JP4536654B2 - 固浸レンズ及び顕微鏡 - Google Patents

固浸レンズ及び顕微鏡 Download PDF

Info

Publication number
JP4536654B2
JP4536654B2 JP2005503754A JP2005503754A JP4536654B2 JP 4536654 B2 JP4536654 B2 JP 4536654B2 JP 2005503754 A JP2005503754 A JP 2005503754A JP 2005503754 A JP2005503754 A JP 2005503754A JP 4536654 B2 JP4536654 B2 JP 4536654B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
solid immersion
immersion lens
observation
lens
sil
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
JP2005503754A
Other languages
English (en)
Other versions
JPWO2004083929A1 (ja
Inventor
浩敏 寺田
育男 荒田
繁 坂本
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hamamatsu Photonics KK
Original Assignee
Hamamatsu Photonics KK
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hamamatsu Photonics KK filed Critical Hamamatsu Photonics KK
Publication of JPWO2004083929A1 publication Critical patent/JPWO2004083929A1/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP4536654B2 publication Critical patent/JP4536654B2/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B3/02—Simple or compound lenses with non-spherical faces
    • G02B3/04—Simple or compound lenses with non-spherical faces with continuous faces that are rotationally symmetrical but deviate from a true sphere, e.g. so called "aspheric" lenses
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes
    • G02B21/33—Immersion oils, or microscope systems or objectives for use with immersion fluids
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/1717—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated with a modulation of one or more physical properties of the sample during the optical investigation, e.g. electro-reflectance
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
    • G01N21/88—Investigating the presence of flaws or contamination
    • G01N21/8806—Specially adapted optical and illumination features
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
    • G01N21/88—Investigating the presence of flaws or contamination
    • G01N21/95—Investigating the presence of flaws or contamination characterised by the material or shape of the object to be examined
    • G01N21/9501—Semiconductor wafers
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B13/00—Optical objectives specially designed for the purposes specified below
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes
    • G02B21/02—Objectives
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B3/02—Simple or compound lenses with non-spherical faces
    • G02B3/06—Simple or compound lenses with non-spherical faces with cylindrical or toric faces
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
    • G01N21/03—Cuvette constructions
    • G01N2021/0342—Solid sample being immersed, e.g. equiindex fluid

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Microscoopes, Condenser (AREA)
  • Investigating Materials By The Use Of Optical Means Adapted For Particular Applications (AREA)
  • Lenses (AREA)

