(57)【要約】共焦点３次元検査システム（１２０）、および共焦点３次元検査システムを用いるプロセスは、ウェハ（Ｓ）、他の半導体基板（Ｓ）および他の大型マイクロトポグラフィ上のバンプおよび他の３次元（３Ｄ）の特徴を高速で検査することを可能にする。センサは、ミクロン範囲の狭小深さ応答を生成するために共焦原理を用いて、焦点がずれた光を消去する。本発明により提供される検査デバイスは、光源と、光源から光を受取り、かつ該光を向けなおすペリクルビームスプリッタと、ペリクルビームスプリッタから光を受取る開口アレイと、複数のレンズを含むオブジェクトイメージャ、複数のレンズを含むカメラリイメージャ、および集束光を集めるカメラを含むイメージングシステムとを備える。【選択図】図１
2004538454.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
検査デバイスであって、
光源と、
該光源から光を受取り、かつ該光を向けなおすペリクルビームスプリッタと、
該ペリクルビームスプリッタから光を受取る開口アレイと、
複数のレンズを含むオブジェクトイメージャ、複数のレンズを含むカメラリイメージャ、および集束光を集めるカメラを含むイメージングシステムと
を備える、検査デバイス。
【請求項２】
前記開口アレイは、１次元または２次元アレイのうちの少なくとも１つのアレイのピンホールの複数のアレイを含む、請求項１に記載の検査デバイス。
【請求項３】
前記ピンホールの複数の１次元アレイにおける各１次元アレイは、検査されるべき表面から異なった高さと共役である、請求項２に記載の検査デバイス。
【請求項４】
前記カメラは、複数のマルチセンサラインスキャンカメラ、マルチセンサＴＤＩラインスキャンカメラ、およびＣＭＯＳエリアスキャンカメラの１つである、請求項３に記載の検査デバイス。
【請求項５】
前記開口アレイは、ピンホールの１次元アレイ、ピンホールの２次元アレイ、および、これらと関連した個々のマイクロレンズを有する１つ以上のピンホールを含む開口アレイの１つである、請求項１に記載の検査デバイス。
【請求項６】
前記カメラは、ラインスキャンカメラ、ＴＤＩライン走査カメラ、エリアスキャンカメラ、およびＣＭＯＳエリアスキャンカメラの１つである、請求項１に記載の検査デバイス。
【請求項７】
前記カメラリイメージャは、中間焦点と対向する側がテレセントリックである、請求項１に記載の検査デバイス。
【請求項８】
前記オブジェクトイメージャは、デュアルテレセントリックオブジェクトイメージャである、請求項７に記載の検査デバイス。
【請求項９】
前記光源は、開口数絞りの内部に結像され、かつ前記オブジェクトイメージャのテレセントリック瞳孔の中に再結像される準一様に明るい領域を提供するように設計されたフィラメントを有するイルミネータを備える一方で、該フィラメントからの角スペクトルは、視野絞りの中にマップされ、かつ前記開口アレイにおける前記イメージングシステムの前記中間焦点に配置された視野の中に再結像される、請求項１に記載の検査デバイス。
【請求項１０】
前記光源は、前記オブジェクトイメージャのテレセントリック瞳孔の中に結像された準一様に明るい領域を提供するように設計されたフィラメントを有するイルミネータを備え、これにより、前記イメージングシステムの有用なＡΩ積の外側の光は、複数のバッフルを介して消去される、請求項９に記載の検査デバイス。
【請求項１１】
前記光源は、開口数絞りの内部に結像され、かつ前記オブジェクトイメージャのテレセントリック瞳孔の中に再結像された準一様に明るい領域を提供するように設計された１つ以上の明単色または準単色光源のアレイを有するイルミネータを備える一方で、該光源からの角スペクトルは、視野絞りの中にマップされ、かつ、開口アレイにおける結像システムの中間焦点に配置された視野の中に再結像される、請求項１に記載の検査デバイス。
【請求項１２】
前記１つ以上の明単色または準単色光源は、前記開口アレイにおける前記オブジェクトイメージャの中間焦点に配置された視野の中にコリメートおよび方向付けられる、請求項１１に記載の検査デバイス。
【請求項１３】
レンズレットのアレイは、各開口において角スペクトルを生成するために用いられ、前記光源のアポダイゼーションは変更される、請求項１２に記載の検査デバイス。
【請求項１４】
バンプを含む表面を検査するプロセスであって、該プロセスは、
光源と、該光源から光を受取り、かつ該光を向けなおすペリクルビームスプリッタと、該ペリクルビームスプリッタから光を受取る、少なくとも１つの開口と、複数のレンズ、複数のレンズを含むカメラリイメージャ、および集束された光を集めるためのカメラを含むオブジェクトイメージャを含むイメージングシステムとを備える検査システムを提供するステップと、
該バンプに沿う２つの異なった隆起における光の強度を測定することによって該バンプの高さを決定するステップと
を包含する、プロセス。
【請求項１５】
２つの異なった隆起における光の前記強度を測定する前記ステップは、ガウス曲線にあてはめられる、請求項１４に記載のプロセス。
【請求項１６】
バンプを含む表面を検査するプロセスであって、該プロセスは、
表示された各ピクセルの光の強度を決定することができる光学素子およびカメラを用いて表面を走査するステップと、
第１の隆起における各ピクセルの該光の強度を測定するステップと、
第２の隆起における各ピクセルの該光の強度を測定するステップと、
各ピクセルの該第１および該第２の隆起において測定された該光の強度に基づいて、ガウス曲線を用いて該表面の該隆起を決定するステップと
を包含する、プロセス。
【請求項１７】
前記表面から外向きに伸びる凸部を含むと考えられる表面の少なくとも特定の部分を、表示された各ピクセルの光の強度を決定することができる光学素子およびカメラを用いて走査するステップと、
第３の隆起における各ピクセルの該光の強度を測定するステップと、
第４の隆起における各ピクセルの該光の強度を測定するステップと、
各ピクセルの該第３および該第４の隆起において測定された該光の強度に基づいて、ガウス曲線を用いて該凸部の該隆起を決定するステップと
をさらに包含する、請求項１６に記載のプロセス。
