(57)【要約】【課題】光源と光学系の配置と調整が簡単な形状測定装置を提供する。【解決手段】シリコンを含む半導体材料からなる物１００の形状を測定する形状測定装置１０は、４００ｎｍ〜８００ｎｍの波長を有する可視光１７を出射する光源１５と、９００ｎｍ〜１２００ｎｍの波長を有する近赤外光１８を出射する光源１８と、物に第１の光と第２の光を一つの光軸１９に沿って同一の方向から入射する光学系１４と、２つの光１７，１８に感度を有し、光１７，１８の反射光を受光する撮像素子２２を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコンを含む半導体材料からなる物の形状を測定する形状測定装置であって、
４００ｎｍ〜８００ｎｍの波長を有する第１の光を出射する第１の光源と、
９００ｎｍ〜１２００ｎｍの波長を有する第２の光を出射する第２の光源と、
上記物に上記第１の光と第２の光を一つの光軸に沿って同一の方向から入射する光学系と、
上記第１の光と第２の光に感度を有し、上記第１の光と第２の光の上記物からの反射光を受光する受光部を備えたことを特徴とする形状測定装置。
【請求項２】
上記第１の光が通過する光路上に配置され、上記第１の光の強度を調整する第１の光強度調整部、上記第２の光が通過する光路上に配置され、上記第２の光の強度を調整する第２の光強度調整部、の少なくともいずれか一方を備えたことを特徴とする請求項１の形状測定装置。
【請求項３】
上記第１の光と第２の光が入射される物表面部分の反対側にある物表面部分に対向して上記第２の光を吸収する光吸収部材が配置されていることを特徴とする請求項１または２の形状測定装置。
【請求項４】
シリコンを含む半導体材料からなる物の形状を測定する形状測定方法であって、
４００ｎｍ〜８００ｎｍの波長を有する第１の光を出射し、
９００ｎｍ〜１２００ｎｍの波長を有する第２の光を出射し、
上記物に上記第１の光と第２の光を一つの光軸に沿って同一の方向から入射し、
上記第１の光と第２の光に感度を有する受光部で、上記第１の光と第２の光の上記物からの反射光を受光することを特徴とする形状測定方法。
【請求項５】
物の形状を計測する形状測定装置であって、
上記物に対して不透過性を有する第１の波長の第１の光を出射する第１の光源と、
上記物に対して透過性を有し且つ上記第１の波長と異なる波長の第２の波長を有する第２の光を出射する第２の光源と、
上記物に対して上記第１の光源と第２の光源から出射された第１の光と第２の光を同一方向から入射する光学系と、
上記第１の光と第２の光に感度を有し、上記物と雰囲気との境界で反射した第１の反射光と第２の反射光を受光する受光部を備えたことを特徴とする形状測定装置。
【請求項６】
物の形状を計測する形状測定方法であって、
上記物に対して不透過性を有する第１の波長の第１の光を出射し、
上記物に対して透過性を有し且つ上記第１の波長と異なる波長の第２の波長を有する第２の光を出射し、
上記物に対して上記第１の光と第２の光を同一方向から入射し、
上記物と雰囲気との境界で反射した第１の反射光と第２の反射光を受光することを特徴とする形状測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物の形状を測定する方法と装置に関する。特に、本発明は、部分的に異なる厚みを有する物又はデバイス、または薄肉化された部分を有する物又はデバイスの形状を光学的に測定することに好適に利用できる装置と方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、物の形状を測定する装置の一つとして、特許文献１に記載の装置（半導体部品の検査装置）がある。この装置は、半導体部品の表面に照明された光（白色光）の反射光と半導体部品の他方の裏面に照明された光（赤色光）の透過光を、半導体部品の表面側に配置されたＣＣＤセンサで検出し、このＣＣＤセンサで検出された画像から半導体部品のガラス割れやシリコン割れを検出するものである。
