JP4586421B2 - 液浸対物レンズおよび顕微鏡観察装置 - Google Patents

Description

本発明は、物体の液浸観察に用いられる液浸対物レンズおよび顕微鏡観察装置に関し、特に、半導体ウエハや液晶基板などの液浸観察に好適な液浸対物レンズおよび顕微鏡観察装置に関する。

半導体回路素子や液晶表示素子の製造工程では、半導体ウエハや液晶基板（総じて「基板」という）に形成された回路パターンの欠陥や異物などの観察が、顕微鏡観察装置を用いて行われる。顕微鏡観察装置とは、基板を自動搬送する機構と光学顕微鏡システムとを結びつけたものである。光学顕微鏡システムの対物レンズは乾燥系であり、この対物レンズと観察対象の基板との間は空気などの気体で満たされる（例えば特許文献１を参照）。そして、より高い分解能での観察を実現するために、観察波長を紫外域とすることが提案されている。
特開２００１−１１８８９６号公報

ところで、乾燥系の対物レンズを用いた装置では、対物レンズの開口数を“１”より大きくすることができないため、分解能の向上に限界がある。そこで、周知の液浸法を採用し、乾燥系の対物レンズに代えて液浸系の対物レンズを用いることが考えられる。液浸系の対物レンズを用いて、その先端と観察対象の基板との間を水などの液体で満たすことにより、液体の屈折率(＞１)に応じて対物レンズの開口数を“１”より大きくすることができ、分解能を向上させることができる。

しかし、対物レンズを単に乾燥系から液浸系に交換するだけでは、上記の製造工程における基板の観察を効率よく行うことはできない。その観察を効率よく行うためには、液浸系の対物レンズの先端と基板との間に液体を供給する機構や、液体を回収する機構が必要である。このような機構としては、注射針状のノズル部材を対物レンズの周辺に外付けで配置し、ノズル部材を介して液体を供給／回収する構成が考えられる。ところが、ノズル部材を外付けで配置すると、対物レンズの周辺の構造が複雑化し、顕微鏡観察装置が大型化してしまう。このため、液体の供給／回収機構としては、対物レンズの周辺の構造が複雑化しないように工夫することが望まれる。なお、本件では液浸系の対物レンズを「液浸対物レンズ」という。

本発明の目的は、対物レンズの周辺の構造を簡素化しつつ液体の供給／回収機構を配置できる液浸対物レンズおよび顕微鏡観察装置を提供することにある。

本発明の液浸対物レンズは、１つ以上のレンズ素子と、前記レンズ素子を保持する鏡筒と、前記鏡筒の内部を貫通して設けられ前記レンズ素子の先端近傍の空間に液体を供給する供給液体流路と、該供給液体流路と独立して設けられ前記空間にある前記液体を回収する回収液体流路とを備え、前記供給液体流路と前記回収液体流路との開口は、それぞれ前記先端近傍の空間と対向する部位に設けられおり、前記回収液体流路の前記空間に近い部分は該空間に向かって先太り形状となっている。
なお、前記供給液体流路の前記開口の総面積Ｓ１と、前記回収液体流路の前記開口の総面積Ｓ２は、Ｓ１≦Ｓ２という関係を満足してもよい。

また、前記供給液体流路は、前記開口側の部分が前記レンズ素子の光軸に対して斜めに形成され、かつ、該部分の中心線が前記レンズ素子の焦点面または該焦点面よりも前記レンズ素子から離れた面で前記光軸と交わるように設けられてもよい。

本発明の顕微鏡観察装置は、観察対象の基板を支持する支持手段と、本発明の液浸対物レンズと、前記供給液体流路を用いて、前記レンズ素子の先端と前記基板との間の前記空間に液体を供給する供給手段と、前記回収液体流路を用いて、前記空間から前記液体を回収する回収手段とを備えたものである。

本発明によれば、対物レンズの周辺の構造を簡素化しつつ液体の供給／回収機構を配置することができる。

以下、図面を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。
（第１実施形態）
第１実施形態の液浸対物レンズ１０は、図１に示す通り、光軸１０ａに沿って配置された７個のレンズ素子１１〜１７と、レンズ素子１１〜１７を保持する鏡筒(２０〜２９)と、鏡筒(２０〜２９)の内部を貫通して設けられた２本の液体流路３１,３２とで構成される。図１のＡＡ断面を図２(ａ)に示す。液浸対物レンズ１０を下方（図１の矢印Ｂの方向）から見ると、図２(ｂ)のようになっている。図１は液浸対物レンズ１０の縦断面図であり、図２(ｂ)のＣＣ断面に相当する。液浸対物レンズ１０の先端部分の構造などを説明する際には、適宜、図２(ｂ)や図３(ａ)〜(ｄ)を参照する。図３(ａ)〜(ｃ)は、図２(ｂ)のＣＣ断面に相当する。図３(ｄ)は、図２(ｂ)のＤＤ断面に相当する。

液浸対物レンズ１０の鏡筒(２０〜２９)は、レンズ素子１１〜１７を所定の間隔で固定する金物２０〜２７と、金物２０〜２７の外側を覆うように構成された筒状部材２８と、筒状部材２８の下方に取り付けられた環状部材２９とで構成される。このうち、筒状部材２８と環状部材２９は、Ｏリングなどのシール材３５,３６を挟んで締結され、液体流路３１,３２（詳細は後述）からの液漏れを防止している。なお、金物２１〜２７にはレンズ素子１１〜１７が取り付けられ、金物２６,２７の間に金物２０が挿入される。

概略、２本の液体流路３１,３２は、鏡筒(２０〜２９)のうち筒状部材２８と環状部材２９の内部を貫通して設けられ、筒状部材２８の貫通穴と環状部材２９の貫通穴を連結したものとなっている。筒状部材２８の貫通穴は、光軸１０ａに対して略平行に形成された管状の穴である。環状部材２９の貫通穴は、光軸１０ａに対して斜めに形成され、下方ほど光軸１０ａに接近するように形成された管状の穴である。液体流路３１,３２それぞれの下方の一端は、開口３１Ａ,３２Ａである。