【請求項１８】
前記走査するステップは、前記バンプが存在する表面の期待される基本隆起に近似の少なくとも２つの像を走査するステップと、該バンプのターゲット隆起に近似の少なくとも２つの像を走査するステップとを包含する、請求項１６に記載のプロセス。
【請求項１９】
前記バンプは、相互接続、はんだバンプおよび金バンプの１つである、請求項１８に記載のプロセス。
【請求項２０】
前記走査するステップは、前記バンプのターゲット隆起に近似の少なくとも２つの像を走査するステップと、該バンプが存在する表面の期待される基本隆起を示すデータを取り込むステップとを包含する、請求項１６に記載のプロセス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本願は、２００１年７月１６日に出願された仮特許出願である米国仮特許出願第６０／３０５，７３０号および米国仮特許出願第６０／３０５，７２９号に対して権利を主張する。
【０００２】
（発明の背景）
（技術分野）
本発明は、ウェハおよび他の半導体またはマイクロ電子機器の基板を検査するためのシステムならびにそれを使用するプロセスに関し、特に、バンプスといった３次元（３Ｄ）表面または特性を検査するためのシステムならびにそれを使用するプロセスに関する。特に、本発明は、ウェハまたは基板と同等のもののバンプスおよび他の３Ｄ特性を検査するための共焦光学システムならびにこのようなシステムを使用するプロセスに関する。
【背景技術】
【０００３】
（背景情報）
過去数十年にわたって、マイクロ電子機器および半導体は、使用および大衆性において飛躍的に成長してきた。マイクロ電子機器および半導体は、実質的に、コンピュータを導入することおよび電子機器の進歩によって概して、以前は困難で、高価で、および／または時間のかかる機械的なプロセスを単純化かつ速い電子機器プロセスに根本的に変化することによって、社会を根本的に変化してきた。このブームは、流れ作業上、実験室の試験装置、デスクのパーソナルコンピュータ、あるいは電子機器および玩具を通る家庭であろうと、コンピュータに対するビジネスおよび個人による貧欲さ、より具体的には、より速く、より進歩したコンピュータおよび電子機器によって増幅される。
【０００４】
マイクロ電子機器および半導体の製造は、最終製品の品質、スピード、および性能において、ならびに、製造プロセスの品質、スピード、および性能において大きく改良されてきた。しかし、より速く、信頼性があり、かつより高機能の半導体に対する需要も継続している。
【０００５】
過去十年以上にわたって発展してきた１つのプロセスは、マイクロ電子機器および半導体の検査プロセスである。製造プロセスを経てマイクロ電子機器および半導体を検査するメリットは、最終検査および使用中の故障のどちらかによって存在する欠陥を発見するためだけに完成品に処理されるのではなく、不良ウェハが様々な工程で除去され得る。当初は、ウェハおよび同様の基板は、例えば、顕微鏡を使用する人によって、手動で検査された。プロセスが発展するにつれて、多くの異なるシステム、デバイス、装置、および方法が発展して、このプロセスを自動化した（例えば、Ａｕｇｕｓｔ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙによって開発され、米国特許出願第０９／３５２，５６４号に開示される方法）。多くのこれら自動化した検査システム、デバイス、装置、および方法は、２次元検査を中心に扱っている。すなわち、実質的に、または大部分は事実上平面であるウェハあるいは基板の検査である。
【０００６】
半導体産業において急速に成長した分野の１つは、ウェアまたは基板から表面へ突き出たバンプスあるいは他の３次元（３Ｄ）特性を使用することである。バンプスまたは他の３次元特性を有するこのようなウェハあるいは同様の基板の製造者、処理業者、およびユーザは、２次元基板に対するのと同じか、同様の様態でこれら基板あるいは同様の基板を検査することを望む。しかし、バンプスまたは等価物の重大な高さとして存在する多くの障害物は、フォーカシング問題、シャドーイング問題、および奥行感覚問題を引き起こす。現在のシステム、デバイス、装置、および方法の多くは、これらの問題に対処するには完全に不十分であるか、あるいは、スピード、精度、および他の要求されるものを満たし得ない。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（発明の要旨）
半導体または同様の基板の検査、特に、バンプスといった３次元表面または特性の検査は、本発明によって達成される。本発明は、集光の外へ削除する原理を用いる所定の深度応答機能を有する共焦センサである。それにより、検査される表面が狭い焦点領域にある場合のみ、結果的に信号を生成する。検査される所定の点または領域に対する正確な高さが決定され、表面の大部分にわたって共焦センサシステムを使用することによる複数の高さ決定の蓄積によって、ユーザはそのトポグラフィーを決定することができる。
【０００８】
要するに、このシステムおよびプロセスは、複数の平行な共役焦点光学経路を生成し、それにより、サンプルの表面に対して共役焦点面である平面に開口を配置することによって集光の外へ除去される。この結果、センサは、サンプル表面が狭い焦点領域にある場合のみ信号を生成する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の好適な実施形態、出願人が原理を応用することを検討した最良の形態の例示は、以下の説明に記載され、図面に示され、ならびに、添付の特許請求の範囲に詳細に明瞭に示され、かつ記載される。
【００１０】
同様の参照符号は、図面を通して同様の部分について言及する。
（好適な実施形態の記載）
