(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源から供給された光を伝達し、その途上で照度分布が均一化されるライトガイドと、
前記ライトガイドを経て供給された光を観察対象物に対し平行光として出力するコンデンサーレンズと、
前記コンデンサーレンズの観察対象物と反対側の焦点面に配置された薄い遮光板であって、前記ライトガイドを経て供給される準単色光が通過する微細開口であって、前記ライトガイドの出口径より小さな開口径の微細開口を含む遮光板と、
前記ライトガイドに領域ＷＬの波長を含む光を供給するＬＥＤ光源と、
前記ライトガイドと前記遮光板との間に設けられたバンドパスフィルターであって、前記領域内の波長を中心として半値幅ＨＷの準単色化された光を透過するバンドパスフィルターと、
前記コンデンサーレンズの観察対象物の側に配置された偏光子とを有し、
前記領域ＷＬと、前記半値幅ＨＷと、前記微細開口の開口径ｒ１と、前記ライトガイドの出口径ｒ２と、観察対象物に出力される平行光の発散角ＤＡが以下の条件を満たす、偏光観察用の照明装置。
２００＜  ＷＬ  ＜５５０
２＜  ＨＷ  ＜６０
０．１＜  ｒ１  ＜１．５
０．０２  ＜  ｒ１／ｒ２  ＜  ０．５
０．１  ＜  ＤＡ  ＜  ３
ただし、ＷＬおよびＨＷの単位はｎｍ、ｒ１およびｒ２の単位はｍｍ、ＤＡの単位はｍｒａｄである。
【請求項２】
請求項１において、
前記遮光板の厚みは、５〜５０μｍである、照明装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の照明装置と、
前記照明装置から供給された平行光が観察対象物を透過または反射した観察光を受光する受光装置とを有する観察システム。
【請求項４】
請求項３において、
前記受光装置は、前記観察光を受光する撮像素子と、
前記撮像素子の観察対象物の側に配置された対物レンズと、
前記対物レンズの観察対象物の側に配置された検光子とを含む、観察システム。
【請求項５】
請求項４において、
前記偏光子と前記検光子との消光比ＥＲが以下の条件を満たす、観察システム。
１０−６   ＜  ＥＲ  ＜  １０−２
【請求項６】
請求項４また５において、
前記偏光子と前記検光子とを同期して回転するユニットを含む、観察システム。
【請求項７】
請求項４ないし６のいずれかにおいて、 
前記受光装置は、前記撮像素子の出力の高輝度情報をカットして増幅するユニットを含む、観察システム。
【請求項８】
請求項４ないし７のいずれかにおいて、
前記受光装置は、観察対象物が配置されていない状態の光を前記撮像素子で撮像した第１のデータを保存するユニットと、
前記観察光を前記撮像素子で撮像したデータを前記第１のデータで補正するユニットとを含む、観察システム。
【請求項９】
請求項１または２に記載の照明装置から得られた平行光を用いて観測対象物をオルソスコープ観察することを有する観察方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、偏光顕微鏡などに適した照明装置および観察システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、顕微鏡装置を構成する光学系により生じる偏光状態の変化を補正する偏光補正光学系及びこの偏光補正光学系を備える顕微鏡装置を提供することが記載されている。この特許文献１においては、偏光子、コンデンサレンズ、対物レンズ及び検光子を備える偏光顕微鏡光学系において、偏光子及びコンデンサレンズの間に、第１光学素子、第１波長板の順で並んだ第１偏光補正光学系を配置し、対物レンズ及び検光子の間に、第２波長板、第２光学素子の順で並んだ第２偏光補正光学系を配置して、コンデンサレンズ及び対物レンズで生じる偏光状態の変化を補正することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−６３７２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
偏光顕微鏡は物体の結晶構造に密接な関係がある偏光や複屈折特性を観察するための光学顕微鏡であり、コノスコープ観察法やオルソスコープ観察法などで用いられる。しかしながら、観察対象が微小な歪場や転位サイズが原子レベルの格子欠陥である場合、偏光顕微鏡は適していないと考えられており、原子変位レベルの歪や微小な転位欠陥の観察や評価・分析を行うには、破壊検査としてＫＯＨエッチング法、非破壊検査ではフォトルミネッセンス（ＰＬ）イメージング測定法、あるいはシンクロトロンによる放射光Ｘ線トポグラフなどの大型放射光施設による観察法しかないと考えられている。したがって、可視光またはその近傍の波長の光を用いた観察対象が、より小さな歪場や、よりサイズの小さな格子欠陥まで広がれば、材料の評価がいっそう簡易になり、それに要する費用が軽減される。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一態様は、光源から供給された光を伝達し、その途上で照度分布が均一化されるライトガイドと、ライトガイドを経て供給された光を観察対象物に対し平行光として出力するコンデンサーレンズと、コンデンサーレンズの観察対象物と反対側の焦点面に配置された薄い遮光板を有する偏光観察用の照明装置である。遮光板は、ライトガイドを経て供給される準単色光が通過する微細開口であって、ライトガイドの出口径より小さな開口径の微細開口を含む。また、コンデンサーレンズの観察対象物の側に配置された偏光子を有してもよい。
【０００６】
