(57)【要約】      （修正有）【課題】暗視野照明及び明視野照明による画像を独立かつ同時に取得することにより、検査時間を短縮して、作業効率を向上させる。【解決手段】対物レンズ４１は、試料１２からの光を集光する光学系４１ａを保持する内筒４１ｂと、内筒４１ｂの外壁を囲繞し且つ同心に設けられた鏡筒４１ｃとを備える。照明光学系２０は、偏光子２５とリング状の１／２波長板２７とを含む。検出光学系４０は、一方が偏光子２５と平行ニコル条件を満足し、他方が偏光子２５と直交ニコル条件を満足する第１及び第２の検光子４３，４４を有する。撮像装置として、試料１２からの光を対物レンズ４１及び第１の検光子４３を介して撮像する第１の撮像素子５１と、暗視野照明による試料１２からの光を対物レンズ４１及び第２の検光子４４を介して撮像する第２の撮像素子５２とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源から出射された照明光を試料に照射する照明光学系と、対物レンズを通して前記試料からの光を集光する検出光学系と、前記検出光学系により集光された前記試料の像を撮像する撮像装置とを有する顕微鏡装置において、
前記対物レンズは、前記試料からの光を集光する光学系を保持する内筒と、前記内筒の外壁を囲繞し且つ前記内筒と同心に設けられた鏡筒とを備え、
前記照明光学系は、偏光子と、リング状の１／２波長板とを含み、前記偏光子及び前記１／２波長板を介した前記照明光のうち、光軸を含む中央部分を前記内筒に保持された前記光学系に集光させて前記試料に照射する明視野照明光路と、周辺部分を前記内筒の外壁と前記鏡筒との間を通して前記対物レンズの開口数よりも大きな角度で前記試料に照射する暗視野照明光路とを有し、
前記検出光学系は、一方が前記偏光子と平行ニコル条件を満足し、他方が前記偏光子と直交ニコル条件を満足する第１の検光子及び第２の検光子を有し、
前記撮像装置は、前記明視野照明による前記試料からの光を前記対物レンズ及び前記第１の検光子を介して撮像する第１の撮像素子と、前記暗視野照明による前記試料からの光を前記対物レンズ及び前記第２の検光子を介して撮像する第２の撮像素子とを有することを特徴とする顕微鏡装置。
【請求項２】
前記１／２波長板は、前記暗視野照明光路に配置されてい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１／２波長板は、前記対物レンズの瞳位置又は瞳位置近傍に配置されてい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】
前記対物レンズが複数装着され、任意の対物レンズを光軸上に切り換え配置可能なレボルバを有し、
前記レボルバ内に、各対物レンズに共通の前記１／２波長板が設置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】
以下の条件式を満足することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の顕微鏡装置。
０．８＜  ｈ×β／Ｄ  ≦１．０
但し、
ｈ：前記光源の対角線の長さ、
β：前記照明光学系の光源倍率、
Ｄ：前記対物レンズの瞳径。
【請求項６】
前記偏光子、前記第１の検光子及び前記第２の検光子は、前記それぞれ光軸を中心として回転可能に構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の顕微鏡装置。
【請求項７】
前記検出光学系は、前記対物レンズにより集光された前記試料からの光を前記第１の検光子及び前記第２の検光子へと導く光分割部材を有し、
前記偏光子は、光軸を中心に回転可能に構成され、
前記第１の検光子及び第２の検光子は、前記光分割部材とともにユニット化されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の顕微鏡装置。
【請求項８】
前記光分割部材は、ビームスプリッターであることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の顕微鏡装置。
