JP5001075B2 - 観察装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、固浸レンズを利用して観察対象物を観察する観察装置及び方法に関するものである。

観察対象物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、半球形状又はワイエルストラス球と呼ばれる超半球形状をなし、大きさが１ｍｍ〜５ｍｍ程度の微小レンズである。そして、この固浸レンズを観察対象物の表面に密着させて設置すると、開口数（ＮＡ）及び倍率が共に拡大されるため、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利用した観察装置として、例えば特許文献１に記載のものが知られている。特許文献１に記載の観察装置は、対物レンズを有する顕微鏡と、対物レンズの前端部に腕部材を介して連結され、対物レンズの前面側において固浸レンズを保持する固浸レンズホルダとを備えている。
国際公開第２００５／０４３２１０号パンフレット

ところで、上記従来技術のように固浸レンズを利用して観察対象物を観察する際には、固浸レンズと観察対象物とが良好に密着されていないと、固浸レンズと観察対象物との光学的結合（エバネッセント結合）が得られにくくなる。

本発明の目的は、固浸レンズと観察対象物との密着性を向上させることができる観察装置及び方法を提供することである。

本発明の観察装置は、対物レンズを含む光学系を有し、観察対象物を拡大して観察する顕微鏡と、対物レンズの光軸上に配置される固浸レンズを保持する固浸レンズホルダと、固浸レンズホルダに保持された固浸レンズを振動させる振動発生手段とを備えることを特徴とするものである。

このような本発明の観察装置を用いて観察対象物の観察を行う場合には、固浸レンズホルダに保持された固浸レンズを観察対象物に密着させ、その状態で顕微鏡により観察対象物を観察する。このとき、例えば固浸レンズホルダのレンズ保持面や観察対象物の加工状態等によっては、固浸レンズと観察対象物との良好な密着が得られないことがある。この場合には、固浸レンズホルダに保持された固浸レンズを振動発生手段により振動させることにより、固浸レンズが観察対象物の表面に倣って密着するようになる。これにより、固浸レンズと観察対象物との良好な密着を達成することができる。

好ましくは、固浸レンズを振動させるように振動発生手段を制御する振動制御手段を更に備える。この場合には、振動発生手段による固浸レンズの振動処理を自動的に行うことができる。従って、観察者の負担を大幅に軽減することが可能となる。

このとき、好ましくは、観察対象物への固浸レンズの接触を検知する接触検知手段を更に備え、振動制御手段は、接触検知手段により観察対象物への固浸レンズの接触が検知されたときに、固浸レンズを振動させるように振動発生手段を制御する。この場合には、固浸レンズが観察対象物に接触すると、固浸レンズが自動的に振動するようになる。

また、観察対象物に光を照射する照明手段と、照明手段により観察対象物へ向けて光が照射されたときに、固浸レンズ又は観察対象物からの反射光像を取得する画像取得手段と、画像取得手段により取得された反射光像を解析する解析手段とを更に備え、振動制御手段は、解析手段による反射光像の解析結果に応じて、固浸レンズを振動させるように振動発生手段を制御してもよい。固浸レンズと観察対象物とが光学的に密着したかどうかは、観察対象物へ向けて光が照射された時に得られる固浸レンズ又は観察対象物からの反射光像に基づいて判断することができる。従って、固浸レンズ又は観察対象物からの反射光像を解析することで、固浸レンズと観察対象物との光学的密着性を容易に検知することができる。このとき、固浸レンズと観察対象物との光学的密着性が良好でないと解析されると、固浸レンズが自動的に振動するようになる。

このとき、解析手段は、照明手段により照射される光の入射光量を取得する手段と、反射光像の反射光量の入射光量に対する比率を所定値と比較する手段とを有し、振動制御手段は、反射光量の入射光量に対する比率と所定値との比較結果に応じて、固浸レンズを振動させるように振動発生手段を制御することが好ましい。固浸レンズ又は観察対象物からの反射光像の反射光量と観察対象物への入射光量との比率は、固浸レンズと観察対象物との光学的結合（エバネッセント結合）の状態によって異なる。例えば、固浸レンズからの反射光像の反射光量の入射光量に対する比率が高くなるほど、固浸レンズと観察対象物との光学的結合が得られにくくなる。従って、固浸レンズからの反射光量の入射光量に対する比率が所定値を越えているときに、固浸レンズを振動させることで、固浸レンズと観察対象物との良好な密着をより確実に達成することができる。

本発明の観察方法は、対物レンズを含む光学系を有し、観察対象物を拡大して観察する顕微鏡と、対物レンズの光軸上に配置される固浸レンズを保持する固浸レンズホルダと、固浸レンズホルダに保持された固浸レンズを振動させる振動発生手段とを備える観察装置を準備する工程と、振動発生手段により固浸レンズホルダに保持された固浸レンズを振動させると共に、固浸レンズを観察対象物に密着させる工程と、固浸レンズが観察対象物に密着された後、顕微鏡により観察対象物を観察する工程とを含むことを特徴とするものである。

このように固浸レンズホルダに保持された固浸レンズを振動させると共に、固浸レンズを観察対象物に密着させることにより、例えば固浸レンズホルダのレンズ保持面や観察対象物の加工状態等に拘わらず、固浸レンズが観察対象物の表面に倣って密着するようになる。これにより、固浸レンズと観察対象物との良好な密着を達成することができる。

本発明によれば、固浸レンズと観察対象物との密着性を向上させることができる。これにより、固浸レンズと観察対象物との適切な光学的結合（エバネッセント結合）を得ることが可能となる。

以下、図面と共に本発明に係る観察装置及び方法の好適な実施形態について説明する。なお、各図において、同一の要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

図１は、本発明に係る観察装置の一実施形態である半導体検査装置を示す構成図である。図２は、図１に示した半導体検査装置の主要部の一つである顕微鏡の対物レンズ及び固浸レンズホルダの構成を示す断面図であり、図３は、図２に示した対物レンズ及び固浸レンズホルダの斜視図である。なお、図２では、試料の観察時の状態を示している。以下の説明では、固浸レンズに対して、対物レンズ側を上側とし、試料側を下側として説明する。

