(57)【要約】【課題】観察倍率の変更によって光学系に生じる偏芯を検出して補正することができる表面観察装置を提供する。【解決手段】観察対象物１の表面を観察倍率を変えて観察するための観察光学手段３と、観察対象物１を載置して水平方向へ移動可能な載置手段２とを有し、載置手段２を水平移動させることによって観察対象物１の表面における所望部分の観察を行う表面観察装置において、載置手段２とは独立な位置に偏芯検出用の基準マーク１３を有し、載置手段２は基準マーク１３からの光を遮光しない位置へさらに移動可能であり、観察倍率を変える際に生じる観察光学手段３の偏芯を検出することを特徴とする。【選択図】図１
2004085213.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
観察対象物の表面を観察倍率を変えて観察するための観察光学手段と、
前記観察対象物を載置して水平方向へ移動可能な載置手段とを有し、
前記載置手段を水平移動させることによって前記観察対象物の表面における所望部分の観察を行う表面観察装置において、
前記載置手段とは独立な位置に基準マークを有し、
前記載置手段は前記基準マークからの光を遮光しない位置へさらに移動可能であり、
前記観察倍率を変える際に生じる前記観察光学手段の偏芯を検出することを特徴とする表面観察装置。
【請求項２】
請求項１に記載の表面観察装置において、
前記観察光学手段における対物レンズの物体面上の視野と、前記基準マークとが光学的に共役となるように、リレー光学手段が配置されていることを特徴とする表面観察装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウェハや液晶基板等の表面観察に好適な表面観察装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体ウェハや液晶基板等（以下、「基板」という）に形成されたパターンを観察するために、複数の対物レンズを取り付けたレボルバを回転させることによって所望の倍率の対物レンズを選択して観察することが可能な顕微鏡が用いられている。斯かる顕微鏡を用いて基板を観察する際には、低倍率で観察しながら基板表面の所望部分（観察したい部分）を選んで視野の中央に配置し、高倍率に切り替えてその部分を観察するという方法が採用されている。
【０００３】
【発明の解決しようとする課題】
しかしながら、上述の顕微鏡を用いた方法で基板に形成されたパターンを観察する場合、レボルバを回転させて所望の対物レンズを選択する際に、レボルバの停止精度が悪いと観察されるパターンの像がずれてしまうという問題がある。
【０００４】
そこで本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、観察倍率の変更によって光学系に生じる偏芯を検出して補正することができる表面観察装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は、
観察対象物の表面を観察倍率を変えて観察するための観察光学手段と、
前記観察対象物を載置して水平方向へ移動可能な載置手段とを有し、
前記載置手段を水平移動させることによって前記観察対象物の表面における所望部分の観察を行う表面観察装置において、
前記載置手段とは独立な位置に基準マークを有し、
前記載置手段は前記基準マークからの光を遮光しない位置へさらに移動可能であり、
前記観察倍率を変える際に生じる前記観察光学手段の偏芯を検出することを特徴とする表面観察装置を提供する。
【０００６】
また、請求項２に記載の表面観察装置は、
請求項１に記載の表面観察装置において、
前記観察光学手段における対物レンズの物体面上の視野と、前記基準マークとが光学的に共役となるように、リレー光学手段が配置されていることを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図１，２は、本発明の実施の形態に係る表面観察装置の概略構成図である。図１に示す本実施の形態に係る表面観察装置において、基板等の観察対象物１はステージ２に載置される。ステージ２は水平方向（ｘｙ方向）及び鉛直方向（ｚ方向）へ移動可能であり、このステージ２を移動させることによって観察対象物１をｘｙ方向及びｚ方向へ移動させることができる。そして、観察対象物１の上方には対物レンズ４と結像光学系９とを備える観察光学系３が配置されている。また、対物レンズ４と結像光学系９との間の光路中には、落射照明用光源７からの光を導くための落射照明光学系８が配置されている。
ここで、対物レンズ４は回転可能なレボルバ６に取り付けられており、該レボルバ６にはさらに対物レンズ５が取り付けられている。これにより観察光学系３は、レボルバ６を回転させて対物レンズ４，５を切り替えることによって、観察倍率を変更することができる。