Description

本発明は、電子デバイスの故障解析や信頼性評価に用いられる電子デバイス検査方法などに用いられる固浸レンズ、及び顕微鏡に関するものである。
電子デバイス検査においては、電子デバイスを試料として顕微鏡等で観察する方法が用いられる。電子デバイス検査装置としては、従来、エミッション顕微鏡やＩＲ−ＯＢＩＲＣＨ装置などが知られている（特開平７−１９０９４６号公報、特開平６−３００８２４号公報参照）。しかしながら、近年、検査対象となる電子デバイスの微細化が進んでおり、可視光、赤外光、あるいは熱線を使用した従来の検査装置では、光学系での回折限界に起因する制限により、微細構造の解析が困難になってきている。
このため、このような電子デバイスの微細構造について解析を行って、電子デバイス中に形成されたトランジスタや配線などの回路パターンに発生した異常個所を検出する場合、まず、可視光、赤外光、または熱線を使用した検査装置によって異常個所が存在する範囲をある程度まで絞り込む。そして、その絞り込まれた範囲について、より高分解能な電子顕微鏡などの観察装置を用いて観察を行うことで、電子デバイスでの異常個所を検査する方法が用いられている。
上記したように、光を使用した検査を行った後に電子顕微鏡で高分解能の観察を行う方法では、検査対象となる電子デバイスの準備、設置が複雑であるなどの理由により、電子デバイスの検査に大変な手間と時間とを要するという問題がある。
一方、観察対象の画像を拡大するレンズとして、固浸レンズ（ＳＩＬ：Ｓｏｌｉｄ Ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ Ｌｅｎｓ）が知られている。固浸レンズは、一般的には半球形状、またはワイエルストラス球と呼ばれる超半球形状のレンズとして知られる。この固浸レンズを観察対象物の表面に光学的に結合させて設置すれば、開口数ＮＡおよび倍率をともに拡大することができ、高い空間分解能での観察が可能となる。このような固浸レンズを用いた半導体検査装置としては、たとえば特公平７−１８８０６号公報、米国特許第６５９４０８６号明細書に記載されたものがある。また、特開２００２−１８９０００号公報にも固浸レンズについて記載がある。
特公平７−１８８０６号公報に開示された固浸レンズは、平凸レンズ（ｐｌａｎｏ−ｃｏｎｖｅｘ ｌｅｎｓ）であって、観察対象物に対する取付面（底面）が平面である。固浸レンズを用いた観察においては、固浸レンズと半導体基板との間に隙間が発生すると、臨界角以上の入射光が全反射されて、臨界角以下の入射光しか伝搬できなくなり、実効的な開口数が臨界角で制限されることになる。ところが、固浸レンズと半導体基板裏面との間の隙間が、半導体中の光の波長と同程度になると、光はエバネッセント結合により伝搬することが可能になる。
しかし、平凸レンズと半導体基板裏面と隙間には、広い対峙領域に起因して、隙間の大きな部分が存在し、このような隙間が大きな部分では、透過光強度が急激に低下して、臨界角以下の入射光しか伝搬できなくなり、実効的な開口数が制限されてしまう。このように、平凸レンズを用いた検査では、平凸レンズ底面の面精度が高精度であることが要求されるため、製造コストの増大を招来する。さらに、半導体基板に対しても、接触面の面精度が要求されるため、半導体デバイスを検査するための前処理（半導体基板の研磨）において多大な労力を要するといった問題点がある。
加えて、平凸レンズ底面および基板における接触面の面精度を高精度にできたとしても、これらを光学的に結合させる際には、空気の流動抵抗が高いため、光学的結合を得るまでに長時間を要するといった問題点もある。
そこで、特公平７−１８８０６号公報においては、固浸レンズ本来の分解能を得る手法として、平凸レンズと観察対象物との間に高屈折率流体を介在させることにより、屈折率整合を利用するものを記載する。この手法は屈折率整合を利用するものであって、エバネッセント結合を利用するものとは異なる。高屈折率整合流体の代表的なものとして、砒素トリプロマイド／ジサルファイド／セレン化合物系が挙げられるが、砒素トリブロマイドは毒性と腐食性を有するので、取り扱いの上で問題がある。
また、米国特許第６５９４０８６号明細書に開示された固浸レンズでは、ｂｉ−ｃｏｎｖｅｘレンズである。このレンズでは、取付面が観察対象物と点で接触する凸状であるために（ｐｏｉｎｔ ｏｆ ｃｏｎｔａｃｔ）、平凸レンズに比して光学的結合性の確保に有利と考えられる。しかし、観察対象物との接触面積が非常に小さいので、観察対象となる半導体デバイスの基板が厚くなると、ＮＡの高い光束を通すことができなくなるので、固浸レンズ本来の高解像度、高集光性を得ることができないという問題があった。
この固浸レンズと観察対象物とを広い面積で密着させるためには、固浸レンズの底面と観察対象物との間に圧力を加える必要がある。ここで、図８に示すように、レンズの曲率半径が小さくなるにつれて密着に必要な圧力が高くなる。図８では、固浸レンズの底面の径２ｍｍまでを、観察対象物の平面部に密着させるために必要な圧力を示している。固浸レンズを用いた半導体デバイスの裏面解析においては、取り扱い時の強度も十分に考慮して半導体基板へ圧力を加えなければならない。過度の圧力を加えた場合、半導体基板表面に形成された集積回路にダメージを与えるおそれがあるからである。半導体デバイスの薄肉化という傾向を踏まえると、ｂｉ−ｃｏｎｖｅｘレンズでは、固浸レンズ本来の分解能を得られない。
また、圧力により半導体デバイスに歪みが生じるが、この状態は、半導体デバイスの実装状態と異なるため、実装状態と同様の動作条件で検査したいという要求を満たすことができない。歪みの生じた状態では、検査本来の目的と相反する結果を招来する可能性さえある。
さらに、このレンズでは、その形状上の特性から、半導体基板との位置関係が一意に定まらないという問題がある。半導体基板の接触面に対して傾いて取り付けられた場合、固浸レンズ底面の中央部の光学的結合は得られない。これを避けるためには、固浸レンズの精密な位置制御が必要となり、装置の大型化、高コスト化を招く。
そこで、本発明の課題は、開口数の高い光束を通すことができ、さらには、観察対象物に光学的に結合させる際に、位置制御が容易な固浸レンズ、及びそれを用いた顕微鏡を提供することにある。
上記課題を解決した本発明に係る固浸レンズは、観察対象物に取り付けられ、観察対象物の観察に用いられる固浸レンズであって、観察対象物に対する取付面が、トロイダル形状に形成されているものである。
本発明に係る固浸レンズは、観察対象物に対する取付面がトロイダル形状に形成されている。具体的には、固浸レンズの底面が、光軸対象回転面でない非球面（トロイダル面）であって、その１軸（母軸）で観察対象物に光学的に結合する形状をなすものである。光学的な結合に適切な形状をなす母軸は、直線または曲率半径の大きな円弧である。他方、他軸は、光学的な結合に好適な形状をなす母軸に比して曲率半径の小さな円弧であり、固浸レンズの取付け・取外しに好都合な形状をなす。なお、本発明では、光学的な結合に適切な形状をなす母軸が直線であり、他軸が円弧である曲面、すなわちシリンドリカル形状（シリンドリカル面）をもトロイダル形状（トロイダル面）に含むものである。
このため、光学的に結合した領域は、直線または曲率半径の大きな円弧をなす母線に沿って帯状に現れるので、ＮＡの高い光束を通すことができる。また、固浸レンズをその底面の母軸に沿って観察対象物に接触させているので、固浸レンズの位置制御が容易になる。さらには、観察後、固浸レンズに対して母線の側方からの極微弱な力により光学的結合を解除することができるので、固浸レンズの取外しに際し、観察対象物および固浸レンズを破損するおそれがない。
ここで、観察対象物における被取付面をＸ−Ｙ平面と設定したときに、トロイダル形状におけるＸ方向の曲率半径と、Ｘ方向の曲率半径よりも大きいＹ方向の曲率半径との割合が、１：３〜１：∞とされている態様とすることが好ましい。
この範囲の曲率半径となるトロイダル形状とすることにより、光学的に結合した領域は、曲率半径の大きな円弧をなすＹ方向に沿って帯状に現れるので、ＮＡの高い光束を通すことができる。また、固浸レンズをその底面のＹ方向に沿って観察対象物に接触させているので、固浸レンズの位置制御が容易になる。さらには、観察後、固浸レンズに対してＹ方向の側方からの極微弱な力により光学的結合を解除することができるので、固浸レンズの取外しに際し、観察対象物および固浸レンズを破損するおそれがない。
なお、トロイダル形状のＸ方向の曲率半径と、Ｘ方向の曲率半径よりも大きいＹ方向の曲率半径との割合が、１：３〜１：∞としたのは、Ｙ方向の曲率半径がＸ方向の曲率半径の３倍未満では、観察対象物に密着させる際の光学的結合性が不十分になってしまうおそれがあるからである。また、トロイダル形状のＸ方向の曲率半径とＹ方向の曲率半径とが１：∞となるとき、トロイダル形状はシリンドリカル形状となる。
また、本発明による顕微鏡は、観察対象物（試料）を観察するための顕微鏡であって、観察対象物からの光が入射する対物レンズを含み、観察対象物の画像を導く光学系と、上記した固浸レンズとを備えることを特徴とする。これにより、試料を好適に観察することが可能な顕微鏡が得られる。なお、観察対象物としては、例えば電子デバイス検査を行う場合の電子デバイスが挙げられる。また、光学系及び固浸レンズに対して、光学系によって導かれた観察対象物である試料の画像を取得する画像取得手段を設けても良い。
図１Ａ及び図１Ｂは、本実施形態に係る固浸レンズを半導体基板に取り付けた状態を示す（Ａ）側面図、及び（Ｂ）裏面図である。
図２は、本実施形態に係る固浸レンズを有する半導体検査装置のブロック構成図である。
図３Ａ及び図３Ｂは、固浸レンズと半導体デバイスとの密着状態を示す（Ａ）側面図、及び（Ｂ）正面図である。
図４Ａは、本実施形態に係る固浸レンズと半導体デバイスとの間の拡大断面図であり、図４Ｂは、従来例に係る固浸レンズと半導体デバイスとの間の拡大断面図である。
図５Ａ及び図５Ｂは、半導体デバイスから固浸レンズに光が伝達される状態を示す（Ａ）側面図、及び（Ｂ）正面図である。
図６は、実験１の実験方法の実施状態を示す側面図である。
図７は、実験２の実験方法の実施状態を示す側面図である。
図８は、固浸レンズの底面の曲率半径と、観察対象物とを密着させる際に必要な圧力との関係を示すグラフである。
図９は、従来の固浸レンズの構成及び使用条件の一例を示す図である。
図１０は、従来の固浸レンズの構成及び使用条件の他の例を示す図である。
図１１は、本発明による試料観察方法に用いられる固浸レンズの構成及び使用条件について示す図である。
図１２は、図１１に示した固浸レンズによる幾何学的収差特性及び色収差特性を評価するために用いられる仮想光学系を示す図である。
図１３は、図１２に示した仮想光学系を用いて評価された固浸レンズの特性を示すグラフである。
図１４は、本発明による試料観察方法に用いられる固浸レンズの構成及び使用条件の他の例について示す図である。
図１５は、本発明による固浸レンズ及び試料観察方法の他の実施形態を示す図である。
図１６は、試料の厚さとＳＩＬの厚さとの相関の一例を示すグラフである。
図１７Ａ及び図１７Ｂは、（Ａ）係数ｋが小さい場合の光の集束、及び（Ｂ）係数ｋが大きい場合の光の集束について示す側面図である。
図１８は、ＳＩＬでの係数ｋの値と対物レンズで必要とされる開口数ＮＡとの相関の一例を示すグラフである。
図１９は、ＳＩＬ＋試料の厚さとＳＩＬでの光軸上の到達ＮＡとの相関の一例を示すグラフである。
図２０は、対物レンズの構成を示す側面断面図である。
以下、図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。なお、各実施形態において、同一の機能を有する部分については同一の符号を付し、重複する説明は省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
図１Ａ及び図１Ｂは、本実施形態に係る固浸レンズを半導体基板に取り付けた状態を示す図であり、図１Ａは側面図、図１Ｂは裏面図である。
本実施形態に係る固浸レンズ１は、観察対象（検査対象）となる半導体デバイスの基板に取り付けられて用いられる。固浸レンズを用いた半導体デバイスの裏面解析においては、固浸レンズを半導体基板に光学的に結合させることにより、半導体基板自身を固浸レンズの一部として利用する。この手法によれば、対物レンズの焦点を半導体基板表面に形成された集積回路に合わせた際、固浸レンズの効果により、焦点位置が大気中より深くならないようにすることができるので、実効的な開口数の低下が抑えられ、短波長化による高分解能化が期待できる。
図１Ａ及び図１Ｂに示すように、本実施形態に係る固浸レンズ１は、球状部２および本発明の取付面となる底面部３を備えている。
また、底面部３は、シリンドリカル（円筒）形状をなしている。この固浸レンズ１の底面部３は、観察対象物である半導体デバイスの基板（以下、「半導体基板」という）１０の裏側表面に密着して取り付けられている、本発明の被取付面となる半導体基板１０の表面は、平面状となっており、図１Ｂに示すように、半導体基板１０の表面に対応する面にＸ−Ｙ座標を設定すると、固浸レンズ１における底面部３のＸ方向の曲率半径とＹ方向の曲率半径とが、１：∞とされている。また、固浸レンズ１の底面部３と半導体基板１０との光学結合領域Ｐは、シリンドリカル面の母線に沿って帯状に現れる。
