JP5086655B2

JP5086655B2 - 三次元形状測定装置及び三次元形状測定方法

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Publication number: JP5086655B2
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Inventors: 卓司佐藤
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Description

本発明は、三次元形状測定装置及び三次元形状測定方法の改良に関する。

従来から、半導体ウエーハ等の被検物体に半田や金物質材料で形成されているいわゆるバンプと呼ばれる接点の高さを計測するために、各種の非接触光学式の三次元形状測定装置が用いられている。

この光学式の三次元形状測定装置として、被検物体の画像を取り込んでその合焦度を計算し、光学系と被検物体の相対距離を変化させ、合焦度が最大となる位置をその被検物体の各部位の高さとして求める合焦方式のものがある。この合焦方式の三次元形状測定装置は、被検物体を高さ方向に相対変位させるＺステージと、市販の光学顕微鏡と、画像センサとから大略構成されているが、合焦度を計算するために、被検物体に明暗のパターン（コントラスト）が明瞭になければならず、また、感度を向上させるには、光学系の深度を浅くする必要があり、すなわち、光学系の開口数を大きくしなければならなくなり、一度に測定できる視野が減少し、測定スピードが遅くなる不都合がある。

また、線状（縞状）パターンを被検物体に斜め方向から投影し、その反射・散乱光の像を受像センサで受像し、線状（縞状）パターンの曲がり量から被検物体の高さを求めるパターン投影方式のものがある。このパターン投影方式の三次元形状測定装置は、光学系と被検物体の相対距離を変化させるためにこれらを高さ方向に駆動する必要がないので、測定速度の迅速化を図ることができるが、被検物体としての近年の半導体の高精細化に伴ってバンプの高さが低くされ、これに伴って、測定装置自体も線状（縞状）パターンの細線化、横分解能の向上が求められており、このために光学系の開口数を測定精度に比例して増加させる必要から光学系の焦点深度が開口数の自乗に反比例して減少し、その結果、要求される精度を確保しようとすると、高さ方向の測定レンジが確保できなくなるという不都合がある。

また、ピンホールを通過した測定光を被検物体に照射し、被検物体からの反射光束を再びピンホールを通して受光し、その光量を受光センサで観測し、被検物体と光学系との相対的な距離を変化させ、その受光センサで受光した受光光量の変化のピーク位置を高さとして求める共焦点方式のものもある。この共焦点方式の三次元形状測定装置は、高精度化のためには開口数を大きくする必要があることはパターン投影方式のものと同じであるが、光軸方向に光学系と被検物体とのいずれか一方を駆動するので、高さ方向の測定レンジの制限を受けないという利点がある。しかしながら、高精度化のために開口数を大きくすると、その光学系を構成する顕微鏡対物レンズに倍率の大きなものを用いなければならず、倍率の大きな顕微鏡対物レンズを用いると、測定視野が必然的に小さくなり、大面積の被検物体の測定速度の迅速化を図り難いという不都合がある。

ところで、近年、被検物体としての半導体ウエーハの金バンプはそのバンプピッチ、バンプ高さも数１０μｍのものが製造され、横方向の分解能は、バンプの高さ方向の頂点と底部との区別ができれば良い程度であるので数μｍの分解能が求められているが、高さ方向については集積回路素子の製造上の理由から１−３μｍの高精度が要求されているので、測定装置の精度としては、その１０分の１程度の高さ精度が要求されている。

その横分解能は、顕微鏡対物レンズとして低倍の対物レンズを用いて達成できる量であり、合焦法や共焦点法では焦点深度を利用して測定するので、開口数の大きな、すなわち、倍率の大きい対物レンズを用いなければならず、その結果、視野が狭くなって測定スピードが遅くなる不都合あり、そこで、視野の大きな低倍の対物レンズを用いて高さ方向の精度を高精度に測定できる低コヒーレンス干渉法（白色干渉法）が近年注目されている。

この低コヒーレンス干渉法は、波長幅の広い光源（低コヒーレンス光源）と顕微鏡対物レンズとを用い、被検対象面と参照面との光学距離がほぼ同じときに干渉縞のコントラストが最大になることを利用して、被検物体の高さを測定する方法である。

