(57)【要約】  両凸固体浸漬レンズが開示されている。下面が平坦である従来の平凸固体浸漬レンズとは異なり、開示したレンズは下面が凸である。下面の曲率半径は、被検査対象物のそれよりも小さい。この構成によって、被検査フィーチャの場所をより正確に決定することができ、浸漬レンズと被検査対象物との間の光結合が増大される。開示したレンズは特に、半導体デバイス、特にフリップ・チップまたはチップ・スケールのパッケージ・デバイスの検査用の顕微鏡で使用する場合に有用である。浸漬レンズは、光学記憶媒体の読み取りまたは読み取り／書き込みヘッドに組み込むことができる。
2005515514.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の曲率半径を有する上側凸面と、
第２の曲率半径を有する下側凸面と、を備える両凸浸漬レンズ。
【請求項２】
第２の曲率半径が第１の曲率半径よりも大きい請求項１に記載の両凸浸漬レンズ。
【請求項３】
第２の曲率半径が第１の曲率半径のそれよりも少なくとも１桁大きい請求項１に記載の両凸浸漬レンズ。
【請求項４】
下面が上面の径方向の幾何学的中心を通る請求項１に記載の両凸浸漬レンズ。
【請求項５】
下面が上面の径方向の幾何学的中心の上方を通る請求項１に記載の両凸浸漬レンズ。
【請求項６】
下面が上面の径方向の幾何学的中心の下方を通る請求項１に記載の両凸浸漬レンズ。
【請求項７】
下面が上面の径方向の幾何学的中心を通る請求項２に記載の両凸浸漬レンズ。
【請求項８】
下面が上面の径方向の幾何学的中心の上方を通る請求項２に記載の両凸浸漬レンズ。
【請求項９】
下面が上面の径方向の幾何学的中心の下方を通る請求項２に記載の両凸浸漬レンズ。
【請求項１０】
前記上側凸面がさらに反射防止コーティングを備える請求項１に記載の両凸浸漬レンズ。
【請求項１１】
前記下面を囲む後退面をさらに備える請求項１に記載の両凸浸漬レンズ。
【請求項１２】
前記レンズがシリコンを含む請求項１に記載の両凸浸漬レンズ。
【請求項１３】
対物レンズと、
上側凸面および下側凸面を備える両凸浸漬レンズと、を備える対象物検査用の顕微鏡。
【請求項１４】
前記浸漬レンズが対象物に結合される請求項１３に記載の顕微鏡。
【請求項１５】
前記浸漬レンズの下面が上面の径方向の幾何学的中心を通る請求項１３に記載の顕微鏡。
【請求項１６】
前記浸漬レンズの下面が上面の径方向の幾何学的中心の上方を通る請求項１３に記載の顕微鏡。
【請求項１７】
前記浸漬レンズの下面が上面の径方向の幾何学的中心の下方を通る請求項１３に記載の顕微鏡。
【請求項１８】
上側凸面と、
実質的に小さくて明確な接触点を有する下面と、を備える浸漬レンズ。
【請求項１９】
下面が、前記接触点を囲む後退面をさらに備える請求項１８に記載の浸漬レンズ。
【請求項２０】
前記接触点は、曲率半径が上面のそれと異なる請求項１９に記載の浸漬レンズ。
【請求項２１】
前記接触点は、曲率半径が上面のそれよりも少なくとも１桁大きい請求項２０に記載の浸漬レンズ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体浸漬レンズに関し、特に光学結像および集光システムの空間分解能および集光効率を増加および最適化するような固体浸漬レンズに関する。
【背景技術】
【０００２】
光学的空間分解は、近接して配置された構造を明瞭に分離する結像システムの能力として定義される。光学的分解能は、光学的計測学、リソグラフィ、および天文学などの用途で対象物を結像する者にとっては、特に重要である。
【０００３】
理想的な世界では、光学的結像要素はサイズが無限小で、最大量の光を検査中の対象物上にフォーカスしおよび／またはこの対象物から集光することができる。光の波の性質と光学要素の限られた開口とが組み合わさると、回折が起こる。回折とは、光が不連続面から散乱して光学要素の他の領域から伝達された光と再結合するときの、光の干渉である。
【０００４】
現実には、光学要素はサイズが制限されており、光波がこれらの要素を通って移動してこれらの要素の開口から再結合するときに、光波は回折する。実際の光学システムの空間分解能は、他にも要因はあるが、開口が有限の光学要素の収差、視野、および光学要素の材料特性により悪影響を受ける。
【０００５】
光学システムの性能を最適化するために理解し補償する必要のある多くの要素が存在する。理想的な光学要素は、光の波長（色）の違いの影響を受けないため、色収差によって分解能および光学性能に影響が出ることはない。また理想的にはこれらの要素は、要素の軸から遠くで伝達およびフォーカスされる光とは対照的に、要素の軸に近い（近軸）領域で伝達およびフォーカスされる光の間でも影響を受けない。径方向に対称的な要素におけるこの変化は、球面収差と言われる。
