JP2003029130A - 光学式顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 対象物の観察用光源によりオートフォーカス
できる光学式顕微鏡を提供すること。 【解決手段】 ケーラー照明光学系５の開口絞り２１と
開口絞り２２とを、更に視野絞り２３と視野絞り２４と
を制御系８の制御下、切り換えることによって、対象物
２の観察をするときは光軸に沿った光線を使用し、オー
トフォーカスするときは同じ光源１７から射出され、光
軸から離軸した光線を使用することとしたので、オート
フォーカス用として別の光源を使用する場合に比べ、対
物レンズ２６の色消しの困難性は解消される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば半導体パタ
ーンの検査に使われる光学式顕微鏡に関し、特に対象物
の焦点位置の調整をするオートフォーカス機構を有する
光学式顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、光学式顕微鏡を用いた検査装置
において、オートフォーカス手段としてＴＴＬ（Ｔｈｒ
ｏｕｇｈ ｔｈｅ Ｌｅｎｓ）方式が広く普及してい
る。

【０００３】この場合光源としては、単色性の良いオー
トフォーカス用のレーザ光源を用いることが多い。ま
た、光学式顕微鏡の対物レンズをオートフォーカス手段
の一部として用いるが、この対物レンズは、一般には使
用する波長領域で複数の硝子材料を組みあわせて、色消
しが行われている。更に色消しが行われている対物レン
ズは、反射防止コートが色消し帯域で施されている。

【０００４】一方、近年、半導体検査工程に代表される
半導体パターンの光学式顕微鏡による顕微観察では、半
導体パターンの微細化に伴って要求される光学分解能か
ら、光源として使用される光源波長が、紫外域へと短波
長化されるようになってきている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、３００
ｎｍを切る紫外線領域では、光学透過材料が限られ、ま
た光学式顕微鏡に求められる光学収差性能も、回折限界
付近での周波数応答を求められるようになる。従って顕
微観察で用いられる紫外線領域の光源波長とオートフォ
ーカス用の光源波長との差が大きくなると、オートフォ
ーカス用の光源波長における対物レンズの色消しが困難
なものとなる。この結果、光学式顕微鏡の対物レンズの
製造には、非常に高価なコストが掛かり、紫外線顕微鏡
の普及の阻害要因となってきている。

【０００６】例えば、半導体回路パターンの自動欠陥分
類装置において光源とし使用している深紫外（ＤＵＶ：
Ｄｅｅｐ Ｕｌｔｒａ Ｖｉｏｌｅｔ）光では、オート
フォーカスの為に行う対物レンズの色消しには、非常に
高価な高純度蛍石と石英を多用する必要があり、コスト
的に非常に高価になると言う欠点がある。

【０００７】更に、この２種類の硝材の貼り合わせには
紫外線透過型の接着剤を用いるが、この接着剤は深紫外
光によりダメージを受け、透過率が経時的に低下してい
くという欠点をもっている。

【０００８】また、通常オートフォーカスに用いる光源
波長は赤色〜赤外波長を多用する。従って、オートフォ
ーカスに用いる光源波長の焦点深度は、顕微観察用光源
として用いる深紫外波長の焦点深度に比べ波長比分深く
なり、当然この分オートフォーカス精度は悪化する。

【０００９】一方、光学式によらない撮影画像のコント
ラストより最適像面位置を求める画像オートフォーカス
法、変位センサーを用いた測距型オートフォーカス法及
びＴＴＬ（Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ Ｌｅｎｓ）方式に
よらない三角測距方式によるオートフォーカス法等が提
案されているが、いずれも処理速度、測定誤差及び物理
的制約等から、ＴＴＬ方式に比べ劣っている。

【００１０】本発明は、このような課題を解決するため
になされるもので、対象物の観察用光源によりオートフ
ォーカスできる光学式顕微鏡を提供することを目的とし
ている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の主たる観点に係る光学式顕微鏡は、第１の
軸である光軸に沿って照射される観測用の第１の光線及
び前記第１の軸と離れた第２の軸に沿って照射されるオ
ートフォーカス用の第２の光線を射出する照明手段と、
前記照明手段により射出された光線を対象物に照射さ
せ、前記対象物の反射、回折又は散乱光を結像位置に結
像させる光学系と、前記結像位置に配置された画像撮像
手段と、前記光学系を介して前記第２の光線を対象物に
照射させると共に、前記対象物の反射光を前記画像撮像
手段に結像させ、前記画像撮像手段により得られる信号
に基づいて前記光学系における前記対象物の焦点位置の
調整をするオートフォーカス手段とを具備することを特
徴とする。

【００１２】本発明では、対象物の観察をするときは光
軸に沿った第１の光線を使用し、オートフォーカスする
ときは、第１の光線と同じ照明手段であって光軸と離れ
た第２の光線によることとしたので、ＴＴＬ方式による
オートフォーカスとする場合における対物レンズの色消
しの困難性は、解消されると共にフォーカス制御が非常
に高精度となる。

【００１３】本発明の一の形態によれば、前記照明手段
は、前記光線を射出する光源と、前記光源による光線の
光軸上に開口部を設けた開口絞り及び前記開口絞りから
射出した光線の光軸上に開口部を設けた視野絞りを有す
るケーラー照明光学系とが設けられ、前記開口絞りの前
記開口部の位置を変更自在とし、更に前記視野絞りの開
口部の開口面積を変更自在とすることを特徴とする。こ
れにより、開口絞りを光軸に対し離軸した開口絞りとす
ることができ、光軸に対し離れた光線を照明手段から射
出することができる。従って、この離れた光線をオート
フォーカス用の光線とすることができるので、簡単な構
造によって安価に光学式顕微鏡におけるオートフォーカ
スを行うことができる。