図１及び図２に示すように、半導体検査装置１は、例えば試料１０であるモールド型半導体デバイスが有する半導体デバイス１１を観察対象物とし、半導体デバイス１１の画像を取得しその内部情報を検査する検査装置である。

「モールド型半導体デバイス」とは、半導体デバイス１１が樹脂１２によってモールドされたものである。また、「内部情報」としては、半導体デバイスの回路パターンや半導体デバイスからの微弱発光が含まれる。この微弱発光としては、半導体デバイスの欠陥に基づく異常個所に起因するものや、半導体デバイス中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などが挙げられる。さらには、半導体デバイスの欠陥に基づく発熱も含まれる。

試料１０は、樹脂１２内に埋設された半導体デバイス１１の裏面が露出するように樹脂１２が切削された状態で、観察部Ａに設けられたステージ２上に半導体デバイス１１の裏面が上を向くように載置される。このように、試料１０の一部を切削して半導体デバイス１１の裏面を露出させているので、半導体デバイス１１は、樹脂１２が切削されてなる凹部１３の底面に位置することになる。そして、検査装置１は、本実施形態にあっては、半導体デバイス１１の図示下面（半導体デバイス１１の基板表面に形成された集積回路等）を検査する。

半導体検査装置１は、半導体デバイス１１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１１の検査に必要な処理や指示等を行う解析部Ｃと、を備えている。

観察部Ａは、半導体デバイス１１からの画像を取得する画像取得手段としての高感度カメラ３及びレーザスキャン光学系（ＬＳＭ：Laser Scanning Microscope）ユニット４と、高感度カメラ３及びＬＳＭユニット４と半導体デバイス１１との間に配置され、対物レンズ２１を含む光学系２０を有する顕微鏡５と、半導体デバイス１１の拡大観察画像を得るための固浸レンズ６（図２参照）と、これらを直交するＸ−Ｙ−Ｚ方向に各々移動させるＸＹＺステージ７と、を具備している。

光学系２０は、上記対物レンズ２１に加えて、カメラ用光学系２２と、ＬＳＭユニット用光学系２３と、を備えている。対物レンズ２１は、倍率が異なるものが複数設けられ、切り換え可能とされている。また、対物レンズ２１は補正環２４を有しており、この補正環２４を調整することで観察時の収差補正を行うことが可能となっている。カメラ用光学系２２は、対物レンズ２１を通した半導体デバイス１１からの光を高感度カメラ３に導く。これにより、高感度カメラ３は、半導体デバイス１１の回路パターン等の画像を取得する。

一方、ＬＳＭユニット用光学系２３は、ＬＳＭユニット４からの赤外レーザ光をビームスプリッタ（不図示）で対物レンズ２１側に反射し半導体デバイス１１に導くと共に、対物レンズ２１を通し高感度カメラ３に向かう半導体デバイス１１からの反射レーザ光をＬＳＭユニット４に導く。

ＬＳＭユニット４は、赤外レーザ光をＸ−Ｙ方向に走査し半導体デバイス１１側に出射する照明手段を構成する一方で、半導体デバイス１１からの反射光を光検出器（不図示）で検出する。この検出光の強度は、半導体デバイス１１の回路パターンを反映した強度となっている。従って、ＬＳＭユニット４は、赤外レーザ光が半導体デバイス１１をＸ−Ｙ走査することで、半導体デバイス１１の回路パターン等の画像を取得する。

また、ＸＹＺステージ７は、高感度カメラ３、ＬＳＭユニット４、顕微鏡５及び固浸レンズ６等を、Ｘ−Ｙ方向（水平方向；観察対象物である半導体デバイス１１に対して平行を成す方向）及びこれに直交するＺ方向（垂直方向）の各々に、必要に応じて移動するためのものである。

制御部Ｂは、カメラコントローラ３１と、レーザスキャン（ＬＳＭ）コントローラ３２と、ペリフェラルコントローラ３３と、を備えている。カメラコントローラ３１及びＬＳＭコントローラ３２は、高感度カメラ３及びＬＳＭユニット４の動作を各々制御することで、観察部Ａで行われる半導体デバイス１１の観察の実行（画像の取得）や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３３は、ＸＹＺステージ７の動作を制御することで、半導体デバイス１１の観察位置に対応する位置への高感度カメラ３、ＬＳＭユニット４及び光学系２０等の移動、位置合わせ、焦点合わせ等を制御する。この際、ペリフェラルコントローラ３３は、固浸レンズホルダ２００に取り付けられた種々のセンサなどの検出結果に応じてＸＹＺステージ７の動作を制御する。また、ペリフェラルコントローラ３３は、対物レンズ２１に取り付けられた補正環調整用モータ２５を駆動して補正環２４を調整する。

さらに、ペリフェラルコントローラ３３は、固浸レンズホルダ２００に取り付けられた振動モータ１４０の駆動を制御する。振動モータ１４０を含む固浸レンズホルダ２００については、後で詳述する。

解析部Ｃは、画像解析部４１と指示部４２とを備え、コンピュータにより構成されている。画像解析部４１は、カメラコントローラ３１及びＬＳＭコントローラ３２からの画像情報に対して必要な解析処理等を実施する。指示部４２は、操作者からの入力内容や画像解析部４１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１１の検査の実行に関する必要な指示を行う。また、解析部Ｃにより取得又は解析された画像、データ等は、必要に応じて解析部Ｃに接続された表示装置４３に表示される。

図２に示すように、固浸レンズ６は、半球形状の微小レンズであり、外部（例えば、顕微鏡５の対物レンズ２１）に対する光の入出力面となると共に球面形状に形成された上面６ａと、半導体デバイス１１に対する取付面となると共に平面形状に形成された底面６ｂとを有する。固浸レンズ６の底面６ｂが半導体デバイス１１の観察位置（図示上面）に密着することで、裏側となる半導体デバイス１１の表面（図示下面）の拡大観察画像が得られる。