【請求項９】
前記光分割部材は、ハーフミラーであることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項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、顕微鏡装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造の後工程においては、半導体ウエハ、液晶表示パネル用基板といった基板等の表面を検査する工程で顕微鏡が多用される。このような検査に使用される顕微鏡装置では、基板（試料）の表面を対物レンズを介して照明して、その正反射光を受光する明視野照明観察や、基板の表面を対物レンズの開口数よりも大きな角度で照明して、基板表面からの散乱光を受光する暗視野照明観察が用いられている。
【０００３】
明視野照明観察で得られた画像は、基板の構造などの観察に適しているが、微小な欠陥やゴミ・キズなどの欠陥検査には不適であり、このような欠陥検査には暗視野照明観察が用いられる。
【０００４】
このように明視野照明観察と暗視野照明観察にはそれぞれ特長があり、明視野照明観察と暗視野照明観察とを切り替えてこれら両方の照明を実現する顕微鏡装置が考案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１１６０３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このように明視野照明観察と暗視野照明観察とを切り替える観察手法によれば、試料の任意の一か所の明視野画像と暗視野画像を得るために、照明方法を切り替えて２度撮影するという操作が必要である。
【０００７】
しかしながら、近年、液晶テレビ等の大型化に伴い、基板サイズが大型化している。例えば、Ｇ１０と呼ばれる第１０世代の液晶用ブランクは、基板サイズが約３メートル角にもなる。このように試料が大型化し、試料上に観察したい位置が複数存在する場合、観察者は、試料を載置した大型のステージ上を（従来のようにステージ側ではなく）顕微鏡を移動させて、試料上の各位置にて上記操作を行わなければならず、検査に時間がかかり、作業効率が低下するという問題があった。
【０００８】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、暗視野照明観察及び明視野照明観察による画像を独立かつ同時に取得することにより、検査時間を短縮して、作業効率を向上させることができる顕微鏡装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
このような目的を達成するため、本発明は、光源から出射された照明光を試料に照射する照明光学系と、対物レンズを通して前記試料からの光を集光する検出光学系と、前記検出光学系により集光された前記試料の像を撮像する撮像装置とを有する顕微鏡装置において、前記対物レンズは、前記試料からの光を集光する光学系を保持する内筒と、前記内筒の外壁を囲繞し且つ前記内筒と同心に設けられた鏡筒とを備え、前記照明光学系は、偏光子と、リング状の１／２波長板とを含み、前記偏光子及び前記１／２波長板を介した前記照明光のうち、光軸を含む中央部分を前記内筒に保持された前記光学系に集光させて前記
試料に照射する明視野照明光路と、周辺部分を前記内筒の外壁と前記鏡筒との間を通して前記対物レンズの開口数よりも大きな角度で前記試料に照射する暗視野照明光路とを有し、前記検出光学系は、一方が前記偏光子と平行ニコル条件を満足し、他方が前記偏光子と直交ニコル条件を満足する第１の検光子及び第２の検光子を有し、前記撮像装置は、前記明視野照明による前記試料からの光を前記対物レンズ及び前記第１の検光子を介して撮像する第１の撮像素子と、前記暗視野照明による前記試料からの光を前記対物レンズ及び前記第２の検光子を介して撮像する第２の撮像素子とを有する。
【００１０】
なお、本発明において、前記１／２波長板は、前記暗視野照明光路に配置されていることが好ましい。