【００１４】本発明の一の形態によれば、前記開口絞り
及び前記視野絞りは、それぞれ開口絞り用液晶素子及び
視野絞り用液晶素子であることを特徴とする。これによ
り、開口絞りを離軸化することが更に、スピードアップ
され機械的磨耗もなくなる。

【００１５】本発明の一の形態によれば、前記オートフ
ォーカス手段は、前記光学系に設けられた対物レンズを
フォーカス方向に移動させるアクチュエータを有するこ
とを特徴とする。これにより、対物レンズを電気的に極
めて正確に且つ、瞬時にフォーカス制御ができることと
なる。

【００１６】本発明の一の形態によれば、前記対象物を
保持する保持機構を更に具備し、前記オートフォーカス
手段は、前記保持機構をフォーカス方向に移動させる移
動手段を有することを特徴とする。これにより、対物レ
ンズを固定したままオートフォーカスできるので、光学
系としてのオートフォーカスそのものが簡単であり安価
の装置とすることができる。

【００１７】本発明の一の形態によれば、前記オートフ
ォーカス手段は、前記光学系に設けられた前記対物レン
ズをフォーカス方向に移動させる前記アクチュエータ
と、前記保持機構をフォーカス方向に移動させる前記移
動手段とを具備することを特徴とする。これにより、保
持機構によりフォーカス方向に移動させると同時に、対
物レンズをフォーカス方向に移動させることができるの
で、オートフォーカスが更にスピードアップされ高精度
なものとすることができる。

【００１８】本発明の一の形態によれば、前記光学系の
前記対物レンズに設けられ、前記対象物に光線を照射す
る距離検出用の光源と、前記対象物により反射された反
射光を検出する検出部とを更に具備し、前記オートフォ
ーカス手段は、前記検出部からの信号により前記対象物
と前記検出部との距離を予備的に調整した後、前記光学
系における前記対象物の焦点位置の調整をすることを特
徴とする。これにより、まず対象物と前記距離検出手段
との距離の調整によって予備的にオートフォーカスを行
い、その後対物レンズによるオートフォーカスによって
ベスト位置に対象物の焦点位置を調整できることとな
り、光学式顕微鏡としてのオートフォーカスの効率化を
図ることができると共に、オートフォーカスを更に高精
度なものとすることができる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づき説明する。

【００２０】図１は本発明の第１の実施の形態に係る光
学式顕微鏡を示す光学系及び制御系の構成図である。

【００２１】図１に示すように、この光学式顕微鏡１
は、保持機構及び移動手段として顕微観測する対象物２
を載置すると共に移動させる可動ステージ３と、対象物
２に光線を照射すると共に対象物２からの反射、回折又
は散乱光を結像するための光学系４と、照明手段として
光学系４に光線を照射するための光源１７及び光源１７
から射出する光線が入射するケーラー照明光学系５と、
光学系４により結像された像を撮像する画像撮像手段６
と、画像撮像手段６により得られた画像を処理する画像
処理系７と、光学式顕微鏡の全体の動きを制御する制御
系８とを備えている。

【００２２】例えば、光学式顕微鏡１により半導体ウェ
ーハ９に存在する各種欠陥の検査及び半導体プロセスの
リソグラフィ工程における半導体ウェーハ９上に形成さ
れたパターンの寸法、重ね合わせ精度等を検査、計測す
る場合は、半導体ウェーハ９が顕微観測する対象物２と
なる。

【００２３】ここで、図２は可動ステージ３を示す斜視
図、図３は対象物２の焦点調整する場合の光学式顕微鏡
を示す光学系及び制御系の構成図である。

【００２４】図２に示すように、可動ステージ３は水平
方向（ＸＹ方向）に移動させるＸＹステージ１０と、半
導体ウェーハ９を垂直方向（Ｚ方向）に移動させるＺス
テージ１１と、半導体ウェーハ９をＸＹ平面で回転させ
る（θ方向）θステージ１２と、それぞれのステージを
駆動するための駆動用モータ１３，１４，１５及び１６
と、半導体ウェーハ９を吸着して可動ステージ３上に固
定する為の吸着プレート（図示せず）とを備えている。

【００２５】また、可動ステージ３は、制御系８の制御
のもと駆動用モータ１３，１４及び１５を駆動させるこ
とで、吸着プレートにより吸着された半導体ウェーハ９
上の任意の点を、光学系４直下へと移動させることがで
きる。これによって、各駆動用モータを同時に駆動でき
るので、半導体ウェーハ９の移動が極めてスピードアッ
プする。

【００２６】更に、制御系８の制御のもと駆動用モータ
１６を駆動することによって半導体ウェーハ９の焦点位
置の調整をすることができる。これによって、オートフ
ォーカスが極めて容易に且つ迅速に行うことができる。

【００２７】また、図１に示すように光源１７は、例え
ば、紫外線固体レーザが用いられる。この紫外線固体レ
ーザは、ＹＡＧレーザ等の固体レーザに非線形光学素子
を用いて波長変換し、例えば、波長が２６６ｎｍ及び１
９３ｎｍから２１３ｎｍ程度のＤＵＶレーザ光を射出す
る。

