KR20050112106A - 고침렌즈 및 이를 이용한 시료 관찰 방법 - Google Patents

고침렌즈 및 이를 이용한 시료 관찰 방법 Download PDF

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Abstract

굴절률 nL의 재질에 의하여 곡률 반경 RL의 구면상의 렌즈면(10)을 가지고 형성된 고침렌즈(1; SIL)를 이용하여 시료(2)의 상을 관찰한다. 이 시료 관찰에 있어서, SIL(1)에 의한 기하학적 수차 특성을 소정의 광학계를 이용하여 평가한다. 그리고 그 평균 상면이 플랫하게 되는 조건이나, 색수차 특성이 양호하게 되는 조건을 만족하도록 설정된 계수 k(0＜k＜1)에 의하여, 렌즈면(10)의 구심(C)으로부터 광축(Ax)에 따라서 k×(RL／nL)만큼 하류 측에 있는 점을 포함하여 광축(Ax)에 직교하는 면을 시료 관찰면(20)으로 하고, SIL(1)을 이용한 시료의 관찰을 실시한다. 이것에 의해, 고침렌즈를 이용하여 시료의 상을 양호하게 관찰하는 것이 가능한 시료 관찰 방법 및 고침렌즈가 실현된다.

Description

고침렌즈 및 이를 이용한 시료 관찰 방법{SOLID IMMERSION LENS, AND SAMPLE OBSERVING METHOD USING IT}
본 발명은 고침렌즈를 이용하여 시료를 관찰하는 관찰방법 및 고침렌즈에 관한 것이다.
관찰 대상이 되는 시료로부터의 광상(光像)을 확대하는 렌즈로서, 고침렌즈(SIL：Solid Immersion Lens)가 알려져 있다. SIL은, 반구 형상 또는 와이에르스트라스구(Weierstrass 球)로 불리는 초반구(超半球) 형상의 렌즈이다. 이 SIL을 시료의 표면에 밀착시켜 설치하면, 시료 관찰에 있어서 개구수 NA 및 배율을 함께 확대할 수 있어, 높은 공간 분해능(分解能)에서의 관찰이 가능하게 된다(특공평 7－18806호 공보 및 특개 2002－189000호 공보 참조).
도 1은 종래의 고침렌즈의 구성 및 사용 조건의 일례를 나타내는 도면이다.
도 2는 종래의 고침렌즈의 구성 및 사용 조건의 다른 예를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 의한 시료 관찰 방법에 이용되는 고침렌즈의 구성 및 사용 조건에 대하여 나타내는 도면이다.
도 4는 도 3에 나타낸 고침렌즈에 의한 기하학적 수차 특성 및 색수차 특성을 평가하기 위해서 이용되는 가상 광학계를 나타내는 도면이다.
도 5는 도 4에 나타낸 가상 광학계를 이용하여 평가된 고침렌즈의 특성을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명에 의한 시료 관찰 방법에 이용되는 고침렌즈의 구성 및 사용 조건의 다른 예에 대해 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명에 의한 고침렌즈 및 시료 관찰 방법의 다른 실시 형태를 나타내는 도면이다.
도 8은 시료의 두께와 SIL의 두께의 상관(相關)의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 9a 및 도 9b는, 계수 k가 작은 경우의 빛의 집속 및 계수 k가 큰 경우의 빛의 집속에 대하여 나타내는 측면도이다.
도 10은 SIL에서의 계수 k의 값과 대물렌즈에서 필요하게 되는 개구수 NA와의 상관의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 11은 SIL＋시료의 두께와 SIL에서의 광축상의 도달 NA와의 상관의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 12는 대물렌즈의 구성을 나타내는 측면 단면도이다.
SIL에서는, 상기한 반구 형상 또는 초반구 형상의 구성 및 그에 대응하여 설정되는 시료 관찰면에 있어서, 구면수차(球面收差) 및 코마(Coma)수차를 일으키지 않는 아프라나틱한 결상(結像)을 얻을 수 있는 것이 알려져 있다. 그렇지만, 이와 같은 SIL의 구성 및 사용 조건에서는, 수차가 없어지는 위치는 모두 1점뿐이고, 따라서 SIL의 용도는 광 픽업 등에 한정되어 있다.
즉, 상기한 SIL로 이용되고 있는 시료 관찰면에서는, 넓은 범위에서 시료를 관찰하려고 하면, 상면(像面) 특성이 좋지 않다. 이 때문에, SIL을 이용하여 시료의 상을 관찰하려고 하면, 얻을 수 있는 상에서는 그 주변부에서 중앙부에 비해 분해능이 낮아지거나, 상면 만곡(曲)의 영향으로 주변 혹은 중심 부근이 안보이게 되기도 하는 등, 관찰에 사용 가능한 시야가 제한되어 버리는 등의 문제가 있었다.
본 발명은, 이상의 문제점을 해결하기 위해서 이루어진 것이며, 고침렌즈를 이용하여 시료의 상을 양호하게 관찰하는 것이 가능한 시료 관찰 방법 및 고침렌즈를 제공하는 것을 목적으로 한다.
이와 같은 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 의한 고침렌즈를 이용한 시료 관찰 방법은, 굴절률 nL의 재질에 의해 곡률 반경 RL의 구면상의 광학면을 가지고 형성된 고침렌즈를 이용하며, 고침렌즈에 의한 기하학적 수차 특성이 소정의 조건을 만족하도록 설정된 계수 k(0＜k＜1)에 의하여, 광학면의 구심으로부터 광축(光軸)을 따라서 k×(RL／nL)만큼 하류측에 있는 점을 포함하여 광축에 대략 직교하는 면을 시료 관찰면으로 하여, 고침렌즈를 이용한 시료의 관찰을 실시하는 것을 특징으로 한다.
