特許 6590429 共焦点顕微鏡、及びその撮像方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6590429

(24)【登録日】2019年9月27日

(45)【発行日】2019年10月16日

(54)【発明の名称】共焦点顕微鏡、及びその撮像方法

(51)【国際特許分類】

   G02B 21/00 20060101AFI20191007BHJP

【ＦＩ】

   G02B21/00

【請求項の数】12

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2018-241038(P2018-241038)

(22)【出願日】2018年12月25日

【審査請求日】2019年6月18日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000115902

【氏名又は名称】レーザーテック株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100103894

【弁理士】

【氏名又は名称】家入 健

(74)【代理人】

【識別番号】100129953

【弁理士】

【氏名又は名称】岩瀬 康弘

(74)【代理人】

【識別番号】100166501

【弁理士】

【氏名又は名称】小川 潔

(72)【発明者】

【氏名】権平 皓

【審査官】 下村 一石

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１８−０９６７６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１８−０６６９６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１８−１２００５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１８−１２８５３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−０８８５３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１９９４８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０５４７９２５２（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｂ２１／００

Ｇ０２Ｂ２１／０６−２１／３６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

試料のエッジ部の概形を示す概形データを取得するデータ取得手段と、
前記試料のエッジ部を照明する照明光を発生する照明光源と、
光軸が前記試料の上面から傾いた斜め方向になるように配置され、前記照明光を試料のエッジ部に集光する第１の対物レンズと、
前記第１の対物レンズの視野において、前記試料の照明位置を走査する光スキャナと、
前記光軸から傾いた方向において前記試料に対する前記第１の対物レンズの相対的な位置を変化させることで、前記照明位置を前記試料のエッジ部の概形に沿って走査する走査機構と、
前記試料のエッジ部で反射して前記第１の対物レンズを通過した反射光を、コンフォーカル光学系を介して検出する光検出器と、を備えた共焦点顕微鏡。

【請求項2】

前記走査機構による走査方向が、前記光スキャナによる走査方向と平行な成分を有している請求項１に記載の共焦点顕微鏡。

【請求項3】

前記走査機構が、前記試料の概形に沿って、前記照明位置を連続的に走査している請求項１、又は２に記載の共焦点顕微鏡。

【請求項4】

前記試料がノッチを有する半導体ウェハであり、
前記概形データが、前記半導体ウェハのノッチ部分の概形を示しており、
前記半導体ウェハのノッチを撮像する請求項１〜３のいずれか１項に共焦点顕微鏡。

【請求項5】

前記第１の対物レンズよりも低倍率であり、前記ノッチ部分を一視野で観察できる第２の対物レンズを用いて、前記概形データが取得されている請求項４に記載の共焦点顕微鏡。

【請求項6】

前記走査機構は、前記試料が載置された可動ステージを有している請求項１〜５のいずれか１項に記載の共焦点顕微鏡。

【請求項7】

光軸が試料の上面から傾いた斜め方向に配置されている第１の対物レンズにより照明光を試料のエッジ部に集光し、コンフォーカル光学系を介して前記試料のエッジ部で反射した反射光を検出する共焦点顕微鏡による撮像方法であって、
前記試料のエッジ部の概形を示す概形データを取得するステップと、
走査機構が前記光軸から傾いた方向において前記試料に対する前記第１の対物レンズの相対的な位置を変化させることで、照明位置を前記試料の概形に沿って走査するとともに、光スキャナが前記第１の対物レンズの視野内で前記照明位置を走査するステップと、
前記走査機構、及び前記光スキャナの走査中に、前記試料のエッジ部で反射した反射光を検出器が検出するステップと、
前記検出器で検出された検出データに基づいて、共焦点画像を生成するステップと、を備えた撮像方法。

【請求項8】

前記走査機構による走査方向が、前記光スキャナによる走査方向と平行な成分を有している請求項７に記載の撮像方法。

【請求項9】

前記走査機構が、前記試料の概形に沿って、前記照明位置を連続的に走査している請求項７、又は８に記載の撮像方法。

【請求項10】

前記試料がノッチを有する半導体ウェハであり、
前記概形データが、前記半導体ウェハのノッチ部分の概形を示しており、
前記半導体ウェハのノッチを撮像する請求項７〜９のいずれか１項に記載の撮像方法。

【請求項11】

前記第１の対物レンズよりも低倍率であり、前記ノッチ部分を一視野で観察できる第２の対物レンズを用いて、前記概形データが取得されている請求項１０に記載の撮像方法。

【請求項12】

前記走査機構は、前記試料が載置された可動ステージを有している請求項７〜１１のいずれか１項に記載の撮像方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、共焦点顕微鏡、及びその撮像方法に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、共焦点光学系（コンフォーカル光学系）を用いた顕微鏡装置が開示されている。特許文献１の顕微鏡装置は、高解像にて画像を取得する第１の光学系と、低解像度にて画像を取得する第２の光学系を備えている。顕微鏡装置は、対物レンズとステージとを光軸方向に相対的に移動させるＺ移動機構を備えている。顕微鏡装置は、Ｚ座標データに基づいて、３次元の合成画像を生成している。さらに、顕微鏡装置は、ＸＹ移動ステージを備えており、ＸＹ移動ステージのＸＹ座標データに基づいて、複数の観察画像を２次元的に連結合成している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００６―３９０４８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