具体的には、固浸レンズ６は、半導体デバイス１１の基板材料と実質的に同一またはその屈折率に近い、高屈折率材料からなる。その代表的な例としては、Ｓｉ、ＧａＰ、ＧａＡｓなどが挙げられる。このような微小な固浸レンズ６を半導体デバイス１１の基板表面に光学密着させることにより、半導体基板自身を固浸レンズ６の一部として利用する。固浸レンズ６を利用した半導体デバイス１１の裏面解析によれば、対物レンズ２１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に、固浸レンズ６の効果により、基板中にＮＡの高い光束を通すことが可能となり、高分解能化が期待できる。

固浸レンズ６のレンズ形状は、収差がなくなる条件によって決まるものである。半球形状を有する固浸レンズ６では、その球心が焦点となる。このとき、開口数（ＮＡ）および倍率はともにｎ倍となる。なお、固浸レンズ６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。

固浸レンズホルダ２００は、そのような固浸レンズ６を対物レンズ２１に対して好適に保持するものである。固浸レンズホルダ２００は、ホルダ本体８と、このホルダ本体８を対物レンズ２１の前端部に取り付けるための対物レンズソケット９とを備えている。

図４は、ホルダ本体８の分解斜視図である。図２〜図４に示すように、ホルダ本体８は、円板状の対物レンズキャップ５０と、この対物レンズキャップ５０の中心から対物レンズキャップ５０に略直交する方向に延在するレンズ保持部６０とを有する。図４に示した矢印Ａ１の方向からみた場合、ホルダ本体８の外形は略Ｔ字状となっている。

対物レンズキャップ５０は、対物レンズソケット９（図２参照）に螺合する周壁５１を有しており、対物レンズソケット９を介して対物レンズ２１の先端部に取り付けられる。また、対物レンズキャップ５０を形成する底板５２は、光束を通過させるための３つの開口５３を有する。各開口５３は、ＬＳＭユニット４から出力された光を固浸レンズ６側に通すと共に、半導体デバイス１１によって反射され固浸レンズ６から出力された光を対物レンズ２１側に通す。各開口５３は、略扇状をなし、対物レンズキャップ５０の中心に対して互いに同心状であって周方向に等間隔に配置されている。これによって、隣り合う開口５３，５３間には、レンズ保持部６０と底板５２とを連結すると共に、対物レンズキャップ５０の中心から放射状に延びる３つの連結部５４が等間隔で形成されることになる。

レンズ保持部６０は、３つの連結部５４の交差部分から対物レンズキャップ５０に略直交する方向（対物レンズ２１の光軸Ｌ方向）に延在するレンズ保持部材６１と、円筒形状のレンズカバー６３とを有する。レンズ保持部材６１は、各連結部５４上に位置すると共に、固浸レンズ６を受ける３つの保持片６２からなる。各保持片６２は、レンズ保持部材６１の中心線に対して放射状に配置されると共に、幅ｄがレンズ保持部材６１の中心線に向かうにつれて狭くなるテーパ形状を有している。

各保持片６２の先端部（対物レンズキャップ５０と反対側の端部）には、固浸レンズ６の上面６ａの曲率とほぼ同じ曲率を有するレンズ受け面６２ａがそれぞれ形成されており、レンズ保持部材６１は、３つのレンズ受け面６２ａによって固浸レンズ６を安定的に受けることになる。また、各保持片６２の先端部には、レンズカバー６３を固定するための爪部６２ｂがそれぞれ形成されている。レンズカバー６３は底板６４を有しており、底板６４の周縁部には、爪部６２ｂに嵌め合わされる周壁６５が設けられている。底板６４には、固浸レンズ６の底面６ｂを外側（試料１０側）に突出させるための開口６４ａが形成されている。

図５は、固浸レンズ６がレンズ保持部６０に保持されている状態を示す拡大断面図である。この構成では、レンズ保持部材６１のレンズ受け面６２ａとレンズカバー６３との間に固浸レンズ６を配置してから、接着剤などによってレンズカバー６３をレンズ保持部材６１に固定することによって、固浸レンズ６の底面６ｂが開口６４ａから突出した状態で、固浸レンズ６がレンズ受け面６２ａとレンズカバー６３との間に収容・保持されることになる。

固浸レンズ６がレンズ保持部６０に保持されている状態では、固浸レンズ６の上面６ａとレンズ保持部材６１のレンズ受け面６２ａとの間には間隙（クリアランス）が設けられている。このため、固浸レンズ６は、レンズ保持部６０に対して固定されずにフリーな状態で保持されることとなる。これにより、固浸レンズ６は、レンズ保持部材６１に対して自由に動くことが可能となる。

固浸レンズ６が半導体デバイス１１に接触していない状態では、固浸レンズ６は、レンズカバー６３の底板６４に自重方向に支持されることになる。一方、ＸＹＺステージ７の操作によって対物レンズ２１がその光軸Ｌ方向に移動させられることで、固浸レンズ６が半導体デバイス１１に接触した状態では、固浸レンズ６の上面６ａがレンズ保持部材６１のレンズ受け面６２ａに接触し、固浸レンズ６がレンズカバー６３の底板６４から離れた状態で保持されることになる。このとき、固浸レンズ６はレンズ保持部材６１に対してフリーな状態で保持されているため、固浸レンズ６が半導体デバイス１１に接触するときには、固浸レンズ６の底面６ｂが半導体デバイス１１の裏面に倣って密着しやすくなる。

固浸レンズ６と半導体デバイス１１とが接触した状態では、図５（ａ）に示すように、固浸レンズ６の上面６ａの頂上がレンズ保持部材６１のレンズ受け面６２ａに１点で接触するような構造であるのが望ましい。これにより、固浸レンズ６が当該接触点を中心としてレンズ保持部材６１に対して十分に動くようになるため、固浸レンズ６と半導体デバイス１１との良好な面接触を得ることができる。

