JP3762746B2

JP3762746B2 - 共焦点顕微鏡及びこれを用いた高さ測定方法

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Publication number: JP3762746B2
Application number: JP2002527838A
Authority: JP
Inventors: 幸夫江田; 菜穂子久田; 晃正森田; 靖弘上原
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2000-09-11
Filing date: 2001-09-11
Publication date: 2006-04-05
Anticipated expiration: 2021-09-11
Also published as: US6580518B2; US20020167723A1; WO2002023248A1; CN1392962A; TW498152B; JPWO2002023248A1; CN1207601C; AU2001284516A1; KR100474100B1; KR20020060224A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、共焦点ディスクを用いてセクショニング像を得る共焦点顕微鏡及びこれを用いた高さ測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近、ＬＳＩの高集積化にともないＬＳＩチップの電極数が増大し、また、実装密度も高くなっており、このような背景から、ＬＳＩチップの電極としてバンプ電極が採用されるようになっている。
【０００３】
そして、このようなバンプが形成されたＬＳＩチップは、基板上に逆さまにして接触させるとともに、基板上の電極にバンプを接続する、所謂、フリップチップ接続が行われる。
【０００４】
この場合、当然のことながら基板上の電極とバンプの間は、正確に接続されることが重要であり、このためバンプについて形状および高さが正確に形成されていることが必要になる。
【０００５】
そこで、バンプを測定対象物として、その高さ測定を光学的に行う光学式高さ測定装置が考えられている（特開平９−１１３２５３号公報、特開平９−１２６７３９号公報参照）。この光学式高さ測定装置の共焦点光学系として、レーザ走査式やディスク方式（Ｎｉｐｋｏｗディスク）が知られているが、いずれも高さ方向（光軸方向、すなわち、Ｚ軸方向）の分布を検出光量に変換する機能を有する。
【０００６】
このような共焦点光学系により、サンプルのＺ軸方向の移動位置ごとの複数のスライス画像を取得し、これらスライス画像の各画素の最大輝度からＩＺピーク位置を推定し、サンプルの高さ情報を得るようにしている。
【０００７】
ところで、複数のスライス画像を得るためにサンプルのＺ軸方向の焦点位置を移動させるには、サンプルを載置したサンプルステージまたは対物レンズをＺ軸方向に移動させるのが一般的である。
【０００８】
ところが、サンプルステージをＺ軸方向に移動させるサンプルステージ移動方式によると、例えばサンプルとして、大型の８インチウェハ上に形成されたＬＳＩチップのバンプ高さを測定するような場合には、８インチウェハを高精度に上下動させるサンプルステージが必要で、非常に大掛かりな機構になる。そのため、従来の装置は、非常に高価になる。加えて、従来の装置は、質量も大きくなるため、高速での上下動制御が難しく、焦点の移動精度が劣化すると同時に、移動に時間もかかる。また、対物レンズをＺ軸方向に移動させる対物レンズ移動方式では、ＬＳＩチップのバンプ高さを測定するような場合において、高速検査を実現するために、光学系総合倍率が例えば１倍程度の広視野光学系を得るのに対物レンズとして低倍率のものが用いられる。このような低倍率の対物レンズは、大型で質量も大きいため、高速での上下動制御が難しくなり、この場合も焦点の移動精度が劣化するばかりか、移動に時間がかかる。
【０００９】
また、検査の高速化を実現するには、一度に広い面積を観察できる低倍率の対物レンズを使用し二次元方向の走査速度を上げることが有効である。一般的に、セクショニング効果は、対物レンズのＮＡが大きいほど有効であるが、通常ＮＡの大きな対物レンズは、高倍率で視野が狭い。つまり、検査の高速化と光軸方向のセクショニング効果とは相反する。このため、一般には、低倍率の対物レンズにより高速な検査を行い、その後、一部の不良部分などを拡大して観察したい場合は、対物レンズを高倍率のものに変更して対応させている。この変更にともない対物レンズの倍率に相当する径のピンホールを形成した回転ディスクに交換する必要がある。
【００１０】
ところが、倍率を変更するために対物レンズや回転ディスクを交換させる機構は、かなり大掛かりで、構成が大型で複雑となる。また、対物レンズや回転ディスクの交換は、機構の大きさから速度を上げられず、切換え時間がかかるという問題があった。
【００１１】
一方、検査の高速化を目指した場合に、ある程度低倍率で広い視野を確保し、かつセクショニング効果による高コントラストを実現し得る、高ＮＡ低倍率という特殊な対物レンズを使用することが考えられる。しかし、このような対物レンズは、高速の高さ測定には有効であるが、光軸と直交する平面方向の画素分解能が高くない。従って、不良部の拡大検査を行うには、やはり対物レンズを高倍率に変える必要がある。このため、倍率の異なる特殊で高価な対物レンズが複数必要となり、さらに経済的に不利になってしまう。
【００１２】