共焦点顕微鏡では、焦点位置を３次元的に走査することで、物体の３次元形状を取得することができる。対物レンズ又はステージを光軸方向に沿って移動するとともに、ガルバノミラーなどを用いて照明光を走査する。具体的には、ステージを光軸方向に沿って段階的に移動するとともに、各断層においてガルバノミラーで照明光を２次元走査する。よって、３次元形状の測定が可能となる。

【0005】

高倍率の対物レンズを用いた場合、対物レンズの視野が狭くなる。よって、広い領域の３次元共焦点画像を撮像する場合、撮像時間が長くなるという問題点がある。また、視野サイズ以上の撮像対象を撮像する場合、光学系のシェーディングやディストーションを補正する必要がある。

【0006】

本開示は、このような事情を背景としてなされたものであり、高精度の共焦点画像を短時間で撮像することができる共焦点顕微鏡、及び撮像方法を提供するものである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本実施形態の一態様にかかる共焦点顕微鏡は、試料の概形を示す概形データを取得するデータ取得手段と、前記試料を照明する照明光を発生する照明光源と、前記照明光を試料に集光する対物レンズと、前記対物レンズの視野において、前記試料の照明位置を走査する光スキャナと、前記試料に対する前記対物レンズの相対的な位置を変化させることで、前記照明位置を前記試料の概形に沿って走査する走査機構と、前記試料で反射して前記対物レンズを通過した反射光を、コンフォーカル光学系を介して検出する光検出器と、を備えたものである。

【0008】

上記の共焦点顕微鏡において、前記走査機構による走査方向が、前記光スキャナによる走査方向と平行な成分を有していてもよい。

【0009】

上記の共焦点顕微鏡において、前記走査機構が、前記試料の概形に沿って、前記照明位置を連続的に走査していてもよい。

【0010】

上記の共焦点顕微鏡において、前記試料がノッチを有する半導体ウェハであり、前記概形データが、前記半導体ウェハのノッチ部分の概形を示しており、前記半導体ウェハのノッチを撮像するようにしてもよい。

【0011】

上記の共焦点顕微鏡において、前記対物レンズの光軸が、前記試料の上面から傾いた方向になるように、前記対物レンズが配置されていてもよい。

【0012】

上記の共焦点顕微鏡において、前記走査機構は、前記試料が載置された可動ステージを有しているてもよい。

【0013】

本実施形態の一態様にかかる撮像方法は、対物レンズにより照明光を試料に集光し、コンフォーカル光学系を介して前記試料で反射した反射光を検出する共焦点顕微鏡による撮像方法であって、前記試料の概形を示す概形データを取得するステップと、走査機構が前記試料に対する前記対物レンズの相対的な位置を変化させることで、照明位置を前記試料の概形に沿って走査するとともに、光スキャナが前記対物レンズの視野内で前記照明位置を走査するステップと、前記走査機構、及び前記光スキャナの走査中に、前記試料で反射した反射光を検出器が検出するステップと、前記検出器で検出された検出データに基づいて、共焦点画像を生成するステップと、を備えたものである。

【0014】

上記の撮像方法において、前記走査機構による走査方向が、前記光スキャナによる走査方向と平行な成分を有していてもよい。

【0015】

上記の撮像方法において、前記走査機構が、前記試料の概形に沿って、前記照明位置を連続的に走査していてもよい。

【0016】

上記の撮像方法において、前記試料がノッチを有する半導体ウェハであり、前記概形データが、前記半導体ウェハのノッチ部分の概形を示しており、前記半導体ウェハのノッチを撮像するようにしてもよい。

【0017】

上記の撮像方法において、前記対物レンズの光軸が、前記試料の上面から傾いた方向になるように、前記対物レンズが配置されていてもよい。

【0018】

上記の撮像方法において、前記走査機構は、前記試料が載置された可動ステージを有していてもよい。

【発明の効果】

【0019】

本開示によれば、高精度の共焦点画像を短時間で撮像することができる共焦点顕微鏡、及び撮像方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】本実施の形態にかかる共焦点顕微鏡の全体構成を示す模式図である。

【図2】光学ヘッドに搭載された光学系を示す図である。

【図3】基板のエッジ部を模式的に示す断面図である。

【図4】共焦点画像の撮像方法を示すフローチャートである。

【図5】取得した概形を示す図である。

【図6】ステージを概形に沿って走査した場合の視野の撮像範囲を説明するための図である。

【図7】ウェハのノッチを模式的に示す上面図である。

【図8】本実施の形態にかかる共焦点顕微鏡で撮像されたノッチの共焦点画像を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下、本発明の実施形態の一例について図面を参照して説明する。以下の説明は、本発明の好適な実施形態を示すものであって、本発明の技術的範囲が以下の実施形態に限定されるものではない。各図面において、同一又は対応する要素には同一の符号が付されており、説明の明確化のため、必要に応じて重複説明を省略する。

