JPWO2004083930A1 - 顕微鏡及び試料観察方法 - Google Patents

Abstract

観察対象の試料となる半導体デバイスＳに対し、半導体デバイスＳの観察を行うための画像取得部１と、対物レンズ２０を含む光学系２とを設置する。また、半導体デバイスＳの画像を拡大するための固浸レンズ（ＳＩＬ）３を、半導体デバイスＳから対物レンズ２０への光軸を含み、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、光軸を外れた待機位置との間を移動可能に設置する。そして、ＳＩＬ３を挿入した際にＳＩＬ３からの反射光を含む画像を取得し、その画像を参照して、ＳＩＬ駆動部３０によってＳＩＬ３の挿入位置を調整する。これにより、半導体デバイスの微細構造解析などに必要な試料の観察を容易に行うことが可能な半導体検査装置（顕微鏡）、及び半導体検査方法（試料観察方法）が実現される。

Description

本発明は、半導体デバイスなどの試料を観察するために用いられる顕微鏡、及び試料観察方法に関するものである。

半導体検査においては、半導体デバイスを試料として顕微鏡等で観察し、それによって半導体デバイスの故障解析や信頼性評価などを行う方法が用いられる。半導体検査装置としては、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、特公平７−１８８０６号公報参照）。しかしながら、近年、検査対象となる半導体デバイスの微細化が進んでおり、可視光や赤外光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、このような半導体デバイスの微細構造について解析を行って、半導体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箇所を検出する場合、まず、可視光や赤外光を使用した検査装置によって異常箇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、半導体デバイスでの異常箇所を検出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、検査対象となる半導体デバイスの準備、設置が複雑であるなどの理由により、半導体デバイスの検査に大変な手間と時間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。ＳＩＬ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である。このＳＩＬを観察対象の表面に密着させて設置すれば、開口数ＮＡ及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。しかしながら、ＳＩＬは、大きさが１ｍｍ程度と小型のレンズ素子である。このため、半導体デバイスの検査においては、その取り扱いや観察制御の難しさなどにより、ＳＩＬを用いた検査は実用化されていない。これは、半導体デバイス以外の試料の観察においても同様である。

本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、半導体デバイスの微細構造解析などに必要な試料の観察を容易に行うことが可能な顕微鏡、及び試料観察方法を提供することを目的とする。

このような目的を達成するために、本発明による顕微鏡は、試料を観察するための顕微鏡であって、（１）試料からの光が入射する対物レンズを含み、試料の画像を導く光学系と、（３）試料から対物レンズへの光軸を含む挿入位置、及び光軸を外れた待機位置の間を移動可能に設けられた固浸レンズと、（４）固浸レンズを挿入位置及び待機位置の間で駆動するとともに、対物レンズに対する固浸レンズの挿入位置を調整する固浸レンズ駆動手段と、（５）固浸レンズからの反射光を含む画像を参照して、固浸レンズの挿入位置の調整を指示する指示手段とを備えることを特徴とする。

また、本発明による試料観察方法は、試料を観察する試料観察方法であって、（ａ）試料の観察画像を、試料からの光が入射する対物レンズを含む光学系を介して取得する第１画像取得ステップと、（ｂ）観察画像から試料での観察箇所を設定する観察設定ステップと、（ｃ）固浸レンズを、試料から対物レンズへの光軸を外れた待機位置から、光軸を含む挿入位置へと移動するレンズ挿入ステップと、（ｄ）固浸レンズからの反射光を含む画像を取得し、その画像を参照して、対物レンズに対する固浸レンズの挿入位置を調整する位置調整ステップと、（ｅ）固浸レンズによって拡大された試料の観察画像を、固浸レンズ及び光学系を介して取得する第２画像取得ステップとを備えることを特徴とする。

上記した顕微鏡及び試料観察方法においては、観察対象である半導体デバイスなどの試料と対物レンズとの間に固浸レンズがない通常の状態での観察画像、及び固浸レンズを挿入した状態での拡大観察画像の両者を取得可能なように顕微鏡を構成している。そして、固浸レンズを挿入した際に、固浸レンズからの反射光を含む画像を取得し、その画像を参照することによって固浸レンズの位置を調整することとしている。

このような構成によれば、試料に対して、固浸レンズを介して高分解能の観察を行うことができる。また、固浸レンズを挿入した状態での観察画像を利用して位置合わせを行うことにより、試料の観察への適用において、固浸レンズを効率良く取り扱うことが可能となる。以上により、試料の微細構造などの観察を容易に行うことが可能な顕微鏡、及び試料観察方法が実現される。ここで、顕微鏡においては、試料の画像を導く光学系に対し、試料の画像を取得する画像取得手段を設けても良い。