상기한 시료 관찰 방법에 있어서는, 구심을 포함한 면을 시료 관찰면으로 하는 반구 형상에 대응한 구성, 혹은 구심으로부터 광축에 따라서 RL／nL만큼 하류측에 있는 점을 포함하는 면을 시료 관찰면으로 하는 초반구 형상에 대응한 구성을 이용하지 않고, 고침렌즈에 의한 기하학적 수차 특성을 평가하는 것에 의해서 계수 k를 설정한다. 그리고 그 계수 k에 의해 결정할 수 있는 점을 포함한 면을 시료 관찰면으로 하여, 시료의 관찰을 행하고 있다. 이것에 의해, 관찰에 사용 가능한 시야를 넓게 하고, 고침렌즈를 이용하여 시료의 상을 양호하게 관찰하는 것이 가능하게 된다.
여기서, 고침렌즈에 의한 기하학적 수차 특성의 평가에 대해서는, 고침렌즈의 뒤측 초점면을 동면(瞳面)으로 한 가상(假像) 광학계를 이용하여 기하학적 수차 특성을 평가해, 그 평가 결과에 근거하여 계수 k를 설정하는 것이 바람직하다. 이로 인해, 동면을 고침렌즈의 뒤측 초점면으로 하는 것에서 물측 텔레센트릭(tele-centric)으로 할 수 있고, 레이저 스캔 등에서의 반사광 관찰의 실제에 준한 형태로 할 수 있다. 실제의 현미경에 조합하여 사용하는 경우에는, 현미경 대물렌즈의 동(瞳) 위치는 동으로서의 기능은 없어져, 고침렌즈를 포함한 광학계의 동은, 고침렌즈의 뒤측 초점 위치가 되어 버리는 것을 알 수 있었다.
또 고침렌즈에 의한 기하학적 수차 특성을, 구결적상면(球缺的像面), 자오적상면(子午的像面) 또는 구결적상면 및 자오적상면의 평균상면에 의해 평가하여, 그 평가 결과에 근거하여 계수 k를 설정하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 고침렌즈에 의한 시료 관찰면에서의 기하학적 수차 특성을 양호하게 설정할 수 있다.
또 상기 시료 관찰 방법에 있어서는, 고침렌즈가, 광축에 따른 두께가 dL=RL＋k×(RL／nL)이며, 시료 관찰면은 시료측의 고침렌즈의 렌즈면과 일치하고 있는 것으로 해도 좋다. 혹은, 고침렌즈가, 광축에 따른 두께가 dL＜RL＋k×(RL／nL)이며, 시료 관찰면은 시료의 굴절률이 고침렌즈의 굴절률 nL과 동일하다고 했을 때의 가상의 관찰면인 것과 동시에, 시료의 굴절률을 nS, 현실의 관찰면까지의 시료의 두께를 tS로 했을 때에, 고침렌즈의 두께는, 정점(頂点)에서 가상의 관찰면까지의 광축에 따른 거리 L=RL＋k×(RL／nL)에 대하여, dL=L－tS×(nL／nS)를 만족하는 것으로 해도 좋다.
또, 본 발명에 의한 고침렌즈는, 굴절률 nL의 재질에 의해 곡률 반경 RL의 구면상의 광학면을 가지고 형성되고, 관찰 대상이 되는 시료의 굴절률이 고침렌즈의 굴절률 nL과 동일하다고 했을 때의 가상의 관찰면까지의 정점으로부터 광축에 따른 거리가, 기하학적 수차 특성이 소정의 조건을 만족하도록 설정된 계수 k(0＜k＜1)에 의하여, L=RL＋k×(RL／nL)로 됨과 동시에, 시료의 굴절률을 nS, 현실의 관찰면까지의 시료의 두께를 tS로 했을 때에, 광축에 따른 두께가 dL=L－tS×(nL／nS)를 만족하는 것을 특징으로 한다.
상기한 고침렌즈에 있어서는, 고침렌즈에 의한 기하학적 수차 특성을 평가하는 것에 의해 설정된 계수 k를 이용함과 동시에, 관찰 대상이 되는 기판 등의 시료의 굴절률 nS 및 두께 tS를 고려하여 렌즈 형상을 설정하고 있다. 이에 의해, 상기한 바와 같이 관찰에 사용 가능한 시야를 넓게 하면서, 시료에 있어서의 소망한 관찰 부위를 양호하게 관찰하는 것이 가능하게 된다.
상술한 시료 관찰 방법 및 고침렌즈에서, 계수 k는 0.5＜k＜0.7의 범위 내의 값인 것이 바람직하다. 이 때, 고침렌즈에 의한 상면 특성이 실질적으로 플랫(flat)이 되는 조건으로의 관찰이 가능하게 된다.
혹은, 계수 k는 0＜k≤0.5의 범위 내의 값인 것이 바람직하다. 이 때, 고침렌즈에 의한 색수차, 구면수차가 실질적으로 저감된 조건에서의 관찰이 가능하게 된다.
이하 도면과 함께 본 발명에 의한 고침렌즈 및 그것을 이용한 시료 관찰 방법의 바람직한 실시 형태에 대해 상세하게 설명한다. 또한 도면의 설명에 있어서 동일 요소에는 동일 부호를 부여하고, 중복하는 설명을 생략 한다. 또, 도면의 치수비율은 설명의 비율과 반드시 일치하고 있지는 않다.
