專利名稱：固浸透鏡及利用該透鏡的試料觀察方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用固浸透鏡觀察試料的觀察方法及固浸透鏡。
背景技術(shù)：
固浸透鏡(SILSolid Immersion Lens)作為對來自成為觀察對象的試料的光像進(jìn)行擴(kuò)大的透鏡已被公知。SIL是半球形狀或被稱為維爾斯特拉斯(Weierstras)球的超半球形狀的透鏡。將該SIL設(shè)置成粘附在試料表面時(shí)，可以擴(kuò)大試料觀察的開口數(shù)NA和倍率，可以進(jìn)行高空間分解能力的觀察(參照特公平7-18806號公報(bào)、和特開2002-189000號公報(bào))。

發(fā)明內(nèi)容
關(guān)于SIL，被認(rèn)為在上述的半球形狀或超半球形狀的構(gòu)造，以及被設(shè)定成與其對應(yīng)的試料觀察面上，獲得不產(chǎn)生球面像差和慧形像差的消球差的成像。但是，該SIL的構(gòu)造和使用條件，不會(huì)產(chǎn)生像差的位置都只是1點(diǎn)，因此，SIL的用途限制于光傳感器等。
即，上述SIL所使用試料觀察面，當(dāng)以較寬范圍觀察試料時(shí)，像面特性不好。因此，當(dāng)使用SIL觀察試料的像時(shí)，存在所獲得的像其周邊部的分解能力比中央部低，像面彎曲的影響在周邊或中心附近不能發(fā)現(xiàn)，可以用來觀察的視野受到限制等問題。
本發(fā)明用來解決上述的問題，其目的是提供利用固浸透鏡可以良好地觀察試料的像的試料觀察方法，和固浸透鏡。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的利用固浸透鏡的試料觀察方法，其特征在于，利用由折射率nL的材質(zhì)形成的具有曲率半徑RL的球面狀的光學(xué)面的固浸透鏡，通過將固浸透鏡產(chǎn)生的幾何學(xué)像差特性設(shè)定成為可以滿足規(guī)定條件的系數(shù)k(0＜k＜1)，以包含沿光軸距離光學(xué)面的球心僅為k×(RL/nL)的下游側(cè)的點(diǎn)且與光軸大致垂直的面，作為試料觀察面，使用固浸透鏡進(jìn)行試料的觀察。
在上述的試料觀察方法，不使用以包含球心的面作為試料觀察面的半球形狀的構(gòu)造，或以包含沿光軸距離球心僅為RL/nL的下游側(cè)的點(diǎn)的面作為試料觀察面的超半球形狀的構(gòu)造，通過評價(jià)由固浸透鏡所產(chǎn)生的幾何學(xué)像差特性，來設(shè)定系數(shù)k。另外，以包含由該系數(shù)k決定的點(diǎn)的面作為試料觀察面，進(jìn)行試料的觀察。利用此種方式能夠使觀察可用的視野擴(kuò)大，使用固浸透鏡可以良好地觀察試料的像。
此處，由固浸透鏡產(chǎn)生的幾何學(xué)像差特性的評價(jià)，最好是使用以固浸透鏡的后側(cè)焦點(diǎn)面作為瞳面的假想光學(xué)系，來評價(jià)幾何學(xué)像差特性，根據(jù)其評價(jià)結(jié)果設(shè)定系數(shù)k。利用此種方式，使瞳面成為固浸透鏡的后側(cè)焦點(diǎn)面，可以成為物方遠(yuǎn)心，也可以做成遵照利用激光掃描儀等的反射光觀察的實(shí)際情況的形狀。在組合使用實(shí)際的顯微鏡時(shí)，顯微鏡的物鏡的瞳位置不具有作為瞳的功能，包含固浸透鏡的光學(xué)系的瞳成為固浸透鏡的后側(cè)焦點(diǎn)位置。
另外，最好利用弧矢像面、子午像面、或弧矢像面與子午像面的平均像面，來評價(jià)由固浸透鏡產(chǎn)生的幾何學(xué)像差特性，根據(jù)其評價(jià)結(jié)果設(shè)定系數(shù)k。利用此種方式，可以良好地設(shè)定由固浸透鏡在試料觀察面產(chǎn)生的幾何學(xué)像差特性。
另外，在上述的試料觀察方法中，可以使固浸透鏡沿光軸的厚度為dL＝RL+k×(RL/nL)，優(yōu)選試料觀察面與試料側(cè)的固浸透鏡的透鏡面一致?；?，也可以使固浸透鏡沿光軸的厚度為dL＜RL+k×(RL/nL)，試料觀察面為當(dāng)試料的折射率與固浸透鏡的折射率nL相等時(shí)的假想觀察面，并當(dāng)試料的折射率為nS，到實(shí)際觀察面的試料的厚度為tS時(shí)，固浸透鏡的厚度，對從頂點(diǎn)至該假想觀察面的沿光軸的距離L＝RL+k×(RL/nL)，可以滿足dL＝L-tS×(nL/nS)。
