JP2000310518A - Three-dimensional shape measuring device - Google Patents

Three-dimensional shape measuring device

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JP2000310518A
JP2000310518A JP11119993A JP11999399A JP2000310518A JP 2000310518 A JP2000310518 A JP 2000310518A JP 11119993 A JP11119993 A JP 11119993A JP 11999399 A JP11999399 A JP 11999399A JP 2000310518 A JP2000310518 A JP 2000310518A
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light beam
shape measuring
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上原靖弘
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To enable the high-speed measurement of the three-dimensional shape of a sample. SOLUTION: A three-dimensional shape measuring device is provided with a light source 1 to generate low-coherence illuminating light, a light pencil dividing means 6 to divide the illuminating light into a reference light pencil incident onto a reference surface 11 and a light pencil for measurement incident onto a sample 7, an illuminating optical system 5 to converge the illuminating light onto the sample 7, a light pencil synthesizing means 6 to synthesize the reference light pencil and the light pencil for measurement, a means to move the sample 7 orthogonally to the optical axis of the illuminating optical system 5, a means to detect the location of the sample 7 in a plane orthogonal to the optical axis of the illuminating optical system 5, a means to detect the difference of length between the optical paths of the reference optical pencil and the light pencil for measurement, a light detecting means 14, and a signal computing means 15 to compute a signal detected by the light detecting means 14. With the sample 7 in a sate of moving orthogonally to the optical axis of the illuminating optical system 5, the three-dimensional shape measuring device detects a signal by the light detecting means 14.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、3次元形状測定装
置に関し、特に、光を用いて試料の表面形状を観察する
3次元形状測定装置に関するものである。
The present invention relates to a three-dimensional shape measuring device, and more particularly to a three-dimensional shape measuring device for observing the surface shape of a sample using light.

【0002】[0002]

【従来の技術】技術の進展に伴い試料の微細化が進行
し、3次元形状測定において高速化、高精度化は益々必
要とされている。半導体分野においても、試料の微細化
は進行しており、微細化に対応した技術として、表面実
装型LSIパッケージ(BGA:ボールグリッドアレ
イ、CSP:チップスケールパッケージ等)が注目され
ている。
2. Description of the Related Art With the advance of technology, the miniaturization of samples has progressed, and higher speed and higher accuracy are required in three-dimensional shape measurement. In the field of semiconductors as well, the miniaturization of samples has been progressing, and surface-mount LSI packages (BGA: ball grid array, CSP: chip scale package, etc.) have attracted attention as a technology corresponding to miniaturization.

【0003】試料を高精度に測定する方法として、白色
干渉計や共焦点顕微鏡等が知られている。白色干渉計
は、例えば特公平6−1167号に示されているよう
に、コヒーレンスの低い光を用いて試料と参照面との光
路長差を変化させながら多数の測定を行い、干渉強度が
最大になった点を表面と検出するものである。
As a method for measuring a sample with high accuracy, a white interferometer, a confocal microscope, and the like are known. The white interferometer performs a large number of measurements while changing the optical path length difference between the sample and the reference surface using light with low coherence, as shown in Japanese Patent Publication No. Is detected as a surface.

【0004】また、白色干渉計による測定の高速化のた
めの改良例が、例えば特開平8−219722号に示さ
れている。これは、バンプが形成されている試料に対し
て高さ方向で異なる2箇所の断層像を得て、その結果か
らバンプ高さの合否判定を行うものである。
An improved example for speeding up the measurement by a white light interferometer is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 8-219722. In this method, two different tomographic images in the height direction are obtained with respect to a sample on which bumps are formed, and the pass / fail judgment of the bump height is performed based on the obtained results.

【0005】また、3次元形状の高精度な測定方法とし
て、共焦点顕微鏡がある。共焦点顕微鏡は公知の技術で
あるが、その高速化のための改良例が、例えば特開平7
−311025号に示されている。測定系とは別に2次
元撮像手段を用意し、その画像から測定すべき領域を抽
出する。これにより測定領域を限定することができ、測
定時間を短縮できる。
There is a confocal microscope as a method for measuring a three-dimensional shape with high accuracy. The confocal microscope is a known technique.
No. -311025. A two-dimensional imaging unit is prepared separately from the measurement system, and an area to be measured is extracted from the image. As a result, the measurement area can be limited, and the measurement time can be reduced.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】白色干渉計により試料
の3次元形状を測定するためには、光軸方向の異なる高
さにおいて測定を多数回行い、その結果から表面形状を
算出するために、多大な時間がかかるという問題点があ
る。
In order to measure the three-dimensional shape of a sample using a white light interferometer, measurement is performed many times at different heights in the optical axis direction, and the surface shape is calculated from the results. There is a problem that it takes a lot of time.

【0007】また、その結果得られる形状は光学系の視
野の範囲に限られるため、大型試料を測定するために
は、試料を移動させた後に測定することを繰り返す必要
があったため、大型試料全面の全数検査に用いるには、
測定のスループットが低すぎるという問題点があった。
Further, since the shape obtained as a result is limited to the range of the field of view of the optical system, it has been necessary to repeat the measurement after moving the sample in order to measure a large sample. To use for 100% inspection of
There is a problem that the measurement throughput is too low.

【0008】その対策として、高さ方向で異なる2回の
走査結果を用いる方法が特開平8−219722号で提
案されているが、同一箇所を2回走査する必要があり、
測定時間短縮の妨げになるという問題がある。さらに、
1回目と2回目の走査の間には、ステージの精度に起因
した位置決め誤差が発生する。
As a countermeasure, a method using two different scanning results in the height direction has been proposed in Japanese Patent Laid-Open No. 8-219722, but it is necessary to scan the same portion twice.
There is a problem that the measurement time is not shortened. further,
Between the first scan and the second scan, a positioning error occurs due to the accuracy of the stage.

【0009】共焦点顕微鏡においても、同一箇所で高さ
の異なる複数の測定を行う必要があり、測定時間が長大
になるという問題点がある。この問題を解決するため
に、測定系とは別に2次元撮像手段を用意して、測定領
域を限定する方法が特開平7−311025号で提案さ
れているが、この方法においても、試料の移動、停止と
いう制御が必要になり、特に大型試料の場合、それを高
速に行うことは困難であり、測定時間の短縮の妨げにな
る。
In a confocal microscope also, it is necessary to perform a plurality of measurements at different heights at the same location, and there is a problem that the measurement time becomes long. In order to solve this problem, a method of preparing a two-dimensional imaging means separately from the measurement system and limiting the measurement area has been proposed in Japanese Patent Laid-Open No. Hei 7-311025. In particular, in the case of a large sample, it is difficult to perform the control at a high speed, which hinders a reduction in measurement time.

【0010】本発明は上記の問題点に着目してなされた
ものであり、その目的は、試料の3次元形状を高精度で
高速に測定することを可能にする3次元形状測定装置を
提供することにある。
The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a three-dimensional shape measuring apparatus capable of measuring a three-dimensional shape of a sample with high accuracy and at high speed. It is in.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の第1の3次元形状測定装置は、コヒーレンスの低い
照明光を発生させる光源と、照明光を参照面に入射する
参照光束と試料に入射する測定用光束とに分割する光束
分割手段と、測定用光束を試料に集光させる照明光学系
と、参照光束と測定用光束とを合成する光束合成手段
と、試料を照明光学系の光軸に対して垂直な方向に移動
させる手段と、試料の照明光学系の光軸に対して垂直な
面内での位置又はそれと等価な量を検出する手段と、参
照光束と測定用光束の光路長差、又は、その光路長差と
等価な量を検出する手段と、光検出手段と、光検出手段
で検出した信号を演算する信号演算手段とを有し、試料
が照明光学系の光軸に対して垂直な方向に移動している
状態で、光検出手段により信号を検出することを特徴と
するものである。
A first three-dimensional shape measuring apparatus according to the present invention, which achieves the above object, comprises: a light source for generating illumination light having low coherence; a reference light beam for projecting the illumination light to a reference surface; A light beam splitting means for splitting the measurement light beam incident on the sample, an illumination optical system for condensing the measurement light beam on the sample, a light beam combining device for synthesizing the reference light beam and the measurement light beam, and an illumination optical system for the sample. Means for moving the sample in a direction perpendicular to the optical axis, means for detecting the position of the sample in a plane perpendicular to the optical axis of the illumination optical system or an equivalent amount thereof, An optical path length difference, or a unit for detecting an amount equivalent to the optical path length difference; a light detection unit; and a signal calculation unit for calculating a signal detected by the light detection unit. While moving in the direction perpendicular to the axis, It is characterized in that to detect the more signals.

【0012】この3次元形状測定装置においては、試料
が照明光学系の光軸に対して垂直な方向に移動している
状態で測定を行うため、停止、移動といった制御を行う
必要がなく、白色干渉測定ができるため、高速高精度測
定が可能になる。
In this three-dimensional shape measuring apparatus, since the measurement is performed while the sample is moving in the direction perpendicular to the optical axis of the illumination optical system, there is no need to perform control such as stopping and moving, and the white Since interference measurement can be performed, high-speed and high-precision measurement can be performed.

【0013】本発明の第2の3次元形状測定装置は、第
1の3次元形状測定装置において、信号演算手段が、閾
値を設定する手段と、光検出手段からの信号と閾値を比
較する手段と、閾値を越えた信号が発生した場合、その
時点での光路長差と試料の照明光学系の光軸に対して垂
直な面内での位置とを記憶させる手段と、記憶手段の情
報から試料の形状を演算する手段とを有することを特徴
とするものである。
According to a second three-dimensional shape measuring device of the present invention, in the first three-dimensional shape measuring device, the signal calculating means is means for setting a threshold value, and means for comparing a signal from the light detecting means with the threshold value. And when a signal exceeding the threshold value is generated, means for storing the optical path length difference at that time and the position of the sample in a plane perpendicular to the optical axis of the illumination optical system, and information from the storage means Means for calculating the shape of the sample.

【0014】コヒーレンスの低い光源を用いた干渉測定
では、参照面と試料表面との光路長差が0になった近傍
でのみ干渉強度の変化が観測される。そこで、この3次
元形状測定装置においては、光検出手段からの信号が一
定値以上になった点のみで信号処理をすれば、試料の表
面形状を算出することができる。
In the interference measurement using a light source with low coherence, a change in the interference intensity is observed only in the vicinity where the optical path length difference between the reference surface and the sample surface becomes zero. Therefore, in this three-dimensional shape measuring apparatus, the surface shape of the sample can be calculated by performing signal processing only at points where the signal from the light detecting means has reached a certain value or more.

【0015】本発明の第3の3次元形状測定装置は、第
1又は第2の3次元形状測定装置において、光検出手段
が1次元ラインセンサであることを特徴とするものであ
る。
A third three-dimensional shape measuring apparatus according to the present invention is characterized in that, in the first or second three-dimensional shape measuring apparatus, the light detecting means is a one-dimensional line sensor.

【0016】本発明の第4の3次元形状測定装置は、第
3の3次元形状測定装置において、1次元ラインセンサ
が1次元CCDであることを特徴とするものである。
According to a fourth three-dimensional shape measuring apparatus of the present invention, the one-dimensional line sensor is a one-dimensional CCD in the third three-dimensional shape measuring apparatus.

【0017】これらの3次元形状測定装置においては、
光検出手段が1次元ラインセンサであるので、2次元型
センサを用いる場合に比べて、全画素から出力を読み出
すのに必要な時間が短くなるので、試料の移動速度を高
くすることができ、高速測定への対応が可能になる。
In these three-dimensional shape measuring devices,
Since the light detecting means is a one-dimensional line sensor, the time required to read outputs from all pixels is shorter than when a two-dimensional sensor is used, so that the moving speed of the sample can be increased, It is possible to respond to high-speed measurement.

【0018】本発明の第5の3次元形状測定装置は、第
1の3次元形状測定装置から第4の3次元形状測定装置
の何れかにおいて、参照光束と測定用光束の光路長差を
周期的に変化させる手段を有することを特徴とするもの
である。
According to a fifth three-dimensional shape measuring apparatus of the present invention, in any one of the first three-dimensional shape measuring apparatus to the fourth three-dimensional shape measuring apparatus, the optical path length difference between the reference light beam and the measuring light beam is periodically calculated. It is characterized in that it has a means for dynamically changing.

【0019】レーザによる干渉測定は光の波長という微
小な量が基準となるため、極めて高精度の変位測定が可
能になる。しかし、レーザは可干渉距離が長いために、
試料の絶対的な位置を一義的に決定するためには付加的
な手法が必要になってくる。一方、白色光等の低コヒー
レンス光を用いた干渉測定では、図6に光路長差と干渉
強度の関係を示すように、可干渉距離が短くなり、参照
面と試料との光路長差が0になる位置で干渉強度が最大
になり、そこからずれるに従って急激に強度変化が小さ
くなっていく。したがって、干渉縞の強度が最大になっ
たときの参照面の位置から試料の位置を算出することが
できる。
Since the interference measurement by the laser is based on a minute amount called the wavelength of light, the displacement can be measured with extremely high accuracy. However, lasers have a long coherence length,
Additional methods are needed to uniquely determine the absolute position of the sample. On the other hand, in the interference measurement using low coherence light such as white light, as shown in FIG. 6, the relationship between the optical path length difference and the interference intensity indicates that the coherent distance is short and the optical path length difference between the reference surface and the sample is zero. , The interference intensity becomes maximum, and the intensity change rapidly decreases as the position deviates therefrom. Therefore, the position of the sample can be calculated from the position of the reference surface when the intensity of the interference fringes is maximized.

【0020】参照光束と測定用光束の光路長差を一定の
値にしたまま、試料を移動させると、試料の特定の高さ
に関する情報しか得られない。参照光束と測定用光束の
光路長差をこの3次元形状測定装置のように周期的に変
化させることにより、光路長差の変化に対応した高さ方
向の範囲の情報が得られるようになる。
When the sample is moved with the optical path length difference between the reference light beam and the measurement light beam kept at a constant value, only information on a specific height of the sample can be obtained. By periodically changing the optical path length difference between the reference light beam and the measuring light beam as in this three-dimensional shape measuring apparatus, information on the range in the height direction corresponding to the change in the optical path length difference can be obtained.

【0021】本発明の第6の3次元形状測定装置は、第
5の3次元形状測定装置において、参照光束と測定用光
束との光路長差を周期的に変化させる手段において、光
路長を変化させる周期が可変であることを特徴とするも
のである。
According to a sixth three-dimensional shape measuring apparatus of the present invention, in the fifth three-dimensional shape measuring apparatus, the means for periodically changing the optical path length difference between the reference light beam and the measuring light beam changes the optical path length. It is characterized by the fact that the period to be changed is variable.

【0022】この3次元形状測定装置においては、光路
長差を変化させる周期を可変としたので、例えば表面形
状が激しい変化を示す試料に対しては、光路長を変化さ
せる周期を短くし、表面が緩やかな形状変化を示す試料
に対しては光路長を変化させる周期を長くするというよ
うに、試料に応じた最適な条件での測定が可能になる。
In this three-dimensional shape measuring apparatus, the period for changing the optical path length difference is made variable. For example, for a sample whose surface shape changes drastically, the period for changing the optical path length is shortened, and For a sample that shows a gradual change in shape, measurement can be performed under optimal conditions according to the sample, such as by increasing the period of changing the optical path length.

【0023】あるいは、一つの試料の中においても、形
状変化が激しい場所では短く、ゆるやかな場所では長く
というように、場所により周期を変化させることがで
き、試料全面で最適な条件で測定が可能になる。
Alternatively, even in a single sample, the period can be changed depending on the location, such as short in a place where the shape change is drastic, and long in a gentle place, so that measurement can be performed under optimum conditions over the entire sample. become.

【0024】本発明の第7の3次元形状測定装置は、第
5の3次元形状測定装置又は第6の3次元形状測定装置
において、参照光束と測定用光束との光路長差を周期的
に変化させる手段が、参照面を光軸方向に変位させる機
構を有することを特徴とするものである。
According to a seventh three-dimensional shape measuring apparatus of the present invention, in the fifth three-dimensional shape measuring apparatus or the sixth three-dimensional shape measuring apparatus, the optical path length difference between the reference light beam and the measuring light beam is periodically determined. The changing means has a mechanism for displacing the reference surface in the optical axis direction.

【0025】この3次元形状測定装置においては、一定
方向に移動させて測定される試料に対し、参照面は試料
よりも小型なもので対応できるため、参照光束と測定用
光束との光路長差を周期的に変化させる手段として、試
料を変位させる場合に比べて、走査機構が簡単なもので
すむ。
In this three-dimensional shape measuring apparatus, since the reference surface can be made smaller than the sample by moving the sample in a certain direction and measured, the difference in optical path length between the reference light beam and the measuring light beam is obtained. As a means for periodically changing, the scanning mechanism is simpler than when the sample is displaced.

【0026】本発明の第8の3次元形状測定装置は、第
7の3次元形状測定装置において、参照光束と測定用光
束の光路長差、又は、その光路長差と等価な量を検出す
る手段が、参照面の光軸方向の変位を検出する手段を有
することを特徴とするものである。
According to an eighth three-dimensional shape measuring apparatus of the present invention, in the seventh three-dimensional shape measuring apparatus, an optical path length difference between the reference light beam and the measuring light beam or an amount equivalent to the optical path length difference is detected. The means has means for detecting displacement of the reference surface in the optical axis direction.