【０００６】
これらの収差、特にそれらの分類、および光学結像システムを適切に補償および最適化するための方法を調べ直すために、読者は光学に関する古典的な教科書を参照することができる。
【０００７】
以下では、最小限の収差補正での高分解能結像の分解能能力を増大および増加させて、材料中に埋め込まれた対象物および構造をサンプルを通して結像するのに有用な光学要素および方法について説明する。
【０００８】
収差が適切に対処されて最小限に抑えられた最適デザインの光学システムの場合でさえ、究極的な制限は、システムの有限の開口サイズによって回折が引き起こされることである。したがって回折制限（分解能が回折によってのみ制限される）光学システムに焦点を絞ることにする。回折制限システムの光学的結像システムにおける空間分解能を規定するために、種々の分析表現が考え出されている。これらの式および表現はすべて、サンプル内に光を結合させてサンプルから集光するために、照射光の基本特性と結像システムの能力とを関係付けるものである。たとえば分解能に対して分析表現を用いる一つの方法は、半円錐θ０内の光をフォーカスして集めることが可能なレンズを用いて周期Ｔの回折格子を解像するための光学システムの方位空間分解能を規定することである（図１０ａ）。
【０００９】
[数１]Ｔ＝αλ０／（ｎ＊ｓｉｎθ０）
【００１０】
ここで、λ０は真空中での光の波長であり、「ｎ」は媒体の屈折率である（すなわち空気の場合には、ｎ０＝１、λ＝λ０空気／真空中での光の波長。屈折率ｎの媒体の場合、λ＝λ０／ｎ）。比例定数αは分解能基準によって規定される。すなわち、良く用いられる基準は他にもあるが、良く用いられるレイリーの分解能基準ではλ＝０．６１、スパローの分解能基準では、α＝０．５である。光の円錐の最大半角は、以下によりレンズの開口数（ＮＡ）に関係する。
【００１１】
[数２]ＮＡ＝ｎ＊ｓｉｎθ０
【００１２】
したがって、以下の関係が得られる。
【００１３】
[数３]Ｔ＝αλ０／（ＮＡ）
【００１４】
その結果、空間分解能を増加させる試みは、ＮＡを増加させるかまたはより波長の短い光を用いるかの何れかに集中している。ＮＡを増加させることは、対物レンズを適切にデザインして、サンプルにフォーカスされサンプルから集められる光の立体角を増加させることによって可能である。一方で、波長を小さくすることは、異なる照明源、たとえば波長のより短いレーザ光源または狭くフィルタリングされた広帯域光源を用いることによって、実現される。
【００１５】
検査中の構造が、屈折率ｎ１の材料中に埋め込まれている場合には、屈折によって、材料内部の半円錐角（θ１）は空気中の半円錐角（θ０）と、以下の表現を通して関係付けられる（図１０ｂ）。
【００１６】
[数４]ｎ０Ｓｉｎ（θ０）＝ｎ１Ｓｉｎ（θ１）（図１０ｂ）
【００１７】
円錐角（の正弦）はｎ０／ｎ１だけ小さくなるが、波長も同じだけ小さくなる。そのため、ＮＡは保存され、結像システムの有効分解能は変わらない。しかし非垂直入射（軸）光線が空気／媒体界面で曲がると、球面収差および軸コマが導入されて、その結果、像の忠実度および全体的な分解能が下がる。
【００１８】
またどんな結像システムの場合でも、検査中のサンプル上への光の結合およびサンプルからの集光を最大限にする能力は、結像性能にとって重要であることに注意されたい。対象領域からフォーカスして集める光の量が多くなるため、信号（情報）が大きくなる。対象領域が材料中に埋め込まれている場合、サンプルから反射されて、臨界角（θｃ＝ｓｉｎ−１（ｎ０／ｎ１））の外で材料／空気界面上に入射された光は、反射されてサンプル内へ戻り（全反射）、集光されない。
【００１９】
要するに、結像システムの屈折率と埋め込まれた対象物の屈折率との間の差が大きいほど、フォーカスの円錐角が小さくなり、全反射（サンプルからの光の損失）が高くなる。したがって目標は、レンズフォーカシング要素（すなわち顕微鏡対物レンズ）と埋め込まれた対象物との間の屈折率の急激な変化を小さくして補償することである。最適条件は、屈折率を「マッチングさせる」ことである。
【００２０】
従来は、この分解能および集光の低下を補償するために、対物レンズとサンプルとの間の空隙に、材料の屈折率にマッチングする屈折率の流体、「屈折率マッチング流体」を充填している。生物学的研究用に作られた多くの顕微鏡では、屈折率がサンプルのそれに近い（〜１．５）カバー・グラスの下に試料を置く。カバー・ガラスと埋め込まれた試料との間を「橋渡し」するために用いられる屈折率マッチング流体は、屈折率にできるだけ近くマッチングする。またこの屈折率マッチング・セット・アップでの対物レンズは、より高い屈折率の流体を通して結像するようにデザインおよび最適化される。