【0022】

以下、図面を参照して実施の形態について説明する。本実施の形態にかかる共焦点顕微鏡１００の構成について、図１を用いて説明する。図１は、共焦点顕微鏡１００の全体構成を模式的に示す図である。共焦点顕微鏡１００は、基板３０のエッジ部３１の共焦点画像を撮像する。共焦点顕微鏡１００は、光学ヘッド１０と、ステージ２０と、移動機構４０と、処理装置５０と、を備えている。なお、以下の説明において、鉛直上方向を＋Ｚ方向とする。また、Ｚ方向が、基板３０の厚さ方向に平行であるものとして説明する。また、円形の基板３０の半径方向をＲ方向とする。

【0023】

ステージ２０は、測定対象となる基板３０を載置する。基板３０は、例えば、半導体ウェハ等の円形基板となっている。なお、基板３０には、ノッチやオリフラなどが設けられていてもよい。本実施の形態に係る共焦点顕微鏡は、ノッチ部分の撮像に好適である。ステージ２０は真空チャックなどにより、基板３０を保持していてもよい。基板３０のエッジ部３１は、ステージ２０からはみ出している。すなわち、ステージ２０は、基板３０の直径よりも小さい直径を有する円盤状になっている。なお、基板３０の＋Ｚ側の面を表（おもて）面３３とし、−Ｚ側の面を裏面３４とする。基板３０の表面３３と裏面３４は、Ｚ方向と直交する平面となる。基板３０の表面３３は、パターンが形成されるパターン形成面となる。

【0024】

ステージ２０は、基板３０の概形に沿って、基板３０を走査する走査機構である。例えば、ステージ２０は、Ｒ方向、θ方向に駆動可能なサーボモータなどを有する可動ステージとなっている。ステージ２０がＲ方向、及びθ方向に駆動することで、基板３０の任意の位置を照明することができる。具体的には、ステージ２０は、回転ステージであり、基板３０をＺ軸周りに回転させるモータを備えている。つまり、基板３０は、θ方向に回転する。ステージ２０の回転軸であるＺ軸は、基板３０の中心を通り、鉛直方向に平行になっている。ステージ２０のＺ軸周りの回転角度をθ角度とする。さらに、ステージ２０は、基板３０をＲ方向に直進移動させるためのリニアモータなどを備えている。

【0025】

Ｒ方向の位置、及びθ角度をまとめてステージ２０の座標データとする。座標データは、基板３０における照明位置を示す。なお、ステージ２０は、回転ステージとなっているが、水平面内において直交方向に駆動可能な可動ステージであってもよい。

【0026】

光学ヘッド１０は、エッジ部３１を撮像するための光学系を搭載している。具体的には、光学ヘッド１０は、ラインコンフォーカル光学系を備えている。ラインコンフォーカル光学系は光源、レンズ、ミラー、光スキャナ、対物レンズ、及びセンサ等を備えている。光学ヘッド１０に設けられている光学系については後述する。光学ヘッド１０の光軸をＯＸとする。

【0027】

光学ヘッド１０は、移動機構４０に取り付けられている。つまり、移動機構４０は、光学ヘッド１０を移動可能に支持している。移動機構４０は、光学ヘッド１０を円弧に沿って移動させる。なお、円弧の中心を中心Ｏとする。移動機構４０は、駆動機構４１と、ガイド４２とを備えている。ガイド４２は、半円の円弧状となっている。ガイド４２の円弧の中心Ｏは、基板３０のエッジ部３１に配置されている。よって、ガイド４２の一端が基板３０の上側（＋Ｚ側）に配置され、他端が基板３０の下側（−Ｚ側）に配置されている。

【0028】

駆動機構４１は、光学ヘッド１０を駆動するためのサーボモータなどを備えている。駆動機構４１の駆動によって、光学ヘッド１０がガイド４２に沿って移動する。つまり、光学ヘッド１０が回転移動する。これにより、光学ヘッド１０の光軸ＯＸの傾きが変化する。光学ヘッド１０の回転移動の回転軸をＡ軸とする。Ａ軸は、例えば、基板３０の内部にある中心Ｏを通過し、かつ、紙面に垂直な方向に平行である。つまり、Ａ軸は、Ｚ軸と光軸ＯＸとを含む平面と直交し、かつ基板３０の内部を通っている。Ａ軸に沿って光学ヘッド１０を移動させる移動機構４０を設けることで、所望の方向から共焦点画像を撮像することが可能になる。

【0029】

例えば、光学ヘッド１０を光学ヘッド１０ａの位置とすることで、エッジ部３１を斜め上方から撮像することができる。あるいは、光学ヘッド１０を光学ヘッド１０ｂの位置とすることで、斜め下方（光学ヘッド１０ｂ）からエッジ部３１を撮像することができる。この場合、光軸ＯＸは、Ｚ方向、及びＲ方向から傾いている。

