(57)【要約】【課題】精密な収差補正の可能な対物レンズを提供する。【解決手段】対物レンズ２０は、ケース４０に収容された可動の第１レンズ群３７と固定の第２レンズ群３８を有する。対物レンズ２０は、駆動装置５６を用いて駆動される収差補正機構４２を有する。収差補正機構４２は、ギア５０の回転により第１レンズ群を移動し、対物レンズ２０の球面収差を調整する。駆動装置５６は着脱自在なので、対物レンズ２０のレボルバ２２への取り付けを妨げない。基準センサ６５による被検体７２の検出により、ギア５０の回転の起点が定められる。このため、第１レンズ群の位置に左右されずに収差を補正できる。【選択図】  図２
2005017643.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
着脱自在の駆動装置を用いて収差を補正可能な対物レンズであって、
光軸に沿って互いに離間させて配置された第１および第２のレンズと、
前記第１および第２レンズを収容する筒状のケースと、
前記ケースの周方向に沿って前記ケースの外側面に設けられ、前記駆動装置を前記ケースに取り付けるために使用される複数の取付穴と、
前記ケースの周方向に沿って前記ケースを取り囲み、一つの回転軸を中心として前記ケースに対して相対的に回転可能な環状のギアと、
前記ギアの回転に伴って同軸に回転する位置決め標識と、
前記ケースの外側面に取り付けられ、前記位置決め標識の接近を検出する基準センサと、
を備え、
前記駆動装置が前記取付穴の一つ以上を使用して前記ケースに取り付けられると、前記駆動装置が前記ギアと係合し、前記駆動装置と前記ギアが連動して回転するようになり、
前記ギアの回転に応じて前記第１および第２レンズ間の距離が変化する、
対物レンズ。
【請求項２】
前記位置決め標識の接近を検出する第１および第２の補助センサをさらに備える請求項１に記載の対物レンズであって、
前記第１および第２補助センサは、前記ケースの周方向に沿って前記基準センサから離間させて前記ケースの外側面に取り付けられ、
前記基準センサは、前記第１および第２補助センサの間に配置される、
請求項１に記載の対物レンズ。
【請求項３】
前記基準センサおよび前記第１補助センサ間の前記周方向に沿った距離は、前記基準センサおよび前記第２補助センサ間の前記周方向に沿った距離よりも短い、請求項２に記載の対物レンズ。
【請求項４】
前記基準センサならびに前記第１および第２補助センサを保持するセンサホルダをさらに備える請求項２または３に記載の対物レンズであって、
前記センサホルダは、前記取付穴の一つ以上を使用して前記ケースに着脱自在に取り付けられる、
請求項２または３に記載の対物レンズ。
【請求項５】
前記位置決め標識を有し、前記基準センサと対向するように前記ギアに固定することの可能な取付環をさらに備える請求項１〜４のいずれかに記載の対物レンズであって、
前記取付環は、前記ギアに固定されていないときは、前記回転軸を中心として前記ギアに対して相対的に回転させることができる、
請求項１〜４いずれかに記載の対物レンズ。
【請求項６】
前記ケースを取り囲むように前記ギアに固定された環状のフランジをさらに備える請求項１〜５のいずれかに記載の対物レンズであって、
前記フランジは、前記ケースの径方向に沿って前記ギアを越えて突出している、
請求項１〜５のいずれかに記載の対物レンズ。
【請求項７】
試料を観察するための光学装置であって、
前記試料に対向させて配置される請求項１に記載の対物レンズと、
前記対物レンズに取り付けられた前記駆動装置と、
前記基準センサの出力に応じて前記駆動装置を作動させ、前記ギアを回転させる制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、前記基準センサが前記位置決め標識を検出するまで前記ギアを一方向に回転させ、次いで、前記試料中の観察すべき部位の深さに応じた回転量だけ前記ギアを前記一方向に回転させる、
光学装置。
【請求項８】
前記対物レンズは、前記位置決め標識の接近を検出する第１および第２の補助センサをさらに有し、
前記第１および第２補助センサは、前記ケースの周方向に沿って前記基準センサから離間させて前記ケースの外側面に取り付けられ、
前記駆動装置は、前記ギアを正方向およびその逆方向の双方に回転させることができ、
前記第１補助センサは、前記基準センサから前記正方向に沿って離間しており、
前記第２補助センサは、前記基準センサから前記逆方向に沿って離間しており、
前記制御装置は、前記第１補助センサが前記位置決め標識を検出するまで前記ギアを前記正方向に回転させ、次に、前記基準センサが前記位置決め標識を検出するまで前記ギアを前記逆方向に回転させ、その後、前記試料中の観察すべき部位の深さに応じた回転量だけ前記ギアを前記逆方向に回転させ、
前記制御装置は、前記第２補助センサが前記位置決め標識を検出すると、前記ギアの回転を停止または反転する、
請求項７に記載の光学装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、対物レンズに関し、特に、半導体デバイスの観察に適した対物レンズに関する。
【０００２】
【従来の技術】
収差補正機能を有する対物レンズが知られている（例えば、特許文献１および２を参照）。一般に、倍率の異なる複数の対物レンズがレボルバに取り付けられる。レボルバの回転動作によって、試料の観察に使用する対物レンズが切り替えられる。