この低コヒーレンス干渉方式の三次元形状測定装置は、測定精度が光の波長と光源の可干渉距離とによって決まるので、開口数の小さい顕微鏡対物レンズを用いて高精度の高さ測定を行うことができるので、広い視野を一度に測定できる。

しかしながら、ウエーハの面積と較べて顕微鏡対物レンズの視野は狭いので、測定視野を移動させることによりウエーハ面を全走査して高さ方向の測定データを得る必要がある。また、パターン投影法を除いて他の方式の三次元形状測定装置では、同一視野内で光学系に対して被検対象物を相対的に移動させ、被検対象物の同一部位に対して複数個のデータを取得する必要がある。

この測定視野の移動には、高さ方向に光学系と被検物体とのいずれか一方を複数回移動させて、高さ方向の測定データを取得し、次に、横方向に測定視野を移動させて静止させ、ついで、高さ方向に光学系と被検物体とのいずれか一方を複数回移動させて、高さ方向の測定データを取得するということをウエーハの全域に渡って行う高さ方向優先測定方法と、横方向に測定視野を移動させてウエーハ面の全域を走査して測定データを取得し、次に、高さ方向に光学系と被検物体とのいずれか一方を複数回移動させて、高さ方向の測定データを取得するということを高さ方向の測定レンジの全域に渡って行う横方向優先方式（視野優先方式）とがある。

高さ方向優先方式のものは、一視野分の測定データを処理しながら次の視野の測定を実行できるというメリット、測定とデータ処理とを平行して実行できるので最終データの出力の迅速化を図ることができるというメリットがあるが、移動と静止とを交互に行うので、移動時間と静止時間とが測定に大幅に影響し、測定速度の迅速化に不都合がある。

これに対して、横方向優先方式のものは、ウエーハ全域を走査してから光軸方向に移動して静止するので、移動と静止の回数が少なくなり、測定速度の迅速化を図ることができるが、横方向移動位置の位置再現性が高さ方向について確保できないと、異なる高さのデータを比較することが困難となり、測定精度が劣化する。また、最終の高さ方向についての測定を終了しないと高さデータに変換できないので、測定後のデータ処理に時間がかかるという不都合もある。

更に、二次元センサを光軸に対して斜めに配置し、横方向に被検物体を移動させてデータを取得する傾斜結像方式の三次元形状測定装置も知られている（例えば、特許文献１参照。）。

この方式の三次元形状測定装置では、光軸方向に被検物体と光学系とを移動させる必要がないので、装置全体の構成の簡単化を図ることができるというメリットがある。
特許第３７９８２１２号

しかしながら、この低コヒーレント干渉方式の三次元形状測定装置では、二次元センサを傾斜させても、参照鏡から二次元センサまでの参照光路の光学距離と測定対象面から二次元センサまでの測定光路の光学距離とが同じように変化するので、光路長は相対的に変わらず、高さ方向の測定ができないという不都合がある。

本発明は上記の事情に鑑みて為されたもので、被検物体の高さの測定精度の向上と測定スピードの迅速化とを図ることのできる三次元形状測定装置を提供することにある。

請求項１に記載の三次元形状測定装置は、干渉光学系が、測定光束を出射する測定光源部と、前記測定光束を測定光路と参照光路とに分割するビームスプリッタと、前記測定光路に定義された走査対象面と、前記ビームスプリッタに関して前記走査対象面と光学的に共役な位置でかつ前記参照光路に定義された参照面と、前記参照光路に設けられかつ前記参照面に対して傾けられた参照ミラーと、前記走査対象面に沿って平行に移動される被検物体の表面を拡大するための顕微鏡対物レンズと、前記走査対象面と前記顕微鏡対物レンズに関して光学的に共役な位置に設けられかつ前記被検物体からの反射測定光束と前記参照ミラーからの反射参照光束との干渉により生じた干渉光束を受光して画像信号を出力する測定センサとを備え、
前記測定センサは、画像信号に基づき画像上での基準位置から前記被検物体の走査方向の干渉位置までの距離を測定し、距離と前記参照ミラーの傾きの角度とに基づき前記被検物体の表面の高さを演算する演算回路に接続されていることを特徴とする。