【0027】この3次元形状測定装置においては、参照
光束と測定用光束の光路長差、又は、その光路長差と等
価な量を検出する手段が、参照面の光軸方向の変位を検
出する手段であるので、参照面の変位という光路長に直
接対応する量を検出することができるため、測定結果の
処理が簡便になる。
In this three-dimensional shape measuring apparatus, the means for detecting the optical path length difference between the reference light beam and the measuring light beam, or the amount equivalent to the optical path length difference, detects the displacement of the reference surface in the optical axis direction. Since this is a means, it is possible to detect the amount of displacement of the reference plane directly corresponding to the optical path length, so that the processing of the measurement results is simplified.

【0028】本発明の第9の3次元形状測定装置は、第
8の3次元形状測定装置において、参照面の光軸方向の
変位を検出する手段がレーザ測長器であることを特徴と
するものである。
According to a ninth three-dimensional shape measuring apparatus of the present invention, in the eighth three-dimensional shape measuring apparatus, the means for detecting the displacement of the reference surface in the optical axis direction is a laser length measuring device. Things.

【0029】この3次元形状測定装置においては、参照
面の光軸方向の変位を検出する手段がレーザ測長器であ
るので、変位を高精度に測定することが可能になる。
In this three-dimensional shape measuring apparatus, since the means for detecting the displacement of the reference surface in the optical axis direction is a laser length measuring device, the displacement can be measured with high accuracy.

【0030】本発明の第10の3次元形状測定装置は、
第7の3次元形状測定装置において、参照面を光軸方向
に変位させる機構が、ピエゾアクチュエータであり、参
照光束と測定用光束の光路長差、又は、その光路長差と
等価な量を検出する手段が、ピエゾアクチュエータの駆
動電圧を検出する手段を有することを特徴とするもので
ある。
[0030] The tenth three-dimensional shape measuring apparatus of the present invention comprises:
In the seventh three-dimensional shape measuring apparatus, a mechanism for displacing the reference surface in the optical axis direction is a piezo actuator, and detects a difference in optical path length between the reference light beam and the measuring light beam, or an amount equivalent to the optical path length difference. Means for detecting the driving voltage of the piezo actuator.

【0031】この3次元形状測定装置においては、ピエ
ゾアクチュエータの駆動電圧という電気量を測定するこ
とにより、参照光束と測定用光束の光路長差と等価な量
を検出することができるので、測定が簡単であり、ま
た、光路長差の変化する周波数が高くなっても測定が容
易である。
In this three-dimensional shape measuring apparatus, an amount equivalent to the optical path length difference between the reference light beam and the measuring light beam can be detected by measuring an electric quantity called a driving voltage of the piezo actuator. It is simple, and the measurement is easy even when the frequency at which the optical path length difference changes becomes high.

【0032】本発明の第11の3次元形状測定装置は、
第1の3次元形状測定装置から第10の3次元形状測定
装置の何れかにおいて、試料を照明光学系の光軸に対し
て垂直な方向に移動させる手段により、試料の移動速度
を可変としたことを特徴とするものである。
An eleventh three-dimensional shape measuring apparatus according to the present invention comprises:
In any one of the first to tenth three-dimensional shape measuring apparatuses, the moving speed of the sample is made variable by means for moving the sample in a direction perpendicular to the optical axis of the illumination optical system. It is characterized by the following.

【0033】この3次元形状測定装置においては、試料
の移動速度を可変としたので、例えば表面形状が激しい
変化を示す試料に対しては試料の移動速度を遅くし、表
面がゆるやかな形状変化を示す試料に対しては試料の移
動速度を速くするというように、試料に応じた最適な条
件での測定が可能になる。
In this three-dimensional shape measuring apparatus, since the moving speed of the sample is variable, the moving speed of the sample is reduced, for example, for a sample whose surface shape changes drastically, and the surface changes gradually in shape. For the sample shown, measurement can be performed under optimum conditions according to the sample, such as increasing the moving speed of the sample.

【0034】あるいは、一つの試料の中においても、形
状変化が激しい場所では遅く、ゆるやかな場所では速く
というように、場所により移動速度を変化させることが
でき、試料全面で最適な条件で測定が可能になる。
Alternatively, even within a single sample, the moving speed can be changed depending on the position, such as slow in a place where the shape change is severe and fast in a gentle place, so that the measurement can be performed under the optimum conditions over the entire surface of the sample. Will be possible.

【0035】本発明の第12の3次元形状測定装置は、
第1の3次元形状測定装置から第10の3次元形状測定
装置の何れかにおいて、試料を照明光学系の光軸に対し
て垂直な方向に移動させる手段により、試料を一定速度
で移動させることを特徴とするものである。
A twelfth three-dimensional shape measuring apparatus according to the present invention comprises:
In any one of the first to tenth three-dimensional shape measuring apparatuses, the sample is moved at a constant speed by means for moving the sample in a direction perpendicular to the optical axis of the illumination optical system. It is characterized by the following.

【0036】この3次元形状測定装置においては、試料
の移動速度を一定としたので、試料が大型になった場合
でも、安定した制御が可能になる。
In this three-dimensional shape measuring apparatus, since the moving speed of the sample is fixed, stable control is possible even when the sample becomes large.

【0037】本発明の第13の3次元形状測定装置は、
第11の3次元形状測定装置又は第12の3次元形状測
定装置において、試料が基板上に略周期的な構造が形成
された構成であることを特徴とするものである。
A thirteenth three-dimensional shape measuring apparatus according to the present invention comprises:
In the eleventh three-dimensional shape measuring device or the twelfth three-dimensional shape measuring device, the sample is characterized in that a substantially periodic structure is formed on a substrate.

【0038】この3次元形状測定装置においては、試料
が基板上に略周期的な構造が形成された構成であるの
で、1周期の範囲内で試料形状の変化の様子を考慮し
て、試料の移動速度を決定すれば、全面で最適な測定条
件を設定できる。
In this three-dimensional shape measuring apparatus, since the sample has a structure in which a substantially periodic structure is formed on the substrate, the shape of the sample is changed in consideration of the change of the sample shape within one period. If the moving speed is determined, optimum measurement conditions can be set for the entire surface.

【0039】本発明の第14の3次元形状測定装置は、
第13の3次元形状測定装置において、参照面を変位さ
せたときに参照光束と測定用光束との光路長差が0にな
る測定用光束上の位置が、略周期的な構造の頂点の高さ
を含み、基板の高さを含まないことを特徴とするもので
ある。
A fourteenth three-dimensional shape measuring apparatus according to the present invention comprises:
In the thirteenth three-dimensional shape measuring apparatus, the position on the measurement light beam where the optical path length difference between the reference light beam and the measurement light beam becomes zero when the reference surface is displaced is the height of the vertex of the substantially periodic structure. And not including the height of the substrate.

【0040】この3次元形状測定装置においては、略周
期的な構造の頂点付近を測定できればよい場合に、参照
面を変位させたときに、参照光束と測定用光束との光路
長差が0になる測定用光束上の位置が、略周期的な構造
の頂点の高さを含み、基板の高さを含まないので、参照
面を変位させる幅を狭くすることができ、参照面をより
高い周波数で変位させることができる。
In this three-dimensional shape measuring apparatus, when it is sufficient to measure the vicinity of the vertex of a substantially periodic structure, when the reference surface is displaced, the optical path length difference between the reference light beam and the measuring light beam becomes zero. Since the position on the measuring light beam includes the height of the vertex of the substantially periodic structure and does not include the height of the substrate, the width of displacing the reference surface can be reduced, and the reference surface is moved to a higher frequency. Can be displaced.

【0041】本発明の第15の3次元形状測定装置は、
第1の3次元形状測定装置から第14の3次元形状測定
装置の何れかにおいて、試料が基板上に球状のバンプが
略周期的に配置された表面実装型半導体パッケージであ
り、参照面をvs /(2Rsinθb )〔Hz〕よりも
高い周波数で、かつ、R×〔1−(1−sin2 θb
1/2 〕よりも大きい振幅で光軸方向に変化させることを
特徴とするものである。ただし、 NA:照明光学系の試料側開口数 R :バンプ形状を球面で近似したときの球面の半径 vs :試料を一定速度で移動させるときの速度 θb :θb =(sin-1NA)/2 とする。
A fifteenth three-dimensional shape measuring apparatus according to the present invention comprises:
In any one of the first to fourteenth three-dimensional shape measuring apparatuses, the sample is a surface-mounted semiconductor package in which spherical bumps are arranged on the substrate substantially periodically, and the reference surface is v s / (2Rsinθ b) at a frequency higher than [Hz], and, R × [1- (1-sin 2 θ b )
[1/2 ]] in the optical axis direction. Here, NA: numerical aperture on the sample side of the illumination optical system R: radius of the spherical surface when the bump shape is approximated by a spherical surface vs : speed when the sample is moved at a constant speed θ b : θ b = (sin −1 NA ) / 2.

【0042】試料が基板上に半球状のバンプが形成され
た表面実装型半導体パッケージの場合、有限の開口値を
持つ光学系で測定を行うと、各バンプの頂点付近からの
反射光は光学系で取り込むことができるが、周辺からの
反射光は、角度が大きくなり光学系で取り込むことがで
きなくなる。その様子を図7に模式的に示す。基板上に
半球状のバンプが形成されており、それを試料側開口数
NAの光学系で観察するときに、基板からの反射光は光
学系で取り込むことができるが、バンプに垂直に入射し
た照明光が反射して光学系に戻ってくるのは、バンプ頂
点から反射角度θr がNA>sinθr となる位置の領
域に限られる。したがって、試料形状を半球と考える
と、θr =2θb という関係があるので、sin2θb
=NAの角度範囲まで、つまり、図中に示す斜線の角度
範囲だけが測定できることになる(このとき、θb
(sin-1NA)/2である。)。そのため、バンプ形
状の測定のために、基板上面からバンプ頂点までをカバ
ーするように参照面を変位させても、基板とバンプ頂点
付近からの反射光のみを観測することになる。バンプ形
状の測定において最も重要な項目の一つに、コプラナリ
ティ(各バンプの頂点の高さが基準平面からどの程度ず
れているか)がある。そのためには、バンプ頂点周辺の
照明光が戻ってくる範囲を測定すれば十分である。図
中、斜線部分は、x方向が直径2Rsinθb の広がり
を持ち、高さ方向の広がりtはR×〔1−(1−sin
2 θb 1/2 〕となる。各バンプの頂点高さを算出する
ためには、斜線部分に対して測定を行えばよい。
In the case where the sample is a surface-mount type semiconductor package in which a hemispherical bump is formed on a substrate, when light is measured by an optical system having a finite aperture value, reflected light from the vicinity of the apex of each bump is reflected by the optical system. However, the reflected light from the periphery has an increased angle and cannot be captured by the optical system. This is schematically shown in FIG. A hemispherical bump is formed on the substrate, and when it is observed with an optical system having a sample-side numerical aperture NA, reflected light from the substrate can be captured by the optical system, but the light is vertically incident on the bump. the illumination light returns to the optical system is reflected is limited to the position of the region where the reflection angle theta r from the bump apex is NA> sin [theta r. Therefore, when the sample shape is considered to be a hemisphere, there is a relationship of θ r = 2θ b , so that sin 2θ b
= NA, that is, only the angle range indicated by oblique lines in the figure can be measured (in this case, θ b =
(Sin -1 NA) / 2. ). Therefore, even if the reference surface is displaced so as to cover from the upper surface of the substrate to the apex of the bump for the measurement of the bump shape, only the reflected light from the substrate and the vicinity of the bump apex will be observed. One of the most important items in the measurement of the bump shape is coplanarity (how much the height of the vertex of each bump deviates from the reference plane). For that purpose, it is sufficient to measure the range where the illumination light around the vertex of the bump returns. Figure, shaded areas, x direction has a spread of diameters 2Rsinshita b, spread t in the height direction R × [1- (1-sin
2 θ b ) 1/2 ]. In order to calculate the height of the vertex of each bump, measurement may be performed on the shaded portion.

【0043】光検出手段へのバンプからの戻り光を考え
る。ステージの移動速度をvs とすると、一つのバンプ
からの戻り光が検出されるのは2Rsinθb /v
s 〔s〕の間である。そのときに、バンプ高さを算出す
るためには、参照面がその時間内に1周期以上振動する
ことが望ましい。したがって、参照面をvs /(2Rs
inθb )〔Hz〕以上の周波数で、振幅R×〔1−
(1−sin2 θb 1/2 〕以上の振幅で振動させるこ
とが望ましい。
Consider return light from the bump to the light detecting means. When the moving speed of the stage and v s, the return light from one bump is detected 2Rsinθ b / v
s [s]. At that time, in order to calculate the bump height, it is desirable that the reference surface vibrate for one cycle or more within the time. Therefore, the reference plane is defined as v s / (2Rs
inθ b ) [Hz] or higher, and amplitude R × [1-
It is desirable to vibrate at an amplitude of (1-sin 2 θ b ) 1/2 ] or more.

【0044】上記のバンプ頂点の高さを測定するために
必要な参照面の変位の周波数と振幅に従って測定すれ
ば、測定時間の短縮と精度の両方を確保した測定が可能
になる。
If the measurement is performed in accordance with the displacement frequency and amplitude of the reference surface necessary for measuring the height of the bump apex, the measurement can be performed while shortening the measurement time and ensuring the accuracy.

【0045】本発明の第16の3次元形状測定装置は、
第1の3次元形状測定装置から第15の3次元形状測定
装置の何れかにおいて、照明光学系と試料との距離、又
は、それと等価な量を測定する手段を有することを特徴
とするものである。
A sixteenth three-dimensional shape measuring apparatus according to the present invention comprises:
In any one of the first to fifteenth three-dimensional shape measuring apparatuses, the apparatus has a means for measuring a distance between the illumination optical system and the sample or an equivalent amount thereof. is there.

【0046】本発明の第17の3次元形状測定装置は、
第16の3次元形状測定装置において、照明光学系と試
料との距離、又は、それと等価な量を測定する手段が、
オートフォーカス装置であることを特徴とするものであ
る。
A seventeenth three-dimensional shape measuring apparatus according to the present invention comprises:
In the sixteenth three-dimensional shape measuring apparatus, means for measuring the distance between the illumination optical system and the sample, or an equivalent amount thereof,
It is characterized by being an autofocus device.

【0047】第15の3次元形状測定装置の構成では、
各バンプの頂点の高さの相対変化しか測定できないが、
これらの3次元形状測定装置においては、照明光学系と
試料の距離、又は、それと等価な量を測定する手段を有
するので、バンプ高さを測定することができ、その結果
からバンプ高さの絶対値を求めることができる。
In the configuration of the fifteenth three-dimensional shape measuring apparatus,
Only the relative change in the height of the vertex of each bump can be measured,
These three-dimensional shape measuring apparatuses have a means for measuring the distance between the illumination optical system and the sample or an equivalent amount thereof, so that the bump height can be measured. The value can be determined.

【0048】本発明の第18の3次元形状測定装置は、
照明光を発生させる光源と、照明光を試料上に集光させ
る照明光学系と、試料からの光を結像させる結像光学系
と、試料と共役な位置近傍に配置した光束径制限手段
と、光束径制限手段と共役な位置と試料との光軸方向の
相対的な位置、又は、それと等価な量を検出する手段
と、試料を照明光学系の光軸に対して垂直な方向に移動
させる手段と、試料の照明光学系の光軸に対して垂直な
面内での位置、又は、それと等価な量を検出する手段
と、光検出手段と、光検出手段で検出した信号を演算す
る信号演算手段とを有し、試料が照明光学系の光軸に対
して垂直な方向に移動している状態で、光検出手段によ
り信号を検出することを特徴とするものである。
An eighteenth three-dimensional shape measuring apparatus according to the present invention comprises:
A light source for generating illumination light, an illumination optical system for condensing the illumination light on the sample, an imaging optical system for forming an image of light from the sample, and a light beam diameter limiting means arranged near a position conjugate with the sample. Means for detecting the relative position in the optical axis direction of the sample and the position conjugate with the light beam diameter limiting means, or an equivalent amount thereof, and moving the sample in a direction perpendicular to the optical axis of the illumination optical system. Means for detecting the position of the sample in a plane perpendicular to the optical axis of the illumination optical system, or an amount equivalent thereto, light detecting means, and calculating a signal detected by the light detecting means. Signal calculating means, wherein a signal is detected by the light detecting means while the sample is moving in a direction perpendicular to the optical axis of the illumination optical system.

【0049】この3次元形状測定装置においては、試料
が照明光学系の光軸に対して垂直な方向に移動している
状態で測定を行うため、停止、移動といった制御を行う
必要がなく、共焦点測定ができるため、高速高精度測定
が可能になる。
In this three-dimensional shape measuring apparatus, the measurement is performed while the sample is moving in the direction perpendicular to the optical axis of the illumination optical system. Therefore, there is no need to perform control such as stopping and moving. Since focus measurement can be performed, high-speed and high-precision measurement can be performed.

【0050】本発明の第19の3次元形状測定装置は、
第18の3次元形状測定装置において、信号演算手段
が、閾値を設定する手段と、光検出手段からの信号と閾
値を比較する手段と、閾値を越えた信号が発生した場
合、その時点での光束径制限手段と共役な位置と試料と
の光軸方向の相対的な位置、又は、それと等価な量と、
試料の照明光学系の光軸に対して垂直な面内での位置と
を記憶させる手段と、記憶手段の情報から試料の形状を
演算する手段とを有することを特徴とするものである。
A nineteenth three-dimensional shape measuring apparatus according to the present invention comprises:
In the eighteenth three-dimensional shape measuring apparatus, the signal calculation means includes: means for setting a threshold; means for comparing a signal from the light detection means with the threshold; and when a signal exceeding the threshold is generated, Relative position in the optical axis direction of the sample and the position conjugate with the beam diameter limiting means, or an equivalent amount thereof,
It is characterized by comprising means for storing the position of the sample in a plane perpendicular to the optical axis of the illumination optical system, and means for calculating the shape of the sample from information in the storage means.