本発明の３次元（３Ｄ）検査システムは、概して、図１に全体が最良に示されるように１２０で表され、３次元特性または表面を観測、検査、または光学的に測定するための１つの環境において用いられる。１つの例は、ウェハまたは同様の基板上にあるバンプスの測定である。３Ｄ検査システムは、光源１２２、光学サブシステム１２４、およびカメラ１２６を含む。光学サブシステムは、中間焦点アセンブリ、ならびに一対のイメージャまたはリイメージャを含む。一実施形態における中間焦点アセンブリは、光学的なに重要なバッフル１２９、ビームスプリッタ１３０、フォトンモーテル１３１、および開口レイを含むアレイマウント１３２を含み、１実施形態におけるイメージャ／リイメージャは、オブジェクトイメージャ１３４、およびカメラリイメージャ１３６を含む。
【００１１】
光源１２２は、サンプルＳに照射するために十分な光を提供する任意の光源である。光源は、観測、検査、または光学的に測定されるべきサンプルＳに必要な光を提供しさえすれば、任意の位置に配置され得る。光源の例は、限定されないが、例えば、ハロゲン、アーク光、レーザー、白色光または任意の様々な色のＬＥＤを含む発光ダイオード（ＬＥＤ）、蛍光灯、あるいは任意の他のタイプの光源を含む。
【００１２】
好適な実施形態において、光源１２２は、フィラメント、コンデンサレンズ、および熱吸収ガラスを含む、好適には白熱タイプの非コヒーレンス光である。最も好適かつ図に示される一実施形態において、光源は、非コヒーレントで最適に調節されたランプである。光源が空間的に均一かつ準テレセントリック、または、好適にはテレセントリックなデザインであることもまた特定の実施形態において好ましい。システムはさらに、一般に広帯域または広いスペクトル型の光源によって提供される明るい光を必要とする。迷光を減少し、かつ、効率的に向上するために、オブジェクトイメージャと一致した開口数の設計の１つとして光源を決定することもまた極めて望ましい。
【００１３】
ある型の非コヒーレント光源は、例えば、１２ボルト、３０００〜３５００ケルビンの範囲の色温度を有する１００ワットのクオーツ型ハロゲンランプ等のハロゲンランプといった白熱電球である。ハロゲンは、極めて不変であり、安定した光出力する。これは、広帯域または多くの波長にわたっており、コストパフォーマンスがよく、かつ、容易に製造可能である。光源が、空間的な非均一性および／またはスペックルを避けるまたは減少するために非コヒーレントであることは、極めて好ましい。
【００１４】
光源は、例えば、単純またはリイメージされたＫｏｅｈｌｅｒ設計等のＫｏｅｈｌｅｒ設計である。最も好ましくは、コンデンサレンズを越えるさらなるレンズを含むリイメージされたＫｏｅｈｌｅｒ設計である。これは、光学的サブシステムのテレセントリックなプロパティを効率的に一致させ、それにより、システム１２０によって必要とされる開口数およびフィールドプロパティを一致させて、サンプルＳの表面上のバンプスの正確な高さ測定を実現する。このようなＫｏｅｈｌｅｒまたはリイメージされたＫｏｅｈｌｅｒシステムを作るための一実施形態は、非球面コンデンサレンズを用いる。
【００１５】
本発明者らのＫｏｅｈｌｅｒまたは再結像されたＫｏｅｈｌｅｒ設計の利点の内の１つは、これらのフィールドにおける各フィールド位置またはスポットがフィラメントの内の全てを「見る」ことにより、系は、非常に不均一な照射量を有する。
【００１６】
焦点距離および結合と共にコンデンサレンズの開口数と接続した光源の空間的な広がりは、最適化される視野および開口数の組み合わせを提供する。系は、ＡΩを最適化し、Ａは、視野領域の大きさであり、Ωは、光円錐の立体角である。これは、非常に均一な視野を提供する。Ｋｏｅｈｌｅｒ照明設計は、（１）光源の瞳孔を開口アレイの空間的広がりにマッピングし、（２）光源内のフィラメントの空間的広がりを再結像システムの開口数または角度空間にマッピングする。再結像されたＫｏｅｈｌｅｒ設計は、標準的なＫｏｅｈｌｅｒ設計とは２つの態様で異なる。すなわち、（１）再結像されたＫｏｅｈｌｅｒ設計は、全体の視野にわたって一定の開口数を非常に正確に規定する円形の開口に再結像されるフィラメントを有する。（２）フィラメントとサンプルとの間において、その開口アレイに共役される焦点面が存在し、その焦点面において、光が遮蔽され（ｂａｆｆｌｅｄ）かつマスクされ、それにより開口アレイにおける所望の範囲外部の光が系に決して入らない。１つのバッフルは開口数を規定し、別のバッフルは所望の視野内部の光のみを通過させる光を制限する。
【００１７】
一実施形態では、フィラメント長さ、幅、充填密度が最適化される。フィラメント長さ、幅、充填密度は、著しく大きいまたは小さいバンプ等を検査するシステムをスケーリングするために調整可能である。
【００１８】
一実施形態では、光源はまた、系に有効な光を供給する広帯域であり、レーザに基づくシステムスペックル問題を回避する。広帯域の概念は、多くの波長対単一のまたは小さい範囲の波長にわたって光を提供する。この広帯域は、水銀型、白熱型、または他の広帯域光源によって提供される。
【００１９】
実施形態の内の１つの準テレセントリック環境では、中間開口絞りおよび改良された迷光除去を提供する中間フィールド絞りを提供することは随意である。
【００２０】
実施形態の内の１つの準テレセントリック環境では、系は、照明器に隣接する光路において照明器境界面または光源１２２を有する。この照明器の境界面は、最適な遮蔽を提供して、光円錐の視野を用いて照明器の光円錐をより良好に整合させる。すなわち、準テレセントリシティ（ｑｕａｓｉ−ｔｅｌｅｃｅｎｔｒｉｃｉｔｙ）を可能な限り改良して、テレセントリシティを完成に近づける。種々の実施形態では、１〜複数のバッフルが照明器正面に設けられ、最適に大きさが調整されかつ形状が形成される。これらのバッフルは、基本的に、最適に大きさが調整されかつ形状が形成される窓であり、所望の光が通過することを可能にしつつ、迷光、周辺、または他の望ましくない光を除去する。これは、最適な信号対ノイズ比を提供する。さらに、好ましくない実施形態では、最適なフィルタは、照明器インターフェース内部での遮蔽と共に使用され得る。これは、望ましくない光の波長を除去する。
【００２１】
熱バリアはまた、光源から系の他のコンポーネントへの光による熱伝達を低減するように随意に設けられ得る。これは、ひずみを引き起こす熱膨張を低減または除去する。好適には、熱バリアが、レンズとバッフルとの間に配置される。
【００２２】
