JP2008003595A - 統合熱管理を行うレンズハウジング - Google Patents

Abstract

【課題】光学的プロービングシステムと、効率的な集光を可能にするとともに、標本の熱管理を可能にする方法とを提供する。
【解決手段】標本または被検デバイス１１１を撮像する光学的受光器１００は、対物レンズハウジング１１０と、対物レンズハウジング１１０内に取り付けた対物レンズ１２０と、対物レンズハウジング１１０上、とくに、対物レンズハウジング１１０の円錐状部分１２２の頂部に取り付けた固体浸レンズ（ＳＩＬ）１２６と、対物レンズハウジング１１０の表面、とくに、対物レンズハウジング１１０の円錐状部分１２２に装着した熱管理装置１１４とを備える。熱管理装置１１４は、冷却剤管路、熱電冷却（ＴＥＣ）装置等であってもよい。冷却剤スプレーを、撮像する標本１１１に噴霧することもできる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学レンズを収容するとともに、熱制御を行うシステムに関するものである。

種々の顕微鏡が、従来技術において種々の微細構造の撮像、検査および試験のために用いられる。これらの顕微鏡の共通する特徴は、得られる分解能（解像度）が被検物からの効率的集光に依存しているということである。屈折率マッチング流体又は固体浸レンズ（ＳＩＬ）を、対物レンズとともに、使用することにより集光効率を高めることは、当業界で知られている。

集光効率は種々の顕微鏡にとって非常に重要であるが、集光効率は、半導体マイクロチップの探触子チェック（プロービング）および検査を行う、特定分野において必須である。マイクロチップは、設計中、及び製造段階の間に、検査する必要がある。各種のプローブ装置は、マイクロチップから反射又は放射された光を使用する。検査装置の一つの例は、マイクロチップ上のいかなるデバイス、例えばトランジスタ、が状態遷移する度に発生するマイクロチップからの光放射に基づく一方で、他の例では、レーザー光線をマイクロチップ上へ当て、反射光の変調を検出する。使用する装置及びプロービング方法に関係なく、ＳＩＬの使用により、集光効率の向上を促進にすることができる。

マイクロチップの種々の検査中に、上記の通りに、種々の検査信号をマイクロチップに供給して、マイクロチップに各種の動作を実行するように促す。これにより、マイクロチップ温度が上昇し、これがマイクロチップの初期不良、または歪曲した検査結果をもたらすことがある。したがって、マイクロチップの温度が制御できれば有益である。

本発明は、光学的プロービングシステムと、効率的な集光を可能にするとともに、標本の熱管理を可能にする方法とを提供するものである。

本発明の一つの態様は、光学的プローバまたは受光器であり、ハウジング、ハウジング内に配置した対物レンズ、ハウジング上に取り付けたＳＩＬ、及びハウジングに固定した熱管理素子を有する。熱管理素子は、ハウジングの温度を変化させて、間接的にＳＩＬの温度を変化させる。

本発明の一つの態様において、熱管理素子を、ハウジングと物理的に接触し、かつ内部で流体が循環する管路とする。

本発明の他の態様において、熱管理素子を、ハウジングに固定した熱交換器、例えば、抵抗素子や熱電冷却（ＴＥＣ）装置等とする。

本発明の特別な特徴によれば、熱管理素子は、内部で流体が循環する管路を組み合わせた熱交換器、例えば抵抗素子、熱電冷却（ＴＥＣ）装置とする。

本発明の一つの態様において、ＳＩＬハウジングを対物レンズハウジングに移動可能に取り付け、熱管理素子をＳＩＬハウジングに取り付ける。

本発明の他の態様は、半導体の被測定素子（ＤＵＴ）を撮像する方法を提供する。この方法は、ＤＵＴに検査信号を供給するステップと、ＤＵＴを固体浸レンズ（ＳＩＬ）に接触させるステップと、及び、ＳＩＬを冷却するステップと、を有する。一つの態様によれば、ＳＩＬは、ＳＩＬのハウジングに固定した導管内で冷却剤流体を循環させることによって冷却する。

以下、本発明を、図面に例示される特定の実施形態を参照して説明する。しかし、図面に示す各種実施形態例は例示的なものであり、添付の特許請求の範囲に定義する本発明を限定するものではないことを、理解されたい。

本発明は、ＳＩＬおよび熱制御を用いて標本から集光する光学システムを提供する。このシステムは、集光光学素子の様々な構成に用いることができ、通常は被検素子（ＤＵＴ）と称される、例えばマイクロチップからの微弱光放射の検出用に設計した顕微鏡に使用するのに特に有益である。本発明の種々の実施例は、ＳＩＬを用いて標本を撮像し、また標本温度の制御が重要である場合に、特に有用である。