【0051】共焦点測定では、光束径制限手段と共役な
位置と試料表面が一致した近傍でのみ強い戻り光が観測
される。そこで、この3次元形状測定装置により、光検
出手段からの信号が一定値以上になった点でのみで信号
処理をすれば、試料の表面形状を算出することができ
る。
In the confocal measurement, strong return light is observed only near the position where the sample surface coincides with the position conjugate with the beam diameter limiting means. Therefore, if the signal processing is performed only at a point where the signal from the light detecting means has reached a certain value or more by the three-dimensional shape measuring apparatus, the surface shape of the sample can be calculated.

【0052】本発明の第20の3次元形状測定装置は、
第18の3次元形状測定装置又は第19の3次元形状測
定装置において、光検出手段が1次元ラインセンサであ
ることを特徴とするものである。
A twentieth three-dimensional shape measuring apparatus according to the present invention comprises:
In the eighteenth three-dimensional shape measuring device or the nineteenth three-dimensional shape measuring device, the light detecting means is a one-dimensional line sensor.

【0053】本発明の第21の3次元形状測定装置は、
第20の3次元形状測定装置において、1次元ラインセ
ンサが1次元CCDであることを特徴とするものであ
る。
A twenty-first three-dimensional shape measuring apparatus according to the present invention comprises:
In the twentieth three-dimensional shape measuring apparatus, the one-dimensional line sensor is a one-dimensional CCD.

【0054】これらの3次元形状測定装置においては、
光検出手段が1次元ラインセンサであるので、2次元型
センサを用いる場合に比べて、全画素からの出力を読み
出すのに必要な時間が短くなるので、試料の移動速度を
高くすることができ、高速測定への対応が可能になる。
In these three-dimensional shape measuring devices,
Since the light detecting means is a one-dimensional line sensor, the time required to read the outputs from all the pixels is shorter than when a two-dimensional sensor is used, so that the moving speed of the sample can be increased. Thus, it is possible to respond to high-speed measurement.

【0055】本発明の第22の3次元形状測定装置は、
第18の3次元形状測定装置又は第19の3次元形状測
定装置において、光束径制限手段がピンホールであるこ
とを特徴とするものである。
A twenty-second three-dimensional shape measuring apparatus according to the present invention comprises:
In the eighteenth three-dimensional shape measuring device or the nineteenth three-dimensional shape measuring device, the light beam diameter limiting means is a pinhole.

【0056】この3次元形状測定装置においては、光束
径制限手段がピンホールであるため、光軸方向と試料面
内の2次元方向の何れの方向も高い分解能が得られる。
In this three-dimensional shape measuring apparatus, since the light beam diameter limiting means is a pinhole, high resolution can be obtained in both the optical axis direction and the two-dimensional direction in the sample plane.

【0057】本発明の第23の3次元形状測定装置は、
第18の3次元形状測定装置から第21の3次元形状測
定装置の何れかにおいて、光束径制限手段がスリットで
あることを特徴とするものである。
According to a twenty-third three-dimensional shape measuring apparatus of the present invention,
In any one of the eighteenth three-dimensional shape measuring apparatuses to the twenty-first three-dimensional shape measuring apparatuses, the light beam diameter limiting means is a slit.

【0058】この3次元形状測定装置においては、光束
径制限手段がスリットであるため、照明光の走査が不要
であるため、光軸方向の分解能を維持しつつ、測定時間
を短縮できる。
In this three-dimensional shape measuring apparatus, since the light beam diameter limiting means is a slit, scanning of the illumination light is unnecessary, so that the measurement time can be reduced while maintaining the resolution in the optical axis direction.

【0059】本発明の第24の3次元形状測定装置は、
第18の3次元形状測定装置から第21の3次元形状測
定装置の何れかにおいて、光束径制限手段がマルチピン
ホールアレイであることを特徴とするものである。
The twenty-fourth three-dimensional shape measuring apparatus of the present invention comprises:
In any one of the eighteenth three-dimensional shape measuring apparatus to the twenty-first three-dimensional shape measuring apparatus, the light beam diameter limiting means is a multi-pinhole array.

【0060】この3次元形状測定装置においては、光束
径制限手段がマルチピンホールアレイであるため、照明
光の走査が不要で測定時間を短縮でき、かつ、光軸方向
と試料面内の2次元方向共に高分解能であるという利点
がある。
In this three-dimensional shape measuring apparatus, since the light beam diameter limiting means is a multi-pinhole array, scanning of the illumination light is not required, so that the measurement time can be shortened, and two-dimensional measurement in the optical axis direction and in the sample plane is possible. There is an advantage that the resolution is high in both directions.

【0061】本発明の第25の3次元形状測定装置は、
第18の3次元形状測定装置から第24の3次元形状測
定装置の何れかにおいて、光束径制限手段と共役な位置
と試料との光軸方向の相対的な位置を周期的に変化させ
る手段を有することを特徴とするものである。
A twenty-fifth three-dimensional shape measuring apparatus according to the present invention comprises:
In any one of the eighteenth to twenty-fourth three-dimensional shape measuring apparatuses, a means for periodically changing the relative position in the optical axis direction between the position conjugate with the light beam diameter limiting means and the sample is provided. It is characterized by having.

【0062】共焦点測定では、光束径制限手段と共役な
位置の試料からの戻り光しか光検出器に到達しないた
め、高い光軸方向の分解能を有する。光束径制限手段と
共役な位置の試料との光軸方向の相対的な位置を一定に
したまま試料を移動させると、試料の特定の高さに関す
る情報しか得られない。この3次元形状測定装置におい
て、光束径制限手段と共役な位置の試料との光軸方向の
相対的な位置を周期的に変化させることにより、相対的
な位置の変化に対応した高さ方向の範囲の情報が得られ
るようになり、高速な3次元計測が可能になる。
In the confocal measurement, only the return light from the sample at a position conjugate with the light beam diameter limiting means reaches the photodetector, and therefore has a high resolution in the optical axis direction. If the sample is moved while keeping the relative position in the optical axis direction of the sample at a position conjugate with the beam diameter limiting means constant, only information on a specific height of the sample can be obtained. In this three-dimensional shape measuring apparatus, by periodically changing the relative position in the optical axis direction with respect to the sample at the position conjugate with the light beam diameter limiting means, the height in the height direction corresponding to the change in the relative position is changed. Range information can be obtained, and high-speed three-dimensional measurement can be performed.

【0063】本発明の第26の3次元形状測定装置は、
第25の3次元形状測定装置において、光束径制限手段
と共役な位置と試料との光軸方向の相対的な位置を周期
的に変化させる手段が、光束径制限手段の位置を周期的
に変化させる機構を有することを特徴とする3次元形状
測定装置。
A twenty-sixth three-dimensional shape measuring apparatus according to the present invention
In the twenty-fifth three-dimensional shape measuring apparatus, the means for periodically changing the position conjugate with the light beam diameter limiting means and the relative position in the optical axis direction of the sample periodically changes the position of the light beam diameter limiting means. A three-dimensional shape measuring device having a mechanism for causing the three-dimensional shape to be measured.

【0064】本発明の第27の3次元形状測定装置は、
第26の3次元形状測定装置において、光束径制限手段
と共役な位置と試料との光軸方向の相対的な位置、又
は、それと等価な量を検出する手段が、光束径制限手段
の位置を検出する手段を有することを特徴とするもので
ある。
A twenty-seventh three-dimensional shape measuring apparatus according to the present invention
In the twenty-sixth three-dimensional shape measuring apparatus, the relative position in the optical axis direction between the sample and the position conjugate with the light beam diameter limiting means or the means for detecting the equivalent amount is determined by the position of the light beam diameter limiting means. It is characterized by having means for detecting.

【0065】本発明の第28の3次元形状測定装置は、
第25の3次元形状測定装置において、光束径制限手段
と共役な位置と試料との光軸方向の相対的な位置を周期
的に変化させる手段が、照明光学系の位置を周期的に変
化させる機構を有することを特徴とするものである。
According to a twenty-eighth three-dimensional shape measuring apparatus of the present invention,
In the twenty-fifth three-dimensional shape measuring apparatus, the means for periodically changing the position conjugate with the light beam diameter limiting means and the relative position of the sample in the optical axis direction periodically changes the position of the illumination optical system. It is characterized by having a mechanism.

【0066】本発明の第29の3次元形状測定装置は、
第28の3次元形状測定装置において、光束径制限手段
と共役な位置と試料との光軸方向の相対的な位置、又
は、それと等価な量を検出する手段が、照明光学系の位
置を検出する手段を有することを特徴とするものであ
る。
A twenty-ninth three-dimensional shape measuring apparatus according to the present invention
In the twenty-eighth three-dimensional shape measuring apparatus, the means for detecting the relative position in the optical axis direction between the sample and the position conjugate with the light beam diameter limiting means or the equivalent amount detects the position of the illumination optical system. It is characterized by having a means for performing.

【0067】本発明の第30の3次元形状測定装置は、
第25の3次元形状測定装置において、光束径制限手段
と共役な位置と試料との光軸方向の相対的な位置を周期
的に変化させる手段が、結像光学系の位置を周期的に変
化させる機構を有することを特徴とするものである。
A thirtieth three-dimensional shape measuring apparatus according to the present invention comprises:
In the twenty-fifth three-dimensional shape measuring apparatus, the means for periodically changing the position conjugate with the light beam diameter limiting means and the relative position in the optical axis direction with respect to the sample periodically changes the position of the imaging optical system. It is characterized by having a mechanism for causing it to.

【0068】本発明の第31の3次元形状測定装置は、
第30の3次元形状測定装置において、光束径制限手段
と共役な位置と試料との光軸方向の相対的な位置、又
は、それと等価な量を検出する手段が、結像光学系の位
置を検出する手段を有することを特徴とするものであ
る。
A thirty-first three-dimensional shape measuring apparatus according to the present invention comprises:
In the thirtieth three-dimensional shape measuring apparatus, a means for detecting a relative position in the optical axis direction between the sample and a position conjugate with the light beam diameter limiting means, or an equivalent amount thereof, determines the position of the imaging optical system. It is characterized by having means for detecting.

【0069】第26、第28、第30の3次元形状測定
装置においては、光束径制限手段と共役な位置と試料と
の光軸方向の相対的な位置を周期的に変化させる手段
が、試料の位置を光軸方向に変位させるのに比べて、測
定装置の構成要素である光束径制限手段や、照明光学
系、結像光学系の方が小型であるため、それを変位させ
る方が容易である。
In the twenty-sixth, twenty-eighth, and thirtieth three-dimensional shape measuring apparatuses, the means for periodically changing the relative position in the optical axis direction between the position conjugate with the light beam diameter limiting means and the sample includes the sample. As compared to displacing the position in the direction of the optical axis, the beam diameter limiting means, the illumination optical system, and the imaging optical system, which are components of the measuring device, are smaller, so it is easier to displace them. It is.

【0070】第27、第29、第31の3次元形状測定
装置においては、光束径制限手段と共役な位置と試料と
の光軸方向の相対的な位置の変化を検出する手段が、光
学系の構成要素の位置を検出する機構としたので、その
結果から光束径制限手段と共役な位置を算出できる。こ
れは、実際に光束径制限手段と共役な位置を測定するこ
とに比べると、遙に簡便な方法である。
In the twenty-seventh, twenty-ninth, and thirty-first three-dimensional shape measuring apparatuses, the means for detecting a change in the relative position in the optical axis direction between the sample and the position conjugate with the light beam diameter limiting means is an optical system. Since the mechanism for detecting the position of the component is adopted, a position conjugate with the light beam diameter limiting means can be calculated from the result. This is a much simpler method than actually measuring a position conjugate with the beam diameter limiting means.

【0071】本発明の第32の3次元形状測定装置は、
第25の3次元形状測定装置において、光束径制限手段
と共役な位置と試料との光軸方向の相対的な位置を周期
的に変化させる手段において、周期が可変であることを
特徴とするものである。
A thirty-second three-dimensional shape measuring apparatus according to the present invention comprises:
A twenty-fifth three-dimensional shape measuring apparatus characterized in that the period is variable in the means for periodically changing the position conjugate with the light beam diameter limiting means and the relative position of the sample in the optical axis direction. It is.

【0072】この3次元形状測定装置においては、光束
径制限手段と共役な位置と試料との光軸方向の相対的な
位置を変化させる周期を可変としたので、例えば、表面
形状が激しい変化を示す試料に対しては相対的な位置を
変化させる周期に短くし、表面がゆるやかな形状変化を
示す試料に対しては相対的な位置を変化させる周期を長
くするというように、試料に応じた最適な条件での測定
が可能になる。
In this three-dimensional shape measuring apparatus, the period for changing the position conjugate with the light beam diameter limiting means and the relative position in the optical axis direction with respect to the sample is made variable. Depending on the sample, the period for changing the relative position is shortened for the sample to be shown, and the period for changing the relative position is increased for the sample whose surface shows a gradual shape change. Measurement under optimal conditions becomes possible.

【0073】あるいは、一つの試料の中においても、形
状変化が激しい場所では短く、ゆるやかな場所では長く
というように、場所により周期を変化させることがで
き、試料全面で最適な条件で測定が可能になる。
Alternatively, even in a single sample, the period can be changed depending on the location, such as short in a place where the shape change is drastic, and long in a gentle place, so that measurement can be performed under the optimum condition over the entire sample. become.

【0074】本発明の第33の3次元形状測定装置は、
第18の3次元形状測定装置から第25の3次元形状測
定装置の何れかにおいて、試料を照明光学系の光軸に対
して垂直な方向に移動させる手段により、試料の移動速
度を可変としたことを特徴とするものである。
A thirty-third three-dimensional shape measuring apparatus according to the present invention comprises:
In any one of the eighteenth to twenty-fifth three-dimensional shape measuring apparatuses, the moving speed of the sample is made variable by means for moving the sample in a direction perpendicular to the optical axis of the illumination optical system. It is characterized by the following.

【0075】この3次元形状測定装置においては、試料
の移動速度を可変としたので、例えば表面形状が激しい
変化を示す試料に対しては試料の移動速度を遅くし、表
面形状が高精度に仕上げられていてゆるやかな形状変化
を示す試料に対しては試料の移動速度を速くするという
ように、試料に応じた最適な条件での測定が可能にな
る。
In this three-dimensional shape measuring apparatus, since the moving speed of the sample is variable, for example, for a sample whose surface shape changes drastically, the moving speed of the sample is reduced, and the surface shape is finished with high precision. For a sample that exhibits a gradual change in shape, measurement can be performed under optimum conditions according to the sample, such as increasing the moving speed of the sample.

【0076】あるいは、一つの試料の中においても、形
状変化が激しい場所では遅く、ゆるやかな場所では速く
というように、場所により移動速度を変化させることが
でき、試料全面で最適な条件で測定が可能になる。
Alternatively, even within a single sample, the moving speed can be changed depending on the position, such as slow in a place where the shape change is severe and fast in a gentle place, so that measurement can be performed under the optimum conditions over the entire surface of the sample. Will be possible.

【0077】本発明の第34の3次元形状測定装置は、
第18の3次元形状測定装置から第25の3次元形状測
定装置の何れかにおいて、試料を照明光学系の光軸に対
して垂直な方向に移動させる手段により、試料を一定速
度で移動させることを特徴とするものである。
A thirty-fourth three-dimensional shape measuring apparatus according to the present invention comprises:
In any one of the eighteenth three-dimensional shape measuring devices to the twenty-fifth three-dimensional shape measuring devices, moving the sample at a constant speed by means for moving the sample in a direction perpendicular to the optical axis of the illumination optical system. It is characterized by the following.

【0078】この3次元形状測定装置においては、試料
の移動速度を一定としたので、試料が大型になった場合
でも安定した制御が可能になる。
In this three-dimensional shape measuring apparatus, since the moving speed of the sample is fixed, stable control can be performed even when the sample becomes large.

【0079】本発明の第35の3次元形状測定装置は、
第33の3次元形状測定装置又は第34の3次元形状測
定装置において、試料が基板上に略周期的な構造が形成
された構成であることを特徴とするものである。
A thirty-fifth three-dimensional shape measuring apparatus according to the present invention comprises:
The thirty-third three-dimensional shape measuring device or the thirty-fourth three-dimensional shape measuring device is characterized in that the sample has a structure in which a substantially periodic structure is formed on a substrate.

【0080】この3次元形状測定装置においては、試料
が基板上に略周期的な構造が形成された構成であるの
で、1周期の範囲内で試料形状の変化の様子を考慮し
て、試料の移動速度を決定すれば、全面で最適な測定条
件を設定できる。
In this three-dimensional shape measuring apparatus, since the sample has a structure in which a substantially periodic structure is formed on the substrate, the shape of the sample is changed in consideration of a change in the shape of the sample within one cycle. If the moving speed is determined, optimum measurement conditions can be set for the entire surface.

【0081】本発明の第36の3次元形状測定装置は、
第35の3次元形状測定装置において、光束径制限手段
と共役な位置と試料との光軸方向の相対的な位置を周期
的に変化させたときに、光束径制限手段と試料との光軸
方向の相対的な位置が0になる光束径制限手段と共役な
位置が、略周期的な構造の頂点の高さを含み、基板の高
さを含まないことを特徴とするものである。
A thirty-sixth three-dimensional shape measuring apparatus according to the present invention comprises:
In the thirty-fifth three-dimensional shape measuring apparatus, when a position conjugate with the light beam diameter limiting means and a relative position in the optical axis direction between the sample and the sample are periodically changed, the optical axis between the light beam diameter limiting means and the sample is changed. The position conjugate with the beam diameter limiting means at which the relative position in the direction becomes 0 includes the height of the vertex of the substantially periodic structure and does not include the height of the substrate.