【００２８】ここで、光学式顕微鏡１の分解能は、対象
物に照射する光線の波長と、対物レンズ２６の開口数
（ＮＡ：ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｐｅｒｔｕｒｅ）に依
存し、照明する光線の波長が短波長であり、よりＮＡが
大きい方が分解能は上がる。

【００２９】この点、光学式顕微鏡１は、光源１７とし
て深紫外線固体レーザが用いられ、更に高ＮＡの対物レ
ンズ２６を用いているので、半導体リソグラフィ工程で
生成される半導体ウェーハ９上の微細パターンの検査が
可能となる。

【００３０】更に、光学式顕微鏡１における光源１７と
しての深紫外線固体レーザは、装置自体が小型であり、
リソグラフィ工程で盛んに用いられているエキシマレー
ザに比べ、波長安定性、単色性、ビームプロファイル、
冷却対策、ガス補充対策、レーザ安全対策及び取り扱い
の上でも優れている。

【００３１】ケーラー照明光学系５は、光源１７から射
出した光線を導く光ファイバ１８と、光ファイバ１８に
よって導かれた光線を射出する射出部１９と、射出部１
９から射出した光線を集光する補助集光レンズ２０と、
補助集光レンズ２０から射出した光線が入射する開口絞
り２１，２２と、開口絞り２１，２２から射出した光線
が入射する視野絞り２３，２４と、視野絞り２３，２４
から射出した光線が入射するコンデンサ２５と、開口絞
り２１，２２及び視野絞り２３，２４を駆動する絞り駆
動手段２７とを備えている。

【００３２】開口絞り２１，２２のうち開口絞り２１
は、対象物２を顕微観測するときに使用されるもので、
例えば板状をなし補助集光レンズ２０からの射出光線の
光軸上に開口部がくるように、開口絞り２１の中央部に
開口部が設けられている。

【００３３】また、開口絞り２２は、対象物２の焦点位
置を調整するときに使用されるもので、顕微観測用の光
線の光軸に対し離れた光線をケーラー照明光学系５から
射出できるようにするため、例えば板状をなし光軸に対
し離軸した開口絞りとなっている。すなわち、開口絞り
２２は開口部が開口絞り２２の中央部より上方に設けら
れている。

【００３４】更に、開口絞り２２の離軸量は開口絞り２
２と対物レンズ瞳径との倍率が等倍であるので、最大で
対物レンズ瞳径の大きさとなる。

【００３５】ここで、開口絞り２２は、対象物２を顕微
観測するときは開口絞り２１の開口部から射出した光線
を遮断しないように開口絞り２２の上端部が光線より下
に下げられている。

【００３６】視野絞り２３，２４のうち視野絞り２３
は、対象物２を顕微観測するときに使用されるもので、
例えば板状をなし補助集光レンズ２０からの射出光線の
光軸上に開口部がくるように、視野絞り２３の中央部に
開口部が設けられている。

【００３７】また、視野絞り２４は、対象物２の焦点位
置を調整するときに使用されるもので、視野絞り２４は
画像撮像手段６にスポットを結ぶように、例えば板状を
なし視野絞り２４の中央部に、画像撮像手段６の撮像範
囲より十分に小さい開口部が設けられている。この開口
部は丸孔に限られずスリット状であってもかまわない。

【００３８】更に、視野絞り２４は、対象物２を顕微観
測するときは、視野絞り２３の開口部から射出した光線
を遮断しないように、視野絞り２４の上端部が光線より
下に下げられている。

【００３９】これによって対象物２の観測用の光線を射
出するときは開口絞り２１と視野絞り２３とをケーラー
照明光学系として使用することができ、対象物面から見
ると開口絞り２１のすべてが光源となり、均質な照明が
得られる。

【００４０】更に、図３に示すように、対象物２の焦点
位置調整用の光線を射出するときは絞り駆動手段２７に
より、開口絞り２１と開口絞り２２とを入れ換えられる
と共に視野絞り２３と視野絞り２４とも入れ換えられ
る。このとき、顕微観測用の光線の光軸に対し離れた開
口絞り２２の開口部に入射する光線及び開口絞り２２の
開口部から射出する光線を遮断することとならないよう
に、開口絞り２１と視野絞り２３とが下げられることと
なる。

【００４１】これにより、ケーラー照明光学系から、対
象物２の観測をするときはコンデンサ２５の光軸上に沿
って光線が射出され、対象物２の焦点位置調整をすると
きはコンデンサ２５の光軸から離れた光線が射出される
こととなる。

【００４２】絞り駆動手段２７は、例えば駆動用モータ
又は電磁石等により制御系８の制御下、開口絞り２１と
開口絞り２２とを入れ換えると共に視野絞り２３と視野
絞り２４とを入れ換える。

【００４３】これによって、迅速に且つ簡単に同じ光源
１７、ケーラー照明光学系５及び光学系４を使用し、対
象物２の顕微観察ができると共に対象物２のオートフォ
ーカスもできることとなる。

【００４４】また、図１に示すように、光学系４はケー
ラー照明光学系５から射出された光線が入射するビーム
スプリッタ２８と、ビームスプリッタ２８により反射さ
れた光線が入射する対物レンズ２６と、対象物２から反
射され戻ってきた光線であって対物レンズ２６及びビー
ムスプリッタ２８を透過した光線が入射する結像レンズ
２９と、アクチュエータ３０とを備えている。

