JP2021067833A - 固浸レンズユニット及び半導体検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】短波長の光を用いた観察を可能としつつ、固浸レンズの視野を確保することができる固浸レンズユニット及び半導体検査装置を提供する。【解決手段】固浸レンズユニット１は、固浸レンズ２と、固浸レンズ２を揺動可能に保持するホルダと、を備える。固浸レンズ２は、第１材料により形成された第１レンズ部２１と、第１材料の屈折率よりも小さな屈折率を有する第２材料により形成され、第１レンズ部２１に結合された第２レンズ部２２と、を有する。第１レンズ部２１は、観察対象物に当接させられる当接面２１ａと、凸状の第１球面２１ｃと、を含む。第２レンズ部２２は、第１球面２１ｃと向かい合う凹状の第２球面２２ａと、対物レンズと向かい合うように配置される凸状の第３球面２２ｃと、を含む。ホルダは、第３球面２２ｃと接触可能に構成された球体６を有している。【選択図】図６

Description

本発明は、固浸レンズユニット及び半導体検査装置に関する。

半導体デバイスでは、光の波長を下回るレベルでの内部構造の微細化が進んでいる。併せて、半導体デバイスでは、配線層の多層化が進んでいる。そのため、半導体デバイスを観察する場合、半導体デバイスにおけるデバイス（集積回路等）側とは反対側の表面から内部構造の観察等が実施される。この観察においては、半導体デバイスの基板材料のバンドギャップによる制約から、光の波長を短くすることが制限され、その結果、観察可能な内部構造のサイズも制限される。

このような課題を解決して、高解像度での内部構造の観察等を実現するために、固浸レンズ（ＳＩＬ：Solid Immersion Lens）が用いられる場合がある。固浸レンズは、半導体デバイスの基板材料と実質的に同一又はその屈折率に近い屈折率を有する材料により形成される。固浸レンズの当接面を半導体デバイスの表面に密着させてエバネッセント結合を実現することで、高解像度での内部構造の観察等を実現することが可能となる。例えば、特許文献１には、観察対象物の表面が傾いていたとしても、固浸レンズの当接面を観察対象物の表面に密着させることができるように、球体を用いて固浸レンズを揺動可能に保持する技術が記載されている。

国際公開２０１８−１１０２２１号

上述したような観察には、固浸レンズ及び観察対象物に吸収されない波長の光が用いられてきたが、固浸レンズに或る程度吸収される短い波長の光を用いることが考えられる。この場合、解像度を高めることができるだけでなく、観察対象物での光吸収に伴う電荷の生成を利用した種々の計測を行うことが可能となる。

一方、固浸レンズで光の一部が吸収されることから、固浸レンズを透過して観察対象物に至る光の量を確保するためには、固浸レンズを薄く形成する必要がある。固浸レンズを薄く形成すると、固浸レンズの径も小さくなる。ここで、上述した関連技術のように、固浸レンズの観察対象物に対する密着のために接触部（球体）を固浸レンズに接触させる場合、接触部及びそれを保持する構造によって、固浸レンズに入射する光の一部が遮られる。そのため、短波長の光を用いるために固浸レンズを薄く形成した場合、固浸レンズの視野を十分に確保することが困難となるおそれがある。

本発明は、短波長の光を用いた観察を可能としつつ、固浸レンズの視野を確保することができる固浸レンズユニット及び半導体検査装置を提供することを目的とする。

本発明の固浸レンズユニットは、固浸レンズと、固浸レンズを揺動可能に保持するホルダと、を備え、固浸レンズは、第１材料により形成された第１レンズ部と、第１材料の屈折率よりも小さな屈折率を有する第２材料により形成され、第１レンズ部に結合された第２レンズ部と、を有し、第１レンズ部は、観察対象物に当接させられる当接面と、凸状の第１球面と、を含み、第２レンズ部は、第１球面と向かい合う凹状の第２球面と、対物レンズと向かい合うように配置される凸状の第３球面と、を含み、ホルダは、第３球面と接触可能に構成された接触部を有している。

この固浸レンズユニットでは、固浸レンズが、第１材料により形成された第１レンズ部と、第１材料の屈折率よりも小さな屈折率を有する第２材料により形成され、第１レンズ部に結合された第２レンズ部と、を有している。これにより、第２材料として第１材料よりもバンドギャップが広い材料を選択することができるため、例えば固浸レンズの全体が第１材料により形成されている場合と比べて、短波長の光を用いた場合でも、固浸レンズを透過する光の量を確保し易くすることができる。また、第２レンズ部が、第１レンズ部の凸状の第１球面と向かい合う凹状の第２球面、及び対物レンズと向かい合うように配置される凸状の第３球面を含んでおり、ホルダの接触部が、第３球面に接触する。これにより、第１球面よりも広い第３球面において接触部が固浸レンズに接触するため、固浸レンズの視野を確保することができる。よって、この固浸レンズユニットによれば、短波長の光を用いた観察を可能としつつ、固浸レンズの視野を確保することができる。

本発明の固浸レンズユニットでは、第１球面、第２球面及び第３球面の曲率中心は、一致していてもよい。この場合、第１材料によって構成された観察対象物を良好に観察することできる。

本発明の固浸レンズユニットでは、当接面は、平坦面であってもよい。この場合、当接面を観察対象物の表面に密着させ易くすることができる。

本発明の固浸レンズユニットでは、当接面は、対物レンズの光軸に平行な方向において、第２レンズ部に対して対物レンズとは反対側に突出していてもよい。この場合、第２レンズ部が観察対象物に接触することに起因する観察精度の低下を回避することができる。

本発明の固浸レンズユニットでは、第１材料は、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、Ｇｅ、ダイヤモンド、ＳｉＣ又はＧａＮであってもよい。この場合、観察対象物を高解像度で観察することができる。