另外，本發(fā)明的固浸透鏡其特征在于，由折射率nL的材質(zhì)形成為具有曲率半徑RL的球面狀的光學(xué)面，當(dāng)成為觀察對象的試料的折射率等于固浸透鏡的折射率nL時(shí)，從頂點(diǎn)至假想觀察面的沿光軸的距離，利用將幾何學(xué)像差特性設(shè)定為可以滿足規(guī)定條件的系數(shù)k(0＜k＜1)，成為L＝RL+k×(RL/nL)，并且使試料的折射率為nS，至實(shí)際的觀察面的試料的厚度為tS時(shí)，沿光軸的厚度可以滿足為dL＝L-tS×(nL/nS)。
上述的固浸透鏡，使用通過評價(jià)固浸透鏡產(chǎn)生的幾何學(xué)像差特性所設(shè)定的系數(shù)k，并且考慮成為觀察對象的基板等的試料的折射率nS和厚度tS從而設(shè)定透鏡的形狀。利用此種方式，可以使上述觀察可用的視野擴(kuò)大，可以良好地觀察試料的所希望的觀察部位。
關(guān)于上述的試料觀察方法和固浸透鏡，最好使系數(shù)k為0.5＜k＜0.7范圍內(nèi)的值。這時(shí)，以固浸透鏡的像面特性實(shí)質(zhì)上變?yōu)槠教?flat)的條件的觀察成為可能。
或者，最好使系數(shù)k為0＜k≤0.5范圍內(nèi)的值。這時(shí)，以固浸透鏡所產(chǎn)生的色像差、球面像差實(shí)質(zhì)上被減小的條件的觀察成為可能。


圖1表示現(xiàn)有的固浸透鏡的構(gòu)造和使用條件的一實(shí)施例的圖。
圖2表示現(xiàn)有的固浸透鏡的構(gòu)造和使用條件的另一實(shí)施例的圖。
圖3表示本發(fā)明的試料觀察方法中所使用的固浸透鏡的構(gòu)造和使用條件的圖。
圖4表示用于評價(jià)圖3所示的固浸透鏡所產(chǎn)生的幾何學(xué)像差特性和色像差特性的假想光學(xué)系的圖。
圖5表示使用圖4所示的假想光學(xué)系進(jìn)行評價(jià)的固浸透鏡的特性的曲線圖。
圖6表示本發(fā)明的試料觀察方法中所使用的固浸透鏡的構(gòu)造和使用條件的另一實(shí)施例的圖。
圖7表示本發(fā)明的固浸透鏡和試料觀察方法的另一實(shí)施例的圖。
圖8表示試料的厚度與SIL的厚度的相關(guān)性的一例的曲線圖。
圖9A和圖9B表示(A)系數(shù)k較小時(shí)的光的聚焦，和(B)系數(shù)k較大時(shí)的光的聚焦的側(cè)面圖。
圖10表示SIL的系數(shù)k的值與物鏡所需要的開口數(shù)NA的相關(guān)性的一例的曲線圖。
圖11表示SIL+試料的厚度與SIL的光軸上的到達(dá)NA的相關(guān)性的一例的曲線圖。
圖12表示物鏡的構(gòu)造的側(cè)面截面圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合圖面，詳細(xì)說明本發(fā)明的固浸透鏡及利用該透鏡的試料觀察方法的優(yōu)選實(shí)施例。另外，在圖面的說明中相同的組件使用相同的符號，省略重復(fù)說明。另外，圖面的尺寸比率與所說明的不一定一致。
首先，說明利用本發(fā)明的固浸透鏡(SIL)的試料觀察方法的概略，以及現(xiàn)有所使用的SIL的構(gòu)造和使用條件。
圖1表示現(xiàn)有的SIL的構(gòu)造及使用條件的一例的圖。圖1所示的SIL 8是具有折射率n、曲率半徑R的半球形狀的透鏡。該SIL 8中使球心成為焦點(diǎn)，將包含該球心的面設(shè)定為試料觀察面80。另外，試料觀察的開口數(shù)NA和倍率均成為n倍。在該構(gòu)造中，當(dāng)考慮到SIL 8的像面特性時(shí)，如圖1所示，依照離開焦點(diǎn)的距離使像面只在下游側(cè)，產(chǎn)生像面彎曲。