【0082】この3次元形状測定装置においては、略周
期的な構造の頂点付近を測定できればよい場合に、光束
径制限手段と共役な位置と試料との光軸方向の相対的な
位置を周期的に変化させたときに、光束径制限手段と試
料との光軸方向の相対的な位置が0になる光束径制限手
段と共役な位置が、略周期的な構造の頂点の高さを含
み、基板の高さを含まないので、光束径制限手段と共役
な位置を変位させる幅を狭くすることができるので、よ
り高い周波数で変位させることができる。
In this three-dimensional shape measuring apparatus, when it is sufficient to measure the vicinity of the vertex of a substantially periodic structure, the relative position in the optical axis direction between the sample and the position conjugate with the beam diameter limiting means is periodically determined. When the relative position in the optical axis direction between the light beam diameter limiting means and the sample becomes 0, the position conjugate with the light beam diameter limiting means includes the height of the vertex of the substantially periodic structure, Since it does not include the height of the substrate, the width for displacing the position conjugate with the light beam diameter limiting means can be narrowed, so that the displacement can be performed at a higher frequency.

【0083】本発明の第37の3次元形状測定装置は、
第18の3次元形状測定装置から第36の3次元形状測
定装置の何れかにおいて、試料が基板上に球状のバンプ
が略周期的に配置された表面実装型半導体パッケージで
あり、光束径制限手段と共役な位置をvs /(2Rsi
nθb )〔Hz〕よりも高い周波数で、かつ、R×〔1
−(1−sin2 θb 1/2 〕よりも大きい振幅で光軸
方向に変位させることを特徴とするものである。ただ
し、 NA:照明光学系の試料側開口数 R :バンプ形状を球面で近似したときの球面の半径 vs :試料を一定速度で移動させるときの速度 θb :θb =(sin-1NA)/2 とする。
A thirty-seventh three-dimensional shape measuring apparatus according to the present invention comprises:
In any one of the eighteenth three-dimensional shape measuring apparatus to the thirty-sixth three-dimensional shape measuring apparatus, the sample is a surface-mounted semiconductor package in which spherical bumps are arranged on the substrate substantially periodically, And the position conjugated to v s / (2Rsi
b ) [Hz] and a frequency higher than R × [1
− (1−sin 2 θ b ) 1/2 ]. Here, NA: numerical aperture on the sample side of the illumination optical system R: radius of the spherical surface when the bump shape is approximated by a spherical surface vs : speed when the sample is moved at a constant speed θ b : θ b = (sin −1 NA ) / 2.

【0084】この3次元形状測定装置においては、第1
5の3次元形状測定装置で行ったのと同様な議論から、
試料からの戻り光を考えた場合、光束径制限手段と共役
な位置をvs /(2Rsinθb )〔Hz〕よりも高い
周波数で、かつ、R×〔1−(1−sin
2 θb 1/2 〕よりも大きい振幅で光軸方向に変位させ
ることが望ましい。
In this three-dimensional shape measuring apparatus, the first
From the same discussion as performed with the three-dimensional shape measuring device of No. 5,
When the return light from the sample is considered, the position conjugate with the light beam diameter limiting means is set at a frequency higher than v s / (2R sin θ b ) [Hz] and R × [1- (1-sin
It is desirable to displace in the direction of the optical axis with an amplitude larger than 2 θ b ) 1/2 ].

【0085】上記のバンプ頂点の高さを測定するために
必要な参照面の変位の周波数と振幅に従って測定すれ
ば、測定時間の短縮と精度の両方を確保した測定が可能
になる。
If the measurement is performed in accordance with the frequency and amplitude of the displacement of the reference surface necessary for measuring the height of the bump apex, the measurement can be performed while shortening the measurement time and ensuring the accuracy.

【0086】本発明の第38の3次元形状測定装置は、
第18の3次元形状測定装置から第37の3次元形状測
定装置の何れかにおいて、照明光学系と試料との距離、
又は、それと等価な量を測定する手段を有することを特
徴とするものである。
A thirty-eighth three-dimensional shape measuring apparatus according to the present invention comprises:
In any one of the eighteenth three-dimensional shape measuring devices to the thirty-seventh three-dimensional shape measuring devices, the distance between the illumination optical system and the sample;
Alternatively, there is provided a means for measuring an equivalent amount.

【0087】本発明の第39の3次元形状測定装置は、
第38の3次元形状測定装置において、照明光学系と試
料との距離、又は、それと等価な量を測定する手段がオ
ートフォーカス装置であることを特徴とするものであ
る。
A thirty-ninth three-dimensional shape measuring apparatus according to the present invention comprises:
The thirty-eighth three-dimensional shape measuring apparatus is characterized in that the means for measuring the distance between the illumination optical system and the sample or an equivalent amount thereof is an autofocus device.

【0088】第36の3次元形状測定装置の構成では、
各バンプの頂点の高さの相対変化しか測定できないが、
これらの3次元形状測定装置においては、照明光学系と
試料との距離、又は、それと等価な量を測定する手段を
有するので、バンプ高さを測定することができ、その結
果からバンプ高さの絶対値を求めることができる。
In the configuration of the thirty-sixth three-dimensional shape measuring apparatus,
Only the relative change in the height of the vertex of each bump can be measured,
These three-dimensional shape measuring devices have a means for measuring the distance between the illumination optical system and the sample, or an equivalent amount thereof, so that the bump height can be measured. The absolute value can be obtained.

【0089】[0089]

【発明の実施の形態】〔第1実施形態〕本発明の3次元
形状測定装置の第1の発明実施の形態を図1、図5を用
いて説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS [First Embodiment] A first embodiment of the three-dimensional shape measuring apparatus according to the present invention will be described with reference to FIGS.

【0090】図1において、1はハロゲンランプ等の白
色光源、2は白色光源1からの照明光束を略平行な光束
に形成するコリメータレンズ、3は集光レンズであり、
4は照明光束の進行方向を偏向させる光束偏向手段であ
り、例えばハーフミラーを用いることができる。5は対
物レンズであり、集光レンズ3による照明光の集光点が
対物レンズ5の後側焦点に一致するように配置されてい
る。6は光束分割手段であり、例えばハーフミラーを用
いることができ、入射した照明光束を干渉測定において
参照光束となる第1の光束と、測定用光束となる第2の
光束とに分割する。なお、光束分割手段6は、試料7で
反射した測定用光束とミラー11で反射した参照光束と
を再び合成して一つの光束にするので、光束合成手段と
しての役割も果たす。第1の光束の進行方向上には、ピ
エゾアクチュエータ12に結合された参照ミラー11が
光軸に対して垂直に配置されている。ピエゾアクチュエ
ータ12にはピエゾアクチュエータ駆動装置16が繋が
れている。他方、第2の光束上には、ステージ10上に
載置された試料7が配置されている。試料7は、基板8
上に周期的にバンプ9が形成された構成となっている。
ステージ10は、図示しない移動機構によりx,y,z
の3方向の移動、及び、θx,θy,θzの3方向のあ
おりの調整が可能になっている。また、x,y,z方向
の変位は、図示しないリニアスケールにより測定可能と
なっている。
In FIG. 1, 1 is a white light source such as a halogen lamp, 2 is a collimator lens for forming the illumination light beam from the white light source 1 into a substantially parallel light beam, and 3 is a condenser lens.
Reference numeral 4 denotes a light beam deflecting unit that deflects the traveling direction of the illumination light beam. For example, a half mirror can be used. Reference numeral 5 denotes an objective lens, which is arranged such that the focal point of the illumination light by the condenser lens 3 coincides with the rear focal point of the objective lens 5. Reference numeral 6 denotes a light beam splitting unit that can use, for example, a half mirror, and splits an incident illumination light beam into a first light beam serving as a reference light beam and a second light beam serving as a measurement light beam in interference measurement. The light beam splitting means 6 also combines the measuring light beam reflected by the sample 7 and the reference light beam reflected by the mirror 11 into one light beam, and thus also serves as a light beam synthesizing means. In the traveling direction of the first light beam, a reference mirror 11 coupled to a piezo actuator 12 is disposed perpendicular to the optical axis. A piezo actuator driving device 16 is connected to the piezo actuator 12. On the other hand, the sample 7 placed on the stage 10 is arranged on the second light flux. The sample 7 is a substrate 8
It has a configuration in which bumps 9 are periodically formed thereon.
The stage 10 is moved x, y, z by a moving mechanism (not shown).
, And adjustment of the tilt in the three directions of θx, θy, and θz. The displacement in the x, y, and z directions can be measured by a linear scale (not shown).

【0091】17は接眼鏡筒であり、試料7の光学像を
観察することができ、13は結像レンズである。そし
て、14は光検出手段であり、その受光面が結像レンズ
13の後側焦面に配置されている。光検出手段14とし
ては、例えば1次元CCDを用いることができ、1次元
CCDはその長手方向が図中y方向に向き、結像レンズ
13の光軸上に中心が一致するように配置されている。
そこに、光検出手段14が配置され、信号出力を伝達す
るケーブルにより信号演算手段15と結ばれている。
Reference numeral 17 denotes an eyepiece tube, which can observe an optical image of the sample 7, and 13 denotes an imaging lens. Reference numeral 14 denotes light detecting means, the light receiving surface of which is disposed on the rear focal plane of the imaging lens 13. As the light detecting means 14, for example, a one-dimensional CCD can be used. The one-dimensional CCD is arranged so that its longitudinal direction is oriented in the y direction in the figure and its center coincides with the optical axis of the imaging lens 13. I have.
The light detecting means 14 is arranged there and connected to the signal calculating means 15 by a cable for transmitting a signal output.

【0092】白色光源1から出た照明光は、コリメータ
レンズ2により略平行な光束に成形されて、集光レンズ
3により収束光に変換される。収束光に変換された照明
光はハーフミラー4に入射する。ハーフミラー4に反射
された照明光は、対物レンズ5の後側焦点に集光する。
したがって、対物レンズ5に入射した照明光は、平行光
束となって対物レンズ5から射出し、ハーフミラー6に
入射してハーフミラー6で反射される第1の光束と、透
過する第2の光束の2つに分割される。
The illumination light emitted from the white light source 1 is formed into a substantially parallel light beam by the collimator lens 2 and is converted into convergent light by the condenser lens 3. The illumination light converted into the convergent light enters the half mirror 4. The illumination light reflected by the half mirror 4 is focused on the rear focal point of the objective lens 5.
Therefore, the illuminating light incident on the objective lens 5 becomes a parallel light flux, exits from the objective lens 5, enters the half mirror 6, is reflected by the half mirror 6, and the second light flux is transmitted therethrough. Is divided into two.

【0093】ハーフミラー6で反射された第1の光束
は、参照ミラー11に入射する。参照ミラー11で反射
された光束は元の光路をたどり再びハーフミラー6へ入
射する。ハーフミラー6を透過した第2の光束は、試料
7に入射する。試料7で反射された光は再びハーフミラ
ー6へ入射する。
The first light beam reflected by the half mirror 6 enters the reference mirror 11. The light beam reflected by the reference mirror 11 follows the original optical path and enters the half mirror 6 again. The second light flux transmitted through the half mirror 6 enters the sample 7. The light reflected by the sample 7 enters the half mirror 6 again.

【0094】このとき、光軸上の1点を例にとり、図中
に点線で示すように、試料7からの光は対物レンズ5を
介して結像レンズ13に入射して光検出手段14の受光
面で結像する。
At this time, taking one point on the optical axis as an example, as shown by a dotted line in the figure, the light from the sample 7 enters the imaging lens 13 via the objective lens 5 and An image is formed on the light receiving surface.

【0095】参照ミラー11で反射された光束と、試料
7で反射された光束は再びハーフミラー6で合致され、
干渉を起こす。その干渉縞の強度を光検出手段14によ
り検出する。
The light beam reflected by the reference mirror 11 and the light beam reflected by the sample 7 are matched again by the half mirror 6, and
Cause interference. The intensity of the interference fringes is detected by the light detecting means 14.

【0096】以下に、測定手順を説明する:ステージ1
0上に試料7を置き、ステージ10をあおり機構を用い
て基板8上面の平行出しを行う。基板8の平行出しの
後、接眼鏡筒17で観察しながら対物レンズ5の視野中
心に試料7のバンプ9が存在しないようにステージ10
を移動させる。その状態で、ピエゾアクチュエータ駆動
装置16からの印加電圧を変化させることにより、参照
ミラー11の光軸方向の位置を変位させる。1次元CC
D14の中心の画素の出力を測定し、最大値(I0 とす
る)を示す参照ミラー11の位置をx0 とし、I0 とx
0 を信号演算手段15に記憶させる。この位置が参照ミ
ラー11と基板8との光路長差が0となる位置である。
Hereinafter, the measurement procedure will be described: Stage 1
The sample 7 is placed on the substrate 8 and the stage 10 is parallelized on the upper surface of the substrate 8 using a tilting mechanism. After the parallel alignment of the substrate 8, the stage 10 is moved while observing with the eyepiece tube 17 so that the bump 9 of the sample 7 does not exist at the center of the visual field of the objective 5.
To move. In this state, the position of the reference mirror 11 in the optical axis direction is displaced by changing the voltage applied from the piezo actuator driving device 16. One-dimensional CC
Measuring the output of the pixel of the center of the D14, the position of the reference mirror 11 showing the maximum value (a I 0) and x 0, I 0 and x
0 is stored in the signal calculation means 15. This position is the position where the optical path length difference between the reference mirror 11 and the substrate 8 becomes zero.

【0097】次に、接眼鏡筒17の視野中心にバンプ9
の頂点が存在するようにステージ10を移動させる。そ
の状態で、参照ミラー11の光軸方向の位置を変位させ
て、同様に1次元CCD14の中心の画素が最大値(I
1 とする)を示す参照ミラー11の位置をx1 として、
1 とx1 を信号演算手段15に記憶させる。この位置
が参照ミラー11とバンプ9頂点との光路長差が0とな
る位置である。なお、接眼鏡筒17の観察時には、図示
しない光束遮蔽機構によりハーフミラー6から参照ミラ
ー11へ入射する光束を遮蔽した状態で観察し、観察終
了時には遮蔽機構を解除することによりハーフミラー6
に光束が入射する状態に戻す。
Next, the bump 9 is placed at the center of the visual field of the eyepiece tube 17.
The stage 10 is moved so that the vertex exists. In this state, the position of the reference mirror 11 in the optical axis direction is displaced, and the pixel at the center of the one-dimensional CCD 14 similarly has the maximum value (I
The position of the reference mirror 11 showing a 1 to) as x 1,
I 1 and x 1 are stored in the signal calculation means 15. This position is where the optical path length difference between the reference mirror 11 and the vertex of the bump 9 becomes zero. At the time of observation of the eyepiece tube 17, observation is performed in a state in which a light beam incident on the reference mirror 11 from the half mirror 6 is shielded by a light beam shielding mechanism (not shown).
Is returned to the state where the light beam is incident.

【0098】次に、試料7を測定開始する位置に移動さ
せる。参照ミラー11をx0 からx 1 の位置の間を正弦
波状に振動させた状態で、ステージ10により試料7を
一定速度でx方向に移動させる。
Next, the sample 7 is moved to a position where measurement is started.
Let Reference mirror 110To x 1Sine between positions
The sample 7 is moved by the stage 10 while being vibrated in a wave form.
Move in the x direction at a constant speed.

【0099】実際には、基板8にはうねりがあるため
に、基板8上面に凹凸があることや、製造誤差等により
バンプ9の大きさにばらつきがあることから、それらに
対応するために、参照ミラー11の移動範囲はx0 とx
1 との間だけではなく、若干広めにとる必要がある。
Actually, since the substrate 8 has undulations, the upper surface of the substrate 8 has irregularities, and the bumps 9 vary in size due to manufacturing errors and the like. The movement range of the reference mirror 11 is x 0 and x
It needs to be slightly wider, not just between 1 .