本願の発明者は、可視光域の偏光顕微鏡であっても、照明光の性質を変えることにより、より小さな歪場や、よりサイズの小さな格子欠陥を検出できると想定した。すなわち、従来の偏光顕微鏡で用いられているケーラー照明は、白色の光源または光源の像をコンデンサーレンズの物体側の焦点面上に置き、光源の各点から出た白色光はコンデンサーで平行光線となり、これが標本面を照明する。また、ケーラー照明では、白色光を用いるので、各波長に対して屈折率が異なる光路により様々な方向（角度）のある光が用いられる。この結果、ケーラー照明は、いろいろな方向（角度から）の平行光の集まりであり低コリメート光として試料を照明することにより光源灯の強度むらを抑制して均一に対象物を照明する。したがって、低コリメートでかつインコヒーレントである光により観察対象物が照明されることにより、様々な光の角度から得られた観察対象物の偏光情報が、相互作用することで積分され、さらに広帯域の波長によりレンズの屈折率が異なり、偏光の方向が一定ではないため得られる位相差情報の空間分解能が低下していると想定した。
【０００７】
この偏光観察用の照明装置においては、まず、コヒーレントであるが、スペックルノイズの発生を抑制できる準単色光を採用し、さらに、準単色光をコンデンサーレンズの焦点面に配置された微細開口を通すことにより点光源としてコンデンサーレンズから準単色光の平行光が出力されるようにしている。さらに、光源からの光を、ライトガイドを通すことにより照度分布を均一化して照度むらを抑制するとともに、さらに、ライトガイドから出た光を、薄い遮光板で遮って、ライトガイドの出口径より小さな開口径の微細開口を通すことにより、ライトガイドから出力された光の分布の中心付近の強度が高く、より一定した分布の光を点光源として、理想的な点光源に近い状況を実現している。
【０００８】
さらに、薄い遮光板を採用することにより点光源で回析が発生することも抑制している。この結果、準単色光で高い精度の平行光をコンデンサーレンズから出力することが可能となり、さらに、偏光子を、コンデンサーレンズと光源との間ではなく、コンデンサーレンズと観察対象物との間に設置することができる。このため、この照明装置により、コヒーレントの準単色光からなり、高い精度でコリメートされた光であって、さらに、レンズにより偏光状態が変化することがない光を観察対象物に照射することができる。
【０００９】
この照明装置を用いた観察システムにより、後述するように、原子変位レベルの歪や微小な転位欠陥と考えられる画像が得られている。したがって、この照明装置により、偏光顕微鏡等の偏光観察の観察対象を、より小さな歪場や、よりサイズの小さな格子欠陥まで広げることが可能となり、より簡易に、低コストで、材料の評価などを行うことが可能となる。
【００１０】
準単色光を生成する１つのシステムは、ライトガイドに波長ＷＬ（ｎｍ）が以下の（１）式の領域を含む光を供給する光源、たとえばＬＥＤと、ライトガイドと遮光板との間に設けられたバンドパスフィルターであって、（１）式の領域のある波長（中心波長ＣＷＬ）を中心として半値幅ＨＷ（ｎｍ）が以下の（２）式の範囲の光を透過するバンドパスフィルターとを有するものである。光源は、中心波長ＣＷＬを中心とした波長分布の光を出力するものである。
２００  ＜  ＷＬ  ＜５５０・・・（１）
２．０  ＜  ＨＷ  ＜  ６０・・・（２）
【００１１】
微細開口の開口径（直径）ｒ１（ｍｍ）の一例は、以下の範囲である。
０．１  ＜  ｒ１  ＜  １．５・・・（３）
微細開口の開口径ｒ１と、ライトガイドの出口径ｒ２とが以下の条件を満たすことが望ましい。
０．０２  ＜  ｒ１／ｒ２  ＜  ０．５・・・（４）
ライトガイドの一例は、高輝度の光を伝送するのに適したバンドルファイバであり、特に、伝送損失の少ない石英コアのバンドルファイバが好適である。
【００１２】
また、光源における回折の発生を抑制するために、遮光板の厚みｔ（μｍ）は、以下の範囲であることが望ましい。
５  ＜  ｔ  ＜  ５０・・・（５）
【００１３】
この照明装置により、たとえば、観察対象物に出力される平行光の発散角ＤＡ（ｍｒａｄ）が以下の条件の平行光を出力することができる。
０．１  ＜  ＤＡ  ＜  ３・・・（６）
【００１４】
本発明には、上記に記載の照明装置と、照明装置から供給された平行光が観察対象物を透過または反射した観察光を受光する受光装置とを有する観察システムが含まれる。受光装置の一形態は、観察光を受光する撮像素子と、撮像素子の観察対象物の側に配置された対物レンズと、対物レンズの観察対象物の側に配置された検光子とを含むものである。
【００１５】
コヒーレントで発散角が小さな平行光を用いることにより、偏光の制御も容易となり、偏光子と検光子との消光比ＥＲは以下の条件を満たすことができる。
１０−６  ＜  ＥＲ  ＜  １０−２・・・（７）
【００１６】
観察システムは、偏光子と検光子とを同期して回転するユニットを含んでいてもよい。また、受光装置は、撮像素子の出力の高輝度情報をカットして増幅するユニットを含んでいてもよい。さらに、受光装置は、観察対象物が配置されていない状態の光を撮像素子で撮像した第１のデータを保存するユニットと、観察光を撮像素子で撮像したデータを第１のデータで補正するユニットとを含んでいてもよい。
【００１７】
この照明装置を用いた観察方法の１つは、照明装置から得られた平行光を用いて観測対象物をオルソスコープ観察することを有するものである。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】観察システムの一例の偏光顕微鏡の概略構成を示す図。
【図２】観察システムの光学系の構成を示す図。
【図３】図３（ａ）はピンホールを用いない画像、図３（ｂ）はピンホールを用いた画像を示す。
【図４】クロスニコル（直交ニコル）の状態を示す。
【図５】図５（ａ）は工業用顕微鏡で撮影した一例であり、図５（ｂ）は平行光を用いて撮影した一例である。
