JP2019066691A - 検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】物体面の３次元形状を高速に検査することのできる検査装置を提供する。【解決手段】検査装置１０は、物体面Ｓからの光を受光するラインイメージセンサ２０と、ラインイメージセンサ２０に物体面Ｓからの光を結像させる等倍反射型結像光学系３０と、を備える。等倍反射型結像光学系３０は、凹面主鏡３２、凸面副鏡３４、及び引き出し平面ミラー３６を含む。物体面Ｓからの光束は、凹面主鏡３２、凸面副鏡３４、凹面主鏡３２の順番で反射した後、引き出し平面ミラー３６を介して、ラインイメージセンサ２０に結像する。【選択図】図１

Description

本発明は、ラインイメージセンサ及び等倍反射型結像光学系を備えた検査装置に関する。

例えばプリント基板の欠陥検査のために、プリント基板表面の２次元形状だけでなく、プリント基板表面の３次元形状を観察したいという要求がある。すなわち、プリント基板の表面の２次元形状（ＸＹ面形状）を観察しながら、その表面の凹凸形状の高さ（＝Ｚ軸方向高さ）を観察したいという要求である。

プリント基板の表面を真上から観察することによって、その基板表面の２次元形状を測定することは可能である。しかし、Ｚ軸方向の高さの情報を得るためには、基板表面の凹凸形状を斜めから観察する必要がある。例えば、基板表面を斜めから観察すると、観察される画像の手前側は幅が広くなり、奥側は幅が狭くなる。観察される画像の中央部にピントを合わせると、手前側と奥側にはピントが合わなくなるため、中央以外の部分では鮮明な画像が得られない。手前側と奥側のピントが合わなくなるのは、通常の光学系においては、像面と物体面が光軸に対して垂直に配置されることに起因している。手前側と奥側を含めた全面にピントを合わせるためには、像面を光軸に対して傾けるとともに、像面と物体面がシャインプルーフの条件を満たす必要がある。また、手前側と奥側を同じ幅で観察するためには、物体側と像側がともにテレセントリックとなる光学系を用いる必要がある。

フリップチップ実装技術の一つとして、シリコンウェハ上に銅ピラーを多数形成し、銅ピラーの頂部に形成された半田ボールに半導体チップを接続する技術が知られている。半導体チップの高集積化に伴い、シリコンウェハ上に形成された銅ピラーの微細化が進んでいる。例えば、銅ピラーの直径は２０−５０μｍ、高さは３０−６０μｍとなっている。

特開２０１６−１４８８２９号公報

シリコンウェハの欠陥検査のために、シリコンウェハの表面の３次元形状を観察したいという要求がある。例えば、シリコンウェハ上に高密度に形成された銅ピラーの高さ、直径、ピッチなどを含む３次元形状の検査を高速に行いたいという要求がある。

本発明は、物体面の３次元形状を高速に検査することのできる検査装置を提供することを目的とする。例えば、シリコンウェハ上に形成された、直径が２０−５０μｍ、高さが３０−６０μｍの銅ピラーの３次元形状を高速に検査することのできる検査装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための手段は、以下の発明である。
（１）物体面からの光を受光するラインイメージセンサと、前記ラインイメージセンサに前記物体面からの光を結像させる等倍反射型結像光学系と、を備える検査装置であって、
前記等倍反射型結像光学系は、凹面主鏡、凸面副鏡、及び引き出し平面ミラーを含み、前記物体面からの光の光束を、前記凹面主鏡、前記凸面副鏡、前記凹面主鏡の順番で反射させた後、前記引き出し平面ミラーを介して、前記ラインイメージセンサに結像させるように構成されている、検査装置。

（２）前記物体面から前記凹面主鏡に向かう光軸と、前記物体面の垂線とがなす角度αを変化させることのできる第１の傾動手段と、
前記引き出し平面ミラーから前記ラインイメージセンサに向かう光軸と、前記ラインイメージセンサの受光面の垂線とがなす角度βを変化させることのできる第２の傾動手段と、を備える、上記（１）に記載の検査装置。

（３）前記第１の傾動手段及び前記第２の傾動手段を制御する制御手段を備え、
前記制御手段は、前記角度αと前記角度βが等しくなるように、前記第１の傾動手段及び第２の傾動手段を制御する、上記（２）に記載の検査装置。

