JP2005188986A - 高さ検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 被検物の高さ情報と同時に被検物の材質の違いを検出する高さ検査装置を提供する。
【解決手段】 少なくとも２つ以上の所定の波長の光を含む光線を照射する光源４と、この光源４から出射した光線が通過する共焦点ピンホール８ａを有する共焦点ディスク８と、共焦点ピンホール８ａより被検物１３側に位置し、共焦点ピンホール８ａの像を被検物１３に結像させる第１の結像光学系７と、撮像素子１１と、被検物１３で反射した共焦点ピンホール８ａの反射像が第１の結像光学系７により共焦点ディスク８上に結像されて共焦点ピンホール８ａを通過し、共焦点ピンホール８ａより撮像素子１１側に位置して共焦点ピンホール８ａを通過した反射像を撮像素子１１の撮像面Ｍに結像させる第２の結像光学系１０とからなり、撮像素子１１の出力から被検物１３の高さを測定する高さ検査装置１において、撮像素子１１が反射像に含まれる所定の波長の光の各々を分離して検出するように構成して、撮像素子１１の出力から被検物１３の材質の違いを検出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、被検物の高さ情報を精度良く測定するとともに、被検物の材質を特定することができる高さ検査装置に関する。

半導体デバイスの高集積化に伴い、その回路パターンは微細化しており、高性能な検査装置が求められている。例えば、バンプ電極の形状および高さを正確に測定する必要があり、このような測定に対しては共焦点方式の高さ検査装置が用いられている。この共焦点方式の高さ検査装置とは、照明光を共焦点ピンホールによりスポット光にして被検物（例えば、バンプ電極）に照射し、このスポット光の反射像を共焦点ピンホールを通過させて撮像素子で検出するものであり、セクショニング効果により被検物の高さを高精度に得ることができる。この高さ検査装置においては、被検物で反射された反射像の光量の強弱から高さ情報を得るように構成されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−１３９１７号公報

しかしながら、このような高さ検査装置において、同じ高さで材質が異なる被検物では同一の高さ情報が得られるだけで材質の違いを得ることができないという課題があった。

本発明はこのような課題に鑑みなされたものであり、被検物の材質の違いを検出することができる高さ検査装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、少なくとも２つの所定の波長の光を含む光線を出射する光源と、前記光源からの光線を、対物レンズ系を介して物体に照射する共焦点光学系と、前記共焦点光学系を介して得られる、前記物体からの結像された反射光を受光して画像を取得する撮像手段と、前記共焦点光学系の前記対物レンズ系の焦点位置を、前記物体に対して光軸方向に相対移動させる移動手段と、異なる前記焦点位置ごとに取得された画像に基づいて、前記物体の物体面の高さを算出する算出手段とを備えた高さ検査装置において、前記撮像手段は、前記反射光に含まれる前記所定の波長の光の各々を分離して検出することにより、前記物体面上の材質の違いを検出することを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１の高さ検査装置において、前記撮像手段は、検出された前記所定の波長の光の各々の強度の比により、前記物体面上の材質の違いを検出することを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１の高さ検査装置において、前記撮像手段は、前記物体面上の複数の位置からの反射光における前記所定の波長の光の各々を分離した結果により、前記物体面上の材質の違いを検出することを特徴とする。

本発明に係る高さ検査装置を以上のような構成とすると、物体の材質の違いをより正確に特定することができる。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。図１に示すとおり、実施形態の高さ検査装置１は、照明光学系２と測定光学系３およびその他の計測制御装置とから構成されている。照明光学系２は、測定光学系３の側方に位置し、その光軸上に順に、光源４、コレクタレンズ５および照明用ハーフプリズム６が配設されて構成されている。一方、測定光学系３は、その光軸上に順に、対物レンズからなる第１の結像光学系７と、共焦点ディスク８と、照明用ハーフプリズム６と、リレーレンズからなる第２の結像光学系１０および撮像素子１１が配設されて構成されている。また、被検物１３はステージ１２に載置されて、測定光学系３における第１の結像光学系７の下方に配置されている。

光源４から出射した照明光はコレクタレンズ５で平行光に変換され、照明用ハーフプリズム６に照射される。照明用ハーフプリズム６は、約半分の光を透過し、残りの光を反射するものであり、測定光学系３の光軸方向で下方に照明光を反射する。そして、照明用ハーフプリズム６で反射された照明光は、共焦点ディスク８の上面に照射される。

共焦点ディスク８は、薄い円板状に形成されており、板厚方向に貫通する共焦点ピンホール８ａが螺旋状に多数形成され（このような構成の共焦点ディスク８は「ニッポウディスク」とも呼ばれる）、測定光学系３を通過する光線（照明光等）を遮るように、測定光学系３の光軸に対して直交するように配置されている。この共焦点ディスク８は、モータ９により所定の回転速度で回転されており、この共焦点ピンホール８ａを通過した照明光は、第１の結像光学系７によりステージ１２に載置された被検物１３に共焦点ピンホール８ａの像として集光されて照射される。なお、図１においては、２つの共焦点ピンホール８ａを図示している。