上記した顕微鏡は、半導体デバイスの画像を取得して、その異常箇所を検出する半導体検査装置であって、検査対象となる半導体デバイスの画像を取得する画像取得手段と、半導体デバイスからの光が入射する対物レンズを含み、半導体デバイスの画像を画像取得手段へと導く光学系と、半導体デバイスから対物レンズへの光軸を含む挿入位置、及び光軸を外れた待機位置の間を移動可能に設けられた固浸レンズと、固浸レンズを挿入位置及び待機位置の間で駆動するとともに、対物レンズに対する固浸レンズの挿入位置を調整する固浸レンズ駆動手段と、画像取得手段で取得された固浸レンズからの反射光を含む画像を参照して、固浸レンズの挿入位置の調整を指示する指示手段とを備える半導体検査装置に適用することが可能である。

また、上記した試料観察方法は、半導体デバイスの画像を取得して、その異常箇所を検出する半導体検査方法であって、検査対象となる半導体デバイスの観察画像を、半導体デバイスからの光が入射する対物レンズを含む光学系を介して取得する第１画像取得ステップと、観察画像から半導体デバイスでの検査箇所を設定する検査設定ステップと、固浸レンズを、半導体デバイスから対物レンズへの光軸を外れた待機位置から、光軸を含む挿入位置へと移動するレンズ挿入ステップと、固浸レンズからの反射光を含む画像を取得し、その画像を参照して、対物レンズに対する固浸レンズの挿入位置を調整する位置調整ステップと、固浸レンズによって拡大された半導体デバイスの観察画像を、固浸レンズ及び光学系を介して取得する第２画像取得ステップとを備える半導体検査方法に適用することが可能である。

上記した半導体検査装置及び検査方法においては、観察対象である半導体デバイスと対物レンズとの間に固浸レンズがない通常の状態での観察画像、及び固浸レンズを挿入した状態での拡大観察画像の両者を取得可能なように検査装置を構成している。そして、固浸レンズを挿入した際に、固浸レンズからの反射光を含む画像を取得し、その画像を参照することによって固浸レンズの位置を調整することとしている。

このような構成によれば、半導体デバイスに対して、固浸レンズを介して高分解能の観察を行うことができる。また、固浸レンズを挿入した状態での観察画像を利用して位置合わせを行うことにより、半導体デバイスの検査への適用において、固浸レンズを効率良く取り扱うことが可能となる。以上により、微細構造解析などの半導体デバイスの検査を容易に行うことが可能な半導体検査装置、及び検査方法が実現される。

ここで、上記した顕微鏡は、指示手段が、固浸レンズからの反射光を含む画像を参照し、反射光像の重心位置が試料での観察箇所に対して一致するように、固浸レンズの挿入位置の調整を指示することが好ましい。同様に、試料観察方法は、位置調整ステップにおいて、固浸レンズからの反射光を含む画像を参照し、反射光像の重心位置が試料での観察箇所に対して一致するように、固浸レンズの挿入位置を調整することが好ましい。これにより、固浸レンズを挿入した状態での観察画像を利用した位置合わせを確実に行うことができる。なお、試料での観察箇所は、半導体検査装置及び検査方法においては、半導体デバイスでの検査箇所となる。

また、顕微鏡は、指示手段が、固浸レンズの挿入位置の調整と合わせて、対物レンズと試料との間の距離の調整を指示することとしても良い。同様に、試料観察方法は、対物レンズと試料との間の距離を調整する距離調整ステップを備えることとしても良い。これにより、対物レンズを含む光学系、及び固浸レンズを介して、半導体デバイスなどの試料の拡大観察画像を良好な画像として取得することができる。

図１は、半導体検査装置の一実施形態の構成を模式的に示すブロック図である。

図２Ａ及び図２Ｂは、（Ａ）半球形状、及び（Ｂ）超半球形状の固浸レンズについて示す図である。

図３は、図１に示した半導体検査装置を用いた半導体検査方法を示すフローチャートである。

図４は、固浸レンズを挿入した状態で取得される画像を示す写真である。

図５は、半導体検査装置の他の実施形態を示す構成図である。

図６は、図５に示した半導体検査装置を側面から示す構成図である。

図７Ａ及び図７Ｂは、固浸レンズに対して取得される反射光像での反射光パターンの例を示す図である。

図８Ａ及び図８Ｂは、固浸レンズに対して取得される反射光像での反射光パターンの例を示す図である。

図９Ａ及び図９Ｂは、固浸レンズに対して取得される反射光像での反射光パターンの例を示す図である。

以下、図面とともに本発明による顕徴鏡、及び試料観察方法の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。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。

