JP2008002932A - 試料撮像装置及び試料の照明方法 - Google Patents

Abstract

【課題】スループットへの影響を抑えつつ異なる種類の照明による画像を取得でき、かつ容易に構成可能な試料撮像装置及び照明方法を提供する。
【解決手段】試料撮像装置１を、奇数フィールドを成す画素信号と偶数フィールドを成す画素信号とが交互に受光部から取り出される撮像素子１５と、受光部から画素信号が取り出されるフィールドの切り替えに同期して試料表面を照明する照明光を切り替える照明光切替部２５と、を備えて構成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、明視野照明及び暗視野照明により照明された試料を撮像する撮像装置及び試料の照明方法に関し、特に半導体ウエハ等の試料表面に形成したパターンの検査を半導体製造工程などで行う外観検査装置に使用される撮像装置及び試料の照明方法に関する。

半導体製造工程では、半導体ウエハ、半導体メモリ用フォトマスク、液晶表示パネル用基板などの試料の表面に所定のパターンが繰返し形成される。そこで、このパターンの光学像を捕らえ、本来同一であるべき対応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。このようなパターン比較式の外観検査では、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や液晶表示パネル用基板などの試料の欠陥を検査する外観検査装置にも適用可能である。また本発明の適用範囲は外観検査装置に限定されるものではなく、一般に試料の明視野照明画像及び暗視野照明画像を撮像する撮像装置であれば広く適用可能である。

半導体ウエハ用外観検査装置では、ウエハ上に形成された微細なパターンの光学像を捉える為に金属顕微鏡が一般に使用される。かかる金属顕微鏡では、対象表面を垂直方向から照明してその正反射光の像を捕らえる明視野照明や、試料表面を斜め方向又は垂直方向から照明して正反射光は検出しないように撮像センサを配置する暗視野照明が用いられている。図１の（Ａ）に明視野照明光学系の概略的な構成例を示し、図１の（Ｂ）に明視野照明光学系の概略構成図を示す。

図１の（Ａ）に示す明視野照明光学系の例では、試料２を照明するために、光源２１と、照明用レンズ２２と、対物レンズ１４の光軸上に設けられた半透鏡２４とが設けられ、光源２１からの照明光を半透鏡２４によって対物レンズ１４の方向へ反射することにより、対物レンズ１４を通して試料２を真上から照明する。試料２の表面で反射した正反射光は再び対物レンズ１４に入射して投影され、その投影光は半透鏡２４を通過して撮像素子１５の受光面光に結像する。

一方で図１の（Ｂ）に明視野照明光学系の例では、光源３１と、照明用レンズ３２と、対物レンズ１４の光軸上に設けられて該光軸付近において中空である円環状の穴あき鏡３４と、穴あき鏡３４で反射されることにより対物レンズ１４の光軸に平行に試料２の方向へと進む中空の光束となった照明光を、さらに反射させて、対物レンズ１４の外側から対物レンズ１４の光軸に対して斜めから試料２に入射させるミラー３５、３５を備える。

かかる暗視野照明で得られた画像は、正反射光を捉えないので微小な欠陥で反射した散乱光の相対信号強度が強く微小欠陥を発見しやすいという長所があり、一方で明視野照明で得られた画像は、検出可能な欠陥の種類が多く、また検出された欠陥をその後に自動欠陥分類（ADC: Auto Defect Classification）装置などによって分類する際に使用できる情報量が多いという長所がある。
このように明視野照明と暗視野照明にはそれぞれ特長があり、明視野照明と暗視野照明とを切替えてこれら両方の照明を実現する顕微鏡装置も考案されている（例えば、下記特許文献１〜４）。

特開２００６−０２３２２１号公報 特開２００３−１４９１６９号公報 特開２００４−１０１４０６号公報 特開２００４−１０１４０３号公報

しかしながら、上記従来技術の様に明視野照明と暗視野照明とを切り替える手法によれば、１つの試料の明視野画像と暗視野画像の両方を得るためには、照明方法を切り替えて２度撮影する必要があるため装置のスループットが低下する。
また、試料で反射した正反射光を捉える位置と、散乱光を捉える位置とにそれぞれカメラを配置して明視野画像と暗視野画像とを同時に撮像する手法も可能であるが、かかる手法によれば撮像装置が複数台必要となり装置コストが高くなる。
さらに、明視野照明と暗視野照明とを同時に与えると、露光量が撮像素子のダイナミックレンジを超えてブルーミングが生じるおそれがあるため、各照明条件に制約がありそれぞれの照明条件を個別に最適化することができないという問題がある。

上記問題に鑑み、本発明は、スループットへの影響を抑えつつ異なる種類の照明による画像を取得でき、かつ容易に構成可能な試料撮像装置及び照明方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、試料を撮像するための撮像素子として、奇数フィールドを成す画素信号と偶数フィールドを成す画素信号とが、交互に受光部から取り出される撮像素子を用い、撮像素子の受光部から画素信号が取り出されるフィールドの切り替えに同期して、試料表面を照明する照明光を切り替える。
このような撮像素子としては、例えば一般的なＣＣＤ画像センサを使用することが可能である。

