CN109597191A - 检查装置 - Google Patents

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CN109597191A CN201811122124.1A CN201811122124A CN109597191A CN 109597191 A CN109597191 A CN 109597191A CN 201811122124 A CN201811122124 A CN 201811122124A CN 109597191 A CN109597191 A CN 109597191A
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Abstract

本发明的主题在于提供一种能够高速地检查物体表面的三维形状的检查装置。本发明提供的检查装置10具备：线图像传感器20，接收来自物体表面S的光；以及等倍反射型成像光学系统30，使来自物体表面S的光在线图像传感器20上成像。等倍反射型成像光学系统30包含凹面主镜32、凸面副镜34、以及提取平面镜36。来自物体表面S的光束按照凹面主镜32、凸面副镜34、凹面主镜32的顺序被反射后，经由提取平面镜36在线图像传感器20成像。

Description

检查装置
技术领域
本发明涉及一种具备线图像传感器和等倍反射型成像光学系统的检查装置。
背景技术
例如为了检查印刷基板的缺陷，具有下述要求：不仅期望观察印刷基板表面的二维形状，还期望观察印刷基板表面的三维形状。即，具有期望在观察印刷基板表面的二维形状(XY面形状)的同时，观察印刷基板表面的凹凸形状的高度(＝Z轴方向高度)的要求。
通过从正上方观察印刷基板的表面，能够测量该基板表面的二维形状。但是，为了得到Z轴方向的高度信息，需要从斜向观察基板表面的凹凸形状。例如，如果从斜向观察基板表面，则被观察的图像的近前侧宽度变宽，远侧宽度变窄。如果对焦于被观察的图像的中央部，则无法在近前侧和远侧对焦，因此无法在除中央之外的部分处得到清晰的图像。无法对焦于近前侧和远侧的原因是由于在通常的光学系统中将像平面与物体表面相对于光轴垂直配置。为了对焦于包括近前侧和远侧在内的整个表面，需要将像平面相对于光轴倾斜，同时使像平面和物体表面满足向甫鲁(Scheimpflug)条件。此外，为了以相同宽度观察近前侧和远侧，需要使用物体侧和像侧同时达到远心(telecentric)的光学系统。
作为倒装芯片封装技术之一，已知在硅晶圆上形成多个铜柱、且在形成于铜柱顶部的焊珠上连接半导体芯片的技术。伴随半导体芯片的高集成化，硅晶圆上形成的铜柱的微型化也在进步。例如，铜柱的直径达到20-50μm，高度达到30-60μm。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2016-148829号公报
发明内容
发明所要解决的问题
为了检查硅晶圆的缺陷，具有期望观察硅晶圆表面的三维形状的要求。例如，具有期望高速地对在硅晶圆上以高密度形成的铜柱的包括高度、直径、间距等的三维形状进行检查的要求。
本发明的目的在于，提供一种能够高速地检查物体表面的三维形状的检查装置。例如，本发明的目的是，提供一种能够高速地检查在硅晶圆上形成的、直径为20-50μm、高度为30-60μm的铜柱的三维形状的检查装置。
解决问题的手段
用于解决上述课题的本发明是下述发明。
(1)一种检查装置，具备：线图像传感器，接收来自物体表面的光；以及等倍反射型成像光学系统，使来自所述物体表面的光在所述线图像传感器上成像，所述检查装置的特征在于，
所述等倍反射型成像光学系统包括凹面主镜、凸面副镜、以及提取平面镜，所述等倍反射型成像光学系统构成为使来自所述物体表面的光的光束按照所述凹面主镜、所述凸面副镜、所述凹面主镜的顺序反射后，经由所述提取平面镜在所述线图像传感器上成像。
(2)根据权利要求1所述的检查装置，其中，所述检查装置具备：
第一倾斜单元，能够使从所述物体表面朝向所述凹面主镜的光轴与所述物体表面的垂线所成的角度α变化；以及