（４）前記第１の傾動手段は、前記角度αを０度〜７０度の範囲で変化させることが可能であり、
前記第２の傾動手段は、前記角度βを０度〜７０度の範囲で変化させることが可能である、上記（２）または（３）に記載の検査装置。

本発明によれば、物体面の３次元形状を高速に検査することのできる検査装置を提供することができる。

Ｘ軸を回転軸として−６０°、０°、＋４５°回転した状態の検査装置の正面図である。 Ｘ軸を回転軸として０°回転した状態の検査装置の側面図である。 Ｘ軸を回転軸として−６０°、０°、＋４５°回転した状態の、従来の検査装置の正面図である。 Ｘ軸を回転軸として０°回転した状態の、従来の検査装置の側面図である。 検査装置がＸ軸を中心に−６０°回転したときのＭＴＦ値を示している。 検査装置がＸ軸を中心に０°回転したときのＭＴＦ値を示している。 検査装置がＸ軸を中心に＋４５°回転したときのＭＴＦ値を示している。 従来の検査装置がＸ軸を中心に−６０°回転したときのＭＴＦ値を示している。 従来の検査装置がＸ軸を中心に０°回転したときのＭＴＦ値を示している。 従来の検査装置がＸ軸を中心に＋４５°回転したときのＭＴＦ値を示している。 １２インチ（＝３００mm）のシリコンウェハの全面を、本実施形態の検査装置の６２mmラインイメージセンサで、５回スキャンする過程を示す。 １２インチ（＝３００mm）のシリコンウェハの全面を、従来の検査装置の２４．６mm×２４．６mmエリアイメージセンサで、１ショットずつ、１３２回撮影する過程を示す。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、Ｘ軸を回転軸として−６０°、０°、＋４５°回転した状態の検査装置の正面図である。図２は、Ｘ軸を回転軸として０°回転した状態の検査装置の側面図である。

図１、２に示すように、本実施形態の検査装置１０は、物体面Ｓからの光を受光するためのラインイメージセンサ２０と、物体面Ｓからの光をラインイメージセンサ２０の受光面に結像させるための結像光学系３０と、を備えている。結像光学系３０は、等倍反射型結像光学系の一つであるオフナー光学系によって構成されている。結像光学系３０は、テレセントリック光学系によって構成されている。

本実施形態の検査装置１０は、物体面Ｓに光を照射するための図示しない照明光学系を備えていてもよい。照明光学系は、結像光学系３０に合わせて、テレセントリック光学系によって構成されていてもよい。照明光学系としては、例えば、特開２０１３−１７４８４４号公報に開示されたケーラー照明系を用いることが可能である。

検査の対象となる物体面Ｓは、特に制限するものではないが、例えばシリコンウェハの表面である。シリコンウェハの表面には、例えば、直径２０−５０μｍ、高さ３０−６０μｍの銅ピラーが形成されている。銅ピラーの頂部には、半導体チップをフリップチップ接続するための半田ボールが形成されている。

図１、２に示すように、結像光学系３０は、凹面鏡で構成された主鏡３２、凸面鏡で構成された副鏡３４、及び引き出し平面ミラー３６を備えている。物体面Ｓからの光束は、主鏡３２、副鏡３４、主鏡３２、引き出し平面ミラー３６の順番で反射された後、ラインイメージセンサ２０の受光面に結像する。物体面Ｓとラインイメージセンサ２０の受光面は、オフナー光学系において、等倍の共役の関係となっている。副鏡３４は、光学系の瞳となっている。

ラインイメージセンサ２０の受光面には、物体面Ｓからの反射光が結像する。ラインイメージセンサ２０としては、例えば、２次元ＣＣＤ等の固体撮像素子を使用できる。

ラインイメージセンサ２０としては、例えば、５μｍｘ５μｍの受光素子が、Ｘ方向に１２，０００個ライン状に並んだ２次元ＣＣＤを使用できる。この場合、受光面の長さは６０ｍｍとなる。また、ラインイメージセンサ２０としては、ノイズ信号を軽減するために、例えば、５μｍｘ５μｍの受光素子が、Ｘ方向に１２，０００個、Ｙ方向に２００列並んだ２次元ＣＣＤを使用できる。この場合、受光面の長さは６０ｍｍ、幅は１ｍｍとなる。さらに微細な受光素子、例えば、３．５μｍｘ３．５μｍの受光素子がライン状に並んだ２次元ＣＣＤを使用することもできる。

