JP4691927B2 - 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の先端(開口)を対物レンズの先端近傍に配置し、基板を対物レンズの焦点面に位置決めした状態で、ノズル部材を介して液体を供給あるいは回収する構成が考えられる。ところが、このような構成では、液体を効率よく回収できないことがある。

本発明の目的は、液浸系の対物レンズを用いた場合に、供給された液体を効率よく回収できる顕微鏡観察装置を提供することにある。

本発明の顕微鏡観察装置は、基板を観察するための液浸系の対物レンズと、前記対物レンズに対して焦点位置よりも離れた位置にある前記基板と前記対物レンズの光軸の交点付近に向けて液体を供給する液体供給部と、前記基板を前記光軸方向に駆動する駆動部と、前記供給された液体を回収する回収部と、前記液体供給部と前記回収部とを制御する制御部と、を備え、前記制御部は、液体の回収途中で基板を対物レンズに近づける駆動を行うようにしたものである。

対物レンズとしては、液体を供給する流路を備えてもよい。この場合には、対物レンズの基板と対向する付近では、流路が光軸に対して傾斜し、かつ離れた位置に向かって延在させるのが望ましい。

本発明によれば、液浸系の対物レンズを用いた場合に、供給された液体を効率よく回収することができる。

以下、図面を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。
本実施形態の顕微鏡観察装置１０は、図１に示す通り、観察対象の基板４０Ａを支持するステージ部(４１〜４６)と、液浸観察部(４０,４７)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。液浸観察部(４０,４７)は、図２,図３に示す液浸対物レンズ４０を含む。

また、顕微鏡観察装置１０には、図示省略したが、制御部や、観察光学系および照明光学系、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１０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。

ステージ部(４１〜４６)の説明を行う。ステージ部(４１〜４６)は、シリンジ４１とＺステージ４２とＸＹステージ４３とＺ駆動部(４４〜４６)とＸＹ駆動部(不図示)とで構成されている。Ｚ駆動部(４４〜４６)は、Ｚステージ４２に取り付けられた送りネジ４４とモータ４５と変位検出器４６とで構成され、モータ４５の回転力を送りネジ４４で直線運動に変換してＺステージ４２を駆動する。ＸＹ駆動部(不図示)は、ＸＹステージ４３を駆動する。シリンジ４１は、Ｚステージ４２により鉛直方向に移動可能、ＸＹステージ４３により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。

また、Ｚ駆動部(４４〜４６)では、モータ４５の回転量に応じて変位検出器４６の出力値が変化する。モータ４５の回転量と送りネジ４４の移動量とＺステージ４２の鉛直方向の移動量との関係は一意的に決まっているため、変位検出器４６の出力値に基づいて、シリンジ４１の鉛直方向の移動量を知ることができる。さらに、送りネジ４４の両端にはリミットスイッチ(不図示)が設けられ、一方のリミットスイッチを基準にしてシリンジ４１の絶対高さを知ることができる。変位検出器４６は、例えばロータリーエンコーダやリニアエンコーダ、ポテンショメータなどである。

液浸観察部(４０,４７)の説明を行う。液浸観察部(４０,４７)には、液浸対物レンズ４０（図２,図３参照）と、接眼レンズ４７とが設けられる。液浸対物レンズ４０および接眼レンズ４７は、各々、顕微鏡観察装置１０の本体に固定されている。また、顕微鏡観察装置１０の本体内部（液浸対物レンズ４０と接眼レンズ４７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４７からの観察はできないので、接眼レンズ４７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。

ここで、液浸対物レンズ４０の説明を行う。液浸対物レンズ４０は、液浸系の対物レンズであり、図２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。
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。

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。液浸対物レンズ４０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、顕微鏡観察装置１０の本体に固定される。

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。

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１０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１０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１０ｃまでの距離δは、液浸対物レンズ４０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。

また、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１０ｃよりも下方の面１０ｂ（レンズ素子から離れた面）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、焦点面１０ｃよりも下方の面１０ｂのうち光軸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。以下の説明では面１０ｂを「液体吐出面１０ｂ」という。焦点面１０ｃと液体吐出面１０ｂとの間隔εは、液浸対物レンズ４０において固定値である。

なお、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。また、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。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）の傾斜角を上記の傾斜角θと略等しくすることが好ましい。この場合、液体３０を効率よく吸引でき、加工し易いという利点がある。

液体対物レンズ４０が上記のように構成されるため、観察対象の基板４０Ａは、液体３０の供給時に液体吐出面１０ｂに位置決めされ、その後、焦点面１０ｃに位置決めされて、観察状態となる（詳細は後述）。このような位置決め制御を実現するため、顕微鏡観察装置１０の制御部は、予め、液体吐出面１０ｂと焦点面１０ｃとの各々に基板４０Ａが位置決めされるときの変位検出器４６の出力値を測定し、記憶している。

