顕微鏡装置、外観検査装置、半導体外観検査装置及び顕微鏡装置における試料照明方法
【課題】 本発明は観察対象である試料を照明する照明手段と、この試料上のパターンの特定の空間周波数成分を除去する空間フィルタとを簡単な構成で実現する顕微鏡装置及びその照明方法を提供する。
【解決手段】 顕微鏡装置の光源４０を、対物レンズ３の瞳面８又はこの瞳面と共役な平面２３上に設け、これらの面上にこの光源４０を支持するための支持手段４０を空間フィルタとして使用する。
【解決手段】 顕微鏡装置の光源４０を、対物レンズ３の瞳面８又はこの瞳面と共役な平面２３上に設け、これらの面上にこの光源４０を支持するための支持手段４０を空間フィルタとして使用する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、顕微鏡により観察される試料の照明に関し、特に半導体ウエハ等の試料上に形成されたパターンの画像を捉え、画像信号を処理して欠陥部分を検出する外観検査装置に使用される顕微鏡の照明に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体ウエハ、半導体メモリ用フォトマスク、液晶表示パネルなどにおいては、所定のパターンが繰返し形成される。そこで、光学顕微鏡を使用してパターンの光学像を捉え、隣接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ことが行われている（例えば、下記特許文献１）。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。また、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などの欠陥を検査する外観検査装置にも適用可能である。
【０００３】
図１は、半導体ウエハ用外観検査装置の概略構成を示す図である。半導体ウエハ用外観検査装置は、図１に示すように、半導体ウエハ２を保持するステージ１と、半導体ウエハ２の表面の光学像を投影する対物レンズ３と、投影された半導体ウエハ２の表面の光学像を電気的な画像信号に変換する撮像装置（イメージセンサ）４と、対物レンズ３により投影された半導体ウエハ２の像をさらにイメージセンサ４上に投影するレンズ２１、２２と、イメージセンサ４から出力されたアナログ画像信号を処理して多値のデジタル画像データに変換する画像信号処理回路５と、デジタル画像データを処理してパターンの同一部分を比較し、欠陥を検出するデジタル画像データ処理回路６と、データ処理のために画像データを記憶する画像データメモリ７とを有する。また、半導体ウエハ２の表面を照明する照明光学系は、光源１１と、照明用レンズ１２、１３と、対物レンズ３の投影光路中に設けられた半透鏡（ビームスプリッタ）１５とを有する。
【０００４】
撮像装置４としては、２次元ＣＣＤ素子を使用したＴＶカメラなどを使用することも可能であるが、高精細の画像信号を得るためにはＴＤＩ等の１次元ラインセンサを使用して、ステージ１を半導体ウエハ２に対して相対移動させ（走査して）、ステージ１を駆動する駆動パルス信号に同期して、画像信号処理回路５がラインセンサ４の信号を取り込んで画像を取得することが多い。
【０００５】
半導体ウエハ用外観検査装置の照明光学系について説明する。光源１１からの照明光は、レンズ１２、１３を通して導かれ投影経路中に設けられた半透鏡１５により対物レンズ３に向かって反射し、対物レンズ３を通って試料（ウエハ）２の表面を照明する。光源１１の像は対物レンズ３の瞳位置８で示した位置に投影され、ウエハ２の表面では光量むらのない一様な照明になる。
【０００６】
次に、外観検査装置の投影光学系（撮像光学系）について説明する。半導体ウエハ用外観検査装置には、対物レンズ３によって投影された試料２の像を、イメージセンサ４上に所望の倍率で投影するための撮像光学系であるレンズ２１及び２２が設けられている。ここで、撮像光学系には対物レンズ３の瞳面８と共役な面が存在し（例えば図１に示す概念図では、レンズ２２の後ろ側焦点位置に対物レンズ３の瞳面８と共役な面２３が生じる）、この面２３上には観察対象である試料２の像の周波数成分強度分布像（フーリエ変換像）が生じる。
したがって、この瞳面８や瞳面８と共役な面２３に空間フィルタ（空間周波数フィルタ）を設けることにより、例えば試料２の上に形成された周期性パターンの周波数成分をマスクしてそれ以外の部分、すなわち欠陥（短絡）部分から生じる回折光の相対信号強度を強めることが可能である。
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−１４９１６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、上記従来の構成によると、光源を対物レンズ３に導くための光学系（即ち照明用レンズ１２、１３及び半透鏡１５）が必要になり、半導体ウエハ用外観検査装置に使用される顕微鏡の構成を複雑にしていた。また、試料上に形成された周期性パターンの周期性成分の除去を行うためには、上記の空間フィルタを設けまたは空間フィルタを出し入れ可能とする挿入機構を設ける必要があり、さらに構成を複雑としていた。
【０００９】
また、従来の構成によると、光源１１による照明光はウエハ２表面上で一様な照明光を提供する。したがって、例えば試料上の周期性パターンにより生じる低次回折光を空間フィルタを用いてカットするために、照明光の試料への入射角度を変更して回折光の対物レンズへの入射位置を変更したり、あるいは、試料上のパターンの方向性に合わせて照明光の方位角を変更するなどといった、照明光の制御ができなかった。
【００１０】
そこで、本発明は観察すべき試料を照明する照明手段と、この試料上のパターンの特定の空間周波数成分を除去する空間フィルタとを簡単な構成で実現する顕微鏡装置及びその照明方法を提供することを目的とする。
あわせて、照明光の試料への入射角度や方位角を変更可能な照明手段を簡単な構成で実現する顕微鏡装置及びその照明方法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】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明は、光源を対物レンズの瞳面又はこの瞳面と共役な平面上に設け、これらの面上にこの光源を支持するための支持手段を空間フィルタ（空間周波数フィルタ）として使用する。
【００１２】
すなわち、本発明の第１形態に係る顕微鏡装置は、対物レンズの瞳面又はこの瞳面と共役な平面上に設けられ対物レンズを介して試料を照明する光源と、この光源を支持するとともに対物レンズにより瞳面又はこの瞳面と共役な平面に投影される試料の像の所定部分を遮る支持手段とを備える。
【００１３】
また、本発明の第２形態に係る顕微鏡装置における試料照明方法は、対物レンズの瞳面又はこの瞳面と共役になる平面上に設けられた光源により、対物レンズを介して試料を照明するとともに、光源を支持する支持手段により対物レンズによって瞳面又はこの瞳面と共役になる平面に投影される試料の像の所定部分を遮る。
【００１４】
前記の支持手段は、対物レンズの瞳面又はこの瞳面と共役な平面上に生じる試料のフーリエ変換像の所定部分を遮断することとしてよい。また、支持手段は、試料の像、試料のフーリエ変換像の所定部分を通過させるための開口部又は透過部を備えてもよい。
さらに、前記の光源は、支持手段の複数箇所に設けることとしてよく、支持手段の複数箇所に半導体発光素子アレイとして設けられることとしてよい。
【００１５】
上記本発明の第１形態に係る顕微鏡装置及び第２形態に係る顕微鏡装置の照明方法は、試料表面に形成されたパターンを観察して試料の外観検査を行う外観検査装置に使用することとしてよく、半導体ウエハ、フォトマスク、液晶パネル等の表面に形成されたパターンを観察してこれら半導体ウエハ等の外観検査を行う半導体外観検査装置に使用してよい。