請求項２に記載の三次元形状測定装置は、前記測定光路には、前記ビームスプリッタに関して前記参照ミラーと光学的に共役な参照ミラー等価面が定義され、前記測定センサは前記参照ミラー等価面に対して共役関係となるように前記顕微鏡対物レンズの光軸に対して傾けられ、前記測定センサと前記顕微鏡対物レンズとの間に結像レンズが設けられて、前記干渉光学系は物側と像側共にテレセントリック光学系となっていることを特徴とする。

請求項３に記載の三次元形状測定装置は、干渉光学系が、測定光束を出射する測定光源部と、前記測定光束を測定光路と参照光路とに分割するビームスプリッタと、前記参照光路の光軸に直交して設けられた参照ミラーと、前記ビームスプリッタに関して前記参照ミラーと光学的に共役な位置でかつ前記測定光路に定義された参照ミラー等価面と、前記測定光路に定義されかつ前記参照ミラー等価面に対して傾いて定義された走査対象面と、前記走査対象面に沿って平行に移動される被検物体の表面を拡大するための顕微鏡対物レンズと、前記参照ミラー等価面と前記顕微鏡対物レンズに関して光学的に共役な位置に設けられかつ前記被検物体からの反射測定光束と前記参照ミラーからの反射参照光束との干渉により生じた干渉光束を受光して画像信号を出力する測定センサとを備え、
前記測定センサは、画像信号に基づき画像上での基準位置から被検物体の走査方向の干渉位置までの距離を測定し、距離と前記参照ミラー等価面に対する前記走査対象面の傾きの角度とに基づき前記被検物体の表面の高さを演算する演算回路に接続されていることを特徴とする。

請求項４に記載の三次元形状測定方法は、参照光路に設けられた参照ミラーと光学的に共役関係を有する参照ミラー等価面が測定光路に定義され、該測定光路に定義されかつ被検対象が平行に移動される走査対象面が前記参照ミラー等価面に対して傾いて設けられ、前記走査対象面に沿って移動する被検物体からの反射測定光束の光路長と前記参照ミラーからの反射参照光束との光路長との一致・不一致による干渉光束の光量のピーク箇所の走査方向への位置変化に基づき被検物体の高さを測定することを特徴とする。

本発明によれば、測定視野が広くかつ被検物体の高さの測定精度の向上と測定スピードの迅速化とを図ることができる。

以下に、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。

（実施例１）
図１は本発明に係わる三次元形状測定装置の干渉光学系（マイケルソン型干渉顕微鏡の光学系）１の概要を示す図であって、２は測定光源部である。測定光源部２の光源２ａにはハロゲンランプ、光ファイバー等が用いられる。その測定光源部２には必要に応じて帯域フィルター２ｂが設けられる。この帯域フィルター２ｂは、光源２ａから出射された光束のうち所定の波長域の光を測定光束Ｐ１として透過する。この帯域フィルター２ｂはコヒーレンシーを適宜の幅に設定する役割を果たす。

測定光束Ｐ１はハーフミラー３によって一部が下方に向けて反射される。測定光束Ｐ１の反射方向前方には顕微鏡対物レンズ４、ビームスプリッタ５が設けられている。測定光束Ｐ１は顕微鏡対物レンズ４を通過した後、ビームスプリッタ５に導かれる。ビームスプリッタ５は反射・透過面５ａを有する。

ビームスプリッタ５は測定光束Ｐ１を参照光路ＲＯＰと測定光路ＳＯＰとに分割する役割を有する。符号Ｏｘ１はその測定光路ＳＯＰの光軸、符号Ｏｘ２はその参照光路ＲＯＰの光軸である。測定光路ＳＯＰの光軸Ｏｘ１と参照光路ＲＯＰの光軸Ｏｘ２とは互いに直交し、測定光路ＳＯＰの光軸Ｏｘ１は顕微鏡対物レンズ４の光軸Ｏｘに合致している。