第二倾斜单元，能够使从所述提取平面镜朝向所述线图像传感器的光轴与所述线图像传感器的受光面的垂线所成的角度β变化。
(3)根据上述(2)所述的检查装置，其中，所述检查装置具备控制单元，所述控制单元对所述第一倾斜单元和所述第二倾斜单元进行控制，
所述控制单元控制所述第一倾斜单元和所述第二倾斜单元以使所述角度α与所述角度β相等。
(4)根据上述(2)或(3)所述的检查装置，其中，所述第一倾斜单元能够使所述角度α在0度～70度的范围内变化，
所述第二倾斜单元能够使所述角度β在0度～70度的范围内变化。发明效果
根据本发明，能够提供一种能够高速地检查物体表面的三维形状的检查装置。
附图说明
图1是以X轴为旋转轴旋转-60°、0°、+45°的状态下的检查装置的主视图。
图2是以X轴为旋转轴旋转0°的状态下的检查装置的侧视图。
图3是以X轴为旋转轴旋转-60°、0°、+45°的状态下的现有的检查装置的主视图。
图4是以X轴为旋转轴旋转0°的状态下的现有的检查装置的侧视图。
图5示出检查装置以X轴为中心旋转-60°时的MTF值。
图6示出检查装置以X轴为中心旋转0°时的MTF值。
图7示出检查装置以X轴为中心旋转+45°时的MTF值。
图8示出现有的检查装置以X轴为中心旋转-60°时的MTF值。
图9示出现有的检查装置以X轴为中心旋转0°时的MTF值。
图10示出现有的检查装置以X轴为中心旋转+45°时的MTF值。
图11示出通过本实施方式的检查装置的62mm的线图像传感器对12英寸(＝300mm)的硅晶圆的整个表面进行5次扫描的过程。
图12示出通过现有的检查装置的24.6mm×24.6mm的区域图像传感器对12英寸(＝300mm)的硅晶圆的整个表面依次进行132次拍摄的过程。
具体实施方式
以下，针对本发明的实施方式，参照附图并详细说明。
图1是以X轴为旋转轴旋转-60°、0°、+45°的状态下的检查装置的主视图。图2是以X轴为旋转轴旋转0°的状态下的检查装置的侧视图。
如图1、2所示那样，本实施方式的检查装置10具备：线图像传感器20和成像光学系统30，所述线图像传感器用于接收来自物体表面S的光，所述成像光学系统用于使来自物体表面S的光在线图像传感器20的受光面上成像。成像光学系统30由作为等倍反射型成像光学系统之一的奥夫纳(Offner)光学系统构成。成像光学系统30由远心光学系统构成。
本实施方式的检查装置10还可以具备用于向物体表面S照射光的未图示的照明光学系统。照明光学系统可以与成像光学系统30一起由远心光学系统构成。作为照明光学系统，能够使用例如日本特开2013-174844号公报中公开的柯勒照明系统。
成为检查的对象的物体表面S例如为硅晶圆的表面，并没有特别限制。在硅晶圆的表面上例如形成有直径为20-50μm、高度为30-60μm的铜柱。在铜柱的顶部形成有用于将半导体芯片进行倒装芯片连接的焊珠。
如图1、2所示那样，成像光学系统30具备由凹面镜构成的主镜32、由凸面镜构成的副镜34、和提取平面镜36。来自物体表面S的光束按照主镜32、副镜34、主镜32、提取平面镜36的顺序被反射后，在线图像传感器20的受光面上成像。物体表面S与线图像传感器20的受光面在奥夫纳光学系统中形成等倍共轭的关系。副镜34形成光学系统的光瞳。
来自物体表面S的反射光在线图像传感器20的受光面上成像。作为线图像传感器20，能够使用例如二维CCD等固体拍摄元件。
作为线图像传感器20，能够使用例如由5μm×5μm的受光元件沿X方向呈线状排列12000个而得到的二维CCD。此时，受光面的长度达到60mm。此外，为了减少噪声信号，作为线图像传感器20，能够使用例如由5μm×5μm的受光元件沿X方向排列12000个、且沿Y方向排列200列而得到的二维CCD。此时，受光面的长度达到60mm，宽度达到1mm。还能够使用更微型的受光元件，例如由3.5μm×3.5μm的受光元件呈线状排列而成的二维CCD。
