KR20050107817A - 고침 렌즈 및 현미경 - Google Patents

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KR20050107817A
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이쿠오 아라타
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하마마츠 포토닉스 가부시키가이샤
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Abstract

고침(固浸) 렌즈(1)는 구(球) 형상부(2) 및 저면부(3)를 구비하고 있다. 저면부(3)는, 관찰 대상물로 되는 반도체 디바이스에 있어서의 기판(10)에 밀착하여 설치된다. 이 고침 렌즈(1)에 있어서의 저면부(3)는 원통(cylindrical) 형상으로 형성되어 있다. 이것에 의해, 관찰 후, 관찰 대상물로부터 용이하게 분리시킬 수 있는 동시에, 관찰시에는 NA의 높은 광속을 통과하게 할 수 있는 고침 렌즈, 및 이를 사용한 현미경을 얻을 수 있다.

Description

고침 렌즈 및 현미경{SOLID IMMERSION LENS AND MICROSCOPE}
본 발명은 전자 디바이스의 고장 해석이나 신뢰성 평가에 사용되는 전자 디바이스 검사 방법 등에 사용되는 고침(固浸) 렌즈, 및 현미경에 관한 것이다.
전자 디바이스 검사에 있어서는, 전자 디바이스를 시료로 하여 현미경 등으로 관찰하는 방법이 이용된다. 전자 디바이스 검사 장치로서는, 종래, 에미션 현미경이나 IR-OBIRCH 장치 등이 알려져 있다(일본특허 특개평7-190946호 공보, 특개평6-300824호 공보 참조). 그렇지만, 근래, 검사 대상으로 되는 전자 디바이스의 미세화가 진행되고 있어서, 가시광, 적외광, 혹은 열선을 사용한 종래의 검사 장치로서는, 광학계에서의 회절(回折) 한계에 기인하는 제한에 의해 미세 구조의 해석이 곤란하게 되고 있다.
이 때문에, 이와 같은 전자 디바이스의 미세 구조에 대해 해석을 행하여, 전자 디바이스 내에 형성된 트랜지스터나 배선 등의 회로 패턴에 발생한 이상 개소를 검출하는 경우, 먼저 가시광, 적외광, 또는 열선을 사용한 검사 장치에 의해 이상 개소가 존재하는 범위를 어느 정도까지 압축한다. 그리고, 그 압축된 범위에 대해, 보다 고분해능(高分解能)의 전자 현미경 등의 관찰 장치를 사용하여 관찰을 행하는 것으로, 전자 디바이스에서의 이상 개소를 검사하는 방법이 이용되고 있다.
상기한 바와 같이, 광을 사용한 검사를 행한 후에 전자 현미경으로 고분해능의 관찰을 행하는 방법에서는, 검사 대상으로 되는 전자 디바이스의 준비, 설치가 복잡하다는 등의 이유에 의해, 전자 디바이스의 검사에 대단한 수고와 시간을 필요로 한다고 하는 문제가 있다.
한편, 관찰 대상의 화상을 확대하는 렌즈로서 고침 렌즈(SIL： Solid Immersion Lens)가 알려져 있다. 고침 렌즈는, 일반적으로는 반구(半球) 형상, 또는 와이에르슈트라스(Weierstrass) 구로 불리는 초반구(超半球) 형상의 렌즈로서 알려져 있다. 이 고침 렌즈를 관찰 대상물의 표면에 광학적으로 결합시켜 설치하면, 개구수 NA 및 배율을 함께 확대할 수 있고, 높은 공간 분해능으로의 관찰이 가능해진다. 이와 같은 고침 렌즈를 사용한 반도체 검사 장치로서는, 예를 들면 일본특허 특공평 7-18806호 공보, 미국 특허 제 6594086호의 명세서에 기재된 것이 있다. 또, 일본특허 특개 2002-189000호 공보에도 고침 렌즈에 대하여 기재가 있다.
도 1a 및 도 1b는 본 실시 형태에 관련되는 고침 렌즈를 반도체 기판에 설치한 상태를 나타내는 측면도(도 1a), 및 이면도(도 1b)이다.
도 2는 본 실시 형태에 관련되는 고침 렌즈를 갖는 반도체 검사 장치의 블록 구성도이다.
도 3a 및 도 3b는 고침 렌즈와 반도체 디바이스와의 밀착 상태를 나타내는 측면도(도 3a), 및 정면도(도 3b)이다.
도 4a는 본 실시 형태에 관련되는 고침 렌즈와 반도체 디바이스 사이의 확대 단면도이고, 도 4b는 종래예에 관련되는 고침 렌즈와 반도체 디바이스 사이의 확대 단면도이다.
도 5a 및 도 5b는 반도체 디바이스로부터 고침 렌즈에 광이 전달되는 상태를 나타내는 측면도(도 5a), 및 정면도(도 5b)이다.
도 6은 실험 1의 실험 방법의 실시 상태를 나타내는 측면도이다.
도 7은 실험 2의 실험 방법의 실시 상태를 나타내는 측면도이다.
도 8은 고침 렌즈의 저면의 곡률 반경과 관찰 대상물을 밀착시킬 때에 필요한 압력과의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 9는 종래의 고침 렌즈의 구성 및 사용 조건의 일례를 나타내는 도면이다.
도 10은 종래의 고침 렌즈의 구성 및 사용 조건의 다른 예를 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명에 의한 시료 관찰 방법에 사용되는 고침 렌즈의 구성 및 사용 조건에 대해 나타내는 도면이다.
도 12는 도 11에 나타낸 고침 렌즈에 의한 기하학적 수차 특성 및 색수차(色收差) 특성을 평가하기 위해 사용되는 가상 광학계를 나타내는 도면이다.
도 13은 도 12에 나타낸 가상 광학계를 사용하여 평가된 고침 렌즈의 특성을 나타내는 그래프이다.
도 14는 본 발명에 의한 시료 관찰 방법에 사용되는 고침 렌즈의 구성 및 사용 조건의 다른 예에 대해 나타내는 도면이다.
도 15는 본 발명에 의한 고침 렌즈 및 시료 관찰 방법의 다른 실시 형태를 나타내는 도면이다.
도 16은 시료의 두께와 SIL의 두께와의 상관(相關)의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 17a 및 도 17b는 계수 k가 작은 경우의 광의 집속(도 17a), 및 계수 k가 큰 경우의 광의 집속(도 17b)에 대해 나타내는 측면도이다.
도 18은 SIL에서의 계수 k의 값과 대물렌즈에서 필요로 되는 개구수 NA와의 상관의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 19는 SIL＋시료의 두께와 SIL에서의 광축 상의 도달 NA와의 상관의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 20은 대물렌즈의 구성을 나타내는 측면 단면도이다.
일본특허 특공평 7-18806호 공보에 개시된 고침 렌즈는, 평볼록 렌즈(plano-conｖex lens)로서, 관찰 대상물에 대한 설치면(저면: 底面)이 평면이다. 고침 렌즈를 사용한 관찰에 있어서는, 고침 렌즈와 반도체 기판의 사이에 틈새가 발생하면, 임계각 이상의 입사광이 전반사(全反射)되고 임계각 이하의 입사광밖에 전반(傳搬)할 수 없게 되어, 실효적인 개구수가 임계각으로 제한되게 된다. 그런데, 고침 렌즈와 반도체 기판 이면(裏面) 사이의 틈새가, 반도체 내의 광의 파장과 같은 정도로 되면, 광은 에버네센트 결합에 의해 전반할 수 있게 된다.
그러나, 평볼록 렌즈와 반도체 기판 이면과의 틈새에는, 넓은 대치(對峙) 영역에 기인하여 틈새가 큰 부분이 존재하며, 이와 같은 틈새가 큰 부분에서는 투과광 강도가 급격하게 저하되고, 임계각 이하의 입사광밖에 전반할 수 없게 되어, 실효적인 개구수가 제한되고 만다. 이와 같이, 평볼록 렌즈를 사용한 검사에서는, 평볼록 렌즈 저면의 면 정밀도가 고정밀도인 것이 요구되기 때문에, 제조 비용의 증대를 초래한다. 또한, 반도체 기판에 대해서도, 접촉면의 면 정밀도가 요구되기 때문에, 반도체 디바이스를 검사하기 위한 전처리(반도체 기판의 연마)에 있어서 다대한 노동력을 필요로 한다고 하는 문제점이 있다.
이에 더하여, 평볼록 렌즈 저면 및 기판에 있어서의 접촉면의 면 정밀도를 고정밀도로 할 수 있었다고 해도, 이들을 광학적으로 결합시킬 때에는, 공기의 유동 저항이 높기 때문에 광학적 결합을 얻기까지 장시간을 요한다고 하는 문제점도 있다.
그래서, 일본특허 특공평 7-18806호 공보에 있어서는, 고침 렌즈 본래의 분해능을 얻는 수법으로서, 평볼록 렌즈와 관찰 대상물의 사이에 고굴절률 유체를 개재시킴으로써 굴절률 정합(整合)을 이용하는 것을 기재하고 있다. 이 수법은 굴절률 정합을 이용하는 것으로서, 에버네센트 결합을 이용하는 것과는 다르다. 고굴절률 정합 유체의 대표적인 것으로서, 비소 트리브로마이드/디설파이드/셀렌 화합물계를 들 수 있으나, 비소 트리브로마이드는 독성과 부식성을 가지므로, 취급상에 문제가 있다.
또, 미국 특허 제 6594086호 명세서에 개시된 고침 렌즈에서는 양면이 볼록한(bi-conｖex) 렌즈이다. 이 렌즈에서는, 설치면이 관찰 대상물과 점으로 접촉하는 볼록 형상이기 때문에(point of contact), 평볼록 렌즈에 비해 광학적 결합성의 확보에 유리하다고 생각된다. 그러나, 관찰 대상물과의 접촉 면적이 매우 작으므로, 관찰 대상으로 되는 반도체 디바이스의 기판이 두꺼워지면, NA의 높은 광속(光束)을 통과하게 할 수 없게 되므로, 고침 렌즈 본래의 고해상도, 고집광성을 얻을 수 없다고 하는 문제가 있었다.
이 고침 렌즈와 관찰 대상물을 넓은 면적으로 밀착시키기 위해서는, 고침 렌즈의 저면과 관찰 대상물의 사이에 압력을 가할 필요가 있다. 여기서, 도 8에 나타내는 바와 같이, 렌즈의 곡률 반경이 작아짐에 따라 밀착에 필요한 압력이 높아진다. 도 8에서는, 고침 렌즈의 저면의 지름 2㎜까지를 관찰 대상물의 평면부에 밀착시키기 위해 필요한 압력을 나타내고 있다. 고침 렌즈를 사용한 반도체 디바이스의 이면 해석에 있어서는, 취급시의 강도도 충분히 고려하여 반도체 기판에 압력을 가하지 않으면 안 된다. 과도한 압력을 가한 경우, 반도체 기판 표면에 형성된 집적 회로에 데미지를 줄 우려가 있기 때문이다. 반도체 디바이스의 박형화라고 하는 경향을 감안하면, 양면이 볼록한 렌즈에서는 고침 렌즈 본래의 분해능을 얻을 수 없다.
또, 압력에 의해 반도체 디바이스에 일그러짐이 생기지만, 이 상태는 반도체 디바이스의 실장 상태와 다르기 때문에, 실장 상태와 같은 동작 조건으로 검사하고 싶다고 하는 요구를 충족시킬 수 없다. 일그러짐이 생긴 상태에서는, 검사 본래의 목적과 상반되는 결과를 초래할 가능성마저 있다.
또한, 이 렌즈에서는 그 형상 상의 특성으로부터, 반도체 기판과의 위치 관계가 일의적으로 정해지지 않는다고 하는 문제가 있다. 반도체 기판의 접촉면에 대해 경사지게 장착된 경우, 고침 렌즈 저면의 중앙부의 광학적 결합은 얻을 수 없다. 이것을 피하기 위해서는, 고침 렌즈의 정밀한 위치 제어가 필요하게 되고, 장치의 대형화, 고비용화를 초래한다.
그래서, 본 발명의 과제는 개구수가 높은 광속을 통과하게 할 수 있고, 나아가서는 관찰 대상물에 광학적으로 결합시킬 때에, 위치 제어가 용이한 고침 렌즈, 및 그것을 사용한 현미경을 제공하는 것에 있다.