【発明の効果】
【００１６】
光源を対物レンズの瞳面又はこの瞳面と共役な平面上に設け、これらの面上にこの光源を支持するための支持手段を空間フィルタとして使用することにより、光源を対物レンズ３に導くための光学系が不要になり、かつ上記の空間フィルタをまたは空間フィルタを出し入れ可能とする挿入機構を省略することができる。これにより顕微鏡の簡単な構成が実現される。特に、対物レンズ３の投影光路中に光源を設けることが可能となるため半透鏡１５の設置を不要とする利点を有する。
さらに、光源を支持手段の複数箇所に設けることにより、照明光の試料への入射角度や方位角を簡単な構成で変更することが可能となる。また光源として半導体発光素子を使用することにより光源を長寿命とするとともに光量調整を容易にする。
また、支持手段に、試料の像や試料のフーリエ変換像の所定部分を通過させるための開口部又は透過部を設け、対物レンズの瞳面又はこの瞳面と共役になる平面に投影される試料上のパターンの空間周波数成分を適度に通過させることにより、実体顕微鏡を簡便に実現することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
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実施例に係る半導体ウエハ用外観検査装置の光学系部分を示す図である。図１に示した他の部分はここでは省略している。また、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が、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、液晶表示パネルなどの半導体装置を検査する外観検査装置にも広く適用可能である。
【００１８】
図２に示すように、本実施例の半導体ウエハ用欠陥検査装置は、半導体ウエハ２を保持するステージ１と半導体ウエハ２の表面の光学像を投影する対物レンズ３と、対物レンズ３を介して試料を照明する光源４０と、光源４０を対物レンズ３の瞳面８上に支持する支持手段３０と、投影された半導体ウエハ２の表面の光学像を電気的な画像信号に変換するイメージセンサ４と、対物レンズ３を通過する半導体ウエハ２からの反射光をイメージセンサ４へ投影する投影レンズ９とを有する。なお、支持手段３０は、対物レンズ３や投影レンズ９を保持するための鏡筒（図示せず）に固定されている。
【００１９】
イメージセンサ４にはＴＤＩ等の１次元ラインセンサを使用することが好適である。そしてステージ１を半導体ウエハ２に対して相対移動させ（走査して）、ステージ１を駆動するステージ制御部６６からの駆動パルス信号に同期して、画像信号処理回路５がラインセンサ４の信号を取り込んで画像を取得する。２次元ＣＣＤ素子を使用したＴＶカメラなどを使用することも可能である。
【００２０】
図３（Ａ）は、支持手段３０及び光源４０を下方からｚ方向に見た底面図である。支持手段３０は、対物レンズ３や投影レンズ９を保持するための鏡筒（図示せず）に固定される環状の縁部材３１と、光源４０を支持するために所定方向（ｘ方向）に延在するビーム部材３２とからなる。そして、環状の縁部材３１内のビーム部材３２以外の領域（図３（Ａ）では縁部材３１及びビーム部材３２によって囲まれた領域）は、対物レンズ３によって瞳面８に投影される半導体ウエハ２からの反射光を遮らないように中抜きされ、この領域に遮蔽物を設けないように構成されているか、あるいはこの領域には透過性の高い部材で埋められている。
【００２１】
図３（Ｂ）は、対物レンズ３の視野３’に捉えられた半導体ウエハ２上のパターンを示す図であり、図３（Ｃ）は、このときに対物レンズ３の瞳面８に投影された投影像を示す図である。図３（Ｂ）に示すような所定方向（図ではｘ方向）に一定の空間周波数成分を有する繰り返しパターンを観測する場合には、図３（Ｃ）に示すように、対物レンズ３の瞳面８に、繰り返しパターンに含まれる空間周波数に対応するスポット部５１を有する周波数成分強度分布像を表すフーリエ変換像が生じる。
支持手段３０は、対物レンズ３の瞳面８に投影されたフーリエ変換像のうち、繰り返しパターンに含まれる空間周波数に対応するスポット部５１を生じる部分の投影光路を、そのビーム部材３２で遮ることによって、観察対象の投影像から所定の空間周波数成分を除去する空間フィルタ（空間周波数フィルタ）としての効果を奏する。
【００２２】
光源４０は、図４（Ａ）に示すようにビーム部材３２上に位置を変えて複数設けてもよく、また対物レンズ３の光軸位置ではなく光軸から離れた位置に設けてもよい。光源４０を対物レンズ３の光源から離れた位置に設けることにより、従来の照明装置のように垂直に半導体ウエハ２を照明するのではなく、入射角度を所望の角度に設定して斜めに半導体ウエハ２を照明することが可能となる。これにより、試料から生じた低次回折光に対応して現れる周波数強度信号の瞳面８上の位置が所望の位置となるようにを設定することが可能となる。
例えば、低次回折光に対応して現れる周波数強度信号の瞳面８上の位置を、この周波数強度信号を遮るビーム部材３２が存在する位置となるようにして、低次回折光に含まれる信号強度を弱め、欠陥（短絡）部分から生じる回折光の信号強度を相対的に強めることができる。
また、光源４０をビーム部材３２上に位置を変えて複数設けることにより、これら複数の光源４０を選択して点灯させ、対物レンズ３の視野に捉えられた半導体ウエハ２上のパターンに応じて入射角度を順次変更することとしてよい。
【００２３】
光源４０には発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザーダイオード（ＬＤ）などの半導体発光素子が好適に使用されるが、その他の発光素子を使用してもよい。また、光源４０をビーム部材３２上に複数設ける場合には、半導体発光素子アレイを使用してよい。
【００２４】
図５（Ａ）〜（Ｅ）に、支持手段３０及び光源４０の様々な変更例を示す。
図５（Ａ）に示す支持手段３０のビーム部材３２は、ｘ方向及びｙ方向に空間周波数成分を有する繰り返しパターンによって瞳面８に生じる周波数成分強度分布像の周波数成分を除去する効果を奏する空間フィルタとしての機能を有する。なお、図中の白い円部分は全て光源４０を示すが、図面では簡単のためその１つにのみ参照符号４０を付しその他は省略する。以下の図５（Ｂ）〜（Ｅ）及び図７（Ａ）及び（Ｂ）についても同様である。
【００２５】
図５（Ｂ）に示す支持手段３０のビーム部材３２は、ｘ軸方向と４５°及び１３５°方向の方位角に空間周波数成分を有する繰り返しパターンによって瞳面８に生じる周波数成分強度分布像の周波数成分を除去する効果を奏する空間フィルタとしての機能を有する。
図５（Ｃ）に示すビーム部材は、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示すビーム部材３２を組み合わせた態様であり、ｘ軸方向及びｙ軸方向、ならびにｘ軸方向と４５°及び１３５°方向の方位角に空間周波数成分を有する繰り返しパターンによって瞳面８に生じる周波数成分強度分布像の周波数成分を除去する効果を奏する空間フィルタとしての機能を有する。
【００２６】
支持手段３０は、図５（Ｄ）に示すように、ビーム部材３２、３３を格子状に設けることとしてもよい。
観察パターンが繰り返しパターンであるとき、瞳面８上には、瞳面８と対物レンズ３の光軸との交点を通り、かつ観察パターンの繰り返し方向に延びる直線上に沿って、比較的大きな径を有するスポット部分が並んで生じる。したがって、瞳面８と対物レンズ３の光軸との交点を通り、かつ観察パターンの繰り返し方向に延びるビーム部材３２を比較的幅広に形成し、そうでないビーム部材３３の幅を比較的狭く形成する。これにより必要以上に投影像を遮断することを防止する。また、比較的幅が狭いビーム部材３３には光源４０を設けないこととしてよい。なお、図５（Ｅ）は、図５（Ｃ）に示す支持手段３０に、比較的幅が狭いビーム部材３３を設け、ビーム部材を格子状に設けた形態である。