【０００３】
対物レンズは半導体デバイスの観察に使用されることがある。例えば、ある半導体デバイス検査装置は、半導体デバイスから発生する極微弱光を検出することによりデバイス中の異常箇所を特定する。このとき、シリコン基板上に形成された多層配線などの遮蔽物を避けるため、基板の裏面側に対物レンズを配置し、シリコン基板越しにデバイスからの発光を観察する。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−１６９１０１号公報
【特許文献２】
特開平１１−０３０７５４号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、精密な収差補正の可能な対物レンズを提供することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
特許文献１に記載されるように、顕微鏡では、カバーガラスの厚さの誤差に起因する球面収差を補正する必要があり、そのために収差補正機能を有する対物レンズが使用される。半導体デバイスの基板の材料として広く使用されるシリコンは、顕微鏡で使用されるカバーガラスと比べて極めて高い屈折率を有している。半導体デバイスは、シリコン基板の裏面から様々な深さに位置する観察対象物を含んでいる。このため、特に半導体デバイスをシリコン基板の裏面から観察する場合、シリコンの高い屈折率のため、基板裏面と観察対象物の間に含まれるシリコンの厚さが対物レンズの球面収差に大きく影響する。したがって、半導体デバイスの顕微鏡観察において十分な解像力を得るためには、シリコン基板の厚さに応じて収差を補正する必要がある。
【０００７】
そこで、本発明は、対物レンズの収差補正機構を機械的に制御できるようにして、精密な収差補正を実現する。この場合、対物レンズに収差補正機構の駆動装置を取り付ける必要が生じる。しかし、駆動装置を対物レンズに固定すると、対物レンズをレボルバに取り付ける際にレボルバの突出部と干渉して、取り付けが困難になる可能性がある。このため、対物レンズのケースの外側面に取付穴を設け、その取付穴を用いて駆動装置を着脱できるようにした。
【０００８】
一つの側面において、この発明は、着脱自在の駆動装置を用いて収差を補正可能な対物レンズに関する。この対物レンズは、光軸に沿って互いに離間させて配置された第１および第２レンズと、これらのレンズを収容する筒状のケースと、ケースの周方向に沿ってケースの外側面に設けられ、駆動装置をケースに取り付けるために使用される複数の取付穴と、ケースの周方向に沿ってケースを取り囲み、一つの回転軸を中心としてケースに対して相対的に回転可能な環状のギアと、ギアの回転に伴って同軸に回転する位置決め標識と、ケースの外側面に取り付けられ、位置決め標識の接近を検出する基準センサとを備えている。駆動装置が取付穴の一つ以上を使用してケースに取り付けられると、駆動装置がギアと係合し、駆動装置とギアが連動して回転するようになる。第１および第２レンズ間の距離は、ギアの回転に応じて変化する。第１および第２レンズの各々は、単レンズであってもよいし、複数枚のレンズからなるレンズ群であってもよい。
【０００９】
駆動装置を用いてギアを回転させると、第１および第２レンズ間の距離が変化し、それに応じて対物レンズの収差特性が変化する。コンピュータなどの制御装置を用いて駆動装置を適切に制御すれば、対物レンズの収差を手作業によらず精密に補正することができる。また、駆動装置を使用することで、暗箱内に設置される対物レンズの収差を、暗箱を開けることなく補正することが可能になる。駆動装置は着脱自在なので、対物レンズのレボルバへの取り付けを妨げない。対物レンズのレボルバへの取り付け時に駆動装置を対物レンズから取り外せば、取り付け作業が容易になる。
【００１０】
ギアに連動して回転する位置決め標識の位置は、第１および第２レンズ間の距離に対応する。ギアを回転させると、位置決め標識が移動して基準センサに検出される。試料の表面に焦点を合わせた状態でギアを回転させ、基準センサによって位置決め標識が検出されるギアの位置を特定し、その位置から、観察すべき試料中の部位の深さに応じた回転量だけギアを回転させれば、レンズ間距離の初期値に左右されずに収差を補正できる。
【００１１】
本発明に係る対物レンズは、位置決め標識の接近を検出する第１および第２の補助センサをさらに備えていてもよい。第１および第２補助センサは、ケースの周方向に沿って基準センサから離間させてケースの外側面に取り付けられてもよい。基準センサは、第１および第２補助センサの間に配置される。各補助センサが位置決め標識の接近を検出したときにギアの回転を停止または反転させれば、レンズ間距離の変動範囲を制限できる。これにより、レンズ間距離の過度の変動によるレンズの破損を防ぐことができる。
【００１２】
基準センサおよび第１補助センサ間のケース周方向に沿った距離は、基準センサおよび第２補助センサ間のケース周方向に沿った距離より短くてもよい。基準センサを一方の補助センサに近づけて配置すれば、基準センサと他方の補助センサとの間を位置決め標識が移動する間、ギアを継続的に回転させることができる。このため、ギアの回転によるレンズ間距離の変動量を大きく取ることができる。したがって、対物レンズの収差を広い範囲にわたって補正できる。
