(57)【要約】【課題】ピンホール板の機械的移動機構が不要な共焦点顕微鏡を簡易に構成する。【解決手段】共焦点顕微鏡２を、照明光を試料３の表面に集光するとともに、試料３の表面の光学像を投影する対物光学系１５及び対物光学系１５により投影された投影光を受光するＴＤＩセンサ１９とを有する撮像部と、試料３に対して撮像部を相対移動させてＴＤＩセンサ１９の受光面上に結像する光学像をＴＤＩセンサ１９の走査方向に走査する移動手段１０と、対物光学系１５が光学像を投影する投影光の光路及び対物光学系１６に入射する照明光の光路が重なる経路に設けられ、試料３の表面に集光される照明光をスポット光にするピンホールを備えるピンホール板２１と、を備えて構成し、ＴＤＩセンサ１９の受光面上に結像する光学像を受光面上で走査させる撮像部の相対移動によって、試料に対してピンホールを走査させる。【選択図】図２
2007310202.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
照明光を試料の表面に集光するとともに、前記試料の表面の光学像を投影する対物光学系及び、前記対物光学系により投影された投影光を受光するイメージセンサと、を有する撮像部と、
前記試料に対して前記撮像部を相対移動させる移動手段と、を備え、
前記イメージセンサは、所定の走査方向に配列したフォトセンサから出力される画素信号を時間遅延積分するＴＤＩセンサであり、
前記移動手段による相対移動によって、前記ＴＤＩセンサの受光面上に結像する前記光学像を前記走査方向に走査する、顕微鏡装置であって、
前記試料の表面に集光される照明光をスポット光にするピンホールを備えるピンホール板を、前記対物光学系が前記光学像を投影する投影光の光路と前記対物光学系に入射する前記照明光の光路とが重なる経路に設け、
前記ＴＤＩセンサの受光面上で前記光学像を走査させる前記撮像部の相対移動によって、前記ピンホールを前記試料に対して走査させることを特徴とする顕微鏡装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、共焦点顕微鏡に関する。特に半導体製造工程において、半導体ウエハ、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の試料の表面を撮像した撮像画像に基づき、これら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、撮像する試料の表面の光学像を生成するための共焦点顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造工程では、半導体ウエハ、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の試料の表面上に、所定のパターンが繰返し形成される。そこで、光学顕微鏡を使用してパターンの光学像を捉え隣接するパターン同士を比較することによりパターンの欠陥を検出する外観検査が行われている。比較の結果、２つのパターン間に差異がなければ欠陥のないパターンであり、差異があればいずれか一方のパターンに欠陥が存在すると判定する。
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、並びに液晶表示パネル用基板、液晶デバイス用基板などの表面に現れる欠陥を検査する外観検査装置にも適用可能である。
【０００３】
このような外観検査装置の光学顕微鏡には、下記特許文献１、２及び３に示されるような共焦点顕微鏡が使用される。図１は、共焦点顕微鏡を使用する半導体ウエハ用外観検査装置の従来の概略構成例を示す図である。
図１に示すように半導体ウエハ用外観検査装置１は、共焦点顕微鏡２と、共焦点顕微鏡２によってウエハ３の表面を撮像した画像信号を多値のディジタル信号（グレイレベル信号）に変換するアナログディジタル変換回路４と、このグレイレベル画像を記憶する画像記憶部５と、画像記憶部５に記憶されたウエハ３の表面の画像データを処理してこの撮像画像に現れる欠陥を検出し、検出した画像に関する所定の欠陥情報を出力する画像処理回路６と、を備える。
【０００４】
共焦点顕微鏡２には、２次元方向に自在に移動可能なステージ１０の上面に試料台（チャックステージ）１１が設けられている。この試料台１１の上に検査対象となる試料であるウエハ３を載置して固定する。試料台１１の上に載置されたウエハ３の表面（観察面）の光学像は、対物レンズ１５によって撮像素子１９の受光面に投影され、結像光学系１７によって撮像素子１９の受光面上に結像される。
