JP2001221613A

JP2001221613A - 高さ測定装置

Info

Publication number: JP2001221613A
Application number: JP2000365048A
Authority: JP
Inventors: Nobuyuki Watanabe; 伸之渡辺; Masahiro Aoki; 雅弘青木
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1999-11-30
Filing date: 2000-11-30
Publication date: 2001-08-17

Abstract

(57)【要約】【課題】突起物が球面のような曲面で構成されている場
合であってもＸＹ面分解能を細かくする必要がなく、ま
た検査速度が低下することなしに高い精度で高さ測定を
行うことができる高さ測定装置を提供する。【解決手段】検査対象に照射された照明光の反射光から
検査対象表面上の突起物の高さを測定する高さ測定装置
であって、照明光を検査対象に関して走査する走査光学
系と、検査対象からの反射光に基づいて、突起物の高さ
に関する信号を検出する高さ信号測定手段４００を含む
高さ測定光学系と、高さ測定光学系の瞳面あるいは瞳面
と共役な位置に配置されて、突起物反射面の角度に関す
る信号を検出する角度信号測定手段４０１と、検出され
た高さ信号と角度信号とに基づいて、高さ信号を補正す
る高さ信号補正手段４０３とを具備する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は高さ測定装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば測定対象としての基板上に配置さ
れた複数の突起物に関して光線を走査して突起物の高さ
を測定する方法、装置が従来より知られており、その測
定方法として三角法の原理を用いているものがある。

【０００３】図１２は三角法の原理を用いて測定を行う
場合に用いられる構成を示しており、照明光学系とし
て、投光側光源１４、投光側レンズ１５を有し、測定光
学系として、受光側レンズ１３、ビーム位置検出手段
（高さ検出手段）１０を有している。１２は投光側光
軸、１１は受光側光軸である。

【０００４】三角法の原理では検査対象１６に照射され
る光線と、検査対象１６で反射する光線はすべて共通の
対称軸をもっており、図１２に示すように照射光学系お
よび測定光学系が同軸の光学系を持つ場合、光軸に対し
て照射光と反射光は同じ角度で対称になる。

【０００５】このような三角法に基づく測定法では検査
対象１６の反射面に傾斜がある場合には高さ測定に誤差
を生じる。従って、三角法に基づく光学的な測定方式
で、バンプのような鏡面反射を持つ突起物の高さを測定
するにあたって、対象となるバンプが球体のような曲面
を有している場合には、鏡面反射面が光軸に対して垂直
になるあるいは垂直と近似できる範囲はごく僅かであ
る。

【０００６】このとき光軸に対して垂直な反射面の分解
能（ＸＹ面分解能）が大きい場合にはこの僅かな範囲を
見逃してしまうことが起こる。逆にこのような垂直な反
射面からの信号を確実にとらえようとすれば、ＸＹ面分
解能を細かくしなければならず、そのため、走査速度が
低下し、測定・検査時間が長くなるという問題が発生す
る。

【０００７】特公平１−３９０４１号公報は、上述のよ
うな検査対象１６の反射面の傾斜により起こる誤差の問
題に対処するために、三角測量による位置決め装置にお
いて、測定光学系の一部に対象となる検査対象反射面の
傾き（平行度）を検出する手段を設けて、検出された反
射面の傾きに応じて検査対象の距離を補正する方法を開
示している。ただし、この公報に記載の装置は、光源か
らの照明光を走査する走査光学系を有していない。

【０００８】また、対象物の高さ情報を光学的な手段で
測定する方法には、干渉法により光の伝搬距離の差か
ら、対象物の光軸方向凹凸を求める方法や、対象物の凹
凸により光路が変わることを利用する三角法、光切断法
に基づく方式が従来より知られている。これらの方式を
利用する場合、形状測定機としては、突起物のすべての
高さ情報を得る事が重要視されている。

【０００９】これに対して、たとえば、基板上に形成さ
れた接点となる半田バンプの良否を判断する目的では、
対象物上の形成された突起物のうち、検査において、重
要と思われる部位の高さ情報のみを取り出して、それぞ
れの突起物が規格値に入っているかどうかを判断する。
具体的には、バンプの頂点付近の高さの情報が得られれ
ば、基板に別の電子部品を実装した場合に接点不良を起
こすかどうかが判断でき、検査対象の良否判定ができ
る。

【００１０】特開平１０−２２７６１８号公報では照射
する光を変調して、半田バンプの頂点付近、およびその
周りの領域のみを測定する様にして、検査上、重要な領
域の情報のみを得るようにしている。さらに、当該先行
技術では、球状バンプの頂点付近で反射角度が様々な場
合に、三角法による測定に誤差が生じる事を考慮して、
バンプ頂点付近のみ最も光の反射が強くなるように、照
射光を変調してデータの選択を行っている。

【００１１】三角法の原理に基づいて対象物までの距離
を測定し、対象物の高さ情報を得る場合に、対象物の反
射面の傾きに起因する誤差についてさらに詳しく説明す
る。三角法では光を照射する光学系と測定する光学系
が、対象物の反射面をなす面に垂直な軸に対して対称に
配置されていることを前提としている。図２０はこのよ
うな光学系の配置の例を示している。図中６は前出の光
学系の対称軸を示している。投光側の対物レンズ１を通
過した光は、対象物２で反射され、測定光学系の対物レ
ンズ３を通過した後、結像レンズ４により位置検出器５
の撮影面５ａにスポットを形成する。このスポットの撮
像面５ａ上の位置を位置検出器５で検出する。スポット
の位置は対象物２の対称軸６方向の位置を表している。
したがってこの位置が図に示すように対象物２’の位置
まで変化した場合には、この変化に対応して撮像面５ａ
上のスポットの位置が変化することになる。