ただし、レンズ受け面６２ａは湾曲状（Ｒ状）をなしているため、レンズ受け面６２ａの加工精度を上げるのは極めて困難であり、レンズ受け面６２ａの曲率半径に加工誤差が生じることは避けられない。このため、固浸レンズ６と半導体デバイス１１とが接触した状態では、図５（ｂ）に示すように、固浸レンズ６の上面６ａの複数部分がレンズ保持部材６１のレンズ受け面６２ａに接触することがある。

固浸レンズ６が半導体デバイス１１に接触した状態で、フォーカス位置の調整などによって更に固浸レンズ６が押し下げられると、固浸レンズ６から加わる力によって半導体デバイス１１が損傷する虞がある。そこで、ホルダ本体８は、図４に示すように、各連結部５４に加わる応力を検出する検出応力検知センサＳをそれぞれ有することが好ましい。各応力検知センサＳは、ペリフェラルコントローラ３３に電気的に接続されており、応力検知センサＳにより所定の応力以上の力が検知されると、ペリフェラルコントローラ３３がＸＹＺステージ７の駆動を停止する。これによって、所定の負荷以上の力が半導体デバイス１１に加わらないようになっている。

図６は、対物レンズソケット９の断面図である。図２及び図６に示すように、対物レンズソケット９は、対物レンズ２１の対物レンズ鏡筒２６の先端部（前端部）に嵌め合わされる円筒形状のベース部７０と、このベース部７０に嵌め合わされる可動部材８０とを有する。

図７（ａ）は、ベース部７０及び可動部材８０を対物レンズ２１側から見た図であり、図７（ｂ）は、ベース部７０及び可動部材８０の側面図であり、図７（ｃ）は、ベース部７０及び可動部材８０を試料１０側から見た図である。図７では、ベース部７０に可動部材８０が嵌め合わされた状態を示しているが、連結ピンなどの図示は省略している。

図６及び図７に示すように、ベース部７０及び可動部材８０は、それぞれ底板７１，８１を有しており、この底板７１，８１の中心側には、対物レンズ２１から出力される光束又は対物レンズ２１に入射される光束を通すための円形の開口７２，８２がそれぞれ形成されている。開口７２，８２の直径は、光束を遮らない大きさであればよく、開口８２の直径は開口７２の直径よりも大きくなっている。ベース部７０の開口７２の周りには、複数の貫通孔７３が形成されており、ベース部７０は、貫通孔７３を介して対物レンズ２１の対物レンズ鏡筒２６に螺子止めされる。

底板７１，８１の周縁部には周壁７４，８３がそれぞれ設けられている。周壁７４の内径は、対物レンズ鏡筒２６の先端部の外径に等しく、ベース部７０は対物レンズ２１の対物レンズ鏡筒２６の先端部に嵌め合わされて取り付けられる。

また、周壁７４の外径と周壁８３の内径とは等しく、可動部材８０は、ベース部７０に嵌め合わされるようになっている。そして、周壁７４の外面と周壁８３の内面とは摺動接触しており、その結果として、可動部材８０は、ベース部７０に対して光軸Ｌ方向に摺動可能である。周壁８３の外径（可動部材８０の外径）は、対物レンズキャップ５０（図２参照）の周壁５１の内径に等しい。そして、可動部材８０の底板８１側の端部の外周面には、対物レンズキャップ５０の周壁５１を螺合させるための螺子溝８４（図７（ｂ）参照）が形成されており、可動部材８０に対物レンズキャップ５０を取り付けられるようになっている。

可動部材８０の周壁８３には、互いに対向する一対の貫通孔８５が設けられており、ベース部７０の周壁７４において各貫通孔８５とそれぞれ対応する位置に形成された貫通孔７５にピンＰ１を挿入することによって、可動部材８０はベース部７０に連結される。貫通孔８５は、光軸Ｌ方向の長さが周方向の長さよりも長い長円形状を有しており、貫通孔８５の周方向の長さはピンＰ１の外径とほぼ同じである。その結果、可動部材８０は、光軸Ｌ方向に対しては、長円形状の光軸Ｌ方向の長さだけベース部７０に対して可動でき、周方向に対しては、回転が防止されることになる。

ベース部７０と可動部材８０とは、ベース部７０の周壁７４の底面に形成された３つのバネ収容溝７６にそれぞれ収容されたバネ１００を挟んで嵌め合わされる。なお、図２では、バネ収容溝７６と貫通孔８５とを同じ断面で表示しているが、これらの配置関係は実際には異なり、実際の配置は図７に示している。バネ収容溝７６の深さは、バネ１００の自然長よりも短いので、バネ１００の先端部はバネ収容溝７６から突出する。

従って、ベース部７０に可動部材８０が嵌め合わされた状態では、バネ１００の両端部は、それぞれバネ収容溝７６の底面７６ａ（図６中の上側の面）及び可動部材８０の底板８１に当接し、可動部材８０を光軸Ｌ方向に付勢することになる。これによって、半導体デバイス１１を観察するときには、固浸レンズ６は、半導体デバイス１１に付勢されて密着されるようになる。

ここで、バネ１００による付勢力が強すぎると、前述したように半導体デバイス１１が損傷する虞がある。そのため、対物レンズソケット９は、図２及び図６に示すように、ベース部７０に対する可動部材８０の光軸Ｌ方向における位置（部材位置）を検出する部材位置検出部１１０を有する。

図８は、部材位置検出部１１０の構成を示す図である。図８は、図６の矢印Ａ２の方向から見た状態を示しており、ホルダ本体８を取り付けた状態の図である。図６及び図８に示すように、部材位置検出部１１０は、センサ保持部材１１１と、このセンサ保持部材１１１に保持された２つの近接センサ１１２，１１３と、略Ｌ字状の金属板１１４とを有する。

センサ保持部材１１１は、外形が略直方体であってベース部７０の周壁７４の上面に形成された螺子孔７７（図７（ａ）参照）に螺子止めされている。センサ保持部材１１１は、近接センサ１１２，１１３の先端部がセンサ保持部材１１１から突出するように近接センサ１１２，１１３を保持している。