【００１３】
本発明の対物レンズは、基準センサならびに第１および第２補助センサを保持するセンサホルダをさらに備えていてもよい。センサホルダは、上記の取付穴の一つ以上を使用してケースに着脱自在に取り付けられてもよい。センサホルダをケースに取り付けることにより、複数のセンサの取り付けを同時に完了することができる。駆動装置とセンサホルダで共通の取付穴を使用するので、ケースの製造工程が簡略化される。基準センサによって位置決め標識が検出されるギアの位置から観察部位の深さに応じた回転量だけギアを回転させれば、センサホルダの取付位置に左右されずに収差を補正できる。
【００１４】
本発明の対物レンズは、位置決め標識を有し、基準センサと対向するようにギアに固定することの可能な取付環をさらに備えていてもよい。基準センサのほかに第１および第２補助センサが存在する場合、取付環はこれらの補助センサとも対向する。取付環は、ギアに固定されていないときは、回転軸を中心としてギアに対して相対的に回転させることができる。したがって、取付環を回転させることにより、基準センサに対する位置決め標識の位置を調節することができる。
【００１５】
ケースを取り囲むようにギアに固定された環状のフランジをさらに備えていてもよい。このフランジは、ケースの径方向に沿ってギアを越えて突出している。このため、駆動装置によってギアを回転させるときに摩耗によって屑が生じても、フランジが屑を受け取る。したがって、対物レンズによって観察する試料に摩耗屑が及ばない。また、フランジは、ギアを手動で回転させるときの持ち手としても役立つ。
【００１６】
別の側面において、この発明は、試料を観察するための光学装置に関する。この光学装置は、試料に対向させて配置される上記の対物レンズと、対物レンズに取り付けられた上記の駆動装置と、基準センサの出力に応じて駆動装置を作動させ、対物レンズのギアを回転させる制御装置とを備えている。制御装置は、基準センサが位置決め標識を検出するまでギアを一方向に回転させ、次いで、試料中の観察すべき部位の深さに応じた回転量だけギアを同じ方向に回転させる。
【００１７】
制御装置は、観察部位の深さに応じた回転量だけギアを回転させることにより、対物レンズ中の第１および第２レンズ間の距離を調節し、対物レンズの収差を補正する。第１および第２レンズの初期配置にかかわらず、基準センサが位置決め標識を検出する位置を起点としてギアが回転させられる。このため、レンズ間距離の初期値に左右されずに収差を補正できる。
【００１８】
対物レンズは、位置決め標識の接近を検出する第１および第２の補助センサをさらに有していてもよい。第１および第２補助センサは、ケースの周方向に沿って基準センサから離間させてケースの外側面に取り付けられてもよい。駆動装置は、ギアを正方向およびその逆方向の双方に回転させることができてもよい。第１補助センサが基準センサから正方向に沿って離間し、第２補助センサが基準センサから逆方向に沿って離間していてもよい。制御装置は、第１補助センサが位置決め標識を検出するまでギアを正方向に回転させ、次に、基準センサが位置決め標識を検出する位置までギアを逆方向に回転させ、その後、試料中の観察すべき部位の深さに応じた回転量だけギアを逆方向に回転させてもよい。なお、ギアの回転を反転する前に、ギアの回転を停止させてもよい。さらに、制御装置は、第２補助センサが位置決め標識を検出すると、ギアの回転を停止または反転してもよい。
【００１９】
第１および第２補助センサが位置決め標識の接近を検出すると、ギアの回転が反転または停止される。これにより、レンズ間距離の変動範囲が制限される。したがって、レンズ間距離の過度の変動によるレンズの破損を防ぐことができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２１】
本実施形態は、半導体デバイス検査装置の光検出部で使用される対物レンズに関する。図１は、デバイス検査装置の光検出部８０の構成を示す概略図である。デバイス検査装置は、試料１０上の集積回路（ＩＣ）から発する極微弱光を検出することにより、ＩＣ中の異常箇所を特定する。試料１０は、シリコン基板上にＩＣが形成された半導体デバイスチップである。試料１０は、基板のデバイス形成面を下向きにして、すなわち基板の裏面を上向きにして暗箱１２内に配置される。
【００２２】
暗箱１２内において試料１０の上方には、ＬＳＭ（レーザ走査顕微鏡）ユニット１４およびＣＣＤカメラ１６が設置されている。ＬＳＭユニット１４およびＣＣＤカメラ１６は、光学系１８を介して対物レンズ２０に光学的に結合されている。対物レンズ２０は、倍率の異なるものが複数用意される。これらの対物レンズ２０はレボルバ２２に取り付けられる。これらの対物レンズ２０の一つが試料１０の真上に配置され、試料１０からの光の取得に使用される。レボルバ２２を回転させることにより、試料１０に向ける対物レンズ２０を選択することができる。暗箱１２内において光学系１８は、Ｘステージ２４、Ｙステージ２６およびＺステージ２８に固定されている。これらのステージは、光学系１８および対物レンズ２０をＸ、ＹおよびＺ方向に移動することができる。
【００２３】
暗箱１２の外部において試料１０の下方には、ＬＳＩテスタ３０が設置されている。テスタ３０は、試料１０に電圧信号を供給してＩＣ中に光を発生させる。テスタ３０のインタフェースボード３１は、ケーブル３２によって試料１０上のＩＣに接続されている。テスタ３０は、ケーブル３２を通じて電圧信号を試料１０のＩＣに供給する。
