專利名稱：顯微鏡和試料觀察方法
技術領域：
本發(fā)明涉及顯微鏡和試料觀察方法，用于在規(guī)定的觀察面上觀察半導體器件等試料。
背景技術：
近年來，在半導體器件中，器件面(有源電路面)多用于作為基板的下側(cè)的面朝下結(jié)合(face down bonding)、倒裝式結(jié)合(flip-chipbonding)。在這樣的半導體器件的檢查中，根據(jù)封裝的種類和安裝方向，只要封裝不分解，有時就難以使基板的器件面露出。而且，在不進行倒裝式安裝而可露出基板的器件面的情況下，在高集成化、多層化的半導體器件中，難以觀察在下層的配線和元件等。與此相對，提出有從與器件面相反的背面通過基板來觀察半導體器件的方法。
作為現(xiàn)有技術的半導體檢查裝置，已知有放射顯微鏡(emissionscope)(文獻1日本專利特開平7-190946號公報)、OBIRCH裝置(文獻2日本專利特開平6-300824號公報)、時間分解放射顯微鏡(文獻3日本專利特開平10-150086號公報)等。此外，在使用這樣的顯微鏡的觀察中，由于作為半導體器件的基板材料使用的硅(Si)透過近紅外光，所以進行使用紅外光等的觀察。但是，近年來，作為檢查對象的半導體器件的微細化在發(fā)展，在使用可見光和紅外光的現(xiàn)有技術的檢查裝置中，由于光學系統(tǒng)的衍射界限的限制，所以微細構(gòu)造的解析困難。
因此，對這種半導體器件的微細構(gòu)造進行解析，用于檢測在半導體器件中形成的晶體管和配線等電路圖案中產(chǎn)生的異常部位的情況下，首先，通過使用可見光和紅外光的檢查裝置將存在異常部位的范圍縮小到某程度。而且，對于該被縮小的范圍，通過使用更高分辨率的電子顯微鏡等的觀察裝置進行觀察，檢測半導體器件的異常部位的方法被使用。
專利文獻1日本專利特開平7-190946號公報專利文獻2日本專利特開平6-300824號公報專利文獻3日本專利特開平10-150086號公報發(fā)明內(nèi)容如上所述，在進行使用光的檢查之后，以電子顯微鏡進行高分辨率的觀察方法，由于作為檢查對象的半導體器件的準備、設置等復雜，所以在半導體器件的檢查中有非常費事和費時的問題。
另一方面，作為放大觀察對象的圖像的透鏡，已知有固態(tài)浸沒透鏡(SILSolid Immersion Lens)。SIL是半球形狀或被稱為維爾斯特拉斯(weierstrass)球的超半球形狀的透鏡，通常是大小為1mm左右的小型透鏡元件。若使該SIL連接設置在觀察對象的表面，則可同時放大數(shù)值孔徑NA和倍率，可進行高空間分辨率的觀察。但是，在半導體器件的檢查中，從其處理和觀察控制等觀點看，使用SIL的檢查尚未實用化。這在半導體器件之外的試料觀察中也是同樣。
本發(fā)明是為解決上述問題而發(fā)明，其目的是提供一種顯微鏡和試料觀察方法，可容易地進行半導體器件的微細構(gòu)造解析等必要的試料的觀察。
為了達到這樣的目的，根據(jù)本發(fā)明一種顯微鏡，在規(guī)定的觀察面上觀察試料，其特征在于，具備(1)包含物鏡，引導試料圖像的光學系統(tǒng)；(2)用于驅(qū)動物鏡，對試料進行調(diào)焦和像差修正的物鏡驅(qū)動構(gòu)件；(3)設置在包含從試料向著物鏡的光軸的位置的固態(tài)浸沒透鏡；(4)和控制物鏡驅(qū)動構(gòu)件的控制構(gòu)件，(5)控制構(gòu)件具有固態(tài)浸沒透鏡模式作為控制模式，該固態(tài)浸沒透鏡模式在根據(jù)試料的折射率n0、厚度t0、固態(tài)浸沒透鏡的折射率n1、厚度d1和曲率半徑R1而設定的修正條件下，進行調(diào)焦和像差修正。
此外，根據(jù)本發(fā)明之試料觀察方法，在規(guī)定的觀察面上，經(jīng)由包含物鏡的光學系統(tǒng)進行觀察，其特征在于，包括(a)在偏離從試料向著物鏡的光軸的待機位置配置固態(tài)浸沒透鏡，觀察試料的一般圖像的一般圖像觀察步驟(第一圖像觀察步驟)；(b)在包含從試料向著物鏡的光軸的插入位置配置固態(tài)浸沒透鏡，在根據(jù)試料的折射率n0、厚度t0、固態(tài)浸沒透鏡的折射率n1、厚度d1和曲率半徑R1設定的修正條件下，進行調(diào)焦和像差修正的修正步驟；(c)和在通過修正步驟完成調(diào)焦和像差修正的狀態(tài)下，觀察試料的放大圖像的放大圖像觀察步驟(第二圖像觀察步驟)。
在上述的顯微鏡和試料觀察方法中，從背面通過基板進行半導體器件的檢查等，在通過試料對規(guī)定的觀察面進行的試料觀察中，利用具有固態(tài)浸沒透鏡且通過考慮試料和固態(tài)浸沒透鏡的光學參數(shù)的觀察條件進行觀察的控制模式(固態(tài)浸沒透鏡模式)，進行試料的觀察。由此，以可適當?shù)厝〉糜泄虘B(tài)浸沒透鏡的放大圖像，可容易地進行試料的微細構(gòu)造等的觀察。
作為試料觀察，例如可例舉以半導體器件作為試料，從背面通過基板觀察半導體器件。在這種情況下，上述顯微鏡用作半導體檢查裝置，可容易地進行半導體器件的微細構(gòu)造解析等的檢查。此外，對于引導試料圖像的光學系統(tǒng)，也可設置取得試料圖像的圖像取得構(gòu)件。
這里，顯微鏡也可以具有驅(qū)動固態(tài)浸沒透鏡，使其在包含從試料向著物鏡的光軸的插入位置與偏離光軸的待機位置之間移動的固態(tài)浸沒透鏡驅(qū)動構(gòu)件。通過設置這樣的固態(tài)浸沒透鏡驅(qū)動構(gòu)件，容易取得無/有固態(tài)浸沒透鏡的一般圖像/放大圖像。
此外，光學系統(tǒng)也可作為物鏡，使用具有用于觀察試料的一般圖像的第一物鏡，和與固態(tài)浸沒透鏡一起用于觀察試料的放大圖像的第二物鏡的構(gòu)成。在這樣無/有固態(tài)浸沒透鏡而使用個別的物鏡的情況下，使用切換物鏡的轉(zhuǎn)換器(revolver)作為上述固態(tài)浸沒透鏡驅(qū)動構(gòu)件。
此外，優(yōu)選顯微鏡的控制構(gòu)件具有根據(jù)試料的折射率n0和到觀察面的試料厚度t0設定的修正條件，進行調(diào)焦的一般模式；和上述固態(tài)浸沒透鏡模式的兩種控制模式。同樣，優(yōu)選試料觀察方法包括一般修正步驟，在偏離從試料向著物鏡的光軸的待機位置設置固態(tài)浸沒透鏡，并根據(jù)試料的折射率n0和到觀察面的試料厚度t0設定修正條件進行調(diào)焦。此外，在這樣的一般模式中，若有必要則與固態(tài)浸沒透鏡模式同樣，也可以與調(diào)焦同時進行像差修正。
在上述顯微鏡和試料觀察方法中，切換通過無固態(tài)浸沒透鏡考慮試料的光學參數(shù)的觀察條件進行觀察的第一模式(一般模式)，和通過有固態(tài)浸沒透鏡考慮試料和固態(tài)浸沒透鏡的光學參數(shù)的觀察條件進行觀察的第二模式(固態(tài)浸沒透鏡模式)，進行試料觀察。由此，可分別適當?shù)厝〉脽o/有固態(tài)浸沒透鏡下的一般圖像/放大圖像，可容易地進行試料的微細構(gòu)造等觀察。
對于對試料的調(diào)焦，優(yōu)選顯微鏡的物鏡驅(qū)動構(gòu)件具有改變試料與物鏡的間隔，進行調(diào)焦的焦點調(diào)節(jié)構(gòu)件。同樣，優(yōu)選試料觀察方法在修正步驟中，改變試料與物透鏡的間隔，進行調(diào)焦。
此外，對于像差修正，優(yōu)選顯微鏡的物透鏡具有沿光軸配置的第一透鏡群和第二透鏡群，物鏡驅(qū)動構(gòu)件具有改變物鏡的第一透鏡群與第二透鏡群的間隔，進行像差修正的像差修正構(gòu)件。同樣，優(yōu)選試料觀察方法在修正步驟中，改變物鏡中沿光軸配置的第一透鏡群與第二透鏡群的間隔，進行像差修正。
對于具體的修正方法，優(yōu)選顯微鏡的控制構(gòu)件具有在固態(tài)浸沒透鏡模式下對應于修正條件的調(diào)焦表和像差修正表。同樣，優(yōu)選試料觀察方法在修正步驟中，使用對應于其修正條件的調(diào)焦表和像差修正表。
此外，在切換無/有固態(tài)浸沒透鏡情況下，優(yōu)選顯微鏡的控制構(gòu)件具有在一般模式(第一模式)下的對應于修正條件(第一修正條件)的調(diào)焦表(第一調(diào)焦表)，和在固態(tài)浸沒透鏡模式(第二模式)下的對應于修正條件(第二修正條件)的調(diào)焦表(第二調(diào)焦表)和像差修正表(第二像差修正表)。在這種情況下，在一般模式中若有必要進行像差修正，則優(yōu)選控制構(gòu)件進而具有在一般模式下的對應于修正條件的像差修正表(第一像差修正表)。