測定光路ＳＯＰには、図２（ａ）、（ｂ）に示す被検物体としてのウエーハ６の表面６ａを走査する走査対象面７が定義されている。顕微鏡対物レンズ４は表面６ａを拡大する機能を有する。

走査対象面７は光軸Ｏｘ１に直交する面として定義される。参照光路ＲＯＰには、ビームスプリッタ５に関して走査対象面７と光学的に共役な位置に参照面８が定義されている。その参照面８は光軸Ｏｘ２に直交する面として定義される。顕微鏡対物レンズ４の中心Ｏから走査対象面７までの光学的距離と顕微鏡対物レンズ４の中心Ｏから参照面８までの光学的距離とは同じである。その走査対象面７は測定光束Ｐ１によって照明される。

その参照光路ＲＯＰには参照面８に対して斜めに参照ミラー９が設けられている。参照面８に対する参照ミラー９の傾き角度をθとする。測定光路ＳＯＰにはビームスプリッタ５に関して参照ミラー９と光学的に共役な位置に参照ミラー等価面９’が定義される。この参照ミラー透過面９’は参照ミラー９が参照面８に対して角度θ傾いているので、参照ミラー等価面９’は走査対象面７に対して角度θ傾いていることになる。この参照ミラー等価面９’の走査方向の各表面部位から顕微鏡対物レンズ４の中心Ｏまでの光路長とその各表面部位に対応する参照ミラー９の各表面部位から顕微鏡対物レンズ４までの光路長とは一致しており、仮に、ウエーハ６の反射面６ａがその参照ミラー等価面９’に合致しているとすると、その参照ミラー等価面９’に存在する表面６ａからの反射測定光束Ｐ２と参照ミラー９からの反射参照光束Ｐ３とは干渉光束となってその光量が増大し、測定センサ１１によって受光された画像は明るい状態となる。

表面６ａが仮に参照ミラー等価面９’と平行であるとして、その参照ミラー等価面９’から平行に２分の１波長だけ図１に示すように表面６ａがずれると、表面６ａからの反射測定光束Ｐ２と参照ミラー９からの反射参照光束Ｐ３とは干渉光束となってその光量が減少し、測定センサ１１によって受光された画像は暗い状態となる。この三次元測定装置では、干渉性が低い波長の測定光束Ｐ１を用いているので、波長が大きくずれると干渉効果がなくなり、測定センサ１１によって受光された画像は灰色の状態となる。

ウエーハ６は走査対象面７と平行方向、ここでは、矢印Ｘ１で示す横方向に移動されることにより、その表面６ａが走査される。その表面６ａには、図２（ａ）、（ｂ）に示すようにバンプ１０が適宜間隔を開けて形成されている。このバンプ１０の高さは設計規格上定められているが、実際に製造されたウエハ６ではその高さがばらついている。ここでは、図２（ｂ）に示すように、特定のバンプ１０’の高さのみが残余のバンプ１０の高さよりも高いものとして模式的に誇張して描かれている。

表面６ａにより反射された反射測定光束Ｐ２と参照ミラー９により反射された反射参照光束Ｐ３とはビームスプリッタ５により合成されて、顕微鏡対物レンズ４に導かれる。

反射測定光束Ｐ２と反射参照光束Ｐ３とは顕微鏡対物レンズ４により集光されて、測定センサ１１に導かれる。測定センサ１１にはリニアセンサ、エリアセンサを用いることができるが、エリアセンサを用いるのが好ましく、ＣＣＤがより一層望ましい。この測定センサ１１は、ここでは、光軸Ｏｘに垂直でかつ顕微鏡対物レンズ４に関して走査対象面７と共役な位置に配置されている。その測定センサ１１は、画像処理回路１２、演算回路１３に接続され、画像処理回路１２、演算回路１３はモニタ１４に接続されている。