本発明の固浸レンズユニットでは、第２材料は、ガラス、ポリマー、サファイア、石英、フッ化カルシウム又はフッ化マグネシウムであってもよい。このように、第２材料としては第１材料よりも屈折率が低い材料を選択することができる。

本発明の固浸レンズユニットでは、接触部は、第３球面と向かい合う位置において回転可能に保持された球体によって構成されていてもよい。この場合、固浸レンズに入射する光の一部が球体及び球体を保持する構造によって遮られるが、この固浸レンズユニットでは、上述したとおり、第１球面よりも広い第３球面において接触部が固浸レンズに接触するため、固浸レンズの視野を確保することができる。

本発明の固浸レンズユニットでは、ホルダには、第２レンズ部が内部に配置される開口が形成されており、接触部は、開口の内面から開口の中心に向かって延びる突出部によって構成されていてもよい。この場合、固浸レンズに入射する光の一部が突出部によって遮られるが、この固浸レンズユニットでは、上述したとおり、第１球面よりも広い第３球面において接触部が固浸レンズに接触するため、固浸レンズの視野を確保することができる。

本発明の半導体検査装置は、観察対象物である半導体デバイスが載置されるステージと、半導体デバイスからの光が通過する光学系と、光学系を通過した光を検出する光検出器と、を備え、光学系は、対物レンズと、上記固浸レンズユニットと、を有する。この半導体検査装置では、上述した理由により、短波長の光を用いた観察を可能としつつ、固浸レンズの視野を確保することができるため、半導体デバイスを良好に検査することができる。

本発明によれば、短波長の光を用いた観察を可能としつつ、固浸レンズの視野を確保することができる固浸レンズユニット及び半導体検査装置を提供することが可能となる。

実施形態に係る半導体検査装置の構成図である。 固浸レンズユニットの断面図である。 固浸レンズの断面図である。 固浸レンズユニットの一部の断面図である。 固浸レンズユニットのホルダの底壁部の底面図である。 固浸レンズユニットの一部の断面図である。 固浸レンズユニットの一部の断面図である。 第１変形例に係る固浸レンズユニットの一部の断面図である。 第１変形例に係る固浸レンズユニットのホルダの底壁部の上面図である。 （ａ）及び（ｂ）は、第１変形例に係る固浸レンズユニットの一部の断面図である。 第２変形例に係る固浸レンズの断面図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下の説明において、同一又は相当要素には同一符号を用い、重複する説明を省略する。
［半導体検査装置の構成］

図１に示される半導体検査装置１００は、半導体デバイス（観察対象物）Ｓの画像を取得して半導体デバイスＳの内部情報を検査する装置である。半導体デバイスＳは、例えば、シリコン基板に複数の素子が作り込まれることにより形成されている。すなわち、半導体デバイスＳは、シリコン基板によって構成されている。半導体デバイスＳは、例えば、個別半導体素子（ディスクリート）、オプトエレクトロニクス素子、センサ／アクチュエータ、ロジックＬＳＩ（Large Scale Integration）、メモリ素子、若しくはリニアＩＣ（Integrated Circuit）等、又はそれらの混成デバイス等である。個別半導体素子は、ダイオード、パワートランジスタ等を含む。ロジックＬＳＩは、ＭＯＳ（Metal-Oxide-Semiconductor）構造のトランジスタ、バイポーラ構造のトランジスタ等で構成される。また、半導体デバイスＳは、半導体デバイスを含むパッケージ、複合基板等であってもよい。

検査対象となる内部情報には、半導体デバイスＳの回路パターンに関する情報、半導体デバイスＳからの微弱発光（半導体デバイスＳの欠陥に起因する発光、半導体デバイスＳ内のトランジスタのスイッチング動作に伴うトランジェント発光等）に関する情報、半導体デバイスの欠陥に起因する発熱に関する情報等が含まれる。図２に示されるように、半導体デバイスＳは、表面Ｓａが露出するように樹脂Ｍによってモールドされており、モールド型半導体デバイスを構成していてもよい。表面Ｓａは、半導体デバイスＳにおけるデバイス（集積回路等）側とは反対側の表面であり、例えば平坦面である。

半導体検査装置１００で取得される画像には、ＯＢＩＣ（Optical Beam Induced Current）画像、ＬＡＤＡ（Laser Assisted Device Alteration）画像、ＴＲ−ＬＡＤＡ（Time Resolved Laser Assisted Device Alteration）画像が含まれてもよい。ＯＢＩＣ画像は、レーザ光によって生じた光起電流を電気信号の特性値（電流値又は電流変化値）として検出し、これらの特性値をレーザ照射位置情報と対応付けて画像化して取得されるものである。ＬＡＤＡ画像とは、半導体デバイスＳにテストパターンを印加した状態でレーザ光を走査して誤動作状態を検出することにより、半導体デバイスＳ上のレーザ照射位置に対して誤作動情報を多値化した正誤情報として画像化して取得されるものである。ＴＲ−ＬＡＤＡ画像は、半導体デバイスＳ上に照射するパルスレーザを半導体デバイスＳに印加するテストパターンに同期させることで、特定のタイミングでの誤作動情報を画像化して取得されるものである。

図１に示されるように、半導体検査装置１００は、観察部１１０と、制御部１２０と、解析部１３０と、表示装置１４０と、を備えている。観察部１１０は、半導体デバイスＳの観察を行う。制御部１２０は、観察部１１０の動作を制御する。解析部１３０は、半導体デバイスＳの検査に必要な処理、指示等を行う。表示装置１４０は、解析部１３０と電気的に接続されており、解析部１３０によって取得又は解析された画像、データ等を表示する。表示装置１４０は、例えばディスプレイである。