液浸観察部(４０,４７)では、焦点面１０ｃに基板４０Ａが位置決めされると、接眼レンズ４７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４０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４０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４０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４０の開口数ＮＡは、液浸対物レンズ４０の開き角βと、液浸対物レンズ４０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４０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４０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４０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４０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４０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４０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４０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４０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。

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１０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１０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をステージ部(４１〜４６)に搬送し、シリンジ４１の上面に固定させる。次に、Ｚ駆動部(４４〜４６)を介してＺステージ４２を制御し、シリンジ４１を鉛直方向に移動させる。そして、変位検出器４６の出力値に基づいて、基板４０Ａを液体吐出面１０ｂ（図３(ｃ)）に位置決めする。さらに、ＸＹステージ４３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体吐出面１０ｃのうちの光軸１０ａ付近に位置決めする。

その後、基板４０Ａを上記の状態に保って、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４０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、図４(ａ)に示す通り、液体吐出面１０ｂの光軸１０ａ付近（つまり基板４０Ａの観察点）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４０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（供給量Ｖ）とすることができる。また、液体吐出面１０ｂの光軸１０ａ付近（つまり基板４０Ａの観察点）には、吐出ノズル３１から吐出された体積Ｖの液体３０が表面張力によって丸く集まることになる。

このようにして液体３０の供給が終了すると、再びＺステージ４２を制御し、シリンジ４１を鉛直方向に移動させる（図４(ｂ),図５(ａ)参照）。そして、変位検出器４６の出力値に基づいて、基板４０Ａを間隔εだけ上昇させ、焦点面１０ｃに位置決めする。このとき、基板４０Ａの観察点は、液体吐出面１０ｂの光軸１０ａ付近から光軸１０ａに沿って上昇し、焦点面１０ｃの光軸１０ａ付近に位置決めされる。なお、位置決め精度は、変位検出器４６の検出精度に応じたものである。

このため、不図示の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。液体３０は、液浸対物レンズ４０の先端と基板４０Ａの観察点との間に充填され、「液滴」を形成する。この状態で、観察者は、接眼レンズ４７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４０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４０の先端と基板４０Ａの観察点との間から液体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、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４０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、Ｚステージ４２を制御してシリンジ４１を僅かに（＜作動距離δの範囲内で）上昇させ、図５(ｂ)に示す通り、基板４０Ａを液浸対物レンズ４０に近づけ、液浸対物レンズ４０の先端と基板４０Ａとの間隔(δ−γ)を小さくする。この場合、基板４０Ａの上昇量γに応じて、間隔(δ−γ)に起因する空気漏れ量を小さくすることができ、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。

基板４０Ａの上昇量γ（＜δ）は、概ね、以下の条件式を満足するように予め設定すればよい。左辺Ｓ_32Aは、吸引ノズル３２の開口３２Ａの総面積を表す。右辺は、液浸対物レンズ４０の先端(直径ｄの平坦な部分)の円周の長さ(２π(ｄ/２))と上記の間隔(δ−γ)との積、つまり、液浸対物レンズ４０の先端と基板４０Ａとにより形成される円筒空間の側面積を表し、近似的に空気の吸い込み量（漏れ量）に比例する。

Ｓ_32A ≧ ２π(ｄ/２)(δ−γ)
このような条件式を満足するように基板４０Ａの上昇量γ（＜δ）を設定し、液体３０の吸い込み作業の途中で、液浸対物レンズ４０の先端と基板４０Ａとの間隔(δ−γ)を小さくすると、間隔(δ−γ)に起因する空気漏れ量が小さくなり、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。なお、上記の条件式を満足しない場合は、吸引ノズル３２に流れ込む空気の割合が多すぎて、液体３０を効果的に吸引できない。

基板４０Ａの観察点から液体３０を回収し終えると、基板４０Ａの中に他の観察点がある場合には、Ｚステージ４２を制御して基板４０Ａを降下させ、変位検出器４６の出力値に基づいて液体吐出面１０ｂに位置決めし、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をステージ部(４１〜４６)のシリンジ４１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、本実施形態の顕微鏡観察装置１０では、基板４０Ａを液体吐出面１０１０ｂ（焦点面１０ｃより下方の面）に位置決めした状態で、吐出ノズル３１を介して液体３０を供給するため、液浸対物レンズ４０の作動距離δが非常に狭くても（つまり高解像で高倍率の液浸対物レンズ４０を用いても）、効率よく液体３０を供給することができる。また、液体３０を供給した後、基板４０Ａの観察点を焦点面１０ｃの光軸１０ａ付近に位置決めするため、液浸法による観察を効率よく行うことが可能となる。