参照ミラー９の参照面８に対する傾き角θは、図３に示す測定視野ＡＳの幅をＷ、測定する高さの上限値又は下限値をＨとすると、arctan（Ｈ／Ｗ）以上であることが望ましい。また、顕微鏡対物レンズ４の開口数をＮＡとして、参照ミラー８により反射された参照光束と表面６ａにより反射された測定光束とが顕微鏡対物レンズ４に再入射するためには、傾き角θはarcsin（ＮＡ）以下であることが望ましい。実際には、傾き角θは測定センサ１１を有効に活かすために、可能な限りarctan（Ｈ／Ｗ）に近づけることが望ましい。

この三次元測定装置では、干渉性の低い（波長幅の広い）測定光束Ｐ１を用いているので、反射測定光束Ｐ２と反射参照光束Ｐ３とは、光路長が略同一のとき干渉効果によって最も明るい状態（モニタ１４の画面上で目視したとき真っ白の状態）に対応する光量を有する干渉光束が測定センサ１１に入射し、光路長が略２分の１ずれた状態で干渉効果によって真っ暗な状態（モニタ１４の画面上で目視したとき真暗な状態）に対応する光量を有する干渉光束が測定センサ１１に入射し、その他の箇所で中間の輝度状態（モニタ１４の画面上で目視したとき灰色の状態）に対応する光量を有する光が測定センサ１１に入射する。

図４ないし図７は本発明に係わる三次元形状測定装置の作用を説明するための説明図であって、図４（ａ）にはウエーハ６を走査対象面７に沿って平行に矢印Ｘ１方向に移動させて表面６ａを走査する状態が示されている。

図４（ｂ）は図４（ａ）に示すウエーハ６と測定視野ＡＳとの相対位置関係を示している。測定視野ＡＳにウエーハ６の一部が入り込んでいるので、測定センサ１１にその測定視野ＡＳに入り込んでいるウエーハ６の一部に対応する画像が結像される。

この図４に示す位置に、ウエーハ６があるときには、反射測定光束Ｐ２の光路長と反射参照光束Ｐ３の光路長とが一致する箇所はないので、そのウエーハ６の一部に対応する画像が灰色としてモニタ１４に表示される。

図５（ａ）はウエーハ６が更に同方向に移動して、最初のバンプ１０による反射測定光束Ｐ２の光路長と反射参照光束Ｐ３の光路長とが箇所Ｑ１で一致した状態が示されている。

この状態のときには、最初のバンプ１０による反射測定光束Ｐ２の光路長と反射参照光束Ｐ３の光路長とが箇所Ｑ１でほぼ同一となるので、干渉効果によって、図５（ｂ）に示すように、最初のバンプ１０のみが輝度の高い真っ白な画像として取得され、その周辺が真っ黒で、残余の箇所が灰色の画像として取得される。

バンプ１０の高さｈは、基準位置としての光軸Ｏｘから明るく輝いて見えるバンプ１０の中心までのＸ方向の距離をＷＸ、参照ミラー９の長さをＬとすると、下記の式を用いて求められる。

ｈ＝２Ｈ・ＷＸ／（Ｌcosθ）
すなわち、θ、Ｌ、Ｈは既知の値であり、ＷＸを測定により求めると、上記式によって高さｈを求めることができる。

図６（ａ）にはウエーハ６が更に同方向に移動して視野ＡＳ内にウエーハ６のほとんど全部が入り込んだ状態が示されている。また、ウエーハ６のほぼ中央部の箇所Ｑ２の表面６ａ’から反射された反射測定光束Ｐ２の光路長と反射参照光束Ｐ３の光路長及び最後のバンプ１０の箇所Ｑ３により反射された反射測定光束Ｐ２の光路長と反射参照光束Ｐ３の光路長とが一致している状態が示されている。

この状態のときには、図６（ｂ）に示すように、ウエーハ６の中央部の箇所Ｑ２の表面６ａ’から反射された反射測定光束Ｐ２の光路長と反射参照光束Ｐ３の光路長とが一致しているので、その一致した箇所Ｑ２で輝度が高い筋状の画像が得られる。その周辺は真っ暗な画像となる。また、最後のバンプ１０による反射測定光束Ｐ２の光路長と反射参照光束Ｐ３の光路長とが箇所Ｑ３で一致するので、干渉効果によって、最後のバンプ１０のみが輝度の高い真っ白な画像として取得され、その周辺が真っ黒で、残余の箇所が灰色の画像として取得される。