【００２１】
液体を用いて分解能を高めることは、使用すべき流体の屈折率によって制限される。シリコンの屈折率は約３．５であるが、屈折率マッチング流体の屈折率は約１．６である。レンズと対象物との間の界面が取り除かれれば、光学部材のＮＡは、透明な固体材料のより高い屈折率を十分に活用することができる。たとえばシリコンの場合には、屈折率は約３．５である。材料の屈折率をマッチングさせることができない（屈折率をマッチングさせる流体の利用可能性または操作上もしくは実装上を考慮して等の理由による）場合には、「マッチング」は固体材料を用いて行なう。明らかに、第１の「屈折率マッチング」候補材料は、研究中の対象物の材料と同じ材料から形成される要素である。
【００２２】
固体屈折率マッチングおよび流体屈折率マッチングに対して、目標は類似しているが（サンプル内への光の結合およびサンプルからの集光を増加させること）、光学システム全体上でのこれらの実行および制約には大きな違いがある。流体には展性がありレンズと対象物との間の間隙に容易に充填するが、固体浸漬要素は、結像システムに物理的に充填して光学的にマッチングするようにデザインされなければならない。サンプル−空気界面が平坦で、目標は最大の立体角に渡って結合すること（単に光を空間内へさらに延ばすのではない）であるため、従来の固体浸漬光学要素は、その性質により平坦面（サンプルとの界面）と対称的な湾曲凸面（サンプルから遠い）とでデザインされている。この湾曲面は、円筒（たとえば（特許文献１））とすることもできるし、球面デザイン（たとえば（特許文献２））とすることもでき、またその湾曲のために正のフォーカシング・レンズとして機能するため、固体浸漬レンズ（ＳＩＬ）と適切に呼ばれる。ＳＩＬは、従来の多くの顕微鏡対物レンズにおける（サンプルから見て）最初の平凸フォーカシング／集光要素に、非常に類似している。液体マッチングは光結合メカニズムだけであるが、固体浸漬は、固定されたフォーカシングの側面を有する。
【００２３】
当然のことながら、両方の浸漬技術を用いても良く、すなわち固体浸漬レンズおよび屈折率マッチング流体を用いても良い。上記技術を用いることは、たとえば（特許文献３）、（特許文献４）、および（特許文献５）、ならびに（非特許文献１）に開示されている。浸漬レンズについてのより最新の説明は、（特許文献６）、（特許文献７）、および（特許文献８）に見ることができる。本発明の新規で有利な特徴を適切に理解するために、特に後の方の３つの特許と（非特許文献２）とを見直すことが、読者に推奨される。
【００２４】
従来の固体浸漬レンズは平凸である。つまり下面、すなわち対象物に面する面が平坦である一方で、上面、すなわち対物レンズに面する面が凸である。図１ａ〜１ｃに、後の方で引用された３つの特許に対応する３つの浸漬レンズを示す。図１ａ〜１ｃでは、結像すべき対象物は１００として識別される。図１ａおよび１ｂは、垂直入射半球と呼ぶことができる優れた固体浸漬レンズに対応し、図１ｃは無収差フォーカシング要素である。
【００２５】
図１ａに示す浸漬レンズ１１０は、半球である。すなわち平凸レンズの平坦面が、上側半球面の径方向の幾何学的中心ＧＣを通っている。特にすべての光線は、入射／出射点において凸面に垂直である。（特許文献６）では、レンズ１１０は、図１で破線１１１によって例示されるようにさらに研磨されるとして説明されている。これは、搭載ができるように行なうものであるが、半球であるというレンズの光学的特性には影響しない。このことは本発明者らの一人によって、本人の博士号学位論文、（非特許文献３）で説明されている。
【００２６】
一方で、図１ｂに示すレンズ１２０の平坦面は、上面の径方向の幾何学的中心ＧＣの「上方」を通っている。特にそれは、その幾何学的中心が、結像すべき対象物内部のフォーカス点にくるようにデザインされている。すなわちレンズ１２０は、透明な対象物１００の内部に埋め込まれた特徴を結像するために用いられる。屈折率の連続性を形成するために、屈折率マッチング材料１２５を用いることが推奨される。この構成では、光線は、入射／出射点において凸面に垂直である（注意：（特許文献７）では、光線は９０°以外の角度で示されているが、本発明者らはそうではないと考えている。たとえば、（特許文献７）での図面を、上で引用した学位論文での図面と比べられたい）。
【００２７】
図１ｃに他の変形を示す。図では、平坦面が、レンズ１３０の径方向の幾何学的中心ＧＣの「下方」を通っている。平坦面の位置は、レンズ、レンズを囲む材料、および結像すべき対象物のそれぞれの屈折率から決定される。このような浸漬レンズは、「無収差」レンズと呼ばれ、（特許文献８）（Ｄａｖｉｄｓｏｎ）によって扱われている。なおこの特許は、本出願の譲受人に譲渡されている。この構成では、光線は、入射／出射点において凸面に垂直ではない。簡単な光線追跡デザインから分かるように、「無収差」の拡大能は、垂直入射半球よりも高い。