例えばＣＣＤ画像センサでは、１フレーム分の画像信号を生成する際に、このフレームを構成する奇数フィールドと偶数フィールドとの間で時刻（タイミング）を違えて、これらフィールドの画像信号を形成する信号電荷を受光素子から取り出す。したがって光電信号を取り出すフィールドの切替に同期して照明の種類を変えることによって、１フレーム分の画像信号を生成する間に、異なる複数種類の照明光で生じた光学像を、奇数フィールドと偶数フィールドとで分けて生成することが可能となる。

本発明によれば、従来では１種類の照明により生じた画像を１フレームの画像として生成する間に、複数種類の照明により生じた画像を異なる複数のフィールドの画像として生成することが可能となり、スループットへの影響を抑えつつ異なる複数種類の照明によって得られる画像を取得することが可能となる。
また、これら異なる複数種類の照明の切り替えを行うことによって、これら照明を同時に照明することにより生じるダイナミックレンジからの超過やブルーミングといった問題を回避することが可能となり、それぞれの照明の照明条件を個別に最適化することが可能となる。

このため、本発明の第１形態に係る試料撮像装置は、奇数フィールドを成す画素信号と偶数フィールドを成す画素信号とが交互に受光部から取り出される撮像素子と、受光部から画素信号が取り出されるフィールドの切り替えに同期して、試料表面を照明する照明光を切り替える照明光切替部と、を備えて構成される。

また、本発明の第２形態に係る試料の照明方法は、奇数フィールドを成す画素信号と偶数フィールドを成す画素信号とが、受光部から交互に取り出される撮像素子を用いて試料表面を撮像する撮像装置において、受光部から画素信号を取り出すフィールドの切り替えに同期して、試料表面を照明する照明光を切り替える。

本発明によって、従来の試料撮像装置に対する装置コストの大きな増加や、スループットへの大きな影響を生じることなく、異なる種類の照明による画像を取得することが可能となる。

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、本発明の第１実施例による試料撮像装置の概略を示す全体構成図である。
試料撮像装置１は、好適には、半導体製造工程において、半導体ウエハ、半導体メモリ用フォトマスク、液晶表示パネル用基板などの試料２の外観検査を行うための外観検査装置（図示せず）に組み込まれて使用される。
かかる外観検査装置においては、試料撮像装置１によって撮像された試料２の表面の画像のうち、本来同一であるべき対応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。すなわちパターン同士の比較の結果、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。
ステージ１１の上部にはエリアセンサであるＣＣＤ画像センサ１５が設けられており、ＣＣＤ画像センサ１５は、その受光面に結像した試料２の表面の光学像に対応する画像信号を発生させる。

試料撮像装置１は、試料２の光学像を投影及び結像するための対物レンズ１４と、少なくとも対物レンズ１４の光軸と垂直な２次元平面内で移動可能なステージ１１と、ステージ１１の上面に設けられる試料台（チャックステージ）１２とを備える。この試料台１２の上に、検査対象となる半導体ウエハ等である試料２を載置して固定する。ステージ１１はステージ駆動部１３の制御によって移動し、ステージ駆動部１３は試料２の所望の観察位置が対物レンズ１４の視野内に入るようにステージ１１の位置を調節する。

また、試料撮像装置１は、第１パルスレーザ発生器２１、照明用レンズ２２及び２３、並びに半透鏡（ビームスプリッタ）２４を含んで構成される明視野照明光学系と、第２パルスレーザ発生器３１、照明用レンズ３２及び３３、穴あき鏡３４、並びにミラー３５を含んで構成される暗視野照明光学系と、第１パルスレーザ発生器２１及び第２パルスレーザ発生器３１の各々にレーザを発生させることを命令するパルス信号を発生する照明用パルス発生回路２５と、を備える。

明視野照明光学系では、照明用パルス発生回路２５で発生させたパルス信号に従って第１パルスレーザ発生器２１で生じた照明光を、照明用レンズ２２及び２３を介して、半透鏡２４に入射させる。半透鏡２４は対物レンズ１４の光軸上に設けられており、入射したレーザ光を、対物レンズ１４の光軸に平行にかつ対物レンズ１４の方向へ反射することにより、対物レンズ１４を通して試料２を真上から照明する。試料２の表面で反射した正反射光は再び対物レンズ１４に入射して投影され、その投影光は半透鏡２４を通過し、明視野画像をなってＣＣＤ画像センサ１５の受光面光に結像する。

暗視野照明光学系では、照明用パルス発生回路２５で発生させたパルス信号に従って第２パルスレーザ発生器３１で生じた照明光を、照明用レンズ３２及び３３を介して、穴あき鏡３４に入射させる。穴あき鏡３４は対物レンズ１４の光軸上に設けられかつこの光軸付近において中空である円環状の反射鏡であり、穴あき鏡３４で反射した照明光は、対物レンズの光軸付近が中空となった円環状の光束となって対物レンズ１４の光軸に平行に試料２の方向へと進む。円環状の照明光は、ミラー３５、３５によって反射されて対物レンズ１４の外側から対物レンズ１４の光軸に対して斜めから試料２に入射する。このため、対物レンズ１４の外側から斜めに試料２に入射した照明光の正反射光は対物レンズ１４には入射せず、対物レンズ１４は試料２の表面で反射した散乱光のみを捉えてＣＣＤ画像センサ１５の受光面上に暗視野画像を結ぶ。