図１、２に示すように、物体面Ｓから凹面主鏡３２に向かう光の光束は、テレセントリックとなっている。主鏡３２で反射した光は、絞りを兼ねる凸面副鏡３４で反射する。副鏡３４で反射した光は、再び凹面主鏡３２で反射してテレセントリックとなる。主鏡３２で反射してテレセントリックとなった光は、引出し平面ミラー３６で反射して、等倍でラインイメージセンサ２０の受光面に結像する。

図１、２に示すように、本実施形態の検査装置１０は、６４ｍｍ×２ｍｍの受光面を有するラインイメージセンサ２０を用いている。

等倍反射型結像光学系３０では、凸面副鏡３４と引出し平面ミラー３６の干渉状況により、ＮＡの数値が決まる。

図１、２に示すように、本実施形態の検査装置１０では、ラインイメージセンサ２０の幅が小さい（＝２ｍｍ）ため、光軸と主光線軸のシフト量が小さい（＝２２ｍｍ）。このため、本実施形態の検査装置１０では、ＮＡ＝０．０６５となっており、ＮＡの値が大きくなっている。このように、本実施形態の検査装置１０によれば、例えばＮＡ＝０．０６５まで無収差を維持することができる。

従来の検査装置について説明する。
図３は、Ｘ軸を回転軸として−６０°、０°、＋４５°回転した状態の、従来の検査装置の正面図である。図４は、Ｘ軸を回転軸として０°回転した状態の、従来の検査装置の側面図である。

図３、４に示すように、従来の検査装置１００は、２４．６ｍｍｘ２４．６ｍｍの受光面を有するエリアイメージセンサ１２０を用いている。

従来の検査装置１００は、エリアイメージセンサ１２０の幅が大きい（＝２４．６ｍｍ）ため、光軸と主光線軸のシフト量が大きい（＝３０ｍｍ）。このため、従来の検査装置１００では、ＮＡ＝０．０４となっており、本実施形態の検査装置１０よりもＮＡの値が小さくなっている。

本実施形態の検査装置１０においては、例えば、ＮＡ＝０．０６５であり、主波長＝０．５４６μｍである。この場合、アッベの理論分解能式から、
分解能＝波長／（２×ＮＡ）＝０．５４６μｍ／（２×０．０６５）＝４．２μｍＬ＆Ｓ
１，０００μｍ／（４．２μｍ×２）＝１２０ＬＰ／ｍｍ

従来の検査装置１００においては、例えば、ＮＡ＝０．０４であり、主波長＝０．５４６μｍである。この場合、アッベの理論分解能式から、
分解能＝波長／（２×ＮＡ）＝０．５４６μｍ／（２×０．０４）＝６．８３μｍＬ＆Ｓ
１，０００μｍ／（６．８３μｍ×２）＝７３ＬＰ／ｍｍ

本実施形態の検査装置１０は、６４ｍｍ×２ｍｍの受光面を有するラインイメージセンサ２０を用いているため、４．２μｍＬ＆Ｓの分解能を得ることができる。

これに対して、従来の検査装置１００は、２４．６ｍｍ×２４．６ｍｍのエリアイメージセンサ１２０を用いているため、６．８３μｍＬ＆Ｓの分解能にとどまる。

図１の中央に示すように、検査装置１０がＸ軸を中心に０°回転した状態では、ＹＺ平面内において、物体面Ｓの垂線Ｎ１は、物体面Ｓから主鏡３２に向かう光軸Ｌ１と一致している（α＝０°）。また、ラインイメージセンサ２０の垂線Ｎ２は、引き出し平面ミラー３６からラインイメージセンサ２０に向かう光軸Ｌ２と一致している（β＝０°）。

図１の右側に示すように、検査装置１０がＸ軸を中心に＋４５°回転した状態では、ＹＺ平面内において、物体面Ｓの垂線Ｎ１は、物体面Ｓから主鏡３２に向かう光軸Ｌ１に対して４５°傾斜している（α１＝４５°）。また、ラインイメージセンサ２０の垂線Ｎ２は、引き出し平面ミラー３６からラインイメージセンサ２０に向かう光軸Ｌ２に対して４５°傾斜している（β１＝４５°）。