被検物１３に集光照射された共焦点ピンホール８ａの像は、被検物１３の表面（以下、「物体面Ｏ」と呼ぶ）で反射されて、再び第１の結像光学系７に入射し、この第１の結像光学系７で集光されて共焦点ディスク８上に反射像として結像し、さらに、共焦点ピンホール８ａを通過する。そして、照明用ハーフプリズム６を透過した後、第２の結像光学系１０で再度結像されて撮像素子１１の撮像面Ｍに共焦点ピンホール８ａの反射像が結像する。この撮像素子１１で検出された信号は、処理装置１５に渡される。

このように、共焦点ピンホール８ａが形成された共焦点ディスク８をモータ９により所定の速度で高速回転させることにより、この共焦点ピンホール８ａを通過した照明光がスポット光として被検物１３の物体面Ｏを走査することになり、この共焦点ピンホール８ａ（スポット光）の反射像を撮像素子１１で検出して処理装置１５で処理して、被検物１３の高さ情報を得ることができる。

撮像素子１１の撮像面Ｍに結像される共焦点ピンホール８ａ（スポット光）の反射像は、第１の結像光学系７の焦点面が物体面Ｏに一致しているときだけ明るく映り、物体面Ｏが光軸方向に焦点面からずれているときは暗く映る。そのため、本発明に係る高さ検査装置１では、ステージ１２を光軸方向に移動させることで被検物１３を光軸方向に移動させて、反射像の光の強度変化を撮像素子１１で取得して高さ情報を求めるように構成されている。以下に、具体的な方法について説明する。

被検物１３が載置されたステージ１２は、ステージ駆動部１４により測定光学系３の光軸に沿って上下に移動可能なように構成されている。そのため、このステージ１２を第１の結像光学系７の焦点面付近で上下動させると、ステージ１２の光軸方向位置Ｚと撮像素子１１で検出される反射像の光の強度Ｉとの関係は、図２に示すように、第１の結像光学系７の焦点面と被検物１３の物体面Ｏとが一致する位置Ｚ０において光の強度Ｉが最も大きくなるような分布を示す（以降、光の強度Ｉの最大値を「ＩＺピーク値」と呼ぶ）。よって、処理装置１５でステージ駆動部１４を制御してステージ１２を光軸方向に移動させて、撮像素子１１で検出された信号のＩＺピーク値を求めることにより、そのときのステージ１２の光軸方向位置Ｚ（Ｚ０）から、被検物１３の高さ情報を得ることができる。このとき、第１の結像光学系７を物体側テレセントリックとすることにより、ステージ１２が移動してデフォーカスされても、第１の結像光学系７による倍率変動がないため、同一倍率で反射像を測定することができ、測定精度に影響を与えることがない。

なお、上述のように共焦点ディスク８を所定の速度で回転させて被検物１３を走査しているため、被検物１３（物体面Ｏ）上の多数のポイントに対する高さ情報を同時に測定することができる。このとき、物体面Ｏ上の測定範囲は、撮像素子１１の撮像面Ｍの撮像視野に対応し、被検物１３の高さ情報の測定範囲は、ステージ１２の光軸方向移動範囲に対応する。また、物体面Ｏが測定光学系３の光軸に対して傾きがあると、この物体面Ｏで反射した反射光（共焦点ピンホール８ａの反射像）が第１の結像光学系７に入射せず測定できない。そのため、高さ情報の測定可能な物体面Ｏの傾きの範囲は、第１の結像光学系７の開口数により決定される。

また、以上に説明した構成では、ステージ１２を上下に移動させて被検物１３の反射像の光の強度を測定するように構成しているが、共焦点ディスク８と第１の結像光学系７の間の測定光学系３の光路上に直角ミラーとコーナーキューブプリズムを組み合わせたものを配置し、コーナーキューブプリズムを移動させることにより、第１の結像光学系７の焦点面を移動させるように構成させても良い。

ところで、光線が物体面Ｏで反射するときの反射率はその物体面Ｏを構成する材質により、また、光線の波長により異なることが知られている。そこで、所定の波長を含む照明光を用い、物体面Ｏで反射した反射像をフィルタ等で選択して撮像素子１１で検出することにより、異なる波長毎のＩＺピーク値を得ることができ、この波長の異なる光線のＩＺピーク値から上述の高さ情報だけでなく被検物１３（物体面Ｏ）の材質情報を得ることができる。ここで、反射像の波長を選択して検出する手段としては、赤（Ｒ）、緑（Ｇ），青（Ｂ）の３色のストライプフィルタ等のカラーフィルタを撮像素子（ＣＣＤ）１１の撮像面Ｍ上にオンチップ状に形成したカラーＣＣＤを用いることで実現することができる。

