JPWO2004088386A1 - 固浸レンズ、及びそれを用いた試料観察方法 - Google Patents

Abstract

屈折率ｎＬの材質により曲率半径ＲＬの球面状のレンズ面１０を有して形成された固浸レンズ（ＳＩＬ）１を用いて試料２の像を観察する。この試料観察において、ＳＩＬ１による幾何学的収差特性を所定の光学系を用いて評価する。そして、その平均像面がフラットになる条件や、色収差特性が良好となる条件を満たすように設定された係数ｋ（０＜ｋ＜１）により、レンズ面１０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に直交する面を試料観察面２０として、ＳＩＬ１を用いた試料の観察を行う。これにより、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な試料観察方法、及び固浸レンズが実現される。

Description

本発明は、固浸レンズを用いて試料を観察する観察方法、及び固浸レンズに関するものである。

観察対象となる試料からの光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を試料の表面に密着させて設置すれば、試料観察における開口数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（特公平７−１８８０６号公報、及び特開２００２−１８９０００号公報参照）。

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。

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、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な試料観察方法、及び固浸レンズ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、本発明による固浸レンズを用いた試料観察方法は、屈折率ｎ_Ｌの材質により曲率半径Ｒ_Ｌ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×（Ｒ_Ｌ／ｎ_Ｌ）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の観察を行うことを特徴とする。

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Ｒ_Ｌ／ｎ_Ｌ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ｄ_Ｌ＝Ｒ_Ｌ＋ｋ×（Ｒ_Ｌ／ｎ_Ｌ）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ｄ_Ｌ＜Ｒ_Ｌ＋ｋ×（Ｒ_Ｌ／ｎ_Ｌ）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ｎ_Ｌ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ｎ_Ｓ、現実の観察面までの試料の厚さをｔ_Ｓ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＝Ｒ_Ｌ＋ｋ×（Ｒ_Ｌ／ｎ_Ｌ）に対して、ｄ_Ｌ＝Ｌ−ｔ_Ｓ×（ｎ_Ｌ／ｎ_Ｓ）を満たすこととしても良い。

また、本発明による固浸レンズは、屈折率ｎ_Ｌの材質により曲率半径Ｒ_Ｌの球面状の光学面を有して形成され、観察対象となる試料の屈折率が固浸レンズの屈折率ｎ_Ｌ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＝Ｒ_Ｌ＋ｋ×（Ｒ_Ｌ／ｎ_Ｌ）とされるとともに、試料の屈折率をｎ_Ｓ、現実の観察面までの試料の厚さをｔ_Ｓとしたときに、光軸に沿った厚さがｄ_Ｌ＝Ｌ−ｔ_Ｓ×（ｎ_Ｌ／ｎ_Ｓ）を満たすことを特徴とする。

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、観察対象となる基板などの試料の屈折率ｎ_Ｓ及び厚さｔ_Ｓ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。

上述した試料観察方法及び固浸レンズでは、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。

図１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２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３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４は、図３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５は、図４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６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７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８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９Ａ及び図９Ｂ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１０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１１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１２は、対物レンズの構成を示す側面断面図である。

以下、図面とともに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、本発明による固浸レンズ（ＳＩＬ）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。

図１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１に示すＳＩＬ８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ＳＩＬ８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８０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ＳＩＬ８の像面特性を考えると、図１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２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２に示すＳＩＬ９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ＳＩＬ９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９０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^２倍となる。このような構成においてＳＩＬ９の像面特性を考えると、図２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１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ｎ^２倍との間で変化するとともに、その像面湾曲も、図１及び図２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３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２に対し、試料２からの光像を拡大するレンズとして、屈折率ｎ_Ｌの材質によって形成されたＳＩＬ１を用いている。このＳＩＬ１は、軸Ａｘを光軸とし、点Ｃを球心とした曲率半径Ｒ_Ｌの球面状の光学面１０をレンズ面として形成されている。

このようなＳＩＬ１を用いた試料観察において、球面状のレンズ面１０の球心Ｃから光軸Ａｘに沿ってｋ×（Ｒ_Ｌ／ｎ_Ｌ）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２０を試料観察面として、ＳＩＬ１を用いた試料の観察を行う。