また、回転ディスクの前後に変倍光学系を配置し、対物レンズの交換と同時に変倍を行うことにより、回転ディスクの交換が不要で、かつセクショニング効果を劣化させないようにできる方法も考えられている（特開平９−２３０２４５号公報参照）。しかし、この方法は、通常の対物レンズを使用して様々な倍率で観察を行う用途には非常に有効であるが、観察したいものによって倍率に応じた対物レンズの交換が必要になる。従って、対物レンズの交換機構が大型で、交換に時間がかかり、価格的にも高価になってしまう。
【００１３】
また、共焦点光学系のＩ−Ｚ特性（サンプルが焦点位置にある場合に最も光量Ｉが大きく、焦点位置から離れるにしたがい光量Ｉが減少する特性）を利用して、対物レンズの後方に複数の平行平面ガラス板を搭載した回転板を配置し、この回転板を高速で回転させることにより焦点位置とサンプルの相対位置をＺ方向に高速で移動させる技術が開示されている（特開平９−１２６７３９号公報参照）。この技術では、平行平面ガラス板の厚みに対応して離散的に焦点位置を移動させることでスライス画像を得るようにしている。この場合、スライス画像の枚数は、平行平面板の数と同じで、また、Ｚ測定範囲は、最も厚い平行平面板と最も薄い平行平面板の厚さにより決まり、平行平面板の枚数が多いほど、Ｚ方向のサンプリング間隔を細かくできる。このようにして、複数の離散的なスライス画像と、共焦点光学系の対物レンズのＮＡにより決まるＩ−Ｚ特性から、Ｚ方向に内挿処理を行い、各画素の焦点位置を推定し、サンプルの高さ測定の高速化を実現している。
【００１４】
ところが、このような共焦点光学系を利用したものは、バンプがある程度大きい場合には、有効であるが、バンプが小さくなってきた場合には、測定時間が長くかかってしまうという問題が生じる。つまり、バンプの微少化が進んでくると、光検出器として用いられるＣＣＤは、必然的に撮像する画素分解能を小さくすることが必要になる。従って、サンプルからＣＣＤまでの総合倍率が同じであれば、画素サイズのさらに小さなＣＣＤを使用する必要がある。この場合には、大画素数の高価なＣＣＤカメラなどを使用することになり、また、画素数が増大した画像になるので、データ処理に時間がかかる。また、同じ画素サイズのＣＣＤを使用するのであれば、実視野（ＣＣＤで撮像できる範囲）を小さくするように総合倍率を上げる必要がある。この場合には、実視野が小さくなることから、当然のことながら走査時間が増大する。
【００１５】
一方、１枚の板に規則的に並んだピンホール列を有する２次元配列型の素子を使用した場合には、バンプが微少化すると、２次元配列のピンホールパターンに高密度化（ピンホール間のピッチが小さくなる）が要求される。更に、２次元配列型の素子とＣＣＤカメラとが光学的に共役位置に配置されることからＣＣＤカメラの各画素と２次元配列型の素子の位置合わせ調整が難しくなる。加えて、ピンホール間のピッチが小さくなると、隣接するピンホールからの焦点位置から外れた光（ピンボケの光）が入り込むため、セクショニング効果が低下する。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、焦点移動を高精度・高速で行うことができ、また、低倍のセクショニング像を容易に変倍できる共焦点顕微鏡を提供することを目的とする。また、短時間に精度の高い高さ測定を行うことができる共焦点顕微鏡を用いた高さ測定方法を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る共焦点顕微鏡は、共焦点ディスクを用いた共焦点顕微鏡において、光源と、前記光源からの光を照射して得た前記共焦点ディスクの像を試料に結像させる高ＮＡ低倍率対物レンズと、前記共焦点ディスクと前記対物レンズとの間に配置された結像レンズとを有する第１の結像光学系と、前記結像レンズを光軸方向に移動させ前記対物レンズの前記試料に対する焦点位置を調整する結像レンズ駆動手段と、前記共焦点ディスク上に結像されたセクショニング像を光電変換手段に結像させる第２の結像光学系とを具備したことを特徴とする。
【００１８】
本発明に係る共焦点顕微鏡によれば、結像レンズの移動により、焦点の移動精度を飛躍的に高めることができる。
【００１９】
また、結像レンズは、小型で質量も軽いものにできるので、高速での移動制御が可能で、焦点移動のための時間を大幅に短縮することができる。
【００２０】
また、変倍光学系を高速検査では低倍率に、不良部分の拡大検査などでは高倍率に設定することで、高速の広域検査と欠陥部の拡大検査を容易に行うことができる。
【００２１】
本発明に係る高さ測定方法は、共焦点ディスクを用いた共焦点顕微鏡において、光源と、前記光源からの照射光を前記共焦点ディスクを通して試料に結像させる高ＮＡ低倍率対物レンズと、前記共焦点ディスクと前記高ＮＡ低倍率対物レンズとの間に配置された結像レンズとを有する第１の結像光学系と、前記結像レンズを光軸方向に移動させ前記対物レンズの前記試料に対する焦点位置を調整する結像レンズ駆動手段と、前記共焦点ディスク上に結像されたセクショニング像をＣＣＤカメラに結像させる第２の結像光学系と、を備え、前記結像レンズ駆動手段により前記結像レンズを光軸方向に移動させ、前記ＣＣＤカメラに結像された複数位置におけるセクショニング像の画素の輝度情報よりＩＺピーク位置を求め、前記試料の高さ情報を得ることを特徴とする。本発明に係る高さ測定方法によれば、一度に広い範囲の高さを測定し、かつ、焦点移動の高速化が可能となり、高さ測定の精度及び測定範囲を高めることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の実施の形態を図面に従い説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る共焦点顕微鏡の概略構成を示している。
【００２３】