우선, 본 발명에 의한 고침렌즈(SIL)를 이용한 시료 관찰 방법의 개략에 대하여, 종래 이용되고 있는 SIL의 구성 및 사용 조건과 함께 설명한다.
도 1은 종래의 SIL의 구성 및 사용 조건의 일례를 나타내는 도면이다. 도 1에 나타내는 SIL(8)은 굴절률 n, 곡률 반경 R의 반구 형상을 갖는 렌즈이다. 이와 같은 SIL(8)에서는 구심(球審)이 초점이 되고 있고, 그 구심을 포함하는 면이 시료 관찰면(80)으로 설정된다. 또 시료 관찰에 있어서의 개구수 NA 및 배율은 함께 n배가 된다. 이와 같은 구성에 있어서 SIL(8)의 상면 특성을 생각하면, 도 1에 나타나듯이 초점에서 멀어짐에 따라 상면이 하류 측으로 벗어나는 상면 만곡이 생긴다.
도 2는 종래의 SIL의 구성 및 사용 조건의 다른 예를 나타내는 도면이다. 도 2에 나타내는 SIL(9)은 굴절률 n, 곡률 반경 R의 초반구(超半球) 형상을 갖는 렌즈이다. 이와 같은 SIL(9)에서는 구심에서 광축에 따라서 R／n만큼 하류 측에 있는 점이 초점이 되고 있고, 그 점을 포함하는 면이 시료 관찰면(90)으로 설정된다. 또 시료 관찰에 있어서의 개구수 NA 및 배율은 함께 n2배가 된다. 이와 같은 구성에 대해 SIL(9)의 상면 특성을 생각하면, 도 2에 나타나듯이 초점에서 멀어짐에 따라서 상면이 상류 측으로 벗어나는 도 1과는 역방향의 상면 만곡이 생긴다.
본원 발명자는, SIL을 이용한 시료 관찰에 있어서의 이와 같은 상면만곡의 발생에 대하여 상세하게 검토한 결과, 상기한 구성에서 초점으로 되어 있는 구심과, 구심에서 광축에 따라서 R／n만큼 하류측에 있는 점과의 사이에서는, 배율이 n배와 n2배와의 사이에서 변화하는 것과 동시에, 그 상면만곡도 도 1 및 도 2에 나타난 역방향의 상면만곡 사이에서 변화해 나가는 것을 찾아냈다. 본 발명에 의한 SIL을 이용한 시료 관찰 방법은 이와 같은 지견(知見)에 근거하여, 이미징(imaging)에 적절한 구성 및 사용 조건에서 SIL을 이용하여 시료의 상의 관찰을 실시하는 것이다.
도 3은 본 발명에 의한 시료 관찰 방법 및 그에 이용되는 고침렌즈의 일실시 형태의 구성 및 사용 조건에 대하여 나타내는 도면이다. 본 시료 관찰 방법에 있어서는, 관찰 대상이 되는 시료(2)에 대하여, 시료(2)에서의 광상을 확대하는 렌즈로서, 굴절률 nL의 재질에 의하여 형성된 SIL(1)을 이용하고 있다. 이 SIL(1)은 축(Ax)을 광축으로 하고, 점 C를 구심으로 한 곡률 반경 RL의 구면상의 광학면(10)을 렌즈면으로 하여 형성되고 있다.
이와 같은 SIL(1)을 이용한 시료 관찰에 있어서, 구면상의 렌즈면(10)의 구심(C)에서 광축(Ax)에 따라서 k×(RL／nL)만큼 하류측에 있는 점을 초점으로 한다. 그리고 이 초점을 포함하여 광축(Ax)에 대략 직교하는 면(20)을 시료 관찰면으로 하여, SIL(1)을 이용한 시료의 관찰을 실시한다.
여기서, SIL(1)에 의한 초점 및 시료 관찰면(20)의 구심(C)에서 본 위치를 결정하는 상기한 계수 k는, 0＜k＜1의 범위 내에 있어서 설정되는 계수이다. 따라서 이 초점의 위치는 구심(C)과 구심(C)으로부터 광축에 따라서 RL／nL만큼 하류측에 있는 점과의 사이의 위치가 되고 있다. 특히 이 계수 k는 SIL(1)에 의한 기하학적 수차 특성이 소정의 조건을 만족하도록 설정된다.
즉, 상술한 바와 같이 구심(C)과 구심(C)에서 광축(Ax)에 따라서 RL／nL만큼 하류측에 있는 점 사이에서는, 배율 및 상면만곡이 순차로 변화해 나간다. 이와 같은 특성의 변화에 대하여, SIL(1)에 의한 기하학적 수차 특성 및 그 변화 등을 평가하고, 그 평가 결과에 근거하여 적절한 계수 k의 설정 및 그에 따른 초점의 선택을 실시한다. 그리고 그 계수 k에 의해서 결정할 수 있는 점을 포함하는 면을 시료 관찰면(20)으로 하여, 시료(2)의 상의 관찰을 실시한다. 이 때, 상면 만곡을 작게 하는 한편, 수차의 열화(劣化)를 충분히 작게 억제한 조건에서 SIL(1)을 사용할 수 있다. 이에 의해, 관찰에 사용 가능한 시야를 넓게 하고, SIL(1)을 이용하여 시료(2)의 상을 양호하게 관찰하는 것이 가능하게 된다.
또한 도 3에 나타내는 예에서는, 계수 k에 의하여 결정되는 시료 관찰면(20)이, 시료(2)측에 있는 SIL(1)의 평면상의 렌즈면과 일치하고 있다. 또, 이 때 SIL(1)의 정점에서 시료(2) 측의 렌즈면까지의 거리, 즉 SIL(1)의 광축(Ax)에 따른 두께는, dL=RL＋k×(RL／nL)가 되고 있다.