圖2表示現(xiàn)有的SIL的構(gòu)造和使用條件的另一例的圖。圖2所示的SIL9是具有折射率n、曲率半徑R的超半球形狀的透鏡。該SIL 9中，使沿光軸距離球心僅為R/n的下游側(cè)的點(diǎn)成為焦點(diǎn)，將包含該點(diǎn)的面設(shè)定為試料觀察面90。另外，試料觀察的開口數(shù)NA和倍率均成為n2。該構(gòu)造中，當(dāng)考慮到SIL 9的像面特性時(shí)，如圖2所示，依照離開焦點(diǎn)的距離使像面只在上游側(cè)，產(chǎn)生與圖1相反方向的像面彎曲。
本發(fā)明人詳細(xì)的研討了利用SIL的試料觀察，發(fā)生如此的像面彎曲，其結(jié)果發(fā)現(xiàn)在上述的構(gòu)造中，在成為焦點(diǎn)的球心，和沿光軸距離球心僅為R/n的下游側(cè)的點(diǎn)之間，倍率在n倍和n2倍之間進(jìn)行變化，和該像面彎曲也在圖1和圖2所示的相反方向的像面彎曲之間進(jìn)行變化。本發(fā)明的利用SIL的試料觀察方法根據(jù)此見解，以適合于成像的構(gòu)造和使用條件進(jìn)行利用SIL的試料的像的觀察。
圖3表示本發(fā)明的試料觀察方法和使用該方法的固浸透鏡的一實(shí)施例的構(gòu)造和使用條件的圖。在本試料觀察方法中，對于成為觀察對象的試料2，使用由折射率nL的材質(zhì)所形成的SIL 1，作為使來自試料2的光像擴(kuò)大的透鏡。該SIL 1形成以軸Ax作為光軸，以點(diǎn)C為球心的曲率半徑RL的球面狀的光學(xué)面10作為透鏡面。
在使用該SIL 1的試料觀察中，以沿光軸Ax距離球面狀的透鏡面10的球心C僅為k×(RL/nL)的下游側(cè)的點(diǎn)作為焦點(diǎn)。另外，以包含該焦點(diǎn)的與光軸Ax大致垂直的面20作為試料觀察面，使用SIL 1進(jìn)行試料的觀察。
在此處，決定SIL 1的焦點(diǎn)和試料觀察面20距離球心C的位置的系數(shù)k，被設(shè)定在0＜k＜1的范圍內(nèi)。因此，該焦點(diǎn)的位置為球心C與沿光軸距離球心C僅為RL/nL的下游側(cè)的點(diǎn)之間的位置。特別是該系數(shù)k被設(shè)定為使SIL 1產(chǎn)生的幾何學(xué)像差特性滿足規(guī)定的條件。
即，如上述方式，關(guān)于在球心C，與沿光軸Ax距離球心C僅為RL/nL的下游側(cè)的點(diǎn)之間，使倍率和像面彎曲順序變化。對于該特性的變化，評價(jià)由SIL 1產(chǎn)生的幾何學(xué)像差特性和其變化等，根據(jù)其評價(jià)結(jié)果設(shè)定適當(dāng)?shù)南禂?shù)k，和選擇對應(yīng)此k值的焦點(diǎn)。另外，以包含該系數(shù)k所決定的點(diǎn)的面作為試料觀察面20，用來進(jìn)行試料2的像的觀察。這時(shí)，可以在使像面彎曲變小和充分抑制像差的劣化的條件下使用SIL1。利用該方式，能夠使觀察可用的視野擴(kuò)大，使用SIL 1進(jìn)行良好地觀察試料2的像。
另外，在圖3所示的實(shí)施例中，依照系數(shù)k所決定的試料觀察面20，與在試料2側(cè)的SIL 1的平面狀的透鏡面一致。另外，這時(shí)從SIL1的頂點(diǎn)到試料2側(cè)的透鏡面的距離，即SIL 1的沿光軸Ax的厚度為dL＝RL+k×(RL/nL)。
下面，利用圖4和圖5具體說明使用SIL 1的試料的像的觀察時(shí)的像差和像面特性的評價(jià)方法，及SIL 1的優(yōu)選構(gòu)造、使用條件等。圖4表示用于評價(jià)圖3所示的由SIL產(chǎn)生的幾何學(xué)像差特性和色像差特性的假想光學(xué)系。另外，圖5表示使用圖4所示的假想光學(xué)系進(jìn)行評價(jià)的SIL的特性。
此處，在圖4中，n表示折射率，s表示從物體面到主平面的距離，h表示光線的高度。另外，上加橫線表示與主光線有關(guān)的量。但是，在本說明書中，例如在“h1”上附加橫線的表示為“h-1”。
首先，說明評價(jià)由SIL產(chǎn)生的像面特性的假想光學(xué)系。此處，如圖4所示，SIL 1的材質(zhì)假定為硅(Si)，使其折射率為n3＝nL＝3.5。另外，對于折射率n3的SIL 1的內(nèi)部以外的區(qū)域，使折射率為n1＝n2＝1。另外，對于以球心C作為中心的形成為球面狀的透鏡面10，使其曲率半徑為r2＝RL＝1。