【００２４】
試料１０上から発した光は対物レンズ２０によって集光され、光学系１８を通じてＣＣＤカメラ１６へ送られる。ＣＣＤカメラ１６は、試料１０の発光像を表す画像信号を生成する。ＣＣＤカメラ１６は、後述するディスプレイモニタに接続されており、画像信号はそのモニタに送られる。これにより、モニタ上に試料１０の発光像が表示される。
【００２５】
ＬＳＭユニット１４は、レーザ光を用いて試料１０を走査し、ＩＣパターン像を取得する。ＬＳＭユニット１４は、暗箱１２の外部に設置されたデータ処理装置（図示せず）に接続されており、ＩＣパターン像はそのデータ処理装置に送られる。データ処理装置は、ＣＣＤカメラ１６によって取得された発光像をＩＣパターン像に重ねた画像を生成し、ディスプレイモニタ上に表示してもよい。
【００２６】
以下では、図２〜図５を参照しながら対物レンズ２０の構造を説明する。図２〜図４は、対物レンズ２０を示す斜視図、側面図および後端面図である。図５は、対物レンズ２０の概略縦断面図である。
【００２７】
図５に示されるように、対物レンズ２０は、筒状のケース４０に収容されたレンズ系３５を有する。レンズ系３５は、互いに離間した第１および第２のレンズ群３７および３８を有する。これらのレンズ群は共通の光軸３６を有している。レンズ群３７および３８は、光軸３６に沿って物体側から順次に配置されている。第１レンズ群３７は３枚の単レンズ３９１〜３９３から構成されている。第２レンズ群３８は１０枚の単レンズ３９４〜３９１３から構成されている。第１および第２レンズ群間の距離を調節することにより、レンズ系３５の収差を補正することができる。
【００２８】
ケース４０は、光軸３６を中心に対称な形状を有している。ケース４０の先端には収差補正機構４２が設けられている。収差補正機構４２は、第１レンズ群３７と第２レンズ群３８との距離を変更してレンズ系３５の球面収差を調整するための手段である。図５に示されるように、収差補正機構４２は、補正環４３およびレンズホルダ部品４４〜４７を有する。
【００２９】
補正環４３は、ケース４０の外側面に設けられた突起４０ｂと補正環４３の前端面に当接する面板４８とによってケース４０に取り付けられた筒状体である。補正環４３はケース４０を取り囲み、光軸３６を中心としてケース４０に対して相対的に回転することができる。補正環４３は、ケース４０の径方向、すなわち光軸３６と垂直な方向に突出する環状のギア５０を有している。
【００３０】
図３に示されるように、補正環４３の前側部分には、補正環４３を貫通する円弧状の溝４３ａが設けられている。この溝４３ａは一定の幅を有し、補正環４３の周方向に対してわずかに傾斜した方向に延びている。図５に示されるように、溝４３ａはケース４０の側壁４０ａを貫通する穴４０ｃと連通している。貫通穴４０ｃの径は溝４３ａの幅よりも大きい。
【００３１】
補正環４３の中央部にはフランジ４９が固定されている。フランジ４９はケース５０の径方向に沿って延びている。図５に示されるように、フランジ４９の周縁は、ギア５０を越えて突出している、
レンズホルダ部品４４〜４７は、ケース４０の内側面に取り付けられ、第１レンズ群３７中のレンズ３９１〜３９３を保持する。レンズホルダ部品４４は、ケース４０の側壁４０ａに対して前後に摺動可能な筒状体である。レンズホルダ部品４４の中央部には、レンズホルダ部品４４を貫通するネジ穴４４ａが設けられている。ネジ穴４４ａは、補正環４３の溝４３ａおよび側壁４０ａの貫通穴４０ｃと連通している。ネジ穴４４ａの径は溝４３ａの幅よりも小さい。ネジ穴４４ａには、溝４３ａおよび穴４０ｃを貫通するネジ付きピン４１がねじ込まれている。レンズホルダ部品４４の前側部分には、コイルバネ５１を収容する穴４４ｂが設けられている。コイルバネ５１の両端は、穴４４ｂの底および面板４８と当接する。面板４８は接着剤５２を用いてケース４０の側壁４０ａに固定されている。
【００３２】
補正環４３を回転させるとピン４１は溝４３ａに沿って移動する。溝４３ａが補正環４３の周方向に対して斜めに延びているので、ピン４１の移動ベクトルには、光軸３６の方向の成分が含まれる。したがって、補正環４３の回転に伴いピン４１は光軸３６に沿って前方または後方に移動する。ピン４１はレンズホルダ部品４４に固定されているので、ピン４１の移動に伴いレンズホルダ部品４４が移動する。これにより、第１レンズ群３７を光軸３６に沿って前方または後方に移動させ、第１および第２レンズ群間の距離を調節することができる。
【００３３】
ケース４０の基端には、雄ネジ５３が設けられている。雄ネジ５３は対物レンズ２０をレボルバ２２に取り付けるために使用される。レボルバ２２は雌ネジが切られた取付穴を有しており、そこに対物レンズ２０がねじ込まれる。
【００３４】
ケース４０の側壁４０ａには、複数の取付穴５４が設けられている。図２および図３に示されるように、これらの取付穴５４は２列に並んでいる。各列において取付穴５４は、ケース４０の周方向に沿って等間隔に配置されている。取付穴５４は雌ネジが切られている。
【００３５】