さらに、固浸レンズ１の球状部２の形状は、収差がなくなる条件によって決められる。いま、固浸レンズ１の半径をＲ、屈折率をｎとすると、半球状を有する固浸レンズ１は、その球心が無収差物点となり、このときに開口数ＮＡおよび倍率はともにｎ倍となる。一方、超半球状を有する固浸レンズでは、球心からＲ／ｎだけ下方にずれた位置が無収差物点となり、このときに開口数ＮＡおよび倍率はともにｎ２倍となる。あるいは、球心と、球心からＲ／ｎだけ下方にずれた位置との間の位置を焦点とするなど、半導体デバイスＳに対する具体的な観察条件等に応じて、固浸レンズ１を設置してもよい。
また、半導体デバイスの検査を行う際、本発明の固浸レンズの材料としては、半導体デバイスの基板材料と実質的に同一またはその屈折率に近い、高屈折率の材料が好適に用いられる。その例としては、Ｓｉ、ＧａＰ、ＧａＡｓなどが挙げられる。なお、基板がガラスや、プラスチックからなる場合、固浸レンズ材料としては、ガラスまたはプラスチックが好適に選択される。
次に、本実施形態に係る固浸レンズを用いた半導体デバイスの検査方法とともに、本実施形態に係る固浸レンズの作用について説明する。この検査方法に用いられる半導体検査装置は、たとえばトランジスタや配線などからなる回路パターンが半導体基板上に形成された半導体デバイスを検査対象とし、半導体デバイスの画像を取得して、その内部情報を検査する検査装置である。
まず、半導体デバイスの検査方法に用いられる検査装置について説明する。図２は、本実施形態に係る固浸レンズを有する半導体検査装置のブロック構成図である。ここで、本発明による固浸レンズを用いた顕微鏡は、観察対象物である試料の観察を行う場合に一般に適用可能であるが、以下においては、主にその適用例である半導体検査装置（電子デバイス検査装置）及び検査方法について説明する。
図２に示すように、本実施形態に係る半導体検査装置は、半導体デバイスＳの観察を行う観察部Ａと、観察部Ａの各部の動作を制御する制御部Ｂと、半導体デバイスＳの検査に必要な処理や指示などを行う解析部Ｃとを備えている。また、本実施形態に係る半導体検査装置による検査対象となる半導体デバイスＳは、観察部Ａに設けられたステージ１８上に載置されている。
観察部Ａは、暗箱（図示していない）内に設置された画像取得部４と、光学系５と、本実施形態に係る固浸レンズ１とを有している。画像取得部４は、たとえば光検出器や撮像装置などからなり、半導体デバイスＳの画像を取得する手段である。また、画像取得部４と、ステージ１８上に載置された半導体デバイスＳとの間には、半導体デバイスＳからの光による画像を画像取得部４へと導く光学系５が設けられている。
光学系５には、その半導体デバイスＳに対向する所定位置に、半導体デバイスＳからの光が入射する対物レンズ２０が設けられている。半導体デバイスＳから出射、あるいは反射等された光は対物レンズ２０へと入射し、この対物レンズ２０を含む光学系５を介して画像取得部４に到達する。そして、画像取得部４において、検査に用いられる半導体デバイスＳの画像が取得される。
画像取得部４と光学系５とは、互いに光軸が一致された状態で一体に構成されている。また、これらの画像取得部４および光学系５に対し、ＸＹＺステージ１５が設置されている。これにより、画像取得部４および光学系５は、Ｘ，Ｙ方向（水平方向）およびＺ方向（垂直方向）それぞれで必要に応じて移動させて、半導体デバイスＳに対する位置合わせおよび焦点合わせが可能な構成となっている。
また、検査対象となる半導体デバイスＳに対して、検査部１６が設けられている。検査部１６は、半導体デバイスＳの検査を行う際に、必要に応じて、半導体デバイスＳの状態制御等を行う。検査部１６による半導体デバイスＳの状態の制御方法は、半導体デバイスＳに対して適用する具体的な検査方法によって異なるが、たとえば、半導体デバイスＳに形成された回路パターンの所定部分に電圧を供給する方法、あるいは、半導体デバイスＳに対してプローブ光となるレーザ光を照射する方法などが用いられる。
また、観察部Ａには、さらに固浸レンズ（ＳＩＬ）１が設置されている。半導体検査装置においては、この固浸レンズ１は、画像取得部４および光学系５と、ステージ１８上に載置された半導体デバイスＳとに対して移動可能に設置されている。具体的には、固浸レンズ１は、半導体デバイスＳから対物レンズ２０への光軸を含み、上記したように半導体デバイスＳの表面に密着して設置される挿入位置と、光軸を外れた位置（待機位置）との間を移動可能に構成されている。
さらに、固浸レンズ１に対し、固浸レンズ（ＳＩＬ）駆動部３０が設けられている。固浸レンズ駆動部３０は、固浸レンズ１を駆動して上記した挿入位置および待機位置の間を移動させる駆動手段である。また、固浸レンズ駆動部３０は、固浸レンズ１の位置を微小に移動させることにより、光学系５の対物レンズ２０に対する固浸レンズ１の挿入位置を調整する。なお、図２においては、対物レンズ２０と半導体デバイスＳとの間の挿入位置に設置された状態で固浸レンズ１を示している。
半導体デバイスＳを検査するための観察等を行う観察部Ａに対し、制御部Ｂおよび解析部Ｃが設けられている。
制御部Ｂは、観察制御部５１と、ステージ制御部５２と、固浸レンズ（ＳＩＬ）制御部５３とを有している。観察制御部５１は、画像取得部４および検査部１６の動作を制御することによって、観察部Ａにおいて行われる半導体デバイスＳの観察の実行や観察条件の設定などを制御する。
ステージ制御部５２は、ＸＹＺステージ１５の動作を制御することによって本検査装置における検査箇所となる画像取得部４および光学系５による半導体デバイスＳの観察箇所の設定、あるいはその位置合わせ、焦点合わせ等を制御する。また、固浸レンズ制御部５３は、固浸レンズ駆動部３０の動作を制御することによって、挿入位置および待機位置の間での固浸レンズ１の移動、あるいは固浸レンズ１の挿入位置の調整等を制御する。
解析部Ｃは、画像解析部６１と、指示部６２とを有している。画像解析部６１は、画像取得部４によって取得された画像に対して必要な解析処理等を行う。また、指示部６２は、操作者からの入力内容や、画像解析部６１による解析内容等を参照し、制御部Ｂを介して、観察部Ａにおける半導体デバイスＳの検査の実行に関する必要な指示を行う。
特に、本実施形態においては、解析部Ｃは、観察部Ａに固浸レンズ１および固浸レンズ駆動部３０が設置されていることに対応して、固浸レンズを用いた半導体デバイスＳの検査に関して必要な処理および指示を行う。
すなわち、対物レンズ２０と半導体デバイスＳとの間に固浸レンズ１を挿入する場合、観察部Ａにおいて、画像取得部４は、固浸レンズ１が挿入位置にある状態で固浸レンズ１から反射光を含む画像を取得する。また、解析部Ｃにおいて、画像解析部６１は、画像取得部４で取得された固浸レンズ１からの反射光を含む画像について、その反射光像の重心位置を求めるなどの所定の解析を行う。そして、指示部６２は、画像解析部６１で解析された固浸レンズ１からの反射光を含む画像を参照し、固浸レンズ制御部５３に対して、反射光像の重心位置が半導体デバイスＳでの検査箇所に対して一致するように、固浸レンズ１の挿入位置の調整を指示する。
続いて、本実施形態に係る半導体デバイスの検査方法（試料観察方法）について説明する。
まず、検査対象である半導体デバイスＳに対し、光軸を外れた待機位置に固浸レンズ１を設置した状態で観察を行う。ここでは、画像取得部４により、対物レンズ２０を含む光学系５を介して、半導体デバイスＳの観察画像である回路パターンのパターン画像を取得する。また、検査部１６によって半導体デバイスＳの状態を所定の状態に制御するとともに、半導体デバイスＳの異常箇所を検出するための異常観察画像を取得する。
次に、画像取得部４で取得されたパターン画像および異常観察画像を用いて、半導体デバイスＳに異常個所があるかどうかを調べる。異常個所がある場合にはその位置を検出するとともに、検出された異常個所を半導体検査装置による検査箇所（顕微鏡による観察箇所）として設定する。そして、設定された検査箇所が画像取得部４によって取得される画像の中央に位置するように、ＸＹＺステージ１５によって画像取得部４および光学系５を移動させる。
続いて、半導体デバイスＳにおける異常個所と判断された検査箇所に固浸レンズ１を設置し、半導体デバイスＳと対物レンズ２０との間に固浸レンズ１を挿入するが、固浸レンズ１を設置する前に、検査箇所に光学密着液を滴下し、半導体デバイスＳの検査箇所を濡らす。この光学密着液は、水に両親媒性分子を含有させたものからなる。光学密着液は、両親媒性分子を含有することから、疎水性表面である半導体基板上における表面張力を低下させる。この結果、疎水性表面での濡れ性が向上し、光学密着液が半導体デバイスＳの上で広がる。
ここで用いられる両親媒性分子としては、界面活性剤分子を用いるのが好適である。また、界面活性剤分子としては、イオン性界面活性剤分子および非イオン性界面活性剤分子を用いることもできる。イオン性界面活性剤としては、陽イオン性界面活性剤、陰イオン性界面活性剤、両性界面活性剤のいずれをも用いることができる。
界面活性剤は、通常、湿潤剤、浸透剤、起泡剤、消泡剤、乳化剤、帯電防止剤等として様々な用途に用いられるが、本発明では濡れ性に関わる湿潤性を有するもののほか、泡を抑える消泡性、帯電を抑える帯電防止性を有するのが好適である。帯電防止能を有する界面活性剤を使用することにより、帯電による空気の抱きこみを防止することもできる。また、消泡性を有する界面活性剤を使用することにより、光学密着液を供給する時の機械的な搬送あるいは攪拌による泡の発生を防止することができる。
また、界面活性剤の至適濃度範囲は、その界面活性剤の臨界ミセル濃度に対して、０倍より大きく４００倍以下とするのが好適である。４００倍より大きいと、光学密着液の粘性が上がりすぎる傾向にあり、かえって光学的な結合の妨げとなることがあるからである。また、より好ましい範囲は、その界面活性剤の臨界ミセル濃度に対して、０．５〜１００倍である。０．５倍より小さいと、光学密着液の表面張力を十分に下げられない傾向にあり、１００倍を超えると、光学密着液の粘性が上がりすぎる傾向にあるからである。同様の理由により、さらに好ましい範囲は、その界面活性剤の臨界ミセル濃度に対して、１倍〜１０倍の濃度の範囲である。
なお、本実施形態で用いられる光学密着液は、界面活性剤分子を含有するものに限定されるものではなく、親水基（カルボキシル基、スルホ基、第４アンモニウム基、水酸基など）と疎水基（親油基ともいう。長鎖の炭化水素基など）の両方をもつ分子であってもよい。たとえば、グリセリン、プロピレングリコール、ソルビトールなどの湿潤剤や、リン脂質、糖脂質、アミノ脂質などが挙げられる。
上記光学密着液を用いて半導体基板と固浸レンズとを光学的に結合させた状態では、半導体基板上に物理吸着した両親媒性分子の親水基と水分子との間にファンデルワールス力が働き、水分子が拘束されることで揮発が止まると考えられる。このとき、固浸レンズと半導体基板との距離は、例えば１／２０λ（λ：照射波長）以下とすることができ、その結果、固浸レンズと半導体基板との光学密着、さらには物理的固着が達成される。なお、本発明にいう「光学密着」とは、半導体基板と固浸レンズとがエバネッセント結合により光学的な結合が達成される状態をいう。
また、上記光学密着液以外の光学結合材料としては、例えば特公平７−１８８０６号公報に記載のような、固浸レンズと半導体基板とを屈折率整合させる屈折率整合流体（インデックスマッチング液など）が挙げられる。なお、屈折率整合流体と光学密着液とは異なるものであり、前者は流体の屈折率を介して高ＮＡを実現するが、後者はエバネッセント結合を補助する役割を有するものである。ここでは、光学密着液を用いた実施形態を詳述するが、屈折率整合流体を用いた形態であっても同様の効果が得られる。ただし、その場合、必ずしも流体を乾燥させる必要がないので、乾燥気体供給手段は省略される形態もある。
半導体基板上で光学密着液が広がったら、光学密着液が乾燥する前に、固浸レンズ１を設置し、半導体デバイスＳと対物レンズ２０との間に固浸レンズ１を挿入した後、固浸レンズ１の挿入位置の調整を行う。
ここで、光学密着液は両親媒性分子を含有することから、半導体デバイスＳの基板表面および固浸レンズ１の取り付け面に対して濡れ性を付与することができる。また、固浸レンズ１を設置する際には、固浸レンズ１の自重を利用する。したがって、微小な固浸レンズ１を半導体基板表面の所望の位置に、過度の圧力を加えることなく容易に設置することができる。まず、画像取得部４により、固浸レンズ１からの反射光を含む画像を取得する。固浸レンズ１の挿入位置の調整は、この画像に含まれる反射光像における固浸レンズ１の各部反射面からの反射光をガイドとして行われる。
固浸レンズ１の挿入位置の調整を行うにあたり、画像解析部６１では、固浸レンズ１からの反射光を含む画像に対して、自動で、または操作者からの指示に基づいて解析を行い、反射光像の重心位置を求める。また、指示部６２では、固浸レンズ制御部５３を介して固浸レンズ１および固浸レンズ駆動部３０に対して、画像解析部６１で得られた反射光像の重心位置が半導体デバイスＳでの検査箇所に対して一致するように、固浸レンズ１の挿入位置の調整を指示する。これにより、固浸レンズ１の半導体デバイスＳおよび対物レンズ２０に対する位置合わせが行われる。
さらに、指示部６２は、上記した固浸レンズ１の挿入位置の調整と合わせて、ステージ制御部５２を介してＸＹＺステージ１５に対して、固浸レンズ１が密着して設置されている半導体デバイスＳと、光学系５の対物レンズ２０との間の距離の調整を指示する。これにより、固浸レンズ１が挿入された状態における焦点合わせが行われる。
その後、固浸レンズ１にエアを吹き付けて光学密着液を蒸発、乾燥させて固浸レンズ１と半導体基板とを光学的に密着させる。固浸レンズ１における底面部３は、シリンドリカル形状に形成されていることから、固浸レンズ１は半導体デバイスＳに対して線接触する。具体的には、図３Ａに示すように、Ｘ方向には点でのみ接触し、図３Ｂに示すように、Ｙ方向に沿っては全体的に接触する。なお、図３Ａ及び図３Ｂにおいては、固浸レンズ１と半導体デバイスＳとの接触位置を波線で示している。
