JP7166375B2 - 物体の表面の光学的三次元トポグラフィ計測システム - Google Patents

Description

本発明は物体の表面の三次元（３Ｄ）トポグラフィ計測方法及びシステム、特に対物系を介しその物体の表面上にパターン化照明を投射し、物体・対物系間相対運動中に記録されたその表面の画像からその表面についての高さ情報を取得するものに関する。

（関連出願への相互参照）
本願は、この参照を以てその全容が本願に繰り入れられるところの２０１６年２月１日付米国暫定特許出願第６２／２８９８８９号に基づく優先権を主張する出願である。

物体の表面のトポグラフィ（微細外形）についての情報は様々な製造分野で必要とされている。そうした情報への渇望がとりわけ顕著な分野の一つは、半導体デバイスを検査し適正機能を確保することが必要な半導体製造である。そうした検査には、ウェハ上のデバイスを組成する独特な構造だけでなく、デバイスの構成要素を一体保持するのに必要な要素例えば半田バンプも関わってくる。例えば、まず、ウェハから切り出されたダイをチップのピンに接触させるのに、半田バンプのアレイが用いられることがある。その後、そのチップを外部回路に接触させる際には、半田ボールを用いることができる。品質確保のためには、基板を基準とした半田バンプ及び半田ボールの高さを、半田付け終了前に検査する必要がある。

本件技術分野では幾つかの３Ｄトポグラフィ計測方法が広く知られている。それらの方法のなかには、白色光干渉法、共焦点顕微鏡法、構造化照明依拠法、並びに立体視レーザ三角測量法がある。これらの方法は、いずれも、それ独特の長所及び短所を有している。

白色光干渉法では、非常に高精度な高さ情報を得ることができる。１波長未満の長さのステップにて、その表面を干渉計内で動かすので、半導体デバイスを検査する際には、その表面を多数のフレームに亘り撮影及び処理し、その表面上で発生する高さ変動と比肩する範囲全体にそれらステップが亘るようにする必要がある。

共焦点顕微鏡法や構造化照明依拠法では、共に、どちらかと言えば標準的な顕微鏡光学系が必要となる。両手法は、典型的な半導体デバイスのスケールでの表面トポグラフィの検査に、より良好に適合している。共焦点顕微鏡法では総じて構造化照明依拠法よりも良好な高さ分解能が得られるが、やはり、より複雑で高価な光学装備が必要になる。

構造化照明依拠法の基本概念は、パターン例えば格子を物体の表面上へと投射することにある。これには二種類の一般的手法がある。

その数値開口（ＮＡ）が例えば０．１未満と低く、作動距離を長め、焦点深度を大きめにすることが可能な撮像システムでは、その表面が撮像光軸に対しある角度をなすようパターンを表面上に投射することができる。ライン照明（線状照明）の位置シフトに代えフリンジ（縞）の位相シフトを用い表面高さを抽出する点で、この配置はレーザ三角測量法に類似している。この手法は位相シフトフリンジ投射法としても知られている。

そのＮＡがより高く０．１超である撮像システムの場合、焦点深度及び作動距離が共に制限されるため、斜め投射も斜め撮像も容易に実現することができない。そのため、代わりにパターン例えば格子を撮像光学系を介し表面上に投射し、且つ、その撮像光学系の光軸を物体の表面、より子細にはその表面の全体的巨視的拡張により定義される平面に対し垂直にする。こうした配置であるため、高さ情報をフリンジ位相シフトから抽出することができない。その代わりに、光軸に対し平行な方向に物体を動かし、投射パターンのコントラストが最大になる同方向沿い位置シフトを見いだすことによって、高さ情報を得ることができる。

この装備と共焦点顕微鏡との間には類似性があるが、光学系がより簡素であるし中継光学系が必要でない。しかしながら、パターン画像のコントラストを抽出するには高さ位置毎に３個以上のフレームが必要であるので、より高いデータレートが必要になる。

そうした手法の一例であり、構造化照明が表面に対し垂直なものを、米国特許出願第１３／３０９２４４号に基づき発行された特許文献１中に見いだすことができる。パターンを空間光変調器（ＳＬＭ）により生成し、撮像対物系の光軸に沿い物体の表面上へと投射するものである。その物体を光軸に沿い対物系に対し動かしつつ、ＳＬＭにより投射パターンを変調し複数枚の画像を記録する。その表面上の特定位置における投射パターンの最大コントラストから、個別位置に係る高さ情報がもたらされる。

以上言及した３Ｄトポグラフィ計測方法のいずれが最良であるかは、その具体的計測アプリケーションの条件次第である。半導体デバイス検査には幾つかの基本条件、即ちその表面の巨視的拡張により定義される平面での分解能が数μｍであること、その平面に対し垂直な方向（法線方向）に沿い物体を位置決めする際の再現性が１μｍ未満であること、その法線方向に沿った合計移動範囲が数百μｍであること、という条件がある。このことからすれば、構造化照明依拠法が、３Ｄトポグラフィ計測による半導体デバイス検査に最適であるかに見える。諸構成の的確なシステムにより、その表面で定まる平面における分解能並びにその平面に対し垂直な方向での再現性の双方について、広い範囲をカバーすることができ、またそうした方法により広い範囲の法線方向沿い相対運動をなすことができる。その光学系は比較的単純且つ低コストであり、法線方向沿い照明及び撮像装備は、鏡面反射が優勢な表面及び乱反射が優勢な表面の双方を含め、広範な種類の表面に適している。とりわけ半田バンプの検査に関しては、ＮＡを高めにすることで、バンプが小さめでもその球状バンプ頂部での使用可能画素数を増やすことができる。

米国特許第８６４９０２４号明細書

以上概説し上掲の特許文献１により例示した構造化照明の基本概念によれば、必須な精度及び正確性が達成されるけれども、それら所要特性を達成するのと同時に、ますます高まりつつあるスループット条件を好ましくは低コストで、更にはスケーラブルな形態で充足させるにはどうすればよいかが、未解決問題となっている。例えば、上掲の特許文献１にてパターン化照明の生成に用いられている空間光変調器は高価であるのに、スループット向上に欠かせないはずの広視野をカバーしうる分解能及び画素数を有していない。

本発明の目的は、物体の表面の三次元トポグラフィ計測方法であり、その実現が容易で、十分な面内分解能及び法線方向沿い再現性が提供され、且つスケーラブルなものを、提供することである。

本発明の更なる目的は、物体の表面の三次元トポグラフィ計測システムであり、その構成が単純で、十分な面内分解能及び法線方向沿い再現性が提供され、且つスケーラブルになるようモジュール化されたコンパクトなものを、提供することである。

本発明に係る、物体の表面の光学的三次元トポグラフィ計測方法では、パターン化照明が対物系を介しその物体の表面上に投射される。その物体と対物系との間で相対運動が実行される。その相対運動の方向を、対物系の光軸に対しある斜め角を有する方向とする。その相対運動中に物体の表面が対物系の焦平面を通過するようにし、対物系の光軸をその焦平面に対し垂直とする。同相対運動中に、対物系を介し表面の画像が複数枚記録される。パターン化照明のパターンは対物系焦平面にて最良合焦となり、その焦平面に対し平行だが光軸に沿い焦平面からずれたところにある平面では同パターンが焦点外れとなる。表面画像においては、その表面の焦平面内部分がその画像中で最良合焦に見え、同表面のうち焦平面内にない部分が焦点外れに見える。最良合焦時には表面上のパターンがやはり最良合焦状態で撮像され高いコントラストを呈する一方、焦点外れ時には表面上のパターンがやはり焦点外れ状態で撮像され、記録された表面画像では低いコントラストを呈する。コントラストが表面構成部分の光軸沿い位置に対し呈するこの依存性は、相対運動中にその物体のそれら表面構成部分から記録される強度の変動につながる。物体の表面上の個別位置に係る高さ情報は、その個別位置から記録された強度の、上記複数枚の画像における変動から導出される。