本実施例では、上述の通り明視野照明光学系と暗視野照明光学系とを配置することによって、明視野照明光学系による明視野画像と前記暗視野照明光学系による暗視野画像とをともに同じＣＣＤ画像センサ１５の受光面上に結像させる。
また、これら明視野照明及び暗視野照明をそれぞれ与える第１パルスレーザ発生器２１及び第２パルスレーザ発生器３１の各々に、レーザを発生させることを命令するパルス信号を発生する照明用パルス発生回路２５を設け、これらパルスレーザ発生器２１及び３１に交互にパルス信号を与えることによって、明視野照明及び暗視野照明を切り替えることが可能である。またこれら照明光をパルスレーザ発生器で生じることによって、明視野照明と暗視野照明の切替を瞬時に行うことが可能である。

なお、上述の照明系の構成はあくまで説明の為に例示したものであって、本発明の範囲はこの構成例に制限されるものではない。明視野照明光学系による明視野画像及び前記暗視野照明光学系による暗視野画像がともに同じＣＣＤ画像センサ１５の受光面上に結像し、かつ明視野照明及び暗視野照明を切り替えることが可能である構成であれば、どのような構成であっても本発明に適用することが可能である。

ＣＣＤ画像センサ１５から画像信号を読み出すために垂直転送ＣＣＤ及び水平転送ＣＣＤに印加するフィールドシフトパルス、転送パルス及びリセットパルスは、タイミングパルス発生回路１７にて生成される。以下、図３〜図５を参照して、一般的なインタライン転送ＣＣＤ（ＩＴ−ＣＣＤ）の読み出し動作を説明する。
図３は、図２に示したＣＣＤ画像センサ１５の一部分の構成図である。図示するとおりＣＣＤ画像センサ１５には、受光面の各画素部分に当たった光を光電変換するホトダイオードなどの受光部Ｒ１１〜Ｒ２４と、受光部Ｒ１１〜Ｒ２４からシフトゲートを介して取り出した信号電荷を図の下方向に転送する垂直転送ＣＣＤＶ１１〜Ｖ２８と、最後の列の垂直転送ＣＣＤＶ１１、Ｖ２１に隣接して配置され、これら垂直転送ＣＣＤＶ１１、Ｖ２１から転送された信号電荷を、図の左方向に転送する水平転送ＣＣＤＨ１１〜Ｈ２２が配置される。

一般にＩＴ−ＣＣＤ画像センサ１５では、インタレーススキャンを行うテレビジョン信号に対応して、ＩＴ−ＣＣＤ画像センサ１５の全画素による全解像線のうち、１行おきに間引きした解像線を有する奇数フレームと、奇数フレームにより間引きされた解像線により構成される偶数フレームと、を交互に読み出すインターレース読み出しを行う。
後述する通り、インターレース読み出しには「フレーム読み出し方式」と「フィールド読み出し方式」が使用され、いずれの読み出し方式も本発明に適用可能である。
フレーム読み出し方式では、奇数番目の行の画素（以下、説明のため「奇数列画素」と記すことがある）の信号から奇数フレームを生成し、偶数番目の行の画素（以下、説明のため「偶数列画素」と記すことがある）の信号から偶数フレームを生成する。
フィールド読み出し方式では、奇数フレーム及び偶数スレームの各々において、フィールドを生成する際に全ての受光部の蓄積電荷を読み出して、隣接する２画素の受光部の蓄積電荷を加算する。この際に奇数フィールドと偶数フィールドとで、加算する列の組合せを変える。
以下の説明では、図３に示す受光部Ｒ１１、Ｒ１３、Ｒ２１及びＲ２３を、奇数列画素の受光部（以下「奇数列受光部」と記すことがある）とし、受光部Ｒ１２、Ｒ１４、Ｒ２４及びＲ２４を、偶数列画素の受光部（以下「偶数列受光部」と記すことがある）とする。

ＣＣＤ画像センサ１５において、奇数列受光部Ｒ１１、Ｒ１３、Ｒ２１及びＲ２３からそれぞれ信号電荷を取り出す垂直転送ＣＣＤＶ１２、Ｖ１６、Ｖ２２及びＶ２６には、垂直転送パルス及びシフトチャージパルスを与えるための電圧φＶ２が印加され、偶数列受光部Ｒ１２、Ｒ１４、Ｒ２２及びＲ２４からそれぞれ信号電荷を取り出す垂直転送ＣＣＤＶ１４、Ｖ１８、Ｖ２４及びＶ２８には、垂直転送パルス及びシフトチャージパルスを与えるための電圧φＶ４が印加される。
また、これらＣＣＤＶ１１、Ｖ１５、Ｖ２１及びＶ２５には、垂直転送パルスを与えるための電圧φＶ１が印加され、ＣＣＤＶ１３、Ｖ１７、Ｖ２３及びＶ２７には、垂直転送パルスを与えるための電圧φＶ３が印加される。
さらに、水平転送ＣＣＤＨ１１及びＨ２１には、水平転送パルスを与えるための電圧φＨ１が印加され、水平転送ＣＣＤＨ１２及びＨ２２には、水平転送パルスを与えるための電圧φＨ２が印加される。