【0030】

処理装置５０は、例えば、プロセッサとメモリなどを備えたコンピュータであり、エッジ部３１を撮像するための処理を実行する。さらに、処理装置５０は、測定結果を表示するためのモニタや、ユーザからの入力を受け付けるためのキーボード、マウス、タッチパネルなどの入力機器を備えている。

【0031】

処理装置５０は、制御部５１と、データ取得部５２と、画像生成部５３と、を備えている。制御部５１は、駆動機構４１、及びステージ２０を制御する。例えば、制御部５１は、Ａ軸角度を斜め上方（光学ヘッド１０ｂの位置）となるように、駆動機構４１を制御している。ここでは、光軸ＯＸが表面３３と直交するＺ方向から傾いている。撮像中のＡ軸角度が一定となっている。

【0032】

データ取得部５２は、基板３０の概形を示す概形データを取得している。概形データの取得については、後述する。制御部５１は、概形データに基づいて、ステージ２０を制御している。制御部５１は、基板３０が概形に沿って移動するように、ステージ２０のＲ位置、及びθ角度を制御している。ステージ２０は、照明位置を概形に沿って走査する。対物レンズの基板３０に対する相対的な位置が変化することで、照明位置が基板３０の概形に沿って移動する。つまり、光学ヘッド１０に設けられた対物レンズの視野が、基板３０の概形に沿って走査される。ここでは、データ取得部５２がステージ２０を連続的に移送させている。よって、ステージ２０が、照明位置を連続的に走査する。

【0033】

画像生成部５３は、光学ヘッド１０で検出された検出光量に応じた検出データを収集する。画像生成部５３は、検出データと座標データ（Ｒ位置、及びθ角度）とを対応付けて、メモリなどに格納する。画像生成部５３は、検出データと座標データに基づいて、共焦点画像を生成する。画像生成部５３は、座標データに基づいて検出データをマッピングすることで、共焦点画像を生成する。光学ヘッド１０にはコンフォーカル光学系が設けられているため、反射光の３次元輝度分布を取得することができる。処理装置５０での処理については、後述する。

【0034】

次に、光学ヘッド１０の構成について、図２を用いて説明する。図２は、光学ヘッド１０に搭載された光学系の構成を示す図である。上記の通り、光学ヘッド１０は、ラインコンフォーカル光学系１１０を搭載している。ラインコンフォーカル光学系１１０は、照明光源１１と、ハーフミラー１２と、レンズ１３と、スキャナ１４と、レンズ１５と、レンズ１６と、対物レンズ１７と、検出器１８とを備えている。光学ヘッド１０では、これらの光学素子が、図示しない筐体などに固定されている。

【0035】

まず、基板３０を照明するための照明光学系について説明する。照明光源１１は、ライン状の照明光を発生する。照明光源１１は、ランプ光源、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）、レーザ光源などの種々の光源を用いることが可能である。照明光源１１は、ライン光源である。あるいは、スリットやシリンドリカルレンズを用いることで、ライン状の照明光を生成することも可能である。

【0036】

ラインコンフォーカル光学系１１０を構成するため、照明光は、対物レンズ１７の焦点面（フォーカス面）において、ライン状の照明領域を形成する。なお、焦点面は、焦点Ｆを通って、光軸ＯＸに直交する平面である。焦点面において、照明領域の長手方向をＹ方向とし、短手方向をＸ方向とする。Ｘ方向とＹ方向とは、直交する方向である。もちろん、ラインコンフォーカル光学系１１０ではない通常のコンフォーカル光学系としてもよい。この場合、レーザ光源やＬＥＤ光源などの点光源を用いることが好ましい。あるいは、ランプ光源にピンホールなどを組み合わせて、点光源としてもよい。

【0037】

照明光源１１からの照明光はハーフミラー１２に入射する。ハーフミラー１２は入射した光の半分を透過して、残り半分を反射する。ハーフミラー１２で反射された照明光は、レンズ１３によって平行光束となる。平行光束となった照明光は、スキャナ１４に入射する。スキャナ１４は、ガルバノミラーなどであり、照明光を偏向する。スキャナ１４は、Ｙ方向に沿ったライン状の照明光をＸ方向に走査する。これにより、照明光が２次元領域を照明するため、２次元共焦点画像を撮像することが可能となる。なお、ラインコンフォーカル光学系１１０ではない通常のコンフォーカル光学系の場合、スキャナ１４は、ＸＹ方向に照明光を走査する２次元スキャナとする。

【0038】

スキャナ１４で反射された照明光は、レンズ１５に入射する。照明光は、レンズ１５、及びレンズ１６で屈折される。レンズ１５、及びレンズ１６は、例えば、リレーレンズである。レンズ１６を通過した照明光は、平行光束となっている。

【0039】

レンズ１６を通過した照明光は対物レンズ１７に入射する。対物レンズ１７は、照明光を焦点面に集光する。対物レンズ１７の焦点を焦点Ｆとする。上記のように、対物レンズ１７によって集光された照明光は、ライン状の照明領域を形成する。照明光は、基板３０の表面（ひょうめん）で反射される。