【００１１】
また、本発明において、前記１／２波長板は、前記対物レンズの瞳位置又は瞳位置近傍に配置されていることが好ましい。
【００１２】
また、本発明において、前記対物レンズが複数装着され、任意の対物レンズを光軸上に切り換え配置可能なレボルバを有し、前記レボルバ内に、各対物レンズに共通の前記１／２波長板が設置されることが好ましい。
【００１３】
また、本発明において、以下の条件式を満足することが好ましい。
【００１４】
０．８＜  ｈ×β／Ｄ  ≦１．０
但し、
ｈ：前記光源の対角線の長さ、
β：前記照明光学系の光源倍率、
Ｄ：前記対物レンズの瞳径。
【００１５】
また、本発明において、前記偏光子、前記第１の検光子及び前記第２の検光子は、前記それぞれ光軸を中心として回転可能に構成されていることが好ましい。
【００１６】
また、本発明において、前記検出光学系は、前記対物レンズにより集光された前記試料からの光を前記第１の検光子及び前記第２の検光子へと導く光分割部材を有し、前記偏光子は、光軸を中心に回転可能に構成され、前記第１の検光子及び第２の検光子は、前記光分割部材とともにユニット化されていることが好ましい。
【００１７】
また、本発明において、前記光分割部材は、ビームスプリッターであってもよい。
【００１８】
また、本発明において、前記光分割部材は、ハーフミラーであってもよい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、暗視野照明観察及び明視野照明観察による画像を独立かつ同時に取得することにより、検査時間を短縮して、作業効率を向上させることができる顕微鏡装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本実施形態に係る顕微鏡装置の概略断面図である。
【図２】本実施形態に係る１／２波長板の概要図である。
【図３】各光学素子（偏光子、１／４波長板、第１の検光子、第２の検光子）の軸方向を、顕微鏡装置の上部から見た図である。
【図４】明視野画像の取得時における光路及び偏光状態を模式的に表した図である。
【図５】暗視野画像の取得時における光路及び偏光状態を模式的に表した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１に示す顕微鏡装置１は、ステージ１１上に載置された試料１２（例えば、半導体ウエハ、液晶表示パネル用基板等の基板など）に光源２１から出射された照明光を照射する照明光学系２０と、試料１２からの光を集光する検出光学系４０と、この検出光学系４０により集光された試料１２の像を撮像する第１及び第２の撮像素子５１，５２とを有して構成される。
【００２２】
照明光学系２０は、光軸に沿って順に並んだ、光源２１（例えば、白色ＬＥＤやハロゲンランプなど）と、光源２１からの光を平行光に変換するコリメータレンズ２２と、コリメータレンズ２２により変換された平行光を結像するリレーレンズ２３と、視野絞りＳと、リレーレンズ２３と視野絞りＳによって一部が遮られた光を再び平行光とするフィールドレンズ２４と、偏光子２５と、第１のハーフミラー（ビームスプリッターでも可）２６と、図２に示すようなリング状の１／２波長板２７を含む対物レンズ４１とを有して構成される。
【００２３】
偏光子２５は、その光学軸が所定の方位に設定されており（図３参照）、入射光（本実施形態においては、フィールドレンズ２４からの非偏光光）を前記光学軸に応じた方位の直線偏光にする。第１のハーフミラー２６は、偏光子２５を介した光源２１からの照明光を反射して対物レンズ４１の光軸と平行な光束とし、対物レンズ４１内に導くことによって明視野照明及び暗視野照明を実現すると共に、対物レンズ４１を介した試料１２からの光を透過させる。リング状の１／２波長板２７は、入射する直線偏光の方位が該波長板の光学軸に対してなす角度θ（本実施形態においてはθ＝４５°）である場合（図３参照）、元の直線偏光から２θ（本実施形態においてはθ＝９０°）だけ光軸を中心に回転させた直線偏光にする。
【００２４】