ここで、第１実施形態の液浸対物レンズ１０は、鏡筒(２０〜２９)の筒状部材２８の上端に設けられた取付部３７を利用して、図４に示す顕微鏡観察装置４０の本体に固定される。さらに、２本の液体流路３１,３２のうち、一方の液体流路３１は、上端側の継手３８を介して、顕微鏡観察装置４０の液体供給装置５０の配管５１に接続される。また、他方の液体流路３２は、上端側の継手３９を介して、顕微鏡観察装置４０の液体回収装置６０の配管６１に接続される。

そして、液体供給装置５０側の液体流路３１は、レンズ素子１１〜１７の先端１１Ａ近傍の空間（つまり先端１１Ａと液浸観察の対象物との間）に、液浸媒質の液体３０（図３(ａ)参照）を供給する際に用いられる。液体３０は、液体流路３１の開口３１Ａから吐出される。以下の説明では供給用の液体流路３１を「吐出ノズル３１」という。また、液体回収装置６０側の液体流路３２は、その空間から液体３０を回収する際に用いられる。このとき、液体３０は、液体流路３２の開口３２Ａから吸引される。以下の説明では回収用の液体流路３２を「吸引ノズル３２」という。

なお、レンズ素子１１〜１７の先端１１Ａは、レンズ素子１１〜１７のうち最も物体側のレンズ素子１１（先球）のレンズ面であり、略平坦な形状となっている。また、レンズ素子１１を固定する金物２１の先端も、同様の形状となっている。これらの平坦な先端部分（図３(ｂ)に示す直径ｄの面）からレンズ素子１１〜１７の焦点面までの距離δは、液浸対物レンズ１０の作動距離δに相当する。上記の液体３０は、概略、直径ｄの平坦な面から距離δまでの空間に充填され（図３(ａ)）、表面張力により「液滴」を形成する。レンズ素子１１〜１４は、液体３０が充填されたときに、その収差が補正されるように設計されている。

次に、吐出ノズル３１と吸引ノズル３２について詳細に説明する。
吐出ノズル３１は、下方の一端が開口３１Ａであり、開口３１Ａから液体３０を吐出する（図３(ａ)）。開口３１Ａは、鏡筒(２０〜２９)の表面のうち、レンズ素子１１〜１７の先端１１Ａ近傍の空間と対向する部位２９Ａ（図１）に設けられている。部位２９Ａは、光軸１０ａに対して傾斜した面であり、光軸１０ａに対する傾斜角を保ったまま光軸１０ａのまわりを一周させた形状（環状）となっている。開口３１Ａの形状は、図２(ｂ)に示す通り、小さい円形である。

さらに、吐出ノズル３１は、開口３１Ａ側の部分（環状部材２９の貫通穴）が光軸１０ａに対して斜めに形成され、かつ、その中心線３１Ｂ（図３(ｃ)）がレンズ素子１１〜１７の焦点面で光軸１０ａと交わるように設けられる。開口３１Ａ側の部分の傾斜角θを上記のように設定することで、レンズ素子１１〜１７の焦点面の光軸１０ａ付近をターゲットとして開口３１Ａから液体３０を吐出することができる。なお、吐出時の指向性を良くするために、顕微鏡観察装置４０（図４）の液体供給装置５０の能力を考慮して、吐出ノズル３１の開口３１Ａの大きさを定めることが好ましい。

また、吐出ノズル３１の開口３１Ａが設けられた部位２９Ａ（傾斜面）の傾きは、開口３１Ａ側の部分の傾斜角θに対して略直交するように定めることが好ましい。このように加工することで、吐出時の指向性を良くすることができる。さらに、開口３１Ａ側の部分の傾斜角θを考慮して、レンズ素子１１（先球）を固定する金物２１のうち、外部に露出したテーパ部分の傾斜角α（図３(ｂ)）を、「α≦θ」という関係を満足するように定めることが好ましい。

一方、吸引ノズル３２は、下方の一端が開口３２Ａであり、開口３２Ａから液体３０を吸引する（図３(ａ)）。開口３２Ａは、上記した開口３１Ａと同様、レンズ素子１１〜１７の先端１１Ａ近傍の空間と対向する部位２９Ａ（傾斜面）に設けられている。開口３２Ａの形状は、図２(ｂ)に示す通り、光軸１０ａを中心とする環状であり、部位２９Ａの周方向に沿って上記した開口３１Ａを除く部分に延在している。

このため、吐出ノズル３１の開口３１Ａの総面積Ｓ１と、吸引ノズル３２の開口３２Ａの総面積Ｓ２は、「Ｓ１≦Ｓ２」という関係を満足することになる。図２(ｂ)の例では、開口３２Ａの総面積Ｓ２が、開口３１Ａの総面積Ｓ１より遙かに大きい。開口３２Ａを開口３１Ａより大きくし、部位２９（傾斜面）の周方向に沿って延在させることで、液体３０の略全周囲を開口３２Ａによって取り囲むことができる。このため、液体３０を全周囲から吸引することができ、回収効率が向上する。

さらに、吸引ノズル３２は、開口３２Ａ側の部分（環状部材２９の貫通穴）が光軸１０ａに対して斜めに形成され、その傾斜角が上記の開口３１Ａ側の部分の中心線３１Ｂ（図３(ｃ)）と略同じ角度になっている。このため、液体３０を効率よく吸引することができ、加工し易いという利点もある。
また、吸引ノズル３２の開口３２Ａ側の部分（環状部材２９の貫通穴）は、光軸１０ａに垂直な面で切断したときの断面積が下方に向かって大きくなる先太り形状となっている。先太り形状の最も下方に位置する部位２９（傾斜面）には、開口３２Ａの総面積Ｓ２を大きく確保するため、図３(ｄ)に示すような溝３２Ｂが設けられている。溝３２Ｂの上側は、角度ψ（図２(ｂ)）で徐々に広がっている。このように、吸引ノズル３２の開口３２Ａ側の部分を先太り形状とすることで、液体３０を効率よく吸引することができる。