この光源は、サンプルＳを照射するのに十分なエネルギーを供給する。光源１２２から出射された光は、光サブシステム１２２に向けられる。特に、光は、ビームスプリッタ１３０に向けられる。
【００２３】
図に示されたより多くの細部および実施形態では、光学サブシステム１２４は、クリティカルバッフル１２９、ビームスプリッタ１３０、フォトンモーテル１３１、および開口アレイ１３２を有するアレイマウントを含む中間焦点アセンブリを含み、システムは、対物イメージャ１３４およびカメラリイメージャ１３６をさらに含み得る。
【００２４】
クリティカルバッフル１２９は、可能な限り中間焦点面に対して可能な限り近くに配置される随意のさらなるバッフルである。クリティカルバッフルは、光源とビームスプリッタとの間に配置され、好適には、ビームスプリッタにできる限り近い。クリティカルバッフルは、中間焦点アセンブリに入射する迷光を低減し、そして、ビームスプリッタから迷光反射を除去する。
【００２５】
示された実施形態におけるビームスプリッタ１３０は、ペリクルビームスプリッタである。ペリクルビームスプリッタは、いくつかの利点を有する。なぜなら、それはアクロマチックであり、非常に低い偏光効果、角度および呈色（ｃｏｌｏｒ  ｉｓｓｕｅ）による小さい変動等を有し、そして光およびビームスプリッタ効果を、偏光されたビームスプリッタよりもより均一に提供する。ペリクルビームスプリッタはまた、１／４波長板を必要としない光学系を可能にする。
【００２６】
別の重要な特徴は、光源１２２、ペリクルビームスプリッタ１３０、および開口アレイ１３２の設計、設定、配置、および構成であり、図１に示される。光または照射源１２２は、反射された光をビームスプリッタに供給し、それにより、いくつかのこの光は、ビームスプリッタを通って通過させ、全系の外部に漏出し、かつ失われる。少量の光は、ビームスプリッタ内部で失われ得、残りの光は、開口アレイを通って反射される。図中で示されたような一実施形態では、カメラは、イメージャ／リイメージャを有する軸方向である一方で、光源が存在せず、イメージャ／リイメージャ１３４および１３６とカメラとの間に規定された軸に光を導入するためにビームスプリッタを使用する。この設計は、ペリクルビームスプリッタを介して良好に伝達された波面を維持する。すなわち、イメージング性能は、アレイおよびビームスプリッタを介してイメージャ／リイメージャ間に保存される。この良好に伝達された波面の維持のための理由は、偏光ビームスプリッタではない、以下に定義されたようなペリクルビームスプリッタに結合された軸カメラおよびリイメージャ設計の組み合わせである。なぜなら、ペリクルビームスプリッタは、反射波面対偏光ビームスプリッタと比較して十分な伝達波面およびその伝達波面と比較して十分な反射波面とを有するためである。
【００２７】
ビームスプリッタ１３０はペリクルであり、広帯域構成、空間的に依存する低偏光効果、低散乱、非吸収または低吸収、ならびに無視できる内部または迷光反射を用いる独立した色からなる。入来光が９０度で出射する経路の内の少なくとも１つの経路に反射され、基本的に入来および全ての出口光がキューブの面にほぼ垂直に入射する偏光ビームスプリッタとは対照的に、本実施形態におけるペリクルビームスプリッタは、典型的なアクロマチックビームスプリッタの決定論的設計限界を克服する。この広帯域構成が必要である。なぜなら、ビームスプリッタが、非常に高価であり、非常に洗練され、そして提供するのが困難である広い波長範囲に適応するコーティングを含まない場合、典型的なアクロマチックビームスプリッタでは、表面上の非常に小さいＦｒｅｓｎｅｌ反射を首尾よく達成することが困難であるためである。
【００２８】
一実施形態では、ペリクルビームスプリッタは、軸カメラおよびリイメージャを有する偏光ビームスプリッタおよび１／４波長板が、その光の半分を一回失うことためにシステムを必要とするのみである一方で、軸カメラおよびリイメージャを有するペリクルシステムは、２回または連続的に光の半分を損失するためにシステムを必要する。これは、より多くの光を提供する光源からの広帯域照射の提供によって許容可能であり、余分な損失が可能にされる。
【００２９】
ペリクルビームスプリッタは、単なるビームスプリッタ以上に好まれる。なぜなら、ペリクルは、望ましくない内部障害および光収差を除去するためである。
【００３０】
上記系を用いて、ペリクルビームスプリッタは、より効率的になり、より低い迷光を提供し、空間的に均一であり、系が広帯域光源を使用する場合、偏光ビームスプリッタよりも良好な特性を一般的に提供することが発見された。ペリクルビームスプリッタは、非吸収または低吸収であるビームスプリッタを生じる金属層を含むのではなく、全て誘電体である。誘電体ペリクルビームスプリッタはまた、好ましくは５０／５０反射／透過に近い。ビームスプリッタが低散乱であることもまた好ましい。その結果、システムは、通過する「良好な」光の量を最適化しつつ、通過する「悪い」光（吸収または散乱された光）の量を最小化する。
【００３１】
フォトンモーテル１３１は非常に重要である。なぜなら、５０％の光がビームスプリッタ内で失われるためである。この大量の「失われた」光が、システムから除去される必要があるために、最適化されかつ十分なフォトンモーテルが非常に重要である。フォトンモーテル１３１は、第１の壁が十分高い光吸収および制御された反射ガラス表面であり、第２の壁が第１の壁から反射された光を受け取るように最適に配置された十分高い光吸収表面である２つの壁のあるデバイスである。第１の壁は、大量の光を除去する高研磨吸収ガラスの一部であり、残りの光が制御された態様で反射されるが散乱されない。一実施形態では、光の９６％が吸収される。反射された光が、黒にコーティングされた平坦な表面である第２の面に向けられ、第１の壁から反射された大量の光が吸収される一方で、その残りは、Ｌａｍｂｅｒｔｉａｎ分布で散乱される。一実施形態では、第２の壁に反射される光の９０％が吸収される一方で、１０％が散乱される。この結果は、１パーセントの１／２未満が中間焦点アセンブリに再度散乱される。なぜなら、４％の内の１０％が１パーセントの１／２未満であるためである。
【００３２】
