JP2002054909A - 画像取得装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 解像力および光量の低下を抑制しつつ、高い
コントラストの画像を得ることが可能な画像取得装置を
提供する。 【解決手段】 画像取得装置は、光源からの照明光をハ
ーフミラー２３で下方へ反射して試料９へと導く照明光
学系と、試料９からの反射光を所定の受光位置へと導く
結像光学系とを備える。照明光学系は、その光軸ＡＸを
結像光学系と共有する同軸落射照明を行うものであり、
対物レンズ２０とアパーチャ２６とを有している。そし
て、アパーチャ２６は、光軸ＡＸ方向において対物レン
ズ２０の入射瞳の位置付近に設けられており、かつ、ア
パーチャ２６の形状は光軸ＡＸに垂直な平面内において
光軸ＡＸに関して非対称な形状である。これにより、立
体形状を有する試料９表面の画像を高いコントラストで
取得する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、表面に立体形状を
有する試料からの反射光のコントラストを計測するコン
トラスト計測装置に関する。

【０００２】

【関連技術】周知のように、半導体装置はウェハ上に所
定の回路パターンを形成して製作される。そして、通常
の半導体装置の製作工程においては、回路パターン形成
後にその電気的特性を調べるための導通検査が実行され
る。導通検査は、半導体装置の電極に針状の検査用プロ
ーブを接触させることによって行う。

【０００３】一般に、半導体装置の電極の材質はアルミ
ニウムであり、容易に酸化されて電極表面には絶縁性の
酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）の被膜が形成される。適
切な導通検査を行うためには、検査時にプローブが酸化
アルミニウム膜を突き破って電極の金属部分に接触する
必要がある。

【０００４】このため、従来より、導通検査にて不良と
判定された半導体装置については、その原因解析の一つ
としてプローブの電極への接触状態を調査している。ま
た、導通検査を行った全ての半導体装置についてプロー
ブの電極への接触状態をルーチン的に調査する場合もあ
る。

【０００５】プローブの電極への接触状態の良否を判定
する際には、導通検査にて形成されたプローブの接触痕
の深さを測定する手法が有効である。すなわち、プロー
ブの接触痕の深さが所定値以上であるときには、プロー
ブが酸化アルミニウム膜を突き破って良好に電極に接触
していたと判定することができ、逆に所定値未満である
ときには接触不良であったと判定することができる。

【０００６】このようなプローブの接触痕深さを測定す
る装置として、従来はレーザ顕微鏡や干渉を用いた微小
粗さ測定装置が存在していた。これらの装置は、観測試
料（半導体装置）の高さ位置を移動させることが可能で
あり、異なる複数の高さ位置にて得られる光学情報に基
づいてプローブの接触痕深さを測定するものである。

【０００７】しかしながら、上記従来の各装置は、高額
であるのみならず、一回の接触痕深さ測定につき試料の
高さ位置を複数回変更する必要があるため、その測定に
著しい長時間を要するという問題があった。特に、プロ
ーブの電極への接触状態をルーチン的に調査する場合に
は、一回の接触痕深さ測定が短時間であるほど望まし
い。

【０００８】これに対して、本発明者らは、プローブの
接触痕の深さを簡易かつ短時間に測定することができる
プローブ痕深さ測定装置を提案している（特願２０００
−１６１８７８）。具体的には、導通検査後の半導体装
置の電極部分について、プローブの接触痕を含む領域を
ＣＣＤカメラを用いて撮像し、その撮像画像にトリミン
グや照度分布補正等の所定の処理を行った後、接触痕領
域についての画像情報、例えば面積、寸法、濃度情報等
に基づいて接触痕の深さを検出することによって行う。
また、より正確な測定を行うためには高いコントラスト
の画像を得ることが求められるため、撮像は開口数ＮＡ
が０．１５以下の対物レンズを用いることにより行われ
る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のプロ
ーブ痕深さ測定装置においては、高いコントラストの画
像を得るために、小さな開口数ＮＡの対物レンズを用い
て撮像する動作が行われる。これは、大きな開口数ＮＡ
の場合と小さな開口数ＮＡの場合とを比較すると、小さ
な開口数ＮＡの場合の方が開口領域の面積が小さいにも
拘わらず、所定の傾きγ（図２０参照）を有する試料９
からの反射光の光軸ＡＸに対するずれ角は同じ値（２×
γ）であるため、小さな開口数ＮＡの場合の方が、傾斜
（すなわち試料表面の立体的起伏）に起因する反射光の
変動が大きくなることによるものである。これについ
て、図２０および図２１を参照しながら説明する。

【００１０】図２０および図２１は、アパーチャプレー
ト１２７に設けられたアパーチャ１２６を通過した入射
光が反射する様子を示す図であり、図２０は試料９付近
の様子を側方から見た断面図、図２１はアパーチャプレ
ート１２７内のアパーチャ１２６を上方からみた上面図
である。

【００１１】図２０に示すように、上方から入射した照
明光は、対物レンズ１２０で集光されアパーチャ１２６
を通過した後、試料９表面で反射されて再びアパーチャ
１２６側へと向かう。ここにおいて、試料９の表面が光
軸ＡＸに垂直な状態においては、その反射光の全てがア
パーチャ１２６を再び通過することになる。一方、試料
９の表面が光軸ＡＸに垂直な状態から角度γだけずれて
いる場合には、反射光の光軸ＡＸに対するずれ角は２×
γとなり、試料９からの反射光（図２１において破線の
小円で示す）のうちアパーチャ１２６が存在しない部分
はアパーチャプレート１２７で遮光されるため、図２１
の斜線領域Ｒ９に相当する部分の反射光のみがアパーチ
ャ１２６を通過してアパーチャプレート１２７よりも上
方へと向かうことになる。したがって、入射光のうちＸ
方向の長さＤ２に相当する部分（図２１のアパーチャ１
２６の全開口領域のうち斜線領域Ｒ９を除いた部分）に
対応する反射光が減少することになる。

【００１２】ここで、この反射光の減少量は、開口数Ｎ
Ａの大小に拘わらず、反射光の光軸ＡＸに対する同じず
れ角（２×γ）に対応し、図２０においては入射光のう
ちＸ方向の長さＤ２に対応する部分となる。一方、開口
領域の開口径Ｄは開口数ＮＡの大小に応じて変化するた
め、反射光の減少量の割合（Ｄ２／Ｄ）は、開口径Ｄが
大きくなるにつれて小さくなり、開口径Ｄが小さくなる
につれて大きくなる。すなわち、開口径Ｄが小さい場合
（すなわち小さな開口数ＮＡの場合）の方が、反射光の
変動が大きくなるのである。したがって、開口数ＮＡを
小さくすることにより、試料９の表面の形状を敏感に反
映させた高いコントラストの画像を得ることが可能であ
る。

【００１３】しかしながら、小さな開口数ＮＡの対物レ
ンズを用いる場合には、大きな開口数ＮＡのものを用い
る場合に比べて、解像力や光量が低下してしまうという
問題が存在する。このように、この装置において高いコ
ントラストを得ようとすると、解像力や光量が低下して
しまうという問題、すなわち、コントラストと解像力
（あるいは光量）とはトレードオフの関係にあるという
問題が存在する。

【００１４】また、このような問題は、上記のようなプ
ローブ痕深さ測定装置のみならず、立体形状を有する試
料表面の画像を取得する装置に対して一般的に存在する
ものである。

【００１５】そこで、本発明は、解像力および光量の低
下を抑制しつつ、高いコントラストを得ることが可能な
画像取得装置を提供することを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に記載の画像取得装置は、立体形状を有す
る試料表面の画像を取得する装置であって、光源からの
照明光を試料へと導く照明光学系と、前記試料からの反
射光を所定の受光位置へと導く結像光学系と、を備え、
前記照明光学系は、その光軸を前記結像光学系と共有す
る同軸落射照明を行い、前記照明光学系は、対物レンズ
と、前記対物レンズの入射瞳の位置付近において前記光
軸を含むように設けられる光束制限手段と、を有し、前
記光束制限手段の形状は前記光軸に関して非対称な形状
であることを特徴とする。

【００１７】請求項２に記載の画像取得装置は、請求項
１に記載の画像取得装置において、前記光束制限手段
は、アパーチャプレートにおける孔として設けられるこ
とを特徴とする。