図１は、撮像すべき標本１１１に関連させて、本発明の実施例による主な構成要素を示す概略図である。図１において、標本、例えばＤＵＴ１１１を、キャリア１２５、例えばＤＵＴアダプタ又は装填（ロード）ボードなど、に取り付ける。集光光学システム１００は、内部に対物レンズ１２０を配置した対物レンズハウジング１１０を有する。ＳＩＬは、対物レンズハウジング１１０の円錐状部分１２２の先端に取り付ける。撮像中、ＳＩＬは標本に「結合」し、エバネセント波を捕える。換言すれば、ＳＩＬは標本に結合し、臨界角（臨界角とは全反射が起こる角度である）より大きい角度で標本内を伝播している光線を捕える。当業界で知られているように、この結合は、例えば、被撮像物との物理的接触、被撮像物に対する極めて近い位置での近接配置（約２００ナノメートルにも達する近接位置）、又は、屈折率マッチング材料または屈折率マッチング流体の使用、によって得られる。

しかしながら、本発明の発明者は、ＳＩＬ１２６が標本１１１、特にＤＵＴ、に結合されるとき、ＤＵＴ内に温度勾配があるゾーンを生じて、温度がＤＵＴ全体で均一でないということを観測した。これは、ＤＵＴが検査（テスト）目的で刺激されるときに、温度勾配が検査（テスト）結果を変えてしまうかもしれないため、特に有害である。したがって、発明者は、温度勾配を減少する又は回避するために、種々の方法を考案した。図示のように、ハウジング１２０の上部の円錐状部分１２２に、温度制御素子１１４を設け、この素子の動作を、コントローラ１８０、例えば詳細にプログラムされた汎用コンピュータ、によって制御する。代案として、温度制御素子は、特別に設計した制御回路、ソフトウェアまたはその組合せによって制御することができる。温度制御素子は、加熱素子、冷却素子またはその両方であってもよい。温度制御素子の種々の実施例を以下に示すが、これらの実施例は本発明を限定するものではなく、他の温度制御素子を用いてもよい。

図２Ａは、図１の光学ヘッドに用いることができる、本発明の実施例の側面図、図２Ｂは頂面図を示す。図２Ａ及び２Ｂに示すように、円錐状部分２２２は管路又は導管２１４を装着し、この管路はこの実施例において熱伝導材料、例えば銅により形成し、例えばはんだ付けによって円錐状部分２２２に物理的に接触させる。管路に流入口２３２及び流出口２３４を設け、この管路を通って流体が流動する。流体は所望の温度及び圧力に調節し、円錐状部分２２２の温度を制御し、またこれにより、ＳＩＬ２２６の温度を制御する。このように、例えば、ＳＩＬがＤＵＴから熱を奪うことにより、ＤＵＴとの接触位置で温度降下を生じる場合、流体は加熱されてＳＩＬの温度を上昇させる。同様に、ＳＩＬを冷却する必要がある場合は、冷却剤が管路２１４内を循環して、円錐状部分２２２を冷却することによりＳＩＬを冷却する。当然のことながら、管路２１４は円錐状部分２２２の外面に取り付けて示されるが、同様の効果は管路２１４を円錐状部分２２２の内面に取り付けることによっても達成することができる。当然のことながら、ＳＩＬの温度は、冷却剤流体の温度及び／又は圧力を変化させることにより制御することができる。

図３は、本発明の他の実施例を示す断面図である。特に、図３は、例えば図１に示すような、対物レンズハウジングの円錐状部分３２２の断面を示す。ＳＩＬ３２６は円錐状部分３２２の頂部に示す。この実施例において、熱交換器３１６、例えば抵抗デバイス又は熱電冷却（ＴＥＣ）装置を、円錐状部分３２２の内面に取り付けるが、外面またはその双方に取り付けることができる。既知のように、熱電冷却はペルチェ効果を利用して、２種類の互いに異なる材料の接合部間に熱流束を発生させる。このようにして、円錐状部分３２２の温度を制御することができ、これにより、ＳＩＬ３２６の温度を制御する。図示のように、随意に導管３１４を設け、この導管内で流体を循環させ、熱交換装置３１６に対してヒートシンク又は熱源として機能させる。

図４は、本発明の他の実施例を示す。特に、図４において、ＴＥＣを円錐状部分４２２の外面に取り付ける。管路又は導管４１４を、ＴＥＣに対して物理的に接触するよう設け、熱伝導接触を形成する。流体を、流入口４３２及び流出口４３４を経て管路４１４内で循環させる。循環流体を有する管路４１４は、ＴＥＣに対するヒートシンク又は熱源をなす。このようにして、円錐状部分４２２の温度を制御し、これにより、ＳＩＬ４２６の温度を制御する。