次に、上記した第１実施形態の液浸対物レンズ１０を搭載した顕微鏡観察装置４０（図４）の説明を行う。
顕微鏡観察装置４０は、観察対象の基板４０Ａを支持するステージ(４１,４２)と、液浸観察部(１０,４５)と、液浸媒質の液体３０を供給／回収する機構(３１,３２,５０,６０)とで構成される。また、顕微鏡観察装置４０には、図示省略したが、制御部や、基板４０Ａを自動搬送する機構、ＴＴＬ方式のオートフォーカス機構なども設けられる。基板４０Ａは、半導体ウエハや液晶基板である。顕微鏡観察装置４０は、半導体回路素子や液晶表示素子の製造工程において、基板４０Ａに形成された回路パターンの欠陥や異物などの観察（外観検査）に用いられる。回路パターンは、例えばレジストパターンである。

ステージ(４１,４２)の説明を行う。ステージ(４１,４２)は、シリンジ４１とＸＹＺステージ４２とで構成される。シリンジ４１は、ＸＹＺステージ４２により鉛直方向に移動可能、水平面内で移動可能に支持されている。基板４０Ａは、例えば現像装置から搬送されてシリンジ４１の上面に載置され、例えば真空吸着により固定的に支持される。
なお、ＸＹＺステージ４２は、基板４０Ａの焦点合わせ時に、シリンジ４１を鉛直方向に移動させる。焦点合わせ動作は、不図示の制御部がオートフォーカス機構を用いて行う。また、ＸＹＺステージ４２は、基板４０Ａの予め定めた観察点を液浸観察部(１０,４５)の視野内に位置決めする際、シリンジ４１を水平面内で移動させる。ＸＹＺステージ４２のベース部材は顕微鏡観察装置４０の本体に固定されている。

液浸観察部(１０,４５)の説明を行う。液浸観察部(１０,４５)には、上記した第１実施形態の液浸対物レンズ１０（図１〜図３参照）と、接眼レンズ４５とが設けられる。液浸対物レンズ１０および接眼レンズ４５は、各々、顕微鏡観察装置４０の本体に固定されている。液浸対物レンズ１０は、液浸系の対物レンズであり、その先端と基板４０Ａとの間が液浸媒質（液体３０）で満たされたときに、光学系（レンズ素子１１〜１７）の収差が補正されるように設計されている。液浸対物レンズ１０の先端が、液体３０に触れる部分となる。

顕微鏡観察装置４０の本体内部（液浸対物レンズ１０と接眼レンズ４５との間）には、図示省略した照明光源などが設けられる。観察波長は、例えば可視域や紫外域である。なお、紫外域の波長の照明光源を用いる場合は、接眼レンズ４５からの観察はできないので、接眼レンズ４５の代わりにＣＣＤカメラなどを設けて撮像し、モニタ装置に表示して観察する。

液浸観察部(１０,４５)では、接眼レンズ４５の視野位置に基板４０Ａの拡大像（パターン像）が形成され、この像により基板４０Ａの観察が行われる。また、液浸対物レンズ１０の先端と基板４０Ａとの間を満たす液体３０の屈折率(＞１)に応じて、液浸対物レンズ１０の開口数を“１”より大きくすることができ、乾燥系の装置（対物レンズの開口数≦１）と比較して分解能を確実に向上させることができる。

ちなみに、分解能は、液浸対物レンズ１０の開口数ＮＡと、観察波長λと、定数ｋとを用いて、「分解能＝ｋ×λ／ＮＡ」と表される。定数ｋの値には、２線間の分解能を議論する場合、通常“０.５”が用いられる。また、液浸対物レンズ１０の開口数ＮＡは、液浸対物レンズ１０の開き角βと、液浸対物レンズ１０と基板４０Ａとの間の媒質の屈折率ｎとを用いて、「ＮＡ＝ｎ×sinβ」と表される。このように、分解能は、液浸対物レンズ１０と基板４０Ａとの間の屈折率ｎの増加に逆比例して小さくなる（向上する）。

液体３０を供給／回収する機構(３１,３２,５０,６０)の説明を行う。この機構(３１,３２,５０,６０)は、液体供給装置５０と吐出ノズル３１と吸引ノズル３２と液体回収装置６０とで構成される。吐出ノズル３１と吸引ノズル３２は、既に説明した通り、液浸対物レンズ１０の鏡筒(２０〜２９)の内部を貫通して一体的に設けられ、その先端（開口３１Ａ,開口３２Ａ）が液浸対物レンズ１０の先端近傍に配置される。

液体供給装置５０は、吐出ノズル３１に接続された配管５１と、配管５１の途中に配置された２位置切り換え式の電磁弁５２と、新しい清浄な液体５Ａを収容する液体タンク５３と、加圧ポンプ(５４〜５７)とで構成される。加圧ポンプ(５４〜５７)は、シリンダ５４とピストン５５と送りネジ５６とモータ５７とで構成される。
ピストン５５は、モータ５７の動力を直線運動に変換する送りネジ５６に結合され、任意の速度で左右方向に往復移動可能である。ピストン５５の移動速度は、モータ５７の回転速度に応じて調整可能である。ピストン５５の移動方向は、モータ５７の回転方向に対応する。

シリンダ５４は、電磁弁５２の第１経路を介して液体タンク５３に接続され、第２経路を介して吐出ノズル３１に接続される。ただし、電磁弁５２において、２つの経路が同時に開放されることはなく、常に何れか一方のみが開放され、接続状態に設定される。電磁弁５２は、第１経路において、シリンダ５４と液体タンク５３との間の経路を接続／遮断する。また、電磁弁５２は、第２経路において、シリンダ５４と吐出ノズル３１との間の経路を接続／遮断する。

