JP2517065B2 - 光照射装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、光学系と試料との間に精密な位置決めが必
要な場合の光照射装置に関する。

（従来の技術） 試料の上方に対物レンズがあって、試料に対して光学
的な入力を行ったり、試料の情報を得たりする光学系に
は、顕微鏡やレーザ加工機などの種々のものがあるが、
その光学系の構成はいずれも対物レンズを含む光学系全
てが固定されているというもので、試料上のアクセスし
たい部分が対物レンズの光学的中心軸あるいは視野から
外れるような場合には、固定された光学系に対して試料
を２次元的に移動させたり、あるいは固定された試料に
対して光学系全体を２次元移動させるという方法が採用
されていた。

また、集束光によって試料上を走査する光学系におい
ては、一方向には対物レンズを含む光学系の一部の移動
を行い、これと直交する方向には試料の移動を行い、２
次元に走査するという方法も報告されている。

（発明が解決しようとする問題点） 上述した従来の技術では、以下のような問題が生じて
いた。

すなわち、試料を移動させる場合にあっては、試料及
びそれに付随するものが、試料を載せたステージの動作
を妨げることがあり、例えば多数の電気配線を有するも
のなどの場合には、試料を載せたステージの位置精度が
悪くなったり、ステージが整定するのに要する時間が長
くなるという問題があった。

一方、光学系の全てを移動するものであっては、一般
的に移動させるべき光学系が大きく、相当の重量がある
場合が多いので、ステージ構造が大掛かりとなり、この
ことに起因してステージの位置精度が悪く、ステージが
整定するのに要する時間が長くなっていた。

そこで、本発明の目的とするところは、上述した従来
の問題点を解決し、ステージに載せて移動することが困
難あるいは適当でない試料に対しても、高速かつ高精度
に試料上のアクセス部分に光を照射することができる光
照射装置を提供することにある。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 本発明の光照射装置は、少なくとも光源を含む固定光
学系と、 Ｘ−Ｙ平面を光の被照射面とする固定支持された試料
と、 Ｘ−Ｙ平面と交差するＺ軸を光軸とし、前記被照射面
と平行なＸ−Ｙ平面の相直交するＸ軸及びＹ軸方向に２
次元移動する対物レンズと、 前記対物レンズと共に前記Ｘ軸方向にのみ移動可能で
あって、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の間で光を反射させる第
１の移動ミラーと、 前記第１の移動ミラーと前記対物レンズとの間の光路
途中に設けられ、前記対物レンズと共に前記Ｘ軸及びＹ
軸方向に移動可能であって、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の間
で光を反射させる第２の移動ミラーと、 を設け、 前記固定光学系より発せられた光を、前記第1,第２の
移動ミラー及び対物レンズの移動によって、固定された
試料のアクセス部分に照射することを特徴とする。

そして、上記固定光学系としては、光照射装置の使用
目的に応じて種々の構成を採用することができ、例えば
固定光学系は単なる投光系でなく、試料面上でＸ−Ｙ方
向に走査される集束光を導く走査光学系としてもよく、
さらにはこれに加えて試料面上を照射する照明光学系，
試料面上で反射された光を検出する検出光学系，照明光
学系の光の反射光を目視観察するための目視観察系など
を設けることができる。

なお、上記検出光学系としては、試料面上の光の反射
光強度を測定する受光素子を有する光学系と、照明光の
反射光による試料の像を撮像する固体撮像素子を有する
光学系を併せて設けることもできる。いずれの場合も、
移動可能な対物レンズを介して、試料のアクセス部分に
対する光の伝達が実行される。

（作用） 本発明では、試料及び光学系の大部分を固定し、試料
のアクセス部分に対する光照射のための移動を、比較的
軽量である対物レンズの２次元移動によって実現してい
る。

したがって、試料が例えば集積回路であって検査のた
めに通電用の多数の電気配線を接続するような場合にあ
っても、試料自体は何等の移動を要さないので、光照射
すべきアクセス部分の変更を容易に実現することがで
き、かつ、相当重量で大掛かりな光学系の大部分も固定
しているので、ステージ駆動に関する従来の問題を解決
することができる。