對于該SIL 1，為評價(jià)其像差和像面特性，導(dǎo)入以SIL 1的后側(cè)焦點(diǎn)面作為瞳面的假想光學(xué)系。具體地如圖4所示，導(dǎo)入無像差的假想物鏡3，將其配置在SIL 1的后側(cè)焦點(diǎn)F上。利用s1＝r2/(n3-n2)求得SIL 1的透鏡面10的面頂與后側(cè)焦點(diǎn)F之間的距離s1，在n3＝3.5的上述例中，為s1＝0.4×RL＝0.4。
另外，使該無像差的假想物鏡3的焦點(diǎn)距離為fi，前側(cè)焦點(diǎn)位置為F′。SIL 1的厚度s2′為從假想物鏡3以u1＝0，h1發(fā)出的光，被透鏡面10成像的焦點(diǎn)位置，到透鏡面10的面頂?shù)木嚯x。通過使用導(dǎo)入該假想物鏡3的假想光學(xué)系進(jìn)行SIL 1的評價(jià)，由此使光學(xué)系全體的射入瞳被設(shè)定在距離透鏡面10僅為s1＝0.4×RL的位置的假想物鏡3上。如此通過設(shè)定射入瞳等，在SIL 1的內(nèi)部形成遠(yuǎn)心，可以形成如利用激光掃描儀觀察反射光的實(shí)際觀察系統(tǒng)的形式。由此可以適當(dāng)評價(jià)由SIL 1產(chǎn)生的像差和像面特性。
圖4中配合由上述SIL 1和假想物鏡3構(gòu)成的光學(xué)系的構(gòu)造，表示有2條光線l1、l2。其中，光線l1對于光軸Ax形成的角度為u1＝0，光線的高度對于假想物鏡3為h1，對于SIL 1的透鏡面10為h2，在假想物鏡3的上游側(cè)為與光軸Ax平行的光線。另外，該光線l1在與試料觀察面20相當(dāng)?shù)拿鍿′上通過光軸Ax上的點(diǎn)。另外，關(guān)于光線l1，在SIL1不存在時(shí)以虛線所示的光線，在假想物鏡3的焦點(diǎn)面S上，通過光軸Ax上的點(diǎn)F′。
另外，光線l2對于光軸Ax形成的角度為u-1，光線的高度對于假想物鏡3為h-1＝0，對于SIL 1的透鏡面10為h-2、在透鏡面10的下游側(cè)為與光軸Ax平行的光線。另外，光線l2在假想物鏡3上通過光軸Ax上的點(diǎn)F，在試料觀察面S′上，與光軸Ax的距離為Y′。另外，對于光線l2，在SIL 1不存在時(shí)以虛線所示的光線，在焦點(diǎn)面S上與光軸Ax的距離為Y。
另外，從SIL 1的透鏡面10的面頂?shù)浇裹c(diǎn)面S的距離為s2，至試料觀察面S′的距離，即SIL 1的厚度為s2′＝dL。在具有上述構(gòu)造和條件的圖4的假想光學(xué)系中，用SIL 1的厚度dL表示SIL 1的球面像差系數(shù)I、慧形像差系數(shù)II、非點(diǎn)像差系數(shù)III、珀茲伐(petzval)和P、弧矢像面的彎曲III+P、以及子午像面的彎曲3III+P的各個(gè)像差系數(shù)時(shí)，分別用下列的各式(1)～(6)求得。
I＝h24·Q22·Δ(1/nLs)2＝(dL/1.4)4·{4.9(dL-1)/dL)2·(3.5-4.5/dL)＝6.25(dL-1)2(3.5dL-4.5)dL(1)II＝J2·I＝2.5(dL-1)(3.5dL-4.5)dL(2)III＝J2·II＝(3.5dL-4.5)dL(3)P＝p＝(1/n2-1/n3)/r2＝1 (4)III+P＝1+(3.5dL-4.5)dL(5)3III+P＝1+3(3.5dL-4.5)dL(6)此處，Q2是阿貝(Abbe)的不變量。另外，Q2和J2用下式表示。
Q2＝n2(1/r2-1/s2)＝4.9(dL-1)/dLJ2=Q2‾h2‾/Q2h2]]>另外，珀茲伐(Petzval)像面、弧矢像面、以及子午像面的曲率(實(shí)尺寸)分別為如下所示。
-P/fi＝-0.7143(l/mm)＝一定…珀茲伐像面-{1+(3.5dL-4.5)dL)/1.4(l/mm)…弧矢像面-{1+3(3.5dL-4.5)dL)/1.4(l/mm)…子午像面圖5中表示利用上述式分別求得的球面像差系數(shù)I、慧形像差系數(shù)II、非點(diǎn)像差系III、弧矢像面的彎曲III+P、以及子午像面的彎曲3III+P的各個(gè)像差系數(shù)，和弧矢像面與子午像面的平均像面的圖形。在該圖形中，橫軸表示SIL的厚度s2′＝dL，縱軸表示各個(gè)像差系數(shù)的值。另外，該橫軸所示的厚度dL，和圖3所示的系數(shù)k，利用圖4的RL＝1，具有k＝nL，×(dL-1)＝3.5×(dL-1)的關(guān)系。