取付穴５４は、収差補正機構４２用の駆動装置５６をケース４０の外側面に取り付けるために使用される。図２及び図３に示されるように、駆動装置５６は、駆動モータ５７、スリーブ５８、ベース５９、シャフト６０およびピニオンギア６１を有している。駆動モータ５７は減速ギアボックスを有する。スリーブ５８は、駆動モータ５７の外側面を取り囲んで保持する。図５に示されるように、駆動モータ５７は止めネジ６３を用いてスリーブ５８に固定される。スリーブ５８はベース５９上に設置されている。ベース５９には複数のネジ穴５９ａが設けられている。ネジ穴５９ａをケース４０の取付穴５４に位置合わせし、六角レンチを使用して六角穴付きボルト６２をネジ穴５９ａおよび取付穴５４にねじ込むことにより、駆動装置５６がケース４０に取り付けられる。シャフト６０は駆動モータ５７に接続されており、駆動モータ５７が作動に応じて回転する。ピニオンギア６１はシャフト６０の先端に設けられており、シャフト６０の回転に伴って回転する。駆動モータ５７はピニオン６１を正方向および逆方向の双方に回転させることができる。駆動装置５６が取付穴５４およびボルト６２を用いてケース４０に取り付けられると、ピニオン６１は環状ギア５０とかみ合う。
【００３６】
取付穴５４は、センサホルダ６４をケース４０の外側面に取り付けるために使用することもできる。センサホルダ６４は、複数の近接センサ６５〜６７を保持する円弧状の部材である。センサホルダ６４には、ネジ穴６４ａが設けられている。ネジ穴６４ａをケース４０の取付穴５４に位置合わせし、六角穴付きボルト６８をネジ穴６４ａおよび取付穴５４にねじ込むことにより、センサホルダ６４をケース４０に取り付けることができる。センサホルダ６４には、ネジ穴６４ａより径の小さな３個のネジ穴６４ｂも設けられている。近接センサ６５〜６７は、これらのネジ穴６４ｂに止めネジ７０をねじ込むことによりセンサホルダ６４に固定される。
【００３７】
近接センサ６５〜６７は、被検体７２の接近を磁気的に検知する。近接センサ６５〜６７は、自身の前方を横切るように移動する被検体７２が十分に接近すると検出信号を生成する。この検出信号はケーブル７１〜７３を通じて出力される。センサ６５は、センサ６６および６７の間に配置されている。センサ６５と６６との間隔は、センサ６５と６７との間隔よりも短い。以下では、センサ６５を基準センサと呼び、センサ６６および６７を第１および第２補助センサと呼ぶことにする。
【００３８】
被検体７２は平らな頭を持った金属製のピンである。被検体７２は取付環７３によって保持されている。被検体７２は取付環７３の後端面に設けられた穴に圧入されている。被検体７２の頭は取付環７３の後端面から突出している。取付環７３は補正環４３の後端部を覆うように補正環４３に同軸に装着される。図５に示されるように、取付環７３はネジ穴７３ａを有している。ネジ穴７３ａに止めネジ７４をねじ込むことにより、補正環４３に取付環７３を固定することができる。止めネジ７４によって固定しなければ、取付環７３を補正環４３に対して相対的に回転させて、被検体７２の位置を調整することができる。取付環７３が補正環４３に固定されると、被検体７２はギア５０の回転に伴ってギア５０と同軸に回転する。ギア５０の回転により第１レンズ群３７が移動するので、被検体７２は第１レンズ群３７の位置に対応することになる。
【００３９】
後述するように、基準センサ６５はギア５０の回転の起点を定めるために使用される。また、補助センサ６６および６７は、ギア５０の回転量を制限して、第１レンズ群３７の過度の移動を防止するために使用される。補助センサ６６および６７の間隔は、第１レンズ群３７の許容最大移動量に対応する。言い換えると、これらの補助センサの位置は、第１レンズ群３７および第２レンズ群３８間の距離の許容最大値および許容最小値に対応する。試料１０の観察を開始する際、被検体７２は基準センサ６５と第２補助センサ６７の間に配置される。
【００４０】
図６は、レボルバ２２に取り付けられた対物レンズ２０を示す斜視図である。レボルバ２２は、複数の対物レンズ２０を取り付けることの可能な回転盤７５および回転盤７５を収容する筐体７６を有する。図７は、筐体７６に収容されるレボルバ駆動機構を示す斜視図である。筐体７６内には、レボルバ駆動モータ（図示せず）のシャフト７９に接続されたプーリ８０が配置される。回転盤７５とプーリ８０との間には、ベルト８１が掛け渡されている。図６に示されるように、レボルバ駆動モータは筐体７６の突出部７７に収容されている。また、プーリ８０は筐体７６の突出部７８に収容されている。レボルバ駆動モータが作動すると、回転盤７５が回転する。これにより、観察に使用される対物レンズ、すなわち光学系１８と結合される対物レンズが切り替えられる。
【００４１】
図６に示されるように、プーリ８０を収容する突出部７８は対物レンズ２０の一つと隣接している。対物レンズ２０を回転盤７５に取り付けるときは、対物レンズ２０を回転盤７５のネジ穴にねじ込む。このとき、対物レンズ２０に収差補正機構４２の駆動装置５６が固定されていると、駆動装置５６が突出部７８と干渉し、対物レンズ２０の取り付けが困難になる。したがって、対物レンズ２０をレボルバ２２に取り付けるときは、駆動装置５６を対物レンズ２０から取り外す。これにより、対物レンズ２０の取り付けが容易になる。
【００４２】