観察部１１０は、ステージ１１１と、光学系１１２と、２次元カメラ（光検出器）１１３と、移動機構１１４と、ＬＳＭ（Laser Scanning Microscope）ユニット１１５と、を有している。ステージ１１１には、光学系１１２側に表面Ｓａを向けた状態で、半導体デバイスＳが載置される。移動機構１１４は、光学系１１２、２次元カメラ１１３及びＬＳＭユニット１１５を移動させる。

光学系１１２は、複数の対物レンズ１５０と、カメラ用光学系１１２ａと、ＬＳＭユニット用光学系１１２ｂと、を有している。各対物レンズ１５０の倍率は、互いに異なっている。各対物レンズ１５０は、ステージ１１１に載置された半導体デバイスＳの表面Ｓａと向かい合うように配置される。図２に示されるように、対物レンズ１５０には、補正環１５２及び補正環調整用モータ１５３が取り付けられている。補正環調整用モータ１５３を駆動させて補正環１５２を調整することで、観察したい箇所に対物レンズ１５０の焦点を確実に合わせることができる。

図１に示されるように、カメラ用光学系１１２ａは、半導体デバイスＳからの光を２次元カメラ１１３に導く。２次元カメラ１１３は、カメラ用光学系１１２ａによって導かれた光（光学系１１２を通過した光）を検出する。２次元カメラ１１３は、半導体デバイスＳの回路パターン等の画像を作成するための画像データを出力することが可能である。２次元カメラ１１３には、例えば、ＣＣＤエリアイメージセンサ、ＣＭＯＳエリアイメージセンサ等が搭載されている。２次元カメラ１１３は、例えば、ＩｎＧａＡｓカメラ、ＩｎＳｂカメラ、ＭＣＴカメラ等であってもよい。

ＬＳＭユニット用光学系１１２ｂは、ＬＳＭユニット１１５から出力されたレーザ光を半導体デバイスＳに導くと共に、半導体デバイスＳで反射されたレーザ光をＬＳＭユニット１１５に導く。ＬＳＭユニット用光学系１１２ｂは、ガルバノミラー、ポリゴンミラー、ＭＥＭＳミラー等の光走査部を有しており、レーザ光を半導体デバイスＳに対して走査する。ＬＳＭユニット１１５は、光源で発生されたレーザ光を出射すると共に、半導体デバイスＳで反射されたレーザ光を光検出器１１５ａで検出する。

光源は、例えば、半導体デバイスＳに照射されるＣＷ（Continuous Wave）光又はパルス光を発生してもよい。光源で発生される光は、レーザ光のようなコヒーレントな光だけでなく、インコヒーレント（非コヒーレント）な光であってもよい。コヒーレントな光を出力する光源としては、固体レーザ光源、半導体レーザ光源等を用いることができる。また、インコヒーレントな光を出力する光源としては、ＳＬＤ（Super Luminescent Diode）、ＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission）、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）等を用いることができる。

光源は、半導体デバイスＳに吸収されない波長域の光を出力してもよい。例えば、半導体デバイスＳがシリコン基板によって構成されている場合、光源は、１３００ｎｍ以上の光を出力してもよい。上述したＯＢＩＣ画像、ＬＡＤＡ画像又はＴＲ−ＬＡＤＡ画像を取得する場合、光源は、半導体デバイスＳにおいて光吸収により電荷が発生する波長域の光を出力してもよい。例えば、半導体デバイスＳがシリコン基板によって構成されている場合、光源は、１１００ｎｍ以下又は１２００ｎｍ以下の波長域の光（例えば１０６４ｎｍ程度の波長帯のレーザ光）を出力してもよい。

光検出器１１５ａは、例えば、アバランシェフォトダイオード、フォトダイオード、光電子増倍管、超伝導単一光子検出器等である。光検出器１１５ａで検出されたレーザ光の強度は、半導体デバイスＳの回路パターンを反映したものとなる。したがって、光検出器１１５ａは、半導体デバイスＳの回路パターン等の画像を作成するための画像データを出力することが可能である。

制御部１２０は、カメラコントローラ１２１と、ＬＳＭコントローラ１２２と、ペリフェラルコントローラ１２３と、を有している。カメラコントローラ１２１は、２次元カメラ１１３と電気的に接続されている。ＬＳＭコントローラ１２２は、ＬＳＭユニット１１５と電気的に接続されている。カメラコントローラ１２１及びＬＳＭコントローラ１２２は、２次元カメラ１１３及びＬＳＭユニット１１５の動作をそれぞれ制御することで、半導体デバイスＳの観察の実行（画像の取得）、半導体デバイスＳの観察条件の設定等を制御する。

ペリフェラルコントローラ１２３は、移動機構１１４と電気的に接続されている。ペリフェラルコントローラ１２３は、移動機構１１４の動作を制御することで、光学系１１２、２次元カメラ１１３及びＬＳＭユニット１１５の移動、それらの位置合わせ等を制御する。ペリフェラルコントローラ１２３は、補正環調整用モータ１５３（図２参照）と電気的に接続されている。ペリフェラルコントローラ１２３は、補正環調整用モータ１５３の駆動を制御することで、補正環１５２（図２参照）の調整を制御する。