まず、本発明による顕微鏡である半導体検査装置の基本的構成について説明する。図１は、本発明による半導体検査装置の一実施形態の構成を模式的に示すブロック図である。本装置は、例えばトランジスタや配線などからなる回路パターンが形成された半導体デバイスＳを観察対象（検査対象）の試料とし、半導体デバイスＳの画像を取得して、その異常箇所を検出する検査装置である。ここで、本発明による顕微鏡及び試料観察方法は、一般に試料を観察する場合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及び検査方法について説明する。

本実施形態によ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等を行う解析部Ｃとを備えている。また、本検査装置による検査対象、すなわち顕微鏡による観察対象の試料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１と、光学系２と、固浸レンズ（ＳＩＬ：Ｓｏｌｉｄ Ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ Ｌｅｎｓ）３とを有している。画像取得部１は、例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１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１へと導く光学系２が設けられている。

光学系２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２を介して画像取得部１に到達する。そして、画像取得部１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１と光学系２とは、互いの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１及び光学系２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１及び光学系２は、Ｘ、Ｙ方向（水平方向）、及びＺ方向（垂直方向）のそれぞれで必要に応じて移動させて、半導体デバイスＳに対して位置合わせ及び焦点合わせが可能な構成となっている。なお、半導体デバイスＳに対する位置合わせ及び焦点合わせについては、半導体デバイスＳを載置するステージ１８を駆動することによって行っても良い。

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の状態の制御等を行う。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、例えば、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。

本実施形態においては、この観察部Ａには、さらに、ＳＩＬ３が設置されている。図２Ａ及び図２Ｂは、固浸レンズ（ＳＩＬ）の構成及び使用方法の例を示す図である。ＳＩＬ３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を有するレンズであり、図２Ａ及び図２Ｂに示すように、観察対象である半導体デバイスＳの表面に密着して設置される。ここで、ＳＩＬ３の半径をＲ、屈折率をｎとする。

このようなＳＩＬ３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ＳＩＬでは、図２Ａに示すように、その球心が焦点となる。このとき、開口率ＮＡ及び倍率はともにｎ倍となる。一方、超半球形状を有するＳＩＬでは、図２Ｂに示すように、球心からＲ／ｎだけ下方にずれた位置が焦点となる。このとき、開口率ＮＡ及び倍率はともにｎ^２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、図２Ａ及び図２Ｂに示した以外の条件でＳＩＬ３を用いても良い。

図１に示した半導体検査装置においては、このＳＩＬ３は、画像取得部１及び光学系２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、ＳＩＬ３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。ＳＩＬ３は挿入位置では、その平面状もしくは凸面状のレンズ下面が半導体デバイスＳに密着するように配置される。このようなＳＩＬとしては、例えばｐｌａｎｏ−ｃｏｎｖｅｘ ｌｅｎｓ、ｂｉ−ｃｏｎｖｅｘ ｌｅｎｓが知られている（例えば、特開平５−１５７７０１号公報、及び米国特許第６５９４０８６号公報参照）。

また、ＳＩＬ３に対し、固浸レンズ駆動部（ＳＩＬ駆動部）３０が設けられている。ＳＩＬ駆動部３０は、ＳＩＬ３を駆動して上記した挿入位置及び待機位置の間を移動させる駆動手段である。また、ＳＩＬ駆動部３０は、ＳＩＬ３の位置を微小に移動させることにより、光学系２の対物レンズ２０に対するＳＩＬ３の挿入位置を調整する。なお、図１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配置された状態でＳＩＬ３を図示している。

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に対して、制御部Ｂ及び解析部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、ＳＩＬ制御部５３とを有している。観察制御部５１は、画像取得部１及び検査部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１及び光学系２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、ＳＩＬ制御部５３は、ＳＩＬ駆動部３０の動作を制御することによって、挿入位置及び待機位置の間でのＳＩＬ３の移動、あるいはＳＩＬ３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１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による解析内容などを参照し、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ＳＩＬ３及びＳＩＬ駆動部３０が設置されていることに対応して、ＳＩＬ３を用いた半導体デバイスＳの観察及び検査に関して必要な処理及び指示を行う。

すなわち、対物レンズ２０と試料である半導体デバイスＳとの間にＳＩＬ３を挿入する場合、観察部Ａにおいて、画像取得部１は、ＳＩＬ３が挿入位置にある状態でＳＩＬ３からの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１で取得されたＳＩＬ３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ＳＩＬ３からの反射光を含む画像を参照し、ＳＩＬ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（観察箇所）に対して一致するように、ＳＩＬ３の挿入位置の調整を指示する。