また、観察光学系３の上方の像面にはＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ　Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｄｅｖｉｃｅ：電荷結合素子）やイメージ管等の撮像素子１０が配置されている。
【０００８】
以上の構成の下、落射照明用光源７から射出された照明光は、落射照明光学系８と対物レンズ４とを介して観察対象物１に入射する。そして、観察対象物１から発せられた光は、対物レンズ４によって集光されて落射照明光学系８を透過する。落射照明光学系８を透過した光は、結像光学系９によって所定の位置（結像位置）１１に結像される。この結像位置１１には上述の撮像素子１０の撮像面が配置されており、この撮像素子１０によって観察対象物１の像を光電変換して観察することができる。
【０００９】
尚、目視による観察の場合、光路を分岐または切り換えるためのプリズムと、目視観察のための接眼光学系と、観察光学系３の偏芯の量を計測するための偏芯モニタ系とを設ける構成とする。これにより結像位置１１に結像した光を分岐または切り換えし、分岐した光の一方または光路切り換え機構を透過した光を観察者の網膜に接眼光学系を介して結像させることによって目視観察ができ、分岐した光のうちの他方または光路切り換え機構で反射した光を結像位置１１と光学的に共役な位置に配置した撮像素子の撮像面に導くことによって観察光学系３の偏芯の量を計測することができる。
【００１０】
次に、本発明の実施の形態に係る表面観察装置の特徴的な構成について詳細に説明する。
本実施の形態に係る表面観察装置は、観察対象物１を載置したままステージ２を図１中矢印方向（−ｘ方向）へ移動させて、観察対象物１及びステージ２を観察光学系３の視野から退避させることができる構成となっている。
さらに本実施の形態に係る表面観察装置において、観察光学系３の下方には後述の基準マーク１３の像を観察光学系３における対物レンズ４の物体面上の視野１６に結像させるためのリレー光学系１２が配置されている。また、リレー光学系１２を介して、観察光学系３における対物レンズ４の物体面上の視野１６と光学的に共役な位置には基準マーク１３が配置されている。尚、基準マーク１３は撮像素子１０の撮像面とも光学的に共役である。そして、基準マーク１３の下方には、基準マーク１３を照明するための透過照明光学系１４と透過照明用光源１５が配置されている。
【００１１】
図２は、本発明の実施の形態に係る表面観察装置におけるステージ２を観察光学系３の視野から退避させたときの概略構成図である。
図２において、透過照明用光源１５から射出された照明光は、透過照明光学系１４を介して基準マーク１３へ入射する。そして、基準マーク１３を経た光はリレー光学系１２によって観察光学系３の視野１６に結像された後、観察光学系３へ入射する。そしてこの光は、観察光学系３によって結像位置１１に結像される。
【００１２】
図３（ａ）は、基準マーク１３の構成を示す図である。基準マーク１３は十文字の光透過部を有する遮光部材である。従って、上述の基準マーク１３を経た光は、結像位置１１に基準マーク１３の十文字状の像を結ぶこととなる。
また予め基準マーク１３は、観察光学系３を構成する光学素子どうしに偏芯がない場合に、基準マーク１３の十文字状の像の中心（以下、「基準マーク１３の像中心」という）と結像位置１１に配置された撮像素子１０の撮像面の中心とが一致するように配置されている。従って、レボルバ６を回転させて対物レンズ４を切り替えた際にレボルバ６の停止精度等に起因して観察光学系３における対物レンズ５に偏芯が生じてしまった場合（図４参照）、基準マーク１３の像中心と撮像面の中心とは不一致となる。尚、図４は本実施の形態に係る表面観察装置において、観察光学系３における対物レンズ５に偏芯が生じた場合の基準マーク１３の像中心Ｏと撮像面の中心Ｐとのずれ量を示す図である。
斯かる構成により、レボルバ６を回転させて対物レンズ４，５を切り替えた際に、基準マーク１３の像中心が結像位置１１に配置された撮像素子１０の撮像面の中心に一致するように、レボルバ６の停止位置、又は対物レンズ４，５のレボルバ６への取り付け位置を調整することによって、観察光学系３における対物レンズの偏芯を補正することができる。
【００１３】
ここで、撮像素子１０の撮像面における基準マーク１３の像中心の座標の算出法を説明する。撮像素子１０の撮像面における基準マーク１３の像中心の座標は、撮像素子１１によって検出された基準マーク１３の画像信号を積算することによって求めることができる。
図３（ｂ）は、撮像素子１０の撮像面に形成される基準マーク１３の像を示す図である。また図３（ｃ），（ｄ）はそれぞれ、撮像素子１０によって検出された基準マーク１３の画像信号を積算して得られる、像中心Ｏのｙ座標を求めるための信号（ｙ方向積算信号），像中心Ｏのｘ座標を求めるための信号（ｘ方向積算信号）を示す図である。