同樣，優(yōu)選試料觀察方法在一般修正步驟(第一修正步驟)中，使用對應于該修正條件(第一修正條件)的調(diào)焦表(第一調(diào)焦表)，同時在修正步驟(第二修正步驟)中，使用對應于該修正條件(第二修正條件)的調(diào)焦表(第二調(diào)焦表)和像差修正表(第二像差修正表)。在這種情況下，一般修正步驟中若有必要進行像差修正，則在一般修正步驟中，進而使用對應于該修正條件的像差修正表(第一像差修正表)。
這樣，通過使用調(diào)焦表和像差修正表，可容易且確實地執(zhí)行調(diào)焦和像差修正。
此外，優(yōu)選顯微鏡是，其固態(tài)浸沒透鏡驅(qū)動構(gòu)件具有支撐固態(tài)浸沒透鏡的固態(tài)浸沒透鏡支持器所連結(jié)的第一腕部件、使第一腕部件對于試料在大致平行的水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動的第一腕部件轉(zhuǎn)動源、保持第一腕部件轉(zhuǎn)動源的第二腕部件、和以與第一腕部件轉(zhuǎn)動源的轉(zhuǎn)動軸不同軸的位置作為轉(zhuǎn)動軸而使第二腕部件在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動的第二腕部件轉(zhuǎn)動源的固態(tài)浸沒透鏡移動裝置。
通過使用這樣的固態(tài)浸沒透鏡移動裝置，對于半導體器件等試料和物鏡，可使固態(tài)浸沒透鏡在插入位置與待機位置之間適當?shù)匾苿?。在這種情況下，進而，優(yōu)選固態(tài)浸沒透鏡移動裝置具有使第二腕部件轉(zhuǎn)動源在與水平面正交的垂直方向上移動的垂直方向移動源。
根據(jù)本發(fā)明，使用將固態(tài)浸沒透鏡配置在包含從試料向著物鏡的光軸的插入位置且考慮試料和固態(tài)浸沒透鏡的光學參數(shù)進行觀測的固態(tài)浸沒透鏡模式，在規(guī)定觀察面上通過試料進行試料的觀察，可獲得可容易地進行觀察試料的微細構(gòu)造等的顯微鏡和試料觀察方法。


圖1是表示半導體檢查裝置一個實施方式的構(gòu)成框圖。
圖2是表示圖1所示的檢查裝置中物鏡構(gòu)成的側(cè)視剖面圖。
圖3是表示圖1所示的檢查裝置中使用SIL的半導體器件的觀察方法的側(cè)視圖。
圖4是表示使用圖1所示的檢查裝置的半導體檢查方法的一例的流程圖。
圖5是表示圖4所示的檢查方法中關于以一般模式下的觀察和SIL模式下的觀察的流程圖。
圖6是表示半導體器件的觀察中的(a)默認狀態(tài)、(b)一般模式、(c)SIL模式的示意圖。
圖7是表示基板的折射率與幾何學像差關系的一例曲線圖。
圖8是表示基板厚度與焦點移動量的關系的一例曲線圖。
圖9是表示基板厚度與物鏡中透鏡群的間隔關系的一例曲線圖。
圖10是表示測定深度與焦點移動量的關系的一例曲線圖。
圖11是表示測定深度與物鏡的透鏡群的間隔關系的一例曲線圖。
圖12是表示測定深度與物鏡的透鏡群的間隔關系的一例曲線圖。
圖13是表示半導體檢查裝置的其它實施方式的構(gòu)成圖。
圖14是從側(cè)面表示圖13所示的半導體檢查裝置的構(gòu)成圖。
圖15是從上方看SIL控制器和物鏡的一個實施方式的斜視圖。
圖16是表示SIL配置在待機位置的狀態(tài)下SIL控制器和物鏡的底視圖。
圖17是表示SIL配置在插入位置的狀態(tài)下SIL控制器和物鏡的底視圖。
圖18是表示SIL配置在交換位置的狀態(tài)下SIL控制器和物鏡的底視圖。
圖19是表示SIL支持器的構(gòu)成斜視圖。
圖20是表示SIL支持器的(a)待機位置的狀態(tài)、和(b)插入位置狀態(tài)下的縱剖面圖。
符號說明A…觀察部1…圖像取得部10…高靈敏度照相機12…激光掃描光學系統(tǒng)單元(LSM單元)12a…激光導入用光纖12c…檢測用光纖12b、12d…透鏡12e、…光束分離器12f…XY掃描儀15…XYZ載物臺15a…XY載物臺15b…Z載物臺16…檢查部18…載物臺19…測試夾具2…光學系統(tǒng)20…物鏡
20a…第一透鏡群20b…第二透鏡群21…修正環(huán)22…照相機用光學系統(tǒng)22a…透鏡24…LSN單元用光學系統(tǒng)24a…光束分離器24b…鏡24c…透鏡3…固態(tài)浸沒透鏡(SIL)40…修正環(huán)驅(qū)動部B…控制部51…觀察控制部51a…照相機控制部51b…LSM控制部51c…OBIRCH控制部52…載物臺控制部53…SIL控制部54…物鏡控制部C…解析部61…圖像解析部62…指示部63…顯示裝置30A…SIL控制器71…第一腕部件72…第一腕部件轉(zhuǎn)動源73…第二腕部件74…第二腕部件轉(zhuǎn)動源75…Z方向移動源76、77…支撐部85…光結(jié)合材料供給管
95…氣體供給管5…SIL支持器6…支持器7…腕部8…第一支持器9…第二支持器11…外罩具體實施方式
以下，參照附圖詳細說明本發(fā)明的顯微鏡和試料觀察方法的最佳實施方式。其中，附圖的說明中在同一要素賦予相同符號，并省略其重復說明。此外，附圖的尺寸比率不一定與說明的尺寸比率一致。
首先，說明本發(fā)明的顯微鏡，即半導體檢查裝置的基本構(gòu)成。圖1是表示本發(fā)明的半導體檢查裝置的一個實施方式的構(gòu)成框圖。本裝置是，例如以由晶體管和配線等構(gòu)成的電路圖案形成在器件面上的半導體器件S作為檢查對象(觀察對象)的試料，同時將該器件面設定為觀察面，從與器件面相反的背面通過基板觀察半導體器件S并進行檢查的檢查裝置。這里，本發(fā)明的顯微鏡和試料觀察方法，可適用于在規(guī)定的觀察面上通過試料進行對試料的觀察的情況，但在以下，主要對于作為其適用例的半導體檢查裝置和檢查方法進行說明。
本實施方式的導體檢查裝置，是具備進行觀察半導體器件S的觀察部A、用于控制觀察部A的各部動作的控制部B、和進行在半導體器件S的檢查中必要的處理和指示等的解析部C。此外，本檢查裝置的檢查對象，即作為觀察對象的試料的半導體器件S，在設置于觀察部A的載物臺18上，將作為該觀察面的器件面作為載物臺18側(cè)，將背面作為上側(cè)而載置。
觀察部A具有設置于暗箱(未圖示)內(nèi)的圖像取得部1、光學系統(tǒng)2、和固態(tài)浸沒透鏡(SILSolid Immersion Lens)3。圖像取得部1例如由光檢測器和攝像裝置等構(gòu)成，是用于取得半導體器件S的圖像的構(gòu)件。此外，在圖像取得部1與載置在載物臺18上的半導體器件S之間，設置有光學系統(tǒng)2，其用于將由來自半導體器件S的光所形成的圖像導向圖像取得部1。
在光學系統(tǒng)2上相對于該半導體器件S的規(guī)定位置，設置有來自半導體器件S的光射入的物鏡20。從半導體器件S所射出或反射等的光向著物鏡20射入，并經(jīng)由包含該物鏡20的光學系統(tǒng)2而到達圖像取得部1。而且，在圖像取得部1中，取得用于檢查的半導體器件S的圖像。
圖像取得部1和光學系統(tǒng)2在相互的光軸一致的狀態(tài)下一體地構(gòu)成。此外，對于這些圖像取得部1和光學系統(tǒng)2，設置有由XY載物臺15a和Z載物臺15b構(gòu)成的XYZ載物臺15。XY載物臺15a用于使圖像取得部1和光學系統(tǒng)2在X-Y面內(nèi)(水平面內(nèi))移動，對半導體器件S設定觀察位置(檢查位置)。此外，Z載物臺15b用于，使圖像取得部1和光學系統(tǒng)2在Z方向(垂直方向)上移動，對半導體器件S進行調(diào)焦。由此，Z載物臺15b改變半導體器件S的基板與光學系統(tǒng)2的物鏡20的間隔，進行觀察焦點的調(diào)焦，作為焦點調(diào)節(jié)構(gòu)件發(fā)揮作用。
此外，在本實施方式中，如圖2的側(cè)視剖面圖所示，物鏡20的透鏡群由第一透鏡群20a和第二透鏡群20b的兩個透鏡群構(gòu)成。這些透鏡群20a、20b沿著物鏡20的光軸在上側(cè)、下側(cè)分別配置。物鏡20通過使設置于其外周部的修正環(huán)21(參照圖1)旋轉(zhuǎn)，構(gòu)成為可改變透鏡群20a、20b的間隔u。此外，修正環(huán)21通過修正環(huán)驅(qū)動部40驅(qū)動控制。由此，修正環(huán)21和修正環(huán)驅(qū)動部40改變物鏡20的透鏡群20a、20b的間隔u，進行觀察的像差修正，作為像差修正構(gòu)件發(fā)揮作用。