最初のバンプ１０の高さと最後のバンプ１０の高さとが同じなら、光軸ＯＸからの距離ＷＸが同じ値となる。

高さが異なるバンプ１０’の場合には、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、バンプ１０’による測定反射光束Ｐ２の光路長と反射参照光束Ｐ３の光路長とが箇所Ｑ４で一致するので、光軸Ｏｘからの距離ＷＸが異なることになり、この距離ＷＸを求めることにより、記述の式を用いてバンプ１０’の高さｈを測定できる。

ウエーハ６の走査ピッチは、光路長の差が中心波長λ０の１／３となるように設定すれば、干渉効果による輝度が最大になるように設定できる。なお、この走査ピッチは、光路長の差が中心波長λ０の１／３となるような値でなくとも良く、これよりも粗い走査ピッチでウエーハ６を移動させても良い。
（実施例２）
この実施例１では、干渉光学系１は物側にテレセントリックであり、干渉光学系１の光軸Ｏｘに対して、測定センサ１１が垂直に設けられていた。この実施例１では、原理的には、干渉光学系１のピントは光軸Ｏｘと直交しかつ顕微鏡対物レンズ４から所定距離にある走査対象面７と合っている。

ウエーハ６のバンプ１０の高さが異なると、ピントがずれるため、Ｘ軸（横座標）方向がぼやけて、正確な横座標が取得できないため、高さ測定レンジ（−Ｈから＋Ｈの範囲）を干渉光学系１の焦点深度範囲内に設定する必要があり、高さ測定レンジが制約される。

そこで、この干渉光学系１では、図８に示すように、参照ミラー９の傾き角θと同じ角度θに測定センサ１１を傾ける。これによって、高さ測定レンジの自由度を拡大できる。すなわち、バンプ１０と分かる位置では、コントラストが明瞭となり、光軸Ｏｘからバンプまでの距離ＷＸを正確に求めることができる。

更に、単に、測定センサ１１を傾けたのみでは、干渉光学系１のピント位置が異なると、倍率が異なることになるため、距離ＷＸ（横座標位置）を求める計算が煩雑となる。

そこで、顕微鏡対物レンズ４と測定センサ１１との間に、結像レンズ１５が設けられている。この干渉光学系１では、物側、像側共にテレセントリックであり、両側テレセントリックな干渉光学系１では、測定センサ１１が光軸Ｏｘに対して傾いていても倍率は変化しない。

従って、参照ミラー９を光軸Ｏｘに対して傾けた場合であっても、距離ＷＸを求めるための演算の迅速化を図ることができる。

この実施例２では、結像レンズ１５を干渉光学系１に設ける構成としたが、結像レンズ１５の代わりにリレーレンズを設ける構成としても良い。
（実施例３）
実施例１では、参照ミラー９を参照面８に対して傾ける構成としたが、図９に示すように、市販の三次元測定装置の干渉光学系１をウエーハ６の移動方向と平行な走査対象面７に対して傾けて、バンプ１０の高さｈを測定する構成としても良い。この市販の干渉光学系１では、参照ミラー９は参照面８と平行である。参照ミラー９と光学的な等価な参照ミラー等価面９’と走査対象面７とはθだけ傾いていることになる。

この実施例３の干渉光学系１によれば、光軸Ｏｘに対して測定センサ１１は垂直に設けられているので、像側が非テレセントリックな干渉光学系１であっても測定センサ１１の各位置において倍率を一定に保つことができ、測定レンジの拡大を図りつつ測定の迅速化を図ることができる。

以上、説明したように、低コヒーレンス干渉法を用いた本発明の三次元形状測定装置によれば、被検物体を移動させるのに負担の少ない安価な構成で、被検物体の形状を測定できる。