【００４５】ビームスプリッタ２８は、ケーラー照明光
学系５から射出された光線を対物レンズ２６へ反射さ
せ、対象物２から反射され対物レンズ２６を透過した光
線は結像レンズ２９へ透過させるものである。

【００４６】対物レンズ２６は、ビームスプリッタ２８
から射出されたケーラー照明光学系５から届いた光線を
対象物２に照射するものである。また対物レンズ２６
は、対象物２からの反射光等をビームスプリッタ２８を
介して結像レンズ２９に出射するように設けられてい
る。

【００４７】結像レンズ２９は、対物レンズ２６によっ
て結ばれた像を更に拡大し画像撮像手段６に像を結ぶも
のであり、これによって微細な対象物２を顕微観察でき
ることとなる。例えば、半導体ウェーハ９に存在する各
種の欠陥を検査し、且つ半導体プロセスのリソグラフィ
工程において、半導体ウェーハ９上に形成されたパター
ンの寸法、重ね合わせ精度等を検査、計測することがで
きることとなる。

【００４８】図４は離軸式オートフォーカスを示すケー
ラー照明光学系５及び光学系４である。

【００４９】ここで、対象物２の焦点位置調整をすると
きはコンデンサ２５の光軸から離れた光線が射出される
こととなるが、この光線は例えば光学系４においては図
４に示すように、ケーラー照明光学系５内のコンデンサ
２５の光軸に平行で少し離れビームスプリッタ２８に入
射し、ビームスプリッタ２８によって対物レンズ２６へ
反射される。

【００５０】ここで、対物レンズ２６の物空間面では、
対物レンズ２６の光軸から離れたところから光線が射出
されるため、光軸上の焦点位置に斜めに光線が進むこと
となる。

【００５１】従って、対象物２から反射等する光線は入
射角と同じ角度θ_１をもって反射し、対物レンズ２６の
物空間面に入射することとなる。

【００５２】また、角度θ_１をもって対物レンズ２６に
入射した光線は、ビームスプリッタ２８及び結像レンズ
２９を介して画像撮像手段６のスポット位置に像を結ぶ
こととなる。

【００５３】ここで、対象物２がΔｄ_１だけ対物レンズ
２６から離れたときは、対象物２からの反射光は反射位
置が横方向にｈ_１だけずれることとなるので、ビームス
プリッタ２８及び結像レンズ２９を介して画像撮像手段
６に像を結ぶ位置は、光軸上画像撮像手段６からΔｄ_２
だけ手前にスポットを結ぶこととなる。すなわち画像撮
像手段６の受光面においては横方向にｈ_２だけずれるこ
ととなる。

【００５４】また、横方向のずれｈ_２は光学式顕微鏡１
の倍率が１００倍であれば、対象物２での反射位置のず
れｈ_１の１００倍であり非常に高精度のオートフォーカ
スが可能となる。

【００５５】このとき対象物２の焦点位置からのずれΔ
ｄ_１が反射角θ_１と、画像撮像手段６の受光面における
横方向のずれｈ_２と、対物レンズ２６の焦点距離ｆ
_１と、結像レンズ２９の焦点距離ｆ_２とによって定まる
事を利用して、オートフォーカスを行う手法が離軸式オ
ートフォーカス手法と言われるものである。

【００５６】以下に離軸式オートフォーカス手法を数式
を使って説明する。

【００５７】離軸式オートフォーカス手法は、結像公式
による縦倍率が横倍率の２乗で表現される特性を利用し
たもので、対象物面である半導体ウェーハ９のデフォー
カスによる像面での横変位量が、縦倍率の離軸による入
射角正接、拡大倍率及びデフォーカス量に比例する性質
を用いている。

【００５８】すなわち図３に示すように、ケーラー照明
光学系５における開口絞り２２の光軸からの離軸量は、
対物レンズ２６からの対象物面への入射角度を決定す
る。

【００５９】離軸光の入射角度θ_１（度）は、対物レン
ズ２６の開口数Ｎ、対物レンズ瞳径と開口絞りとの直径
比σ、離軸量Ｒ及び開口絞り径Ａによって、離軸光の入
射角度θ_１（度）＝ｓｉｎ^−１（Ｎ×σ×Ｒ）／２Ａで
表現できる。

【００６０】今、図４のように、対象物面である半導体
ウェーハ９にΔｄ_１のデフォーカスがある状態では、観
察している画像撮像手段６の像面上でのデフォーカス量
は、結像式によりΔｄ_２＝（ｆ_２／ｆ_１）^２×Δｄ_１で
表現される。

【００６１】このとき、画像撮像手段６への入射角ｓｉ
ｎθ_２は画像撮像手段６への入射角ｓｉｎθ_２＝（ｆ_１
／ｆ_２）×ｓｉｎθ_１であるからｆ_１<<ｆ_２すなわち、
対象物面における横変位量ｈ_１と画像撮像手段６におけ
る横変位量ｈ_２との間に、ｈ _１<<ｈ_２となる範囲で、横
変位量ｈ_２は、ｈ_２＝Δｄ_２×ｓｉｎθ_２となる。

【００６２】これを整理するとｈ_２＝（ｆ_２／ｆ_１）×
ｓｉｎθ_１×Δｄ_１と表現でき、横変位量ｈ_２を正しく
測定する事で、フォーカス状態を把握する事を可能とし
ている。

【００６３】アクチュエータ３０は、内部に設けられた
フォーカスコイル及びフォーカスマグネット等（図示せ
ず）により構成され、制御系８によりフォーカスコイル
に、電圧が印加されることによってフォーカス動作する
ように設けられている。

