせる際に生じる光量ロスを低減することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、添付する図面を参照して本発明の実施例を説明する。図４は、本発明の実施例による顕微鏡装置を用いた半導体ウエハ外観検査装置の概略構成図である。図２に示す外観検査装置１の構成は、図１を参照して説明した外観検査装置に類似する構成を有しており、したがって同様の構成要素には同じ参照番号を付すこととし同様の機能については説明を省略する。
外観検査装置１は、顕微鏡部１０と、外観検査装置１を動作させる各種処理を行うための計算部５０と、を備える。
【００２１】
計算部５０は、ＣＰＵ５１と、記憶部５２と、入出力インタフェース５３と、データ入力部５４を備える。
ＣＰＵ５１は、外観検査装置１を制御し、また図１に示す差分検出部２２、検出閾値計算部２３及び欠陥検出部２４が行う各機能を実現するプログラムを実行する。
記憶部５２は、ＣＰＵ５１が実行する各プログラムやこれらプログラムの実行に必要なデータを記憶する。または顕微鏡部１０の撮像部１７で撮像した画像データを記憶する図１に示す画像記憶部２１としての役割も果たす。
入出力インタフェース５３は、顕微鏡部１０の撮像部１７から画像データを計算部５０内に入力し、また後述する光源駆動部１９やステージ位置測定部３２と計算部５０との間のデータの入出力を行う。
【００２２】
データ入力部５４は、オペレータがデータを入力するためのキーボード等のユーザインターフェース、フレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ等のメディア読み取り装置、データをオンラインで入力するためのネットワークインタフェース装置等の、任意の入力装置のいずれかを含んで構成され、外観検査装置１に動作に必要な各種プログラム又は各種データを外部から記憶部５２に取り込むために使用される。
【００２３】
顕微鏡部１０は、発光波長帯が異なる複数の光源１４ａ〜１４ｃと、複数の光源１４ａ〜１４ｃ毎に設けられる波長選択反射素子１８ａ〜１８ｃと、これら複数の光源１４ａ〜１４ｃからの照明光を集光して平行光束とし、光源１４ａ〜１４ｃにそれぞれ対応する波長選択反射素子１８ａ〜１８ｃにその平行光束を入射させる集光光学系１５ａ〜１５ｃを備える。
また、光源１４ａ〜１４ｃとして消費電力が小さく寿命が長い発光素子である半導体発光素子、例えば発光ダイオードやレーザーダイオードを使用してよい。
【００２４】
各波長選択反射素子１８ａ〜１８ｃは、それぞれ対応する光源１４ａ〜１４ｃの発光波長帯の光を反射し、その他の光を透過させる光学素子である。このような波長選択反射素子として例えばダイクロックミラーを使用してよい。
以下、説明のため光源１４ａ〜１４ｃがそれぞれ波長帯λ１〜λ３で発光するものとすると、光源１４ａに対応して設けられた波長選択反射素子１８ａは波長帯λ１の光を反射する一方で波長帯λ２、λ３の光を殆ど透過する。同じく光源１４ｂに対応して設けられた波長選択反射素子１８ｂは波長帯λ２の光を反射する一方で波長帯λ１、λ３の光を殆ど透過する。また光源１４ｃに対応して設けられた波長選択反射素子１８ｃは波長帯λ３の光を反射する一方で波長帯λ１、λ２の光を殆ど透過する。
ただし、本構成の動作に必要な各波長選択反射素子１８ａ〜１８ｃの最低条件としては、波長選択反射素子１８ａは単に波長帯λ１の光を反射すれば足り、波長選択反射素子１８ｂは波長帯λ２の光を反射する一方で波長帯λ１の光の殆どを透過すれば足り、波長選択反射素子１８ｃは波長帯λ３の光を反射する一方で波長帯λ１及びλ２の光の殆どを透過すれば足りる。
【００２５】
これら波長選択反射素子１８ａ〜１８ｃは、その反射面が共通光軸ＡＸ上に位置するように顕微鏡部１０内に配置される。ここで共通光軸ＡＸは、対物レンズ１３側から半透鏡１６の反射面に入射する対物レンズ１３の光軸に対して、この入射位置における半透鏡１６の反射面の法線について対称となる位置及び方向に定められる。このように共通光軸ＡＸを定めると、光軸ＡＸ上を進む光線は、半透鏡１６で反射し、対物レンズ１３の光軸上を進んで対物レンズ１３に入射する光線になる。
