JPH09203608A - 測定顕微鏡装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】被検体の傾きや平坦部の幅を短時間で測定でき
る測定顕微鏡装置を提供する。 【解決手段】光源１から被検体３０へ向かう光路に沿っ
て、光源１、集光レンズ２、第一の絞り３、第二の絞り
４、集光レンズ５、対物レンズ３１を有している。対物
レンズ３１の上方には、光源１からの照射光を被検体３
０へ向けて偏向するハーフミラー７が配置されている。
ハーフミラー７と集光レンズ５の間には、被検体３０か
らの反射光を被検体３０へ向かう光から分離するハーフ
ミラー６が配置されている。また、ハーフミラー６によ
る反射光の光路に沿って、集光レンズ８と光位置検出器
９が配置されている。第二の絞り４は被検体３０面と共
役な位置に配置され、第一の絞り３と光位置検出器９は
共に対物レンズ３１の後ろ側焦点位置Ｂと共役な位置に
配置されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体部品等の電
子部品の検査に用いられる測定顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】電子部品を検査する測定顕微鏡には、電
子部品の精密化・集積化に伴ない、高さや幅を短時間に
高精度で測定できることが求められている。

【０００３】幅を測定する手段としては、図６に示すエ
ッジ検出系が知られている。このエッジ検出系では、下
方から被検体１０１に照明光が照射され、その透過光は
対物レンズ１０２に入射し、結像レンズ１０３により集
光され、ピンホール１１１を通過した成分が、光検出器
１１２に入射し、光電変換される。比較器１１３は、光
検出器１１２の出力と、基準電圧１１４から出力される
所定のしきい値との差を出力する。被検体１０１を載せ
たステージ１０７を図中の矢印方向に移動させると、比
較器１１３からは被検体１０１のエッジ部に対応して切
り換わるエッジ信号が出力される。エッジ信号の切り換
わり点の間のステージ１０７の移動量を測定することに
より被検体１０１の矢印方向に沿った幅が求められる。

【０００４】高さを測定する手段としては、図７に示す
焦点検出系が知られている。この焦点検出系では、半導
体レーザー１１５から射出された光は、偏光ビームスプ
リッター１１６で反射され、１／４波長板１１７を通過
し、結像レンズ１０３により平行光とされ、対物レンズ
１０２により集光され、被検体１０１に照射される。被
検体１０１からの反射光は、対物レンズ１０２に入射
し、結像レンズ１０３と１／４波長板１１７を通過し、
今度は偏光ビームスプリッター１１６を透過し、ビーム
スプリッター１１８によって二本のビームに分けられ
る。

【０００５】一方のビームすなわち透過光は、集光位置
手前に配置されたピンホール１１９に照射され、ピンホ
ール１１９を通過した成分が光検出器１２０に入射し、
その入射光量に応じた電気信号Ｂが信号処理部１２３へ
送られる。他方のビームすなわち反射光は、集光位置後
方に配置されたピンホール１２１に照射され、ピンホー
ル１２１を通過した成分が光検出器１２２に入射し、そ
の入射光量に応じた電気信号Ａが信号処理部１２３へ送
られる。

【０００６】信号処理部１２３は、例えば（Ａ−Ｂ）／
（Ａ＋Ｂ）の演算を行なう。この演算結果は、光照射面
の集光点からのずれを反映しており、これが０（すなわ
ちＡ＝Ｂ）となるとき、集光点が光照射面上に位置す
る。従って、信号処理部１２３の演算結果が０となるよ
うに、対物レンズ１０２と光照射面（被検体１０１また
はステージ１０７）の間隔を制御し、そのときの対物レ
ンズ・光照射面間距離を測定することにより被検体１０
１の厚さが求められる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】被検体のひとつに図８
に示すようなリードフレーム１３０がある。リードフレ
ーム１３０は多数のリード１３２を有している。リード
１３２における測定項目として図９に示すような傾きθ
がある。リード１３２の傾きθは、前述の焦点検出系
（図７）を用いて、一本のリード上の複数点の高さを測
定し、これに基づき計算により求めることができる。し
かし、この方法では測定に長い時間を要する。特に電子
部品のように同一構造が多数連続して存在する対象物に
おいては測定スループットの点で問題である。

【０００８】また、図１０に示すようにリード１３２が
エッジ部に丸みを持っている場合があり、しかも、平坦
部の幅ｌが部品として重要な場合がある。前述のエッジ
検出系（図６）は、丸みを持ったリードに対して、リー
ド全体の幅Ｌは測定できるが、平坦部の幅ｌは測定でき
ない。前述の焦点検出系（図７）を用いて一本のリード
１３２上の多点に対して高さ測定を行なえば、平坦部の
幅ｌを算出することも可能であろうが、これには多大な
時間を要することが容易に予測される。