図４の（Ａ）〜図４の（Ｆ）は、図３に示したＣＣＤ画像センサ１５におけるインターレース読み出し動作を示すタイムチャートであり、図５の（Ａ）〜図５の（Ｆ）は、図３に示すＣＣＤ画像センサ１５の信号電荷をフレーム読み出し方式により読み出す際の読み出し動作の説明図である。

ここに、図４の（Ａ）は、奇数列受光部Ｒ１１、Ｒ１３、Ｒ２１及びＲ２３からそれぞれ信号電荷を取り出す垂直転送ＣＣＤＶ１２、Ｖ１６、Ｖ２２及びＶ２６に、シフトチャージパルスを印加するタイミングを示し、図示「１」である期間において高電位のφＶ２が印加されて、奇数列受光部Ｒ１１、Ｒ１３、Ｒ２１及びＲ２３に蓄積された信号電荷が垂直転送ＣＣＤＶ１２、Ｖ１６、Ｖ２２及びＶ２６にそれぞれシフトされ、奇数フィールドを構成する信号電荷が垂直転送ＣＣＤ内にシフトされる。

図４の（Ｂ）は、垂直転送ＣＣＤＶ１１〜Ｖ２８及び水平転送ＣＣＤＨ１１〜Ｈ２２にそれぞれ垂直転送パルス及び水平転送パルスが印加される期間を示し、図示「１」である期間において、各ＣＣＤに蓄積された信号電荷が転送されて、出力信号として取り出される。

図４の（Ｃ）は、偶数列受光部Ｒ１２、Ｒ１４、Ｒ２２及びＲ２４からそれぞれ信号電荷を取り出す垂直転送ＣＣＤＶ１４、Ｖ１８、Ｖ２４及びＶ２８に、シフトチャージパルスを印加するタイミングを示し、図示「１」である期間において高電位のφＶ４が印加されて、偶数列受光部Ｒ１２、Ｒ１４、Ｒ２２及びＲ２４に蓄積された信号電荷が垂直転送ＣＣＤＶ１４、Ｖ１８、Ｖ２４及びＶ２８にそれぞれシフトされ、偶数フィールドを構成する信号電荷が垂直転送ＣＣＤ内にシフトされる。

図４の（Ｄ）は、リセットパルスが印加されるタイミングを示し、図示「１」である期間において各受光部Ｒ１１〜Ｒ２４に蓄積されていた信号電荷が基板方向にはき出されて消去される。

図４に示す時刻ｔ１において、垂直転送ＣＣＤＶ１２、Ｖ１６、Ｖ２２及びＶ２６に、高電位のφＶ２を印加してシフトチャージパルスを印加すると、奇数列受光部Ｒ１１、Ｒ１３、Ｒ２１及びＲ２３に蓄積された信号電荷が垂直転送ＣＣＤＶ１２及びＶ１１、Ｖ１６及びＶ１５、Ｖ２２及びＶ２１、並びにＶ２６及びＶ２５にそれぞれシフトされる（図５の（Ａ）参照）。

その後、期間ｔ２〜ｔ４において、各ＣＣＤＶ１１〜２８に垂直転送パルス（４相駆動波形）を印加すると、各垂直転送ＣＣＤに蓄積された信号電荷が、１画素ずつ垂直方向に転送される（図５の（Ａ）参照）。また、その結果として水平転送ＣＣＤＨ１１及びＨ２１に転送された信号電荷は、各ＣＣＤＨ１１〜Ｈ２１に水平転送パルス（２相駆動波形）を印加することによって水平方向に転送され順次出力信号として取り出される（図５の（Ｃ）及び図５の（Ｄ）参照）。

水平転送ＣＣＤＨ１１〜Ｈ２２が空になると、再び各ＣＣＤＶ１１〜２８に垂直転送パルスを印加して、各垂直転送ＣＣＤに蓄積された信号電荷を１画素ずつ垂直方向に転送する（図５の（Ｅ）参照）。
以上の動作が期間ｔ２〜ｔ４で繰り返されることによって、時刻ｔ１において奇数列受光部Ｒ１１、Ｒ１３、Ｒ２１及びＲ２３から取り出した信号電荷が全て取り出され、奇数フィールドを成す信号電荷が、ＣＣＤ画像センサ１５から取り出される。

時刻ｔ４において、垂直転送ＣＣＤＶ１４、Ｖ１８、Ｖ２４及びＶ２８に、高電位のφＶ４を印加してシフトチャージパルスを印加すると、偶数列受光部Ｒ１２、Ｒ１４、Ｒ２２及びＲ２４に蓄積された信号電荷が垂直転送ＣＣＤＶ１４及びＶ１３、Ｖ１８及びＶ１７、Ｖ２４及びＶ２３、並びにＶ２８及びＶ２７にそれぞれシフトされる（図５の（Ｆ）参照）。
以下、期間ｔ５以降において、図５の（Ｂ）〜図５の（Ｅ）を参照して上述したように、各垂直転送ＣＣＤＶ１１〜Ｖ２８へ垂直転送パルスを印加し、各水平転送ＣＣＤＨ１１〜Ｈ２２へ水平転送パルスを印加することによって、偶数フィールド画像を成す信号電荷が、ＣＣＤ画像センサ１５から取り出される。