本発明による試料観察方法である半導体検査方法について説明する。図３は、図１に示した半導体検査装置を用いた半導体検査方法を示すフローチャートである。

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ＳＩＬ３を配置した状態で観察を行う。ここでは、画像取得部１により、対物レンズ２０を含む光学系２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（ステップＳ１０１）。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（Ｓ１０２、第１画像取得ステップ）。

次に、画像取得部１で取得されたパターン画像及び異常観察画像を用いて、半導体デバイスＳに異常箇所があるかどうかを調べる。異常箇所がある場合にはその位置を検出するとともに、検出された異常箇所を半導体検査装置による検査箇所として設定する。ここで設定される検査箇所は、顕微鏡を用いた試料観察における観察箇所である（Ｓ１０３、検査設定ステップ、観察設定ステップ）。そして、設定された検査箇所（観察箇所）が画像取得部１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１及び光学系２の位置を設定する。

続いて、半導体デバイスＳの検査箇所に対してＳＩＬ３の設置を行う（Ｓ１０４）。まず、光軸を外れた待機位置にあるＳＩＬ３をＳＩＬ駆動部３０によって駆動して、半導体デバイスＳから対物レンズ２０への光軸を含む挿入位置へとＳＩＬ３を移動する（Ｓ１０５、レンズ挿入ステップ）。

半導体デバイスＳと対物レンズ２０との間にＳＩＬ３を挿入したら、ＳＩＬ３の挿入位置の調整を行う（Ｓ１０６、位置調整ステップ）。まず、画像取得部１により、ＳＩＬ３からの反射光を含む画像を取得する。ＳＩＬ３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ＳＩＬ３の面頂からの反射光をガイドとして行われる。

図４は、半導体デバイスＳと対物レンズ２０との間にＳＩＬ３を挿入した状態で画像取得部１によって取得される画像を示す写真である。この写真の中央にある明るい部分が、ＳＩＬ３の面頂からの反射光に相当する。画像解析部６１は、このようなＳＩＬ３からの反射光を含む画像に対し、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。そして、指示部６２は、ＳＩＬ制御部５３を介しＳＩＬ３及びＳＩＬ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、ＳＩＬ３の挿入位置の調整を指示する。これにより、ＳＩＬ３の半導体デバイスＳ及び対物レンズ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ＳＩＬ３の挿入位置の調整と合わせて、ステージ制御部５２を介しＸＹＺステージ１５に対して、ＳＩＬ３が密着して設置されている半導体デバイスＳと、光学系２の対物レンズ２０との間の距離の調整を指示する（Ｓ１０７、距離調整ステップ）。これにより、ＳＩＬ３が挿入された状態における焦点合わせが行われる。そして、画像取得部１は、半導体デバイスＳ上に配置されたＳＩＬ３、及び対物レンズ２０を含む光学系２を介して、半導体デバイスＳの拡大された観察画像を取得する（Ｓ１０８、第２画像取得ステップ）。

本実施形態による半導体検査装置、及び半導体検査方法の効果について説明する。

図１に示した半導体検査装置、及び図３に示した半導体検査方法においては、観察対象である半導体デバイスＳと対物レンズ２０との間にＳＩＬ３がない通常の状態での観察画像、及びＳＩＬ３を挿入した状態での拡大観察画像の両者を、画像取得部１によって取得可能な構成を用いている。そして、ＳＩＬ３を挿入した際に、ＳＩＬ３からの反射光を含む画像を取得し、その画像を参照することによってＳＩＬ３の位置を調整することとしている。

このような構成によれば、試料である半導体デバイスＳに対して、ＳＩＬ３を介して高分解能の観察を行うことができる。また、ＳＩＬ３を挿入した状態での観察画像を利用して位置合わせを行うことにより、半導体デバイスＳの検査（試料の観察）への適用において、ＳＩＬ３を効率良く取り扱うことが可能となる。以上により、微細構造解析などの半導体デバイスＳの検査を容易に行うことが可能な半導体検査装置、及び検査方法が実現される。また、上記のような構成を有する顕微鏡、及び試料観察方法によれば、試料の微細構造などの観察を容易に行うことが可能となる。

ＳＩＬ３からの反射光を含む画像を用いてＳＩＬ３の位置合わせを行う場合、具体的には上記したように、ＳＩＬ３からの反射光像の重心位置を求め、その重心位置が半導体デバイスＳでの検査箇所、すなわち試料での観察箇所に対して一致するようにＳＩＬ３の挿入位置を調整することが好ましい。これにより、ＳＩＬ３の位置合わせを確実に行うことができる。あるいは、これ以外の位置合わせ方法を用いても良い。例えば、ＳＩＬ３からの反射光像の重心位置が、半導体デバイスＳでの検査箇所の重心位置に対して一致するようにＳＩＬ３の挿入位置を調整することとしても良い。