金属板１１４は、可動部材８０の周壁８３の上面に形成された螺子孔８６（図７（ａ）参照）に螺子止めされており、可動部材８０に合わせて光軸Ｌ方向に動くことになる。そして、金属板１１４は、その一部（光軸Ｌ方向に延びる部分）が近接センサ１１２，１１３と対面するように配置されている。

近接センサ１１２，１１３は、光軸Ｌ方向に互いに段違いであって光軸Ｌと直交する方向に並列に配置された状態で、センサ保持部材１１１に保持されている。近接センサ１１２，１１３は、ペリフェラルコントローラ３３（図１参照）に電気的に接続されており、金属板１１４が近づく（図６中、上側に移動する）ことによる磁界の変化によって金属板１１４を検出することで、ベース部７０に対する可動部材８０の位置を検出する。

近接センサ１１２は、ベース部７０と可動部材８０との間に配置されたバネ１００が自然長のときから縮み始めたときに金属板１１４と対面するように配置されている。これにより、固浸レンズ６が半導体デバイス１１に接触したときに、近接センサ１１２は金属板１１４を検出することになる。このため、近接センサ１１２は、固浸レンズ６と半導体デバイス１１との接触開始位置に対応する可動部材８０の位置を検出するセンサとして機能する。

また、近接センサ１１３は、近接センサ１１２よりも上側に配置されており、固浸レンズ６を介したバネ１００による半導体デバイス１１への付勢を停止するための可動部材８０の位置を検出する。つまり、近接センサ１１３は、半導体デバイス１１に損傷を与えない範囲の最大の付勢力を生じせしめるような可動部材８０のベース部７０に対する位置を検出できるように、近接センサ１１２よりも上方に配置されている。

ここで、図９を参照して、部材位置検出部１１０の動作について説明する。図９（ａ）に示すように、先ず、ペリフェラルコントローラ３３によって対物レンズ２１のフォーカス位置の調整が実施されているとき、対物レンズ２１に伴って対物レンズソケット９が半導体デバイス１１側に押し下げられると、固浸レンズ６は半導体デバイス１１に接触することになる。

固浸レンズ６は可動部材８０に取り付けられたホルダ本体８に保持されているので、固浸レンズ６が半導体デバイス１１に接触することで可動部材８０はベース部７０側に押され、その結果として、金属板１１４も上側に移動するので、近接センサ１１２が金属板１１４を検出する。すなわち、半導体デバイス１１への固浸レンズ６の接触が検出される。近接センサ１１２の検出結果は、ペリフェラルコントローラ３３を介して指示部４２に入力され、操作者（観察者）に固浸レンズ６が半導体デバイス１１に接触したことを知らせる。

そして、図９（ｂ）に示すように、対物レンズ２１が半導体デバイス１１側に更に押し下げられた状態（すなわち、対物レンズソケット９が押し下げられた状態）では、近接センサ１１２は金属板１１４を検出している旨の検出結果を出力し続けており、近接センサ１１３が金属板１１４を検出していない状態では、継続してフォーカス位置の調整が実施される。

また、図９（ｃ）に示すように、対物レンズソケット９が半導体デバイス１１側に更に押し下げられ、近接センサ１１３が金属板１１４を検出したとき、ペリフェラルコントローラ３３は、対物レンズ２１の押し下げを停止する。これによって、設定した付勢力以上の負荷が半導体デバイス１１に加えられないので、フォーカス位置の調整などによって半導体デバイス１１が損傷することが抑制されることになる。

ところで、上述したように、ホルダ本体８におけるレンズ保持部材６１のレンズ受け面６２ａの加工状態によっては、固浸レンズ６が半導体デバイス１１に接触したときに、図５（ｂ）に示すように固浸レンズ６の複数箇所がレンズ受け面６２ａに接触することがあり、この場合には固浸レンズ６が動きにくくなる。また、固浸レンズ６が半導体デバイス１１に接触したときに、図５（ａ）に示すように固浸レンズ６の上面６ａがレンズ受け面６２ａに１点接触の状態になっている場合でも、例えばレンズ受け面６２ａに生じたバリや埃等によって固浸レンズ６の自由な動きが妨げられることがある。そのような場合には、固浸レンズ６と半導体デバイス１１との密着性が不十分になってしまう虞がある。

そこで、本実施形態の半導体検査装置１は、固浸レンズ６を半導体デバイス１１に確実に密着させるべく、図２、図３及び図６に示すように、固浸レンズホルダ２００のホルダ本体８を振動させる振動発生部１２０を更に備えている。

振動発生部１２０は、略Ｌ字状のモータ保持部材１３０と、このモータ保持部材１３０に保持・固定された振動モータ１４０（前述）とを有する。振動モータ１４０は、ペリフェラルコントローラ３３（図１参照）に電気的に接続されている。

モータ保持部材１３０は、例えば対物レンズソケット９におけるベース部７０の周壁７４の上面に形成された螺子孔７７（図７（ａ）参照）に螺子止めされている。また、モータ保持部材１３０は、振動モータ１４０がモータ保持部材１３０を水平方向（半導体デバイス１１に対して平行な方向）に貫通するように振動モータ１４０を保持している。つまり、振動モータ１４０は、その出力軸１４１が水平方向に延在するようにモータ保持部材１３０に保持されることとなる。

振動モータ１４０の出力軸１４１には、重り１４２が取り付けられている。この重り１４２は、円筒形状ではなく断面略Ｌ字状を有しており、出力軸１４１に対して偏心して重量的にアンバランスな構造となっている。このような構造によって、振動モータ１４０の出力軸１４１を高速で回転駆動させると、振動モータ１４０を保持したモータ保持部材１３０に振動が発生するようになる。すなわち、出力軸１４１に対して重量的に偏った構造の重り１４２は、振動を生じさせる振動子として機能するものである。

このような振動発生部１２０で発生した振動は、対物レンズソケット９のベース部７０を介してホルダ本体８を伝搬し、ホルダ本体８のホルダ保持部６０から固浸レンズ６に伝えられる。そして、固浸レンズ６がホルダ保持部６０に対して揺れ動くようになる。従って、上述したように固浸レンズ６の自由な動きが妨げられていても、それが固浸レンズ６の振動によって強制的にキャンセルされるようになる。

