JPS61217014A

JPS61217014A - 走査型検査装置

Info

Publication number: JPS61217014A
Application number: JP60056117A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Horikawa; 嘉明堀川
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1985-03-22
Filing date: 1985-03-22
Publication date: 1986-09-26
Anticipated expiration: 2011-07-10
Also published as: JP2515722B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明はＩＣデバイスの性能測定等に用いる走査型検査
装置に関するものである。

〔従来技術〕

ＩＣデバイスの性能測定や故障解析等において、ＬＳＩ
の微細化、高集積化に伴い機械的プローブの使用が、困
難になり、非接触測定−が必要となっている。

そのため走査型電子顕微鏡を利用した電子ビームをプロ
ーブとした測定法が研究されている。しかしこの測定法
は試料を真空中におく必要があることや、電子ビームに
よるチャージアップにより測定値が変化する欠点があり
また破壊的測定になる等の欠点もある。

以上の欠点をさけるためにレーザー光でＬＳＩ表面を走
査して測定する方法が提案されている。

この測定法は、半導体デバイスの光伝導性を利用したも
ので、微細に絞ったレーザービームにてＩＣ上を２次元
に走査し、光励起電流を測定してＣＲＴ上に充電流像を
表示するもので○Ｂ工工法法呼ばれている。またレーザ
ースポットをある位置に固定し、回路を動作させること
により、回路の動作状態例えばＦＥＴのオン、オフの状
態の検出等を行なうことが出来る。これは走査型レーザ
ー顕微ｗＩｌを半導体検査装置に応用したものである。

このような従来の走査型検査装置においては、レーザー
プローブのスポット径の大きさの変更を対物レンズの変
更によって行なっていた。そのために前記スポット径の
大きさを変更するには、対物レンズを他のものに変換す
る必要があり、機構が複雑になシ、変換に時間を要する
などの欠点があった。また対物レンズの倍率により瞳径
が異なるので、対物レンズを変換した場合レーザープロ
ーブの光量が変化する欠点もある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明において解決しようとする問題点は、走査型検査
装置による半導体検査において、検査したい領域に合わ
せて光によって励起させることのできる範囲を変えるた
めのレーザープローブのスポット径の大きさの変更を対
物レンズの変換によることなく行ない得てしかも光量の
変化が生じないようにすることにある。

〔問題点を解決する手段〕

本発明においては、対物レンズの瞳に入射する光束の大
きさを変更することによって対物レンズによって絞られ
るレーザースポット径の大きさを変化させるようにして
前記の問題点を解決するようにした。

一般に開口数ＮＡのレンズに、一様分布の平行平面波を
入射した場合の回折によって決まるスポット径中は次の
式（１）にて示すようになる。

λ ψ＝１．２２−（１）ＮＡただしλは波長である。

この式（１）から明らかなようにＮＡが大きい程スポッ
ト径が小さくなる。したがって対物レンズの瞳径が同じ
場合には、対物レンズの倍率が太きいとつまり焦点距離
ｆが短いとＮＡが大になり、スポット径は小になる。そ
のために一般にスポット径を変化させる場合、倍率の異
なる対物レンズに交換することによっていた。

本発明は、前述のように対物レンズの瞳に入射する光束
の径を変化させることによって実質上のＮＡを変化させ
てスポット径を変化させるようにしたものである。

レーザー光は一般にガウス分布をしている。第１図は対
物レンズ１にガウス分布をしたレーザービーム２を入射
させてスポット径３を得た場合を示したものである。入
射ビーム２のビーム径に対して対物レンズ１の瞳径が十
分大きい（実際上は１．１倍以上であればよい）とする
と、入射するガウスビームの半径をω、波長をλ、対物
レンズの焦点距離をｆとした時、得られるスポットの半
径ω３は次の式（２）にて表わされる。