表面上の位置の高さとは、ある基準面に対し垂直な方向に沿った、その基準面からその位置までの距離のことである。典型的には、基準面は表面の巨視的拡張により定義される；例えば製造されたウェハの表面上には複数個の微視的構造が設けられているけれども、こうした表面は巨視的には平らな表面に見えるのでそれにより平面が定義される。本方法を実行する際、物体が正確に整列していれば、その基準面は対物系焦平面に対し平行となる。全表面上位置に係る高さからその表面のトポグラフィが求まる。相対運動方向と対物系の光軸とが斜め角をなしているため、物体表面に対するパターン化照明のパターンの位置が、その相対運動中に変化する。そのため、従来の構造化又はパターン化照明法で必要であったのと違い、パターンを個別に変調する必要がなくなるので、本方法はより容易に実行することができる。物体・対物系間相対運動は、その相対運動のコース全体に亘り、計測対象表面上の任意個別位置に入射する光の強度の変調を引き起こす。この変調は、他方では、少し上で論じたところの投射照明パターン・表面間相対運動によるものであるが、重要なことには、物体が対物系に対し動くにつれ個別位置でのパターンのコントラストが変化することによる付加的寄与分を含んでいる。これは、ひいては、複数枚の画像における、個別位置からの記録光強度の変調につながる。個別位置それぞれに係る高さはこの記録光強度変調から導出される。物体の光軸沿い個別位置、例えば基準面がその光軸と交差する光軸上位置として表現される位置であり、複数枚の画像それぞれが個別記録された位置が、高さ情報導出用の分析にて情報として用いられる。

ある有益な実施形態、とりわけコンピュータによる本方法及びデータ分析のコンピュータ駆動実行に適した実施形態では、複数枚の画像それぞれがディジタル画像、言い換えれば画素のアレイとして記録される。それらの画像は、それぞれ、それら複数枚の画像のうちのどの画像でも物体表面上の所与位置がその画素アレイ内の単一且つ同一の画素に対応するよう、ディジタル画像処理によってシフトされる。このシフトにより、対物系の光軸に対し垂直な平面における対物系・物体間変位のうち、物体・対物系間相対運動の斜め角によるものが補償される。即ち、物体表面上の個別位置から記録された光強度の変調がその値により監視され、全ての記録済シフト済画像内にありその表面上位置を表している特定のアレイ構成画素が、上記複数枚の画像に含まれる様々な画像中にあるものと想定される。アレイ即ちディジタル画像内の画素数並びに分解能条件にもよるが、複数個の画素の値を例えば総和又は平均化により結合させ、その結果を、物体表面上のその個別位置から記録された光の強度に対応するものであると見なし、本方法の更なる実行に供することができる。複数個の画素に亘る平均化でノイズが低減される。例えばＮ＝２、３、４又は５とし、例えばＮ×Ｎ画素アレイの値を平均化すればよい。

諸実施形態では、パターン化照明がパターンマスクの非コヒーレント照明により生成される。そのパターンマスクはとりわけ格子にするとよい。より具体的には、その格子を振幅格子又は位相格子にするとよい。用いうる格子幾何の非限定的な例としては、ライン格子や正弦格子やクロスライン格子がある。格子をブレーズド格子としてもよい。より一般的には、パターンマスクは市松模様又はピンホールアレイを有するものがよいが、こうした選択肢に限られるわけではない。本件技術分野で既知ないずれの構造化照明生成向けパターンも本発明に係る方法に適している。格子は好ましくは機械的なもの、例えばエッチングされた金属シートか金属被覆ガラス基板例えばクロム（Ｃｒ）がガラス上にあるそれとする。

原理的には空間光変調器もパターン化照明の生成向けに考慮されうる。とはいえパターンマスク又は格子が望ましい理由が幾つかあり、格子ならば空間光変調器に比べかなり高い分解能のものを入手でき画素数による制限を受けないことは、光軸に対し垂直な平面における分解能の面及び視野の面双方で有益なことである。空間光変調器の利用可能な想定画素数は、本発明の方法に従い物体の表面のディジタル画像を記録するのに用いうるカメラ、例えばＣＭＯＳ式カメラの画素数に遠く及ばない。これは、ここでは空間光変調器がかなりの制限となりかねず排すべきものであることを意味している。更に、空間光変調器は（画素数により制限された）ある特定の最短波長を以て変調分を発生させうるものであり、格子の隣接ライン間距離が何桁か小さい格子に比べ遙かに高価である。

物体表面上に投射されたパターン化照明のコントラストを改善するには、０次回折成分(diffraction order)及びある一通りの回折成分のみ、例えば０次回折成分及び一方の１次回折成分のみを等強度で含むよう、そのパターン化照明を生成するのが有益であろう。これは、例えばブレーズド格子を用いることで達成することができる。

本発明方法の諸ステップであり、以上概述されると共に具体的諸実施形態との関連で記述されるそれは、有益にも、複数個の物体を対象に並列実行することができる。こうすることでスループットを向上させることができ、また本方法は従来技術の方法よりも実行が容易であるので、このスループット向上も容易に且つ比較的低コストで達成することができる。

本発明に係る、物体の表面の光学的三次元トポグラフィ計測方法の更なる一般的実施形態では、パターン化照明及び均一照明が対物系を介しその物体の表面上に交互に投射される。即ち、物体表面がパターン化照明で以て照明される期間と、物体表面が均一照明で以て照明される期間とが設けられる。

相対運動が物体・対物系間で実行される。この相対運動の方向は対物系の光軸に沿った成分を含む方向とし、その相対運動中に表面が対物系の焦平面を通過するものとする。光軸はその焦平面に対し垂直とする。その相対運動中に、対物系を介しその表面の画像が複数枚記録される。物体の表面上の個別位置に係る高さ情報が、その個別位置から記録された強度の、それら複数枚の画像における変動から導出される。

表面上の位置の高さとは、ある基準面に対し垂直な方向に沿った、その基準面からその位置までの距離のことである。典型的には、基準面はその表面の巨視的拡張により定義されるものであり、例えば製造されたウェハの表面上には複数個の微視的構造が設けられているけれども、こうした表面は巨視的には平らな表面に見えるのでそれにより平面が定まる。本方法を実行する際、物体が正確に整列していれば、その基準面は対物系焦平面に対し平行となる。全表面上位置に係る高さからその表面のトポグラフィが求まる。その物体の光軸沿い個別位置、例えば基準面がその光軸と交差する光軸上位置として表現される位置であり、複数枚の画像それぞれが個別記録された位置が、高さ情報を導出するための分析にて情報として用いられる。

物体・対物系間相対運動中に記録された複数枚の画像のうち、幾枚かの画像は均一照明下で記録された画像であり、幾枚かの画像はパターン化照明下で記録された画像である。ある実施形態では、それら複数枚の画像のうち均一照明下記録画像を用い表面上の鏡面構造に係る高さ情報が導出され、またそれら複数枚の画像のうちパターン化照明下記録画像を用い同表面の鏡面構造間部分に係る高さ情報が導出される。鏡面構造とは例えば表面上の半田バンプのことである。その場合、半田バンプについての高さ情報が均一照明下記録画像から導出され、半田バンプ間表面についての高さ情報がパターン化照明下記録画像から導出される。ある具体的実施形態では、鏡面構造、例えば半田バンプに類するものに係る高さ情報が、その鏡面構造の頂部の画像のサイズから導出される。このサイズは均一照明下記録画像間で変動するものであり、この変動も、諸画像にて頂部を表している画像内画素に係る強度変動の構成要素である。鏡面構造頂部の対物系光軸沿い位置をこのサイズ変動から導出することができ、ひいてはその鏡面構造に係る高さ情報を間接的に得ることができる。最良合焦時、即ち鏡面構造頂部が焦平面内に存するときには、その頂部画像のサイズが最小になる。代わりに、鏡面構造に係る高さ情報を、相対運動のコース上でのピーク画素強度から得るようにしてもよい。鏡面構造頂部から記録された強度は、従ってその鏡面構造頂部に対応する画素の値も、その鏡面構造頂部が対物系の焦平面内に存するときに最高になる。