상기 과제를 해결한 본 발명에 관련되는 고침 렌즈는, 관찰 대상물에 장착되며, 관찰 대상물의 관찰에 사용되는 고침 렌즈로서, 관찰 대상물에 대한 설치면이 토로이달(toroidal) 형상으로 형성되어 있는 것이다.
본 발명에 관련되는 고침 렌즈는, 관찰 대상물에 대한 설치면이 토로이달 형상으로 형성되어 있다. 구체적으로는, 고침 렌즈의 저면이 광축 대상 회전면이 아닌 비구면(토로이달 면)으로, 그 1축(모축: 母軸)에서 관찰 대상물에 광학적으로 결합하는 형상을 이루는 것이다. 광학적인 결합에 적절한 형상을 이루는 모축은 직선 또는 곡률 반경이 큰 원호이다. 다른 한편, 타축은 광학적인 결합에 적합한 형상을 이루는 모축에 비해 곡률 반경이 작은 원호이며, 고침 렌즈의 설치·제거에 알맞는 형상을 이룬다. 또한, 본 발명에서는, 광학적인 결합에 적절한 형상을 이루는 모축이 직선이며, 타축이 원호인 곡면, 즉 원통(cylindrical) 형상(원통면)도 토로이달 형상(토로이달 면)에 포함하는 것이다.
이 때문에, 광학적으로 결합한 영역은 직선 또는 곡률 반경이 큰 원호를 이루는 모선에 따라 띠 형상으로 나타나므로, NA의 높은 광속을 통과하게 할 수 있다. 또, 고침 렌즈를 그 저면의 모축에 따라 관찰 대상물에 접촉시키고 있으므로, 고침 렌즈의 위치 제어가 용이하게 된다. 나아가서는, 관찰 후, 고침 렌즈에 대하여 모선의 측방(側方)으로부터의 극히 미약한 힘에 의해 광학적 결합을 해제할 수 있으므로, 고침 렌즈의 제거시에, 관찰 대상물 및 고침 렌즈를 파손할 우려가 없다.
여기서, 관찰 대상물에 있어서의 피설치면을 X-Y평면으로 설정했을 때에, 토로이달 형상에 있어서의 X방향의 곡률 반경과, X방향의 곡률 반경보다 큰 Y방향의 곡률 반경의 비율이, 1：3∼1：∞으로 되어 있는 형태로 하는 것이 바람직하다.
이 범위의 곡률 반경으로 되는 토로이달 형상으로 함으로써, 광학적으로 결합한 영역은, 곡률 반경이 큰 원호를 이루는 Y방향에 따라 띠 형상으로 나타나므로, NA의 높은 광속을 통과하게 할 수 있다. 또, 고침 렌즈를 그 저면의 Y방향에 따라 관찰 대상물에 접촉시키고 있으므로, 고침 렌즈의 위치 제어가 용이하게 된다. 나아가서는, 관찰 후, 고침 렌즈에 대해 Y방향의 측방으로부터의 극히 미약한 힘에 의해 광학적 결합을 해제할 수 있으므로, 고침 렌즈의 제거시에 관찰 대상물 및 고침 렌즈를 파손할 우려가 없다.
또한, 토로이달 형상의 X방향의 곡률 반경과, X방향의 곡률 반경보다 큰 Y방향의 곡률 반경의 비율을 1：3∼1：∞으로 한 것은, Y방향의 곡률 반경이 X방향의 곡률 반경의 3배 미만에서는, 관찰 대상물에 밀착시킬 때의 광학적 결합성이 불충분하게 되어 버릴 우려가 있기 때문이다. 또, 토로이달 형상의 X방향의 곡률 반경과 Y방향의 곡률 반경이 1：∞으로 될 때, 토로이달 형상은 원통 형상으로 된다.
또, 본 발명에 의한 현미경은, 관찰 대상물(시료)을 관찰하기 위한 현미경으로서, 관찰 대상물로부터의 광이 입사하는 대물렌즈를 포함하며, 관찰 대상물의 화상을 안내하는 광학계와, 상기한 고침 렌즈를 구비하는 것을 특징으로 한다. 이것에 의해, 시료를 매우 바람직하게 관찰할 수 있는 현미경이 얻어진다. 또한, 관찰 대상물로서는, 예를 들면 전자 디바이스 검사를 행하는 경우의 전자 디바이스를 들 수 있다. 또, 광학계 및 고침 렌즈에 대하여, 광학계에 의해 안내된 관찰 대상물인 시료의 화상을 취득하는 화상 취득 수단을 설치해도 된다.
이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시 형태에 대해 설명한다. 또한, 각 실시 형태에 있어서, 동일한 기능을 갖는 부분에 대해서는 동일한 부호를 부여하고 중복하는 설명은 생략한다. 또, 도면의 치수 비율은, 설명의 것과 반드시 일치하고 있지는 않다.
도 1a 및 도 1b는, 본 실시 형태에 관련되는 고침 렌즈를 반도체 기판에 설치한 상태를 나타내는 도면이며, 도 1a는 측면도, 도 1b는 이면도이다.
본 실시 형태에 관련되는 고침 렌즈(1)는, 관찰 대상(검사 대상)으로 되는 반도체 디바이스의 기판에 설치되어 사용된다. 고침 렌즈를 사용한 반도체 디바이스의 이면 해석에 있어서는, 고침 렌즈를 반도체 기판에 광학적으로 결합시킴으로서, 반도체 기판 자신을 고침 렌즈의 일부로서 이용한다. 이 수법에 의하면, 대물렌즈의 초점을 반도체 기판 표면에 형성된 집적회로에 맞췄을 때, 고침 렌즈의 효과에 의해, 초점 위치가 대기 중보다 깊게 되지 않게 할 수 있으므로, 실효적인 개구수의 저하가 억제되며, 단파장화(短波長化)에 의한 고분해능화가 기대된다.
도 1a 및 도 1b에 나타내는 바와 같이, 본 실시 형태에 관련되는 고침 렌즈(1)는, 구(球) 형상부(2) 및 본 발명의 설치면으로 되는 저면부(3)를 구비하고 있다.
또, 저면부(3)는, 원통(cylindrical) 형상을 이루고 있다. 이 고침 렌즈(1)의 저면부(3)는, 관찰 대상물인 반도체 디바이스의 기판(이하, 「반도체 기판」이라 한다)(10)의 뒤쪽 표면에 밀착하여 설치되어 있는, 본 발명의 피설치면으로 되는 반도체 기판(10)의 표면은 평면 형상으로 되어 있고, 도 1b에 나타내는 바와 같이, 반도체 기판(10)의 표면에 대응하는 면에 X-Y 좌표를 설정하면, 고침 렌즈(1)에 있어서의 저면부(3)의 X방향의 곡률 반경과 Y방향의 곡률 반경이 1：∞으로 되어 있다. 또, 고침 렌즈(1)의 저면부(3)와 반도체 기판(10)과의 광학 결합 영역(P)은 원통면의 모선에 따라 띠 형상으로 나타난다.
또한, 고침 렌즈(1)의 구 형상부(2)의 형상은 수차가 없어지는 조건에 의해 결정된다. 지금, 고침 렌즈(1)의 반경을 R, 굴절률을 n으로 하면, 반구 형상을 갖는 고침 렌즈(1)는 그 구심(球心)이 무수차물점(無收差物點)으로 되며, 이 때에 개구수 NA 및 배율은 함께 n배가 된다. 한편, 초반구 형상을 갖는 고침 렌즈에서는 구심으로부터 R/n만큼 아래쪽으로 어긋난 위치가 무수차물점으로 되며, 이 때에 개구수 NA 및 배율은 함께 n2배가 된다. 혹은, 구심과, 구심으로부터 R/n만큼 아래쪽으로 어긋난 위치 사이의 위치를 초점으로 하는 등, 반도체 디바이스(S)에 대한 구체적인 관찰 조건 등에 따라 고침 렌즈(1)를 설치해도 된다.
또, 반도체 디바이스의 검사를 행할 때, 본 발명의 고침 렌즈의 재료로서는, 반도체 디바이스의 기판 재료와 실질적으로 동일 또는 그 굴절률에 가까운 고굴절률의 재료가 매우 적합하게 사용된다. 그 예로서는, Si, GaP, GaAs 등을 들 수 있다. 또한, 기판이 유리나, 플라스틱으로 이루어지는 경우, 고침 렌즈 재료로서는 유리 또는 플라스틱이 매우 적합하게 선택된다.
다음에, 본 실시 형태에 관련되는 고침 렌즈를 사용한 반도체 디바이스의 검사 방법과 함께, 본 실시 형태에 관련되는 고침 렌즈의 작용에 대해 설명한다. 이 검사 방법에 사용되는 반도체 검사 장치는, 예를 들면 트랜지스터나 배선 등으로 이루어지는 회로 패턴이 반도체 기판 상에 형성된 반도체 디바이스를 검사 대상으로 하며, 반도체 디바이스의 화상을 취득하고, 그 내부 정보를 검사하는 검사 장치이다.
먼저, 반도체 디바이스의 검사 방법에 사용되는 검사 장치에 대해 설명한다. 도 2는 본 실시 형태에 관련되는 고침 렌즈를 갖는 반도체 검사 장치의 블록 구성도이다. 여기서, 본 발명에 의한 고침 렌즈를 사용한 현미경은, 관찰 대상물인 시료의 관찰을 행하는 경우에 일반적으로 적용 가능하지만, 이하에 있어서는 주로 그 적용례인 반도체 검사 장치(전자 디바이스 검사 장치) 및 검사 방법에 대해 설명한다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 본 실시 형태에 관련되는 반도체 검사 장치는, 반도체 디바이스(S)의 관찰을 행하는 관찰부(A)와, 관찰부(A)의 각부의 동작을 제어하는 제어부(B)와, 반도체 디바이스(S)의 검사에 필요한 처리나 지시 등을 행하는 해석부(C)를 구비하고 있다. 또, 본 실시 형태에 관련되는 반도체 검사 장치에 의한 검사 대상으로 되는 반도체 디바이스(S)는, 관찰부(A)에 설치된 스테이지(18) 상에 재치되어 있다.
관찰부(A)는, 어둠상자(도시하고 있지 않음) 내에 설치된 화상 취득부(4)와, 광학계(5)와, 본 실시 형태에 관련되는 고침 렌즈(1)를 가지고 있다. 화상 취득부(4)는, 예를 들면 광 검출기나 촬상 장치 등으로 이루어지며, 반도체 디바이스(S)의 화상을 취득하는 수단이다. 또, 화상 취득부(4)와, 스테이지(18) 상에 재치된 반도체 디바이스(S)의 사이에는, 반도체 디바이스(S)로부터의 광에 의한 화상을 화상 취득부(4)로 안내하는 광학계(5)가 설정되어 있다.
광학계(5)에는, 그 반도체 디바이스(S)에 대향하는 소정 위치에, 반도체 디바이스(S)로부터의 광이 입사하는 대물렌즈(20)가 설치되어 있다. 반도체 디바이스(S)로부터 출사, 혹은 반사 등이 된 광은 대물렌즈(20)에 입사하며, 이 대물렌즈(20)를 포함하는 광학계(5)를 통하여 화상 취득부(4)에 도달한다. 그리고, 화상 취득부(4)에 있어서, 검사에 사용되는 반도체 디바이스(S)의 화상이 취득된다.
화상 취득부(4)와 광학계(5)는 서로 광축이 일치된 상태로 일체로 구성되어 있다. 또, 이들 화상 취득부(4) 및 광학계(5)에 대해 XYZ 스테이지(15)가 설치되어 있다. 이것에 의해, 화상 취득부(4) 및 광학계(5)는, X, Y방향(수평 방향) 및 Z방향(수직 방향) 각각에서 필요에 따라 이동시키고, 반도체 디바이스(S)에 대한 위치 맞춤 및 초점 맞춤이 가능한 구성으로 되어 있다.
또, 검사 대상으로 되는 반도체 디바이스(S)에 대해 검사부(16)가 설치되어 있다. 검사부(16)는, 반도체 디바이스(S)의 검사를 행할 때에, 필요에 따라 반도체 디바이스(S)의 상태 제어 등을 행한다. 검사부(16)에 의한 반도체 디바이스(S)의 상태 제어 방법은, 반도체 디바이스(S)에 대해 적용하는 구체적인 검사 방법에 따라 다르나, 예를 들면 반도체 디바이스(S)에 형성된 회로 패턴의 소정 부분에 전압을 공급하는 방법, 혹은 반도체 디바이스(S)에 대해 프로브 광으로 되는 레이저 광을 조사하는 방법 등이 이용된다.