電磁弁５２において第１経路が開放され、シリンダ５４と液体タンク５３とが実際に接続された状態で、ピストン５５を図中右方向に移動させることにより、液体タンク５３の内部の液体５Ａをシリンダ５４の内部に導入することができる（液体５Ｂ）。
電磁弁５２において第２経路が開放され、シリンダ５４と吐出ノズル３１とが実際に接続された状態で、ピストン５５を図中左方向に移動させることにより、シリンダ５４の内部の液体５Ｂを吐出ノズル３１に送り出すことができる。送り出された液体５Ｂは、吐出ノズル３１の先端から吐出し、液浸対物レンズ１０の先端と基板４０Ａとの間に到達する（液体３０）。つまり、液体供給装置５０により吐出ノズル３１を介して液体３０の供給が行われる。液体３０の供給は、液浸観察の前に、不図示の制御部が自動的に行う。

シリンダ５４から吐出ノズル３１に送り出される液体５Ｂの量（つまり液体３０の供給量Ｖ）は、シリンダ５４の断面積Ｓとピストン５５の移動量Ｘとの積に等しく（Ｖ＝Ｓ・Ｘ）、ピストン５５の移動量Ｘに応じて任意に調整することができる。また、液体３０の供給速度は、ピストン５５の移動速度に応じて任意に調整することができる。ピストン５５の移動速度は、液体３０が吐出ノズル３１の先端から飛び散らないように遅く設定することが好ましい。

そして、液体３０の供給量Ｖを適切にすることができれば、液体３０は、液浸対物レンズ１０の先端と基板４０Ａとの間において、表面張力により「液滴」を形成する。つまり、周囲に流れ出したり、逆に気泡が除去できなかったりすることはない。液体３０が周囲に流れ出すのは、液体３０の供給量Ｖが多すぎて表面張力の限界を超えた場合である。この場合、観察後に全ての液体３０を回収するのが困難になる。また、気泡が残留するのは、液体３０の供給量Ｖが少なすぎた場合である。この場合、液浸対物レンズ１０による鮮明な像の形成が困難になる。液体３０の適切な供給量Ｖとは、表面張力により、液浸対物レンズ１０の先端と基板４０Ａとの間に「液滴」を形成可能な量である。

液体回収装置６０は、配管６１を介して吸引ノズル３２に接続された真空バッファタンク６２と、配管６３を介して真空バッファタンク６２に接続された真空ポンプ６４とで構成される。配管６１,６３は、真空バッファタンク６２の上部に接続されている。真空バッファタンク６２には、廃液６Ａを排出するためのコック６５が取り付けられている。なお、真空ポンプ６４の代わりに工場内の真空装置(不図示)を配管６３に接続しても良い。

液体回収装置６０では、真空ポンプ６４により、吸引ノズル３２などを介して、液浸対物レンズ１０の先端と基板４０Ａとの間の液体３０を周りの空気と一緒に吸引する。つまり、液体３０を基板４０Ａから除去する。吸引された液体３０は、配管６１を介して真空バッファタンク６２に導かれ、そこで空気とは選別され、真空バッファタンク６２に落下する（廃液６Ａ）。そして空気のみが配管６３を介して真空ポンプ６４に導かれる。このように、吸引ノズル３２を介して液体回収装置６０により液体３０が回収される。真空ポンプ６４には空気のみを導くため、液体の流入により損傷することはない。配管６３の途中に水分除去フィルタを設けてもよい。液体３０の回収は、液浸観察の後で、不図示の制御部が自動的に行う。

なお、真空ポンプ６４による吸い込み速度（真空排気の速度）は、液浸対物レンズ１０の先端と基板４０Ａとの間隔に起因する空気漏れ量よりも、吸引ノズル３２からの吸い込み量が大きくなるような条件とすることが好ましい。このことはベルヌーイの定理からも明白である。また、吸い込み作業の途中で、ＸＹＺステージ４２を制御してシリンジ４１を僅かに（≦δの範囲内で）上昇させ、液浸対物レンズ１０の先端と基板４０Ａとの間隔を小さくし、この間隔に起因する空気漏れ量を小さくしてもよい。この場合、基板４０Ａに残存した液体３０を効果的に吸引することができる。

本実施形態では、液浸媒質の液体３０として例えば純水を使用する。純水は、半導体製造工程などで容易に大量入手できるものである。また、基板４０Ａ上のフォトレジストに対する悪影響がないため、基板４０Ａの非破壊検査が可能となる。また、純水は環境に対する悪影響もなく、不純物の含有量が極めて低いため、基板４０Ａの表面を洗浄する作用も期待できる。なお、半導体製造工程で使用される純水は一般に「超純水」と呼ばれる。これは一般に「純水」と呼ばれるものより純度が高い。本実施形態においても超純水を用いるのがより好ましい。

ここで、上記した構成要素のうち、吐出ノズル３１と吸引ノズル３２をステンレス(電解研磨して酸化被膜を形成したステンレス)鋼またはテフロン（登録商標）（フッ素樹脂ＰＴＦＥ）により構成し、シール材をテフロンまたはフッ素ゴムにより構成し、全ての配管５１,６１,…をステンレス鋼またはテフロンにより構成し、その他、液体３０が触れる全ての面（ピストン５５や液体タンク５３や真空バッファタンク６２の内面など）も、同様の材料で構成することが好ましい。これらのステンレス鋼とテフロンは、化学的に安定で、液体３０に不純物（例えば金属イオン系など）が混入し難いという利点がある。