【００１２】ところで対象物２が、図２１に示すよう
に、前述の対称軸６に対して垂直な面から傾きを持って
いる場合（対象物２”）には、前述のように撮像面５ａ
上のスポットの位置が対象物２の傾きの影響を受ける。
そこで特公平１−３９０４１号公報では、平板の検査対
象までの距離を三角法で測定する場合に、この傾きの影
響を除くため、測定光学系の瞳位置、または瞳に共役な
位置に位置検出器７を設けて対象物２の傾きを測定して
いる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】上記した特公平１−３
９０４１号公報を含む従来の技術は、走査光学系を有
し、三角法に基づく原理で、バンプの高さを測定する装
置を対象として上記の誤差の問題を解決しようとしたも
のではない。

【００１４】また、基板の上に形成された半田バンプの
ように、測定対象上に形成された突起物の、頂点付近の
高さを計測する場合、前述のように、突起物の反射面の
傾きを考慮しなければならない。特開平１０−２２７６
１８号公報もそのようなことを考慮して、照射する光を
変調することによって、データの選択を行うことを目的
としている。しかしながら、このような変調方式を用い
る場合、あらかじめ測定対象上に形成された突起物の位
置を知っておく必要がある。あるいは、単純に、高さ測
定手段の受光器によって得られる突起物頂点付近での反
射の輝度分布だけでは、反射面の角度による有効領域の
選別は難しい。

【００１５】一方、特公平１−３９０４１号公報におい
ては、平板の対象物の傾きを測定して補正を行ってい
る。この方式では、対象物が投光する光のスポットに対
して十分に大きな平面度を持ち、測定される角度が一定
で有れば、データの平均化によって精度の高い補正が期
待できる。しかしながら、対象物が投光しているビーム
のスポット径と同程度の大きさを持っている場合には、
反射光には様々な傾斜面からの光線が含まれていること
から、角度情報の信頼性が低く、高さデータに対して、
角度の依存性が一定であるような式を仮定した補正では
突起物の正確な高さは得られない。また、測定光学系の
レンズによる誤差の影響も無視できない。

【００１６】また、突起物の頂点では、反射面の角度
が、前出の光学系の対称軸を法線とする面との平行を保
っているが、反射面が突起物の側面にずれて行くにつれ
反射面と、対称軸を法線とする面の角度（以後この角度
は単に「傾斜角度」とする）は大きくなり、特公平１−
３９０４１号公報における角度測定デバイスが大口径で
ないと、正確な角度は得られない。一般に、受光デバイ
スの口径が大きくなると、デバイスの静電容量が大きく
なるので、高速動作が困難になる。

【００１７】本発明はこのような課題に着目してなされ
たものであり、その目的とするところは、走査光学系を
有し、突起物の高さを測定する装置において、突起物が
例えば球面のような曲面で構成されている場合であって
もＸＹ面分解能を細かくする必要がなく、また検査速度
が低下することなしに高い精度で高さ測定を行うことが
できる高さ測定装置を提供することにある。

【００１８】本発明の他の目的は、三角法に基づき、検
査対象上に形成された突起物の高さ、特に突起物の頂点
付近の高さ情報を、突起物の反射角度を考慮して測定す
る高さ測定装置において、角度測定の精度に大きく影響
されることなく、高さ測定に有効なデータ領域を選択し
て高精度な高さ測定を行なうことができる高さ測定装置
を提供することにある。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、第１の発明に係る高さ測定装置は、検査対象に照
射された照明光の反射光から検査対象表面上の突起物の
高さを測定する高さ測定装置であって、前記照明光を前
記検査対象に関して走査する走査光学系と、前記検査対
象からの反射光に基づいて、前記突起物の高さに関する
信号を検出する高さ測定手段を含む高さ測定光学系と、
前記高さ測定光学系の瞳面あるいは瞳面と共役な位置に
配置されて、突起物反射面の角度に関する信号を検出す
る角度測定手段と、前記高さ測定手段により検出された
高さ信号と、前記角度測定手段により検出された角度信
号とに基づいて、前記高さ信号を補正する高さ信号補正
手段とを具備する。

【００２０】また、第２の発明に係る高さ測定装置で
は、第１の発明において、前記高さ信号補正手段は、前
記高さ測定手段により検出された高さ信号と、前記角度
測定手段により検出された角度信号とに基づいて、相関
解析により回帰直線群の式を導出し、反射角度が０度の
ときの高さ信号を推定する。

【００２１】また、第３の発明に係る高さ測定装置は、
第１の発明において、前記高さ信号補正手段は、前記高
さ測定手段により検出された高さ信号と、前記角度測定
手段により検出された角度信号との相関関係に基づい
て、反射角度が０度のときの高さ信号を補間により推定
する。