【００２７】
さらに、ビーム部材３３を、瞳面８において面内移動させる機構を備えることにより、このビーム部材３３を、半導体ウエハ２上に形成された繰り返しパターンに応じて、このパターンからの反射回折光を最も効率よくフィルタリングすることができる最適位置に位置決め制御することとしてもよい。図６（Ａ）に、ビーム部材３３を瞳面８において面内移動させる機構を備える支持手段の上面図を示し、図６（Ｂ）に、図６（Ａ）のＡ−Ａ’断面図を示す。
【００２８】
図示するように、支持手段３０は、図のｘ方向に延在する複数のビーム部材３３ｘとｙ方向に延在する複数のビーム部材３３ｙを備えている。複数のビーム部材３３ｘは、ビーム部材３３ｘとリンク部材３４ｘとを貫通して回転可能に連結する連結部材３５ｘによって連結され、平行リンク機構を構成する。同様に複数のビーム部材３３ｙ、リンク部材３４ｙ及び連結部材３５ｙも平行リンク機構を構成する。
リンク部材３４ｘと支持手段の突起部３６ｘもまた連結部材３５ｘに貫通されて回転可能に連結されており、これによりリンク部材３４ｘは、突起部３６ｘとの連結箇所を支点として回転可能に支持される。同様にリンク部材３４ｙは、突起部３６ｙとの連結箇所を支点として回転可能に支持される。
【００２９】
各ビーム部材３３ｘ、リンク部材３４ｘ及び連結部材３５ｘからなる平行リンク機構は、光源制御部６５からの制御信号に従う各駆動部３７ｘの動作によって瞳面８を面内移動し、これによって光源制御部６５は、複数のビーム部材３３ｘのｙ方向位置及び相互間の間隔を変更することが可能である。同様に光源制御部６５は駆動部３７ｙを動作させることにより、複数のビーム部材３３ｙのｘ方向位置及び相互間の間隔を変更することが可能である。このようにして、例えば光源制御部６５は、半導体ウエハ２上に形成された繰り返しパターンの空間周波数に応じて、この空間周波数に対応して瞳面８に現れるスポット光の間隔と複数のビーム部材３３ｘ、３３ｙの位置及び相互間の間隔（ピッチ）とを併せ、スポット光をカットするようにビーム部材３３ｘ、３３ｙの位置を制御することが可能である。
【００３０】
図５（Ａ）〜（Ｅ）及び図６（Ａ）に示すように、ビーム部材３２を瞳面８上の異なる複数の方位に延在させ、かかるビーム部材上に複数の光源４０を設けることにより、これら複数の光源４０を選択して点灯させ異なる方位角の照明光で半導体ウエハ２を照明することが可能となる。これにより例えば、半導体ウエハ２上に形成されるパターンの方向に沿って照明光を与えることにより、パターンのエッジ部分で散乱する反射光を弱め、パターン間に存在する欠陥部分から生じる散乱光の信号強度を相対的に強めることが可能となる。
【００３１】
さらに、図４（Ａ）及び（Ｂ）を参照して上述した照明光の入射角度の変更と同様に、これら複数の光源４０を選択して点灯させ、対物レンズ３の視野に捉えられた半導体ウエハ２上のパターンに応じて照明光の方位角を順次変更することとしてよい。
このように対物レンズ３の視野内にある半導体２表面のパターンに応じて、光源４０を選択して点灯させるために、本実施例の外観検査装置は、図２に示すようにコンピュータ等により実現可能な計算機６１と、半導体ウエハ２上の各位置に形成されたパターンの種類を示すパターンデータを入力する入出力部６３と、入出力部６３から入力されたパターンデータを記憶する記憶部６４と、ステージ制御部６６から出力されるステージ１の位置情報に基づいて、ステージ１に載置される半導体ウエハ２上の各位置に形成されたパターンの種類を記憶部６４に記憶されるパターンデータから読み出し、この読み出されたパターンの種類に応じて複数の光源４０を選択して点灯させる光源制御部６５を備える。
【００３２】
ステージ１上に載置される半導体ウエハ２の位置は既知であるため、光源制御部６５はステージ制御部６６から出力されるステージ１の位置情報に基づいて、対物レンズ３の視野が、ステージ１に載置される半導体ウエハ２上のいずれの位置にあるかを検知することが可能である。そして光源制御部６５は、検知した半導体ウエハ２上の位置に形成されたパターンの種類を、記憶部６４に記憶されるパターンデータから読み出し、このパターンデータにこの読み出されたパターン種類に応じて光源４０を選択して点灯させる。
【００３３】
例えば、半導体ウエハ２上に位置に形成されたパターンの方向性に関する情報がパターンデータに含まれている場合には、光源制御部６５は対物レンズ３の視野内にあるパターンの方向性に関する情報を記憶部６４から読み出し、その方向に沿う照明光を与える光源４０を選択して点灯させる。
また例えば、半導体ウエハ２上に位置に形成されたパターンのピッチ（空間周波数）に関する情報がパターンデータに含まれている場合には、光源制御部６５は対物レンズ３の視野内にあるパターンのピッチに関する情報を記憶部６４から読み出し、かかるピッチと、対物レンズ３及び半導体ウエハ２間の距離（既知）と、光源４０の発光波長４０（既知）とに基づき、そのパターンから生じる低次回折光の反射角度を求める。そして、この低次回折光に対応する周波数成分強度信号が瞳面８上の所望の位置に生じるような入射角度の照明光を与える光源４０を選択して点灯させる。
【００３４】
光源制御部６５は、ステージ制御部６６から出力される逐次出力されるステージ１の位置情報に基づいて、対物レンズ３の視野内にある半導体ウエハ２のパターン種類を記憶部６４から読み出し、このパターン種類に応じて点灯させる光源４０を、外観検査の対物レンズ３走査中に動的かつ自由に変更することとしてよい。
【００３５】
またパターンデータに半導体ウエハ２上の各領域に形成されたパターンの各空間周波数を含めておき、光源制御部６５は、ステージ制御部６６から出力される逐次出力されるステージ１の位置情報に基づいて、対物レンズ３の視野内にある半導体ウエハ２のパターンの空間周波数を記憶部６４から読み出し、この空間周波数に応じて図６（Ａ）及び（Ｂ）に示したビーム部材３３ｘ及び３３ｙの平行リンク機構を移動させて、ビーム部材３３ｘ相互間及び３３ｙ相互間の間隔を動的かつ自由に変更することとしてよい。
【００３６】
図７（Ａ）及び（Ｂ）は、支持手段３０及び光源４０のその他の変更例を示す。図７（Ａ）に示す支持手段３０では縁部材３１に光源４０が設けられており、これにより光源４０は、対物レンズ３の光軸周辺を除く周辺の範囲から斜めに半導体ウエハ２を照明する照明光を与える。
このように各光源４０を配置すると、各光源４０による各照明光が半導体ウエハ２で反射した各直接反射光が、瞳面８上において対物レンズ３の光軸に対してそれぞれの光源４０と回転対称の位置に戻ってくることになり、この位置に存在する縁部４２によって遮断されることになる。このように半導体ウエハ２による各直接反射光を遮断することにより、暗視野照明を実現することができる。
【００３７】
図７（Ｂ）に示す支持手段３０では、縁部材３１に瞳面８に生じた半導体ウエハ２の像を部分的に通過させる開口部３４を備える。図中の梨子地で示された円部分は全てこのような開口部３４を示すが、図面では簡単のためその１つにのみ参照符号３４を付しその他は省略する。このような開口部３４を設けて直接反射光を部分的に通過させることにより、イメージセンサ４上に直接反射光により生じる像を投影する実体顕微鏡装置を実現することが可能となる。
またこのような開口部３４に透過性の部材を埋めこみ透過部としてもよい。
【００３８】