또, 관찰부(A)에는, 또 다른 고침 렌즈(SIL)(1)가 설치되어 있다. 반도체 검사 장치에 있어서는, 이 고침 렌즈(1)는 화상 취득부(4) 및 광학계(5)와, 스테이지(18) 상에 재치된 반도체 디바이스(S)에 대하여 이동 가능하게 설치되어 있다. 구체적으로는, 고침 렌즈(1)는 반도체 디바이스(S)로부터 대물렌즈(20)로의 광축을 포함하며, 상기한 바와 같이 반도체 디바이스(S)의 표면에 밀착하여 설치되는 삽입 위치와, 광축을 벗어난 위치(대기 위치)의 사이를 이동 가능하게 구성되어 있다.
또한, 고침 렌즈(1)에 대해, 고침 렌즈(SIL) 구동부(30)가 설치되어 있다. 고침 렌즈 구동부(30)는, 고침 렌즈(1)를 구동하여 상기한 삽입 위치 및 대기 위치의 사이를 이동시키는 구동 수단이다. 또, 고침 렌즈 구동부(30)는, 고침 렌즈(1)의 위치를 미소하게 이동시킴으로써, 광학계(5)의 대물렌즈(20)에 대한 고침 렌즈(1)의 삽입 위치를 조정한다. 또한, 도 2에 있어서는, 대물렌즈(20)와 반도체 디바이스(S) 사이의 삽입 위치에 설치된 상태로 고침 렌즈(1)를 나타내고 있다.
반도체 디바이스(S)를 검사하기 위한 관찰 등을 행하는 관찰부(A)에 대해, 제어부(B) 및 해석부(C)가 설치되어 있다.
제어부(B)는, 관찰 제어부(51)와, 스테이지 제어부(52)와, 고침 렌즈(SIL) 제어부(53)를 가지고 있다. 관찰 제어부(51)는, 화상 취득부(4) 및 검사부(16)의 동작을 제어함으로써, 관찰부(A)에 있어서 행해지는 반도체 디바이스(S)의 관찰의 실행이나 관찰 조건의 설정 등을 제어한다.
스테이지 제어부(52)는, XYZ 스테이지(15)의 동작을 제어함으로써 본 검사 장치에 있어서의 검사 개소로 되는 화상 취득부(4) 및 광학계(5)에 의한 반도체 디바이스(S)의 관찰 개소의 설정, 혹은 그 위치 맞춤, 초점 맞춤 등을 제어한다. 또, 고침 렌즈 제어부(53)는, 고침 렌즈 구동부(30)의 동작을 제어함으로써, 삽입 위치 및 대기 위치의 사이에서의 고침 렌즈(1)의 이동, 혹은 고침 렌즈(1)의 삽입 위치의 조정 등을 제어한다.
해석부(C)는 화상 해석부(61)와, 지시부(62)를 가지고 있다. 화상 해석부(61)는, 화상 취득부(4)에 의해 취득된 화상에 대해 필요한 해석 처리 등을 행한다. 또, 지시부(62)는 조작자로부터의 입력 내용이나, 화상 해석부(61)에 의한 해석 내용 등을 참조하여, 제어부(B)를 통하여 관찰부(A)에 있어서의 반도체 디바이스(S)의 검사의 실행에 관한 필요한 지시를 행한다.
특히, 본 실시 형태에 있어서 해석부(C)는, 관찰부(A)에 고침 렌즈(1) 및 고침 렌즈 구동부(30)가 설치되어 있는 것에 대응하며, 고침 렌즈를 사용한 반도체 디바이스(S)의 검사에 관하여 필요한 처리 및 지시를 행한다.
즉, 대물렌즈(20)와 반도체 디바이스(S)의 사이에 고침 렌즈(1)를 삽입하는 경우, 관찰부(A)에 있어서, 화상 취득부(4)는, 고침 렌즈(1)가 삽입 위치에 있는 상태로 고침 렌즈(1)로부터 반사광을 포함하는 화상을 취득한다. 또, 해석부(C)에 있어서, 화상 해석부(61)는, 화상 취득부(4)에서 취득된 고침 렌즈(1)로부터의 반사광을 포함하는 화상에 대해, 그 반사광상(反射光像)의 무게 중심 위치를 구하는 등의 소정의 해석을 행한다. 그리고, 지시부(62)는, 화상 해석부(61)에서 해석된 고침 렌즈(1)로부터의 반사광을 포함하는 화상을 참조하여, 고침 렌즈 제어부(53)에 대해 반사광상의 무게 중심 위치가 반도체 디바이스(S)에서의 검사 개소에 대해 일치하도록, 고침 렌즈(1)의 삽입 위치의 조정을 지시한다.
계속하여, 본 실시 형태에 관련되는 반도체 디바이스의 검사 방법(시료 관찰 방법)에 대해 설명한다.
먼저, 검사 대상인 반도체 디바이스(S)에 대하여, 광축을 벗어난 대기 위치에 고침 렌즈(1)를 설치한 상태로 관찰을 행한다. 여기서는, 화상 취득부(4)에 의해, 대물렌즈(20)를 포함하는 광학계(5)를 통하여 반도체 디바이스(S)의 관찰 화상인 회로 패턴의 패턴 화상을 취득한다. 또, 검사부(16)에 의해 반도체 디바이스(S)의 상태를 소정 상태에 제어하는 동시에, 반도체 디바이스(S)의 이상(異常) 개소를 검출하기 위한 이상 관찰 화상을 취득한다.
다음에, 화상 취득부(4)에서 취득된 패턴 화상 및 이상 관찰 화상을 사용하여, 반도체 디바이스(S)에 이상 개소가 있는지를 조사한다. 이상 개소가 있는 경우에는 그 위치를 검출하는 동시에, 검출된 이상 개소를 반도체 검사 장치에 의한 검사 개소(현미경에 의한 관찰 개소)로서 설정한다. 그리고, 설정된 검사 개소가 화상 취득부(4)에 의해 취득되는 화상의 중앙에 위치하도록, XYZ 스테이지(15)에 의해 화상 취득부(4) 및 광학계(5)를 이동시킨다.
계속하여, 반도체 디바이스(S)에 있어서의 이상 개소로 판단된 검사 개소에 고침 렌즈(1)를 설치하고, 반도체 디바이스(S)와 대물렌즈(20)의 사이에 고침 렌즈(1)를 삽입하지만, 고침 렌즈(1)를 설치하기 전에 검사 개소에 광학 밀착액(密着液)을 적하하여, 반도체 디바이스(S)의 검사 개소를 적신다. 이 광학 밀착액은, 물에 양친매성(兩親媒性) 분자를 함유시킨 것으로 이루어진다. 광학 밀착액은, 양친매성 분자를 함유하기 때문에, 소수성(疏水性) 표면인 반도체 기판 상에 있어서의 표면장력을 저하시킨다. 이 결과, 소수성 표면에서의 습성(濕性)이 향상되고, 광학 밀착액이 반도체 디바이스(S) 위에서 넓게 펴진다.
여기서 사용되는 양친매성 분자로서는, 계면활성제 분자를 사용하는 것이 매우 적합하다. 또, 계면활성제 분자로서는, 이온성 계면활성제 분자 및 비이온성 계면활성제 분자를 사용할 수도 있다. 이온성 계면활성제로서는, 양이온성 계면활성제, 음이온성 계면활성제, 양성 계면활성제의 어느 것도 사용할 수 있다.
계면활성제는, 통상, 습윤제(濕潤劑), 침투제, 기포제(起泡劑), 소포제(消泡劑), 유화제, 대전(帶電) 방지제 등으로서 여러 가지 용도로 사용되지만, 본 발명에서는 습성에 관련되는 습윤성을 갖는 것 외에, 거품을 억제하는 소포성, 대전을 억제하는 대전 방지성을 갖는 것이 매우 적합하다. 대전 방지능(防止能)을 갖는 계면활성제를 사용함으로써, 대전에 의한 공기의 포섭을 방지할 수도 있다. 또, 소포성을 갖는 계면활성제를 사용함으로써, 광학 밀착액을 공급할 때의 기계적인 반송(搬送) 혹은 교반에 의한 거품의 발생을 방지할 수 있다.
또, 계면활성제의 최적 농도 범위는, 그 계면활성제의 임계 미셀 농도에 대해, 0배보다 크고 400배 이하로 하는 것이 매우 적합하다. 400배보다 크면 광학 밀착액의 점성이 너무 올라가는 경향이 있어서, 오히려 광학적인 결합의 방해로 되는 경우가 있기 때문이다. 또, 보다 바람직한 범위는, 그 계면활성제의 임계 미셀 농도에 대해 0.5∼100배이다. 0.5배보다 작으면 광학 밀착액의 표면장력을 충분히 내릴 수 없는 경향이 있고, 100배를 넘으면 광학 밀착액의 점성이 너무 올라가는 경향이 있기 때문이다. 동일한 이유에 의해, 더욱 바람직한 범위는, 그 계면활성제의 임계 미셀 농도에 대해 1배∼10배의 농도의 범위이다.
또한, 본 실시 형태에서 사용되는 광학 밀착액은, 계면활성제 분자를 함유하는 것에 한정되는 것은 아니며, 친수기(親水基)(카르복실기, 설포기(sulfo group), 제 4 암모늄기, 수산기(水酸基) 등)와 소수기(친유기(親油基)라고도 한다. 장쇄(長鎖)의 탄화수소기 등)의 양쪽 모두를 갖는 분자여도 무방하다. 예를 들면, 글리세린, 프로필렌 글리콜, 소르비톨 등의 습윤제나, 인 지질(脂質), 당 지질, 아미노 지질 등을 들 수 있다.
상기 광학 밀착액을 사용하여 반도체 기판과 고침 렌즈를 광학적으로 결합시킨 상태에서는, 반도체 기판 상에 물리 흡착한 양친매성 분자의 친수기와 수분자의 사이에 판데르 발스(Van der waal's) 힘이 작용하여 수분자가 구속되는 것으로 휘발이 멈춘다고 생각된다. 이 때, 고침 렌즈와 반도체 기판과의 거리는, 예를 들면 1/20λ(λ：조사(照射) 파장) 이하로 할 수 있고, 그 결과, 고침 렌즈와 반도체 기판과의 광학 밀착, 나아가서는 물리적 고착이 달성된다. 또한, 본 발명에서 말하는 「광학 밀착」이란, 반도체 기판과 고침 렌즈가 에버네센트 결합에 의해 광학적인 결합이 달성되는 상태를 말한다.
또, 상기 광학 밀착액 이외의 광학 결합 재료로서는, 예를 들면 일본특허 특공평 7-18806호 공보에 기재된 것과 같은, 고침 렌즈와 반도체 기판을 굴절률 정합시키는 굴절률 정합 유체(인덱스 매칭액 등)를 들 수 있다. 또한, 굴절률 정합 유체와 광학 밀착액은 다른 것이며, 전자는 유체의 굴절률을 통하여 고 NA를 실현하지만, 후자는 에버네센트 결합을 보조하는 역할을 갖는 것이다. 여기서는, 광학 밀착액을 사용한 실시 형태를 상세히 설명하지만, 굴절률 정합 유체를 사용한 형태여도 같은 효과를 얻을 수 있다. 다만, 그 경우, 반드시 유체를 건조시킬 필요는 없으므로, 건조 기체 공급 수단은 생략되는 형태도 있다.
반도체 기판 상에서 광학 밀착액이 퍼지면, 광학 밀착액이 건조하기 전에 고침 렌즈(1)를 설치하고, 반도체 디바이스(S)와 대물렌즈(20)의 사이에 고침 렌즈(1)를 삽입한 후, 고침 렌즈(1)의 삽입 위치의 조정을 행한다.