【図６】図６（ａ）および（ｂ）は、図５（ａ）および（ｂ）の図５（ｂ）に四角で示した部分を拡大した画像。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１に、偏光光を用いた観察システムの一例として、透過型の偏光顕微鏡を示す。本装置（本システム、偏光顕微鏡）１は最小２ｉｎから最大６ｉｎサイズのウエハーを観察対象物５として観察できる。観察システム１は、観察対象物５であるウエハーをセット・固定する治具４５と、照明光学系（照明装置）１０を内蔵し、治具４５にセットされた観察対象物５を含めて前後左右（２次元）に動かすＸＹステージ４３と、ステージ４３をスライドして引き出し、観察対象物５を交換したり、照明装置１０をメンテナンス可能とするスライド機構４２と、それらを支持するフレーム（本体装置）４１とを含む。本体装置４１は、さらに、治具４５の上に受光装置２０を内蔵したＺステージ（上部ハウジング）４６を支持するアーム４８と、Ｚステージ４６を上下に動かして受光装置２０のフォーカス調整および深度調整を行うマイクロメータ４７とを含む。
【００２０】
本装置本体４１は、外部振動によるハンチングを抑えるために、剛性が高く、厚みのある金属ベース板の上に構成されている。受光装置２０を支持するアーム４８は、太い金属製であり、観察対象物５が設置される治具４５の試料面からの垂直度およびＸＹステージ４３の真直性や平行度を保ち、かつ、外乱による微振動の影響で画像の振れなどが極力起きない構造になっている。治具４５は、金属製あるいはプラスチック製で構成されており、第一オリフラ（結晶方位原点）の位置が治具４５をセットする際に０度（適正）の位置に来るように構成されている。また、各サイズに対応したウエハーセット治具４５は本体装置４１から着脱可能になっている。
【００２１】
Ｚステージ４６に収納された受光装置２０の対物レンズと観察対象物（試料）５とのクリアランスが狭いため、観察対象物５をセットする時には治具４５を支持するＸＹステージ４３自体が手前側に大きくスライドする機構４２を設け観察対象物５の着脱が容易になる様に構成されている。また、このシステム１においては、観察座標を知るために、ステージ４３はＸＹ座標値を含み、それぞれＸＹ方向の移動量がウエハー中心点（観察対象物５の中心）からプラスマイナス方向に振り分けられたミリ単位表示されており、異常部位の物理位置が把握できるようになっている。移動ステージ４３は、手動による駆動方法とモーターによる電動駆動の何れでも可能となっている。
【００２２】
受光装置２０と観察対象物５との距離を調整する機構としては、Ｚステージ４６と、フォーカス調整用のデジタルマイクロメーター（１μ単位表示）とを含み、結晶転位部の深さや位置を定量的に知る事が可能である。また、投光側の照射光が操作する人の目に入らない様に受光装置２０の対物レンズ側には遮光カバーが設けられている。投光部側も、照明装置１０はフルカバーされており防塵対策とともに、事前に照明装置１０を構成する要素が調整された状態が容易に変更できない様になっている。
【００２３】
図２に、観察システム１の光学系を抜き出して示している。この観察システム１は透過型であり、観察対象物５に平行光５３を照射する照明光学系（照明装置、投光装置）１０と、観察対象物５を透過した観察光５４を受光する受光光学系（受光装置）２０とを含む。照明装置１０は、ＸＹステージ４３に搭載されており、２次元方向に移動することにより観察対象物５の観察する個所あるいは領域に平行光５３を照射できる。
【００２４】
照明装置１０は、光源となるＬＥＤ１１と、ＬＥＤ１１からの光５１を伝達するライトガイド１２と、ライトガイド１２から出力された光５１の波長の一部を選択的に透過するバンドパスフィルター１３と、バンドパスフィルター１３から出力された光５１を遮光する遮光板１４とを有する。遮光板１４には微細開口（ピンホール）１５が設けられており、バンドパスフィルター１３を透過した光の一部がピンホール１５を通過する。照明装置１０は、さらに、ピンホール１５を通過した光５２を９０度方向に反射するプリズムミラー１６と、集光用のコンデンサーレンズ１７と、出力側がテレセントリックなテレセントリック・コンデンサーレンズ１８と、コンデンサーレンズ１８の観察対象物５の側に配置された偏光子（偏光板、ポラライザー）１９とを含む。
【００２５】
遮蔽板１４は、コンデンサーレンズ１７および１８を含む照明装置１０の光学系の焦点面に配置されている。したがって、遮蔽板１４に設けられたピンホール１５はほぼ理想的な点光源となり、コンデンサーレンズ１８から対象物５に対して、拡散角ＤＡが低く、精度よくコリメートされた平行光５３が出力される。
【００２６】
平行光５３が対象物５を透過した光（観察光）５４を受光する受光装置２０は、観察光５４を集光する対物レンズ２２と、対物レンズ２２と対象物５との間に配置された検光子（偏光板、アナライザー）２１と、対物レンズ２２に集光された光５４を受光するＣＣＤまたはＣＭＯＳなどの撮像素子２３と、撮像素子２３から得られた出力（画像データ、輝度データ）を処理する（画像処理する）画像処理ユニット２４と、処理された画像データを格納する記録媒体２５と、処理された画像を表示するディスプレイ２６とを有する。
【００２７】
観察システム１における観察方法の１つは、ポラライザー（偏光子）１９とアナライザー（検光子）２１とを９０度に直交させ、それぞれの直線偏光が透過するように配置したクロスニコルの状態で、偏光顕微鏡のオルソスコープ観察と同様の画像を取得することである。このため、観察システム１は、クロスニコルを維持したまま、同軸でポラライザー１９とアナライザー２１とを回転させて、貫通系の結晶転位と、それ以外の結晶転位、ないし何らかの格子歪みを区別する評価を行うための同期回転ユニット３１を有する。
【００２８】
照明装置１０の光源１１の一例は、中心波長ＣＷＬ（ｎｍ）が４０５ｎｍの近紫外に近い紫色の光５１を出力するＬＥＤである。微細な結晶欠陥を観察しようする場合、平行光５３の中心波長ＣＷＬは以下の条件を満たすことが望ましい。
２００  ＜  ＣＷＬ  ＜５５０・・・（１．１）
したがって、光源１１は上記の範囲の波長ＷＬの光を出力するものであることが望ましい。このため、光源１１の波長ＷＬの範囲は以下が望ましい。
２００  ＜  ＷＬ  ＜５５０・・・（１）
【００２９】