対物レンズ４１は、試料１２からの光を集光する光学系４１ａを保持する内筒４１ｂと、内筒４１ｂの外壁を囲繞し且つ内筒４１ｂと同心に設けられた鏡筒４１ｃとを備え、内筒４１ｂの外壁と鏡筒４１ｃとの間に形成された空間（後述の暗視野照明光路２９）の光源２１側には１／２波長板２７が配置されている。このとき、１／２波長板２７は、前記空間内の対物レンズ４１の瞳位置又は瞳位置近傍と一致するように配置されていることが好ましい。
【００２５】
なお、本実施形態においては、倍率の異なる対物レンズ４１を複数装着し、任意の対物レンズを光軸上に切り換え配置可能であるレボルバ（不図示）内に、各対物レンズ４１に共通の１／２波長板２７を設置する構成とすることも可能である。このときも、１／２波長板２７は、各対物レンズ４１の瞳位置又は瞳位置近傍と一致するように配置されていることが好ましい。
【００２６】
このような構成の照明光学系２０は、光源２１から出射された照明光のうち、光軸を含む中央部分を対物レンズ４１の内筒４１ｂに保持された光学系４１ａに集光させて試料１２に照射する明視野照明光路２８（図４参照）と、照明光の周辺部分を対物レンズ４１の内筒４１ｂの外壁と鏡筒４１ｃとの間を通して対物レンズ４１の開口数よりも大きな角度で試料１２に照射する暗視野照明光路２９（図５参照）とを備えており、これら２つの照明光路２８，２９を用いて明視野照明と暗視野照明を同時に行えるようになっている。
【００２７】
すなわち、照明光学系２０によれば、光源２１から出射された照明光は、コリメータレンズ２２により平行光にされ、リレーレンズ２３により結像され、視野絞りＳを経て、フィールドレンズ２４により再び平行光にされ、偏光子２５を経て、第１のハーフミラー２６で反射され、対物レンズ４１へと導かれる。対物レンズ４１へ導かれた照明光のうち、
光軸を含む中央部分が明視野照明光路２８に入射し、周辺部分が暗視野照明光路２９に入射する。平行光として明視野照明光路２８に入射した照明光は、図４に示すように、対物レンズ４１の内筒４１ｂに保持された光学系４１ａにより集光されて、ステージ１１上の試料１２を明視野照明する。これと同時に、図５に示すように、平行光として暗視野照明光路２９に入射した照明光は、対物レンズ４１の内筒４１ｂの外壁と鏡筒４１ｃとの間に入射してリング状の１／２波長板２７を透過した後、ステージ１１上の試料１２に対物レンズ４１の開口数よりも大きな角度で照射されて、試料１２を暗視野照明する。
【００２８】
なお、照明光学系２０は、上述のように光源２１を明視野照明と暗視野照明とで共用しているが、明視野照明を行う際には明る過ぎる（眩し過ぎる）ことなく、暗視野照明を行う際には十分な明るさを確保するために、以下の条件式を満足することが好ましい。
【００２９】
０．８＜  ｈ×β／Ｄ  ≦１．０
但し、
ｈ：光源２１の対角線の長さ、
β：照明光学系２０の光源倍率、
Ｄ：対物レンズ４１の瞳径。
【００３０】
検出光学系４０は、第１のハーフミラー２６及び対物レンズ４１を照明光学系２０と共用し、光軸に沿って試料１２側から順に並んだ、対物レンズ４１と、第１のハーフミラー２６と、第２のハーフミラー（ビームスプリッターでも可）４２と、第１の検光子４３と、第２の検光子４４とを有して構成される。
【００３１】
第２のハーフミラー４２は、試料１２からの反射光のうち、明視野照明によるものを透過して第１の検光子４３へと導き、１／２波長板２７を通過した暗視野照明によるものを反射して第２の検光子４４へと導く。第１及び第２の検光子４３，４４は、一方が偏光子２５による偏光成分と同じ成分の偏光を通過させ、他方が偏光子２５による偏光成分と異なる成分の偏光を通過させる（本実施形態においては、前者が第１の検光子４３、後者が第２の検光子４４）。
【００３２】
検出光学系４０によれば、明視野照明による試料１２からの反射光は、図４に示すように、対物レンズ４１の内筒４１ｂに保持された光学系４１ａにより集光され、第１のハーフミラー２６及び第２のハーフミラー４２を透過し、第１の検光子４３を介して、第１の撮像素子５１に結像される。これと同時に、暗視野照明による試料１２からの散乱光は、図５に示すように、対物レンズ４１の内筒４１ｂに保持された光学系４１ａにより集光され、第１のハーフミラー２６を透過し、第２のハーフミラー４２により反射され、第２の検光子４４を介して、第２の撮像素子５２に結像される。