여기서, 광학 밀착액은 양친매성 분자를 함유하기 때문에, 반도체 디바이스(S)의 기판 표면 및 고침 렌즈(1)의 설치면에 대해 습성을 부여할 수 있다. 또, 고침 렌즈(1)를 설치할 때에는 고침 렌즈(1)의 자중(自重)을 이용한다. 따라서, 미소한 고침 렌즈(1)를 반도체 기판 표면의 원하는 위치에, 과도한 압력을 가하는 일 없이 용이하게 설치할 수 있다. 먼저, 화상 취득부(4)에 의해, 고침 렌즈(1)로부터의 반사광을 포함하는 화상을 취득한다. 고침 렌즈(1)의 삽입 위치의 조정은, 이 화상에 포함되는 반사광상(反射光像)에 있어서의 고침 렌즈(1)의 각부 반사면으로부터의 반사광을 가이드로 하여 행해진다.
고침 렌즈(1)의 삽입 위치의 조정을 행함에 있어서, 화상 해석부(61)에서는 고침 렌즈(1)로부터의 반사광을 포함하는 화상에 대해 자동으로 또는 조작자로부터의 지시에 의거하여 해석을 행하고, 반사광상의 무게 중심 위치를 구한다. 또, 지시부(62)에서는, 고침 렌즈 제어부(53)를 통하여 고침 렌즈(1) 및 고침 렌즈 구동부(30)에 대해, 화상 해석부(61)에서 얻어진 반사광상의 무게 중심 위치가 반도체 디바이스(S)에서의 검사 개소에 대해 일치하도록, 고침 렌즈(1)의 삽입 위치의 조정을 지시한다. 이것에 의해, 고침 렌즈(1)의 반도체 디바이스(S) 및 대물렌즈(20)에 대한 위치 맞춤이 행해진다.
또한 지시부(62)는, 상기한 고침 렌즈(1)의 삽입 위치의 조정과 맞춰서, 스테이지 제어부(52)를 통하여 XYZ 스테이지(15)에 대해, 고침 렌즈(1)가 밀착하여 설치되어 있는 반도체 디바이스(S)와, 광학계(5)의 대물렌즈(20) 사이의 거리의 조정을 지시한다. 이것에 의해, 고침 렌즈(1)가 삽입된 상태에 있어서의 초점 맞춤이 행해진다.
그 후, 고침 렌즈(1)에 공기를 내뿜어서 광학 밀착액을 증발, 건조시켜서 고침 렌즈(1)와 반도체 기판을 광학적으로 밀착시킨다. 고침 렌즈(1)에 있어서의 저면부(3)는 원통 형상으로 형성되어 있기 때문에, 고침 렌즈(1)는 반도체 디바이스(S)에 대해 선접촉(線接觸)한다. 구체적으로는, 도 3a에 나타내는 바와 같이, X방향으로는 점에서만 접촉하고, 도 3b에 나타내는 바와 같이, Y방향에 따라서는 전체적으로 접촉한다. 또한, 도 3a 및 도 3b에 있어서는, 고침 렌즈(1)와 반도체 디바이스(S)와의 접촉 위치를 파선(波線)으로 나타내고 있다.
또, 예를 들면 고침 렌즈의 저면부가 반도체 기판과 1점(한 점)에서 접촉하도록 형성되어 있으면, 고침 렌즈의 저면부와 반도체 기판을 넓은 면적으로 밀착시키기 위해서는, 높은 압력을 가할 필요가 생긴다. 그런데, 본 실시 형태에 관련되는 고침 렌즈(1)에서는 저면부(3)가 원통 형상으로 형성되어 있다. 또 에버네센트 결합을 보조하는 광학 밀착액을 사용하고 있다. 이 때문에, 고침 렌즈(1)에 높은 압력을 가하는 일 없이, 예를 들면 고침 렌즈(1)의 자중만으로 저면부(3)와 반도체 디바이스(S)를 띠 형상으로 광학적으로 결합시킬 수 있고, 나아가서는 물리적인 고착을 실현할 수 있다. 따라서, 반도체 디바이스에 과도한 압력을 가하지 않아도 광학 밀착을 얻을 수 있으므로, 반도체 디바이스(S)를 파손할 위험성이 없다.
또한, 본 실시 형태에 관련되는 고침 렌즈(1)에서는, 저면부(3)가 원통 형상으로 형성되어 있기 때문에, 중심의 1축(모축) 방향은 반드시 반도체 디바이스(S)에 선접촉하게 된다. 이에 대해, 예를 들면 저면부가 반도체 기판과 1점에서 접촉하도록 형성되어 있는 양면 볼록 렌즈의 경우에는, 고침 렌즈가 경사져서 반도체 기판에 설치되었을 때에, 중심부가 광학적으로 결합하지 않게 된다. 따라서, 본 실시 형태에 관련되는 고침 렌즈(1)에서는, 중심부에 있어서의 광학 결합성을 양호한 것으로 할 수 있다. 또, 고침 렌즈의 반도체 기판과의 접촉 면적이 1점 접촉의 것에 비해 크기 때문에, 반도체 디바이스(S)의 기판이 두꺼운 경우라도, 높은 NA의 광속을 확보할 수 있다. 나아가서는, 위치 결정이 용이하게 된다.
게다가, 본 실시 형태에 관련되는 고침 렌즈(1)에서는, 저면부(3)가 원통 형상으로 형성되어 있기 때문에, 광학 밀착액의 증발을 단시간에 끝마칠 수 있다. 이 점에 대해, 도 4a 및 도 4b를 참조하여 설명하면, 예를 들면 도 4b에 나타내는 바와 같이, 저면부가 평면 형상인 고침 렌즈(평볼록 렌즈)(6)를 사용한 경우, 광학 밀착액(W)은 고침 렌즈(6)와 반도체 디바이스(S)의 사이에 끼워지고, 횡방향으로밖에 증발에 기여하는 개방면이 없으므로, 증발에 시간이 걸린다.
이에 대하여, 도 4a에 나타내는 바와 같이, 본 실시 형태에 관련되는 고침 렌즈(1)에서는, 저면부(3)가 원통 형상으로 형성되어 있음으로써, 광학 밀착액(W)은 넓은 범위로 향하여 증발한다. 이 때문에, 단시간에 증발을 끝마칠 수 있고, 고침 렌즈(1)와 반도체 디바이스(S)를 재빠르게 밀착 고정시킬 수 있다.
또한, 고침 렌즈(1)의 저면부(3)에 있어서의 원통 형상의 축방향에 대한 측방으로부터 에어를 내뿜음으로써, 보다 빠르게 광학 밀착액을 증발시킬 수 있다.
이렇게 하여, 고침 렌즈(1)를 반도체 디바이스(S)에 밀착시키면, 고침 렌즈(1)를 포함하는 광학계를 통하여 확대된 반도체 기판의 관찰 화상을 취득한다. 관찰 화상은, 반도체 디바이스로부터의 광이 화상 취득부(4)에 안내됨으로써 취득된다.
또, 관찰 화상을 취득할 때, 반도체 디바이스(S)로부터의 광은, 반도체 디바이스(S)와 고침 렌즈(1)의 광학 밀착 부분을 통과한다. 여기서, 고침 렌즈(1)는 적어도 Y방향에서 반도체 디바이스(S)와는 확실히 밀착하고 있으므로, 중심부의 밀착을 확실히 얻을 수 있다. 이 때문에, 도 5a에 나타내는 바와 같이, X방향을 향한 광(L)은, 고침 렌즈의 설치면과 반도체 기판 사이의 틈새가 반도체 내의 광의 파장보다 커지는 영역에 대해서는, 임계각 이상의 입사광이 전반사됨으로써, 고침 렌즈(1)의 통과량이 작다. 이에 대해, 도 5b에 나타내는 바와 같이, Y방향을 향한 광은 확실히 고침 렌즈(1)를 통과한다. 이와 같이, 고침 렌즈(1)를 통과하는 광의 방향을 안정시킬 수도 있다.
이렇게 하여 관찰 화상을 취득하면, 확대 관찰 화상을 취득한 후, 반도체 디바이스(S)에 있어서의 고침 렌즈(1)를 설치한 위치의 주변에, 광학 밀착액의 용매(이하, 「용매」라 한다)를 적하하여 고침 렌즈(1)의 설치 위치를 적신다. 용매를 적하함으로써, 반도체 디바이스(S)와 고침 렌즈(1)의 사이에 이 용매가 침입하여, 반도체 디바이스(S)와 고침 렌즈(1) 사이의 광학적 결합 및 물리적 고착이 해제된다.
이 때, 고침 렌즈(1)의 저면부(3)는 원통 형상으로 형성되어 있으며, 반도체 디바이스(S)와의 사이에 개방면을 가지고 있다. 이 때문에, 고침 렌즈(1)와 반도체 디바이스(S)를 분리시킬 때에 용매의 침투가 빨라지며, 고침 렌즈(1)와 반도체 디바이스(S)의 분리를 단시간에 행할 수 있다.
이와 같이 하여, 용매를 사용하여 반도체 디바이스(S)와 고침 렌즈(1) 사이의 물리적 고착을 해제함으로써, 극히 약한 힘으로 고침 렌즈(1)를 벗길 수 있으므로, 반도체 디바이스(S)를 손상시키지 않게 할 수 있다. 또, 고침 렌즈(1)도 손상시키지 않게 할 수 있으므로, 고침 렌즈(1)를 장기에 걸쳐 이용할 수도 있다. 또한, 여기서는 용매를 적하하고 있으나, 광학 밀착액을 적하시켜도, 반도체 디바이스(S)와 고침 렌즈(1)를 손상시키는 일 없이, 반도체 디바이스(S)와 고침 렌즈(1)의 광학적 밀착 및 물리적 고착을 해제할 수 있다.
이렇게 하여 검사 개소의 검사가 끝나면, 고침 렌즈(1)를 다른 검사 개소 또는 대기 위치로 이동시키고, 검사 개소의 검사가 종료된다.
이와 같이, 본 실시 형태에 관련되는 반도체 디바이스의 검사 방법에서는, 고침 렌즈(1)로서 그 저면부(3)가 원통 형상을 형성하고 있는 것을 사용하고 있다. 이 때문에, 평볼록 렌즈에 비하여, 고침 렌즈(1)를 반도체 디바이스(S)에 대해 단시간에 광학 밀착시키고 또 분리시킬 수 있다. 또, 고침 렌즈(1)와 반도체 디바이스(S)의 사이에 높은 밀착성을 얻을 수 있다. 나아가서는, 반도체 디바이스(S)의 파손을 방지할 수 있다.
이상, 본 발명의 매우 적합한 실시 형태에 대해 설명하였으나, 본 발명에 관련되는 고침 렌즈로서는, 저면이 원통 형상의 것에 한정되지 않고, 다른 토로이달 형상으로 형성된 형태로 할 수도 있다. 여기서, 반도체 디바이스의 X-Y 평면에 있어서, 토로이달 형상의 곡률이 커지는 방향을 Y방향으로 설정했을 때, 토로이달 형상의 곡률은, X방향의 곡률 반경과 Y방향의 곡률 반경의 비율이 1：3∼1：∞의 범위가 되도록 설정하는 것이 매우 적합하다. Y방향의 곡률 반경이 X방향의 곡률 반경의 3배 미만에서는, 반도체 디바이스에 밀착시킬 때의 물리적인 고착도(固着度), 또는 광학적 성능의 어느 한쪽이 불충분하게 되어 버리기 때문이다.
이상의 실시 형태에서는, 반도체 디바이스(S)와 고침 렌즈(1)의 사이에 있어서의 광학 밀착액에 양친매성 분자를 함유시키는 것으로 하였으나, 이에 대신하여, 고침 렌즈(1)에 있어서의 반도체 디바이스(S)와의 설치면에 친수(親水) 처리를 행하도록 할 수도 있다.
광학 밀착액이 양친매성 분자를 함유함으로써, 습성이 향상되는 것은 소수성인 표면에 친수기가 부착하는 것에 기인한다. 이 때문에, 광학 밀착액이 양친매성 분자를 함유하고 있지 않는 경우라도, 고침 렌즈(1)의 반도체 디바이스(S)와의 설치면 및 반도체 디바이스(S)의 고침 렌즈(1)와의 설치면이 소수성이었다고 해도, 이들 면에 친수기를 부착시키는 친수 처리를 행함으로써, 습성을 향상시킬 수 있다. 또한, 반도체 디바이스(S)의 표면이 원래 친수성인 경우에는, 그 표면은 친수 처리하지 않아도 습성을 확보할 수 있다.