【０００９】本発明は、このような問題点に鑑みて成さ
れたものであり、その目的は、被検体の傾きや平坦部の
幅を短時間で測定できる測定顕微鏡装置を提供すること
である。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の測定顕微鏡装置
は、被検体が載置される十字動載物台と、前記被検体を
照明する照明光学系と、前記照明光学系により照明され
る前記被検体を拡大観察する少なくとも対物レンズを含
む拡大観察光学系とを有する半導体部品等の電子部品の
検査に用いられる測定顕微鏡装置において、前記拡大観
察光学系の対物レンズ像側に配置された光分割手段と、
以下のＡ）〜Ｄ）の構成を含む測定光出射手段であっ
て、Ａ）前記被検体に検査用照明光を照射するための光
源と、Ｂ）前記光源からの照明光を前記対物レンズ及び
前記光分割手段を介して前記被検体へ導く結像光学系
と、Ｃ）前記対物レンズの後ろ側焦点位置と共役な位置
に配置された第一の絞り手段と、Ｄ）被検体と共役な位
置に配置された第二の絞り手段とを含む測定光出射手段
と、第一の絞り手段とは異なる前記対物レンズの後ろ側
焦点位置と共役な位置に配置された光位置検出手段と、
前記測定光出射手段により前記被検体へ照射された照明
光の反射光を前記対物レンズ及び前記光分割手段を介し
て前記光位置検出手段へ伝搬する伝搬光学系とを有する
ことを特徴とする。この構成において、光位置検出手段
に対するビームの入射位置を調べることにより被検体の
傾きが分かり、光検出手段の出力を所定のしきい値と比
較することにより被検体の平坦部エッジを検出すること
もできる。

【００１１】好ましくは、第二の絞り手段は可変絞りで
ある。可変絞りの開口径を調整することにより、被検体
の表面粗さ等に応じた良好な安定した信号が得られる。

【００１２】好ましくは、被検体を拡大観察する観察光
学系と、被検体の観察光と前述の測定光（照射光と反射
光）とを分ける光分割手段とを更に有しており、光分割
手段は、測定光の波長域に合わせた特定の波長域の光だ
けを反射し、それ以外の波長域の光は透過する波長分割
ミラーであることを特徴とする。前述した傾き・平坦部
の幅を測定するための光学系は、波長分割ミラーによっ
て観察光学系から光学的に分離されているので、観察光
学系の影響を受け難い。従って、安定で高精度の測定が
行なえる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施の形態について説明する。

【００１４】＜第一の実施の形態＞まず、第一の実施の
形態について図１と図２を用いて説明する。

【００１５】本実施形態の測定顕微鏡装置の光学系は、
図１に示すように、光源１から被検体３０へ向かう光路
に沿って、光源１、集光レンズ２、第一の絞り３、第二
の絞り４、集光レンズ５、対物レンズ３１を有してい
る。対物レンズ３１の上方には、光源１からの照射光を
被検体３０へ向けて導くハーフミラー７が配置されてお
り、ハーフミラー７の上方には、対物レンズ３１を共有
するように他の顕微鏡系（図示せず）が配置される。他
の顕微鏡系は、被検体３０を光学的に観察する観察光学
系に加えて、例えば図６に示したエッジ検出系と、例え
ば図７に示した焦点検出系とを備えていると更に好まし
い。

【００１６】ハーフミラー７と集光レンズ５の間には、
被検体３０からの反射光を被検体３０へ向かう光から分
離するハーフミラー６が配置されている。また、ハーフ
ミラー６による反射光の光路に沿って、集光レンズ８と
光位置検出器９が配置されている。光位置検出器９は、
対物レンズ３１の後ろ側焦点位置Ｂと共役な位置に配置
されており、入射光のスポットの重心位置のＸ方向成分
とＹ方向成分に比例したＸ信号とＹ信号を出力する。

【００１７】この光学系において、第二の絞り４は、被
検体３０面と共役な位置に配置され、第一の絞り３は、
光検出器９と異なる対物レンズ３１の後ろ側焦点位置Ｂ
と共役な位置に配置されている。

【００１８】さらに、測定顕微鏡装置は、被検体３０を
載せる十字動ステージ５５、十字動ステージ５５の移動
ステージに設けられたスケール１８、スケール１８の目
盛りを読み取るカウンター１９を有している。