図１の左側に示すように、検査装置１０がＸ軸を中心に−６０°回転した状態では、ＹＺ平面内において、物体面Ｓの垂線Ｎ１は、物体面Ｓから主鏡３２に向かう光軸Ｌ１に対して−６０°傾斜している（α２＝−６０°）。また、ラインイメージセンサ２０の垂線Ｎ２は、引き出し平面ミラー３６からラインイメージセンサ２０に向かう光軸Ｌ２に対して−６０°傾斜している（β２＝−６０°）。

以上説明したように、本実施形態の検査装置１０は、Ｘ軸を中心に回転することが可能である。すなわち、検査対象となる物体面ＳがＸＹ２次元平面内に位置しているとき、主鏡３２、副鏡３４、及び引き出し平面ミラー３６を収容する鏡筒を、Ｘ軸を中心に回転駆動することが可能である。また、鏡筒の回転角度に合わせて、例えばＣＣＤ撮像素子からなるラインイメージセンサ２０を回転駆動することが可能である。これにより、物体面Ｓとラインイメージセンサ２０の受光面がシャインプルーフの条件を満たすように、検査装置１０の各部を回転駆動することが可能である。本実施形態の検査装置１０によれば、物体面Ｓを斜めから観察した場合であっても、物体面Ｓの全面にピントを合わせることが可能となる。

本実施形態の検査装置１０は、主鏡３２、副鏡３４、及び引き出し平面ミラー３６を収容するための図示しない鏡筒を備えてもよい。検査装置１０は、鏡筒を回転駆動するための手段を備えてもよい。駆動手段としては、例えば、ステッピングモータあるいはサーボモータを使用することができる。鏡筒を回転駆動するための手段が、本発明の「第１の傾動手段」に対応する。

本実施形態の検査装置１０は、例えばＣＣＤ撮像素子によって構成されるラインイメージセンサ２０を回転駆動するための手段を備えてもよい。駆動手段としては、例えば、ステッピングモータあるいはサーボモータを使用することができる。ラインイメージセンサ２０を回転駆動するための手段が、本発明の「第２の傾動手段」に対応する。

検査装置１０は、鏡筒を回転駆動するための手段（第１の傾動手段）、及び、ラインイメージセンサ２０を回転駆動するための手段（第２の傾動手段）をそれぞれ制御するための制御手段を備えてもよい。この制御手段は、第１の傾動手段及び第２の傾動手段をそれぞれ制御することによって、鏡筒及びラインイメージセンサ２０の回転角度をそれぞれ制御することができる。この制御手段は、例えばパーソナルコンピュータによって構成されている。第１の傾動手段と制御手段は、電気的に接続されている。第２の傾動手段と制御手段は、電気的に接続されている。制御手段には、第１の傾動手段及び第２の制御手段をそれぞれ制御するためのソフトウェアがインストールされていることが好ましい。

第１の傾動手段は、主鏡３２、副鏡３４、及び引き出し平面ミラー３６を収容する図示しない鏡筒を回転させることができる。鏡筒を回転させることによって、物体面Ｓから凹面主鏡３２に向かう光軸Ｌ１と、物体面Ｓの垂線Ｎ１とがなす角度αを変化させることが可能である。第１の傾動手段は、好ましくは、角度αを０°〜７０°の範囲で変化させることが可能である。

第２の傾動手段は、ラインイメージセンサ２０を回転させることによって、引き出し平面ミラー３６からラインイメージセンサ２０の受光面に向かう光軸Ｌ２と、ラインイメージセンサ２０の受光面の垂線Ｎ２とがなす角度βを変化させることが可能である。第２の傾動手段は、好ましくは、角度βを０°〜７０°の範囲で変化させることが可能である。

制御手段は、角度αと角度βが等しくなるように、第１の傾動手段及び第２の傾動手段をそれぞれ制御することができる。すなわち、物体面Ｓとラインイメージセンサ２０の受光面がシャインプルーフの条件を満たすように、物体面Ｓと受光面の光軸に対する傾斜角度をそれぞれ制御することができる。これにより、物体面Ｓを例えば６０°傾斜した方向から観察した場合であっても、物体面Ｓの全面にピントを合わせることが可能となる。