【００２２】また、第４の発明に係る高さ測定装置は、
検査対象に照射された照射光の反射光から検査対象表面
上の突起物の高さを測定する装置であって、検査対象か
らの反射光に基づいて、前記突起物の高さに関する信号
を検出する受光器を備えた高さ測定手段を含む高さ測定
光学系と、前記高さ測定光学系の瞳面あるいは瞳面に共
役な位置に配置されて、突起物の反射面の角度に関する
信号を検出する角度測定手段と、前記高さ測定手段によ
り検出された前記検査対象の反射光の強度に基づいて、
前記突起物の存在する位置を特定し、特定した各突起部
の重心付近の関心領域を設定する関心領域設定手段と、
前記検査対象の反射光の輝度分布と、前記角度測定手段
により検出された突起物の反射面の角度に関する情報と
に基いて、前記関心領域の中から突起物の高さの算出に
有効な画素領域を算出する画素領域算出手段とを具備す
る。

【００２３】また、第５の発明に係る高さ測定装置は、
第４の発明において、前記有効な画素領域に含まれる有
効画素をもとに突起物の高さを算出する高さ算出手段を
さらに有し、この高さ算出手段は、各有効画素データの
角度情報と、前記高さ測定手段の受光器から得られる輝
度情報のうち少なくとも一方の情報に基づいて、前記有
効画素の高さデータの順位付けを行い、所定の画素数の
高さデータの平均値をもって、検査対象上の突起物の高
さとする。

【００２４】また、第６の発明に係る高さ測定装置は、
第４の発明において、前記有効な画素領域に含まれる有
効画素をもとに突起物の高さを算出する高さ算出手段を
さらに有し、この高さ算出手段は、各有効画素データの
角度情報と、前記高さ測定手段の受光器から得られる輝
度情報のうち少なくとも一方の情報に基づいて、前記有
効画素の高さデータの重み付け平均処理を行なって、検
査対象上の突起物の高さとする。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施形態を詳細に説明する。図１は本発明の実施形態を適
用した高さ測定装置の概略構成を示している。

【００２６】図１において、１０１は検査対象であり本
実施形態では突起物としての複数のバンプが二次元的に
配置されたバンプ付き基板である。検査対象１０１はス
テージ１０２上に載置される。このステージ１０２上の
検査対象１０１に対応する位置に対物レンズ１０３が配
置されている。この対物レンズ１０３には、無限遠設計
の物体側テレセントリックレンズを用いている。そし
て、対物レンズ１０３の瞳面１０３′には、ガルバノミ
ラー１０４が配置されている。このガルバノミラー１０
４は、図示しない制御回路からの指令により瞳面１０
３′の瞳中心付近を軸として揺動可能であり、Ｘ方向
（紙面に沿った方向）に振られた場合には照射光が検査
対象１０１表面のＸ方向に、Ｙ方向（紙面に垂直方向）
に振られた場合には照射光が検査対象１０１表面のＹ方
向にそれぞれ走査される。図面では、ガルバノミラー１
０４がＸ方向に振られる場合を示している。

【００２７】１０５は検査対象１０１への照射光となる
レーザ光を発生するレーザダイオードであり、このレー
ザダイオード１０５の前方には、コリメートレンズ１０
６、偏光ビームスプリッタ１０７、１／４波長板（λ／
４板）１０８を介して上述したガルバノミラー１０４が
配置されている。

【００２８】また、上記偏光ビームスプリッタ１０７の
反射光路上に結像レンズ１０９が配置され、この結像レ
ンズ１０９の一次像面１１０近傍にフィールドレンズ１
１１が配置されている。さらに、対物レンズ１０３の瞳
面を瞳投影面１１２に投影するための瞳リレーレンズ１
１９が配置されている。

【００２９】瞳投影面１１２には、セパレータレンズ１
１３が配置され、このセパレータレンズ１１３によりデ
ィテクタ１１５上に反射光のスポットが形成される。デ
ィテクタ１１５はバンプの高さに関する信号を検出する
ものであり、位置検出素子（Position Sensitive Devic
e：ＰＳＤ）などが用いられる。

【００３０】さらに瞳リレーレンズ１１９を介して、も
う一つの瞳と共役な位置に、バンプ反射面の角度（反射
面の傾斜）に関する信号を検出するためのディテクタ１
２１が配置されている。

【００３１】しかして、このような構成において、レー
ザダイオード１０５よりレーザ光が出力されるとコリメ
ートレンズ１０６により平行光とされた後、偏光ビーム
スプリッタ１０７、１／４波長板１０８を透過してガル
バノミラー１０４で反射される。反射されたレーザ光は
対物レンズ１０３を通り、対物レンズ１０３の瞳径と焦
点距離で決まるＮＡの収束光として検査対象１０１表面
にテレセントリックに集光される。この状態から、ガル
バノミラー１０４が回転されると、この回転角に応じて
検査対象１０１表面に対して照射光が走査されることに
なる。

【００３２】一方、検査対象１０１表面からの反射光
は、対物レンズ１０３を通って、ガルバノミラー１０４
で反射され、１／４波長板１０８を通過した後、偏光ビ
ームスプリッタ１０７で反射され、結像レンズ１０９に
より一次像面１１０に集光される。この場合、ガルバノ
ミラー１０４は、対物レンズ１０３の瞳面１０３′の瞳
中心を軸にして回転するようになっているので、ガルバ
ノミラー１０４の回転角に応じて検査対象１０１表面に
照射される照射光の全ての反射光は、ガルバノミラー１
０４に戻され、１／４波長板１０８、偏光ビームスプリ
ッタ１０７を通って、結像レンズ１０９の一次像面１１
０の光軸上に結像される。