ピン止めされたアノード処理アルミニウム取付ホルダは、そこで開口アレイ１３２を保持する。このピンは、アパーチャアレイが正確に同じ位置で除去され、戻され、および／または置換されることを可能にする。
【００３３】
示された実施形態における開口アレイ１３２は、不透明なピンホールアレイである。詳細には、この開口アレイは、クロム  オン  ガラス（ｃｈｒｏｍｅ  ｏｎ  ｇｌａｓｓ）またはクロム  オン  水晶（ｃｈｒｏｍｅ  ｏｎ  ｑｕａｒｔｚ）である。クロムは、第１のサイドまたは反射サイドにある。ここで、ピンホールは、サンプルＳを向くサイド（クロムサイド）である第２のサイドからエッチングされており、一方で、反射サイドは、ビームスプリッタを向いている。これに代わるある実施形態では、このアレイのいずれか一方のサイド、または、両サイドは、逆−反射（Ａ／Ｒ）コーティングを含む。このクロムコーティングは、光学密度５を有する。
【００３４】
ピンホールアレイは、任意のｘ×ｙ個の数であるピンホールであってもよい。大部分の好ましい実施形態では、約１００ピンホール×約１０００ピンホールアレイである。この実施形態のホールは、他の構成も考えられるが、円の性質を有している。しかし、他の開口、ピンホール、異なる数および範囲の穴またはアレイ等が考えられる。
【００３５】
この開口アレイは、βで示されるように若干傾けられている。結果的に、この傾きによって、システムに影響を与えない方向を向き、迷反射を避ける。例えば、この傾きによって、開口アレイ内のピンホールを通過しない、開口アレイを向くペリクルから反射された光は、カメラリイメージャおよびカメラ内に反射されることを防ぐ。示された実施形態では、傾きβは、４．５度である。しかし、０．１度〜２５度の他の角度であってもよい。開示されたように、傾き角度がより大きくなればなるほど、クロム面からの反射によって生じた等の迷光を取り除くことが容易である。しかし、あまりにも大きな傾きは、他の負の影響を導く。
【００３６】
開口アレイのピンホールは、サイズおよびピッチに関して最適化される。ある１つの実施形態では、ピンホールのサイズは、カメラピクセルと適合する。すなわち、各ピンホールのサイズがオブジェクトイメージャから帰って来るスポットの回折サイズに適合するサイズである。
【００３７】
しかし、別の実施形態では、用いられるアンダーサンプリングは、カメラのピクセルよりも多い数のピンホールを有していることを意味している。例えば、２つ以上のピンホールが各ピクセル内にマッピングされる、または、相関される。このアンダーサンプリングは、システムの効果またはエイリアシングを減少させる。これにより、ホールは、ピクセルと直接マッチアップする必要がなく、光学系の配置、歪みおよび不完全さ、ならびに、他の類似の問題を避けている。なぜなら、この設計は、ピンホールに対するピクセルの方向、位相等に関わらず、同じまたは実質的に同じ量の光が各ピクセルに到達することを保証しているからである。アンダーサンプリングは、また、本発明者らの光学系の深さ応答プロフィールを広げて、サンプルＳに対する３次元の高さの広い範囲でこの系が動作可能となる。
【００３８】
さらに、ある実施形態では、この装置は、直交またはグリッド状である。しかし、代わりの実施形態では、装置は、非直交または非グリッド状（例えば、六角形または他の幾何学的パターン）である。少なくとも特定の用途におけるこの非直交パターンは、エイリアシングおよびアライメントの問題を減少し得る。
【００３９】
ピッチは、好ましくはピンホールサイズから計算される。このピンホールサイズは、とりわけ、物体イメージャの回折に適合するように適合される。ピッチは、ピンホール間のクロストークの低減を最適化して、一方で、解像素子の数を最大化するピンホールサイズの２倍である。拡大率および空間範囲は、次いで、ウェハの表面で解像度を最適化するように調節され得る。
【００４０】
本発明の別のキーとなる特徴は、開口アレイから光が通過して伝送することによって、ペリクルビームスプリッタ上の任意の表面異常が、本発明者らのシステムの結像プロパティに無関係となることである。本発明者は、ペリクルビームスプリッタの振動には敏感ではない。
【００４１】
開口アレイを系に位置付けることによって、焦点を共有した応答が提供される。開口アレイの開口を通過し、デュアルテレセントリック物体イメージャを通過し、サンプルＳから反射し、デュアルテレセントリック物体イメージャを逆に通過し、開口アレイの開口を逆に通過する光のみが焦点が合う。この焦点を共有する原理によって、焦点でフィーチャ（ｆｅａｔｕｒｅ）が明るく照射する。一方で、焦点フィーチャからは暗いか、照射がない。
【００４２】
好ましい実施形態の開口アレイは、溶融石英ガラス材料（例えば、クロム  オン  ガラスまたはクロム  オン  水晶）である。なぜなら、熱膨張率が小さいからである。代替物として、小さな熱膨張率を有する任意の他の材料（例えば、エア開口、黒い材料）から作られてもよい。これにより、ピクセルサイズとＣＣＤカメラ素子との間のミスマッチの可能性が排除される。
【００４３】
示された好ましい実施形態の物体イメージャ１３４は、デュアルテレセントリック設計のイメージャである。この物体イメージャは、一つ以上の絞りまたはバッフルによって分離された複数のレンズを含む。ある実施形態では、このオブジェクトイメージャは、絞りによって中央で分離され、イメージャの右側に、２〜６個のレンズ、好ましくは３〜４個のレンズを含み、イメージャの左側に、２〜６個のレンズ、好ましくは３〜４個のレンズを含む。このイメージャがデュアルテレセントリックであるので、この絞りは、各サイドにあるレンズの累積位置から離れた１つの群の焦点長さに配置される。
【００４４】
この物体イメージャは、（１）開口アレイから物体（ウェハまたはサンプルＳ）へと通過する光または照明のために前の径路を提供して、（２）物体（ウェアまたはサンプルＳ）の再結像のために後ろの径路を開口アレイ１３２に提供するように機能する。
【００４５】