図８（Ａ）及び図９（Ａ）〜（Ｃ）は、支持手段３０並びに光源４０、４３及び４４のさらにその他の実施例を示す。図８（Ａ）に示す光源４３及び４４は偏向された発光光を供給する光源素子であり、光源４３は環状縁部材３１の径方向の偏向光を発光する径方向偏向光源、光源４４は環状縁部材３１の周方向の偏向光を発光する周方向偏向光源である。このような偏向照明光を与える光源としては、偏向方向を有するレーザーダイオードを使用することとしてよく、無偏向照明光を与える光源に偏向フィルターを設けることにより実現してもよい。
なお、図８（Ａ）において光源４３及び光源４４に示される矢印は偏向方向を示し、環状縁部材３１の径方向の矢印が付された白円は全て径方向偏向光源４３を示し、環状縁部材３１の周方向の矢印が付された白円は全て周方向偏向光源４４を示すが、図面の簡単のため各１つずつのみに参照符号を付し他を省略する。
【００３９】
光源制御部６５は、対物レンズ３の視野内にある半導体ウエハ２上に形成されたパターンの形状種類に応じて、径方向偏向光源４３のみを選択して発光させ（図８（Ｂ）参照）、あるいは周方向偏向光源４４のみを選択して発光させて（図８（Ｃ）参照）、半導体ウエハ２を照明する照明光の変更方向を切り替える。例えば、対物レンズ３の視野内にある半導体ウエハ２上に点状パターンが形成されている場合には、光源制御部６５は径方向偏向光源４３のみを選択して発光させ、線状パターンが形成されている場合には周方向偏向光源４４のみを選択して発光させることとする。パターンの形状種類に応じて照明光の偏向方向を変更することにより、特定形状のパターンに対する撮像解像度を向上させることが可能である。
【００４０】
さらに、パターンデータに半導体ウエハ２上の各領域に形成されたパターンの形状種類に関する情報を含めておき、光源制御部６５は、ステージ制御部６６から出力される逐次出力されるステージ１の位置情報に基づいて、対物レンズ３の視野内にある半導体ウエハ２のパターンの形状種類を記憶部６４から読み出し、この種類に応じて径方向偏向光源４３又は周方向偏向光源４４を選択して発光させることとしてよい。
【００４１】
また、このような径方向偏向光源４３及び周方向偏向光源４４と無偏向光源４０とを併せて備えることとしてもよい。このように、偏向光源４３、４４と、無偏向光源４０を併用することにより、光源光量を増加させるとともに特定形状のパターン部分を撮像した画像信号の撮像解像度を強めつつ、撮像パターンの他の部分（背景画像）もある程度取り込むことが可能となる。
図９（Ａ）は、径方向偏向光源４３及び無偏向光源４０を併せた配置例を、図９（Ａ）は、周方向偏向光源４４及び無偏向光源４０を併せた配置例を、図８（Ｃ）は、径方向偏向光源４３、周方向偏向光源４４及び無偏向光源４０を併せた配置例を示す。
【００４２】
図１０は、本発明の第２実施例に係る半導体ウエハ用外観検査装置の光学系部分を示す図である。本実施例の半導体ウエハ用外観検査装置は、対物レンズ３により投影された半導体ウエハ２の像をさらにイメージセンサ４上に投影するためのレンズ２１、２２（リレーレンズ）を備えている。
そして、レンズ２１の後ろ側焦点位置には、対物レンズ３の瞳面８と共役となる面２３（以下、共役面と記す）が生ずる。この共役面２３上に設けられた光源は対物レンズ３の瞳面８上にその像が結像され、また共役面２３上には対物レンズ３の瞳面８上に生じる検査パターンのフーリエ変換像と同じ像が生じる。
したがって、本実施例に係る半導体ウエハ用外観検査装置では、対物レンズ３の投影光路中にある対物レンズ３の瞳面８と共役となる面２３に、図３〜図９を参照して説明した上記の光源４０、４３、４４及び支持手段３０を設けることにより、本発明の第１実施例に係る半導体ウエハ用外観検査装置と同様の効果を奏する。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明は、顕微鏡装置や、半導体ウエハ、半導体メモリ用フォトマスクや、液晶表示パネルなどの半導体装置を検査する外観検査装置に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】従来の半導体ウエハ用欠陥検査装置の概略構成図である。
【図２】本発明の第１実施例に係る半導体ウエハ用外観検査装置の光学系部分を示す図である。
【図３】（Ａ）は光源及び支持手段の底面図であり、（Ｂ）は対物レンズの視野内に捉えられた半導体ウエハ上のパターンを示す図であり、（Ｃ）は対物レンズの瞳面に生じるフーリエ変換像を示す図である。
【図４】（Ａ）及び（Ｂ）はそれぞれ光源及び支持手段の変形例を示す図である。
【図５】（Ａ）〜（Ｅ）はそれぞれ光源及び支持手段の変形例を示す図である。
【図６】（Ａ）はビーム部材を移動可能に構成する支持手段の上面図であり、（Ｂ）はそのＡ−Ａ’側面図である。
【図７】（Ａ）及び（Ｂ）はそれぞれ光源及び支持手段の変形例を示す図である。
【図８】（Ａ）は、偏向された照明光を供給する光源及び支持手段の底面図であり、（Ｂ）は（Ａ）に示す光源のうち径方向に偏向された照明光の光源のみを点灯させた場合を示す図であり、（Ｃ）は（Ａ）に示す光源のうち周方向に偏向された照明光の光源のみを点灯させた場合を示す図である。
【図９】（Ａ）は径方向に偏向された照明光及び無偏向照明を供給する光源光源及び支持手段の底面図であり、（Ｂ）は周方向に偏向された照明光及び無偏向照明を供給する光源及び支持手段の底面図であり、（Ｃ）は周方向及び径方向に偏向された照明光並びに無偏向照明を供給する光源光源及び支持手段の底面図である。
【図１０】本発明の第２実施例に係る半導体ウエハ用外観検査装置の光学系部分を示す図である。
【符号の説明】
【００４５】
１ ステージ
２ ウエハ
３ 対物レンズ
４ イメージセンサ
８ 対物レンズの瞳面
３０ 支持手段
４０ 光源
【技術分野】
【０００１】
本発明は、顕微鏡により観察される試料の照明に関し、特に半導体ウエハ等の試料上に形成されたパターンの画像を捉え、画像信号を処理して欠陥部分を検出する外観検査装置に使用される顕微鏡の照明に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体ウエハ、半導体メモリ用フォトマスク、液晶表示パネルなどにおいては、所定のパターンが繰返し形成される。そこで、光学顕微鏡を使用してパターンの光学像を捉え、隣接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ことが行われている（例えば、下記特許文献１）。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。また、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などの欠陥を検査する外観検査装置にも適用可能である。
【０００３】
図１は、半導体ウエハ用外観検査装置の概略構成を示す図である。半導体ウエハ用外観検査装置は、図１に示すように、半導体ウエハ２を保持するステージ１と、半導体ウエハ２の表面の光学像を投影する対物レンズ３と、投影された半導体ウエハ２の表面の光学像を電気的な画像信号に変換する撮像装置（イメージセンサ）４と、対物レンズ３により投影された半導体ウエハ２の像をさらにイメージセンサ４上に投影するレンズ２１、２２と、イメージセンサ４から出力されたアナログ画像信号を処理して多値のデジタル画像データに変換する画像信号処理回路５と、デジタル画像データを処理してパターンの同一部分を比較し、欠陥を検出するデジタル画像データ処理回路６と、データ処理のために画像データを記憶する画像データメモリ７とを有する。また、半導体ウエハ２の表面を照明する照明光学系は、光源１１と、照明用レンズ１２、１３と、対物レンズ３の投影光路中に設けられた半透鏡（ビームスプリッタ）１５とを有する。
【０００４】