【0040】

次に、基板３０で反射した反射光を検出するための検出光学系について説明する。基板３０で反射した反射光は、照明光の光路を戻っていく。つまり、反射光は対物レンズ１７で、平行光束となって、レンズ１６に入射する。レンズ１６、及びレンズ１５は、反射光を屈折する。レンズ１５を通過した反射光は、スキャナ１４でデスキャンされる。スキャナ１４で反射された反射光は、レンズ１３に入射する。そして、反射光は、レンズ１３で屈折されて、ハーフミラー１２に入射する。レンズ１３からの反射光の半分が、ハーフミラー１２を通過して、検出器１８に入射する。

【0041】

レンズ１３は、結像レンズであり、反射光を検出器１８の受光面に集光している。検出器１８は、例えば、複数の画素を備えたラインセンサである。具体的には、検出器１８として、ラインＣＣＤ（Charged Coupled Device）もしくはＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）ラインセンサを用いることができる。よって、検出器１８の受光面には、複数の画素が１列に配列されている。検出器１８の複数の画素は、Ｙ方向に沿って配置される。検出器１８は、反射光を検出して、検出結果のデータを処理装置５０（図１参照）に出力する。すなわち、検出器１８は、画素毎に、検出光量を示す検出データを処理装置５０に出力する。

【0042】

なお、検出器１８の受光面は、対物レンズ１７の焦点面とは互いに共役な位置に配置されている。対物レンズ１７で集光された照明光が、焦点面において、ライン状の照明領域を形成する。検出器１８の受光面では、反射光がＹ方向を長手方向とするライン状に集光される。焦点面から光軸方向にずれた面で反射された反射光は、検出器１８の画素の外側に入射する。このようにすることで、ラインコンフォーカル光学系１１０を構成することができる。

【0043】

上記の例では、対物レンズ１７の焦点面から共役な位置にラインセンサである検出器１８を配置していたが、スリットを用いてラインコンフォーカル光学系１１０を構成することも可能となる。例えば、ライン状の照明領域に沿ったスリットを焦点面と共役な位置に配置する。検出器１８がスリットを通過した反射光を検出するよう、スリットの後ろ側に検出器１８を配置する。ここで、検出器１８は、スリット方向に沿って複数の画素が配列されたラインセンサとする。これにより、焦点面で反射した反射光がスリットを通過し、焦点面からずれた面で反射された反射光は、スリットで遮光される。このようにすることで、ラインコンフォーカル光学系１１０を構成することができる。検出器１８は、ラインコンフォーカル光学系１１０を介して反射光を検出して、検出データを処理装置５０に出力する。

【0044】

対物レンズ１７によって集光された照明領域について、図３を用いて説明する。図３は、基板３０のエッジ部３１をＲＺ断面図であり、エッジ部３１のＲＺ面に沿ったエッジプロファイルＰを模式的に示している。ライン状の照明領域の長手方向であるＹ方向は、図３に示すＲＺ面内の方向である。また、スキャナ１４の走査方向であるＸ方向は、図３の紙面と直交する方向である。

【0045】

光軸ＯＸは、基板３０のＺ方向、及びＲ方向から傾いた方向になっている。対物レンズ１７（図３では省略）の光軸ＯＸ上に、焦点Ｆがある。ここでは、基板３０の内部に焦点Ｆがある。焦点Ｆを通り、光軸ＯＸに直交する平面が焦点面Ｓとなる。焦点面Ｓは、Ｒ方向、及びＺ方向から傾いた平面になっている。上記のように、焦点面Ｓにおいて、照明光はＹ方向に沿ったライン状となるように、対物レンズ１７が照明光を集光している。

【0046】

ＲＺ面において、焦点面ＳがエッジプロファイルＰを横切る２点をエッジ位置Ｄ、及びエッジ位置Ｅとする。ＲＺ平面において、エッジ位置Ｄとエッジ位置Ｅは、エッジプロファイルＰと焦点面Ｓとの交点となる。ラインコンフォーカル光学系１１０を用いているため、エッジ位置Ｄ、エッジ位置Ｅで反射した反射光の検出光量が高くなる。一方、エッジ位置Ｄからエッジ位置Ｅまでの範囲ＤＥでは、エッジプロファイルＰが焦点面Ｓからずれているため、反射光の検出光量は低くなる。つまり、エッジ位置Ｄ、Ｅに対応する画素では、検出光量が高くなり、範囲ＤＥに対応する画素では、検出光量が低くなる。

【0047】

図２の説明に戻る。光学ヘッド１０には、対物レンズ１７ａが設けられている。対物レンズ１７ａは、対物レンズ１７よりも低倍率である。対物レンズ１７ａを用いることで、広い視野での撮像が可能となる。例えば、対物レンズ１７と対物レンズ１７ａは図示しないレボルバ等に取り付けられている。対物レンズ１７ａと対物レンズ１７が光路中に選択的に挿入される。つまり、対物レンズ１７と対物レンズ１７ａの一方が光路中に挿入され、他方が光路中から取り出される。