【００１８】請求項３に記載の画像取得装置は、請求項
１または請求項２に記載の画像取得装置において、前記
光束制限手段を前記光軸を中心に回転させる回転手段、
をさらに備えることを特徴とする。

【００１９】請求項４に記載の画像取得装置は、請求項
１ないし請求項３のいずれかに記載の画像取得装置にお
いて、前記光軸を法線とする平面内において前記光束制
限手段を平行移動させる移動手段、をさらに備えること
を特徴とする。

【００２０】請求項５に記載の画像取得装置は、請求項
１ないし請求項４のいずれかに記載の画像取得装置にお
いて、前記光束制限手段の形状を変更する形状変更手
段、をさらに備えることを特徴とする。

【００２１】

【発明の実施の形態】＜Ａ．第１実施形態＞ ＜Ａ１．構成＞図１は、この発明の画像取得装置を採用
した第１実施形態に係るコントラスト計測装置１Ａの全
体構成を示す図である。このコントラスト計測装置１Ａ
は、立体形状を有する試料表面からの反射光に関するコ
ントラストを計測する装置であり、より具体的には、立
体形状を有する試料表面に対して光を照射してその反射
光の強度を観測し、その計測された反射光の強度と基準
強度との比として得られるコントラストを計測する装置
である。ここで、基準強度としては、予め定められた所
定値を用いることができるほか、その試料表面内のいず
れかの位置からの反射光の強度の値（たとえば最も暗い
点の光強度）を用いることも可能である。したがって、
このコントラスト計測装置１Ａは、反射光の強度（明る
さ）を何らかの基準と対比させることにより、試料表面
の各位置からの反射光の強度を計測（ないし観測）する
ものであるとも理解することができる。

【００２２】後述するように、このコントラスト計測装
置１Ａによれば、試料表面の傾斜角度の相違等に応じて
（言い換えれば試料表面の立体形状に応じて）その反射
光の強度が大きく変動するので、試料表面の各位置から
の反射光は、その試料表面の立体形状を反映して高いコ
ントラストを有するものとなる。したがって、所定のエ
リア内の各位置における反射光を２次元ＣＣＤ素子など
の撮像素子を用いて計測（ないし観測）することによ
り、高いコントラストの画像を得ることが可能となる。
また、コントラスト計測装置１Ａにより得られる反射光
に関しては、十分な解像力および光量を確保することが
できるので、その反射光を撮像した画像に対する各種の
後処理も高精度に行うことが可能となる。たとえば、そ
の撮像画像に対して所定の画像処理を施することによ
り、試料に関するエッジ情報などの各種情報を高精度に
取得することができる。さらには、得られた各種情報や
各種条件等を考慮することなどにより、試料表面の立体
形状を高精度に取得することも可能となる。

【００２３】ここでは、このような特性を利用し、この
コントラスト計測装置１Ａを用いて、導通検査後のプロ
ーブ接触痕の深さを測定することによってプローブの電
極への接触状態を調査する場合について説明する。この
プローブ接触痕は、非常にその深さが小さい（浅い）た
め、通常の手法では高コントラストの撮像画像を得るこ
とが困難であるが、このコントラスト計測装置１Ａを用
いることにより、十分な解像力および光量を確保しつ
つ、高いコントラストの画像を撮像することが可能とな
る。なお、このコントラスト計測装置１Ａは、コントラ
ストを計測する機能に加えて、さらに、計測されたコン
トラストに基づいて導通検査後のプローブ接触痕の深さ
を測定する機能をも有しており、プローブ痕深さ測定装
置としても機能する。

【００２４】このコントラスト計測装置１Ａは、大別し
て、試料（ここでは半導体装置）９におけるプローブ接
触痕を含む領域を撮像する撮像部１０と、撮像部１０に
よって撮像された画像から接触痕の深さを計測する画像
処理部３０とを備えている。

【００２５】撮像部１０は、試料９における接触痕を含
む領域を光学的に撮像すべく照明光学系１０ａと結像光
学系１０ｂとＣＣＤカメラ１５とを備えている。

【００２６】照明光学系１０ａとしては、光源２１、照
明レンズ系２２、ハーフミラー２３、対物レンズ２０、
および光束制限手段としてのアパーチャ２６（図２参
照）が設けられており、この照明光学系１０ａは光源２
１からの照明光を試料９へと導く光学系である。なお、
アパーチャ２６については後に詳述する。

【００２７】一方、結像光学系１０ｂとしては、対物レ
ンズ２０、ハーフミラー２３、結像レンズ２５、および
アパーチャ２６が設けられており、この結像光学系１０
ｂは、試料９からの反射光を所定の受光位置（ここでは
ＣＣＤカメラ１５）へと導く結像光学系である。

【００２８】ここで、照明光学系１０ａおよび結像光学
系１０ｂは、ハーフミラー２３と試料９との間で、その
光軸ＡＸを共有している。すなわち、照明光学系１０ａ
は、その光軸ＡＸを結像光学系１０ｂと共有する同軸落
射照明を行う。また、ハーフミラー２３、対物レンズ２
０、およびアパーチャ２６は、照明光学系１０ａと結像
光学系１０ｂとの双方に共用されるものである。言い換
えれば、これらの要素は、両光学系１０ａ，１０ｂ双方
の構成要素であるともいえる。

【００２９】光源２１はハロゲンランプであり、それか
ら出射された光は複数のレンズからなる照明レンズ系２
２によって集光された後、ハーフミラー２３によって光
路変更され、対物レンズ２０に入射される。対物レンズ
２０から出射された光は半導体ウェハＷに形成された半
導体装置（試料）９の表面に照射される。

【００３０】試料９に照射された光はその表面において
反射され、反射光が対物レンズ２０、ハーフミラー２３
を経て結像レンズ２５によってＣＣＤカメラ１５に結像
される。ＣＣＤカメラ１５は、ＣＣＤ(charge coupled
device)の配列を備えており、受光した光を電気信号に
変換して画像データを取得する。

【００３１】このようにして導通検査後の半導体装置
（試料）９におけるプローブ接触痕を含む領域が撮像部
１０によって撮像され、当該領域が画像として取得され
る。

【００３２】また、画像処理部３０は、ＣＣＤカメラ１
５と電気的に接続されており、撮像部１０によって取得
された画像のデータはＣＣＤカメラ１５から画像処理部
３０に伝達される。

【００３３】図２は、画像処理部３０の構成を説明する
ためのブロック図である。画像処理部３０は、切り出し
部３１と、照度分布補正部３２と、接触痕領域抽出部３
３と、接触痕形状検出部３４と、接触痕深さ検出部３５
とを備えている。画像処理部３０はメモリやＣＰＵ等を
備えたコンピュータを用いて構成されており、切り出し
部３１等の各処理部は処理用ソフトウェアに基づいて画
像処理部３０のＣＰＵが実現する処理部である。

【００３４】撮像部１０によって取得された接触痕を含
む領域の画像は画像処理部３０の切り出し部３１から順
に照度分布補正部３２、接触痕領域抽出部３３、接触痕
形状検出部３４、接触痕深さ検出部３５へと伝達され、
各処理部において画像に所定の処理が行われる。これら
各処理部における処理内容については後に詳述する。

【００３５】ところで、上記のような撮像部１０および
画像処理部３０によって、導通検査後のプローブ接触痕
の深さが測定されるのであるが、ここにおいて、その測
定精度を向上させるためには、撮像部１０において撮像
される画像として、高いコントラストを有する画像を得
ることが好ましい。ここでは、アパーチャ２６などを次
述するような構成とすることにより、高いコントラスト
を実現する場合について説明する。なお、図１の対物レ
ンズ２０は、通常、複数のレンズを有するレンズ群とし
て構成されているが、以下では簡易化のため１枚のレン
ズとして構成されているものとして説明する。