ここで、振動発生部１２０と、ホルダ本体８のレンズ保持部６０の構造つまり固浸レンズ６をフリーの状態に保持する構造とは、固浸レンズホルダ２００に保持された固浸レンズ６を振動させる振動発生手段を構成するものである。

振動発生部１２０の振動モータ１４０は、解析部Ｃからの指示によりペリフェラルコントローラ３３を介して制御される。図１０は、解析部Ｃの機能ブロックを示す図である。図１０において、解析部Ｃの画像解析部４１は、画像入力部４１ａと、画像記憶部４１ｂと、輝度値算出部４１ｃと、入射光量取得部４１ｄと、閾値記憶部４１ｅと、光学的結合判定部４１ｆとを有する。

画像入力部４１ａは、高感度カメラ３により取得された半導体デバイス１１の発光画像等の観察画像を、カメラコントローラ３１を介して入力する。また、画像入力部４１ａは、ＬＳＭユニット４により取得された半導体デバイス１１からの回路パターンの反射光の像（反射光像）や、固浸レンズ６からの反射光像を、ＬＳＭコントローラ３２を介して入力する。画像記憶部４１ｂは、画像入力部４１ａで入力されたこれらの観察画像や反射光像を記憶する。

輝度値算出部４１ｃは、画像入力部４１ａで入力された反射光像の輝度値を算出することにより、反射光像の反射光量ｍを算出する。入射光量取得部４１ｄは、ＬＳＭユニット４から出射されて半導体デバイス１１に入射される赤外レーザ光の光量（入射光量）ｎをＬＳＭコントローラ３２より取得する。

反射光量ｍを算出するために使用される反射光像は、固浸レンズ６からの反射光像であっても良いし、半導体デバイス１１からの反射光像であっても良い。以下、光学的結合の判定において、固浸レンズ６からの反射光像の反射光量ｍを使用する実施形態について詳述する。

光学的結合判定部４１ｆは、入射光量取得部４１ｄで取得された入射光量ｎと輝度値算出部４１ｃで算出された反射光量ｍとに基づいて、固浸レンズ６と半導体デバイス１１との光学的結合（エバネッセント結合）が得られているかどうかを判断する。固浸レンズ６と半導体デバイス１１とのエバネッセント結合が得られているかどうかは、ＬＳＭユニット４から出射された赤外レーザ光（入射光）を固浸レンズ６の底面６ｂにフォーカシングしたときに得られる反射光量に基づいて判断される。

具体的には、固浸レンズ６と半導体デバイス１１とのエバネッセント結合が得られていない状態で、入射光を固浸レンズ６の底面６ｂにフォーカシングすると、その入射光が固浸レンズ６の底面６ｂで全反射されるため、入射光量と反射光量とが実質的に等しくなる。固浸レンズ６と半導体デバイス１１との接触面の一部においてエバネッセント結合が得られている状態で、入射光を固浸レンズ６の底面６ｂにフォーカシングすると、その入射光の一部だけが固浸レンズ６の底面６ｂで反射されるため、反射光量が入射光量に比して少なくなる。固浸レンズ６と半導体デバイス１１との接触面全体においてエバネッセント結合が得られている状態で、入射光を固浸レンズ６の底面６ｂにフォーカシングすると、その入射光の大部分が半導体デバイス１１へ透過するため、固浸レンズ６の底面６ｂからの反射光が殆ど発生しない。

そこで、光学的結合判定部４１ｆは、入射光量取得部４１ｄにより得られた入射光量ｎと輝度値算出部４１ｃにより得られた反射光量ｍとの相対比率（ｍ／ｎ）を算出し、閾値記憶部４１ｅに予め記憶されている判定用閾値Ａと相対比率（ｍ／ｎ）とを比較することにより、固浸レンズ６と半導体デバイス１１とのエバネッセント結合が得られているかどうかを判断する。

図１１は、半導体デバイス１１の観察画像を取得する際に解析部Ｃによって実行される処理手順の詳細を示すフローチャートである。以下、図１１に示すフローチャートを用いて、半導体デバイス１１を観察する方法について説明する。

まずＸＹＺステージ７を制御することで対物レンズ２１を光軸Ｌ方向（Ｚ軸方向）に沿って半導体デバイス１１側に移動させ、対物レンズソケット９を半導体デバイス１１側に押し下げる。そして、ＬＳＭユニット４及びペリフェラルコントローラ３３を介して入力された部材位置検出部１１０の検出値に基づいて、固浸レンズ６が半導体デバイス１１に接触したかどうかを検知・判断する（手順Ｓ１０１）。

固浸レンズ６が半導体デバイス１１に接触したと判断されたときは、ペリフェラルコントローラ３３からの制御信号によって振動モータ１４０を駆動させることにより、振動発生部１２０に振動を発生させる（手順Ｓ１０２）。すると、振動発生部１２０で発生した振動が固浸レンズホルダ２００を介して固浸レンズ６に伝わり、固浸レンズ６が半導体デバイス１１に接触した状態で振動するようになる。

続いて、ＬＳＭユニット４から出射された赤外レーザ光（入射光）を固浸レンズ６の底面６ｂにフォーカシングさせて、固浸レンズ６の底面６ｂからの反射光像をＬＳＭユニット４及びペリフェラルコントローラ３３を介して入力する。そして、上述したように固浸レンズ６の底面６ｂからの反射光像の反射光量ｍを算出し、この反射光量ｍの入射光量ｎに対する比率（ｍ／ｎ）が判定用閾値Ａを越えていないかどうかを判断する（手順Ｓ１０３）。

入射光量ｎに対する反射光量ｍの比率（ｍ／ｎ）が判定用閾値Ａを越えているときは、固浸レンズ６と半導体デバイス１１とのエバネッセント結合が得られていないと判断され、手順Ｓ１０２に戻り、再び振動発生部１２０により固浸レンズホルダ２００に振動を発生させることで、固浸レンズ６を振動させる。