【0100】そのときに、信号演算手段15には、光検
出手段14の1次元に配置された複数のCCD画素から
の信号が伝達される。ここでは簡単のため、複数のCC
D画素の内、一つに注目して説明する。図5に、試料7
と参照ミラー11を正弦波状に変位させたときの測定光
束と参照光束の光路長差が0になる位置の軌跡を示す。
参照光束と測定光束との光路差が0になる点の近傍で出
力が強くなる。光路長差が0になる点は、図中に小さな
丸で囲んだように分布する。光検出手段14からの出力
がある閾値以上になったとき、その点でのステージ10
のx方向の位置と、ピエゾアクチュエータ12の駆動電
圧を信号演算手段15に記憶させる。ステージ10のx
方向の位置は、例えば図示しないステージ駆動機構に付
加したリニアスケールで測定することができる。ピエゾ
アクチュエータ12の駆動電圧とそれに対応する変位を
予め測定しておけば、駆動電圧の値から参照ミラー11
の変位を計算することができ、それを基に試料7のz方
向の変位を算出できる。閾値は、信号演算手段15に記
憶させたI0 とI1 を基に決定する。基板8とバンプ9
の反射率の違い等から、干渉縞のコントラストが異な
り、その結果I0 とI 1 の値が異なる場合が多い。そこ
で、例えばI0 とI1 とで小さい方の値に0.9を掛け
たものを閾値とすれば、場所により干渉縞のコントラス
トが異なる場合でも、基板8とバンプ9の両方の形状測
定を行うことができる。
At this time, the signal operation means 15
From a plurality of one-dimensionally arranged CCD pixels of the output means 14
Is transmitted. Here, for simplicity, multiple CCs
The following description focuses on one of the D pixels. FIG.
And the measuring light when the reference mirror 11 is displaced in a sine wave shape
5 shows a locus at a position where the optical path length difference between the light flux and the reference light flux becomes zero.
The light exits near the point where the optical path difference between the reference light beam and the measurement light beam becomes zero.
Strengthens. The point where the optical path length difference becomes 0 is small in the figure.
Distributed as circled. Output from light detection means 14
When a certain threshold is exceeded, the stage 10 at that point
And the drive voltage of the piezo actuator 12
The pressure is stored in the signal calculation means 15. Stage 10 x
The position in the direction is attached to, for example, a stage drive mechanism (not shown).
It can be measured on the added linear scale. Piezo
The drive voltage of the actuator 12 and the corresponding displacement
If measured in advance, the reference mirror 11
Of the sample 7 can be calculated based on the displacement.
Direction displacement can be calculated. The threshold value is recorded in the signal operation means 15.
I remembered0And I1Is determined based on Substrate 8 and bump 9
The contrast of the interference fringes
And as a result I0And I 1Are often different. There
So, for example, I0And I1And multiply the smaller value by 0.9
If the threshold value is used as the threshold, the contrast
The shape of both the substrate 8 and the bump 9 is measured even if the
Settings can be made.

【0101】以上は、CCD画素の内、一つの画素に限
定して説明したが、実際には複数の画素が配置されてい
る。測定中に一定値以上の出力が得られたときに、どの
画素で一定値を越えたかという情報と、そのときのステ
ージ10のy方向の位置から、試料7上のy方向の位置
を算出することができる。
In the above description, only one of the CCD pixels has been described. However, a plurality of pixels are actually arranged. When an output of a certain value or more is obtained during the measurement, the position in the y direction on the sample 7 is calculated from the information indicating which pixel has exceeded the certain value and the position of the stage 10 in the y direction at that time. be able to.

【0102】試料7をx方向に走査して試料7の端まで
到達すると、x方向の走査を停止させ、測定の走査幅だ
けy方向に試料7を移動させて、再びx方向にステージ
10を移動させる。これを繰り返して、試料7全面を測
定する。
When the sample 7 is scanned in the x direction and reaches the end of the sample 7, the scanning in the x direction is stopped, the sample 7 is moved in the y direction by the scan width of measurement, and the stage 10 is again moved in the x direction. Move. By repeating this, the entire surface of the sample 7 is measured.

【0103】本実施の形態によれば、測定中はステージ
10を一定速度で移動させればよく、従来方法のように
移動、停止を繰り返す必要がない。また、同じ箇所を複
数回測定する必要がないために、測定時間を大幅に短縮
することができる。
According to the present embodiment, the stage 10 may be moved at a constant speed during the measurement, and there is no need to repeatedly move and stop as in the conventional method. Further, since it is not necessary to measure the same portion a plurality of times, the measurement time can be significantly reduced.

【0104】上記の説明では、本発明をマイケルソン型
の白色干渉計に適用した例について説明したが、これに
限られる訳ではなく、他の構成、例えばリニーク型の白
色干渉計やミロー型の白色干渉計に適用してもよい。
In the above description, an example in which the present invention is applied to a Michelson-type white interferometer is described. However, the present invention is not limited to this, and other configurations such as a linear-type white interferometer and a Mirrow-type white interferometer can be used. It may be applied to a white light interferometer.

【0105】上記の説明では、参照ミラー11の変位を
検出する手段として、ピエゾアクチュエータ12の駆動
電圧から算出する方法を用いたが、これに限られる訳で
はなく、他の手段、例えばレーザ測長器を用いてもよ
い。その場合、裏面もミラー面に加工された参照ミラー
11を用い、参照ミラー11の裏面にレーザを照射して
変位を測定すればよい。
In the above description, as a means for detecting the displacement of the reference mirror 11, a method of calculating from the drive voltage of the piezo actuator 12 is used. However, the present invention is not limited to this. A vessel may be used. In that case, the displacement may be measured by irradiating the back surface of the reference mirror 11 with a laser by using the reference mirror 11 whose back surface is also machined.

【0106】上記の説明では、光源1としてハロゲンラ
ンプを用いた例について説明したが、これに限られる訳
ではなく、他の白色光源、例えばキセノンランプや水銀
ランプを用いてもよく、さらには他のコヒーレンスの低
い光源、例えばSLD(スーパールミネッセントダイオ
ード)等を用いてもよい。
In the above description, an example in which a halogen lamp is used as the light source 1 has been described. However, the present invention is not limited to this, and another white light source such as a xenon lamp or a mercury lamp may be used. , A light source having a low coherence, for example, an SLD (super luminescent diode) or the like may be used.

【0107】〔第2実施形態〕本発明の3次元形状測定
装置の第2の発明実施の形態を図2を用いて説明する。
図2において、図1に示した基本的な構成と同一若しく
は対応する部材には同一符号を付して示しており、基本
的に説明は省略した。
[Second Embodiment] A second embodiment of the three-dimensional shape measuring apparatus according to the present invention will be described with reference to FIG.
In FIG. 2, members that are the same as or correspond to the basic configuration shown in FIG. 1 are given the same reference numerals, and descriptions thereof are basically omitted.

【0108】図2において、18は光束分割手段である
と同時に光束合成手段でもあり、例えばハーフミラーを
用いることができ、入射した照明光束を干渉測定におい
て参照光束となる第1の光束と、測定用光束となる第2
の光束とに分割する。第1の光束の進行方向上には、レ
ンズ21と、ピエゾアクチュエータ12に結合された参
照ミラー11が光軸に対して垂直に配置されている。レ
ンズ21は、その後側焦点位置が集光レンズ3による照
明光の集光点と一致するように配置される。他方、第2
の光束上には、対物レンズ20とステージ10上に載置
された試料7が配置されている。対物レンズ20は、そ
の後側焦点位置が集光レンズ3による照明光の集光点と
一致するように配置される。レンズ21と対物レンズ2
0は、焦点距離や開口数等の光学性能が同一であるもの
を用いる。試料7は、基板8上に周期的にバンプ9が形
成された構成となっている。
In FIG. 2, reference numeral 18 denotes a light beam splitting means and a light beam synthesizing means. For example, a half mirror can be used. Second light beam
And the light flux. In the traveling direction of the first light beam, a lens 21 and a reference mirror 11 coupled to a piezo actuator 12 are arranged perpendicular to the optical axis. The lens 21 is arranged such that the rear focal position coincides with the focal point of the illumination light by the condenser lens 3. On the other hand, the second
The sample 7 placed on the objective lens 20 and the stage 10 is disposed on the light beam. The objective lens 20 is arranged such that the rear focal position coincides with the focal point of the illumination light by the condenser lens 3. Lens 21 and objective lens 2
For 0, those having the same optical performance such as the focal length and the numerical aperture are used. The sample 7 has a configuration in which bumps 9 are periodically formed on a substrate 8.

【0109】ハーフミラー18と結像レンズ13との間
に配置された符号22で示されるものはオートフォーカ
ス装置であり、試料7の変位を測定することができる。
顕微鏡のオートフォーカス装置については公知の技術で
あるため、説明は省略する。
An auto-focusing device indicated by reference numeral 22 disposed between the half mirror 18 and the imaging lens 13 can measure the displacement of the sample 7.
The autofocus device of the microscope is a known technique, and thus the description is omitted.

【0110】以下に、測定手順を説明する:基板8の平
行出しの後、接眼筒鏡17で観察しながら、対物レンズ
20の視野中心にバンプ9が存在しないようにステージ
10を移動させる。その状態で、オートフォーカス装置
22により基板8の高さを測定する。この作業を試料7
の複数箇所で行い、基板8の上面の形状をその複数の結
果に最小自乗法を適用して近似する。
Hereinafter, the measurement procedure will be described. After the substrate 8 is set in parallel, the stage 10 is moved so that the bump 9 does not exist at the center of the visual field of the objective lens 20 while observing with the eyepiece mirror 17. In this state, the height of the substrate 8 is measured by the autofocus device 22. Sample 7
And the shape of the upper surface of the substrate 8 is approximated by applying the least square method to the plurality of results.

【0111】次に、接眼鏡筒17の視野中心にバンプ9
の頂点が存在するようにステージ10を移動させる。そ
の状態で参照ミラー11の光軸方向の位置を変位させ
て、1次元CCD14の中心の画素の出力が最大値(I
3 とする)を示す参照ミラー11の位置をx2 として、
3 、x2 を信号演算手段15に記憶させる。この位置
が参照ミラー11とバンプ9頂点との光路長差が0とな
る位置である。その後、オートフォーカス装置22によ
り、バンプ9頂点の高さとすぐ脇の基板8上面の高さと
を測定して信号演算手段15に記憶させる。なお、接眼
鏡筒17の観察時には、図示しない遮蔽板によりハーフ
ミラー18から参照ミラー11へ入射する光束を遮蔽し
た状態で観察し、観察終了時には遮蔽板を光束から退避
させることにより参照ミラー11に光束が入射する状態
に戻す。
Next, the bump 9 is placed at the center of the visual field of the eyepiece tube 17.
The stage 10 is moved so that the vertex exists. In this state, the position of the reference mirror 11 in the optical axis direction is displaced, and the output of the pixel at the center of the one-dimensional CCD 14 becomes the maximum value (I
The position of the reference mirror 11 showing a 3 to) as x 2,
I 3 and x 2 are stored in the signal calculation means 15. This position is where the optical path length difference between the reference mirror 11 and the vertex of the bump 9 becomes zero. Thereafter, the height of the apex of the bump 9 and the height of the upper surface of the substrate 8 immediately beside the bump 9 are measured by the autofocus device 22 and stored in the signal calculation means 15. When observing the eyepiece tube 17, observation is performed in a state where a light beam incident on the reference mirror 11 from the half mirror 18 is shielded by a shielding plate (not shown). Return to the state where the light beam enters.

【0112】次に、試料7を測定開始する位置に移動さ
せる。参照ミラー11を正弦波状に振動させた状態で、
ステージ10により試料7を一定速度vs でx方向に移
動させる。
Next, the sample 7 is moved to a position where measurement is started. In a state where the reference mirror 11 is vibrated in a sine wave shape,
Sample 7 is moved in the x direction at a constant velocity v s by the stage 10.

【0113】このとき、参照ミラー11は、x2 とx2
−R×〔1−(1−sin2 θb 1/2 〕との間を、周
波数vs /(2Rsinθb )〔Hz〕で振動させる
(図中、矢印方向をx軸の+とする。)。ただし、 NA:対物レンズの試料側開口数 R :バンプ形状を球面で近似したときの球面の半径 vs :試料を一定速度で移動させるときの速度 θb :θb =(sin-1NA)/2 とする。
At this time, the reference mirror 11TwoAnd xTwo
−R × [1- (1-sinTwoθb) 1/2] Between
Wave number vs/ (2R sin θb) Vibration at [Hz]
(In the figure, the direction of the arrow is defined as + on the x-axis.) Where: NA: numerical aperture on the sample side of the objective lens R: radius of the spherical surface when the bump shape is approximated by a spherical surface vs: Speed at which the sample is moved at a constant speed θb: Θb= (Sin-1NA) / 2.

【0114】実際には、基板8にはうねりがあるため
に、基板8上面に凹凸があることや、製造誤差等により
バンプ9の大きさにばらつきがあることから、それらに
対応するために、参照ミラー11の移動範囲は上記の値
よりも若干広めにとる必要がある。
Actually, since the substrate 8 has undulations, the upper surface of the substrate 8 has irregularities, and the bumps 9 vary in size due to manufacturing errors and the like. The moving range of the reference mirror 11 needs to be slightly wider than the above value.

【0115】そのときに、第1の実施の形態と同様の信
号処理を行うことにより、バンプ9頂点周辺の形状測定
を行うことができる。このとき、参照面を変位させる範
囲が上記の通りバンプ9頂点付近であるため、閾値は、
信号演算手段15に記憶させたI3 を基に決定する。例
えばI3 の値に0.9を掛けたものを閾値とすればよ
い。
At this time, by performing the same signal processing as in the first embodiment, the shape measurement around the apex of the bump 9 can be performed. At this time, since the range for displacing the reference plane is near the vertex of bump 9 as described above, the threshold value is
The determination is made based on I 3 stored in the signal operation means 15. For example, a value obtained by multiplying the value of I 3 by 0.9 may be used as the threshold.

【0116】ただし、これまでの測定だけでは、各バン
プ9の頂点の高さの相対的な位置関係が分かるだけで、
基板8からバンプ9頂点までの高さの絶対値を算出する
ことができない。そこで、オートフォーカス装置22に
よる測定結果(バンプ9頂点の高さとすぐ脇の基板8上
面の高さ)から一つのバンプ9に対して高さが計算でき
る。そのバンプ9を基準にして、上記の各バンプ9の頂
点の高さの相対的な位置関係から各バンプ9の高さを算
出することができる。このとき、基板8上面のそり等に
よる凹凸の影響は、オートフォーカスによる測定結果か
ら基板8上面を近似した値を用いて、各バンプ9毎に補
正を加えればよい。
However, only the relative measurements of the heights of the vertices of the bumps 9 can be known from the measurements so far.
The absolute value of the height from the substrate 8 to the vertex of the bump 9 cannot be calculated. Therefore, the height of one bump 9 can be calculated from the measurement result (the height of the top of the bump 9 and the height of the upper surface of the substrate 8 immediately beside the bump 9) by the autofocus device 22. The height of each bump 9 can be calculated from the relative positional relationship between the heights of the vertices of each bump 9 based on the bump 9. At this time, the influence of the unevenness due to the warpage or the like of the upper surface of the substrate 8 may be corrected for each bump 9 using a value approximating the upper surface of the substrate 8 from the measurement result by the autofocus.

【0117】試料7をx方向に走査して試料7の端まで
到達すると、x方向の走査を停止させ、測定の走査幅だ
けy方向に試料7を移動させて再びx方向にステージ1
0を移動させる。これを繰り返して、試料7全面を測定
する。
When the sample 7 is scanned in the x direction and reaches the end of the sample 7, the scanning in the x direction is stopped, the sample 7 is moved in the y direction by the scan width of the measurement, and the stage 1 is again moved in the x direction.
Move 0. By repeating this, the entire surface of the sample 7 is measured.

【0118】基板8とバンプ9の反射率は大きく異なる
場合が多く、基板8からの干渉縞のコントラストとバン
プ9で発生する干渉縞のコントラストとは大きく異なっ
てしまうため、光検出手段14をその両方に適した感度
に設定するのが困難な場合が多かった。本実施の形態に
よれば、バンプ9で発生する干渉縞のみを検出すればよ
く、光検出手段14の感度を最適な値に調整することが
可能になる。また、参照ミラー11を振動させる振幅が
減少したために、参照ミラー11を変位させる周波数を
上げることができる。したがって、試料7を測定する際
の測定間隔を狭くすることができ、測定精度を向上させ
ることができる。あるいは、ステージ速度vs を上げる
ことにより、さらなる測定時間の短縮が可能になる。
In many cases, the reflectance of the substrate 8 differs greatly from that of the bumps 9, and the contrast of the interference fringes from the substrate 8 greatly differs from the contrast of the interference fringes generated by the bumps 9. In many cases, it was difficult to set a sensitivity suitable for both. According to the present embodiment, only the interference fringes generated at the bumps 9 need to be detected, and the sensitivity of the light detection means 14 can be adjusted to an optimum value. Further, since the amplitude at which the reference mirror 11 vibrates is reduced, the frequency at which the reference mirror 11 is displaced can be increased. Therefore, the measurement interval when measuring the sample 7 can be narrowed, and the measurement accuracy can be improved. Alternatively, by raising the stage speed v s, it is possible to further shorten the measurement time.

【0119】上記の説明では、参照ミラー11を一定周
期で変位させる場合について説明したが、これに限られ
る訳ではなく、例えばバンプ9測定時以外には、周期を
遅くしてもよい。
In the above description, the case where the reference mirror 11 is displaced at a constant cycle has been described. However, the present invention is not limited to this. For example, the cycle may be delayed except when measuring the bump 9.

【0120】上記の説明では、ステージ10を一定速度
s で移動させる場合について説明したが、これに限ら
れる訳ではない。バンプ9は規則的に配置されているの
で、例えば一つのチップの中でのバンプとバンプの間
や、あるいはチップと隣のチップのように、バンプが存
在しない領域ではステージ10の移動速度を上げて、バ
ンプ9測定時には一定速度に制御することもでき、ステ
ージ10の平均的な移動速度を向上させることができ、
測定時間の短縮に繋がる。
[0120] In the above description, the description has been given of the case of moving the stage 10 at a constant speed v s, not limited to this. Since the bumps 9 are arranged regularly, the moving speed of the stage 10 is increased in an area where no bumps exist, for example, between bumps in one chip or in a chip adjacent to the chip. Therefore, the speed can be controlled to be constant at the time of measuring the bump 9, and the average moving speed of the stage 10 can be improved.
This leads to a reduction in measurement time.