이렇게 하여, 고침 렌즈(1) 및 반도체 디바이스(S)의 각각의 설치면에 습성을 부여함으로써, 양친매성 분자를 함유하는 광학 밀착액을 사용한 경우와 같이, 반도체 디바이스(S)의 기판 상에 있어서의 원하는 검사 개소에 광학 밀착액을 적확하게 멈추게 할 수 있다. 또, 반도체 디바이스(S)와 고침 렌즈(1)의 광학적인 밀착성을, 과도한 압력을 가하는 일 없이 확실한 것으로 할 수 있다.
고침 렌즈(1)나 반도체 디바이스(S)에 친수 처리를 행하는 방법으로서는, 친수기를 물리 흡착시켜서 일시적으로 부착시키는 방법이 있다. 친수기를 물리 흡착시키는 구체적인 방법으로서는, 친수 처리를 행하는 면에, 계면활성제나, 아미노산, 단백질 등의 양친매성 분자의 수용액을 도포하고, 건조시키는 방법 등이 있다. 또, 친수 처리를 행하는 방법으로서는, 친수기를 화학 흡착시켜서 표면 개질(改質)을 행하는 방법도 있다. 친수기를 화학 흡착시키는 방법으로서는, UV(자외) 광을 조사하는 방법, 웨트(wet) 프로세스에 의한 방법(예를 들면, 황산과 과산화 수소와 물을 가한 용액을 도포하는), 또한 드라이 프로세스에 의한 방법(예를 들면 이온 빔을 조사하는) 등의 방법이 있다.
이상, 본 발명의 매우 적합한 예에 대해 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시 형태에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 상기 실시 형태에서는 양친매성 분자를 함유하는 광학 밀착액을 조작자가 적하하도록 하고 있으나, 광학 밀착액 적하 장치(광학 결합 재료를 공급하기 위한 광학 결합 재료 공급 장치)를 별도 설치하는 형태로 할 수도 있다. 또, 광학 밀착액을 건조시키기 위한 에어 분사 장치나, 흡수 시트 압착 장치 등을 설치하는 형태로 할 수도 있다. 또한, 반도체 디바이스를 적시는 수단으로서는, 광학 밀착액을 적하하는 형태 외에, 광학 밀착액을 얇게 늘여 바르는 형태, 분무하는 형태, 증기로 적시는 형태 등, 여러 가지의 형태로 할 수도 있다. 이 경우, 광학 밀착액의 건조가 빠르므로, 건조를 재촉하는 작업을 생략할 수 있다.
또, 상기 실시 형태에 나타내는 반도체 검사 장치 외에, 고감도 카메라를 사용한 에미션 현미경, OBIRCH 해석 장치, 시간 분해 에미션 현미경, 열선 화상 해석 장치 등에 의한 검사를 행하는 경우에도, 본 발명의 고침 렌즈를 사용할 수 있다. 일반적으로, 상기한 고침 렌즈를 사용한 현미경에 대해서는, 관찰 대상물을 관찰하기 위한 현미경으로서, 관찰 대상물로부터의 광이 입사하는 대물렌즈를 포함하며 관찰 대상물의 화상을 안내하는 광학계와, 상기 구성의 고침 렌즈를 구비하여 구성하면 된다. 또, 광학계 및 고침 렌즈에 대해, 상기한 바와 같이 광학계에 의해 안내된 관찰 대상물(시료)의 화상을 취득하는 화상 취득 수단을 설치해도 된다.
다음에, 본 발명의 실시예에 대해 설명하지만, 본 발명은 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
(실험 1)
실험 1에서는, 고침 렌즈를 반도체 디바이스에 광학적으로 밀착시킨 상태에 있어서의 검사시의 반도체 디바이스의 휘도 및 관찰 후에 있어서의 고침 렌즈와 반도체 디바이스의 분리 용이성을 측정하였다. 이 실험은, 상기 실시 형태에서 설명한 고침 렌즈(1)를 사용한 실시예와, 종래의 고침 렌즈를 사용한 비교예에 대하여 행하였다. 종래의 고침 렌즈의 설치면은 면조도(面組度)가 양호한 평면으로 되어 있다(평볼록 렌즈).
여기서, 실시예에 관련되는 고침 렌즈로서는, X방향의 곡률 반경과 Y방향의 곡률 반경은 대략 1：4이다.
이 실험의 순서를 설명하면, 먼저 고침 렌즈와 반도체 디바이스를 계면활성제를 함유하는 물(이하, 광학 밀착액이라 한다)로 밀착시켜서, 도 2에 나타내는 반도체 검사 장치로 휘도를 측정하였다. 계속하여, 반도체 기판에 있어서의 고침 렌즈가 장착되어 있는 부분에 광학 밀착액(W)을 적하한 후, 도 6에 나타내는 바와 같이, 반도체 디바이스(S)를 2초 주기로 각도 θ≒30°로 좌우로 번갈아 기울어지도록 움직이게 하여, 고침 렌즈(1)가 움직이기 시작할 때까지의 시간을 측정하였다. 이 실험을 복수 회 행하였다.
이 실험의 결과에 있어서, 반도체 디바이스를 기울여서 시작하고부터 20초 이내로 고침 렌즈(1)가 움직이기 시작하는 확률을 구하였다. 그 결과를 표 1에 나타낸다.
(실험 2)
실험 2에서는, 고침 렌즈와 반도체 디바이스의 물리적인 고착도를 측정하였다. 이 실험에서는, 상기 실험 1과 같은 실시예 및 비교예에 관련되는 고침 렌즈를 각각 사용하였다.
이 실험의 순서를 설명하면, 고침 렌즈와 반도체 디바이스를 상기 광학 밀착액으로 광학적으로 밀착시켰다. 이 상태로, 도 7에 나타내는 바와 같이, 고침 렌즈(1)에 압력 F를 가하여 고침 렌즈(1)가 움직이기 시작하는 압력의 크기를 측정하였다. 이 실험을 실시예(본 발명에 관련되는 고침 렌즈) 및 비교예에 대하여 행하였다. 그 결과를 밀착 박리력(剝離力)으로서 표 1에 나타낸다. 여기서, 비교예의 고침 렌즈는, 실험 1과 같은 것을 사용하였다.
표 1
휘도치 [A. U.] 움직이기 시작하는 확률 밀착 박리력
실시예 6 약 70％ 약 30g중(重)
비교예 7 약 20％ 약 50g중
표 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 실험 1에 있어서의 휘도의 측정에서는 실시예는 비교예에 약간 뒤떨어지지만, 거의 같은 휘도치를 나타내는 것이다. 이 결과로부터, 실시예 및 비교예도, 반도체 디바이스를 관찰할 때에 휘도치에 큰 차이가 없는 것을 알았다.
또, 광학 밀착액을 적하한 후, 고침 렌즈가 움직이기 시작하는 확률은 실시예가 약 70％인데 대해, 비교예는 약 20％로 매우 낮은 결과가 되었다. 이 결과로부터, 관찰 후 반도체 디바이스로부터 고침 렌즈를 분리시킬 때, 실시예 쪽이 비교예보다 매우 용이하게 고침 렌즈를 분리시킬 수 있는 것을 알 수 있었다.
또한, 반도체 디바이스에 밀착시킨 고침 렌즈에 힘을 가했을 때, 본 실시 형태에 관련되는 고침 렌즈는 약 30g중(重)의 힘으로 움직이기 시작하는데 대해, 비교예에서는 약 50g중의 힘으로 움직이기 시작하였다. 종래예에서는, 고침 렌즈와 반도체 디바이스의 밀착 면적이 크기 때문에, 밀착 박리력은 강한 것으로 되어 있으나, 비교예에 대해 실시예는 밀착 박리력이 크게 뒤떨어지는 일은 없다고 하는 결과가 되었다.
본 발명에 의한 고침 렌즈에 대하여 상세히 설명한다.
고침 렌즈(SIL)에서는, 상기한 반구 형상 또는 초반구 형상의 구성, 및 그것에 대응하여 설정되는 시료 관찰면에 있어서, 구면 수차 및 코마 수차가 발생하지 않는 아프라나틱인 결상이 얻어지는 것이 알려져 있다. 그렇지만, 이와 같은 SIL의 구성 및 사용 조건에서는 수차가 없어지는 위치는 모두 1점뿐이며, 따라서 SIL의 용도는 광 픽업 등으로 한정되어 있다.
즉, 상기한 SIL에서 사용되고 있는 시료 관찰면에서는, 넓은 범위에서 시료를 관찰하려고 하면 상면(像面) 특성이 좋지 않다. 이 때문에, SIL를 사용하여 시료의 상을 관찰하려고 하면, 얻어지는 상에서는 그 주변부에서 중앙부에 비해 분해능이 낮아지거나, 상면 만곡의 영향으로 주변 혹은 중심 부근이 안보이게 되거나 하는 등, 관찰에 사용 가능한 시야가 제한되어 버리는 등의 문제가 있었다.
이에 대해, 고침 렌즈는 굴절률 nL의 재질에 의해 곡률 반경 RL의 구면 형상의 광학면을 가지고 형성되며, 관찰 대상물(시료)의 굴절률이 굴절률 nL과 동일하다고 했을 때의 가상의 관찰면까지의 정점(頂點)으로부터의 광축에 따른 거리가, 기하학적 수차 특성이 소정의 조건을 충족하도록 설정된 계수 k(0＜k＜1)에 의해, L＝RL＋k×(RL/nL)로 되는 동시에, 관찰 대상물(시료)의 굴절률을 nS, 현실의 관찰면까지의 관찰 대상물(시료)의 두께를 tS로 했을 때에, 광축에 따른 두께가 dL＝L-tS×(nL/nS)를 충족하도록 구성하는 것이 바람직하다.
상기한 고침 렌즈에 있어서는, 고침 렌즈에 의한 기하학적 수차 특성을 평가함으로써 설정된 계수 k를 사용하는 동시에, 관찰 대상물로 되는 기판 등의 시료의 굴절률 nS 및 두께 tS를 고려하여 렌즈 형상을 설정하고 있다. 이것에 의해, 상기한 바와 같이 관찰에 사용 가능한 시야를 넓히면서, 시료에 있어서의 원하는 관찰 부위를 양호하게 관찰할 수 있게 된다.
특히, 시료에 대한 설치면을 토로이달 형상으로 하는 상기한 구성과, 기하학적 수차 특성을 평가함으로써 설정된 계수 k를 사용하는 동시에, 관찰 대상물로 되는 기판 등의 시료의 굴절률 nS 및 두께 tS를 고려하여 렌즈 형상을 설정하는 구성을 편성한 고침 렌즈로 함으로써, NA의 높은 광속을 통과하게 할 수 있고, 시료에 광학적으로 결합시킬 때에 고침 렌즈의 위치 제어가 용이하게 되는 동시에, 관찰에 사용 가능한 시야를 넓히면서, 시료에 있어서의 원하는 관찰 부위를 양호하게 관찰할 수 있게 되는 고침 렌즈가 실현된다. 또한, 상기와 같이 설치면을 토로이달 형상으로 한 고침 렌즈에 있어서는, 고침 렌즈의 광축 Ax에 따른 두께 dL은, 고침 렌즈의 정점으로부터 시료측의 렌즈면(고침 렌즈와 시료가 가장 근접한 부위)까지의 거리로 된다.
상술한 고침 렌즈에서는, 계수 k는 0.5＜k＜0.7의 범위 내의 값인 것이 바람직하다. 이 때, 고침 렌즈에 의한 상면 특성이 실질적으로 플랫으로 되는 조건에서의 관찰이 가능해진다.
혹은, 계수 k는 0＜k≤0.5의 범위 내의 값인 것이 바람직하다. 이 때, 고침 렌즈에 의한 색수차, 구면 수차가 실질적으로 저감된 조건에서의 관찰이 가능해진다.
또, 고침 렌즈를 사용한 시료 관찰 방법에 대해서는, 굴절률 nL의 재질에 의해 곡률 반경 RL의 구면 형상의 광학면을 가지고 형성된 고침 렌즈를 사용하며, 고침 렌즈에 의한 기하학적 수차 특성이 소정의 조건을 충족하도록 설정된 계수 k(0＜k＜1)에 의해, 광학면의 구심으로부터 광축에 따라 k×(RL/nL)만큼 하류측에 있는 점을 포함하며 광축에 대략 직교하는 면을 시료 관찰면으로 하여, 고침 렌즈를 사용한 시료(관찰 대상물)의 관찰을 행하는 것이 바람직하다.