ここで、ＳＩＬ１による焦点及び試料観察面２０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Ｒ_Ｌ／ｎ_Ｌ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、ＳＩＬ１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Ｒ_Ｌ／ｎ_Ｌ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、ＳＩＬ１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２０として、試料２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ＳＩＬ１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、ＳＩＬ１を用いて試料２の像を良好に観察することが可能となる。

なお、図３に示す例では、係数ｋによって決まる試料観察面２０が、試料２側にあるＳＩＬ１の平面状のレンズ面と一致している。また、このとき、ＳＩＬ１の頂点から試料２側のレンズ面までの距離、すなわちＳＩＬ１の光軸Ａｘに沿った厚さは、ｄ_Ｌ＝Ｒ_Ｌ＋ｋ×（Ｒ_Ｌ／ｎ_Ｌ）となっている。

以下、ＳＩＬ１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ＳＩＬ１の好適な構成、使用条件等について、図４及び図５を用いて具体的に説明する。図４は、図３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５は、図４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４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「ｈ_１」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４に示すように、ＳＩＬ１の材質としてシリコン（Ｓｉ）を想定し、その屈折率をｎ_３＝ｎ_Ｌ＝３．５とする。また、屈折率ｎ_３のＳＩＬ１の内部以外の領域については、屈折率をｎ_１＝ｎ_２＝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１０については、その曲率半径をｒ_２＝Ｒ_Ｌ＝１とする。

このようなＳＩＬ１に対し、その収差及び像面特性を評価するため、ＳＩＬ１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４に示すように、無収差の仮想対物レンズ３を導入し、ＳＩＬ１の後側焦点Ｆに配置する。ＳＩＬ１のレンズ面１０の面頂と、後側焦点Ｆとの間の距離ｓ_１はｓ_１＝ｒ_２／（ｎ_３−ｎ_２）により求まり、ｎ_３＝３．５の上記した例ではｓ_１＝０．４×Ｒ_Ｌ＝０．４となる。

また、この無収差の仮想対物レンズ３の焦点距離をｆｉとし、前側焦点位置をＦ’とする。ＳＩＬ１の厚さｓ_２’は、仮想対物レンズ３からｕ_１＝０、ｈ_１で出た光が、レンズ面１０によって結ぶ焦点位置からレンズ面１０の面頂までの距離とする。このような仮想対物レンズ３を導入した仮想光学系を用いてＳＩＬ１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１０からｓ_１＝０．４×Ｒ_Ｌだけ離れた位置にある仮想対物レンズ３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、ＳＩＬ１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、ＳＩＬ１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４には、上記したＳＩＬ１及び仮想対物レンズ３による光学系の構成と合わせて、２つの光線ｌ_１、ｌ_２を図示している。これらのうち、光線ｌ_１は、光軸Ａｘとのなす角がｕ_１＝０、光線の高さが仮想対物レンズ３においてｈ_１、ＳＩＬ１のレンズ面１０においてｈ_２であり、仮想対物レンズ３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ｌ_１は、試料観察面２０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ｌ_１について点線で示したＳＩＬ１がない場合の光線は、仮想対物レンズ３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ｌ_２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３においてｈ⁻ _１＝０、ＳＩＬ１のレンズ面１０においてｈ⁻ _２であって、レンズ面１０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ｌ_２は、仮想対物レンズ３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ｌ_２について点線で示したＳＩＬ１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、ＳＩＬ１のレンズ面１０の面頂から焦点面Ｓまでの距離をｓ_２、試料観察面Ｓ’までの距離、すなわちＳＩＬ１の厚さをｓ_２’＝ｄ_Ｌとする。以上の構成及び条件を有する図４の仮想光学系において、ＳＩＬ１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ＳＩＬ１の厚さｄ_Ｌで表すと、それぞれ以下の式（１）〜（６）のように求められる。

ここで、Ｑ_２はアッベの不変量である。また、Ｑ_２及びＪ_２は、以下の式で表される。

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。

図５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ｓ_２’＝ｄ_Ｌ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ｄ_Ｌと、図３に示した係数ｋとは、図４においてＲ_Ｌ＝１としていることにより、ｋ＝ｎ_Ｌ×（ｄ_Ｌ−１）＝３．５×（ｄ_Ｌ−１）の関係を有している。