図１において、ハロゲン光源又は水銀光源等の光源１から出射される光の光路上に、光源１とともに照明光学系を形成するレンズ２と、ＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）３とが配置されている。また、ＰＢＳ３の反射光路上には、セクショニング効果を持つ第１の結像光学系を構成する例えばＮｉｐｋｏｗディスク等の共焦点ディスク４と、結像レンズ６と、１／４波長板７と、絞り１３と、対物レンズ８を介して観察対象のサンプル９とが配置されている。この場合、対物レンズ８は、検査の高速化を実現するため、５倍以下（１倍以下も含む）の高ＮＡ低倍率で広い視野を確保できるものが用いられている。また、共焦点ディスク４と対物レンズ８と結像レンズ６は、ほぼテレセントリック配置になっている。また、サンプル９からの反射光のＰＢＳ３の透過光路上には、第１の結像光学系と直列に第２の結像光学系を構成するレンズ１０と、絞り１８と、レンズ１１を介してＣＣＤカメラ１２とが配置されている。
【００２４】
共焦点ディスク４として使用されたＮｉｐｋｏｗディスクは、円板状であり、モータ５の軸に連結されて、このモータ５により一定の回転速度で回転される。なお、この共焦点ディスク４は、セクショニング効果を発生するものであれば、どのようなものであっても良く、公知のディスク等が使用可能である。特願２０００−０６０５７８号）した直線状に形成された透過パターンと遮光パターンを交互に形成したものも使用可能である。また、共焦点ディスク４は、円板状に限らず液晶シャッタのようなものでもよい。また、サンプル９は、ＬＳＩチップ上に形成された半球状のバンプを備え、サンプルステージ１６上に載置されている。
【００２５】
また、第２の結像光学系は、第１の結像光学系（共焦点光学系）により共焦点ディスク４上に結像されたセクショニング効果が施されたサンプル像（セクショニング像）をＣＣＤカメラ１２に結像する。
【００２６】
ＣＣＤカメラ１２にはコンピュータ１４が接続され、コンピュータ１４からの指示により撮像の開始、終了、撮像画像の転送などが制御される。コンピュータ１４は、ＣＣＤカメラ１２で撮像された画像データを取込み演算処理して図示しないモニタに表示させるとともに、焦点移動装置１５に駆動指令を与える。
【００２７】
焦点移動装置１５は、コンピュータ１４の駆動指令により、結像レンズ６を光軸方向に移動させる。結像レンズ６が光軸方向に移動することで、共焦点ディスク４の像をサンプル９上の任意の高さ位置に結像させる。ここで、ＬＳＩチップのバンプ高さ測定するような場合には、高速検査を実現するために、また、広視野光学系を得るのに低倍率の光学系が用いられている。例えば、対物レンズ８を含む第１の結像光学系の横倍率が３倍とすると、縦倍率（＝横倍率の２乗）は３^２＝９倍となる。従って、結像レンズ６を９μｍ移動させると、共焦点ディスク４の像がサンプル９面で１μｍ移動し、その結果、焦点面が光軸方向に１μｍ移動することになる。
【００２８】
ちなみに、一般的な共焦点光学系では、高倍率で使用されることが多い。このため、例えば第１の結像光学系を１００倍程度の横倍率の場合には、縦倍率は１００^２＝１００００倍となる。このような高倍率光学系において上述した結像レンズ移動方式を採用すると、結像レンズを１００００μｍすなわち１０ｍｍ移動させても焦点面の移動は、僅か１μｍ程度であり、実用的でなくなる。従って、第１の結像光学系の横倍率は５倍以下が好ましく、１０倍程度まで実用化可能と考えられる。
【００２９】
上記のような構成において、光源１から出射された光は、レンズ２を通って平行光となり、ＰＢＳ３で反射され、一定の速度で回転する共焦点ディスク４に入射する。共焦点ディスク４のピンホールを通過した像は、結像レンズ６を通り、１／４波長板７で円偏光になって、絞り１３を通り対物レンズ８によってサンプル９に投影される。サンプル９から反射された光は、対物レンズ８、絞り１３を介し、再度、１／４波長板７で入射時とは直交する偏光方向になり、結像レンズ６により共焦点ディスク４上に投影される。そして、共焦点ディスク４上に投影されたサンプル像のうち焦点の合っている部分はピンホールを通過し、さらにＰＢＳ３を透過してレンズ１０、絞り１８、レンズ１１を介してＣＣＤカメラ１２で撮像される。ＣＣＤカメラ１２で撮像された共焦点画像は、コンピュータ１４に取り込まれる。
【００３０】
ここで、図１では、簡単のため共焦点ディスク４上の複数のピンホールのうち、２個のピンホールを通過した光に着目して図示している。共焦点ディスク４と対物レンズ８と結像レンズ６は、ほぼテレセントリック配置になっているので、第１の結像光学系では、サンプル９の光軸方向の高さ分布を光強度情報に変換することができる。
【００３１】
一方、共焦点ディスク４とＣＣＤカメラ１２は、レンズ１０、１１により共役関係にあり、また、レンズ１０、１１、ＣＣＤカメラ１２からなる第２の結像光学系もレンズ１０、１１は、絞り１８の存在により両側テレセントリック系の配置になっている。この第２の結像光学系は、テレセントリックでなくともよいが、第２の結像光学系の長さが問題にならなければ、周辺光量の低下がおきにくいテレセントリック系が望ましい。
【００３２】
このような第１の結像光学系と第２の結像光学系を通してＣＣＤカメラ１２により、対物レンズ８の焦点面付近だけのスライス画像が撮像される。このセクショニング像は、モニタ上に表示すると、焦点面だけが明るく見え、焦点面から光軸方向にずれた部分は暗く見える。
【００３３】