【０００５】
また共焦点顕微鏡２は、ウエハ３を照明する照明光を生じる光源１２と、光源１２からの照明光を通過させる微小ピンホールを多数備え多数の点光源を実現する第１ピンホール板１３と、第１ピンホール板１３を通過した照明光を平行光束にするコリメートレンズ１４と、対物レンズ１５の投影光の光路中に設けられる半透鏡（ビームスプリッタ）１６を備える。
半透鏡１６は、コリメートレンズ１４により平行光束にされた照明光を反射して対物レンズ１５に入射させるとともに、対物レンズ１５から撮像素子１９へ投影させるウエハ３の表面の光学像の投影光を透過する。
ここで、第１ピンホール板１３は対物レンズ１５の焦点面となるウエハ３の表面と共役な位置に設けられており、第１ピンホール板１３のピンホールを通過し対物レンズ１５によって集光された照明光は、ウエハ３の表面上においてスポット光となる。
【０００６】
撮像素子１９の受光面には、第１ピンホール板１３と共役な位置に設けられこの位置で焦点の合った光のみを通過させる微小ピンホールを多数備える第２ピンホール板１８が設けられる。このような共焦点顕微鏡２では、第２ピンホール板１８上で結像する投影光のみが第２ピンホール板１８のピンホールを通過し、それ以外の光は排除されるため、ピンぼけやフレア光などによるノイズがない鮮明な画像を得ることができる。
【０００７】
【特許文献１】特開平１０−３２６５８７号公報
【特許文献２】特開２００６−７１７８４号公報
【特許文献３】特開２００１−１９４３２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記共焦点顕微鏡２では、一度に撮像できるのはウエハ３の表面のうちスポット光で照明される部分に限定されるため、表面全体の画像を得るにはスポット光をウエハ３の表面上において走査する必要がある。このため従来の共焦点顕微鏡２では、例えばニポウ盤のように多数のピンホールが開けられたピンホール板を回転させるなどして機械的に移動させているが、ピンホール板の移動機構により生じる振動の問題があった。
また、図１に示すようなピンホール板を２枚使用する構成では、２枚のピンホール板１３及び１８を互いに対物レンズ１５の焦点面に対して共役な位置に設ける必要があり、その位置合わせが難しいという問題があった。
【０００９】
上記問題点に鑑み、本発明ではピンホール板の機械的移動機構が不要な共焦点顕微鏡を簡易に構成することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明ではイメージセンサにＴＤＩセンサを使用する。ＴＤＩセンサを用いて試料の表面の２次元画像を得る際には、ＴＤＩセンサの受光面に結像される試料の光学像をこの受光面上で走査させるために、試料とこの試料の光学像を生成する撮像光学系とを相対移動させるが、このとき、共焦点光学系に用いるピンホール板を撮像光学系とともに試料に対して相対移動させることによって、別個の移動機構を設けることなく試料に対するピンホール板の相対移動を実現する。
【００１１】
すなわち本発明による顕微鏡装置は、照明光を試料の表面に集光するとともに、試料の表面の光学像を投影する対物光学系及び、対物光学系により投影された投影光を受光するイメージセンサとを有する撮像部と、試料に対して撮像部を相対移動させる移動手段と、対物光学系が光学像を投影する投影光の光路及び対物光学系に入射する照明光の光路が重なる経路に設けられ、試料の表面に集光される照明光をスポット光にするピンホールを備えるピンホール板を備えて構成される。
ここに、イメージセンサは所定の走査方向に配列したフォトセンサから出力される画素信号を時間遅延積分するＴＤＩセンサであり、移動手段による相対移動によって、ＴＤＩセンサの受光面上に結像する光学像を上記所定の走査方向に走査し、この相対移動によってピンホールを試料に対して走査させる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明により、ピンホール板を撮像光学系と別個に移動させるための機械的移動機構が不要となる。
またピンホール板を、光学像を投影する投影光の光路及び対物光学系に入射する照明光の光路が重なる経路に設けることにより、従来２枚使用していたピンホール板を１枚で共用することが可能となり、２枚のピンホール板の位置合わせが不要となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
