【手続補正書】
【提出日】平成19年10月31日(2007.10.31)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光源からの光束を垂直方向の回転軸とした回転ミラーを経てｆθレンズの結像面に向かわせる走査光学系と、
このｆθレンズ結像面からの光束を受け、リレーレンズ、対物レンズを経て表面が水平方向に設置された物体に向かわせる光路が縦型構造の画像光学系と、
この画像光学系を介して物体表面を照明し、その照明領域を観察画像として観察用表示部に伝える照明光学系と、
前記照明領域中の物体表面を走査光学系と画像光学系で走査し、その反射光束を画像光学系、走査光学系を経て受け取り、物体表面形状の高さ方向変位量を光量差として検出する走査光学系中の分岐測定光学系とを有し、
水平状物体表面の所望領域を予め観察画像として観察用表示部で確認してから垂直方向の回転軸とした回転ミラーで物体表面を走査し、その反射光を分岐測定光学系で画像信号として検出し、測定用表示部に表示するようにしたことを特徴とする物体表面の観察装置。
【請求項２】
走査光学系中のｆθレンズを通過した光束をタイミング検出光学系に導き、同光学系中に設置した光透過部と光遮断部を交互に一定ピッチで配したグレィティングを走査するようになし、その通過光束で分岐測定光学系による画像信号の取り込みタイミングを得るようにしたことを特徴とする請求項１記載の物体表面の観察装置。
【請求項３】
画像光学系のリレーレンズと対物レンズ間位置で対物レンズの入射瞳相当位置に絞りを設置したことを特徴とする請求項１記載の物体表面の観察装置。
【請求項４】
画像光学系のリレーレンズと対物レンズ間位置で対物レンズの入射瞳相当位置にガルバノミラースキャナを設置し、走査光学系による物体上の走査方向と直交する方向に走査するようにしたことを特徴とする請求項１記載の物体表面の観察装置。
【請求項５】
画像光学系の対物レンズを交換自在としたことを特徴とする請求項１、３、４記載の物体表面の観察装置。
【請求項６】
照明光学系と画像光学系で照明した物体上照明領域からの反射光を、画像光学系を介して観察画像用受光部に投影し、その信号を物体のＺ方向オートフォーカス信号として物体設置ステージに伝えるようにしたことを特徴とする請求項１、３、４、５記載の物体表面の観察装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００１】
本発明はレーザ光源からの光束で物体の表面を走査し、その形状を二次元的に走査し高さ方向の変位量として観察測定する装置に関するもので、特に水平方向に設置した物体の表面観察領域を予め画像として観察用表示部画面上に表示し、この表示画像が所望の観察領域とほぼ一致していることを確認してから物体表面を垂直方向の回転軸とした回転ミラーを持つ走査光学系で走査し、走査時に発生するムラを除去して高精度の表面形状高さ方向変位量を監察し測定できるようにしたものである。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
上記課題を解決するため本発明は、レーザ光源からの光束を垂直方向の回転軸とした回転ミラーを経てｆθレンズの結像面に向かわせる走査光学系と、このｆθレンズ結像面からの光束を受け、リレーレンズ、対物レンズを経て表面が水平方向に設置された物体に向かわせる光路が縦型構造の画像光学系と、この画像光学系を介して物体表面を照明し、その照明領域を観察画像として観察用表示部に伝える照明光学系と、前記照明領域中の物体表面を走査光学系と画像光学系で走査し、その反射光束を画像光学系、走査光学系を経て受け取り、物体表面形状の高さ方向変位量を光量差として検出する走査光学系中の分岐測定光学系とを有し、水平状物体表面の所望領域を予め観察画像として観察用表示部で確認してから垂直方向の回転軸とした回転ミラーで物体表面を走査し、その反射光を分岐測定光学系で画像信号として検出し、測定用表示部に表示するようにしたことを特徴とする。
請求項２の発明によるものは請求項１記載の物体表面の観察装置において、走査光学系中のｆθレンズを通過した光束をタイミング検出光学系に導き、同光学系中に設置した光透過部と光遮断部を交互に一定ピッチで配したグレィティングを走査するようになし、その通過光束で分岐測定光学系による画像信号の取り込みタイミングを得るようにしたことを特徴とする。
請求項３の発明によるものは請求項１記載の物体表面の観察装置において、画像光学系のリレーレンズと対物レンズ間位置で対物レンズの入射瞳相当位置に絞りを設置したことを特徴とする。
