(57)【要約】【課題】装置全体をコンパクトにしたスキャン測定検査装置を提供する。【解決手段】光源４と、光源４から出射した光線が通過する共焦点ピンホール８ａを有する共焦点ディスク８と、共焦点ピンホール８ａより被検物１３側に位置し、共焦点ピンホール８ａの像を被検物１３に結像する第１の結像光学系７と、撮像素子１１と、被検物１３で反射した共焦点ピンホール８ａの反射像が第１の結像光学系７により共焦点ディスク８上に結像されて共焦点ピンホール８ａを通過し、共焦点ピンホール８ａより撮像素子１１側に位置し、共焦点ピンホール８ａを通過した反射像を撮像素子１１の撮像面Ｉに結像する第２の結像光学系１０とを有するようにスキャン測定検査装置１を構成する。そしてこのスキャン測定検査装置１において、第１の結像光学系７の開口数をＮＡ１とし、第２の結像光学系１０の開口数をＮＡ２としたとき、次式ＮＡ２  ＜  ＮＡ１を満足するように各部材の諸元が設定される。【選択図】  図１
2004325589.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
前記光源から出射した光線が通過する共焦点ピンホールを有する共焦点ディスクと、
前記共焦点ピンホールより前記物体側に位置し、前記共焦点ピンホールの像を前記物体に結像する第１の結像光学系と、
撮像素子と、
前記物体で反射した前記共焦点ピンホールの反射像が前記第１の結像光学系により前記共焦点ディスク上に結像されて前記共焦点ピンホールを通過し、前記共焦点ピンホールより前記撮像素子側に位置し、前記共焦点ピンホールを通過した前記反射像を前記撮像素子の撮像面に結像する第２の結像光学系とからなるスキャン測定検査装置において、
前記第１の結像光学系の開口数をＮＡ１とし、前記第２の結像光学系の開口数をＮＡ２としたとき、次式
ＮＡ２  ＜  ＮＡ１
を満足することを特徴するスキャン測定検査装置。
【請求項２】
前記共焦点ピンホールの径が、前記第１の結像光学系により前記共焦点ディスク上に形成されるエアリーディスク径と略同一大きさか若しくは前記エアリーディスク径より小さいことを特徴とする請求項１に記載のスキャン測定検査装置。
【請求項３】
前記第２の結像光学系が、変倍光学系を有するように構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のスキャン測定検査装置。
【請求項４】
前記第１の結像光学系が、物体側テレセントリックであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のスキャン測定検査装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高精度広視野を有して物体の高さを測定するスキャン測定検査装置に関し、特に光によるスキャニングを伴うスキャン測定検査装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスの高集積化に伴い、その回路パターンは微細化しており、高性能な検査装置が求められている。例えば、バンプ電極の形状及び高さを正確に測定する必要があり、このような測定に対しては共焦点方式の高さ測定装置が用いられている。この共焦点方式の高さ測定装置とは、照明光を共焦点ピンホールによりスポット光にして被検物（例えば、バンプ電極）に照射し、このスポット光の反射像を共焦点ピンホールを通過させて撮像素子で検出するものであり、セクショニング効果により被検物の高さを高精度に得ることができる（例えば、特許文献１参照）。この場合、共焦点ピンホールよりも物体側に位置する光学系で集められた信号（光線）の全てを撮像素子にリレーするために、共焦点ピンホールに対して物体側と撮像素子側にそれぞれ位置する光学系は、略同一大きさの開口数を有するように構成されている。
【０００３】
【特許文献１】
国際公開第ＷＯ０２／２３２４８号パンフレット