たとえば、光源１１は、白色光源であってもよいが、この観察システム１の照明装置１０は準単色化した平行光５３を出力するので、所定の波長を中心とする光を出力するハイパワーＬＥＤなどの半導体光源、その他の出力波長帯域の狭い光源であることが望ましい。一方、レーザー光そのものは半値幅が通常は１ｎｍ以下とコヒーレンス性（可干渉性）が強すぎてスペックルノイズが発生しやすいので好ましくない。
【００３０】
条件（１）および（１．１）の上限は、撮像素子として入手しやすいＣＣＤあるいはＣＭＯＳといった可視光あるいは可視光に近い範囲の光の中で、波長が短く、散乱率が高い方が、格子欠陥などの原子配列の変位により生じるような、微細な、あるいはわずかな位相差（リタデーション）を検出しやすい範囲を示す。条件（１）および（１．１）の上限は、５００ｎｍであることが好ましく、４７０ｎｍであることがさらに好ましく、４５０ｎｍであることがいっそう好ましい。
【００３１】
条件（１）および（１．１）の下限は、撮像素子として入手しやすいＣＣＤあるいはＣＭＯＳの感度に依存し、冷却タイプなどのＵＶ側に感度が高いものであれば、２００ｎｍ程度まで検出できる。一方、可視光領域を主とするＣＣＤであれば、３００ｎｍ程度で検出感度は極端に低下する。したがって、条件（１）および（１．１）の下限は、３００ｎｍであることが望ましく、３４０ｎｍであることがさらに好ましく、３６０ｎｍであることがいっそう好ましい。
【００３２】
光源１１からの光５１を伝達するライトガイド１２の一例は、紫外線透過率の良い石英ファイバーライトガイド、たとえばバンドルファイバである。バンドルファイバタイプのライトガイド１２においては、大口径コア内部で全反射を繰り返し出射光の照度分布をほぼ均一にできるという効果を備えている。バンドルファイバは素線のコアサイズが２００〜２５０μｍであり、１０本から数１００本の範囲で束ねることにより大口径で伝達ロスの少ないライトガイドを構成する。本照明装置１０においては、たとえば、コア部分の直径ｒ２が３ｍｍのバンドルファイバをライトガイド１２として採用している。
【００３３】
ライトガイド１２の下流に設けられたバンドパスフィルター１３は、光源１１からの光５１を準単色化するためのフィルターであり、波長選択性は、中心波長ＣＷＬを中心とする半値幅ＨＷで条件（２）を満たすことが望ましい。
２．０  ＜  ＨＷ  ＜  ６０・・・（２）
条件（２）の上限を超えると、平行光５３に含まれる波長帯が増大するのでコヒーレンス性が低下し得られる像がぼけやすく、微細な格子欠陥などを検出し難くなる。条件（２）の上限は、５０ｎｍであることが望ましく、３０ｎｍであることがさらに好ましく、２０ｎｍであることがさらに好ましく、１５ｎｍであることがいっそう好ましい。条件（２）の下限を超えると、可干渉性が強すぎて、画像に発生するスペックルノイズの量が多く、画像がかえって不鮮明になりやすい。条件（２）の下限は３ｎｍであることが望ましく、５ｎｍであることがさらに好ましい。この照明装置１０においては、スペックルノイズが抑制され、かつ微細な欠陥が鮮明に現れる画像を得るために半値幅ＨＷが１０ｎｍのバンドパスフィルター１３を採用している。
【００３４】
ＬＥＤとバンドパスフィルターとの組み合わせの代わりに、可干渉性の強いレーザー光をフォトニック結晶ファイバーなどの光学素子あるいは他の波長を分散させる光学系を用いて上記と同様の準単色光を生成してもよい。
【００３５】
バンドパスフィルター１３により準単色化された光は、大半が遮光板１４により遮蔽され、ごく一部が遮光板（ピンホール板）１４に設けられた微細開口（ピンホール、アパーチャ）１５を介して出力される。ピンホール板１４は、厚み１５μｍのステンレスプレートであり、光学系を支持するシャーシ（不図示）に固定された外枠にピンホール板１４がマウントされるセパレート構造になっている。
【００３６】
ピンホール１５の径（開口径）ｒ１（ｍｍ）は、ライトガイド１２のコア径（出力径）ｒ２（ｍｍ）よりも小さく、開口径ｒ１および開口径ｒ１と出力径ｒ２との比は以下の条件（３）および（４）を満たすことが望ましい。
０．１  ＜  ｒ１  ＜  １．５・・・（３）
０．０２  ＜  ｒ１／ｒ２  ＜  ０．５・・・（４）
条件（４）を設定することにより、ライトガイド１２から出力される出射光量のごく一部のみがピンホール１５から出力される。たとえば、ライトガイド１２の出力径ｒ２が３ｍｍ、ピンホール１５の開口径ｒ１が０．３ｍｍであれば、理論的に１％の光量がピンホール１５から出力されるだけになり、９９％の光量が損失となる。ライトガイド１２から出力される光は、ライトガイド１２により照度分布が均一にされているとは言え、出力される光は光軸から周囲に向かって照度分布が減少したり、何らかの分布を持っている。ライトガイド１２から出力される光量の大部分を失っても、その一部をピンホール１５により選択することにより、ライトガイド１２から出力される光の照度分布をさらに低減し、照度分布（輝度分布）がより均一な理想的な点光源に近い状態を実現できる。
【００３７】
図３（ａ）にピンホール板１４を外してライトガイド１２から供給された光により撮影した画像を示し、図３（ｂ）にピンホール板１４を挿入した画像を示している。図３（ａ）には大きな歪みが数個見えているだけであるが、図３（ｂ）には大きな歪みの周囲に、多数の歪みが観察されている。したがって、ライトガイド１２により照度分布が均一化された光を得るとともに、さらに、ピンホール（アパーチャ）１５を挿入し、ライトガイド１２から得られる光量の損失が非常に大きくなっても、さらに照度分布を均一な光を供給し、理想的な点光源に近づけることは、平行光を用いた観察に有効であることがわかる。
【００３８】