撮像装置４としては、２次元ＣＣＤ素子を使用したＴＶカメラなどを使用することも可能であるが、高精細の画像信号を得るためにはＴＤＩ等の１次元ラインセンサを使用して、ステージ１を半導体ウエハ２に対して相対移動させ（走査して）、ステージ１を駆動する駆動パルス信号に同期して、画像信号処理回路５がラインセンサ４の信号を取り込んで画像を取得することが多い。
【０００５】
半導体ウエハ用外観検査装置の照明光学系について説明する。光源１１からの照明光は、レンズ１２、１３を通して導かれ投影経路中に設けられた半透鏡１５により対物レンズ３に向かって反射し、対物レンズ３を通って試料（ウエハ）２の表面を照明する。光源１１の像は対物レンズ３の瞳位置８で示した位置に投影され、ウエハ２の表面では光量むらのない一様な照明になる。
【０００６】
次に、外観検査装置の投影光学系（撮像光学系）について説明する。半導体ウエハ用外観検査装置には、対物レンズ３によって投影された試料２の像を、イメージセンサ４上に所望の倍率で投影するための撮像光学系であるレンズ２１及び２２が設けられている。ここで、撮像光学系には対物レンズ３の瞳面８と共役な面が存在し（例えば図１に示す概念図では、レンズ２２の後ろ側焦点位置に対物レンズ３の瞳面８と共役な面２３が生じる）、この面２３上には観察対象である試料２の像の周波数成分強度分布像（フーリエ変換像）が生じる。
したがって、この瞳面８や瞳面８と共役な面２３に空間フィルタ（空間周波数フィルタ）を設けることにより、例えば試料２の上に形成された周期性パターンの周波数成分をマスクしてそれ以外の部分、すなわち欠陥（短絡）部分から生じる回折光の相対信号強度を強めることが可能である。
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−１４９１６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、上記従来の構成によると、光源を対物レンズ３に導くための光学系（即ち照明用レンズ１２、１３及び半透鏡１５）が必要になり、半導体ウエハ用外観検査装置に使用される顕微鏡の構成を複雑にしていた。また、試料上に形成された周期性パターンの周期性成分の除去を行うためには、上記の空間フィルタを設けまたは空間フィルタを出し入れ可能とする挿入機構を設ける必要があり、さらに構成を複雑としていた。
【０００９】
また、従来の構成によると、光源１１による照明光はウエハ２表面上で一様な照明光を提供する。したがって、例えば試料上の周期性パターンにより生じる低次回折光を空間フィルタを用いてカットするために、照明光の試料への入射角度を変更して回折光の対物レンズへの入射位置を変更したり、あるいは、試料上のパターンの方向性に合わせて照明光の方位角を変更するなどといった、照明光の制御ができなかった。
【００１０】
そこで、本発明は観察すべき試料を照明する照明手段と、この試料上のパターンの特定の空間周波数成分を除去する空間フィルタとを簡単な構成で実現する顕微鏡装置及びその照明方法を提供することを目的とする。
あわせて、照明光の試料への入射角度や方位角を変更可能な照明手段を簡単な構成で実現する顕微鏡装置及びその照明方法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】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明は、光源を対物レンズの瞳面又はこの瞳面と共役な平面上に設け、これらの面上にこの光源を支持するための支持手段を空間フィルタ（空間周波数フィルタ）として使用する。
【００１２】
すなわち、本発明の第１形態に係る顕微鏡装置は、対物レンズの瞳面又はこの瞳面と共役な平面上に設けられ対物レンズを介して試料を照明する光源と、この光源を支持するとともに対物レンズにより瞳面又はこの瞳面と共役な平面に投影される試料の像の所定部分を遮る支持手段とを備える。
【００１３】
また、本発明の第２形態に係る顕微鏡装置における試料照明方法は、対物レンズの瞳面又はこの瞳面と共役になる平面上に設けられた光源により、対物レンズを介して試料を照明するとともに、光源を支持する支持手段により対物レンズによって瞳面又はこの瞳面と共役になる平面に投影される試料の像の所定部分を遮る。
【００１４】
前記の支持手段は、対物レンズの瞳面又はこの瞳面と共役な平面上に生じる試料のフーリエ変換像の所定部分を遮断することとしてよい。また、支持手段は、試料の像、試料のフーリエ変換像の所定部分を通過させるための開口部又は透過部を備えてもよい。
さらに、前記の光源は、支持手段の複数箇所に設けることとしてよく、支持手段の複数箇所に半導体発光素子アレイとして設けられることとしてよい。
【００１５】
上記本発明の第１形態に係る顕微鏡装置及び第２形態に係る顕微鏡装置の照明方法は、試料表面に形成されたパターンを観察して試料の外観検査を行う外観検査装置に使用することとしてよく、半導体ウエハ、フォトマスク、液晶パネル等の表面に形成されたパターンを観察してこれら半導体ウエハ等の外観検査を行う半導体外観検査装置に使用してよい。
【発明の効果】
【００１６】
光源を対物レンズの瞳面又はこの瞳面と共役な平面上に設け、これらの面上にこの光源を支持するための支持手段を空間フィルタとして使用することにより、光源を対物レンズ３に導くための光学系が不要になり、かつ上記の空間フィルタをまたは空間フィルタを出し入れ可能とする挿入機構を省略することができる。これにより顕微鏡の簡単な構成が実現される。特に、対物レンズ３の投影光路中に光源を設けることが可能となるため半透鏡１５の設置を不要とする利点を有する。
さらに、光源を支持手段の複数箇所に設けることにより、照明光の試料への入射角度や方位角を簡単な構成で変更することが可能となる。また光源として半導体発光素子を使用することにより光源を長寿命とするとともに光量調整を容易にする。
また、支持手段に、試料の像や試料のフーリエ変換像の所定部分を通過させるための開口部又は透過部を設け、対物レンズの瞳面又はこの瞳面と共役になる平面に投影される試料上のパターンの空間周波数成分を適度に通過させることにより、実体顕微鏡を簡便に実現することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
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実施例に係る半導体ウエハ用外観検査装置の光学系部分を示す図である。図１に示した他の部分はここでは省略している。また、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が、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、液晶表示パネルなどの半導体装置を検査する外観検査装置にも広く適用可能である。
【００１８】
図２に示すように、本実施例の半導体ウエハ用欠陥検査装置は、半導体ウエハ２を保持するステージ１と半導体ウエハ２の表面の光学像を投影する対物レンズ３と、対物レンズ３を介して試料を照明する光源４０と、光源４０を対物レンズ３の瞳面８上に支持する支持手段３０と、投影された半導体ウエハ２の表面の光学像を電気的な画像信号に変換するイメージセンサ４と、対物レンズ３を通過する半導体ウエハ２からの反射光をイメージセンサ４へ投影する投影レンズ９とを有する。なお、支持手段３０は、対物レンズ３や投影レンズ９を保持するための鏡筒（図示せず）に固定されている。
【００１９】
イメージセンサ４にはＴＤＩ等の１次元ラインセンサを使用することが好適である。そしてステージ１を半導体ウエハ２に対して相対移動させ（走査して）、ステージ１を駆動するステージ制御部６６からの駆動パルス信号に同期して、画像信号処理回路５がラインセンサ４の信号を取り込んで画像を取得する。２次元ＣＣＤ素子を使用したＴＶカメラなどを使用することも可能である。
【００２０】