また、ＳＩＬ３を用いて半導体デバイスＳの検査を行う場合、半導体デバイスＳの検査箇所を画像取得部１によって取得される画像の中央とすることが好ましい。これにより、半導体デバイスＳの観察において対物レンズ２０の瞳を有効に用いることができる。すなわち、ＳＩＬ３を使用した場合、対物レンズ２０の瞳は一部分のみが使用され、画角に応じてその使用位置が変わることとなる。したがって、対物レンズ２０の光軸上にＳＩＬ３を配置することにより、光の利用効率が最も高くなる。また、このようなＳＩＬ３の配置では、ＳＩＬ３で発生するシェーディングを小さくすることができる。

なお、図１に示した半導体検査装置では、半導体デバイスＳに対する画像取得部１及び光学系２の位置合わせ及び焦点合わせを行うため、画像取得部１及び光学系２に対してＸＹＺステージ１５を設置している。このようなＸＹＺステージについては、半導体デバイスＳが載置されているステージ１８としてＸＹＺステージを用いても良い。また、角度方向に可動に構成されたθステージをさらに設置しても良い。

図５は、本発明による半導体検査装置の他の実施形態を示す構成図である。また、図６は、図５に示した半導体検査装置を側面から示す構成図である。本実施形態は、図１に示した半導体検査装置について、その具体的な構成を示すものとなっている。なお、図６においては、解析部Ｃ等について図示を省略している。

本実施形態による半導体検査装置は、観察部Ａと、制御部Ｂと、解析部Ｃとを備えている。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。さらに、本実施形態においては、半導体デバイスＳに対して検査に必要な電気信号等を印加するテストフィクスチャ１９が設置されている。半導体デバイスＳは、例えば、その裏面が対物レンズ２０に対面するように配置される。

観察部Ａは、暗箱（図示していない）内に設置された高感度カメラ１０と、レーザスキャン光学系（ＬＳＭ：Ｌａｓｅｒ Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）ユニット１２と、光学系２２、２４と、ＸＹＺステージ１５と、ＳＩＬ３と、ＳＩＬ駆動部３０とを有している。

これらのうち、カメラ１０及びＬＳＭユニット１２は、図１に示した構成における画像取得部１に相当している。また、光学系２２、２４は、光学系２に相当している。光学系２２、２４の半導体デバイスＳ側には、対物レンズ２０が設けられている。本実施形態においては、図５及び図６に示すように、それぞれ異なる倍率を有する複数の対物レンズ２０が切り換え可能に設けられている。また、テストフィクスチャ１９は、検査部１６に相当している。また、ＬＳＭユニット１２は、画像取得部１としての機能と合わせて、検査部１６としての機能も有している。

光学系２２は、対物レンズ２０を介して入射された半導体デバイスＳからの光をカメラ１０へと導くカメラ用光学系である。このカメラ用光学系２２は、対物レンズ２０によって所定の倍率で拡大された画像をカメラ１０内部の受光面に結像させるための結像レンズ２２ａを有している。また、対物レンズ２０と結像レンズ２２ａとの間には、光学系２４のビームスプリッタ２４ａが介在している。高感度カメラ１０としては、例えば冷却ＣＣＤカメラなどが用いられる。

このような構成において、半導体デバイスＳからの光は、対物レンズ２０及びカメラ用光学系２２を含む光学系を介してカメラ１０へと導かれる。そして、カメラ１０によって、半導体デバイスＳのパターン画像などの画像が取得される。あるいは、半導体デバイスＳの発光画像を取得することも可能である。この場合には、テストフィクスチャ１９によって電圧を印加した状態で半導体デバイスＳから発生した光が、光学系を介してカメラ１０へと導かれる。そして、カメラ１０によって、異常観察画像として用いられる半導体デバイスＳの発光画像が取得される。半導体デバイスＳからの発光としては、半導体デバイスの欠陥に基づく異常箇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例として挙げられる。さらに、取得される画像は、デバイスの欠陥に基づく発熱画像であっても良い。

ＬＳＭユニット１２は、赤外レーザ光を照射するためのレーザ光導入用光ファイバ１２ａと、光ファイバ１２ａから照射されたレーザ光を平行光とするコリメータレンズ１２ｂと、レンズ１２ｂによって平行光とされたレーザ光を反射するビームスプリッタ１２ｅと、ビームスプリッタ１２ｅで反射されたレーザ光をＸＹ方向に走査して半導体デバイスＳ側へと出射するＸＹスキャナ１２ｆとを有している。