さらに、本実施形態の顕微鏡観察装置１０では、基板４０Ａの観察点を液体吐出面１０ｂの光軸１０ａ付近に位置決めした状態で、液体吐出面１０ｂの光軸１０ａ付近をターゲットとして液体３０を供給するため、液体供給後、観察点を光軸１０ａ沿って上昇させて焦点面１０ｃに停止させるだけで、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、スループットが向上する。

また、本実施形態の顕微鏡観察装置１０では、基板４０Ａの観察が終わった後、基板４０Ａを液浸対物レンズ４０に近づけて液体３０を回収するため、基板４０Ａの観察点に残存した液体３０を効果的に吸引することができる。
さらに、本実施形態の顕微鏡観察装置１０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。

また、本実施形態では、液浸対物レンズ４０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４０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１０の小型化が実現する。
（変形例）
なお、上記した実施形態では、基板４０Ａを焦点面１０ｃに位置決めする際、変位検出器４６の出力値に基づいて焦点面１０ｃへの位置決め制御を行い、その後、オートフォーカス機構により精密に位置決め制御を行ったが、本発明はこれに限定されない。変位検出器４６の出力値を利用した制御の際に、基板４０Ａをオートフォーカス機構の検出可能範囲内（焦点面１０ｃの近傍）に位置決めし、その後、同様の精密な位置決め制御を行ってもよい。また、変位検出器４６の出力値に基づく位置決め制御を精密に行い、オートフォーカス機構を省略してもよい。

さらに、上記した実施形態では、吐出ノズル３１と吸引ノズル３２を液浸対物レンズ４０の周囲に一体的に設けたが、吐出ノズルと吸引ノズルを注射針状の部材で構成し、液浸系の対物レンズの周辺に外付けで配置してもよい。また、吐出ノズルと吸引ノズルをそれぞれ専用に設けても良いし、共有の構成としてもよい。
また、上記した実施形態では、液体吐出面１０ｂのうち光軸１０ａ付近をターゲットとして液体３０を供給したが、本発明はこれに限定されない。液体吐出面１０ｂのうち光軸１０ａから外れた場所を液体供給のターゲットにしても構わない。この場合には、基板４０Ａの観察点をターゲット地点（液体吐出面１０ｂの光軸１０ａから外れた場所）に位置決めして液体供給を行い、液体供給後に基板４０Ａの観察点を水平方向と鉛直方向との双方に移動させることが必要となる。

さらに、上記した実施形態では、液浸対物レンズ４０を顕微鏡観察装置１０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４０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。

さらに、上記した実施形態では、接眼レンズ４７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４７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１０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４０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。

また、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、ＸＹステージ４３（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４０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４０の側に付着し続けようとする。このため、ＸＹステージ４３（つまり基板４０Ａ）を移動させても、液体３０を液浸対物レンズ４０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４０の先端に付着させながらＸＹステージ４３（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４０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。
さらに、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。

本実施形態の顕微鏡観察装置１０の全体構成を示す側面図である。 液浸対物レンズ４０の全体構成を示す縦断面図である。 液浸対物レンズ４０の先端部分を説明する縦断面図である。 液体供給時の状態(ａ)と観察時の状態(ｂ)を説明する図である。 観察時の状態(ａ)と液体回収時の状態(ｂ)を説明する図である。

符号の説明

１０ 顕微鏡観察装置
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 液体流路（吐出ノズル）
３２ 液体流路（吸引ノズル）
４０ 液浸対物レンズ
４０Ａ 基板
４１ シリンジ
４２ Ｚステージ
４３ ＸＹステージ
４４，５６ 送りネジ
４５，５７ モータ
４６ 変位検出器
４７ 接眼レンズ
５０ 液体供給装置
５１，６１，６３ 配管
５２ 電磁弁
５３ 液体タンク
５４ シリンダ
５５ ピストン
６０ 液体回収装置
６２ 真空バッファタンク
６４ 真空ポンプ

Claims (2)

1. 基板を観察するための液浸系の対物レンズと、
   前記対物レンズに対して焦点位置よりも離れた位置にある前記基板と前記対物レンズの光軸の交点付近に向けて液体を供給する液体供給部と、
   前記基板を前記光軸方向に駆動する駆動部と、
   前記供給された液体を回収する回収部と、
   前記液体供給部と前記回収部とを制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記液体の回収途中で前記基板を前記対物レンズに近づける駆動を行う
   ことを特徴とする顕微鏡観察装置。
2. 請求項１に記載の顕微鏡観察装置において
   前記対物レンズは前記液体を供給する流路を備え、前記対物レンズの前記基板と対向する付近では前記流路が前記光軸に対して傾斜し、かつ前記離れた位置に向かって延在している
   ことを特徴とする顕微鏡観察装置。

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