如图1、2所示那样，从物体表面S朝向凹面主镜32的光的光束形成远心。由主镜32反射的光被兼具光圈作用的凸面副镜34反射。被副镜34反射的光再次被凹面主镜32反射而形成远心。被主镜32反射而形成远心的光被提取平面镜36反射，以等倍的方式在线图像传感器20的受光面上成像。
如图1、2所示那样，本实施方式的检查装置10使用具有64mm×2mm的受光面的线图像传感器20。
在等倍反射型成像光学系统30中，根据凸面副镜34和提取平面镜36的干涉情况而决定NA的数值。
如图1、2所示那样，在本实施方式的检查装置10中，线图像传感器20的宽度较小(＝2mm)，因此光轴与主光线轴的偏移量较小(＝22mm)。因此，在本实施方式的检查装置10中NA＝0.065，NA的值较大。这样一来，根据本实施方式的检查装置10，能够在例如至NA＝0.065之内维持无像差。
针对现有的检查装置进行说明。
图3是以X轴为旋转轴旋转-60°、0°、+45°的状态下的现有的检查装置的主视图。图4是以X轴为旋转轴旋转0°的状态下的现有的检查装置的侧视图。
如图3、4所示那样，现有的检查装置100使用具有24.6mm×24.6mm的受光面的区域图像传感器120。
现有的检查装置100的区域图像传感器120的宽度较大(＝24.6mm)，因此光轴与主光线轴的偏移量较大(＝30mm)。因此，在现有的检查装置100中NA＝0.04，与本实施方式的检查装置10相比NA的值变小。
在本实施方式的检查装置10中例如NA＝0.065，主波长＝0.546μm。此时，根据阿贝(Abbe)的理论解像力公式，
解像力＝波长/(2×NA)＝0.546μm/(2×0.065)＝4.2μmL&S
1000μm/(4.2μm×2)＝120LP/mm
在现有的检查装置100中例如NA＝0.04，主波长＝0.546μm。此时，根据阿贝(Abbe)的理论解像力公式，
解像力＝波长/(2×NA)＝0.546μm/(2×0.04)＝6.83μmL&S
1000μm/(6.83μm×2)＝73LP/mm
本实施方式的检查装置10使用具有64mm×2mm的受光面的线图像传感器20，因此能够得到4.2μmL&S的解像力。
与此相对地，现有的检查装置100使用24.6mm×24.6mm的区域图像传感器120，仅达到6.83μmL&S的解像力。
如图1的中央所示那样，检查装置10在以X轴为中心旋转0°的状态下，在YZ平面内，物体表面S的垂线N1与从物体表面S朝向主镜32的光轴L1一致(α＝0°)。此外，线图像传感器20的垂线N2与从提取平面镜36朝向线图像传感器20的光轴L2一致(β＝0°)。
如图1的右侧所示那样，检查装置10在以X轴为中心旋转+45°的状态下，在YZ平面内，物体表面S的垂线N1相对于从物体表面S朝向主镜32的光轴L1倾斜45°(α1＝45°)。此外，线图像传感器20的垂线N2相对于从提取平面镜36朝向线图像传感器20的光轴L2倾斜45°(β1＝45°)。
如图1的左侧所示那样，检查装置10在以X轴为中心旋转-60°的状态下，在YZ平面内，物体表面S的垂线N1相对于从物体表面S朝向主镜32的光轴L1倾斜-60°(α2＝-60°)。此外，线图像传感器20的垂线N2相对于从提取平面镜36朝向线图像传感器20的光轴L2倾斜-60°(β2＝-60°)。
如以上说明那样，本实施方式的检查装置10能够以X轴为中心旋转。即，在成为检查对象的物体表面S位于XY二维平面内时，能够将容纳主镜32、副镜34、和提取平面镜36的镜筒以X轴为中心旋转驱动。此外，能够以与镜筒的旋转角度相匹配的方式旋转驱动例如由CCD拍摄元件构成的线图像传感器20。由此，能够对检查装置10的各部分进行旋转驱动，以使得物体表面S与线图像传感器20的受光面满足向甫鲁(Scheimpflug)的条件。根据本实施方式的检查装置10，即使在从斜向观察物体表面S的情况下，也能够对焦于物体表面S的整个表面。
本实施方式的检查装置10可以具备用于容纳主镜32、副镜34、和提取平面镜36的未图示的镜筒。检查装置10可以具备用于旋转驱动镜筒的单元。作为驱动单元，能够使用例如步进电机或者伺服电机。用于旋转驱动镜筒的单元对应于本发明的“第一倾斜单元”。