また、例えば、固浸レンズの底面部が半導体基板と１点で接触するように形成されていると、固浸レンズの底面部と半導体基板とを広い面積で密着させるためには、高い圧力を加える必要が生じる。ところが、本実施形態に係る固浸レンズ１では、底面部３がシリンドリカル形状に形成されている。またエバネッセント結合を補助する光学密着液を使用している。このため、固浸レンズ１に高い圧力を加えることなく、たとえば固浸レンズ１の自重のみで底面部３と半導体デバイスＳとを帯状に光学的な結合させることができ、さらには物理的な固着を実現することができる。したがって、半導体デバイスに過度の圧力を加えなくとも光学密着を得られるので、半導体デバイスＳを破損する危険性がない。
さらに、本実施形態に係る固浸レンズ１では、底面部３がシリンドリカル形状に形成されていることから、中心の１軸（母軸）方向は必ず半導体デバイスＳに線接触することになる。これに対して、たとえば底面部が半導体基板と１点で接触するように形成されているｂｉ−ｃｏｎｖｅｘレンズの場合には、固浸レンズが傾いて半導体基板に設けられたときに、中心部が光学的に結合しないことになる。したがって、本実施形態に係る固浸レンズ１では、中心部における光学結合性を良好なものとすることができる。また、固浸レンズの半導体基板との接触面積が１点接触のものに比して大きいので、半導体デバイスＳの基板が厚い場合であっても、高いＮＡの光束を確保することができる。さらには、位置決めが容易になる。
しかも、本実施形態に係る固浸レンズ１では、底面部３がシリンドリカル形状に形成されていることから、光学密着液の蒸発を短時間で済ませることができる。この点について、図４Ａ及び図４Ｂを参照して説明すると、たとえば図４Ｂに示すように、底面部が平面状である固浸レンズ（平凸レンズ）６を用いた場合、光学密着液Ｗは、固浸レンズ６と半導体デバイスＳとの間に挟まれ、横方向にしか蒸発に寄与する開放面がないので、蒸発に時間がかかる。
これに対して、図４Ａに示すように、本実施形態に係る固浸レンズ１では、底面部３がシリンドリカル形状に形成されていることにより、光学密着液Ｗは、広い範囲に向けて蒸発する。このため、短時間で蒸発を済ませることができ、固浸レンズ１と半導体デバイスＳとを素早く密着固定させることができる。
さらに、固浸レンズ１の底面部３におけるシリンドリカル形状の軸方向に対する側方からエアを吹き付けることにより、より素早く光学密着液を蒸発させることができる。
こうして、固浸レンズ１を半導体デバイスＳに密着させたら、固浸レンズ１を含む光学系を介して、拡大された半導体基板の観察画像を取得する。観察画像は、半導体デバイスからの光が画像取得部４に導かれることによって取得される。
また、観察画像を取得する際、半導体デバイスＳからの光は、半導体デバイスＳと固浸レンズ１との光学密着部分を通過する。ここで、固浸レンズ１は、少なくともＹ方向で半導体デバイスＳとは確実に密着しているので、中心部の密着を確実に得ることができる。このため、図５Ａに示すように、Ｘ方向に向けた光Ｌは、固浸レンズの取り付け面と半導体基板との間の隙間が、半導体中の光の波長より大きくなる領域については、臨界角以上の入射光が全反射されることにより、固浸レンズ１の通過量が小さい。これに対して、図５Ｂに示すように、Ｙ方向に向けた光は確実に固浸レンズ１を通過する。このように、固浸レンズ１を通過する光の方向を安定させることもできる。
こうして観察画像を取得したら、拡大観察画像を取得した後、半導体デバイスＳにおける固浸レンズ１を取り付けた位置の周辺に、光学密着液の溶媒（以下「溶媒」という）を滴下して固浸レンズ１の取り付け位置を濡らす。溶媒を滴下することにより、半導体デバイスＳと固浸レンズ１との間にこの溶媒が浸入し、半導体デバイスＳと固浸レンズ１との間の光学的結合および物理的固着が解かれる。
このとき、固浸レンズ１の底面部３はシリンドリカル形状に形成されており、半導体デバイスＳとの間に開放面を有している。このため、固浸レンズ１と半導体デバイスＳとを分離させる際に、溶媒の浸透が速くなり、固浸レンズ１と半導体デバイスＳとの分離を短時間で行うことができる。
このようにして、溶媒を用いて半導体デバイスＳと固浸レンズ１との間の物理的固着を解くことにより、ごく弱い力で固浸レンズ１を剥がすことができるので、半導体デバイスＳを傷つけないようにすることができる。また、固浸レンズ１をも傷つけないようにすることができるので、固浸レンズ１を長期にわたって利用することもできる。なお、ここでは溶媒を滴下しているが、光学密着液を滴下させても、半導体デバイスＳと固浸レンズ１とを傷つけることなく、半導体デバイスＳと固浸レンズ１との光学的密着および物理的固着を解くことができる。
こうして検査箇所の検査が済んだら、固浸レンズ１を他の検査箇所または待機位置に移動させ、検査箇所の検査が終了する。
このように、本実施形態に係る半導体デバイスの検査方法では、固浸レンズ１として、その底面部３がシリンドリカル形状を形成しているものを用いている。このため、平凸レンズに比して、固浸レンズ１を半導体デバイスＳに対して短時間で光学密着させ、また分離させることができる。また、固浸レンズ１と半導体デバイスＳとの間で高い密着性を得ることができる。さらには、半導体デバイスＳの破損を防止することができる。
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明に係る固浸レンズとしては、底面がシリンドリカル形状のものに限られず、他のトロイダル形状に形成された態様とすることもできる。ここで、半導体デバイスのＸ−Ｙ平面において、トロイダル形状の曲率が大きくなる方向をＹ方向に設定したとき、トロイダル形状の曲率は、Ｘ方向の曲率半径と、Ｙ方向の曲率半径との割合が１：３〜１：∞の範囲となるように設定するのが好適である。Ｙ方向の曲率半径がＸ方向の曲率半径の３倍未満では、半導体デバイスに密着させる際の物理的な固着度、または光学的性能の何れかが不十分になってしまうからである。
以上の実施形態では、半導体デバイスＳと固浸レンズ１との間における光学密着液に両親媒性分子を含有させるものとしたが、これに代えて、固浸レンズ１における半導体デバイスＳとの取り付け面に親水処理を施すようにすることもできる。
光学密着液が両親媒性分子を含有することにより、濡れ性が向上するのは、疎水性である表面に親水基が付着することに起因する。このため、光学密着液が両親媒性分子を含有していない場合でも、固浸レンズ１の半導体デバイスＳとの取り付け面および半導体デバイスＳの固浸レンズ１との取り付け面が、疎水性であったとしても、これらの面に親水基を付着させる親水処理を施すことにより、濡れ性を向上させることができる。なお、半導体デバイスＳの表面がもともと親水性である場合には、その表面は親水処理しなくとも、濡れ性を確保することができる。
こうして、固浸レンズ１および半導体デバイスＳのそれぞれの取り付け面に濡れ性を付与することにより、両親媒性分子を含有する光学密着液を用いた場合と同様、半導体デバイスＳの基板上における所望の検査箇所に光学密着液を的確にとどめることができる。また、半導体デバイスＳと固浸レンズ１との光学的な密着性を、過度の圧力を加えることなく確実なものとすることができる。
固浸レンズ１や半導体デバイスＳに親水処理を施す方法としては、親水基を物理吸着させて一時的に付着させる方法がある。親水基を物理吸着させる具体的な方法としては、親水処理を施す面に、界面活性剤や、アミノ酸、タンパク質などの両親媒性分子の水溶液を塗布し、乾燥させる方法などがある。また、親水処理を施す方法としては、親水基を化学吸着させて表面改質を行う方法もある。親水基を化学吸着させる方法としては、ＵＶ（紫外）光を照射する方法、ウェットプロセスによる方法（たとえば、硫酸と過酸化水素と水とを加えた溶液を塗布する）、さらにドライプロセスによる方法（たとえばイオンビームを照射する）などの方法がある。
以上、本発明の好適な例について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。たとえば、上記実施形態では、両親媒性分子を含有する光学密着液を操作者が滴下するようにしているが、光学密着液滴下装置（光学結合材料を供給するための光学結合材料供給装置）を別途設ける態様とすることもできる。また、光学密着液を乾燥させるためのエア吹き付け装置や、吸水シート押し付け装置などを設ける態様とすることもできる。さらに、半導体デバイスを濡らす手段としては、光学密着液を滴下する態様のほか、光学密着液を薄く伸ばして塗る態様、噴霧する態様、蒸気で湿らす態様など、種々の態様とすることもできる。この場合、光学密着液の乾燥が早いので、乾燥を促す作業を省くことができる。
また、上記実施形態に示す半導体検査装置のほか、高感度カメラを用いたエミッション顕微鏡、ＯＢＩＲＣＨ解析装置、時間分解エミッション顕微鏡、熱線画像解析装置などによる検査を行う場合にも、本発明の固浸レンズを用いることができる。一般に、上記した固浸レンズを用いた顕微鏡については、観察対象物を観察するための顕微鏡であって、観察対象物からの光が入射する対物レンズを含み観察対象物の画像を導く光学系と、上記構成の固浸レンズとを備えて構成すれば良い。また、光学系及び固浸レンズに対して、上記したように、光学系によって導かれた観察対象物（試料）の画像を取得する画像取得手段を設けても良い。
次に、本発明の実施例について説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
（実験１）
実験１では、固浸レンズを半導体デバイスに光学的に密着させた状態における検査時の半導体デバイスの輝度および観察後における固浸レンズと半導体デバイスとの分離容易性を測定した。この実験は、上記実施形態で説明した固浸レンズ１を用いた実施例と、従来の固浸レンズを用いた比較例とについて行った。従来の固浸レンズの取付面は、面粗度が良好な平面とされている（平凸レンズ）。
ここで、実施例に係る固浸レンズとしては、Ｘ方向の曲率半径とＹ方向の曲率半径とはおよそ１：４である。
この実験の手順を説明すると、まず固浸レンズと、半導体デバイスとを界面活性剤を含有する水（以下、光学密着液という。）で密着させ、図２に示す半導体検査装置で輝度を測定した。続いて、半導体基板における固浸レンズが取り付けられている部分に光学密着液Ｗを滴下した後、図６に示すように、半導体デバイスＳを２秒周期で角度θ≒３０°で左右交互に傾けるようにして動かし、固浸レンズ１が動き出すまでの時間を測定した。この実験を複数回行った。
この実験の結果において、半導体デバイスを傾けてはじめてから２０秒以内で固浸レンズ１が動き出す確率を求めた。その結果を表１に示す。
（実験２）
実験２では、固浸レンズと半導体デバイスとの物理的な固着度を測定した。この実験では、上記実験１と同様の実施例および比較例に係る固浸レンズをそれぞれ用いた。
この実験の手順を説明すると、固浸レンズと、半導体デバイスとを上記光学密着液で光学的に密着させた。この状態で、図７に示すように、固浸レンズ１に圧力Ｆを加えて固浸レンズ１が動き出す圧力の大きさを測定した。この実験を実施例（本発明に係る固浸レンズ）および比較例について行った。その結果を密着剥離力として、表１に示す。ここで、比較例の固浸レンズは、実験１と同様のものを用いた。
Figure 0004536654
表１からわかるように、実験１における輝度の測定では、実施例は比較例に若干劣るものの、ほぼ同じ輝度値を示すものである。この結果から、実施例および比較例とも、半導体デバイスを観察する際に輝度値に大きな違いがないことがわかった。
また、光学密着液を滴下した後、固浸レンズが動き出す確率は、実施例が約７０％であるのに対して、比較例は約２０％と非常に低い結果となった。この結果から、観察後、半導体デバイスから固浸レンズを分離させる際、実施例の方が比較例よりも非常に容易に固浸レンズを分離させることができることがわかった。
さらに、半導体デバイスに密着させた固浸レンズに力を加えた際、本実施形態に係る固浸レンズは、約３０ｇ重の力で動き出すのに対して、比較例では約５０ｇ重の力で動き出した。従来例では、固浸レンズと半導体デバイスとの密着面積が大きいことから、密着剥離力は強いものとなっているが、比較例に対して、実施例は、密着剥離力が大きく劣ることはないという結果となった。
本発明による固浸レンズについて、さらに説明する。
固浸レンズ（ＳＩＬ）では、上記した半球形状または超半球形状の構成、及びそれに対応して設定される試料観察面において、球面収差及びコマ収差を生じないアプラナティックな結像が得られることが知られている。しかしながら、このようなＳＩＬの構成及び使用条件では、収差がなくなる位置はいずれも１点のみであり、したがって、ＳＩＬの用途は光ピックアップなどに限られている。
すなわち、上記したＳＩＬで用いられている試料観察面では、広い範囲で試料を観察しようとすると、像面特性が良くない。このため、ＳＩＬを用いて試料の像を観察しようとすると、得られる像ではその周辺部で中央部に比べて分解能が低くなったり、像面湾曲の影響で周辺あるいは中心付近が見えなくなったりするなど、観察に使用可能な視野が制限されてしまうなどの問題があった。