また、ＬＳＭユニット１２は、半導体デバイスＳ側からＸＹスキャナ１２ｆを介して入射され、ビームスプリッタ１２ｅを透過した光を集光するコンデンサレンズ１２ｄと、コンデンサレンズ１２ｄによって集光された光を検出するための検出用光ファイバ１２ｃとを有している。

光学系２４は、半導体デバイスＳ及び対物レンズ２０と、ＬＳＭユニット１２のＸＹスキャナ１２ｆとの間で光を導くＬＳＭユニット用光学系である。ＬＳＭユニット用光学系２４は、半導体デバイスＳから対物レンズ２０を介して入射された光の一部を反射するビームスプリッタ２４ａと、ビームスプリッタ２４ａで反射された光の光路をＬＳＭユニット１２に向かう光路へと変換するミラー２４ｂと、ミラー２４ｂで反射された光を集光するレンズ２４ｃとを有している。

このような構成において、レーザ光源（図示していない）からレーザ光導入用光ファイバ１２ａを介して出射された赤外レーザ光は、レンズ１２ｂ、ビームスプリッタ１２ｅ、ＸＹスキャナ１２ｆ、光学系２４、及び対物レンズ２０を通って半導体デバイスＳへと照射され、半導体デバイスＳ内へと入射する。

この入射光に対する半導体デバイスＳからの反射散乱光は、半導体デバイスＳに設けられている回路パターンを反映している。半導体デバイスＳからの反射光は、入射光とは逆の光路を通ってビームスプリッタ１２ｅへと到達し、ビームスプリッタ１２ｅを透過する。そして、ビームスプリッタ１２ｅを透過した光は、レンズ１２ｄを介して検出用光ファイバ１２ｃへと入射し、検出用光ファイバ１２ｃに接続された光検出器によって検出される。

検出用光ファイバ１２ｃを介して光検出器で検出される光の強度は、上記したように、半導体デバイスＳに設けられている回路パターンを反映した強度となっている。したがって、ＸＹスキャナ１２ｆによって赤外レーザ光が半導体デバイスＳ上をＸ−Ｙ走査することにより、半導体デバイスＳ内部の回路パターンなどの画像を鮮明に撮像することができる。

観察部Ａには、さらに、ＳＩＬ３が設置されている。ＳＩＬ３は、高感度カメラ１０、ＬＳＭユニット１２、光学系２２、２４、及び対物レンズ２０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、上述した挿入位置と待機位置との間を移動可能に構成されている。また、このＳＩＬ３に対し、ＳＩＬ駆動部３０が設けられている。ＳＩＬ駆動部３０は、ＳＩＬ３を支持する支持部３１を有するレンズマニピュレータから構成され、ＳＩＬ３をＸ、Ｙ方向、及びＺ方向に移動させるＸＹＺ駆動機構である。

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に対して、制御部Ｂ及び解析部Ｃが設けられている。

制御部Ｂは、カメラ制御部５１ａと、ＬＳＭ制御部５１ｂと、ＯＢＩＲＣＨ制御部５１ｃと、ステージ制御部５２と、ＳＩＬ制御部５３とを有している。これらのうち、ステージ制御部５２及びＳＩＬ制御部５３については、図１に関して上述した通りである。また、カメラ制御部５１ａ、ＬＳＭ制御部５１ｂ、及びＯＢＩＲＣＨ制御部５１ｃは、図１に示した構成における観察制御部５１に相当している。

カメラ制御部５１ａ及びＬＳＭ制御部５１ｂは、それぞれ高感度カメラ１０及びＬＳＭユニット１２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の画像の取得を制御する。また、ＯＢＩＲＣＨ制御部５１ｃは、半導体デバイスＳの検査に用いられるＯＢＩＲＣＨ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｂｅａｍ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ Ｃｈａｎｇｅ）画像を取得するためのものであり、レーザ光を走査した際に発生する半導体デバイスＳでの電流変化を抽出する。

解析部Ｃは、画像解析部６１と、指示部６２とを有し、例えばコンピュータなどによって構成される。カメラ制御部５１ａ、及びＬＳＭ制御部５１ｂからの画像情報は、解析部Ｃのコンピュータに備えられた画像取込ボードを介して入力される。なお、画像解析部６１及び指示部６２については、図１に関して上述した通りである。また、解析部Ｃによって取得または解析された画像、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６３に表示される。