【００３６】図３は、図１の試料９近傍の状態を示す拡
大側面図である。図３に示すように、アパーチャ（開
口）２６は、アパーチャプレート２７における孔として
アパーチャプレート２７の中央部付近に設けられてい
る。また、これらのアパーチャ２６およびアパーチャプ
レート２７は、光軸ＡＸ方向において、入射瞳の位置付
近に設けられている。なお、図３において、アパーチャ
２６は便宜上、対物レンズ２０と重ねて示されている
が、実際には、対物レンズ２０を構成するレンズ群にお
いてその入射瞳の位置（ないしその付近）に設けられ
る。このアパーチャ２６は、入射瞳の位置に設けられる
ことが最も好ましいが、入射瞳の位置から多少ずれた位
置（すなわち入射瞳の位置付近）に設けられていてもよ
い。また、通常このアパーチャ２６の形状によって入射
瞳の形状が規定されることになる。

【００３７】図４は、アパーチャプレート２７およびア
パーチャ２６を示す上面図である。なお、図４では簡略
化のため対物レンズ２０の図示を省略している。

【００３８】図４に示すように、アパーチャ２６は、円
形のアパーチャプレート２７において、光軸ＡＸを含む
位置に設けられており、そのアパーチャ２６の形状は光
軸ＡＸに関して非対称な形状となっている。より具体的
には、アパーチャ２６は、光軸ＡＸに対して偏心した位
置に設けられている円形状の開口として設けられてい
る。このように、アパーチャ２６を偏心させることによ
り、より高いコントラストの画像を得ることが可能にな
る。以下では、この原理について説明する。

【００３９】＜Ａ２．原理等＞まず、試料表面が平坦な
場合（試料表面の法線が光軸ＡＸと一致する場合）につ
いて説明する。この場合には、光源２１から出射された
光は、照明レンズ系２２でコリメートされた後、ハーフ
ミラー２３において下方に反射され、照明光Ｌ０（図
３，図４）としてアパーチャプレート２７へ向けて進行
する。図４においては照明光Ｌ０の光束が破線の大円と
して示されている。

【００４０】この照明光Ｌ０のうちアパーチャ２６を通
過する光のみが、試料９へ向けて進行する。そして、ア
パーチャ２６を通過した光は試料９において反射した
後、再びアパーチャ２６へと向かう。この反射光（正反
射光）Ｌ１は、図４の破線の小円として表される部分へ
と向かうため、アパーチャ２６と破線の小円Ｌ１との両
方に含まれる領域（図中の斜線領域）Ｒ１を通過する光
のみがアパーチャ２６を再び通過して、ハーフミラー２
３、結像レンズ２５、さらにはＣＣＤカメラ１５へと進
行する。これについて、図５を参照しながら、さらに詳
細に説明する。

【００４１】図５は、図４の側断面図（ＸＺ断面図）で
ある。照明光Ｌ０のうちアパーチャ２６を通過する光線
は、試料９において反射して再びアパーチャ２６へと向
かう。たとえば光軸ＡＸと所定の角度θ１をなす入射光
線Ｌ１１は、試料９において反射した後、再び、光軸Ａ
Ｘと角度θ１をなす反射光線Ｌ１２としてアパーチャ２
６へと進行し、さらにアパーチャ２６を通過してＣＣＤ
カメラ１５へと進行する。このように光軸ＡＸと所定の
角度θ１よりも小さな角度をなす各入射光線は、試料９
において反射された後、再びアパーチャ２６を通過して
ＣＣＤカメラ１５へと進行する。一方、角度θ１よりも
大きく、かつ、所定の角度θ２よりも小さい角度を光軸
ＡＸとなす各入射光線（たとえばＬ１３）は、試料９に
おいて反射した後、再び、光軸ＡＸと角度θ２をなす反
射光線（たとえばＬ１４）として進行するものの、アパ
ーチャ２６を通過することができない。したがって、光
軸ＡＸと角度θ１よりも小さな角度をなす各光線のみが
試料９で反射した後、さらにＣＣＤカメラ１５へ向けて
進行する。言い換えれば、アパーチャ２６においてＸ方
向の長さｄ１に相当する部分の光が反射光として、ＣＣ
Ｄカメラ１５において受光されることになる。なお、角
度θ１は、ＣＣＤカメラ１５に取り込み可能な正反射光
の各光線が光軸ＡＸとなす角度の最大値として定義さ
れ、以下では、この角度θ１を「正反射光取込角」とも
称することとする。

【００４２】次に、試料表面が傾いている場合（試料表
面の法線が光軸ＡＸに対して傾いている場合）について
説明する。図６および図７は、それぞれ、試料表面の法
線が光軸ＡＸに対して角度α（＞０），β（＜０）ずれ
ている場合の試料９における反射の様子を説明する図で
あり、図５に対応するＸＺ断面図である。また、図８お
よび図９は、それぞれ、図６および図７に対応する上面
図であり、いずれも図４に対応している。なお、図６お
よび図７においては、角度をＸＺ平面において時計回り
を正として表すものとする。

【００４３】まず、図６および図８に示すように、試料
表面の法線が光軸ＡＸに対して角度α（＞０）ずれてい
る場合には、ＣＣＤカメラ１５で受光される反射光の強
度が図４，図５の場合に比べて小さくなる。なぜなら、
照明光Ｌ０のうちアパーチャ２６を通過する光が試料９
において反射すると、その反射光Ｌ２は、図８の破線の
小円として表される部分へと向かうため、アパーチャ２
６と破線の小円Ｌ２との両方に含まれる領域（図中の斜
線領域）Ｒ２（＜Ｒ１）を通過する光がアパーチャ２６
を再び通過して、ＣＣＤカメラ１５へと進行するからで
ある。

【００４４】これについて、図６のＸＺ断面図を参照し
ながら、さらに詳細に説明する。アパーチャ２６を通過
する照明光Ｌ０に含まれる光線であって図中において光
軸ＡＸの右側から結像点Ｐへと向かう光線のうち、光軸
ＡＸと所定の角度（θ１−２×α）をなす入射光線Ｌ２
１は、試料９において反射した後、光軸ＡＸと角度θ１
をなす反射光線Ｌ２２としてアパーチャ２６を通過しＣ
ＣＤカメラ１５へと進行するが、光軸ＡＸと所定の角度
（θ１−２×α）より大きな角度をなす光線は、試料９
において反射した後、アパーチャプレート２７によって
遮蔽されるためアパーチャ２６を通過することができな
い。したがって、ＣＣＤカメラ１５で受光される反射光
の強度は図４，図５の場合に比べて小さくなる。その減
少量は、図４の領域Ｒ１から図８の領域Ｒ２を差し引い
た領域に対応するものとなる。また、図６の断面図にお
いては、長さｄ１から長さｄ２を差し引いた長さに対応
する光量が減少するものと考えることができる。

【００４５】一方、図７および図９に示すように、試料
表面の法線が光軸ＡＸに対して角度β（＜０）ずれてい
る場合には、ＣＣＤカメラ１５で受光される反射光の強
度が図４，図５の場合に比べて大きくなる。なぜなら、
照明光Ｌ０のうちアパーチャ２６を通過する光が試料９
において反射すると、その反射光Ｌ３は、図９の破線の
小円として表される部分へと向かうため、アパーチャ２
６と破線の小円Ｌ３との両方に含まれる領域（図中の斜
線領域）Ｒ３（＞Ｒ１）を通過する光がアパーチャ２６
を再び通過して、ＣＣＤカメラ１５へと進行するからで
ある。

【００４６】これについて、図７のＸＺ断面図を参照し
ながら、さらに詳細に説明する。アパーチャ２６を通過
する照明光Ｌ０に含まれる光線であって図中において光
軸ＡＸの右側から結像点Ｐへと向かう入射光線のうち、
光軸ＡＸと所定の角度（θ１−２×β＝θ１＋２×‖β
‖）をなす入射光線Ｌ３１であっても、試料９において
反射した後、光軸ＡＸと角度θ１をなす反射光線Ｌ３２
としてアパーチャ２６を通過しＣＣＤカメラ１５へと進
行することになる。したがって、ＣＣＤカメラ１５で受
光される反射光の強度は図４，図５の場合に比べて大き
くなる。その増加量は、図９の領域Ｒ３から図４の領域
Ｒ２を差し引いた領域に対応するものとなる。また、図
７の断面図においては、長さｄ３から長さｄ１を差し引
いた長さに対応する光量が増加するものと考えることが
できる。