解析部１３０は、画像解析部１３１と、指示部１３２と、を有している。解析部１３０は、プロセッサ（ＣＰＵ）、記録媒体であるＲＡＭ及びＲＯＭを含むコンピュータによって構成されている。解析部１３０は、カメラコントローラ１２１、ＬＳＭコントローラ１２２及びペリフェラルコントローラ１２３の各々と電気的に接続されている。画像解析部１３１は、カメラコントローラ１２１及びＬＳＭコントローラ１２２の各々から出力される画像データに基づいて画像を作成し、解析処理等を実行する。指示部１３２は、操作者による入力内容、画像解析部１３１による解析内容等を参照し、制御部１２０に対して、観察部１１０における半導体デバイスＳの検査の実行に関する指示を行う。解析部１３０には、操作部（不図示）が電気的に接続されている。ユーザは、操作部を操作して半導体検査装置１００を操作する。操作部は、例えば、マウス、キーボード等である。また、操作部は、例えば、表示装置１４０に内蔵されたタッチパネルであってもよい。
［固浸レンズユニットの構成］

光学系１１２は、上述した対物レンズ１５０等に加え、固浸レンズユニット１を更に有している。図２に示されるように、固浸レンズユニット１は、固浸レンズ２と、ホルダ３と、支持機構４と、を備えている。以下の説明では、ステージ１１１に載置された半導体デバイスＳの表面Ｓａに対物レンズ１５０が向かい合った状態において、半導体デバイスＳに対して対物レンズ１５０が位置する側を上側とし、対物レンズ１５０に対して半導体デバイスＳが位置する側を下側とする。

ホルダ３は、固浸レンズ２を揺動可能に保持している。ホルダ３は、側壁部３１と、底壁部３２と、支持部材３３と、を有している。側壁部３１は、筒形状を呈している。底壁部３２は、側壁部３１の下側の開口を塞ぐように、側壁部３１と一体的に形成されている。支持部材３３は、下側から底壁部３２に取り付けられている。側壁部３１及び底壁部３２、並びに、支持部材３３は、非磁性材料（例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、非磁性のステンレス鋼等）により形成されている。

支持機構４は、対物レンズ１５０の光軸Ｌに平行な方向において、ホルダ３を移動可能に支持している。支持機構４は、取付部材４１と、複数のリニアガイド４２と、複数の圧縮コイルばね４３と、を有している。取付部材４１は、筒形状を呈しており、対物レンズ１５０の鏡筒１５１の下端部１５１ａに取り付けられている。複数のリニアガイド４２は、取付部材４１の外面とホルダ３の側壁部３１の内面との間に配置されている。複数のリニアガイド４２は、光軸Ｌ周りに等ピッチで配置されている。複数の圧縮コイルばね４３は、取付部材４１の下端面とホルダ３の底壁部３２の上面との間に配置されている。複数の圧縮コイルばね４３は、光軸Ｌ周りに等ピッチで配置されている。これにより、ホルダ３に下側から外力が加わると、複数の圧縮コイルばね４３の付勢力に抗してホルダ３が初期位置から上側に移動し、当該外力がホルダ３から除かれると、複数の圧縮コイルばね４３の付勢力によってホルダ３が初期位置に復帰する。
［固浸レンズの構成］

図３に示されるように、固浸レンズ２は、第１レンズ部２１と、第２レンズ部２２と、を有している。第１レンズ部２１は、当接面２１ａと、第１テーパ面２１ｂと、第１球面２１ｃと、を含んでいる。当接面２１ａは、平坦面であり、半導体デバイスＳの表面Ｓａに当接させられる。第１テーパ面２１ｂは、上側に向かって広がる円錐台形状の面であり、当接面２１ａの外縁から上側に延在している。第１球面２１ｃは、上側に向かって湾曲した凸状かつ半球形状の面であり、第１テーパ面２１ｂの縁部から当接面２１ａと対向するように延在している。第１レンズ部２１の外径は、例えば１．５ｍｍ〜２．０ｍｍ程度である。第１球面２１ｃの曲率中心、及び第１テーパ面２１ｂを含む仮想円錐の頂点は、固浸レンズの球心Ｃと一致しており、当接面２１ａの下側において光軸Ｌ上に位置している。固浸レンズの球心Ｃは、固浸レンズ２の焦点と一致する。

第２レンズ部２２は、第２球面２２ａと、第２テーパ面２２ｂと、第３球面２２ｃと、周面２２ｄと、を含んでいる。第２球面２２ａは、上側に向かって湾曲した凹状かつ半球形状の面である。第２球面２２ａは、第１レンズ部２１の第１球面２１ｃと向かい合っており、第１球面２１ｃに沿って延在している。第２テーパ面２２ｂは、上側に向かって広がる円錐台形状の面であり、第２球面２２ａの外縁から上側に延在している。第２テーパ面２２ｂは、第１テーパ面２１ｂと面一に連なっており、第１テーパ面２１ｂと共に１つの円錐台形状の面を形成している。第３球面２２ｃは、上側に向かって湾曲した凸状かつ半球形状の面であり、対物レンズ１５０と向かい合うように配置される。周面２２ｄは、円柱形状の面であり、第２テーパ面２２ｂの外縁と第３球面２２ｃの外縁とに接続されている。第２球面２２ａ及び第３球面２２ｃの曲率中心は、第１球面２１ｃの曲率中心（固浸レンズの球心Ｃ）と一致する。第２テーパ面２２ｂを含む仮想円錐の頂点は、固浸レンズの球心Ｃと一致する。

第１レンズ部２１が第１テーパ面２１ｂを有していることで、第１レンズ部２１の当接面２１ａは、対物レンズ１５０の光軸Ｌに平行な方向において、第２レンズ部２２に対して下側（対物レンズ１５０とは反対側）に突出している。換言すれば、固浸レンズ２においては、当接面２１ａが最も下側に位置しており、当接面２１ａが配置される平面上に第１レンズ部２１と第２レンズ部２２との境界が位置していない。