【００３３】一次像面１１０での光像は、瞳リレーレン
ズ１１９を介してハーフミラー１２０により分岐され、
光像の一部は瞳投影面１１２に配置されたセパレータレ
ンズ１１３を介してディテクタ１１５上にスポットとし
て形成され、バンプの高さ信号が検出される。この場
合、三角測量の原理により、検査対象１０１表面の凹凸
によってディテクタ１１５上でのスポット位置は、光軸
２００に直交する方向（ディテクタ１１５の面方向）に
変化する。

【００３４】そして、ガルバノミラー１０４の回転角度
に応じた検査対象１０１表面での測定位置座標ｘ、ｙ
と、ディテクタ１１５上でのスポット位置により、検査
対象１０１表面での高さｚが測定される。

【００３５】また、ハーフミラー１２０により分岐され
た光像の他方の一部はディテクタ１２１に入射されてバ
ンプ反射面の角度に関する信号が検出される。

【００３６】（第１実施形態）以下に本発明の第１実施
形態について説明する。まず、突起物の反射面に傾斜が
あるために発生する誤差について説明する。

【００３７】図１に示すような光学系では、サンプル面
と一次像面が共役な関係にあるので、一次像面以降を三
角法による１つの測定光学系と見なしてよい。従って、
１個の仮想的なレンズ（単レンズ）で構成される物体−
像の関係で斜め反射に起因する高さ信号の誤差を考察す
ることができる。

【００３８】図２は、高さ信号の誤差について説明する
ための図である。図２において、単レンズで物体側焦点
面（物体面）Ｚ＝−ｆから投光された光がレンズを通過
して像側ｆの位置でアパーチャを通過する状況を考え
る。簡単のためにレンズの厚みは小さいものとした。ま
た、図では主光線のみを示している。

【００３９】物体側光線の角度ｕ、像の高さｙを、像側
光線の角度ｕ′、像の高さｙ′に変換する行列は以下の
ようになる。

【００４０】

【数１】

【００４１】主光線のＮＡが小さい場合はｕ＝ＮＡと近
似しても差し支えないので、物体面がＺ＝−ｆ＋Ｈの位
置であれば、光源は物体側焦点面でｙ１＝−２Ｈ＊ＮＡ
（＊は乗算を表わす）の高さで角度ＮＡとなる光線と考
えてよく、像側一次焦点面での光線の高さは主光線に平
行なものである限りｙ′＝ｆ＊ＮＡとなる。

【００４２】ここで、Ｚ＝−ｆ＋Ｈの位置で、反射面が
角度δだけ傾いた場合の反射光に対応する物体側焦点面
Ｚ＝−ｆにおける光源の位置は、ｙ２＝−２Ｈ＊（ＮＡ
＋δ）で、角度はＮＡ＋２δであるので像側一次焦点面
での光線の高さは、ｙ′＋δｙ＝ｆ＊（ＮＡ＋２δ）と
なる。

【００４３】従って、光軸に対してＮＡの角度で到来し
た光線との差はｆ＊２δとなる。物体側焦点面から像側
一次焦点面までの変換を行列で表すと以下のようにな
る。

【００４４】

【数２】

【００４５】次に、図３に示すように、像側一次焦点面
にディテクタ（ＰＳＤ）１１５上に結像するようなセパ
レータレンズ（焦点距離ｆ′）１１３を置く。このとき
簡単のためにセパレータレンズ１１３の光軸はｙ′＝ｆ
＊ＮＡの線と一致させておき、セパレータレンズ１１３
の物体側主平面からＰＳＤ１１５までの変換を行列で表
すと以下のようになる。

【００４６】

【数３】

【００４７】ここでｙ″＝ｙ′−ｆ＊ＮＡの変換をして
いる。ここではセパレータレンズ１１３を通過したとき
でセパレータレンズ１１３の光軸をｙ″＝０としてい
る。先ほどと同じようにそれぞれの反射について変換を
表すと、

【００４８】

【数４】

【００４９】となり、ＰＳＤ１１５上に主光線が当たる
位置は、式（４．２）と式（４．３）とを比較すると角
度ずれδに対して、

【００５０】

【数５】

【００５１】だけずれることになる。ここで、Ｈはデフ
ォーカス量と同じであるので、測定値は、測定値＝真値＋誤差＝真値＋デフォーカス量＊角度＊比例定数（６）で表わすことができる。

【００５２】ここで、式（６）の測定値、真値は、実際
の測定ではデフォーカス量に相当し、測定値→測定値−
フォーカス面、真値→真値−フォーカス面と置き換える
ことができる。また、真値−フォーカス面＝デフォーカ
ス量である。このような置き換えにより、式（６）は、（測定値−フォーカス面）＝（真値−フォーカス面）＋（真値−フォーカス面）＊角度＊比例定数＝（真値−フォーカス面）（１＋角度＊比例定数）となる。（）内は置き換えられた部分を示す。また、
ここでは式を見やすくするために、ΔＺ＝−ｆにおける
ＰＳＤ１１５の出力をフォーカス面として記述してい
る。

【００５３】式（６）を変形すると、真値＝フォーカス面＋（測定値−フォーカス面）÷（１＋比例定数×角度）（７）となる。

【００５４】従って、既知のデフォーカス量と角度を持
つバンプサンプル（ここでは球面バンプ）を用いてあら
かじめ比例定数（式（６）より、比例定数＝誤差÷（デ
フォーカス量＊角度））を求めておけば、図１のディテ
クタ１１５で得られた高さ信号の測定値に対して上記式
（６）の誤差に対応する補正を施すことにより、球面バ
ンプの真の高さを求めることができる。