由圖5所示的各個(gè)圖形，在以包含球心的面作為試料觀察面的時(shí)(參照圖1)所對應(yīng)的dL＝RL＝1的點(diǎn)，以及以包含沿光軸距離球心僅RL/nL的下游側(cè)的點(diǎn)的面作為試料觀察面時(shí)(參照圖2)所對應(yīng)的dL＝RL+RL/nL＝1.286的點(diǎn)上，分別使球面像差系數(shù)I和慧形像差系數(shù)II均為零，滿足消球差條件。但是，在這些點(diǎn)上會(huì)產(chǎn)生上述像面彎曲。另外，在dL＝1的點(diǎn)上，弧矢像面的彎曲III+P也為零。另外，在dL＝1.286的點(diǎn)上，非點(diǎn)像差系數(shù)III也為零。
相對于此，以弧矢像面與子午像面的平均像面來看時(shí)，在dL＝RL+k(RL/nL)＝1.163×RL＝1.163的點(diǎn)上，像面成為平坦。也即，成為以平坦的像面取得寬廣視野的條件，要滿足平均像面成為垂直光軸的平面的條件時(shí)，可以使像面的彎曲成為III+P＝-(3III+P)。利用此種條件，可以以上述的各式獲得dL＝1.163。另外，在這時(shí)求得對試料觀察面設(shè)定的系數(shù)k為大約0.6(k＝0.57)。在使用以如此求得的系數(shù)k的構(gòu)造和使用條件下，利用SIL 1進(jìn)行試料觀察，可以以寬廣的視野取得良好的試料的像。
另外，在SIL的外側(cè)，當(dāng)以成為遠(yuǎn)心的通常的射入瞳位置的條件進(jìn)行計(jì)算時(shí)，平均像面變?yōu)槠教故窃赟IL的厚度為1.274×RL的點(diǎn)，成為與上述結(jié)果完全不同的計(jì)算結(jié)果。
本發(fā)明的固浸透鏡和使用其的試料觀察方法并不只限于上述的實(shí)施例，而是可以有各種變化的。例如，在上述的實(shí)施例中SIL的材質(zhì)是以硅為例，但是除了硅外，也可以依照所適用的試料的材質(zhì)或觀察條件等，使用各種材質(zhì)。
另外，在上述的實(shí)施例中，是使SIL的折射率為3.5的一定的值。這是對應(yīng)單一波長的試料觀察的情況，或由波長造成的折射率變化可忽視的情況。因此，如上述使k在0.6左右的條件可以有效的使用在利用單一波長的光對試料進(jìn)行觀察、檢查等的情況。
相對于此，例如在以750nm～1050nm的波長幅度進(jìn)行觀察的情況等，在觀察的波長寬度較寬的發(fā)光觀察等，在由硅構(gòu)成的SIL通過使k為0.3左右，使色像差和其它的像差達(dá)到平衡。依照此種方式，假如需要時(shí)，最好考慮進(jìn)行觀察的波長寬度，用來進(jìn)行像面特性的評價(jià)和系數(shù)k的設(shè)定等。
另外，關(guān)于系數(shù)k，在上述的實(shí)施例中是利用平均像面成為平坦的點(diǎn)，設(shè)定系數(shù)k。利用此種方式可以良好地設(shè)定由SIL產(chǎn)生的試料觀察面的像面特性。但是對于該系數(shù)k的設(shè)定，也可以使用在平均像面成為平坦的點(diǎn)的附近，以規(guī)定的條件范圍內(nèi)的點(diǎn)進(jìn)行設(shè)定的方法?；?，也可以不是平均像面，而是使用弧矢像面或子午像面成為平坦的點(diǎn)，用來設(shè)定系數(shù)k。
另外，關(guān)于SIL對試料的設(shè)置方法，所示的構(gòu)成是在圖3中使試料2的表面成為試料觀察面20，但并不只限于此種構(gòu)成。圖6表示本發(fā)明的試料觀察方法所使用的固浸透鏡的構(gòu)造和使用條件的另一實(shí)施例。在該實(shí)施例中，對于成為試料的硅基板2，也可以使用同為硅構(gòu)成的SIL 1，并使基板2的背面成為試料觀察面20。
在此種構(gòu)造中，硅基板2的指定部份具有作為SIL 1的下游側(cè)部分的功能，與以表面作為試料觀察面20的情況同樣，可以觀察試料的像。此種觀察方法例如可以適用在利用背面觀察來檢查半導(dǎo)體裝置的情況。
下面更進(jìn)一步地說明本發(fā)明的固浸透鏡及使用其的試料觀察方法。