【００１４】
基準マーク１３の像中心Ｏの座標は、ｙ方向積算信号が所定の閾値を横切る２点ａ，ａ’の中点を求めて該中点を像中心Ｏのｙ座標、ｘ方向積算信号が所定の閾値を横切る２点ｂ，ｂ’の中点を求めて該中点を像中心Ｏのｘ座標とすることによって求めることができる（図３（ｂ），（ｃ），（ｄ）参照）。このようにして撮像面における基準マーク１３の像中心Ｏの座標を求めることができる。
これにより、基準マーク１３の像中心と撮像素子１１の撮像面の中心とのずれ、即ち対物レンズの偏芯の量を計算することができる。従って、対物レンズを切り替えた後に、基準マーク１３の像中心の座標が撮像素子１０の撮像面の中心に一致するように、レボルバ６の回転停止位置、又は対物レンズ４，５の取り付け位置を調整することによって、観察光学系３における対物レンズ４，５の偏芯を補正することができる。
【００１５】
尚、以上の基準マーク１３の像中心の算出法は、上述の十文字状のパターンを有する基準マーク１３に限られるものではない。撮像面における受光光量がある部分においてピーク値を有するようなパターンの基準マークであれば、上述の像中心の算出法を適用することができる。例えば、図５（ａ）に示す円形状の光透過部を有する基準マークにも適用することができる。図５（ａ）は、円形状の基準マークの構成を示す図である。また図５（ｂ）は、撮像素子１０の撮像面に形成される図５（ａ）に示す円形状の基準マークの像を示す図である。そして図５（ｃ），（ｄ）はそれぞれ、ｙ方向積算信号，ｘ方向積算信号を示す図である。また、前述のパターンの明暗を反転させたパターンでもよい。この場合はマーク中心は光量が極小になる部分となるが、閾値を横切る点の中心をとることで同様に求めることができる。
【００１６】
上述のように本実施の形態に係る表面観察装置では、基準マーク１３の像中心を撮像素子１０の撮像面の中心に一致させるために、上述のレボルバ６の回転停止位置、又は対物レンズ４，５の取り付け位置を調整する構成である。さらに本実施の形態に係る表面観察装置では、レボルバ６を光軸に対して垂直な面内（ｘｙ平面内）で平行移動させるための偏心機構を設け、レボルバ６をｘｙ平面内で移動させることによって対物レンズ４，５の偏芯を補正する構成とすることもできる。
また、対物レンズ４，５の偏芯による基準マーク１３の像中心と撮像素子１０の撮像面の中心とのずれ量は、観察光学系３が無限遠光学系である場合、対物レンズ４，５の偏芯の量と観察光学系３の観察倍率との積と等しくなる（図４参照）。このため、ステージ２を水平移動させるための不図示のステージ駆動部に観察光学系３における対物レンズ４，５の偏芯の量に基づいてオフセットを与え、ステージ２の移動する位置を対物レンズ４，５の偏芯の量に相当する分だけずらすことによって該対物レンズ４，５の偏芯を補正する構成とすることもできる。
【００１７】
また、基準マーク１３の像を観察光学系３の視野に形成するためのリレー光学系１２は、該リレー光学系１２と観察光学系３の視野との間に観察対象物１を載置するステージ２を光路内へ挿入するための作動距離が必要である。このため、リレー光学系１２の開口数を大きく確保することができない。そこで、リレー光学系１２のステージ２側の開口数は、低倍率の対物レンズと略同じ程度の開口数０．１程度とすることが望ましい。この場合、解像限界は可視光で約３．３μｍ程度となる。より高倍率の対物レンズで観察する場合、基準マーク１３の像を形成する光束の開口数は固定されたままであるため、撮像面（結像位置１１）で観察される像のエッジはなまって（不明瞭となって）しまうが、上述の基準マーク１３の像中心の算出法によって正確に一定して基準マーク１３の像中心を検出することができる。
【００１８】
また、基準マーク１３のパターンの線幅はリレー光学系１２の開口数をもとに十分な解像と光量を確保することができるように決定する。例えば、上述のようにリレー光学系の開口数が０．１の場合、解像限界は約３．３μｍで、パターンの線幅はこの解像限界の２〜３倍程度の値、即ち６μｍ〜１０μｍが望ましい。高倍率の対物レンズは、低倍率の対物レンズに比べてその開口数が一般的に大きくなるため解像度については問題がない。むしろ、線幅が大き過ぎる場合、視野よりもパターンの像が大きくなってしまうため、あまり大きな線幅のパターンでは観察することができなくなってしまう。しかし、線幅が小さ過ぎる場合、低倍率の対物レンズでは十分な光量を得ることができないため、像の検出が困難となる。そこで、前述のように低倍率の対物レンズの解像限界の２〜３倍程度の線幅のパターンを用いることが望ましい。さらに本実施の形態に係る表面観察装置では、より像のエッジの検出精度を高めるために、パターンを複数の線で構成してそのエッジの平均を計算する構成としてもよい。
【００１９】