本实施方式的检查装置10可以具备用于对例如由CCD拍摄元件构成的线图像传感器20进行旋转驱动的单元。作为驱动单元，能够使用例如步进电机或者伺服电机。用于旋转驱动线图像传感器20的单元对应于本发明的“第二倾斜单元”。
检查装置10可以具备控制单元，该控制单元用于分别对用于旋转驱动镜筒的单元(第一倾斜单元)和用于旋转驱动线图像传感器20的单元(第二倾斜单元)进行控制。该控制单元通过分别控制第一倾斜单元和第二倾斜单元，能够分别控制镜筒和线图像传感器20的旋转角度。该控制单元例如由个人电脑构成。第一倾斜单元与控制单元电连接。第二倾斜单元与控制单元电连接。在控制单元上优选安装用于分别控制第一倾斜单元和第二控制单元的软件。
第一倾斜单元能够使容纳主镜32、副镜34、和提取平面镜36的未图示的镜筒旋转。通过使镜筒旋转，能够使从物体表面S朝向凹面主镜32的光轴L1与物体表面S的垂线N1所成的角度α变化。第一倾斜单元优选能够使角度α在0°～70°的范围内变化。
第二倾斜单元通过使线图像传感器20旋转，能够使从提取平面镜36朝向线图像传感器20的受光面的光轴L2与线图像传感器20的受光面的垂线N2所成的角度β变化。第二倾斜单元优选能够使角度β在0°～70°的范围内变化。
控制单元能够分别控制第一倾斜单元和第二倾斜单元以使角度α与角度β达到相等。即，能够分别控制光轴相对于物体表面S的倾斜角度、以及光轴相对于受光面的倾斜角度，以使得物体表面S与线图像传感器20的受光面满足向甫鲁(Scheimpflug)的条件。由此，即使在从例如倾斜60°的方向观察物体表面S的情况下，也能够对焦于物体表面S的整个表面。
图5～图7的图示出来自物体表面S的光束通过等倍反射型成像光学系统30而成像于像平面时的对比度的计算结果。在图5～图7的图中，横轴为LP/mm，纵轴为MTF值。各图示出来自下述【表1】所示的9个坐标的光束成像时的对比度。将主波长设为546nm，以546nm,436nm,486nm,579nm,656nm这5个波长来计算解像力(MTF)。
【表1】
图5示出检查装置10以X轴为中心旋转-60°时的MTF值。
如图5所示那样，在检查装置10的旋转角度为-60°时，100LP/mm(5μmL&S)下的MTF值在X方向(子午(tangential)方向)上为47％，在Z方向(弧矢(sagittal)方向)上为10％。
图6示出检查装置10以X轴为中心旋转0°时的MTF值。
如图6所示那样，在检查装置10的旋转角度为0°时，100LP/mm下的MTF值为47％。物体表面和像平面均相对于光轴垂直，因此在子午方向和弧矢方向上MTF值没有差异。
图7示出检查装置10以X轴为中心旋转+45°时的MTF值。
如图7所示那样，在检查装置10的旋转角度为+45°时，100LP/mm下的MTF值在X方向(子午方向)上为47％，在Z方向(弧矢方向)上为29％。
图8～图10的图示出来自物体表面S的光束通过现有的检查装置100而成像于像平面时的对比度的计算结果。在图8～图10的图中，横轴为LP/mm，纵轴为MTF值。各图示出来自下述【表2】所示的9个坐标的光束成像时的对比度。将主波长设为546nm，以546nm,436nm,486nm,579nm,656nm这5个波长来计算解像力(MTF)。
【表2】
图8示出现有的检查装置100以X轴为中心旋转-60°时的MTF值。
如图8所示那样，在现有的检查装置100的旋转角度为-60°时，100LP/mm下的MTF值在X方向(子午方向)上为20％，在Z方向(弧矢方向)上为0％。60LP/mm下的MTF值在X方向(子午方向)上为47％，在Z方向(弧矢方向)上为10％。
图9示出现有的检查装置100以X轴为中心旋转0°时的MTF值。
如图9所示那样，在现有的检查装置100的旋转角度为0°时，100LP/mm下的MTF值为20％。物体表面和像平面均相对于光轴垂直，因此在子午方向和弧矢方向上MTF值没有差异。
图10示出现有的检查装置100以X轴为中心旋转+45°时的MTF值。