상기한 시료 관찰 방법에 있어서는, 구심을 포함하는 면을 시료 관찰면으로 하는 반구 형상에 대응한 구성, 혹은 구심으로부터 광축에 따라 RL/nL만큼 하류측에 있는 점을 포함하는 면을 시료 관찰면으로 하는 초반구 형상에 대응한 구성을 이용하지 않고, 고침 렌즈에 의한 기하학적 수차 특성을 평가함으로써 계수 k를 설정한다. 그리고, 그 계수 k에 의해 결정되는 점을 포함하는 면을 시료 관찰면으로 하여 시료의 관찰을 행하고 있다. 이것에 의해, 관찰에 사용 가능한 시야를 넓게 하고, 고침 렌즈를 사용하여 시료의 상(像)을 양호하게 관찰할 수 있게 된다.
여기서, 고침 렌즈에 의한 기하학적 수차 특성의 평가에 대해서는, 고침 렌즈의 후방측 초점면을 동면(瞳面)으로 한 가상 광학계를 이용하여 기하학적 수차 특성을 평가하고, 그 평가 결과에 의거하여 계수 k를 설정하는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 동면을 고침 렌즈의 후방측 초점면으로 하는 것으로 물측(物側) 텔레센트릭으로 할 수 있고, 레이저 스캔 등에서의 반사광 관찰의 실제에 근거한 형태로 할 수 있다. 실제의 현미경에 편성하여 사용하는 경우에는, 현미경 대물렌즈의 눈동자(瞳) 위치는 눈동자로서의 기능은 없어지고, 고침 렌즈를 포함한 광학계의 눈동자는, 고침 렌즈의 후방측 초점 위치로 되어 버리는 것을 알 수 있었다.
또, 고침 렌즈에 의한 기하학적 수차 특성을, 구결적(球缺的) 상면, 자오적(子午的) 상면, 또는 구결적 상면 및 자오적 상면의 평균 상면에 의해 평가하고, 그 평가 결과에 의거하여 계수 k를 설정하는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 고침 렌즈에 의한 시료 관찰면에서의 기하학적 수차 특성을 양호하게 설정할 수 있다.
또, 상기 시료 관찰 방법에 있어서는, 고침 렌즈가 광축에 따른 두께가 dL＝RL＋k×(RL/nL)이며, 시료 관찰면은 시료측의 고침 렌즈의 렌즈면과 일치하고 있는 것으로 해도 된다. 혹은, 고침 렌즈가 광축에 따른 두께가 dL＜RL＋k×(RL/nL)이며, 시료 관찰면은 시료의 굴절률이 고침 렌즈의 굴절률 nL과 같다고 했을 때의 가상의 관찰면인 동시에, 시료의 굴절률을 nS, 현실의 관찰면까지의 시료의 두께를 tS로 했을 때에, 고침 렌즈의 두께는 정점(頂點)으로부터 가상의 관찰면까지의 광축에 따른 거리 L＝RL＋k×(RL/nL)에 대해, dL＝L-tS×(nL/nS)를 충족하는 것으로 해도 된다.
먼저, 본 발명에 의한 고침 렌즈(SIL), 및 이를 사용한 시료 관찰 방법의 개략에 대해, 종래 사용되고 있는 SIL의 구성 및 사용 조건과 함께 설명한다. 또한, 이하에 있어서는, 주로 SIL의 광축에 따른 두께의 설정 등에 관하여 설명하지만, SIL의 시료(관찰 대상물)에 대한 설치면의 토로이달 형상, 그 효과, 및 설치면을 토로이달 형상으로 한 경우의 SIL의 두께의 정의 등에 관해서는, 상술한 바와 같다.
도 9는 종래의 SIL의 구성 및 사용 조건의 일례를 나타내는 도면이다. 도 9에 나타내는 SIL(108)은 굴절률 n, 곡률 반경 R의 반구 형상을 갖는 렌즈이다. 이와 같은 SIL(108)에서는 구심이 초점으로 되어 있고, 그 구심을 포함하는 면이 시료 관찰면(180)으로 설정된다. 또, 시료 관찰에 있어서의 개구수 NA 및 배율은 함께 n배가 된다. 이와 같은 구성에 있어서 SIL(108)의 상면 특성을 고려하면, 도 9에 나타내는 바와 같이 초점으로부터 멀어짐에 따라 상면이 하류측으로 쳐지는 상면 만곡이 발생한다.
도 10은 종래의 SIL의 구성 및 사용 조건의 다른 예를 나타내는 도면이다. 도 10에 나타내는 SIL(109)은 굴절률 n, 곡률 반경 R의 초반구 형상을 갖는 렌즈이다. 이와 같은 SIL(109)에서는 구심으로부터 광축에 따라 R/n만큼 하류측에 있는 점이 초점으로 되어 있고, 그 점을 포함하는 면이 시료 관찰면(190)으로 설정된다. 또, 시료 관찰에 있어서의 개구수 NA 및 배율은 함께 n2배가 된다. 이와 같은 구성에 있어서 SIL(109)의 상면 특성을 고려하면, 도 10에 나타내는 바와 같이 초점으로부터 멀어짐에 따라 상면이 상류측으로 쳐지는 도 9와는 역방향의 상면 만곡이 발생한다.
본원 발명자는, SIL를 사용한 시료 관찰에 있어서의 이와 같은 상면 만곡의 발생에 대해 상세히 검토한 결과, 상기한 구성에서 초점으로 되어 있는 구심과, 구심으로부터 광축에 따라 R/n만큼 하류측에 있는 점의 사이에서는, 배율이 n배와 n2배의 사이에서 변화하는 동시에, 그 상면 만곡도 도 9 및 도 10에 나타낸 역방향의 상면 만곡의 사이에서 변화해 나가는 것을 발견하였다. 본 발명에 의한 SIL를 사용한 시료 관찰 방법은, 이와 같은 지견(知見)에 의거하여, 이미징(imaging)에 적합한 구성 및 사용 조건으로 SIL를 사용하여 시료의 상의 관찰을 행하는 것이다.
도 11은 본 발명에 의한 시료 관찰 방법, 및 그것에 사용되는 고침 렌즈의 일 실시 형태의 구성 및 사용 조건에 대해 나타내는 도면이다. 본 시료 관찰 방법에 있어서는, 관찰 대상으로 되는 시료(102)에 대해, 시료(102)로부터의 광상(光像)을 확대하는 렌즈로서, 굴절률 nL의 재질에 의해 형성된 SIL(101)를 사용하고 있다. 이 SIL(101)는 축 Ax를 광축으로 하고, 점 C를 구심으로 한 곡률 반경 RL의 구면 형상의 광학면(110)을 렌즈면으로 하여 형성되어 있다.
이와 같은 SIL(101)를 사용한 시료 관찰에 있어서, 구면 형상의 렌즈면(110)의 구심 C로부터 광축 Ax에 따라 k×(RL/nL)만큼 하류측에 있는 점을 초점으로 한다. 그리고, 이 초점을 포함하며 광축 Ax에 대략 직교하는 면(120)을 시료 관찰면으로 하여, SIL(101)를 사용한 시료의 관찰을 행한다.
여기서, SIL(101)에 의한 초점 및 시료 관찰면(120)의 구심 C로부터 본 위치를 결정하는 상기한 계수 k는 0＜k＜1의 범위 내에서 설정되는 계수이다. 따라서, 이 초점의 위치는 구심 C와, 구심 C로부터 광축에 따라 RL/nL만큼 하류측에 있는 점 사이의 위치로 되어 있다. 특히, 이 계수 k는 SIL(101)에 의한 기하학적 수차 특성이 소정의 조건을 충족하도록 설정된다.
즉, 상술한 바와 같이, 구심 C와, 구심 C로부터 광축 Ax에 따라 RL/nL만큼 하류측에 있는 점의 사이에서는 배율 및 상면 만곡이 순차 변화해간다. 이와 같은 특성의 변화에 대해, SIL(101)에 의한 기하학적 수차 특성 및 그 변화 등을 평가하고, 그 평가 결과에 의거하여 적절한 계수 k의 설정, 및 그에 의한 초점의 선택을 행한다. 그리고, 그 계수 k에 의해 결정되는 점을 포함하는 면을 시료 관찰면(120)으로 하여 시료(102)의 상의 관찰을 행한다. 이 때, 상면 만곡을 작게 하고, 또한 수차의 열화(劣化)를 충분히 작게 억제한 조건에서 SIL(101)를 사용할 수 있다. 이것에 의해, 관찰에 사용 가능한 시야를 넓게 하고, SIL(101)를 사용하여 시료(102)의 상을 양호하게 관찰할 수 있게 된다.
또한, 도 11에 나타내는 예에서는 계수 k에 의해 정해지는 시료 관찰면(120)이, 시료(102) 측에 있는 SIL(101)의 평면 형상의 렌즈면과 일치하고 있다. 또, 이 때, SIL(101)의 정점으로부터 시료(102)측의 렌즈면까지의 거리, 즉 SIL(101)의 광축 Ax에 따른 두께는 dL＝RL＋k×(RL/nL)로 되어 있다.
이하, SIL(101)를 사용한 시료의 상의 관찰에 있어서의 수차 및 상면 특성의 평가 방법, 및 SIL(101)의 매우 적합한 구성, 사용 조건 등에 대해 도 12 및 도 13을 이용하여 구체적으로 설명한다. 도 12는 도 11에 나타낸 SIL에 의한 기하학적 수차 특성 및 색수차 특성을 평가하기 위해 사용되는 가상 광학계를 나타내는 도면이다. 또, 도 13은 도 12에 나타낸 가상 광학계를 사용하여 평가된 SIL의 특성을 나타내는 그래프이다.
여기서, 도 12에 있어서, n은 굴절률, s는 물체면으로부터 주평면(主平面)까지의 거리, h는 광선의 높이를 나타낸다. 또, 상부 첨부 바(bar)는, 주 광선에 관련되는 양(量)을 나타낸다. 다만, 명세서 중에 있어서는, 예를 들면 「h1」에 상부 첨부 바를 부여한 것을 「h- 1」 등과 같이 표기한다.
먼저, SIL에 의한 상면 특성을 평가하는 가상 광학계에 대해 설명한다. 여기서는, 도 12에 나타내는 바와 같이 SIL(101)의 재질로서 실리콘(Si)을 상정(想定)하고, 그 굴절률을 n3＝nL＝3.5로 한다. 또, 굴절률 n3의 SIL(101)의 내부 이외의 영역에 대해서는 굴절률을 n1＝n2＝1로 한다. 또, 구심 C를 중심으로 한 구면 형상으로 형성된 렌즈면(110)에 대해서는 그 곡률 반경을 r2＝RL＝1로 한다.
이와 같은 SIL(101)에 대해, 그 수차 및 상면 특성을 평가하기 위하여, SIL(101)의 후방측 초점면을 동면으로 한 가상 광학계를 도입한다. 구체적으로는, 도 12에 나타내는 바와 같이 무수차의 가상 대물렌즈(103)를 도입하고, SIL(101)의 후방측 초점 F에 배치한다. SIL(101)의 렌즈면(110)의 면 정상과, 후방측 초점 F 사이의 거리 s1은 s1＝r2/(n3-n2)에 의해 구해지며, n3＝3.5의 상기한 예에서는 s1＝0.4×RL＝0.4로 된다.
또, 이 무수차의 가상 대물렌즈(103)의 초점 거리를 fi로 하고, 전방측 초점 위치를 F'으로 한다. SIL(1)의 두께 s2'는, 가상 대물렌즈(103)로부터 u1＝0, h1으로 나온 광이, 렌즈면(110)에 의해 맺혀지는 초점 위치로부터 렌즈면(110)의 면 정상까지의 거리로 한다. 이와 같은 가상 대물렌즈(103)를 도입한 가상 광학계를 사용하여 SIL(101)의 평가를 행함으로써, 광학계 전체의 입사동(入射瞳)은, 렌즈면(110)으로부터 s1＝0.4×RL만큼 떨어진 위치에 있는 가상 대물렌즈(103) 상에 설정된다. 또, 이와 같이 입사동 등을 설정함으로써, SIL(101)의 내부에서 텔레센트릭으로 되며, 레이저 스캔에 의한 반사광 관찰과 같은 실제의 관찰계에 의거한 형태로 할 수 있다. 이것에 의해, SIL(101)에 의한 수차 및 상면 특성을 적절히 평가할 수 있다.