第１レンズ部２１は、半導体デバイスＳの基板材料（この例ではシリコン（Ｓｉ））の屈折率と実質的に同一又はその屈折率に近い屈折率を有する第１材料により形成されている。第１材料は、例えば、Ｓｉ、ＧａＰ（ガリウムリン）、ＧａＡｓ（ガリウムヒ素）、Ｇｅ（ゲルマニウム）、ダイヤモンド、ＳｉＣ又はＧａＮ（窒化ガリウム）等である。Ｓｉ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、Ｇｅ、ダイヤモンド、ＳｉＣ、ＧａＮの屈折率は、それぞれ、３．５、３．２、３．５、４．０、２．４、２．６、２．４である。第２レンズ部２２は、空気（大気）の屈折率よりも大きくかつ第１材料の屈折率よりも小さな屈折率を有する第２材料により形成されている。第２材料は、例えば、ガラス、ポリマー、サファイア、石英、フッ化カルシウム又はフッ化マグネシウム等である。ガラス、ポリマー、サファイア、石英、フッ化カルシウム、フッ化マグネシウムの屈折率は、それぞれ、１．５〜２．０、１．５〜１．６、１．８、１．５、１．４、１．４である。

第１レンズ部２１と第２レンズ部２２とは、第１球面２１ｃと第２球面２２ａとの間に設けられた接着剤によって互いに結合されている。第１レンズ部２１と第２レンズ部２２とは、第１球面２１ｃ、第２球面２２ａ及び第３球面２２ｃの曲率中心が一致するように、貼り合わされている。接着剤は、例えば第１球面２１ｃ及び第２球面２２ａの全面にわたって設けられている。接着剤としては、第１材料の屈折率よりも第２材料の屈折率に近い屈折率を有するものを用いることができる。これにより、固浸レンズ２を光が透過し易くなる。第１球面２１ｃと接着剤との間には、第１反射防止膜（ＡＲコーティング）が設けられていてもよい。第１反射防止膜は、例えば第１球面２１ｃの全面にわたって設けられる。第３球面２２ｃ上には、第２反射防止膜が設けられていてもよい。第２反射防止膜は、例えば第３球面２２ｃの全面にわたって設けられる。
［固浸レンズの保持構造］

図２に示されるように、固浸レンズ２は、対物レンズ１５０の下側（前方）において光軸Ｌ上に位置するように、ホルダ３に保持されている。図４及び図５に示されるように、底壁部３２には、開口３２ａが形成されている。光軸Ｌに平行な方向から見た場合における開口３２ａの形状は、例えば、光軸Ｌを中心線とする円形状であり、その内径は、固浸レンズ２の外径（周面２２ｄの外径）よりも小さい。開口３２ａの縁部には、複数の突出部３４が設けられている。複数の突出部３４は、開口３２ａの縁部から開口３２ａの中心に向かって延びている。複数の突出部３４は、非磁性材料によって底壁部３２と一体的に形成されている。複数の突出部３４は、光軸Ｌ周りに等ピッチで配置されている。本実施形態では、３つの突出部３４が、光軸Ｌ周りに１２０°ピッチで配置されている。

支持部材３３は、環形状を呈しており、例えば各突出部３４にネジ止めされることで、下側から底壁部３２に取り付けられている。光軸Ｌに平行な方向から見た場合における支持部材３３の開口の形状は、例えば、光軸Ｌを中心線とする円形状であり、その内径は、固浸レンズ２の外径よりも若干大きい。支持部材３３の下端部には、内向きフランジ３３ａが一体的に形成されている。光軸Ｌに平行な方向から見た場合における内向きフランジ３３ａの開口の形状は、例えば、光軸Ｌを中心線とする円形状であり、その内径は、固浸レンズ２の外径よりも小さい。

固浸レンズ２は、当接面２１ａが内向きフランジ３３ａの開口から下側に突出するように且つ周面２２ｄが支持部材３３の開口の内側に位置するように配置されている。この状態においては、支持部材３３の開口の内径が固浸レンズ２の外径よりも若干大きいため、光軸Ｌに垂直な方向への固浸レンズ２の移動が規制される一方で、光軸Ｌに平行な方向への固浸レンズ２の移動及び固浸レンズ２の揺動（光軸Ｌに対して例えば１°程度傾くように動くこと）が許容される。また、内向きフランジ３３ａの開口の内径が固浸レンズ２の外径よりも小さいため、固浸レンズ２の下側への脱落が防止される。

底壁部３２の上面には、複数の収容孔３６が形成されている。複数の収容孔３６は、複数の突出部３４にそれぞれ対応するように配置されている。各収容孔３６には、磁石５が収容されている。各磁石５は、例えば円柱形状を呈しており、その中心線は、固浸レンズ２の球心Ｃに向かっている。このように、ホルダ３には、複数の磁石５が設けられている。

各突出部３４には、傾斜面３４ａが形成されている。各傾斜面３４ａは、固浸レンズ２の第３球面２２ｃと向かい合っている。各傾斜面３４ａには、収容部３５が形成されている。各収容部３５は、例えば円柱形状の凹部である。磁石５は、収容部３５の中央部と向かい合うようにホルダ３に設けられている。例えば、収容部３５の中心線は、対応する収容孔３６に収容された磁石５の中心線に一致している。各収容部３５の底面３５ａは、平坦面であり、固浸レンズ２の第３球面２２ｃと向かい合っている。各収容部３５の側面３５ｂは、円筒形状を呈している。底面３５ａと傾斜面３４ａとの距離（すなわち、側面３５ｂの高さ）は、球体６の直径よりも小さい。このように、ホルダ３には、複数の収容部３５が設けられている。