【００４７】以上のように、試料表面の傾きに応じて、
ＣＣＤカメラ１５における受光量を大きく増減させるこ
とが可能になる。特に、アパーチャ２６を偏心させてい
ることにより、（偏心させない場合に比べて）正反射光
取込角θ１が小さな値となるため、開口径を小さくする
ことと同様の効果、すなわち、高いコントラストを得る
ことが可能である。また、偏心させずに正反射光取込角
θ１に対応する開口径となるアパーチャを設ける場合に
比べて、角度θ１以上角度θ２以下の入射光線に対応す
る反射光線をも取り込むことも可能となり、試料９から
の反射光の光量を増加させることも可能となるので、よ
り高いコントラストを得ることが可能である。

【００４８】また、上記実施形態のアパーチャ２６は、
角度θ１以上角度θ２以下の入射光線に対応する反射光
線をも取り込むことも可能であることに加えて、正反射
光取込角θ１に対応する開口径を有するアパーチャ（偏
心無し）の開口面積に比べてより大きな開口面積を有し
ているので、大きな開口領域に試料９表面における散乱
光、回折光を取り込むことも可能となるので、偏心させ
ずに正反射光取込角θ１に対応する開口径となるアパー
チャを設ける場合に比べて、十分な光量を確保すること
ができる。

【００４９】さらに、上記実施形態のアパーチャ２６に
よれば、十分な解像力（解像度）を確保することも可能
である。解像力δは、光の波長λ、所定の定数ｋを用い
て、δ＝ｋ×λ／ＮＡとして表現される。ここで、開口
数ＮＡ＝ｎ×ｓｉｎθは、入射角度θの関数である。そ
して、上記実施形態のアパーチャ２６を用いた場合にお
いては、解像力δを決定するこの開口数ＮＡは、θ１よ
り大きな値の角度θによって規定されるものとなるの
で、θ＝θ１の場合（偏心させずに正反射光取込角θ１
に対応する開口径となるアパーチャを設ける場合）に比
べて解像力（解像度）δは小さな値（すなわち高解像
力）となる。このように、十分な解像力を確保すること
ができる。

【００５０】このように、このコントラスト計測装置１
Ａの撮像部１０によれば、十分な解像力および光量を確
保しつつ、高コントラストの画像を撮像することが可能
である。したがって、高コントラストかつ高解像力かつ
十分な明るさを有するこの撮像画像を用いて次述するプ
ローブ接触痕の深さの測定を行えば、たとえばエッジ抽
出処理においてより正確にそのエッジ抽出を行うことが
可能になるなどの利点を得ることができるため、より正
確なプローブ痕深さの測定が可能になる。

【００５１】また、上記においては、正反射光取込角θ
１を小さくしておくことが好ましく、具体的には、開口
数ＮＡ＝ｎ×sinθ１（ｎは媒質屈折率）が０．１５以
下相当となるように正反射光取込角θ１を定めた上で、
アパーチャ２６を偏心させて配置することが好ましい。
さらに好ましくは、開口数ＮＡ＝ｎ×sinθ１（ｎは屈
折率）が０．１以下相当となるように正反射光取込角θ
１を定めた上で、アパーチャ２６を偏心させて配置させ
ることができる。

【００５２】＜Ａ３．プロープ痕深さの測定動作＞以下
では、具体的に、撮像部１０によって撮像された画像か
らプローブ痕（接触痕）の深さを測定する処理について
説明する。

【００５３】図１０は、図１の装置を用いてプローブ痕
深さを測定する手順を示すフローチャートである。ま
ず、導通検査後の半導体装置９の電極部分について、撮
像部１０がプローブの接触痕を含む領域を撮像し、その
画像を取得する（ステップＳ１）。上述のように、撮像
はＣＣＤカメラ１５によって行われ、取得された画像は
画像処理部３０に送信される。

【００５４】次に、切り出し部３１によって接触痕領域
の切り出しが行われる（ステップＳ２）。図１１は、接
触痕領域の切り出しを説明する図である。撮像部１０に
よって撮像された全体画像４１の中にプローブ接触痕の
画像である接触痕領域４０が含まれている。切り出し部
３１は、全体画像４１から接触痕領域４０を含む適切な
大きさのトリミング領域４２を切り出す。この切り出し
処理は、後続の各処理の便宜のために行われるものであ
り、接触痕領域４０の２〜３倍程度の大きさの矩形領域
をトリミング領域４２として切り出す。具体的な手法と
しては、全体画像４１に含まれる領域（所定数の画素を
含むエリア）のうちの濃淡差が認められる部分が接触痕
領域４０であるため、そのような濃淡差が生じている部
分の周辺を切り出し部３１が切り出す。また、装置のオ
ペレータが目視によってトリミング領域４２を切り出す
ようにしても良い。なお、トリミング領域４２は半導体
装置９の電極金属上のみの領域とされているのが望まし
く、さらには傷領域等はマスク等によって除外されてい
る方が好ましい。

【００５５】接触痕領域の切り出しが終了すると、図１
０のステップＳ３に進み、照度分布補正部３２によって
照度分布の補正が行われる。この照度分布の補正は、接
触痕深さを算定するための重要なパラメータである濃度
情報を定量的に精度良く得るために基準照度分布を求め
る処理である。具体的には、トリミング領域４２に含ま
れる全画素の照度値のヒストグラムを作成し、最も明る
い区分に属する画素と最も暗い区分に属する画素とを除
外した画素の照度分布を１次近似によって補正したもの
を基準照度分布とする。ここで、最も明るい区分に属す
る画素と最も暗い区分に属する画素とを除外するのは、
半導体装置９の電極表面におけるプローブ接触痕以外の
凹凸による影響を除くためである。

【００５６】照度分布の補正について図１２を用いつつ
さらに説明する。図１２中実線にて示すのは、トリミン
グ領域４２に含まれる画素配列のうちのある主走査方向
（ｘ方向）の１列分の画素列の照度分布である。なお、
当該画素列において、最も明るい区分に属する画素と最
も暗い区分に属する画素とは除去済みである。この実線
にて示す照度分布を１次近似によって補正（回帰分析）
したものが図１２中点線にて示す基準照度分布である。
この１次近似による基準照度分布は、当該画素列におけ
る画素の座標をｘで表すと、「ａｘ＋ｃ」として示され
る（ａ，ｃは定数であり、図１２の場合はａ＜０）。そ
して、本実施形態では、当該画素列における各画素ごと
に基準照度分布で示される照度値から実際の照度値を減
じた値（図１２の点線からの実線の差分）を画素の濃度
値として定義している。

【００５７】図１２においては照度分布補正についての
理解を容易にするため、ある主走査方向の１列分の画素
列を例として説明したが、実際にトリミング領域４２に
含まれる画素配列は平面的な配列であるため、照度分布
補正部３２は平面的な照度分布について上述と同様の１
次近似を行う。よって、基準照度分布は、トリミング領
域４２の画素配列における画素の座標を（ｘ、ｙ）で表
すと、「ａｘ＋ｂｙ＋ｃ」として示される（ａ，ｂ，ｃ
は定数）。そして、照度分布補正部３２は、トリミング
領域４２の画素配列における各画素ごとに基準照度分布
で示される照度値から実際の照度値を減じた値を画素の
濃度値とする。なお、基準照度分布につき、１次近似に
よって十分な精度が得られない場合は、より高次の近似
を行っても良い。

【００５８】基準照度分布は照度分布の全体的な傾向を
示すものであるため、濃度値の高い画素領域（基準照度
分布よりも照度の低い画素領域）は周辺よりも暗い、例
えば凹凸の影の如き領域である。逆に、濃度値の低い画
素領域（基準照度分布よりも照度の低い画素領域）は周
辺よりも明るい、例えば良好な反射条件の得られる電極
の平滑面の如き領域である。すなわち、１次近似による
基準照度分布に基づいて画素の濃度を算出することによ
り、周辺との相対的な凹凸差を濃度情報として的確に抽
出することができる。

【００５９】なお、接触痕深さを算定するためパラメー
タである濃度としては、周辺との相対的な凹凸差を把握
できるものであれば対数であっても良いし、輝度比例で
あっても良く、いわゆるγ補正が行われたものであって
も良い。また、照度分布の無視できる局所的な領域のみ
に着目して接触痕深さの測定処理を行う場合には、ステ
ップＳ３の照度分布補正処理は不要である。