この式（２）から入射ガウスビームの半径ωを小さくす
るとスポットの半径ω３を大きくできることがわかる。

例えば波長λ＝０．６μｍ、対物レンズの焦点距ｆｉｆ
＝３．６ｍｍの場合、入射ビームの半径が０．４＋ｍで
あるとスポットの半径は１．７２μｍ１又入射ビームの
半径が１．２　ｍであるとスポットの半径は０．５９μ
ｍ、更に入射ビームの半径が２肩であるとスポットの半
径は０．３８μｍ　となる。

第２図は、第１図と同じ対物レンズ４に第１図に示すビ
ーム２よりも光束の細い入射ガウスビーム５を入射した
場合に得られるスポット径を図示したものである。つま
り第２図の場合第１図におけるよりも大きいスポット径
になることを示している。

このように同じ対物レンズを用いても瞳に入射する光束
の大きさを制御することによってスポット径を制御する
ことが可能である。

本発明は、光源よりの光ビームを対物レンズによって物
体上に集光する走査型検査装置において対物レンズに入
射する光束の径を制御することによってスポット径を変
更するようにしたものである。

〔実施例〕

次に対物レンズの瞳に入射する光束を変化させることに
よってレーザープローブのスポット径を変化させる本発
明の走査型検査装置の実施例を図面にもとづいて説明す
る。

第３図は本発明の走査型検査装置の実施例の光学系を示
す図である。この図において、７はレーザー光源、８は
集光レンズ、９は空間フィルター、１０はコリメーター
、１１はズームレンズ、１２Ｕ、光学系の瞳位置におか
れた水平方向の走査のための第１の光偏向部材（例えば
ガルバノミラ−）、１３゜１４は瞳伝送レンズ、１５は
同様に瞳位置におかれた垂直方向の走査のだめの第２の
光偏向部材、１６は瞳投影レンズ、１７は結像レンズ、
１８は対物レンズ、１９は試料である。

このような光学系において、レーザー光源７よりのレー
ザービームは集光レンズ８．空間フィルター９．コリメ
ーターｌＯを通ってメームレンズ１１に入射される。こ
のズームレンズ１１は、入射するビーム径の大きさを任
意の射出するビーム径の大きさに変換するビームコンバ
ーターをなしている。

コ（７）ズームレンズ１１より射出シタレーザービーム
は、第１の光偏向部材１２によって水平方向に走査され
る。第１の光偏向部材１２により走査されたビームは、
瞳伝送レンズ１３．１４を通り第２の光偏向部材１５に
入射されここで垂直方向の走査が行なわれる。このよう
に第１の光偏向部材１２と、第２の光偏向部材１５によ
りラスター走査される。２次元に走査されたレーザービ
ームは投影レンズ１６．結像レンズ１７を通り、対物レ
ンズ１８の瞳に入射される。以上のようにレーザービー
ムが通過した光学系は、瞳伝送を考慮した走査光学系で
、つまシ走査を行なう光偏向部材等が瞳位置におかれて
いる光学系なので軸外光においても瞳は保存されている
。そのため走査光学系の入射側にあるズームレンズ１１
即ちビーム径コンバーターによって任意の大きさに変換
されたレーザービーム径はそのまま対物レンズ１８の瞳
に入射する光束になる。つまり対物レンズ１８の入射瞳
に入射する光束径はズームレンズ１１によって任意に変
換することが出来る。

したがって試料１９上に生ずるレーザープローブの径は
ズームレンズ１１によって自由に調整し得る。

また、コリメーター１０によってズームレンズ１１に入
射した光は損失を受けることなしにすべて利用されるの
でレーザープローブの径の変化に関係なく光量は一定で
ある。このようにして試料１９上を走査しその透過光又
は反射光を検出するか或は光励起電流等を検出すること
により試料の測定が行なわれる。