また、上述のように本実施の形態に係る表面観察装置は、ステージ２を水平移動させることによって、観察対象物１及びステージ２を観察光学系３の視野から退避させる構成である。しかし本発明はこれに限られず、観察光学系３と基準マーク１３とが相対的に固定されている状態でステージ２に基準マーク１３を経た光を遮光しない程度の大きさの開口部を設ける構成とすることもできる。斯かる構成により、対物レンズ４，５の切り替えのためにレボルバ６を回転させた際に、ステージ２を水平移動して前述の開口部を観察光学系３の視野位置に合わせ、上述の方法で対物レンズ４，５の偏芯を補正することができる。
【００２０】
尚、本実施の形態では、レボルバ６を回転させて対物レンズ４，５の切り替えを行うことによって観察光学系３の倍率を変更する表面観察装置について述べた。しかし本発明はこれに限られるものでなく、観察光学系３に変倍光学系を備え、該変倍光学系によって変倍する構成の表面観察装置においても同様に適用することができる。この場合、観察光学系３に生じた偏芯を、変倍光学系の偏芯を調整することによって補正する他、平行平板ガラスによる偏心やウエッジプリズムによる光路の偏心を行うことによって補正することができる。
【００２１】
以上より、本発明の実施の形態に係る表面観察装置は、観察光学系の観察倍率の変更によって生じる偏芯を検出して補正することができる。これにより、常に被検物体を視野の中心に配置しながら観察を行うことができる。
【００２２】
従って、本発明の実施の形態に係る表面観察装置によれば、観察者が目視にて大量の基板（被検物体）をそれぞれ低倍率から高倍率へ倍率を順次細かく切り替えて観察する場合でも、短時間に効率良い観察を行うことができる。
また、本発明の実施の形態に係る表面観察装置によれば、レボルバ等の可動部材はステージ上に載置される基板よりも上方に位置しているが、基板及びステージを観察光学系の視野から退避させた後にレボルバを回転させて倍率を切り替える構成である。このため、レボルバを回転させて倍率を切り替えることによって新たな異物が基板上に落ちてしまうことを防止することができる。
【００２３】
また、欠陥検査装置を用いて基板を検査した後に、該欠陥検査装置で検出された基板の異物や欠陥等の目視による確認（いわゆるレビュー作業）がよく行われる。それに本実施の形態に係る表面観察装置を用いることによって、異物や欠陥等を見失ってしまうこと等を防止し、即座に高倍率で観察することが可能となり、効率的な目視観察を行うことができる。
【００２４】
また、基板の表面を走査して欠陥を検出するいわゆる自動欠陥検査装置を本実施の形態に係る表面観察装置を用いて構成することによって、像面視野を正確に規定することが可能となるため、基板表面を重複して検査したり検査漏れが生じたりすることを防止できる。従って、基板の走査領域を重複させて像を取り込む必要がなくなるため、検査効率の向上を図った自動欠陥検査装置を実現することができる。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば、観察倍率の変更によって光学系に生じる偏芯を検出して補正することができる表面観察装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る表面観察装置の概略構成図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る表面観察装置におけるステージ２を観察光学系３の視野から退避させたときの概略構成図である。
【図３】（ａ），（ｂ），（ｃ），及び（ｄ）はそれぞれ、本発明の実施の形態に係る表面観察装置における基準マーク１３の構成を示す図，撮像素子１０の撮像面に形成される基準マーク１３の像を示す図，ｙ方向積算信号を示す図，及びｘ方向積算信号を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る表面観察装置において、観察光学系３における対物レンズ５に偏芯が生じた場合の基準マーク１３の像中心Ｏと撮像面の中心Ｐとのずれ量を示す図である。
【図５】（ａ），（ｂ），（ｃ），及び（ｄ）はそれぞれ、円形状の基準マークの構成を示す図，撮像素子１０の撮像面に形成される円形状の基準マークの像を示す図，ｙ方向積算信号を示す図，及びｘ方向積算信号を示す図である。
【符号の説明】
１　　　　観察対象物
２　　　　ステージ
３　　　　観察光学系
４，５　　対物レンズ
６　　　　レボルバ
７　　　　落射照明光学系
８　　　　落射照明用光源
９　　　　結像光学系
１０　　　撮像素子
１１　　　結像位置
１２　　　リレー光学系
１３　　　基準マーク
１４　　　透過照明光学系
１５　　　透過照明用光源
【図１】
2004085213.tif 000003
【図２】
2004085213.tif 000004
【図３】
2004085213.tif 000005
【図４】
2004085213.tif 000006
【図５】
2004085213.tif 000007