一方、入射光量ｎに対する反射光量ｍの比率（ｍ／ｎ）が判定用閾値Ａを越えていないときは、固浸レンズ６と半導体デバイス１１とのエバネッセント結合が得られていると判断され、ペリフェラルコントローラ３３からの制御信号によってＸＹＺステージ７を駆動することにより、半導体デバイス１１内の所定の観察面に対して入射光の焦点合わせを行う（手順Ｓ１０４）。そして、高感度カメラ３により撮像して得られた半導体デバイス１１の観察画像をカメラコントローラ３１より取得し、その観察画像を画像記憶部４１ｂに記憶する（手順Ｓ１０５）。以上により、半導体デバイス１１の観察処理が終了する。

ここで、上記の手順Ｓ１０１，Ｓ１０２，Ｓ１０４は、指示部４２において実行される。上記の手順Ｓ１０３は、画像解析部４１の画像入力部４１ａ、輝度値算出部４１ｃ、入射光量取得部４１ｄ、閾値記憶部４１ｅ、光学的結合判定部４１ｆにおいて実行される。上記の手順Ｓ１０５は、画像解析部４１の画像入力部４１ａ及び画像記憶部４１ｂにおいて実行される。

また、ペリフェラルコントローラ３３及び指示部４２（図１１の手順Ｓ１０２）は、固浸レンズ６を振動させるように振動発生手段１２０を制御する振動制御手段を構成する。部材位置検出部１１０、ＬＳＭユニット４、ＬＳＭコントローラ３２及び指示部４２（図１１の手順Ｓ１０１）は、観察対象物１１への固浸レンズ６の接触を検知する接触検知手段を構成する。ＬＳＭユニット４、ＬＳＭコントローラ３２及び画像解析部４１の画像入力部４１ａは、照明手段４により観察対象物１１へ向けて光が照射されたときに、固浸レンズ６又は観察対象物１１からの反射光像を取得する画像取得手段を構成する。画像解析部４１の輝度値算出部４１ｃ、入射光量取得部４１ｄ、閾値記憶部４１ｅ、光学的結合判定部４１ｆは、画像取得手段により取得された反射光像を解析する解析手段を構成する。

次に、固浸レンズ６と半導体デバイス１１との光学的密着の程度の判定において、反射光量ｍとして半導体デバイス１１からの反射光像を使用する場合について説明する。

固浸レンズ６の底面６ｂからの反射光像を使用する上記実施形態では、反射光像の取得に際し、固浸レンズ６の底面６ｂに対してフォーカシングしたが、半導体デバイス１１からの反射光像を使用する場合は、半導体デバイス１１の所定の観察面に対してフォーカシングされたときに得られる反射光像が使用される。そして、光学的結合判定部４１ｆは、入射光量取得部４１ｄで取得された入射光量ｎと輝度値算出部４１ｃで算出された反射光量ｍとに基づいて、固浸レンズ６と半導体デバイス１１との光学的結合（エバネッセント結合）が得られているかどうかを判断する。

具体的には、上記実施形態と同様に、光学的結合判定部４１ｆは、入射光量取得部４１ｄにより得られた入射光量ｎと輝度値算出部４１ｃにより得られた反射光量ｍとの相対比率（ｍ／ｎ）を算出し、閾値記憶部４１ｅに予め記憶されている判定用閾値Ｂと相対比率（ｍ／ｎ）とを比較することにより、固浸レンズ６と半導体デバイス１１とのエバネッセント結合が得られているかどうかを判断する。

入射光量ｎに対する反射光量ｍの比率（ｍ／ｎ）が判定用閾値Ｂを越えていないときは、固浸レンズ６と半導体デバイス１１とのエバネッセント結合が得られていないと判断され、手順Ｓ１０２に戻り、再び振動発生部１２０により固浸レンズホルダ２００に振動を発生させることで、固浸レンズ６を振動させる。

一方、入射光量ｎに対する反射光量ｍの比率（ｍ／ｎ）が判定用閾値Ｂを越えているときは、固浸レンズ６と半導体デバイス１１とのエバネッセント結合が得られていると判断され、ペリフェラルコントローラ３３からの制御信号によってＸＹＺステージ７を駆動することにより、半導体デバイス１１内の所定の観察面に対して入射光の焦点合わせを行う（手順Ｓ１０４）。そして、高感度カメラ３により撮像して得られた半導体デバイス１１の観察画像をカメラコントローラ３１より取得し、その観察画像を画像記憶部４１ｂに記憶する（手順Ｓ１０５）。以上により、半導体デバイス１１の観察処理が終了する。

以上のように本実施形態においては、固浸レンズホルダ２００を振動させる振動発生部１２０を設けたので、固浸レンズ６を振動させながら半導体デバイス１１に密着させることができる。これにより、固浸レンズ６の自由な動きが阻害されることが防止され、固浸レンズ６の底面６ｂが半導体デバイス１１の裏面に倣うように密着するようになるため、固浸レンズ６と半導体デバイス１１とを十分に密着させることができる。その結果、固浸レンズ６と半導体デバイス１１との光学的なエバネッセント結合が確実に得られるようになるため、半導体デバイス１１の高精度の観察を行うことが可能となる。

また、固浸レンズ６と半導体デバイス１１との良好な光学的密着（エバネッセント結合）が達成されるまで、振動発生部１２０による固浸レンズホルダ２００の振動処理を自動的に行うようにしたので、操作者の利便性を向上させることができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。

例えば上記実施形態では、ホルダ本体８の外形が略Ｔ字状をなしているが、例えば図１２に示すようなホルダ本体１６０を用いても良い。ホルダ本体１６０は、固浸レンズ６を頂点として対物レンズ２１側に向かって外径が広がったテーパ形状のレンズ保持部材１６１と、上記のレンズカバー６３とを有する。この場合でも、固浸レンズ６は、図１３に示すように、その底面６ｂがレンズカバー６３の開口６４ａから突出するように、レンズ保持部材１６１に対してフリーの状態で保持される。