請求項４の発明によるものは請求項１記載の物体表面の観察装置において、画像光学系のリレーレンズと対物レンズ間位置で対物レンズの入射瞳相当位置にガルバノミラースキャナを設置し、走査光学系による物体上の走査方向と直交する方向に走査するようにしたことを特徴とする。
請求項５の発明によるものは請求項１、３、４記載の物体表面の観察装置において、画像光学系の対物レンズを交換自在としたことを特徴とする
請求項６の発明によるものは請求項１、３、４、５記載の物体表面の観察装置において、照明光学系と画像光学系で照明した物体上照明領域からの反射光を、画像光学系を介して観察画像用受光部に投影し、その信号を物体のＺ方向オートフォーカス信号として物体設置ステージに伝えるようにしたことを特徴とする。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
本発明は走査光学系と物体間に画像光学系を設置し、この画像光学系を利用して物体表面を照明し、その反射像を観察用表示部に表示するようにした。そのためこの表示部上で物体表面の観察領域を予め確認し、必要なら物体をＸ、Ｙ方向に移動して物体上の求める観察領域を表示部に映し出してから、走査光学系で物体表面上の観察領域に相当する範囲を走査できるようにした。これによって事前に走査光学系で走査する領域と必要とする観察領域がほぼ一致しているという保証を得ることが出来る。
また走査光学系から物体に向かう光束を一旦、一次結像面に結像させた後、前記した画像光学系を経て物体に向かわせるという全体光学系の構成としたので、画像光学系を一般顕微鏡と同様に縦型とすることができる。これで物体表面は水平方向として扱うことが出来、走査光学系内の回転ミラー回転軸は垂直方向のままとすることが出来る。これによって走査光学系は走査時に発生する回転ムラやぶれなどの不安定要因を除去して高精度の走査を実施することが出来る。こられによって物体の取り扱い性や装置全体の精度を向上することが出来る。
さらに画像光学系の設置は、一次結像面とｆθレンズ間にグレィティングを挿入することが可能となり、回転ミラー用モータの回転ムラやｆθレンズのｆθ特性、製作誤差などをカバーすることが出来る。これは走査光学系によって行われる走査精度を向上することになる。また画像光学系の設置は倍率変換のための対物レンズの装着を交換自在にすることが可能となる。これは走査光学系内の構成や制御部内の演算処理などをなんら変更することなく従来走査系できなかった倍率変換を実施できるということになり、走査結果を表示する測定用表示部の画像にも有効である。さらに画像光学系の設置は、その光学系中に絞りを設置することが可能となる。これによって走査光学系が取り扱う画像のＮＡ（開口数）を変更することが出来るから、例えばレーザスポットサイズを高精度、普通精度、低精度というようなランク分けした物体表面走査を実施することが出来る。
また画像光学系の設置は、その光学系中にガルバノミラースキャナを設置することが可能となる。このスキャナの設置は物体上の走査を回転ミラーによるＸ方向とスキャナによるＹ方向の両方で二次元的に走査することが出来るようになる。それによって走査速度を速め物体のＹ方向移動による振動を除去し、光学系の歪みを除去し解像力も良くすることができる。さらに画像光学系の設置はオートフォーカス機能を容易に導入することが可能となり、ピント合わせの精度を向上することが出来る。このように全体として精度の向上と新機能を得ることが出来る。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
図２は本発明の概略を説明する図である。図Ａの正面図として示した光学系においてｆθレンズ７の口径をＤ、物体８上のレーザスポット径をφ、レンズ７の焦点距離をｆとした場合、
φ＝α×ｆ／Ｄ×λ
となる（α＝係数、λ＝波長）。
物体上の解像力を高めるためにはφを小さくすればよいから、Ｄは大きくなる。逆にＤを小とすればφは大となり解像力は低下する。またｆを大とするとφも大となり、ｆが小であればφも小となる。これらのことは解像力を高めさらに一般の顕微鏡と同じように縦型構造の光学系として、物体を水平面に設置したいという本発明の趣旨と相反することになる。即ち、ｆを長くして図Ａ中の点線のように光路中にミラー１４を設置するようにすれば縦型構造の光学系が得られる。しかしこれではφが大きくなって解像力が低下してしまう。このφを小さくして解像力を上げようとすると、Ｄの値が大きくなりミラー１４の設置が困難となる。