이하, SIL(1)를 이용한 시료의 상의 관찰에 있어서의 수차 및 상면특성의 평가방법 및 SIL(1)의 바람직한 구성, 사용 조건 등에 대하여, 도 4 및 도 5를 이용하여 구체적으로 설명한다. 도 4는 도 3에 나타난 SIL에 의한 기하학적 수차 특성 및 색수차 특성을 평가하기 위하여 이용되는 가상 광학계를 나타내는 도면이다. 또, 도 5는 도 4에 나타낸 가상 광학계를 이용하여 평가된 SIL의 특성을 나타내는 그래프이다.
여기서 도 4에 있어서, n는 굴절률, s는 물체면에서 주(主)평면까지의 거리, h는 광선의 높이를 나타낸다. 또, 상부의 바는 주광선에 관한 양을 나타낸다. 다만 명세서 중에 있어서는, 예컨대 「h1」에 상부의 바를 붙인 것을 「h￣1」등과 같이 표기한다.
우선, SIL에 의한 상면 특성을 평가하는 가상 광학계에 대하여 설명한다. 여기에서는 도 4에 나타나듯이, SIL(1)의 재질로서 실리콘(Si)을 상정하고, 그 굴절률을 n3 = nL = 3.5로 한다. 또 굴절률 n3의 SIL(1)의 내부 이외의 영역에 대해서는, 굴절률을 n1 = n2 = 1으로 한다. 또 구심(C)를 중심으로 한 구면상에 형성된 렌즈면(10)에 대해서는, 그 곡률 반경을 r2 = RL = 1로 한다.
이와 같은 SIL(1)에 대하여, 그 수차 및 상면 특성을 평가하기 위하여, SIL(1)의 뒤측 초점면을 동면(瞳面)으로 한 가상 광학계를 도입한다. 구체적으로는, 도 4에 나타나듯이, 무(無)수차의 가상 대물렌즈(3)를 도입하고, SIL(1)의 뒤측 초점(F)에 배치한다. SIL(1)의 렌즈면(10)의 면정(面頂)과 후측 초점(F)의 사이의 거리 s1는 s1=r2／(n3－n2)에 의해 구해지고, n3=3.5의 상기한 예에서는 s1=0.4× RL=0.4가 된다.
또, 이 무수차의 가상 대물렌즈(3)의 촛점거리를 fi로 하고, 전측 초점 위치를 F＇로 한다. SIL(1)의 두께(s2＇)는, 가상 대물렌즈(3)에서 u1=0, h1에서 나온 빛이, 렌즈면(10)에 의하여 맺어지는 초점 위치로부터 렌즈면(10)의 면정상까지의 거리로 한다. 이와 같은 가상 대물렌즈(3)를 도입한 가상 광학계를 이용하여 SIL(1)의 평가를 실시하는 것에 의하여, 광학계 전체의 입사동(入射瞳)은, 렌즈면(10)으로부터 s1=0.4× RL만큼 멀어진 위치에 있는 가상 대물렌즈(3) 상으로 설정된다. 또, 이와 같이 입사동 등을 설정함으로써, SIL(1)의 내부에서 텔레센트릭이 되고, 레이저 스캔에 의한 반사광 관찰과 같은 실제의 관찰계에 준거한 형태로 할 수 있다. 이에 의해, SIL(1)에 의한 수차 및 상면특성을 적절히 평가할 수 있다.
도 4에는, 상기한 SIL(1) 및 가상 대물렌즈(3)에 의한 광학계의 구성과 합하여, 두 개의 광선 l1, l2를 도시하고 있다. 이 중 광선 l1은, 광축(Ax)과 이루는 각이 u1=0, 광선의 높이가 가상 대물렌즈(3)에 있어서 h1, SIL(1)의 렌즈면(10)에 대해 h2이며, 가상 대물렌즈(3)보다도 상류측에서 광축(Ax)에 평행한 광선이 되고 있다. 또, 이 광선(l1)은 시료 관찰면(20)에 상당하는 면(S＇)에 대하여 광축(Ax)상의 점을 통과하고 있다. 또 광선(l1)에 대하여 점선으로 나타낸 SIL(1)이 없는 경우의 광선은, 가상 대물렌즈(3)에 의한 초점면(S)에 대하여 광축(Ax)상의 점(F＇)를 통과하고 있다.
또 광선(l2)는 광축(Ax)과 이루는 각이 u￣1, 광선의 높이가 가상 대물렌즈(3)에 있어서 h￣1=0, SIL(1)의 렌즈면(10)에 있어서 h￣2이며, 렌즈면(10)보다 하류측에서 광축(Ax)에 평행한 광선이 되고 있다. 또, 이 광선 l2는, 가상 대물렌즈(3)에 있어서 광축(Ax)상의 점(F)을 통과하고, 시료 관찰면(S＇)에 있어서 광축(Ax)과의 거리가 Y＇가 되고 있다. 또 광선(l2)에 대하여 점선으로 나타난 SIL(1)이 없는 경우의 광선은, 초점면(S)에 있어서 광축(Ax)과의 거리가 Y가 되고 있다.
또 SIL(1)의 렌즈면(10)의 면정상에서 초점면(S)까지의 거리를 s2, 시료 관찰면(S＇)까지의 거리, 즉 SIL(1)의 두께를 s2＇=dL로 한다. 이상의 구성 및 조건을 가지는 도 4의 가상 광학계에 있어서, SIL(1)의 구면 수차 계수(I), 코마 수차 계수(II), 비점수차 계수(III), 페츠발 화(P; Petzval 和), 구결적상면의 만곡(III＋P) 및 자오적상면의 만곡(3III＋P)의 각 수차계수를 SIL(1)의 두께 dL로 나타내면, 각각 이하의 식(1)~(6)과 같이 구해진다.
