(57)【要約】      （修正有）【課題】レンズを薄型化することができるメタレンズユニット、半導体故障解析装置、及び半導体故障解析方法を提供する。【解決手段】メタレンズユニット２は、半導体デバイス１１に当接可能な当接面６１を有するメタレンズ６０と、メタレンズホルダと、を備える。メタレンズ６０は、基部６２と、第１屈折率をそれぞれ有し、当接面６１の一部を構成する第１アンテナ端面７１をそれぞれ含む複数の第１アンテナ７０と、第２屈折率を有し、複数の第１アンテナ７０の間に位置し、当接面６１の残部を構成する第１外縁部端面６７を含む第１外縁部６６と、を有し、当接面６１に直交する方向から見て、複数の第１アンテナ７０の大きさ、形状、及び配置の少なくともいずれかが当接面６１内で変化しており、複数の第１アンテナ７０及び第１外縁部６６により構成される第１アンテナ部分７２の実効屈折率が分布を有することで、レンズとして機能する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
観察対象物である半導体デバイスに当接可能な当接面を有するメタレンズと、
前記メタレンズを保持する保持部と、を備え、
前記メタレンズは、
基部と、
第１屈折率をそれぞれ有し、前記当接面の一部を構成する第１アンテナ端面をそれぞれ含む複数の第１アンテナと、
前記第１屈折率とは異なる第２屈折率を有し、複数の前記第１アンテナの間に位置し、前記当接面の残部を構成する第１中間部端面を含む第１中間部と、を有し、
前記当接面に直交する方向から見て、複数の前記第１アンテナの大きさ、形状、及び配置の少なくともいずれかが前記当接面内で変化しており、複数の前記第１アンテナ及び前記第１中間部により構成される第１アンテナ部分の実効屈折率が分布を有することで、レンズとして機能する、メタレンズユニット。
【請求項２】
前記第１中間部は、前記基部と一体に形成され、
複数の前記第１アンテナのそれぞれは、前記第１アンテナ端面が前記当接面に露出するように配置されている、請求項１に記載のメタレンズユニット。
【請求項３】
複数の前記第１アンテナのそれぞれは、前記基部から前記半導体デバイスに当接する方向に向かって突出し、
前記第１中間部は、複数の前記第１アンテナの間に充満した液体である、請求項１に記載のメタレンズユニット。
【請求項４】
複数の前記第１アンテナのそれぞれは、シリコンにより形成されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載のメタレンズユニット。
【請求項５】
複数の前記第１アンテナのそれぞれは、前記当接面に直交する方向から見て、周期的に配列している、請求項１〜４のいずれか一項に記載のメタレンズユニット。
【請求項６】
前記メタレンズには、波長が１００ｎｍ以上５２００ｎｍ以下の入射光が入射され、
複数の前記第１アンテナのそれぞれは、前記当接面に直交する方向から見て、前記波長よりも短い周期で配列している、請求項５に記載のメタレンズユニット。
【請求項７】
前記メタレンズは、
前記当接面とは反対側の対向面を有し、
第３屈折率をそれぞれ有し、前記対向面の少なくとも一部を構成する第２アンテナ端面をそれぞれ含む複数の第２アンテナと、
前記３屈折率とは異なる第４屈折率を有し、複数の前記第２アンテナの間に位置する第２中間部と、を有し、
前記対向面に直交する方向から見て、複数の前記第２アンテナの大きさ、形状、及び配置の少なくともいずれかが前記対向面内で変化しており、複数の前記第２アンテナ及び前記第２中間部により構成される第２アンテナ部分の実効屈折率が分布を有することで、レンズとして機能する、請求項１〜６のいずれか一項に記載のメタレンズユニット。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項に記載のメタレンズユニットを備える、半導体故障解析装置。
【請求項９】
前記メタレンズに対して前記当接面とは反対側に配置された対物レンズを備える、請求項８に記載の半導体故障解析装置。
【請求項１０】
基部と、第１屈折率をそれぞれ有し、観察対象物である半導体デバイスに当接可能な当接面の一部を構成する第１アンテナ端面をそれぞれ含む複数の第１アンテナと、前記第１屈折率とは異なる第２屈折率を有し、複数の前記第１アンテナの間に位置し、前記当接面の残部を構成する第１中間部端面を含む第１中間部と、を有し、前記当接面に直交する方向から見て、複数の前記第１アンテナの大きさ、形状、及び配置の少なくともいずれかが前記当接面内で変化しており、複数の前記第１アンテナ及び前記第１中間部により構成される第１アンテナ部分の実効屈折率が分布を有することで、レンズとして機能するメタレンズを、前記半導体デバイスに当接させる当接ステップと、
前記メタレンズを用いて前記半導体デバイスを観察することにより前記半導体デバイスの故障解析を実行する故障解析ステップと、を備える、半導体故障解析方法。
【請求項１１】
前記第１中間部は、前記基部と一体に形成され、
複数の前記第１アンテナのそれぞれは、前記第１アンテナ端面が前記当接面に露出するように配置されている、請求項１０に記載の半導体故障解析方法。
【請求項１２】
複数の前記第１アンテナのそれぞれは、前記基部から前記半導体デバイスに当接する方向に向かって突出し、
前記当接ステップにおいて、前記半導体デバイスと前記基部との間に生じる空間に、液体を前記第１中間部として充満させる、請求項１０に記載の半導体故障解析方法。
【請求項１３】
複数の前記第１アンテナのそれぞれは、シリコンにより形成されている、請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の半導体故障解析方法。
【請求項１４】
複数の前記第１アンテナのそれぞれは、前記当接面に直交する方向から見て、周期的に配列している、請求項１０〜１３のいずれか一項に記載の半導体故障解析方法。
【請求項１５】
前記メタレンズには、波長が１００ｎｍ以上５２００ｎｍ以下の入射光が入射され、
複数の前記第１アンテナのそれぞれは、前記当接面に直交する方向から見て、前記波長よりも短い周期で配列している、請求項１４に記載の半導体故障解析方法。
【請求項１６】
前記メタレンズは、
前記当接面とは反対側の対向面を有し、
第３屈折率をそれぞれ有し、前記対向面の少なくとも一部を構成する第２アンテナ端面をそれぞれ含む複数の第２アンテナと、
前記３屈折率とは異なる第４屈折率を有し、複数の前記第２アンテナの間に位置する第２中間部と、を有し、
前記対向面に直交する方向から見て、複数の前記第２アンテナの大きさ、形状、及び配置の少なくともいずれかが前記対向面内で変化しており、複数の前記第２アンテナ及び前記第２中間部により構成される第２アンテナ部分の実効屈折率が分布を有することで、レンズとして機能する、請求項１０〜１５のいずれか一項に記載の半導体故障解析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、メタレンズユニット、半導体故障解析装置、及び半導体故障解析方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
観察対象物の拡大画像を取得するための方法として、非特許文献１には、観察対象物としてのシリコン基板の表面から突出するように、入射光の波長よりも短い周期で配列した複数の微細構造を形成することが開示されている。この方法によれば、複数の微細構造のそれぞれの大きさ、形状、配置等を制御することにより微細構造部分の実効屈折率を制御して、シリコン基板の拡大画像を取得することができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Paul R. West et al., “All-dielectric subwavelength metasurfacefocusing lens”, Optics Express, The Optical Society, 2014, Vol. 22, Issue 21,p. 26212-26221
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、観察対象物としての半導体デバイスの拡大画像を取得しその内部情報を検査することにより、当該半導体デバイスの故障を解析する半導体故障解析装置が知られている。従来の半導体故障解析装置では、半導体デバイスの拡大画像を取得するために、固浸レンズ（ＳＩＬ：Solid Immersion Lens）を備える固浸レンズユニットが用いられる場合がある。この場合、固浸レンズを半導体デバイスに当接させることで、開口数及び倍率が共に拡大され、高い空間分解能で半導体デバイスの拡大画像を取得することが可能となる。固浸レンズとしては、例えば、半球形状又はワイエルストラス球と呼ばれる超半球形状を呈し、外径が１ｍｍ〜５ｍｍ程度のレンズが用いられる。しかし、このような形状の固浸レンズは外径に応じて厚さが決定されるため薄型化することが難しく、その結果、レンズユニットを小型化することが難しくなる。
【０００５】
そこで、本開示は、レンズを薄型化することができるメタレンズユニット、半導体故障解析装置、及び半導体故障解析方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示の一態様に係るメタレンズユニットは、観察対象物である半導体デバイスに当接可能な当接面を有するメタレンズと、メタレンズを保持する保持部と、を備え、メタレンズは、基部と、第１屈折率をそれぞれ有し、当接面の一部を構成する第１アンテナ端面をそれぞれ含む複数の第１アンテナと、第１屈折率とは異なる第２屈折率を有し、複数の第１アンテナの間に位置し、当接面の残部を構成する第１中間部端面を含む第１中間部と、を有し、当接面に直交する方向から見て、複数の第１アンテナの大きさ、形状、及び配置の少なくともいずれかが当接面内で変化しており、複数の第１アンテナ及び第１中間部により構成される第１アンテナ部分の実効屈折率が分布を有することで、レンズとして機能する。
【０００７】
このメタレンズユニットによれば、メタレンズは、第１中間部とは異なる屈折率を有する複数の第１アンテナの大きさ、形状、及び配置の少なくともいずれかが当接面内で変化しており、第１アンテナ部分の実効屈折率が分布を有することで、レンズとして機能する。ここで、メタレンズは、複数の第１アンテナの大きさ、形状、及び配置の少なくともいずれかを制御することにより、第１アンテナ部分の実効屈折率を制御することができる。このため、このメタレンズユニットは、メタレンズの外径にかかわらず、第１アンテナ部分の実効屈折率を所望の値とすることができる。よって、このメタレンズユニットは、レンズを薄型化することができる。
【０００８】
本開示の一態様に係るメタレンズユニットでは、第１中間部は、基部と一体に形成され、複数の第１アンテナのそれぞれは、第１アンテナ端面が当接面に露出するように配置されていてもよい。これによれば、半導体デバイスとメタレンズとの間に空気層からなる空間が生じることを好適に抑制することができる。このため、半導体デバイスと空気層との屈折率の差が大きいことに起因した半導体デバイス上での界面反射が抑制され、光の透過率が向上する。よって、このメタレンズユニットは、メタレンズを高効率化することができる。