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２は、図１と同様の外観検査装置１に使用される、本発明の実施例による共焦点顕微鏡の概略構成例を示す図である。外観検査装置１のうち、共焦点顕微鏡２の部分以外の構成要素は全て図１と同様であり、これらの構成要素についての説明は省略する。
【００１４】
共焦点顕微鏡２には、２次元方向に自在に移動可能なステージ１０の上面に試料台（チャックステージ）１１が設けられている。この試料台１１の上に検査対象となる試料であるウエハ３を載置して固定する。試料台１１の上に載置されたウエハ３の表面（観察面）の光学像は、対物レンズ１５によって、ピンホール板２１上に結像したのち一次元ＴＤＩ画像センサ１９の受光面に投影され、結像光学系１７によって一次元ＴＤＩ画像センサ１９の受光面上に結像される。
【００１５】
また共焦点顕微鏡２は、ウエハ３を照明する照明光を生じる光源１２と、光源１２からの照明光を平行光束にするコリメートレンズ１４と、対物レンズ１５の投影光の光路中に設けられる半透鏡（ビームスプリッタ）１６を備える。
半透鏡１６は、コリメートレンズ１４により平行光束にされた照明光を反射して対物レンズ１５に入射させるとともに、対物レンズ１５から一次元ＴＤＩ画像センサ１９へ投影させるウエハ３の表面の光学像の投影光を透過する。
【００１６】
共焦点顕微鏡２は、半透鏡１６と対物レンズ１５との間、すなわち対物レンズ１５がウエハ３の表面の光学像を一次元ＴＤＩ画像センサ１９の受光面上に投影する投影光の光路と、半透鏡１６により反射して対物レンズ１５に入射する照明光の光路と、が重なる経路上に、多数の微小ピンホールを設けられたピンホール板２１を備える。
ここで、ピンホール板２１は対物レンズ１５の焦点面となるウエハ３の表面と共役な位置、例えばウエハ３の表面を物面とする対物レンズ１５の像面やこの像面の共役面に設けられる。したがってピンホール板２１に設けられたピンホールを通過した照明光は、対物レンズ１５によって集光されることによってウエハ３の表面上においてスポット光となる。
【００１７】
また、ピンホール板２１のピンホールを通過した照明光によりスポット的に照明されたウエハ３の表面の反射光は、対物レンズ１５によってピンホール板２１の表面に結像した光のみが、この照明光が通過したピンホールと同じピンホールを通過し、ピンホール板２１の表面に結像しない散乱光等はピンホール板２１によって遮断される。このためピンぼけやフレア光などによるノイズがない鮮明な画像を、一次元ＴＤＩ画像センサ１９の受光面に結ぶことができる。
【００１８】
共焦点顕微鏡２は、ウエハ３上の微小なパターンや欠陥を捉えるために微細化されたフォトセンサ（光電変換素子）に受光する光量を増やし、画像信号のＳＮ比を向上するために、時間遅延積分（ＴＤＩ：Time Delay and Integrate）回路を有する一次元ＴＤＩ画像センサ１９を撮像素子として用いる。図３は、一次元ＴＤＩ画像センサ１９を構成例を示す模式図であり、ここでは、電荷結合素子（ＣＣＤ:Charge-Coupled Device）を用いた構成例を示す。
【００１９】
一次元ＴＤＩ画像センサ１９の受光面には、フォトセンサ４１ａ〜４１ｇ、４２ａ〜４２ｇ及び４３ａ〜４３ｇが２次元的に配置されており、ここにフォトセンサ４１ａ〜４１ｇからなる組、フォトセンサ４２ａ〜４２ｇからなる組、およびフォトセンサ４３ａ〜４３ｇからなる組は、それぞれ図示矢印９１の方向に配列されるフォトセンサの列をなし、これらフォトセンサの列が図示矢印９１と直角方向の矢印９２の方向に並べられている。
【００２０】
各フォトセンサには電荷結合素子が接続されている。例えばフォトセンサ４１ａ〜４１ｇ…はそれぞれＣＣＤ５１ａ〜５１ｇが接続される。同じ列に属するフォトセンサ４１ａ〜４１ｇに接続されるＣＣＤ５１ａ〜５１ｇは、自己に蓄積される電荷を図示矢印９１に沿って１つのＣＣＤから次のＣＣＤに移送するために、各ＣＣＤ間が電気的に接続されＣＣＤの列をなしている。
フォトセンサ４１ａ〜４１ｇが受光した光を光電変換した各信号電荷は、同じタイミングでそれぞれのＣＣＤ５１ａ〜５１ｇに移送される。各ＣＣＤ５１ａ〜５１ｇは、所定のパルス信号で与えられるタイミングに従って、自己が蓄積する電荷を、図示矢印９１の方向に同じ列のＣＣＤに順次移送する。