このような読み出し方式は、いわゆる「フレーム読み出し方式」と呼ばれ、まず各受光部Ｒ１１〜Ｒ２４に蓄積された信号電荷が１画素おきに交互に読み出される。例えば図５を参照して説明した動作では、まず奇数列受光部の信号電荷が読み出された後に、次のフィールド期間で残りの偶数列受光部の信号電荷を読み出される。この結果、各受光部における読み出し間隔は１フィールド期間の２倍（すなわち１フレーム期間）と長く、このためにフレーム残像が生じる。このためフレーム読み出し方式では、リセットパルスにより不要電荷をはき出す電子シャッター機能によって電荷蓄積時間（露光時間）を制御する。

図４の（Ａ）〜図４の（Ｄ）のタイムチャートで示す動作例では、各受光部から垂直転送ＣＣＤに信号電荷をシフトさせた後のｔ２〜ｔ３及びｔ５〜ｔ６においてリセットパルスを印加することによって、それまでに各受光部に蓄積された信号電荷を捨てて、奇数フィールド及び偶数フィールドの電荷蓄積時間を１フィールド期間に制限している。この結果として図４の（Ａ）〜図４の（Ｄ）に示すように、奇数フィールドを成す信号電荷を蓄積する期間ｔ０〜ｔ１と、偶数フィールドを成す信号電荷を蓄積する期間ｔ３〜ｔ４と、の間には時間的な重複がなくなる。

そこで、図２に示す照明用パルス発生回路は、奇数フィールドを成す信号電荷を蓄積する期間において明視野照明を与える第１パルスレーザ発生器２１を点灯させるパルス信号を発生させ、偶数フィールドを成す信号電荷を蓄積する期間には、暗視野照明を与える第２パルスレーザ発生器３１を点灯させるパルス信号を発生させることにより、明視野照明による明視野画像である奇数フィールド、及び暗視野照明による暗視野画像である偶数フィールドの両方を、１つのフレーム内でＣＣＤ画像センサ１５から取り出すことが可能となる。

図４の（Ａ）〜図４の（Ｆ）のタイムチャートで示す動作例では、奇数フィールドを成す信号電荷を蓄積する期間ｔ０〜ｔ１を含み、偶数フィールドを成す信号電荷を蓄積する期間ｔ３〜ｔ４を含まない区間（図４の（Ｅ）のチャートにおいて信号が「１」となる区間）において、第１パルスレーザ発生器２１を点灯させて明視野照明を与える。
このとき例えば照明用パルス発生回路２５は、偶数フィールドのシフトチャージパルスの立ち下がりを検出して第１パルスレーザ発生器２１を点灯させ、奇数フィールドのシフトチャージパルスの立ち上がりを検出して第１パルスレーザ発生器２１を消灯させるパルス信号を生成することとしてよい。

また一方で、偶数フィールドを成す信号電荷を蓄積する期間ｔ３〜ｔ４を含み、奇数フィールドを成す信号電荷を蓄積する期間ｔ０〜ｔ１を含まない区間（図４の（Ｆ）のチャートにおいて信号が「１」となる区間）において第２パルスレーザ発生器３１を点灯させて暗視野照明を与える。
このとき例えば照明用パルス発生回路２５は、奇数フィールドのシフトチャージパルスの立ち下がりを検出して第２パルスレーザ発生器３１を点灯させ、偶数フィールドのシフトチャージパルスの立ち上がりを検出して第２パルスレーザ発生器３１を消灯させるパルス信号を生成することとしてよい。

ＣＣＤ画像センサ１５から読み出した明視野画像である奇数フィールド信号は、アナログディジタル変換回路４１によりディジタル形式の画像信号に変換されて画像処理部４３に入力され、暗視野画像である偶数フィールド信号もまた、アナログディジタル変換回路４２によりディジタル形式の画像信号に変換されて画像処理部４３に入力される。
画像処理部４３は、これらの奇数フィールド信号及び偶数フィールド信号を別個の画像として出力し、表示装置（図示せず）に表示しまたは記憶装置（図示せず）に記憶してよく、またはこれらの画像を合成して１つの画像として出力し、表示装置（図示せず）に表示しまたは記憶装置（図示せず）に記憶してもよい。

なお上記の説明では、フレーム読み出し方式に基づいてＣＣＤ画像センサ１５から信号電荷を読み出す例を示したが、フィールド読み出し方式により奇数フレームと偶数フレームとを交互に読み出してもよい。
図６の（Ａ）はフィールド読み出し方式によりＣＣＤ画像センサ１５から奇数フィールドを読み出す様子を示す図であり、図６の（Ｂ）はフィールド読み出し方式により偶数フィールドを読み出す様子を示す図である。

フィールド読み出し方式は、全ての受光部の蓄積電荷を１フィールド期間において読み出して隣接する２画素の受光部の蓄積電荷を加算して読み出す。この際に図６の（Ａ）及び図６の（Ｂ）に示すように奇数フィールドと偶数フィールドとで、加算する列の組合せを変える。
フィールド読み出し方式では、各画素の信号蓄積時間が１フィールド期間となるために、図４の（Ｄ）に示すようなリセットパルスを印加しなくても、奇数フィールドを成す信号電荷を蓄積する期間と、偶数フィールドを成す信号電荷を蓄積する期間の間には時間的な重複がない。