【００６０】また、照度分布補正部３２は、上記の照度
分布補正処理を行うに先立ってトリミング領域４２の平
滑化処理（いわゆるぼかし処理）を行うようにしても良
い。このような平滑化処理を行うのは、プローブ接触痕
以外の微小な凹凸が濃度情報として抽出されるのを防ぐ
ためである。さらに、画像処理部３０が平滑化処理を行
うのに代えて、接触痕を含む領域の撮像時に撮像部１０
が光学的にぼかし処理を行うようにしても良い。

【００６１】以上のようにして照度分布補正処理が行わ
れ、基準照度分布に基づいてトリミング領域４２の各画
素の濃度値が算定されると、図１０のステップＳ４に進
み、接触痕領域抽出部３３によって接触痕領域の抽出処
理が行われる。ここで、導通検査時に半導体装置９の電
極に形成されるプローブ接触痕の形状について説明して
おく。

【００６２】針状のプローブが半導体装置９の電極に接
触すると、そのプローブによって電極表面に形成された
酸化アルミニウム被膜が突き破られるとともに、電極の
金属部分も掘り下げられる。このときに、電極表面にて
プローブが若干滑動するため、典型的なプローブ接触痕
の形状は略楕円形状となる。そして、プローブによって
削られ、掘り下げられた部分は接触痕における凹部とな
る。プローブの先端は微視的には必ずしも平坦ではない
ため、プローブの滑動によって通常は当該凹部に細い溝
部（傷）が形成される。この傷は、プローブの滑動方
向、すなわち楕円形状の長径方向に沿って形成される。
また、プローブによって押しのけられた分は楕円形状の
長径端部に盛り上がり、その盛り上げられた部分が接触
痕における凸部となる。

【００６３】このように、プローブ接触痕の形状は長径
方向に溝が形成された凹部と長径端部に盛り上がった凸
部とからなる略楕円形状を呈することが多く、ステップ
Ｓ４ではその楕円の輪郭部分を抽出する。図１３は、接
触痕領域の抽出処理を説明するための図である。トリミ
ング領域４２にプローブ接触痕の画像である楕円形の接
触痕領域４０が含まれており、接触痕領域抽出部３３は
接触痕領域４０の輪郭部４６を抽出する。つまり、接触
痕領域抽出部３３は接触痕領域４０の楕円形外郭部分を
抽出するのである。具体的には、接触痕領域４０の輪郭
部４６はその周辺に比較して濃度値が高くなっているた
め、周辺の領域よりも所定の閾値以上に濃度値が高い画
素を抽出して、それらを繋ぎ合わせる。

【００６４】ところで、接触痕領域４０の中には輪郭部
４６の他にも周辺に比較して濃度値が高くなっている部
分があり、プローブの滑動によって生じた傷の画像であ
る溝部４７が主としてそれに該当する（以降、輪郭部４
６や溝部４７のように周辺に比較して濃度値が高くなっ
ている部分をエッジと称する）。接触痕領域抽出部３３
は溝部４７もエッジとしては認識するが、溝部４７は略
楕円形状に閉領域を形成するものではないため、ステッ
プＳ４においては無視する。すなわち、接触痕領域４０
の形状が略楕円形状となることは既知であり、接触痕領
域抽出部３３は略楕円形状に閉領域となるようなエッジ
を接触痕領域４０の輪郭部４６として判定・抽出する。

【００６５】プローブ接触痕が深く、エッジが明瞭な閉
領域の楕円形状を示す場合には、それをそのまま輪郭部
４６とする。一方、プローブ接触痕が浅く、エッジが明
瞭な閉領域の楕円形状を示さない場合であっても、当該
接触痕を楕円形状としたときの長径両端近傍には比較的
明瞭なエッジが存在する場合が多く、これらを補間結合
して輪郭部４６とすれば良い。また、縞模様のエッジと
なる溝部４７を囲む閉領域を輪郭部４６とするようにし
ても良い。

【００６６】また、トリミング領域４２内に複数の接触
痕領域４０が存在する場合もあるが、かかる場合にはそ
れらが分離していたり、相互に隣接していても分離可能
であるときには、分離したそれぞれを１つの領域として
取り扱う。一方、複数の接触痕領域４０が相互に密接に
隣接していて分離不可能であるときには、隣接している
一群を１つの領域として取り扱う。

【００６７】また、エッジが見つからない場合、すなわ
ち周辺の領域よりも所定の閾値以上に濃度値が高い部分
を抽出できないときには、閾値を低くしてエッジの候補
を探索し、それでもなおエッジが見つからない場合には
接触痕領域の抽出が不可能であるとして処理を終了す
る。このような場合は、少なくともプローブ接触痕が相
当に浅いものと判断することができる。

【００６８】また、プローブ接触痕自体が半導体装置９
の電極の端部に存在していて完全な略楕円形状を呈しな
い場合もある。このような場合は、後述する接触痕領域
４０の長径や面積に基づいて接触痕深さを算定する処理
は意味を持たない。但し、かかる場合であっても、接触
痕領域４０の凸部領域４８が完全に認識できるようなと
きは、後述するように、凸部領域の平均濃度値に基づい
て接触痕深さを算定することができる。

【００６９】接触痕領域の抽出処理が終了すると、図１
０のステップＳ５に進み、接触痕形状検出部３４が接触
痕領域４０の面積および寸法を算出する。接触痕領域４
０の面積は、図１３において接触痕領域４０に含まれる
画素数から算出することができる。また、接触痕領域４
０の寸法は、略楕円形状の輪郭部４６の長径および短径
として算出する。なお、接触痕領域４０の寸法は、輪郭
部４６の外接長方形の長辺および短辺として算出するよ
うにしても良い。

【００７０】次に、図１０のステップＳ６に進み、接触
痕形状検出部３４が接触痕領域４０の凹部領域４５およ
び凸部領域４８を検出する。凹部領域４５および凸部領
域４８は、それぞれプローブ接触痕の凹部および凸部の
画像である。本実施形態の全体画像４１は撮像部１０に
よって平面的に取得されたものであるため、以下のよう
にして凹部領域４５および凸部領域４８の区別を行って
いる。既述したように、プローブ接触痕の凹部にはプロ
ーブの滑動によって細い傷が形成されるため、凹部領域
４５には傷の画像である複数の溝部４７からなる縞模様
が認められる。そして、複数の溝部４７は接触痕領域４
０の楕円形状の長径方向と平行（プローブの滑動方向）
に形成される。従って、接触痕領域４０内においてその
楕円形状の長径とほぼ平行な複数の溝部４７からなる縞
模様を検出し、その縞模様が検知された領域を凹部領域
４５と判定するとともに、凹部領域４５以外を凸部領域
４８と判定する（図１３参照）。

【００７１】次に、図１０のステップＳ７に進み、接触
痕深さ検出部３５が接触痕領域４０についての画像情報
に基づいてプローブ接触痕の深さを検出する。「接触痕
領域４０についての画像情報」とは、接触痕領域４０の
画像から得られるパラメータのことであり、上述した接
触痕領域４０の面積、寸法、濃度情報等が含まれる。接
触痕領域４０の濃度情報についてはその濃度分布が一様
でないため、さらにいかなる領域のどの部分についてど
のような属性の濃度情報に着目するかの組み合わせが存
在する。

【００７２】例えば、着目すべき領域としては、接触痕
領域４０のａ）全体、ｂ）凸部、ｃ）凹部全体、ｄ）凹
部中央部、ｅ）凹部端部等が候補として挙げられる。こ
れらはそれぞれ、接触痕領域４０の長径方向に沿って凸
部側終端（図１３の接触痕領域４０の上端）を位置０と
し、凹部側終端（図１３の接触痕領域４０の下端）を位
置１００とすると、ａ）全体（位置０〜位置１００）、
ｂ）凸部（位置０〜位置２０）、ｃ）凹部全体（位置３
０〜位置１００）、ｄ）凹部中央部（位置３０〜位置６
０）、ｅ）凹部端部（位置７０〜位置１００）の各比率
にて着目すれば良い。

【００７３】また、上記の各着目領域における着目すべ
き部分としては、ａ）領域の全体、ｂ）エッジ部、ｃ）
非エッジ部等が考えられる。なお、既述したように、エ
ッジとは周辺に比較して濃度値が高くなっている部分を
示す。