以上のようにこの実施例によれば、対物レンズを他のも
のに変換することなしに、レーザープローブのスポット
径を変化させることが出来、その際光量は変化しない。

また瞳伝送を考慮した走査光学系であるのでズームレン
ズを走査光学系の入射側におくことが可能であり、ズー
ムレンズ軸上収差のみ補正するだけでよい。

又、第１．第２の光偏向部材１２．１５は図示するよう
なガルバノミラ−のほか、プリズム、ガラスブロック、
音響光学素子等の他の光偏向器を用いてもよい。

次に以上述べた第３図に示す実施例のような光ビームを
走査する方法による走査検査装置の場合、瞳位置を考慮
した光偏向部材を用いることによって軸外光においても
瞳が保存されることについて説明する。

第４図は、第３図に示す実施例において検出器を設けて
測定する場合の光偏向部材にて走査を行なった時のビー
ムの進光状況を示す図であって、光ビームのうち光学系
の光軸に沿って進む光ビーム２０（実線にて示す）と、
光偏向部材にて偏向された光ビーム２１（破線にて示す
）とを示しである。

尚各光学部材については第３図に示すものと実質的に同
一であるので同一符号にて示してあり個々の説明は省略
する。又この図には後に述べるように試料面よりの反射
光を利用しての検出の場合についての説明も合わせ行な
うためにビームスプリッタ−２４等が示しである。

この図に示すように等測的に点光源であると考えられる
レーザー光源よりの光ビームは、ズームレンズ１１に入
射する。このズームレンズ１１は前述のように入射ビー
ム径を任意の大きさの射出ビーム径に変換できるビーム
径コンバーターである。

このビーム径コンバーターであるズームレンズ１１を射
出したビームは、対物レンズ１８の瞳１８　ａと共役な
瞳位置に配置されたｉ＠１の光偏向部材１２に入射する
。光ビームがこの第１の光偏向部材１２にて偏向されな
い場合は、光軸に沿って進む。又この光偏向部材によっ
て偏向されつまり水平方向（Ｘ方向）の走査が行なわれ
る場合は、例えば破線に示すようにビーム２１は進行す
る。ここで第１の光偏光部材１２は瞳位置に置かれてい
るので、偏向された光ビーム２１は、軸外主光線と一致
する方向に進みまた光ビームの中心も一致する。これら
光ビームは瞳伝送レンズ１３．１４によシ瞳位置に配置
されている第２０光儂向部材１５に入射する。ここで垂
直方向（ｙ方向）の走査が行なわれる。この第２の光偏
向部材１５も瞳位置に配置されているので第１の光偏向
部材１２と同様に偏向されない光ビームは光軸方向に又
偏向された光ビームは軸外主光線の方向に進む。ただし
第１の光偏向部材による走査方向と直角方向の走査であ
るので第２の光偏向部材１５により偏向された光は図面
には表われていない。尚ｘ　−７両方向の偏向を行なう
ことのできる光偏向器を用いれば光偏向器は一つでよい
。

このようにして第１の光偏向部材１２．第２の光偏向部
材１５により２次元的に走査された光ビームは、瞳投影
レンズ１６および結像レンズ１７により対物レンズ１８
の瞳１８　ａに入射する。ここで上記光偏向部材１２．
１５により形成される光ビームも方向およびその中心が
軸外主光線に一致しているので軸外光のビームも対物レ
ンズ１８の瞳１８　ａに正確に入射する。更にこれら光
ビームは、対物レンズ１８によって試料１９上に回折で
制限されるスポット光として形成される。このスポット
光は、光ビームが第１の光偏向部材１２および第２の光
偏向部材１５によってＸ−Ｙ２次元走査することにより
試料１９上を２次元走査する。

ここで試料を透過した光により観察する場合には、図示
するような試料の後方に配置されたコンデンサーレンズ
ｎおよび検出器乙を用いる。この検出器おも瞳位置に配
置されており、これによって軸上光も軸外光も検出器ｎ
上の同じ位置に生じ、検出器おの感度むら等の影響を防
ぐことができまた検出器の面積も小さくてすむ。さらに
微分型検出を行なう場合は、検出器ｎを図示するように
二つの検出器Ｚ３ａ、２３ｂにて構成しそれらを光軸に
対し対称に配置すればよい。この場合軸外光でもビーム
の中心と軸外主光線が一致するように設定されているの
で検出器２３　ａ　、　２３　ｂは軸外主光線に対して
も対称な配置となり正確に微分型検出を行なうことがで
きる。