在這樣的構(gòu)成中，通過由Z載物臺15b構(gòu)成的焦點調(diào)節(jié)構(gòu)件、和由修正環(huán)21與修正環(huán)驅(qū)動部40構(gòu)成的像差修正構(gòu)件，構(gòu)成用于驅(qū)動物鏡20，進行對半導體器件S的調(diào)焦和像差修正的物鏡驅(qū)動構(gòu)件。而且，在圖2中，對于包含修正環(huán)21的物鏡20的具體構(gòu)造和驅(qū)動機構(gòu)省略其圖示。此外，對于半導體器件S的調(diào)焦，可通過驅(qū)動載置半導體器件S的載物臺18進行。
此外，在圖1所示的檢查裝置中，對于半導體器件S設置有檢查部16。檢查部16在進行半導體器件S的檢查時，根據(jù)需要，進行半導體器件S的狀態(tài)控制等。檢查部16的半導體器件S狀態(tài)的控制方法，根據(jù)對半導體器件S適用的具體檢查方法而不同，但例如，可采用對半導體器件S上形成的電路圖案的規(guī)定部分供給電壓的方法，或?qū)Π雽w器件S照射作為探測器光的激光的方法等。
在本實施方式中，在該觀察部A還設置有SIL3。該SIL3是用于放大半導體器件S的圖像所使用的透鏡。此外，SIL3對于圖像取得部1、光學系統(tǒng)2和載置于載物臺18上的半導體器件S設置為可移動。具體而言，SIL3是在包含從半導體器件S向著物鏡20的光軸且在連接于半導體器件S而設置的插入位置與偏離光軸的待機位置之間構(gòu)成為可移動。
此外，對于SIL3，設置有固態(tài)浸沒透鏡驅(qū)動部(SIL驅(qū)動部)30。SIL驅(qū)動部30是用于驅(qū)動SIL3，使其在上述插入位置與待機位置之間移動的驅(qū)動構(gòu)件。此外，SIL驅(qū)動部30是通過使SIL3的位置進行微小地移動，調(diào)整SIL3對于光學系統(tǒng)2的物鏡20的插入位置。而且，在圖1中，表示配置在物鏡20與半導體器件S之間的插入位置的狀態(tài)下的SIL3。
這里，通常，作為SIL采用球心為焦點且具有數(shù)值孔徑NA和倍率均為n倍的半球形狀的透鏡，或距離球心僅向下方偏離R/n的位置為焦點且具有數(shù)值孔徑NA和倍率均為n2倍的超半球形狀的透鏡(例如，參照日本專利特開2002-189000號公報)。
圖3是表示圖1所示的檢查裝置中使用SIL的半導體器件的觀察方法的側(cè)視圖。在本檢查裝置中，上述半導體器件S將其器件面Sa作為下側(cè)(載物臺18側(cè))，將背面Sb作為上側(cè)(物鏡20側(cè))而設置在載物臺18上。對于該半導體器件S，SIL3是在插入位置中使其平面狀或凸面狀的透鏡面能連接于背面Sb而配置。作為這樣的SIL，例如已知有plano-convex lens、bi-convex lens(例如，參照日本專利特開平5-157701號公報和美國專利第6594086號公報)。
這樣，在使用物鏡20和SIL3，從背面Sb通過基板觀察半導體器件S的情況下，作為半導體器件S的光學參數(shù)，有基板的折射率n0和厚度t0。此外，作為SIL3的光學參數(shù)，有折射率n1、厚度d1和球面狀的透鏡面的曲率半徑R1。在圖3中，將從物鏡20側(cè)通過SIL3和基板向器件面Sa聚焦的光路由實線表示。此外，假定半導體器件S的基板的折射率n0與SIL3的折射率n1相等的情況下，光路由虛線表示。
此外，圖中的L是虛線的光路中SIL3的、從固態(tài)浸沒透鏡球面測定的深度，即從SIL3的透鏡面形狀求得的離開焦點位置的SIL3頂點的距離(以下作為測定深度)。該測定深度L根據(jù)L＝d1+t0×(n1/n0)求得，使實際觀察中調(diào)焦在器件面Sa上。而且，對于SIL3具體的透鏡形狀(例如對于曲率半徑R1的厚度d1的設定)，根據(jù)需要適當?shù)卦O定。此外，一般而言，對于基板(試料)的厚度t0，在試料內(nèi)部設定觀察面并通過試料的一部分進行觀察的情況下，到觀察面為止將試料的厚度作為厚度t0即可。
對進行用于檢查半導體器件S的觀察等的觀察部A，設置有控制部B和解折部C。
控制部B具有觀察控制部51、載物臺控制部52、SIL控制部53和物鏡控制部54。觀察控制部51通過控制圖像取得部1和檢查部16的動作，在觀察部A中控制進行半導體器件S的觀察的執(zhí)行和觀察條件的設定等。
載物臺控制部52通過控制XY載物臺15a的動作，控制作為本檢查裝置中檢查位置的圖像取得部1和光學系統(tǒng)2決定的半導體器件S的觀察位置的設定或其定位。此外，SIL控制部53通過控制SIL驅(qū)動部30的動作，控制插入位置與待機位置之間SIL3的移動，或SIL3的插入位置的調(diào)整等。
物鏡控制部54通過控制Z載物臺15b的動作，控制改變半導體器件S的基板與物鏡20的間隔的調(diào)焦。進而，該控制部54通過控制修正環(huán)驅(qū)動部40和修正環(huán)21的動作，控制改變物鏡20中透鏡群20a、20b的間隔u的像差修正。
解析部C具有圖像解析部61和指示部62。圖像解析部61對通過圖像取得部1取得的圖像進行必要的解析處理。而且，指示部62參照由操作者輸入的內(nèi)容和圖像解析部61的解析內(nèi)容等，對控制部B進行必要的指示。此外，解析部C連接顯示裝置63。通過解析部C取得或解析的圖像、數(shù)據(jù)等，根據(jù)需要顯示在顯示裝置63中。
在這樣的構(gòu)成中，控制部B控制Z載物臺15b、修正環(huán)驅(qū)動部40、包含修正環(huán)21的物鏡驅(qū)動構(gòu)件、和包含SIL驅(qū)動部30的固態(tài)浸沒透鏡驅(qū)動構(gòu)件，是控制觀察半導體器件S的器件面Sa時的觀察條件的控制構(gòu)件。特別地，在本實施方式中，對應于SIL3構(gòu)成為可在插入位置與待機位置之間移動，包含SIL控制部53和物鏡控制部54的控制部B具有一般模式(第一模式)和固態(tài)浸沒透鏡模式(SIL模式、第二模式)的兩種控制模式。
在一般模式下，SIL控制部53通過SIL驅(qū)動部30在偏離光軸的待機位置配置SIL3。此外，物鏡控制部54在根據(jù)半導體器件S的基板的折射率n0和厚度t0所設定的第一修正條件下，通過Z載物臺15b、修正環(huán)驅(qū)動部40和修正環(huán)21進行觀察條件的調(diào)焦和像差修正。而且，經(jīng)由包含物鏡20的光學系統(tǒng)2，從背面Sb進行半導體器件S的觀察。在物鏡控制部54上準備有對應于該第一修正條件的第一調(diào)焦表和第一像差修正表。
在SIL模式中，SIL控制部53通過SIL驅(qū)動部30在包含光軸的插入位置配置SIL3。此外，物鏡控制部54在根據(jù)半導體器件S的基板的折射率n0、厚度t0、SIL3的折射率n1、厚度d1和曲率半徑R1設定的第二修正條件下，通過Z載物臺15b、修正環(huán)驅(qū)動部40和修正環(huán)21進行觀察條件的調(diào)焦和像差修正。而且，經(jīng)由包含物鏡20的光學系統(tǒng)2和SIL3，從背面Sb進行半導體器件S的觀察。在物鏡控制部54上準備有對應于該第二修正條件的第二調(diào)焦表和第二像差修正表。
其次，對作為本發(fā)明的試料觀察方法，即半導體檢查方法進行說明。圖4是表示使用圖1所示的檢查裝置的半導體檢查方法中一例的流程圖。此外，圖5是具體地表示圖4所示的檢查方法中一般模式下的觀察和SIL模式下的觀察的觀察方法流程圖。此外，圖6是表示半導體器件的觀察中(a)默認狀態(tài)、(b)一般模式、和(c)SIL模式的示意圖。
首先，選擇對作為檢查對象的半導體器件S具有適合觀察的光學參數(shù)的SIL3，并將該SIL3對SIL驅(qū)動部30進行設置(步驟S101)。此外，將選擇的SIL3的折射率n1、厚度d1和曲率半徑R1的各光學參數(shù)通過設于解析部C的輸入裝置輸入(S102)。此外，將檢查對象的半導體器件S的背面Sb作為上側(cè)設置在載物臺18上(S103)。而且，在設置后的半導體器件S的背面Sb進行觀察焦點的調(diào)焦。由此，如圖6(a)所示，設定焦點和像差(S104)，使在作為半導體器件S的上面的背面Sb上調(diào)焦。在此狀態(tài)下，即基板厚度t0＝0，是觀察半導體器件S時的默認狀態(tài)(進行原點測出后的狀態(tài))。而且，在此狀態(tài)下，SIL3配置在偏離光軸的待機位置。