【００５５】図４は、本発明の第１実施形態に係る高さ
信号の補正を行うための構成図であり、図１のディテク
タ１１５により実現される高さ信号測定手段４００と、
図１のディテクタ１２１により実現される角度信号測定
手段４０１と、これら２つの測定手段で検出した信号を
記憶するための高さ・角度信号記憶手段４０２と、高さ
信号に対して後述するような方法により補正を行う高さ
信号補正手段４０３とから構成される。

【００５６】第１実施形態における高さ信号補正手段４
０３は、あらかじめ測定対象としているバンプサンプル
のＺ位置をずらして測定しておき、上記した式（７）に
相当する補正式を実験的に求めるものである。球面バン
プの曲率がほぼ一定であるとすれば、式（７）における
係数の変化は少ないものと考えられる。

【００５７】図５は同一のバンプサンプルでデフォーカ
ス量を変更したときの高さの測定値と高さの真値との関
係を表したものである。図５において、点線で示される
特性は測定値を示し、実線で示される特性は真の高さを
示している。球面バンプの頂点付近の狭い角度範囲（−
１０°〜＋１０°）では、面方向の位置変化に対して角
度変化はほぼ直線と近似できる（ｔａｎθ≒θ）。従っ
て式（６）において角度を表す項は一次的に増加、減少
することがわかる。上述の説明から角度の測定値はデフ
ォーカス量に不変であるので、図５のように角度信号−
高さ信号の相関で表すことができる。

【００５８】次に、角度信号−高さ信号（測定値）の一
次相関の回帰解析を行う。図５から高さ信号の０°切片
（０次の係数）と傾斜（１次係数）の間に１次の相関が
あることに着目して、０次係数−１次係数の相関の回帰
分析を行う。図６はこのような回帰分析の結果を示す図
である。図６におけるＹ＝０のＸ切片は高さ信号が角度
に依存しない高さ、すなわち式（６）においてデフォー
カス量０の高さ信号を表している。

【００５９】図６の回帰関数が、Ｙ＝ａＸ＋ｂ＝ａ（Ｘ＋ｂ／ａ）、Ｙ（１次の係数）、
Ｘ（０次の係数）で表されるとき、ｂ／ａはＹ＝０のＸ切片を表わし、ａ
は式（７）の「比例定数」を表している。

【００６０】このようにして式（７）に相当する補正式
が実験的に求まるので、高さ信号補正手段４０３はこの
補正式を用いて高さ信号を補正して真の高さ情報を得る
ことができる。図７は上記した方法により補正された高
さ信号を示す図である。図７において高さ信号の補正値
は一点鎖線で示されている。

【００６１】上記したように、第１実施形態では、あら
かじめ検査対象と同じ曲率を持つような反射面からの反
射光を検出し、検出した反射面の高さ信号と角度信号の
相関解析から、回帰直線群の係数を算出し、その係数に
基づいた補正式を採用するようにしている。従って、突
起物が例えば球面のような曲面で構成されている場合で
あってもＸＹ面分解能を細かくする必要がなく、また検
査速度が低下することなしに高い精度で高さ測定を行う
ことができるようになる。

【００６２】また、本実施形態によれば、図８に示すよ
うに、バンプサンプルの角度変化に対して高さ測定のＸ
Ｙ面分解能Δが粗い場合でも、真の高さを推定すること
ができる。

【００６３】（第２実施形態）図９は、本発明の第２実
施形態に係る高さ信号の補正を行うための構成図であ
り、図１のディテクタ１１５により実現される高さ信号
測定手段６００と、図１のディテクタ１２１により実現
される角度信号測定手段６０１と、検出した高さ信号と
角度信号を記憶するとともに、角度０°のときの高さ信
号を補間によって求める高さ・角度信号の記憶・補間手
段６０２と、補間された高さ信号に対して後述する方法
で補正を行う高さ信号補正手段６０３とから構成され
る。

【００６４】ここで高さ・角度信号の記憶・補間手段６
０２は、高さ信号と角度信号とを記憶しておき、球面バ
ンプの頂点付近の隣接する画素位置（ＸＹ面の位置）で
の高さ信号と角度信号の一次相関関数から傾斜角度０°
のときの高さ信号を補間により求め、補間により求めた
結果を真の高さの信号とするものである。

【００６５】図１０は補間によって求めた結果を示す図
である。したがって、図１０に示すように、バンプサン
プルの角度変化に対してＸＹ面分解能Δが粗い場合で
も、真の高さを推定することができる。

【００６６】また、２次元的に走査する方式により高さ
信号の測定を行う場合には、１次相関関数は最小自乗誤
差平面の関数として求めることもできる。図１１に示す
ように角度データの２次元分布から角度０°を示す位置
の直線を最小自乗平面から近似的に求め、高さデータの
２次元分布をその直線が通るＸＹ位置に補間することに
よって、高さデータから傾斜角０°の高さを推定するこ
とが出来る。このように、高さ信号及び角度信号をＸＹ
平面の配列として記憶しておけば、最小自乗誤差平面を
用いて傾斜角度０°の高さを面の補間により求めること
が可能である。上記した第２実施形態によれば、第１実
施形態と同様の効果が得られる。