【００２８】
使用時には、図１ａ〜１ｃに示すレンズを、結像される対象物に「結合」させる。すなわちエバネッセント波を伝達できるように、レンズを対象物に「結合」させる。言い換えれば、臨界角（臨界角は全反射が起こる角度）よりも大きな角度で対象物内部を伝播している光線をレンズが補足するように、レンズを対象物に結合させる。当該技術分野において知られるように、結合は、たとえば結像される対象物との物理的接触、対象物から（約２００ｎｍ以内）の非常に近い配置、または屈折率マッチング材料もしくは流体の使用によって、実現することができる。
【００２９】
従来技術の浸漬レンズには、以下の問題がある。
【００３０】
第１に、下面が平坦であるために、フォーカス点の位置を正確に示すことが困難である。すなわち、対象物のどの点が結像されているのかを正確に特定することが難しい。このことは、半導体（すなわちシリコンまたはＧａＡｓ）内に埋め込まれた電子回路などの非常に小さな対象物を結像する場合に、重大な問題である。
【００３１】
第２に、下面が平坦であるために、接触面積が大きい。すなわち当該技術分野で知られるように、屈折率マッチング流体を用いずに屈折率をマッチングする１つの方法は、結像すべき対象物に浸漬レンズを単に接触させることである。しかしこのような接触は、敏感な半導体デバイスを結像するときには、汚染および引っかきなどの欠陥が導入されることを回避するために、最小限にしなくてはならない。
【００３２】
第３に、サンプル表面が完全に平坦ではない場合があるために（半導体と同様に）、レンズの平坦面は基本的に、サンプル表面と３点接触をするに過ぎない。その結果、浸漬レンズの平坦面が確実に接触領域全体に渡ってサンプル表面と「平行」でこの表面と光結合することは、難しい。
【００３３】
【特許文献１】米国特許第４，６２５，１１４号明細書
【特許文献２】米国特許第４，６３４，２３４号明細書
【特許文献３】米国特許第３，５２４，６９４号明細書
【特許文献４】米国特許第３，７１１，１８６号明細書
【特許文献５】米国特許第３，９１２，３７８号明細書
【特許文献６】米国特許第５，００４，３０７号明細書
【特許文献７】米国特許第５，２０８，６４８号明細書
【特許文献８】米国特許第５，２８２，０８８号明細書
【非特許文献１】「現代光学エンジニアリング（Modern Optical Engineering）」、ワーレンＪ．スミス（Warren J. Smith）、マクグロウヒル（McGraw-Hill）、ｐ．２３０−２３６、１９６６年
【非特許文献２】「固体浸漬レンズ（Solid Immersion Microscopy）」、Ｍ．マンスフィールド（M. Mansfield）、スタンフォード大学博士論文ＧＬレポート４９４９（Stanford University Doctoral Thesis G. L. Report 4949）、１９９２年３月
【非特許文献３】「固体浸漬レンズ」、Ｍ．マンスフィールド、スタンフォード大学、１９９２年３月
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３４】
したがって本発明の目的は、従来技術の浸漬レンズの利点を具体化する一方で、従来技術の浸漬レンズの特定の不利点を回避する浸漬レンズを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００３５】
本発明の浸漬レンズは、従来技術の浸漬レンズの何れかの形態、特に図１ａ〜１ｃに示されるものとすることができる。しかし従来技術のレンズとは対照的に、本発明のレンズは、下面が凸である。すなわち本発明の浸漬レンズは、平凸ではなくて両凸浸漬レンズである。
【００３６】
本発明の両凸レンズは、下面が凸であるために、フォーカス点を正確に決定することができる。さらに下面が凸であるために、結像すべき対象物との接触点を最小にして、樹木点接触問題を回避することができる。加えて、本発明のレンズでは、サンプル上への最小限の圧力を用いて、さらなる結合が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
図２ａに、本発明の両凸浸漬レンズ２１０の第１の実施形態を示す。具体的には、上面２１２は、径方向の幾何学的中心がＧＣである半球の形状の凸である。下面２１４は凸であるが、曲率半径が上面のそれよりもはるかに大きい。下面２１４の曲率半径はたとえば、上面２１２のそれよりも１桁大きい。下面２１４の最下点は、上面の径方向の幾何学的中心ＧＣを通る。