圖7表示本發(fā)明的固浸透鏡及試料觀察方法的另一實(shí)施例。在本試料觀察方法中，對于成為觀察對象的試料7(例如半導(dǎo)體裝置)，使用由折射率nL的材質(zhì)形成的SIL 6，作為用以擴(kuò)大來自試料7的光像的透鏡。該SIL 6形成以軸Ax作為光軸，以點(diǎn)C為球心的曲率半徑RL的球面狀的光學(xué)面60作為透鏡面。另外，在本實(shí)施例中，系數(shù)k的設(shè)定與圖3的實(shí)施例相同。
圖7，在試料7中以與其SIL 6相反側(cè)的面作為觀察面71(例如半導(dǎo)體裝置的裝置面)。另外，對于該試料7，SIL 6被配置成在其試料7側(cè)使平面狀的透鏡面粘附在試料7的背面72上。此時(shí)，試料7的折射率為nS，試料7的厚度為tS。該厚度tS是從背面72到SIL 6的作為實(shí)際觀察面的觀察面71的沿光軸Ax的試料7的厚度。
在此種構(gòu)造中，因?yàn)槭菇裹c(diǎn)對準(zhǔn)在試料7的觀察面71上，所以SIL6的沿光軸Ax的厚度為dL＜RL+k×(RL/nL)。另外，有關(guān)于圖3所示，包含沿光軸Ax距離透鏡面60的球心C僅為k×(RL/nL)的下游側(cè)的點(diǎn)且與光軸Ax大致垂直的試料觀察面70(0＜k＜1)，成為試料7的折射率等SIL 6的折射率nL時(shí)的假想的觀察面(從SIL 6的透鏡形狀求得的向上看的觀察面)。
在此處，從SIL 6的頂點(diǎn)到假想的觀察面70的沿光軸Ax的距離為圖7所示的L＝RL+k×(RL/nL)。該距離L對應(yīng)利用SIL 6的透鏡面60的形狀求得的焦點(diǎn)距離。另外，這時(shí)SIL 6的厚度被設(shè)定為可以滿足dL＝L-tS×(nL/nS)。另外，在圖7，以實(shí)線表示通過SIL 6和試料7朝向?qū)嶋H的觀察面71聚焦的光路。另外，以虛線表示試料7的折射率和SIL6相等時(shí)的朝向假想觀察面70聚焦的光路。
在本實(shí)施例的使厚度為dL＝L-tS×(nL/nS)的SIL 6及利用其的試料觀察方法中，使用通過評價(jià)SIL 6產(chǎn)生的幾何學(xué)像差特性所設(shè)定的系數(shù)k，并考慮成為觀察對象的試料7的折射率nS和厚度tS，來設(shè)定SIL 6的透鏡形狀。利用此種方式可以使上述的觀察可用的視野擴(kuò)大，而且可以良好地觀察試料7的所希望的觀察部位。在此處對于系數(shù)k的選擇與圖3所示的實(shí)施例相同。另外，對于厚度tS，在圖7中因?yàn)橐栽嚵?的與SIL 6相反側(cè)的面作為觀察面71，所以試料7的厚度tS可以直接使用，但是當(dāng)觀察面被設(shè)定在試料7的內(nèi)部時(shí)，也可以使至該觀察面的試料的厚度為tS。
圖8表示試料的厚度與SIL的厚度的相關(guān)性的一實(shí)施例的曲線圖。在該圖中，橫軸表示試料7的厚度tS(mm)、縱軸表示SIL 6的厚度dL(mm)。在該圖形中，SIL 6的折射率為nL＝3.1(材質(zhì)GaP)、試料7的折射率為nS＝3.5(材質(zhì)Si)、SIL 6的曲率半徑為RL＝0.5mm。另外，圖形A1表示系數(shù)k＝0.80、A2表示k＝0.60、A3表示k＝0.40、A4表示k＝0.20時(shí)的相關(guān)性。SIL 6的厚度dL對應(yīng)各種材質(zhì)或系數(shù)k的值等，被設(shè)定為如圖8的圖形所示的例子。
其次，檢測上述的固浸透鏡和試料觀察方法的系數(shù)k的設(shè)定。一般在使觀察的視野擴(kuò)大等的情況，系數(shù)k，如上述的k＝0.6的例所示，優(yōu)選為0.5＜k＜0.7的范圍內(nèi)的值。這時(shí)，可以以固浸透鏡產(chǎn)生的像面特性實(shí)質(zhì)上成為平坦的條件進(jìn)行觀察。例如，在使用來自單色激光的激光進(jìn)行觀察時(shí)，色像差不會(huì)有問題，可以以使視野擴(kuò)大的方式設(shè)定系數(shù)k。