図３に示すように、同じ高さの２種類の材質（基板ＰＣと銅箔ＣＵ）からなる被検物１３を走査したときの、それぞれの材質の部分におけるステージ１２の位置Ｚと撮像素子１１で検出される光の強度Ｉとの関係を図４に示す。なお、ここでは、光源４から白色光を照射し、赤色の波長帯の光Ｒ、緑色の波長帯の光Ｇおよび青色の波長帯の光Ｂを撮像素子１１で分離して検出した場合を示している。図４からわかるように、２つの材質の部分は、高さが同じであるためＩＺピーク値のときのステージ位置Ｚ０は一致している。しかし、それぞれの波長帯Ｒ，Ｇ，ＢのＩＺピーク値の大きさは相違している。この３色の光Ｒ，Ｇ，Ｂの光強度の割合は、上述のように被検物１３の材質の反射率に依存するものである。つまり、材質が異なれば、Ｒ，Ｇ，Ｂの光強度の割合（比）も異なる。そのため、被検物１３面上のそれぞれの位置における３色の光Ｒ、Ｇ、ＢのＩＺピーク値を正規化してその比率を求め、それらを比較することにより、被検物１３面上における材質の違いが認識できる。すなわち、被検物１３面上の位置によって、比率が異なる場合は、材質が違う部分があることがわかる。また、その比率によって、材質を特定することも可能である。このように、本実施形態によれば、１回の測定で被検物１３の高さ情報だけでなく、その材質情報も得ることができるため、効率よく被検物を測定することができる。

なお、本実施例では、例えば、予め材質毎の３色の光Ｒ，Ｇ，Ｂの比率を求めておいて処理装置１５に記憶しておくことにより、撮像素子１１からの検出結果を記憶しておいた情報と比較することにより、被検物１３の材質を特定するように構成することができる。

以上のように、赤色の波長の光線Ｒ、緑色の波長の光線Ｇおよび青色の波長の光線Ｂからなる３色の光線を検出するように構成すると、市販されているカラーフィルターがオンチップ状に形成されたカラーＣＣＤを撮像素子１１に用いることができるため、高さ検査装置１を安価に製造することができる。しかしながら、本発明がこの３色の光線Ｒ，Ｇ，Ｂに限定されるものではなく、測定対象である被検物１３の材質に合わせて適切な波長の光線を選択することができる。また、撮像素子１１で検出する波長の数は３つに限定されず、測定しようとする材質等に応じて設定することができる。さらに、光源４は、上述のように撮像素子１１で分離して検出しようとする波長を含む光線を照射するものを用いることもできるし、所定の波長のみからなる光線を照射するものを用いることもできる。

本発明に係る高さ測定装置を示す構成図である。 被検物の位置Ｚと撮像素子で検出される光の強度Ｉの関係を示す図である。 高さが同じ２つの材質からなる被検物を示す図である。 材質の違いによる反射像の光の強度を示す図であり、（Ａ）は基板からの反射像の光の強度を示す図であり、（Ｂ）は銅箔からの反射像の光の強度を示す図である。

符号の説明

１ 高さ検査装置
４ 光源
７ 第１の結像光学系
８ 共焦点ディスク
８ａ 共焦点ピンホール
１０ 第２の結像光学系
１１ 撮像素子
１３ 被検物（物体）
Ｍ 撮像面

Claims (3)

1. 少なくとも２つの所定の波長の光を含む光線を出射する光源と、
   前記光源からの光線を、対物レンズ系を介して物体に照射する共焦点光学系と、
   前記共焦点光学系を介して得られる、前記物体からの結像された反射光を受光して画像を取得する撮像手段と、
   前記共焦点光学系の前記対物レンズ系の焦点位置を、前記物体に対して光軸方向に相対移動させる移動手段と、
   異なる前記焦点位置ごとに取得された画像に基づいて、前記物体の物体面の高さを算出する算出手段とを備えた高さ検査装置において、
   前記撮像手段は、前記反射光に含まれる前記所定の波長の光の各々を分離して検出することにより、前記物体面上の材質の違いを検出することを特徴とする高さ検査装置。
2. 前記撮像手段は、検出された前記所定の波長の光の各々の強度の比により、前記物体面上の材質の違いを検出することを特徴とする請求項１に記載の高さ検査装置。
3. 前記撮像手段は、前記物体面上の複数の位置からの反射光における前記所定の波長の光の各々を分離した結果により、前記物体面上の材質の違いを検出することを特徴とする請求項１に記載の高さ検査装置。

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