【００３８】
使用時には、下面の最下点を、結像すべき対象物と接触させた状態で、下面の周辺を対象物から数１０ｎｍだけ離すことが有利である。しかし対象物から最大約２００ｎｍの間隙をあけて、間隙に空気または屈折率マッチング材料もしくは流体の何れかを満たした状態で、レンズ２１０を用いることもできる。このような構成では、最下点よりも下面の周辺の方が、対象物から数１０ｎｍだけ遠くにある。
【００３９】
図２ａの実施形態では、下面２１４が凸であるため、対象物との間に小さくて明確な「接触点」が存在する。レンズが対象物と接触していなくても、レンズと対象物との間で伝達される放射エネルギーのほとんど全部が、レンズの凸状下面２１４の最下点（本明細書では漠然と「接触点」と定義する）を通ることに注意されたい。接触点が小さくて明確であるため、結像すべき対象物上の点を正確に決定することができる。またレンズと対象物との間の物理的な相互作用が最小になる。
【００４０】
図２ｂに、図２ａのＳＩＬの変更された実施形態を示す。特に図２ｂのＳＩＬは、面取りされた縁２１５を有している。面取りされた縁２１５があるために、ＳＩＬホルダ内へのセット・アップを簡単に行なうことができる。図２ｂのＳＩＬを製造する一方法によれば、最初に半球を形成する。次に半球の周囲の縁を、切断して面取りする。そして下面の外形を、所望の外形半径に形成する。本明細書では面取りのオプションを図２ａのＳＩＬに関してのみ示しているが、本明細書で示す本発明のすべてのＳＩＬについてこのような面取りを施せることが、容易に明らかである。
【００４１】
図３に、本発明の浸漬レンズの他の実施形態を示す。この実施形態においては、下面３１４が上面３１２の径方向の幾何学的表面ＧＣの「上を」通ること以外は、図２の実施形態について説明したのと同じ方法でデザインされている。この構成は特に、透明な対象物に埋め込まれたフィーチャを結像するのに適している。具体的にはこの構成は、半導体内に埋め込まれたフィーチャを、半導体の背面から結像するのに適している。このことは、図３に示されている。図３では、３００が基板を示し、３０２が基板内のフィーチャを示している。このような結像構成は特に、「フリップ・チップ」の試験および分析に適している。
【００４２】
図４に、本発明の他の実施形態を示す。この実施形態においても、下面４１４が上面４１２の幾何学的平面ＧＣの「下を」通ること以外は、図２の実施形態について説明したのと同じ方法でデザインされている。この構成も、埋め込まれたフィーチャの試験に、特にトランジスタおよび能動素子に対する直接的な光学的アクセスがシリコン基板を通して実現できるフリップ・チップ・パッケージ集積回路などのサンプルの試験に、適している。前述したように、この構成の利点は、上面４１２と対物レンズ（図示せず）との間の作動距離を長くできることである。
【００４３】
前述の説明から理解できるように、本発明の浸漬レンズの利点は、小さくて明確な「接触点」が得られるために、結像すべき正確な位置を精密に決定できることである。また小さくて明確な接触点によって、レンズと結像対象物との間のどんな物理的相互作用も最小になるため、結像対象物上に欠陥が持ち込まれる可能性が最小限になる。
【００４４】
下面の曲率半径は、上面のそれよりかなり大きくても良い。いずれにしても、下面の曲率半径は、被検査表面のそれよりも小さくなくてはならない。つまり被検査表面が平坦、すなわち曲率半径が無限大である場合には、下面の曲率半径は、無限大より小さいどんな値であっても良い。一方で、被検査表面が曲線状である場合には、下面の曲率半径は、検査表面の曲率半径よりも小さくなければならない。このことは、基板４００の曲線状表面を示す図４の破線４１５によって示されている。
【００４５】
有利な結果を得るためには、エバネッセント表面波を捕捉するようにレンズは対象物に「結合」（直接接触）していなければならない。言い換えればレンズは、臨界角よりも大きい角度で対象物内を伝搬する光線を捕捉するように、対象物に結合していなければならない。結合は、ＳＩＬと検査対象物との間の物理的接触によって実現することができる。しかし一部の応用例では、本発明のＳＩＬに力を加えて検査対象物に押し付けるようにしたときに、ＳＩＬによって、さらなる結合能力がもたらされる。
【００４６】
たとえば、固めた構造を顕微鏡で見る場合、対象領域は、薄くて比較的展性のあるサンプル内に埋め込まれている。特に半導体ＩＣでは、光学的計測サンプルは通常、約５０〜１５０μｍまで薄くされる。フリップ・チップ・パッケージでは、これらのサンプルは、ＩＣの電気的性能を損なうことなく非平坦（波状）で従順な構造となるはんだアレイ上にボンディングされる。本発明のＳＩＬを用いることで、最小限の力をＳＩＬに加えて集光効率を高めることができる。図１１に、両凸ＳＩＬと通常の薄くされた（５００〜６００μｍから約１２０μｍ）フリップ・チップＩＣサンプルとの間の接触直径（面積）の関数としての必要な力を、表面曲率が異なる２つのＳＩＬに対して示す。１ｍｍの接触面積に対して必要となる力が比較的微小であることが、サンプルの展性を示している。