另一方面，在必需考慮固浸透鏡的球面像差或色像差時(shí)，系數(shù)k，如上述的k＝0.3的例子，優(yōu)選為0＜k≤0.5的范圍內(nèi)的值。這時(shí)，可以以固浸透鏡產(chǎn)生的球面像差、色像差實(shí)際被減小的條件進(jìn)行觀察。對于此種系數(shù)k的較佳范圍，在圖3所示的構(gòu)造和圖7所示的構(gòu)造。
在此處，圖9A和圖9B表示(A)系數(shù)k較小時(shí)的光的聚焦，以及(B)系數(shù)k較大時(shí)的光的聚焦的側(cè)面圖。如該圖9A和圖9B所示，在將系數(shù)k設(shè)定為較小時(shí)，例如在將k設(shè)定在該0＜k≤0.5的范圍內(nèi)的時(shí)，當(dāng)與系數(shù)k較大的情況相比，從SIL看的光的光路變寬。在此種情況下，組合到SIL的物鏡，優(yōu)選開口數(shù)NA較大的。
圖10表示SIL的系數(shù)k的值與物鏡所需要的開口數(shù)NA的相關(guān)性的一例的曲線圖。在該圖中，橫軸表示以SIL設(shè)定的系數(shù)k，縱軸表示物鏡的開口數(shù)NA。在該圖中，SIL的折射率為nL＝3.5(材質(zhì)Si)。另外，圖形B 1表示使SIL的光軸上的到達(dá)NA為3.0時(shí)的物鏡必要的NA、B2表示使SIL的光軸上的到達(dá)NA為2.5時(shí)的物鏡必要的NA。另外，在該圖中，使與系數(shù)k的值對應(yīng)的SIL的倍率，配合圖B6進(jìn)行表示。
如該圖B1、B2所示，當(dāng)使SIL的到達(dá)NA變大時(shí)，物鏡的必要NA也隨著變大。另外，在SIL的到達(dá)NA為一定時(shí)，如有關(guān)圖9A和圖9B的上述說明，當(dāng)系數(shù)k的值變小時(shí)，物鏡所需要的NA就變大。因此，在設(shè)定SIL的系數(shù)k的值時(shí)，需要考慮到與物鏡的組合。
另外，圖11表示SIL+試料的厚度與SIL的光軸上的到達(dá)NA的相關(guān)性的一例的曲線圖。在該圖中，橫軸表示SIL+試料(Si基板)的從SIL的頂點(diǎn)的厚度(mm)，縱軸表示SIL的光軸上的到達(dá)NA。在該圖中，SIL的曲率半徑為RL＝0.5mm，物鏡的NA為0.76。另外，圖C1表示使SIL的材質(zhì)為Si時(shí)的到達(dá)NA，C2表示使SIL的材質(zhì)為GaP時(shí)的到達(dá)NA。如此，在物鏡的NA為一定時(shí)，隨著SIL+試料的厚度的變大，使到達(dá)NA變大。
實(shí)際上，SIL和物鏡的NA可以依照具體的構(gòu)造適當(dāng)選擇，但是例如使SIL的到達(dá)NA為2.5～3.0左右，使物鏡的NA為0.76左右。另外，物鏡可以使用通常的物鏡，其倍率例如為50倍左右。
另外，當(dāng)將k設(shè)定在上述的0＜k≤0.5的范圍內(nèi)，使色像差減小時(shí)，優(yōu)選構(gòu)建成在物鏡側(cè)可以校正其幾何學(xué)像差特性。該物鏡有用圖12的側(cè)面剖面圖所示的構(gòu)造的物鏡。該物鏡5的透鏡群由沿光軸配置的第一透鏡群51和第二透鏡群52的2個(gè)透鏡群構(gòu)成。利用被設(shè)置在物鏡5的外周部的校正環(huán)(圖中未顯示)的旋轉(zhuǎn)，可以變化該透鏡群51、52的間隔u。通過使用此種構(gòu)造的物鏡5，可以在物鏡5側(cè)校正幾何學(xué)像差特性(例如球面像差)。
另外，在與SIL的組合使用此種具有校正環(huán)的物鏡時(shí)，優(yōu)選將系數(shù)k設(shè)定在SIL的球面像差可以利用物鏡的校正環(huán)校正的范圍。例如在圖12的構(gòu)造的物鏡中，使SIL的折射率為nL＝3.1，曲率半徑為RL＝0.5mm，試料的折射率為nS＝3.5時(shí)，試料的厚度假如為tS＝0.03mm左右，可以以0＜k＜0.4左右的條件利用校正環(huán)校正球面像差，假如為tS＝0.15mm左右，可以以0＜k＜0.2左右的條件進(jìn)行校正。
另外，也可以將系數(shù)k設(shè)定在0.7≤k＜1的范圍內(nèi)。在此種情況，可以與低NA的物鏡組合。但是，因?yàn)樵谕ǔ５奈镧R會(huì)產(chǎn)生大的色像差，所以在單色激光以外的用途，需要使用專門設(shè)計(jì)的物鏡。