また、液体供給装置５０の液体タンク５３における液体５Ａの残量をモニタするため、液体タンク５３にフロートセンサ(液面計)と上限レベルセンサと下限レベルセンサを搭載し、各センサの出力を操作ＰＣ画面上で確認できるようにすることが好ましい。さらに、液体５Ａが下限レベルセンサの位置に到達した時点で、操作ＰＣ画面上にワーニング表示を出すようにすることが好ましい。また、液体回収装置６０の真空バッファタンク６２にも同様のセンサを搭載し、廃液６Ａが上限レベルセンサの位置に到達した時点で、操作ＰＣ画面上にワーニング表示を出すようにすることが好ましい。

次に、顕微鏡観察装置４０における基板４０Ａの観察動作を説明する。基板４０Ａの観察動作は、不図示の制御部による自動制御である。液体供給装置５０の電磁弁５２は初期状態において第２経路が開放され、シリンダ５４と吐出ノズル３１とが配管５１などを介して実際に接続された状態となっている。なお、顕微鏡観察装置４０を用いた観察は、例えば、他の欠陥検査装置により検出された欠陥や異物などの原因やその状態を確認するための外観検査に相当する。

制御部は、基板４０Ａの観察動作の開始に先立ち、液体３０の適切な供給量Ｖ（つまり表面張力により「液滴」を形成可能な量）を計算し、この供給量Ｖを実現するために必要なピストン５５の移動量Ｘ（＝Ｖ０/Ｓ）を“目標値”として計算する。そして、ピストン５５の移動量Ｘの計算後、基板４０Ａの観察動作を開始する。
まず、観察対象の基板４０Ａをステージ(４１,４２)に搬送し、シリンジ４１の上面に固定させる。次に、ＸＹＺステージ４２を制御し、シリンジ４１を水平面内で移動させて、基板４０Ａの予め定めた観察点を液浸対物レンズ１０の視野内に位置決めする。さらに、シリンジ４１を鉛直方向に移動させて、不図示のオートフォーカス機構を用いて、液浸対物レンズ１０の先端と基板４０Ａとの間隔がほぼ所望の間隔（液浸対物レンズ１０の作動距離δ）となる位置まで移動させる。

その後、液体３０の供給を開始させる。つまり、液体供給装置５０のモータ５７を回転させて送りネジ５６を移動させ、ピストン５５を図中左方向に移動させる。ピストン５５の移動により、シリンダ５４の内部の液体５Ｂが電磁弁５２(第２経路)と配管５１とを介して吐出ノズル３１に送り出され、液浸対物レンズ１０の先端と基板４０Ａとの間に到達する（液体３０）。このとき、吐出ノズル３１の開口３１Ａからの液体３０は、基板４０Ａの光軸１０ａ付近をターゲットとして吐出される。

そして、ピストン５５の移動量Ｘが予め計算した“目標値”に一致した時点で、モータ５７を停止させる。つまり、液体３０の供給を停止させる。このように、ピストン５５の移動量Ｘを予め計算した“目標値”に一致させ、精密な定量吐出を行うことで、液浸対物レンズ１０の先端と基板４０Ａとの間に供給された液体３０の量を、表面張力により「液滴」を形成可能な量とすることができる。

液体３０の供給が終了すると、オートフォーカス機構により、精密な焦点合わせを行った後、液浸観察可能となる。この状態で、観察者は、接眼レンズ４５を介して、基板４０Ａの観察点の液浸観察を行う。液体３０の供給量Ｖが適切で、液浸対物レンズ１０の先端と基板４０Ａとの間に気泡が残留しないため、基板４０Ａの観察点の鮮明な像を観察することができる。

なお、液体３０を供給後、必要に応じて、液体供給装置５０の電磁弁５２の経路を切り換え（つまり第１経路を開放させ）、液体タンク５３の清浄な液体５Ａをシリンダ５４の内部に取り込む。また、この取り込み後には、電磁弁５２の経路を再び切り換えて、シリンダ５４が吐出ノズル３１に繋がるようにしておく。
そして観察者から「液浸観察終了」の指示を受け取ると、制御部は、液体回収装置６０の真空ポンプ６４を制御して、吸引ノズル３２などを介して、液浸対物レンズ１０の先端と基板４０Ａとの間から液体３０を回収する。つまり、基板４０Ａに「液滴」が残らないようにする。このとき、基板４０Ａ上の液体３０は、その略全周囲を取り囲むように設けられた開口３２Ａから効率よく吸引される。

基板４０Ａの中に他の観察点がある場合には、上記の動作を繰り返す。全ての観察点についての液浸観察が終わると、基板４０Ａをステージ(４１,４２)から回収して、基板４０Ａの観察動作を終了する。
上記したように、第１実施形態では、液浸対物レンズ１０の鏡筒(２０〜２９)の内部を貫通して一体的に吐出ノズル３１と吸引ノズル３２を設けたため、液浸対物レンズ１０の周辺の構造を簡素化しつつ、液体３０の供給／回収機構(３１,３２,５０,６０)を配置することができる。その結果、顕微鏡観察装置４０の小型化が実現する。したがって、コンパクトな顕微鏡観察装置４０を用いて、液浸法による基板４０Ａの観察を効率よく行うことが可能となる。

さらに、第１実施形態では、高精度なアライメント機構を設けなくても、液浸対物レンズ１０の環状部材２９の加工精度に応じて、吐出ノズル３１と吸引ノズル３２の先端（開口３１Ａ,開口３２Ａ）を、液浸対物レンズ１０の先端近傍に精度良く位置決めすることができる。また、液浸対物レンズ１０の開口数ＮＡが大きく、その作動距離δが非常に小さくても（例えば０.１〜０.２ｍｍ程度であっても）、吐出ノズル３１と吸引ノズル３２の先端（開口３１Ａ,開口３２Ａ）を確実に位置決めすることができる。

また、第１実施形態では、吐出ノズル３１の開口３１Ａ側の部分の傾斜角θを、開口３１Ａ側の部分の中心線３１Ｂ（図３(ｃ)）がレンズ素子１１〜１７の焦点面で光軸１０ａと交わるように設定したため、レンズ素子１１〜１７の焦点面に位置決めされた基板４０Ａの光軸１０ａ付近をターゲットとして液体３０を吐出することができる。したがって、液浸対物レンズ１０の先端と基板４０Ａとの間に素早く「液滴」を形成できる。