【００２１】
ここで、対物レンズ１５、半透鏡１６、結像光学系１７及び一次元ＴＤＩ画像センサ１９からなる撮像光学系と、ウエハ３とを相対的に移動させることによって、ウエハ３に対して撮像光学系を走査させ、一次元ＴＤＩ画像センサ１９の受光面に結像するウエハ３の表面の光学像を図示矢印９１の方向に走査させる。撮像光学系とウエハ３との相対移動は、例えばステージ１０によりウエハ３を移動させて行ってもよく、反対に撮像光学側を不図示の機構により移動させてもよい。
【００２２】
ここで一次元ＴＤＩ画像センサ１９の受光面におけるウエハ３の表面の光学像の走査速度と同期してＣＣＤ５１ａ〜５１ｇに移された電荷を隣のＣＣＤに順次移送すると、同じラインのフォトセンサ４１ａ〜４１ｇが、順々に、ウエハ３の表面の同じ部分の像の結像光を受光し、これにより生じた信号電荷をＣＣＤ５１ａ〜５１ｇにて順次加算する。このため微小なフォトセンサ４１ａ〜４１ｇの１つが受光可能な光量が小さくても、ＳＮ比が大きな画像信号を得ることができる。
このように一次元ＴＤＩ画像センサ１９は、図示矢印９１に示す走査方向に配列された１列のフォトセンサの４１ａ〜４１ｇを１画素とし、このフォトセンサの列を図示矢印９２に示すライン方向に配列した１次元ラインセンサを構成する。
【００２３】
ここで、対物レンズ１５、半透鏡１６、結像光学系１７及び一次元ＴＤＩ画像センサ１９からなる撮像光学系に対する上記ピンホール板２１の相対位置を固定することによって、ピンホール板２１を撮像光学系とともにウエハ３に対して相対的に移動させる。このため図１を参照して説明した従来の共焦点顕微鏡のようにピンホール板２１を個別に移動させる移動機構を設ける必要がなくなる。
すなわち本発明では、一次元ＴＤＩ画像センサ１９を用いる光学顕微鏡装置において、ウエハ３に対して一次元ＴＤＩ画像センサ１９を用いて２次元画像を得るために不可欠である、ウエハ３に対する一次元ＴＤＩ画像センサ１９の相対移動を行う移動手段によって、ウエハ３に対するピンホール板２１の走査を行うことにより、ピンホール板２１を個別に移動させるための移動手段を省略する。
【００２４】
本発明では、一次元ＴＤＩ画像センサ１９とピンホール板２１との相対位置が固定されるために、一次元ＴＤＩ画像センサ１９の受光面上の限られた位置にのみウエハ３の像が結像する。したがって、一次元ＴＤＩ画像センサ１９に設けられたフォトセンサを、ピンホール板２１のピンホールの配置と無関係に一様に配置すると、常にウエハ３からの結像光を受光しない不要なフォトセンサが生じることになる。
しかし、このようにフォトセンサをピンホール板２１のピンホールの配置と無関係に一様に配置することで、ピンホール板２１のピンホール径及び配置ピッチを変えても、変更後のピンホールを通過して結像したウエハ３からの結像光を受光することができるため、従来のように２枚のピンホール板を使用する場合のような微妙な位置合わせ作業を省略することができ、自由にピンホール板２１を選択することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明は、共焦点顕微鏡に利用可能である。特に半導体製造工程において、半導体ウエハ、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の試料の表面を撮像した撮像画像に基づき、これら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、撮像する試料の表面の光学像を生成するための共焦点顕微鏡に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】半導体ウエハ用外観検査装置の従来の概略構成例を示す図である。
【図２】本発明の実施例による共焦点顕微鏡の概略構成例を示す図である。
【図３】図２に示す一次元ＴＤＩ画像センサの構成例を示す模式図である。
【符号の説明】
【００２７】
１    半導体ウエハ用外観検査装置
２    共焦点顕微鏡
３    半導体ウエハ
１０    ステージ
１１    試料台
１２    光源
１４    コリメートレンズ
１５    対物レンズ
１６    半透鏡
１７    結像光学系
１９    一次元ＴＤＩ画像センサ
【図１】
2007310202.tif 000003
【図２】
2007310202.tif 000004
【図３】
2007310202.tif 000005