【特許文献１】特許第３５０６１７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、特許文献１に開示された装置では、２つの光を出射する光源及びそれらの光学系が半導体部品の上方と下方に配置されており、そのために装置全体の設計が複雑になるという問題がある。また、光学系を調整する場合、半導体部品の上下にそれぞれ配置された光学系を調整しなければならず、調整作業が繁雑になるという問題がある。さらに、半導体部品の裏面に赤色光を透過しない金属膜が存在する場合、割れを含む形状を正しく検出できないという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
このような問題を解決するため、本発明は、シリコンを含む半導体材料からなる物の形状を測定する形状測定装置に、４００ｎｍ〜８００ｎｍの波長を有する第１の光を出射する第１の光源と、９００ｎｍ〜１２００ｎｍの波長を有する第２の光を出射する第２の光源と、上記物に上記第１の光と第２の光を一つの光軸に沿って同一の方向から入射する光学系と、上記第１の光と第２の光に感度を有し、上記第１の光と第２の光の上記物からの反射光を受光する受光部を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００５】
このような構成を備えた形状測定装置によれば、２つ光が同一方向から物の表面に入射されるため、光源と光学系の配置と調整が簡単である。また、物の裏面（光が入射される面の反対側にある面）に光を透過しない金属膜があっても、この金属膜に覆われた部分の形状を正しく測定できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施形態を説明する。なお、以下の説明では、必要に応じて、特定の方向を示す用語「上」、「下」、「左」、「右」及びそれらの用語を含む別の用語を使用するが、それは図面を参照した発明の理解を容易にするためであって、それらの用語によって発明の技術的範囲が限定されるものではない。
【実施形態１】
【０００７】
図１は、本発明に係る形状測定装置の概略構成を示す。形状測定装置１０による形状測定の対象物は限定的ではないが、実施形態１及び後に説明する他の実施形態では、薄肉部分を有する半導体装置を対象物として扱う。具体的に、図１には、対象物として、圧力に応じて変形可能な薄肉部分のダイヤフラム備えた圧力センサ１００が示してある。図２に示すように、センサ１００は、中心軸１０１を囲む筒部１０２と、筒部１０２の一端を閉鎖する薄肉のダイヤフラム１０３を有する。ダイヤフラム１０３の厚さは、筒部１０２の内部と外部との圧力差に応じて中心軸１０１の方向変形できるように決められている。筒部１０２とダイヤフラム１０３は、シリコンからなる基材、例えば、単結晶シリコン基板、多結晶シリコン基板、ＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレータ）基板から選択された適当な基板をその一方の表面（下面）からエッチング加工して形成される。図２に示すように、センサ１００の上面には電気配線（トレース配線）１０４が形成されている。配線１０４の材料には、例えばアルミニウムの導電性金属が使用される。
【０００８】
図１を再び参照すると、形状測定装置１０は、図示するように、中心軸１０１を上下方向に向けた状態でセンサ１００を支持する基台１１を有する。水平面に沿って直交する２方向（Ｘ，Ｙ方向）と上下方向（Ｚ方向）にセンサ１００の位置を調整する駆動機構１２を基台１１に連結してもよい。
【０００９】