ここで、固定光学系より移動する対物レンズに光を導
くために、本発明では少なくとも２つの第1,第２の移動
ミラーを設けている。対物レンズがＸ軸方向に移動する
ときは、第1,第２の移動ミラーが共にＸ軸方向に移動す
るため、固定光学系と第１の移動ミラー間のＸ軸方向に
沿った光路長が変化するのみで、第1,第２の移動ミラー
及び対物レンズの各光軸がずれることはない。また、対
物レンズがＹ軸方向に移動するときは、第２の移動ミラ
ーが共にＹ軸方向に移動するため、第1,第２の移動ミラ
ー間のＹ軸方向に沿った光路長が変化するのみで、第1,
第２の移動ミラー及び対物レンズの各光軸がずれること
はない。

したがって、対物レンズをＸ軸、Ｙ軸に移動させる際
に、固定光学系から対物レンズまでの光路長が変化する
だけで、第1,第２の移動ミラー及び対物レンズの各光軸
を常に一致させることができ、しかも、第1,第２の移動
ミラー及び対物レンズは軽量であるので、ステージ駆動
に支障が生ずることがない。

（実施例） 以下、本発明を集積回路（以下、ICと称する）等の検
査装置に適用した一実施例について、図面を参照して具
体的に説明する このICの検査装置とは、例えばIC内のいずれのトラン
ジスタが故障しているかを判別するため、通電状態のト
ランジスタのドレイン領域に光を照射し、このときの電
源電流値の変化量を測定することにより検査を実行する
ものであり、ICに通電するために多数の電気配線を試料
に接続する必要があり、上述した理由によりステージ駆
動するには不向きな試料となっている。

Ｘ−Ｙ平面を規定するステージベース７上には、Ｘス
テージ９およびＸ−Ｙステージ10が支持され、Ｘステー
ジ９は例えばＬ字状に形成され、ステージベース７との
間に図示しない平面軸受を有すると共に、Ｘ方向リニア
ガイド11を有し、ステージベース７上にあってＸ方向を
規定するガイド８に沿ってＸ方向にのみ移動可能となっ
ている。Ｘ−Ｙステージ10は、ステージベース７との間
に図示しない平面軸受を有すると共に、Ｘステージ９の
側面との間にＹ方向のリニアガイド12を有し、前記Ｘス
テージ９をガイドとしてＹ方向にリニアな動作をする。
そして、上記Ｘステージ9,X−Ｙステージ10の動作によ
って、Ｘ−Ｙステージ10を２次元に移動可能となってい
る。

また、試料５は上記ステージベース７の下側で試料台
６上に固定されている。なお、上記試料５をICとした場
合には、光照射すべきアクセス領域は、例えば一辺が15
mm程度の矩形となっている。

そして、上記のようなＸ−Ｙステージ10に対して、対
物レンズ４は光軸がＸ−Ｙ平面に直交するＺ方向と一致
し、試料５に対向する側が下側になるような状態で、Ｘ
−Ｙステージ10に取り付けられている。

対物レンズ４の直上には、対物レンズ４の光軸上の光
をＹ方向に曲げる角度で移動ミラー３が設けられ、対物
レンズ４と共にＸ−Ｙステージ10に支持されて２次元移
動可能となっている。

Ｘステージ９上には、Ｚ軸移動ミラー３によってＹ方
向に曲げられた光を、Ｘ−Ｙ平面内でＸ方向に曲げるた
めの移動ミラー２が設けられ、後述する固定光学系300
に対物レンズ４からの光を導き、あるいは固定光学系30
0からの光を対物レンズ４に導くようになっている。

移動する対物レンズ４と移動ミラー2,3とを上記のよ
うに構成することで、対物レンズ４が２次元に移動した
場合でも、固定光学系300と対物レンズ４との間では、
その光路長が変化するだけで、両者の光軸が２次元的に
ずれるということがない。

以上により、試料５はステージベース７の下側になっ
て、試料台６の上に固定されているだけで、対物レンズ
４が試料５の上方で２次元に動いてアクセス部分を移動
する対物レンズ移動光学系が構成される。