この状態で、焦点移動装置１５により結像レンズ６を光軸方向に移動させると、共焦点ディスク４の像がサンプル９内で移動し、焦点面が所定距離だけ移動する。従って、焦点移動を行いながらそれぞれのサンプル９上の焦点面でのセクショニング像を取得すれば、サンプル９の３次元情報を得られる。これと同時に複数のセクショニング像の各画素の最大輝度からＩＺピーク位置を推定して、サンプル９の高さ情報を得ることができる。なお、このときのＸＹの測定範囲は、ＣＣＤカメラ１２での撮像視野である。また、Ｚの測定範囲は、結像レンズ６の光軸方向の移動により焦点移動させてセクショニング像を撮像した範囲である。
【００３４】
本発明の第１の実施形態によれば、第１の結像光学系の結像レンズ６を光軸方向に移動させることで、サンプル９上の焦点位置を移動させている。従って、上述したように、例えば、第１の結像光学系の横倍率を３倍とすると、結像レンズ６を９μｍ移動させた場合には、共焦点ディスク４の像がサンプル９面で１μｍ移動することにより、焦点面を１μｍ移動させることができる。従来のサンプルテーブルや対物レンズを移動させる方法では、これらの移動量が焦点面の移動量になるが、本発明に係る結像レンズ６を移動させる方法では、移動精度を９倍にもできる。従って、焦点の移動精度を飛躍的に高めることができる。ちなみに、サンプル９面で、例えば焦点面を１００μｍ移動させたい場合、結像レンズ６の移動量は９００μｍであり、移動レンジとして非常に現実的な値を得ることができる。
【００３５】
さらに、結像レンズ６の移動は、従来のサンプルテーブルや対物レンズなど大型で重量のあるものを移動させるのと比べて、小型で質量も軽いものにできるので、高速での上下動制御が可能であり、焦点移動のための時間を大幅に短縮することもできる。
【００３６】
上記のように本発明の第１の実施形態によれば、焦点移動を高精度に、しかも高速で行うことができる。
【００３７】
図２は、本発明の第２の実施形態に係る共焦点顕微鏡の概略構成を示す図である。図２において、図１と同じ部分には、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。第２の実施形態においても、第１の結像光学系と第２の結像光学系を備えている。
【００３８】
本第２の実施形態においては、第２の結像光学系が変倍光学系１７備えている点が第１の実施形態と異なる。
【００３９】
対物レンズ８は、広視野のセクショニング像を得るため、５倍以下（０．５倍、０．７倍等の１倍以下も含む）の高ＮＡ低倍率のものが用いられている。変倍光学系１７は、ＣＣＤカメラ１２への結像倍率を変更できるようになっていて、例えば、ズーム光学系や倍率の異なる複数のレンズ系を交換可能なターレット変倍系により構成される。本構成において、広視野による高速検査（二次元方向への高速走査）時には、変倍光学系１７は低倍率に設定される。一方、不良部分などの狭視野による高倍の拡大検査では、第１の結像光学系により共焦点ディスク４上に結像されたセクショニング像を拡大観察するために変倍光学系１７は高倍率に設定される。
【００４０】
サンプル９の高速検査は次のように行われる。まず、第２の結像光学系の変倍光学系１７を総合倍率が５倍から０．５倍になる低倍率に設定する。
【００４１】
この状態において、第１の実施形態と同様に、光源１から出射された光が、コリメートレンズ２、ＰＢＳ３、共焦点ディスク４、結像レンズ６、１／４波長板７、及び対物レンズ８を介してサンプル９に入射する。また、サンプル９から反射された光は、対物レンズ８、１／４波長板７、結像レンズ６、共焦点ディスク４、ＰＢＳ３、レンズ１０、低倍率の変倍光学系１７、及びレンズ１１を介してＣＣＤカメラ１２で撮像される。
【００４２】
そして、第１の実施形態と同様に、セクショニング像が得られる。
【００４３】
一方、このような高速検査の後、一部の不良部分の拡大検査が必要な場合は、変倍光学系１７を高倍率に設定する。
【００４４】
この状態で、上記と同様にしてサンプル９から反射された光は、低倍率の対物レンズ８を介して結像レンズ６により共焦点ディスク４上にサンプル像として投影され、共焦点ディスク４上に投影されたサンプル像のうち焦点の合っている部分はピンホールを通過し、この共焦点ディスク４上に結像された広視野（低倍）のセクショニング像は、レンズ１０、高倍率の変倍光学系１７、レンズ１１を介してＣＣＤカメラ１２で撮像される。
【００４５】
この場合、変倍光学系１７は、高倍率に設定しているので、共焦点ディスク４上のセクショニング像が変倍光学系１７により拡大されてＣＣＤカメラ１２で撮像される。従って、高倍率で狭い視野のセクショニング像が得られるので、不良部分を高倍に拡大して高精度に検査を行うことができる。
【００４６】
なお、この状態でのセクショニング効果の影響は、共焦点ディスク４上のサンプル像に対して既に及んでいるので、変倍光学系１７が、共焦点ディスク４からＣＣＤカメラ１２に至る光路中に配置されていても、効果を劣化させることにはならない。
【００４７】
従って、第２の結像光学系中に、ＣＣＤカメラ１２への結像倍率を変更可能にした変倍光学系１７を配置したので、セクショニング効果を保持したままで、第１の結像光学系により得られた広視野（低倍）のサンプル像を任意の倍率に変倍することができる。また、変倍光学系１７は、従来の対物レンズや回転ディスクの交換を必要とするものと比べて、構成が簡単で価格的にも安価にできる。さらに、変倍光学系１７を高速検査時には低倍率に、不良部分の拡大検査などでは高倍率に設定することにより、高速の広域検査と欠陥部の拡大検査を容易に行うことができる。
【００４８】
上記のように本発明の第２の実施形態によれば、セクショニング効果を保持したまま変倍も可能であり、構成が簡単で価格的にも安価になる。
【００４９】