条件（３）および（４）は、平行光束５３を生成するためのピンホール１５の径ｒ１の設定条件であり、先ず光源１１となるＬＥＤ自体のハイパワー化を図るとともに、光源１１のエネルギーの伝送損失を極力抑えつつ、平行光束５３を保ち、下流（後）の撮像素子２３であるＣＣＤカメラが持つ感度に対してＳＮＲ（信号雑音比）が保てる最低限の光量が得られる範囲である。条件（３）の上限は、１．０ｍｍであることが望ましく、０．７ｍｍであることがさらに好ましく、０．５ｍｍであることがいっそう好ましい。条件（４）の上限は、０．３であることが好ましく、０．２であることがいっそう好ましい。条件（４）の下限は、０．０５であることが好ましく、０．０７であることがいっそう好ましい。
【００３９】
また、ピンホール板１４自体の形状も光が透過する際に回折が生じないようにすることが好ましい。このため、板厚ｔ（μｍ）は以下の条件（５）を満たすことが望ましい。材質は薄くても遮光性に優れたものが好ましく、ステンレススチール、アルミニウムなどの金属が適している。
５  ＜  ｔ  ＜  ５０・・・（５）
板厚が薄すぎると遮光性能が低下し、厚すぎると回析が発生する要因となる。条件（５）の上限は３０μｍが好ましく、２０μｍがさらに好ましい。条件（５）の下限は７μｍが好ましく１０μｍがさらに好ましい。
【００４０】
照明装置１０においては、ライトガイド１２により供給された光５１がバンドパスフィルター１３を透過した後、微小径のピンホール（アパーチャ）１５が加工されたピンホール板１４を通過することにより、点光源が生成され、照明装置１０のレンズシステム１８ｓに入射される。コンデンサーレンズ１７および１８を含むレンズシステム１８ｓの焦点位置に配置された点光源であるピンホール１５からは、この照明装置１０においては開口角（θ＝２３°）でレンズシステム１８ｓにある合成石英による直角プリズム１６に照射され、９０°方向に反射した光は低ディストーションのテレセントリック・コンデンサーレンズ１８により高精度なコリメート光（平行光束）５３として出力される。なお、直角プリズム１６は照明装置１０をコンパクトに構成するためには有効であるが、照明装置１０を構成するエレメントを直線的に配置できる長さが確保できる環境であれば不要である。また、直角プリズム１６あるいは他の角度のプリズムあるいは反射鏡を１つまたは複数採用してもよい。
【００４１】
照明装置１０から平行光束５３を出力することにより、受光装置２０の対物レンズ２２の側に入射される光の回り込みを無くし、後の偏光特性による位相差情報に対する空間分解能を飛躍的に向上できる。照明装置１０から出力される平行光（照明光、照射光）５３の発散角ＤＡ（ｍｒａｄ）は条件（６）を満たすことが望ましい。
０．１  ＜  ＤＡ  ＜  ３・・・（６）
光束平行度（テレセントリシティ）の誤差がｍｒａｄ（ミリラジアン）単位と高く、また、十分に狭い波長帯域の可干渉性のある準単色光とすることにより、指向性を持ち、直進性に優れ、長距離を伝播しても広がらない空間的コヒーレンスの高い光５３を出力できる。このため、測定対象物５を透過偏光した光が相互作用により積分されてノイズ化されてしまうことを抑制でき、光学的歪みに対する空間分解能を大幅に向上できる。条件（６）の上限は１．０であることが望ましく、０．５であることがさらに望ましく、０．３であることがいっそう望ましい。
【００４２】
空間的コヒーレンスの高い光５３を出力するために、テレセントリック・コンデンサーレンズ１８は、ディストーションが０．１％以下、さらに好ましくは、０．０５％以下、いっそう好ましくは０．０１％以下のレンズであることが好ましい。また、テレセントリック・コンデンサーレンズ１８は、ＮＡが、０．０５以下、いっそう好ましくは、０．０２以下、さらにいっそう好ましくは０．０１５以下のレンズであることが望ましい。
【００４３】
テレセントリック・コンデンサーレンズ１８には、ＸＹ方向に位置を移動できるステージ４３が搭載されており、平行光束５３の中心が対物レンズ２２のレンズ光軸（中心）に合わせられる構造になっている。このため、各レンズの相対的な光軸位置に誤差の無い正確な位相差情報が得られる。
【００４４】
観察システム１においては、照明装置１０の最も下流側にポラライザー（偏光子）１９を配置し、受光装置２０の最も上流側にアナライザー（検光子）２１を配置しており、観察対象物５を、レンズを挟まずに、ポラライザー１９とアナライザー２１とで挟み込む構成としている。このような偏光板１９および２１の配置により、さらに電場ベクトルの振動方向である偏光についても歪の少ない良好な直線偏光を得ることができ、かつ短波長が持つ高い屈折率のため僅かな偏光の位相変化に伴う物理的な光弾性効果（結晶性の歪場や転位性欠陥による複屈折現象）をより確実に効率よく抽出できる。
【００４５】
すなわち、観察システム１においては、高精度にコリメートされた平行光５３が対象物５に照射される。このため、偏光素子であるポラライザー（偏光子）１９はコリメートされた照明光５３の直後に位置し、またアナライザー（検光子）２１は対物レンズ２２側の手前に位置し、観察対象物５はポラライザー１９とアナライザー２１の間に位置する。このため、従来の偏光顕微鏡のように、偏光後の光がコンデンサーレンズで歪んで偏光状態が変わったり、観察対象物５を透過した光が対物レンズを通過することにより歪み、偏光状態が変わったものをアナライザー２１で検出するということはない。このため、基板などの観測対象物内部に存在する微小な異方性や複屈折などに起因する情報を変化、減衰させることなく抽出することが可能になる。
【００４６】
高精度にコリメートされた平行光５３を用いることにより消光比ＥＲが低い偏光素子を用いることができる。一方、消光比ＥＲが低すぎると、撮像素子２３の感度を非常に高くしないと画像を得ることができない。このため、偏光子１９と検光子２１との消光比ＥＲは以下の条件（７）を満たすことが望ましい。
１０−６  ＜  ＥＲ  ＜  １０−２・・・（７）
条件（７）の上限は、１０−３であることが望ましく、条件（７）の下限は、１０−５であることが望ましく、１０−４であることが好ましい。
【００４７】