さらに、第１実施形態では、吐出ノズル３１と吸引ノズル３２の開口３１Ａ,３２Ａの総面積Ｓ１,Ｓ２が「Ｓ１＜Ｓ２」という関係を満足するため、液体３０を効率良く回収することができる。特に、吸引ノズル３２の先端部分に図３(ｄ)に示す溝３２Ｂを設ける場合、その溝３２Ｂに沿って液体３０を吸引することができ、回収効率が向上する。
また、第１実施形態の顕微鏡観察装置４０では、液浸観察の際、液体３０の供給と回収を自動制御で行うため、作業者に対する負担が殆どなく、高スループットで基板４０Ａの液浸観察を行うことができる。
（第２実施形態）
第２実施形態の液浸対物レンズ７０は、図５(ａ),(ｂ)に示す通り、第１実施形態の吐出ノズル３１(図２)に代えて２本の吐出ノズル７１を設け、第１実施形態の吸引ノズル３２に代えて２本の吸引ノズル７２を設けたものであり、その他の構成は第１実施形態の液浸対物レンズ１０と同じである。図５(ａ)は図１のＡＡ断面に相当し、図５(ｂ)は液浸対物レンズ７０を下方から見た図である。

２本の吐出ノズル７１は、光軸７０ａを挟んで対称に配置され、継手７３と配管７４を介して、図４に示す顕微鏡観察装置４０の液体供給装置５０に接続される。吐出ノズル７１の開口７１Ａの形状は、小さい円形である。
２本の吸引ノズル７２は、光軸７０ａを挟んで対称に配置され、継手７５と配管７６を介して、顕微鏡観察装置４０の液体回収装置６０に接続される。吸引ノズル７２の開口７２Ａの形状は、光軸７０ａを中心とする環状であり、部位２９Ａの周方向に沿って上記した開口７１Ａを除く部分に延在している。

上記したように、第２実施形態では、液浸対物レンズ７０の鏡筒(２０〜２９)の内部を貫通して一体的に吐出ノズル７１と吸引ノズル７２を設けたため、液浸対物レンズ７０の周辺の構造を簡素化しつつ、液体３０の供給／回収機構(３１,３２,５０,６０)を配置することができる。その結果、顕微鏡観察装置４０の小型化が実現する。したがって、コンパクトな顕微鏡観察装置４０を用いて、液浸法による基板４０Ａの観察を効率よく行うことが可能となる。

また、第２実施形態では、吐出ノズル７１と吸引ノズル７２を２本ずつ設けたため、液体３０の供給と回収をさらに効率よく行える。特に、２本の吐出ノズル７１を光軸７０ａに対して対称に配置して、それぞれ光軸７０ａ付近をターゲットとして液体３０を吐出するたため、液浸対物レンズ７０の先端と基板４０Ａとの間に素早く対称性の良い「液滴」を形成できる。

さらに、第２実施形態でも、吐出ノズル７１と吸引ノズル７２の開口７１Ａ,７２Ａの総面積Ｓ１,Ｓ２が「Ｓ１＜Ｓ２」という関係を満足するため、液体３０を効率良く回収することができる。
（第３実施形態）
第３実施形態の液浸対物レンズ８０は、図６(ａ),(ｂ)に示す通り、第１実施形態の吸引ノズル３２(図２)に代えて３本の吸引ノズル８１を設け、これらの吸引ノズル８１の開口８１Ａを共通化したものであり、その他の構成は第１実施形態の液浸対物レンズ１０と同じである。図６(ａ)は図１のＡＡ断面に相当し、図６(ｂ)は液浸対物レンズ８０を下方から見た図である。

３本の吸引ノズル８１は、継手８２と配管８３を介して、図４に示す顕微鏡観察装置４０の液体回収装置６０に接続される。３本の吸引ノズル８１の開口８１Ａの形状は、光軸８０ａを中心とする環状であり、部位２９Ａの周方向に沿って上記した開口３１Ａを除く部分に延在している。
上記したように、第３実施形態では、液浸対物レンズ８０の鏡筒(２０〜２９)の内部を貫通して一体的に吐出ノズル３１と吸引ノズル８１を設けたため、液浸対物レンズ８０の周辺の構造を簡素化しつつ、液体３０の供給／回収機構(３１,３２,５０,６０)を配置することができる。その結果、顕微鏡観察装置４０の小型化が実現する。したがって、コンパクトな顕微鏡観察装置４０を用いて、液浸法による基板４０Ａの観察を効率よく行うことが可能となる。

また、第３実施形態では、３本の吸引ノズル８１を設けたため、液体３０の回収をさらに効率よく行える。
（第４実施形態）
第４実施形態の液浸対物レンズ９０は、図７(ａ),(ｂ)に示す通り、第２実施形態の吸引ノズル７２(図５)に代えて６本の吸引ノズル９１を設けたものであり、その他の構成は第１実施形態の液浸対物レンズ１０と同じである。図７(ａ)は図１のＡＡ断面に相当し、図７(ｂ)は液浸対物レンズ９０を下方から見た図である。

６本の吸引ノズル９１は、継手９２と配管９３を介して、図４に示す顕微鏡観察装置４０の液体回収装置６０に接続される。６本の吸引ノズル８１の開口８１Ａの形状は、各々、小さい円形である。６本の吸引ノズル８１それぞれの開口８１Ａ側の部分（環状部材２９の貫通穴）は、吐出ノズル７１と同様、断面積が略一定である。また、液浸対物レンズ９０では、部位２９（傾斜面）の溝を省略した。