도 12에는 상기한 SIL(101) 및 가상 대물렌즈(103)에 의한 광학계의 구성과 합쳐서, 2개의 광선(l1, l2)을 도시하고 있다. 이들 중 광선(l1)은, 광축 Ax와 이루는 각이 u1＝0, 광선의 높이가 가상 대물렌즈(103)에 있어서 h1, SIL(101)의 렌즈면(110)에 있어서 h2이며, 가상 대물렌즈(103)보다 상류측에서 광축 Ax에 평행한 광선으로 되어 있다. 또, 이 광선(l1)은 시료 관찰면(120)에 상당하는 면(S')에 있어서 광축 Ax 상의 점을 통과하고 있다. 또, 광선(l1)에 대해 점선으로 나타낸 SIL(101)가 없는 경우의 광선은, 가상 대물렌즈(103)에 의한 초점면(S)에 있어서 광축 Ax 상의 점 F'를 통과하고 있다.
또, 광선(l2)은 광축 Ax와 이루는 각이 u- 1, 광선의 높이가 가상 대물렌즈(103)에 있어서 h- 1＝0, SIL(1)의 렌즈면(110)에 있어서 h- 2로서, 렌즈면(110)보다 하류측에서 광축 Ax에 평행한 광선으로 되어 있다. 또, 이 광선(l2)은 가상 대물렌즈(103)에 있어서 광축 Ax 상의 점 F를 통과하며, 시료 관찰면(S')에 있어서 광축 Ax와의 거리가 Y'로 되어 있다. 또, 광선(l2)에 대해 점선으로 나타낸 SIL(101)가 없는 경우의 광선은, 초점면(S)에 대해 광축 Ax와의 거리가 Y로 되어 있다.
또, SIL(101)의 렌즈면(110)의 면 정상으로부터 초점면(S)까지의 거리를 s2, 시료 관찰면(S')까지의 거리, 즉 SIL(101)의 두께를 s2'＝dL로 한다. 이상의 구성 및 조건을 갖는 도 12의 가상 광학계에 있어서, SIL(101)의 구면 수차 계수 I, 코마 수차 계수 Ⅱ, 비점수차 계수 Ⅲ, 페츠발(Petzval) 합 P, 구결적 상면의 만곡 Ⅲ＋P, 및 자오적 상면의 만곡 3Ⅲ＋P의 각 수차 계수를 SIL(101)의 두께 dL로 나타내면, 각각 이하의 식(1)∼(6)과 같이 구해진다.
여기서, Q2는 압베(Abbe)의 불변량이다. 또, Q2 및 J2는 이하의 식으로 표시된다.
또, 페츠발 상면, 구결적 상면, 및 자오적 상면의 곡률(실치수)은 각각 이하와 같이 된다.
도 13에, 상기의 식에 의해 각각 구한 구면 수차 계수 I, 코마 수차 계수 Ⅱ, 비점수차 계수 Ⅲ, 구결적 상면의 만곡 Ⅲ＋P, 및 자오적 상면의 만곡 3Ⅲ＋P의 각 수차 계수와, 구결적 상면 및 자오적 상면의 평균 상면의 그래프를 나타낸다. 이 그래프에 있어서, 가로축은 SIL의 두께 s2'＝dL을 나타내고, 세로축은 각 수차 계수의 값을 나타내고 있다. 또, 이 가로축에 나타내는 두께 dL과 도 11에 나타낸 계수 k는, 도 12에 있어서 RL＝1로 하고 있는 것에 의해, k＝nL×(dL-1)＝3.5×(dL-1)의 관계를 가지고 있다.
도 13에 나타내는 각 그래프로부터, 구심을 포함하는 면을 시료 관찰면으로 한 경우(도 9 참조)에 대응하는 dL＝RL＝1의 점, 및 구심으로부터 광축에 따라 RL/nL만큼 하류측에 있는 점을 포함하는 면을 시료 관찰면으로 한 경우(도 10 참조)에 대응하는 dL＝RL＋RL/nL＝1.286의 점에서는, 각각 구면 수차 계수 I 및 코마 수차 계수 Ⅱ가 함께 영(zero)으로 되어 있고, 아프라나틱 조건을 충족하고 있다. 그렇지만, 이들 점에서는 상기한 바와 같이 상면 만곡이 생기고 있다. 또한, dL＝1의 점에서는, 구결적 상면의 만곡 Ⅲ＋P도 영으로 되어 있다. 또, dL＝1.286의 점에서는 비점수차 계수 Ⅲ도 영으로 되어 있다.
이에 대해, 구결적 상면 및 자오적 상면의 평균 상면에 대해 보면, dL＝RL＋k(RL/nL)＝1.163×RL＝1.163의 점에 있어서, 상면이 플랫으로 되어 있는 것을 알 수 있다. 즉, 상면이 플랫하고 시야가 넓게 잡히는 조건인, 평균 상면이 광축에 수직인 평면으로 되는 조건을 충족하기 위해서는, 상면의 만곡이 Ⅲ＋P＝-(3Ⅲ＋P)로 되면 된다. 이 조건으로부터, 상기한 각 식에 의해 dL＝1.163을 얻을 수 있다. 또, 이 때, 시료 관찰면에 대해 설정되는 계수 k는 약 0.6(k＝0.57)으로 구해진다. 이와 같이 구해진 계수 k를 적용한 구성 및 사용 조건으로 SIL(101)를 사용하여 시료 관찰을 행함으로써, 넓은 시야로 양호한 시료의 상을 취득할 수 있게 된다.
또한, SIL의 외측에서 텔레센트릭으로 되는 통상의 입사동 위치의 조건으로 계산을 행한 경우, 평균 상면이 플랫으로 되는 것은 SIL의 두께가 1.274×RL의 점이 되며, 상기한 결과와는 전혀 다른 계산 결과로 되어 있다.
본 발명에 의한 고침 렌즈, 및 이를 사용한 시료 관찰 방법은, 상기한 실시 형태에 한정되는 것이 아니라, 여러 가지 변형이 가능하다. 예를 들면, 상기한 예에서는 SIL의 재질의 예로서 실리콘을 들고 있으나, 실리콘 이외에도, 적용하는 시료의 재질이나 관찰 조건 등에 따라 여러 가지 재질을 사용해도 된다.
또, 상기한 예에서는 SIL의 굴절률을 3.5＝일정(一定)으로 하고 있다. 이것은, 단일 파장에서의 시료 관찰의 경우, 또는 파장에 의한 굴절률 변화를 무시할 수 있는 경우에 대응하고 있다. 따라, 상기와 같이 k를 0.6 근방으로 하는 조건은, 단일 파장의 광에 의해 시료에 대하여 관찰, 검사 등을 행하는 경우에 유효하다.
이에 대해, 예를 들면 750㎚∼1050㎚의 파장 폭으로 관찰을 행하는 경우 등, 관찰의 파장 폭이 넓은 발광 관찰 등에 있어서는, 실리콘으로 이루어지는 SIL에서는 k를 0.3 정도로 함으로써, 색수차와 그 외의 수차가 밸런스를 이룬다. 이와 같이, 필요가 있으면 관찰을 행하는 파장 폭을 고려하여 상면 특성의 평가 및 계수 k의 설정 등을 행하는 것이 바람직하다.
또, 계수 k에 대해서는, 상기한 예에서는 평균 상면이 플랫으로 되는 점에 의해 계수 k를 설정하고 있다. 이것에 의해, SIL에 의한 시료 관찰면에서의 상면 특성을 양호하게 설정할 수 있다. 다만, 이 계수 k의 설정에 대해서는 평균 상면이 플랫으로 되는 점의 근방에서 소정의 조건 범위 내에 있는 점에 의해 설정하는 방법을 이용해도 된다. 혹은, 평균 상면이 아니고, 구결적 상면, 또는 자오적 상면이 플랫으로 되는 점에 의해 계수 k를 설정해도 된다.
또, 시료에 대한 SIL의 설치 방법에 대해서는, 도 11에서는 시료(102)의 표면이 시료 관찰면(120)으로 되어 있는 구성을 나타내었으나, 이와 같은 구성에 한정되지 않는다. 도 14는 본 발명에 의한 시료 관찰 방법에서 사용되는 고침 렌즈의 구성 및 사용 조건의 다른 예에 대해 나타내는 도면이다. 이 예에서는, 시료인 실리콘 기판(102)에 대해, 동일하게 실리콘으로 이루어지는 SIL(101)를 적용하는 동시에, 기판(10)2의 이면이 시료 관찰면(120)으로 되어 있다.
이와 같은 구성에서는, 실리콘 기판(102)의 소정 부분이 SIL(101)의 하류측 부분으로서 기능함으로써, 표면을 시료 관찰면(120)으로 하는 경우와 동일하게 시료의 상을 관찰할 수 있다. 이와 같은 관찰 방법은, 예를 들면 반도체 디바이스를 이면 관찰에 의해 검사하는 것과 같은 경우에 적용할 수 있다.
본 발명에 의한 고침 렌즈, 및 이를 사용한 시료 관찰 방법에 대하여 상세히 설명한다.
도 15는 본 발명에 의한 고침 렌즈 및 시료 관찰 방법의 다른 실시 형태를 나타내는 도면이다. 본 시료 관찰 방법에 있어서는, 관찰 대상으로 되는 시료(107)(예를 들면, 반도체 디바이스)에 대해 시료(107)로부터의 광상을 확대하는 렌즈로서, 굴절률 nL의 재질에 의해 형성된 SIL(106)를 사용하고 있다. 이 SIL(106)는 축 Ax를 광축으로 하고, 점 C를 구심으로 한 곡률 반경 RL의 구면 형상의 광학면(160)을 렌즈면으로 하여 형성되어 있다. 또한, 본 실시 형태에 있어서도, 계수 k의 설정에 대해서는 도 11의 실시 형태와 같다.
도 15에서는, 시료(107)에 있어서, 그 SIL(106)과는 반대측의 면이 관찰면(171)(예를 들면, 반도체 디바이스의 디바이스면)으로 되어 있다. 또, 이 시료(107)에 대해, SIL(106)는 그 시료(107)측에서 평면 형상의 렌즈면이 시료(107)의 이면(172)에 밀착하도록 배치되어 있다. 여기서, 시료(107)의 굴절률을 nS, 시료(107)의 두께를 tS로 한다. 이 두께 tS는 이면(172)으로부터 SIL(106)에 의한 현실의 관찰면인 관찰면(171)까지의 광축 Ax에 따른 시료(107)의 두께이다.
이와 같은 구성에 있어서, 시료(107)의 관찰면(171)에 초점을 맞추기 위해, SIL(106)의 광축 Ax에 따른 두께는 dL＜RL＋k×(RL/nL)로 되어 있다. 또, 도 11에 관하여 상술한, 렌즈면(160)의 구심 C로부터 광축 Ax에 따라 k×(RL/nL)만큼 하류측에 있는 점을 포함하며 광축 Ax에 대략 직교하는 시료 관찰면(170)(0＜k＜1)은, 시료(107)의 굴절률이 SIL(106)의 굴절률 nL과 동일하다고 했을 때의 가상의 관찰면(SIL(106)의 렌즈 형상으로부터 구해지는 외관상의 관찰면)으로 되어 있다.
여기서, SIL(106)의 정점으로부터 가상의 관찰면(170)까지의 광축 Ax에 따른 거리를, 도 15에 나타내는 바와 같이 L＝RL＋k×(RL/nL)로 한다. 이 거리 L은 SIL(106)의 렌즈면(160)의 형상으로부터 구한 초점거리에 대응한다. 또, 이 때, SIL(106)의 두께는 dL＝L-tS×(nL/nS)를 충족하도록 설정되어 있다. 또한, 도 15중에서는, SIL(106) 및 시료(107)를 통과하여 현실의 관찰면(171)에 집속하는 광로(光路)를 실선에 의해 나타내고 있다. 또, 시료(107)의 굴절률이 SIL(106)와 동일하다고 가정한 경우에 가상의 관찰면(170)에 집속하는 광로를 점선에 의해 나타내고 있다.