図４に示すように、観察システム１で実現される１つの観察方法では、偏光子１９の偏光軸は第一オリフラ面に対して垂直（９０°）、検光子２１の偏光軸については第一オリフラ面に対して水平（０°）の位置（クロスニコルの位置）にある。回転ユニット３１により、偏光子１９と検光子２１とをクロスニコル特性を維持しながら同軸で回転することにより、個々のレタデーション（リタデーション、retardation）の強度や方向などのプロファイルが変化し、貫通系の結晶転位とそれ以外の結晶転位、あるいは何らかの格子歪を区別することができる。
【００４８】
この観察システム１において、微小な原子変位による転位の有無やプロファイルを重点に観察する場合、白色光源を用いて鋭敏色板などで得られる光弾性による等色線の色彩（干渉色）には重要性を持たない。そのため光源１１の好適なものは近紫外光であり、偏光素子１９および２１についても、紫外透過特性の良い直線偏光板を使用することが好ましい。
【００４９】
また、一般に偏光顕微鏡には１／４λ波長板（位相板）を偏光子と検光子の間に挿入し円偏光を生成しているが時間的に振幅の振動方向が回転する円偏光の場合、光波振幅の回転が光速と等しいため得られる情報はアイソジャイアがない積算された像となる。また、円偏光法は画像に等色線（Isochromatics）のみが発現し、等傾線（Isoclinics）は発現しない。そのため、位相差量に依存した主応力の差や分布を測定するには有利であるが非常に微小で軽微な転位線からなる歪場の場合、主応力の方向の有無を知ることができる等傾線がでない。このため視認性や感度が低下する可能性がある。したがって、本観察システム１では、等色線と等傾線との両方が現れる平面偏光器とする直線偏光板のみで構成されている。ただし、この観察システム１において、感度特性の低下より一定の定量化を求めたい場合は、検板や位相板の挿入をすれば良い。
【００５０】
受光装置２０の対物レンズ２２は、低歪の無限補正レンズで開口数ＮＡが０．０５以下、望ましくは０．０２以下、さらに好ましくは０．０１５以下の分解能の高いレンズを採用することが望ましい。また、対物レンズ２２のｆ値は５．０以下、好ましくは３．５以下、さらに好ましくは２．８以下の明るいレンズを用いることが望ましい。また、近紫外光の透過率は、７５％以上、好ましくは８０％以上、さらに好ましくは８８％以上のレンズを用いることが望ましい。照明装置１０においては、光源１１から供給される光量を大幅に損失しながら高い精度のコリメート光５３を出力しているので、受光装置２０は、できるだけ損失の少ない明るい光学系であることが望ましい。
【００５１】
対物レンズ２２の倍率は、照射光面積を考慮して決定しなければならないが微小な転位欠陥を観察するに必要な倍率は少なくとも２倍程度は必要であり、５倍以上であることが好ましい。撮像側の分解能は、目的に応じて設定できるが、対物レンズ２２として×５倍のレンズ（視野範囲Ｖ＝０．９６ｍｍ  Ｈ＝１．２８ｍｍ、１／２ＣＣＤ時）を搭載し、撮像素子２３のＣＣＤが７６８×４９４の有効画素数中、６４０×４８０をイメージメモリとして使用することにより、２μｍ程度の物理分解能を得ることができる。放射光Ｘ線トポグラフの位置分解能は約１μｍとされているので、それに匹敵する精度の位置分解能を備えた、可視光または近紫外光を用いた観察システム１を提供できる。仮に、上記の条件で、放射光Ｘ線トポグラフと同等の分解能を得るのであれば×１０倍の対物レンズ２２を採用すればよい。
【００５２】
照明装置１０においては点光源化してコリメート光を生成するために照度が大幅に低下する。このため、受光装置２０において光学的情報を映像化する撮像素子、たとえば、ＣＣＤカメラ２３は、ＳＮ比が高く、高感度で、かつワイドダイナミックレンジのものを採用することが望ましい。
【００５３】
ＣＣＤカメラ２３により得られた画像を処理する画像処理ユニット２４は、撮像素子（ＣＣＤカメラ）２３の出力の高輝度情報をカットして増幅する第１の機能（ユニット）２４ａと、バックグラウンドを補正する第２の機能（ユニット）２４ｂとを含む。撮像素子２３により得られる画像情報のうち、高輝度情報は、従来の偏光顕微鏡でも見られるような、すなわち、インコヒーレントな非平行光でも捉えられるような、非常に高い応力歪によるレタデーションの感度出力で既に飽和状態に達した情報である。したがって、この観察システム１においては、その領域を無視しても実際のプロファイル観察として問題にならない。第１の機能２４ａにおいては、撮像素子２３の出力の高輝度情報をカットして増幅することにより、飽和レベル手前の低中輝度領域に相当するダイナミックレンジのトーンマッピングを対数的に広げる。これにより、撮像素子２３の低中輝度領域の情報を効率的に増幅でき、微小な位相差から得られる微弱入光量の変化を抽出することが可能となる。
【００５４】
観察システム１において、観察対象物５が無いときの入力ソースの直交ニコル（クロスニコル）状態は本来、消光状態にある。しかしながら、消光比ＥＲが条件（７）を満足する範囲であっても、厳密には消光状態にならず、僅かに透過光が存在する。観察対象物５が配置されていないときの直交ニコル状態を撮像素子２３により撮像した情報には、コリメートされた光５３によって通常の偏光顕微鏡による光学観察では確認できない様な光学ノイズ（偏光素子に起因する干渉縞やレンズに起因するコーティングむら、電気的な固定ノイズなどの様々な不均一要素等）が発現していると考えられる。それらの不均一要素は常に撮像装置（撮像素子）２３により得られる画像情報内に存在し、観察対象物５を観察する上で目障りな固定パターンのノイズとなって画像に含まれる可能性がある。
【００５５】
第２の機能２４ｂは、観察対象物５が配置されていないときの直交ニコル状態を撮像素子２３により撮像した情報（画像、第１のデータ）をリファレンス位相情報（リファレンス値）としてフレームメモリなどの記録媒体または記録領域に格納するユニット（機能）２４ｃと、観察対象物５を透過した光（観察光）５４により得られた（撮像された）画像をリファレンス位相情報で補正するユニット（機能）２４ｄとを含む。撮像素子２３から得られた画像とリファレンス情報とから差分（ディファレンシャル）情報を取得することにより、光学的かつ電気的な不均一要素を観察対象物５の位相情報から大幅に削除でき正規の情報のみ得ることが可能となる。また、この処理は幾つかの同一機器を製造する上での光学的・電気的要素からなる不均一性もキャンセルでき、装置ごとの個体差を解消できるメリットもある。