【００７４】さらに、どのような属性の濃度情報に着目
するかについては、ａ）正負の濃度を含む平均濃度値、
ｂ）正の濃度のみの平均濃度値、ｃ）正負の濃度を含む
積算濃度値、ｄ）正の濃度のみの積算濃度値、ｅ）最大
濃度値等が候補として挙げられる。濃度値の定義につい
ては既述した通りであり、周辺よりも暗い画素は正の濃
度値を有し、周辺よりも明るい画素は負の濃度値を有し
ている。平均濃度値は着目すべき領域内の局所的な変動
が少ない場合に接触痕深さとの相関が高い。一方、最大
濃度値は着目すべき領域内の局所的な変動が多い場合に
接触痕深さとの相関が高い。また、積算濃度値は、濃度
値とその面積との積である。

【００７５】本発明者等は、鋭意調査の結果、特に以下
のようなパラメータが接触痕深さとの相関が高いことを
見いだした。

【００７６】＜Ａ３−１．長径に基づいた検出＞図１４
は、接触痕領域４０を示す図である。針状のプローブが
半導体装置９の電極に接触したときに、そのプローブが
滑動しつつ電極を掘り下げる。従って、プローブがより
長く滑動したときには、より深くまで電極を掘り下げる
こととなり、略楕円形状の接触痕領域４０の長径（輪郭
部４６の長径）の長さｌｄとプローブ接触痕の深さとの
間には相関の高い比例関係が存在する。

【００７７】よって、接触痕深さ検出部３５は、接触痕
形状検出部３４が算出した接触痕領域４０の長径の長さ
ｌｄに基づいて接触痕の深さを推定することができる。
具体的には、予め幾つかの実験によって接触痕領域４０
の長径の長さｌｄと接触痕の実際の深さとの比例係数を
求めておき、被測定試料について接触痕形状検出部３４
が算出した接触痕領域４０の長径の長さｌｄにその比例
計数を乗じて接触痕の深さを検出すれば良い。

【００７８】＜Ａ３−２．面積に基づいた検出＞針状の
プローブの先端は細長い円錐形であることが多く、プロ
ーブが深く電極に入るほど、略楕円形状の接触痕領域４
０の面積が大きくなる。すなわち、接触痕領域４０の面
積とプローブ接触痕の深さとの間には高い相関関係が存
在する。

【００７９】従って、接触痕深さ検出部３５は、接触痕
形状検出部３４が算出した接触痕領域４０の面積に基づ
いて接触痕の深さを推定することができる。具体的に
は、上記と同様に予め幾つかの実験によって接触痕領域
４０の面積と接触痕の実際の深さとの相関関係を求めて
おき、被測定試料について接触痕形状検出部３４が算出
した接触痕領域４０の面積と上記相関関係とから接触痕
の深さを検出すれば良い。

【００８０】＜Ａ３−３．凹部中央部の最大濃度値に基
づいた検出＞接触痕領域４０のうちの凸部であるか凹部
であるかは複数の溝部４７からなる縞模様の有無によっ
て接触痕形状検出部３４が判断する。そして、接触痕領
域４０の長径方向に沿って凸部領域４８と判定された側
の終端を位置０とし、凹部領域４５と判定された側の終
端を位置１００としたときの、位置３０〜位置６０を凹
部中央部とすることは既述した通りである。

【００８１】接触痕深さ検出部３５は、上記の凹部中央
部において図１４の矢印Ａ６にて示すように、接触痕領
域４０の短径方向に沿って画素の濃度値を調査し、最大
濃度値を検知する。このときには通常、エッジである溝
部４７の濃度値が最大濃度値として検知される。溝部４
７はプローブの滑動によって生じた傷の画像であり、プ
ローブ接触痕の最深部に相当する。従って、凹部中央部
の最大濃度値が大きいときは、溝部４７の濃度値が大き
く、プローブ接触痕の凹部の傷が深いと考えられ、凹部
中央部の最大濃度値とプローブ接触痕の深さとの間には
高い相関関係が存在する。なお、接触痕領域４０の短径
方向に沿って画素の濃度値を調査するのは、溝部４７が
接触痕領域４０の長径方向に沿って形成されるものであ
り、調査方向と溝部４７とが交差しやすいようにするた
めである。

【００８２】以上より、接触痕深さ検出部３５は、接触
痕領域４０の凹部中央部の最大濃度値に基づいて接触痕
の深さを推定することができる。具体的には、上記と同
様に予め幾つかの実験によって接触痕領域４０の凹部中
央部の最大濃度値と接触痕の実際の深さとの相関関係を
求めておき、被測定試料についての接触痕領域４０の凹
部中央部の最大濃度値と上記相関関係とから接触痕の深
さを検出すれば良い。凹部中央部の最大濃度値は、特に
プローブ接触痕の最大深さと相関が高く、その値を検出
したい場合に有効なパラメータである。

【００８３】＜Ａ３−４．凸部の平均濃度値に基づいた
検出＞接触痕深さ検出部３５は、凸部領域４８において
図１４の矢印Ａ７にて示すように、接触痕領域４０の短
径方向に沿って画素の濃度値を調査し、その平均濃度値
を算出する。プローブ接触痕の凸部は、接触時にプロー
ブによって押しのけられて盛り上がった部分であり、凹
部の体積とほぼ同じ体積を有する。従って、接触痕領域
４０の凸部の平均濃度値はプローブ接触痕の深さと相関
が高く、当該平均濃度値が大きいほどプローブ接触痕が
深いと考えられる。

【００８４】よって、接触痕深さ検出部３５は、接触痕
領域４０の凸部の平均濃度値に基づいて接触痕の深さを
推定することができる。具体的には、上記と同様に予め
幾つかの実験によって接触痕領域４０の凸部の平均濃度
値と接触痕の実際の深さとの相関関係を求めておき、被
測定試料についての接触痕領域４０の凸部の平均濃度値
と上記相関関係とから接触痕の深さを検出すれば良い。

【００８５】図１５は、接触痕領域４０の凸部の平均濃
度値とプローブ接触痕の深さと相関関係を示す図であ
る。図中、＋印にてプロットしているのが実測結果であ
り、点線にて示しているのが実測の回帰分析結果であ
る。同図に示すように、接触痕領域４０の凸部の平均濃
度値とプローブ接触痕の実測深さとの間に相関関係が認
められ、接触痕深さ検出部３５は、その相関関係を表現
する点線の回帰モデルに基づいて被測定試料の凸部平均
濃度値から接触痕の深さを検出する。

【００８６】以上のように、本実施形態においてはいず
れのパラメータを用いたとしても、簡易な光学撮像系
（撮像部１０）にて試料高さ位置を変更することなく１
回の撮像によって得られた画像のうちの接触痕領域４０
についての画像情報に基づいて画像処理部３０がプロー
ブ接触痕の深さを検出しているため、プローブの接触痕
の深さを簡易かつ短時間に測定することができ、その測
定に必要なコストも低廉なものとすることができる。本
実施形態のプローブ痕深さ測定装置は、一回当たりの接
触痕深さ測定時間が短時間であるため、特にプローブの
電極への接触状態をルーチン的に調査する場合に有用で
ある。

【００８７】＜Ｂ．第２実施形態＞つぎに、本発明の画
像取得装置を採用した第２実施形態について説明する。
上記第１実施形態においては、アパーチャ２６は偏心し
た状態で固定されていたが、この第２実施形態において
は、光軸ＡＸを法線とする平面内においてアパーチャプ
レート２７を回転させることにより、同平面内において
アパーチャ２６を光軸ＡＸを中心に回転させる場合につ
いて説明する。なお、第２実施形態のコントラスト計測
装置１Ｂは、第１実施形態とほぼ同様の構成を有してお
り、以下では相違点を中心に説明する。