具体的諸実施形態では、相対運動方向が対物系の光軸に対し平行とされる。こうした実施形態では、物体が対物系の光軸に対し垂直に変位しないので、ディジタル画像の場合、記録画像を先に言及した如くシフトさせる必要は特段ない。記録ディジタル画像を構成する画素アレイ内の所与画素は、そうしたシフト無しでも、その物体の表面上の同じ位置に対応するものとなろう。

パターン化照明下で物体の表面を記録した画像におけるパターン化照明のパターンのコントラストは、対物系の光軸に沿いその表面の任意の撮像部分又はその表面上の撮像位置が有している位置に依存するため、相対運動のコース全体に亘り変動する。コントラストが最良になるのは、そうした表面構成部分又は表面上位置が対物系の焦平面内に存している場合である。従って、その表面構成部分又は表面上位置についての高さ情報を、複数枚の画像におけるパターンのコントラストから導出することができる。

交互照明を伴う諸実施形態でも、パターン化照明がパターンマスクの非コヒーレント照明により生成されうる。そのパターンマスクはとりわけ格子にするとよい。より具体的には、その格子を振幅格子又は位相格子にするとよい。用いうる格子幾何の非限定的な例としては、ライン格子や正弦格子やクロスライン格子がある。格子をブレーズド格子としてもよい。より一般的には、パターンマスクは市松模様又はピンホールアレイを有するものがよいが、こうした選択肢に限られるわけではない。本件技術分野で既知ないずれの構造化照明生成向けパターンも本発明に係る方法に適している。格子は好ましくは機械的なもの、例えばエッチングされた金属シートか金属被覆ガラス基板例えばクロム（Ｃｒ）がガラス上にあるそれとする。

また、パターン化照明のみを伴う諸実施形態に倣い、物体の表面上に投射されたパターン化照明のコントラストを改善するには、０次回折成分及びある一通りの回折成分のみ、例えば０次回折成分及び一方の１次回折成分のみを等強度で含むよう、そのパターン化照明を生成するのが有益であろう。これは、例えばブレーズド格子を用いることで達成することができる。

パターン化照明のみを伴う諸実施形態と同様、本方法の諸ステップは、有益にも、複数個の物体を対象に並列実行することができる。こうすることでスループットを向上させることができ、また本方法は従来技術の方法よりも実行が容易であるので、このスループット向上も容易に且つ比較的低コストで達成することができる。

本発明に係る、物体の表面の光学的三次元トポグラフィ計測システムは、パターン化照明源、対物系、検出器、並びに対物系・物体間相対運動実行手段を備える。

対物系は、パターン化照明を物体の表面に差し向けるよう配置されると共に、その物体の表面を検出器上に成像するようにも配置され、またその検出器は、その物体の表面の画像を複数枚記録するよう配置及び構成される。検出器は、例えばディジタル画像を記録するよう構成されたカメラの一部分とされよう。検出器は、例えばＣＭＯＳ又はＣＣＤテクノロジをベースにしたものとされよう。対物系・物体間相対運動実行手段は、その相対運動の方向が対物系の光軸に対しある斜め角を有する方向となるよう構成される。従って、対物系・物体間一次元並進相対運動を実行可能な手段を実現するだけで十分である。従来技術と違い、例えば物体表面の撮像に用いられる対物系の光軸に沿いその物体を動かすことや、それに加え例えば空間光変調器を用いるか格子を更に動かすかしてパターン化照明を変調することは、必要でない。

諸実施形態では、パターン化照明源が光源及びパターンマスクを有する。その光源はとりわけ非コヒーレント光源、例えば１個又は複数個の発光ダイオード（ＬＥＤ）にするとよい。

諸実施形態では、そのパターンマスクが、これに限られるものではないが、市松模様又はピンホールアレイを有するものとされる。本件技術分野で既知な他のパターン化照明生成向けパターンも遜色なく用いうる。

パターンマスクはとりわけ格子とするのがよく、より具体的には振幅格子又は位相格子とするのがよい。格子の例としてはライン格子や正弦格子やクロスライン格子がある。格子をブレーズド格子としてもよい。格子は好ましくは機械的なもの、例えばエッチングされた金属シートか金属被覆ガラス基板例えばクロム（Ｃｒ）がガラス上にあるものとする。

ある有益な実施形態では、パターン化照明源・対物系間の照明路と、対物系・検出器間の撮像路とが、双方ともそのビームスプリッタを通過する形態で、ビームスプリッタが配置される。とりわけ、対物系を回折限界性能に補正し、その補正にそのビームスプリッタも勘案するとよい。こうすることで、高品質な光学装備が実現されるのと同時に、その装備がややコンパクト且つ単純な構成の装備となる。結果として、その装備を低コストモジュールとして実現することができ、また複数個のモジュールを組み合わせて、複数個の物体を対象とした３Ｄトポグラフィ計測を並列実行する装置にすることができる。

撮像誤差の更なる低減、ひいては計測精度の向上を、パターンマスク及び検出器を共役平面内に置くことで果たすことができる。

更なる一般的実施形態に係る、物体の表面の光学的三次元トポグラフィ計測システムは、パターン化照明源及び均一照明源の双方、対物系、検出器、並びに対物系・物体間相対運動実行手段を備える。

対物系は、パターン化照明及び均一照明双方を物体の表面に差し向けるようよう、且つその物体の表面を検出器上に成像するよう配置され、その検出器は、その物体の表面の画像を複数枚記録するよう配置及び構成される。検出器は、例えばディジタル画像を記録するよう構成されたカメラの一部分とされよう。検出器は、例えばＣＭＯＳ又はＣＣＤテクノロジをベースにしたものとされよう。対物系・物体間相対運動実行手段は、その相対運動の方向が、対物系の光軸に沿った少なくとも１個の成分を含む方向となるよう構成される。本システムは、パターン化照明源及び均一照明源を互いに独立に作動させうるよう構成した方がよい。

諸実施形態では、パターン化照明源が光源及びパターンマスクを有する。その光源はとりわけ非コヒーレント光源、例えば１個又は複数個の発光ダイオード（ＬＥＤ）とされよう。
諸実施形態では、そのパターンマスクが、これに限られるものではないが市松模様又はピンホールアレイを有するものとされる。本件技術分野で既知な他のパターン化照明生成向けパターンも遜色なく用いうる。

パターンマスクはとりわけ格子とするのがよく、より具体的には振幅格子又は位相格子とするのがよい。格子の例としてはライン格子や正弦格子やクロスライン格子がある。格子をブレーズド格子としてもよい。格子は好ましくは機械的なもの、例えばエッチングされた金属シートか金属被覆ガラス基板例えばクロム（Ｃｒ）がガラス上にあるものとする。