【０００９】
本開示の一態様に係るメタレンズユニットでは、複数の第１アンテナのそれぞれは、基部から半導体デバイスに当接する方向に向かって突出し、第１中間部は、複数の第１アンテナの間に充満した液体であってもよい。これによれば、半導体デバイスに当接する当接面が第１アンテナの第１アンテナ端面及び液体の表面により構成されるため、半導体デバイスとメタレンズとの間に空気層からなる空間が生じることを好適に抑制することができる。このため、半導体デバイスと空気層との屈折率の差が大きいことに起因した半導体デバイス上での界面反射が抑制され、光の透過率が向上する。よって、このメタレンズユニットは、メタレンズを高効率化することができる。また、このメタレンズユニットは、基部等を加工して第１中間部を形成する必要がないため、製造が容易になる。
【００１０】
本開示の一態様に係るメタレンズユニットでは、複数の第１アンテナのそれぞれは、シリコンにより形成されていてもよい。これによれば、シリコン基板を備える半導体デバイスとシリコンにより形成された第１アンテナとの屈折率の差が小さいため、半導体デバイス上での界面反射が抑制され、光の透過率が向上する。よって、このメタレンズユニットは、メタレンズを高効率化することができる。
【００１１】
本開示の一態様に係るメタレンズユニットでは、複数の第１アンテナのそれぞれは、当接面に直交する方向から見て、周期的に配列していてもよい。これによれば、このメタレンズユニットは、第１アンテナ部分の実効屈折率を好適に制御することができる。
【００１２】
本開示の一態様に係るメタレンズユニットでは、メタレンズには、波長が１００ｎｍ以上５２００ｎｍ以下の入射光が入射され、複数の第１アンテナのそれぞれは、当接面に直交する方向から見て、波長よりも短い周期で配列していてもよい。これによれば、複数の第１アンテナが入射光の波長よりも短い周期で配列しているため、入射光は、第１アンテナ部分が実効屈折率を有する連続媒質であるかのように振る舞う。よって、このメタレンズユニットは、第１アンテナ部分の実効屈折率を好適に制御することができるとともに、入射光を好適に集光することができる。
【００１３】
本開示の一態様に係るメタレンズユニットでは、メタレンズは、当接面とは反対側の対向面を有し、第３屈折率をそれぞれ有し、対向面の少なくとも一部を構成する第２アンテナ端面をそれぞれ含む複数の第２アンテナと、第３屈折率とは異なる第４屈折率を有し、複数の第２アンテナの間に位置する第２中間部と、を有し、対向面に直交する方向から見て、複数の第２アンテナの大きさ、形状、及び配置の少なくともいずれかが対向面内で変化しており、複数の第２アンテナ及び第２中間部により構成される第２アンテナ部分の実効屈折率が分布を有することで、レンズとして機能してもよい。これによれば、第１アンテナ部分のみの場合にはメタレンズの大きさに起因して空間分解能が制限されるのに対して、第２アンテナ部分により空間分解能が更に向上する。よって、このメタレンズユニットは、より高い空間分解能で半導体デバイスの拡大画像を取得することができる。
【００１４】
本開示の一態様に係る半導体故障解析装置は、上記メタレンズユニットを備えていてもよい。半導体故障解析装置において、半導体デバイスの拡大画像を取得するために非特許文献１に開示される方法を用いようとすると、故障解析を実行しようとする半導体デバイス自体に微細構造を形成する必要があるため、手間が掛かる。これに対して、この半導体故障解析装置によれば、第１アンテナ部分は、観察対象物である半導体デバイスではなくメタレンズに形成されているため、半導体デバイスの故障を解析するための手間が軽減される。また、この半導体故障解析装置では、メタレンズは、第１中間部とは異なる屈折率を有する複数の第１アンテナの大きさ、形状、及び配置の少なくともいずれかが当接面内で変化しており、第１アンテナ部分の実効屈折率が分布を有することで、レンズとして機能する。ここで、メタレンズは、複数の第１アンテナの大きさ、形状、及び配置の少なくともいずれかを制御することにより、第１アンテナ部分の実効屈折率を制御することができる。このため、この半導体故障解析装置は、メタレンズの外径にかかわらず、第１アンテナ部分の実効屈折率を所望の値とすることができる。よって、この半導体故障解析装置は、故障解析の手間を軽減することができるとともにレンズを薄型化することができる。
【００１５】
本開示の一態様に係る半導体故障解析装置は、メタレンズに対して当接面とは反対側に配置された対物レンズを備えていてもよい。これによれば、メタレンズのみの場合にはメタレンズの大きさに起因して空間分解能が制限されるのに対して、対物レンズにより空間分解能が更に向上する。よって、この半導体故障解析装置は、より高い空間分解能で半導体デバイスの拡大画像を取得することが可能となる。
【００１６】
本開示の一態様に係る半導体故障解析方法は、基部と、第１屈折率をそれぞれ有し、観察対象物である半導体デバイスに当接可能な当接面の一部を構成する第１アンテナ端面をそれぞれ含む複数の第１アンテナと、第１屈折率とは異なる第２屈折率を有し、複数の第１アンテナの間に位置し、当接面の残部を構成する第１中間部端面を含む第１中間部と、を有し、当接面に直交する方向から見て、複数の第１アンテナの大きさ、形状、及び配置の少なくともいずれかが当接面内で変化しており、複数の第１アンテナ及び第１中間部により構成される第１アンテナ部分の実効屈折率が分布を有することで、レンズとして機能するメタレンズを、半導体デバイスに当接させる当接ステップと、メタレンズを用いて半導体デバイスを観察することにより半導体デバイスの故障解析を実行する故障解析ステップと、を備える。
【００１７】
この半導体故障解析方法によれば、メタレンズは、第１中間部とは異なる屈折率を有する複数の第１アンテナの大きさ、形状、及び配置の少なくともいずれかが当接面内で変化しており、第１アンテナ部分の実効屈折率が分布を有することで、レンズとして機能する。ここで、メタレンズは、複数の第１アンテナの大きさ、形状、及び配置の少なくともいずれかを制御することにより、第１アンテナ部分の実効屈折率を制御することができる。このため、この半導体故障解析方法では、メタレンズの外径にかかわらず、第１アンテナ部分の実効屈折率を所望の値とすることが可能であり、そのようなメタレンズを用いて半導体デバイスを観察して半導体デバイスの故障解析を実行することができる。よって、この半導体故障解析方法では、レンズを薄型化することができる。
【００１８】
本開示の一態様に係る半導体故障解析方法では、第１中間部は、基部と一体に形成され、複数の第１アンテナのそれぞれは、第１アンテナ端面が当接面に露出するように配置されていてもよい。これによれば、半導体デバイスとメタレンズとの間に空気層からなる空間が生じることを好適に抑制することができる。このため、半導体デバイスと空気層との屈折率の差が大きいことに起因した半導体デバイス上での界面反射が抑制され、光の透過率が向上する。よって、この半導体故障解析方法では、メタレンズを高効率化することができる。
【００１９】
本開示の一態様に係る半導体故障解析方法では、複数の第１アンテナのそれぞれは、基部から半導体デバイスに当接する方向に向かって突出し、当接ステップにおいて、半導体デバイスと基部との間に生じる空間に、液体を第１中間部として充満させてもよい。これによれば、半導体デバイスに当接する当接面が第１アンテナの第１アンテナ端面及び液体の表面により構成されるため、半導体デバイスとメタレンズとの間に空気層からなる空間が生じることを好適に抑制することができる。このため、半導体デバイスと空気層との屈折率の差が大きいことに起因した半導体デバイス上での界面反射が抑制され、光の透過率が向上する。よって、この半導体故障解析方法では、メタレンズを高効率化することができる。
【００２０】
本開示の一態様に係る半導体故障解析方法では、複数の第１アンテナのそれぞれは、シリコンにより形成されていてもよい。これによれば、シリコン基板を備える半導体デバイスとシリコンにより形成された第１アンテナとの屈折率の差が小さいため、半導体デバイス上での界面反射が抑制され、光の透過率が向上する。よって、この半導体故障解析方法では、メタレンズを高効率化することができる。
【００２１】
本開示の一態様に係る半導体故障解析方法では、複数の第１アンテナのそれぞれは、当接面に直交する方向から見て、周期的に配列していてもよい。これによれば、この半導体故障解析方法では、第１アンテナ部分の実効屈折率を好適に制御することができる。
【００２２】
本開示の一態様に係る半導体故障解析方法では、メタレンズには、波長が１００ｎｍ以上５２００ｎｍ以下の入射光が入射され、複数の第１アンテナのそれぞれは、当接面に直交する方向から見て、波長よりも短い周期で配列していてもよい。これによれば、複数の第１アンテナが入射光の波長よりも短い周期で配列しているため、入射光は、第１アンテナ部分が実効屈折率を有する連続媒質であるかのように振る舞う。よって、この半導体故障解析方法では、第１アンテナ部分の実効屈折率を好適に制御することができるとともに、入射光を好適に集光することができる。
【００２３】
本開示の一態様に係る半導体故障解析方法では、メタレンズは、当接面とは反対側の対向面を有し、第３屈折率をそれぞれ有し、対向面の少なくとも一部を構成する第２アンテナ端面をそれぞれ含む複数の第２アンテナと、第３屈折率とは異なる第４屈折率を有し、複数の第２アンテナの間に位置する第２中間部と、を有し、対向面に直交する方向から見て、複数の第２アンテナの大きさ、形状、及び配置の少なくともいずれかが対向面内で変化しており、複数の第２アンテナ及び第２中間部により構成される第２アンテナ部分の実効屈折率が分布を有することで、レンズとして機能してもよい。これによれば、レンズの数が増えるため、倍率が更に拡大される。よって、この半導体故障解析方法では、より高い空間分解能で半導体デバイスの拡大画像を取得することができる。
【発明の効果】
【００２４】
本開示の種々の態様によれば、レンズを薄型化することができるメタレンズユニット、半導体故障解析装置、及び半導体故障解析方法を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】図１は、第１実施形態に係る半導体故障解析装置を示すブロック図である。
【図２】図２は、メタレンズユニット及び対物レンズを示す正面図である。
【図３】図３は、メタレンズユニットのメタレンズが半導体デバイスに当接した状態を模式的に示す正面図である。
【図４】図４は、メタレンズを模式的に示す平面図である。
【図５】図５は、メタレンズにおいて実効屈折率が分布を有することを説明するための図である。
【図６】図６は、メタレンズを透過する光の経路を説明するための図である。
【図７】図７は、メタレンズの第１製造方法を説明するための図である。