図５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１参照）に対応するｄ_Ｌ＝Ｒ_Ｌ＝１の点、及び、球心から光軸に沿ってＲ_Ｌ／ｎ_Ｌ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２参照）に対応するｄ_Ｌ＝Ｒ_Ｌ＋Ｒ_Ｌ／ｎ_Ｌ＝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、ｄ_Ｌ＝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、ｄ_Ｌ＝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、ｄ_Ｌ＝Ｒ_Ｌ＋ｋ（Ｒ_Ｌ／ｎ_Ｌ）＝１．１６３×Ｒ_Ｌ＝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ｄ_Ｌ＝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ＳＩＬ１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×Ｒ_Ｌ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３では試料２の表面が試料観察面２０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６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２に対して、同じくシリコンからなるＳＩＬ１を適用するとともに、基板２の裏面が試料観察面２０となっている。

このような構成では、シリコン基板２の所定部分がＳＩＬ１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２０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７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７（例えば半導体デバイス）に対し、試料７からの光像を拡大するレンズとして、屈折率ｎ_Ｌの材質によって形成されたＳＩＬ６を用いている。このＳＩＬ６は、軸Ａｘを光軸とし、点Ｃを球心とした曲率半径Ｒ_Ｌの球面状の光学面６０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３の実施形態と同様である。

図７では、試料７において、そのＳＩＬ６とは反対側の面が観察面７１（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７に対し、ＳＩＬ６は、その試料７側で平面状のレンズ面が試料７の裏面７２に密着するように配置されている。ここで、試料７の屈折率をｎ_Ｓ、試料７の厚さをｔ_Ｓとする。この厚さｔ_Ｓは、裏面７２からＳＩＬ６による現実の観察面である観察面７１までの光軸Ａｘに沿った試料７の厚さである。

このような構成において、試料７の観察面７１に焦点を合わせるため、ＳＩＬ６の光軸Ａｘに沿った厚さは、ｄ_Ｌ＜Ｒ_Ｌ＋ｋ×（Ｒ_Ｌ／ｎ_Ｌ）となっている。また、図３に関して上述した、レンズ面６０の球心Ｃから光軸Ａｘに沿ってｋ×（Ｒ_Ｌ／ｎ_Ｌ）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７０（０＜ｋ＜１）は、試料７の屈折率がＳＩＬ６の屈折率ｎ_Ｌと等しいとしたときの仮想の観察面（ＳＩＬ６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、ＳＩＬ６の頂点から仮想の観察面７０までの光軸Ａｘに沿った距離を、図７に示すようにＬ＝Ｒ_Ｌ＋ｋ×（Ｒ_Ｌ／ｎ_Ｌ）とする。この距離Ｌは、ＳＩＬ６のレンズ面６０の形状から求めた焦点距離に対応する。また、このとき、ＳＩＬ６の厚さは、ｄ_Ｌ＝Ｌ−ｔ_Ｓ×（ｎ_Ｌ／ｎ_Ｓ）を満たすように設定されている。なお、図７中では、ＳＩＬ６及び試料７を通って現実の観察面７１へと集束する光路を実線によって示している。また、試料７の屈折率がＳＩＬ６と等しいと仮定した場合で仮想の観察面７０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ｄ_Ｌ＝Ｌ−ｔ_Ｓ×（ｎ_Ｌ／ｎ_Ｓ）としたＳＩＬ６、及びそれを用いた試料観察方法においては、ＳＩＬ６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７の屈折率ｎ_Ｓ及び厚さｔ_Ｓを考慮してＳＩＬ６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７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３に示した実施形態と同様である。また、厚さｔ_Ｓについては、図７では試料７のＳＩＬ６とは反対側の面が観察面７１となっているため、試料７の厚さｔ_Ｓがそのまま用いられているが、観察面が試料７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ｔ_Ｓとすれば良い。