ある有益な実施形態では、対物系・検出器間の撮像路と、パターン化照明源・対物系間の照明路並びに均一照明源・対物系間の照明路のうち少なくとも一方とが、そのビームスプリッタを通過する形態で、ビームスプリッタが配置される。とりわけ、パターン化照明源・対物系間照明路並びに均一照明源・対物系間照明路双方がビームスプリッタを通過するようにするとよい。対物系を回折限界性能に補正し、その補正にそのビームスプリッタも勘案するとよい。こうすることで、高品質な光学装備が実現されるのと同時に、その装備がややコンパクト且つ単純な構成の装備となる。結果として、その装備を低コストモジュールとして実現することができ、また複数個のモジュールを組み合わせ、複数個の物体を対象とした３Ｄトポグラフィ計測を並列実行する装置にすることができる。

撮像誤差の更なる低減、ひいては計測精度の向上を、パターンマスク及び検出器を共役平面内に置くことで果たすことができる。

ある実施形態では、物体・対物系間相対運動の方向が対物系の光軸に対し平行とされる。

本発明に係るシステムは、総じて、物体表面の三次元トポグラフィ計測との関連でシステムを制御し及び／又はデータ分析を実行する１個又は複数個のコンピュータを有し又はそれに接続されたものとすることができる。本システムは、特に、本発明に係る方法のいずれかの実施形態を実行するのに用い且つ好適に制御することができる。当該１個又は複数個のコンピュータは、内蔵型又は非内蔵型で、シングルプロセッサ、マルチプロセッサ、シングルコア、マルチコアである任意の好適且つ既知なデータ処理装置とすることができ、複数個のコンピュータを、本システムの制御及び／又はデータ分析を実行するよう並列化動作させること並びにローカル接続又はデータネットワーク例えばインターネットを介し相互に又は本システムに接続することができる。

以下、本発明の性質及び動作モードを、添付する模式図と併せ、本発明についての後掲の詳細記述中でより全面的に述べることにする。

物体の表面の３Ｄトポグラフィ計測システムの実施形態を示す図である。 物体の表面の模式的拡大図である。 物体の表面及び投射パターンの頂面図である。 段差状形状の物体を示す図である。 図４ａ中のそれに類する物体から本発明に係る方法で以て得られた光強度信号を示す図である。 本発明に係る方法及びシステムにて用いられる光学的構成を描いた図である。 格子の空間周波数の関数たるコントラストを示す図である。 格子ピッチの関数たる再現性を示す図である。 光学装備を諸回折成分と併せ示す図である。 図８の装備に関し撮像瞳に対する回折成分の位置を示す図である。 光学装備を諸回折成分と併せ示す図である。 図１０の装備に関し撮像瞳に対する回折成分の位置を示す図である。 物体の表面の３Ｄトポグラフィ計測システムの実施形態を示す図である。 半田バンプを撮像する際の光学的状況を描いた図である。 物体の表面の３Ｄトポグラフィ計測システムの実施形態であり図１２に示したものの動作手順を示す図である。 図１４に示した動作手順からどのようにして高さ計測結果が得られるかを示す図である。 小湾曲表面に関し画素強度と物体に対する照明焦点の位置との間の関係を示す図である。 パターン化照明生成用パターンマスクを数例示す図である。 物体の表面の３Ｄトポグラフィ計測システムの実施形態を示す図である。 本発明に係る方法を実行する光学モジュールを示す図である。 複数物体並列検査システムを示す図である。

諸図を通じ、同一要素又は類似機能要素を同一参照符号で指し示してある。更に、対応する図面の記述に必要な参照符号のみを図面に記してある。図示諸実施形態は、本発明をどうすれば実行できるかについての例を提示しているに過ぎない。これを本発明を限定するものとして解すべきではない。

図１に、物体２の表面２１の３Ｄトポグラフィ計測システム１の実施形態を示す。本システム１はパターン化照明源３を有しており、図示実施形態におけるパターン化照明源３は光源３１例えば１個又は複数個のＬＥＤと、コンデンサ光学系３２と、パターンマスク３３とを有している。物体２の表面２１のパターン化照明は、パターンマスク３３をその表面２１上へと投射することで生成される。より精密に言えば、図示実施形態では光源３１からの光が、コンデンサ３２及びパターンマスク３３を通過したあとビームスプリッタ４に到達し、その光のうち少なくとも一部分が、そのビームスプリッタ４により対物系５へと差し向けられそこを通過して物体２の表面２１に到達する。その後、表面２１からの光が、対物系５を通過してビームスプリッタ４に到達し、表面２１からの光の一部分が、そのビームスプリッタ４により検出器６１、例えば図示の如くカメラ６の一部たるそれへと差し向けられる。対物系５により規定される光軸５１及び焦平面５２のうち、光軸５１は焦平面５２に対し垂直である。投射されたパターンマスク３３はその焦平面５２内で最良合焦する。

検出器６１の働きで表面２１の画像複数枚が記録される一方、物体２・対物系５間相対運動が実行される。物体２・対物系５間相対運動の方向２２は、光軸５１に対しある斜め角２３を有する方向である。その相対運動中に、物体２の表面２１が対物系５の焦平面５２を通過する。この図は本システム１の巨視図であるので、焦平面５２が物体２の表面２１と一致するように示されている。その表面２１のうち焦平面内に存する部分は、検出器６１の働きで記録された表面２１の画像において、最良合焦に見える。相対運動の方向２２と光軸５１とが斜め角２３をなしているため、パターン化照明のパターンが物体２の表面２１に対し動くのに加え、同表面の画像中に記録されているパターンのコントラストが、方向２２に沿った相対運動のコースを辿り表面２１が焦平面５２を通過するのにつれて変化する。結果として、表面２１上の位置から記録される光強度は、複数枚の画像に含まれる諸画像間で変動する。この光強度変動から、表面２１上の個別位置に係る高さ情報を得ることができる。完璧を期して言うなら、物体２・対物系５間相対運動は、例えば、物体２を動かすことでも、本システム１を動かすことでも、物体２及び本システム１の双方を動かすことでも果たすことができる。

図２は物体２の表面２１の一部分の模式的拡大図であり、表面２１が全体としては平坦でなく構造、例えば隆起２４に類するそれを有することが示されている。本発明に係る３Ｄトポグラフィ計測はそれらの構造の高さ２５、ここでは隆起２４に関し明示されているそれについて情報を得ることを、目的としている。隆起２４の高さ２５とは、いわば、基準面２６に垂直な方向に沿った、その基準面２６に対する隆起２４の拡がりのことである。また、対物系５の光軸５１及びそれに関連する焦平面５２（図１参照）も示されている。本システム１内で物体２が正しく整列している場合、焦平面５２は基準面２６に対し平行となり、従って光軸５１が焦平面５２及び基準面２６の双方に対し垂直となる。

図３は物体２の表面２１の頂面図であり、パターン化照明源３（図１参照）に発する投射パターン３４が示されている。図示例では、また前出の図面によれば、物体２は対物系５に対し方向２２に沿って動くので、その相対運動は基準面２６内成分２２１を有するものとなる。結果として、パターン３４は、物体２の表面２１に対し、成分２２１とは逆の方向３５に動く。これは、その相対運動中に、表面２１上の所与位置に入射する光の強度が変化するであろうこと、並びに、その結果、その位置から記録される光強度が、カメラ６により記録される表面２１の画像間で変化するであろうことを暗示している。