図３（Ａ）は、支持手段３０及び光源４０を下方からｚ方向に見た底面図である。支持手段３０は、対物レンズ３や投影レンズ９を保持するための鏡筒（図示せず）に固定される環状の縁部材３１と、光源４０を支持するために所定方向（ｘ方向）に延在するビーム部材３２とからなる。そして、環状の縁部材３１内のビーム部材３２以外の領域（図３（Ａ）では縁部材３１及びビーム部材３２によって囲まれた領域）は、対物レンズ３によって瞳面８に投影される半導体ウエハ２からの反射光を遮らないように中抜きされ、この領域に遮蔽物を設けないように構成されているか、あるいはこの領域には透過性の高い部材で埋められている。
【００２１】
図３（Ｂ）は、対物レンズ３の視野３’に捉えられた半導体ウエハ２上のパターンを示す図であり、図３（Ｃ）は、このときに対物レンズ３の瞳面８に投影された投影像を示す図である。図３（Ｂ）に示すような所定方向（図ではｘ方向）に一定の空間周波数成分を有する繰り返しパターンを観測する場合には、図３（Ｃ）に示すように、対物レンズ３の瞳面８に、繰り返しパターンに含まれる空間周波数に対応するスポット部５１を有する周波数成分強度分布像を表すフーリエ変換像が生じる。
支持手段３０は、対物レンズ３の瞳面８に投影されたフーリエ変換像のうち、繰り返しパターンに含まれる空間周波数に対応するスポット部５１を生じる部分の投影光路を、そのビーム部材３２で遮ることによって、観察対象の投影像から所定の空間周波数成分を除去する空間フィルタ（空間周波数フィルタ）としての効果を奏する。
【００２２】
光源４０は、図４（Ａ）に示すようにビーム部材３２上に位置を変えて複数設けてもよく、また対物レンズ３の光軸位置ではなく光軸から離れた位置に設けてもよい。光源４０を対物レンズ３の光源から離れた位置に設けることにより、従来の照明装置のように垂直に半導体ウエハ２を照明するのではなく、入射角度を所望の角度に設定して斜めに半導体ウエハ２を照明することが可能となる。これにより、試料から生じた低次回折光に対応して現れる周波数強度信号の瞳面８上の位置が所望の位置となるようにを設定することが可能となる。
例えば、低次回折光に対応して現れる周波数強度信号の瞳面８上の位置を、この周波数強度信号を遮るビーム部材３２が存在する位置となるようにして、低次回折光に含まれる信号強度を弱め、欠陥（短絡）部分から生じる回折光の信号強度を相対的に強めることができる。
また、光源４０をビーム部材３２上に位置を変えて複数設けることにより、これら複数の光源４０を選択して点灯させ、対物レンズ３の視野に捉えられた半導体ウエハ２上のパターンに応じて入射角度を順次変更することとしてよい。
【００２３】
光源４０には発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザーダイオード（ＬＤ）などの半導体発光素子が好適に使用されるが、その他の発光素子を使用してもよい。また、光源４０をビーム部材３２上に複数設ける場合には、半導体発光素子アレイを使用してよい。
【００２４】
図５（Ａ）〜（Ｅ）に、支持手段３０及び光源４０の様々な変更例を示す。
図５（Ａ）に示す支持手段３０のビーム部材３２は、ｘ方向及びｙ方向に空間周波数成分を有する繰り返しパターンによって瞳面８に生じる周波数成分強度分布像の周波数成分を除去する効果を奏する空間フィルタとしての機能を有する。なお、図中の白い円部分は全て光源４０を示すが、図面では簡単のためその１つにのみ参照符号４０を付しその他は省略する。以下の図５（Ｂ）〜（Ｅ）及び図７（Ａ）及び（Ｂ）についても同様である。
【００２５】
図５（Ｂ）に示す支持手段３０のビーム部材３２は、ｘ軸方向と４５°及び１３５°方向の方位角に空間周波数成分を有する繰り返しパターンによって瞳面８に生じる周波数成分強度分布像の周波数成分を除去する効果を奏する空間フィルタとしての機能を有する。
図５（Ｃ）に示すビーム部材は、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示すビーム部材３２を組み合わせた態様であり、ｘ軸方向及びｙ軸方向、ならびにｘ軸方向と４５°及び１３５°方向の方位角に空間周波数成分を有する繰り返しパターンによって瞳面８に生じる周波数成分強度分布像の周波数成分を除去する効果を奏する空間フィルタとしての機能を有する。
【００２６】
支持手段３０は、図５（Ｄ）に示すように、ビーム部材３２、３３を格子状に設けることとしてもよい。
観察パターンが繰り返しパターンであるとき、瞳面８上には、瞳面８と対物レンズ３の光軸との交点を通り、かつ観察パターンの繰り返し方向に延びる直線上に沿って、比較的大きな径を有するスポット部分が並んで生じる。したがって、瞳面８と対物レンズ３の光軸との交点を通り、かつ観察パターンの繰り返し方向に延びるビーム部材３２を比較的幅広に形成し、そうでないビーム部材３３の幅を比較的狭く形成する。これにより必要以上に投影像を遮断することを防止する。また、比較的幅が狭いビーム部材３３には光源４０を設けないこととしてよい。なお、図５（Ｅ）は、図５（Ｃ）に示す支持手段３０に、比較的幅が狭いビーム部材３３を設け、ビーム部材を格子状に設けた形態である。
【００２７】
さらに、ビーム部材３３を、瞳面８において面内移動させる機構を備えることにより、このビーム部材３３を、半導体ウエハ２上に形成された繰り返しパターンに応じて、このパターンからの反射回折光を最も効率よくフィルタリングすることができる最適位置に位置決め制御することとしてもよい。図６（Ａ）に、ビーム部材３３を瞳面８において面内移動させる機構を備える支持手段の上面図を示し、図６（Ｂ）に、図６（Ａ）のＡ−Ａ’断面図を示す。
【００２８】
図示するように、支持手段３０は、図のｘ方向に延在する複数のビーム部材３３ｘとｙ方向に延在する複数のビーム部材３３ｙを備えている。複数のビーム部材３３ｘは、ビーム部材３３ｘとリンク部材３４ｘとを貫通して回転可能に連結する連結部材３５ｘによって連結され、平行リンク機構を構成する。同様に複数のビーム部材３３ｙ、リンク部材３４ｙ及び連結部材３５ｙも平行リンク機構を構成する。
リンク部材３４ｘと支持手段の突起部３６ｘもまた連結部材３５ｘに貫通されて回転可能に連結されており、これによりリンク部材３４ｘは、突起部３６ｘとの連結箇所を支点として回転可能に支持される。同様にリンク部材３４ｙは、突起部３６ｙとの連結箇所を支点として回転可能に支持される。
【００２９】
各ビーム部材３３ｘ、リンク部材３４ｘ及び連結部材３５ｘからなる平行リンク機構は、光源制御部６５からの制御信号に従う各駆動部３７ｘの動作によって瞳面８を面内移動し、これによって光源制御部６５は、複数のビーム部材３３ｘのｙ方向位置及び相互間の間隔を変更することが可能である。同様に光源制御部６５は駆動部３７ｙを動作させることにより、複数のビーム部材３３ｙのｘ方向位置及び相互間の間隔を変更することが可能である。このようにして、例えば光源制御部６５は、半導体ウエハ２上に形成された繰り返しパターンの空間周波数に応じて、この空間周波数に対応して瞳面８に現れるスポット光の間隔と複数のビーム部材３３ｘ、３３ｙの位置及び相互間の間隔（ピッチ）とを併せ、スポット光をカットするようにビーム部材３３ｘ、３３ｙの位置を制御することが可能である。
【００３０】
図５（Ａ）〜（Ｅ）及び図６（Ａ）に示すように、ビーム部材３２を瞳面８上の異なる複数の方位に延在させ、かかるビーム部材上に複数の光源４０を設けることにより、これら複数の光源４０を選択して点灯させ異なる方位角の照明光で半導体ウエハ２を照明することが可能となる。これにより例えば、半導体ウエハ２上に形成されるパターンの方向に沿って照明光を与えることにより、パターンのエッジ部分で散乱する反射光を弱め、パターン間に存在する欠陥部分から生じる散乱光の信号強度を相対的に強めることが可能となる。
【００３１】