上記したように、第４実施形態では、液浸対物レンズ９０の鏡筒(２０〜２９)の内部を貫通して一体的に吐出ノズル７１と吸引ノズル９１を設けたため、液浸対物レンズ９０の周辺の構造を簡素化しつつ、液体３０の供給／回収機構(３１,３２,５０,６０)を配置することができる。その結果、顕微鏡観察装置４０の小型化が実現する。したがって、コンパクトな顕微鏡観察装置４０を用いて、液浸法による基板４０Ａの観察を効率よく行うことが可能となる。

また、第４実施形態では、吸引ノズル９１を小さい丸穴（断面積が略一定の穴）により構成するため、加工し易いという利点がある。なお、多数（６本）の吸引ノズル９１を設けたため、液体３０の回収効率が低下することはない。
（第５実施形態）
第５実施形態の液浸対物レンズ９５は、図８(ａ),(ｂ)に示す通り、第４実施形態の吐出ノズル７１(図７)に代えて２本の吐出/吸引兼用ノズル９６を設けたものであり、その他の構成は第１実施形態の液浸対物レンズ１０と同じである。図８(ａ)は図１のＡＡ断面に相当し、図８(ｂ)は液浸対物レンズ９５を下方から見た図である。

２本の吐出/吸引兼用ノズル９６は、継手９７と配管９８を介して、図９に示す顕微鏡観察装置１００の液体供給装置５０と液体回収装置６０の双方に接続される。ただし、配管９８の途中には２位置切り換え式の電磁弁１０１が配置され、電磁弁１０１の一方の経路が開放されたときのみ、吐出/吸引兼用ノズル９６と液体供給装置５０とが実際に接続される。また、電磁弁１０１の他方の経路が開放されたときのみ、吐出/吸引兼用ノズル９６と液体回収装置６０とが実際に接続される。

上記したように、第５実施形態では、液浸対物レンズ９５の鏡筒(２０〜２９)の内部を貫通して一体的に吐出/吸引兼用ノズル９６と吸引ノズル９１を設けたため、液浸対物レンズ９５の周辺の構造を簡素化しつつ、液体３０の供給／回収機構(３１,３２,５０,６０)を配置することができる。その結果、顕微鏡観察装置１００の小型化が実現する。したがって、コンパクトな顕微鏡観察装置１００を用いて、液浸法による基板４０Ａの観察を効率よく行うことが可能となる。

また、第５実施形態では、２本の吐出/吸引兼用ノズル９６と６本の吸引ノズル９１を用いて液体３０の全周囲から吸引するため、液体３０の回収効率が向上する。さらに、全てのノズル(９１,９６)を小さい丸穴により構成するため、加工し易いという利点がある。また、吐出ノズルまたは吸引ノズルとして機能する共有のノズル（つまり吐出/吸引兼用ノズル９６）を設けるため、液浸対物レンズ９５の鏡筒(２０〜２９)の内部を有効に利用することができる。吐出/吸引兼用ノズル９６の数は、上記のような２本に限らず、１本でも３本以上でもよい。
（変形例）
なお、上記した実施形態では、吸引ノズル（吐出/吸引兼用ノズルを含む）の開口の総面積Ｓ２を吐出ノズルの開口の総面積Ｓ１よりも大きくする例で説明したが、本発明はこれに限定されない。総面積Ｓ１,Ｓ２を同じとする場合にも、本発明を適用できる。この場合、液体３０の回収を良好に行うことができる。

また、上記した実施形態では、吐出ノズルと吸引ノズルを別々に設ける例（第１実施形態〜第４実施形態）と、吐出/吸引兼用ノズルを部分的に設ける例（第５実施形態）とを説明したが、本発明はこれに限定されない。全てを吐出/吸引兼用ノズルとする場合にも、本発明を適用できる。全てを吐出/吸引兼用ノズルとする場合、液浸対物レンズに設ける液体流路（吐出/吸引兼用ノズル）の数を１本にすることもできる。

さらに、上記した実施形態では、吸引ノズルの開口側の部分（環状部材２９の貫通穴）を先太り形状とする際、部位２９（傾斜面）に溝３２Ｂを設けたが、本発明はこれに限定されない。溝３２Ｂを省略し、角度ψ（図２(ｂ)）で徐々に広がる部分のみで先太り形状を構成する場合にも、本発明を適用できる。先太り形状としては、小さい丸穴（断面積が略一定の穴）と溝３２Ｂとの組み合わせでも構わない。

また、上記した実施形態では、吐出ノズルの開口側の部分（環状部材２９の貫通穴）の中心線がレンズ素子１１〜１７の焦点面で光軸１０ａと交わるように傾斜角θを設定したが、本発明はこれに限定されない。開口側の部分の中心線が、焦点面よりも下方の面（レンズ素子から離れた面）で光軸１０ａと交わるように、その傾斜角θを設定してもよい。この場合には、焦点面よりも下方の面（レンズ素子から離れた面）の光軸１０ａ付近をターゲットとして開口３１Ａから液体３０を吐出することができる。

さらに、上記した実施形態では、液浸対物レンズ１０を顕微鏡観察装置４０の本体に固定したが、本発明はこれに限定されない。液浸対物レンズ１０をレボルバに取り付け、他の乾燥系の対物レンズと切り換え可能にしても良い。また、上記した実施形態では、液体供給装置５０において、モータ５７と送りネジ５６によってピストン５５を駆動したが、これに代えてエアシリンダを設けてもよい。この場合、エアシリンダのストローク両端にリミットセンサを設けることが好ましい。また、純水を供給する手段として液体タンク５３を用いたが、純水製造装置などを用いて純水を供給してもよい。

また、上記した実施形態では、接眼レンズ４５による液浸観察の例を説明したが、本発明はこれに限定されない。撮像素子とモニタを設け、モニタの表示画像により液浸観察を行っても構わない。接眼レンズ４５による液浸観察と撮像素子およびモニタによる液浸観察との双方を行えるようにしても良いし、何れか一方でも良い。ただし、観察波長を紫外域（例えば深紫外域）とする場合には、接眼レンズを省略して撮像素子とモニタを設けることが好ましい。また、観察波長を紫外域とする場合には、顕微鏡観察装置４０の本体の内部を窒素充填することが好ましい。液浸対物レンズ１０と基板４０Ａとの間の光路は窒素充填されないが、液体３０の供給された後で紫外光による観察を行うため、紫外光が周囲の空気（酸素）と光化学反応を起こすことはない。