【図８】図８は、メタレンズの第１製造方法を説明するための図である。
【図９】図９は、メタレンズの第２製造方法を説明するための図である。
【図１０】図１０は、メタレンズの第２製造方法を説明するための図である。
【図１１】図１１は、メタレンズの第２製造方法を説明するための図である。
【図１２】図１２は、第２実施形態に係るメタレンズユニットのメタレンズが半導体デバイスに当接した状態を模式的に示す正面図である。
【図１３】図１３は、第３実施形態に係るメタレンズユニットのメタレンズが半導体デバイスに当接した状態を模式的に示す正面図である。
【図１４】図１４は、第４実施形態に係るメタレンズユニットのメタレンズが半導体デバイスに当接した状態を模式的に示す正面図である。
【図１５】図１５は、第５実施形態に係るメタレンズユニットのメタレンズに液体を充満させる前の状態を模式的に示す正面図である。
【図１６】図１６は、半導体故障解析方法を説明するための図である。
【図１７】図１７は、半導体故障解析方法を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、図面を参照して、例示的な実施形態について説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２７】
［第１実施形態］
［半導体故障解析装置の構成］
図１は、第１実施形態に係る半導体故障解析装置１を示すブロック図である。図２は、メタレンズユニット２及び対物レンズ２１を示す正面図である。図３は、メタレンズユニット２のメタレンズ６０が半導体デバイス１１に当接した状態を模式的に示す正面図である。図１〜図３に示される半導体故障解析装置１は、例えば、モールド型半導体デバイス１０が有する半導体デバイス１１を観察対象物として、半導体デバイス１１の拡大画像を取得しその内部情報を検査することにより、半導体デバイス１１の故障を解析する装置である。図１〜図３には、メタレンズユニット２のメタレンズ６０が半導体デバイス１１に当接した状態が示されている。以下、メタレンズ６０に対して対物レンズ２１側を上側、メタレンズ６０に対して半導体デバイス１１側を下側として説明する。
【００２８】
モールド型半導体デバイス１０とは、半導体デバイス１１が樹脂１２によってモールドされたものである。半導体デバイス１１の「内部情報」には、例えば、半導体デバイス１１の回路パターン、半導体デバイス１１からの微弱発光、及び半導体デバイス１１における発熱に関する情報が含まれる。「微弱発光」としては、例えば、半導体デバイス１１の欠陥に基づく異常箇所に起因する発光、及び、半導体デバイス１１内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が挙げられる。「発熱」としては、例えば、半導体デバイス１１の欠陥に基づく発熱が挙げられる。
【００２９】
半導体デバイス１１は、基板１１ａ、及び、基板１１ａの表面１１ｂに形成された集積回路１１ｃを有しており、樹脂１２に埋設されている。図中では、集積回路１１ｃは簡略化して示されている。モールド型半導体デバイス１０は、半導体デバイス１１の裏面１１ｄが露出するように樹脂１２の一部が切削されることで、樹脂１２に形成された凹部１３の底面１３ａに半導体デバイス１１が位置した状態とされる。このとき、半導体デバイス１１の表面１１ｂと凹部１３の底面１３ａとは互いに接している。そして、半導体デバイス１１の裏面１１ｄが上を向くようにモールド型半導体デバイス１０がステージＳ上に載置され、半導体故障解析装置１は、基板１１ａの集積回路１１ｃの拡大画像を取得する。なお、半導体デバイス１１の基板１１ａは、シリコンにより形成されたシリコン基板であってもよく、この場合、基板１１ａが有する屈折率は３．５程度である。
【００３０】
半導体故障解析装置１は、半導体デバイス１１の観察を行う観察部Ａ、観察部Ａの各部の動作を制御する制御部Ｂ、及び、半導体デバイス１１の故障解析に必要な処理及び指示等を行う解析部Ｃを備えている。
【００３１】
観察部Ａは、メタレンズユニット２、光学系２０、高感度カメラ３、レーザスキャン光学系（ＬＳＭ：Laser Scanning Microscope）ユニット４、及びＸＹＺステージ７を具備している。メタレンズユニット２は、半導体デバイス１１の拡大画像を取得するためのレンズユニットである。光学系２０は、半導体デバイス１１を観察するための顕微鏡５を備えている。また、光学系２０は、高感度カメラ３及びＬＳＭユニット４と半導体デバイス１１との間に配置され、半導体デバイス１１と対峙するように配置された対物レンズ２１を備えている。なお、図３において、対物レンズ２１は実際よりも小さく示されている。
【００３２】
高感度カメラ３及びＬＳＭユニット４は、半導体デバイス１１からの画像を取得する画像取得手段である。ＸＹＺステージ７は、直交するＸＹＺ方向にこれらを移動させる機構である。「ＸＹＺ方向」は、メタレンズ６０の当接面６１に平行な「ＸＹ方向」、及び、メタレンズ６０の当接面６１に直交する「Ｚ方向」からなる。ここでは、ＸＹ方向は水平方向であり、Ｚ方向は上下方向である。
【００３３】
メタレンズユニット２は、メタレンズ６０、及び、メタレンズ６０を保持するメタレンズホルダ（保持部）８を備えている。メタレンズ６０は、薄膜状又は平板状を呈し、観察対象物である半導体デバイス１１に当接可能な当接面６１を有している（詳しくは後述）。当接面６１は、メタレンズ６０の外面のうち、半導体デバイス１１側の面（ここでは、下方の面）に形成されている。
【００３４】
メタレンズホルダ８は、メタレンズ６０を対物レンズ２１の下方に保持する。メタレンズホルダ８は、例えばアルミニウム等の金属によって形成されている。メタレンズホルダ８は、対物レンズ２１の下端部に取り付けられる筒状の本体部８ａ、及び、本体部８ａの半導体デバイス１１側（対物レンズ２１とは反対側）の端部に設けられてメタレンズ６０を保持するレンズ保持部８ｂを備えている。
【００３５】
本体部８ａは、ＬＳＭユニット４から出力された光をメタレンズ６０側に通すとともに、半導体デバイス１１によって反射されメタレンズ６０から出力された光を対物レンズ２１側に通す。本体部８ａは、対物レンズ２１の下端部に外挿されて螺合される円筒状の周壁部８ｃを有しており、周壁部８ｃと対物レンズ２１の下端部とが螺合されることで、対物レンズ２１の光軸Ｌ上にメタレンズホルダ８の中心が位置決めされる。これにより、メタレンズホルダ８に保持されるメタレンズ６０の位置がＸＹＺステージ７の駆動によって調整可能となる。また、本体部８ａは、周壁部８ｃとレンズ保持部８ｂとの間に延在する延在壁部８ｄを有している。
【００３６】
レンズ保持部８ｂは、メタレンズ６０に対してガタ、言い換えれば、クリアランス（隙間）を有している。これにより、レンズ保持部８ｂは、メタレンズ６０が半導体デバイス１１に当接する前の状態においては、メタレンズ６０を揺動可能に保持している。この状態からメタレンズ６０の当接面６１を半導体デバイス１１の裏面１１ｄに当接させると、メタレンズ６０がレンズ保持部８ｂに対して揺動することで当接面６１が半導体デバイス１１の裏面１１ｄに倣って密着する。このため、例えば、半導体デバイス１１の裏面１１ｄが光軸Ｌに対して傾斜している場合であっても、当接面６１が半導体デバイス１１の裏面１１ｄに倣って良好に密着することで、半導体デバイス１１の観察が可能である。
【００３７】
光学系２０は、対物レンズ２１、カメラ用光学系２２、及びＬＳＭユニット用光学系２３を備えている。対物レンズ２１は、メタレンズ６０に対して当接面６１とは反対側に配置されている。対物レンズ２１は、倍率が異なるものが複数設けられ、切り換え可能とされている。また、対物レンズ２１は、補正環２４を有しており、補正環２４を調整することで観察したい箇所に精度良く焦点を合わせることが可能である。
【００３８】
カメラ用光学系２２は、メタレンズ６０及び対物レンズ２１を通った半導体デバイス１１からの光を高感度カメラ３に導く。高感度カメラ３は、半導体デバイス１１の回路パターン等の画像を作成するための画像データを出力する。高感度カメラ３は、ＣＣＤエリアイメージセンサ、ＣＭＯＳエリアイメージセンサ、又はＩｎＧａＡｓエリアイメージセンサ等を搭載している。
【００３９】
ＬＳＭユニット用光学系２３は、ＬＳＭユニット４からの赤外レーザ光をビームスプリッタ（不図示）で対物レンズ２１側に反射し、半導体デバイス１１に導く。また、ＬＳＭユニット用光学系２３は、メタレンズ６０及び対物レンズ２１を通って高感度カメラ３に向かう半導体デバイス１１からの反射レーザ光をＬＳＭユニット４に導く。
【００４０】
ＬＳＭユニット４は、半導体デバイス１１上をＸＹ方向に走査するように赤外レーザ光を半導体デバイス１１側に出射するとともに、半導体デバイス１１からの反射光をアバランシェフォトダイオード、フォトダイオード、又は光電子増倍管等の光検出器４ａで検出光として検出する。この検出光（反射光）の強度は、半導体デバイス１１の回路パターン等を反映した強度となる。したがって、ＬＳＭユニット４によって赤外レーザ光が半導体デバイス１１上をＸＹ方向に走査されることで、ＬＳＭユニット４の光検出器４ａは、半導体デバイス１１の回路パターン等の画像を作成するための画像データを生成可能である。
【００４１】
ＸＹＺステージ７は、上述したように、メタレンズユニット２、光学系２０、高感度カメラ３、及びＬＳＭユニット４等を、ＸＹ方向及びＺ方向のそれぞれに必要に応じて移動させる。ＸＹＺステージ７は、制御部Ｂにより動作を制御される。
【００４２】
制御部Ｂは、カメラコントローラ３１、レーザスキャン（ＬＳＭ）コントローラ３２、及びペリフェラルコントローラ３３を備えている。カメラコントローラ３１及びＬＳＭコントローラ３２は、高感度カメラ３及びＬＳＭユニット４の動作をそれぞれ制御することで、観察部Ａで行われる半導体デバイス１１の観察（画像の取得）及び観察条件の設定等を制御する。
【００４３】
ペリフェラルコントローラ３３は、ＸＹＺステージ７の動作を制御することで、半導体デバイス１１の観察位置に対応する位置へのメタレンズユニット２、光学系２０、高感度カメラ３、及びＬＳＭユニット４等の移動、位置合わせ、焦点合わせ等を制御する。また、ペリフェラルコントローラ３３は、対物レンズ２１に取り付けられた補正環調整用モータ２５を駆動して、補正環２４を調整する。
【００４４】
解析部Ｃは、画像解析部４１及び指示部４２を備え、コンピュータにより構成されている。画像解析部４１は、カメラコントローラ３１及びＬＳＭコントローラ３２から出力される画像情報（画像データ）に基づいて画像を作成し、必要な解析処理等を実行する。指示部４２は、操作者からの入力内容及び画像解析部４１による解析内容等を参照し、制御部Ｂを介して、観察部Ａにおける半導体デバイス１１の検査の実行に関する必要な指示を行う。解析部Ｃにより取得又は解析された画像、データ等は、解析部Ｃに接続された表示装置４３に必要に応じて表示される。
【００４５】
［メタレンズの構成］