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、開口数の増大につながる高精度の高さスキャンと、視野範囲の増大につながるスループット向上を実現することは、ともに光学系の巨大化を招き、スキャン測定検査装置が大型化してしまうという課題があった。
【０００５】
本発明はこのような課題に鑑みなされたものであり、共焦点ピンホールより撮像素子側の光学系（第２の結像光学系）の開口数を、共焦点ピンホールより物体側の光学系（第１の結像光学系）の開口数より小さくすることにより、共焦点ピンホールより撮像素子側の光学系をコンパクトにすることができ、もって装置全体をコンパクトにしたスキャン測定検査装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明に係るスキャン測定検査装置は、光源と、光源から出射した光線が通過する共焦点ピンホールを有する共焦点ディスクと、共焦点ピンホールより物体（例えば、実施形態における被検物１３）側に位置し、共焦点ピンホールの像を物体に結像する第１の結像光学系と、撮像素子と、物体で反射した共焦点ピンホールの反射像が第１の結像光学系により共焦点ディスク上に結像されて共焦点ピンホールを通過し、共焦点ピンホールより撮像素子側に位置し、共焦点ピンホールを通過した反射像を撮像素子の撮像面に結像する第２の結像光学系とから構成される。そしてこのスキャン測定検査装置は、第１の結像光学系の開口数をＮＡ１とし、第２の結像光学系の開口数をＮＡ２としたとき、次式
ＮＡ２  ＜  ＮＡ１
を満足するように構成される。
【０００７】
なお、このスキャン測定検査装置において、共焦点ピンホールの径が、第１の結像光学系により共焦点ディスク上に形成されるエアリーディスク径と略同一大きさか若しくはこのエアリーディスク径よりも小さいように構成されることが好ましい。
【０００８】
また、第２の結像光学系が、変倍光学系を有するように構成されることが好ましい。
【０００９】
さらに、第１の結像光学系が、物体側テレセントリックとなるように構成されることが好ましい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。図１に示すとおり本発明に係るスキャン測定検査装置１は、照明光学系２と測定光学系３及びその他の計測制御装置とから構成されている。照明光学系２は、測定光学系３の側方に位置し、その光軸上に順に、光源４、コレクタレンズ５及び照明用ハーフプリズム６が配設されて構成されている。一方、測定光学系３は、その光軸上に順に、対物レンズからなる第１の結像光学系７と、共焦点ディスク８と、照明用ハーフプリズム６と、リレーレンズからなる第２の結像光学系１０及び撮像素子１１が配設されて構成されている。また、被検物１３はステージ１２に載置されて、測定光学系３における第１の結像光学系７の下方に配置されている。
【００１１】
光源４から出射した照明光はコレクタレンズ５で平行光に変換され、照明用ハーフプリズム６に照射される。照明用ハーフプリズム６は、約半分の光を透過し、残りの光を反射するものであり、測定光学系３の光軸方向に照明光を下方に反射する。そして、照明用ハーフプリズム６で反射された照明光は、共焦点ディスク８の上面に照射される。
【００１２】
共焦点ディスク８は、薄い円板状に形成されており、板厚方向に貫通する共焦点ピンホール８ａが螺旋状に多数形成され（このような構成の共焦点ディスク８はニッポウディスクとも呼ばれる）、測定光学系３を通過する光線（照明光等）を遮るように、測定光学系３の光軸に対して直交するように配置されている。この共焦点ディスク８は、モータ９により所定の回転速度で回転されており、この共焦点ピンホール８ａを通過した照明光は、第１の結像光学系７によりステージ１２に載置された被検物１３に共焦点ピンホール８ａの像として集光されて照射される。なお、図１においては、２つの共焦点ピンホール８ａを図示している。
【００１３】