【００４７】
最良の光学的結合および結像結果を得るためには、浸漬レンズの屈折率は、結像される対象物のそれとマッチングしなければならない。ガラス中の対象物を検査する場合の適切な材料の例は、スコット（Ｓｃｈｏｔｔ）−５８ガラス、スコットＬａＫＮ−２２、およびスコットＬａＳＦ−９である。シリコン中のＩＣ応用例の場合には、シリコンで作製されたレンズによって、屈折率のマッチングが得られる。
【００４８】
本発明の浸漬レンズは、フリップ・チップ検査に応用される。具体的には、両凸浸漬レンズを用いてフリップ・チップをプローブすることを、チップの背面への接触および比較的小さな力の印加によって行なうと、チップがわずかに曲がるためにチップに対するレンズの結合が助けられることが、発明者らによって確認されている。このような曲がりは、試験されており、チップに損傷を与えることもなくまたチップの電気および／または動的（タイミング）特性を変化させることもなく成功することが分かっている。具体的には、以下の寸法を有する両凸レンズが製造された。
−上面の半径：３ｍｍ
−下面の半径：〜５４ｍｍ
−厚み／高さ：２．９ｍｍ
−屈折率（シリコン）：３．５
【００４９】
妥当な非破壊性の力で上面または下面の何れかをチップに押し付けることで、適切な結合が観察された。その結果、下面が湾曲したＳＩＬによってＩＣからの集光効率が増大することが明らかになった。当然のことながらこれらの寸法は、限定するものではなく、例示的な例として与えているに過ぎない。
【００５０】
図５に、本発明の一実施形態により図３の浸漬レンズを組み込んだ顕微鏡を示す。光源５４０からのビームは、レンズ５３５によって平行にされた後、部分的に透過するミラー５３０を通る。次にこの平行光は、対物レンズ５２５によって、対象物５００内部の点にフォーカスされる。フォーカスされた光線は、対象物に入る前に、浸漬レンズ５２０を通る。浸漬レンズ５２０は対象物に結合されているため、エバネッセント波エネルギーを、浸漬レンズを介して対象物におよび対象物から伝達することができる。
【００５１】
そして対象物の上面を出る光は、浸漬レンズ５２０によって捕捉される。浸漬レンズ５２０は、高誘電率材料（たとえば試料の材料）からなり、対象物に光学機械的に結合されている。結果として、このことにより効果的に、（本来の非ＳＩＬ）対物レンズ５２５の開口数が増加し、臨界角よりも大きい角度で対象物内部を伝搬する光線が捕捉される。こうして空間分解能が増加し、対象物内部において、より小さいサイズのフィーチャを解像することができる。
【００５２】
光は、浸漬レンズ５２０から対物レンズ５２５内へ通過した後、ミラー５３０から検出器５４５に向かって反射する。検出器５４５は、適切なカメラ（すなわちＣＣＤまたはビジコン・アレイ）、アイピース、または両方（回折および／または反射光学部材を既知の方法で用いる）であっても良い。
【００５３】
図５に示す顕微鏡には、本明細書で説明される本発明のどの浸漬レンズも使用できることを理解されたい。具体的には、図４に示す変更された無収差レンズも、対象物内部を結像するために用いることができる。埋め込まれたフィーチャではなく、対象物の表面上のフィーチャを結像することが好ましいときには、図２のレンズを用いることができる。
【００５４】
図６に、本発明のレンズの変形を示す。具体的には、図６の浸漬レンズは、図２〜４に示したレンズのそれと同様の凸状上面６１２を有する。浸漬レンズの下面は、小さくて明確な湾曲した接触面６１８と周囲の後退面６１６とを有するように、研磨されている。使用時には、湾曲した接触面６１８を対象物に結合する。結合は、接触面６１８を対象物と接触させることによってか、または接触面６１８を対象物の非常に近くにすなわち２００ｎｍ以内に位置させることによって行なう。後退面は、接触点上方に数１０ｎｍとなるようにデザインされており、間隙６１５を形成する。後退面は、傾斜させることもできるし（図示したように）、平坦にすることもできる。この例では、湾曲した接触面６１８は、凸状であり、曲率半径が上面６１２のそれよりも小さい。
【００５５】