これに対して、固浸レンズは、屈折率ｎＬの材質により曲率半径ＲＬの球面状の光学面を有して形成され、観察対象物（試料）の屈折率が屈折率ｎＬと等しいとしたときの仮想の観察面までの頂点からの光軸に沿った距離が、幾何学的収差特性が所定の条件を満たすように設定された係数ｋ（０＜ｋ＜１）により、Ｌ＝ＲＬ＋ｋ×（ＲＬ／ｎＬ）とされるとともに、観察対象物（試料）の屈折率をｎＳ、現実の観察面までの観察対象物（試料）の厚さをｔＳとしたときに、光軸に沿った厚さがｄＬ＝Ｌ−ｔＳ×（ｎＬ／ｎＳ）を満たすように構成することが好ましい。
上記した固浸レンズにおいては、固浸レンズによる幾何学的収差特性を評価することによって設定された係数ｋを用いるとともに、観察対象物となる基板などの試料の屈折率ｎＳ及び厚さｔＳを考慮してレンズ形状を設定している。これにより、上記したように観察に使用可能な視野を広くしつつ、試料における所望の観察部位を良好に観察することが可能となる。
特に、試料に対する取付面をトロイダル形状とする上記した構成と、幾何学的収差特性を評価することによって設定された係数ｋを用いるとともに、観察対象物となる基板などの試料の屈折率ｎＳ及び厚さｔＳを考慮してレンズ形状を設定する構成とを組み合わせた固浸レンズとすることにより、ＮＡの高い光束を通すことができ、試料に光学的に結合させる際に固浸レンズの位置制御が容易となるとともに、観察に使用可能な視野を広くしつつ、試料における所望の観察部位を良好に観察することが可能となる固浸レンズが実現される。なお、上記のように取付面をトロイダル形状とした固浸レンズにおいては、固浸レンズの光軸Ａｘに沿った厚さｄＬは、固浸レンズの頂点から、試料側のレンズ面（固浸レンズと試料とが最も近接した部位）までの距離となる。
上述した固浸レンズでは、係数ｋは、０．５＜ｋ＜０．７の範囲内の値であることが好ましい。このとき、固浸レンズによる像面特性が実質的にフラットとなる条件での観察が可能となる。
あるいは、係数ｋは、０＜ｋ≦０．５の範囲内の値であることが好ましい。このとき、固浸レンズによる色収差、球面収差が実質的に低減された条件での観察が可能となる。
また、固浸レンズを用いた試料観察方法については、屈折率ｎＬの材質により曲率半径ＲＬの球面状の光学面を有して形成された固浸レンズを用い、固浸レンズによる幾何学的収差特性が所定の条件を満たすように設定された係数ｋ（０＜ｋ＜１）により、光学面の球心から光軸に沿ってｋ×（ＲＬ／ｎＬ）だけ下流側にある点を含み光軸に略直交する面を試料観察面として、固浸レンズを用いた試料（観察対象物）の観察を行うことが好ましい。
上記した試料観察方法においては、球心を含む面を試料観察面とする半球形状に対応した構成、あるいは、球心から光軸に沿ってＲＬ／ｎＬだけ下流側にある点を含む面を試料観察面とする超半球形状に対応した構成を用いず、固浸レンズによる幾何学的収差特性を評価することによって係数ｋを設定する。そして、その係数ｋによって決められる点を含む面を試料観察面として、試料の観察を行っている。これにより、観察に使用可能な視野を広くして、固浸レンズを用いて試料の像を良好に観察することが可能となる。
ここで、固浸レンズによる幾何学的収差特性の評価については、固浸レンズの後側焦点面を瞳面とした仮想光学系を用いて幾何学的収差特性を評価し、その評価結果に基づいて係数ｋを設定することが好ましい。これにより、瞳面を固浸レンズの後側焦点面にすることで物側テレセントリックにすることができ、レーザスキャン等での反射光観察の実際に則した形とすることができる。実際の顕微鏡に組合せて使用する場合には、顕微鏡対物レンズの瞳位置は瞳としての機能はなくなり、固浸レンズを含んだ光学系の瞳は、固浸レンズの後側焦点位置となってしまうことがわかった。
また、固浸レンズによる幾何学的収差特性を、球欠的像面、子午的像面、または球欠的像面及び子午的像面の平均像面によって評価し、その評価結果に基づいて係数ｋを設定することが好ましい。これにより、固浸レンズによる試料観察面での幾何学的収差特性を良好に設定することができる。
また、上記試料観察方法においては、固浸レンズが、光軸に沿った厚さがｄＬ＝ＲＬ＋ｋ×（ＲＬ／ｎＬ）であり、試料観察面は、試料側の固浸レンズのレンズ面と一致していることとしても良い。あるいは、固浸レンズが、光軸に沿った厚さがｄＬ＜ＲＬ＋ｋ×（ＲＬ／ｎＬ）であり、試料観察面は、試料の屈折率が固浸レンズの屈折率ｎＬと等しいとしたときの仮想の観察面であるとともに、試料の屈折率をｎＳ、現実の観察面までの試料の厚さをｔＳとしたときに、固浸レンズの厚さは、頂点から仮想の観察面までの光軸に沿った距離Ｌ＝ＲＬ＋ｋ×（ＲＬ／ｎＬ）に対して、ｄＬ＝Ｌ−ｔＳ×（ｎＬ／ｎＳ）を満たすこととしても良い。
まず、本発明による固浸レンズ（ＳＩＬ）、及びそれを用いた試料観察方法の概略について、従来用いられているＳＩＬの構成及び使用条件とともに説明する。なお、以下においては、主に、ＳＩＬの光軸に沿った厚さの設定等に関して説明するが、ＳＩＬの試料（観察対象物）に対する取付面のトロイダル形状、その効果、及び取付面をトロイダル形状とした場合のＳＩＬの厚さの定義等に関しては、上述した通りである。
図９は、従来のＳＩＬの構成及び使用条件の一例を示す図である。図９に示すＳＩＬ１０８は、屈折率ｎ、曲率半径Ｒの半球形状を有するレンズである。このようなＳＩＬ１０８では球心が焦点となっており、その球心を含む面が試料観察面１８０に設定される。また、試料観察における開口数ＮＡ及び倍率はともにｎ倍となる。このような構成においてＳＩＬ１０８の像面特性を考えると、図９に示すように、焦点から離れるにしたがって像面が下流側にずれる像面湾曲が生じる。
図１０は、従来のＳＩＬの構成及び使用条件の他の例を示す図である。図１０に示すＳＩＬ１０９は、屈折率ｎ、曲率半径Ｒの超半球形状を有するレンズである。このようなＳＩＬ１０９では球心から光軸に沿ってＲ／ｎだけ下流側にある点が焦点となっており、その点を含む面が試料観察面１９０に設定される。また、試料観察における開口数ＮＡ及び倍率はともにｎ２倍となる。このような構成においてＳＩＬ１０９の像面特性を考えると、図１０に示すように焦点から離れるにしたがって像面が上流側にずれる図９とは逆方向の像面湾曲が生じる。
本願発明者は、ＳＩＬを用いた試料観察におけるこのような像面湾曲の発生について詳細に検討した結果、上記した構成で焦点とされている球心と、球心から光軸に沿ってＲ／ｎだけ下流側にある点との間では、倍率がｎ倍とｎ２倍との間で変化するとともに、その像面湾曲も、図９及び図１０に示した逆方向の像面湾曲の間で変化していくことを見出した。本発明によるＳＩＬを用いた試料観察方法は、このような知見に基づき、イメージングに適した構成及び使用条件でＳＩＬを用いて試料の像の観察を行うものである。
図１１は、本発明による試料観察方法、及びそれに用いられる固浸レンズの一実施形態の構成及び使用条件について示す図である。本試料観察方法においては、観察対象となる試料１０２に対し、試料１０２からの光像を拡大するレンズとして、屈折率ｎＬの材質によって形成されたＳＩＬ１０１を用いている。このＳＩＬ１０１は、軸Ａｘを光軸とし、点Ｃを球心とした曲率半径ＲＬの球面状の光学面１１０をレンズ面として形成されている。
このようなＳＩＬ１０１を用いた試料観察において、球面状のレンズ面１１０の球心Ｃから光軸Ａｘに沿ってｋ×（ＲＬ／ｎＬ）だけ下流側にある点を焦点とする。そして、この焦点を含み光軸Ａｘに略直交する面１２０を試料観察面として、ＳＩＬ１０１を用いた試料の観察を行う。
ここで、ＳＩＬ１０１による焦点及び試料観察面１２０の球心Ｃからみた位置を決める上記した係数ｋは、０＜ｋ＜１の範囲内において設定される係数である。したがって、この焦点の位置は、球心Ｃと、球心Ｃから光軸に沿ってＲＬ／ｎＬだけ下流側にある点との間の位置となっている。特に、この係数ｋは、ＳＩＬ１０１による幾何学的収差特性が所定の条件を満たすように設定される。
すなわち、上述したように、球心Ｃと、球心Ｃから光軸Ａｘに沿ってＲＬ／ｎＬだけ下流側にある点との間では、倍率及び像面湾曲が順次変化していく。このような特性の変化に対し、ＳＩＬ１０１による幾何学的収差特性及びその変化等を評価し、その評価結果に基づいて適切な係数ｋの設定、及びそれによる焦点の選択を行う。そして、その係数ｋによって決められる点を含む面を試料観察面１２０として、試料１０２の像の観察を行う。このとき、像面湾曲を小さくし、かつ、収差の劣化を充分に小さく抑えた条件でＳＩＬ１０１を使用することができる。これにより、観察に使用可能な視野を広くして、ＳＩＬ１０１を用いて試料１０２の像を良好に観察することが可能となる。
なお、図１１に示す例では、係数ｋによって決まる試料観察面１２０が、試料１０２側にあるＳＩＬ１０１の平面状のレンズ面と一致している。また、このとき、ＳＩＬ１０１の頂点から試料１０２側のレンズ面までの距離、すなわちＳＩＬ１０１の光軸Ａｘに沿った厚さは、ｄＬ＝ＲＬ＋ｋ×（ＲＬ／ｎＬ）となっている。
以下、ＳＩＬ１０１を用いた試料の像の観察における収差及び像面特性の評価方法、及びＳＩＬ１０１の好適な構成、使用条件等について、図１２及び図１３を用いて具体的に説明する。図１２は、図１１に示したＳＩＬによる幾何学的収差特性及び色収差特性を評価するために用いられる仮想光学系を示す図である。また、図１３は、図１２に示した仮想光学系を用いて評価されたＳＩＬの特性を示すグラフである。
ここで、図１２において、ｎは屈折率、ｓは物体面から主平面までの距離、ｈは光線の高さを示す。また、上付きバーは、主光線に関する量を表す。ただし、明細書中においては、例えば「ｈ１」に上付きバーを付したものを「ｈ− １」などのように表記する。
まず、ＳＩＬによる像面特性を評価する仮想光学系について説明する。ここでは、図１２に示すように、ＳＩＬ１０１の材質としてシリコン（Ｓｉ）を想定し、その屈折率をｎ３＝ｎＬ＝３．５とする。また、屈折率ｎ３のＳＩＬ１０１の内部以外の領域については、屈折率をｎ１＝ｎ２＝１とする。また、球心Ｃを中心とした球面状に形成されたレンズ面１１０については、その曲率半径をｒ２＝ＲＬ＝１とする。
このようなＳＩＬ１０１に対し、その収差及び像面特性を評価するため、ＳＩＬ１０１の後側焦点面を瞳面とした仮想光学系を導入する。具体的には、図１２に示すように、無収差の仮想対物レンズ１０３を導入し、ＳＩＬ１０１の後側焦点Ｆに配置する。ＳＩＬ１０１のレンズ面１１０の面頂と、後側焦点Ｆとの間の距離ｓ１はｓ１＝ｒ２／（ｎ３−ｎ２）により求まり、ｎ３＝３．５の上記した例ではｓ１＝０．４×ＲＬ＝０．４となる。
また、この無収差の仮想対物レンズ１０３の焦点距離をｆｉとし、前側焦点位置をＦ’とする。ＳＩＬ１の厚さｓ２’は、仮想対物レンズ１０３からｕ１＝０、ｈ１で出た光が、レンズ面１１０によって結ぶ焦点位置からレンズ面１１０の面頂までの距離とする。このような仮想対物レンズ１０３を導入した仮想光学系を用いてＳＩＬ１０１の評価を行うことにより、光学系全体の入射瞳は、レンズ面１１０からｓ１＝０．４×ＲＬだけ離れた位置にある仮想対物レンズ１０３上に設定される。また、このように入射瞳等を設定することにより、ＳＩＬ１０１の内部でテレセントリックとなり、レーザスキャンによる反射光観察のような実際の観察系に則した形とすることができる。これにより、ＳＩＬ１０１による収差及び像面特性を適切に評価することができる。
図１２には、上記したＳＩＬ１０１及び仮想対物レンズ１０３による光学系の構成と合わせて、２つの光線ｌ１、ｌ２を図示している。これらのうち、光線ｌ１は、光軸Ａｘとのなす角がｕ１＝０、光線の高さが仮想対物レンズ１０３においてｈ１、ＳＩＬ１０１のレンズ面１１０においてｈ２であり、仮想対物レンズ１０３よりも上流側で光軸Ａｘに平行な光線となっている。また、この光線ｌ１は、試料観察面１２０に相当する面Ｓ’において光軸Ａｘ上の点を通っている。また、光線ｌ１について点線で示したＳＩＬ１０１がない場合の光線は、仮想対物レンズ１０３による焦点面Ｓにおいて光軸Ａｘ上の点Ｆ’を通っている。
また、光線ｌ２は、光軸Ａｘとのなす角がｕ− １、光線の高さが仮想対物レンズ１０３においてｈ− １＝０、ＳＩＬ１のレンズ面１１０においてｈ− ２であって、レンズ面１１０よりも下流側で光軸Ａｘに平行な光線となっている。また、この光線ｌ２は、仮想対物レンズ１０３において光軸Ａｘ上の点Ｆを通り、試料観察面Ｓ’において光軸Ａｘとの距離がＹ’となっている。また、光線ｌ２について点線で示したＳＩＬ１０１がない場合の光線は、焦点面Ｓにおいて光軸Ａｘとの距離がＹとなっている。
また、ＳＩＬ１０１のレンズ面１１０の面頂から焦点面Ｓまでの距離をｓ２、試料観察面Ｓ’までの距離、すなわちＳＩＬ１０１の厚さをｓ２’＝ｄＬとする。以上の構成及び条件を有する図１２の仮想光学系において、ＳＩＬ１０１の球面収差係数Ｉ、コマ収差係数ＩＩ、非点収差係数ＩＩＩ、ペッツバール和Ｐ、球欠的像面の湾曲ＩＩＩ＋Ｐ、及び子午的像面の湾曲３ＩＩＩ＋Ｐの各収差係数をＳＩＬ１０１の厚さｄＬで表すと、それぞれ以下の式（１）〜（６）のように求められる。
Figure 0004536654
ここで、Ｑ２はアッベの不変量である。また、Ｑ２及びＪ２は、以下の式で表される。
Figure 0004536654
また、ペッツバール像面、球欠的像面、及び子午的像面の曲率（実寸）は、それぞれ以下のようになる。
Figure 0004536654
図１３に、上記の式によってそれぞれ求めた球面収差係数Ｉ、コマ収差係数ＩＩ、非点収差係数ＩＩＩ、球欠的像面の湾曲ＩＩＩ＋Ｐ、及び子午的像面の湾曲３ＩＩＩ＋Ｐの各収差係数と、球欠的像面及び子午的像面の平均像面とのグラフを示す。このグラフにおいて、横軸はＳＩＬの厚さｓ２’＝ｄＬを示し、縦軸は各収差係数の値を示している。また、この横軸に示す厚さｄＬと、図１１に示した係数ｋとは、図１２においてＲＬ＝１としていることにより、ｋ＝ｎＬ×（ｄＬ−１）＝３．５×（ｄＬ−１）の関係を有している。