このシステムは、デュアルテレセントリック光学イメージャ／リイメージャであるので、固有である。このデュアルテレセントリックという性質は、両端から見た場合に、瞳孔が無限点にあり、全視野を介する主な光線が光学軸に全て平行であることを意味している。これは、２つの主な利点を提供する。イメージャの物体エンドまたはイメージャのサンプルエンドに関する１つの利点は、サンプルに関して物体の焦点が合うおよびずれるにつれて、視野を介する拡大率は一定のままであることである。第２の利点は、イメージャの開口エンドに関する。ここでは、テレセントリック物体イメージャがテレセントリックカメラリイメージャとアライメントするときに、開口アレイを通って来る光が効率的に集められる。
【００４６】
光学的スループットは非常に高い。なぜなら、物体サイドにおけるシステムの開口数は、０．２３を越えており、オブジェクトの視野は、直径が５ｍｍであるからである。
【００４７】
代わりの実施形態では、物体イメージャの開口数は、絞り用の機械化アイリスを位置付けることによって、調節可能でも変化可能であってもよい。これは、異なる深さ応答プロフィール幅を考慮している。これは、より広い範囲の衝突または３次元計測を考慮している。なぜなら、物体が高くなるにつれて（計測するためには望ましい）、システムのスピードを維持するための望ましい開口数は低くなる。同様に、計測される物体が小さくなるにつれて、鋭さ（すなわち、精度）を維持する開口数は、より大きいことが望ましい。
【００４８】
物体イメージャの拡大率は、４倍である。開口アレイは、物体（サンプルＳ）よりも４倍大きい。
【００４９】
示された好ましい実施形態のカメラリイメージャ１３６は、テレセントリック設計のリイメージャであるが、他の実施形態では、デュアルテレセントリック設計であってもよい。カメラリイメージャは、絞りによって分離された複数のレンズを含む。ある１つの実施形態では、カメラリイメージャは、絞りによって中央で分離され、リイメージャの右側に、２〜６個のレンズ、好ましくは３〜４個のレンズを含み、リイメージャの左側に、２〜６個のレンズ、好ましくは３〜４個のレンズを含む。このリイメージャがテレセントリックであるので、ペリクルビームスプリッタから最も近いサイドであるテレセントリックサイドでは、絞りは、このサイドにあるレンズの蓄積位置から離れた１つの群焦点長さに配置される。
【００５０】
カメラリイメージャは、物体イメージャを離れてカメラへと開口を通過する光のために径路を提供するように機能する。カメラリイメージャの特性を物体イメージャおよびカメラへとマッチングさせる、または、最適化することが好ましい。ここで、このような特性は、開口数、拡大率、ピクセルサイズ、視野等を含む。
【００５１】
カメラリイメージャのテレセントリックの特性は、開口アレイ側またはエンドにあるので、視野を横切って、効率的かつ均一に、物体イメージャ１３４から開口アレイを通る光をカプリングする。ピクセルサンプリング解像度が制限されるので、その収差は、ピクセルサンプリングの劣化による収差より小さい。この開口数は、物体イメージャに基づいて設計される。これにより、リイメージャ間にいくらかアライメントのずれがあっても、視野を介して、フィールドに依存する変化に効率的に変換されない。
【００５２】
物体およびカメライメージャ／リイメージャの結合システムの拡大率は、物体における空間解像度がピクセルサイズに適合するように選択される。
【００５３】
カメラリイメージャの拡大率は、０．６５である。ＣＣＤまたは検出器アレイは、開口アレイの０．６５倍である。従って、好ましい物体およびカメラリイメージャ拡大率は、２．６倍である。
【００５４】
イメージャ／リイメージャは、非常に高い開口を有し、開口数がより大きくなるにつれて、解像度は細かくなり、深さ応答曲線はより鋭く／狭くなる。
【００５５】
さらに、特定の実施形態で用いられる本発明の光学的特徴は、全光学サブシステムの光学軸に対するサンプルＳの傾き、または、その逆も成り立つ（すなわち、サンプルＳに対する全光学サブシステムの傾きである）。このオプションは、上記された開口アレイの傾きを補償し、従って、Ｓｃｈｅｉｍｐｆｌｕｇ条件を維持している。図では、傾きは、αとして示されている。現在の好ましい実施形態では、傾き角度αは、０度であるが、他の実施形態では、０〜５度の範囲である。例えば、これに代わる実施形態では、傾き角度αは、１．２度である。
【００５６】
さらなるオプションは、開口アレイの方向が変えられる時にサンプルまたは光学サブシステムの方向を変えないことである。この場合、信号のいくらかの感度の低下が生じるが、多くの場合、重要でもなく、また注目すべきことでもない。
【００５７】
カメラ１２６は、任意のライン走査カメラ、エリア走査カメラ、複数のライン走査カメラの組み合わせ、ＴＤＩ（ｔｉｍｅ  ｄｅｌａｙ  ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）ライン走査カメラ、または当業者が直ちに機能的に動作可能であると認識するような他のカメラ（単数または複数）であり得る。カメラは、γの角度であり得る。
【００５８】
図に示される実施形態では、カメラ１２６は、ＴＤＩカメラである。ＴＤＩは、システムが時間で光を積分するように、電荷を移動させることによってさらなる速度を提供する。ライン走査カメラを有する開口アレイは、ピンホールのアレイを１つだけ利用する一方で、ＴＤＩを有する開口アレイは、各ラインに複数の開口を単位とする１００以上のアレイである（ある例は、ライン毎に１０２４個の開口を単位とする１００ラインである）。
【００５９】
イメージ取得は、通常カメラの読み出し速度、ステージ速度（ｓｔａｇｅ  ｖｅｌｏｃｉｔｙ）、および光により制限される。このブロードバンドソリューションは、光の問題を排除するか、または顕著に低減する。従って、読み出し速度が、ＴＤＩカメラまたはＣＭＯＳイメージャのような関連技術のために改良され続けるにつれて、システムのスケーラビリティが生じ続ける。もしくは、システムスループットはまた、約１０００から２０００または４０００まででも開口の数を増加させることによって、増大可能である。
【００６０】
サンプリングまたはビューイングは、１：１または別の比であり得る。１：１の場合、カメラは、１ピンホール対１ピクセル比で動作する。アンダーサンプリングが利用される場合、カメラは、１：１ピンホール対ピクセル以外の比であり、一実施形態では、カメラセンサにおいて画素ごとに１と１／２または２ピンホールである。