【００２６】
また、各光源１４ａ〜１４ｃ及びそれぞれの集光光学系１５ａ〜１５ｃは、集光光学系１５ａ〜１５ｃを通過した光束が、それぞれの波長選択反射素子１８ａ〜１８ｃで反射したとき、その反射光の光軸が共通光軸ＡＸと一致するように位置及び方向が定められる。
すなわち、集光光学系１５ａを通過した光束の光軸ＡＸ１は、半透鏡１６側から各波長選択反射素子１８ａの反射面に入射する共通光軸ＡＸに対して、この入射位置における各波長選択反射素子１８ａの反射面の法線について対称となる位置及び方向に定められる。
【００２７】
同様に、集光光学系１５ｂを通過した光束の光軸ＡＸ２は、半透鏡１６側から各波長選択反射素子１８ｂの反射面に入射する共通光軸ＡＸに対して、この入射位置における各波長選択反射素子１８ｂの反射面の法線について対称となる位置及び方向に定められ、集光光学系１５ｃを通過した光束の光軸ＡＸ３は、半透鏡１６側から各波長選択反射素子１８ｃの反射面に入射する共通光軸ＡＸに対して、この入射位置における各波長選択反射素子１８ｃの反射面の法線について対称となる位置及び方向に定められる。
【００２８】
このように、各光源１４ａ〜１４ｃ、集光光学系１５ａ〜１５ｃ並びに波長選択反射素子１８ａ〜１８ｃの位置及び方向を決定することによって、いずれの各光源１４ａ〜１４ｃから生じた照明光も、共通光軸ＡＸ上を進行して半透鏡１６に入射し、対物レンズ１３を通ってウエハ２に入射するようになる。
【００２９】
各光源１４ａ〜１４ｃは、これらを個別に駆動する光源駆動部１９から供給される電力によって発光する。計算部５０は、各光源１４ａ〜１４ｃのうちから発光させるべき光源を、光源駆動部１９に対して指示する制御信号を出力することによって、ウエハ２を照明する照明光の波長帯をλ１〜λ３のうちのいずれかに切り替えることが可能である。
例えば、複数の光源１４ａ〜１４ｃのそれぞれの発光波長帯を、発光波長帯テーブルとして計算部５０の記憶部５２に予め記憶しておく。計算部５０は、データ入力部５４を介してウエハ２を照明する照明光の波長帯の指定をオペレータから受け付けると、指定された波長帯で発光する光源を、発光波長帯テーブルに記憶された光源１４ａ〜１４ｃの中から選択し、選択した光源を発光させる制御信号を光源１９に対して指示する。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明は、様々な波長帯の照明光で試料表面を照明し、この試料表面で反射した光学像を捉える顕微鏡装置に関する。特に、半導体ウエハや、フォトマスク用基板、並びに液晶表示パネル用基板、液晶デバイス用基板などである試料の表面に形成されたパターンの欠陥を検出する外観検査装置において、これら試料の画像を生成するために利用される顕微鏡装置に関する。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】従来の半導体ウエハ外観検査装置の概略構成図である。
【図２】半導体ウエハ上のダイの配列を示す図である。
【図３】複数の光源を設けた場合の従来の顕微鏡装置の構成例を示す図である。
【図４】本発明の実施例による顕微鏡装置を備えるウエハ外観検査装置の概略構成図を示す。
【符号の説明】
【００３２】
１    半導体ウエハ外観検査装置
２    半導体ウエハ
１０    顕微鏡部
１１    ステージ
１２    試料台
１３    対物レンズ
１６    半透鏡
１８ａ〜１８ｃ    波長選択反射素子
５０    計算部
【図１】
2008051892.tif 000003
【図２】
2008051892.tif 000004
【図３】
2008051892.tif 000005
【図４】
2008051892.tif 000006