【００１９】測定顕微鏡の信号処理系は、光位置検出器
９からのＸ信号を増幅するアンプ１０、アンプ１０の出
力をＡＤ変換するＡＤ変換器１１、比較手段１２を有し
ており、比較手段１２は、アンプ１０の出力の絶対値を
求める絶対値変換器１２ａと、絶対値変換器１２ａの出
力を基準値と比較する比較器１２ｂとで構成される。さ
らに、光位置検出器９からのＹ信号を増幅するアンプ１
３、アンプ１３の出力をＡＤ変換するＡＤ変換器１４、
比較手段１５を有しており、比較手段１５は、アンプ１
３の出力の絶対値を求める絶対値変換器１５ａと、絶対
値変換器１５ａの出力を基準値と比較する比較器１５ｂ
とで構成される。

【００２０】信号処理系は、さらに、ＡＤ変換器１１、
比較手段１２、ＡＤ変換器１４、比較手段１５、カウン
ター１９からの信号を処理する演算装置１６、演算装置
１６の処理結果を表示する表示装置１７を有している。

【００２１】光源１から射出された光は、集光レンズ２
により集光され、第一の絞り３に結像する。第一の絞り
３を通過した光は、第二の絞り４によってその径が制限
された後、集光レンズ５により集光され、ハーフミラー
６を透過し、対物レンズ３１の後ろ側焦点位置Ｂに結像
し、その後、ハーフミラー７で反射され、対物レンズ３
１により集光され、被検体３０に照射される。

【００２２】第一の絞り３は、対物レンズ３１の後ろ側
焦点位置Ｂと共役な位置にあり、第二の絞り４は、被検
体３０面と共役な位置にあるため、対物レンズ３１の後
ろ側焦点面におけるビーム径が第一の絞り３によって決
まり、被検体面におけるスポット径が第二の絞り４によ
って決まる。

【００２３】従って、被検体３０は第一の絞り３によっ
て決められる対物レンズ３１の開口数を満たさない光で
第二の絞り４によって決まる微小領域が照明される。

【００２４】被検体３０からの反射光は、対物レンズ３
１に入射し、ハーフミラー７で反射された後、続いてハ
ーフミラー６で反射され、集光レンズ８により集光さ
れ、対物レンズ３１の後ろ側焦点位置Ｂと共役な位置に
ある光位置検出器９に入射する。

【００２５】このように、光位置検出器９が対物レンズ
３１の後ろ側焦点位置Ｂが対物レンズ３１の後ろ側焦点
位置Ｂと共役な位置に配置されることで、被検体３０の
表面粗さ等が減少し、傾きの検出が安定し、精度良く行
なえる。

【００２６】被検体３０が照明領域において傾きθをも
つと、反射光は入射光に対して２θの傾きをもち、対物
レンズ３１の後ろ側焦点面上において、入射光に対して
対物レンズ３１の焦点距離をｆ_obとすると、光軸に対し
てｆ_ob・ｓｉｎ２θの横ずれとなる。さらに、対物レン
ズ３１の後ろ側焦点と共役な光位置検出器９の受光面上
では、集光レンズ８による横倍率をβとすると、β・ｆ
_ob・ｓｉｎ２θの移動となる。

【００２７】従って、光位置検出器９が出力するＸ信号
とＹ信号は、上式による被検体３０面の傾きのＸ方向成
分とＹ方向成分をそれぞれ示すものとなる。これによ
り、被検体３０の光照射領域部分の傾きを一度の測定動
作により測定することができる。また、この測定結果
は、複数点の高さに基づいて求めた平均的な傾きではな
く、光照射領域部分の傾きそのものであるので、その精
度は高いものとなる。しかも、光照射域は第二の絞り４
によって決まる非常に狭い領域に限られることから、被
検体３０が、例えば、リードフレームのような非常に小
さい測定対象の場合にも測定できる。また、傾きが場所
によって細かく変動する場合にも、その傾きの変動をと
られることができる。

【００２８】また、エッジ部に丸みを持つ被検体３０に
対して、平坦部の長さを測定する際は、十字動ステージ
５５により被検体３０を移動させながら、比較手段１２
と１５により、光位置検出器９の出力を所定のしきい値
と比較する。図２に示すように、丸みを持つエッジ部で
はその傾きは徐々に大きくなるので、光位置検出器９の
出力は平坦部を通過した直後にしきい値を越える。従っ
て、光位置検出器９の出力がしきい値を越えた箇所の間
隔を測定することにより、被検体３０の移動方向に沿っ
た平坦部の長さを求めることができる。光位置検出器９
の出力がしきい値を越える箇所は、被検体３０の両側の
エッジ部に対応して二箇所存在し、その間隔は十字動ス
テージ５５の移動テーブルに設けたスケール１８の目盛
りをカウンター１９で読み取ることにより測定される。