メタレンズユニット２が備えるメタレンズ６０の構成について説明する。図４は、メタレンズ６０を模式的に示す平面図である。「メタレンズ」とは、後述するメタサーフェス構造を有することでレンズとして機能する光学素子である。図３及び図４に示されるように、メタレンズ６０は、基部６２、複数の第１アンテナ７０、及び第１外縁部（第１中間部）６６を有している。また、上述したように、メタレンズ６０は、半導体デバイス１１に当接する当接面６１を有している。
【００４６】
基部６２は、メタレンズ６０の基体となる部材である。基部６２は、例えば薄膜状又は平板状を呈する。基部６２の厚さは、例えば１００ｎｍ以上３ｍｍ以下であってもよい。Ｚ方向から見た基部６２の形状は、特に限定されず、ここでは矩形状とされている。基部６２は、石英により形成された石英基板であってもよい。この場合、基部６２が有する屈折率は１．４５程度である。
【００４７】
各第１アンテナ７０は、基部６２の下方側に配置され、メタレンズ６０の当接面６１近傍における実効屈折率を調整するための部材である。各第１アンテナ７０は、本実施形態では、軸線が光軸Ｌ（図２参照）に沿うように延在する柱状を呈し、より具体的には円柱状を呈している。なお、各第１アンテナ７０の形状は、メタレンズ６０の実効屈折率を制御可能であれば、必ずしも円柱状に限定されず、また、柱状にも限定されない。実効屈折率については後述する。
【００４８】
各第１アンテナ７０は第１屈折率を有している。各第１アンテナ７０は、例えばシリコンにより形成されており、この場合、第１屈折率は３．５程度である。つまり、第１屈折率は、半導体デバイス１１の基板１１ａが有する屈折率と同程度である。
【００４９】
各第１アンテナ７０は、Ｚ方向における下方側（基部６２とは反対側）の端面として第１アンテナ端面７１を含んでいる。各第１アンテナ７０は、第１アンテナ端面７１が当接面６１に露出するように配置されている。つまり、各第１アンテナ端面７１は、当接面６１の一部を構成している。
【００５０】
各第１アンテナ７０は、Ｚ方向から見て、２次元的に配列している。特に、ここでは、各第１アンテナ７０は、Ｚ方向から見て、周期的に配列しており、より具体的にはマトリクス状に配列している。各第１アンテナ７０が配列する周期は、以下のように決定されていてもよい。すなわち、メタレンズ６０には、所定波長の入射光が入射される。ここでは、メタレンズ６０には、例えばＬＳＭユニット４により出力される赤外レーザ光が入射される。そして、各第１アンテナ７０は、Ｚ方向から見て、メタレンズ６０に入射される入射光の所定波長よりも短い所定周期で配列していてもよい。なお、「所定波長」とは、例えば１００ｎｍ以上５２００ｎｍ以下の波長であってもよく、３００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下の波長であってもよい。「所定周期」は、複数の第１アンテナ７０が配置される領域の全体において同一の周期であってもよく、複数の第１アンテナ７０が配置される領域の部分ごとに異なる周期であってもよく、複数の第１アンテナ７０が配置される領域に沿って徐々に変化した周期であってもよい。また、「所定周期」とは、例えば所定波長の２０％以上１００％以下であってもよく、具体的には１００ｎｍ以上５２００ｎｍ以下であってもよい。この場合、複数の第１アンテナ７０により好適に光を屈折させることができる。
【００５１】
また、メタレンズ６０では、Ｚ方向から見て、複数の第１アンテナ７０の大きさ、形状、及び配置の少なくともいずれかが当接面６１内で変化している。ここで、「当接面６１内で変化している」とは、当接面６１における位置によって異なり得ることを意味している。これにより、第１アンテナ７０は、メタレンズ６０の当接面６１近傍における実効屈折率を調整することが可能となる（詳しくは後述）。
【００５２】
第１外縁部６６は、複数の第１アンテナ７０の間に位置する部分であり、基部６２の下方側に基部６２と一体に形成されている。「複数の第１アンテナ７０の間に位置する」とは、例えば、複数の第１アンテナ７０の間を隙間なく埋めるように位置することを意味する。つまり、複数の第１アンテナ７０は、第１外縁部６６に埋設されている。また、「一体に形成されている」とは、単一部材として形成されていることを意味する。基部６２及び第１外縁部６６は、メタレンズ６０の一体に形成された基材を構成している。なお、第１外縁部６６は基部６２と一体に形成されていなくてもよく、換言すると、第１外縁部６６と基部６２とは別部材を組み合わせて構成されていてもよい。
【００５３】
第１外縁部６６は第１アンテナ７０が有する第１屈折率とは異なる第２屈折率を有する。基部６２が石英により形成された石英基板である場合には、基部６２と一体に形成された第１外縁部６６も石英により形成されていることから、第２屈折率は１．４５程度である。第２屈折率は、当該第２屈折率と半導体デバイス１１の基板１１ａが有する屈折率との差が、空気が有する屈折率と半導体デバイス１１の基板１１ａが有する屈折率との差よりも、小さくなるような値であってもよい。これにより、メタレンズ６０と半導体デバイス１１との間での屈折率の差が小さくなることで、半導体デバイス１１上での界面反射（フレネル反射）が抑制される。なお、基部６２が１．７程度の屈折率を有するサファイア基板である場合には、基部６２が有する屈折率と半導体デバイス１１の基板１１ａが有する屈折率との差が一層小さくなるため、界面反射が一層抑制される。
【００５４】
第１外縁部６６は、その下方側（基部６２とは反対側）の端面である第１外縁部端面（第１中間部端面）６７を含んでいる。第１外縁部端面６７は、Ｚ方向から見て、第１アンテナ端面７１が位置する部分が除かれた面により構成されている。各第１アンテナ端面７１が当接面６１の一部を構成しているのに対して、第１外縁部端面６７は、当接面６１の残部を構成している。換言すると、第１外縁部端面６７と第１アンテナ端面７１とは、面一となっており、略連続した平面である当接面６１を構成している。
【００５５】
メタレンズ６０において、複数の第１アンテナ７０が配置されている部分である第１アンテナ部分７２は、いわゆるメタサーフェス構造を形成している。「第１アンテナ部分７２」とは、具体的には、メタレンズ６０において、複数の第１アンテナ７０及び第１外縁部６６により構成される部分である。より具体的には、第１アンテナ部分７２とは、メタレンズ６０において、Ｚ方向に関しては、第１アンテナ７０の第１アンテナ端面７１の位置から、第１アンテナ７０の第１アンテナ端面７１とは反対側の端面７３の位置までの範囲により特定される部分であり、且つ、ＸＹ方向に関しては、複数の第１アンテナ７０を含む範囲により特定される部分である（図中の破線部分）。
【００５６】
ここで、メタレンズ６０がレンズとして機能することについて、図５及び図６を参照して説明する。図５は、メタレンズ６０において実効屈折率が分布を有することを説明するための図である。図６は、メタレンズ６０を透過する光Ｒの経路を説明するための図である。「分布を有する」とは、その位置によって異なる状態又は値を有し得ることを意味する。メタレンズ６０は、第１アンテナ部分７２において、以下の実効屈折率ｎｅｆｆを有する。すなわち、第１アンテナ部分７２の単位体積における第１アンテナ７０の充填率ａ、第１屈折率ｎｍｓ、第２屈折率ｎｂとした場合に、実効屈折率ｎｅｆｆは、下記の式（１）で表される。
【数１】
2019197097.tif 000003
【００５７】
上述したように、Ｚ方向から見て、第１アンテナ７０の大きさ、形状、及び配置の少なくともいずれかは、当接面６１内で変化している。例えば、図５には、第１アンテナ７０の大きさが当接面６１内で変化している場合が示されている。図５では、メタレンズ６０が単位体積の部分Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３に分割されている。そして、図５では、各部分Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３に同位相の入射光がメタレンズ６０の上方側から入射された場合に、メタレンズ６０の下方側に透過した透過光において同位相となる位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３がそれぞれ図示されている。
【００５８】
各部分Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３では、第１アンテナ７０の大きさ（Ｚ方向に見た断面積）が互いに異なる。ここでは、部分Ｖ１においては、第１アンテナ７０ａ、第１外縁部６６ａとされている。また、部分Ｖ２においては、第１アンテナ７０ｂ、第１外縁部６６ｂとされている。また、部分Ｖ３においては、第１アンテナ７０ｃ、第１外縁部６６ｃとされている。第１アンテナ７０ａ、第１アンテナ７０ｂ、第１アンテナ７０ｃは、この順に大きくなっている。つまり、部分Ｖ１、部分Ｖ２、部分Ｖ３では、この順に第１アンテナ７０の充填率ａが高くなっている。
【００５９】
これにより、上記の式（１）により算出される各部分Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３の実効屈折率ｎｅｆｆは部分Ｖ１、部分Ｖ２、部分Ｖ３の順に大きくなり、第１アンテナ部分７２の実効屈折率ｎｅｆｆは分布を有することとなる。メタレンズ６０の下方側に透過した透過光において同位相となる位置Ｐ１、位置Ｐ２、位置Ｐ３は、この順に当接面６１からの距離が短くなる。このように透過光において位相差が生じた結果、図６に示されるように光Ｒがメタレンズ６０により屈折することとなり、第１アンテナ部分７２の実効屈折率ｎｅｆｆを調整することでメタレンズ６０はレンズとして機能する。特に、例えば第１アンテナ部分７２の実効屈折率ｎｅｆｆを同心円状に変化させることで、メタレンズ６０はレンズとして一層好適に機能する。なお、複数の第１アンテナ７０が入射光の波長よりも短い周期で配列することで、入射光は、第１アンテナ部分７２が実効屈折率ｎｅｆｆを有する連続媒質であるかのように振る舞う。
【００６０】
上述した「メタサーフェス構造」とは、配列した複数の微細構造（例えば、第１アンテナ７０）を備えることで光学素子として機能する構造である。例えば、メタサーフェス構造としては、代表的な下記の６種類の方式（以下、「第１方式〜第６方式」という）が例示される。
【００６１】
メタサーフェス構造の第１方式は、いわゆるMulti-Resonance方式であり、「Nanfang Yu et al., “LightPropagation with Phase Discontinuities: Generalized Laws of Reflection andRefraction”, Science, 2011, 334, 333」に詳述されている。第１方式は、例えば、プラズモニックアンテナを備え、当該プラズモニックアンテナに流れる電流により特徴付けられる対称モード及び非対称モードの２種類の共鳴モードを有する。
【００６２】