形状測定装置１０は、基台１１に支持されたセンサ１００を照明するために、基台１１の上方に配置された光源ユニット１３と光学系１４を有する。光源ユニット１３は、第１の光源１５と第２の光源１６を有する。第１の光源１５は、約４００ｎｍ〜約８００ｎｍの波長を有する第１の光の可視光１７を出射する。第２の光源１６は、約９００ｎｍ〜約１２００ｎｍの波長を有する第２の光の近赤外光１８を出射する。第１の光源１５と第２の光源１６は、それぞれの光源から出射された可視光１７と近赤外光１８が同一の光軸１９に沿って移動するように調整されている。なお、図１では、可視光１７と近赤外光１８を区別して認識できるように、それらは光軸１９からオフセットして表されている。実施形態１において、光学系１４はビームスプリッタ２０を有する。ビームスプリッタ２０は、光源１５，１６から出射された可視光１７と近赤外光１８の進行方向、すなわち光軸１９を垂直下方に変えて、図示するように基台１１に支持されているセンサ１００をその上方から照明するように配置されている。実施形態の光学系１４は、ビームスプリッタ２０と基台１１の間に配置されたレンズ２１を有する。レンズ２１は、一枚のレンズで構成してもよいし、複数のレンズを組み合わせた組レンズであってもよい。
【００１０】
形状測定装置１０はまた、ビームスプリッタ２０の上方に、電荷撮像素子（ＣＣＤ）からなる撮像素子２２を有する。実施形態では、撮像素子２２は、この撮像素子２２で撮像された画像を解析処理する画像処理装置２３に接続されている。また、画像処理装置２３は液晶表示装置などの画像表示装置２４に接続されている。
【００１１】
以上の構成を備えた形状測定装置１０の動作を説明する。形状測定の対象物であるセンサ１００は、中心軸１０１を上下方向に向けるとともに、ダイヤフラム１０３を上部に位置させた状態で、基台１１の上に設置される。このとき、センサ１００の全体が照明されるように、センサ１００の中心軸１０１を形状測定装置１０の光軸１９にほぼ一致させることが好ましい。
【００１２】
この状態で、光源ユニット１３の光源１５，１６を起動し、可視光１７と近赤外光１８を出射する。光源１５，１６から出射された可視光１７と近赤外光１８は光軸１９に沿ってビームスプリッタ２０に入射する。ビームスプリッタ２０は、可視光１７と近赤外光１８の光軸を垂直方向に偏向し、レンズ２１を介してセンサ１００に入射する。
【００１３】
図２に示すように、センサ１００に入射された可視光１７は、センサ１００を透過せず、センサ上面（雰囲気との境界面）１０５で反射し、その反射光１７’が光軸１９を上方に向けて進行する。他方、センサ１００に入射された近赤外光１８は、一部がセンサ上面１０５で反射して反射光１８’となり、残りはセンサ１００の内部に進入する。センサ１００の内部に進入した近赤外光１８は、その一部がセンサ内面（ダイヤフラム内面）１０６（雰囲気との境界面）で反射して反射光１８''となり、上方に向けて進行する。センサ内面１０６を通過した残りの近赤外光１８'''はセンサ１００を透過する。そして、センサ１００の上面１０５で反射した可視光１７’と、センサ１００の上面１０５で反射した近赤外光１８’及びセンサ内面１０６で反射した近赤外光１８''は、光軸１９に沿い、レンズ２１とビームスプリッタ２０を順に透過して、撮像素子２２で受光される。筒部１０２に進入した近赤外光１８は、センサ下面（筒部下面）でその一部が反射してセンサ上方に戻るかもしれないが、筒部１０２の厚み（上下方向の高さ）はダイヤフラム１０３に比べて相当大きいことから、筒部１０２の内部を進行する間に減衰し、たとえ一部の近赤外光１８がセンサ上面１０５を通過して上方に戻ることがあっても、撮像素子２２で受光される光量は相当小さいものと考えられる。
【００１４】
図１に戻り、撮像素子２２は、可視光１７と近赤外光１８を合成して得られる像を画像処理装置２３に送信する。画像処理装置２３は、内蔵されている画像処理プログラムを利用し画像を処理し、その処理した画像を必要に応じて画像表示装置２４に出力して該画像表示装置２４に表示する。画像表示装置２４に表示された画像の一例を図３に示す。なお、画像表示装置２４に表示された画像が不鮮明である場合、駆動機構１２を操作して、表示される画像を鮮明にすることができる。
【００１５】