【００８８】図１６は、第２実施形態のコントラスト計
測装置１Ｂにおけるアパーチャ２６付近の構成を示す上
面図である。図１６に示すように、コントラスト計測装
置１Ｂの撮像部１０Ｂは、アパーチャ２６を有するアパ
ーチャプレート２７などに加えて、モータ２８ａ、モー
タ駆動軸２８ｂ、および伝達ベルト２８ｃなどの駆動機
構２８をも有している。モータ駆動軸２８ｂおよびアパ
ーチャプレート２７には、伝達ベルト２８ｃが巻き掛け
られており、モータ２８ａを駆動すると伝達ベルト２８
ｃによりその駆動力が伝達されて、アパーチャプレート
２７が光軸ＡＸを中心にして回転することが可能な構成
となっている。すなわち、この駆動機構２８により、光
軸ＡＸを法線とする平面であるＸＹ平面内においてアパ
ーチャ２６を光軸ＡＸを中心に回転させることができる
ので、アパーチャ２６の偏心状況（ここでは偏心方向）
を変化させることができる。言い換えれば、アパーチャ
２６の試料９に対するＸＹ平面内における相対的関係を
変更することが可能である。

【００８９】ところで、上述したように、プローブ痕は
その形成経緯に起因して、略楕円形状を有しており、か
つ、特徴的な立体的起伏（凹凸）がその長軸方向に生じ
やすいという特性を有している。

【００９０】図１７は、典型的なプローブ痕の形成につ
いて説明する図である。図１７（ａ）は、プローブ痕の
上面図であり、図１７（ｂ）は、図１７（ａ）のＩ−Ｉ
断面における断面図である。このプローブ痕は、上述し
たように、次のようにして電極表面に形成される。

【００９１】まず、針状のプローブＰＢによって電極表
面に形成された酸化アルミニウム被膜が突き破られると
ともに、電極の金属部分も掘り下げられる。このとき、
電極表面にてプローブＰＢが若干、白矢印方向に滑動す
るため、プローブ接触痕（接触痕領域４０）の形状は略
楕円形状となる。そして、プローブＰＢによって削ら
れ、掘り下げられた部分は接触痕における凹部領域４５
となる。また、プローブＰＢによって押しのけられた分
は楕円形状の長径端部に盛り上がり、その盛り上げられ
た部分が接触痕における凸部領域４８となる。このよう
に、特徴的な立体的起伏（凹凸）がプローブ痕の長軸方
向に生じやすいという特性を有している。なお、プロー
ブＰＢの先端は微視的には必ずしも平坦ではないため、
プローブＰＢの滑動によって通常は当該凹部領域４５に
細い溝部（傷）４７が形成される。この傷は、プローブ
ＰＢの滑動方向、すなわち楕円形状の長径方向に沿って
形成される。

【００９２】一方、撮像部１０による撮像画像は、その
コントラストに関して方向依存性を有している。具体的
には、図４などに示すように、撮像画像は、アパーチャ
２６の偏心方向（たとえばＸ方向）においてより高いコ
ントラストを得ることができるという特性を有してい
る。これは、上述した原理に基づくものである。

【００９３】したがって、プローブ痕の深さ測定にあた
っては、アパーチャ２６の偏心方向と略楕円形状のプロ
ーブ痕の長軸方向とをあわせるようにして撮像したプロ
ーブ痕の撮像画像を用いることが好ましい。

【００９４】具体的には、上述の駆動機構を用いてアパ
ーチャ２６を回転させることにより、アパーチャ２６の
偏心方向をプローブ痕の長軸方向に合わせた上で、撮像
部１０Ｂによる撮像を行う。ここにおいて、プローブ痕
の形成経緯に起因して、プローブ痕の長軸方向はプロー
ブの接触方向に一致する。したがって、例えば予めプロ
ーブの接触方向が既知である場合には、アパーチャ２６
を回転させてアパーチャ２６の偏心方向をプローブの接
触方向に一致させた上で、プローブ痕の撮像を行えばよ
い。これにより、プローブ痕の特徴的な凹凸が存在する
長軸方向とアパーチャ２６の偏心方向とを一致させて撮
像することができるので、プローブ痕の長軸方向におい
て高いコントラストを有する撮像画像を得ることが可能
になる。また、プローブの接触方向が既知でない場合に
は、アパーチャ２６を所定の角度（たとえば４５度）ず
つずらしながら複数の画像を撮像することにより、それ
らの複数の撮像画像の中から最も高いコントラストを有
する画像を選択して、プローブ痕の深さ測定のための画
像処理を施すことができる。

【００９５】さらには、プローブの接触方向が既知であ
るか否かに拘わらず、このコントラスト計測装置１Ｂを
用いて、アパーチャ２６を所定の角度（たとえば４５
度）ずつずらしつつ複数の画像を撮像してもよい。そし
て、これらの複数の画像のそれぞれに基づいて画像処理
を行うことにより、様々な特徴量を抽出した後、それら
の各特徴量に基づいて深さを測定することも可能であ
る。たとえば、長軸方向に平行な輪郭線（エッジ）は、
短軸方向に高コントラストを有しているが、このような
輪郭線は、アパーチャ２６の偏心方向をプローブの接触
方向に垂直な方向（すなわち短軸方向）にあわせて撮像
した画像に基づいて抽出することが好ましい。このよう
に、長軸方向以外の所定の方向に高コントラストが存在
するような特徴量の抽出を複数の撮像画像のそれぞれに
基づいて行うことも可能である。

【００９６】さらには、複数の画像を合成して各画素の
値を平均化した画像に対して各種の画像処理等を施せ
ば、方向依存性を緩和することができるので、プローブ
痕の方向に拘わらず安定した測定（信頼性の高い測定）
を行うことができる。

【００９７】＜Ｃ．第３実施形態＞上記第２実施形態に
おいては、アパーチャプレート２７を機械的に回転させ
ることにより、偏心したアパーチャ２６を回転させてい
たが、これに限定されない。この第３実施形態において
は、液晶シャッターなどの空間変調器を用いることによ
り、アパーチャプレート２７を回転させることなくアパ
ーチャ２６の方向等を変更する場合について説明する。

【００９８】この第３実施形態のコントラスト計測装置
１Ｃは、第１実施形態とほぼ同様の構成を有しており、
以下では相違点を中心に説明する。

【００９９】図１８は、第３実施形態のコントラスト計
測装置１Ｃにおけるアパーチャ付近の構成を示す上面図
である。図１８に示すように、コントラスト計測装置１
Ｃの撮像部１０Ｃは、アパーチャプレート２７Ｃを有し
ている。このアパーチャプレート２７Ｃは、Ｘ方向およ
びＹ方向に複数の単位領域ＵＲ（図では１１個×１１個
であるがその個数は多い方が好ましい）を配列した液晶
シャッターにより構成されており、各単位領域に対する
電圧の印加の有無等により、各単位領域における光の透
過特性を変更すること、すなわち、各単位領域ごとに光
を透過させる状態（透光状態）と光を遮断する状態（遮
光状態）とを切り換えることが可能である。図１８にお
いては、光軸ＡＸを中心とする所定の中央領域（図にお
いて白色で示す領域）内の単位領域は透光状態となって
おり、その周辺領域（図において斜線で示す領域）の単
位領域は遮光状態となっている場合を示している。この
場合、中央領域は、光を透過させるのでアパーチャとし
て機能する。すなわち、アパーチャプレート２７Ｃは、
アパーチャ２６Ｃを有することになる。

【０１００】アパーチャプレート２７Ｃは、液晶シャッ
ターにより構成されているので、電圧の印加の有無等に
より、各単位領域の状態を高速に切り換えることができ
る。したがって、アパーチャプレート２７Ｃを機械的に
回転させる（第２実施形態）ことなく、各瞬間毎にアパ
ーチャ２６Ｃが所定の方向に偏心した形状となるよう
に、各単位領域の状態切換を行うことにより、アパーチ
ャ２６Ｃを擬似的に回転させることができる。

【０１０１】＜Ｄ．変形例＞上記第１実施形態において
は、アパーチャ２６の形状が円形である場合を例示した
がこれに限定されず、楕円形状や、矩形、三角形など任
意の形状を有するように構成してもよい。図１９は、ア
パーチャプレート２７内のアパーチャ２６が楕円形状を
有している場合を示す図である。この場合でも、上記と
同様の効果を得ることが可能である。