実施例１による三次元形状測定装置の場合、測定視野ＡＳの両端で要求されている高さ測定レンジ（高さ測定範囲）と一致するように測定センサ１１の画像取得範囲を設定する。ついで、被検物体を平行に移動させて、被検物体の表面を走査する。被検物体の所定部位からの反射測定光束の光路長と反射参照光束の光路長とが一致した箇所に対応する測定センサ１１のピクセル上においては、明るい輝度の像が得られ、その近傍では輝度が著しく低くなるので、コントラストが明瞭となり、光軸Ｏｘからの距離ＷＸに基づいて、高さｈが求められる。

パルス点灯型の測定光源部２、例えば、機械的シャッターを測定光源部２に組み込んで、測定光束Ｐ１を断続させて被検物体に照射すれば、Ｘ軸方向の連続走査により、被検物体の各部位における高さが連続的に求められる。

本発明に係わる三次元形状測定装置の干渉光学系１は、参照ミラー９を傾ける以外は通常の市販の干渉光学系１の構成と同じである。参照ミラー９を傾けるためには、通常、市販の干渉光学系１では、光軸Ｏｘに対して参照ミラー９が垂直となるように調整する調整機構（図示を略す）が設けられているので、この調整機構を用いて参照ミラー９の角度θを調整すれば良い。

実施例２のように、顕微鏡対物レンズ４に関して参照ミラー９と測定センサ１１とが共役となるように測定センサ１１を光軸Ｏｘに対して傾けると、高さを測定する箇所のピントを被検物体の走査方向全域（測定視野ＡＳの横方向全域）で一致させることができる。

しかしながら、被検物体の高さにより倍率が異なることになるので、測定センサ１１が傾いても、測定視野ＡＳの走査方向全域で倍率が一定となるように、両側テレセントリックな光学系にすると、倍率を一定として走査方向について光軸ＯＸから明るい輝度までの距離ＷＸを求めることができ、演算速度の向上を図ることができる。

また、実施例３のように、干渉光学系の光軸Ｏｘを被検対象面に対して傾けることにより、像側が非テレセントリックな市販の干渉光学系を用いて、全視野でピントを合わせることもできる。

実施例１ないし実施例３によれば、被検物体の高さの測定精度の向上と測定スピードの迅速化とを図ることができる。

この実施例１ないし実施例３においては、干渉光学系としてマイケルソン型のものを用いたが、これに限られるものではなく、リニク（Linnik）型、ミラウ（Mirau）型等の干渉光学系を用いることもできる。

リニク型の干渉光学系では、ビームスプリッタと参照ミラーの間及びビームスプリッタと測定対象面との間にそれぞれ顕微鏡対物レンズが設けられ、これによって、作動距離を小さくする等、自由度が増大する。また、ミラウ（Mirau）型の干渉光学系によれば、マイケルソン型の干渉光学系に較べて、ＮＡが大きい場合（約２０倍以上の場合）に有効である。

本発明の実施例１に係わる三次元形状測定装置の干渉光学系の概要を示す説明図である。本発明に係わる被検物体としてのウエーハを説明するための模式図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。本発明に係わる測定視野の説明図である。本発明の実施例１に係わる三次元形状測定装置の作用を説明するための説明図であって、（ａ）は測定視野にウエーハの一部が入り込んでいる状態を説明するための干渉光学系の模式図、（ｂ）は測定センサにその測定視野に入り込んでいるウエーハの一部に対応する画像が結像されている状態を示す図である。本発明の実施例１に係わる三次元形状測定装置の作用を説明するための説明図であって、（ａ）は最初のバンプによる反射測定光束の光路長と反射参照光束の光路長とが一致した状態を説明するための干渉光学系の模式図、（ｂ）はそのバンプの干渉状態を示す図である。本発明の実施例１に係わる三次元形状測定装置の作用を説明するための説明図であって、（ａ）は中央部の表面による反射測定光束の光路長と反射参照光束の光路長及び最後のバンプによる反射測定光束の光路長と反射参照光束の光路長とが一致した状態を説明するための干渉光学系の模式図、（ｂ）はその中央部の表面とそのバンプとの干渉状態を示す図である。本発明の実施例１に係わる三次元形状測定装置の作用を説明するための説明図であって、（ａ）は高さの異なるバンプによる反射測定光束の光路長と反射参照光束の光路長とが一致した状態を説明するための干渉光学系の模式図、（ｂ）はその高さの異なるバンプの干渉状態を示す図である。本発明の実施例２に係わる三次元形状測定装置の干渉光学系の概要を示す説明図である。本発明の実施例３に係わる三次元形状測定装置の干渉光学系の概要を示す説明図である。