以下では、図８〜図１０を参照しながら、収差補正機構４２の駆動制御について説明する。図８は、本実施形態の半導体デバイス検査装置１００の構成の一部を概略的に示すブロック図である。図９は、駆動制御の流れを示すフローチャートである。図１０は、被検体７２の動きを示す概略図である。簡単のため、ＣＣＤカメラ１６を使用した試料１０からの発光像の観察における収差補正機構４２の駆動制御を説明する。このため、図８では、ＬＳＭユニット１４、Ｘ軸ステージ２４およびＹ軸ステージ２６が省略されている。ただし、ＬＳＭユニット１４を使用したデバイスパターン像の取得時にも同様の駆動制御が行われる。図８には、光学系１８に含まれる結像レンズ１８ａが図示されている。結像レンズ１８ａは、ＣＣＤカメラ１６と対物レンズ２０とを光学的に結合する。
【００４３】
図８に示されるように、光検出部８０の動作は制御装置９０により制御される。制御装置９０は、データ処理装置としても機能する。制御装置９０は、例えば、パーソナルコンピュータであってもよい。制御装置９０は、ＣＰＵ９１、メモリ９２、モータ駆動回路９３、センサ駆動回路９４、ステージ駆動回路９５、入力装置９６およびディスプレイモニタ９７を有する。
【００４４】
ＣＰＵ９１は、メモリ９２、モータ駆動回路９３、センサ駆動回路９４、ステージ駆動回路９５および入力装置９６に接続されている。ＣＰＵ９１は光検出部８０の動作を制御し、試料１０上のＩＣの検査を実行する。メモリ９２には、ＩＣの検査に必要なプログラムおよびデータが格納されている。そのデータには、収差補正機構４２の駆動制御に必要なデータも含まれている。
【００４５】
モータ駆動回路９３は、駆動装置５６の駆動モータ５７に接続されており、駆動モータ５７に動作電力を供給する。センサ駆動回路９４は、近接センサ６５〜６７に接続されており、これらに動作電力を供給する。また、センサ駆動回路９４は、センサ６５〜６７から検出信号を受け取り、ＣＰＵ９１に転送する。ステージ駆動回路９５はステージ駆動モータ２９に接続されており、ステージ駆動モータ２９に動作電力を供給する。ステージ駆動モータ２９は、この動作電力の供給に応じてＺ軸ステージ２８を駆動する。これにより、対物レンズ２０がＺ軸方向に移動し、対物レンズ２０と試料１０との距離が変化する。
【００４６】
入力装置９６は、例えば、キーボードやマウスである。入力装置９６は、制御装置９０に命令およびデータを入力するために使用される。オペレータは、入力装置９６を用いて命令を制御装置９０に入力することにより、Ｚ軸ステージ２８を自由に移動させることができる。
【００４７】
図９を参照しながら、試料１０の観察手順を説明する。まず、試料１０を暗箱１２内の所定の位置に設置する（ステップＳ９０２）。試料１０は、対物レンズ２０から所定の距離だけ離して配置される。すでに述べたように、試料１０は基板の裏面を上向きにして配置される。
【００４８】
次に、オペレータが入力装置９６を操作して、測定深さの初期値としてゼロを制御装置９０に入力する（ステップＳ９０４）。ここで、測定深さとは、対物レンズ２０と対向する試料１０の表面、すなわち基板の裏面から、試料１０中の観察部位までの深さを意味する。測定深さゼロは、基板の裏面を示す。ＣＰＵ９１は、測定深さゼロの入力に応答してステージ駆動回路９５を制御し、Ｚ軸ステージ２８を駆動して、基板の裏面に対物レンズ２０の焦点を合わせる（ステップＳ９０６）。基板の裏面を観察する場合、対物レンズ２０は基板を透過した光を検出するわけではない。このため、球面収差は十分に小さく、その補正は不要である。したがって、ステップＳ９０６では、制御装置９０は第１レンズ群３７を移動させない。
【００４９】
次に、オペレータは、検査すべきＩＣの実際の深さを測定深さとして制御装置９０に入力する（ステップＳ９０８）。試料１０の基板の裏面は光検出部８０内に設置される前に研磨される。この研磨加工の際に基板の厚みが調べられる。この厚みに基づいて基板裏面からのＩＣの深さを推定することができる。
【００５０】
測定深さが入力されると、制御装置９０は駆動モータ５７を作動させ、ギア５０を第１補助センサ６６に向けて回転させる（ステップＳ９１０）。ギア５０の回転に伴い、被検体７２も第１補助センサ６６に向けて回転する。図１０（ａ）に示されるように、被検体７２の初期位置は、基準センサ６５の検出領域６５ａと第２補助センサ６７の検出領域６７ａとの間にある。被検体７２はこの初期位置から第１補助センサ６６へ向かって移動する。図１０（ｂ）に示されるように、被検体７２は基準センサ６５の前方を通過し、第１補助センサ６６の検出領域６６ａに入り、第１補助センサ６６によって検出される（ステップＳ９１２）。第１補助センサ６６は、検出信号を生成してＣＰＵ９１に送る。
【００５１】
ＣＰＵ９１は第１補助センサ６６から検出信号を受け取ると、駆動モータ５７をいったん停止させ、その後、回転方向を反転させて再び作動させる（ステップＳ９１４）。これにより、被検体７２は第１補助センサ６６の検出領域６６ａから基準センサ６５に向かって回転する。図１０（ｃ）に示されるように、被検体７２が基準センサ６５の検出領域６５ａに入ると、基準センサ６５は検出信号をＣＰＵ９１へ送る（ステップＳ９１６）。ＣＰＵ９１は、その検出信号に応答して駆動モータ５７を停止させる（ステップＳ９１８）。このときのギア５０の位置が、この後に収差補正のために行われるギア５０の回転の起点である。
【００５２】