【０１０２】また、上記第２実施形態においては、アパ
ーチャ２６の偏心度合い（偏心量）を一定に維持しつ
つ、そのアパーチャ２６を光軸ＡＸ周りに回転させる場
合について説明したが、これに限定されず、アパーチャ
２６を平行移動させてもよい。具体的には、Ｘ方向およ
びＹ方向にアパーチャ２６を駆動することが可能な２自
由度の駆動機構（たとえば直交ＸＹ駆動機構）を設ける
ことにより、アパーチャ２６の平行移動を実現すること
ができる。このように、アパーチャ２６を光軸ＡＸに対
して平行移動することによれば、Ｘ方向および／または
Ｙ方向においてその偏心度合い（偏心量）を変更するこ
とができるので、異なるコントラストを有する複数の画
像を取得することが可能になる。特に、Ｘ方向およびＹ
方向の両方向に同時に平行移動させつつ複数の画像を撮
像する場合には、Ｘ方向およびＹ方向の両方向における
偏心度合いが少しずつ変更されるので、Ｘ方向およびＹ
方向の両方向におけるコントラストが異なる複数の画像
を取得することが可能になる。

【０１０３】さらに、第３実施形態についても同様であ
り、液晶シャッターの状態切換により、アパーチャを擬
似的に回転させるだけでなく擬似的に平行移動を行うよ
うにしてもよい。これにより、光軸ＡＸを法線とする平
面（ＸＹ平面）内において、試料に対するアパーチャの
相対位置を変更することができる。

【０１０４】また、この液晶シャッターを用いて、アパ
ーチャ２６Ｃの形状を変更しつつ複数の画像を取得して
もよい。具体的には、楕円の扁平率を変更しつつ複数の
画像を撮像することや、あるいは、円（ないし楕円）だ
けではなく多角形形状（三角形、矩形など）に変更しつ
つ複数の画像を撮像してもよい。この場合、アパーチャ
プレート２７Ｃの液晶シャッターは、光束制限手段の形
状を変更する形状変更手段として機能する。

【０１０５】

【発明の効果】以上のように、請求項１ないし請求項５
に記載の画像取得装置によれば、その照明光学系は、対
物レンズの入射瞳の位置付近において光軸を含むように
設けられる光束制限手段を有し、その光束制限手段の形
状は光軸に関して非対称な形状であるので、その反射光
に関して、十分な解像力および光量を確保しつつ、高い
コントラストの画像を得ることが可能である。

【０１０６】特に、請求項３に記載の画像取得装置によ
れば、光軸に関して非対称形状の光束制限手段を、光軸
を中心に回転させることが可能であるので、偏心量を一
定に維持しつつその偏心方向を変更することにより、異
なるコントラストの状態を得ることが可能になる。特に
方向依存性を有する試料については、その試料の特定の
方向に応じた適切な角度となるようにアパーチャを回転
させて、適切なコントラストの状態とすることができ
る。

【０１０７】また、請求項４に記載の画像取得装置によ
れば、光軸を法線とする平面内において光束制限手段を
平行移動することが可能であるので、偏心量を変更する
ことにより、異なるコントラストの状態を得ることが可
能になる。

【０１０８】さらに、請求項５に記載の画像取得装置に
よれば、光束制限手段の形状を変更することが可能であ
るので、異なるコントラストの状態を得ることが可能に
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１実施形態に係るコントラスト計
測装置１Ａの全体構成を示す図である。

【図２】画像処理部３０の構成を説明するためのブロッ
ク図である。

【図３】試料９近傍の状態を示す拡大側面図である。

【図４】アパーチャプレート２７およびアパーチャ２６
を示す上面図である。

【図５】図４の側断面図（ＸＺ断面図）である。

【図６】試料表面の法線が光軸ＡＸに対して角度α（＞
０）ずれている場合における、試料９の反射の様子を説
明する図である。

【図７】試料表面の法線が光軸ＡＸに対して角度β（＜
０）ずれている場合における、試料９の反射の様子を説
明する図である。

【図８】図６に対応するアパーチャ２６付近の上面図で
ある。

【図９】図７に対応するアパーチャ２６付近の上面図で
ある。

【図１０】図１の装置を用いてプローブ痕深さを測定す
る手順を示すフローチャートである。

【図１１】接触痕領域の切り出しを説明する図である。

【図１２】照度分布の補正を説明するための図である。

【図１３】接触痕領域の抽出処理を説明するための図で
ある。

【図１４】接触痕領域を示す図である。

【図１５】接触痕領域の凸部の平均濃度値とプローブ接
触痕の深さと相関関係を示す図である。

【図１６】第２実施形態のコントラスト計測装置１Ｂに
おけるアパーチャ付近の構成を示す上面図である。

【図１７】典型的なプローブ痕の形成について説明する
図である。

【図１８】第３実施形態のコントラスト計測装置１Ｃに
おけるアパーチャ付近の構成を示す上面図である。

【図１９】アパーチャプレートの変形例の図である。

【図２０】関連技術を説明する図であり、アパーチャプ
レート１２７に設けられたアパーチャ１２６を通過した
入射光が反射する様子を示す側面図である。

【図２１】関連技術を説明する図であり、アパーチャプ
レート１２７内のアパーチャ１２６を上方からみた上面
図である。

【符号の説明】

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ コントラスト計測装置 １０，１０Ｂ，１０Ｃ 撮像部 １０ａ 照明光学系 １０ｂ 結像光学系 ２０ 対物レンズ ２１ 光源 ２２ 照明レンズ系 ２３ ハーフミラー ２５ 結像レンズ ２６，２６Ｃ アパーチャ ２７，２７Ｃ アパーチャプレート ２８ 駆動機構 ４０ 接触痕領域 ４５ 凹部領域 ４８ 凸部領域 ９ 試料（半導体装置）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０６Ｔ 1/00 ４２０ Ｈ０１Ｌ 21/66 Ｊ ４Ｍ１０６ Ｈ０１Ｌ 21/66 Ｂ ５Ｂ０４７ Ｇ０１Ｒ 31/28 Ｋ (72)発明者 近藤 教之 京都市上京区堀川通寺之内上る４丁目天神 北町１番地の１ 大日本スクリーン製造株 式会社内 (72)発明者 岩崎 誠 京都市上京区堀川通寺之内上る４丁目天神 北町１番地の１ 大日本スクリーン製造株 式会社内 Ｆターム(参考） 2F065 AA25 AA53 BB02 CC19 DD09 FF42 GG01 HH02 HH13 JJ03 JJ09 JJ26 QQ21 QQ32 2G011 AA02 AC14 AE03 2G032 AA00 AD08 AE09 AF01 AL04 2G051 AA51 BB11 CA04 CB01 EA12 EA23 EB01 EB02 EC03 ED01 ED04 ED22 2H052 AA06 AC04 AF02 AF25 4M106 AA01 AA11 BA04 CA70 DB00 DB02 DB04 DB07 DB12 DB13 5B047 AA07 BA02 BB06 BC05 BC09 CA19 CB04 CB10

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 立体形状を有する試料表面の画像を取得
   する装置であって、 光源からの照明光を試料へと導く照明光学系と、 前記試料からの反射光を所定の受光位置へと導く結像光
   学系と、を備え、 前記照明光学系は、その光軸を前記結像光学系と共有す
   る同軸落射照明を行い、 前記照明光学系は、 対物レンズと、 前記対物レンズの入射瞳の位置付近において前記光軸を
   含むように設けられる光束制限手段と、を有し、 前記光束制限手段の形状は前記光軸に関して非対称な形
   状であることを特徴とする画像取得装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の画像取得装置におい
   て、 前記光束制限手段は、アパーチャプレートにおける孔と
   して設けられることを特徴とする画像取得装置。
3. 【請求項３】 請求項１または請求項２に記載の画像取
   得装置において、 前記光束制限手段を前記光軸を中心に回転させる回転手
   段、をさらに備えることを特徴とする画像取得装置。
4. 【請求項４】 請求項１ないし請求項３のいずれかに記
   載の画像取得装置において、 前記光軸を法線とする平面内において前記光束制限手段
   を平行移動させる移動手段、をさらに備えることを特徴
   とする画像取得装置。
5. 【請求項５】 請求項１ないし請求項４のいずれかに記
   載の画像取得装置において、 前記光束制限手段の形状を変更する形状変更手段、をさ
   らに備えることを特徴とする画像取得装置。