被検物１３に集光照射された共焦点ピンホール８ａの像は、被検物１３の表面（以下、「物体面Ｏ」と呼ぶ）で反射されて、再び第１の結像光学系７に入射し、この第１の結像光学系７で集光されて共焦点ディスク８上に反射像として結像し、さらに、共焦点ピンホール８ａを通過する。そして、照明用ハーフプリズム６を透過した後、第２の結像光学系１０で再度結像されて撮像素子１１の撮像面Ｉに共焦点ピンホール８ａの反射像が結像する。この撮像素子１１で検出された信号は、処理装置１５に渡される。
【００１４】
このように、共焦点ピンホール８ａが形成された共焦点ディスク８をモータ９により所定の速度で高速回転させることにより、この共焦点ピンホール８ａを通過した照明光がスポット光として被検物１３の物体面Ｏをスキャンすることになり、この共焦点ピンホール８ａ（スポット光）の反射像を撮像素子１１で検出して処理装置１３で処理して、被検物１３の高さ情報を得ることができる。
【００１５】
撮像素子１１の撮像面Ｉに結像される共焦点ピンホール８ａ（スポット光）の反射像は、第１の結像光学系７の焦点面が物体面Ｏに一致しているときだけ明るく写り、物体面Ｏが光軸方向に焦点面からずれているときは暗く写る。そのため、本発明に係るスキャン検査装置１では、被検物１３を光軸方向に移動させて反射像の光の強度変化を撮像素子１１で取得して高さ情報を求めるように構成されている。以下に、具体的な方法について説明する。
【００１６】
被検物１３が載置されたステージ１２はステージ駆動部１４により測定光学系３の光軸に沿って上下に移動可能なように構成されている。そのため、このステージ１２を第１の結像光学系７の焦点面付近で上下動させると、ステージ１２の光軸方向位置Ｚと撮像素子１１で検出される反射像の光の強度Ｉとの関係は、図２に示すように、第１の結像光学系７の焦点面と被検物１３の物体面Ｏとが一致する位置Ｚ０において光の強度Ｉが最も大きくなるような分布を示す（以降、光の強度Ｉの最大値を「ＩＺピーク値」と呼ぶ）。よって、処理装置１５でステージ駆動部１４を制御してステージ１２を光軸方向に移動させて、撮像素子１１で検出された信号のＩＺピーク値を求めることにより、そのときのステージ１２の光軸方向位置Ｚ（Ｚ０）から被検物９の高さ情報を得ることができる。このとき、第１の結像光学系７を物体側テレセントリックとすることにより、ステージ１２が移動してデフォーカスされても第１の結像光学系７による倍率変動がないため、同一倍率で反射像を測定することができ、測定精度に影響を与えることがない。
【００１７】
なお、上述の様に共焦点ディスク８を所定の速度で回転させて被検物１３をスキャンしているため、被検物１３（物体面Ｏ）上の多数のポイントに対する高さ情報を同時に測定することができる。このとき、物体面Ｏ上の測定範囲は、撮像素子１１の撮像面Ｉの撮像視野に対応し、被検物１３の高さ情報の測定範囲は、ステージ１２の光軸方向移動範囲に対応する。また、物体面Ｏが測定光学系３の光軸に対して傾きがあると、この物体面Ｏで反射した反射光（共焦点ピンホール８ａの反射像）が第１の結像光学系７に入射せず測定できない。そのため、高さ情報の測定可能な物体面Ｏの傾きの範囲は、第１の結像光学系７の開口数により決定される。
【００１８】
ところで、本発明に係るスキャン測定検査装置１において、第１の結像レンズ７の共焦点ディスク８上に形成されるエアリーディスク径に対して、共焦点ピンホール８ａの径は、このエアリーディスク径と略同一大きさか、若しくは、それより小さく形成されている。そのため、この共焦点ピンホール８ａを通過した光線（共焦点ピンホール８ａの反射像）は、あたかもこの共焦点ピンホール８ａで２次光源化したかのように振る舞う。このため、以下に示す条件式（１）のように、第１の結像光学系７の開口数ＮＡ１に対して、第２の結像光学系１０の開口数ＮＡ２を小さくしても、高さ測定における分解能及び測定可能な物体面Ｏの傾きの範囲に影響を与えない。
【００１９】
【数１】
ＮＡ２  ＜  ＮＡ１                      （１）
【００２０】