図３は、本発明の第３の実施形態に係る共焦点顕微鏡の概略構成を示す図である。図３において、図１と同じ部分には同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。本第３の実施形態では、第２の結像光学系に、詳細は後述するボカシ光学系２０を備えたことを特徴とする。
【００５０】
サンプル９のＬＳＩチップ上に形成されたバンプをＣＣＤカメラ１２により撮像して得られた画像について、図４乃至図６を参照して考察する。
【００５１】
図４は、図３のサンプル９から絞り１３までの図を拡大して示す図である。図４において簡単のため、対物レンズ８の下方のサンプル９には、ＬＳＩチップ９ａ上にバンプ９ｂが１個のみ形成されている状態を示している。また、絞り１３を通過する光束は、共焦点ディスク４の１個のピンホールを通過した光束を示している。
【００５２】
なお、実際には、複数のピンホールからの複数の光束が絞り１３を通過することになる。
【００５３】
このような構成において、絞り１３を通過した光束は、対物レンズ８を通り、バンプ９ｂの頂点付近のＰ点に集光される。この場合、バンプ９ｂは、半球状をなし、周囲は球面であるため、点Ｐで反射した反射光の一部は、対物レンズ８の外部にケラレて再入射できない。なお、Ｐ点が頂点から離れていくほど、対物レンズ８に再入射できる反射光の割合は減少していく。
【００５４】
絞り１３の中心を通る主光線がバンプ９ｂの点Ｐで反射し、かつ点Ｐで反射した主光線が対物レンズ８に再入射するための条件を求める。この場合、対物レンズ８の開口数（ＮＡ）は、図４におけるθからＮＡ＝ｓｉｎθであり、また、バンプ９ｂは、完全な球面であると仮定し、点Ｐにおけるバンプ９ｂの接線をＢ１−Ｂ２、Ｐ点における接線Ｂ１−Ｂ２との垂線をＣ１−Ｃ２とする。
【００５５】
図４から明らかなように、主光線がＰ点で反射して対物レンズ８に再入射するためには、対物レンズ８から入射する主光線とＣ１−Ｃ２のなす角度がθ／２以下である必要がある。したがって、主光線とＣ１−Ｃ２のなす角度がθ／２になる場合、点Ｐのバンプ９ｂ中心からのＸ方向（図示横方向）の位置は、バンプ９ｂの半径をＲとすると、Ｒ・ｓｉｎ（θ／２）となる。このことから、主光線が対物レンズ８に再入射できる点Ｐの全幅領域は、２Ｒ・ｓｉｎ（θ／２）となり、点Ｐがバンプ９ｂの中心から離れると、対物レンズ８に再入射できる反射光は急激に減少する。
【００５６】
次に、ＬＳＩチップ上に多数形成されたバンプを観察した場合の様子を説明する。図５Ａは、ＬＳＩチップ９ａ上のバンプ９ｂの頂点付近に合焦した場合の共焦点画像である。図５Ａ中のバンプ９ｂの中心に示した白抜きの明るく見える領域をφとすると、φ＝２Ｒ・ｓｉｎ（θ／２）となり、実際に２Ｒ・ｓｉｎ（θ／２）から離れると急激に暗く見えるようになる。例えば、対物レンズ８の開口数ＮＡ＝０．３、バンプ９ｂの半径Ｒ＝２０μｍとすると、φ＝６μｍとなり、バンプ９ｂのピッチを５０μｍとすれば、明るく見える領域φ＝６μｍがピッチ５０μｍで並んで見えることになる。また、上述した共焦点光学系のセクショニング効果によりバンプ９ｂの頂点からＺ方向には数μｍ程度のセクショニング像しか観察できないので、バンプ９ｂの頂点から数１０μｍ下側にあるＬＳＩチップ９ａ面からの反射光は検出せず、バンプ９ｂの頂点付近だけ明るい画像が観察できる。なお、図５Ａでは、ＬＳＩチップ９ａ面とバンプ９ｂの黒塗り部分の濃度が異なるように表わされているが、これは説明上のものであって、実際には、明るく見えるのはバンプ９ｂの頂上付近だけであり、それ以外は、ほとんど真っ暗である。
【００５７】
この状態から、図４において、合焦位置をＬＳＩチップ９ａ面に近づけて行くと、共焦点光学系のセクショニング効果によりバンプ９ｂの頂上付近は徐々に暗くなる。合焦位置をＬＳＩチップ９ａ面に更に近づけて行くとバンプ９ｂは、真っ暗になる。そして、さらに合焦位置をＬＳＩチップ９ａ面に近づけていくと、徐々にＬＳＩチップ９ａ面が明るく見えてくる。ＬＳＩチップ９ａ面に合焦した状態になると、図５Ｂに示すようにバンプ９ｂは、ほとんど真っ暗な状態になり、ＬＳＩチップ９ａ面が最も明るく見えるようになる。
【００５８】
実際には、図５Ａ及び図５Ｂに示す画像は、ＣＣＤカメラ１２により撮像するので、この撮像の場合を考える。ＣＣＤカメラ１２に用いられるＣＣＤの画素寸法は、通常、数μｍ〜１０μｍ程度であるが、簡単なため１０μｍの正方画素とする。最近、入手が容易になった１０００×１０００（１００万画素）では、ＣＣＤサイズが１０×１０ｍｍとなる。このサイズのＣＣＤに図５Ａの画像を光学系の倍率が１倍で結像した場合（実視野１０×１０ｍｍの広視野）において、ＣＣＤと図５Ａの画像の関係を図６Ａに示す。ここで、光学系倍率を１倍で考える理由は、広視野光学系を実現して高速検査を実現するためであり、実用化においては、総合倍率が５〜２倍に設定される場合や０．５倍、０．７倍等の縮小系に設定される場合もある。
【００５９】
ところで、一部の特殊なＣＣＤカメラを除いて、通常入手可能なＣＣＤカメラは、インターライン型と呼ばれ、図６Ａに示すように受光部１２ａと信号転送部１２ｂから構成されている。この場合、１０μｍ正方画素といってもピッチが１０μｍであり、受光部１２ａが１０μｍ正方であるわけでなく、信号転送部１２ｂでは、光は検出できない。このようなＣＣＤにバンプ９ｂの頂点の明るく見える領域φ＝６μｍが光点ａとして１倍で結像すると、図６Ａの領域Ａに示すように光点ａが受光部１２ａに入射する場合と、領域Ｂに示すように受光部１２ａより外れる場合が生じる。このうち、領域Ｂに示すように光点ａが受光部１２ａから外れると、ＣＣＤカメラ１２として何も検出できない。
【００６０】