符号の説明

１…干渉光学系
２…測定光源部
４…顕微鏡対物レンズ
５…ビームスプリッタ
９…参照ミラー
１１…測定センサ
１３…演算回路

Claims

干渉光学系が、測定光束を出射する測定光源部と、前記測定光束を測定光路と参照光路とに分割するビームスプリッタと、前記測定光路に定義された走査対象面と、前記ビームスプリッタに関して前記走査対象面と光学的に共役な位置でかつ前記参照光路に定義された参照面と、前記参照光路に設けられかつ前記参照面に対して傾けられた参照ミラーと、前記走査対象面に沿って平行に移動される被検物体の表面を拡大するための顕微鏡対物レンズと、前記走査対象面と前記顕微鏡対物レンズに関して光学的に共役な位置に設けられかつ前記被検物体からの反射測定光束と前記参照ミラーからの反射参照光束との干渉により生じた干渉光束を受光して画像信号を出力する測定センサとを備え、
前記測定センサは、画像信号に基づき画像上での基準位置から前記被検物体の走査方向の干渉位置までの距離を測定し、距離と前記参照ミラーの傾きの角度とに基づき前記被検物体の表面の高さを演算する演算回路に接続されていることを特徴とする三次元形状測定装置。
前記測定光路には、前記ビームスプリッタに関して前記参照ミラーと光学的に共役な参照ミラー等価面が定義され、前記測定センサは前記参照ミラー等価面に対して共役関係となるように前記顕微鏡対物レンズの光軸に対して傾けられ、前記測定センサと前記顕微鏡対物レンズとの間に結像レンズが設けられて、前記干渉光学系は物側と像側共にテレセントリック光学系となっていることを特徴とする請求項１に記載の三次元形状測定装置。
干渉光学系が、測定光束を出射する測定光源部と、前記測定光束を測定光路と参照光路とに分割するビームスプリッタと、前記参照光路の光軸に直交して設けられた参照ミラーと、前記ビームスプリッタに関して前記参照ミラーと光学的に共役な位置でかつ前記測定光路に定義された参照ミラー等価面と、前記測定光路に定義されかつ前記参照ミラー等価面に対して傾いて定義された走査対象面と、前記走査対象面に沿って平行に移動される被検物体の表面を拡大するための顕微鏡対物レンズと、前記参照ミラー等価面と前記顕微鏡対物レンズに関して光学的に共役な位置に設けられかつ前記被検物体からの反射測定光束と前記参照ミラーからの反射参照光束との干渉により生じた干渉光束を受光して画像信号を出力する測定センサとを備え、
前記測定センサは、画像信号に基づき画像上での基準位置から被検物体の走査方向の干渉位置までの距離を測定し、距離と前記参照ミラー等価面に対する前記走査対象面の傾きの角度とに基づき前記被検物体の表面の高さを演算する演算回路に接続されていることを特徴とする三次元形状測定装置。
参照光路に設けられた参照ミラーと光学的に共役関係を有する参照ミラー等価面が測定光路に定義され、該測定光路に定義されかつ被検対象が平行に移動される走査対象面が前記参照ミラー等価面に対して傾いて設けられ、前記走査対象面に沿って移動する被検物体からの反射測定光束の光路長と前記参照ミラーからの反射参照光束との光路長との一致・不一致による干渉光束の光量のピーク箇所の走査方向への位置変化に基づき被検物体の高さを測定することを特徴とする被検物体の三次元形状測定方法。
前記顕微鏡対物レンズが、前記測定光源部と前記ビームスプリッタとの間に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の三次元形状測定装置。
前記顕微鏡対物レンズが、前記測定光源部と前記ビームスプリッタとの間に設けられていることを特徴とする請求項３に記載の三次元形状測定装置。