【００２９】＜第二の実施の形態＞次に、第二の実施の
形態について図３と図４を用いて説明する。

【００３０】本実施形態の測定顕微鏡装置は、図１の構
成における被検体３０と共役な位置にある第二の絞り４
が、図３に示すように、可変絞り２０に置き換わった構
成となっている。それ以外の構成は第一の実施の形態
（図１）と同じであり、図３では省略してある。

【００３１】被検体３０の表面に形成される光スポット
の径は、可変絞り２０の開口径を変えることにより自由
に設定できる。従って、可変絞り２０の開口径が小さく
なるほど、被検体面上の光スポットは小さくなり、測定
結果は局所的な値となる。反対に、可変絞り２０の開口
径が大きくなるほど、被検体面上の光スポットは大きく
なり、測定結果は平均的な値となる。

【００３２】平坦部の長さ測定の様に場所によって変化
する被検体３０の表面の傾き変化を高い精度で測定する
という面では、被検体面上の光スポットは小さいほど好
ましいが、被検体３０表面が粗さを有する場合、表面粗
さによる乱反射により光位置検出器９の出力が図４に示
すように被検体３０の表面粗さにも敏感に反応するよう
になるため、被検体面上の光スポットはある程度の大き
さをもっていることが好ましい。

【００３３】このような事態を考慮して、本実施形態の
装置では、測定の種類、必要な測定精度、被検体の表面
粗さ等に応じて、可変絞り２０の開口径を選択する。

【００３４】図４に示すように、光スポット径が小さい
場合には、光位置検出器９の出力が被検体３０の表面粗
さに敏感に反応して変化しているが、光スポット径が大
きい場合には粗さの影響は平均化されエッジ部の丸みに
のみ反応して変化する。従って、被検体３０の有する表
面粗さに対応して、可変絞り２０の開口径を変化させる
ことで、粗さを有する被検体に対しても測定が安定に行
なえることが分かる。

【００３５】＜第三の実施の形態＞第三の実施の形態に
ついて図５を用いて説明する。

【００３６】本実施形態の測定顕微鏡装置は、図５に示
すように、被検体３０へ向かう光路に沿って、レーザー
ダイオード２１、絞り２２、集光レンズ２３、１／４波
長板２５、対物レンズ３１を有している。対物レンズ３
１の上方には、レーザーダイオード２１からの照射光を
被検体３０へ向けて導く波長分割ミラー２６が配置され
ている。波長分割ミラー２６は、レーザーダイオード２
１の射出光の波長域の光だけを反射し、それ以外の波長
域の光は透過する。

【００３７】１／４波長板２５と集光レンズ２３の間に
は、被検体３０からの反射光を被検体３０へ向かう光か
ら分離する偏光ビームスプリッター２４が配置されてい
る。

【００３８】この光学系において、絞り２２は、被検体
３０面と共役な位置に配置され、レーザーダイオード２
１は、対物レンズ３１の後ろ側焦点位置Ｂと共役な位置
に配置されている。

【００３９】他の構成は第一の実施の形態（図１）と同
じである。例えば、光学系に関しては、波長分割ミラー
２６の上方には他の顕微鏡系が配置され、偏光ビームス
プリッター２４による反射光の光路に沿って、集光レン
ズ８と光位置検出器９が配置される。

【００４０】レーザーダイオード２１から射出した光
は、絞り２２を介し、集光レンズ２３により集光され、
偏光ビームスプリッター２４と１／４波長板２５を透過
し、対物レンズ３１の後ろ側焦点位置Ｂに一旦集光し、
波長分割ミラー２６で反射され、対物レンズ３１により
平行光となり、被検体３０に照射される。

【００４１】この光学系では、被検体面上のスポット径
すなわち平行光のビーム径は絞り２２の径により決ま
る。また、レーザーダイオード２１は、対物レンズ３１
の後ろ側焦点位置Ｂと共役な位置にあり、その発光部が
非常に小さいことにより、光源であると同時に第一の実
施の形態における第一の絞り３と同じ機能も果たしてい
る。

【００４２】被検体３０からの反射光は、対物レンズ３
１に入射し、波長分割ミラー２６で反射され、１／４波
長板２５を透過した後、今度は偏光ビームスプリッター
２４で反射され、集光レンズ８により集光され、第一の
実施の形態と同様に、光位置検出器９（図１参照）に入
射する。