【００６７】（第３実施形態）本発明の第３実施形態の
構成は図１と同様であるので説明を省略する。以下に第
３実施形態に関わる高さ測定の方法について説明する。
高さ測定領域として各突起物の有効領域を抽出するに当
たって、ディテクタ１１５上で検出される輝度（明る
さ）情報を用いて、各バンプの存在位置を特定する。各
バンプの位置を特定するにあたっては、１．ディテクタ１１５によって得られる検査対象の反射
輝度のデータを用いてバンプの頂点付近の輝度が周辺に
比べて高いことを利用する方法、２．バンプの側面の輝度がその周囲の基板の反射輝度に
比べて低いことと、バンプの頂点付近の輝度が周辺に比
べて高いことを利用する方法、３．バンプの側面の輝度がその周囲の基板の反射輝度に
比べて低いことを利用する方法、のうち、少なくとも１
つ以上の方法を用いて行なう。

【００６８】このようにして、各バンプの存在位置を抽
出したら、図１３のＡに示すように、各バンプの重心位
置（図では＋で示す位置）を算出する。次に図１３のＢ
に示すように、算出した重心位置の周辺の領域を、有効
な画素を探索するための関心領域（ＲＯＩ）として設定
する。

【００６９】各画素のデータは、ディテクタ１１５によ
って得られる、検査対象の高さデータと、反射輝度のデ
ータと、ディテクタ１２１によって得られる検査対象の
反射角度のデータを含んでいる。これより、反射輝度の
データを用いて、関心領域（ＲＯＩ）の中で条件に合う
画素（図１３のＣにおいてＲＯＩ内部の５０で示される
閉領域）を抽出するとともに、反射角度のデータを用い
て、関心領域（ＲＯＩ）の中で条件に合う画素（図１３
のＤにおいてＲＯＩ内部の５１で示される閉領域）を抽
出する。角度のデータに関しては、例えば−１°〜１°
のように範囲を限定する。このようにして抽出した画素
に基づいて突起物の高さの算出に有効な画素領域（図１
３のＥにおいて５２で示す閉領域）を特定して突起物の
高さを算出する。

【００７０】図１４は図１３を用いて説明した高さ測定
方法の手順を示すフローチャートである。ステップＳ１
０でフローを開始した後、ステップＳ１１に進んで、各
画素位置に割り当てられた画像信号（高さ画像、輝度画
像、角度画像）として、図１のディテクタ１１５で得ら
れた高さ信号およびその輝度信号のデータ及びディテク
タ１２１で得られた角度信号のデータをそれぞれ入力す
る。次のステップＳ１２では輝度画像に対して所定の閾
値１を用いて単純２値化を行う。ステップＳ１３ではモ
ホロジ処理（膨張収縮）によって関連のある領域を結合
させ、また必要のない小領域を排除する処理を行なって
バンプの存在位置を表す画像を取得してバンプの存在位
置を特定する。ステップＳ１４では特定した各バンプの
領域の重心位置を算出し、重心の周りの所定の大きさの
領域を関心領域（ＲＯＩ）とする。ステップＳ１５では
関心領域（ＲＯＩ）の中で、各画素の輝度が所定の範囲
にあるもの、また角度のデータが所定の範囲にあるもの
をそれぞれ算出し、両方のデータを参照して有効画素領
域を算出する。ステップＳ１１０では算出した有効画素
領域の高さデータを用いて各バンプを代表する高さを算
出する。後述の図１５ではステップＳ１１０の処理の内
容を詳述している。

【００７１】ところで球面のバンプの場合に関心がある
のは、輝度が高く、傾斜角度が少ない画素位置の高さデ
ータである。したがって、図１３に示したように、単純
に、輝度データ、角度データの閾値を設けて、有効画素
の抽出を行ってもよい。

【００７２】（第４実施形態）第４実施形態では閾値を
用いないで高さを測定する方法について説明する。図１
５に示すような手続きで、関心領域内の画素データに順
位付けを行う。まずステップＳ１１１では図１４の処理
で示されたように輝度データ、角度データを参照して得
られた各バンプの重心付近のＲＯＩに含まれている高さ
データ、輝度データ、角度データをＸi ，Ｙi ，Ｚi と
する。ステップＳ１１２では輝度データＹi の値の高い
順にデータをソーティング（Ｓ１）する。ステップＳ１
１３では角度データＺi の絶対値の小さい順に画素デー
タをソーティング（Ｓ２）する。

【００７３】ステップＳ１１４では例えば図１６に示す
ように、ソーティングされた輝度データ（Ｓ１）と、ソ
ーティングされた角度データ（Ｓ２）とを統合したソー
ティング順位で採用する画素を決める。画素Ａは輝度デ
ータの優先順位が２位かつ角度データの優先順位が１位
であることを示している。この他に順位に重み付けをす
る方法もある。

【００７４】ステップＳ１１５では採用した画素データ
からの単純平均で高さの代表値を算出する。前述のよう
に、球面のバンプの場合に関心があるのは、輝度が高
く、傾斜角度が少ない画素位置の高さデータであるの
で、輝度データの優先順位および角度データの優先順位
による画素の分布は例えば図１６のようになる。ここ
で、図示したように合計の順位が低いものから採用する
ようにする。

【００７５】このようにして採用した有効画素領域の高
さデータの算術平均をとって各バンプの高さデータとす
る。図１６の場合、境界の直線Ｌは単に、輝度、角度の
順位の合計を表しているが、この境界の直線Ｌの傾斜を
変えることによって、輝度、角度の順位のどちらを優先
するかを調節することができる。あるいは、この境界線
を曲線としてもよい。このようにして、境界で弁別し
て、採用した画素の個数で各画素の高さデータの合計を
除算することによって平均値を求める。