【００５６】
画像処理ユニット２４は、さらに、観察対象物５であるウエハーをセットするステージをモーターによりモーションコントロールをすることで画像情報を自動でコンピュータなどに取り込む機能を含んでいてもよい。画像処理ユニット２４は、取得した画像を貼り合わせることで１枚のウエハー全体画像（ワンショット画像）を表示する機能を含んでいてもよい。これらの機能により、ウエハー全面にある歪場の強度分布や傾向の把握が容易になる。
【００５７】
本観察システム１を用いた観察の実施例として、厚さ約３６０μｍ、直径約７６．２ｍｍの８°オフｐ型単結晶４Ｈ−ＳｉＣ基板を評価した。その結果を図５に示す。図５（ａ）は、株式会社ニコン製の工業用顕微鏡ＥＣＬＩＰＳＥＬＶ１００Ｄで基板の表面を観察した結果であり、図５（ｂ）は当社が開発中の観察システム（偏光顕微鏡ＸＳ−１）１により同一箇所を観察した結果である。本観察においては、４０５ｎｍを中心波長ＣＷＬとする半値幅ＨＷが５０ｎｍの準単色光からなる発散角ＤＡが０．５ｍｒａｄ以下の平行光５３を基板に照射し、消光比ＥＲが１０−３以下のポラライザー１９とアナライザー２１との組み合わせを使用して画像を取得した。
【００５８】
図５（ａ）は、観察対象であるｐ型単結晶４Ｈ−ＳｉＣ基板のマイクロパイプ欠陥の光学的歪みを観察した簡易透過偏光像であると判断される。一方、観察システム１において準単色の平行光を用いて同一箇所を観察した画像である図５（ｂ）には、マイクロパイプ以外にも、工業用顕微鏡では観察できない多数の光学的歪みが観察されていることがわかる。
【００５９】
図６（ａ）および（ｂ）に、図５（ａ）および（ｂ）の図５（ｂ）に四角で示した部分を拡大した画像を示している。観察システム１で取得した画像（図６（ｂ））には、通常の工業用顕微鏡では検知できない多数の結晶転位が光学的歪みとして検知できていることが分かる。
【００６０】
なお、以上においては、透過型の観察システム１を例に説明したが、共通の構成で反射型（落射方式）のシステムを提供することも可能である。反射型は測定対象物（観察対象物）５の表面が鏡面で、かつ結晶の歪み場が試料表面あるいはその近傍付近にまで到達しているような比較的、応力歪が大きく高感度を要しない観察用途に有効である。
【００６１】
反射型のシステムの一例は、照明装置１０の点光源をポラライザー（偏光子）に通し、ハーフミラー面に照射するものである。光軸に対して４５度にあるハーフミラーにより光は直角に光路を曲げ対物レンズ（テレセントリック・コンデンサーレンズ）側へ照射させることで平行光束（コリメート光）を生成し、厳密な垂直角度にて試料面に照射する。試料面からの正反射成分は再度、対物レンズで受けたのちクロスニコルに設定したアナライザー（検光子）を通して検出器（ＣＣＤ）に入光させることで試料表面の歪み場の観察が可能になる。
【００６２】
その際、対物レンズの外側に１／４λ、或いは１／２λの位相板（コンペンセータ）を設け、位相板を回転させる事により入力位相が変化することで試料表面からの反射光を可変できる。また、試料表面あるいはその近傍に存在する歪み場によるレタデーションの変化や観察が可能になる。
【００６３】
以上に説明したように、本観察システム１により、従来の偏光顕微鏡では観察が困難であった４Ｈ−ＳｉＣウエハーなどの一軸性極性結晶基板内に存在する原子変位による微小な結晶転位の有無やプロファイルを観察（可視化）することが可能となる。
【００６４】
典型的には観察システム１は、ケーラー照明の低コリメート光とは異なり、極小ピンホール１５による点光源を生成しテレセントリック・コンデンサーレンズ１８によって直線性が高くテレセントリシティが０．３ｍｒａｄ以下でむらの無い均一な平行光束（コリメート光）５３を出力できる。このコリメート光５３は、インコヒーレントのケーラー照明と比較して半値幅１０ｎｍの狭い波長帯域であることから可干渉性のある準単色光であり空間的コヒーレンスの高い光で、分光スペクトルは広帯域の波長（白色光）とは異なり、屈折率の高い近紫外光４０５ｎｍを使用している。さらに、偏光子１９と検光子２１は試料物体（観察対象）５の直接上下に位置することで偏光情報に対して中間光路としてのコンデンサーレンズ１８や対物レンズ２２などの光学的歪の影響は受けない構成としている。さらに、撮像素子２３により得られた画像の低中輝度域増幅し、直交ニコルからの僅かな位相差量を得ることで微小なレタデーション情報の感度を高めた画像を得ている。
【００６５】
この観察システム１により、たとえば、一軸性極性結晶のＳｉＣウエハーの場合、通常の偏光顕微鏡では捉えられないウエハーに存在する原子変位が要因の転位による貫通螺旋転位や貫通刃状転位などの僅かなレタデーションを示す歪場の観察が可能である。コリメート照射によりウエハー内にある転位層のプロファイルは、対物レンズ２２のＺ方向の焦点位置を可変する事でコントラストが変化し、深度がどのあたりにあるのかの定量観察が可能である。また、観測対象５のウエハーの個体差によってオリフラ面に対する結晶軸方位の誤差がレタデーションの差で確認できる。
【００６６】
透過型Ｘ線トポグラフとの画像比較をした結果、この観察システム１で検出された転位欠陥の位置との整合性がある。したがって、本観察システム１により、小規模の透過型Ｘ線トポグラフの画像（情報）より圧倒的に高い解像度（空間分解能）がある情報を取得できる。本観察システム１を用いた観察によれば、裏面からの透過観察のため、表面反射型Ｘ線トポグラフと比較してレタデーションの情報量が非常に多い画像が得られる。また、別途実施したＫＯＨエッチングの評価により、本観察システム１で捉えられた転位欠陥の位置とＫＯＨエッチングで確認されるような微細な結晶構造の欠陥とのマッチングが得られている。