【0048】

対物レンズ１７ａは、基板３０の概形を示す概形データを取得するために用いられる。例えば、半導体ウェハのノッチ部分を撮像する場合、対物レンズ１７ａは、ノッチ部分の全体を一視野で観察できるほどの低倍率となっている。対物レンズ１７ａの視野は、例えば、４ｍｍ以上となっている。対物レンズ１７ａを用いて、基板３０の概形データを取得した後に、対物レンズ１７で共焦点画像を撮像する。対物レンズ１７は、対物レンズ１７ａよりも高倍率かつ高ＮＡとなっている。対物レンズ１７の視野は、約８００μｍとなっており、対物レンズ１７ａの視野よりも狭い。

【0049】

次に、共焦点顕微鏡１００を用いた撮像方法について、図４を用いて説明する。図４は、共焦点画像の撮像方法を示すフローチャートである。

【0050】

まず、データ取得部５２がノッチ部分の概形を示す概形データを取得する（Ｓ１１）。ステップＳ１１では、共焦点顕微鏡１００が、対物レンズ１７ａを用いて、概形を測定している。つまり、光学ヘッド１０では、対物レンズ１７が光路から取り除かれ、対物レンズ１７ａが光路中に挿入されている。対物レンズ１７ａは、低倍率であるため、ノッチ部分の全体を一視野で撮像することができる。ラインコンフォーカル光学系１１０を用いているため、検出器１８は、焦点面で反射した反射光を検出する。

【0051】

スキャナ１４が照明光をＸ方向に走査している。また、対物レンズ１７ａが光軸ＯＸ方向に段階的に移動する。このようにすることで、基板３０のエッジから対物レンズ１７ａまでの距離を変えることができる。検出器１８は、基板３０で反射した反射光を対物レンズ１７ａを介して、検出する。ラインコンフォーカル光学系１１０では、焦点面に基板３０のエッジがある場合、エッジからの反射光を受光する画素で検出光量が高くなる。処理装置５０が、検出光量が高くなる位置を繋ぎ合わせることで、概形を測定することができる。さらに、対物レンズ１７ａを光軸ＯＸ方向に段階的に移動させていくことで、エッジ部３１の概形の３次元測定が可能となる。Ｓ１１での概形の取得精度は、次のステップＳ１２の共焦点画像の撮像精度よりも低くなっていてもよい。データ取得部５２は、概形を示す概形データをメモリなどに記憶する。なお、対物レンズ１７ａの代わりに、ステージ２０を光軸ＯＸに沿って移動させて、概形データを取得してもよい。

【0052】

次に、制御部５１が、概形に沿って、ステージ２０を移動させながら、スキャナ１４が照明光を走査する（Ｓ１２）。ステップＳ１２では、光学ヘッド１０では、対物レンズ１７ａが光路から取り除かれ、対物レンズ１７が光路中に挿入されている。制御部５１が、概形データに基づいて、ステージ２０を制御している。ステージ２０が基板３０に対する対物レンズ１７の相対的な位置を変化させることで、照明位置を試料の概形に沿って走査する。従って、基板３０における対物レンズ１７の視野が走査される。制御部５１が概形に沿って、ステージ２０を連続的に移動させる。

【0053】

基板３０に対する対物レンズ１７の相対的な位置が、Ｒ方向、及びθ方向に走査される。ステージ２０による走査方向は、Ｒ方向と平行な成分、及びθ方向と平行な成分を有している。このようにすることで、ステージ２０による走査経路を概形と平行にすることができる。さらに、ステージ２０による走査中に、スキャナ１４が照明光をＸ方向に走査している。スキャナ１４の走査速度は、ステージ２０の走査速度よりも十分速くなっている。

【0054】

検出器１８は、ステージ２０及びスキャナ１４の走査中に、基板３０で反射した反射光を検出する（Ｓ１３）。そして、検出器１８は、反射光の検出データを処理装置５０に出力する。処理装置５０は、ステージ２０の座標データ、及びスキャナ１４によるＸ方向の走査位置を検出データに対応付けて記憶する。具体的には、処理装置５０は、検出器１８のフレーム毎に、ステージ２０の座標データ、及びスキャナ１４によるＸ方向の走査位置を対応させておく。

【0055】

画像生成部５３は、検出データに基づいて、共焦点画像を生成する（Ｓ１４）。画像生成部５３は、座標データに基づいて、基板３０における焦点面の位置を求める。さらに、画像生成部５３は、Ｘ方向の走査位置に基づいて、焦点面内における照明領域の位置を求める。画像生成部５３は、検出器１８の各画素が基板３０のどの位置からの反射光を受光しているかを、フレーム毎に求めることができる。なお、Ｓ１２からＳ１４のステップは並行して実施されていてもよい。