図８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７の厚さｔ_Ｓ（ｍｍ）を示し、縦軸はＳＩＬ６の厚さｄ_Ｌ（ｍｍ）を示している。このグラフでは、ＳＩＬ６の屈折率をｎ_Ｌ＝３．１（材質ＧａＰ）、試料７の屈折率をｎ_Ｓ＝３．５（材質Ｓｉ）、ＳＩＬ６の曲率半径をＲ_Ｌ＝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。ＳＩＬ６の厚さｄ_Ｌは、それぞれの材質や係数ｋの値等に応じ、図８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３に示した構成、及び図７に示した構成のいずれにおいても同様である。

ここで、図９Ａ及び図９Ｂ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９Ａ及び図９Ｂ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１０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ｎ_Ｌ＝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９Ａ及び図９Ｂ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１１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Ｒ_Ｌ＝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１２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５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５１及び第２レンズ群５２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５１、５２の間隔ｕは、対物レンズ５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５を用いることにより、対物レンズ５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１２の構成の対物レンズでは、ＳＩＬの屈折率をｎ_Ｌ＝３．１、曲率半径をＲ_Ｌ＝０．５ｍｍ、試料の屈折率をｎ_Ｓ＝３．５としたとき、試料の厚さがｔ_Ｓ＝０．０３ｍｍ程度であれば０＜ｋ＜０．４程度、ｔ_Ｓ＝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（ＳＩＬ）、及びそれを用いた試料観察方法は、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な試料観察方法、及び固浸レンズとして利用可能である。すなわち、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×（Ｒ_Ｌ／ｎ_Ｌ）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によれば、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ｎ_Ｓ及び厚さｔ_Ｓ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. 屈折率ｎ_Ｌの材質により曲率半径Ｒ_Ｌ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、
   前記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、前記光学面の球心から光軸に沿ってｋ×（Ｒ_Ｌ／ｎ_Ｌ）だけ下流側にある点を含み前記光軸に略直交する面を試料観察面として、前記固浸レンズを用いた試料の観察を行うことを特徴とする試料観察方法。
2. 前記固浸レンズは、前記光軸に沿った厚さがｄ_Ｌ＝Ｒ_Ｌ＋ｋ×（Ｒ_Ｌ／ｎ_Ｌ）であり、前記試料観察面は、前記試料側の前記固浸レンズのレンズ面と一致していることを特徴とする請求項１記載の試料観察方法。
3. 前記固浸レンズは、前記光軸に沿った厚さがｄ_Ｌ＜Ｒ_Ｌ＋ｋ×（Ｒ_Ｌ／ｎ_Ｌ）であり、前記試料観察面は、前記試料の屈折率が前記固浸レンズの屈折率ｎ_Ｌと等しいとしたときの仮想の観察面であるとともに、
   前記試料の屈折率をｎ_Ｓ、現実の観察面までの前記試料の厚さをｔ_Ｓとしたときに、前記固浸レンズの厚さは、頂点から前記仮想の観察面までの光軸に沿った距離Ｌ＝Ｒ_Ｌ＋ｋ×（Ｒ_Ｌ／ｎ_Ｌ）に対して、ｄ_Ｌ＝Ｌ−ｔ_Ｓ×（ｎ_Ｌ／ｎ_Ｓ）を満たすことを特徴とする請求項１記載の試料観察方法。
4. 前記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前記幾何学的収差特性を評価し、その評価結果に基づいて前記係数ｋを設定することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の試料観察方法。
5. 前記固浸レンズによる前記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前記係数ｋを設定することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の試料観察方法。
6. 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１〜５のいずれか一項記載の試料観察方法。
7. 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１〜５のいずれか一項記載の試料観察方法。
8. 屈折率ｎ_Ｌの材質により曲率半径Ｒ_Ｌの球面状の光学面を有して形成され、観察対象となる試料の屈折率が屈折率ｎ_Ｌ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＝Ｒ_Ｌ＋ｋ×（Ｒ_Ｌ／ｎ_Ｌ）とされるとともに、
   前記試料の屈折率をｎ_Ｓ、現実の観察面までの前記試料の厚さをｔ_Ｓとしたときに、前記光軸に沿った厚さがｄ_Ｌ＝Ｌ−ｔ_Ｓ×（ｎ_Ｌ／ｎ_Ｓ）を満たすことを特徴とする固浸レンズ。
9. 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８記載の固浸レンズ。
10. 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８記載の固浸レンズ。

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