【0121】〔第3実施形態〕本発明の3次元形状測定
装置の第3の発明実施の形態を図3を用いて説明する。
図3において、図1に示した基本的な構成と同一若しく
は対応する部材には同一符号を付して示しており、基本
的に説明は省略した。
[Third Embodiment] A third embodiment of the three-dimensional shape measuring apparatus according to the present invention will be described with reference to FIG.
3, members that are the same as or correspond to the basic configuration shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is basically omitted.

【0122】図3において、31は水銀ランプ等の白色
光源、32は白色光源31からの照明光束を略平行な光
束に成形するコリメータレンズ、33は照明光束の進行
方向を偏向させる光束偏向手段であり、例えばハーフミ
ラーを用いることができる。34は集光レンズであり、
35は光束径制限手段であり、例えばスリットを用いる
ことができ、スリットの長手方向がy軸方向と合致する
ように配置する。集光レンズ34による照明光の集光点
の位置に光束径制限手段35が配置されている。36は
結像レンズであり、その後側焦点と光束径制限手段35
とが一致するように配置されている。17は接眼鏡筒で
あり、試料7の光学像を観察することができる。37は
対物レンズである。
In FIG. 3, 31 is a white light source such as a mercury lamp, 32 is a collimator lens for shaping the illumination light beam from the white light source 31 into a substantially parallel light beam, and 33 is a light beam deflecting means for deflecting the traveling direction of the illumination light beam. Yes, for example, a half mirror can be used. 34 is a condenser lens,
Reference numeral 35 denotes a light beam diameter restricting means, for example, a slit can be used, and the slit is arranged so that the longitudinal direction of the slit coincides with the y-axis direction. A light beam diameter restricting means 35 is disposed at a position of a focal point of the illumination light by the condenser lens 34. Numeral 36 denotes an image forming lens, which has a rear focal point and a light beam diameter limiting means 35.
And are arranged so as to match. Reference numeral 17 denotes an eyepiece tube, from which an optical image of the sample 7 can be observed. Reference numeral 37 denotes an objective lens.

【0123】レンズ38は、レンズ34と合わせてリレ
ーレンズ39を構成する。レンズ34と光束径制限手段
35とは図示しない機械部品により一体に固定され、ユ
ニット40を形成し、ピエゾアクチュエータを用いた移
動機構(図示せず)によりz方向に移動可能となってい
る。ユニット40の光軸方向の変位は、ピエゾアクチュ
エータへの駆動電圧を測定することにより、駆動電圧と
変位の関係から算出することができる。
The lens 38 forms a relay lens 39 together with the lens 34. The lens 34 and the light beam diameter limiting means 35 are integrally fixed by a mechanical part (not shown) to form a unit 40, which is movable in the z direction by a moving mechanism (not shown) using a piezo actuator. The displacement of the unit 40 in the optical axis direction can be calculated from the relationship between the drive voltage and the displacement by measuring the drive voltage to the piezo actuator.

【0124】白色光源31から出た照明光はコリメータ
レンズ32により略平行な光束に成形されて、ハーフミ
ラー33に入射する。ハーフミラー33により反射され
た照明光は、レンズ34により収束光に変換され光束径
制限手段35の位置で集光する。光束径制限手段35の
スリットを通過した照明光は結像レンズ36に入射して
平行光束になり、対物レンズ37に入射する。照明光は
対物レンズ37で集光され、試料7を照明する。
The illumination light emitted from the white light source 31 is shaped into a substantially parallel light beam by the collimator lens 32 and enters the half mirror 33. The illumination light reflected by the half mirror 33 is converted into convergent light by the lens 34 and condensed at the position of the light beam diameter limiting means 35. The illuminating light passing through the slit of the light beam diameter limiting means 35 enters the imaging lens 36 to become a parallel light beam, and enters the objective lens 37. The illumination light is collected by the objective lens 37 and illuminates the sample 7.

【0125】試料7で反射された光束は、再び対物レン
ズ37、結像レンズ36、光束径制限手段35、レンズ
34を介してハーフミラー33に入射する。ハーフミラ
ー33を透過した光束は、リレーレンズ39により光検
出手段14の受光面に集光される。
The light beam reflected by the sample 7 again enters the half mirror 33 via the objective lens 37, the imaging lens 36, the light beam diameter limiting means 35, and the lens 34. The light beam transmitted through the half mirror 33 is collected on the light receiving surface of the light detecting means 14 by the relay lens 39.

【0126】以下に、測定手順を説明する:試料7の基
板8上面の平行出しの後、接眼鏡筒17で観察しなが
ら、対物レンズ37の視野中心に試料7のバンプ9が存
在しないようにステージ10を移動させる。その状態
で,図示しない移動機構によりユニット40の光軸方向
の位置を変位させる。1次元CCD14の中心の画素の
出力を測定し、最大値(I4 とする)を示す光軸方向の
位置をz0 とし、I4 とz0 を信号演算手段15に記憶
させる。この位置が基板8上面に合焦している状態であ
る。
The measurement procedure will be described below. After the sample 7 is parallelized on the upper surface of the substrate 8, while observing with the eyepiece tube 17, the bump 9 of the sample 7 should not be present at the center of the visual field of the objective lens 37. The stage 10 is moved. In this state, the position of the unit 40 in the optical axis direction is displaced by a moving mechanism (not shown). The output of the pixel at the center of the one-dimensional CCD 14 is measured, the position in the optical axis direction showing the maximum value (I 4 ) is set to z 0, and I 4 and z 0 are stored in the signal calculation means 15. This position is a state where the focus is on the upper surface of the substrate 8.

【0127】次に、接眼鏡筒17の視野中心にバンプ9
の頂点が存在するように、ステージ10をx,y方向に
移動させる。その状態で、図示しない移動機構によりユ
ニット40の光軸方向の位置を変位させて、1次元CC
D14の中心の画素の出力が最大値(I5 とする)を示
すときの、ユニット40の光軸方向の位置をz1 とし
て、I5 とz1 を信号演算手段15に記憶させる。この
位置がバンプ9頂点に合焦している状態である。
Next, the bump 9 is placed at the center of the visual field of the eyepiece tube 17.
The stage 10 is moved in the x and y directions so that the vertex exists. In this state, the position of the unit 40 in the optical axis direction is displaced by a moving mechanism (not shown) to
When the output of D14 center of the pixel of a maximum value (a I 5), the position of the optical axis of the unit 40 as z 1, and stores the I 5 and z 1 to the signal calculation means 15. This position is a state where the apex of the bump 9 is focused.

【0128】次に、試料7を測定開始する位置に移動さ
せる。ユニット40をz0 からz1の間を正弦波状に振
動させた状態で、ステージ10により試料7を一定速度
でx方向に移動させる。
Next, the sample 7 is moved to a position where measurement is started. The sample 7 is moved in the x direction at a constant speed by the stage 10 while the unit 40 is vibrated in a sine wave shape between z 0 and z 1 .

【0129】実際には、基板8にはうねりがあるため、
基板8上面に凹凸があることや、製造誤差等によりバン
プ9の大きさにばらつきがあることから、それらに対応
するために、ユニット40の移動範囲はz0 とz1 との
間だけではなく、若干広めにとる必要がある。
In practice, the substrate 8 has undulations,
And that there is unevenness on the substrate 8 top, since there are variations in the size of the bump 9 due to a manufacturing error or the like, in order to cope with them, the moving range of the unit 40 not only between z 0 and z 1 , Need to be slightly wider.

【0130】そのときに、信号演算手段15には光検出
手段14の1次元に配置された複数のCCD画素からの
信号が伝達される。ここで、第1の実施の形態と同様の
信号処理を行うことにより、試料7の表面形状を算出す
ることができる。ただし、ユニット40の変位からそれ
に伴う試料7上での合焦位置の変位を求める場合は、対
物レンズ37と結像レンズ36とで構成される光学系の
縦倍率を考慮する必要がある。
At this time, signals from a plurality of one-dimensionally arranged CCD pixels of the light detecting means 14 are transmitted to the signal calculating means 15. Here, by performing the same signal processing as in the first embodiment, the surface shape of the sample 7 can be calculated. However, when calculating the displacement of the focusing position on the sample 7 from the displacement of the unit 40, it is necessary to consider the longitudinal magnification of the optical system composed of the objective lens 37 and the imaging lens 36.

【0131】閾値は、信号演算手段15に記憶させたI
4 とI5 を基に決定する。基板8とバンプ9の反射率の
違いから、光検出手段14に入射する光強度I4 とI5
の値が異なる場合が多い。そこで、第1の実施の形態で
説明したのと同様に、例えばI4 とI5 とで小さい方の
値に0.9を掛けたものを閾値とすれば、場所により試
料7の反射率が異なる場合でも、基板8とバンプ9の両
方の形状測定を行うことができる。
The threshold value is calculated based on the I value stored in the signal operation means 15.
4 and I 5 is determined based on. Due to the difference in reflectance between the substrate 8 and the bump 9, the light intensities I 4 and I 5
Are often different. Therefore, as described in the first embodiment, for example, if the smaller one of I 4 and I 5 is multiplied by 0.9, and the threshold is set as the threshold, the reflectance of the sample 7 depends on the location. Even if different, the shape measurement of both the substrate 8 and the bump 9 can be performed.

【0132】試料7をx方向に走査して試料7の端まで
到達すると、x方向の走査を停止させ、測定の走査幅だ
けy方向に試料7を移動させて、再びx方向にステージ
10を移動させる。これを繰り返して、試料7全面を測
定する。
When the sample 7 is scanned in the x direction and reaches the end of the sample 7, the scanning in the x direction is stopped, the sample 7 is moved in the y direction by the scan width of the measurement, and the stage 10 is again moved in the x direction. Move. By repeating this, the entire surface of the sample 7 is measured.

【0133】本実施の形態によれば、測定中はステージ
10を一定速度で移動させればよく、従来方法のように
移動、停止を繰り返す必要がない。また、同じ箇所を複
数回測定する必要がないために、測定時間を大幅に短縮
することができる。
According to the present embodiment, the stage 10 may be moved at a constant speed during measurement, and there is no need to repeatedly move and stop as in the conventional method. Further, since it is not necessary to measure the same portion a plurality of times, the measurement time can be significantly reduced.

【0134】上記の説明では、光束径制限手段35とし
て開口形状がスリットの場合について説明したが、これ
に限られる訳ではなく、他の形状、例えばピンホールを
用いてもよい。その場合、光束径制限手段35と試料7
との間に、照明光束をy方向に走査する機構を付加する
必要があり、その機構が複雑になると測定時間が長くな
ってしまう。しかし、スリットを用いた上記の実施の形
態では、xとzの2方向しか共焦点効果が得られず、y
方向に関しては通常の顕微鏡と同等の分解能しか得られ
ないのに対して、ピンホールを用いると、x,y,z全
ての方向に対して共焦点効果が得られるという利点があ
る。
In the above description, the case where the aperture shape is a slit as the light beam diameter limiting means 35 has been described. However, the present invention is not limited to this, and another shape such as a pinhole may be used. In this case, the beam diameter limiting means 35 and the sample 7
It is necessary to add a mechanism for scanning the illumination light beam in the y-direction between the two, and if the mechanism becomes complicated, the measurement time becomes long. However, in the above embodiment using the slit, the confocal effect can be obtained only in two directions of x and z, and y
With respect to the direction, only a resolution equivalent to that of a normal microscope can be obtained, while using a pinhole has the advantage that a confocal effect can be obtained in all directions of x, y, and z.

【0135】上記の説明では、光源31として水銀ラン
プを用いた例について説明したが、これに限られる訳で
はなく、他の白色光源、例えばキセノンランプを用いて
もよく、あるいはレーザ光源、例えばヘリウムネオンレ
ーザ等を用いてもよい。
In the above description, an example in which a mercury lamp is used as the light source 31 has been described. However, the present invention is not limited to this, and another white light source, for example, a xenon lamp may be used, or a laser light source, for example, helium. A neon laser or the like may be used.

【0136】〔第4実施形態〕本発明の3次元形状測定
装置の第4の発明実施の形態を図4を用いて説明する。
図4において、図1〜図3に示した基本的な構成と同一
若しくは対応する部材には同一符号を付して示してお
り、基本的に説明は省略した。
[Fourth Embodiment] A fourth embodiment of the three-dimensional shape measuring apparatus according to the present invention will be described with reference to FIG.
In FIG. 4, members that are the same as or correspond to the basic configuration shown in FIGS. 1 to 3 are given the same reference numerals, and description thereof is basically omitted.

【0137】図4において、41は光束径制限手段であ
り、例えばマルチピンホールアレイを用いることがで
き、図示しない機構により、z軸を回転軸として回転可
能となっている。光束径制限手段41は、集光レンズ3
4による照明光の集光点の位置に配置される。42は対
物レンズであり、ピエゾアクチュエータを用いた移動機
構(図示せず)によりz方向に移動可能となっている。
対物レンズ42の光軸方向の変位はピエゾアクチュエー
タへの駆動電圧を測定することにより、駆動電圧と変位
の関係から算出することができる。
In FIG. 4, reference numeral 41 denotes a light beam diameter restricting means, for example, a multi-pinhole array can be used, and it is rotatable about a z-axis by a mechanism (not shown). The light beam diameter limiting means 41 is
4 is disposed at the position of the focal point of the illumination light. An objective lens 42 is movable in the z direction by a moving mechanism (not shown) using a piezo actuator.
The displacement of the objective lens 42 in the optical axis direction can be calculated from the relationship between the drive voltage and the displacement by measuring the drive voltage to the piezo actuator.

【0138】以下に、測定手順を説明する:基板8の平
行出しの後、接眼鏡筒17で観察しながら、対物レンズ
42の視野中心にバンプ9が存在しないようにステージ
10を移動させる。その状態で、オートフォーカス装置
22により基板8の高さを測定する。この作業を試料7
の複数箇所で行い、基板8の上面の形状をその複数の結
果に最小自乗法を適用して近似する。
Hereinafter, the measurement procedure will be described. After the substrate 8 is set in parallel, the stage 10 is moved while observing with the eyepiece tube 17 so that the bump 9 does not exist at the center of the visual field of the objective lens 42. In this state, the height of the substrate 8 is measured by the autofocus device 22. Sample 7
And the shape of the upper surface of the substrate 8 is approximated by applying the least square method to the plurality of results.

【0139】次に、接眼鏡筒17の視野中心にバンプ9
の頂点が存在するようにステージ10を移動させる。そ
の状態で、対物レンズ42の光軸方向の位置を変位させ
て、1次元CCD14の中心の画素の出力が最大値(I
6 とする)を示す対物レンズ42の位置をz3 として、
6 とz3 を信号演算手段15に記憶させる。この位置
がバンプ9頂点に合焦した位置である。その後、オート
フォーカス装置22により、バンプ9頂点の高さとすぐ
脇の基板8上面の高さとを測定して信号演算手段15に
記憶させる。
Next, the bump 9 is placed at the center of the visual field of the eyepiece tube 17.
The stage 10 is moved so that the vertex exists. In this state, the position of the objective lens 42 in the optical axis direction is displaced, and the output of the pixel at the center of the one-dimensional CCD 14 becomes the maximum value (I
As z 3 the position of the objective lens 42 showing the to) and 6,
I 6 and z 3 are stored in the signal calculation means 15. This position is the position where the apex of the bump 9 is focused. Thereafter, the height of the apex of the bump 9 and the height of the upper surface of the substrate 8 immediately beside the bump 9 are measured by the autofocus device 22 and stored in the signal calculation means 15.

【0140】次に、試料7を測定開始する位置に移動さ
せる。対物レンズ42を正弦波状に振動させた状態で、
ステージ10により試料7を一定速度vs でx方向に移
動させる。
Next, the sample 7 is moved to a position where measurement is started. With the objective lens 42 vibrated in a sine wave shape,
Sample 7 is moved in the x direction at a constant velocity v s by the stage 10.

【0141】このとき、対物レンズ42はz3 とz3
R×〔1−(1−sin2 θb 1/ 2 〕との間を、周波
数vs /(2Rsinθb )〔Hz〕で振動させる(図
中、図中、矢印方向をx軸の+とする。)。ただし、 NA:対物レンズの試料側開口数 R :バンプ形状を球面で近似したときの球面の半径 vs :試料を一定速度で移動させるときの速度 θb :θb =(sin-1NA)/2 とする。
At this time, the objective lens 42 has z 3 and z 3
Between the R × [1- (1-sin 2 θ b ) 1/2 ], (in the figure to oscillate at a frequency v s / (2Rsinθ b) [Hz], in the figure, the arrow direction x-axis of the + .). Where: NA: numerical aperture on the sample side of the objective lens R: radius of the spherical surface when the bump shape is approximated by a spherical surface v s : speed when the sample is moved at a constant speed θ b : θ b = (sin −1 NA) / 2.

【0142】実際には、基板8にはうねりがあるため、
基板8上面に凹凸があることや、製造誤差等によりバン
プ9の大きさにばらつきがあることから、それらに対応
するために対物レンズ42の移動範囲は上記の値よりも
若干広めにとる必要がある。
Actually, since the substrate 8 has undulations,
Since the bumps 9 have irregularities on the upper surface of the substrate 8 and variations in the size of the bumps 9 due to manufacturing errors and the like, the moving range of the objective lens 42 needs to be slightly wider than the above value in order to cope with these. is there.