起点を決定するためのギア５０の回転に伴い、第１レンズ群３７が移動する。しかし、第１レンズ群３７の移動によって対物レンズ２０の焦点位置はほとんど変化しない。対物レンズ２０の焦点が基板裏面に合わせられているので、第１レンズ群３７の移動による対物レンズ２０の球面収差の変化はわずかである。このため、球面収差は十分に小さいままである。
【００５３】
ギア回転の起点の決定後、ＣＰＵ９１は、ステップＳ９０８で入力された測定深さに応じて、収差補正機構４２用の駆動モータ５７およびステージ駆動モータ２９を作動させる（ステップＳ９２０）。メモリ９２には、測定深さの様々な値にモータ５７および２９の駆動量を対応付けるテーブルが格納されている。テーブル内のモータ５７の駆動量は、測定深さに応じた球面収差の適切な補正を達成するための数値である。つまり、この駆動量は、測定深さがゼロから別の値に変化したときに、どれだけ第１レンズ群３７を移動させれば適切な球面収差が得られるかを示している。また、テーブル内のモータ２９の駆動量は、測定深さにおける適切な焦点合わせを達成するための数値である。つまり、この駆動量は、測定深さがゼロから別の値に変化したときに、どれだけＺ軸ステージ２８を移動させれば適切な球面収差が得られるかを示している。これらのモータ駆動量は、あらかじめ実験により測定され、あるいはシミュレーションよって計算される。
【００５４】
ＣＰＵ９１はこのテーブルを読み取り、入力された測定深さに応じたモータ５７および２９の駆動量を決定する。ＣＰＵ９１は、決定した駆動量をモータ駆動回路９３およびステージ駆動回路９５に指示する。駆動回路９３および９５は、指示された駆動量だけモータ５７および２９を作動させ、その後、これらのモータを停止させる。これにより、測定深さに応じた回転量だけギア５０が回転する。これに応じて第１レンズ群３７が光軸３６に沿って移動し、球面収差が補正される。また、測定深さに応じた距離だけＺ軸ステージ２８が移動し、入力された測定深さに位置する試料１０中の部位に焦点が合わせられる。このようにして、収差補正と焦点合わせが同時に行われる。
【００５５】
図１０（ｄ）に示されるように、モータの駆動量は被検体７２が第２補助センサの検出領域６７ａに入らない程度に抑えられる。規定の許容範囲を超える測定深さを誤って入力した場合、図１０（ｅ）に示されるように、被検体７２が第２補助センサ６７の検出領域６７ａに入る可能性がある。この場合、第２補助センサ６７は検出信号をＣＰＵ９１に送り、ＣＰＵ９１は直ちにモータ５７および２９を停止させる。これにより、第１レンズ群３７が過度に移動して破損することが防がれる。結果として、ギア５０の回転量は被検体７２がセンサ６５と６７の間に位置する範囲に制限される。
【００５６】
この後、ＣＣＤカメラ１６が測定深さにおける試料１０の発光像を撮像する（ステップＳ９２２）。得られた画像はディスプレイモニタ９７へ送られ、そこで表示される。オペレータは表示される画像を検査し、画像が適切か否かを判断する（ステップＳ９２４）。画像の解像力が不足していたり焦点合わせが十分でない場合、オペレータは画像を不適切と判断する（ステップＳ９２４にてＮｏ）。このとき、処理はステップＳ９０８に戻り、制御装置９０は測定深さの入力を再び待機する。オペレータは測定深さを再入力して、試料１０の撮像を再実行させることができる。モニタ９７に適切な画像が表示されると（ステップＳ９２４にてＹｅｓ）、処理は完了する。
【００５７】
このように、デバイス検査装置１００を用いて試料１０の任意の深さにおける発光像を取得し観察することができる。測定深さが変更されると、駆動装置５６を用いて第１レンズ群３７が移動され、球面収差が機械的に調整される。これにより、測定深さの違いに応じた球面収差が補正される。
【００５８】
以下では、本実施形態の利点を説明する。第１に、デバイス検査装置１００は、駆動装置５６を用いた収差補正機構４２の機械的な駆動により対物レンズ２０の収差を精密に補正できる。制御装置９０は、様々な測定深さに対応する最適な駆動量のデータを所有しており、この駆動量にしたがって対物レンズ２０の球面収差を調整する。したがって、手動で収差補正機構４２を動かす場合に比べて精密に球面収差を補正できる。また、手動で収差補正機構４２を動かす場合、暗箱１２を開けて対物レンズ２０に手を伸ばすことになる。このような作業は面倒なだけでなく、暗箱１２を開けることにより暗箱１２内の温度環境が変化し、半導体デバイスの検査に影響を与える可能性もある。本実施形態では、暗箱１２の外部に設置された制御装置９０を操作することにより、暗箱１２を開けることなく収差が補正される。したがって、この点でも、駆動装置５６を用いた収差補正は優れている。
【００５９】
第２に、対物レンズ２０はレボルバ２２への取り付けが容易である。これは、駆動装置５６が対物レンズ２０に対して着脱自在だからである。駆動装置５６を装着せずに対物レンズ２０をレボルバ２２に取り付ければ、レボルバ２２の突出部７８が駆動装置５６と干渉することもない。
【００６０】
第３に、装置１００は第１レンズ群３７の初期位置にかかわらず対物レンズ２０の収差を補正できる。本実施形態では、試料１０の表面に焦点を合わせた状態で基準センサ６５を用いて被検体７２を検出し、そのときの第１レンズ群３７の位置から測定深さに応じた距離だけ第１レンズ群３７を移動して収差を補正する。したがって、収差の補正が第１レンズ群３７の初期位置に左右されることはない。
【００６１】