【００４３】本実施形態における信号処理は、第一の実
施の形態と全く同様に行なわれる。

【００４４】本実施形態の測定顕微鏡装置では、傾きを
測定するための光学系が波長分割ミラー２６により他の
顕微鏡系と光学的に分離されているので、他の顕微鏡系
や他の外乱光の影響を受け難く、従って測定が安定に高
い精度で行なえる。

【００４５】また、照射光と反射光の分離が偏光ビーム
スプリッター２４によって行なわれているので、大きい
Ｓ／Ｎが得られ、従って測定が安定に高い精度で行なえ
る。

【００４６】以上、いくつかの実施の形態の具体例をあ
げて説明したが、本発明は前述の具体例に何ら限定され
るものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲内におい
て、様々な変形が可能である。

【００４７】例えば、図１の構成では、照射光を集光す
る集光レンズ５と反射光を集光する集光レンズ８を別々
に設けているが、集光レンズ５と集光レンズ８を省き、
その代わりに別の集光レンズを対物レンズ３１の後ろ側
焦点位置とハーフミラー６の間に配置してもよい。この
場合、新たに配置した別の集光レンズが、集光レンズ５
と集光レンズ８の両方の働きをする。

【００４８】

【発明の効果】本発明では、光位置検出手段に対するビ
ームの入射位置を調べることにより被検体の傾きが分か
り、光検出手段の出力を所定のしきい値と比較すること
により平坦部の幅が分かり、しかも、そのために必要な
光照射は一回でよい。従って、被検体の傾きや平坦部の
幅を短時間で測定できる測定顕微鏡装置が実現される。

【図面の簡単な説明】

【図１】第一の実施の形態の測定顕微鏡装置の構成を示
す図である。

【図２】図１において、光位置検出器の出力と被検体の
形状との関係を示す図である。

【図３】第二の実施の形態の測定顕微鏡装置の構成を部
分的に示す図である。

【図４】図３において、光位置検出器の出力と被検体の
形状との関係を示す図である。

【図５】第三の実施の形態の測定顕微鏡装置の構成を部
分的に示す図である。

【図６】従来の測定顕微鏡装置において幅測定手段とし
て知られているエッジ検出系の構成を示す図である。

【図７】従来の測定顕微鏡装置において高さ測定手段と
して知られている焦点検出系の構成を示す図である。

【図８】被検体の一例であるリードフレームの全体を示
す図である。

【図９】リードが傾いている様子を示す図である。

【図１０】丸みを持ったリードの断面形状を示す図であ
る。

【符号の説明】

１…光源、２…集光レンズ、３…第一の絞り、４…第二
の絞り、５…集光レンズ、６…ハーフミラー、７…ハー
フミラー、８…集光レンズ、９…光位置検出器、３０…
被検体、３１…対物レンズ。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被検体が載置される十字動載物台と、 前記被検体を照明する照明光学系と、 前記照明光学系により照明される前記被検体を拡大観察
   する少なくとも対物レンズを含む拡大観察光学系と、を
   有する半導体部品等の電子部品の検査に用いられる測定
   顕微鏡装置において、 前記拡大観察光学系の対物レンズ像側に配置された光分
   割手段と、 以下のＡ）〜Ｄ）の構成を含む測定光出射手段と、 Ａ）前記被検体に検査用照明光を照射するための光源
   と、 Ｂ）前記光源からの照明光を前記対物レンズ及び前記光
   分割手段を介して前記被検体へ導く結像光学系と、 Ｃ）前記対物レンズの後ろ側焦点位置と共役な位置に配
   置された第一の絞り手段と、 Ｄ）被検体と共役な位置に配置された第二の絞り手段
   と、 第一の絞り手段とは異なる前記対物レンズの後ろ側焦点
   位置と共役な位置に配置された光位置検出手段と、 前記測定光出射手段により前記被検体へ照射された照明
   光の反射光を前記対物レンズ及び前記光分割手段を介し
   て前記光位置検出手段へ伝搬する伝搬光学系と、 を有することを特徴とする測定顕微鏡装置。
2. 【請求項２】請求項１において、第二の絞り手段は可変
   絞りであることを特徴とする測定顕微鏡装置。
3. 【請求項３】請求項１または請求項２において、 被検体を拡大観察する観察光学系と、 被検体の観察光と前述の測定光（照射光と反射光）とを
   分ける光分割手段とを更に有しており、 光分割手段は、測定光の波長域に合わせた特定の波長域
   の光だけを反射し、それ以外の波長域の光は透過する波
   長分割ミラーであることを特徴とする測定顕微鏡装置。