【００７６】上記した第４実施形態によれば、輝度、角
度によって高さデータの順位付けを行い、所定数の画素
数の算術平均により、各バンプの頂点付近の関心領域で
の高さを求めることによって、（１）角度測定の誤差に影響されない。

【００７７】（２）各バンプで一定の輝度、角度の閾値
を用いていないので、データの取りこぼしがない、など
の効果が得られる。

【００７８】（第５実施形態）輝度データ及び角度デー
タを用いて有効画素を抽出し各バンプの高さを算出する
場合に、上述のように単純に、２値化あるいは順位付け
によってデータの採用の可否を決めるのではなく、重み
付けの配分を行うことによって高さデータを求めるよう
にしてもよい。図１７は第５実施形態による高さ測定方
法の全体のフローチャートを示している。まずステップ
Ｓ２０でフローを開始した後、ステップＳ２１に進ん
で、各画素位置に割り当てられた画像信号（高さ画像、
輝度画像、角度画像）として、図１のディテクタ１１５
で得られた高さ信号およびその輝度信号のデータ及びデ
ィテクタ１２１で得られた角度信号のデータをそれぞれ
入力する。

【００７９】ステップＳ２２では輝度画像データに対し
て所定の閾値１を用いて単純２値化を行う。ステップＳ
２３ではモホロジ処理（膨張収縮）によって関連のある
領域を結合させ、また必要のない小領域を排除する処理
を行いバンプの位置を特定する。ステップＳ２４では特
定したバンプの領域の重心位置を算出し、重心位置付近
の所定の大きさの領域を関心領域（ＲＯＩ）とする。ス
テップＳ２１０では関心領域（ＲＯＩ）の中で、各画素
の輝度および角度のデータを参照して、高さデータの重
み付け配分を行い、平均化処理により各バンプの代表高
さデータを取得する。後述の図１９ではステップＳ２１
０の処理の内容を詳述している。

【００８０】これらを算術平均、あるいは、傾斜角度の
小さい画素の高さデータが優先するような、重み付け平
均化処理を行う。図１８に示すように角度データＺiに
対して以下の式で決まる重み付け係数Ｗi を用いると、
上述のように角度データの絶対値が小さい画素が優先さ
れる。

【００８１】

【数６】

【００８２】ここで、各バンプの高さは

【数７】

【００８３】となる。Ｘｉは各画素の高さデータであ
る。このような方法を用いると、バンプのような突起物
の頂点付近で傾斜角度が小さい部分に対応する画素の高
さデータが優先された重み付け平均値となる。

【００８４】さらに明るさのデータを用いた重み付けを
考慮すると各バンプの高さは

【数８】となる。

【００８５】以下に図１９を用いて図１７のフローチャ
ートのステップＳ２１０の詳細を説明する。まずＳ２１
１では図１４の処理で示されたように輝度データ、角度
データを参照して得られた各バンプの重心付近のＲＯＩ
内に含まれている高さデータ、輝度データ、角度データ
をＸi ，Ｙi ，Ｚi とする。ステップＳ２１２では角度
データに関して重み付けの係数を算出して重み付け配分
を行なう。式からわかるように、角度が０度に近いほど
大きな重み付け係数Ｗi が得られる。なお式中ｄは重み
付け配分の係数を表しており、係数ｄが大きいほど角度
の小さい値に大きな重み付けが付くようになっている。

【００８６】ステップＳ２２２ではこのようにして計算
した重み付け係数Ｗi を考慮し、さらに輝度のデータの
重み付けを考慮した各バンプの代表高さの算出式を用い
て高さの代表値を算出する。ステップＳ２２２の算出式
においてｎは採用したデータ数を示す。

【００８７】なお、角度データ、明るさデータでの重み
付けを行い平均化する思想から逸脱しない方法であれ
ば、上記（６）、（７）、（８）の式に限定されること
はない。また、輝度データの低い画素のデータを採用し
ないように、閾値を設けて、その画素の配分を０とする
こともできる。

【００８８】上記した第５実施形態によれば、頂点付近
の角度データ及び輝度データに基づき、高さデータの順
位付け、重み付けをするので、単純に輝度、角度によっ
て、高さデータの採用の可否を判断する方法よりもデー
タを無駄にしないで済む。

【００８９】

【発明の効果】本発明によれば、突起物が例えば球面の
ような曲面で構成されている場合であってもＸＹ面分解
能を細かくする必要がなく、また検査速度が低下するこ
となしに高い精度で高さ測定を行うことができるように
なる。

【００９０】さらに、三角法に基づき、検査対象上に形
成された突起物の高さ情報、特に突起物の頂点付近の高
さ情報を、突起物の反射角度を考慮して測定する装置に
おいて、角度測定の精度に大きく影響されることなく、
高さ測定に有効なデータ領域を選択して高精度な高さの
測定を行う装置を提供することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態を適用した高さ測定装置の概
略構成を示す図である。