其次，輸入作為觀察對象的試料的半導體器件S的基板的折射率n0和厚度t0的各光學參數(shù)(S105)。
接著，對于半導體器件S，在一般模式下使用物鏡20進行觀察(S200)。具體而言，如圖5的流程圖所示，使用根據(jù)基板的折射率n0和厚度t0的第一調(diào)焦表、第一像差修正表，調(diào)整物鏡20的移動量ΔZ和透鏡群20a、20b的間隔u。由此，如圖6(b)所示，執(zhí)行調(diào)焦和像差修正(S201、第一修正步驟)，從背面Sb通過基板使在設定于半導體器件S的觀察面的器件面Sa調(diào)焦。
若完成觀察條件的設定，則進行用于檢查半導體器件S的觀察(S202、第一圖像觀察步驟)。這里，通過圖像取得部1，經(jīng)由包含物鏡20的光學系統(tǒng)2，觀察設置在半導體器件S的器件面Sa上的電路圖案的一般圖像。此外，通過載物臺控制部52驅(qū)動控制XY載物臺15a，并使圖像取得部1和光學系統(tǒng)2在X-Y面內(nèi)移動。而且，找到想觀察的半導體器件S的部位設置并在可視范圍中心，設定為檢查位置(觀察位置)。
接著，進行使用物鏡20和SIL3的SIL模式的觀察(S300)。具體而言，通過SIL控制部53驅(qū)動SIL驅(qū)動部30，使SIL3從待機位置向著插入位置移動。而且，在連接于半導體器件S的背面Sb的狀態(tài)下，進行檢查定位，并將SIL3插入到可視范圍內(nèi)(S301)。在此狀態(tài)下，使用根據(jù)基板的折射率n0、厚度t0、SIL3的折射率n1、厚度d1和曲率半徑R1的第二調(diào)焦表、第二像差修正表，調(diào)整物鏡20的移動量ΔZ和透鏡群20a、20b的間隔u。由此，如圖6(c)所示，執(zhí)行調(diào)焦和像差修正(S302、第二修正步驟)，通過SIL3和基板，使在半導體器件S的器件面Sa調(diào)焦。此外，根據(jù)需要，調(diào)焦點、像差、SIL3的位置等觀察條件進行微調(diào)(S303)。
若完成觀察條件的設定，則進行半導體器件S的觀察(S304、第二圖像觀察步驟)。這里，通過圖像取得部1，經(jīng)由包含物鏡20的光學系統(tǒng)2和SIL3觀察半導體器件S的放大圖像，對位于檢查位置的電路圖案進行檢查。若完成對設定的檢查位置的必要觀察和檢查，則將SIL3偏離可視范圍而向待機位置移動(S305)。
其次，如圖4的流程圖所示，對于設置于載物臺18的半導體器件S，確認是否需要觀察其它位置(S106)，若有必要則重復執(zhí)行一般模式下的觀察(S200)和SIL模式下的觀察(S300)。此外，若無必要觀察其它位置，則確認是否觀察其它半導體器件(S107)，若有必要則重復執(zhí)行半導體器件S的設置(S103)以后的各處理。若無其它半導體器件，則結(jié)束半導體器件的檢查。
對本實施方式的半導體器件和半導體檢查方法的效果進行說明。
在圖1所示的半導體檢查裝置和圖4、圖5所示的半導體檢查方法中，從背面Sb通過基板進行的半導體器件S的檢查中，將SIL3配置在待機位置，在考慮到基板的光學參數(shù)n0、t0的觀察條件下進行觀察的一般模式，和將SIL3配置在插入位置，在考慮到基板的光學參數(shù)n0、t0和SIL3的光學參數(shù)n1、d1、R1的觀察條件下進行觀察的SIL模式，切換它們進行進行檢查。由此，對無/有SIL3的狀態(tài)適當?shù)貓?zhí)行調(diào)焦和像差修正，可分別適當?shù)厝〉冒雽w器件S的一般圖像/放大圖像。因此，可容易地進行半導體器件S的微細構(gòu)造解析等的檢查。
此外，在上述實施方式中，作為對物鏡20的焦點調(diào)節(jié)構(gòu)件，使用調(diào)整半導體器件S的基板與物鏡20的間隔的Z載物臺15b。此外，作為物鏡20的像差修正構(gòu)件，適用由透鏡群20a、20b構(gòu)成的透鏡結(jié)構(gòu)，同時使用調(diào)整透鏡群的間隔的修正環(huán)21，和修正環(huán)驅(qū)動部40。通過這樣的構(gòu)成，可適當?shù)卣{(diào)整觀察半導體器件S時的焦點和像差。此外，也可使用它們之外的構(gòu)成。例如，對于半導體器件S的調(diào)焦，如上所述也可是使載置半導體器件S的載物臺18向Z軸方向驅(qū)動的構(gòu)成。
此外，對于調(diào)焦和像差修正的具體方法，對應于各修正條件，使用控制部B所準備的調(diào)焦表和像差修正表來執(zhí)行。由此，可容易且確實地修正對半導體器件S的觀察條件。但，作為這樣的方法，也可使用調(diào)焦表和像差修正表之外的方法。例如，為了進行調(diào)焦和像差修正而準備必要的計算公式，使用該計算公式算出調(diào)焦、像差修正的條件的構(gòu)成亦可。
在圖1所示的構(gòu)成中，具體而言，優(yōu)選調(diào)焦表根據(jù)Z載物臺15b向物鏡20的Z方向的驅(qū)動距離(焦點移動量)ΔZ作成。此外，優(yōu)選像差修正表根據(jù)物鏡20中的透鏡群20a、20b的間隔u，或?qū)陂g隔u的修正環(huán)21的旋轉(zhuǎn)量而作成。
此外，這些修正表是對于假定的基板和SIL的光學參數(shù)的組合預先作成的僅有必要數(shù)量的表，也可根據(jù)輸入后的參數(shù)選擇使用的表?；蛘撸部稍谳斎?yún)?shù)后的時刻作成修正表。此外，對于SIL的光學參數(shù)的輸入，除將參數(shù)值分別輸入以外，也可使用準備有對應于SIL型號的參數(shù)的設定的構(gòu)成，或?qū)⒋鎯τ袇?shù)值的IC芯片等的記憶介質(zhì)設置在SIL中，使用時讀出數(shù)據(jù)的構(gòu)成等。
而且，作為半導體基板和SIL所使用的主要材料及其折射率n，可例舉如下。
Si 3.5GaP 3.1GaAs3.4玻璃 1.45～2塑料 1.45～2此外，對于SIL的材料，作為檢查對象的半導體器件的Si、GaP等基板材料，優(yōu)選選擇使用折射率接近的材料。此外，上述實施方式對將觀察對象的試料作為半導體器件的半導體檢查裝置和檢查方法進行說明，但一般而言，在將半導體器件等各種裝置作為試料的情況下，作為對象的裝置不限于使用半導體基板，如聚硅薄膜晶體管等，也可將以玻璃和塑料等構(gòu)成的基板的集成電路作為觀察對象。例如液晶器件在玻璃基板上，有機EL等在塑料基板上制作裝置。
在使用Si制SIL的情況下，基板若為Si基板，則有基板與SIL的界面不會產(chǎn)生像差的優(yōu)點。但是，1.1μm以下波長的光的穿透率較低，即使將基板減薄仍須注意由于SIL而吸收光這一點。
此外，在使用GaP制SIL情況下，除Si的穿透波長區(qū)域之外，也有穿透可視區(qū)域～1.1μm波長光的優(yōu)點。在這種情況下，通過充分地減薄Si基板，可觀察這樣的波長區(qū)域。例如，將Si基板減薄到30μm左右，在LSM(后述)的圖像取得中通過使用1μm以下波長的激光，可實現(xiàn)觀察的高解析度化。另一方面，在GaP制SIL中，有必要注意Si基板的情況中在基板與SIL的界面會產(chǎn)生折射率差造成的所謂球面像差的幾何學像差這一點。而且，在如上述充分地減薄基板的情況下，可忽略幾何學像差的影響。
對于上述半導體檢查方法，參照具體的數(shù)據(jù)進一步說明。
首先，對一般模式的觀察條件的修正進行說明。使用物鏡20觀察半導體器件S的器件面Sa時(參照圖6(b))，在其基板的背面Sb產(chǎn)生的幾何學像差I由以下公式(1)求出。
I＝(n02-1)t0NA2/(2n03)…(1)在該公式(1)中，NA是物鏡20的數(shù)值孔徑。
圖7是表示基板的折射率與幾何學像差的關系的一例曲線圖。在該曲線圖中，橫軸表示觀察對象的基板(試料)的折射率n0，縱軸表示(幾何學像差/基板厚度)I/t0。此外，該曲線圖的物鏡20的數(shù)值孔徑為NA＝0.76。一般模式中的觀察條件的修正根據(jù)這樣求出的幾何學像差I等的光學特性，作成調(diào)焦表和像差修正表。