如图10所示那样，在现有的检查装置100的旋转角度为+45°时，100LP/mm下的MTF值在X方向(子午方向)上为20％，在Z方向(弧矢方向)上为3％。60LP/mm下的MTF值在X方向(子午方向)上为47％，在Z方向(弧矢方向)上为29％。
如由图5～图7的图可知，根据本实施方式的检查装置10，即使在旋转角度为-60°、+45°的情况下，也能够得到高MTF值。例如，100LP/mm下MTF值为47％。
如由图8～图10的图可知，根据现有的检查装置100，无法得到高MTF值。例如在100LP/mm下MTF值为20％。为了得到与本实施方式的检查装置10同等的MTF值47％，需要将横轴的数值从100LP/mm降低至60LP/mm。
由于现有的检查装置100的NA值低至0.04，因此解像力的极限为例如8.3μm。
根据本实施方式的检查装置10，在旋转角度为+45°的情况下，100LP/mm、Z方向(弧矢方向)上的MTF值为约30％。
因此，根据本实施方式的检查装置10，能够容易地得到能够应用图像处理软件的对比度。
100LP/mm＝5μmL&S。线图像传感器的受光元件的尺寸例如为5μm×5μm。
因此，根据本实施方式的检查装置10，能够进行5μm的解像力下的三维形状的检查。
根据现有的检查装置100，60LP/mm下的解像力为8.3μm。
因此，根据现有的检查装置100，即使在使用具有5μm×5μm的尺寸的受光元件的情况下，也只能进行8.3μm的解像力下的三维形状的检查。
图11示出通过本实施方式的检查装置10的62mm线图像传感器对12英寸(＝300mm)的硅晶圆的整个表面进行5次扫描的过程。
图12示出通过现有的检查装置100的24.6mm×24.6mm区域图像传感器对12英寸(＝300mm)的硅晶圆的整个表面依次进行132次拍摄的过程。
虽然根据与等倍反射型成像光学系统组合的台的活动而不同，但在使用本实施方式的62mm线图像传感器的情况下，与使用现有的24.6mm×24.6mm区域图像传感器的情况相比，得到了特别快的检查速度(throughput)。
进一步，在使用由5μm×5μm的受光元件沿X方向排列12000个(长度60mm)、且沿Y方向排列200列(宽度1mm)而得到的线图像传感器的情况下，减少了噪声，因此能够进行更高的解像力下的检查。例如，能够将3.5μm的受光元件应用于线图像传感器。此时，也能够进行解像力3.5μm下的检查。
标号说明
10 检查装置
20 线图像传感器
30 等倍反射型成像光学系统
32 凹面主镜
34 凸面副镜
36 提取平面镜
L1、L2 光轴
N1、N2 垂线
S 物体表面

Claims (4)

1.一种检查装置，具备：线图像传感器，接收来自物体表面的光；以及等倍反射型成像光学系统，使来自所述物体表面的光在所述线图像传感器上成像，
所述检查装置的特征在于，
所述等倍反射型成像光学系统包括凹面主镜、凸面副镜、以及提取平面镜，所述等倍反射型成像光学系统构成为使来自所述物体表面的光的光束按照所述凹面主镜、所述凸面副镜、所述凹面主镜的顺序反射后，经由所述提取平面镜在所述线图像传感器上成像。
2.根据权利要求1所述的检查装置，其中，所述检查装置具备：
第一倾斜单元，能够使从所述物体表面朝向所述凹面主镜的光轴与所述物体表面的垂线所成的角度α变化；以及
第二倾斜单元，能够使从所述提取平面镜朝向所述线图像传感器的光轴与所述线图像传感器的受光面的垂线所成的角度β变化。
3.根据权利要求2所述的检查装置，其中，所述检查装置具备控制单元，所述控制单元对所述第一倾斜单元和所述第二倾斜单元进行控制，
所述控制单元控制所述第一倾斜单元和所述第二倾斜单元以使所述角度α与所述角度β相等。
4.根据权利要求2或3所述的检查装置，其中，所述第一倾斜单元能够使所述角度α在0度～70度的范围内变化，
所述第二倾斜单元能够使所述角度β在0度～70度的范围内变化。
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