【図２】物体−像の関係で斜め反射に起因する高さ信号
の誤差について説明するための図である。

【図３】物体−像の関係で斜め反射に起因する高さ信号
の誤差についてさらに説明するための図である。

【図４】本発明の第１実施形態に係る高さ信号の補正を
行うための構成図である。

【図５】同一のバンプサンプルでデフォーカス量を変更
したときの高さの測定値と高さの真値との関係を表した
図である。

【図６】０次係数−１次係数の相関の回帰分析を行った
結果を示す図である。

【図７】第１実施形態の方法により補正された高さ信号
を示す図である。

【図８】高さ測定のＸＹ面分解能Δが粗い場合でも真の
高さを推定できることを説明するための図である。

【図９】本発明の第２実施形態に係る高さ信号の補正を
行うための構成図である。

【図１０】補間によって求めた真の高さの信号を示す図
である。

【図１１】他の補間方法について説明するための図であ
る。

【図１２】三角法の原理を用いて測定を行う場合に用い
られる従来の構成を示す図である。

【図１３】本発明の第３実施形態による高さ測定の手順
を模式的に示す図である。

【図１４】本発明の第３実施形態による高さ測定の手順
を説明するためのフローチャートである。

【図１５】本発明の第４実施形態による高さ測定の手順
を説明するためのフローチャートである。

【図１６】輝度データのソート順位と角度データのソー
ト順位とに基づく画素データの分布を示す図である。

【図１７】本発明の第５実施形態による高さ測定の手順
を説明するためのフローチャートである。

【図１８】角度データに関して重み付け係数を算出する
ための特性曲線を示す図である。

【図１９】図１７に示すフローチャートのステップＳ２
１０の詳細を説明するためのフローチャートである。

【図２０】三角法において、光を照射する光学系と測定
する光学系が対象物の反射面をなす面に垂直な軸に対し
て対称配置された構成を示す図である。

【図２１】対象物が対称軸に対して垂直な面から傾きを
持っている場合に、撮像面上のスポットの位置が影響を
受ける様子を示す図である。

【符号の説明】

１０１検査対象１０２ステージ１０３対物レンズ１０３′ 瞳面１０４ガルバノミラー１０５レーザ１０６コリメートレンズ１０７偏光ビームスプリッタ１０８ λ／４板１０９結像レンズ１１０一次像面１１１フィールドレンズ１１２瞳投影面１１３セパレータレンズ１１５ディテクタ（高さ信号測定用）１１９瞳リレーレンズ１２０ハーフミラー１２１ディテクタ（角度信号測定用）１２２瞳投影面

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Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】検査対象に照射された照明光の反射光か
ら検査対象表面上の突起物の高さを測定する高さ測定装
置であって、前記照明光を前記検査対象に関して走査する走査光学系
と、前記検査対象からの反射光に基づいて、前記突起物の高
さに関する信号を検出する高さ測定手段を含む高さ測定
光学系と、前記高さ測定光学系の瞳面あるいは瞳面と共役な位置に
配置されて、突起物の反射面の角度に関する信号を検出
する角度測定手段と、前記高さ測定手段により検出された高さ信号と、前記角
度測定手段により検出された角度信号とに基づいて、前
記高さ信号を補正する高さ信号補正手段と、を具備することを特徴とする高さ測定装置。
【請求項２】前記高さ信号補正手段は、前記高さ測定
手段により検出された高さ信号と、前記角度測定手段に
より検出された角度信号とに基づいて、相関解析により
回帰直線群の式を導出し、反射角度が０度のときの高さ
信号を推定することを特徴とする請求項１記載の高さ測
定装置。
【請求項３】前記高さ信号補正手段は、前記高さ測定
手段により検出された高さ信号と、前記角度測定手段に
より検出された角度信号との相関関係に基づいて、反射
角度が０度のときの高さ信号を補間により推定すること
を特徴とする請求項１記載の高さ測定装置。
【請求項４】検査対象に照射された照射光の反射光か
ら検査対象表面上の突起物の高さを測定する装置であっ
て、検査対象からの反射光に基づいて、前記突起物の高さに
関する信号を検出する受光器を備えた高さ測定手段を含
む高さ測定光学系と、前記高さ測定光学系の瞳面あるいは瞳面に共役な位置に
配置されて、突起物の反射面の角度に関する信号を検出
する角度測定手段と、前記高さ測定手段により検出された前記検査対象の反射
光の強度に基づいて、前記突起物の存在する位置を特定
し、特定した各突起部の重心付近の関心領域を設定する
関心領域設定手段と、前記検査対象の反射光の輝度分布と、前記角度測定手段
により検出された突起物の反射面の角度に関する情報と
に基いて、前記関心領域の中から突起物の高さの算出に
有効な画素領域を算出する画素領域算出手段と、を具備することを特徴とする高さ測定装置。
【請求項５】前記有効な画素領域に含まれる有効画素
をもとに突起物の高さを算出する高さ算出手段をさらに
有し、この高さ算出手段は、各有効画素データの角度情
報と、前記高さ測定手段の受光器から得られる輝度情報
のうち少なくとも一方の情報に基づいて、前記有効画素
の高さデータの順位付けを行い、所定の画素数の高さデ
ータの平均値をもって、検査対象上の突起物の高さとす
ることを特徴とする請求項４記載の高さ測定装置。
【請求項６】前記有効な画素領域に含まれる有効画素
をもとに突起物の高さを算出する高さ算出手段をさらに
有し、この高さ算出手段は、各有効画素データの角度情
報と、前記高さ測定手段の受光器から得られる輝度情報
のうち少なくとも一方の情報に基づいて、前記有効画素
の高さデータの重み付け平均処理を行なって、検査対象
上の突起物の高さとすることを特徴とする請求項４記載
の高さ測定装置。