【0056】

これにより、処理装置５０は、３次元輝度分布を得ることができる。共焦点顕微鏡１００は、エッジ部３１の３次元共焦点画像を撮像することができる。高ＮＡ、高倍率の対物レンズ１７を用いることで、高精度で基板３０のエッジ部３１を撮像することができる。さらに、概形に沿って移動することで、短時間で共焦点画像を撮像することができる。

【0057】

ステップＳ１２について、詳細に説明する。図５は、Ｓ１１で測定したエッジ部３１の概形６１を模式的に示すＸＺ平面図である。図６は、ステージ２０が概形６１に沿って走査した場合の撮像範囲を説明するための図である。走査範囲６４は、スキャナ１４の１スキャンを示す範囲で有り、対物レンズ１７の視野に対応するものである。撮像範囲６３は、ステージ２０及びスキャナ１４の走査範囲に対応するものである。つまり、撮像範囲６３は、スキャナ１４を走査しながら、ステージ２０を移動させた場合において、反射光を検出することができる範囲である。図６では、エッジ部３１の実際の形状を実形状６２として示している。

【0058】

概形６１がＸ方向における走査範囲６４の中心になるように、ステージ２０が制御されている。スキャナ１４は、概形６１を中心として、＋Ｘ方向と−Ｘ方向の両方向に照明光を偏向している。走査範囲６４の一端が、概形６１の＋Ｘ側となり、他端が概形６１の−Ｘ側となる。図６に示すように、実形状６２と概形６１との間に誤差があったとしても、実形状６２が撮像範囲６３に含まれる。概形６１が実形状６２からずれている場合であっても、実形状６２が照明される。概形６１の測定精度が高くない場合であっても、基板３０のエッジ位置が対物レンズ１７の視野に含まれることになる。換言すると、概形６１の測定粗さは、視野サイズ分のマージンがある。

【0059】

スキャナ１４によって走査された照明光が基板３０のエッジ位置を照明する（図３参照）。これにより、基板３０のエッジ位置を含む領域を照明することができ、エッジ部３１の共焦点画像を撮像することができる。また、概形６１に沿ってステージ２０を走査することで、ステージ２０の走査範囲を小さくすることができる。概形６１に沿って照明位置が３次元的に走査されるため、撮像時間を短くすることができる。

【0060】

ステージ２０による走査方向が、スキャナ１４による走査方向と平行な成分を有している。つまり、ステージ２０による走査方向は、スキャナによる走査方向であるＸ方向から傾いており、かつ光軸ＯＸから傾いた方向になっている。よって、ステージ２０及びスキャナ１４による３次元の走査範囲が光軸方向から傾いた形状となる。よって、基板３０の曲面状のエッジ部３１を撮像する場合であっても、短時間での撮像が可能となる。また、ステージ２０の移動する方向が変わらない場合、ディストーションやシェーディングの影響によるつなぎ目が発生するのを抑制することができる。

【0061】

これに対して、一般的な共焦点顕微鏡では、ステージ又は対物レンズを光軸方向に移動している。よって、３次元の走査範囲が光軸方向に沿った直方体状になる。曲面状のエッジ部３１を撮像する場合、撮像時間が長時間となってしまう。さらに、一般的な共焦点顕微鏡では、光学系のシェーディングやディストーションの補正が必要となってしまう。

【0062】

図７は、半導体ウェハのエッジ部分に設けられたノッチ７０を示す平面図である。例えば、３００ｍｍの半導体ウェハの場合、ノッチ７０の深さＶｈは、１．２５ｍｍ程度であり、幅Ｖｗは４ｍｍ程度である。ノッチ７０の両端にある点を端点７１、７２とし、端点７１と端点７２との中間にある点を中間点７３とする。

【0063】

概形を測定するための対物レンズ１７ａは、低倍率であるためノッチ７０の全体が視野に含まれる。対物レンズ１７ａが低ＮＡである場合、光軸から大きく傾いた箇所では精度よく位置を測定することができない場合がある。例えば、ノッチ７０において、端点７１、７２と中間点７３のみしか位置を測定できない場合がある。この場合、端点７１と中間点７３とを結ぶ直線７４、並びに中間点７３と端点７２とを結ぶ直線７４を概形と規定することができる。概形の測定精度が低い場合であっても、対物レンズ１７の視野分のマージンがある、対物レンズ１７の視野による撮像範囲に、エッジ位置が含まれるため、ノッチ７０の３次元共焦点画像を撮像することができる。

【0064】

図８は、共焦点顕微鏡１００で撮像されたノッチの共焦点画像を示す図である。図８では、横軸はθ方向、縦軸は焦点（光軸ＯＸおよびθ方向と直交する方向）方向からなる二次元座標面を、直交座標系に展開している。共焦点顕微鏡１００を用いた撮像方法により、精度よく共焦点画像を撮像することができる。対物レンズ１７の視野よりも広い領域を一度に撮像することができる。