このようなことに対処するため本発明は走査光学系１と物体８間に画像用の光学系を設置するようにした。これを図Ｂを用いて説明する。この図は全体光学系を説明するためのもので、図の右側に示した走査光学系１は図１と同様の平面図としてあり、図の左側に示した後に説明する画像光学系１６は図２Ａと同様の正面図として示してある。このような便宜的な変則説明図として示した図Ｂにおいて、走査光学系１からの光束はｆθレンズ７の焦点位置１５に一旦結像する。この位置を一次結像面１５として投影された光束を画像光学系１６を経て物体８に向かわせる。この画像光学系１６中にはビームスプリッタ１７が設置され光路を９０度変更し、光学系１６を縦型構造とする。これによって回転ミラー５の回転軸は垂直方向としたままで物体８の表面を水平方向に設置することが可能となる。また縦型構造とした画像光学系１６の上方には照明光学系１８が設置され、前記水平方向に設置された物体８の表面を画像光学系１６を利用して照明する。照明された物体８からの反射光は画像光学系１６、照明光学系１８を経て観察用表示部１９に送られて表示される。これで物体８上を走査光学系１で走査する以前に、物体上の走査することになる領域を観察像として観察用表示部１９で確認することが出来る。つまり事前に観察したい物体８上の領域を表示部１９の画面上で確認することが出来る。しかもレンズ７のＤを大きくして物体８上のレーザビームスポット径φを小としたままとすることができるから、解像力を維持することが出来る。次に実施例について説明する。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
画像光学系１６中の光軸２４上方延長上にはビームスプリッタ２５が設置され照明光学系１８を構成する。この光学系１８はＬＥＤなどの光源２６とレンズ２７などによって構成され、制御部１２からの指令を受けると光源２６が発光する。するとその光束はビームスプリッタ２５で反射されて画像用光学系１６に進み、ビームスプリッタ１７を通過し、リレーレンズ２０、対物レンズ２１を経て物体８表面を照明する。照明された物体８上の領域２８からの反射光は画像光学系１６を戻って照明光学系１８のビームスプリッタ２５を通過し、ＣＣＤなどの観察画像用受光部２９に投影され、観察画像用の表示部１９に画像として表示される。したがって物体８上の照明領域２８は観察領域となって表示部１９に表示されることになり、表示される画像を確認して必要なら第１ステージ２２をＸ、Ｙ方向に移動し、第２ステージ２３をＺ方向に移動するなどして物体８上の求める観察領域をピント合わせした状態で表示部１９に写しだす。
回転ミラー５の左上方に示した３０は原点検出用の光学系で、制御部１２からの指令を受けて発光するＬＥＤなどの光源３１からの光束はレンズ３２、ミラー３３を経て回転ミラー５で反射され、受光部３４に達する。回転ミラー５の回転動作に応じて受光部３４が受光する信号は制御部１2に送られて原点検出信号となる。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
レーザビームのスポットがライン４２となって物体表面を走査すると、その反射光は画像光学系１６を戻り一次結像面１５を経てｆθレンズ７、回転ミラー５、ビームスプリッタ４を通過して分岐され受光部１１に向かう。受光部１１に投影された光束は画像信号となって制御部１２に向かい、工程４３で前記指定エリア４０内の画像信号が抽出される。これは表示画面１９ａ中に設定した指定エリア４０によって規定される領域と各走査ライン４２を制御部１２で比較することで実行される。こうして回転ミラー５と物体８のＹ方向移動で順次得られた画像信号は工程４４で制御部１２内に収容されている画像メモリに記憶され、その内容は工程４５で測定用表示部１３に送られて表示される。この表示される画像は指定エリア４０内のものであり、他方の観察用表示部１９に表示される観察領域３７の画像に比して限定されたものとなるが、対物レンズ２１によって倍率変換されたものとなることは同じである。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