【0143】そのときに、第2の実施の形態と同様の信
号処理を行うことにより、バンプ9頂点周辺の形状測定
を行うことができ。このとき、対物レンズ42の変位と
それに伴う試料7上での合焦位置の変位は等しい。した
がって、対物レンズ42の変位を測定することにより、
光束径制限手段41と共役な位置の変位を求めることが
できる。光束径制限手段41と共役な位置が上記の通り
バンプ9頂点付近だけであるため、閾値は信号演算手段
15に記憶させたI6 を基にに決定する。例えばI6
値に0.9を掛けたものを閾値とすればよい。
At this time, by performing the same signal processing as in the second embodiment, the shape measurement around the vertex of the bump 9 can be performed. At this time, the displacement of the objective lens 42 and the accompanying displacement of the focus position on the sample 7 are equal. Therefore, by measuring the displacement of the objective lens 42,
The displacement at a position conjugate with the light beam diameter limiting means 41 can be obtained. Since the position conjugate with the beam diameter limiting means 41 is only near the vertex of the bump 9 as described above, the threshold value is determined based on I 6 stored in the signal calculating means 15. For example, a value obtained by multiplying the value of I 6 by 0.9 may be used as the threshold.

【0144】ただし、これだけでは、各バンプ9の頂点
の高さの相対的な位置関係が分かるだけで、基板8から
バンプ9頂点までの高さの絶対値を算出することができ
ない。そこで、オートフォーカス装置22による測定結
果(バンプ9頂点の高さとすぐ脇の基板8上面の高さ)
から、一つのバンプ9に対して高さが計算できる。その
バンプ9を基準にして上記の各バンプの頂点の高さの相
対的な位置関係から、各バンプ9の高さを算出すること
ができる。このとき、基板8上面のそり等による凹凸の
影響は、オートフォーカス装置22による測定結果から
基板8上面を近似した値を用いて、各バンプ9毎に補正
を加えればよい。
However, only by this, the relative positional relationship between the vertices of the bumps 9 can be known, and the absolute value of the height from the substrate 8 to the vertices of the bumps 9 cannot be calculated. Then, the measurement result by the autofocus device 22 (the height of the bump 9 apex and the height of the upper surface of the substrate 8 immediately beside)
Thus, the height can be calculated for one bump 9. The height of each bump 9 can be calculated from the relative positional relationship between the heights of the vertices of each bump based on the bump 9. At this time, the influence of unevenness due to the warpage of the upper surface of the substrate 8 may be corrected for each bump 9 using a value obtained by approximating the upper surface of the substrate 8 based on the measurement result of the autofocus device 22.

【0145】試料7をx方向に走査して試料9の端まで
到達すると、x方向の走査を停止させ、測定の走査幅だ
けy方向に試料7を移動させて、再びx方向にステージ
10を移動させる。これを繰り返して、試料全面を測定
する。
When the sample 7 is scanned in the x direction and reaches the end of the sample 9, the scanning in the x direction is stopped, the sample 7 is moved in the y direction by the scan width of the measurement, and the stage 10 is again moved in the x direction. Move. This is repeated to measure the entire surface of the sample.

【0146】本実施の形態によれば、光束径制限手段4
1としてマルチピンホールアレイを用いているので、z
軸方向はもとより、x,y方向にも共焦点効果が得ら
れ、高分解能測定が可能になる。
According to the present embodiment, the light beam diameter limiting means 4
Since a multi-pinhole array is used as 1, z
A confocal effect is obtained not only in the axial direction but also in the x and y directions, and high-resolution measurement can be performed.

【0147】基板8とバンプ9の反射率は大きく異なる
場合が多く、基板8からの反射光とバンプ9からの反射
光とでは、光検出手段14への光量が大きく異なってし
まうため、光検出手段14をその両方に適した感度に設
定するのが困難な場合が多かった。本実施の形態によれ
ば、バンプ9からの反射光だけを検出すればよく、光検
出手段14の感度を最適な値に調整することが可能にな
る。また、対物レンズ42を振動させる振幅が減少した
ために、対物レンズ42を変位させる周波数を上げるこ
とができる。したがって、試料7を測定する際の測定間
隔を狭くすることができ、測定精度を向上させることが
できる。あるいは、ステージ速度vs を上げることによ
り、さらなる測定時間の短縮が可能になる。
In many cases, the reflectance of the substrate 8 differs greatly from that of the bumps 9, and the amount of light applied to the light detecting means 14 differs greatly between the light reflected from the substrate 8 and the light reflected from the bumps 9. It has often been difficult to set the means 14 to a sensitivity suitable for both. According to the present embodiment, only the reflected light from the bump 9 needs to be detected, and the sensitivity of the light detecting means 14 can be adjusted to an optimum value. Further, since the amplitude at which the objective lens 42 is vibrated is reduced, the frequency at which the objective lens 42 is displaced can be increased. Therefore, the measurement interval when measuring the sample 7 can be narrowed, and the measurement accuracy can be improved. Alternatively, by raising the stage speed v s, it is possible to further shorten the measurement time.

【0148】上記の説明では、対物レンズ42を一定周
期で変位させる場合について説明したが、これに限られ
る訳ではなく、例えばバンプ測定時以外には周期を遅く
してもよい。
In the above description, the case where the objective lens 42 is displaced at a constant cycle has been described. However, the present invention is not limited to this. For example, the cycle may be delayed except for bump measurement.

【0149】上記の説明では、ステージ10を一定速度
s で移動させる場合について説明したが、これに限ら
れる訳ではない。バンプ9は規則的に配置されているの
で、例えば一つのチップの中でのバンプとバンプの間や
あるいはチップと隣のチップとの間のように、バンプが
存在しない領域ではステージ10の移動速度を上げてバ
ンプ測定時には一定速度に制御することにより、ステー
ジ10の平均的な移動速度を向上させることができ、測
定時間の短縮に繋がる。
[0149] In the above description, the description has been given of the case of moving the stage 10 at a constant speed v s, not limited to this. Since the bumps 9 are arranged regularly, the moving speed of the stage 10 in an area where no bumps exist, for example, between bumps in one chip or between a chip and an adjacent chip. The average moving speed of the stage 10 can be improved by controlling the speed to be constant at the time of bump measurement, thereby leading to a reduction in measurement time.

【0150】上記の説明では、対物レンズ42の変位を
検出する手段としてピエゾアクチュエータの駆動電圧か
ら算出する方法を用いたが、これに限られる訳ではな
く、他の手段、例えばレーザ測長器を用いてもよい。そ
の場合、対物レンズ42を支える機械部品(図示せず)
の一部にミラーを貼付し、そのミラー面を用いてレーザ
測長器により変位を測定すればよい。
In the above description, as a means for detecting the displacement of the objective lens 42, a method of calculating from the drive voltage of the piezo actuator is used. However, the present invention is not limited to this, and other means, such as a laser length measuring device, may be used. May be used. In that case, mechanical parts (not shown) supporting the objective lens 42
A mirror may be attached to a part of the mirror, and the displacement may be measured by a laser length measuring device using the mirror surface.

【0151】以上の本発明の3次元形状測定装置は例え
ば次のように構成することができる。
The three-dimensional shape measuring apparatus of the present invention described above can be constituted, for example, as follows.

【0152】〔1〕 コヒーレンスの低い照明光を発生
させる光源と、照明光を参照面に入射する参照光束と試
料に入射する測定用光束とに分割する光束分割手段と、
照明光を試料に集光させる照明光学系と、参照光束と測
定用光束とを合成する光束合成手段と、試料を照明光学
系の光軸に対して垂直な方向に移動させる手段と、試料
の照明光学系の光軸に対して垂直な面内での位置又はそ
れと等価な量を検出する手段と、参照光束と測定用光束
の光路長差、又は、その光路長差と等価な量を検出する
手段と、光検出手段と、光検出手段で検出した信号を演
算する信号演算手段とを有し、試料が照明光学系の光軸
に対して垂直な方向に移動している状態で、光検出手段
により信号を検出することを特徴とする3次元形状測定
装置。
[1] A light source for generating illumination light having low coherence, a light beam splitting means for splitting the illumination light into a reference light beam incident on the reference surface and a measurement light beam incident on the sample,
An illumination optical system that focuses the illumination light on the sample, a light beam combining unit that combines the reference light beam and the measurement light beam, a unit that moves the sample in a direction perpendicular to the optical axis of the illumination optical system, Means for detecting a position in a plane perpendicular to the optical axis of the illumination optical system or an equivalent amount thereof, and detecting an optical path length difference between the reference light beam and the measurement light beam, or an amount equivalent to the optical path length difference , A light detecting means, and a signal calculating means for calculating a signal detected by the light detecting means. In a state where the sample is moving in a direction perpendicular to the optical axis of the illumination optical system, A three-dimensional shape measuring apparatus characterized in that a signal is detected by a detecting means.

【0153】〔2〕 上記1において、信号演算手段
が、閾値を設定する手段と、光検出手段からの信号と閾
値を比較する手段と、閾値を越えた信号が発生した場
合、その時点での光路長差と試料の照明光学系の光軸に
対して垂直な面内での位置とを記憶させる手段と、記憶
手段の情報から試料の形状を演算する手段とを有するこ
とを特徴とする3次元形状測定装置。
[2] In the above item 1, the signal calculation means includes means for setting a threshold value, means for comparing a signal from the light detection means with the threshold value, and a signal exceeding the threshold value. A means for storing the optical path length difference and a position of the sample in a plane perpendicular to the optical axis of the illumination optical system; and a means for calculating the shape of the sample from information in the storage means. Dimensional shape measuring device.

【0154】〔3〕 上記1又は2において、光検出手
段が1次元ラインセンサであることを特徴とする3次元
形状測定装置。
[3] The three-dimensional shape measuring apparatus according to the above item 1 or 2, wherein the light detecting means is a one-dimensional line sensor.

【0155】〔4〕 上記3において、1次元ラインセ
ンサが1次元CCDであることを特徴とする3次元形状
測定装置。
[4] The three-dimensional shape measuring apparatus according to the above item 3, wherein the one-dimensional line sensor is a one-dimensional CCD.

【0156】〔5〕 上記1から4の何れか1項におい
て、参照光束と測定用光束の光路長差を周期的に変化さ
せる手段を有することを特徴とする3次元形状測定装
置。
[5] The three-dimensional shape measuring apparatus according to any one of the above items 1 to 4, further comprising means for periodically changing an optical path length difference between the reference light beam and the measuring light beam.

【0157】〔6〕 上記5において、参照光束と測定
用光束との光路長差を周期的に変化させる手段におい
て、光路長を変化させる周期が可変であることを特徴と
する3次元形状測定装置。
[6] The three-dimensional shape measuring apparatus according to the above item 5, wherein the means for periodically changing the optical path length difference between the reference light beam and the measuring light beam has a variable period for changing the optical path length. .

【0158】〔7〕 上記5又は6において、参照光束
と測定用光束との光路長差を周期的に変化させる手段
が、参照面を光軸方向に変位させる機構を有することを
特徴とする3次元形状測定装置。
[7] In the above-mentioned item 5 or 6, the means for periodically changing the optical path length difference between the reference light beam and the measurement light beam has a mechanism for displacing the reference surface in the optical axis direction. Dimensional shape measuring device.

【0159】〔8〕 上記7において、参照光束と測定
用光束の光路長差、又は、その光路長差と等価な量を検
出する手段が、参照面の光軸方向の変位を検出する手段
を有することを特徴とする3次元形状測定装置。
[8] In the above item 7, the means for detecting the optical path length difference between the reference light beam and the measuring light beam or the amount equivalent to the optical path length difference includes the means for detecting the displacement of the reference surface in the optical axis direction. A three-dimensional shape measuring device characterized by having:

【0160】[0160]

〔9〕 上記8において、参照面の光軸方
向の変位を検出する手段がレーザ測長器であることを特
徴とする3次元形状測定装置。
[9] The three-dimensional shape measuring apparatus according to the above item 8, wherein the means for detecting the displacement of the reference surface in the optical axis direction is a laser length measuring device.

【0161】〔10〕 上記7において、参照面を光軸
方向に変位させる機構が、ピエゾアクチュエータであ
り、参照光束と測定用光束の光路長差、又は、その光路
長差と等価な量を検出する手段が、ピエゾアクチュエー
タの駆動電圧を検出する手段を有することを特徴とする
3次元形状測定装置。
[10] In the above 7, the mechanism for displacing the reference surface in the optical axis direction is a piezo actuator, and detects a difference in optical path length between the reference light beam and the measuring light beam or an amount equivalent to the optical path length difference. 3. The three-dimensional shape measuring apparatus as claimed in claim 1, wherein the means for performing includes a means for detecting a driving voltage of the piezo actuator.

【0162】〔11〕 上記1から10の何れか1項に
おいて、試料を照明光学系の光軸に対して垂直な方向に
移動させる手段により、試料の移動速度を可変としたこ
とを特徴とする3次元形状測定装置。
[11] In any one of the above items 1 to 10, the moving speed of the sample is made variable by means for moving the sample in a direction perpendicular to the optical axis of the illumination optical system. 3D shape measuring device.

【0163】〔12〕 上記1から10の何れか1項に
おいて、試料を照明光学系の光軸に対して垂直な方向に
移動させる手段により、試料を一定速度で移動させるこ
とを特徴とする3次元形状測定装置。
[12] The method according to any one of the above items 1 to 10, wherein the sample is moved at a constant speed by means for moving the sample in a direction perpendicular to the optical axis of the illumination optical system. Dimensional shape measuring device.

【0164】〔13〕 上記11又は12において、試
料が基板上に略周期的な構造が形成された構成であるこ
とを特徴とする3次元形状測定装置。
[13] The three-dimensional shape measuring apparatus according to the above item 11 or 12, wherein the sample has a structure in which a substantially periodic structure is formed on a substrate.

【0165】〔14〕 上記13において、参照面を変
位させたときに参照光束と測定用光束との光路長差が0
になる測定用光束上の位置が、略周期的な構造の頂点の
高さを含み、基板の高さを含まないことを特徴とする3
次元形状測定装置。
[14] In the above item 13, the optical path length difference between the reference light beam and the measurement light beam is 0 when the reference surface is displaced.
Wherein the position on the measuring light beam includes the height of the vertex of the substantially periodic structure and does not include the height of the substrate.
Dimensional shape measuring device.

【0166】〔15〕 上記1から14の何れか1項に
おいて、試料が基板上に球状のバンプが略周期的に配置
された表面実装型半導体パッケージであり、参照面をv
s/(2Rsinθb )〔Hz〕よりも高い周波数で、
かつ、R×〔1−(1−sin2 θb 1/2 〕よりも大
きい振幅で光軸方向に変化させることを特徴とする3次
元形状測定装置。ただし、 NA:照明光学系の試料側開口数 R :バンプ形状を球面で近似したときの球面の半径 vs :試料を一定速度で移動させるときの速度 θb :θb =(sin-1NA)/2 とする。
[15] In any one of the above items 1 to 14, the sample is a surface mount type semiconductor package in which spherical bumps are arranged on the substrate substantially periodically, and the reference surface is v
At a frequency higher than s / (2R sin θ b ) [Hz],
A three-dimensional shape measuring apparatus characterized in that the amplitude is changed in the optical axis direction with an amplitude larger than R × [1- (1-sin 2 θ b ) 1/2 ]. Here, NA: numerical aperture on the sample side of the illumination optical system R: radius of the spherical surface when the bump shape is approximated by a spherical surface vs : speed when the sample is moved at a constant speed θ b : θ b = (sin −1 NA ) / 2.

【0167】〔16〕 上記1から15の何れか1項に
おいて、照明光学系と試料との距離、又は、それと等価
な量を測定する手段を有することを特徴とする3次元形
状測定装置。
[16] A three-dimensional shape measuring apparatus according to any one of the above items 1 to 15, further comprising means for measuring a distance between the illumination optical system and the sample or an equivalent amount thereof.

【0168】〔17〕 上記16において、照明光学系
と試料との距離、又は、それと等価な量を測定する手段
が、オートフォーカス装置であることを特徴とする3次
元形状測定装置。
[17] The three-dimensional shape measuring apparatus according to the above item 16, wherein the means for measuring the distance between the illumination optical system and the sample or an equivalent amount thereof is an autofocus device.

【0169】〔18〕 照明光を発生させる光源と、照
明光を試料上に集光させる照明光学系と、試料からの光
を結像させる結像光学系と、試料と共役な位置近傍に配
置した光束径制限手段と、光束径制限手段と共役な位置
と試料との光軸方向の相対的な位置、又は、それと等価
な量を検出する手段と、試料を照明光学系の光軸に対し
て垂直な方向に移動させる手段と、試料の照明光学系の
光軸に対して垂直な面内での位置、又は、それと等価な
量を検出する手段と、光検出手段と、光検出手段で検出
した信号を演算する信号演算手段とを有し、試料が照明
光学系の光軸に対して垂直な方向に移動している状態
で、光検出手段により信号を検出することを特徴とする
3次元形状測定装置。
[18] A light source for generating illumination light, an illumination optical system for condensing the illumination light on the sample, an imaging optical system for forming an image of light from the sample, and a position conjugate with the sample Beam diameter limiting means, a relative position in the optical axis direction of the sample and a position conjugate with the light beam diameter limiting means, or a means for detecting an equivalent amount thereof, and the sample with respect to the optical axis of the illumination optical system. Means for moving the sample in a direction perpendicular to the optical axis of the sample, a means for detecting a position in a plane perpendicular to the optical axis of the illumination optical system, or an equivalent amount thereof, a light detecting means, and a light detecting means. Signal calculation means for calculating the detected signal, wherein the signal is detected by the light detection means while the sample is moving in a direction perpendicular to the optical axis of the illumination optical system. Dimensional shape measuring device.