図３に示す画像２００において、中央に表れた低濃度の四角形領域２０１がダイヤフラム１０３の平面形状を示し、四角形領域２０１の周囲に表れた高濃度の周辺領域２０２が筒部１０２を示す。また、周辺領域２０２に表れた濃淡混合領域２０３がセンサ上面１０５に形成された電気配線１０４を示す。この図に示すように、画像２００上、センサ１００の筒部１０２とダイヤフラム１０３、および電気配線１０４は、明らかに異なる濃度をもって表示される。その理由の一つは、上述のように、可視光１７はその全部又は殆どがセンサ上面１０５で反射されること、また、近赤外光１８はその一部がセンサ１００の上面１０５および内面１０６で反射して撮像素子で受光されるが残りはセンサ１００を透過して撮像素子２２に受光されないこと、さらに、センサ１００の内部に進入した近赤外光は透過するセンサ部分の厚みに応じて減衰すること、そして、結果的に撮像素子２２で受光されるダイヤフラム像と筒部像の光量が異なることにあると考えられる。また、金属配線１０４は、可視光１７は勿論、近赤外光１８も透過し得ないことから、ダイヤフラム１０３や筒部１０２とは異なった濃度をもって表示される。
【００１６】
したがって、図３に示す画像を評価することによって、センサ１００におけるダイヤフラム１０３や電気配線１０４が適正な形状を有するか否か判断できる。なお、ダイヤフラム１０３が目的の厚みを有するときに撮像された画像の濃度（基準濃度）を画像表示装置２４に表示することで、この基準濃度と実際に撮像されたダイヤフラム像の濃度を比較して、ダイヤフラム１０３が目的の厚みを有するか否か判断することも可能である。
【００１７】
なお、赤外光には、近赤外光、中赤外光、熱赤外光が含まれるが、中赤外光や熱赤外光を使用した場合、測定対象物の温度に関する情報が撮像素子の受光する像に含まれること、また撮像素子はそれら中赤外光や熱赤外光の波長帯域に感度を持たないことから、本発明では中赤外光や熱赤外光の使用は適当ではないと考えられる。
【００１８】
また、センサ１００は図１に示す形態に限定されるものでなく、例えば、図４に示すように、筒部１０２の肉厚が下方に向かって次第に厚くなる形態のセンサ１１０や、筒部１０２の下面に金属膜１０７が形成されている形態のセンサ１２０も、本発明の形状測定装置の測定対象に含まれる。
【００１９】
このように、従来の形状測定装置では測定対象の上下にそれぞれ光源と光学系を配置しているため、装置全体の構成が大きくなり、また複雑になるという問題があったが、上述の形状測定装置では測定対象の片側（上方）にのみ光源と光学系が配置できるので、装置を簡単かつ小型にできる。また、従来の形状測定装置では透過光として赤色光を用いているが、例えば対象がシリコンからなる物の場合、その薄肉部が相当薄くなければ赤色光は該部分を透過できず、そのために撮像した画像から形状を正確に認識できない。これに対し、上述の形状測定装置では、シリコンを透過する近赤外光を使用しているので、薄肉部が相当薄くなくても、該薄肉部の形状を他の部分の形状とは明らかに異なる態様で表示した画像を得ることができる。
【実施形態２】
【００２０】
図６は、実施形態２の形状測定装置１０’を示す。図示するように、実施形態２の形状測定装置１０’は、光源ユニット１３とビームスプリッタ２０にフィルタユニット３０を備えている。フィルタユニット３０は、第１の光である可視光１７の光量を調整する第１のフィルタ３１と、第２の光である近赤外光１８の光量を調整する第２のフィルタ３２と、これら第１のフィルタ３１と第２のフィルタ３２をそれらが光軸１９を横切る位置（図示する位置）に着脱可能に保持するフィルタホルダ３３を有する。
【００２１】
このような構成を備えた実施形態２の形状測定装置１０’によれば、可視光１７と近赤外光１８の強度を別々に制御し、薄肉部分と厚肉部分（例えば、ダイヤフラム１０３と筒部１０２、または欠陥部と無欠陥部、もしくは溝部とそれ以外の部分）から得られる反射光の光量に大きな差をつけ、その結果、画像表示装置２４に表示される薄肉部分と厚肉部分の画像を明らかに異なる濃度をもって表示できる。