第４に、第１レンズ群３７の過度の移動を防止し、それによりレンズ系３５および収差補正機構４２の破損を防ぐことができる。これは、第１および第２補助センサ６６および６７が被検体７２を検出すると、制御装置９０が駆動装置５６を停止するからである。これにより第１レンズ群３７の移動範囲が制限され、過度の移動が防止される。
【００６２】
第５に、ケース４０の製造工程を簡略化することができる。これは、駆動装置５６とセンサホルダ６４が共通の取付穴５４を用いてケース４０に取り付けられ、形状の異なる取付穴をケース４０に設ける必要がないからである。また、取付穴５４はケース４０の周方向に沿って等間隔に設けられているため、駆動装置５６およびセンサホルダ６４の取付位置の自由度が高い。
【００６３】
第６に、駆動装置５６によってギア５０を駆動させるときに摩耗によって屑が発生しても、それが試料１０へ届きにくい。これは、フランジ４９が屑受けとして機能するからである。フランジ４９はギア５０に対して突出しているため、ギア５０およびピニオン６１から生じる摩耗屑を受け取ることができる。これにより対物レンズ２０の前方に摩耗屑が届きにくくなり、試料１０を摩耗屑から保護することができる。なお、フランジ４９は、手動で駆動機構５６を動かすときに持ち手として使用することもできる。フランジ４９はギア５０よりも径が大きいので、ギア５０を直接つかむよりも操作がしやすい。
【００６４】
以上、本発明をその実施形態に基づいて詳細に説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。
【００６５】
上記実施形態では、試料１０を観察するための光学装置として、エミッション顕微鏡等の半導体デバイス検査装置１００が挙げられている。しかし、本発明に係る対物レンズは他の任意の光学装置に使用することができる。
【００６６】
上記実施形態ではセンサ６５〜６７として、被検体の接近を磁気的に検出する近接センサが使用されている。しかし、この代わりに、他の方式の近接センサ、例えば被検体の接近を光学的に検出する光センサや、被検体７２との接触による電気的導通を利用して被検体を検出する接触式センサを使用してもよい。
【００６７】
上記実施形態では被検体７２として金属製のピンが使用されている。この代わりに、ギア５０の回転に伴って移動する任意の標識を使用することができる。このような位置決め用の標識を適切な近接センサで検出すれば、上記実施形態と同様にギア５０の回転の起点を定めたり、第１レンズ群３７の移動範囲を制限することができる。
【００６８】
上記実施形態においてセンサホルダ６４は、どの取付穴５４を用いて対物レンズ２０に取り付けてもレボルバ２２と干渉しない寸法を有している。したがって、センサホルダ６４およびセンサ６５〜６７を対物レンズ２０に固定してもよい。しかし、センサホルダ６４が着脱自在だと、対物レンズ２０をレボルバ２２に取り付け、レンズ系３５の初期配置を手動で決めた後、都合の良い位置にセンサホルダ６４を取り付けることができ、便利である。
【００６９】
上記実施形態では、オペレータが収差補正機構４２の駆動制御において測定深さの初期値ゼロを制御装置９０に入力する。しかし、制御装置９０は、オペレータによる初期値ゼロの入力の有無にかかわらず、自動的に試料１０の基板裏面に焦点を合わせてもよい。
【００７０】
上記実施形態では、対物レンズ２０に収容されるレンズ系３５が二つのレンズ群３７および３８から構成されている。しかし、可能であれば、レンズ群３７および３８の一方または双方が単レンズであってもよい。
【００７１】
【発明の効果】
本発明の対物レンズは、着脱自在の駆動装置を用いて駆動される収差補正機構を有しているので、レボルバへの取り付けを妨げることなく収差を補正できる。収差補正機構に含まれるギアの回転の起点が基準センサを用いて定められるので、レンズの初期配置に左右されずに収差を補正できる。したがって、この対物レンズを備える光学装置は、シリコン基板上に設けられた半導体デバイスを基板の裏面側から好適に観察することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】半導体デバイス検査装置の光検出部の構成を示す概略図である。
【図２】対物レンズを示す斜視図である。
【図３】対物レンズを示す側面図である。
【図４】対物レンズを示す後端面図である。
【図５】対物レンズを示す概略縦断面図で
【図６】レボルバに取り付けられた対物レンズを示す斜視図である。
【図７】レボルバ駆動機構を示す斜視図である。
【図８】デバイス検査装置１００の構成の一部を概略的に示すブロック図である。
【図９】収差補正機構の駆動制御の流れを示すフローチャートである。
【図１０】被検体の動きを示す概略図である。
【符号の説明】
１０…試料、２０…対物レンズ、２２…レボルバ、４２…収差補正機構、４９…フランジ、５０…環状ギア、５６…収差補正機構用の駆動装置、６５〜６７…近接センサ、７２…位置決め標識としての被検体、７３…センサホルダ。
【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】
2005017643.tif 000009
【図８】
2005017643.tif 000010
【図９】
2005017643.tif 000011
【図１０】
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