圖8是表示基板厚度和使物鏡移動的焦點移動量的關系的一例曲線圖。在該曲線圖中，橫軸表示基板厚度t0(μm)，縱軸表示焦點移動量ΔZ(mm)。此外，表示將曲線A1為Si(n0＝3.5)、A2為GaP(n0＝3.1)、A3為玻璃(n0＝1.5)作為基板材料時的相關曲線。這里，從公式(1)可知，若NA和n0固定，則幾何學像差I與基板厚度t0成正比。因此，在圖8所示的例子中，調(diào)焦用的焦點移動量ΔZ由對厚度t0或幾何學像差I的比例式算出。
圖9是表示基板厚度與物鏡的透鏡群的間隔關系的一例曲線圖。在該曲線圖中，橫軸表示基板厚度t0(μm)，縱軸表示物鏡20中設定的透鏡群20a、20b的間隔u(mm)。此外，表示將曲線B1為Si、B2為GaP、B3為玻璃作為基板材料時的關系。在圖9所示的例子中，像差修正用的透鏡群的間隔u由對厚度t0或幾何學像差I以一次式算出。而且，在圖8和圖9中，包含相關數(shù)值等具體的相關式通過各自的物鏡20中的透鏡構(gòu)成等決定。對于相關式的次數(shù)等的函數(shù)系，使用適當?shù)暮瘮?shù)即可。
其次，對SIL模式的觀察條件的修正進行說明。在使用物鏡20和SIL3觀察器件面Sa時(參照圖6(c))，其幾何學像差I是在SIL3的透鏡球面產(chǎn)生的幾何學像差I1，和在SIL3/基板的界面產(chǎn)生的幾何學像差I2的和I＝I1+I2。在SIL3的透鏡球面產(chǎn)生的幾何學像差I1，為了簡單起見，令R1＝1mm、n1＝3.5，則以如下公式(2)求出。
I1＝6.25(L-1)2×(3.5L-4.5)L…(2)在該公式(2)中，L是圖3所示的SIL3的測定深度。
此外，在SIL3/基板的界面產(chǎn)生的幾何學像差I2如下公式(3)求出。
I2＝n1(n02-n12)t0NA2/(2n03)…(3)SIL模式中的觀察條件的修正根據(jù)這樣求得的幾何學像差I1、I2等的光學特性，作成調(diào)焦表和像差修正表。
圖10是表示測定深度與焦點移動量的關系的一例曲線圖。在該曲線圖中，橫軸表示測定深度L(μm)，縱軸表示焦點移動量ΔZ(mm)。此外，在該曲線圖中，令基板的光學參數(shù)為n0＝3.5、t0＝100μm，SIL3的光學參數(shù)為n1＝3.1、R1＝0.5mm。而且，SIL3的厚度d1隨著上述公式L＝d1+t0×(n1/n0)與測定深度L一起變化。通過如圖10所示的關系，算出調(diào)焦用的焦點移動量ΔZ。
圖11是表示測定深度與物鏡的透鏡群的間隔關系的一例曲線圖。在該曲線圖中，橫軸表示測定深度L(μm)，縱軸表示透鏡群20a、20b的間隔u(mm)。此外，該曲線圖表示令基板的光學參數(shù)為n0＝3.5，SIL3的光學參數(shù)為n1＝3.1、R1＝0.5mm，到達NA為2.2的修正狀態(tài)。此外，曲線C0表示未修正狀態(tài)、C1是SIL3的厚度d1＝480μm、C2是d1＝450μm、C3是d1＝420μm、C4是d1＝390μm、C5是d1＝360μm、C6是d1＝330μm的修正狀態(tài)。而且，基板的厚度t0隨著上述的L公式與測定深度L一起變化。
此外，圖12是表示測定深度與物鏡的透鏡群的間隔關系的其它例曲線圖。該曲線圖表示令基板的光學參數(shù)為n0＝3.5，SIL3的光學參數(shù)為n1＝3.5、R1＝0.5mm，到達NA為2.5的修正狀態(tài)。在這種情況下，由于基板和SIL3的折射率相等，所以透鏡群的間隔u不取決于SIL3的厚度d1，基板的厚度t0與SIL3的厚度d1與測定深度L一起以任意組合進行變化。通過這些圖11、圖12所示的關系，算出像差修正用的透鏡群的間隔u。
進一步對本發(fā)明的半導體檢查裝置和檢查方法進行說明。
圖13是表示本發(fā)明的半導體檢查裝置的其它實施方式的構(gòu)成圖。此外，圖14是將圖13所示半導體檢查裝置從側(cè)面表示的構(gòu)成圖。本實施方式表示圖1所示的半導體檢查裝置的具體構(gòu)成。
本實施方式的半導體檢查裝置具備觀察部A、控制部B、解析部C。其中，這里，對解析部C省略圖示。作為檢查對象的半導體器件S載置在設置于觀察部A的載物臺18上。進而，在本實施方式中，對半導體器件S設置有施加檢查所必須的電氣信號等測試夾具(test fixture)19。半導體器件S配置為使其背面面對物鏡20。
觀察部A具有設置于暗箱(未圖示)內(nèi)的高靈敏度照相機10、激光掃描光學系統(tǒng)(LSMLaser Scanning Microscope)單元12、光學系統(tǒng)22、24、XYZ載物臺15、SIL3、SIL驅(qū)動部30和修正環(huán)驅(qū)動部40。
其中，照相機10和LSM單元12相當于圖1所示構(gòu)成中的圖像取得部1。此外，光學系統(tǒng)22、24相當于光學系統(tǒng)2。在光學系統(tǒng)22、24的半導體器件S側(cè)設置有物鏡20。在本實施方式中，如圖13和圖14所示，設置有可切換的分別具有不同倍率的多個物鏡20。此外，物鏡20上設置有圖2所示的兩個透鏡群20a、20b和修正環(huán)21，通過修正環(huán)驅(qū)動部40構(gòu)成為可修正像差。此外，測試夾具19相當于檢查部16。此外，LSM單元12與作為圖像取得部1的功能配合，也具有作為檢查部16的功能。
光學系統(tǒng)22是將經(jīng)由物鏡20射入后的來自半導體器件S的光向照相機10導入的照相機用光學系統(tǒng)。照相機用光學系統(tǒng)22具有將通過物鏡20以規(guī)定倍率放大后的圖像在照相機10內(nèi)部的受光面成像的成像透鏡22a。此外，在物鏡20與成像透鏡22a之間，夾著有光學系統(tǒng)24的光束分離器(beam splitter)24a。作為高靈敏度照相機10，例如使用冷卻CCD照相機等。
在這樣的構(gòu)成中，來自半導體器件S的光經(jīng)由包含物鏡20的照相機用光學系統(tǒng)22的光學系統(tǒng)向照相機10導入。而且，通過照相機10取得半導體器件S的圖案圖像等的圖像?；蛘?，也可取得半導體器件S的發(fā)光圖像。在這種情況下，在通過測試夾具19施加電壓的狀態(tài)下從半導體器件S產(chǎn)生的光，經(jīng)由光學系統(tǒng)向照相機10導入。而且，通過照相機10取得作為異常觀察圖像所使用的半導體器件S的發(fā)光圖像。作為來自半導體器件S的發(fā)光，可例舉根據(jù)半導體器件的缺陷引起異常部位的發(fā)光，和隨著半導體器件中的晶體管的切換動作的瞬時發(fā)光等。進而，所取得的圖像也可以是基于裝置的缺陷發(fā)熱圖像。
LSM單元12具有用于照射紅外激光的激光導入用光纖12a、將從光纖12a照射的激光作為平行光的準直透鏡(collimator lens)12b、通過透鏡12b反射作為平行光的激光而變換光路的光束分離器12e、將以光束分離器12e反射的激光在XY方向進行掃描并向半導體器件S側(cè)射出的XY掃描儀12f。
此外，LSM單元12具有從半導體器件S側(cè)經(jīng)由XY掃描儀12f射入，用于聚光穿透光束分離器12e的光的電磁透鏡(condenser lens)12d、和用于檢測通過電磁透鏡12d聚光的光的檢測用光纖12c。
光學系統(tǒng)24是在半導體器件S、物鏡20和LSM單元12的XY掃描儀12f之間引導光的LSM單元用光學系統(tǒng)。LSM單元用光學系統(tǒng)24具有從半導體器件S將經(jīng)由物鏡20射入的光的一部分反射的光束分離器24a、將以光束分離器24a反射的光的光路向LSM單元12的光路變換的鏡24b，和將以鏡24b反射的光聚光的透鏡24c。
在這樣的構(gòu)成中，從激光源(未圖標)經(jīng)由激光導入用光纖12a射出后的紅外激光，通過透鏡12b、光束分離器12e、XY掃描儀12f、光學系統(tǒng)24和物鏡20向半導體器件S照射，并向半導體器件S內(nèi)射入。
對于該射入光，來自半導體器件S的反射散亂光反映設置于半導體器件S的器件面上的電路圖案。來自半導體器件S的反射光與射入光通過相反的光路到達光束分離器12e，穿透光束分離器12e。而且，穿透光束分離器12e后的光，經(jīng)由透鏡12d向檢測用光纖12c射入，并通過連接于檢測用光纖12c的光檢測器檢測。