図４ａは物体２、基準面２６、並びに対物系５の光軸５１（図１参照）を示すものであり、その光軸５１が基準面２６に対し垂直になっている。物体２は部分２７１及び２７２を有しており、基準面２６に対するそれらの高さ値がある量２５１だけ相違しているため物体２が段差２７を呈している。図４ｂには、対応する強度信号であり本発明に係る方法により得られたものが、ダイアグラムの態で示されている。このダイアグラム中、横軸８１は物体２の光軸５１沿い位置に相当しており、縦軸８２は相対運動中に物体２上の位置から記録された光強度、より精密には段差位置からのそれに相当している。その光強度は２個の顕著な変調部分２７３及び２７４を呈している。想定上、図示ケースでは横軸８１沿い値の増大が物体の対物系方向への移動に相当しているので、部分２７１（部分２７２より高背で対物系に近い部分）が対物系焦平面を通過した結果として変調部分２７３が生じ、部分２７２が対物系焦平面を通過した結果として変調部分２７４が生じる。変調部分２７３及び２７４の最大値が横軸８１上で占める位置の差が、物体２の部分２７１・２７２間の高さ差２５１に相当する。光強度の高周波変調分、とりわけ変調部分２７３及び２７４中に見られるそれは、パターンと物体・対物系間相対運動との複合効果によりもたらされたものである。例えばパターンがラインパターン（線状パターン）である場合、そのパターンを構成している輝線及び暗線が図４ａの物体２の段差２７上方を通過する結果として、そうした高周波変調分がもたらされる。他方で、それら高周波変調分の振幅は、物体の表面上、より精密には物体２の部分２７１及び２７２それぞれの上での、そのラインパターンのコントラストにより決まる。コントラストが最高、ひいては高周波変調分の振幅が最大になるのは、部分２７１又は２７２それぞれが対物系５の焦平面５２内に存しているときである（図１及び図２参照）。

図５に、本発明に係る方法にて用いうる照明ブランチ向け光学的構成を示す。図１と違いビームスプリッタ及びカメラは示されていない。本発明にとり精密な高さ計測が本質的なものであるので、図５に示した光学的構成を用い、この分野における計測の不確定性及び改善余地について論ずることにする。

図１と同じく、光源３１、コンデンサ３２、格子３３、対物系５及びその光軸５１、並びに物体２の表面２１が示されている。対物系５は、撮像数値開口（撮像ＮＡ）５４を規定する瞳５３を有している。照明ＮＡ３６も示されている。

以下の議論のため、ガウス座標系、光軸５１沿い座標ｚ、並びにそれに対し垂直な座標ｘを導入することにする。

光軸５１に対し垂直な任意の平面では、その平面上に投射された格子の画像の強度Ｉを、

と表すことができる。

ここで、Ｃ（ｚ）はｚの関数たる強度変調振幅を指し示しており、Λは格子ピッチ、即ち格子３３の隣接２ライン間距離であり、Φは位相オフセットである。コントラストを計測するため、また最終的には変調部分例えば図４ｂに示した２７３及び２７４の最大値を判別するため、図３中の矢印３５からもわかるようにフリンジパターンをｘ方向にシフトさせ、またそれを本発明に係る方法に従い物体・対物系間の相対運動の斜め角により達成する。格子ピッチ１個分の距離に亘りこうしたフリンジパターンシフトがＭ回実行されるのであり、これは即ち、相対運動により格子ピッチ１個分だけパターンをシフトさせる間にＭ枚の画像が記録されるということである。対応する強度値は例えば

となる；但し、ｍはフリンジパターンシフトの計数値であり１≦ｍ≦Ｍである。Ｍの最小値は３であるが、好ましくはＭを４以上とする。フリンジコントラストは、以下の計算ステップ

により記述される「Ｍバケット」アルゴリズムで見積もることができる。

例えば一次元正弦格子が用いられている場合、ｚの関数たる格子投射画像のコントラストは、ほぼ

に従い変化する；但し、ＮＡ_ｉは照明の数値開口３６、ＮＡは撮像数値開口５４、λは照明に用いた光の波長（又は平均波長）、Ｃ_０は最良合焦時の最大フリンジコントラストである。

誤差伝搬論によれば、フリンジコントラストの分散に関する次の式

から

を得ることができる。

ここで、＜σ_ｉ＞は画素強度の平均ノイズであり、＜σ_ｉ＞／Ｉ_０は、センサノイズ制限ケースでは検出器ダイナミックレンジの逆数、ショットノイズ制限ケースではセンサのフルウェルキャパシティの平方根の逆数となる。

ピークの６４％における焦点応答の勾配を用いることで計測再現性を推定し、

を得ることができる；但しＮは焦点深度内ｚステップ（ｚ刻み）の個数である。そして、計測再現性を

と表すことができ、Ｎ個のｚステップそれぞれでフリンジシフトがＭ回であるからＮ_ｆ＝ＭＮにより計測の総数が表される；但し、ｚステップは、物体・対物系間相対運動により格子ピッチ１個分だけ投射パターンが動く間の光軸５１沿い位置の変化である。

この誤差伝搬モデルの開発目標は、光学系パラメタが根底レベルでどのように性能に影響するかを示すことであるので、機械運動誤差及びセンサノイズが無視される理想条件下でモデルが導出される。そのモデルは最良ケースシナリオを表すものとなる。計測再現性に関する前出の等式により示される通り、
１．格子ピッチ（Λ）を小さくすること
２．フリンジコントラスト（Ｃ_０）を高めること
３．光学系により制限される照明数値開口（ＮＡ_ｉ）を高めること
４．センサにより制限される画像ダイナミックレンジの逆数を大きくすること
５．データレート及びスループットにより制限される計測回数を増やすこと
で、計測再現性を改善することができる。

そのため、格子ピッチを小さくし格子コントラストを高めることが望まれる。しかしながら、円形アパーチャを有する非コヒーレント撮像システムの光学的伝達関数に関し図６に示されているように、格子ピッチを小さくするとフリンジコントラストが低まるので、格子ピッチ及びフリンジコントラストは一般に相容れない二条件とされる。図６では、格子ピッチが、使用最高空間周波数に対し正規化された、格子の空間周波数として示されている。空間周波数が高いということは単位長当たり格子ライン本数が多いということ、従ってその格子の隣接ライン間距離即ち格子ピッチが小さいということである。

非コヒーレント照明に関しては、格子ピッチの関数たるフリンジコントラストが

により与えられる。

格子ピッチの関数たる計測再現性誤差は、これらの等式とσ_ｚに関する前出の等式とを組み合わせることで得られるものであり、その結果が図７中にプロットされている。最適格子ピッチは遮断ピッチΛ_ｍｉｎの２倍より僅かに大きいので、簡略化のため

と記すことにする。

従って、フルＮＡ照明及びショットノイズ制限ケースでは、計測再現性が

により与えられる。

また、ショットノイズ制限ケースにおいては

となる。

ここに、Ｎ_ｅは撮像センサのフルウェルキャパシティを表している。これは最良シナリオケースであり、計測性能の基本限界を示している。実際の計測は機械ノイズ、主としてｚ方向位置決めの安定性に由来するそれにより、往々にして制限される。

図６から看取しうるように、最適格子ピッチでの（遮断周波数の半分での）投射格子コントラストは約４０％であり、これは非コヒーレント撮像システムの変調伝達関数（ＭＴＦ）により与えられている。この低コントラストは、その上に格子が投射される物体平面における、諸回折成分の不平衡ミキシングの結果である。このことが図８及び図９に子細に描かれている。

図８に、コンデンサ３２、格子３３、光軸５１及び瞳５３を有する対物系５、並びに物体２を示す。焦点深度２８や、物体２上に投射され出現する格子ピッチ３３１も示されている。０次、＋１及び－１なる指示子は、０次回折成分と二通りの１次回折成分とを指し示している。ここでは、格子のピッチが、照明用光波長を瞳５３の数値開口で除したものに等しい旨、仮定している。