【００２２】
フィルタに要求される性能は測定対象によって異なるが、例えば、図示するダイヤフラム付センサであって、ダイヤフラムが約１０μｍの厚みを有すると共に該ダイヤフラムの上面にアルミニウムの電極（配線）が形成されている場合、フィルタを透過してセンサに入射される可視光と近赤外光の光強度の比率（近赤外光の光強度／可視光の光強度）が約０．８〜０．９となるようにそれぞれのフィルタが選択される。
【００２３】
なお、実施形態２では、フィルタユニット３０は光源ユニット１３とビームスプリッタ２０の間に配置されているが、ビームスプリッタ２０とレンズ２１の間、レンズ２１と基台１１の間、またはビームスプリッタ２０と撮像素子２２の間の任意の位置に配置することができる。また、実施形態２では、フィルタユニット３０に２つのフィルタ３１，３２を備えているが、第１のフィルタ３１を収容する第１のフィルタユニットと第２のフィルタ３２を収容する第２のフィルタユニットをそれぞれ異なる場所に設置してもよい。
【００２４】
また、実施形態２では、フィルタユニット３０は光源ユニット１３から独立したユニットとして示してあるが、光源ユニット１３に一体的に組み入れてもよい。
【実施形態３】
【００２５】
図７は、実施形態３の形状測定装置１０''を示す。図示するように、実施形態３の形状測定装置１０''は、基台１１の表面に、第２の光の近赤外光１８を吸収する材料からなるシート状の光吸収部材４０が配置されており、その上に測定対象が支持されるようにしてある。近赤外光１８を吸収する材料としては、例えば、表面にカーボンブラックを塗布したシート又は板が使用できる。
【００２６】
このように構成された実施形態３の形状測定装置１０''によれば、測定対象を透過した近赤外光１８は光吸収部材４０に吸収され、それが反射光となって撮像素子２２に検出されることがないので、薄肉部分と厚肉部分（例えば、ダイヤフラム１０３と筒部１０２、または欠陥部と無欠陥部、もしくは溝部とそれ以外の部分）から得られる反射光の光量に大きな差をつけ、その結果、画像表示装置２４に表示される薄肉部分と厚肉部分の画像を明らかに異なる濃度をもって表示できる。
【００２７】
なお、上述した複数の実施形態では、ビームスプリッタ２０と基台１１の間にレンズ２１を設けているが、レンズ２１は必ずしも必要ではない。ただし、対象物の一部領域の形状を詳細に観察する場合、その領域に光を収束させるためにレンズは有効である。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明に係る形状測定装置の構成を示す図。
【図２】本発明の形状測定装置で形状を測定する圧力センサの断面図。
【図３】本発明の形状測定装置で圧力センサの形状を測定した結果の画像を示す図。
【図４】測定対象物の他の形態を示す断面図。
【図５】測定対象物の他の形態を示す断面図。
【図６】実施形態２に係る形状測定装置の構成を示す図。
【図７】実施形態３に係る形状測定装置の構成を示す図。
【符号の説明】
【００２９】
１０、１０’、１０''：形状測定装置、１１：基台、１２：駆動機構、１３：光源ユニット、１４：光学系、１５：第１の光源、１６：第２の光源、１７：可視光（第１の光）、１８：近赤外光（第２の光）、１９：光軸、２０：ビームスプリッタ、２１：レンズ、２２：撮像素子、２３：画像処理装置、２４：画像表示装置、３０：フィルタユニット、３１：第１のフィルタ、３２：第２のフィルタ、４０：光吸収部材、１００：圧力センサ、１０１：中心軸、１０２：筒部、１０３：ダイヤフラム、１０４：電気配線、１０５：センサ上面、１０６：センサ内面、２００：画像。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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