図１３に示す各グラフより、球心を含む面を試料観察面とした場合（図９参照）に対応するｄＬ＝ＲＬ＝１の点、及び、球心から光軸に沿ってＲＬ／ｎＬだけ下流側にある点を含む面を試料観察面とした場合（図１０参照）に対応するｄＬ＝ＲＬ＋ＲＬ／ｎＬ＝１．２８６の点では、それぞれ球面収差係数Ｉ及びコマ収差係数ＩＩがともに零となっており、アプラナティック条件を満たしている。しかしながら、これらの点では、上記したように像面湾曲が生じている。なお、ｄＬ＝１の点では、球欠的像面の湾曲ＩＩＩ＋Ｐも零となっている。また、ｄＬ＝１．２８６の点では、非点収差係数ＩＩＩも零となっている。
これに対して、球欠的像面及び子午的像面の平均像面についてみると、ｄＬ＝ＲＬ＋ｋ（ＲＬ／ｎＬ）＝１．１６３×ＲＬ＝１．１６３の点において、像面がフラットになっていることがわかる。すなわち、像面がフラットで視野が広く取れる条件である、平均像面が光軸に垂直な平面となる条件を満たすためには、像面の湾曲がＩＩＩ＋Ｐ＝−（３ＩＩＩ＋Ｐ）となれば良い。この条件から、上記した各式よりｄＬ＝１．１６３が得られる。また、このとき、試料観察面に対して設定される係数ｋは、約０．６（ｋ＝０．５７）と求められる。このように求められた係数ｋを適用した構成及び使用条件でＳＩＬ１０１を用いて試料観察を行うことにより、広い視野で、良好な試料の像を取得することが可能となる。
なお、ＳＩＬの外側でテレセントリックとなる通常の入射瞳位置の条件で計算を行った場合、平均像面がフラットとなるのはＳＩＬの厚さが１．２７４×ＲＬの点となり、上記した結果とは全く異なる計算結果となっている。
本発明による固浸レンズ、及びそれを用いた試料観察方法は、上記した実施形態に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、上記した例では、ＳＩＬの材質の例としてシリコンを挙げているが、シリコン以外にも、適用する試料の材質や観察条件等に応じて様々な材質を用いて良い。
また、上記した例では、ＳＩＬの屈折率を３．５＝一定としている。これは、単一波長での試料観察の場合、または波長による屈折率変化が無視できる場合に対応している。したがって、上記のようにｋを０．６近傍とする条件は、単一波長の光によって試料に対して観察、検査等を行う場合に有効である。
これに対して、例えば７５０ｎｍ〜１０５０ｎｍの波長幅で観察を行う場合など、観察の波長幅が広い発光観察等においては、シリコンからなるＳＩＬでは、ｋを０．３程度とすることにより、色収差とその他の収差とがバランスする。このように、必要があれば、観察を行う波長幅を考慮して像面特性の評価及び係数ｋの設定等を行うことが好ましい。
また、係数ｋについては、上記した例では、平均像面がフラットになる点によって係数ｋを設定している。これにより、ＳＩＬによる試料観察面での像面特性を良好に設定することができる。ただし、この係数ｋの設定については、平均像面がフラットになる点の近傍で所定の条件範囲内にある点によって設定する方法を用いても良い。あるいは、平均像面ではなく、球欠的像面、または子午的像面がフラットになる点によって係数ｋを設定しても良い。
また、試料に対するＳＩＬの設置方法については、図１１では試料１０２の表面が試料観察面１２０となっている構成を示したが、このような構成に限られない。図１４は、本発明による試料観察方法に用いられる固浸レンズの構成及び使用条件の他の例について示す図である。この例では、試料であるシリコン基板１０２に対して、同じくシリコンからなるＳＩＬ１０１を適用するとともに、基板１０２の裏面が試料観察面１２０となっている。
このような構成では、シリコン基板１０２の所定部分がＳＩＬ１０１の下流側部分として機能することによって、表面を試料観察面１２０とする場合と同様に、試料の像を観察することができる。このような観察方法は、例えば、半導体デバイスを裏面観察によって検査するような場合に適用することができる。
本発明による固浸レンズ、及びそれを用いた試料観察方法についてさらに説明する。
図１５は、本発明による固浸レンズ及び試料観察方法の他の実施形態を示す図である。本試料観察方法においては、観察対象となる試料１０７（例えば半導体デバイス）に対し、試料１０７からの光像を拡大するレンズとして、屈折率ｎＬの材質によって形成されたＳＩＬ１０６を用いている。このＳＩＬ１０６は、軸Ａｘを光軸とし、点Ｃを球心とした曲率半径ＲＬの球面状の光学面１６０をレンズ面として形成されている。なお、本実施形態においても、係数ｋの設定については図１１の実施形態と同様である。
図１５では、試料１０７において、そのＳＩＬ１０６とは反対側の面が観察面１７１（例えば半導体デバイスのデバイス面）とされている。また、この試料１０７に対し、ＳＩＬ１０６は、その試料１０７側で平面状のレンズ面が試料１０７の裏面１７２に密着するように配置されている。ここで、試料１０７の屈折率をｎＳ、試料１０７の厚さをｔＳとする。この厚さｔＳは、裏面１７２からＳＩＬ１０６による現実の観察面である観察面１７１までの光軸Ａｘに沿った試料１０７の厚さである。
このような構成において、試料１０７の観察面１７１に焦点を合わせるため、ＳＩＬ１０６の光軸Ａｘに沿った厚さは、ｄＬ＜ＲＬ＋ｋ×（ＲＬ／ｎＬ）となっている。また、図１１に関して上述した、レンズ面１６０の球心Ｃから光軸Ａｘに沿ってｋ×（ＲＬ／ｎＬ）だけ下流側にある点を含み光軸Ａｘに略直交する試料観察面１７０（０＜ｋ＜１）は、試料１０７の屈折率がＳＩＬ１０６の屈折率ｎＬと等しいとしたときの仮想の観察面（ＳＩＬ１０６のレンズ形状から求められる見かけ上の観察面）となっている。
ここで、ＳＩＬ１０６の頂点から仮想の観察面１７０までの光軸Ａｘに沿った距離を、図１５に示すようにＬ＝ＲＬ＋ｋ×（ＲＬ／ｎＬ）とする。この距離Ｌは、ＳＩＬ１０６のレンズ面１６０の形状から求めた焦点距離に対応する。また、このとき、ＳＩＬ１０６の厚さは、ｄＬ＝Ｌ−ｔＳ×（ｎＬ／ｎＳ）を満たすように設定されている。なお、図１５中では、ＳＩＬ１０６及び試料１０７を通って現実の観察面１７１へと集束する光路を実線によって示している。また、試料１０７の屈折率がＳＩＬ１０６と等しいと仮定した場合で仮想の観察面１７０へと集束する光路を点線によって示している。
本実施形態による厚さをｄＬ＝Ｌ−ｔＳ×（ｎＬ／ｎＳ）としたＳＩＬ１０６、及びそれを用いた試料観察方法においては、ＳＩＬ１０６による幾何学的収差特性を評価することによって設定された係数ｋを用いるとともに、観察対象となる試料１０７の屈折率ｎＳ及び厚さｔＳを考慮してＳＩＬ１０６のレンズ形状を設定している。これにより、上記したように観察に使用可能な視野を広くしつつ、かつ、試料１０７における所望の観察部位を良好に観察することが可能となる。ここで、係数ｋの選択については、図１１に示した実施形態と同様である。また、厚さｔＳについては、図１５では試料１０７のＳＩＬ１０６とは反対側の面が観察面１７１となっているため、試料１０７の厚さｔＳがそのまま用いられているが、観察面が試料１０７の内部に設定された場合には、その観察面までの試料の厚さをｔＳとすれば良い。
図１６は、試料の厚さとＳＩＬの厚さとの相関の一例を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は試料１０７の厚さｔＳ（ｍｍ）を示し、縦軸はＳＩＬ１０６の厚さｄＬ（ｍｍ）を示している。このグラフでは、ＳＩＬ１０６の屈折率をｎＬ＝３．１（材質ＧａＰ）、試料１０７の屈折率をｎＳ＝３．５（材質Ｓｉ）、ＳＩＬ１０６の曲率半径をＲＬ＝０．５ｍｍとしている。また、グラフＡ１は係数ｋ＝０．８０、Ａ２はｋ＝０．６０、Ａ３はｋ＝０．４０、Ａ４はｋ＝０．２０としたときの相関を示している。ＳＩＬ１０６の厚さｄＬは、それぞれの材質や係数ｋの値等に応じ、図１６のグラフに示す例のように設定される。
次に、上記した固浸レンズ及び試料観察方法における係数ｋの設定について検討する。一般に、観察の視野を広く取りたいなどの場合、係数ｋは、上記したｋ＝０．６の例のように、０．５＜ｋ＜０．７の範囲内の値であることが好ましい。このとき、固浸レンズによる像面特性が実質的にフラットとなる条件での観察が可能となる。例えば、単色レーザからのレーザ光を用いた観察の場合には、色収差の問題がなく、視野を広くするように係数ｋを設定することができる。
一方、固浸レンズでの球面収差や色収差を考慮しなければならない場合、係数ｋは、上記したｋ＝０．３の例のように、０＜ｋ≦０．５の範囲内の値であることが好ましい。このとき、固浸レンズによる球面収差、色収差が実質的に低減された条件での観察が可能となる。このような係数ｋの好適な範囲については、図１１に示した構成、及び図１５に示した構成のいずれにおいても同様である。
ここで、図１７Ａ及び図１７Ｂは、（Ａ）係数ｋが小さい場合の光の集束、及び（Ｂ）係数ｋが大きい場合の光の集束について示す側面図である。これらの図１７Ａ及び図１７Ｂに示すように、係数ｋを小さく設定した場合、例えば、上記した０＜ｋ≦０．５の範囲内でｋを設定した場合には、係数ｋが大きい場合に比べてＳＩＬからみた光の光路が広がることになる。このような場合には、ＳＩＬに組み合わされる対物レンズとして、開口数ＮＡが大きいものを選択することが好ましい。
図１８は、ＳＩＬでの係数ｋの値と対物レンズで必要とされる開口数ＮＡとの相関の一例を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸はＳＩＬで設定された係数ｋを示し、縦軸は対物レンズの開口数ＮＡを示している。このグラフでは、ＳＩＬの屈折率をｎＬ＝３．５（材質Ｓｉ）としている。また、グラフＢ１はＳＩＬでの光軸上の到達ＮＡを３．０としたときの対物レンズの必要ＮＡ、Ｂ２はＳＩＬでの光軸上の到達ＮＡを２．５としたときの対物レンズの必要ＮＡを示している。また、このグラフでは、係数ｋの値に対応するＳＩＬでの倍率を、グラフＢ６によって合わせて示している。
これらのグラフＢ１、Ｂ２に示すように、ＳＩＬでの到達ＮＡを大きくすると、対物レンズの必要ＮＡもそれに伴って大きくなる。また、ＳＩＬでの到達ＮＡを一定とした場合には、図１７Ａ及び図１７Ｂに関して上述したように、係数ｋの値が小さくなると対物レンズで必要とされるＮＡが大きくなる。したがって、ＳＩＬでの係数ｋの値を設定する際には、対物レンズとの組合せについても考慮する必要がある。
また、図１９は、ＳＩＬ＋試料の厚さとＳＩＬでの光軸上の到達ＮＡとの相関の一例を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸はＳＩＬ＋試料（Ｓｉ基板）のＳＩＬの頂点からの厚さ（ｍｍ）を示し、縦軸はＳＩＬでの光軸上の到達ＮＡを示している。このグラフでは、ＳＩＬの曲率半径をＲＬ＝０．５ｍｍ、対物レンズのＮＡを０．７６としている。また、グラフＣ１はＳＩＬの材質をＳｉとしたときの到達ＮＡ、Ｃ２はＳＩＬの材質をＧａＰとしたときの到達ＮＡを示している。このように、対物レンズのＮＡを一定とした場合、ＳＩＬ＋試料の厚さが大きくなるに伴って到達ＮＡが大きくなる。
実際には、ＳＩＬ及び対物レンズのＮＡは、具体的な構成に応じて適宜選択すれば良いが、例えばＳＩＬの到達ＮＡは２．５〜３．０程度、対物レンズのＮＡは０．７６程度である。また、対物レンズとしては通常の対物レンズを用いることができ、その倍率は、例えば５０倍程度である。
また、色収差が低減されるように、上記した０＜ｋ≦０．５の範囲内でｋを設定した場合、その幾何学的収差特性については対物レンズ側で補正可能な構成とすることが好ましい。このような対物レンズとしては、図２０の側面断面図に示す構成の対物レンズがある。この対物レンズ１０５は、そのレンズ群が、光軸に沿って配置された第１レンズ群１５１及び第２レンズ群１５２の２つのレンズ群によって構成されている。また、これらのレンズ群１５１、１５２の間隔ｕは、対物レンズ１０５の外周部に設けられる補正環（図示していない）を回転させることによって変化させることが可能となっている。このような構成の対物レンズ１０５を用いることにより、対物レンズ１０５側で幾何学的収差特性（例えば球面収差）を補正することができる。
なお、このように補正環付の対物レンズをＳＩＬと組合せて用いる場合には、ＳＩＬでの球面収差が対物レンズでの補正環によって補正可能な範囲で係数ｋを設定することが好ましい。例えば、図２０の構成の対物レンズでは、ＳＩＬの屈折率をｎＬ＝３．１、曲率半径をＲＬ＝０．５ｍｍ、試料の屈折率をｎＳ＝３．５としたとき、試料の厚さがｔＳ＝０．０３ｍｍ程度であれば０＜ｋ＜０．４程度、ｔＳ＝０．１５ｍｍ程度であれば０＜ｋ＜０．２程度の条件で、補正環による球面収差の補正が可能である。
また、０．７≦ｋ＜１の範囲内で係数ｋを設定しても良い。この場合、低ＮＡの対物レンズと組み合わせることができる。ただし、通常の対物レンズでは大きな色収差が発生するため、単色レーザ光以外の用途では専用に設計された対物レンズを用いる必要がある。
本発明による固浸レンズ、及び顕微鏡は、位置制御が容易で、かつ、ＮＡの高い光束を通すことができ、さらには観察対象物および自身を破損するおそれがない固浸レンズ、及びそれを用いた顕微鏡として利用可能である。
また、固浸レンズによる幾何学的収差特性を評価して所定の条件を満たすように係数ｋ（０＜ｋ＜１）を設定し、固浸レンズの球面状の光学面の球心から光軸に沿ってｋ×（ＲＬ／ｎＬ）だけ下流側にある点を含み光軸に略直交する面を試料観察面とする固浸レンズ及び観察方法とした場合には、観察に使用可能な視野を広くして、固浸レンズを用いて試料の像を良好に観察することが可能となる。また、試料の屈折率ｎＳ及び厚さｔＳを考慮してレンズ形状を設定した場合、試料における所望の観察部位を良好に観察することが可能となる。