図５は、ＴＥＣを使用する本発明の他の実施例を示す。この実施例において、ＴＥＣ装置５１６を円錐状部分５２２の外面に取り付ける。この実施例において、光学システムはＤＵＴのような標本５１１を検査するために用い、それは１個又はそれ以上のインジェクタ５４６から噴出されるスプレージェットすなわち冷却剤スプレー５５６によって冷却する。インジェクタ５４６を、標本５１１上に冷却剤流体の微細ミストまたは微細スプレーを生ずるアトマイザとして構成することができる。この種の実施例において、ＳＩＬ５２６と標本５１１との接触は、ＳＩＬが冷却剤の接触域への到達を妨げ、また、ＳＩＬが接触ポイントでヒートシンク／熱源としても作用するため、温度勾配を生じさせ、得る。従って、接触ポイント付近の領域は、標本の残りの部分に対して温度勾配を有することがある。この種の勾配を減少する又は回避するために、ＳＩＬの温度は、冷却剤スプレー５５６により調節される標本５１１の温度に近づけなければならない。この実施例において、このことをＴＥＣ装置によって行う。図５に示すように、冷却剤スプレー５５６自体は、ＴＥＣ装置に対するヒートシンク／熱源として作用することができる。代案としてまた随意に、より強力なヒートシンク／熱源が必要な場合、図４の実施例で示したものと同様に、管路５１４を追加することができる。

図６は、本発明の他の実施例を示す。図６において、光学的受光器６００は２個の部分、すなわち、対物レンズハウジング６１０と、双頭矢印Ｓで示すように対物レンズハウジング６１０に摺動可能に連結するＳＩＬハウジング６４０とを有する。すなわち、ＳＩＬハウジング６４０は対物レンズハウジング６１０上で摺動可能となり、例えばより良好な焦点を得るために、距離Ｄｆを変化することができる。ある任意の実施例において、ＳＩＬハウジング６４０を、対物レンズハウジング６１０に対して弾性的に押圧偏倚させる。これは、例えばばね６５０または他の弾性手段により、行うことができる。円錐状部分６２２は、上述の実施例のうちから選択した温度管理装置６１４、または他の操作手段を設け、円錐状部分６２２の温度を制御し、したがって、ＳＩＬ６２６の温度を制御する。図示のように、図６の実施例は、インジェクタ５４６からの冷却剤スプレー５５６の有無にかかわらず実施することができる。

本発明は、特定の実施例に関して説明したが、これらの実施例に限定されるものではない。具体的には、様々な変更及び改変は、添付の特許請求の範囲に記載の、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、当業者によって行うことができる。引用したいずれの先行技術文献も、参考として本明細書に付記したものである。

本発明の一実施例による光学的受光器を示す線図的説明図である。 （Ａ）は、図１の光学的受光器（光学ヘッド）に用いることができる、本発明の実施例の側面図、（Ｂ）は頂面図である。 本発明の他の実施例を示す断面図である。 本発明の他の実施例を示す。 ＴＥＣ装置を使用する本発明の他の実施例を示す。 ２部分構成の対物レンズハウジングを有する、本発明の他の実施例の説明図である。

符号の説明

１００ 集光光学システム（光学的受光器）
１１０ 対物レンズハウジング
１１１ 標本（ＤＵＴ）
１１４ 温度制御素子
１２０ 対物レンズ
１２２ 円錐状部分
１２５ キャリア
１２６ ＳＩＬ（固体浸レンズ）
１８０ コントローラ
２１４ 管路
２２２ 円錐状部分
２２６ ＳＩＬ（固体浸レンズ）
２３２ 流入口
２３４ 流出口
３１４ 導管
３１６ 熱交換器
３２２ 円錐状部分
３２６ ＳＩＬ（固体浸レンズ）
４１４ 管路
４１６ 熱交換器
４２２ 円錐状部分
４２６ ＳＩＬ（固体浸レンズ）
５１１ 標本
５１４ 管路
５１６ ＴＥＣ（熱電冷却）装置
５２２ 円錐状部分
５２６ ＳＩＬ（固体浸レンズ）
５３２ 流入口
５３４ 流出口
５４６ インジェクタ
５５６ 冷却剤スプレー
６００ 光学的受光器
６１０ 対物レンズハウジング
６１１ 標本
６１４ 温度管理装置
６２０ 対物レンズ
６２２ 円錐状部分
６２５ キャリア
６２６ ＳＩＬ（固体浸レンズ）
６４０ ＳＩＬハウジング
６５０ ばね

Claims (20)