여기서 Q2는 압베(Abbe)의 불변량이다. 또, Q2 및 J2는 이하의 식에서 나타내진다.
또 페츠발 상면, 구결적상면 및 자오적상면의 곡률(실치수)은 각각 이하와 같이 된다.
도 5에 상기의 식에 의해 각각 구해진 구면수차 계수 I, 코마수차 계수 II, 비점수차 계수 III, 구결적상면의 만곡 III＋P 및 자오적상면의 만곡 3III＋P의 각 수차 계수와, 구결적상면 및 자오적상면의 평균상면과의 그래프를 나타낸다. 이 그래프에 있어서, 가로축은 SIL의 두께 s2＇=dL을 나타내고, 세로축은 각 수차 계수의 값을 나타내고 있다. 또 이 가로축에 나타나는 두께 dL와 도 3에 나타낸 계수 k는, 도 4에 있어서 RL=1로 하고 있는 것으로, k=nL×(dL－1)=3.5×(dL－1)의 관계를 가지고 있다.
도 5에 나타내는 각 그래프로부터, 구심을 포함하는 면을 시료 관찰면으로 했을 경우(도 1 참조)에 대응하는 dL=RL=1의 점 및 구심에서 광축에 따라서 RL／nL만큼 하류 측에 있는 점을 포함하는 면을 시료 관찰면으로 했을 경우(도 2 참조)에 대응하는 dL=RL＋RL／nL=1.286의 점에서는, 각각 구면수차 계수 I 및 코마수차 계수 II가 함께 영이 되고 있고, 아프라나틱 조건을 만족하고 있다. 하지만, 이러한 점에서는 상기한 바와 같이 상면 만곡이 발생하고 있다. 또한 dL=1의 점에서는, 구결적상면의 만곡 III＋P도 영이 되고 있다. 또, dL=1.286의 점에서는, 비점수차 계수 III도 영이 되고 있다.
이에 대해서, 구결적상면 및 자오적상면의 평균상면에 대하여 보면, dL=RL＋k(RL／nL)=1.163× RL=1.163의 점에 있어서, 상면이 플랫하게 되어 있는 것을 알 수 있다. 즉 상면이 플랫하고 시야가 넓게 잡히는 조건인, 평균상면이 광축에 수직인 평면이 되는 조건을 만족하기 위해서는, 상면의 만곡이 III＋P = －(3III＋P)가 되면 양호하다. 이 조건으로부터, 상기한 각 식으로부터 dL=1.163을 얻을 수 있다. 또, 이 때 시료 관찰면에 대하여 설정되는 계수 k는, 약 0.6 (k=0.57)로 구해진다. 이와 같이 구해진 계수 k를 적용한 구성 및 사용 조건에서 SIL(1)을 이용하여 시료 관찰을 실시하는 것으로, 넓은 시야에서, 양호한 시료의 상을 취득하는 것이 가능하게 된다.
또한 SIL의 외측에서 텔레센트릭이 되는 통상의 입사동 위치의 조건에서 계산을 실시했을 경우, 평균상면이 플랫이 되는 것은 SIL의 두께가 1.274× RL의 점이 되어, 상기한 결과와는 완전히 다른 계산 결과가 되고 있다.
본 발명에 의한 고침렌즈 및 그것을 이용한 시료 관찰 방법은, 상기한 실시 형태에 한정되는 것이 아니고, 여러 가지 변형이 가능하다. 예를 들면, 상기한 예에서는 SIL의 재질의 예로서 실리콘을 들고 있지만, 실리콘 이외에도 적용하는 시료의 재질이나 관찰 조건 등에 따라 여러가지 재질을 이용해도 좋다.
또, 상기한 예에서는 SIL의 굴절률을 3.5=일정으로 하고 있다. 이것은, 단일 파장에서의 시료 관찰의 경우, 또는 파장에 의한 굴절률 변화를 무시할 수 있는 경우에 대응하고 있다. 따라서 상기와 같이 k를 0.6 근방으로 하는 조건은, 단일 파장의 빛에 의해 시료에 대해서 관찰, 검사 등을 실시하는 경우에 유효하다.
이에 대하여, 예를 들면 750nm~1050nm의 파장폭에서 관찰을 실시하는 경우 등, 관찰의 파장폭이 넓은 발광 관찰 등에 있어서는, 실리콘으로 이루어지는 SIL에서는, k를 0.3 정도로 함으로써, 색수차와 그 외의 수차가 밸런스된다. 이와 같이, 필요가 있으면 관찰을 행하는 파장폭을 고려하여 상면특성의 평가 및 계수 k의 설정 등을 행하는 것이 바람직하다.
또, 계수 k에 대해서, 상기한 예에서는, 평균상면이 플랫하게 되는 점에 의해서 계수 k를 설정하고 있다. 이에 의해, SIL에 의한 시료 관찰면에서의 상면특성을 양호하게 설정할 수 있다. 다만, 이 계수 k의 설정에 대해서는, 평균상면이 플랫하게 되는 점의 근방에서 소정의 조건 범위 내에 있는 점에 의하여 설정하는 방법을 이용해도 좋다. 혹은, 평균상면이 아니고, 구결적상면 또는 자오적상면이 플랫하게 되는 점에 의해 계수 k를 설정해도 좋다.