如上所述，經(jīng)由檢測用光纖12c由光檢測器檢測的光的強度，成為反映設置于半導體器件S的電路圖案的強度。因此，通過XY掃描儀12f使紅外激光在半導體器件S上進行X-Y掃描，可明顯地拍攝半導體器件S的電路圖案等的圖像。
觀察部A上還設置有SIL3。SIL3對于高靈敏度照相機10、LSM單元12、光學系統(tǒng)22、24、物鏡20和載置在載物臺18上的半導體器件S，構(gòu)成為在上述插入位置與待機位置之間可移動。此外，對于SIL3，設置有SIL驅(qū)動部30。SIL驅(qū)動部30由用于支撐SIL3的SIL支持器所連結(jié)的SIL移動裝置(SIL控制器)構(gòu)成，使SIL3在X、Y方向和Z方向移動的XYZ驅(qū)動機構(gòu)。
對于進行用于檢查半導體器件S的觀察等的觀察部A，設置有控制部B和解析部C。而且，在圖13、圖14中，對解析部C省略圖示。
控制部B具有照相機控制部51a、LSM控制部51b、OBIRCH控制部51c、載物臺控制部52、SIL控制部53和物鏡控制部54。其中，對于載物臺控制部52、SIL控制部53、和物鏡控制部54，也包含以兩個控制模式下調(diào)焦和像差修正的控制，關于圖1如上述所述。此外，照相機控制部51a、LSM控制部51b和OBIRCH控制部51c，相當于圖1所示的構(gòu)成中的觀察控制部51。
照相機控制部51a和LSM控制部51b分別通過控制高靈敏度照相機10和LSM單元12的動作，從而控制在觀察部A中進行的半導體器件S的圖像的取得。此外，OBIRCH控制部51c用于取得半導體器件S的檢查所使用的OBIRCH(Optical Beam Induced Resistance Change)圖像，當掃描激光時用于抽取產(chǎn)生的半導體器件S的電流變化。
解析部C如圖1所示，具有圖像解析部61和指示部62，例如由計算機等構(gòu)成。來自照相機控制部51a和LSM控制部51b的圖像信息，經(jīng)由解析部C的計算機所具備的圖像輸入板輸入。
對于使用圖13和圖14所示的半導體檢查裝置的半導體檢查方法概略地說明(參照圖4和圖5)。首先，通過將SIL3配置于待機位置的通常模式，在第一修正條件已調(diào)焦和像差修正的觀測條件下進行半導體器件S的觀察(S200)。具體而言，通過LSM單元12掃描半導體器件S，取得其圖案圖像。此外，取得檢測半導體器件S的異常部位的所使用的異常觀察圖像。作為該異常觀察圖像，使用通過OBIRCH控制部51c取得的OBIRCH圖像，或通過照相機10取得的發(fā)光圖像等。對于這些圖案圖像和異常觀察圖像，根據(jù)需要進行各圖像的重疊，和向顯示裝置63顯示等。此外，使用取得的圖像，調(diào)查半導體器件S的異常部位，將檢測的異常部位作為檢查位置，使檢查位置位于可視范圍中央來設定XYZ載物臺15等。
其次，通過將SIL3配置于與半導體器件S的檢查位置對應的插入位置的SIL模式，在第二修正條件已調(diào)焦和像差修正的觀察條件下進行半導體器件S的觀察(S300)。這里，經(jīng)由配置于半導體器件S上的SIL3和物鏡等20等，取得放大的圖案圖像、OBIRCH圖像、發(fā)光圖像等圖像。此外，根據(jù)需要進行各圖像的重疊、進行向顯示裝置63的顯示等。而且，當取得發(fā)光圖像時，配合通過SIL3產(chǎn)生的色像差量，使載物臺等適當?shù)匾苿?，以軟件配合倍率，進行圖像的重疊。
在圖13和圖14所示的半導體檢查裝置中，對作為SIL驅(qū)動部30所使用的固態(tài)浸沒透鏡移動裝置(SIL移動裝置)的具體例進行說明。圖15是從上方看SIL移動裝置，即SIL控制器和物鏡的一個實施方式的斜視圖。
SIL3由SIL支持器5支撐。圖15所示的SIL控制器30A(SIL驅(qū)動部30)處于在三維方向上驅(qū)動支撐在該SIL支持器5上的狀態(tài)的SIL3，是使其在包含向著物鏡20的光軸且連接在半導體器件S的插入位置與偏離光軸的待機位置之間移動的SIL移動裝置。此外，本構(gòu)成例的SIL控制器30A，進而構(gòu)成為可向用于交換支撐在SIL支持器5上的SIL3的交換位置移動。
具體而言，SIL控制器30A具有安裝有SIL支持器5的第一腕部件71、使該第一腕部件71在X-Y平面(水平面)內(nèi)轉(zhuǎn)動的第一腕部件轉(zhuǎn)動源72、保持第一腕部件轉(zhuǎn)動源72的第二腕部件73、使該第二腕部件73在X-Y平面內(nèi)轉(zhuǎn)動的第二腕部件轉(zhuǎn)動源74。進而，SIL控制器30A具有在垂行于X-Y平面的Z方向上使第二腕部件轉(zhuǎn)動源74移動的Z方向移動源75，以該Z方向移動源75作為基端側(cè)，并以移動的第一腕部件71作為終端側(cè)。
Z方向移動源75例如通過進給螺絲等，由移動軸在Z方向移動的Z軸馬達等構(gòu)成，隔著支撐部76安裝在檢查裝置主體側(cè)的顯微鏡部分。該支撐部76在裝置主體例如以栓等設置成可裝卸，在卸下SIL控制器30A并進行觀察的情況下，或設置其它SIL移動裝置并觀察的情況等很方便。此外，在Z方向移動源75的移動軸上，隔著支撐部77連結(jié)有第二腕部件轉(zhuǎn)動源74。該第二腕部件轉(zhuǎn)動源74由輸出軸可在正反方向上轉(zhuǎn)動(在規(guī)定范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動即可)的轉(zhuǎn)動軸的馬達等構(gòu)成，并通過Z方向移動源75的驅(qū)動在Z方向上移動。
在第二腕部件轉(zhuǎn)動源74的轉(zhuǎn)動軸上，連結(jié)有第二腕部件73的一端。該第二腕部件73如圖15所示構(gòu)成為彎曲狀，使第二腕部件73容易從半導體器件S的觀察位置的可視范圍(物鏡20的可視范圍)遠離。在該第二腕部件73的另一端固定有第一腕部件轉(zhuǎn)動源72。該第一腕部件轉(zhuǎn)動源72由輸出軸可在正反方向上轉(zhuǎn)動(在規(guī)定范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動即可)的轉(zhuǎn)動軸的馬達等構(gòu)成。
這樣，第一腕部件轉(zhuǎn)動源72的轉(zhuǎn)動軸和第二腕部件轉(zhuǎn)動源74的轉(zhuǎn)動軸是位于不同軸。而且，第一腕部件轉(zhuǎn)動源72通過第二腕部件轉(zhuǎn)動源74的驅(qū)動，將第二腕部件轉(zhuǎn)動源74的轉(zhuǎn)動軸作為支點與第二腕部件73一起在X-Y平面內(nèi)轉(zhuǎn)動。此外，在第一腕部件轉(zhuǎn)動源72的轉(zhuǎn)動軸上連結(jié)有上述第一腕部件71的另一端。該第一腕部件71通過第一腕部件轉(zhuǎn)動源72的驅(qū)動，以第一腕部件轉(zhuǎn)動源72的轉(zhuǎn)動軸作為支點在X-Y平面內(nèi)轉(zhuǎn)動。
根據(jù)以上的構(gòu)成，連結(jié)于第一腕部件71一端的SIL支持器5所支撐的SIL3，通過第一腕部件轉(zhuǎn)動源72、第二腕部件轉(zhuǎn)動源74的驅(qū)動，在X-Y平面內(nèi)，在合成各種轉(zhuǎn)動方向的合成方向上移動。此外，SIL3通過Z方向移動源75的驅(qū)動在Z方向移動。而且，其結(jié)果，在三維方向的各規(guī)定位置上，SIL3自由地移動。圖16～圖18是分別表示SIL控制器30A和物鏡20的底視圖，圖16表示將SIL3配置于待機位置的狀態(tài)，圖17表示將SIL3配置于插入位置的狀態(tài)，此外，圖18表示將SIL3配置于交換位置的狀態(tài)。
此外，在圖15所示的SIL控制器30A中，設置有對SIL3供給光學連接液的光結(jié)合材料供給管85，和用于供給干燥氣體的氣體供給管95。它們在將SIL3配置于插入位置，對半導體器件S光學連接時使用。
說明用于支撐SIL3的SIL支持器5。圖19是表示圖1 5所示的SIL控制部中的SIL支持器的構(gòu)成斜視圖。此外，圖20是表示SIL支持器的(a)待機位置的狀態(tài)，和(b)插入位置的狀態(tài)的縱剖面圖。
SIL支持器5如圖19所示，具備構(gòu)成為大致圓筒狀、支撐SIL3的支持器6，和保持該支持器6的腕部7。該SIL支持器5由于與光學連接液有接觸，所以由除高耐腐蝕性例如不銹鋼、鋁等金屬之外，以容易配合透鏡形狀成形加工的樹脂例如丙烯或PET、聚乙烯、聚碳酸脂等形成。