1. 対物レンズハウジングと、
   前記対物レンズハウジング内に取り付けた対物レンズと、
   前記対物レンズハウジング上に取り付けた固体浸レンズ（ＳＩＬ）と、
   前記対物レンズハウジングの表面に固定した熱管理装置と
   を備えたことを特徴とする光学的受光器アセンブリ。
2. 請求項１に記載の光学的受光器アセンブリにおいて、前記熱管理装置は、前記表面に固定し、かつ内部で流体が循環する管路を有する構成としたことを特徴とする光学的受光器アセンブリ。
3. 請求項２に記載の光学的受光器アセンブリにおいて、前記流体を冷却剤流体としたことを特徴とする光学的受光器アセンブリ。
4. 請求項１に記載の光学的受光器アセンブリにおいて、前記熱管理装置は、熱電冷却（ＴＥＣ）装置を有する構成としたことを特徴とする光学的受光器アセンブリ。
5. 請求項４に記載の光学的受光器アセンブリにおいて、前記熱管理装置は、前記ＴＥＣと物理的に接触し、かつ内部で流体が循環する管路を有する構成としたことを特徴とする光学的受光器アセンブリ。
6. 請求項１に記載の光学的受光器アセンブリにおいて、前記対物レンズハウジングは、内部に前記対物レンズを取り付けたベースハウジングと、前記ＳＩＬを取り付けたＳＩＬハウジングとを具えてなり、前記ＳＩＬハウジングを前記ベースハウジングに摺動可能に連結したことを特徴とする光学的受光器アセンブリ。
7. 請求項６に記載の光学的受光器アセンブリにおいて、前記ＳＩＬハウジングを前記ベースハウジングに弾性的に取り付けたことを特徴とする光学的受光器アセンブリ。
8. 標本を撮像するための光学的受光器アセンブリであって、
   対物レンズハウジングと、
   前記対物レンズハウジング内に取り付けた対物レンズと、
   前記対物レンズハウジング上に取り付けた固体浸レンズ（ＳＩＬ）と、
   前記対物レンズハウジングの表面に固定した熱管理素子と、
   前記標本に流体を注入するインジェクタと
   を備えたことを特徴とする光学的受光器アセンブリ。
9. 請求項８に記載の光学的受光器アセンブリにおいて、前記流体を冷却剤流体としたことを特徴とする光学的受光器アセンブリ。
10. 請求項９に記載の光学的受光器アセンブリにおいて、前記熱管理素子は、前記対物レンズハウジングの温度を変化させることにより、前記ＳＩＬの温度を制御する構成としたことを特徴とする光学的受光器アセンブリ。
11. 請求項９に記載の光学的受光器アセンブリにおいて、前記熱管理素子は、前記表面に取り付け、かつ内部で前記冷却剤流体が循環する管路を有する構成としたことを特徴とする光学的受光器アセンブリ。
12. 請求項８に記載の光学的受光器アセンブリにおいて、さらに、前記熱管理素子の動作を制御するコントローラを備え、対物レンズハウジングの温度を変化させることにより、前記ＳＩＬの温度を制御する構成とした光学的受光器アセンブリ。
13. 請求項１２に記載の光学的受光器アセンブリにおいて、前記熱管理素子は、前記表面に取り付け、かつ内部で流体が循環する管路を有する構成としたことを特徴とする光学的受光器アセンブリ。
14. 請求項１２に記載の光学的受光器アセンブリにおいて、前記熱管理素子は、熱電冷却（ＴＥＣ）装置を具えてなることを特徴とする光学的受光器アセンブリ。
15. 請求項１４に記載の光学的受光器アセンブリにおいて、前記熱管理素子は、前記ＴＥＣと物理的に接触し、かつ内部で流体が循環する管を有する構成としたことを特徴とする光学的受光器アセンブリ。
16. 半導体の被検素子（ＤＵＴ）を撮像する方法において、
    前記ＤＵＴに検査信号を供給するステップと、
    前記ＤＵＴを固体浸レンズ（ＳＩＬ）に接触させるステップと、
    前記ＳＩＬを冷却するステップと
    を有することを特徴とする方法。
17. 請求項１６に記載の方法において、さらに、前記ＤＵＴに冷却流体を吹き付けるステップを有する方法。
18. 請求項１６に記載の方法において、さらに、前記ＳＩＬのハウジングに固定した管路内で冷却剤流体を循環させるステップを有する方法。
19. 請求項１８に記載の方法において、さらに、前記冷却剤流体の圧力を変化させて、前記ＳＩＬの温度を制御するステップを有する方法。
20. 請求項１８に記載の方法において、さらに、前記冷却剤流体の温度を変化させて、前記ＳＩＬの温度を制御するステップを有する方法。

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