メタサーフェス構造の第２方式は、いわゆるGAP-Plasmon方式であり、「S. Sun et al., “High-efficiencybroadband anomalous reflection by gradient meta-surfaces”, Nano Letters, 2012,12, 6223」に詳述されている。第２方式は、例えば、ＭＩＭ構造を基本構成とする反射型のメタサーフェス構造であり、ギャップサーフェスプラズモンモードにより光の位相を変調する。ギャップサーフェスプラズモンモードとは、上部のアンテナと下部のアンテナとの誘導電流が逆方向を向くことに依存して誘電体内に強い磁気共鳴が生じるモードである。これによれば、アンテナの長さを変えることで効率良く反射位相を変調可能である。
【００６３】
メタサーフェス構造の第３方式は、いわゆるPancharatnam-Berry phase（PB phase）方式であり、「Francesco Monticone et al., “Full Control of Nanoscale OpticalTransmission with a Composite Metascreen”, Physical Review Letters, 2013, 110,203903」に詳述されている。第３方式は、例えば、同一形状のアンテナの角度を変調させることにより位相を変調する。
【００６４】
メタサーフェス構造の第４方式は、いわゆるHuygens-metasurface方式であり、「Lingling Huang etal., “Dispersionless Phase Discontinuities for ControllingLight Propagation”, Nano Letters, 2012, 12, 5750」、及び、「Manuel Decker et al., “High-efficiencylight-wave control with all-dielectric optical Huygens' metasurfaces”, Advanced Optical Materials, 2015, 3, 813」に詳述されている。第４方式は、例えば、独立した電磁場特性を持つ媒質の界面での電気双極子、磁気双極子を同時に調整することにより反射率を小さくする。
【００６５】
メタサーフェス構造の第５方式は、いわゆるHigh-Contrast方式であり、「Seyedeh M. Kamali etal., “Decoupling optical function and geometrical form using conformal flexibledielectric metasurfaces”, Nature Communications, 2016, 7, 11618」に詳述されている。第５方式は、例えば、アンテナと周囲の媒質との屈折率の差が大きいことを利用し、低Ｑ値のファブリペロ共鳴の複数モードを実現する。これらの複数モードには、電気双極子及び磁気双極子が含まれる。
【００６６】
メタサーフェス構造の第６方式は、いわゆるGradient-Index方式であり、「Philippe Lalanne et al., “Designand fabrication of blazed binary diffractive elements with sampling periodssmaller than the structural cutoff”, Journal of the Optical Society of AmericaA, 1999, 16(5), 1143」に詳述されている。第６方式は、例えば、屈折率の互いに異なる媒質の、単位セルにおける充填率の変化により、位相（実効屈折率）を変調する。
【００６７】
［メタレンズの製造方法］
［第１製造方法］
図７及び図８を参照して、メタレンズ６０の第１製造方法について説明する。図７及び図８は、メタレンズ６０の第１製造方法を説明するための図である。
【００６８】
まず、図７（ａ）に示されるように、第２屈折率を有する第２材料により形成された基板９０を準備する。第２材料としては、例えば石英が挙げられる。基板９０の形状は、薄膜状又は平板状であってよい。この基板９０が、メタレンズ６０の基部６２及び第１外縁部６６となる。
【００６９】
続いて、基板９０上に、レジストとしてのマスク層９１を形成する（層形成工程）。マスク層９１は、基板９０の上面９０ａ上に、例えば電子線レジスト塗布により形成される。マスク層９１の材料としては、例えばＺＥＰ５２０Ａ等の電子線レジストが挙げられる。マスク層９１の厚さは、例えば３００ｎｍ程度とすることができる。
【００７０】
続いて、図７（ｂ）に示されるように、基板９０上に形成されたマスク層９１に複数の開口部９２を形成する（開口工程）。開口部９２は、マスク層９１に対して電子線描画及び現像を行うことで形成されてもよい。
【００７１】
各開口部９２は、基板９０の上面９０ａに直交する方向から見て、周期的に配列するように形成されてもよい。より具体的には、製造されるメタレンズ６０には所定波長の入射光が入射される場合において、各開口部９２は、基板９０の上面９０ａに直交する方向から見て、所定波長よりも短い周期で配列するように形成されてもよい。ここで形成される開口部９２の大きさ、形状、及び配列が、第１アンテナ７０の大きさ、形状、及び配列となる。開口部９２は、例えば直径５０ｎｍ以上２７０ｎｍ以下の円形状であってもよい。また、開口部９２は、例えば３００ｎｍの周期で配列するように形成されていてもよい。さらに、基板９０の上面９０ａに直交する方向から見て、複数の開口部９２の大きさ、形状、及び配置の少なくともいずれかは、基板９０の上面９０ａ内で変化していてもよい。ここで、「基板９０の上面９２ａ内で変化している」とは、基板９０の上面９２ａにおける位置によって異なり得ることを意味している。
【００７２】
続いて、図７（ｃ）に示されるように、複数の開口部９２を介してエッチングを行い、基板９０に複数の凹部９０ｃを形成する（エッチング工程）。エッチングは、例えばドライエッチングが行われてもよく、特に反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）が行われてもよい。エッチングは、基板９０の上面９０ａから下面９０ｂに貫通せずに、上面９０ａから基板９０の内部まで行われる。これにより、基板９０の上面９０ａに所定の深さ（エッチング深さ）の凹部９０ｃが形成される。エッチング深さは、例えば５００ｎｍ程度とすることができる。
【００７３】
なお、上述した開口工程において、各開口部９２が周期的に配列するように形成されたときには、エッチング工程において、各凹部９０ｃは、基板９０の上面９０ａに直交する方向から見て、周期的に配列するように形成される。特に、製造されるメタレンズ６０には所定波長の入射光が入射される場合において、上述した開口工程において、各開口部９２が所定波長よりも短い周期で配列するように形成されたときには、エッチング工程において、各凹部９０ｃは、基板９０の上面９０ａに直交する方向から見て、所定波長よりも短い周期で配列するように形成される。さらに、上述した開口工程において、複数の開口部９２の大きさ、形状、及び配置の少なくともいずれかが基板９０の上面９０ａ内で変化しているときには、エッチング工程において、各凹部９０ｃは、基板９０の上面９０ａに直交する方向から見て、複数の凹部９０ｃの大きさ、形状、及び配置の少なくともいずれかが基板９０の上面９０ａ内で変化するように形成される。
【００７４】
続いて、図８（ａ）に示されるように、各開口部９２を介して、第２材料とは異なる第１材料により形成されたアンテナ材料９３を基板９０上に堆積させる（堆積工程）。ここで基板９０の凹部９０ｃに堆積したアンテナ材料９３が、第１アンテナ７０となる。このとき、アンテナ材料９３は、マスク層９１上にも堆積することとなる。第１材料は、第２屈折率とは異なる第１屈折率を有している。アンテナ材料９３を基板９０上に堆積させる方法としては、例えばパルスレーザ蒸着及び抵抗加熱蒸着が挙げられる。パルスレーザ蒸着が行われる場合には、第１材料としては、例えばシリコン、ゲルマニウムが挙げられる。一方、抵抗加熱蒸着が行われる場合には、第１材料としては、例えば金、銀、クロムが挙げられる。
【００７５】
堆積工程において、基板９０上に堆積させるアンテナ材料９３の厚さは、エッチング工程において基板９０の上面９０ａに形成された凹部９０ｃの深さと同一であってもよい。これにより、基板９０の上面９０ａ、及び、基板９０上に堆積したアンテナ材料９３の上面９３ａが面一となり、平坦面を構成する。基板９０上に堆積させるアンテナ材料９３の厚さは、例えば５００ｎｍ程度とすることができる。基板９０上に堆積させるアンテナ材料９３の厚さは、例えば、所定の条件下における堆積時間と堆積するアンテナ材料９３の厚さとの関係を予め取得し、堆積工程における堆積時間を調整することで制御されてもよい。
【００７６】
続いて、図８（ｂ）に示されるように、マスク層９１を除去する（除去工程）。すなわち、レジストをリフトオフする。これにより、マスク層９１とともに、マスク層９１上に堆積していたアンテナ材料９３も除去される。その結果、基板９０の上面９０ａ及び基板９０上に堆積したアンテナ材料９３の上面９３ａにより形成された平坦面が露出し、この平坦面がメタレンズ６０の当接面６１となる。以上により、メタレンズ６０が製造される。
【００７７】
［第２製造方法］
図９、図１０、及び図１１を参照して、メタレンズ６０の第２製造方法について説明する。図９、図１０、及び図１１は、メタレンズ６０の第２製造方法を説明するための図である。
【００７８】
まず、図９（ａ）に示されるように、第２屈折率を有する第２材料により形成された基板９０を準備する。第２製造方法において用いられる基板９０は、上述した第１製造方法において用いられる基板９０と同様のものであってよい。
【００７９】
続いて、図９（ｂ）に示されるように、基板９０上にマスク層９５を形成する（層形成工程）。マスク層９５は、ハードマスク９６及びレジスト９７が積層して形成されている。ハードマスク９６は、基板９０の上面９０ａ上に、例えば抵抗加熱蒸着により形成される。ハードマスク９６の材料としては、例えばクロム、ニッケル、アルミニウムが挙げられる。レジスト９７は、ハードマスク９６の上面９６ａ上に、例えば電子線レジスト塗布により形成される。レジスト９７の材料としては、例えばＺＥＰ５２０Ａ等の電子線レジストが挙げられる。レジスト９７の厚さは、例えば３００ｎｍ程度とすることができる。
【００８０】
続いて、図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に示されるように、基板９０上に形成されたマスク層９５に複数の開口部９８を形成する（開口工程）。開口部９８は、ハードマスク９６に形成されたハードマスク開口部９８ａ、及び、レジスト９７に形成されたレジスト開口部９８ｂを備えている。ハードマスク開口部９８ａは、レジスト開口部９８ｂを介して形成される。このため、ハードマスク開口部９８ａ及びレジスト開口部９８ｂは、基板９０の上面９０ａに直交する方向から見て、互いに同一の位置に形成されている。レジスト開口部９８ｂは、レジスト９７に対して電子線描画及び現像を行うことで形成されてもよい。ハードマスク開口部９８ａは、ハードマスク９６に対して誘導結合型反応性イオンエッチング（ＩＣＰ−ＲＩＥ：Induced Coupled Plasma-Reactive Ion Etching）を行うことで形成されてもよい。