さらに、図４（Ａ）及び（Ｂ）を参照して上述した照明光の入射角度の変更と同様に、これら複数の光源４０を選択して点灯させ、対物レンズ３の視野に捉えられた半導体ウエハ２上のパターンに応じて照明光の方位角を順次変更することとしてよい。
このように対物レンズ３の視野内にある半導体２表面のパターンに応じて、光源４０を選択して点灯させるために、本実施例の外観検査装置は、図２に示すようにコンピュータ等により実現可能な計算機６１と、半導体ウエハ２上の各位置に形成されたパターンの種類を示すパターンデータを入力する入出力部６３と、入出力部６３から入力されたパターンデータを記憶する記憶部６４と、ステージ制御部６６から出力されるステージ１の位置情報に基づいて、ステージ１に載置される半導体ウエハ２上の各位置に形成されたパターンの種類を記憶部６４に記憶されるパターンデータから読み出し、この読み出されたパターンの種類に応じて複数の光源４０を選択して点灯させる光源制御部６５を備える。
【００３２】
ステージ１上に載置される半導体ウエハ２の位置は既知であるため、光源制御部６５はステージ制御部６６から出力されるステージ１の位置情報に基づいて、対物レンズ３の視野が、ステージ１に載置される半導体ウエハ２上のいずれの位置にあるかを検知することが可能である。そして光源制御部６５は、検知した半導体ウエハ２上の位置に形成されたパターンの種類を、記憶部６４に記憶されるパターンデータから読み出し、このパターンデータにこの読み出されたパターン種類に応じて光源４０を選択して点灯させる。
【００３３】
例えば、半導体ウエハ２上に位置に形成されたパターンの方向性に関する情報がパターンデータに含まれている場合には、光源制御部６５は対物レンズ３の視野内にあるパターンの方向性に関する情報を記憶部６４から読み出し、その方向に沿う照明光を与える光源４０を選択して点灯させる。
また例えば、半導体ウエハ２上に位置に形成されたパターンのピッチ（空間周波数）に関する情報がパターンデータに含まれている場合には、光源制御部６５は対物レンズ３の視野内にあるパターンのピッチに関する情報を記憶部６４から読み出し、かかるピッチと、対物レンズ３及び半導体ウエハ２間の距離（既知）と、光源４０の発光波長４０（既知）とに基づき、そのパターンから生じる低次回折光の反射角度を求める。そして、この低次回折光に対応する周波数成分強度信号が瞳面８上の所望の位置に生じるような入射角度の照明光を与える光源４０を選択して点灯させる。
【００３４】
光源制御部６５は、ステージ制御部６６から出力される逐次出力されるステージ１の位置情報に基づいて、対物レンズ３の視野内にある半導体ウエハ２のパターン種類を記憶部６４から読み出し、このパターン種類に応じて点灯させる光源４０を、外観検査の対物レンズ３走査中に動的かつ自由に変更することとしてよい。
【００３５】
またパターンデータに半導体ウエハ２上の各領域に形成されたパターンの各空間周波数を含めておき、光源制御部６５は、ステージ制御部６６から出力される逐次出力されるステージ１の位置情報に基づいて、対物レンズ３の視野内にある半導体ウエハ２のパターンの空間周波数を記憶部６４から読み出し、この空間周波数に応じて図６（Ａ）及び（Ｂ）に示したビーム部材３３ｘ及び３３ｙの平行リンク機構を移動させて、ビーム部材３３ｘ相互間及び３３ｙ相互間の間隔を動的かつ自由に変更することとしてよい。
【００３６】
図７（Ａ）及び（Ｂ）は、支持手段３０及び光源４０のその他の変更例を示す。図７（Ａ）に示す支持手段３０では縁部材３１に光源４０が設けられており、これにより光源４０は、対物レンズ３の光軸周辺を除く周辺の範囲から斜めに半導体ウエハ２を照明する照明光を与える。
このように各光源４０を配置すると、各光源４０による各照明光が半導体ウエハ２で反射した各直接反射光が、瞳面８上において対物レンズ３の光軸に対してそれぞれの光源４０と回転対称の位置に戻ってくることになり、この位置に存在する縁部４２によって遮断されることになる。このように半導体ウエハ２による各直接反射光を遮断することにより、暗視野照明を実現することができる。
【００３７】
図７（Ｂ）に示す支持手段３０では、縁部材３１に瞳面８に生じた半導体ウエハ２の像を部分的に通過させる開口部３４を備える。図中の梨子地で示された円部分は全てこのような開口部３４を示すが、図面では簡単のためその１つにのみ参照符号３４を付しその他は省略する。このような開口部３４を設けて直接反射光を部分的に通過させることにより、イメージセンサ４上に直接反射光により生じる像を投影する実体顕微鏡装置を実現することが可能となる。
またこのような開口部３４に透過性の部材を埋めこみ透過部としてもよい。
【００３８】
図８（Ａ）及び図９（Ａ）〜（Ｃ）は、支持手段３０並びに光源４０、４３及び４４のさらにその他の実施例を示す。図８（Ａ）に示す光源４３及び４４は偏向された発光光を供給する光源素子であり、光源４３は環状縁部材３１の径方向の偏向光を発光する径方向偏向光源、光源４４は環状縁部材３１の周方向の偏向光を発光する周方向偏向光源である。このような偏向照明光を与える光源としては、偏向方向を有するレーザーダイオードを使用することとしてよく、無偏向照明光を与える光源に偏向フィルターを設けることにより実現してもよい。
なお、図８（Ａ）において光源４３及び光源４４に示される矢印は偏向方向を示し、環状縁部材３１の径方向の矢印が付された白円は全て径方向偏向光源４３を示し、環状縁部材３１の周方向の矢印が付された白円は全て周方向偏向光源４４を示すが、図面の簡単のため各１つずつのみに参照符号を付し他を省略する。
【００３９】
光源制御部６５は、対物レンズ３の視野内にある半導体ウエハ２上に形成されたパターンの形状種類に応じて、径方向偏向光源４３のみを選択して発光させ（図８（Ｂ）参照）、あるいは周方向偏向光源４４のみを選択して発光させて（図８（Ｃ）参照）、半導体ウエハ２を照明する照明光の変更方向を切り替える。例えば、対物レンズ３の視野内にある半導体ウエハ２上に点状パターンが形成されている場合には、光源制御部６５は径方向偏向光源４３のみを選択して発光させ、線状パターンが形成されている場合には周方向偏向光源４４のみを選択して発光させることとする。パターンの形状種類に応じて照明光の偏向方向を変更することにより、特定形状のパターンに対する撮像解像度を向上させることが可能である。
【００４０】
さらに、パターンデータに半導体ウエハ２上の各領域に形成されたパターンの形状種類に関する情報を含めておき、光源制御部６５は、ステージ制御部６６から出力される逐次出力されるステージ１の位置情報に基づいて、対物レンズ３の視野内にある半導体ウエハ２のパターンの形状種類を記憶部６４から読み出し、この種類に応じて径方向偏向光源４３又は周方向偏向光源４４を選択して発光させることとしてよい。
【００４１】
また、このような径方向偏向光源４３及び周方向偏向光源４４と無偏向光源４０とを併せて備えることとしてもよい。このように、偏向光源４３、４４と、無偏向光源４０を併用することにより、光源光量を増加させるとともに特定形状のパターン部分を撮像した画像信号の撮像解像度を強めつつ、撮像パターンの他の部分（背景画像）もある程度取り込むことが可能となる。
図９（Ａ）は、径方向偏向光源４３及び無偏向光源４０を併せた配置例を、図９（Ａ）は、周方向偏向光源４４及び無偏向光源４０を併せた配置例を、図８（Ｃ）は、径方向偏向光源４３、周方向偏向光源４４及び無偏向光源４０を併せた配置例を示す。
【００４２】
図１０は、本発明の第２実施例に係る半導体ウエハ用外観検査装置の光学系部分を示す図である。本実施例の半導体ウエハ用外観検査装置は、対物レンズ３により投影された半導体ウエハ２の像をさらにイメージセンサ４上に投影するためのレンズ２１、２２（リレーレンズ）を備えている。