【００６４】画像撮像手段６は、光学式顕微鏡１の光源
１７が深紫外線固体レーザ等の場合は、結像レンズ２９
によって結像された像を肉眼で直接見ることはできない
ので、ＣＣＤ等で撮像するために結像レンズ２９によっ
て結像されるところに設けられている。

【００６５】画像処理系７は、画像撮像手段６により撮
像した情報をモニターテレビ等で見れるように処理する
ものである。

【００６６】制御系８は、光源１７、絞り駆動手段２
７、可動ステージ３の駆動用モータ１３〜１６及びアク
チュエータ３０等の光学式顕微鏡１全体の制御をできる
ように設けられている。

【００６７】次に、上記のように構成された光学式顕微
鏡１の動作について説明する。

【００６８】例えば半導体ウェーハ９の各種欠陥を検査
する場合は、まず検査される半導体ウェーハ９が可動ス
テージ３のＸＹステージ１０上に載せられ、制御系８の
電源が投入されると、光源１７から光線が射出されると
共に、半導体ウェーハ９が吸着プレートによって吸着さ
れ、ＸＹステージ１０上に固定される。これによって、
検査中に半導体ウェーハ９がずれることを防止すると共
に半導体ウェーハ９に傷をつけることを防げる。

【００６９】次に、制御系８の制御下、駆動用モータ１
３によりＸＹステージ１０が水平方向であるＸ方向に移
動されると共に、駆動用モータ１４によりＸＹステージ
１０が水平方向であるＹ方向に移動される。これによっ
て、半導体ウェーハ９の検査すべき位置を光学系４直下
に移動させることができる。

【００７０】次に、オートフォーカスをすることとなる
が、例えばオートフォーカス開始用スイッチをスイッチ
オンするとまず、絞り駆動手段２７に制御系８の制御
下、電源が投入され、開口絞り２１の上端部が補助集光
レンズ２０を透過した光線を、遮断することとならない
ように下降する。

【００７１】また、開口絞り２２は開口絞り２２の開口
部が補助集光レンズ２０の光軸から離れるように上昇す
る。

【００７２】更に、視野絞り２３は視野絞り２３の上端
部が開口絞り２２の開口部から射出した光線を、遮断す
ることとならないように下降する。また視野絞り２４
は、視野絞り２４の開口部が補助集光レンズ２０の光軸
上に来るように上昇する。

【００７３】次に、光源１７から射出した光線が光ファ
イバ１８によって射出部１９に導かれ、射出部１９から
射出した光線が開口絞り２２及び視野絞り２４を経て、
コンデンサ２５から光軸から離れた光線として、光学系
４のビームスプリッタ２８に射出される。これによっ
て、離軸された光線を使って極めて簡単に且つ正確にオ
ートフォーカスをすることができることとなる。

【００７４】すなわち、離軸した光線が光学系４のビー
ムスプリッタ２８に入射すると、対物レンズ２６へ反射
され、対物レンズ２６の物空間面から半導体ウェーハ９
の検査すべき位置に斜めに照射される。

【００７５】更に、照射された光線は検査すべき位置の
半導体ウェーハ９から反射され対物レンズ２６に斜めに
入射し、ビームスプリッタ２８及び結像レンズ２９を介
して、画像撮像手段６例えばＣＣＤに像が結ばれること
となる。このとき、図４に示すように検査すべき位置の
半導体ウェーハ９の焦点がΔｄ_１だけずれているとき
は、結像レンズ２９による結像位置では、拡大されたΔ
ｄ_２だけずれることとなり、横方向ではｈ_２だけずれる
こととなる。

【００７６】このｈ_２のずれが画像撮像手段６により電
子情報化され、これにより制御系８からアクチュエータ
３０に設けられたフォーカスコイルに電圧が印加され
る。これによって、対物レンズ２６がフォーカス方向に
移動され適正な焦点位置が確保されることとなる。すな
わち、画像撮像手段６によりｈ_２のずれが認識できない
こととなり、オートフォーカスが終了する。

【００７７】次に、制御系８の制御下、特定された検査
位置で通常の半導体ウェーハ９の各種欠陥を検査するこ
ととなる。

【００７８】すなわち、絞り駆動手段２７に制御系８の
制御下電源が投入され、開口絞り２１は開口絞り２１の
開口部が補助集光レンズ２０の光軸上に来るように上昇
される。また、開口絞り２２は開口絞り２１から射出さ
れた光線を遮断しないように開口絞り２２の上端部が光
線より下方に降下する。

【００７９】更に、視野絞り２３は視野絞り２３の開口
部が補助集光レンズ２０の光軸上に来るように上昇され
る。また、視野絞り２４は視野絞り２３から射出された
光線を遮断しないように視野絞り２４の上端部が光線よ
り下方に降下する。

【００８０】これによって、コンデンサ２５から光軸に
沿った光線として、光学系４のビームスプリッタ２８に
射出される。更に、ビームスプリッタ２８で反射され、
対物レンズ２６に射出されて検査すべき半導体ウェーハ
９に光軸に沿った光線が照射されることとなる。

【００８１】また、半導体ウェーハ９に照射された光線
は、反射等され再び対物レンズ２６に戻り、ビームスプ
リッタ２８及び結像レンズ２９を介して画像撮像手段６
に像を結ぶこととなる。