なお、ステージベース７には、対物レンズ４がステー
ジベース７を越えて試料５上に光アクセスできるよう
に、対物レンズ４の移動ストロークに見合う大きさの穴
が設けられている。（図示せず）。

このように、上記実施例では試料５は試料台６上に固
定されているだけでよい。したがって、従来のような対
物レンズを含めた固定光学系に対して試料を２次元に移
動させるという方法にくらべれば、例えば試料５が多数
の配線を必要とする集積回路のようなものである場合、
これを２次元移動すると高精度の位置決めが困難であ
り、ステージのインデックス時間が長くなってしまう等
の不具合が生じてしまうのに対して、本実施例では比較
的軽量な対物レンズ４をＸ−Ｙステージ10に載せて移動
させているので、試料５とは無関係に高精度な位置決め
と、短いインデックス時間とが実現できる。また、光学
系全体を移動する従来構成よりも、移動分部の構成が軽
量でかつ小型であるので、ステージ駆動を円滑に実行で
きる。

次に、前記固定光学系300について、第２図を参照し
て説明する。

この固定光学系300としては、本実施例の場合、試料
５上を集束光により２次元走査するための走査光学系31
0と、試料５上を白色光で照明するための照明光学系320
と、前記集束光の試料５表面からの反射光を受光し、そ
の強度を検出するための受光素子222、および試料５の
像を撮影するための固体撮影素子220に光を導く検出光
学系330と、試料５の像を目視観察するための接眼レン
ズ228を有する目視観察系340とを有している。

まず、集束光による走査光学系310について説明す
る。

第２図において、レーザ発振器201より発した平行光
であるレーザ光は、ミラー202で直角に反射され、集光
レンズ203に入射し、集光レンズ203の焦点位置に集束す
る。この焦点位置には、音響光学変調器204が配置さ
れ、光の強度変調,ON/OFFの制御を実行する。この音響
光学変調器204で光の強度変調をする理由の一つは、後
段の第1,第２の音響光学偏向器204,213で光の偏向を行
う場合に、偏向角度によって光の強度が変化するため、
ここで予め偏向後でも光強度が一定となるように変調し
ている。

ここで、この種の音響光学変調器204の構成について
第３図を参照して説明すると、例えば二酸化テルルなど
の音響光学媒体400の一端にピエゾ電気効果を奏するト
ランスジューサ401が配置され、他端に吸音材403が配置
され、このトランスジューサ401を高周波発振器402で駆
動することで、上記媒体400に同図に示す超音波進行波
を生ずる構成となっている。そして、上記超音波の周波
数を例えば200MHzに固定し、そのパワーすなわち振幅を
可変することで、同図に示す第１次回析光の強度が変調
されることになる。

前記音響光学変調器204で変調された光は、発散光と
して出射されるため、これをコリメータレンズ205によ
り平行光とする。この平行光は、ビームエキスパンダ20
6によって光径が拡大された平行光となり、ミラー207,2
08で反射され、第１の音響光学偏向器209に入射する。

この第１の音響光学偏向器209は、集束光が試料５の
面上をＸ方向に走査するような方向に入射光を偏向させ
る。なお、この第１の音響光学偏向器209は、第３図に
示す音響光学変調器と同様な音響光学素子によって実現
でき、変調を行う場合には超音波の振幅変調により実現
したが、偏向の場合には例えば75〜125MHzの範囲で周波
数変調することで偏向が可能となる。

偏向した光は、第１のリレーレンズ210,211に入射
し、ミラー212で反射して第２の音響光学偏向器213に入
射する。この第１のリレーレンズ210,211は、第１の音
響光学偏向器209による偏向の原点を再び光軸上に形成
するためのものであり、これにより形成された偏向の原
点位置に前記第２の音響光学偏向器213が配置されてい
る。