本発明のＳＩＬの他の応用例は、光学データ記憶システムにおいてである。高開口数は、ＣＤ、ＣＤ−ＲＯＭ、およびＤＶＤなどの光学記憶システムにおいても好ましく、高開口数によって、記憶システムのデータ読み出しが増大し、データ密度を増加させることができる。図７に、このようなシステムを例示する。具体的には、記憶媒体は、基板７００および読み取り／書き込み面７０５の形態をなしており、これらは、ピットまたは位相シフト・フィーチャを、それ自体は既知の方法で含んでいても良い。本明細書で開示された何れかの浸漬レンズの形態の浸漬レンズ７２０を用いて、媒体から反射された光を集めて、対物レンズ７３０に中継する。浸漬レンズは、単一の読み取りまたは読み取り／書き込みヘッド構造内の対物レンズに、堅固または柔軟に結合することができる。単一構造は、媒体上方で、媒体の回転に起因する気流によって形成されるエア・クッション上を波乗り(surfing)する。図７では、気流は矢印７４０によって概略的に示されている。
【００５６】
図８に、本発明の典型的な実施形態による試験装置の一般的な構造を示し、図９に、関連する細部を多少拡大した図で示す。試験装置は特にフリップ・チップの結像に、特にフリップ・チップのスイッチング（動的およびタイミング）および他の試験用の時間分解放出（ホット・エレクトロン集光）に適している。フリップ・チップ８００（図９では９００）が、キャリア８１０（図９では示さず）上に、キャリア８１０に対する電気的接続性が得られるように搭載されている。図９に示したように、フリップ・チップ９００には、透明な絶縁基板層９０３と、第１の活性層９０５（トランジスタのソース／ドレイン拡散層など）と、さらなるデバイス層９０７（金属相互接続層など）とが含まれている。タイミング試験の場合、第１の活性層９０５が対象層であり、活性層９０５が焦点面内にあるように光学部材が構成される。
【００５７】
図８にさらに示すように、浸漬レンズ８２０は、キャリア８４０内に位置していて、アタッチメント８２５によって所定の位置に弾性的に保持されている。図８の実施形態においては、キャリア８４０は、下面が非常に研磨されたスライド式プレート８４４を含んでいる。下面は、浸漬レンズの下面から先にわずかに出ている。この特徴をさらに説明するために、この特徴の拡大図を示す図９を参照する。具体的には、図９において、キャリア９４０自体がスライド式プレートとして機能する。そのため、その下面９４２が非常に研磨されていて、浸漬レンズ９２０の下面９２２から先にわずかに出ている。図８および９に示すように、冷却流体経路（８４５、９４５）がキャリア（８４０、９４０）内部に形成されており、ホースまたはパイプ（８５０、９５０）を通して流体が経路に供給される。冷却流体は、ガスにすることも液体にすることもでき、フリップ・チップから熱を放散させるために用いられる。
【００５８】
一動作方法によれば、キャリアの下面を、フリップ・チップの下面と接触させて、浸漬レンズをチップ上でスライドさせて試験用の適切な場所に位置させるように用いる。この特徴の第１の利点は、レンズ下面とチップ表面との間の距離が、機械的に一定に保持されることである。この特徴の第２の利点は、チップに対する浸漬レンズ下面の引っかきまたは研磨が回避されることである。第３の利点は、キャリアによって、試験用デバイスから熱が放散されることである。
【００５９】
他方で、レンズ底部は、フリップ・チップの表面に接触していないため、光結合が最適ではない。そのため代替的な実施形態においては、ＳＩＬの下面は、キャリアの下面から先にわずかに出ている。この配置を用いて、ＳＩＬをフリップ・チップの種々の場所上に「ピック・アンド・プレース」すれば、スライディングがまったく発生しないために引っかきが回避される。
【００６０】
次に読者の注意を図８に戻して、試験装置の動作をさらに説明する。浸漬レンズを試験用デバイス上のポイントからポイントへ移動させるために、キャリッジ８４０がｘ−ｙ−ｚステージ８６０に接続されている。比較的大きく移動させる場合には、キャリッジ８４０をデバイスから持ち上げて、新しい場所へ移動させ、そして再び下げてデバイスと接触させることが意図されている。微調整する場合には、デバイス表面を横切ってキャリッジを移動させても良いし、レンズを新しい場所へ「ピック・アンド・プレース」（picked and placed）しても良い。固定された構造に光学レンズを取り付けると同時に、被試験デバイスをｘ−ｙ−ｚステージに取り付けることによって、同じ機能を達成できることを理解されたい。
【００６１】
ステージ８６０は、Ｚ微調整用のマニピュレータ８７０をさらに含んでいる。具体的には、マニピュレータ８７０を用いて浸漬レンズと対物レンズ８３０との間の距離を制御して、フォーカス調整および圧力制御を行なう。マニピュレータ８７０は、それ自体は既知のオートフォーカス・システムによって制御しても良い。
【００６２】