図５〜図７のグラフは、物体面Ｓからの光束が、等倍反射型結像光学系３０により像面に結像したときのコントラストの計算結果を示している。図５〜図７のグラフにおいて、横軸はＬＰ／ｍｍ、縦軸はＭＴＦ値である。各グラフは、以下の［表１］に示す９点の座標からの光束が結像したときのコントラストを示している。分解能（ＭＴＦ）は、主波長を546nmとして、546nm, 436nm, 486nm, 579nm, 656nmの５つの波長で計算した。

図５は、検査装置１０がＸ軸を中心に−６０°回転したときのＭＴＦ値を示している。
図５に示すように、検査装置１０の回転角度が−６０°である場合、１００ＬＰ／ｍｍ（５μｍＬ＆Ｓ）におけるＭＴＦ値は、Ｘ方向（タンジェンシャル方向）において４７％、Ｚ方向（サジタル方向）において１０％である。

図６は、検査装置１０がＸ軸を中心に０°回転したときのＭＴＦ値を示している。
図６に示すように、検査装置１０の回転角度が０°である場合、１００ＬＰ／ｍｍにおけるＭＴＦ値は、４７％である。物体面も像面も光軸に対して垂直であるため、タンジェンシャル方向とサジタル方向においてＭＴＦ値に差はない。

図７は、検査装置１０がＸ軸を中心に＋４５°回転したときのＭＴＦ値を示している。
図７に示すように、検査装置１０の回転角度が＋４５°である場合、１００ＬＰ／ｍｍにおけるＭＴＦ値は、Ｘ方向（タンジェンシャル方向）において４７％、Ｚ方向（サジタル方向）において２９％である。

図８〜図１０のグラフは、物体面Ｓからの光束が、従来の検査装置１００により像面に結像したときのコントラストの計算結果を示している。図８〜図１０のグラフにおいて、横軸はＬＰ／ｍｍ、縦軸はＭＴＦ値である。各グラフは、以下の［表２］に示す９点の座標からの光束が結像したときのコントラストを示している。分解能（ＭＴＦ）は、主波長を546nmとして、546nm, 436nm, 486nm, 579nm, 656nmの５つの波長で計算した。

図８は、従来の検査装置１００がＸ軸を中心に−６０°回転したときのＭＴＦ値を示している。
図８に示すように、従来の検査装置１００の回転角度が−６０°である場合、１００ＬＰ／ｍｍにおけるＭＴＦ値は、Ｘ方向（タンジェンシャル方向）において２０％、Ｚ方向（サジタル方向）において０％である。６０ＬＰ／ｍｍにおけるＭＴＦ値は、Ｘ方向（タンジェンシャル方向）において４７％、Ｚ方向（サジタル方向）において１０％である。

図９は、従来の検査装置１００がＸ軸を中心に０°回転したときのＭＴＦ値を示している。
図９に示すように、従来の検査装置１００の回転角度が０°である場合、１００ＬＰ／ｍｍにおけるＭＴＦ値は、２０％である。物体面も像面も光軸に対して垂直であるため、タンジェンシャル方向とサジタル方向においてＭＴＦ値に差はない。

図１０は、従来の検査装置１００がＸ軸を中心に＋４５°回転したときのＭＴＦ値を示している。
図１０に示すように、従来の検査装置１００の回転角度が＋４５°である場合、１００ＬＰ／ｍｍにおけるＭＴＦ値は、Ｘ方向（タンジェンシャル方向）において２０％、Ｚ方向（サジタル方向）において３％である。６０ＬＰ／ｍｍにおけるＭＴＦ値は、Ｘ方向（タンジェンシャル方向）において４７％、Ｚ方向（サジタル方向）において２９％である。

図５〜図７のグラフから分かるように、本実施形態の検査装置１０によれば、回転角度が−６０°、＋４５°である場合であっても、高いＭＴＦ値を得ることができる。例えば、１００ＬＰ／ｍｍにおいて、ＭＴＦ値は４７％であった。