ここで、上記リレーレンズについて第４図を参照して
説明すると、このリレーレンズとは同図に示すように平
行光束が入射した時に、平行光束として出射するような
２群のレンズ210,211からなる光学系のことであり、望
遠鏡と同様であるが、リレーレンズとして用いる場合に
は、各レンズ210,211の焦点距離f1,f2を、f1≒f2として
用いることが多い。特にf1＝f2とした場合には、リレー
レンズ前の光束径D1とリレーレンズ後の光束径D2とは、
D1＝D2の関係となり、かつ、リレーレンズ前の偏向光軸
が中心軸となす角度θ１と、リレーレンズ後の偏向光光
軸が中心軸となす角度θ２とは、θ１＝θ２となる。し
たがって、前記リレーレンズ211の後段に対物レンズ４
があると仮定した場合には、第１の音響光学偏向器209
の中心位置での状態がそのまま対物レンズ４の瞳位置に
転写されたような形とすることができる（但し、偏向方
向は逆である）。

上記第２の音響光学偏向器213は、第１の音響光学偏
向器209による偏向方向と直交する方向、すなわち集束
光が試料５上でＹ方向に走査するような方向に入射光を
偏向するものである。なお、第1,第２の音響光学偏向器
209,213は、偏向する方向のみ相違し、その構成は同一
である。

このような構成によって、前記第１の音響光学偏向器
209による偏向と第１のリレーレンズ210,211の効果と合
わせて、光は第２の音響光学偏向器213の偏向位置を原
点として２次元に偏向されることになる。

第２の音響光学偏向器213の後段の第２のリレーレン
ズ214,215は、第４図で説明した原理に基づき、前記２
次元偏向の原点を、Ｘ−Ｙステージ10に搭載された対物
レンズ４の瞳位置またはその近傍の光軸上に形成するた
めのものである。

以上により、２次元に偏向された光が対物レンズ４に
入射し、試料５上を集束光で２次元に走査することがで
きる。なお、前記のようなＸステージ９およびＸ−Ｙス
テージ10からなる構成及びミラー2,3の配置により、Ｘ
−Ｙステージ10が２次元に移動して対物レンズ４が移動
しても、入射光が対物レンズ４から外れることはない。

ただし、第２のリレーレンズ214,215を通過した後の
光路長がＸ−Ｙステージ10の移動により変化するので、
前記２次元偏向の原点の像が形成される位置が、対物レ
ンズ４の瞳位置から対物レンズ４の移動ストロークに見
合った分だけ移動することになる。このため、対物レン
ズ４の瞳位置での２次元偏向光の光束径は、光路長が最
長あるいは最短になった場合には、中心である場合にく
らべて大きくなる。したがって、この状態で入射光束の
全てが対物レンズ４の瞳に入るように光径を設定すれば
よい。このようにすれば、入射光束の全てが対物レンズ
４の瞳に入射されるので、その一部が欠落して試料５上
での走査光の強度ムラを防止できる。

このように、上記走査光学系310を用いれば、対物レ
ンズ４を固定したままでも、ある範囲内（本実施例の場
合256μｍ角の範囲）で試料５上のアクセス領域を光走
査することができ、このような走査を対物レンズ４の移
動により走査範囲を変えて行うことで、試料５上の全ア
クセス領域に光走査可能となっている。

次に、試料５上を白色光で照明する照明光学系320に
ついて説明すると、ハロゲンランプ等の白色光源226か
らの白色光は、コンデンサレンズ225、投光レンズ224に
より対物レンズ４に投光され、試料５上のある範囲を照
明可能となっている。

次に、試料５上に投光された光の反射光を検出するた
めの検出光学系330について説明する。

対物レンズ４に無限遠補正されたものを使用した場合
には、試料５上に投光された集束光及び白色光の反射光
は、焦点が合った状態では平行光束として、対物レンズ
４の瞳から射出される。そして、上記のような対物レン
ズ移動光学系の構成により、Ｘ−Ｙステージ10上の移動
ミラー３とＸステージ９の移動ミラー２とで反射され、
固定光学系300に導かれる。

試料５上からの反射光は、ビームスプリッタ217によ
り透過光と反射光とに分けられる。まず、反射光につい
て説明すると、反射光は白色光投光用のビームスプリッ
タ223により再び透過光と反射光とに分けられるが、こ
れを透過した光は結像レンズ227により結像され、この
像を接眼レンズ228により目視観察することができる。
この目視観察系340では、前記白色光による試料５表面
の明視野観察と、前記集束光の走査による試料５表面の
観察および集束光を一点に固定した場合の光スポットの
観察，確認等とが目視で行える。