なお、第１パルスレーザ発生器２１と第２パルスレーザ発生器３１とで、発光するレーザ光の波長を異ならせてもよい。
例えば、本試料撮像装置１を用いて半導体ウエハの外観検査に使用する検査画像を得る場合の例を示すと、明視野照明を与える第１パルスレーザ発生器２１においては、明視野画像の解像性を高めるために波長の短い照明光を用いることが好適であるが、かかる波長の短い明視野照明では、ウエハ表面に形成されたアルミ配線の間に残るチタンナイトライド等の残が周囲のアルミの反射光に隠れて観察されにくい。

したがって、暗視野照明には、このようなアルミ配線の間のチタンナイトライド等の残が明るく光るように、明視野照明よりも比較的長い波長の照明光を用いることによって、このような欠陥の検出を容易にすることが可能である。
このとき、明視野照明光と暗視野照明光とで波長が異なることにより、撮像装置１の結像光学系の焦点位置は、明視野画像を取得するのに最適な位置と暗視野画像を取得するのに最適な位置との間に差異が生じるが、暗視野画像は明視野画像よりも解像性が要求されないため、撮像装置１の結像光学系の焦点位置は、明視野照明光の波長に合わせて調整されることが好適である。

図７は、本発明の第２実施例による試料撮像装置１の概略を示す全体構成図である。本構成では、明視野照明及び暗視野照明を与えるレーザ発生器２６を共用化するとともに、音響光学的スイッチのような光学スイッチ５１によって、明視野照明光学系及び暗視野照明光学系のどちらに、レーザ発生器２６により生じた照明光に導くかを切り替えることによって、試料撮像装置１の照明を明視野照明と暗視野照明との間で切り替える。
本構成例において、照明用パルス発生回路２５は、偶数フィールドをなす信号電荷のシフトパルスの立ち下がりを検出して、レーザ発生器２６の出力先を明視野照明光学系へと切り替え、奇数フィールドをなす信号電荷のシフトパルスの立ち下がりを検出して、レーザ発生器２６の出力先を暗視野照明光学系へと切り替える切換信号を生成して、光学スイッチ２５へ出力する。

図２及び図７に示す試料撮像装置１において、ステージ１１の移動させることにより、試料２に対してＣＣＤ画像センサ１５を相対移動させ、かつこの相対移動に伴うＣＣＤ画像センサ１５の受光面上に結像された画像の移動速度に応じた速度で、この移動方向に並んで配置された各受光部よりＣＣＤに取り出した各信号電荷を画像の移動方向に転送し、移動方向に並んで配置された各受光部から取り出した信号電荷をＣＣＤで重畳させることによって、ＣＣＤ画像センサ１５をＴＤＩ（時間遅延積分）ラインセンサとして使用してもよい。

図８の（Ａ）〜図８の（Ｆ）は、ＣＣＤ画像センサ１５をＴＤＩラインセンサとして使用する場合において、奇数フィールドの信号電荷と偶数フィールドの信号電荷とを別個に重畳させるための、ＣＣＤ画像センサ１５の読み出し動作を示すタイムチャートであり、図９の（Ａ）〜図９の（Ｆ）は、このような読み出し動作の説明図である。
ここに、図８の（Ａ）は、奇数列受光部Ｒ１１、Ｒ１３、Ｒ２１及びＲ２３からそれぞれ信号電荷を取り出す垂直転送ＣＣＤＶ１２、Ｖ１６、Ｖ２２及びＶ２６に、シフトチャージパルスを印加するタイミングを示し、図示「１」である期間に奇数列受光部Ｒ１１、Ｒ１３、Ｒ２１及びＲ２３に蓄積された信号電荷のシフトが行われる。

図８の（Ｂ）は、偶数列受光部Ｒ１２、Ｒ１４、Ｒ２２及びＲ２４からそれぞれ信号電荷を取り出す垂直転送ＣＣＤＶ１４、Ｖ１８、Ｖ２４及びＶ２８に、シフトチャージパルスを印加するタイミングを示し、図示「１」である期間において偶数列受光部Ｒ１２、Ｒ１４、Ｒ２２及びＲ２４に蓄積された信号電荷のシフトが行われる。

図８の（Ｃ）は、垂直転送ＣＣＤＶ１１〜Ｖ２８及び水平転送ＣＣＤＨ１１〜Ｈ２２にそれぞれ垂直転送パルス及び水平転送パルスが印加される期間を示し、図示「１」である期間において、各垂直転送ＣＣＤに蓄積された信号電荷は２画素分だけ垂直方向に転送され、その結果水平転送ＣＣＤに転送された信号電荷が水平方向に転送されて出力信号として取り出される。
図８の（Ｄ）は、リセットパルスが印加されるタイミングを示し、図示「１」である期間において各受光部Ｒ１１〜Ｒ２４に蓄積されていた信号電荷が基板方向にはき出されて消去される。

まず時刻ｔ２において、垂直転送ＣＣＤＶ１２、Ｖ１６、Ｖ２２及びＶ２６に、高電位のφＶ２を印加してシフトチャージパルスを印加すると、奇数列受光部Ｒ１１、Ｒ１３、Ｒ２１及びＲ２３に蓄積された信号電荷が垂直転送ＣＣＤＶ１２及びＶ１１、Ｖ１６及びＶ１５、Ｖ２２及びＶ２１、並びにＶ２６及びＶ２５にそれぞれシフトされる（図９の（Ａ）参照）。