図９に示すように、図８の装備では、照明瞳上のどの所与点でも二通りある１次回折成分のうち一方だけ（即ち＋１次か－１次）がその光学系を通過し、他方は回折されてその瞳外に出る。従って、物体２の表面上に格子３３の画像を形成するのは、０次回折成分と＋１次回折成分、或いは０次回折成分と－１次回折成分であり、それらの干渉により格子の画像が再現される。標準的な格子では一方の１次回折光の強度が０次回折光の強度よりも低いので、得られる格子画像は低コントラストになる。

図１０にコントラストの改善方法を示す。図示されているのはコンデンサ３２、格子３３、対物系５及びその瞳５３、並びに物体２である。焦点深度２８や、物体２上に現れる格子ピッチ３３１も、指し示されている。ここでは、格子３３のピッチが照明用光波長を瞳５３の数値開口で除したものに等しいものと仮定している。この格子３３は、０次回折成分と一方の１次回折成分のみ、ここでは－１次回折成分のみをもたらすよう、またそれら０次回折成分及び一方の１次回折成分が等強度となるようなものである。これは例えばブレーズド格子により達成することができる。

図１１に示すように、図１０の装備では、格子画像が０次回折成分の干渉、図示例なら－１次回折成分との干渉により形成される。図１０の装備ではこれら二通りの回折成分が等強度となるので、得られる格子画像は、図９に示した状況に比べ、そのコントラストが改善されたものとなる。実際、コントラストを１００％まで改善させることができ、対応する計測精度の２倍以上の改善へと導くことができる。図１０の装備には幾通りかの改変が可能であり、例えば軸外アパーチャにすることができる。

注記すべきことに、このコントラスト改善は、焦点深度の伸長と引き替えに得られたものではない。図８及び図１０に示すように、格子コントラストが最大値の半分まで劣化する最良合焦位置からの距離として定義される幾何学的な焦点深度は、図８に示す如き非コヒーレント照明の場合でも、また図１０に示した部分コヒーレント軸外照明でも、おおよそΛ／ＮＡとなる。例えば、照明数値開口ＮＡ_ｉが撮像数値開口ＮＡよりもかなり小さい近コヒーレント照明では、フリンジピッチをλ／（２ＮＡ）なる最小値（最高空間周波数に対応）にすることができ、その上でなおフリンジコントラストを１００％にすることができる。投射された格子のコントラストが、実質的に無限大の焦点範囲に亘り１００％に保たれるシステムは、鏡面反射面上で高さ感度を呈さないであろう。

図１２に、物体２の表面２１の３Ｄトポグラフィ計測システム１００の実施形態を示す。本システム１００はパターン化照明源３を有しており、図示実施形態におけるパターン化照明源３は、光源３１例えば１個又は複数個のＬＥＤと、コンデンサ光学系３２と、パターンマスク３３とを有している。本システム１００は均一照明源７も有しており、図示実施形態における均一照明源７は、光源７１例えば１個又は複数個のＬＥＤと、コンデンサ光学系７２とを有している。均一照明源７からの光及びパターン化照明源３からの光を共にビームスプリッタ４へと差し向けるための手段７３、例えば半透明ミラーのようなビームスプリッタが設けられている。ビームスプリッタ４はその光のうち少なくとも一部分を対物系５内に差し向け、その光はその対物系５を介し物体２の表面２１に到達する。更にその表面２１からの光が対物系５内を通過してビームスプリッタ４に到達し、表面２１からの光のうち一部分がそのビームスプリッタ４により検出器６１、図示例ではカメラ６の一部たるそれへと差し向けられる。対物系５により光軸５１及び焦平面５２が定まり、その光軸５１は焦平面５２に対し垂直となる。物体２の表面２１上には構造、とりわけ鏡面構造たりうるそれ、具体的には半田バンプ９であるそれが示されている。

光源３１及び７１を交互に動作させることにより、物体２の表面２１の交互照明が行われる。光源７１を動作、即ち発光させた場合、物体２の表面２１の照明は均一になる。光源３１を動作、即ち発光させた場合、物体２の表面２１の照明がパターン化される。

物体２・対物系５間相対運動が実行されている間に、検出器６１の働きで表面２１の画像複数枚が記録される。それら複数枚の画像のうち幾枚かの画像は、表面２１が均一照明にさらされている間に記録されたものであり、また当該複数枚の画像のうち幾枚かの画像は、表面２１がパターン化照明にさらされている間に記録されたものである。この実施形態における物体２・対物系５間相対運動の方向２２は光軸５１に対し平行である。その相対運動中に、物体２の表面２１は対物系５の焦平面５２を通過する。この図は本システム１００の巨視図であるので、焦平面５２が一見して物体２の表面２１と一致している。

図示実施形態では、図１の実施形態とは対照的に、相対運動方向２２が対物系５の光軸５１に対し平行であるため、物体２の表面２１に対する投射パターンのシフトがない。図１２の実施形態は、とりわけ、半田バンプ付の表面の検査を目的としている。通常、半田バンプは表面２１上にアレイをなしてレイアウトされるが、図１２には代表として単一の半田バンプ９が示されている。半田バンプ間エリアのうち、表面上に投射されたパターン例えば格子のピッチより半田バンプ間距離が大きいところでは、半田バンプ間表面の高さを、表面に対しパターンをシフトさせることなく投射パターンのコントラストから計測することができる。これは、従来技術では必要であったのと違い、光軸５１に沿った物体２・対物系５間相対位置毎に複数枚の画像を記録する必要がないことを、暗示している。

この実施形態では、半田バンプ９間表面高さが、パターン化照明下で記録された画像から求まる一方、半田バンプ９の高さが、均一照明下で記録された画像から求まる。

考えるに、図１２に示す実施形態ではパターン化照明源３及び均一照明源７がめいめいに光源を有しているが、これは本発明の限定事項ではない。パターン化照明源３及び均一照明源７で共通の光源が用いられる実施形態が考えられる。そうした場合には、相応な手段を設けてパターン化照明及び均一照明による物体表面の交互照明を実現すればよい。その手段を例えば伝送切替フィルタ群とし、光源からパターン化照明源，均一照明源それぞれに備わる他素子への光路が交互に遮断されるようにすることができる。各フィルタによる伝送を制御することで各照明源からの光の強度を制御することもできる。或いは、その手段を、光源から光を集めてパターン化照明源，均一照明源それぞれに備わる他素子へと交互に差し向けるものにしてもよい。

図１３は半田バンプ９、ここでは半径ｒのそれが撮像される光学的状況を描いたものである。おわかり頂けるように、半田バンプ９が反射性でその表面が湾曲しているため、バンプ頂部の小部分しか撮像されえない。バンプ頂部のうち検出器にとり可視な部分のサイズは、照明数値開口及び撮像数値開口の双方に依存する。フル数値開口（ＮＡ）照明では、バンプ頂部のうち検出器にとり可視な部分の半値全幅半径がＤ＝ｒＮＡにより与えられる。光学的ＮＡを十分に高くし、十分な光学的分解能が得られるようにしないと、アレイレイアウト内の個別バンプを正確に計測することができない。通常、バンプレイアウトにおけるバンプ間隔対バンプ直径の比は１：１であるので、隣接バンプ間光学的クロストークを回避するには撮像点拡がり関数（ＰＳＦ）をバンプ半径のオーダとする必要がある。最小ＮＡは従って

となる。

そしてそれに対応するバンプ頂部可視部分の最小直径は

となる。

デバイストポグラフィ検査で典型的なＮＡは０．１～０．３付近であり、これは、視野サイズを大きくしてデバイス全体を撮像し更に高スループットを実現するため、ひいてはバンプ頂部の可視部分が光学的ＰＳＦより小さくなりその撮像システムでは点物体として扱えるようにするためである。この場合、焦点による撮像点拡がり関数の変化の仕方に密に追従することから、ピーク画素強度かバンプ頂部自体の画像のサイズかを高さ計測に用いることができる。