【００３３】
第１の撮像素子５１は、検出光学系４０により集光された明視野照明による試料１２からの光を受けて、試料１２の明視野像を撮像する（図４参照）。これと同時に、第２の撮像素子５２は、検出光学系４０により集光された暗視野照明による試料１２からの光を受けて、試料１２の暗視野像を撮像する（図５参照）。このような第１及び第２の撮像素子５１，５２としては、例えばＣＣＤやＣＭＯＳ等を使用することが可能である。
【００３４】
第１及び第２の撮像素子５１，５２により取得された明視野像及び暗視野像の画像データは、不図示のディスプレイ等の表示画面に表示して観察することができる。このとき、前記ディスプレイ等において、左右２分割したり、上下２分割したりして、同時に表示するようにしてもよい。
【００３５】
なお、明視野照明と暗視野照明との各観察像の画像データを取り込むタイミングは、例
えば、（試料１２が比較的小型である場合はステージ１１を移動可能な構成とした上で）ステージ１１や（試料１２が大型である場合は顕微鏡装置１がステージ１１上を移動可能な構成とした上で）顕微鏡装置１の移動を検出するセンサ（不図示）を設け、このセンサから出力される検出信号からステージ１１や顕微鏡装置１が停止したことを検出し、この停止の検出タイミングに同期して、第１及び第２の撮像素子５１，５２を撮像動作させて、それらの画像データを取り込んでもよい。
【００３６】
また、第１及び第２の撮像素子５１，５２の撮像により取得される画像から試料１２の移動の有無を検出し、この停止の検出タイミングに同期して第１及び第２の撮像素子５１，５２を撮像動作させ、それらの画像データを取り込むように構成してもよい。
【００３７】
続いて、上記構成を有する顕微鏡装置１の偏光状態について説明する。
【００３８】
図３に示すように、１／２波長板２７は、その光学軸が偏光子２５の軸に対して４５度をなすように配置されている。また、第１及び第２の検光子４３，４４は、一方が偏光子２５と平行ニコル条件を満足し（本実施形態においては、第１の検光子４３の軸が偏光子２５の軸に対して平行となるように）、他方が偏光子２５と直交ニコル条件を満足するように（本実施形態においては、第２の検光子４４の軸が偏光子２５の軸に対して直交するように）配置されている。なお、１／２波長板の軸方向は、偏光子２５の軸に対して左右どちらを向いていてもよい。
【００３９】
なお、偏光子２５、１／２波長板２７、第１及び第２の検光子４３，４４は、それぞれ上記条件を満足した状態が保てるように、光軸を中心として回転可能にして微調整できるように構成されていることが好ましい。
【００４０】
また、偏光子２５のみを光軸を中心に回転可能にして微調整できるようにし、１／２波長板２７は対物レンズ４１と、第１及び第２の検光子４３，４４は第２のハーフミラー４２とユニット化する構成としてもよい。この構成によれば、上記条件を満足した状態が保てるように調整が必要な場合は偏光子２５だけを回転させればよいため、観察者の負担を減らすことが可能である。
【００４１】
図４、図５は、明視野画像の取得時、暗視野画像の取得時における偏光状態を模式的に示したものであり、実線の円は各光学素子における軸方向を示し、破線の円Ｐ１１〜Ｐ１３はいずれも光を受け取る側から見た偏光状態を示す。図４、図５に示すように、顕微鏡装置１では、非偏光光である光源１からの照明光（偏光状態Ｐ１１）は、コリメータレンズ２２、リレーレンズ２３、視野絞りＳ、フィールドレンズ２４を順に通過する。ここまでは照明光の偏光方向は特に変換されず、照明光は非偏光のままである（すなわち、偏光状態Ｐ１１）。続いて、照明光は、偏光子２５に入射して直線偏光に変換された後（偏光状態Ｐ１２）、第１のハーフミラー２６で反射され、明視野照明光路２８と暗視野照明光路２９とに導かれる。