この目視観察系340での光学系は、通常の光学顕微鏡
と同様なものであり、通常の光学顕微鏡が試料５上の光
アクセス部分の移動を試料５を移動させることによって
行うのに対し、本実施例の場合には光アクセス部分の移
動を、試料５を固定したまま状態で、対物レンズ４を移
動させることにより可能となっている。

次に、ビームスプリッタ217の透過光について説明す
る。透過光は、ビームスプリッタ216により２つに分け
られ、反射した方の光が検出光学系330に到達する。こ
の光は、ビームスプリッタ218により再び透過光と反射
光とに分けられる。透過光は結像レンズ219によりCCDカ
メラ220のCCD素子上に結像され、前記目視観察系340と
同様に白色光による試料５表面の観察、集束光の走査に
よる試料５表面の観察及び集束光を一点に固定した場合
の光スポットの観察，確認等がモニタテレビにより実現
可能となっている。また、得られた画像信号を画像処理
することによって、各種のデータ加工が可能である。

ビームスプリッタ218による反射光は、集光レンズ221
によって集光され、フォートダイオード等の受光素子22
2に入射する。この受光素子222は主に集束光の試料５表
面からの反射光を受光し、その強度を測定するためのも
のであり、集束光で試料５上を２次元走査することによ
って、走査面内の試料５上の一点一点に対応する反射光
の強度を測定することができる。

この反射光の強度を集束光が当たった位置と反応させ
てモニタ上に表示することにより、試料５表面の集束光
の走査による反射光像が得られる。

尚、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、
本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。

例えば、本発明は上述したレーザ・サーキット・アナ
ライザのような半導体検査装置だけでなく、走査型レー
ザ顕微鏡，光学顕微鏡あるいはメモリ・リペア装置等の
光照射装置として採用できる。したがって、固定光学系
300としては上記実施例の他その使用目的に応じて種々
の構成を採用でき、走査光学系310を採用した場合のよ
うに光変調器，光偏向器を必要とする場合にあっては、
上記のような音響光学変調器以外に電気光学変調器等で
もよく、また、音響光学偏向器以外に電気光学偏向器，
ポリゴンミラー，ガルバノミラー等を使用することがで
きる。

また、白色光照明系320,目視観察系340,光検出光学系
330等を採用する場合にあっても、その構成部材，光学
的配置等は他の種々の変形実施が可能なことはいうまで
もない。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば試料は固定した
まま、光学系の一部である対物レンズをＸ−Ｙステージ
等に載せて試料上を２次元に移動させることにより、試
料が多数の配線を有するようなものであっても、高速に
かつ高精度に試料上のアクセス部分に対して光を照射す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明をIC検査装置に適用した一実施例を説
明するための装置の外観斜視図、 第２図は、固定光学系の一例を説明するための概略説明
図、 第３図は、音響光学素子の一例を示す概略説明図、 第４図は、リレーレンズの作用を説明するための概略説
明図である。 2,3……移動ミラー、４……対物レンズ、７……ステー
ジベース、９……Ｘステージ、10……Ｘ−Ｙステージ、
201……レーザ発振器、300……固定光学系、310……走
査光学系、320……照明光学系、330……検出光学系、34
0……目視観察系。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】少なくとも光源を含む固定光学系と、 Ｘ−Ｙ平面を光の被照射面とする固定支持された試料
   と、 Ｘ−Ｙ平面と交差するＺ軸を光軸とし、前記被照射面と
   平行なＸ−Ｙ平面の相直交するＸ軸及びＹ軸方向に２次
   元移動する対物レンズと、 前記対物レンズと共に前記Ｘ軸方向にのみ移動可能であ
   って、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の間で光を反射させる第１
   の移動ミラーと、 前記第１の移動ミラーと前記対物レンズとの間の光路途
   中に設けられ、前記対物レンズと共に前記Ｘ軸及びＹ軸
   方向に移動可能であって、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の間で
   光を反射させる第２の移動ミラーと、 を設け、 前記固定光学系より発せられた光を、前記第1,第２の移
   動ミラー及び対物レンズの移動によって、固定された試
   料のアクセス部分に照射することを特徴とする光照射装
   置。