【００８２】更に、画像撮像手段６に結ばれた像の電子
情報をモニターテレビ等で見れるように画像処理系７で
処理され、モニターテレビ等で検査することとなる。

【００８３】このように本実施形態によれば、ケーラー
照明光学系５の開口絞り２１と開口絞り２２とを、更に
視野絞り２３と視野絞り２４とを制御系８の制御下、切
り換えることによって、対象物２の観察をするときは光
軸に沿った光線を使用し、オートフォーカスするときは
同じ光源１７から射出され、光軸から離軸した光線を使
用することとしたので、オートフォーカス用として別の
光源を使用する場合に比べ、対物レンズ２６の色消しの
困難性は解消されると共に構造的に簡単であり安価に製
造できることとなる。

【００８４】また、光軸から離軸した光線を使用し対物
レンズ２６への入射角による画像撮像手段６における横
変位量を測定し、フォーカス状況を把握することとした
ので、極めて精密で正確なオートフォーカスができるこ
ととなった。更に、信号処理が極めて高速に行える為、
同色オートフォーカス手法として広く行われている画像
コントラスト法に比べ、収束速度が極めて速くなる。

【００８５】従って、深紫外線を使用し例えば、半導体
ウェーハ９に存在する各種欠陥及び、半導体プロセスの
リソグラフィ工程において、半導体ウェーハ９上に形成
されたパターンの寸法、重ね合わせ精度等を検査、計測
する目的で使用するのに最適である。

【００８６】次に、図５は本発明の第２の実施の形態に
係る光学式顕微鏡を示す光学系及び制御系の構成図、図
６は対象物の焦点調整する場合の光学式顕微鏡を示す光
学系及び制御系の構成図である。なお、図５及び図６に
おいて第１の実施態様で示した図１及び図３における構
成要素と同一の構成要素については同一の符号を付すも
のとし、その説明を省略する。

【００８７】図５に示すように、ケーラー照明光学系５
の開口絞り２１及び２２の代わりに開口絞り用液晶素子
３１が設けられ更に、視野絞り２３及び２４の代わりに
視野絞り用液晶素子３２が設けられており、制御系８に
より制御される。

【００８８】図５及び図６を参照しながら本実施形態の
動作について説明する。ここで半導体ウェーハ９の検査
すべき位置を光学系４直下に移動させるまでは、第１の
実施の形態の場合と同一である。

【００８９】次に、オートフォーカスをすることとなる
が、オートフォーカス開始用スイッチがスイッチオンさ
れると制御系８の制御下で開口絞り用液晶素子３１に、
補助集光レンズ２０の光軸から離軸した所に光線を透過
する部分ができるように電圧が印加される。

【００９０】また、視野絞り用液晶素子３２には、補助
集光レンズ２０の光軸上に光線を透過する部分ができる
ように電圧が印加される。更に、この透過部分は結像レ
ンズ２９から射出した光線が、画像撮像手段６にスポッ
トを結ぶように、画像撮像手段６の撮像範囲より十分に
小さいものとなっている。

【００９１】これによって、第１の実施形態と同様コン
デンサ２５から光学系４のビームスプリッタ２８に向け
て光軸から離れた光線が射出されることとなり、光学系
４により画像撮像手段６に像が結像され、この情報に基
づいて制御系８の制御下、アクチュエータ３０に電圧が
印加されオートフォーカスがなされる。

【００９２】次に、制御系８の制御下、特定された検査
位置で通常の半導体ウェーハ９の各種欠陥を検査するこ
ととなる。

【００９３】すなわち、制御系８の制御下、開口絞り用
液晶素子３１に補助集光レンズ２０の光軸上に光線を透
過する部分ができるように電圧が印加される。

【００９４】また、視野絞り用液晶素子３２にも、補助
集光レンズ２０の光軸上に光線を透過する部分ができる
ように電圧が印加される。

【００９５】これによって、第１の実施形態と同様コン
デンサ２５から光学系４のビームスプリッタ２８に向け
て光軸に沿った光線が射出されることとなり、光学系４
により画像撮像手段６に像が結像される。また、画像撮
像手段６に結ばれた像の電子情報はモニターテレビ等で
見れるように画像処理系７で処理され、モニターテレビ
等で半導体ウェーハ９のパターン等を検査することとな
る。

【００９６】このように本実施形態によれば、開口絞り
２１，２２及び視野絞り２３，２４の代わりに開口絞り
用液晶素子３１及び視野絞り用液晶素子３２を使用する
こととしたので、機械的に駆動する機構が不要となり機
械的磨耗もなくなる。また、部品点数を少なくできるの
で、スペース的にもコンパクトにすることができる。

【００９７】次に、図７は本発明の第３の実施の形態に
係る光学式顕微鏡を示す光学系及び制御系の構成図、図
８は対象物の焦点調整する場合の光学式顕微鏡を示す光
学系及び制御系の構成図、図９はオートフォーカスをす
るときの光学式顕微鏡１における動作を示すフローチャ
ートである。なお、図７及び図８において第１の実施形
態で示した図１及び図３における構成要素と同一の構成
要素については同一の符号を付すものとし、その説明を
省略する。

【００９８】図７に示すように、光学系４のアクチュエ
ータ３０に距離検出用光源３３及び検出部３４が設けら
れ、制御系８により制御されている。ここで距離検出用
光源３３として例えばレーザダイオードが用いれられ、
検出部３４としてはフォトディテクタが用いれられる。