【0170】〔19〕 上記18において、信号演算手
段が、閾値を設定する手段と、光検出手段からの信号と
閾値を比較する手段と、閾値を越えた信号が発生した場
合、その時点での光束径制限手段と共役な位置と試料と
の光軸方向の相対的な位置、又は、それと等価な量と、
試料の照明光学系の光軸に対して垂直な面内での位置と
を記憶させる手段と、記憶手段の情報から試料の形状を
演算する手段とを有することを特徴とする3次元形状測
定装置。
[19] In the above item 18, the signal calculation means may include a means for setting a threshold value, a means for comparing a signal from the light detection means with the threshold value, and a signal exceeding the threshold value. Relative position in the optical axis direction of the sample and the position conjugate with the beam diameter limiting means, or an equivalent amount thereof,
A three-dimensional shape measuring apparatus comprising: means for storing a position of a sample in a plane perpendicular to the optical axis of an illumination optical system; and means for calculating the shape of the sample from information in the storage means. .

【0171】〔20〕 上記18又は19において、光
検出手段が1次元ラインセンサであることを特徴とする
3次元形状測定装置。
[20] The three-dimensional shape measuring apparatus according to the above item 18 or 19, wherein the light detecting means is a one-dimensional line sensor.

【0172】〔21〕 上記20において、1次元ライ
ンセンサが1次元CCDであることを特徴とする3次元
形状測定装置。
[21] The three-dimensional shape measuring apparatus according to the above item 20, wherein the one-dimensional line sensor is a one-dimensional CCD.

【0173】〔22〕 上記18又は19において、光
束径制限手段がピンホールであることを特徴とする3次
元形状測定装置。
[22] The three-dimensional shape measuring apparatus according to the above item 18 or 19, wherein the light beam diameter limiting means is a pinhole.

【0174】〔23〕 上記18から21の何れか1項
において、光束径制限手段がスリットであることを特徴
とする3次元形状測定装置。
[23] A three-dimensional shape measuring apparatus according to any one of the above items 18 to 21, wherein the light beam diameter limiting means is a slit.

【0175】〔24〕 上記18から21の何れか1項
において、光束径制限手段がマルチピンホールアレイで
あることを特徴とする3次元形状測定装置。
[24] The three-dimensional shape measuring apparatus according to any one of the above items 18 to 21, wherein the light beam diameter limiting means is a multi-pinhole array.

【0176】〔25〕 上記18から24の何れか1項
において、光束径制限手段と共役な位置と試料との光軸
方向の相対的な位置を周期的に変化させる手段を有する
ことを特徴とする3次元形状測定装置。
[25] The method according to any one of the above items 18 to 24, further comprising means for periodically changing a position conjugate with the light beam diameter limiting means and a relative position in the optical axis direction with respect to the sample. Three-dimensional shape measuring device.

【0177】〔26〕 上記25において、光束径制限
手段と共役な位置と試料との光軸方向の相対的な位置を
周期的に変化させる手段が、光束径制限手段の位置を周
期的に変化させる機構を有することを特徴とする3次元
形状測定装置。
[26] In the above item 25, the means for periodically changing the position conjugate with the light beam diameter limiting means and the relative position in the optical axis direction with respect to the sample is provided by periodically changing the position of the light beam diameter limiting means. A three-dimensional shape measuring device having a mechanism for causing the three-dimensional shape to be measured.

【0178】〔27〕 上記26において、光束径制限
手段と共役な位置と試料との光軸方向の相対的な位置、
又は、それと等価な量を検出する手段が、光束径制限手
段の位置を検出する手段を有することを特徴とする3次
元形状測定装置。 〔28〕 上記25において、光
束径制限手段と共役な位置と試料との光軸方向の相対的
な位置を周期的に変化させる手段が、照明光学系の位置
を周期的に変化させる機構を有することを特徴とする3
次元形状測定装置。
[27] In the above item 26, the position conjugate with the light beam diameter limiting means and the relative position of the sample with respect to the optical axis direction,
Alternatively, the three-dimensional shape measuring apparatus is characterized in that the means for detecting the equivalent amount includes means for detecting the position of the light beam diameter limiting means. [28] In the above item 25, the means for periodically changing the position conjugate with the light beam diameter limiting means and the relative position of the sample in the optical axis direction has a mechanism for periodically changing the position of the illumination optical system. Characterized by 3
Dimensional shape measuring device.

【0179】〔29〕 上記28において、光束径制限
手段と共役な位置と試料との光軸方向の相対的な位置、
又は、それと等価な量を検出する手段が、照明光学系の
位置を検出する手段を有することを特徴とする3次元形
状測定装置。
[29] In the above item 28, the position conjugate with the light beam diameter limiting means and the relative position of the sample with respect to the optical axis direction,
Alternatively, the three-dimensional shape measuring device is characterized in that the means for detecting the equivalent amount includes means for detecting the position of the illumination optical system.

【0180】〔30〕 上記25において、光束径制限
手段と共役な位置と試料との光軸方向の相対的な位置を
周期的に変化させる手段が、結像光学系の位置を周期的
に変化させる機構を有することを特徴とする3次元形状
測定装置。
[30] In the above item 25, the means for periodically changing the position conjugate with the light beam diameter limiting means and the relative position in the optical axis direction with respect to the sample periodically changes the position of the imaging optical system. A three-dimensional shape measuring device having a mechanism for causing the three-dimensional shape to be measured.

【0181】〔31〕 上記30において、光束径制限
手段と共役な位置と試料との光軸方向の相対的な位置、
又は、それと等価な量を検出する手段が、結像光学系の
位置を検出する手段を有することを特徴とする3次元形
状測定装置。
[31] In the above item 30, the position conjugate with the beam diameter limiting means and the relative position of the sample with respect to the optical axis direction,
Alternatively, the three-dimensional shape measuring apparatus is characterized in that the means for detecting the equivalent amount includes means for detecting the position of the imaging optical system.

【0182】〔32〕 上記25において、光束径制限
手段と共役な位置と試料との光軸方向の相対的な位置を
周期的に変化させる手段において、周期が可変であるこ
とを特徴とする3次元形状測定装置。
[32] In the above item 25, in the means for periodically changing the relative position in the optical axis direction between the sample and the position conjugate with the light beam diameter limiting means, the period is variable. Dimensional shape measuring device.

【0183】〔33〕 上記18から25の何れか1項
において、試料を照明光学系の光軸に対して垂直な方向
に移動させる手段により、試料の移動速度を可変とした
ことを特徴とする3次元形状測定装置。
[33] In any one of the above items 18 to 25, the moving speed of the sample is made variable by means for moving the sample in a direction perpendicular to the optical axis of the illumination optical system. 3D shape measuring device.

【0184】〔34〕 上記18から25において、試
料を照明光学系の光軸に対して垂直な方向に移動させる
手段により、試料を一定速度で移動させることを特徴と
する3次元形状測定装置。
[34] The three-dimensional shape measuring apparatus according to any one of the above items 18 to 25, wherein the sample is moved at a constant speed by means for moving the sample in a direction perpendicular to the optical axis of the illumination optical system.

【0185】〔35〕 上記33又は34において、試
料が基板上に略周期的な構造が形成された構成であるこ
とを特徴とする3次元形状測定装置。
[35] The three-dimensional shape measuring apparatus according to the above item 33 or 34, wherein the sample has a structure in which a substantially periodic structure is formed on a substrate.

【0186】〔36〕 上記35において、光束径制限
手段と共役な位置と試料との光軸方向の相対的な位置を
周期的に変化させたときに、光束径制限手段と試料との
光軸方向の相対的な位置が0になる光束径制限手段と共
役な位置が、略周期的な構造の頂点の高さを含み、基板
の高さを含まないことを特徴とする3次元形状測定装
置。
[36] In the above item 35, when the position conjugate with the light beam diameter limiting means and the relative position in the optical axis direction between the sample and the sample are periodically changed, the optical axis between the light beam diameter limiting means and the sample is changed. A three-dimensional shape measuring apparatus characterized in that the position conjugate with the beam diameter limiting means at which the relative position in the direction becomes 0 includes the height of the vertex of the substantially periodic structure and does not include the height of the substrate. .

【0187】〔37〕 上記18から36の何れか1項
において、試料が基板上に球状のバンプが略周期的に配
置された表面実装型半導体パッケージであり、光束径制
限手段と共役な位置をvs /(2Rsinθb )〔H
z〕よりも高い周波数で、かつ、R×〔1−(1−si
2 θb 1/2 〕よりも大きい振幅で光軸方向に変位さ
せることを特徴とする3次元形状測定装置。ただし、 NA:照明光学系の試料側開口数 R :バンプ形状を球面で近似したときの球面の半径 vs :試料を一定速度で移動させるときの速度 θb :θb =(sin-1NA)/2 とする。
[37] In any one of the above items 18 to 36, the sample is a surface mount type semiconductor package in which spherical bumps are arranged on the substrate substantially periodically, and a position conjugate with the light beam diameter limiting means is determined. v s / (2R sin θ b ) [H
z], and R × [1- (1-si
A three-dimensional shape measuring apparatus characterized in that it is displaced in the direction of the optical axis with an amplitude larger than n 2 θ b ) 1/2 ]. Here, NA: numerical aperture on the sample side of the illumination optical system R: radius of the spherical surface when the bump shape is approximated by a spherical surface vs : speed when the sample is moved at a constant speed θ b : θ b = (sin −1 NA ) / 2.

【0188】〔38〕 上記18から37の何れか1項
において、照明光学系と試料との距離、又は、それと等
価な量を測定する手段を有することを特徴とする3次元
形状測定装置。
[38] The three-dimensional shape measuring apparatus according to any one of the above items 18 to 37, further comprising means for measuring a distance between the illumination optical system and the sample or an equivalent amount thereof.

【0189】〔39〕 上記38において、照明光学系
と試料との距離、又は、それと等価な量を測定する手段
がオートフォーカス装置であることを特徴とする3次元
形状測定装置。
[39] The three-dimensional shape measuring apparatus according to the above item 38, wherein the means for measuring the distance between the illumination optical system and the sample or the equivalent amount thereof is an autofocus device.

【0190】[0190]

【発明の効果】上記のように、本発明によれば、白色干
渉計や共焦点顕微鏡等の測定方法において、同一箇所を
複数回測定することなく試料の3次元形状を測定するこ
とが可能であり、高い測定スループットを実現すること
ができる。
As described above, according to the present invention, in a measuring method such as a white light interferometer or a confocal microscope, it is possible to measure the three-dimensional shape of a sample without measuring the same portion a plurality of times. Yes, high measurement throughput can be realized.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第1実施形態の3次元形状測定装置の
構成と作用を説明するための図である。
FIG. 1 is a diagram for explaining the configuration and operation of a three-dimensional shape measuring apparatus according to a first embodiment of the present invention.

【図2】第2実施形態の3次元形状測定装置の構成と作
用を説明するための図である。
FIG. 2 is a diagram for explaining the configuration and operation of a three-dimensional shape measuring apparatus according to a second embodiment.

【図3】第3実施形態の3次元形状測定装置の構成と作
用を説明するための図である。
FIG. 3 is a diagram for explaining the configuration and operation of a three-dimensional shape measuring apparatus according to a third embodiment.

【図4】第4実施形態の3次元形状測定装置の構成と作
用を説明するための図である。
FIG. 4 is a diagram for explaining the configuration and operation of a three-dimensional shape measuring apparatus according to a fourth embodiment.

【図5】第1実施形態において試料を一定速度で移動さ
せ、参照ミラーを正弦波状に変位させたときの測定光束
と参照光束の光路長差が0になる位置の軌跡を示す図で
ある。
FIG. 5 is a diagram illustrating a trajectory of a position where the optical path length difference between the measurement light beam and the reference light beam becomes zero when the sample is moved at a constant speed and the reference mirror is displaced in a sine wave shape in the first embodiment.

【図6】低コヒーレンス光を用いた干渉測定における光
路長差と干渉強度の関係を示す図である。
FIG. 6 is a diagram illustrating a relationship between an optical path length difference and interference intensity in interference measurement using low coherence light.

【図7】半球状試料の場合に周辺からの反射光は光学系
で取り込むことができなくなる様子を模式的に示す図で
ある。
FIG. 7 is a diagram schematically showing a state in which reflected light from the periphery cannot be captured by an optical system in the case of a hemispherical sample.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…白色光源 2…コリメータレンズ 3…集光レンズ 4…光束偏向手段(ハーフミラー) 5…対物レンズ 6…光束分割手段(ハーフミラー) 7…試料 8…基板 9…バンプ 10…ステージ 11…参照ミラー 12…ピエゾアクチュエータ 13…結像レンズ 14…光検出手段(1次元CCD) 15…信号演算手段 16…ピエゾアクチュエータ駆動装置 17…接眼鏡筒 18…光束分割手段(ハーフミラー) 20…対物レンズ 21…レンズ 22…オートフォーカス装置 31…白色光源 32…コリメータレンズ 33…光束偏向手段(ハーフミラー) 34…集光レンズ 35…光束径制限手段(スリット) 36…結像レンズ 37…対物レンズ 38…レンズ 39…リレーレンズ 40…スキャンユニット 41…光束径制限手段(マルチピンホールアレイ) 42…対物レンズ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... White light source 2 ... Collimator lens 3 ... Condensing lens 4 ... Light beam deflecting means (half mirror) 5 ... Objective lens 6 ... Light beam splitting means (half mirror) 7 ... Sample 8 ... Substrate 9 ... Bump 10 ... Stage 11 ... See Mirror 12 Piezo actuator 13 Imaging lens 14 Photodetector (one-dimensional CCD) 15 Signal calculator 16 Piezoactuator driving device 17 Eyepiece tube 18 Beam splitting device (half mirror) 20 Objective lens 21 ... Lens 22 ... Autofocusing device 31 ... White light source 32 ... Collimator lens 33 ... Light flux deflecting means (half mirror) 34 ... Condensing lens 35 ... Light flux diameter limiting means (slit) 36 ... Imaging lens 37 ... Objective lens 38 ... Lens 39: relay lens 40: scan unit 41: beam diameter limiting means (multi-pinhole) Array 42) Objective lens

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 2F065 AA06 AA24 AA53 BB05 CC26 DD06 FF10 FF52 GG02 GG05 GG12 HH13 JJ02 JJ25 LL00 LL04 LL28 LL30 LL46 PP12 PP22 PP24 QQ18 UU05 UU06 UU07  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page F term (reference) 2F065 AA06 AA24 AA53 BB05 CC26 DD06 FF10 FF52 GG02 GG05 GG12 HH13 JJ02 JJ25 LL00 LL04 LL28 LL30 LL46 PP12 PP22 PP24 QQ18 UU05 UU06 UU07

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 コヒーレンスの低い照明光を発生させる
光源と、 照明光を参照面に入射する参照光束と試料に入射する測
定用光束とに分割する光束分割手段と、 測定用光束を試料に集光させる照明光学系と、 参照光束と測定用光束とを合成する光束合成手段と、 試料を照明光学系の光軸に対して垂直な方向に移動させ
る手段と、 試料の照明光学系の光軸に対して垂直な面内での位置又
はそれと等価な量を検出する手段と、 参照光束と測定用光束の光路長差、又は、その光路長差
と等価な量を検出する手段と、 光検出手段と、 光検出手段で検出した信号を演算する信号演算手段とを
有し、 試料が照明光学系の光軸に対して垂直な方向に移動して
いる状態で、光検出手段により信号を検出することを特
徴とする3次元形状測定装置。
A light source for generating illumination light having low coherence; a light beam splitting means for splitting the illumination light into a reference light beam incident on a reference surface and a measurement light beam incident on the sample; An illumination optical system that emits light; a light beam combining unit that combines a reference light beam and a measurement light beam; a unit that moves a sample in a direction perpendicular to the optical axis of the illumination optical system; and an optical axis of the sample illumination optical system Means for detecting a position in a plane perpendicular to or a quantity equivalent thereto, means for detecting a difference in optical path length between the reference light flux and the measurement light flux, or a quantity equivalent to the difference in optical path length, and light detection. Means for calculating a signal detected by the light detecting means, and detecting the signal by the light detecting means while the sample is moving in a direction perpendicular to the optical axis of the illumination optical system. A three-dimensional shape measuring apparatus.
【請求項2】 照明光を発生させる光源と、 照明光を試料上に集光させる照明光学系と、 試料からの光を結像させる結像光学系と、 試料と共役な位置近傍に配置した光束径制限手段と、 光束径制限手段と共役な位置と試料との光軸方向の相対
的な位置、又は、それと等価な量を検出する手段と、 試料を照明光学系の光軸に対して垂直な方向に移動させ
る手段と、 試料の照明光学系の光軸に対して垂直な面内での位置、
又は、それと等価な量を検出する手段と、 光検出手段と、 光検出手段で検出した信号を演算する信号演算手段とを
有し、 試料が照明光学系の光軸に対して垂直な方向に移動して
いる状態で、光検出手段により信号を検出することを特
徴とする3次元形状測定装置。
2. A light source for generating illumination light, an illumination optical system for condensing the illumination light on the sample, an imaging optical system for imaging light from the sample, and a position near a position conjugate with the sample. Means for detecting a relative position in the optical axis direction of the sample and a position conjugate with the light beam diameter restricting means or an equivalent amount thereof, and a method of positioning the sample with respect to the optical axis of the illumination optical system. Means for moving in a vertical direction, a position of the sample in a plane perpendicular to the optical axis of the illumination optical system,
Or a means for detecting an amount equivalent thereto, a light detecting means, and a signal calculating means for calculating a signal detected by the light detecting means, wherein the sample is arranged in a direction perpendicular to the optical axis of the illumination optical system. A three-dimensional shape measuring apparatus, wherein a signal is detected by a light detecting means while moving.
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