図１３に示すように、バンプ９の表面にある点Ｐがまだ瞳５３を介した照明にさらされているのに、その点Ｐからの反射光が瞳５３内を通らず、従って検出器６１（図１２参照）に到達しないことがある。この場合、半田バンプ９の表面の点Ｐを、検出器６１により記録された画像中に見いだすことができない。図１３からお察し頂くべきことに、こうして反射光が瞳５３を通過し損ねる原因は、主に、その反射の鏡面的性質と併せ、バンプ９の表面の湾曲にある。

図１４は図１２に示したシステムの動作手順を示す図であり、図１２中のパターン化照明源３及び均一照明源７により生成された交互照明が描かれている。同図の横軸は位置ｚ、即ち方向２２沿い運動中に対物系５（図１２参照）の光軸５１沿いで物体２がとる位置を表している。縦軸は、光源３１，７１それぞれにより放射された光の強度を表している。市松模様付の正方形１４３はパターン化照明源３の動作を象徴しており（パターンは市松模様に限られない）、無地の正方形１４７は均一照明源７の動作を象徴している。同図中でそれら正方形からバー１４４，１４８に向かっている矢印は、対応する照明源がアクティブになる光軸沿い運動段階を指し示している。即ち、パターン化照明源３がアクティブとなって照明を供給するのは、光軸５１沿い運動段階のうち図中でバー１４４が示されている段階であり、均一照明源７がアクティブとなって照明を供給するのは、光軸５１沿い運動段階のうち図中でバー１４８が示されている段階である。

バー１４４は、バー１４８により与えられる均一照明源７内光源７１の強度に比べ、パターン化照明源３内光源３１の強度の方が高いことを、指し示している。このことからわかるように、それら光源の強度を、表面２１のうちそれぞれ計測が実行される部分の特性に適合させることができる。鏡面的な半田バンプに対する計測では、半田バンプ間表面に対する計測に比べ低めの強度が通常は適切である。

図１５に、専ら例証目的で、均一照明下の半田バンプとパターン化照明下の半田バンプ間表面２１との結合画像１５１を示す。２個のダイアグラムも示されている。ダイアグラム１５７は、ｚ方向位置即ち光軸５１に対し平行な方向２２（図１２参照）に沿った位置の関数として、半田バンプ９から記録された強度を示している。ダイアグラム１５３は、ｚ方向位置の関数として、半田バンプ９間表面２１から計測されたコントラストを示している。ダイアグラム１５７に示した強度はｚ方向位置１５８にて最大値を呈し、ダイアグラム１５３に示したコントラストはｚ方向位置１５９にて最大値を呈している。これらｚ方向位置１５８，１５９即ち対応する最大値が生じている位置は、それぞれ、半田バンプ９の頂部（最大値１５８），表面２１（最大値１５９）が焦平面５２（図１２参照）を通過するｚ方向位置である。従って、それらｚ方向位置１５８・１５９間の差１５５が半田バンプ９の高さである。

ダイアグラム１５３に入れるコントラスト値を決めるに当たっては、その投射パターンが検出器６１（図１２参照）の画素サイズにマッチする市松模様である場合、それらコントラスト値を最少で２×２個の画素から算出することができる。より広い画素エリア、即ちＮ×Ｎ個の画素エリア、但しＮ＞２も用いうる。その選択は、通常、光軸５１に対し垂直な方向の空間分解能条件及びバンプ９間距離により左右されよう。画素エリア拡大は算出されるコントラストの精度向上につながるが、明らかな通り、光軸５１に対し垂直な方向の空間分解能低下にもつながる。

図１６に、半田バンプのように小湾曲を有する表面に関し、本発明に係る方法における画素応答（例．検出器の対応画素により記録された光強度を表す画素値）を示す。同図の左側にある５枚の画像は、焦点１６５（画像のうち２枚のみに示す）に差し向けられ半球１６３（半田バンプ）の表面上に入射する光線１６４を、様々な半球１６３・焦点１６５間相対位置に関し示したものである。同図の右側では、画素応答が縦軸１６２上に示される一方、横軸１６１により半球１６３・焦点１６５間相対位置が示されている。矢印は、同図中の画素応答のうちどの部分が、左側にある５枚の画像のいずれに対応するのかを、指し示すものである。

読み取れるように、この画素応答は２個の最大値を有している。横軸１６１の値が小さな方の最大値は、左側画像のうち下から２枚目のものに示されているように、光線１６４の焦点１６５が半球１６３の頂部にある状況に相当している。計測中にこの状況が発生するのは、半田ボールの頂部が対物系５（図１２参照）の焦平面５２内にあるときである。２個目の最大値が生じるのは、左側画像のうち上から２枚目のものに示されているように、光線１６４の焦点１６５が半球１６３の中心に一致しているときである；実際には光線１６４が半球１６３内に入り込まずその表面で反射されることに留意されたい。計測実行時には物体２・対物系５間相対運動方向がわかっているので、半田ボール頂部であり焦平面５２内にあるものにそれら２個のピークのうちいずれが対応するのかは明々白々である。他方のピークを用いることでバンプ頂部表面の湾曲を計測することができ、ひいてはそれを校正目的で用い計測の正確性を改善することができる。

図１７にパターン化照明生成用パターンマスクを数例示す。これらのパターンマスクは、図１に示したパターン化照明専用型の実施形態でも、図１２に示したパターン化照明・均一照明交互型の実施形態でも、用いることができる。本発明はここに示した種類のパターンマスクに限定されない。図示されている具体例は正弦格子（Ａ）、市松模様（Ｂ）、ライングリッド又はクロスライン格子（Ｃ）及びピンホールアレイ（Ｄ）である。

図１８に、物体２の表面２１の３Ｄトポグラフィ計測システム２００の実施形態を示す。図示実施形態は図１２に示した実施形態のシステム１００と非常に類似しており、図１８に現れている要素の大半は既に論じたものである。本システム２００では、瞳マスク７４が均一照明源７内に組み込まれている。瞳マスク７４は照明アパーチャとして動作する。照明アパーチャにより、様々なフィーチャ形状について画像コントラスト及び焦点応答を改善することができる。図１８には、瞳マスク７４が採りうる形状について、２個の非限定的な例も示されている。瞳マスク例７４１はリングアパーチャ、瞳マスク例７４２は円形アパーチャである。

図１９に、本発明に係るシステムの実施形態であり本発明を実行するのに用いうる光学モジュール３００を示す。ここに示した光学モジュール３００の構成は図１に示したシステム１の構成に類似しているが、図１２のシステム１００又は図１８のシステム２００の構成をベースにした光学モジュールも考えられる。

パターン化照明源３は、光源３１、コンデンサ３２及びパターンマスク３３を有している。パターン化照明源３からの光がビームスプリッタ４に到達すると、その光の一部分がそのビームスプリッタ４によって対物系５へと差し向けられ、そこから物体２へと到達した光により、物体２の表面２１にパターン化照明が供給される。対物系５は瞳５３を有している。表面２１からの光は、対物系５及びビームスプリッタ４を通過した後、カメラ６内の検出器６１に到達する。既に上述した通り、検出器６１を用いることで、物体２及び対物系５の相対運動中に表面２１の画像複数枚を記録することができる。