各収容部３５には、球体６が収容されている。各球体６は、固浸レンズ２の第３球面２２ｃと接触する接触部４０として機能する。各球体６は、磁性材料（例えば、ニッケル、コバルト、鉄、ステンレス鋼等）により形成されている。各収容部３５では、球体６は、底面３５ａの中央（固浸レンズ２の第３球面２２ｃと向かい合う位置）において、対応する収容孔３６に収容された磁石５の磁力によって回転可能に保持されている。この状態においては、球体６の一部が収容部３５から突出している。本実施形態では、３つの球体６が、光軸Ｌ周りに１２０°ピッチで配置されている。

図４に示されるように、固浸レンズ２の第２テーパ面２２ｂの外縁部が支持部材３３の内向きフランジ３３ａに接触している状態においては、固浸レンズ２の第３球面２２ｃと各球体６との間に隙間が形成される。これにより、固浸レンズ２が上側に移動すると、固浸レンズ２の第３球面２２ｃが複数の球体６に接触するため、固浸レンズ２のそれ以上の上側への移動が防止される一方で、固浸レンズ２の揺動が許容される。このように、ホルダ３は、固浸レンズ２の第３球面２２ｃが複数の球体６に接触した状態において固浸レンズ２を揺動可能に保持している。

各収容部３５の内面（少なくとも底面３５ａ）には、硬化処理が施されていてもよい。各収容部３５の内面は、ホルダ３の表面のうち、少なくとも球体６が接触する領域である。硬化処理は、ホルダ３の内部（本実施形態では、各突出部３４の内部）の硬度よりもホルダ３の表面（本実施形態では、各収容部３５の内面）の硬度を高くする処理である。例えば、各突出部３４がアルミニウム又はアルミニウム合金により形成されている場合には、硬化処理としてアルマイト処理を用いることができる。硬化処理には、各突出部３４を形成する材質に応じた処理を選択することが好ましい。
［半導体検査装置における画像取得方法の一例］

図１に示されるように、半導体検査装置１００では、固浸レンズユニット１が取り付けられていない対物レンズ１５０によって、半導体デバイスＳにおける観察部分の特定が実施される。この観察部分の特定は、指示部１３２によるペリフェラルコントローラ１２３への指示、及びペリフェラルコントローラ１２３による移動機構１１４の駆動の制御によって、実施される。

続いて、固浸レンズユニット１が取り付けられた対物レンズ１５０に切り替えられ、当該対物レンズ１５０の補正環１５２の調整が実施される。この補正環１５２の調整は、指示部１３２によるペリフェラルコントローラ１２３への指示、及びペリフェラルコントローラ１２３による補正環調整用モータ１５３の駆動の制御によって、実施される。具体的には、固浸レンズ２の特性（固浸レンズ２の各部の厚さ及び屈折率等）、半導体デバイスＳの基板厚さ、半導体デバイスＳの基板材料等に応じて、補正環１５２の調整が実施される。

続いて、固浸レンズ２の当接面２１ａ（図３参照）が半導体デバイスＳの表面Ｓａに密着させられる。この固浸レンズ２の当接面２１ａの密着は、指示部１３２によるペリフェラルコントローラ１２３への指示、及びペリフェラルコントローラ１２３による移動機構１１４の駆動の制御によって、実施される。

続いて、固浸レンズユニット１が取り付けられた対物レンズ１５０の焦点合わせが実施される。この対物レンズ１５０の焦点合わせは、指示部１３２によるペリフェラルコントローラ１２３への指示、及びペリフェラルコントローラ１２３による移動機構１１４の駆動の制御によって、実施される。

続いて、半導体デバイスＳにおける観察部分の観察が実施される。この観察部分の観察は、指示部１３２によるカメラコントローラ１２１及びＬＳＭコントローラ１２２のそれぞれへの指示、並びに２次元カメラ１１３及びＬＳＭユニット１１５のそれぞれの動作の制御によって、実施される。

図６及び図７に示されるように、固浸レンズ２の当接面２１ａを半導体デバイスＳの表面Ｓａに密着させようとすると、固浸レンズ２が上側に移動し、固浸レンズ２の第３球面２２ｃが、磁石５の磁力によって回転可能に保持された球体６に接触する。このとき、図６に示されるように、光軸Ｌに対して半導体デバイスＳの表面Ｓａが傾斜していないと（すなわち、直交していると）、固浸レンズ２は殆ど揺動せずに、固浸レンズ２の当接面２１ａが半導体デバイスＳの表面Ｓａに密着する。一方、図７に示されるように、光軸Ｌに対して半導体デバイスＳの表面Ｓａが傾斜していると、固浸レンズ２が半導体デバイスＳの表面Ｓａに倣うように揺動しようとし、固浸レンズ２の第３球面２２ｃと各球体６の表面とが点接触しつつ各球体６が回転する。その結果、固浸レンズ２が半導体デバイスＳの表面Ｓａに倣うように滑らかに揺動する。これにより、固浸レンズ２の当接面２１ａを半導体デバイスＳの表面に密着させることができる。なお、光軸Ｌに対して半導体デバイスＳの表面Ｓａが傾斜する要因としては、表面Ｓａの研磨不良、又は半導体デバイスＳが実装される実装ボードの傾き等が挙げられる。
［作用及び効果］