支持器6如圖20(a)和(b)所示，具備保持SIL3的第一支持器8，和用于支撐該第一支持器8的第二支持器9。這些第一支持器8和第二支持器9構(gòu)成為大致圓筒狀，而不妨礙半導體器件S的光路。
第一支持器8具有在其上部的外周面向外突出的環(huán)狀凸緣部8a，同時在其底面具有向著內(nèi)側(cè)的環(huán)狀凸緣部8b。而且，在通過形成于環(huán)狀凸緣部8b的內(nèi)周的開口，在SIL3的底面突出于下方的狀態(tài)下，使SIL3在第一支持器8例如以粘接劑等固定保持。第二支持器9具有在其底面向著內(nèi)側(cè)的環(huán)狀凸緣部9a。而且，在通過形成于環(huán)狀凸緣部9a的內(nèi)周的開口9b，在第一支持器8的下部突出于下方的狀態(tài)下，使第一支持器8的環(huán)狀凸緣部8a載置在第二支持器9的環(huán)狀凸緣部9a上，并使第一支持器8和SIL3在自重方向上支撐在第二支持器9上。
這里，以第一支持器8的下部的外徑為A，以第一支持器8的環(huán)狀凸緣部8a的外徑為B，以第二支持器9的開口9b的內(nèi)徑為為C，則由于設定A＜C＜B的關系，所以第一支持器8對于第二支持器9成為自由的狀態(tài)，同時防止第一支持器8從第二支持器9向下方脫離。
此外，第二支持器9在其上部的開口9c，具備有外罩11，用于防止例如通過嵌合或螺合等安裝的SIL3的脫落。該外罩11與第一支持器8和第二支持器9同樣構(gòu)成為大致圓筒狀，以外罩11的內(nèi)徑為D時，設定為D＜B的關系。因此，通過該外罩11不會妨礙對半導體器件S光路，且防止保持SIL3的第一支持器8通過第二支持器9的上部的開口9c跳出等的脫離并防止SIL的失落。
此外，腕部7是將圓棒彎曲成大致L字狀，從第二支持器9延伸到外方，其一端朝向上方，同時其另一端在第二支持器9的側(cè)部固定。在該腕部7的一端，將以管的側(cè)面的一部分作為平坦面的節(jié)點部7a，作為腕部7和支持器6的節(jié)點，例如通過嵌合等固定。而且，腕部7形成大致L字狀且構(gòu)成為其一端在上方延伸，但也可在構(gòu)成為在X-Y平面內(nèi)延伸。此外，用于構(gòu)成該SIL支持器5的腕部7如圖15所示，在SIL控制器30A的第一腕部件71的一端可裝卸地連結(jié)。
在具有以上構(gòu)成的SIL支持器5和SIL控制器30A中，在圖16所示的待機位置的狀態(tài)下，腕部件71、73重疊，而SIL3和腕部件71、73在物鏡20的可視范圍外。此時，用于保持SIL3的第一支持器8如圖20(a)所示，其環(huán)狀凸緣部8a載置在第二支持器9的環(huán)狀凸緣部9a上，且第一支持器8和SIL3處于在自重方向上支撐在第二支持器9上的狀態(tài)。
在將SIL3從該待機位置向插入位置移動的情況下，首先，轉(zhuǎn)動腕部件71、73，如圖17所示，將在待機位置的SIL3移動到半導體器件S和物鏡20之間向著包含光軸的位置。此時，由于第二腕部件73構(gòu)成為彎曲狀，所以第二腕部件73不會妨礙物鏡20的可視范圍而容易遠離可視范圍。
這樣，將SIL3插入到可視范圍內(nèi)后，驅(qū)動SIL控制器30A的Z方向移動源75并降下SIL3，使SIL3接近于觀察位置后經(jīng)由光結(jié)合材料供給管85供給光學連接液，將SIL3載置于觀察位置并配置在連接位置(插入位置)。這樣使SIL3對于半導體器件S載置在插入位置，則如圖20(b)所示，通過第二支持器9使支撐在自重方向的SIL3和第一支持器8由于半導體器件S而成為舉起的狀態(tài)。進而，在該狀態(tài)下對SIL3的位置等進行微調(diào)整等。而且，此時作為光結(jié)合材料，最好使用指標微調(diào)油(index matching oil)等折射率匹配流體，和含有兩性分子的光學連接液。
這里，SIL3和第一支持器8在通過半導體器件S舉起的狀態(tài)下，對第二支持器9形成為自由的狀態(tài)，所以在半導體器件S的觀察位置，僅使SIL3和第一支持器8的自重產(chǎn)生作用。由此，不會增加過度的壓力，同時使SIL3與觀察位置適當?shù)剡B接。進而，經(jīng)由氣體供給管95供給氣體，使光學連接液干燥，可使SIL3迅速地在半導體器件S的觀察位置確實地連接。
此外，在交換SIL3的情況下，驅(qū)動SIL控制器30A的第一腕部件轉(zhuǎn)動源72并轉(zhuǎn)動第一腕部件71，將SIL3從待機位置移動到圖18所示的交換位置并將連結(jié)部從接近第二腕部件73的下方大幅度地突出到外側(cè)，交換包含腕部7在內(nèi)的SIL支持器5。由此，對于SIL支持器5的腕部7的第一腕部件71形成為易于裝卸，同時為交換包含腕部7在內(nèi)的SIL支持器5，不用直接處理微小的SIL3而較容易地交換透鏡。
本發(fā)明的顯微鏡和試料觀察方法不限于上述實施方式和構(gòu)成例，可作各種變形。例如，在上述的半導體檢查裝置中，對于圖像取得部1、光學系統(tǒng)2、檢查部16等的具體的構(gòu)成，和用于檢查半導體器件S的具體的檢查方法等，圖13和圖14表示其構(gòu)成的一例，除此之外還可以使用各種構(gòu)成和檢查方法。此外，在對半導體器件等各種裝置僅進行觀察的情況下，可以不設置檢查部16而作為裝置觀察裝置構(gòu)成。此外，對于圖像取得部1，若操作者不要直接觀察圖像的情況等，則也可以不設置。此外，對于驅(qū)動SIL3的SIL驅(qū)動部30，除圖15所示的SIL控制器30A之外也可使用各種控制部。此外，用于獲得SIL與基板的光學連接的上述光結(jié)合材料的使用是其一例，除此之外，也可通過將SIL向基板側(cè)推壓得到漸消(evanescent)耦合。
此外，在上述實施方式中，對以半導體器件作為觀察對象的半導體檢查裝置和半導體檢查方法進行了說明，但本發(fā)明在將半導體器件以外作為觀察對象的試料的情況下，也可適用于在規(guī)定的觀察面上通過試料進行觀察所使用的顯微鏡和試料觀察方法。由此，在試料觀察中，可容易地進行觀察試料的微細構(gòu)造等。作為這種情況的試料，例如，可例舉上述半導體器件和液晶裝置等各種裝置，或使用顯微鏡標本的生物相關的樣品等。
此外，對于使用于修正表的SIL的光學參數(shù)的輸入，如上所述，除將參數(shù)值個別地進行輸入之外，也可使用準備有對應于SIL型號的參數(shù)設定的構(gòu)成，或?qū)⒋鎯τ袇?shù)值的IC芯片等的存儲介質(zhì)設置在SIL中，在使用時讀取數(shù)據(jù)的構(gòu)成等。
例如，SIL的光學參數(shù)的輸入是在SIL、SIL支持器或安裝于臂的半導體器件/磁性裝置等的存儲介質(zhì)，可使用存儲有SIL型號、連續(xù)號碼、曲率半徑、厚度、折射率等的參數(shù)的構(gòu)成。在這種情況下作為數(shù)據(jù)的讀取方法，有通過電波接收、通過臂和控制部經(jīng)過電接觸的接收等方法。此外，在SIL支持器上寫入到條型碼等，也可以通過以圖像辨識讀取數(shù)據(jù)。
或者，在SIL支持器中，可使用可以肉眼或圖像各自識別的附有記號的構(gòu)成。通過這樣的記號的SIL識別方法，有使用線顏色和條數(shù)、點顏色和數(shù)目、支持器本身的顏色、連續(xù)號碼等的識別方法。此外，在這種情況下，可使用通過記號判別SIL的ID，并輸入其連續(xù)號碼，讀取預先登記的曲率半徑、厚度、折射率等參數(shù)的方法。對應于連續(xù)號碼的這些參數(shù)數(shù)據(jù)通過撓性盤片等供給，預先讀入到軟件中的方法。
此外，在上述構(gòu)成的顯微鏡中，通過固態(tài)浸沒透鏡驅(qū)動構(gòu)件驅(qū)動SIL，但這樣的驅(qū)動裝置若不要的話也可構(gòu)成為不設置。在這種情況下，控制物鏡驅(qū)動構(gòu)件的控制構(gòu)件具有在根據(jù)試料的折射率n0、厚度t0、固態(tài)浸沒透鏡的折射率n1、厚度d1和曲率半徑R1設定的修正條件下，以進行調(diào)焦和像差修正的SIL模式作為控制模式即可。