このようなことを無くすには、光点ａが受光部１２ａに入射するような１画素程度の大きさが必要となる。また、バンプ９ｂのピッチがＣＣＤ画素のピッチに対して正確に整数倍でないと光点ａを検出できないし、モアレ画像も発生してしまう。従って、このようなインターライン型のＣＣＤカメラ１２で光点ａを検出するには、受光部１２ａに対して光点ａの大きさを拡大させればよい。しかし、単純に光点を拡大させると、実視野が狭くなって走査時間が増大し、高速検査の要求に反することになる。
【００６１】
ところで、バンプ９ｂは、最小ピッチが既知であり、ある程度規則的に配列されている。また、図６Ａからも明らかなように、バンプ９ｂの頂点付近に合焦した場合の共焦点画像をＣＣＤカメラ１２で撮像した場合、バンプ９ｂの頂点の像は離散的であるので、ＣＣＤ画素の大部分は、光を受光していない部分である。したがって、図６Ａにおいて、隣接する光点ａ同士の間隔は変えずに、光点ａだけを大きくできれば、光学系の総合倍率を上げることなく、即ち、実視野を狭くすることなく、光点ａをもれなく検出できることになる。この状態を示したのが、図６Ｂである。このように、いわゆる光学倍率を上げることなく光点ａだけを大きくしたボカシ像ａ’を発生させる光点ボカシ手段を、ここではボカシ光学系と呼ぶことにする。なお、図６Ｂでは、面内の２次元方向に光点ａを拡大しているが、光点ａを検出できればよいのであって、光点ａの拡大方向は、任意の１次元方向であってもよい。
【００６２】
ボカシ光学系は、さまざまなものが考えられる。ここでのボカシ光学系２０としては、レンズ１１の後側焦点位置の絞り１８に近接させて、弱い拡散板や回折格子が配置されていることが好ましい。図７Ａは、ボカシ光学系２０、レンズ１１およびＣＣＤカメラ１２に対する光線だけを抽出し、ボカシ光学系２０で光が拡散または回折する様子を示している。このようなボカシ光学系２０による光点ａの広がり量を試算するため、いま、図３において結像レンズ６とレンズ１０は同じ焦点距離のレンズとし、サンプル９からＣＣＤカメラ１２までの総合倍率が１倍で結像しているものと仮定する。対物レンズ８とレンズ１１も同じ焦点距離であり、例えば対物レンズ８、レンズ１１の焦点距離を２０ｍｍと仮定し、ここでは、弱い拡散板の場合で、その拡散角度全幅を０．１度とする。弱い拡散板は、レンズ１１の後側焦点位置にあるので、ＣＣＤカメラ１２上では、２・ｓｉｎ（０．０５゜）・２０ｍｍ＝３５μｍとなる。これは、図６Ｂに示したバンプ頂点のボカシ像とほぼ同じ大きさに光点ａが拡大された状態である。一方、回折格子を用いた場合において、光の波長λを０．５５μｍ、回折格子のピッチＰを３ｍｍ、透過スリット幅を０．４ｍｍとすると、図７Ｂに示すように、回折角αとして横軸にｓｉｎα、縦軸に各次数の回折光強度の関係が計算により得られる。図７Ｂでは、片側だけの回折角を示している。図７Ｂにおいて、０次光の回折光強度を１とすると、６次光の回折光強度は、ｓｉｎα＝０．００１１程度で、０．１以下となる。従って、実質的に、±６次までの回折光を考えればよく、±６次元のＣＣＤカメラ１２上での間隔は、上述の弱い拡散板の場合と同じように、２・０．００１１・２０ｍｍ＝４４μｍとなり、−６次光〜＋６次光までの１３点の光点が４４μｍの幅に発生することになる。
【００６３】
なお、図７Ｂに示す回折強度は、Ｍａｘ＆Ｂｏｒｎ光学の原理より計算したものであり、次式で計算される。

ただし、ｋ＝２×π／λ、ｓ：スリット、ｄ：格子ピッチ、Ｎ：光束内の格子本数である。
【００６４】
この結果、回折格子の場合は、拡散板と異なり、図７Ｂから明らかなように不連続に光点が発生することになる。
【００６５】
また、これら拡散板や回折格子などのボカシ光学系２０は、第２の結像光学系から着脱可能とすることで、光点ａを拡大したい場合や光点ａを拡大したくない場合に対応できる。従って、例えば、装置を調整する場合などは、ボカシ光学系２０を外すことで調整作業を容易にできる。また、拡散板や回折格子を交換可能にしておけば、光点拡大の程度を必要に応じて変えることができる。これは、サンプル９としてのバンプ９ｂのピッチに応じて必要とされる光点ａのボカシ程度を選択できるという効果がある。
【００６６】
そして、このようなボカシ光学系２０を用いることにより得られる図６Ｂに示すバンプ９ｂの頂点付近のボカシ像の光量を積分すると、このときの光量は、Ｉ−Ｚ特性に基づいて変化するので、図３の焦点移動装置１５によりサンプルステージ１６を駆動して焦点を移動させながら焦点移動量と光点ａの積分光量の関係から、積分光量の最大値に対応する焦点位置を求めることで、バンプ９ｂの高さを精度よく測定できる。この方式では、光点ａが拡大するため、光点ａのエネルギー密度は低下してしまうが、その分明るい光源を使用すればよく、むしろ、複数画素の積分光量で１つの光点ａの光量変化を検出することから、明るい光源を用いることで、Ｓ／Ｎの良好な信号を得ることができる。
【００６７】
また、このような方法で求められるバンプ９ｂの高さは、バンプ頂点の高さというより、図５Ａにおいて明るく見える領域の平均的な高さと考えるほうが正確であるが、実質的には、バンプ頂点の高さを測定していると考えて差し支えない。その理由は、次のとおりである。図５Ａで明るく見える領域の直径φは、バンプ半径Ｒ＝２０μｍ、対物レンズＮＡ（ｓｉｎθ）＝０．３の場合、φ＝６μｍである。この明るく見える領域の中心は、図４における点Ｑであり、この点Ｑの高さとφ６μｍ両端の高さの差ΔＺｂは、ΔＺｂ＝（１−ｃｏｓ（θ／２））×Ｒ＝０．２３μｍより、たかだか０．２３μｍである。従って、数μｍの精度でバンプ高さを測定する場合、点ＱからＰの間の平均的なバンプ高さを求めているといっても、実質的には、バンプ頂点の高さを測定していると考えて差し支えない。
【００６８】