以上説明した固浸レンズユニット１では、固浸レンズ２が、第１材料により形成された第１レンズ部２１と、第１材料の屈折率よりも小さな屈折率を有する第２材料により形成され、第１レンズ部２１に結合された第２レンズ部２２と、を有している。これにより、第２材料として第１材料よりもバンドギャップが広い材料を選択することができるため、例えば固浸レンズ２の全体が第１材料により形成されている場合と比べて、短波長の光を用いた場合でも、固浸レンズ２を透過する光の量を確保し易くすることができる。すなわち、第１材料には屈折率が高い材料を選択しなければならないとの制約があるのに対し、第２材料にはそのような制約がないため、選択自由度が高い。そのため、第２材料としては第１材料よりも短波長の光に対して高い透過率を有する材料を選択することができる。その結果、固浸レンズユニット１を備える半導体検査装置１００では、ＬＳＭユニット１１５の光源が、第１レンズ部２１（第１材料）に或る程度吸収される一方で第２レンズ部２２（第２材料）には吸収されない（すなわち、第２レンズ部２２に対して透明な）波長域の光を出力し得る。これにより、解像度を高めることができるだけでなく、半導体デバイスＳでの光吸収に伴う電荷の生成を利用した種々の計測を行うことが可能となる。また、第２レンズ部２２が、第１レンズ部２１の凸状の第１球面２１ｃと向かい合う凹状の第２球面２２ａ、及び対物レンズ１５０と向かい合うように配置される凸状の第３球面２２ｃを含んでおり、ホルダ３の接触部４０（球体６）が、第３球面２２ｃに接触する。これにより、第１球面２１ｃよりも広い第３球面２２ｃにおいて接触部４０が固浸レンズ２に接触するため、固浸レンズ２の視野を確保することができる。また、第２レンズ部２２の屈折率が空気の屈折率よりも大きいことから、例えば固浸レンズ２が第１レンズ部２１のみからなる場合と比べて、固浸レンズ２の視野を大きくすることができる。よって、固浸レンズユニット１によれば、短波長の光を用いた観察を可能としつつ、固浸レンズ２の視野を確保することができる。

第１球面２１ｃ、第２球面２２ａ及び第３球面２２ｃの曲率中心が一致している。これにより、半導体デバイスＳを良好に観察することできる。

当接面２１ａが、平坦面である。これにより、当接面２１ａを半導体デバイスＳの表面Ｓａに密着させ易くすることができる。

当接面２１ａが、対物レンズ１５０の光軸Ｌに平行な方向において、第２レンズ部２２に対して対物レンズ１５０とは反対側に突出している。これにより、第２レンズ部２２が半導体デバイスＳに接触することに起因する観察精度の低下を回避することができる。すなわち、第１レンズ部２１と第２レンズ部２２との間の境界部分には応力集中が生じるおそれがあり、当該境界部分の加工精度を高めることは難しい。そのため、固浸レンズユニット１とは異なり、第１レンズ部２１の当接面２１ａだけでなく第２レンズ部２２が半導体デバイスＳに接触する構成を採用した場合、例えば境界部分が僅かに突出していることで、当接面２１ａが半導体デバイスＳの表面Ｓａに良好に密着せず、観察精度が低下してしまうおそれがある。これに対し、固浸レンズユニット１では、そのような事態を回避することができ、観察精度の低下を回避することができる。

第１レンズ部２１を構成する第１材料が、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、Ｇｅ、ダイヤモンド、ＳｉＣ又はＧａＮである。これにより、半導体デバイスＳを高解像度で観察することができる。

第２レンズ部２２を構成する第２材料が、ガラス、ポリマー、サファイア、石英、フッ化カルシウム又はフッ化マグネシウムである。このように、第２材料としては第１材料よりも屈折率が低い材料を選択することができる。

接触部４０が、第３球面２２ｃと向かい合う位置において回転可能に保持された球体６によって構成されている。固浸レンズ２に入射する光の一部が球体６及び球体６を保持する構造（例えば突出部３４）によって遮られるが、固浸レンズユニット１では、上述したとおり、第１球面２１ｃ及び第２球面２２ａよりも広い第３球面２２ｃにおいて球体６が固浸レンズ２に接触するため、固浸レンズ２の視野を確保することができる。
［変形例］

図８に示される第１変形例では、固浸レンズ２の第３球面２２ｃと接触する接触部４０が、複数の突出部３４によって構成されている。各突出部３４は、開口３２ａの内面から開口３２ａの中心に向かって延びている。各突出部３４は、図９に示されるように、光軸Ｌに平行な方向から見て、次のように構成されている。各突出部３４は、周方向の長さよりも半径方向の長さの方が長い扇形状を呈しており、その中心線３４ｂが光軸Ｌ上を通るように延びている。各突出部３４の先端面３４ｃは、曲面をなしており、光軸Ｌを中心とする円周Ｒ上に位置している。各突出部３４と第３球面２２ｃとの接触位置は、円周Ｒ上に位置する。

図１０（ａ）に示されるように、固浸レンズ２が半導体デバイスＳに当接する前の状態においては、ホルダ３は、固浸レンズ２を矢印Ｙ方向に揺動可能に保持している。固浸レンズ２は、支持部材３３によって支持されている。この状態から当接面２１ａを半導体デバイスＳの表面Ｓａに当接させると、図１０（ｂ）に示されるように、固浸レンズ２が支持部材３３から離れ、第３球面２２ｃが３つの突出部３４に接触する。このとき、固浸レンズ２が揺れ動いて又は回転して当接面２１ａが半導体デバイスＳの表面Ｓａに倣って密着する。これにより、固浸レンズ２と半導体デバイスＳとの良好な密着が得られる。その結果、例えば、半導体デバイスＳの表面Ｓａが光軸Ｌに対して傾斜している場合でも、半導体デバイスＳを良好に観察することが可能となる。

第１変形例によっても、上記実施形態と同様に、短波長の光を用いた観察を可能としつつ、固浸レンズ２の視野を確保することができる。また、第１変形例では、接触部４０が、開口の３２ａ内面から開口３２ａの中心に向かって延びる突出部３４によって構成されている。固浸レンズ２に入射する光の一部が突出部３４によって遮られるが、上述したとおり、第１球面２１ｃよりも広い第３球面２２ｃにおいて突出部３４が固浸レンズ２に接触するため、固浸レンズ２の視野を確保することができる。