次に試料からの反射光にて検出する場合について述べる
。

試料１９により反射された光ビームは、対物レンズ１８
とその瞳１８　ａを通シ更に結像レンズ１７を通り一担
結像する。この結像面は通常の光学顕微鏡で像を観測す
る面である。さらに瞳投影レンズ１６により第２の光偏
向部材１５にもどり、同様に瞳伝送レンズ１４，１３．
第１の光偏向部材１２．ズームレンズ１１を順次入射時
と反対方向に進みビームスプリッタ−冴にて反射されて
とりだされ集光レンズ５にて集光された後に検出器ｎに
て検出される。

ここでビームスプリッタ−Ｕにて反射されてとシだされ
たビームあは、瞳位置におかれている光偏向器１５．１
２を通ってもどってきているので軸外を走査しても検出
ビームあけ動かない。この検出ビーム沼は、集光レンズ
５によって符号２６に示す位置に絞られるので、ここに
ピンホールを設けその後方に検出器を配置して検出すれ
ばフレアーのない、通常の顕微鏡より高解像の画像を得
ることが出来る。この場合ピンホールを設けなくともよ
くその場合は通常の画像が得られることは言うまでもな
い。また符号２６の位置に黒点状の遮光物を設ければ暗
視野像での観測が出来る。また光ビームの拡がった位置
に検出器として二つの検出器ｎａ、２７ｂにて構成した
ものを光軸に対称に設置することによって微分型観察が
可能になる。

以上の説明から明らかなように図示する実施例では軸外
光においても瞳が保存されることがわかる。

第５図は、光束中に絞りを設けることによって対物レン
ズの瞳に入射する光束の径を変化させるようにした他の
実施例である。この実施例では、光源７より出て空間フ
ィルター９．コリメーター１０を通ったビームは絞り３
０により絞られた後に第１の光偏向器１２に入射する。

その後は第３図と同様にして対物レンズに入射する。こ
の実施例において絞り３０の径を変化させればビームの
径を変化させ得るので、対物レンズに入射するビームの
径を変えることが出来る。この実施例の場合、構造が簡
単であって製作が容易で安価であるが、レーザービーム
を遮ぎるので光量がスポット径により変化する。

以上の実施例はンーザービームを走査する方式の走査検
査装置であるが、レーザービームは固定しステージを走
査する方式の走査検査装置にも本発明を適用することが
出来る。

〔発明の効果〕

本発明の走査型検出装置は、対物レンズを変換すること
なしにスポット径を変え得るのでスポット径の調整、変
更が簡単に行ない得る。又光量の減少をともなわないス
ポット径の変更が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は本発明におけるスポット径の変更の原
理を示す図、第３図は本発明の実施例の光学系を示す図
、第４図は上記実施例で軸外光における瞳の保存を示す
図、第５図は他の実施例の光学系の一部を示す図である
。７・・・レーザー光源、８・・・集光レンズ、９・・・
　空間フィルター、１０・・・コリメーター、１１・・
・ズームレンズ、１２・・・ｉ＠１の光偏向部材、１３
．１４・・・瞳伝送レンズ、１５・・・第２の光偏向部
材、１６・・・瞳投影レンズ、１７・・・結像レンズ、
１８・・・対物レンズ、１９・・・試料。

Claims

【特許請求の範囲】

光源と、該光源から発した光を物体上に集光する対物レ
ンズとを備えた走査型検査装置において、対物レンズよ
りも光源側に対物レンズに入射する光束の径を制御する
手段を設けたことを特徴とする走査型検査装置。