【0065】

ノッチ部分を高解像度で撮像することで、半導体ウェハのノッチに発生するクラックやチッピングを検出することが可能となる。これにより、半導体装置の生産性を向上することができる。例えば、半導体の製造工程において、半導体製造装置に設けられた位置合わせピンなどにノッチが接触する。ノッチにクラックがある場合、位置合わせピンとの接触により、半導体ウェハが破損してしまうおそれがある。半導体ウェハが破損してしまうと、半導体製造装置の復旧に時間を要してしまう。本実施の形態にかかる共焦点顕微鏡を用いることで、短時間でノッチを撮像することができるため、ノッチのクラックを予め検出することができる。ノッチにクラックが発生した半導体ウェハを、不良品として、排除することが可能となる。これにより、半導体装置の生産性を向上することができる。

【0066】

概形データを取得する方法は、低倍率の対物レンズ１７ａを用いた方法に限られるものではない。例えば，基板３０を透過撮像光学系で撮像した透過像により、概形を測定してもよい。具体的には、Ａ軸周りに光学ヘッド１０を駆動して、光学ヘッド１０を基板３０の真上に移動させる。基板３０の下方に配置した照明光源１１によって、エッジ部３１を照明する。基板３０の上方に移動した光学ヘッド内のＣＣＤカメラによって、基板３０のエッジ部３１の透過像を撮像する。これにより、基板３０のエッジ部３１の透過像を撮像することができる。そして、処理装置５０は、透過像に基づいて、概形データを取得する。あるいは、設計データから概形データを取得してもよい。例えば、図７に示すようなノッチの形状を示す設計データがある場合、設計データを概形データとして取得すればよい。

【0067】

なお、上記の説明では、基板３０に対する対物レンズ１７の相対位置を変えるために、ステージ２０を駆動していたが、光学ヘッド１０を移動してもよい。つまり、光学ヘッド１０を移動させることで、基板３０に対する対物レンズ１７の相対位置を変えてもよい。さらには、光学ヘッド１０とステージ２０の両方を駆動することで、基板３０に対する対物レンズ１７の相対位置を変えてもよい。つまり、光学ヘッド１０とステージ２０の少なくとも一方を移動させることで、試料と前記対物レンズとの相対的な位置を変化させることが可能となる。光学ヘッド１０とステージ２０の少なくとも一方を移動させることで、照明位置を概形に沿って走査することが可能となる。

【0068】

上記した処理装置５０の処理のうちの一部又は全部は、コンピュータプログラムによって実行されてもよい。上述したプログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体（ｎｏｎ−ｔｒａｎｓｉｔｏｒｙ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｒｅａｄａｂｌｅ ｍｅｄｉｕｍ）を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体（ｔａｎｇｉｂｌｅ ｓｔｏｒａｇｅ ｍｅｄｉｕｍ）を含む。非一時的なコンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体（例えばフレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスクドライブ）、光磁気記録媒体（例えば光磁気ディスク）、ＣＤ−ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−Ｒ／Ｗ、半導体メモリ（例えば、マスクＲＯＭ、ＰＲＯＭ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ＲＯＭ)、ＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ ＰＲＯＭ)、フラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ））を含む。また、プログラムは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体（ｔｒａｎｓｉｔｏｒｙ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｒｅａｄａｂｌｅ ｍｅｄｉｕｍ)によってコンピュータに供給されてもよい。一時的なコンピュータ可読媒体の例は、電気信号、光信号、及び電磁波を含む。一時的なコンピュータ可読媒体は、電線及び光ファイバ等の有線通信路、又は無線通信路を介して、プログラムをコンピュータに供給できる。

【0069】

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明はその目的と利点を損なうことのない適宜の変形を含み、更に、上記の実施形態による限定は受けない。

【符号の説明】

【0070】

１０ 光学ヘッド
１１ 照明光源
１２ ハーフミラー
１３ レンズ
１４ スキャナ
１５ レンズ
１６ レンズ
１７ 対物レンズ
１８ 検出器
２０ ステージ
３０ 基板
３１ エッジ部
３３ 表面
３４ 裏面
４０ 移動機構
４１ 駆動機構
４２ ガイド
５０ 処理装置
５１ 制御部
５２ データ取得部
５３ 画像生成部
１００ 共焦点顕微鏡
１１０ ラインコンフォーカル光学系
ＯＸ 光軸
Ｄ エッジ位置
Ｅ エッジ位置
Ｆ 焦点
Ｐ エッジプロファイル
Ｓ 焦点面

【要約】      （修正有）

【課題】高精度の共焦点画像を短時間で撮像することができる共焦点顕微鏡、及び撮像方法を提供する。
【解決手段】試料の概形を示す概形データを取得するデータ取得部と、試料を照明する照明光を発生する照明光源１１と、照明光を試料に集光する対物レンズ１７と、対物レンズ１７の視野において、試料の照明位置を走査するスキャナ１４と、試料に対する対物レンズ１７の相対的な位置を変化させることで、照明位置を試料の概形に沿って走査するステージと、試料で反射して対物レンズを通過した反射光を、コンフォーカル光学系を介して検出する光検出器１８と、を備えている。
【選択図】図２

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】