図８〜図１０のグラフから分かるように、従来の検査装置１００によれば、高いＭＴＦ値を得ることができない。例えば、１００ＬＰ／ｍｍにおいて、ＭＴＦ値は２０％であった。本実施形態の検査装置１０と同等のＭＴＦ値４７％を得るためには、横軸の数値を１００ＬＰ／ｍｍから６０ＬＰ／ｍｍまで下げる必要がある。

従来の検査装置１００は、ＮＡ値が０．０４と低いため、分解能の限界は、例えば８．３μｍであった。

本実施形態の検査装置１０によれば、回転角度が＋４５°である場合において、１００ＬＰ／ｍｍ、Ｚ方向（サジタル方向）におけるＭＴＦ値は、約３０％である。
したがって、本実施形態の検査装置１０によれば、容易に画像処理ソフトを適用できるコントラストが得られる。

１００ＬＰ／ｍｍ＝５μｍＬ＆Ｓである。ラインイメージセンサの受光素子のサイズは、例えば５μｍ×５μｍである。
したがって、本実施形態の検査装置１０によれば、５μｍの分解能での３次元形状の検査が可能である。

従来の検査装置１００によれば、６０ＬＰ／ｍｍｍにおける分解能は、８．３μｍである。
したがって、従来の検査装置１００によれば、５μｍ×５μｍのサイズを有する受光素子を使った場合でも、８．３μｍの分解能での３次元形状の検査しかできない。

図１１は、１２インチ（＝３００mm）のシリコンウェハの全面を、本実施形態の検査装置１０の６２mmラインイメージセンサで、５回スキャンする過程を示す。

図１２は、１２インチ（＝３００mm）のシリコンウェハの全面を、従来の検査装置１００の２４．６mm×２４．６mmエリアイメージセンサで、１ショットずつ、１３２回撮影する過程を示す。

等倍反射型結像光学系に組み合されるステージの動きにもよるが、本実施形態の６２ｍｍラインイメージセンサを使用した場合、従来の２４．６ｍｍ×２４．６ｍｍエリアイメージセンサを使用した場合よりも、格段に速い検査スループットが得られる。

更に、５μｍ×５μｍの受光素子がＸ方向に１２，０００個（長さ６０ｍｍ）、Ｙ方向に２００列（幅１ｍｍ）並んだラインイメージセンサを使用した場合、ノイズが軽減されるため、より高い分解能での検査が可能になる。例えば、ラインイメージセンサに、３．５μｍの受光素子を適用できる。この場合、分解能３．５μｍでの検査も可能である。

１０ 検査装置
２０ ラインイメージセンサ
３０ 等倍反射型結像光学系
３２ 凹面主鏡
３４ 凸面副鏡
３６ 引き出し平面ミラー
Ｌ１、Ｌ２ 光軸
Ｎ１、Ｎ２ 垂線
Ｓ 物体面

Claims (4)

1. 物体面からの光を受光するラインイメージセンサと、前記ラインイメージセンサに前記物体面からの光を結像させる等倍反射型結像光学系と、を備える検査装置であって、
   前記等倍反射型結像光学系は、凹面主鏡、凸面副鏡、及び引き出し平面ミラーを含み、前記物体面からの光の光束を、前記凹面主鏡、前記凸面副鏡、前記凹面主鏡の順番で反射させた後、前記引き出し平面ミラーを介して、前記ラインイメージセンサに結像させるように構成されている、検査装置。
2. 前記物体面から前記凹面主鏡に向かう光軸と、前記物体面の垂線とがなす角度αを変化させることのできる第１の傾動手段と、
   前記引き出し平面ミラーから前記ラインイメージセンサに向かう光軸と、前記ラインイメージセンサの受光面の垂線とがなす角度βを変化させることのできる第２の傾動手段と、を備える、請求項１に記載の検査装置。
3. 前記第１の傾動手段及び前記第２の傾動手段を制御する制御手段を備え、
   前記制御手段は、前記角度αと前記角度βが等しくなるように、前記第１の傾動手段及び第２の傾動手段を制御する、請求項２に記載の検査装置。
4. 前記第１の傾動手段は、前記角度αを０度〜７０度の範囲で変化させることが可能であり、
   前記第２の傾動手段は、前記角度βを０度〜７０度の範囲で変化させることが可能である、請求項２または請求項３に記載の検査装置。