また、上記実施形態では、固浸レンズホルダ２００が対物レンズ２１の前端部に取り付けられる構成としたが、これに限定されるものではない。その他の変形例として、固浸レンズ６を、対物レンズ２１と観察対象物との間（対物レンズ２１の前面側）であって、かつ対物レンズ２１の光軸上に配置可能に構成される固浸レンズホルダが挙げられる。この場合、固浸レンズホルダは、例えばマニピュレータにより挿脱可能に支持され、振動発生部は、固浸レンズホルダ又はマニピュレータに取り付けられる。

また、上記実施形態では、振動モータ１４０は、その出力軸１４１が水平方向に延びるようにモータ保持部材１３０に保持されているが、図１４に示すように、振動モータ１４０の出力軸１４１が垂直方向に延びるような構造としてもよい。

さらに、上記実施形態では、振動発生部１２０が固浸レンズホルダ２００の対物レンズソケット９に取り付けられているが、可能であれば、ホルダ本体８や対物レンズ２１の対物レンズ鏡筒２６等に振動発生部１２０を取り付けてもよい。

また、上記実施形態では、振動モータ１４０の自動制御によって固浸レンズ６を振動させるようにしたが、半導体デバイス１１の観察方法としては、特にそのような全自動式に限られず、固浸レンズ６と半導体デバイス１１との良好な光学的密着が得られていないと観察者が判断した場合に、観察者自身がマニュアル操作により振動モータ１４０をＯＮ／ＯＦＦさせてもよい。

さらに、上記実施形態は、半導体デバイス１１の観察画像を取得して検査を行うものであるが、半導体以外の試料を観察対象物としても良いことは言うまでもない。

本発明に係る観察装置の一実施形態である半導体検査装置の構成図である。 図１に示した顕微鏡の対物レンズ及び固浸レンズホルダの構成を示す断面図である。 図２に示した対物レンズ及び固浸レンズホルダの斜視図である。 図２に示したホルダ本体の分解斜視図である。 図４に示した固浸レンズがレンズ保持部に保持されている状態を示す拡大断面図である。 図２に示した対物レンズソケットの断面図である。 図６に示した対物レンズソケットの平面図、側面図（一部断面を含む）及び裏面図である。 図６に示した部材位置検出部の構成図である。 図８に示した部材位置検出部及び固浸レンズホルダの動作を示す断面図である。 図１に示した解析部の機能ブロック図である。 半導体デバイスの観察画像を取得する際に図１１に示した解析部によって実行される処理手順の詳細を示すフローチャートである。 変形例として他の固浸レンズホルダを示す断面図である。 図１２に示したレンズ保持部材に固浸レンズが保持されている状態を示す拡大断面図である。 変形例として更に他の固浸レンズホルダを対物レンズと共に示す斜視図である。

符号の説明

１…半導体検査装置（観察装置）、３…高感度カメラ（画像取得手段）、４…ＬＳＭユニット（照明手段、接触検知手段、画像取得手段）、５…顕微鏡、６…固浸レンズ、８…ホルダ本体、１１…半導体デバイス（観察対象物）、２０…光学系、２１…対物レンズ、３２…ＬＳＭコントローラ（接触検知手段、画像取得手段）、３３…ペリフェラルコントローラ（振動制御手段）、４１…画像解析部、４１ａ…画像入力部（画像取得手段）、４１ｃ…輝度値算出部（解析手段）、４１ｄ…入射光量取得部（解析手段）、４１ｅ…閾値記憶部（解析手段）、４１ｆ…光学的結合判定部（解析手段）、４２…指示部（振動制御手段、接触検知手段）、６０…レンズ保持部（振動発生手段）、１１０…部材位置検出部（接触検知手段）、１２０…振動発生部（振動発生手段）、２００…固浸レンズホルダ。

Claims (6)

1. 対物レンズを含む光学系を有し、観察対象物を拡大して観察する顕微鏡と、
   前記対物レンズの光軸上に配置される固浸レンズを保持する固浸レンズホルダと、
   前記固浸レンズホルダに保持された前記固浸レンズを振動させる振動発生手段とを備えることを特徴とする観察装置。
2. 前記固浸レンズを振動させるように前記振動発生手段を制御する振動制御手段を更に備えることを特徴とする請求項１記載の観察装置。
3. 前記観察対象物への前記固浸レンズの接触を検知する接触検知手段を更に備え、
   前記振動制御手段は、前記接触検知手段により前記観察対象物への前記固浸レンズの接触が検知されたときに、前記固浸レンズを振動させるように前記振動発生手段を制御することを特徴とする請求項２記載の観察装置。
4. 前記観察対象物に光を照射する照明手段と、
   前記照明手段により前記観察対象物へ向けて光が照射されたときに、前記固浸レンズ又は前記観察対象物からの反射光像を取得する画像取得手段と、
   前記画像取得手段により取得された反射光像を解析する解析手段とを更に備え、
   前記振動制御手段は、前記解析手段による前記反射光像の解析結果に応じて、前記固浸レンズを振動させるように前記振動発生手段を制御することを特徴とする請求項２または３記載の観察装置。
5. 前記解析手段は、前記照明手段により照射される光の入射光量を取得する手段と、前記反射光像の反射光量の前記入射光量に対する比率を所定値と比較する手段とを有し、
   前記振動制御手段は、前記反射光量の前記入射光量に対する比率と所定値との比較結果に応じて、前記固浸レンズを振動させるように前記振動発生手段を制御することを特徴とする請求項４記載の観察装置。
6. 対物レンズを含む光学系を有し、観察対象物を拡大して観察する顕微鏡と、前記対物レンズの光軸上に配置される固浸レンズを保持する固浸レンズホルダと、前記固浸レンズホルダに保持された前記固浸レンズを振動させる振動発生手段とを備える観察装置を準備する工程と、
   前記振動発生手段により前記固浸レンズホルダに保持された前記固浸レンズを振動させると共に、前記固浸レンズを前記観察対象物に密着させる工程と、
   前記固浸レンズが前記観察対象物に密着された後、前記顕微鏡により前記観察対象物を観察する工程とを含むことを特徴とする観察方法。

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