このように、ボカシ光学系２０を有する第２の結像光学系と第１の結像光学系の構成する共焦点光学系が直列に配置され、第２の結像光学系のボカシ光学系２０により１つの光点ａがＣＣＤカメラ１２上の複数画素にまたがるように広げられた状態で、共焦点光学系のセクショニング効果によりサンプル９の高さ情報を光強度情報として取り込むようにしたので、通常の画素数のＣＣＤカメラ１２を用いても実視野を狭めることなく、一度に広い範囲のサンプル高さ測定を行うことができ、これにより高速による高さ測定を実現できる。
【００６９】
また、第２の結像光学系のボカシ光学系２０により、１つの光点ａがＣＣＤカメラ１２上の複数画素にまたがるように広げられることで、バンプのピッチとＣＣＤ画素ピッチによるモアレが発生しないようになり、また、これら複数の画素に平均的に光量が分配されるようになる。従って、ＣＣＤカメラ１２での撮像の際に各画素が飽和しない程度まで光源を明るくすれば、これら複数画素の積分光量を大きくできることから、Ｓ／Ｎ上非常に有利にでき、微小化されたバンプについても精度の高い高さ測定を行うことができる。
【００７０】
一方、ＣＣＤには、開口率（１画素に対する受光部割合）が１００％というような特殊なＣＣＤ（フレームトランスファー型）があり、このようなＣＣＤでは、どんなに小さな光点でも必ず検出することが可能である。上述したボカシ光学系を適用して複数画素の積分光量を検出するようにすれば、さらにＳ／Ｎを改善することができる。
【００７１】
ボカシ光学系としては、例えば、平行平面板ガラスを用いることもできる。図８では、レンズ１１とＣＣＤカメラ１２との間にボカシ光学系として平行平面板ガラス３０が挿脱可能に配置されている。
【００７２】
この場合、レンズ１１からＣＣＤカメラ１２までの間は収束光となっているので、平行平面板ガラス３０により光が屈折し、その近軸結像位置がＤだけずれるので、ＣＣＤカメラ１２の撮像面もＤだけずれて置かれている。ところが、収束光の途中に平行平面板ガラス３０があると収差が発生し、ＣＣＤカメラ１２上での光点ａは大きくなる。この場合、平行平面板ガラス３０が厚いほど、またレンズ１１からの射出ＮＡが大きいほど大きくなり球面収差が発生していると解釈できる。このように平行平面板ガラス３０によって光点ａだけを拡大することが可能であり、例えば、レンズ１１の射出開口数を０．３とすると、図６Ｂに示す状態まで光点を拡大させるには、ガラス厚さが１０ｍｍ前後が最適であることが光線追跡シミュレーションからも明らかである。図９は、平行平面板ガラス２０の厚さｔ＝０ｍｍ（ガラスなし）、５ｍｍ、１０ｍｍ、１５ｍｍの４種類の場合で、収束したスポットが最も小さくなる位置でのスポットダイアグラムを示しており、板厚が大きくなるほど１点に収束しなくなることが分かる。
【００７３】
なお、収差を発生させて光点を拡大するには、第２の結像光学系自体に収差を持たせるようにしてもよいが、平行平面板ガラス３０の場合は、第２の結像光学系から挿脱可能なので、収差を発生させたい場合、発生させたくない場合のどちらにも対応できる。また、平行平面板ガラス３０は、第２の結像光学系中の収束光となっている光路中であればどこでもよく、例えばＰＢＳ３とレンズ１０との間に挿脱可能に設けることも可能である。
【００７４】
ボカシ光学系として、図１０に示すようにＣＣＤカメラ１２の直前に拡散板や回折格子のボカシ光学素子３１を挿脱可能に配置することもできる。この場合、ボカシ光学素子３１である拡散板や回折格子は、わずかにレンズ１１の結像位置からずらした位置に配置することにより、光点が完全に収束しない状態でこれらボカシ光学素子３１に入射し、ここで、入射光が拡散または回折されてＣＣＤカメラ１２に拡大されて入射される。これにより、図６Ａの状態の画像を図６Ｂの状態に光点ａを拡大することができる。なお、拡散板や回折格子のボカシ光学素子３１は、レンズ１１の結像位置に配置し、そこから僅かにずらした位置にＣＣＤカメラ１２を配置してもよい。
【００７５】
上述では、ＣＣＤカメラ１２の前面にボカシ光学系を配置し、ボカシを発生させる方法を述べたが、第２の結像光学系とＣＣＤカメラ１２の光軸方向の相対的な位置関係を変えることでもボカシを発生させることができる。この場合、第２の結像光学系の結像位置にＣＣＤカメラ１２を配置した場合は、ボカシ量はゼロであり、結像位置からずらすことでボカシ量を任意に変えることができる。この方法によれば、ボカシを発生させるボカシ光学系を用いることなく、ＣＣＤカメラ１２を光軸方向に移動させる移動機構を用いることで、ボカシ量を連続的に可変することができる。
【００７６】
本発明の第３の実施形態によれば、光点ボカシ手段により１つの光点が撮像手段の複数受光部にまたがるように広げられた状態で、共焦点光学系のセクショニング効果により測定対象物の高さ情報が光強度情報として取り込まれるので、撮像手段として、通常の画素数のＣＣＤカメラを用いても実視野を狭めることなく、一度に広い範囲のサンプル高さ測定を行うことができ、高速による高さ測定を実現できる。
【００７７】
また、撮像手段での受光部が飽和しない程度まで光源を明るくすれば、これら複数受光部での積分光量を大きくできることから、Ｓ／Ｎ上有利にできる。
【００７８】
更に、検査の目的に応じて検査精度と検査時間の優先度を変えることができ、１台の装置でさまざまな検査目的に対応できる。
【００７９】