Claims (10)

  1. 観察対象物に取り付けられるとともに、前記観察対象物に光学的に結合するように設置されて、前記観察対象物の観察に用いられる固浸レンズであって、
    球状部と、
    前記観察対象物に対する取付面となる底面部とを備え、
    前記観察対象物に対する前記取付面が、トロイダル形状に形成されていることを特徴とする固浸レンズ。
  2. 前記観察対象物における被取付面をＸ−Ｙ平面と設定したときに、前記トロイダル形状におけるＸ方向の曲率半径と、前記Ｘ方向の曲率半径よりも大きいＹ方向の曲率半径との割合が、１：３〜１：∞とされている請求項１記載の固浸レンズ。
  3. 前記観察対象物に対する前記取付面が、シリンドリカル形状に形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の固浸レンズ。
  4. 前記観察対象物に対する前記取付面が、親水処理されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の固浸レンズ。
  5. 屈折率ｎＬの材質により曲率半径ＲＬの球面状の光学面を有して形成され、前記観察対象物の屈折率が屈折率ｎＬと等しいとしたときの仮想の観察面までの頂点からの光軸に沿った距離が、幾何学的収差特性が所定の条件を満たすように設定された係数ｋ（０＜ｋ＜１）により、Ｌ＝ＲＬ＋ｋ×（ＲＬ／ｎＬ）とされるとともに、
    前記観察対象物の屈折率をｎＳ、現実の観察面までの前記観察対象物の厚さをｔＳとしたときに、前記光軸に沿った厚さがｄＬ＝Ｌ−ｔＳ×（ｎＬ／ｎＳ）を満たすことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の固浸レンズ。
  6. 前記現実の観察面までの前記観察対象物の厚さはｔＳ＝０であり、前記光軸に沿った厚さがｄＬ＝Ｌ＝ＲＬ＋ｋ×（ＲＬ／ｎＬ）であることを特徴とする請求項５記載の固浸レンズ。
  7. 前記係数ｋは、０．５＜ｋ＜０．７の範囲内の値であることを特徴とする請求項５または６記載の固浸レンズ。
  8. 前記係数ｋは、０＜ｋ≦０．５の範囲内の値であることを特徴とする請求項５または６記載の固浸レンズ。
  9. 観察対象物を観察するための顕微鏡であって、
    前記観察対象物からの光が入射する対物レンズを含み、前記観察対象物の画像を導く光学系と、
    請求項１〜８のいずれか一項記載の固浸レンズと、
    を備えることを特徴とする顕微鏡。
  10. 光学結合材料を供給するための光学結合材料供給装置をさらに備えることを特徴とする請求項９記載の顕微鏡。
JP2005503754A 2003-03-20 2004-03-19 固浸レンズ及び顕微鏡 Expired - Lifetime JP4536654B2 (ja)