【００８１】
各開口部９８は、上述した第１製造方法における各開口部９２と同様に配列するように形成されてもよい。すなわち、各開口部９８は、基板９０の上面９０ａに直交する方向から見て、周期的に配列するように形成されてもよい。より具体的には、製造されるメタレンズ６０には所定波長の入射光が入射される場合において、各開口部９８は、基板９０の上面９０ａに直交する方向から見て、所定波長よりも短い周期で配列するように形成されてもよい。ここで形成される開口部９８の大きさ、形状、及び配列が、第１アンテナ７０の大きさ、形状、及び配列となる。開口部９８は、例えば直径８０ｎｍ以上２６０ｎｍ以下の円形状であってもよい。また、開口部９８は、例えば３００ｎｍの周期で配列するように形成されていてもよい。さらに、基板９０の上面９０ａに直交する方向から見て、複数の開口部９８の大きさ、形状、及び配置の少なくともいずれかは、基板９０の上面９０ａ内で変化していてもよい。
【００８２】
続いて、図１１（ａ）に示されるように、複数の開口部９８を介してエッチングを行い、基板９０に複数の凹部９０ｃを形成する（エッチング工程）。エッチング工程は、上述した第１製造方法におけるエッチング工程と同様に行われてよい。
【００８３】
なお、各凹部９０ｃは、上述した第１製造方法における各凹部９０ｃと同様に配列するように形成されてもよい。すなわち、上述した開口工程において、各開口部９８が周期的に配列するように形成されたときには、エッチング工程において、各凹部９０ｃは、基板９０の上面９０ａに直交する方向から見て、周期的に配列するように形成される。特に、製造されるメタレンズ６０には所定波長の入射光が入射される場合において、上述した開口工程において、各開口部９８が所定波長よりも短い周期で配列するように形成されたときには、エッチング工程において、各凹部９０ｃは、基板９０の上面９０ａに直交する方向から見て、所定波長よりも短い周期で配列するように形成される。さらに、上述した開口工程において、複数の開口部９８の大きさ、形状、及び配置の少なくともいずれかが基板９０の上面９０ａ内で変化しているときには、エッチング工程において、各凹部９０ｃは、基板９０の上面９０ａに直交する方向から見て、複数の凹部９０ｃの大きさ、形状、及び配置の少なくともいずれかが基板９０の上面９０ａ内で変化するように形成される。
【００８４】
続いて、図１１（ｂ）に示されるように、各開口部９８を介して、第２材料とは異なる第１材料により形成されたアンテナ材料９３を基板９０上に堆積させる（堆積工程）。堆積工程は、上述した第１製造方法における堆積工程と同様に行われてよい。基板９０の上面９０ａ、及び、基板９０上に堆積したアンテナ材料９３の上面９３ａが面一となり、平坦面を構成する。
【００８５】
続いて、図１１（ｃ）に示されるように、マスク層９５を除去する（除去工程）。すなわち、ハードマスク９６をリフトオフする。これにより、ハードマスク９６とともに、ハードマスク９６上に形成されたレジスト９７及び当該レジスト９７上に堆積していたアンテナ材料９３も除去される。その結果、基板９０の上面９０ａ及び基板９０上に堆積したアンテナ材料９３の上面９３ａにより形成された平坦面が露出し、この平坦面がメタレンズ６０の当接面６１となる。以上により、メタレンズ６０が製造される。
【００８６】
［半導体故障解析方法］
図１〜図４を参照して、半導体故障解析装置１を用いて半導体デバイス１１の故障を解析する方法について説明する。
【００８７】
まず、顕微鏡５が有する複数の対物レンズ２１のうち、メタレンズ６０が取り付けられていない対物レンズ２１によって、メタレンズ６０で半導体デバイス１１を観察する位置を特定する。この観察位置の特定は、指示部４２によりペリフェラルコントローラ３３を介しＸＹＺステージ７を駆動して行う。
【００８８】
観察位置を特定した後に、メタレンズホルダ８が取り付けられた対物レンズ２１に切り替えて半導体デバイス１１の観察を行う。この際、指示部４２は、メタレンズホルダ８が保持しているメタレンズ６０の特性（メタレンズ６０の厚さ、屈折率等）、半導体デバイス１１の基板１１ａの厚さ、材質等に応じて、ペリフェラルコントローラ３３を介し補正環調整用モータ２５を駆動することで補正環２４を適正な位置に合わせる。
【００８９】
また、指示部４２は、上記メタレンズ６０の特性等に応じてペリフェラルコントローラ３３を介しＸＹＺステージ７を駆動することで、メタレンズ６０を半導体デバイス１１に当接させる（当接ステップ）。これにより、メタレンズ６０の当接面６１と半導体デバイス１１の裏面１１ｄとが光学的にコンタクトする。このとき、メタレンズ６０がレンズ保持部８ｂに対して揺動することで当接面６１が半導体デバイス１１の裏面１１ｄに倣って密着する。
【００９０】
また、指示部４２は、ペリフェラルコントローラ３３を介しＸＹＺステージ７を駆動することで対物レンズ２１の焦点合わせを実行する。そして、メタレンズ６０を用いて半導体デバイス１１を観察することにより半導体デバイス１１の故障解析を実行する（故障解析ステップ）。
【００９１】
より詳細には、対物レンズ２１の焦点が合った状態で、指示部４２は、ＬＳＭコントローラ３２及びカメラコントローラ３１を介して、ＬＳＭユニット４及び高感度カメラ３等を利用して半導体デバイス１１を観察する。この観察において、ＬＳＭユニット４から出力された赤外レーザ光は、対物レンズ２１を通って半導体デバイス１１側に出力される。対物レンズ２１から出力された光は、メタレンズ６０に上方から入射し、メタレンズ６０の第１アンテナ部分７２により集光されて、当接面６１から半導体デバイス１１に向けて出力される。半導体デバイス１１から反射した光（反射光）は、再度メタレンズ６０に入射して基部６２から上方に出力される。
【００９２】
このメタレンズ６０から出力された反射光は、対物レンズ２１に入射する。対物レンズ２１に入射した反射光は、カメラ用光学系２２によって高感度カメラ３に導かれ、高感度カメラ３は、半導体デバイス１１の回路パターン等の画像を取得する。
【００９３】
［作用及び効果］
以上説明したように、メタレンズユニット２によれば、メタレンズ６０は、第１外縁部６６とは異なる屈折率を有する複数の第１アンテナ７０の大きさ、形状、及び配置の少なくともいずれかが当接面６１内で変化しており、第１アンテナ部分７２の実効屈折率が分布を有することで、レンズとして機能する。ここで、メタレンズ６０は、複数の第１アンテナ７０の大きさ、形状、及び配置の少なくともいずれかを制御することにより、第１アンテナ部分７２の実効屈折率を制御することができる。このため、メタレンズユニット２は、メタレンズ６０の外径にかかわらず、第１アンテナ部分７２の実効屈折率を所望の値とすることができる。よって、メタレンズユニット２は、レンズを薄型化することができる。その結果、メタレンズユニット２のヘッド部分（メタレンズ６０周辺の部分）の薄型化ひいては小型化が可能となるため、例えば幅の狭いソケット等に設けられた観察対象物を観察する場合であってもヘッド部分をソケット等に挿入することが可能となり、操作性を向上させることができる。なお、例えば第１アンテナ部分７２の実効屈折率を同心円状に変化させることで、メタレンズ６０はレンズとして一層好適に機能する。
【００９４】
また、メタレンズユニット２では、第１外縁部６６は、基部６２と一体に形成され、各第１アンテナ７０は、第１アンテナ端面７１が当接面６１に露出するように配置されている。これにより、半導体デバイス１１とメタレンズ６０との間に空気層からなる空間が生じることを好適に抑制することができる。このため、半導体デバイス１１と空気層との屈折率の差が大きいことに起因した半導体デバイス１１上での界面反射が抑制され、光の透過率が向上する。よって、このメタレンズユニット２は、メタレンズ６０を高効率化することができる。
【００９５】
また、メタレンズユニット２では、各第１アンテナ７０は、シリコンにより形成されている。これにより、シリコン基板を備える半導体デバイス１１とシリコンにより形成された第１アンテナ７０との屈折率の差が小さいため、半導体デバイス１１上での界面反射が抑制され、光の透過率が向上する。よって、メタレンズユニット２は、メタレンズ６０を高効率化することができる。
【００９６】
また、メタレンズユニット２では、各第１アンテナ７０は、Ｚ方向から見て、周期的に配列している。これにより、メタレンズユニット２は、第１アンテナ部分７２の実効屈折率を好適に制御することができる。
【００９７】
また、メタレンズユニット２では、メタレンズ６０には、波長が例えば１００ｎｍ以上５２００ｎｍ以下の入射光が入射され、各第１アンテナ７０は、Ｚ方向から見て、当該波長よりも短い周期で配列している。これにより、複数の第１アンテナ７０が入射光の波長よりも短い周期で配列しているため、入射光は、第１アンテナ部分７２が実効屈折率（すなわち、好適に設計された実効屈折率）を有する連続媒質であるかのように振る舞う。よって、メタレンズユニット２は、第１アンテナ部分７２の実効屈折率を好適に制御することができるとともに、入射光を好適に集光することができる。
【００９８】
また、半導体故障解析装置１は、メタレンズユニット２を備えている。半導体故障解析装置において、半導体デバイス１１の拡大画像を取得するために非特許文献１に開示される方法を用いようとすると、故障解析を実行しようとする半導体デバイス１１自体に微細構造を形成する必要があるため、手間及びコストが掛かる。「コスト」としては、例えば、半導体デバイス１１ごとに微細構造を形成することによるコスト、及び、半導体デバイス１１において故障解析を実行しようとする各領域に微細構造をそれぞれ形成することによるコストが挙げられる。これに対して、半導体故障解析装置１によれば、第１アンテナ部分７２は、観察対象物である半導体デバイス１１ではなくメタレンズ６０に形成されているため、半導体デバイス１１の故障を解析するための手間が軽減される。また、複数の半導体デバイス１１、或いは、それらにおいて故障解析を実行しようとする各領域に対して同一のメタレンズ６０を繰り返し使用することができるため、上述したコストが低減される。また、半導体故障解析装置１では、メタレンズ６０は、第１外縁部６６とは異なる屈折率を有する複数の第１アンテナ７０の大きさ、形状、及び配置の少なくともいずれかが当接面６１内で変化しており、第１アンテナ部分７２の実効屈折率が分布を有することで、レンズとして機能する。ここで、メタレンズ６０は、複数の第１アンテナ７０の大きさ、形状、及び配置の少なくともいずれかを制御することにより、第１アンテナ部分７２の実効屈折率を制御することができる。このため、半導体故障解析装置１は、メタレンズ６０の外径にかかわらず、第１アンテナ部分７２の実効屈折率を所望の値とすることができる。よって、半導体故障解析装置１は、故障解析の手間を軽減することができるとともにレンズを薄型化することができる。