図８は画像光学系１６中に絞り５６を設置して時の説明図で、図９はその光学系の説明図である。この両図を用いて実施例３について説明する。図８において画像光学系１６中のリレーレンズ２０と対物レンズ２１間には絞り５６が設置される。この絞り５６は制御部１２を経由してのキーボードからの指令、若しくは手動によってその口径を可変することが出来る。口径を変化させると絞り５６を通過する光束径が変化し、物体８に達する走査光学系１からの走査光束径、つまりビームスポットの径が変化する。例えば絞り５６の口径を絞り込むと物体８上でのスポット径は大きくなる。このスポット径について図９の光学系を用いて説明する。
図９は回転ミラー５から物体８までの光路を直線状として示したもので、ビームスプリッタ１７は省略してある。回転ミラー５が回転しその反射角を変えるとレーザ光源２からの光束も反射角に応じて進行方向を変える。図ではこれを２つの光束５７ａ、５７ｂとして示している。光束５７ａは中心光軸２４上を通る光束で、他方の光束５７ｂは周辺部を通る光束となっている。両光束５７はｆθレンズ７を通過後、一次結像面１５に向かう。そしてリレーレンズ２０によって対物レンズ２１から物体８に向かう。このとき両光束は、リレーレンズ２０と対物レンズ２１間で交差する。この交差位置（対物レンズ２１の入射瞳位置）に絞り５６が設置される。今、仮に絞り５６の口径を絞りこんだとすると、図の絞り５６の左側位置に矢印５８で示したように口径は小となる。そのため光束５８ａ、ｂの径も小となり、物体８上でのビームスポットφは大となる。この大となったビームスポットで物体上は走査され、それによって解像力は低下する。
このように絞り５６を設置することで走査光学系１が取り扱う画像の解像力を変更することが出来る。そのため例えば高精度、普通精度、低精度というようなランクわけをした表面走査を実施できるようになる。このことは物体表面上の異物や傷などを検査するとき、一定サイズ以上の異物や傷に限定して検出するという作業を行うことが出来る。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
図１０はリレーレンズ２０と対物レンズ２１間にガルバノミラースキャナ５９を設置したときの光学系説明図である。図においてガルバノミラースキャナ５９は図８などで示したビームスプリッタ１７の代わりに設置され、その設置位置はリレーレンズ２０と対物レンズ２１間位置で対物レンズの入射瞳相当位置となる。このようなスキャナ５９のミラー部を制御部１２からの指令で回転すると、一次結像面１５からの光束が対物レンズ２１を経て物体８に向かい、Ｙ方向に走査する。これによって回転ミラー５の回転による物体上のＸ方向走査と合わせて物体上をＸ、Ｙ方向に走査する。図ではこの走査線を６０ａ、ｂ、ｃとして表し、回転ミラー５面上の光束反射点をｍ１（ｆθレンズ７の入射瞳位置）、スキャナ５９のミラー面上の光束反射点をｍ２（対物レンズ２１の入射瞳位置）として示してある。このようにしたことによって従来のＸ、Ｙ式ガルバノミラースキャナが持つ欠点であった物体上でのＸ、Ｙ方向の走査歪みを最小にすることが出来る。またスキャナ５９の設置は物体のＹ方向移動を除去することになるから、全体の走査速度を速め物体移動に伴う振動をも除去することが出来る。
尚、図１０では照明光学系１８を省略してあるが、図３などに示した照明用光源２６からの光束をビームスプリッタ２５を経てスキャナ５９のミラー部に向かわせれば、それを通過した光束が物体８を照明する。そしてその反射光束は往路を戻り、観察画像用の受光部２９に投影され表示部１９にその像が表示される。このように図１０の実施例では画像光学系１６が図３などに比して変化しているが機能上は同じである。また照明光学系１６も図３のように画像光学系１６光軸２４の上方延長線方向から照明するという方法から、対物レンズ２１の上方周辺から照明するという方法にしてもよい。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
１・・・走査光学系  ２・・・レーザ光源  ４・・・ビームスプリッタ  ５・・・回転ミラー  ７・・・ｆθレンズ  ８・・・物体  １１・・・受光部  １２・・・制御部  １３・・・測定用表示部  １５・・・一次結像面  １６・・・画像光学系  １８・・・照明光学系  １９・・・観察用表示部  ２０・・・リレーレンズ  ２１・・・対物レンズ  ２４・・・光軸  ２６・・・照明用光源  ２８・・・照明領域  ２９・・・観察画像用受光部  ３０・・・原点検出用光学系  ３７・・・観察領域  ４０・・・指定エリア  ４２・・・走査ライン  ４６・・・タイミング検出光学系  ４８・・・グレィティング  ５０・・・受光部  ５１・・・Ａ／Ｄ変換器  ５２・・・画像メモリ  ５６・・・絞り  ５９・・・ガルバノミラースキャナ