본 실시 형태에 의한 두께를 dL＝L-tS×(nL/nS)로 한 SIL(106), 및 이를 사용한 시료 관찰 방법에 있어서는, SIL(106)에 의한 기하학적 수차 특성을 평가함으로써 설정된 계수 k를 사용하는 동시에, 관찰 대상으로 되는 시료(107)의 굴절률 nS 및 두께 tS를 고려하여 SIL(106)의 렌즈 형상을 설정하고 있다. 이것에 의해, 상기한 바와 같이 관찰에 사용 가능한 시야를 넓게 하면서, 또한 시료(107)에 있어서의 원하는 관찰 부위를 양호하게 관찰할 수 있게 된다. 여기서, 계수 k의 선택에 대해서는 도 11에 나타낸 실시 형태와 같다. 또, 두께 tS에 대해서는, 도 15에서는 시료(107)의 SIL(106)과는 반대측의 면이 관찰면(171)으로 되어 있기 때문에, 시료(107)의 두께 tS가 그대로 사용되고 있으나, 관찰면이 시료(107)의 내부에 설정된 경우에는 그 관찰면까지의 시료의 두께를 tS로 하면 된다.
도 16은 시료의 두께와 SIL의 두께의 상관의 일례를 나타내는 그래프이다. 이 그래프에 있어서, 가로축은 시료(107)의 두께 tS(㎜)를 나타내고, 세로축은 SIL(106)의 두께 dL(㎜)를 나타내고 있다. 이 그래프에서는, SIL(106)의 굴절률을 nL＝3.1(재질 GaP), 시료(107)의 굴절률을 nS＝3.5(재질 Si), SIL(106)의 곡률 반경을 RL＝0.5㎜로 하고 있다. 또, 그래프 A1은 계수 k＝0.80, A2는 k＝0.60, A3은 k＝0.40, A4는 k＝0.20으로 했을 때의 상관(相關)을 나타내고 있다. SIL(106)의 두께 dL은, 각각의 재질이나 계수 k의 값 등에 따라 도 16의 그래프에 나타내는 예와 같이 설정된다.
다음에, 상기한 고침 렌즈 및 시료 관찰 방법에 있어서의 계수 k의 설정에 대해 검토한다. 일반적으로, 관찰의 시야를 넓게 취하고 싶거나 한 경우, 계수 k는 상기한 k＝0.6의 예와 같이, 0.5＜k＜0.7의 범위 내의 값인 것이 바람직하다. 이 때, 고침 렌즈에 의한 상면 특성이 실질적으로 플랫으로 되는 조건에서의 관찰이 가능해진다. 예를 들면, 단색 레이저로부터의 레이저 광을 사용한 관찰의 경우에는, 색수차의 문제가 없고, 시야를 넓게 하도록 계수 k를 설정할 수 있다.
한편, 고침 렌즈에서의 구면 수차나 색수차를 고려해야 하는 경우, 계수 k는 상기한 k＝0.3의 예와 같이 0＜k≤0.5의 범위 내의 값인 것이 바람직하다. 이 때, 고침 렌즈에 의한 구면 수차, 색수차가 실질적으로 저감된 조건에서의 관찰이 가능해진다. 이와 같은 계수 k의 매우 적합한 범위에 대해서는, 도 11에 나타낸 구성, 및 도 15에 나타낸 구성의 어느 것에 있어서도 동일하다.
여기서, 도 17a 및 도 17b는, 계수 k가 작은 경우의 광의 집속(도 17a), 및 계수 k가 큰 경우의 광의 집속(도 17b)에 대해 나타내는 측면도이다. 이들 도 17a 및 도 17b에 나타내는 바와 같이, 계수 k를 작게 설정한 경우, 예를 들면 상기한 0＜k≤0.5의 범위 내에서 k를 설정한 경우에는, 계수 k가 큰 경우에 비해 SIL로부터 본 광의 광로가 넓게 지게 된다. 이와 같은 경우에는, SIL에 편성되는 대물렌즈로서 개구수 NA가 큰 것을 선택하는 것이 바람직하다.
도 18은 SIL에서의 계수 k의 값과 대물렌즈에서 필요로 되는 개구수 NA와의 상관의 일례를 나타내는 그래프이다. 이 그래프에 있어서, 가로축은 SIL에서 설정된 계수 k를 나타내고, 세로축은 대물렌즈의 개구수 NA를 나타내고 있다. 이 그래프에서는, SIL의 굴절률을 nL＝3.5(재질 Si)로 하고 있다. 또, 그래프 B1은 SIL에서의 광축 상의 도달 NA를 3.0으로 했을 때의 대물렌즈의 필요 NA, B2는 SIL에서의 광축 상의 도달 NA를 2.5로 했을 때의 대물렌즈의 필요 NA를 나타내고 있다. 또, 이 그래프에서는, 계수 k의 값에 대응하는 SIL에서의 배율을, 그래프 B6에 의해 합쳐서 나타내고 있다.
이들 그래프 B1, B2에 나타내는 바와 같이, SIL에서의 도달 NA를 크게 하면 대물렌즈의 필요 NA도 그에 따라 커진다. 또, SIL에서의 도달 NA를 일정으로 한 경우에는, 도 17a 및 도 17b에 관하여 상술한 바와 같이, 계수 k의 값이 작아지면 대물렌즈에서 필요로 되는 NA가 커진다. 따라서, SIL에서의 계수 k의 값을 설정할 때에는, 대물렌즈와의 편성에 대해서도 고려할 필요가 있다.
또, 도 19는 SIL＋시료의 두께와 SIL에서의 광축 상의 도달 NA의 상관의 일례를 나타내는 그래프이다. 이 그래프에 있어서, 횡축은 SIL＋시료(Si 기판)의 SIL의 정점으로부터의 두께(㎜)를 나타내고, 세로축은 SIL로의 광축상의 도달 NA를 나타내고 있다. 이 그래프에서는, SIL의 곡률 반경을 RL＝0.5㎜, 대물렌즈의 NA를 0.76으로 하고 있다. 또, 그래프 C1은 SIL의 재질을 Si로 했을 때의 도달 NA, C2는 SIL의 재질을 GaP로 했을 때의 도달 NA를 나타내고 있다. 이와 같이, 대물렌즈의 NA를 일정하게 한 경우, SIL＋시료의 두께가 커짐에 따라 도달 NA가 커진다.
실제로는, SIL 및 대물렌즈의 NA는 구체적인 구성에 따라 적절히 선택하면 되지만, 예를 들면 SIL의 도달 NA는 2.5∼3.0 정도, 대물렌즈의 NA는 0.76 정도이다. 또, 대물렌즈로서는 통상의 대물렌즈를 사용할 수 있으며, 그 배율은 예를 들면 50배 정도이다.
또, 색수차가 저감되도록, 상기한 0＜k≤0.5의 범위 내에서 k를 설정한 경우, 그 기하학적 수차 특성에 대해서는 대물렌즈측에서 보정 가능한 구성으로 하는 것이 바람직하다. 이와 같은 대물렌즈로서는, 도 20의 측면 단면도에 나타내는 구성의 대물렌즈가 있다. 이 대물렌즈(105)는, 그 렌즈 그룹이 광축에 따라 배치된 제 1 렌즈 그룹(151) 및 제 2 렌즈 그룹(152)의 2개의 렌즈 그룹에 의해 구성되어 있다. 또, 이들 렌즈 그룹(151, 152)의 간격 u는, 대물렌즈(105)의 외주부에 설치되는 보정환(補正環)((도시하고 있지 않음)을 회전시킴으로써 변화시킬 수 있게 되어 있다. 이와 같은 구성의 대물렌즈(105)를 사용함으로써, 대물렌즈(105)측에서 기하학적 수차 특성(예를 들면, 구면 수차)을 보정할 수 있다.
또한, 이와 같이 보정환 부착의 대물렌즈를 SIL과 편성하여 사용하는 경우에는, SIL에서의 구면 수차가 대물렌즈에서의 보정환에 의해 보정 가능한 범위로 계수 k를 설정하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 도 20의 구성의 대물렌즈에서는, SIL의 굴절률을 nL＝3.1, 곡률 반경을 RL＝0.5㎜, 시료의 굴절률을 nS＝3.5로 했을 때, 시료의 두께가 tS＝0.03㎜정도이면 0＜k＜0.4 정도, tS＝0.15㎜정도이면 0＜k＜0.2 정도의 조건으로, 보정환에 의한 구면 수차의 보정이 가능하다.
또, 0.7≤k＜1의 범위 내에서 계수 k를 설정해도 된다. 이 경우, 낮은 NA의 대물렌즈와 편성할 수 있다. 다만, 통상의 대물렌즈에서는 큰 색수차가 발생하기 때문에, 단색 레이저 광 이외의 용도에서는 전용으로 설계된 대물렌즈를 사용할 필요가 있다.
본 발명에 의한 고침 렌즈, 및 현미경은 위치 제어가 용이하고, 또한 NA가 높은 광속을 통과하게 할 수 있으며, 나아가서는 관찰 대상물 및 자신을 파손할 우려가 없는 고침 렌즈, 및 이를 사용한 현미경으로서 이용 가능하다.
또, 고침 렌즈에 의한 기하학적 수차 특성을 평가하여 소정의 조건을 충족하도록 계수 k(0＜k＜1)를 설정하고, 고침 렌즈의 구면 형상의 광학면의 구심으로부터 광축에 따라 k×(RL/nL)만큼 하류측에 있는 점을 포함하며 광축에 대략 직교하는 면을 시료 관찰면으로 하는 고침 렌즈 및 관찰 방법으로 한 경우에는, 관찰에 사용 가능한 시야를 넓게 하여, 고침 렌즈를 사용하여 시료의 상을 양호하게 관찰할 수 있게 된다. 또, 시료의 굴절률 nS 및 두께 tS를 고려하여 렌즈 형상을 설정한 경우, 시료에 있어서의 원하는 관찰 부위를 양호하게 관찰할 수 있게 된다.

Claims (10)

  1. 관찰 대상물에 설치되며, 상기 관찰 대상물의 관찰에 사용되는 고침(固浸) 렌즈로서,
    상기 관찰 대상물에 대한 설치면이, 토로이달(toroidal) 형상으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 고침 렌즈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 관찰 대상물에 있어서의 피설치면을 X-Y 평면으로 설정했을 때에, 상기 토로이달 형상에 있어서의 X방향의 곡률 반경과, 상기 X방향의 곡률 반경보다 큰 Y방향의 곡률 반경의 비율이 1：3∼1：∞로 되어 있는 고침 렌즈.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 관찰 대상물에 대한 설치면이 원통 형상으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 고침 렌즈.
  4. 제1항 내지 제3항 어느 한 항에 있어서,
    상기 관찰 대상물에 대한 설치면이 친수(親水) 처리되어 있는 것을 특징으로 하는 고침 렌즈.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    굴절률 nL의 재질에 의해 곡률 반경 RL의 구면 형상의 광학면을 가지고 형성되며, 상기 관찰 대상물의 굴절률이 굴절률 nL과 동일하다고 했을 때의 가상의 관찰면까지의 정점(頂點)으로부터의 광축에 따른 거리가, 기하학적 수차 특성이 소정의 조건을 충족하도록 설정된 계수 k(0＜k＜1)에 의해, L＝RL＋k×(RL/nL)로 되는 동시에,
    상기 관찰 대상물의 굴절률을 nS, 현실의 관찰면까지의 상기 관찰 대상물의 두께를 tS로 했을 때에, 상기 광축에 따른 두께가 dL＝L-tS×(nL/nS)를 충족하는 것을 특징으로 하는 고침 렌즈.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 현실의 관찰면까지의 상기 관찰 대상물의 두께는 tS＝0이며, 상기 광축에 따른 두께가 dL＝L＝RL＋k×(RL/nL)인 것을 특징으로 하는 고침 렌즈.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 계수 k는 0.5＜k＜0.7의 범위 내의 값인 것을 특징으로 하는 고침 렌즈.
  8. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 계수 k는 0＜k≤0.5의 범위 내의 값인 것을 특징으로 하는 고침 렌즈.
  9. 관찰 대상물을 관찰하기 위한 현미경으로서,
    상기 관찰 대상물로부터의 광이 입사하는 대물렌즈를 포함하며, 상기 관찰 대상물의 화상을 안내하는 광학계와,
    제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 기재된 고침 렌즈를
    구비하는 것을 특징으로 하는 현미경.
  10. 제9항에 있어서,
    광학 결합 재료를 공급하기 위한 광학 결합 재료 공급 장치를 또한 구비하는 것을 특징으로 하는 현미경.
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