【００６７】
現在、一軸性極性結晶のＳｉＣウエハーに対してさまざまな検証・評価が行われており、放射光Ｘ線トポグラフ測定のデータに対して数多くの相関性が認められた。その一方、放射光Ｘ線トポグラフとは基本原理が異なるため、本観察システム１で取得した情報の中には一部未知の要素があるのも事実であり、また反射型Ｘ線トポグラフの評価結果と比較した場合、本装置側の情報量が多い点から、透過型または反射型Ｘ線トポグラフやＫＯＨエッチングなどの検証を併用しながら別視点や観点からの評価・分析データを得ている途上である。
【００６８】
本観察システム１および観察システム１を用いた評価工程を有する製造方法、検査方法においては、観察が容易で且つリアルタイムに転位部の観察が可能なうえ、試料による評価・検証にかかる時間が飛躍的に短いというメリットを有する。今後、本観察システム１により得られる情報の解析により、転位に関する様々な要因や識別、分別化が進めばフォトルミネッセンス（ＰＬ）イメージング測定や大型施設である放射光Ｘ線トポグラフ測定に代わる評価装置として大きな効果と威力を発揮すると考えられる。
【００６９】
観察対象が微小な歪場や転位サイズが原子レベルの格子欠陥である場合、たとえば、結晶の転位密度が低く原子レベルの変位（ＳｉＣウエハーなどに見らえる貫通螺旋転位、貫通刃状転位など）に起因する転位近傍の微小な複屈折の検出、原子変位レベルの歪や微小な転位欠陥の観察や評価・分析には、破壊検査としてＫＯＨエッチング法、非破壊検査ではＰＬイメージング測定法、あるいはシンクロトロンによる放射光Ｘ線トポグラフなどの大型放射光施設による観察法しかないと考えられている。本観察システム１により、偏光顕微鏡の観察対象を、たとえば、プラスチック、鉱物、液晶あるいは単結晶体のＳｉＣウエハーに見られるマイクロパイプのような非常に大きな応力歪をもつ変位に加え、より小さな歪場や、よりサイズの小さな格子欠陥まで広げることができる。このため、材料の評価がいっそう簡易になり、それに要する費用が軽減される。
【００７０】
たとえば、特開２０１５−１７８４３８号公報には、結晶性の良い高品質な半導体デバイス構造を形成させ得る窒化ガリウム自立基板を提供することが記載されている。窒化ガリウム結晶が完全結晶に近くなると、Ｘ線の吸収係数による減衰を示さないで、Ｘ線が結晶を通過する異常透過現象が現れ、これを利用した透過Ｘ線トポグラフィを試験項目とすることにより、検査工程で許容できない欠陥の検出が可能となることが記載されている。
【００７１】
特開２０１４−１８９４８４号には、ＳｉＣ単結晶基板表面の結晶欠陥がエピタキシャル層に伝播し、または基板内の無欠陥部位の結晶構造が乱れるため、基板上に結晶欠陥の非常に少ない高品質なエピタキシャル層を形成することが困難となることが記載されている。この文献に記載された炭化珪素半導体基板製造方法は、炭化珪素半導体基板に形成される結晶欠陥の位置をＸ線トポグラフィーまたはフォトルミネッセンス法により特定する欠陥位置特定工程と、結晶欠陥の特定領域に量子ビームを照射することにより、エピタキシャル層への結晶欠陥の伝播を抑制する無効化処理を行う結晶欠陥無効化工程と、無効化処理を施した基板上にエピタキシャル層を形成するエピタキシャル層形成工程とを備えたものである。
【００７２】
特開２０１４−２１０４号公報には、モノクロメータを用いないで反射Ｘ線トポグラフィによってＳｉＣ単結晶基板の転位密度を評価することができるＳｉＣ単結晶基板の評価方法を提供することが記載されている。この文献のＳｉＣ単結晶基板の評価方法は、反射Ｘ線トポグラフィによってＳｉＣ単結晶基板の転位を評価する方法であって、Ｘ線源としてＭｏＫα線を用い、回折面として非対称反射面を用いて、ＳｉＣ単結晶基板のＸ線トポグラフィ像を得て、該Ｘ線トポグラフィ像を用いてＳｉＣ単結晶基板の転位密度を計測することを特徴とするものである。
【００７３】
これらのＸ線トポグラフィ像を用いた評価を、本観察システムおよび観察システムを用いた評価により代替えできる可能性がある。本観察システムは、偏光された平行光を基板に照射すること、基板を透過または反射した光により得られた画像より基板を評価することを含む、産業的に有効な方法に適用できる。平行光の中心波長ＣＷＬ、半値幅ＨＷおよび発散角ＤＡは上述した範囲のものが有効である。評価するステップは、クロスニコルにより評価することを含んでもよく、焦点深度を変えることを含んでもよい。また、評価することは、原子配列の変位に基づく格子歪みを評価することを含んでもよく、原子配列の変位に基づく格子歪みとしては、貫通らせん転位、貫通刃状転位、基底面転位、積層欠陥、インクルージョンを挙げることができる。また、この方法は、評価により選択された基板を用いた製品を製造することを含んでもよく、基板を用いた製品の製造方法であってもよい。また、この方法は、評価により定められた基板の領域に処理を施すことを含んでもよい。
【００７４】
また、この観察システム１およびそれを用いた評価方法などは、ＳｉＣウエハーに限らず、その他の単結晶基板や高品位なガラス基板、光学フィルターなどの微小歪を観察可能であり、さまざまな用途に応用できる。特に、本観察システム１は、可視光またその近傍の波長域の光を用いており、装置サイズが非常にコンパクトで卓上型で提供することも可能である。したがって、設置場所を選ばず、且つ安全で特別な環境や特定のオペレーション技師を必要としないことも大きなメリットである。
【符号の説明】
【００７５】
１  観察システム、  １０  照明装置、  ２０  受光装置
【図１】
0006629572.tif 000002
【図２】
0006629572.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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