図５及び図６に示した半導体検査装置を用いた半導体検査方法について、図３のフローチャートを参照して概略的に説明する。

まず、ＳＩＬ３が待機位置にある通常の状態で、ＬＳＭユニット１２によって半導体デバイスＳを走査して、半導体デバイスＳのパターン画像を取得する（ステップＳ１０１）。また、半導体デバイスＳでの異常箇所の検出に用いられる異常観察画像を取得する（ステップＳ１０２）。この異常観察画像としては、ＯＢＩＲＣＨ制御部５１ｃによって取得されるＯＢＩＲＣＨ画像、あるいは、カメラ１０によって取得される発光画像などが用いられる。これらのパターン画像及び異常観察画像については、必要に応じて、各画像の重ね合わせ、及び表示装置６３への表示等が行われる。

次に、取得された画像を用いて半導体デバイスＳの異常箇所を調べて、検出された異常箇所を検査箇所とし（Ｓ１０３）、検査箇所が画像の中央に位置するようにＸＹＺステージ１５等を設定する。続いて、半導体デバイスＳの検査箇所に対してＳＩＬ３の挿入、位置調整、距離調整を行う（Ｓ１０４、Ｓ１０５〜Ｓ１０７）。

そして、半導体デバイスＳ上に配置されたＳＩＬ３、及び対物レンズ２０等を介して、拡大されたパターン画像、ＯＢＩＲＣＨ画像、発光画像などの画像を取得する（Ｓ１０８）。また、必要に応じて、各画像の重ね合わせ、表示装置６３への表示等を行う。なお、発光画像を取得する際には、ＳＩＬ３によって発生する色収差量に合わせてステージ等を適宜移動させ、倍率をソフトウェアで合わせて画像の重ね合わせを行う。

図４に例を示したＳＩＬ３からの反射光を含む画像について、図７Ａ〜図９Ｂを参照してさらに具体的に説明する。ＳＩＬ３に対して取得される反射光像については、これらの各図に示すように様々な反射光パターンが考えられる。なお、図７Ａ〜図９Ｂにおいては、ＳＩＬ３への入射光を実線で、反射光を破線で示している。また、図７Ａ及び図９Ｂでは、ＳＩＬ３の球心へと延びる線を点線で図示している。また、ＳＩＬ３に対する入射光及び反射光の光路が重なる場合には、説明のため、それらをずらして図示している。

図７Ａは、ＳＩＬ３の球面状の上面３ａに垂直入射した光が上面３ａで反射される反射光パターンを示している。この場合、光を一点に結像するため位置合わせをしやすく、高い精度で位置合わせをすることが可能である。図７Ｂは、ＳＩＬ３の下面３ｂの焦点位置（中心位置）で光が反射される反射光パターンを示している。これは、ＳＩＬ３の下面３ｂを観察している状態である。この場合、シェーディングが大きいために、輝度が最大となる箇所を中心に合わせることで位置合わせができる。

図８Ａは、ＳＩＬ３の上面３ａの焦点位置（頂点位置）で光が反射される反射光パターンを示している。これは、ＳＩＬ３の上面３ａを観察している状態である。この場合、シェーディングが大きいために、輝度が最大となる箇所を中心に合わせることで位置合わせができる。図８Ｂは、ＳＩＬ３の平面状の下面３ｂに垂直入射した光が下面３ｂで反射される反射光パターンを示している。この場合、光を一点に結像するため位置合わせをしやすく、高い精度で位置合わせをすることが可能である。

図９Ａは、ＳＩＬ３の下面３ｂ、上面３ａの焦点位置（頂点位置）、下面３ｂで光が反射される反射光パターンを示している。これは、ＳＩＬ３の上面３ａを裏側から観察している状態である。この場合、シェーディングが大きいために、輝度が最大となる箇所を中心に合わせることで位置合わせができる。図９Ｂは、ＳＩＬ３の下面３ｂを介して上面３ａに裏側から垂直入射した光が上面３ａで反射され、下面３ｂを介して出射される反射光パターンを示している。この場合、光を一点に結像するため位置合わせをしやすく、高い精度で位置合わせをすることが可能である。

本発明による顕微鏡、及び試料観察方法は、上記した実施形態及び構成例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、上記した半導体検査装置では、画像取得部１、光学系２、検査部１６等の具体的な構成、及び半導体デバイスＳを検査するための具体的な検査方法等については、図５及び図６はその構成の一例を示すものであり、これ以外にも様々な構成及び検査方法を用いることができる。また、半導体デバイスなどの各種のデバイスについて観察のみを行う場合には、検査部１６を設けずにデバイス観察装置として構成しても良い。また、画像取得部１についても、操作者が直接に画像を観察する場合など不要であれば設けなくても良い。

また、ＳＩＬの構成及び使用方法については、図２Ａ及び図２Ｂでは半導体デバイスＳの表面に焦点がある状態で図示したが、裏面観察等の場合には、半導体デバイスＳの裏面または内部の所定位置が焦点となるようにＳＩＬが用いられる。