【００９９】図７、図８及び図９を参照しながら本実施
形態の動作について説明する。ここで半導体ウェーハ９
の検査すべき位置を光学系４直下に移動させるまでは、
第１の実施の形態の場合と同一である。

【０１００】次に、オートフォーカスをすることとなる
が、オートフォーカス開始用スイッチがスイッチオンさ
れると(ステップ１０１)、まず制御系８の制御下、距離
検出用光源３３から対象物２である半導体ウェーハ９の
観測すべき位置に光線が射出される。

【０１０１】更に、距離検出用光源３３から射出された
光線は、半導体ウェーハ９により反射され検出部に入射
する(ステップ１０２)。この検出部に入射した光線は電
気信号となり制御系８の制御下、可動ステージ３のＺス
テージ１１が駆動用モータ１６によってフォーカス方向
に移動される(ステップ１０３)。

【０１０２】これによって、半導体ウェーハ９と検出部
３４との距離が調整され、予備的に大まかな半導体ウェ
ーハ９の焦点位置の調整がされることとなる(ステップ
１０４)。

【０１０３】次に、制御系８の制御下、絞り駆動手段２
７によって開口絞り２１が光軸の下に降下させられると
共に、開口絞り２２の開口部が光軸から離れるように上
昇させられる。また、視野絞り２３が、光軸の下に降下
させられると共に、視野絞り２４は開口部が光軸上に来
るように上昇させられる(ステップ１０５)。

【０１０４】これによって、光源から射出した光線が光
軸から離れた光線として光学系４のビームスプリッタ２
８に入射され、対物レンズ２６を介して半導体ウェーハ
９に斜めに照射される。更に、半導体ウェーハ９からの
反射光は対物レンズ２６、ビームスプリッタ２８及び結
像レンズ２９を介して画像撮像手段６に像を結ぶ。

【０１０５】このとき、予備的オートフォーカスでまだ
残っていたデフォーカスによる画像撮像手段６の受光面
での横変位量が検出されることとなる(ステップ１０
６)。

【０１０６】次に、制御系８の制御下、対物レンズ２６
に設けられたアクチュエータ３０に電圧が印加され(ス
テップ１０７)、対物レンズ２６がフォーカス方向に移
動される。

【０１０７】これによって、半導体ウェーハ９の焦点位
置がベスト位置となり、オートフォーカスが終了するこ
ととなる(ステップ１０８)。

【０１０８】この後、制御系８の制御下、特定された検
査位置で通常の半導体ウェーハ９の各種欠陥を検査する
こととなるが、第１の実施の形態の場合と同じである。

【０１０９】このように本実施形態によれば、離軸式に
よるオートフォーカスの前に別に設けられた距離検出用
光源３３及び検出部３４により、予備的にオートフォー
カスすることとしたので、アクチュエータ３０によるオ
ートフォーカスのダイナミックレンジが狭い場合に、確
実に高精度のオートフォーカスができることとなる。

【０１１０】なお、本発明は上述したいずれの実施形態
にも限定されず、本発明の技術思想の範囲内で適宜変形
して実施できる。

【０１１１】例えば、上述の実施形態では、オートフォ
ーカス用の画像撮像手段６と顕微鏡観察用の画像撮像手
段６とを兼用しているが、光路途中にビームスプリッタ
等を設け、オートフォーカス用の光学系及び画像撮像手
段を設けても良い。この場合、オートフォーカス用の光
学系として、必要なオートフォーカス精度により光学系
の焦点距離を決定すれば良い。

【０１１２】また、オートフォーカス用の光学系は顕微
鏡観察用の光学系と兼用しても構わない。

【０１１３】更に、オートフォーカス用の画像撮像手段
としては、２次元の画像撮像手段である必要は無く、２
分割ディテクタ及びラインＣＣＤ等の離軸方向に感度及
び変調度のある１次元型光電変換素子であっても構わな
い。この場合、視野絞り２４は２分割ディテクタ等の受
光素子の受光エリアに合わせて、領域を決定してやれば
良い。

【０１１４】これにより、顕微鏡観察用の画像撮像手段
６をオートフォーカス用の画像撮像手段６として使用す
るための制御等が不要となり、制御系８等がより効率的
なものとなり、より迅速な処理が可能となる。

【０１１５】また、上述の実施形態では、離軸式による
オートフォーカスにおいてアクチュエータ３０によりフ
ォーカス方向へ移動したが、これに限られるものでな
い。例えば、アクチュエータ３０によるフォーカス方向
への移動をせず、可動ステージ３のＺステージ１１を駆
動用モータ１６でフォーカス方向へ移動させてもよい。

【０１１６】これによって、対物レンズ２６の構造が簡
単となり安価な装置とすることができる。

【０１１７】更に、アクチュエータ３０による対物レン
ズ２６のフォーカス方向への移動と、駆動用モータ１６
によるＺステージ１１のフォーカス方向への移動とを両
方行っても良い。

【０１１８】これによって、Ｚステージ１１によりフォ
ーカス方向に移動させると同時に、対物レンズをフォー
カス方向に移動させることができるので、オートフォー
カスが更にスピードアップされると共により精度が高く
なる。

【０１１９】また、上述の実施形態では、開口絞り２
１，２２及び視野絞り２３，２４の開口面積の設定は例
えば板状のものに適宜、孔を開けて使用するか、液晶素
子においては制御系８により適宜、透過部分が設けられ
たが、１つの絞りにおいて複数の板を使用し開口面積を
可変にした絞りを使用しても良い。これによって、部品
点数が少なく済み装置が安価なものとなる。