Applications Claiming Priority (7)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2003078819 2003-03-20
JP2003078819 2003-03-20
JP2003146620 2003-05-23
JP2003146620 2003-05-23
JP2003373059 2003-10-31
JP2003373059 2003-10-31
PCT/JP2004/003733 WO2004083929A1 (ja) 2003-03-20 2004-03-19 固浸レンズ及び顕微鏡

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPWO2004083929A1 JPWO2004083929A1 (ja) 2006-06-22
JP4536654B2 true JP4536654B2 (ja) 2010-09-01

Family

ID=33033084

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2005503754A Expired - Lifetime JP4536654B2 (ja) 2003-03-20 2004-03-19 固浸レンズ及び顕微鏡

Country Status (6)

Country Link
US (1) US7423816B2 (ja)
EP (1) EP1612590A4 (ja)
JP (1) JP4536654B2 (ja)
KR (1) KR101083871B1 (ja)
TW (1) TWI328691B (ja)
WO (1) WO2004083929A1 (ja)

Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4643994B2 (ja) * 2005-01-19 2011-03-02 浜松ホトニクス株式会社 固浸レンズホルダ
JP4577023B2 (ja) * 2004-03-15 2010-11-10 ソニー株式会社 ソリッドイマージョンレンズ、集光レンズ、光学ピックアップ装置、光記録再生装置及びソリッドイマージョンレンズの形成方法
JP5001075B2 (ja) 2007-06-20 2012-08-15 浜松ホトニクス株式会社 観察装置及び方法
US8189089B1 (en) 2009-01-20 2012-05-29 Adobe Systems Incorporated Methods and apparatus for reducing plenoptic camera artifacts
JP5364452B2 (ja) 2009-06-03 2013-12-11 浜松ホトニクス株式会社 イマージョンレンズ支持装置
US8817015B2 (en) 2010-03-03 2014-08-26 Adobe Systems Incorporated Methods, apparatus, and computer-readable storage media for depth-based rendering of focused plenoptic camera data
US8767199B2 (en) 2010-10-15 2014-07-01 Infrared Laboratories, Inc. Inspection system utilizing solid immersion lenses
US9030550B2 (en) * 2011-03-25 2015-05-12 Adobe Systems Incorporated Thin plenoptic cameras using solid immersion lenses
WO2016047667A1 (ja) * 2014-09-26 2016-03-31 浜松ホトニクス株式会社 固浸レンズホルダ及び画像取得装置
DE102017119093A1 (de) * 2017-08-21 2019-02-21 Carl Zeiss Microscopy Gmbh Immersionsmikroskopie
JP7025280B2 (ja) 2018-05-08 2022-02-24 浜松ホトニクス株式会社 メタレンズユニット、半導体故障解析装置、及び半導体故障解析方法
US11403884B2 (en) * 2019-01-16 2022-08-02 Shenzhen GOODIX Technology Co., Ltd. Anti-spoofing face ID sensing
JP7554052B2 (ja) * 2020-01-31 2024-09-19 浜松ホトニクス株式会社 半導体故障解析装置

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH113534A (ja) * 1997-04-14 1999-01-06 Toray Ind Inc 光記録装置および光記録媒体
JP2000235038A (ja) * 1999-02-15 2000-08-29 Canon Inc 光検出または光照射用のプローブ及びその製造方法
JP2001023230A (ja) * 1999-07-12 2001-01-26 Nikon Corp 光ヘッド及び光記録再生装置
JP2002512697A (ja) * 1997-06-19 2002-04-23 ビーコ インストルメンツ インコーポレイテッド 固体界浸レンズを用いた走査プローブ光学顕微鏡
JP2003130781A (ja) * 2001-08-10 2003-05-08 Ricoh Co Ltd 光プローブ及び光ピックアップ装置
JP2003141768A (ja) * 2001-10-30 2003-05-16 Ricoh Co Ltd 光プローブ及び光ピックアップ
US6594086B1 (en) * 2002-01-16 2003-07-15 Optonics, Inc. (A Credence Company) Bi-convex solid immersion lens

Family Cites Families (33)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2809554A (en) * 1954-07-16 1957-10-15 Zeiss Carl Microscope objective with low magnification for epi-microscopes
JPH0123442Y2 (ja) * 1979-04-23 1989-07-19
DD215640A1 (de) * 1983-05-02 1984-11-14 Zeiss Jena Veb Carl Frontlinsengruppe fuer immersionsmikroskopobjektiv in hd-ausfuehrung mit hoher apertur
US5004307A (en) 1990-04-12 1991-04-02 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Near field and solid immersion optical microscope
US5220403A (en) 1991-03-11 1993-06-15 International Business Machines Corporation Apparatus and a method for high numerical aperture microscopic examination of materials
US5208648A (en) 1991-03-11 1993-05-04 International Business Machines Corporation Apparatus and a method for high numerical aperture microscopic examination of materials
US5125750A (en) 1991-03-14 1992-06-30 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Optical recording system employing a solid immersion lens
JP2765427B2 (ja) 1993-04-13 1998-06-18 日本電気株式会社 半導体集積回路内部相互配線の検査方法および装置
US5422498A (en) 1993-04-13 1995-06-06 Nec Corporation Apparatus for diagnosing interconnections of semiconductor integrated circuits
JPH0718806A (ja) 1993-07-02 1995-01-20 Sekisui Chem Co Ltd 屋外用ステップ構造
US6002792A (en) 1993-11-16 1999-12-14 Hamamatsu Photonics Kk Semiconductor device inspection system
JP3478612B2 (ja) 1993-11-16 2003-12-15 浜松ホトニクス株式会社 半導体デバイス検査システム
JPH08315404A (ja) 1995-05-18 1996-11-29 Sony Corp 光学ピックアップ装置
US5729393A (en) * 1996-04-03 1998-03-17 Digital Papyrus Corporation Optical flying head with solid immersion lens having raised central surface facing medium
EP0977192A4 (en) 1997-04-14 2000-11-15 Toray Industries OPTICAL RECORDING DEVICE AND OPTICAL RECORDING MEDIUM
JPH11203711A (ja) 1998-01-08 1999-07-30 Canon Inc 高開口数光学系及びそれを用いた光学的情報記録再生装置
JPH11202194A (ja) 1998-01-16 1999-07-30 Canon Inc 高開口数光学系及びそれを用いた光学的情報記録再生装置
US6496468B2 (en) 1998-05-29 2002-12-17 Terastor Corp. Beam focusing in near-field optical recording and reading
JP2000011423A (ja) 1998-06-23 2000-01-14 Canon Inc 情報記録再生光学系
JP3972484B2 (ja) 1998-09-16 2007-09-05 コニカミノルタオプト株式会社 固浸レンズ
JP2000121930A (ja) 1998-10-14 2000-04-28 Nikon Corp 固体浸レンズを用いた結像光学系並びにこの結像光学系を用いた光ディスク記録再生装置および顕微鏡
US6441359B1 (en) 1998-10-20 2002-08-27 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Near field optical scanning system employing microfabricated solid immersion lens
US6687058B1 (en) 1999-06-21 2004-02-03 The Trustees Of Boston University Numerical aperature increasing lens (nail) techniques for high-resolution sub-surface imaging
US6714499B2 (en) * 2000-01-27 2004-03-30 Tosoh Corporation Flying optical recording/playback head and method for controlling the flying height
US6301055B1 (en) 2000-08-16 2001-10-09 California Institute Of Technology Solid immersion lens structures and methods for producing solid immersion lens structures
JP3602465B2 (ja) 2000-10-10 2004-12-15 Ｎｅｃエレクトロニクス株式会社 半導体装置、半導体装置の評価解析方法及び半導体装置の加工装置
US6781926B2 (en) * 2000-10-10 2004-08-24 Hitachi Maxell, Limited Magneto-optical head having heat sink layer
US20020089758A1 (en) * 2001-01-05 2002-07-11 Nikon Corporation Optical component thickness adjustment method, optical component, and position adjustment method for optical component
JP2002236087A (ja) 2001-02-08 2002-08-23 Minolta Co Ltd 光学系調整方法、並びにその光学系調整方法を利用した光記録再生装置、顕微鏡装置及び加工装置
US6621275B2 (en) 2001-11-28 2003-09-16 Optonics Inc. Time resolved non-invasive diagnostics system
US6683724B2 (en) 2002-06-13 2004-01-27 Eastman Kodak Company Solid immersion lens array and methods for producing a solid immersion lens array
WO2004003891A1 (en) 2002-06-28 2004-01-08 Seagate Technology Llc Heat assisted magnetic recording head with a planar waveguide
CN100529831C (zh) 2003-03-20 2009-08-19 浜松光子学株式会社 固浸透镜和显微镜

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH113534A (ja) * 1997-04-14 1999-01-06 Toray Ind Inc 光記録装置および光記録媒体
JP2002512697A (ja) * 1997-06-19 2002-04-23 ビーコ インストルメンツ インコーポレイテッド 固体界浸レンズを用いた走査プローブ光学顕微鏡
JP2000235038A (ja) * 1999-02-15 2000-08-29 Canon Inc 光検出または光照射用のプローブ及びその製造方法
JP2001023230A (ja) * 1999-07-12 2001-01-26 Nikon Corp 光ヘッド及び光記録再生装置
JP2003130781A (ja) * 2001-08-10 2003-05-08 Ricoh Co Ltd 光プローブ及び光ピックアップ装置
JP2003141768A (ja) * 2001-10-30 2003-05-16 Ricoh Co Ltd 光プローブ及び光ピックアップ
US6594086B1 (en) * 2002-01-16 2003-07-15 Optonics, Inc. (A Credence Company) Bi-convex solid immersion lens

Also Published As

Publication number Publication date
US7423816B2 (en) 2008-09-09
EP1612590A4 (en) 2011-05-04
KR20050107817A (ko) 2005-11-15
JPWO2004083929A1 (ja) 2006-06-22
TW200502575A (en) 2005-01-16
WO2004083929A1 (ja) 2004-09-30
EP1612590A1 (en) 2006-01-04
US20070183057A1 (en) 2007-08-09
KR101083871B1 (ko) 2011-11-15
TWI328691B (en) 2010-08-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101083871B1 (ko) 고침 렌즈 및 현미경
US20080137064A1 (en) Sample observation method, microscope, and solid immersion lens; optical contact liquid used in the method
KR101184771B1 (ko) 현미경 및 시료 관찰 방법
JP4713185B2 (ja) 異物欠陥検査方法及びその装置
KR101074560B1 (ko) 현미경 및 시료 관찰 방법
JP2005083800A (ja) 欠陥検査方法及び欠陥検査装置
US20070002465A1 (en) Beam delivery system for laser dark-field illumination in a catadioptric optical system
US6563586B1 (en) Wafer metrology apparatus and method
CN107076966A (zh) 高数值孔径物镜系统
US20050179997A1 (en) Microscope and immersion objective lens
JPH11316191A (ja) 像検出装置
TW200525176A (en) Solid immersion lens moving device and microscope using the same
US7359115B2 (en) Sample observation method, microscope, and solid immersion lens, optical contact liquid used in the method
JP2000228166A (ja) 試料観察装置
JP4722419B2 (ja) 固浸レンズ
CN118534602A (zh) 用于显微镜法的方法和系统
JP2009128292A (ja) 中肉比較測定方法および中肉比較測定装置

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20070315

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20100323

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20100524

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20100615

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20100616

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130625

Year of fee payment: 3

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 4536654

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130625

Year of fee payment: 3

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140625

Year of fee payment: 4

EXPY Cancellation because of completion of term