【００９９】
また、半導体故障解析装置１は、メタレンズ６０に対して当接面６１とは反対側に配置された対物レンズ２１を備えている。これにより、メタレンズ６０のみの場合にはメタレンズ６０の大きさに起因して空間分解能が制限されるのに対して、対物レンズ２１により空間分解能が更に向上する。よって、半導体故障解析装置１は、より高い空間分解能で半導体デバイス１１の拡大画像を取得することが可能となる。
【０１００】
また、上述した半導体故障解析方法によれば、メタレンズ６０は、第１外縁部６６とは異なる屈折率を有する複数の第１アンテナ７０の大きさ、形状、及び配置の少なくともいずれかが当接面６１内で変化しており、第１アンテナ部分７２の実効屈折率が分布を有することで、レンズとして機能する。ここで、メタレンズ６０は、複数の第１アンテナ７０の大きさ、形状、及び配置の少なくともいずれかを制御することにより、第１アンテナ部分７２の実効屈折率を制御することができる。このため、この半導体故障解析方法では、メタレンズ６０の外径にかかわらず、第１アンテナ部分７２の実効屈折率を所望の値とすることが可能であり、そのようなメタレンズ６０を用いて半導体デバイス１１を観察して半導体デバイス１１の故障解析を実行することができる。よって、この半導体故障解析方法では、レンズを薄型化することができる。なお、例えば第１アンテナ部分７２の実効屈折率を同心円状に変化させることで、メタレンズ６０はレンズとして一層好適に機能する。
【０１０１】
また、この半導体故障解析方法では、第１外縁部６６は、基部６２と一体に形成され、各第１アンテナ７０は、第１アンテナ端面７１が当接面６１に露出するように配置されている。これにより、半導体デバイス１１とメタレンズ６０との間に空気層からなる空間が生じることを好適に抑制することができる。このため、半導体デバイス１１と空気層との屈折率の差が大きいことに起因した半導体デバイス１１上での界面反射が抑制され、光の透過率が向上する。よって、この半導体故障解析方法では、メタレンズ６０を高効率化することができる。
【０１０２】
また、この半導体故障解析方法では、各第１アンテナ７０は、シリコンにより形成されている。これにより、シリコン基板を備える半導体デバイス１１とシリコンにより形成された第１アンテナ７０との屈折率の差が小さいため、半導体デバイス１１上での界面反射が抑制され、光の透過率が向上する。よって、この半導体故障解析方法では、メタレンズ６０を高効率化することができる。
【０１０３】
また、この半導体故障解析方法では、各第１アンテナ７０は、Ｚ方向から見て、周期的に配列している。これにより、この半導体故障解析方法では、第１アンテナ部分７２の実効屈折率を好適に制御することができる。
【０１０４】
また、この半導体故障解析方法では、メタレンズ６０には、波長が例えば１００ｎｍ以上５２００ｎｍ以下の入射光が入射され、各第１アンテナ７０は、Ｚ方向から見て、当該波長よりも短い周期で配列している。これにより、複数の第１アンテナ７０が入射光の波長よりも短い周期で配列しているため、入射光は、第１アンテナ部分７２が実効屈折率（すなわち、好適に設計された実効屈折率）を有する連続媒質であるかのように振る舞う。よって、この半導体故障解析方法では、第１アンテナ部分７２の実効屈折率を好適に制御することができるとともに、入射光を好適に集光することができる。
【０１０５】
［第２実施形態］
図１２は、第２実施形態に係るメタレンズユニット２Ａのメタレンズ６０Ａが半導体デバイス１１に当接した状態を模式的に示す正面図である。図１２に示されるように、第２実施形態に係る半導体故障解析装置の構成は、第１実施形態に係る半導体故障解析装置１の構成と比較して、対物レンズ２１を備えていない点で相違しており、その他の点で同一である。
【０１０６】
第２実施形態に係るメタレンズ６０Ａの第１アンテナ７０は、半導体故障解析装置が対物レンズ２１を備えていなくても十分に高い空間分解能で半導体デバイス１１の拡大画像を取得することができるように、第１アンテナ部分７２の実効屈折率が調整されている。このように、第２実施形態に係る半導体故障解析装置は、対物レンズ２１を備えていないため、装置を小型化することができる。
【０１０７】
［第３実施形態］
図１３は、第３実施形態に係るメタレンズユニット２Ｂのメタレンズ６０Ｂが半導体デバイス１１に当接した状態を模式的に示す正面図である。図１３に示されるように、第３実施形態に係る半導体故障解析装置の構成は、第２実施形態に係る半導体故障解析装置の構成と比較して、メタレンズ６０Ａに代えてメタレンズ６０Ｂを備えている点で相違しており、その他の点で同一である。メタレンズ６０Ｂは、当接面６１とは反対側の面に第２アンテナ部分８２Ｂを備えている。
【０１０８】
第３実施形態に係るメタレンズ６０Ｂは、上方側（より詳細には、基部６２の当接面６１とは反対側の端面６４Ｂ）に立設された複数の第２アンテナ８０Ｂを備えている。各第２アンテナ８０Ｂは、メタレンズ６０Ｂの端面６４Ｂ近傍における実効屈折率を調整するための部材である。各第２アンテナ８０Ｂは、本実施形態では、軸線が光軸Ｌ（図２参照）に沿うように延在する柱状を呈し、より具体的には円柱状を呈している。なお、各第２アンテナ８０の形状は、メタレンズ６０Ｂの実効屈折率を制御可能であれば、必ずしも円柱状に限定されず、また、柱状にも限定されない。
【０１０９】
各第２アンテナ８０Ｂは、例えばシリコンにより形成されており、第３屈折率をそれぞれ有している。各第２アンテナ８０Ｂは、第２アンテナ端面８１Ｂをそれぞれ含んでおり、各第２アンテナ端面８１Ｂは、当接面６１と対向する対向面６５Ｂを構成している。つまり、メタレンズ６０Ｂは、当接面６１とは反対側の対向面６５Ｂを有し、対向面６５Ｂは、離散的に位置する複数の第２アンテナ端面８１Ｂの集合である。
【０１１０】
なお、第３屈折率は、複数の第２アンテナ８０Ｂの間の領域における屈折率（第４屈折率）と異なる値であればよい。したがって、複数の第２アンテナ８０Ｂの間には、マッチングオイル等の液体が充満していてもよく、第２アンテナ８０Ｂとは異なる材料からなる部材が配置されていてもよく、空気層が形成されていてもよい。複数の第２アンテナ８０Ｂの間に位置するこれらの物質が第２中間部を構成する。ここでは、空気層である空隙Ｇが第２中間部を構成している。
【０１１１】
第２アンテナ８０Ｂは、第１アンテナ７０と同様に、対向面６５Ｂに直交する方向（すなわち、Ｚ方向）から見て、２次元的に配列している。メタレンズ６０Ｂは、Ｚ方向から見て、複数の第２アンテナ８０Ｂの大きさ、形状、及び配置の少なくともいずれかが対向面６５Ｂ内で変化しており、複数の第２アンテナ８０Ｂ及び第２中間部により構成される第２アンテナ部分８２Ｂの実効屈折率が分布を有することで、レンズとして機能する。このように、メタレンズユニット２Ｂは、メタレンズ６０Ｂが第１アンテナ部分７２及び第２アンテナ部分８２Ｂの両方を有しているため、より高い空間分解能で半導体デバイス１１の拡大画像を取得することができる。なお、Ｚ方向から見て、第２アンテナ部分８２Ｂの面積は、第１アンテナ部分７２の面積よりも大きくてもよい。
【０１１２】
メタレンズユニット２Ｂ、メタレンズユニット２Ｂを備える半導体故障解析装置、又は、メタレンズユニット２Ｂを用いた半導体故障解析方法によれば、メタレンズ６０Ｂは、当接面６１とは反対側の対向面６５Ｂを有し、第３屈折率をそれぞれ有し、対向面６５Ｂを構成する第２アンテナ端面８１Ｂをそれぞれ含む複数の第２アンテナ８０Ｂと、第３屈折率とは異なる第４屈折率を有し、複数の第２アンテナ８０Ｂの間に位置する第２中間部と、を有し、Ｚ方向から見て、複数の第２アンテナ８０Ｂの大きさ、形状、及び配置の少なくともいずれかが対向面６５Ｂ内で変化しており、複数の第２アンテナ８０Ｂ及び第２中間部により構成される第２アンテナ部分８２Ｂの実効屈折率が分布を有することで、レンズとして機能する。これにより、第１アンテナ部分７２のみの場合にはメタレンズ６０Ｂの大きさに起因して空間分解能が制限されるのに対して、第２アンテナ部分８２Ｂにより空間分解能が更に向上する。よって、メタレンズユニット２Ｂ、メタレンズユニット２Ｂを備える半導体故障解析装置、又は、メタレンズユニット２Ｂを用いた半導体故障解析方法では、より高い空間分解能で半導体デバイス１１の拡大画像を取得することができる。なお、第２アンテナ部分８２Ｂには、例えば上述したメタサーフェス構造の第４方式が採用されてもよい。この場合には、メタサーフェス構造の第４方式を採用し、透過光位相及び強度の互いに異なる構造からなる単位セルを例えば同心円状に配置することで、メタレンズ６０Ｂはレンズとして一層好適に機能する。
【０１１３】
［第４実施形態］
図１４は、第４実施形態に係るメタレンズユニット２Ｃのメタレンズ６０Ｃが半導体デバイス１１に当接した状態を模式的に示す正面図である。図１４に示されるように、第４実施形態に係る半導体故障解析装置の構成は、第３実施形態に係る半導体故障解析装置の構成と比較して、メタレンズ６０Ｂに代えてメタレンズ６０Ｃを備えている点で相違しており、その他の点で同一である。メタレンズ６０Ｃは、第２アンテナ部分８２Ｃが基部６２Ｃの当接面６１とは反対側の端面６４Ｃ側に埋設されている。
【０１１４】
第４実施形態に係るメタレンズ６０Ｃは、上方側（より詳細には、基部６２Ｃの当接面６１とは反対側の端面６４Ｃ）に埋設された複数の第２アンテナ８０Ｃを備えている。複数の第２アンテナ８０Ｃの間には、第４屈折率を有し、基部６２Ｃと一体に形成された第２外縁部８６Ｃが位置している。ここでは、第２外縁部８６Ｃが第２中間部を構成している。各第２アンテナ８０Ｃは、例えばシリコンにより形成されており、第４屈折率とは異なる第３屈折率をそれぞれ有している。各第２アンテナ８０Ｃは、第２アンテナ端面８１Ｃをそれぞれ含んでおり、各第２アンテナ端面８１Ｃは、当接面６１と対向する対向面６５Ｃの一部を構成している。
【０１１５】
第２外縁部８６Ｃは、その上方側の端面である第２外縁部端面８７Ｃを含んでいる。第２外縁部端面８７Ｃは、Ｚ方向から見て、第２アンテナ端面８１Ｃが位置する部分が除かれた面により構成されている。第２アンテナ端面８１Ｃが対向面６５Ｃの一部を構成しているのに対して、第２外縁部端面８７Ｃは、対向面６５Ｃの残部を構成している。換言すると、第２外縁部端面８７Ｃと第２アンテナ端面８１Ｃとは、面一となっており、略連続した平面である対向面６５Ｃを構成している。つまり、メタレンズ６０Ｃは、当接面６１とは反対側の対向面６５Ｃを有し、対向面６５Ｃは、複数の第２アンテナ８０Ｃの第２アンテナ端面８１Ｃ、及び、第２外縁部８６Ｃの第２外縁部端面８７Ｃにより構成されている。このように、メタレンズユニット２Ｃは、メタレンズ６０Ｃが第１アンテナ部分７２及び第２アンテナ部分８２Ｃの両方を有しているため、より高い空間分解能で半導体デバイス１１の拡大画像を取得することができる。なお、Ｚ方向から見て、第２アンテナ部分８２Ｃの面積は、第１アンテナ部分７２の面積よりも大きくてもよい。