時刻ｔ４において、垂直転送ＣＣＤＶ１４、Ｖ１８、Ｖ２４及びＶ２８に、高電位のφＶ４を印加してシフトチャージパルスを印加すると、偶数列受光部Ｒ１２、Ｒ１４、Ｒ２２及びＲ２４に蓄積された信号電荷が垂直転送ＣＣＤＶ１４及びＶ１３、Ｖ１８及びＶ１７、Ｖ２４及びＶ２３、並びにＶ２８及びＶ２７にそれぞれシフトされる（図９の（Ｂ）参照）。

その後に時刻ｔ５〜ｔ６において、垂直転送パルスを各垂直転送ＣＣＤＶ１１〜Ｖ２８に印加することにより各垂直転送ＣＣＤに蓄積された信号電荷を２画素分だけ垂直方向に転送し（図９の（Ｃ）及び図９の（Ｄ）参照）、この間に水平転送ＣＣＤに転送された信号電荷を、各水平転送ＣＣＤＨ１１〜Ｈ２２に水平転送パルスを印加することによって、出力信号として取り出す。

そして再び時刻ｔ７において、垂直転送ＣＣＤＶ１２、Ｖ１６、Ｖ２２及びＶ２６にシフトチャージパルスを印加することにより、奇数列受光部Ｒ１１、Ｒ１３、Ｒ２１及びＲ２３に蓄積された信号電荷を垂直転送ＣＣＤＶ１２、Ｖ１６、Ｖ２２及びＶ２６にそれぞれ取り出し、これら垂直転送ＣＣＤに先に転送されていた信号電荷にそれぞれ重畳する（図９の（Ｅ）参照）。
また、時刻ｔ８において垂直転送ＣＣＤＶ１４、Ｖ１８、Ｖ２４及びＶ２８にシフトチャージパルスを印加することにより、偶数列受光部Ｒ１２、Ｒ１４、Ｒ２２及びＲ２４に蓄積された信号電荷を、垂直転送ＣＣＤＶ１４及びＶ１３、Ｖ１８及びＶ１７、Ｖ２４及びＶ２３に取り出し、これら垂直転送ＣＣＤに先に転送されていた信号電荷に重畳する（図９の（Ｆ）参照）。

以上の動作を繰り返すことにより、奇数列受光部Ｒ１１、Ｒ１３、Ｒ２１及びＲ２３で光電変換された信号電荷と、偶数列受光部Ｒ１２、Ｒ１４、Ｒ２２及びＲ２４で光電変換された信号電荷とが個別に重畳される。
ここでステージ制御部１３は、受光面上に結像された試料２の像が、垂直転送ＣＣＤによる信号電荷の移動方向と同じ方向に移動し、かつ奇数列受光部Ｒ１１、Ｒ１３、Ｒ２１及びＲ２３に蓄積された信号電荷が垂直転送ＣＣＤにシフトされる間隔ΔＴ（時刻ｔ２〜ｔ７又は時刻ｔ４〜ｔ８）の間に、試料２の像が２画素分移動するようにステージ１１を移動させる。
このように、受光面上に結像された画像の移動速度に応じた速度で、垂直転送ＣＣＤに蓄積された信号電荷を転送することによって、受光面上に結像された試料２の像の同じ部分から反射した光を複数の受光部で捉えた光電信号が同じ垂直転送ＣＣＤに重畳され、ＣＣＤ画像センサ１５がＴＤＩラインセンサとして機能する。

図４の（Ａ）〜図４の（Ｄ）を参照して説明したフレーム読み出し動作のタイムチャートと同様に、フレーム残像が生じることを防止するために、図８の（Ｄ）に示すように時刻ｔ１、時刻ｔ３、…においてリセットパルスを印加する。これにより時刻ｔ２でＣＣＤにシフトされる奇数フィールドの電荷蓄積時間は時刻ｔ１〜ｔ２となり、時刻ｔ４でＣＣＤにシフトされる偶数フィールドの電荷蓄積時間は時刻ｔ３〜ｔ４となる。

図８の（Ｅ）は上述の明視野照明光学系から明視野照明を与えるタイムチャートであって信号が「１」となる区間において明視野照明を与えることを示しており、図８の（Ｆ）は上述の暗視野照明光学系から暗視野照明を与えるタイムチャートであって信号が「１」となる区間において暗視野照明を与えることを示している。図８の（Ｅ）及び図８の（Ｆ）に示すとおり、奇数フィールドの電荷蓄積時間（ｔ１〜ｔ２）では明視野照明を与え、偶数フィールドの電荷蓄積時間（ｔ３〜ｔ４）では暗視野照明に切り替えることで、明視野照明によるＴＤＩ画像及び暗視野照明によるＴＤＩ画像を、それぞれ奇数フィールド及び偶数フィールドとして同時に平行して撮像することが可能となる。