次に本発明の他の特徴について説明する。具体的には、図９に見られるように、浸漬レンズと試験用デバイスの表面９０９との間に小さな空洞９１５が形成されている。浸漬レンズの下面９２２とデバイスの下面９０９との間の距離が小さい場合には（たとえば２００ｎｍ以下）、この空洞をそのまま空気だけが含まれるようにしても良い。しかし代替的な実施形態においては、この空洞内部に屈折率マッチング流体を配置する。こうすることで、試験装置の結像能力を高めて、キャリッジを動かすときの摩擦を減らすことができる。実際には、デバイス表面９０９上に屈折率マッチング流体を配置した後に、キャリッジをデバイス上に下げることが考えられる。
【００６３】
一実施形態においては、レンズの上側凸面に、反射防止材料をコーティングする。レンズのデザインによってすべての光線が上面に９０度で入射／出射するため、コーティングの厚みが凸面全体上で同じになり、その結果、コーティングは大幅に簡単になる。
【００６４】
本発明を、特定の実施形態を参照して説明してきたが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。具体的には、添付の特許請求の範囲によって規定されるような本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、当業者によって種々の変形および変更が行なわれても良い。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１ａ】従来技術による固体浸漬レンズを示す図である。
【図１ｂ】従来技術による固体浸漬レンズを示す図である。
【図１ｃ】従来技術による固体浸漬レンズを示す図である。
【図２ａ】本発明の固体浸漬レンズの第１の実施形態を示す図である。
【図２ｂ】本発明の固体浸漬レンズの第２の実施形態を示す図である。
【図３】本発明の固体浸漬レンズの第３の実施形態を示す図である。
【図４】本発明の固体浸漬レンズの第４の実施形態を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態による固体浸漬レンズを組み込んだ顕微鏡を示す図である。
【図６】本発明の固体浸漬レンズの第５の実施形態を示す図である。
【図７】光学的記憶用途における本発明のレンズの使用を示す図である。
【図８】本発明の典型的な実施形態による、本発明の浸漬レンズおよび保持プレートを用いる試験装置の一般的な構造を示す図である。
【図９】本発明の典型的な実施形態による、図８の試験装置の関連する細部を示す図である。
【図１０ａ】一般的な従来技術の光学システムを示す図である。
【図１０ｂ】一般的な従来技術の光学システムを示す図である。
【図１１】本発明の実施形態による２つの固体浸漬レンズに対する接触対印加した力を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６６】
１００、５００…対象物
１１０、１２０、１３０、２１０、５２０、５２５、５３５、７２０、７３０、８２０、８３０、９２０…レンズ
１２５…屈折率マッチング材料
２１２、３１２、４１２、６１２…上面
２１４、３１４、４１４、９２２、９４２…下面
４００、７００、９０３…基板
５３０…ミラー
５４０…光源
５４５…検出器
６１５…間隙
６１６…後退面
６１８…接触面
７０５…読み取り／書き込み面
８００、９００…フリップ・チップ
８１０、８４０、９４０…キャリア
８２５…アタッチメント
８４４…スライド式プレート
８６０…ステージ
８７０…マニピュレータ
９０５…活性層
９０７…デバイス層
９０９…デバイス表面
９１５…空洞
【図１ａ】
2005515514.tif 000003
【図１ｂ】
2005515514.tif 000004
【図１ｃ】
2005515514.tif 000005
【図２ａ】
2005515514.tif 000006
【図２ｂ】
2005515514.tif 000007
【図１１】
2005515514.tif 000008
【図３】
2005515514.tif 000009
【図４】
2005515514.tif 000010
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2005515514.tif 000015
【図１０ａ】
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【図１０ｂ】
2005515514.tif 000017
【国際調査報告】
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2005515514.tif 000019
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