【０１１６】
メタレンズユニット２Ｃ、メタレンズユニット２Ｃを備える半導体故障解析装置、又は、メタレンズユニット２Ｃを用いた半導体故障解析方法によれば、メタレンズ６０Ｃは、当接面６１Ｃとは反対側の対向面６５Ｃを有し、第３屈折率をそれぞれ有し、対向面６５Ｃの一部を構成する第２アンテナ端面８１Ｃをそれぞれ含む複数の第２アンテナ８０Ｃと、第３屈折率とは異なる第４屈折率を有し、複数の第２アンテナ８０Ｃの間に位置する第２外縁部８６Ｃと、を有し、Ｚ方向から見て、複数の第２アンテナ８０Ｃの大きさ、形状、及び配置の少なくともいずれかが対向面６５Ｃ内で変化しており、複数の第２アンテナ８０Ｃ及び第２外縁部８６Ｃにより構成される第２アンテナ部分８２Ｃの実効屈折率が分布を有することで、レンズとして機能する。これにより、第１アンテナ部分７２のみの場合にはメタレンズ６０Ｃの大きさに起因して空間分解能が制限されるのに対して、第２アンテナ部分８２Ｃにより空間分解能が更に向上する。よって、メタレンズユニット２Ｃ、メタレンズユニット２Ｃを備える半導体故障解析装置、又は、メタレンズユニット２Ｃを用いた半導体故障解析方法では、より高い空間分解能で半導体デバイス１１の拡大画像を取得することができる。なお、第２アンテナ部分８２Ｃには、例えば上述したメタサーフェス構造の第４方式が採用されてもよい。この場合には、メタサーフェス構造の第４方式を採用し、透過光位相及び強度の互いに異なる構造からなる単位セルを例えば同心円状に配置することで、メタレンズ６０Ｃはレンズとして一層好適に機能する。
【０１１７】
［第５実施形態］
図１５は、第５実施形態に係るメタレンズユニット２Ｄのメタレンズ６０Ｄに液体Ｆを充満させる前の状態を模式的に示す正面図である。図１５に示されるように、第５実施形態に係る半導体故障解析装置の構成は、第２実施形態に係る半導体故障解析装置の構成と比較して、メタレンズ６０Ａに代えてメタレンズ６０Ｄを備えている点で相違しており、その他の点で同一である。メタレンズ６０Ｄは、各第１アンテナ７０Ｄが基部６２Ｄの下方側の端面から突出するように設けられている（すなわち、立設されている）とともに、複数の第１アンテナ７０Ｄの間に（すなわち、半導体デバイス１１と基部６２Ｄとの間に生じる空間に）充満させた液体（第１中間部）Ｆを備えている。なお、図１５には、液体Ｆは示されていない。
【０１１８】
第５実施形態に係るメタレンズ６０Ｄにおいて、基部６２Ｄは、下方側の端面である第１基部端面６３Ｄ、及び、上方側の端面である第２基部端面６４Ｄを有している。各第１アンテナ７０Ｄは、基部６２Ｄの第１基部端面６３Ｄから半導体デバイス１１に当接する方向に向かって突出している。換言すると、各第１アンテナ７０Ｄは、基部６２Ｄの一方の端面である第１基部端面６３Ｄに下向きに立設されている。各第１アンテナ７０Ｄは、当接面６１Ｄの一部を構成する第１アンテナ端面７１Ｄを有している。
【０１１９】
メタレンズ６０Ｄは、複数の第１アンテナ７０Ｄの間に充満させた液体Ｆを更に備えている（図１０参照）。液体Ｆは、第２屈折率を有している。第１アンテナ端面７１Ｄが当接面６１Ｄの一部を構成しているのに対して、液体Ｆの下方側の表面（第１中間部端面）は、当接面６１Ｄの残部を構成している。液体Ｆとしては、例えば合成炭化水素化合物、天然石油誘導体等のオイル（マッチングオイル）であってもよい。より具体的には、液体Ｆとしては、カーギル標準屈折液シリーズＡＡ（株式会社モリテックス）、又は、接触液（屈折液）（株式会社島津製作所）等であってもよい。複数の第１アンテナ７０Ｄ及び液体Ｆは、第１アンテナ部分７２Ｄを構成している。つまり、第１アンテナ部分７２Ｄは第１基部端面６３Ｄ上に（すなわち、基部６２Ｄの下方側の外部に）位置している。
【０１２０】
第５実施形態に係る半導体故障解析装置を用いて半導体デバイス１１の故障を解析する方法について説明する。図１６及び図１７は、半導体故障解析方法を説明するための図である。図１６及び図１７に示されるように、第５実施形態に係る半導体故障解析方法では、当接ステップにおいて、半導体デバイス１１と基部６２Ｄとの間に生じる空間に第２屈折率を有する液体Ｆを充満させる。
【０１２１】
より詳細には、図１６に示されるように、メタレンズ６０Ｄの当接面６１Ｄを半導体デバイス１１の裏面１１ｄに当接させる前に、半導体デバイス１１の裏面１１ｄに液体Ｆを塗布する。なお、液体Ｆは、メタレンズ６０Ｄの当接面６１Ｄ側に塗布されてもよい。
【０１２２】
その後、図１７に示されるように、メタレンズ６０Ｄの当接面６１Ｄを半導体デバイス１１の裏面１１ｄに当接させる。これにより、第１アンテナ７０Ｄの第１アンテナ端面７１Ｄと半導体デバイス１１の裏面１１ｄとが光学的にコンタクトする。これとともに、基部６２Ｄの第１基部端面６３Ｄと半導体デバイス１１の裏面１１ｄとの間に生じる空間に、第１アンテナ７０Ｄにより押し退けられた液体Ｆが移動し、当該空間が液体Ｆで充満される。これにより、基部６２Ｄの第１基部端面６３Ｄと半導体デバイス１１の裏面１１ｄとが液体Ｆを介して光学的にコンタクトする。
【０１２３】
メタレンズユニット２Ｄ、又は、メタレンズユニット２Ｄを備える半導体故障解析装置によれば、複数の第１アンテナ７０Ｄのそれぞれは、基部６２Ｄから半導体デバイス１１に当接する方向に向かって突出し、第１中間部は、複数の第１アンテナ７０Ｄの間に充満した液体Ｆである。これにより、半導体デバイス１１に当接する当接面６１Ｄが、第１アンテナ７０Ｄの第１アンテナ端面７１Ｄ及び液体Ｆの表面により構成されるため、半導体デバイス１１とメタレンズ６０Ｄとの間に空気層からなる空間が生じることを好適に抑制することができる。このため、半導体デバイス１１と空気層との屈折率の差が大きいことに起因した半導体デバイス１１上での界面反射が抑制され、光の透過率が向上する。よって、メタレンズユニット２Ｄ、又は、メタレンズユニット２Ｄを備える半導体故障解析装置は、メタレンズ６０Ｄを高効率化することができる。また、メタレンズユニット２Ｄ、又は、メタレンズユニット２Ｄを備える半導体故障解析装置は、基部６２Ｄ等を加工して第１中間部を形成する必要がないため、製造が容易になる。より具体的には、メタレンズユニット２Ｄ、又は、メタレンズユニット２Ｄを備える半導体故障解析装置は、界面反射を抑制するために適切な屈折率を有する第１中間部を基部６２Ｄ等に微細加工する必要がないため、製造が容易になる。
【０１２４】
また、メタレンズユニット２Ｄを用いた半導体故障解析方法によれば、各第１アンテナ７０Ｄは、基部６２Ｄから半導体デバイス１１に当接する方向に向かって突出し、当接ステップにおいて、半導体デバイス１１と基部６２Ｄとの間に生じる空間に、第２屈折率を有する液体Ｆを第１中間部として充満させる。これにより、半導体デバイス１１に当接する当接面６１Ｄが、第１アンテナ７０Ｄの第１アンテナ端面７１Ｄ及び液体Ｆの表面により構成されるため、半導体デバイス１１とメタレンズ６０Ｄとの間に空気層からなる空間が生じることを好適に抑制することができる。このため、半導体デバイス１１と空気層との屈折率の差が大きいことに起因した半導体デバイス１１上での界面反射が抑制され、光の透過率が向上する。よって、メタレンズユニット２Ｄを用いた半導体故障解析方法では、メタレンズユニット２Ｄのメタレンズ６０Ｄを高効率化することができる。
【０１２５】
［変形例］
上述した実施形態は、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した様々な形態で実施することができる。
【０１２６】
例えば、各実施形態において、メタレンズ６０，６０Ａ〜６０Ｄは、Ｚ方向から見た形状について特に限定されず、例えば、Ｚ方向から見て円形状であってもよい。
【０１２７】
また、各実施形態において、第１アンテナ７０，７０Ｄ及び第２アンテナ８０Ｂ，８０Ｃは、形状について特に限定されない。例えば、第１アンテナ７０，７０Ｄ及び第２アンテナ８０Ｂ，８０Ｃは、第１アンテナ部分７２，７２Ｄ及び第２アンテナ部分８２Ｂ，８２Ｃのメタサーフェス構造の方式に応じた形状であってもよい。
【０１２８】
また、各実施形態において、第１アンテナ７０，７０Ｄ及び第２アンテナ８０Ｂ，８０Ｃは、シリコンにより形成されていなくてもよい。例えば、第１アンテナ７０，７０Ｄ及び第２アンテナ８０Ｂ，８０Ｃは、ゲルマニウム、金、銀、クロム等により形成されていてもよい。これらの場合であっても、第１アンテナ部分７２，７２Ｄ及び第２アンテナ部分８２Ｂ，８２Ｃの実効屈折率を好適な値とすることができる。
【０１２９】
また、各実施形態において、メタレンズホルダ８は、メタレンズ６０、６０Ａ〜６０Ｄを保持することができればよく、上記実施形態における構成に限定されない。例えば、メタレンズホルダ８のレンズ保持部８ｂは、メタレンズ６０、６０Ａ〜６０Ｄに対してガタを有していなくてもよい。
【０１３０】
また、各実施形態において、第１アンテナ７０，７０Ｄ及び第２アンテナ８０Ｂ，８０Ｃは、Ｚ方向から見て、マトリクス状に限らず、例えばハニカム状、放射状等となるように周期的に配列していてもよい。或いは、第１アンテナ７０，７０Ｄ及び第２アンテナ８０Ｂ，８０Ｃは、Ｚ方向から見て、非周期的に配列していてもよい。
【０１３１】
また、第５実施形態において、液体Ｆは、メタレンズ６０Ｄの当接面６１Ｄを半導体デバイス１１の裏面１１ｄに当接させた後で、基部６２Ｄの第１基部端面６３Ｄと半導体デバイス１１の裏面１１ｄとの間に生じた空間に注入されてもよい。
【０１３２】
また、半導体デバイス１１は、モールド型半導体デバイス１０として樹脂１２にモールドされたものでなくてもよい。
【符号の説明】
【０１３３】
１…半導体故障解析装置、２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ…メタレンズユニット、８…メタレンズホルダ（保持部）、１１…半導体デバイス、２１…対物レンズ、６０，６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃ，６０Ｄ…メタレンズ、６１，６１Ｄ…当接面、６２，６２Ｃ，６２Ｄ…基部、６５Ｂ，６５Ｃ…対向面、６６…第１外縁部（第１中間部）、６７…第１外縁部端面（第１中間部端面）、７０，７０Ｄ…第１アンテナ、７１，７１Ｄ…第１アンテナ端面、７２，７２Ｄ…第１アンテナ部分、８０Ｂ，８０Ｃ…第２アンテナ、８１Ｂ，８１Ｃ…第２アンテナ端面、８２Ｂ，８２Ｃ…第２アンテナ部分、８６Ｃ…第２外縁部（第２中間部）、Ｆ…液体（第１中間部）、Ｇ…空隙（第２中間部）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【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】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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