【００４２】
明視野照明光路２８に入射した照明光は、図４に示すように、対物レンズ４１の内筒４１ｂに保持された光学系４１ａにより集光され、偏光状態Ｐ１２のまま試料１２に照射される。これと同時に、暗視野照明光路２９に入射した照明光は、図５に示すように、対物レンズ４１の内筒４１ｂの外壁と鏡筒４１ｃとの間に設けられた１／２波長板２７に入射し、元の直線偏光（偏光状態Ｐ１２）から９０度光軸を中心に回転した直線偏光に変換されて（偏光状態Ｐ１３）、対物レンズ４１の開口数よりも大きな角度で試料１２に照射される。
【００４３】
明視野照明による試料１２からの反射光は、図４に示すように、偏光状態Ｐ１２のまま
、対物レンズ４１の内筒４１ｂに保持された光学系４１ａにより集光され、第１のハーフミラー２６を透過し、第２のハーフミラー４２により第１の検光子４３と第２の検光子４４とに導かれる。第１及び第２の検光子４３，４４に導かれる試料１２からの反射光は、上記したように偏光状態がＰ１２であり、これは第１の検光子４３の偏光方向と同じ（平行）であることから、そのまま第１の検光子４３を透過して、第１の撮像素子５１により撮像される。これに対し、第２の検光子４４の偏光方向とは直交するため、第２の検光子４４でブロックされ、第２の撮像素子５２に入射する（撮像される）ことはない。
【００４４】
一方、暗視野照明による試料１２からの散乱光は、図５に示すように、偏光状態Ｐ１３のまま、対物レンズ４１の内筒４１ｂに保持された光学系４１ａにより集光され、第１のハーフミラー２６を透過し、第２のハーフミラー４２により第１の検光子４３と第２の検光子４４とに導かれる。第１及び第２の検光子４３，４４に導かれる試料１２からの散乱光は、上記したように偏光状態がＰ１３であり、これは第２の検光子４４の偏光方向と同じ（平行）であることから、そのまま第２の検光子４４を透過して、第２の撮像素子５２により撮像される。これに対し、第１の検光子４３の偏光方向とは直交するため、第１の検光子４３でブロックされ、第１の撮像素子５１に入射する（撮像される）ことはない。
【００４５】
以上のような構成である本実施形態に係る顕微鏡装置によれば、暗視野照明及び明視野照明による画像を独立かつ同時に取得することができる。その結果、従来の明視野照明と暗視野照明とを切り替える毎に撮像する方法よりも検査時間を大幅に短縮して、作業効率を向上させることができる。
【００４６】
さらに、本実施形態の顕微鏡装置によれば、絞りや、ミラー等の駆動部材を含む明視野照明と暗視野照明の切り替え機構が不要となるため、高速化だけではなく、発塵を抑制できる。このことは発塵による汚染の防止に繋がるので、特に基板検査用の顕微鏡装置にとっては大きなメリットとなる。
【００４７】
なお、本発明を分かりやすくするために、実施形態の構成要件を付して説明したが、本発明がこれに限定されるものではないことは言うまでもない。
【００４８】
例えば、上述の実施形態においては、照明方式として、落射照明を採用した場合を例に挙げたが、これに限定されるものではなく、試料の背後から照明光を照射する透過照明においても適用可能である。
【符号の説明】
【００４９】
１  顕微鏡装置
１１  ステージ
１２  試料
２０  照明光学系
２１  光源
２５  偏光子
２６  第１のハーフミラー
２７  １／２波長板
２８  明視野照明光路
２９  暗視野照明光路
４０  検出光学系
４１  対物レンズ
４１ａ  光学系
４１ｂ  内筒
４１ｃ  鏡筒
４２  第２のハーフミラー（光分割部材）
４３  第１の検光子
４４  第２の検光子
５１  第１の撮像素子
５２  第２の撮像素子
【図１】
2012168303.tif 000003
【図３】
2012168303.tif 000004
【図４】
2012168303.tif 000005
【図５】
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【図２】
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