產(chǎn)業(yè)上的可利用性本發(fā)明的固浸透鏡(SIL)和使用其的試料觀察方法是使用固浸透鏡可以良好觀察試料的試料觀察方法，和可以作為固浸透鏡而利用。即，將系數(shù)k(0＜k＜1)設(shè)定為可以滿足評價(jià)固浸透鏡所產(chǎn)生的幾何學(xué)像差特性的規(guī)定條件，以包含沿光軸距離固浸透鏡的球面狀的光學(xué)面的球心僅為k×(RL/nL)的下游側(cè)的點(diǎn)且與光軸大致垂直的面，作為試料觀察面的固浸透鏡和觀察方法時(shí)，可以使觀察可用的視野擴(kuò)大，可以使用固浸透鏡良好地觀察試料的像。另外，在考慮到試料的折射率nS和厚度tS的設(shè)定透鏡形狀時(shí)，可以良好地觀察試料的所希望的觀察部位。
權(quán)利要求
1.一種試料觀察方法，其特征在于，利用由折射率nL的材質(zhì)形成的具有曲率半徑RL的球面狀的光學(xué)面的固浸透鏡，設(shè)定系數(shù)k(0＜k＜1)使由所述固浸透鏡產(chǎn)生的幾何學(xué)像差特性滿足規(guī)定的條件，由此將包含沿光軸距離所述光學(xué)面的球心僅為k×(RL/nL)的下游側(cè)的點(diǎn)并與所述光軸大致垂直的面，作為試料觀察面，使用所述固浸透鏡進(jìn)行試料的觀察。
2.如權(quán)利要求1所述的試料觀察方法，其特征在于，所述固浸透鏡，沿所述光軸的厚度為dL＝RL+k×(RL/nL)，所述試料觀察面與所述試料側(cè)的所述固浸透鏡的透鏡面一致。
3.如權(quán)利要求1所述的試料觀察方法，其特征在于，所述固浸透鏡，沿所述光軸的厚度為dL＜RL+k×(RL/nL)，所述試料觀察面是當(dāng)所述試料的折射率與所述固浸透鏡的折射率nL相等時(shí)的假想觀察面，當(dāng)所述試料的折射率為nS，到實(shí)際的觀察面的所述試料的厚度為tS時(shí)，所述固浸透鏡的厚度，相對于從頂點(diǎn)到所述假想觀察面的沿光軸的距離L＝RL+k×(RL/nL)，滿足dL＝L-tS×(nL/nS)。
4.如權(quán)利要求1～3的任一項(xiàng)所述的試料觀察方法，其特征在于，利用將所述固浸透鏡的后側(cè)焦點(diǎn)面作為瞳面的假想光學(xué)系，評價(jià)所述幾何學(xué)像差特性，根據(jù)其評價(jià)結(jié)果設(shè)定所述系數(shù)k。
5.如權(quán)利要求1～4的任一項(xiàng)所述的試料觀察方法，其特征在于，利用弧矢像面、子午像面、或弧矢像面與子午像面的平均像面，對所述固浸透鏡所產(chǎn)生的所述幾何學(xué)像差特性進(jìn)行評價(jià)，根據(jù)其評價(jià)結(jié)果設(shè)定所述系數(shù)k。
6.如權(quán)利要求1～5的任一項(xiàng)所述的試料觀察方法，其特征在于，所述系數(shù)k是0.5＜k＜0.7的范圍內(nèi)的值。
7.如權(quán)利要求1～5的任一項(xiàng)所述的試料觀察方法，其特征在于，所述系數(shù)k是0＜k≤0.5的范圍內(nèi)的值。
8.一種固浸透鏡，其特征在于，由折射率nL的材質(zhì)形成具有曲率半徑RL的球面狀的光學(xué)面，當(dāng)作為觀察對象的試料的折射率等于折射率nL時(shí)，從頂點(diǎn)到假想觀察面的沿光軸的距離，利用使幾何學(xué)像差特性滿足規(guī)定條件而設(shè)定的系數(shù)k(0＜k＜1)，成為L＝RL+k×(RL/nL)，當(dāng)所述試料的折射率為nS，到實(shí)際的觀察面的所述試料的厚度為tS時(shí)，沿所述光軸的厚度滿足dL＝L-tS×(nL/nS)。
9.如權(quán)利要求8所述的固浸透鏡，其特征在于，所述系數(shù)k是0.5＜k＜0.7的范圍內(nèi)的值。
10.如權(quán)利要求8所述的固浸透鏡，其特征在于，所述系數(shù)k是0＜k≤0.5的范圍內(nèi)的值。
全文摘要
使用由折射率n
文檔編號G02B21/02GK1761902SQ20048000755
公開日2006年4月19日 申請日期2004年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月20日
發(fā)明者荒田育男, 寺田浩敏 申請人:浜松光子學(xué)株式會(huì)社