そして、レンズ２１の後ろ側焦点位置には、対物レンズ３の瞳面８と共役となる面２３（以下、共役面と記す）が生ずる。この共役面２３上に設けられた光源は対物レンズ３の瞳面８上にその像が結像され、また共役面２３上には対物レンズ３の瞳面８上に生じる検査パターンのフーリエ変換像と同じ像が生じる。
したがって、本実施例に係る半導体ウエハ用外観検査装置では、対物レンズ３の投影光路中にある対物レンズ３の瞳面８と共役となる面２３に、図３〜図９を参照して説明した上記の光源４０、４３、４４及び支持手段３０を設けることにより、本発明の第１実施例に係る半導体ウエハ用外観検査装置と同様の効果を奏する。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明は、顕微鏡装置や、半導体ウエハ、半導体メモリ用フォトマスクや、液晶表示パネルなどの半導体装置を検査する外観検査装置に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】従来の半導体ウエハ用欠陥検査装置の概略構成図である。
【図２】本発明の第１実施例に係る半導体ウエハ用外観検査装置の光学系部分を示す図である。
【図３】（Ａ）は光源及び支持手段の底面図であり、（Ｂ）は対物レンズの視野内に捉えられた半導体ウエハ上のパターンを示す図であり、（Ｃ）は対物レンズの瞳面に生じるフーリエ変換像を示す図である。
【図４】（Ａ）及び（Ｂ）はそれぞれ光源及び支持手段の変形例を示す図である。
【図５】（Ａ）〜（Ｅ）はそれぞれ光源及び支持手段の変形例を示す図である。
【図６】（Ａ）はビーム部材を移動可能に構成する支持手段の上面図であり、（Ｂ）はそのＡ−Ａ’側面図である。
【図７】（Ａ）及び（Ｂ）はそれぞれ光源及び支持手段の変形例を示す図である。
【図８】（Ａ）は、偏向された照明光を供給する光源及び支持手段の底面図であり、（Ｂ）は（Ａ）に示す光源のうち径方向に偏向された照明光の光源のみを点灯させた場合を示す図であり、（Ｃ）は（Ａ）に示す光源のうち周方向に偏向された照明光の光源のみを点灯させた場合を示す図である。
【図９】（Ａ）は径方向に偏向された照明光及び無偏向照明を供給する光源光源及び支持手段の底面図であり、（Ｂ）は周方向に偏向された照明光及び無偏向照明を供給する光源及び支持手段の底面図であり、（Ｃ）は周方向及び径方向に偏向された照明光並びに無偏向照明を供給する光源光源及び支持手段の底面図である。
【図１０】本発明の第２実施例に係る半導体ウエハ用外観検査装置の光学系部分を示す図である。
【符号の説明】
【００４５】
１ ステージ
２ ウエハ
３ 対物レンズ
４ イメージセンサ
８ 対物レンズの瞳面
３０ 支持手段
４０ 光源
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対物レンズの瞳面又は該瞳面と共役になる平面上に設けられ該対物レンズを介して試料を照明する光源と、該光源を支持するとともに前記対物レンズにより前記瞳面又は該瞳面と共役になる平面に投影される前記試料の像の所定部分を遮る支持手段と、を備えることを特徴とする顕微鏡装置。
【請求項２】
前記支持手段は、前記試料のフーリエ変換像の所定部分を遮断す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】
前記光源を、前記支持手段の複数箇所に設け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４】
前記支持手段は、前記試料の像の所定部分を通過させる開口部又は透過部を備え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５】
前記光源は、前記支持手段の複数箇所に設けられる半導体発光素子アレイ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顕微鏡装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の顕微鏡装置により、前記試料表面に形成されたパターンを観察して該パターンの外観検査を行うことを特徴とする外観検査装置。
【請求項７】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の顕微鏡装置により、半導体ウエハ表面に形成されたパターンを観察して該パターンの外観検査を行うことを特徴とする半導体外観検査装置。
【請求項８】
顕微鏡の対物レンズの瞳面又は該瞳面と共役になる平面上に設けられた光源により、前記対物レンズを介して試料を照明するとともに、前記光源を支持する支持手段により前記対物レンズによって前記瞳面又は該瞳面と共役になる平面に投影される前記試料の像の所定部分を遮ることを特徴とする顕微鏡装置における試料照明方法。
【請求項１】
対物レンズの瞳面又は該瞳面と共役になる平面上に設けられ該対物レンズを介して試料を照明する光源と、該光源を支持するとともに前記対物レンズにより前記瞳面又は該瞳面と共役になる平面に投影される前記試料の像の所定部分を遮る支持手段と、を備えることを特徴とする顕微鏡装置。
【請求項２】
前記支持手段は、前記試料のフーリエ変換像の所定部分を遮断す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】
前記光源を、前記支持手段の複数箇所に設け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４】
前記支持手段は、前記試料の像の所定部分を通過させる開口部又は透過部を備え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５】
前記光源は、前記支持手段の複数箇所に設けられる半導体発光素子アレイ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顕微鏡装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の顕微鏡装置により、前記試料表面に形成されたパターンを観察して該パターンの外観検査を行うことを特徴とする外観検査装置。
【請求項７】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の顕微鏡装置により、半導体ウエハ表面に形成されたパターンを観察して該パターンの外観検査を行うことを特徴とする半導体外観検査装置。
【請求項８】
顕微鏡の対物レンズの瞳面又は該瞳面と共役になる平面上に設けられた光源により、前記対物レンズを介して試料を照明するとともに、前記光源を支持する支持手段により前記対物レンズによって前記瞳面又は該瞳面と共役になる平面に投影される前記試料の像の所定部分を遮ることを特徴とする顕微鏡装置における試料照明方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００６−７１３５３（Ｐ２００６−７１３５３Ａ）
【公開日】平成１８年３月１６日（２００６．３．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２５２６６４（Ｐ２００４−２５２６６４）
【出願日】平成１６年８月３１日（２００４．８．３１）
【出願人】（０００１５１４９４）株式会社東京精密 (592)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年３月１６日（２００６．３．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年８月３１日（２００４．８．３１）
【出願人】（０００１５１４９４）株式会社東京精密 (592)
【Ｆターム（参考）】
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