또 시료에 대한 SIL의 설치 방법에 대해서는, 도 3에서는 시료(2)의 표면이 시료 관찰면(20)이 되어 있는 구성을 나타냈지만, 이와 같은 구성에 한정되지 않는다. 도 6은 본 발명에 의한 시료 관찰 방법에 이용되는 고침렌즈의 구성 및 사용 조건의 다른 예에 대하여 나타내는 도면이다. 이 예에서는, 시료인 실리콘 기판(2)에 대하여, 같은 실리콘으로 이루어지는 SIL(1)을 적용하는 것과 동시에, 기판(2)의 이면(裏面)이 시료 관찰면(20)이 되어 있다.
이와 같은 구성에서는, 실리콘 기판(2)의 소정 부분이 SIL(1)의 하류측 부분으로서 기능하는 것에 의해서, 표면을 시료 관찰면(20)으로 하는 경우와 동일하게, 시료의 상을 관찰할 수 있다. 이와 같은 관찰 방법은, 예를 들면 반도체 디바이스를 이면 관찰에 의해서 검사하기 위한 경우에 적용할 수 있다.
본 발명에 의한 고침렌즈 및 그것을 이용한 시료 관찰 방법에 대하여 보다 더 설명한다.
도 7은 본 발명에 의한 고침렌즈 및 시료 관찰 방법의 다른 실시 형태를 나타내는 도면이다. 본시료 관찰 방법에 있어서는, 관찰 대상이 되는 시료(7; 예컨대 반도체 디바이스)에 대하여, 시료(7)에서의 광상을 확대하는 렌즈로서, 굴절률 nL의 재질에 의해 형성된 SIL(6)을 이용하고 있다. 이 SIL(6)은 축(Ax)을 광축으로 하고, 점 C를 구심으로 한 곡률 반경 RL의 구면상의 광학면(60)을 렌즈면으로 하여 형성되어 있다. 또한 본 실시 형태에 있어서도, 계수 k의 설정에 대해서는 도 3의 실시 형태와 동일하다.
도 7에서는 시료(7)에 있어서, 그 SIL(6)과는 반대측의 면이 관찰면(71; 예컨대 반도체 디바이스의 디바이스면)으로 되어 있다. 또 이 시료(7)에 대하여, SIL(6)은 그 시료(7)측에서 평면상의 렌즈면이 시료(7)의 이면(72)에 밀착하도록 배치되어 있다. 여기서, 시료(7)의 굴절률을 nS, 시료(7)의 두께를 tS로 한다. 이 두께(tS)는 이면(72)으로부터 SIL(6)에 의한 현실의 관찰면인 관찰면(71)까지의 광축(Ax)에 따른 시료(7)의 두께이다.
이와 같은 구성에 있어서, 시료(7)의 관찰면(71)에 초점을 맞추기 위하여, SIL(6)의 광축(Ax)에 따른 두께는, dL＜RL＋k× (RL／nL)로 되어 있다. 또 도 3에 관하여 상술한, 렌즈면(60)의 구심(C)에서 광축(Ax)에 따라서 k× (RL／nL)만큼 하류 측에 있는 점을 포함하고 광축(Ax)에 대략 직교하는 시료 관찰면(70, 0＜k＜1)은, 시료(7)의 굴절률이 SIL(6)의 굴절률 nL과 동일하다고 했을 때의 가상의 관찰면(SIL(6)의 렌즈 형상에서 구해지는 외관상의 관찰면)이 되고 있다.
여기서, SIL(6)의 정점에서 가상의 관찰면(70)까지의 광축(Ax)에 따른 거리를, 도 7에 나타나듯이 L=RL＋k× (RL／nL)로 한다. 이 거리 L은, SIL(6)의 렌즈면(60)의 형상으로부터 구해진 초점 거리에 대응한다. 또, 이 때, SIL(6)의 두께는, dL=L－tS× (nL／nS)를 만족하도록 설정되어 있다. 또한 도 7 중에서는, SIL(6) 및 시료(7)을 통과하여 현실의 관찰면(71)으로 집속하는 광로를 실선으로 도시하고 있다. 또, 시료(7)의 굴절률이 SIL(6)과 동일한 것으로 가정한 경우에서 가상의 관찰면(70)으로 집속하는 광로를 점선으로 도시하고 있다.
본 실시 형태에 의한 두께를 dL=L－tS×(nL／nS)로 한 SIL(6) 및 그것을 이용한 시료 관찰 방법에 있어서는, SIL(6)에 의한 기하학적 수차 특성을 평가하는 것에 의하여 설정된 계수 k를 이용함과 동시에, 관찰 대상이 되는 시료(7)의 굴절률(nS)및 두께(tS)를 고려하여 SIL(6)의 렌즈 형상을 설정하고 있다. 이에 의해, 상기한 바와 같이 관찰에 사용 가능한 시야를 넓게 하는 한편, 시료(7)에 있어서의 소망한 관찰 부위를 양호하게 관찰하는 것이 가능하게 된다. 여기서, 계수 k의 선택에 대해서는, 도 3에 나타난 실시 형태와 동일하다. 또, 두께 tS에 대해서는, 도 7에서는 시료(7)의 SIL(6)와는 반대측의 면이 관찰면(71)이 되기 때문에, 시료(7)의 두께 tS가 그대로 이용되고 있지만, 관찰면이 시료(7)의 내부에 설정되었을 경우에는, 그 관찰면까지의 시료의 두께를 tS 로 하면 좋다.