モジュール３００はコンパクト且つ単純であるので、複数物体並列検査での使用に適している。非常に具体的だがなお非限定的な例を提供するには、対物系５の視野直径を２２ｍｍ、ＮＡを０．２とし、通常は３０ｎｍであるＬＥＤ照明波長帯幅向けにその対物系５を補正すればよい；通常は１個又は複数個のＬＥＤが光源３１として用いられるのでこうするのが望ましい。このＮＡは十分高いのでサブμｍの計測精度を達成することができ、またその視野サイズにより検査対象物体の大抵のサイズをカバーすることができる。ビームスプリッタキューブ４の撮像側は照明路を撮像路から分岐させるところであり、レンズデザイン上一体部分となっている。これは、その対物レンズ及びチューブレンズが別体な従来の撮像顕微鏡、特に対物系・チューブレンズ間平行光化空間にて照明路及び撮像路が分岐されるため格子投射に更なるチューブレンズが必要であった従来の撮像顕微鏡に比べて、かなり単純且つコンパクトなデザインである。このデザインのもう一つの長所は、パターンマスク３３及び検出器６１がきっちりと共役平面に存しているため、残留視野歪みがキャンセルされ投射パターンのサンプリングエイリアシングがなくなることである。このデザインは物体側，像側の双方でテレセントリックでもあるので、スルーフォーカス信号歪みを抑えることができる。

図２０に、複数個の物体２を並列検査するシステム４００を示す。物体２はピックアンドプレース装置４０２によりコンベア４０１上に載置される。コンベア４０１は物体２を検査モジュール４０４の配列４０３へ、またその先へと搬送するものであり、図示具体例に係るシステム４００は３個の検査モジュール４０４を有している。各物体２は１個の検査モジュール４０４により検査される。各検査モジュール４０４は、自分が検査する物体２それぞれを対象に本発明に係る方法を実行する。検査対象物体２の個数及びスループット条件次第で検査モジュール４０４の個数を変えうるよう、即ち検査モジュール４０４を本システム４００に追加し又はそこから除去することができるよう、本システム４００を構成することも考えられる。

各検査モジュール４０４は、例えば図１９に記したモジュール３００とすればよいが、例えば図１にて論じたシステム１、図１２にて論じたシステム１００或いは図１８にて論じたシステム２００としてもよい。検査モジュール４０４は、総じて、図１～図１９の文脈で論じた発明に係るシステムのいずれとしてもよく、また本発明に係る方法を実行するよう構成されたどのようなシステムであってもよい。検査モジュール４０４にて、パターン化照明及び物体・対物系間の相対運動に依拠していてその相対運動の方向と対物系の光軸とがある斜め角をなす発明に係る方法を用いてもよいし、或いはパターン化照明及び均一照明を交互に利用する発明に係る方法を用いてもよい。

上掲の記述では、本発明の諸実施形態についての全般的理解を促すため数多くの具体的細部が提示されている。しかしながら、本発明の図示諸実施形態についての上掲の記述は、排他的な趣旨や被開示形態そのものに本発明を限定する趣旨のものではない。関連分野に習熟した者（いわゆる当業者）であれば、そうした具体的細部のうち１個以上を欠き或いは他の方法、部材等々で以て本発明を実施しうることを、認識されるであろう。また例えば、本発明の諸態様が不明瞭になることを避けるため、周知な構造や動作については図示又は詳細記述していない。本発明の具体的実施形態及び諸例を例証目的で本願中に記述したが、いわゆる当業者にはご認識頂けるように、本発明の技術的範囲内で様々な等価的修正を行うことができる。

それらの修正は、上掲の詳細記述に照らし、本発明に施すことができる。後掲の特許請求の範囲中で用いられている語を以て、本発明が明細書及び特許請求の範囲中で開示された具体的実施形態に限定されるものと解すべきではない。寧ろ、本発明の技術的範囲は後掲の特許請求の範囲により決定づけられるべきものであり、また特許請求の範囲は特許請求の範囲の解釈についての確立された理論に従い解釈されるべきものである。

１ システム、２ 物体、２１ 物体の表面、２２ 相対運動方向、２２１ 相対運動の成分、２３ 斜め角、２４ 隆起、２５ 高さ、２５１ 高さ差、２７ 段差、２７１ 表面の一部分、２７２ 表面の一部分、２７３ 光強度の一部分、２７４ 光強度の一部分、２６ 基準面、２８ 焦点深度、３ パターン化照明源、３１ 光源、３２ コンデンサ、３３ パターンマスク、３３１ 格子ピッチ、３４ パターン、３５ 表面に対するパターンの運動方向、３６ 照明アパーチャ、４ ビームスプリッタ、５ 対物系、５１ 光軸、５２ 焦平面、５３ 瞳、５４ 撮像アパーチャ、６ カメラ、６１ 検出器、７ 均一照明源、７１ 光源、７２ コンデンサ、７３ 手段（ビーム分割）、７４ 瞳（照明アパーチャ）、７４１ リングアパーチャ、７４２ 円形アパーチャ、８１ 横軸、８２ 縦軸、９ 半田ボール、１００ システム、１４３ 市松模様正方形、１４４ バー、１４７ 無地正方形、１４８ バー、１５１ 結合画像、１５３ ダイアグラム、１５５ 高さ差、１５７ ダイアグラム、１５８ 最大値（強度）、１５９ 最大値（コントラスト）、１６１ 横軸、１６２ 縦軸、１６３ 半球、１６４ 光線、１６５ 焦点、２００ システム、３００ モジュール、４００ システム、４０１ コンベア、４０２ ピックアンドプレース装置、４０３ （検査モジュールの）配列、４０４ 検査モジュール、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ パターンマスク例、Ｄ_ｍｉｎ 半田ボール頂部の可視部分の最小直径、Ｐ 半田ボール表面上の点。

Claims (12)

1. 物体の表面の光学的三次元トポグラフィ計測システムであって、
   パターン化照明源と、
   均一照明源と、
   前記パターン化照明及び前記均一照明双方を前記物体の表面に差し向けるよう配置された対物系と、
   前記対物系を介し前記物体の表面の画像を複数枚記録するよう配置及び構成された検出器と、
   前記検出器に接続され、前記複数枚の画像のうち、前記パターン化照明下で記録された画像の光強度差、及び前記均一照明下で記録された画像の光強度差に基づき前記物体の表面の位置の高さ情報を決定するように構成されたコンピュータと、
   を備え、前記光強度は、前記物体の光軸に沿った１つの方向に沿って変化する、
   システム。
2. 請求項１に記載のシステムにおいて、
   前記パターン化照明源が光源及びパターンマスクを有するシステム。
3. 請求項２に記載のシステムにおいて、
   前記パターンマスクが市松模様又はピンホールアレイを有するシステム。
4. 請求項２に記載のシステムにおいて、
   前記パターンマスクが格子であるシステム。
5. 請求項４に記載のシステムにおいて、
   前記格子が振幅格子又は位相格子であるシステム。
6. 請求項４に記載のシステムにおいて、
   前記格子がライン格子又は正弦格子又はクロスライン格子であるシステム。
7. 請求項４に記載のシステムにおいて、
   前記格子がブレーズド格子であるシステム。
8. 請求項１に記載のシステムにおいて、
   前記対物系・前記検出器間の撮像路と、少なくとも前記パターン化照明源・前記対物系間の照明路と前記均一照明源・前記対物系間の照明路のいずれか１つとが、ビームスプリッタを通過する形態で、前記ビームスプリッタが配置されているシステム。
9. 請求項８に記載のシステムにおいて、
   前記パターン化照明源・前記対物系間の照明路と前記均一照明源・前記対物系間の照明路の双方が、前記ビームスプリッタを通過するシステム。
10. 請求項８に記載のシステムにおいて、前記対物系は前記ビームスプリッタにより生じた回折を補正するように配置されるシステム。
11. 請求項２に記載のシステムにおいて、
    前記パターンマスク及び前記検出器が共役平面内に存するシステム。
12. 請求項１に記載のシステムにおいて、
    前記物体と前記対物系の相対運動の方向が前記対物系の光軸に対し平行であるシステム。

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