このように、第１の結像光学系７のエアリーディスク径と共焦点ピンホール８ａの径を略同一大きさにするか、それより小さくすることにより、第１の結像光学系７よりも第２の結像光学系８の開口数を小さくすることができるため、従来と同等の性能で高さ情報の測定を可能としたまま、第２の結像光学系８を小型化することができる。そのため、スキャン測定検査装置１を全体的に小型化することが可能となる。
【００２１】
なお、図３に示すように、第２の結像光学系１０に変倍光学系１６を有するように構成すると、スキャン測定検査装置１における高さ情報の測定精度範囲を広げることができる。この変倍光学系１６は、複数のレンズを組み合わせて、そのレンズの光軸上の位置を調整することにより、連続的に倍率を変更可能なように構成することも可能であるし、また、倍率の異なる複数のレンズをターレットにより交換可能として構成することも可能である。いずれの場合も、変倍光学系１６をこのスキャン測定検査装置１に組み込むと、装置全体の大型化を招くが、上述のように、本発明に係るスキャン測定検査装置１においては、第２の結像光学系１０の開口数ＮＡ２が第１の結像光学系７の開口数ＮＡ１に比べて小さくすることができるため、この変倍光学系１６も小型化することができ、スキャン測定検査装置１全体として小型化することが可能である。
【００２２】
【実施例】
以下に、本発明に係るスキャン測定検査装置１の実施例について説明する。このスキャン測定検査装置１の光学系の諸元を下の表１に示す。なお、装置構成は、図１に示すものと同様とし、第１の結像光学系７と第の結像光学系１０の開口数（ＮＡ１，ＮＡ２）は、条件式（１）を満たすように構成する。
【００２３】
【表１】
第１の結像光学系７  の開口数  ：  ＮＡ１＝０．３
第２の結像光学系１０の開口数  ：  ＮＡ２＝０．１
共焦点ピンホール８ａの径      ：  ＣＰ＝  ２．４０μｍ
【００２４】
表１の条件によると、第１の結像光学系７のエアリーディスク径ＡＤは、次の式（２）により求められる。但し、照明光の波長λは、０．６とする。
【００２５】
【数２】
ＡＤ  ＝  １．２２×λ／ＮＡ１  ＝２．４４μｍ      （２）
【００２６】
このような条件によれば、エアリーディスク径ＡＤは共焦点ピンホール８ａの径ＣＰよりも大きくすることができ、表１に示すように第２の結像光学系１０の開口数ＮＡ２が第１の結像光学系７の開口数ＮＡ１よりも小さくても、高さ情報の分解能及び測定可能な傾きの範囲に影響を与えることがない。ただし、第２の結像光学系１０の開口数ＮＡ２が小さくなるため、検出された反射像は暗くなるが、高さ情報の測定（つまり、上述のＩＺピーク値を検出すること）が可能な範囲であれば問題はない。なお、測定可能な明るさを考慮すると、実用上は上記式（１）の条件を満足し、且つ、以下の式（３）に示す条件を満足するように構成されることが好ましい。
【００２７】
【数３】
ＮＡ１／１０  ＜  ＮＡ２                  （３）
【００２８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明に係るスキャン測定検査装置によれば、第１の結像光学系の開口数に対して、第２の結像光学系の開口数を小さくすることができるため、従来と同様の高さ情報の測定精度を実現でき、かつ、装置全体を小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るスキャン測定検査装置を示す構成図である。
【図２】被測定試料の位置Ｚと撮像装置で検出される光の強度Ｉの関係を示す図である。
【図３】第２の結像光学系に変倍光学系を加えた場合の構成図である。
【符号の説明】
１  スキャン測定検査装置
４  光源
７  第１の結像光学系
８  共焦点ディスク
８ａ  共焦点ピンホール
１０  第２の結像光学系
１１  撮像素子
１３  被検物（物体）
１６  変倍光学系
Ｉ  撮像面
【図１】
2004325589.tif 000003
【図２】
2004325589.tif 000004
【図３】
2004325589.tif 000005