例えば図２に示す構成例では、照明用パルス発生回路２５は、図８の（Ｅ）に示すように時刻ｔ１〜ｔ２の間に第１パルスレーザ発生器２１に照明光を発生させ、時刻ｔ３〜ｔ４の間に第２パルスレーザ発生器３１に照明光を発生させるパルス信号を生成することによって、明視野照明と暗視野照明を交互に切り替えて発生させる。
このように第１パルスレーザ発生器２１及び第２パルスレーザ発生器３１を交互に切り替えて点灯するために、照明用パルス発生回路２５は、リセットパルスの立ち下がりを検出したときにはいずれかのパルスレーザ発生器を点灯させ、ＣＣＤ画像センサ１５へのシフトパルスの立ち上がりを検出したときに、先に点灯させたパルスレーザ発生器を消灯させるパルス信号を生成してよい。このとき照明用パルス発生回路２５は、第１パルスレーザ発生器２１を点灯させるパルス信号と第２パルスレーザ発生器３１を点灯させるパルス信号とを交互に発生させることとしてよい。

また例えば、図７に示す構成例では、照明用パルス発生回路２５は、リセットパルスの立ち下がりを検出したときにはパルスレーザ発生器２６に発光させ、ＣＣＤ画像センサ１５へのシフトパルスの立ち上がりを検出したときに、パルスレーザ発生器２６を消灯させるパルス信号をパルスレーザ発生器２６に与えることとしてよい。このとき、照明用パルス発生回路２５は、レーザ発生器２６の出力先を明視野照明光学系と暗視野照明光学系とへと交互に切り替える切換信号を生成して、光学スイッチ２５へ出力することとしてもよい。

本発明は、明視野照明及び暗視野照明により照明された試料を撮像する撮像装置及び試料の照明方法に利用可能である。特に半導体ウエハ等の試料表面に形成したパターンの検査を半導体製造工程などで行う外観検査装置に使用される撮像装置及び試料の照明方法に好適に利用可能である。

（Ａ）は明視野照明光学系の概略的な構成例を示す図であり、（Ｂ）に明視野照明光学系の概略的な構成例を示す図である。 本発明の第１実施例による試料撮像装置の概略を示す全体構成図である。 ＣＣＤ画像センサの一部分の構成図である。 図３に示すＣＣＤ画像センサにおけるインターレース読み出し動作を示すタイムチャートである。 図３に示すＣＣＤ画像センサの信号電荷をフレーム読み出し方式により読み出す際の読み出し動作の説明図である。 図３に示すＣＣＤ画像センサの信号電荷をフィールド読み出し方式により読み出す際の読み出し動作の説明図である。 本発明の第２実施例による試料撮像装置の概略を示す全体構成図である。 図３に示すＣＣＤ画像センサをＴＤＩセンサとして使用する際の読み出し動作を示すタイムチャートである。 図３に示すＣＣＤ画像センサをＴＤＩセンサとして使用する際の読み出し動作の説明図である。

符号の説明

１ 試料撮像装置
２ 試料
１１ ステージ
１２ 試料台
１４ 対物レンズ
１５ ＣＣＤ画像センサ
２１、３１ パルスレーザ発生器
２２、２３、３２、３３ 照明用レンズ
２４ 半透鏡
３４ 穴あき鏡
３５ ミラー

Claims (10)

1. 奇数フィールドを成す画素信号と偶数フィールドを成す画素信号とが、交互に受光部から取り出される撮像素子と、
   前記受光部から前記画素信号が取り出されるフィールドの切り替えに同期して、試料表面を照明する照明光を切り替える照明光切替部と、
   を備えることを特徴とする試料撮像装置。
2. 前記照明光切替部は、明視野照明と暗視野照明とを切り替えることを特徴とする請求項１に記載の試料撮像装置。
3. 前記明視野照明による明視野画像と前記暗視野照明による暗視野画像とは、ともに前記撮像素子の受光面上に結像することを特徴とする請求項２に記載の試料撮像装置。
4. 前記明視野照明と前記暗視野照明とで照明光の波長が異なることを特徴とする請求項２又は３に記載の試料撮像装置。
5. 前記撮像素子はＣＣＤ画像センサであ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試料撮像装置。
6. 前記試料に対して前記撮像素子を相対移動させる移動機構を備え、
   前記ＣＣＤ画像センサは、この相対移動に伴う前記撮像素子の受光面上に結像された画像の移動速度に応じた速度で、この移動方向に並んで配置された各受光部よりＣＣＤに取り出した各画素信号を前記画像の移動方向に転送する、
   ことを特徴とする請求項５に記載の試料撮像装置。
7. 奇数フィールドを成す画素信号と偶数フィールドを成す画素信号とが、受光部から交互に取り出される撮像素子を用いて試料表面を撮像する撮像装置における、試料の照明方法であって、
   前記受光部から前記画素信号を取り出すフィールドの切り替えに同期して、試料表面を照明する照明光を切り替えることを特徴とする照明方法。
8. 前記フィールドの切り替えに同期して、明視野照明と暗視野照明とを切り替えることを特徴とする請求項７に記載の照明方法。
9. 前記明視野照明による明視野画像と前記暗視野照明による暗視野画像とを、ともに前記撮像素子に結像させることを特徴とする請求項８に記載の照明方法。
10. 前記明視野照明と前記暗視野照明とで照明光の波長が異なることを特徴とする請求項８又は９に記載の照明方法。

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