さらに、上記した実施形態では、基板４０Ａの観察点ごとに液体３０を供給／回収する例を説明したが、本発明はこれに限定されない。基板４０Ａの次の観察点までの距離が近い場合には、現在の観察点に供給されている液体３０を回収することなく、ＸＹＺステージ４２（つまり基板４０Ａ）を移動させてもよい。基板４０Ａの表面がある程度の疎水性を持ち、液浸対物レンズ１０の先端がある程度の親水性を持つ場合には、液体３０が液浸対物レンズ１０の側に付着し続けようとする。このため、ＸＹＺステージ４２（つまり基板４０Ａ）を移動させても、液体３０を液浸対物レンズ１０の先端に付着させておくことができ、次の観察点に到着したときに同じ液体３０を利用して観察を行える。

また、上記した実施形態では、液体３０として例えば純水を用いたが（水浸系）、本発明はこれに限定されない。その他、純水よりも屈折率の高い油（例えば液浸オイルやシリコンオイルなど）を液体３０として用いてもよい（油浸系）。この場合、液体３０を液浸対物レンズ１０の先端に付着させながらＸＹＺステージ４２（つまり基板４０Ａ）を移動させるには、基板４０Ａの表面がある程度の親水性を持ち、液浸対物レンズ１０の先端がある程度の疎水性を持つことが好ましい。

さらに、液体３０として純水よりも表面張力の小さい液体（例えば界面活性剤を添加した液体、アルコール類、これらと純水との混合物）を用いることもできる。この場合には、基板４０Ａの回路パターンが微細な場合でも、液体３０を回路パターンの凹部に確実に浸透させることができ、良好に観察できる。
また、上記した実施形態では、液浸系での観察後、基板４０Ａから液体３０を除去するために、吸引ノズル３２と液体回収装置６０とを用いて液体３０を回収したが、本発明はこれに限定されない。何らかの乾燥手段（例えば減圧乾燥など）を用いて、液体３０を除去してもよい。この場合、液浸対物レンズの鏡筒に設けた液体流路（１つ以上）は、吐出ノズルのみとして用いられる。

さらに、上記した実施形態では、半導体ウエハや液晶基板などの液浸観察を例に説明したが、本発明はこれに限定されない。その他、生物標本(例えば細胞)などの液浸観察にも、本発明の液浸対物レンズを用いることができる。

第１実施形態の液浸対物レンズ１０の縦断面図である。 液浸対物レンズ１０のＡＡ断面図(ａ)と、液浸対物レンズ１０を下方から見た図(ｂ)である。 液浸対物レンズ１０の先端部分を説明する縦断面図である。 顕微鏡観察装置４０の全体構成を示す側面図である。 第２実施形態の液浸対物レンズ７０の構成図である。 第３実施形態の液浸対物レンズ８０の構成図である。 第４実施形態の液浸対物レンズ９０の構成図である。 第５実施形態の液浸対物レンズ９５の構成図である。 顕微鏡観察装置１００の全体構成を示す側面図である。

符号の説明

１０，７０，８０，９０，９５ 液浸対物レンズ
１１〜１７ レンズ素子
２０〜２７ 金物
２８ 筒状部材
２９ 環状部材
３０ 液体
３１，７１ 液体流路（吐出ノズル）
３２，７２，８１，９１ 液体流路（吸引ノズル）
４０，１００ 顕微鏡観察装置
４０Ａ 基板
４１ シリンジ
４２ ＸＹＺステージ
４５ 接眼レンズ
５０ 液体供給装置
５１，６１，６３，９８ 配管
５２，１０１ 電磁弁
５３ 液体タンク
５４ シリンダ
５５ ピストン
５６ 送りネジ
５７ モータ
６０ 液体回収装置
６２ 真空バッファタンク
６４ 真空ポンプ
９６ 液体流路（吐出/吸引兼用ノズル）

Claims (4)

1. １つ以上のレンズ素子と、
   前記レンズ素子を保持する鏡筒と、
   前記鏡筒の内部を貫通して設けられ前記レンズ素子の先端近傍の空間に液体を供給する供給液体流路と、該供給液体流路と独立して設けられ前記空間にある前記液体を回収する回収液体流路とを備え、
   前記供給液体流路と前記回収液体流路との開口は、それぞれ前記先端近傍の空間と対向する部位に設けられおり、前記回収液体流路の前記空間に近い部分は該空間に向かって先太り形状となっている
   ことを特徴とする液浸対物レンズ。
2. 請求項１に記載の液浸対物レンズにおいて、
   前記供給液体流路の前記開口の総面積Ｓ１と、前記回収液体流路の前記開口の総面積Ｓ２は、Ｓ１≦Ｓ２という関係を満足する
   ことを特徴とする液浸対物レンズ。
3. 請求項１または請求項２に記載の液浸対物レンズにおいて、
   前記供給液体流路は、前記開口側の部分が前記レンズ素子の光軸に対して斜めに形成され、かつ、該部分の中心線が前記レンズ素子の焦点面または該焦点面よりも前記レンズ素子から離れた面で前記光軸と交わるように設けられる
   ことを特徴とする液浸対物レンズ。
4. 観察対象の基板を支持する支持手段と、
   請求項１から請求項３の何れか１項に記載の液浸対物レンズと、
   前記供給液体流路を用いて、前記レンズ素子の先端と前記基板との間の前記空間に液体を供給する供給手段と、
   前記回収液体流路を用いて、前記空間から前記液体を回収する回収手段とを備えた
   ことを特徴とする顕微鏡観察装置。

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