ところで、上記の各共焦点光学系では、ＣＣＤカメラ１２によりＺ方向に離散的なスライス画像を複数枚取得するようにしている。この場合、スライス画像は、Ｚ方向の間隔が細かいほど精度のよい高さ測定を行うことができることは言うまでもないが、スライス画像のＺ方向の間隔が粗いほうが高速検査を実現するのに有利である。このように高さ検査精度と検査時間は、トレードオフの関係にあるのはやむを得ないが検査の目的に応じて検査精度と検査時間の優先度を変えることができれば、１台の装置でさまざまな検査目的に対応できる。つまり、上記の各実施態様で述べた装置は、焦点移動装置１５によりサンプル９上での合焦位置を移動させるようにしているので、検査精度優先モードの場合は、スライス画像のＺ方向のサンプリング間隔を細かくし、検査時間優先モードの場合は、Ｚ方向のサンプリングを粗くすればよい。また、検査時間優先モードで、さらに高速化したい場合は、Ｚ方向サンプリング間隔をさらに粗くして、取得するスライス画像を減らし、得られたスライス画像上の拡大された光点の積分光量とＺの関係（Ｉ−Ｚ特性）から、内挿処理を行い高速検査するようにもできる。さらに高速化した場合には、サンプル９の種類毎に設定された高さ良否判定の基準となるＺ方向の許容範囲の前後からＺ方向のサンプリングを開始することも可能である。
【００８０】
本発明の第３の実施形態によれば、微小化されたサンプルに対しても短時間に精度の高い高さ測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る共焦点顕微鏡の概略構成を示す図。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係る共焦点顕微鏡の概略構成を示す図。
【図３】本発明の第３の実施の形態に係る共焦点顕微鏡の概略構成を示す図。
【図４】第３の実施の形態のバンプ頂点付近での反射光の状態を説明する図。
【図５Ａ】第３の実施の形態を説明する共焦点画像を示す図。
【図５Ｂ】第３の実施の形態を説明する共焦点画像を示す図。
【図６Ａ】第３の実施の形態のＣＣＤに投影されたバンプ頂点像を説明する図。
【図６Ｂ】第３の実施の形態のＣＣＤに投影されたバンプ頂点像を説明する図。
【図７Ａ】第３の実施の形態に用いられるボカシ光学系を説明する図。
【図７Ｂ】第３の実施の形態に用いられるボカシ光学系を説明する図。
【図８】第３の実施の形態に用いられるボカシ光学系の第１の変形例を説明する図。
【図９】第３の実施の形態に用いられるボカシ光学系の第１の変形例の状態を説明する図。
【図１０】第３の実施の形態に用いられるボカシ光学系の第２の変形例を説明する図。

Claims

共焦点ディスクを用いた共焦点顕微鏡において、
光源と、
前記光源からの光を照射して得た前記共焦点ディスクの像を試料に結像させる高ＮＡ低倍率対物レンズと、前記共焦点ディスクと前記対物レンズとの間に配置された結像レンズとを有する第１の結像光学系と、
前記結像レンズを光軸方向に移動させ前記対物レンズの前記試料に対する焦点位置を調整する結像レンズ駆動手段と、
前記共焦点ディスク上に結像されたセクショニング像を光電変換手段に結像させる第２の結像光学系と、
を具備したことを特徴とする共焦点顕微鏡。
前記対物レンズは、倍率が１０倍程度までの低倍率であることを特徴とする請求項１記載の共焦点顕微鏡。
前記対物レンズは、倍率が０．５倍から５倍以下の低倍率であることを特徴とする請求項１記載の共焦点顕微鏡。
前記第２の結像光学系は、前記共焦点ディスク上のセクショニング像を前記光電変換手段に対して結像倍率を変倍して結像させる変倍光学系を有することを特徴とする請求項１記載の共焦点顕微鏡。
前記変倍光学系は、低倍率から高倍率に変倍可能なズームレンズであることを特徴とする請求項４記載の共焦点顕微鏡。
前記変倍光学系は、倍率の異なる複数のレンズを交換可能なターレットに構成したことを特徴とする請求項４記載の共焦点顕微鏡。
前記結像レンズと前記対物レンズは、テレセントリック配置になっていることを特徴とする請求項１記載の共焦点顕微鏡。
前記第２の結像光学系は、前記共焦点ディスクと前記光電変換手段の両側に対してテレセントリック配置になっていることを特徴とする請求項１記載の共焦点顕微鏡。
前記結像レンズ駆動手段は、コンピュータからの駆動指令により前記結像レンズを光軸方向に焦点移動させ、このコンピュータは、各移動の位置における前記共焦点ディスク上のセクショニング像を前記光電変換手段により取り込み３次元情報を取得することを特徴とする請求項１記載の共焦点顕微鏡。
前記第２の結像光学系は、更に前記光電変換手段に結像される光点をこの光電変換手段の複数の受光部にまたがる大きさに拡大する光点ぼかし手段を備えていることを特徴とする請求項１記載の共焦点顕微鏡。
前記光点ぼかし手段は、光学系倍率を変えずに光点の大きさを変える拡散板又は回折格子からなることを特徴とする請求項１０記載の共焦点顕微鏡。
共焦点ディスクを用いた共焦点顕微鏡において、
光源と、前記光源からの照射光を前記共焦点ディスクを通して試料に結像させる高ＮＡ低倍率対物レンズと、前記共焦点ディスクと前記高ＮＡ低倍率対物レンズとの間に配置された結像レンズとを有する第１の結像光学系と、前記結像レンズを光軸方向に移動させ前記対物レンズの前記試料に対する焦点位置を調整する結像レンズ駆動手段と、前記共焦点ディスク上に結像されたセクショニング像をＣＣＤカメラに結像させる第２の結像光学系と、を備え、
前記結像レンズ駆動手段により前記結像レンズを光軸方向に移動させ、前記ＣＣＤカメラに結像された複数位置におけるセクショニング像の画素の輝度情報よりＩＺピーク位置を求め、前記試料の高さ情報を得ることを特徴とする高さ測定方法。
前記第２の結像光学系は、更に前記ＣＣＤカメラに結像される光点をこのＣＣＤカメラの隣接する複数画素にまたがる大きさに拡大する光点ボカシ手段を備え、このぼかし手段により拡大された光点を受光する複数画素で受光した光量の積分輝度値情報よりＩＺピーク位置を求めることを特徴とする請求項１２記載の高さ測定方法。
前記ぼかし手段は、光学倍率を変えずに光点の大きさを変える拡散板又は回折格子からなり、前記第２の結像光学系に対して着脱可能に設けることを特徴とする請求項１２記載の高さ測定方法。