また、上記した実施形態では、半導体デバイスを観察対象とした半導体検査装置、及び半導体検査方法について説明したが、本発明は、半導体デバイス以外を試料とする場合にも、試料を観察するために用いられる顕微鏡、及び試料観察方法として適用が可能である。これにより、試料の観察において、試料の微細構造などの観察を容易に行うことが可能となる。

例えば、上記実施形態では、観察対象の試料を半導体デバイスとしているが、一般に半導体デバイスなどの各種のデバイスを試料とする場合には、対象となるデバイスとしては、半導体基板を用いたものに限らず、ポリシリコン薄膜トランジスタなどのように、ガラスやプラスチックなどを基板とする集積回路を観察対象としても良い。例えば液晶デバイスではガラス基板上に、また、有機ＥＬではプラスチック基板上にデバイスが作製される。また、さらに一般的な試料としては、上記した半導体デバイスや液晶デバイスなどの各種のデバイスの他にも、プレパラートを用いたバイオ関連サンプルなどが挙げられる。

本発明による顕微鏡、及び試料観察方法は、以上詳細に説明したように、半導体デバイスの微細構造解析などに必要な試料の観察を容易に行うことが可能な顕微鏡、及び試料観察方法として利用可能である。すなわち、観察対象である半導体デバイスなどの試料と対物レンズとの間に固浸レンズがない状態での観察画像、及び固浸レンズを挿入した状態での拡大観察画像の両者を取得可能なように顕微鏡を構成するとともに、固浸レンズを挿入した際に、固浸レンズからの反射光を含む画像を取得し、その画像を参照して固浸レンズの位置を調整する構成によれば、試料に対して、固浸レンズを介して高分解能の観察を行うことができる。

また、固浸レンズを挿入した状態での観察画像を利用して位置合わせを行うことにより、例えば半導体デバイスの検査など、試料の観察への適用において、固浸レンズを効率良く取り扱うことが可能となる。以上により、試料の微細構造などの観察を容易に行うことが可能な顕微鏡、及び試料観察方法が実現される。また、このような顕微鏡、及び試料観察方法を適用した半導体検査装置、及び検査方法によれば、微細構造解析などの半導体デバイスの検査を容易に行うことが可能な半導体検査装置、及び検査方法が実現される。

Claims (6)

1. 試料を観察するための顕微鏡であって、
   前記試料からの光が入射する対物レンズを含み、前記試料の画像を導く光学系と、
   前記試料から前記対物レンズへの光軸を含む挿入位置、及び前記光軸を外れた待機位置の間を移動可能に設けられた固浸レンズと、
   前記固浸レンズを前記挿入位置及び前記待機位置の間で駆動するとともに、前記対物レンズに対する前記固浸レンズの前記挿入位置を調整する固浸レンズ駆動手段と、
   前記固浸レンズからの反射光を含む画像を参照して、前記固浸レンズの前記挿入位置の調整を指示する指示手段と
   を備えることを特徴とする顕微鏡。
2. 前記指示手段は、前記固浸レンズからの反射光を含む画像を参照し、反射光像の重心位置が前記試料での観察箇所に対して一致するように、前記固浸レンズの前記挿入位置の調整を指示することを特徴とする請求項１記載の顕微鏡。
3. 前記指示手段は、前記固浸レンズの前記挿入位置の調整と合わせて、前記対物レンズと前記試料との間の距離の調整を指示することを特徴とする請求項１または２記載の顕微鏡。
4. 試料を観察する試料観察方法であって、
   試料の観察画像を、前記試料からの光が入射する対物レンズを含む光学系を介して取得する第１画像取得ステップと、
   前記観察画像から前記試料での観察箇所を設定する観察設定ステップと、
   固浸レンズを、前記試料から前記対物レンズへの光軸を外れた待機位置から、前記光軸を含む挿入位置へと移動するレンズ挿入ステップと、
   前記固浸レンズからの反射光を含む画像を取得し、その画像を参照して、前記対物レンズに対する前記固浸レンズの前記挿入位置を調整する位置調整ステップと、
   前記固浸レンズによって拡大された前記試料の観察画像を、前記固浸レンズ及び前記光学系を介して取得する第２画像取得ステップと
   を備えることを特徴とする試料観察方法。
5. 前記位置調整ステップにおいて、前記固浸レンズからの反射光を含む画像を参照し、反射光像の重心位置が前記試料での前記観察箇所に対して一致するように、前記固浸レンズの前記挿入位置を調整することを特徴とする請求項４記載の試料観察方法。
6. 前記対物レンズと前記試料との間の距離を調整する距離調整ステップを備えることを特徴とする請求項４または５記載の試料観察方法。

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