【００６１】
光は、以下のようにシステムを通過する。光源１２２は、ビームスプリッタ１３０に向かう光を照射し、かつ導く。ビームスプリッタに到達する光のいくらかは、ビームスプリッタを通過してシステム全体から発散し、それによりシステムの干渉を避け、ビームスプリッタ内で、少量が失われ、残りの光は、開口アレイに向かって反射する。開口アレイに到達する光は、その開口を通過するか、または開口アレイのホールの周りのプレートに衝突してカントのためにシステムの外に反射するかのどちらかである。開口アレイを通過する光は、二重テレセントリックオブジェクトイメジャにおいて再イメージされて、コリメートされる。光は、サンプルＳに向かって導かれ、サンプルＳから反射する。照射される点が、焦点、または焦点の側である場合、実質的に全ての光が反射してオブジェクトイメージャまで戻るが、焦点でない場合は、ほとんどまたは全く反射して戻らない。光は、オブジェクトマネージャを通過して戻り、開口アレイに向かって導かれる。開口アレイまで到達する光は、そこの開口アレイを通過するか、または開口アレイのホールの周りのプレートに衝突してカントのためにシステムの外に反射するかのどちらかである。開口アレイまで到達する光は、共焦原理により焦点を結び、テレセントリックカメラリイメージャで再イメージされ、コリメートされる。光は、カメラ内へ導かれ、強度が記録される。任意の所与のパスにおいて、上記のプロセスは、観測されるサンプル上の各点に対して発生する。
【００６２】
システムを通過する光は、カメラ１２６で受取られ、格納される。この処理が、異なる高さ、および表面の少なくとも一部分を横切って繰り返された後、格納されるデータの全ては、コンピュータまたは同様のものによって処理されて、位置、サイズ、形状、輪郭、粗さ、および／またはバンプまたは他のそこの三次元特性の度量衡（ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ）を含むサンプルのトポグラフィーを計算または決定する。
【００６３】
バンプまたは他の三次元特性に対する現在の設計および実施形態の１つでは、本プロセスは、異なる表面ターゲット隆起において、サンプル表面Ｓの全体または選択される部分の各々を介する１つ、２つ、またはそれ以上（通常は、３つ以上）のパスを含み、異なるバンプターゲットにおいて、２つ以上（通常は、３つ以上）のパスが従う表面隆起を計測して、バンプ高さを決定するための計算が従うバンプ隆起を計測する。パスの結果として、各隆起における各点に対する強度が計測され、ここで、表面隆起に関してはこれらの点が、およびバンプ隆起に関しては別々にプロットされ、ガウス曲線にあてはめて、表面およびバンプの両方の隆起を判定する。このバンプから、所与の点の実際のバンプ高さが決定される。それは、表面隆起とバンプ隆起との間の差である。
【００６４】
より詳細には、パスは、サンプルＳの一部または全体の表面にわたって作られる。強度は、各ピクセルに対して決定される。最初に、サンプルＳの表面位置または隆起に近似するコースまたはおおよその表面隆起が利用される。サンプル全体（または計測が望まれる一部分）が走査され、強度が各ピクセルに対して指摘されるが、所与の点の強度が非常に小さいか、または存在しない場合、システムは、その位置またはピクセルの焦点から著しく外れている（ある例では、バンプが存在する表面隆起における走査の結果として、強度フィードバックはほとんどないか全くなくなる）。このステップは、通常、第１のパスに対する隆起の差が５、１０、または２０ミクロンのような僅かに異なる隆起においては、２度以上（しかし、曲線がパスの数から計算され得る限り、任意の数のパスを利用し得る）、繰り返される。その結果、各ピクセルに対して強度の３つのデータ点があり、プロットし、ガウス曲線にあてはめて、その位置の実際のウェハ表面を決定する。ここで、ウェハ表面隆起は、バンプまたは他の重要な３次元の凸部または凹部が存在する場所以外のサンプル全体に対して既知である。なぜなら、これらの各々は、任意の光が反射して戻る焦点から外れすぎていたために、強度の報告がなかったからである。
【００６５】
第２のステップは、これらの重要な凸部または凹部（バンプのような）の隆起を決定することである。別のパスは、サンプルＳの一部または全体の表面（多くの場合、バンプが予測される、既知の場所か、あるいは表面隆起パスにおいて強度が発見されなかった場所のみ）にわたって作られるこのパスは、コース、あるいは表面上の５０、１００、２００、または３００ミクロン等のような予測されるバンプの隆起に関する粗い近似において生じる。サンプル全体（あるいは、バンプが予測される、既知の位置か、または強度が以前に発見されていない位置を選択するのみ）が走査され、強度が各ピクセルに対して指摘される時に、強度が各ピクセルにおいて決定されるが、所与の点に非常に小さいかまたは強度のない場合は、システムは、その位置またはピクセルにおける焦点から著しく外れる（ある例では、バンプが存在しないバンプ隆起における走査の結果として、強度フィードバックはほとんどないか全くなくなる）。このステップは、５、１０、または２０ミクロンの差のような僅かに異なる表面隆起において、通常、数回（しかし、曲線がパスの数から計算され得る限り、任意の数のパスが利用され得る）繰り返される。その結果、各ピクセルに対して強度の複数のデータ点が存在し、プロットするか、またはガウス曲線にあてはめて、その点のバンプ隆起を決定する。
【００６６】
一旦、表面隆起が既知になり、かつバンプ隆起が既知になると、バンプ高さは決定され得る。表面隆起は、解析、プロット、および／またはバンプの周りのおおよその表面隆起の全ての他の公知の曲線拡張技術に基づき、バンプ位置に対して決定される。バンプ位置とその周りのおおよその表面隆起との間、あるいはバンプ隆起とその下の計算された表面隆起との差は、所与のバンプのバンプ高さに一致する。
【００６７】