도 8은 시료의 두께와 SIL의 두께의 상관의 일례를 나타내는 그래프이다. 이 그래프에 있어서, 가로축은 시료(7)의 두께 tS(mm)를 나타내고, 세로축은 SIL(6)의 두께 dL(mm)를 나타내고 있다. 이 그래프에서는, SIL(6)의 굴절률을 nL=3.1(재질 GaP), 시료(7)의 굴절률을 nS=3.5(재질 Si), SIL(6)의 곡률 반경을 RL=0.5mm로 하고 있다. 또, 그래프 A1은 계수 k=0.80, A2는 k=0.60, A3은 k=0.40, A4는 k=0.20으로 했을 때의 상관을 나타내고 있다. SIL(6)의 두께 dL은, 각각의 재질이나 계수 k의 값 등에 따라 도 8의 그래프에 나타내는 예와 같이 설정된다.
다음으로, 상기한 고침렌즈 및 시료 관찰 방법에 있어서 계수 k의 설정에 대해 검토한다. 일반적으로, 관찰의 시야를 넓게 취하고 싶은 등의 경우, 계수 k는, 상기한 k=0.6의 예와 같이, 0.5＜k＜0.7의 범위 내의 값인 것이 바람직하다. 이 때, 고침렌즈에 의한 상면특성이 실질적으로 플랫이 되는 조건에서의 관찰이 가능하게 된다. 예를 들면, 단색 레이저로부터의 레이저 빛을 이용한 관찰의 경우에는, 색수차의 문제가 없고, 시야를 넓게 하도록 계수 k를 설정할 수 있다.
한편, 고침렌즈에서의 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, 고침렌즈에 의한 구면 수차, 색수차가 실질적으로 저감된 조건에서의 관찰이 가능하게 된다. 이와 같은 계수 k의 바람직한 범위에 대해서는, 도 3에 나타난 구성 및 도 7에 나타난 구성의 어느 것에 있어도 동일한 형태이다.
여기서, 도 9a 및 도 9b는, 계수 k가 작은 경우의 빛의 집속 및 계수 k가 큰 경우의 빛의 집속에 대해 나타내는 측면도이다. 이러한 도 9a 및 도 9b에 나타나듯이, 계수 k를 작게 설정한 경우, 예를 들면, 상기한 0＜k≤0.5의 범위 내에서 k를 설정한 경우에는, 계수 k가 큰 경우에 비해 SIL에서 본 빛의 광로가 퍼지게 된다. 이와 같은 경우에는, SIL에 조합되는 대물렌즈로서 개구수 NA가 큰 것을 선택하는 것이 바람직하다.
도 10은, SIL에서의 계수 k의 값과 대물렌즈에서 필요하게 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 광축상의 도달 NA를 3.0으로 했을 때의 대물렌즈의 필요 NA, B2는 SIL에서의 광축상의 도달 NA를 2.5로 했을 때의 대물렌즈의 필요 NA를 나타내고 있다. 또, 이 그래프에서는, 계수 k의 값에 대응하는 SIL에서의 배율을, 그래프 B6에 의하여 맞추어 나타내고 있다.
이러한 그래프 B1, B2에 나타나듯이, SIL에서의 도달 NA를 크게 하면, 대물렌즈의 필요 NA도 거기에 따라 커진다. 또, SIL에서의 도달 NA를 일정하게 했을 경우에는, 도 9a 및 도 9b에 관하여 상술한 것처럼, 계수 k의 값이 작아지면 대물렌즈에서 필요하게 되는 NA가 커진다. 따라서, SIL에서의 계수 k의 값을 설정할 때, 대물렌즈와의 조합에 대해서도 고려할 필요가 있다.
또, 도 11은 SIL＋시료의 두께와 SIL에서의 광축상의 도달 NA와의 상관의 일례를 나타내는 그래프이다. 이 그래프에 있어서, 가로축은 SIL＋시료(Si기판)의 SIL의 정점에서의 두께(mm)를 나타내고, 세로축은 SIL에서의 광축상의 도달 NA를 나타내고 있다. 이 그래프에서는, SIL의 곡률 반경을 RL=0.5 mm, 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 했을 경우, SIL＋시료의 두께가 커짐에 수반하여 도달 NA가 커진다.
실제로는, SIL 및 대물렌즈의 NA는 구체적인 구성에 따라 적의 선택하면 좋지만, 예컨대 SIL의 도달 NA는 2.5~3.0 정도, 대물렌즈의 NA는 0.76 정도이다. 또, 대물렌즈로서는 통상의 대물렌즈를 이용할 수 있고, 그 배율은 예컨대 50배 정도이다.
또, 색수차가 저감 되도록, 상기한 0＜k≤0.5의 범위 내에서 k를 설정한 경우, 그 기하학적 수차 특성에 대해서는 대물렌즈 측에서 보정 가능한 구성으로 하는 것이 바람직하다. 이와 같은 대물렌즈로서는, 도 12의 측면 단면도에 나타나는 구성의 대물렌즈가 있다. 이 대물렌즈(5)는, 그 렌즈군(群)이, 광축에 따라서 배치된 제 1렌즈군(51) 및 제 2렌즈군(52)의 2개의 렌즈군에 의해서 구성되어 있다. 또 이러한 렌즈군(51, 52)의 간격 u는, 대물렌즈(5)의 외주부에 설치되는 보정환(補正環; 미도시)을 회전시키는 것에 의하여 변화시키는 것이 가능하게 되고 있다. 이와 같은 구성의 대물렌즈(5)를 이용하는 것으로, 대물렌즈(5) 측에서 기하학적 수차 특성(예를 들면 구면 수차)을 보정할 수 있다.