図１１に示される第２変形例では、第２レンズ部２２が、周面２２ｄを含んでおらず、平坦面２２ｅを含んでいる。平坦面２２ｅは、当接面２１ａと平行に延在し、第１レンズ部２１の第１テーパ面２１ｂと、第２テーパ面２２ｂとに連なっている。平坦面２２ｅが設けられていることで、第２テーパ面２２ｂは、第１テーパ面２１ｂと面一に連なっていない。第２テーパ面２２ｂを含む仮想円錐の頂点は、第１球面２１ｃ、第２球面２２ａ及び第３球面２２ｃの曲率中心よりも下側に位置する。第２変形例においても、第１レンズ部２１の当接面２１ａは、対物レンズ１５０の光軸Ｌに平行な方向において、第２レンズ部２２に対して下側（対物レンズ１５０とは反対側）に突出している。第２変形例によっても、上記実施形態と同様に、短波長の光を用いた観察を可能としつつ、固浸レンズ２の視野を確保することができる。

本発明は、上述した実施形態及び変形例に限られない。各構成の材料及び形状には、上述した材料及び形状に限らず、様々な材料及び形状を採用することができる。固浸レンズ２の形状は、半球形状に限定されず、例えば、ワイエルストラス形状のものでもよい。当接面２１ａは、必ずしも平坦面でなくてもよい。半導体デバイスＳは、ダイヤモンド、ゲルマニウム等の他の間接遷移半導体によって構成されてもよい。基板材料がダイヤモンドである場合、例えば紫外域の光がＬＳＭユニット１１５の光源から出力される。基板材料がゲルマニウムである場合、例えば１．８μｍ程度の波長域の赤外光がＬＳＭユニット１１５の光源から出力される。

第１球面２１ｃ、第２球面２２ａ及び第３球面２２ｃの曲率中心は、一致していなくてもよい。例えば、第１レンズ部２１を構成する第１材料が半導体デバイスＳの基板材料とは異なる場合、第１レンズ部２１と半導体デバイスＳとの間の収差が補正されるように、第１球面２１ｃ、第２球面２２ａ及び第３球面２２ｃの曲率中心がずれていてもよい。

半導体検査装置１００は、固浸レンズ２の当接面２１ａを半導体デバイスＳの表面Ｓａに上側から当接させる落射型の装置に限定されず、当接面２１ａを表面Ｓａに下側から当接させる倒立型の装置であってもよい。倒立型の半導体検査装置１００では、当接面２１ａを表面Ｓａに下側から当接させなくても、固浸レンズ２の第３球面２２ｃが球体６に接触している。この場合にも、固浸レンズ２の当接面２１ａを半導体デバイスＳの表面に密着させ易くすることができる。

１…固浸レンズユニット、２…固浸レンズ、３…ホルダ、６…球体（接触部）、２１…第１レンズ部、２１ａ…当接面、２１ｃ…第１球面、２２…第２レンズ部、２２ａ…第２球面、２２ｃ…第３球面、３２ａ…開口、３４…突出部（接触部）、４０…接触部、１００…半導体検査装置、１１１…ステージ、１１２…光学系、１１３…２次元カメラ（光検出器）、１１５ａ…光検出器、１５０…対物レンズ、Ｌ…光軸、Ｓ…半導体デバイス（観察対象物）。

Claims (9)

1. 固浸レンズと、
   前記固浸レンズを揺動可能に保持するホルダと、を備え、
   前記固浸レンズは、第１材料により形成された第１レンズ部と、前記第１材料の屈折率よりも小さな屈折率を有する第２材料により形成され、前記第１レンズ部に結合された第２レンズ部と、を有し、
   前記第１レンズ部は、観察対象物に当接させられる当接面と、凸状の第１球面と、を含み、
   前記第２レンズ部は、前記第１球面と向かい合う凹状の第２球面と、対物レンズと向かい合うように配置される凸状の第３球面と、を含み、
   前記ホルダは、前記第３球面と接触可能に構成された接触部を有している、固浸レンズユニット。
2. 前記第１球面、前記第２球面及び前記第３球面の曲率中心は、一致している、請求項１に記載の固浸レンズユニット。
3. 前記当接面は、平坦面である、請求項１又は２に記載の固浸レンズユニット。
4. 前記当接面は、前記対物レンズの光軸に平行な方向において、前記第２レンズ部に対して前記対物レンズとは反対側に突出している、請求項１〜３のいずれか一項に記載の固浸レンズユニット。
5. 前記第１材料は、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、Ｇｅ、ダイヤモンド、ＳｉＣ又はＧａＮである、請求項１〜４のいずれか一項に記載の固浸レンズユニット。
6. 前記第２材料は、ガラス、ポリマー、サファイア、石英、フッ化カルシウム又はフッ化マグネシウムである、請求項１〜５のいずれか一項に記載の固浸レンズユニット。
7. 前記接触部は、前記第３球面と向かい合う位置において回転可能に保持された球体によって構成されている、請求項１〜６のいずれか一項に記載の固浸レンズユニット。
8. 前記ホルダには、前記第２レンズ部が内部に配置される開口が形成されており、
   前記接触部は、前記開口の内面から前記開口の中心に向かって延びる突出部によって構成されている、請求項１〜７のいずれか一項に記載の固浸レンズユニット。
9. 前記観察対象物である半導体デバイスが載置されるステージと、
   前記半導体デバイスからの光が通過する光学系と、
   前記光学系を通過した前記光を検出する光検出器と、を備え、
   前記光学系は、
   対物レンズと、
   請求項１〜８のいずれか一項に記載の固浸レンズユニットと、を有する、半導体検査装置。

Images