此外，在上述實施方式中，一般模式和SIL模式的兩者分別進行調(diào)焦和像差修正，但對于僅使用物鏡的一般模式，也可是不進行像差修正而僅進行調(diào)焦的構(gòu)成。此外，一般模式中使用調(diào)焦表和像差修正表的情況下，也可僅使用調(diào)焦表。
此外，對于含有物鏡20的光學系統(tǒng)2，除上述構(gòu)成之外也可使用各種構(gòu)成。例如，在光學系統(tǒng)2中，作為物鏡20，也可使用設置有一般模式中用于觀察試料的正常圖像的第一物鏡，和SIL模式中與SIL3一起用于觀察試料的放大圖像的第二物鏡的構(gòu)成。
作為這樣構(gòu)成的具體例，如圖13所示，使多個物鏡20由轉(zhuǎn)換器設置為可切換的情況下，可考慮將其中之一的物鏡作為一般模式用，在其它物鏡上安裝SIL3，作為SIL模式用的構(gòu)成。在這樣的構(gòu)成中，使切換物鏡的轉(zhuǎn)換器作為固態(tài)浸沒透鏡驅(qū)動構(gòu)件發(fā)揮作用。此外，在這種情況下，對于一般模式用的物鏡，若不要像差修正，則也可使用不設置修正環(huán)的透鏡。
對于如上述以一般模式、SIL模式使用另一個物鏡的情況的試料觀察方法的一例進行說明。首先，為了提高試料表面的連接性，通過洗凈液和連接液進行處理之后，以通常物鏡對作為觀察試料的一般圖像進行觀察。此外，以通常物鏡觀察異常觀察像(例如故障引起的光學信號像)。接著，將觀察對象對準中心，提高通常物鏡的倍率，同樣地觀察圖案像、異常觀察像。進而，物鏡的倍率提高到20×左右以上，將觀察對象位置對準中心。
其次，將光學系統(tǒng)從一次試料稍微分離，將物鏡切換成SIL附物鏡之后，使光學系統(tǒng)慢慢地接近試料。此時，在使SIL的前端接觸試料的時刻使接觸傳感器呈ON狀態(tài)，由ON位置移動到實際焦點位置。從ON位置到實際焦點位置的距離是預先確定。
進而，由SIL附物鏡一邊觀察試料的圖案像，一邊來進行焦點的微調(diào)整之后，進行試料的放大圖像，即圖案像和異常觀察像的觀察。而且，當返回到一般圖像的觀察時，將光學系統(tǒng)從試料分離，將物鏡切換成通常物鏡之后，使光學系統(tǒng)返回到焦點位置即可。
產(chǎn)業(yè)上的可利用性根據(jù)本發(fā)明的顯微鏡和試料觀察方法，可利用于可容易地進行半導體器件的微細構(gòu)造解析等需要的試料觀察的顯微鏡和試料觀察方法。
權(quán)利要求
1.一種顯微鏡，在規(guī)定的觀察面上觀察試料，其特征在于，具備包含物鏡，引導所述試料圖像的光學系統(tǒng)；用于驅(qū)動所述物鏡，對所述試料進行調(diào)焦和像差修正的物鏡驅(qū)動構(gòu)件；設置在包含從所述試料向著所述物鏡的光軸的位置的固態(tài)浸沒透鏡；和控制所述物鏡驅(qū)動構(gòu)件的控制構(gòu)件，所述控制構(gòu)件具有固態(tài)浸沒透鏡模式作為控制模式，該固態(tài)浸沒透鏡模式在根據(jù)所述試料的折射率n0、厚度t0、所述固態(tài)浸沒透鏡的折射率n1、厚度d1和曲率半徑R1設定的修正條件下，進行調(diào)焦和像差修正。
2.如權(quán)利要求1所述的顯微鏡，其特征在于，具備驅(qū)動所述固態(tài)浸沒透鏡，使其在包含從所述試料向著所述物鏡的光軸的插入位置與偏離所述光軸的待機位置之間移動的固態(tài)浸沒透鏡驅(qū)動構(gòu)件。
3.如權(quán)利要求2所述的顯微鏡，其特征在于所述光學系統(tǒng)具有作為所述物鏡的用于觀察所述試料的一般圖像的第一物鏡，和與所述固態(tài)浸沒透鏡一起用于觀察所述試料的放大圖像的第二物鏡。
4.如權(quán)利要求1所述的顯微鏡，其特征在于所述控制機構(gòu)具有對應于所述固態(tài)浸沒透鏡模式下的所述修正條件的調(diào)焦表和像差修正表。
5.如權(quán)利要求1所述的顯微鏡，其特征在于所述控制構(gòu)件具有在根據(jù)所述試料的折射率n0和到所述觀察面的所述試料的厚度t0設定的修正條件下進行調(diào)焦的一般模式，和所述固態(tài)浸沒透鏡模式的兩種控制模式。
6.如權(quán)利要求5所述的顯微鏡，其特征在于所述控制構(gòu)件具有對應于所述一般模式下的所述修正條件的調(diào)焦表，和對應于所述固態(tài)浸沒透鏡模式的所述修正條件的調(diào)焦表與像差修正表。
7.如權(quán)利要求1所述的顯微鏡，其特征在于所述物鏡驅(qū)動構(gòu)件具有改變所述試料與所述物鏡的間隔并進行調(diào)焦的焦點調(diào)節(jié)構(gòu)件。
8.如權(quán)利要求1所述的顯微鏡，其特征在于所述物鏡具有沿光軸配置的第一透鏡群和第二透鏡群，所述物鏡驅(qū)動構(gòu)件具有改變所述物鏡的所述第一透鏡群與所述第二透鏡群的間隔并進行像差修正的像差修正構(gòu)件。
9.如權(quán)利要求2所述的顯微鏡，其特征在于所述固態(tài)浸沒透鏡驅(qū)動構(gòu)件是固態(tài)浸沒透鏡移動裝置，具有連結(jié)有支撐所述固態(tài)浸沒透鏡的固態(tài)浸沒透鏡支持器的第一腕部件；使所述第一腕部件相對所述試料在大致平行的水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動的第一腕部件轉(zhuǎn)動源；保持所述第一腕部件轉(zhuǎn)動源的第二腕部件；和以與所述第一腕部件轉(zhuǎn)動源的轉(zhuǎn)動軸不同軸的位置作為轉(zhuǎn)動軸，使所述第二腕部件在所述水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動的第二腕部件轉(zhuǎn)動源。
10.如權(quán)利要求9所述的顯微鏡，其特征在于所述固態(tài)浸沒透鏡移動裝置具有使所述第二腕部件轉(zhuǎn)動源在與所述水平面正交的垂直方向上移動的垂直方向移動源。
11.一種試料觀察方法，在規(guī)定的觀察面上，通過包含物鏡的光學系統(tǒng)進行觀察，其特征在于，包括在偏離從所述試料向著所述物鏡的光軸的待機位置配置固態(tài)浸沒透鏡，觀察所述試料的一般圖像的一般圖像觀察步驟；在包含從所述試料向著所述物鏡的光軸的插入位置配置所述固態(tài)浸沒透鏡，在根據(jù)所述試料的折射率n0、厚度t0、所述固態(tài)浸沒透鏡的折射率n1、厚度d1和曲率半徑R1設定的修正條件下，進行調(diào)焦和像差修正的修正步驟；和在通過所述修正步驟完成調(diào)焦和像差修正的狀態(tài)下，觀察所述試料的放大圖像的放大圖像觀察步驟。
12.如權(quán)利要求11所述的試料觀察方法，其特征在于在所述修正步驟中，使用對應于該修正條件的調(diào)焦表和像差修正表。
13.如權(quán)利要求11所述的試料觀察方法，其特征在于，包括在偏離從所述試料向著所述物鏡的光軸的所述待機位置配置所述固態(tài)浸沒透鏡，在根據(jù)所述試料的折射率n0和到所述觀察面的所述試料的厚度t0設定的修正條件下進行調(diào)焦的一般修正步驟。
14.如權(quán)利要求13所述的試料觀察方法，其特征在于在所述一般修正步驟中，使用對應于該修正條件的調(diào)焦表，同時在所述修正步驟中，使用對應于該修正條件的調(diào)焦表和像差修正表。
15.如權(quán)利要求11所述的試料觀察方法，其特征在于在所述修正步驟中，改變所述試料和所述物鏡的間隔并進行調(diào)焦。
16.如權(quán)利要求11所述的試料觀察方法，其特征在于在所述修正步驟中，改變沿所述物鏡的光軸配置的第一透鏡群和第二透鏡群的間隔并進行像差修正。
全文摘要
本發(fā)明的顯微鏡和試料觀察方法，對于檢查對象的半導體器件S，設置圖像取得部(1)、包含物鏡(20)的光學系統(tǒng)(2)、和可在包含從半導體器件(S)向物鏡20的光軸的插入位置與偏離光軸的待機位置之間移動的固態(tài)浸沒透鏡(SIL3)。而且，以兩種控制模式進行觀察第一模式，將(SIL3)配置在待機位置，根據(jù)半導體器件(S)的基板的折射率(n
文檔編號G02B21/00GK1906520SQ20058000160
公開日2007年1月31日 申請日期2005年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月27日
發(fā)明者寺田浩敏, 荒田育男, 常盤正治, 田邊浩, 坂本繁 申請人:浜松光子學株式會社