또한 이와 같이 보정환이 있는 대물렌즈를 SIL과 조합하여 이용하는 경우에는, SIL에서의 구면 수차가 대물렌즈에서의 보정환에 의해서 보정 가능한 범위에서 계수 k를 설정하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 도 12의 구성의 대물렌즈에서는, SIL의 굴절률을 nL=3.1, 곡률 반경을 RL=0.5 mm, 시료의 굴절률을 nS=3.5로 했을 때, 시료의 두께가 tS=0.03 mm정도이면 0＜k＜0.4 정도, tS=0.15 mm정도이면 0＜k＜0.2 정도의 조건에서, 보정환에 의한 구면 수차의 보정이 가능하다.
또, 0.7≤k＜1의 범위 내에서 계수 k를 설정해도 좋다. 이 경우, 낮은 NA의 대물렌즈와 조합할 수 있다. 다만, 통상의 대물렌즈에서는 큰 색수차가 발생하기 때문에, 단색 레이저 빛 이외의 용도에서는 전용으로 설계된 대물렌즈를 이용할 필요가 있다.
본 발명에 의한 고침렌즈(SIL) 및 그것을 이용한 시료 관찰 방법은, 고침렌즈를 이용하여 시료의 상을 양호하게 관찰하는 것이 가능한 시료 관찰 방법 및 고침렌즈로서 이용 가능하다. 즉, 고침렌즈에 의한 기하학적 수차 특성을 평가하여 소정의 조건을 만족하도록 계수 k(0＜k＜1)를 설정하고, 고침렌즈의 구면상의 광학면의 구심으로부터 광축에 따라서 k× (RL／nL)만큼 하류 측에 있는 점을 포함하고 광축에 대략 직교하는 면을 시료 관찰면으로 하는 고침렌즈 및 관찰 방법에 의하면, 관찰에 사용 가능한 시야를 넓게 하고, 고침렌즈를 이용하여 시료의 상을 양호하게 관찰하는 것이 가능하게 된다. 또, 시료의 굴절률 nS 및 두께 tS를 고려하여 렌즈 형상을 설정한 경우, 시료에 있어서의 소망한 관찰 부위를 양호하게 관찰하는 것이 가능하게 된다.

Claims (10)

  1. 굴절률 nL의 재질에 의하여 곡률 반경 RL의 구면상의 광학면을 가지고 형성된 고침렌즈를 이용하여,
    상기 고침렌즈에 의한 기하학적 수차 특성이 소정의 조건을 만족하도록 설정된 계수 k(0＜k＜1)에 의하여, 상기 광학면의 구심에서 광축에 따라서 k×(RL／nL)만큼 하류 측에 있는 점을 포함하여 상기 광축에 대략 직교하는 면을 시료 관찰면으로 하여, 상기 고침렌즈를 이용한 시료의 관찰을 행하는 것을 특징으로 하는 시료 관찰 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 고침렌즈는, 상기 광축에 따른 두께가 dL=RL＋k×(RL／nL)이며, 상기 시료 관찰면은, 상기 시료측의 상기 고침렌즈의 렌즈면과 일치하고 있는 것을 특징으로 하는 시료 관찰 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 고침렌즈는, 상기 광축에 따른 두께가 dL＜RL＋k×(RL／nL)이며, 상기 시료 관찰면은, 상기 시료의 굴절률이 상기 고침렌즈의 굴절률 nL과 동일하다고 했을 때의 가상의 관찰면임과 동시에,
    상기 시료의 굴절률을 nS, 현실의 관찰면까지의 상기 시료의 두께를 tS로 했을 때, 상기 고침렌즈의 두께는, 정점으로부터 상기 가상의 관찰면까지의 광축에 따른 거리 L=RL＋k×(RL／nL)에 대하여, dL=L－tS×(nL／nS)를 만족하는 것을 특징으로 하는 시료 관찰 방법.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고침렌즈의 뒤측 초점면을 동면(瞳面)으로 한 가상 광학계를 이용하여 상기 기하학적 수차 특성을 평가하고, 그 평가 결과에 근거하여 상기 계수 k를 설정하는 것을 특징으로 하는 시료 관찰 방법.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고침렌즈에 의한 상기 기하학적 수차 특성을, 구결적상면, 자오적상면, 또는 구결적상면 및 자오적상면의 평균상면에 의하여 평가하고, 그 평가 결과에 근거하여 상기 계수 k를 설정하는 것을 특징으로 하는 시료 관찰 방법.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 계수 k는, 0.5＜k＜0.7의 범위 내의 값인 것을 특징으로 하는 시료 관찰 방법.
  7. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 계수 k는, 0＜k≤0.5의 범위 내의 값인 것을 특징으로 하는 시료 관찰 방법.
  8. 굴절률 nL의 재질에 의하여 곡률 반경 RL의 구면상의 광학면을 갖고 형성되고, 관찰 대상이 되는 시료의 굴절률이 굴절률 nL과 동일하다고 했을 때의 가상의 관찰면까지의 정점에서 광축에 따른 거리가, 기하학적 수차 특성이 소정의 조건을 만족하도록 설정된 계수 k(0＜k＜1)에 의하여 L=RL＋k×(RL／nL)로 됨과 동시에,
    상기 시료의 굴절률을 nS, 현실의 관찰면까지의 상기 시료의 두께를 tS로 했을 때에, 상기 광축에 따른 두께가 dL=L－tS×(nL／nS)를 만족하는 것을 특징으로 하는 고침렌즈.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 계수 k는 0.5＜k＜0.7의 범위 내의 값인 것을 특징으로 하는 고침렌즈.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 계수 k는 0＜k≤0.5의 범위 내의 값인 것을 특징으로 하는 고침렌즈.
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