【０１２０】更に、上述の実施形態では、開口絞り２１
と２２とを切り替えて使用したが、１枚の開口絞りを開
口部分が光軸上あるいは、光軸から離れたところに来る
ように移動させ、開口部の位置を変更させて使用しても
良い。これによって、更に構造が簡単となると共に、安
価な装置にできる。

【０１２１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
対象物の観察用光源によりオートフォーカスできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係る光学式顕微鏡を示す光
学系及び制御系の構成図である。

【図２】本発明の実施形態に係る可動ステージを示す斜
視図である。

【図３】本発明の実施形態に係る対象物の焦点調整する
場合の光学式顕微鏡を示す光学系及び制御系の構成図で
ある。

【図４】本発明の実施形態に係る離軸式オートフォーカ
スを示すケーラー照明系及び光学系である。

【図５】本発明の第２の実施形態に係る光学式顕微鏡を
示す光学系及び制御系の構成図である。

【図６】本発明の第２の実施形態に係る対象物の焦点調
整する場合の光学式顕微鏡を示す光学系及び制御系の構
成図である。

【図７】本発明の第３の実施形態に係る光学式顕微鏡を
示す光学系及び制御系の構成図である。

【図８】本発明の第３の実施形態に係る対象物の焦点調
整する場合の光学式顕微鏡を示す光学系及び制御系の構
成図である。

【図９】本発明の第３の実施形態に係るオートフォーカ
スをするときの光学式顕微鏡１における動作を示すフロ
ーチャートである。

【符号の説明】

１ 光学式顕微鏡 ２ 対象物 ４ 光学系 ５ ケーラー照明光学系 ６ 画像撮像手段 １７ 光源 ２１，２２ 開口絞り ２３，２４ 視野絞り ２６ 対物レンズ ３０ アクチュエータ ３１ 開口絞り用液晶素子 ３２ 視野絞り用液晶素子 ３３ 距離検出用光源 ３４ 検出部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０２Ｂ 21/06 Ｇ０２Ｂ 7/11 Ｊ 21/24 Ｄ Ｂ Ｆターム(参考） 2H044 DA01 DB00 DC02 2H051 AA10 AA11 BA47 BA72 BB11 CB06 CC03 CC04 CC13 DA02 DD10 FA47 2H052 AC02 AC04 AC12 AC18 AC26 AC34 AD09 AD19 AD21 AD35

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１の軸である光軸に沿って照射される
   観測用の第１の光線及び前記第１の軸と離れた第２の軸
   に沿って照射されるオートフォーカス用の第２の光線を
   射出する照明手段と、 前記照明手段により射出された光線を対象物に照射さ
   せ、前記対象物の反射、回折又は散乱光を結像位置に結
   像させる光学系と、 前記結像位置に配置された画像撮像手段と、 前記光学系を介して前記第２の光線を対象物に照射させ
   ると共に、前記対象物の反射光を前記画像撮像手段に結
   像させ、前記画像撮像手段により得られる信号に基づい
   て前記光学系における前記対象物の焦点位置の調整をす
   るオートフォーカス手段とを具備することを特徴とする
   光学式顕微鏡。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の光学式顕微鏡におい
   て、 前記照明手段は、前記光線を射出する光源と、前記光源
   による光線の光軸上に開口部を設けた開口絞り及び前記
   開口絞りから射出した光線の光軸上に開口部を設けた視
   野絞りを有するケーラー照明光学系とが設けられ、 前記開口絞りの前記開口部の位置を変更自在とし、更に
   前記視野絞りの開口部の開口面積を変更自在とすること
   を特徴とする光学式顕微鏡。
3. 【請求項３】 請求項２に記載の光学式顕微鏡におい
   て、 前記開口絞り及び前記視野絞りは、それぞれ開口絞り用
   液晶素子及び視野絞り用液晶素子であることを特徴とす
   る光学式顕微鏡。
4. 【請求項４】 請求項１から請求項３のうちいずれか１
   項に記載の光学式顕微鏡において、 前記オートフォーカス手段は、前記光学系に設けられた
   対物レンズをフォーカス方向に移動させるアクチュエー
   タを有することを特徴とする光学式顕微鏡。
5. 【請求項５】 請求項１から請求項３のうちいずれか１
   項に記載の光学式顕微鏡において、 前記対象物を保持する保持機構を更に具備し、 前記オートフォーカス手段は、前記保持機構をフォーカ
   ス方向に移動させる移動手段を有することを特徴とする
   光学式顕微鏡。
6. 【請求項６】 請求項１から請求項３のうちいずれか１
   項に記載の光学式顕微鏡において、 前記オートフォーカス手段は、 前記光学系に設けられた前記対物レンズをフォーカス方
   向に移動させる前記アクチュエータと、 前記保持機構をフォーカス方向に移動させる前記移動手
   段とを具備することを特徴とする光学式顕微鏡。
7. 【請求項７】 請求項４から請求項６のうちいずれか１
   項に記載の光学式顕微鏡において、 前記光学系の前記対物レンズに設けられ、前記対象物に
   光線を照射する距離検出用の光源と、前記対象物により
   反射された反射光を検出する検出部とを更に具備し、 前記オートフォーカス手段は、前記検出部からの信号に
   より前記対象物と前記検出部との距離を予備的に調整し
   た後、前記光学系における前記対象物の焦点位置の調整
   をすることを特徴とする光学式顕微鏡。