まとめると、上記の本発明の走査プロセスは、以下のようになる。システムは、サンプル表面Ｓ上の固定された隆起において、サンプル表面Ｓを横切るラインを走査する。この走査は、走査の下のサンプル上の各ピクセルに対する深さ応答曲線において、１つのｚ軸隆起を生成する。センサは、ｚ軸方向において第２の隆起まで移動し、走査は、走査の下のサンプルＳ上の各位置に対する深さ応答曲線において、第２のｚ軸隆起を生成することを繰り返す。これは、利用される補間方法に対して望まれる任意の回数、繰り返され得る（通常は、少なくとも２または３回の走査であるが、明らかにより多くの回数も考慮され、精度を向上させる）。深さ応答曲線における任意の位置では、各ピクセルが走査の下の表面高さのマップを生成するように、補間される。ここで、サンプル表面Ｓの隆起は、既知である。
【００６８】
重要な三次元凸部（バンプのような）の場合、このプロセスは、サンプル表面Ｓのおおよその隆起において実行されるように、凸部の最も外側の部分のおおよその隆起において、繰り返され得る。バンプ隆起は、既知になり、バンプ高さは、表面隆起とバンプ隆起との間の差として計算される。
【００６９】
重要なのは、「焦点の当たった」領域のサイズがテレセントリックイメージングレンズによって決定されることを理解することである。このレンズは、より大きな開口数（半径に対する焦点距離の比のような）を有する場合、焦点範囲はより小さくなり、逆にレンズが、小さい開口数を有する場合、焦点範囲は、大きくなる。焦点範囲の最良は、計測される必要のある隆起範囲に依存する。
【００７０】
少なくとも１つの実施形態では、本発明はまた、深さ応答を調節可能である。これが望まれるのは、バンプがより大きいと、より広い深さ応答が望まれる一方、バンプがより小さいと、より薄いか、または小さい深さ応答が望まれるからである。実際、システムは、高い開口数を低下させ、より大きいまたはより高いバンプを見つける。これは、速度の維持を補助する。逆に、より小さいか、またはより薄いバンプを見通すためには、より高い開口数を提供することが望ましい。深さ応答のこのブロードキャストは、開口を調節するバッフルを提供するか、あるいはセンサの傾斜を提供するか、または増大させるかのどちらかによって、達成される。
【００７１】
著しく異なる代替物は、複数のパスを作るのではなく、各点の複数の高さのイメージングを含む。これは、各カメラまたはセンサが異なる隆起を見ている場合に、マルチラインライン走査カメラを用いることによって、達成される。例えば、４ライン、ライン走査カメラシステムは、隆起０を読み込むライン１、隆起プラス２０ミクロンを読み込むライン２、隆起プラス４０ミクロンを読み込むライン３、および隆起プラス６０ミクロンを読み込むライン４を含む。この例における全ての４つのデータ点は、同時に集められる。さらに考慮され、認識されるのは、ＣＭＯＳイメージャが首尾よく作動することである。もしくは、また、一緒に近くに積み上げられた複数のＴＤＩセンサが、利用され得る。必要となるのは、開口アレイをシフトするか、あるいは開口アレイに最も近いオブジェクトイメージャの平面または終端にある開口アレイの間にガラスのような媒体で補正器厚さの差を導入することによって、各走査ラインの間に可変量の光学経路を導入することである。その結果、複数の別々の平面は、ウェハまたはサンプル表面Ｓにおいてｚ高さを分離させるように共役である。イメージングが所与のパスにおける複数の高さに関して生じた場合は、表面高さの計算およびバンプ高さの計算は、それぞれ１つのパスのみを含む。
【００７２】
さらに別の代替的実施形態において、速度の２つのモードが提供される。表面隆起の決定およびバンプ隆起の決定のどちらか、またはこれらの両方において各ダイについて走査が行われる場合に緻密なモードが提供される。ウェハ表面の隆起についての走査が、ウェハに沿う１またはいくつかの場所でのみ実行され、ダイに含まれる残りの表面にわたって表面を計算するために補間が用いられる場合には、より速いモードが提供される。
【００７３】
いくつかの代替的光源は、最初に開口数絞りの内部に結像され、次に、オブジェクトイメージャのテレセントリック瞳孔の中に再結像される一様に満たされた領域を提供するように設計されたフィラメントを有するイルミネータを含み、これにより、フィラメントからの各スペクトルは、最初に、イルミネータ内部の視野絞りの中にマップされ、次に、開口アレイにおけるオブジェクトイメージャの中間焦点またはＩＦＡに配置されたフィールドに再結像される。別の光源は、イメージングシステム（オブジェクトイメージャ）のテレセントリック瞳孔の中に結像され一様に満たされた領域を提供するように設計されたフィラメントを有するイルミネータであり、これにより、フィラメントからの各スペクトルが開口アレイにおけるイメージングシステムの中間焦点またはＩＦＡに配置された視野の中にマップされ、これにより、イメージングシステムの有用なＡΩ積の外側の光が一連のバッフルを介して消去される。さらに別の光源は、フィラメントの代わりに、明単色または準単色光源のアレイを有するイルミネータである。さらに別のイルミネータは、開口アレイにおけるイメージングシステムの中間焦点またはＩＦＡに配置された視野にコリメートおよび方向付けられる明単色または準単色光源であり、これにより、レンズレットのアレイが、好適には、各開口において各スペクトルを生成するために用いられ、これにより、好適には、しかしながら、適宜、光源がアポダイズされる。
【００７４】
従って、上述の、当業者によって理解される本発明は、単純化され、有効、安全、安価および効率的なデバイスを提供し、列挙されたすべての目的を達成するシステムおよびプロセスは、従来のデバイス、システムおよびプロセスが直面した困難を取り除き、かつ問題を解決して、当該技術における新しい成果をもたらす。
【００７５】
これまでの記載において、簡潔性、明瞭性および理解のために特定の用語が用いられたが、そこから従来技術の要求を超える不必要な限定が示され得ない。なぜなら、このような用語は、説明の目的で用いられ、広く解釈されることが意図されるからである。
【００７６】
さらに、本発明の記載および説明は、例示的であり、本発明の範囲は、示されるかまたは記載される詳細に厳格に限定されない。
【００７７】
本発明の特徴、発見および原理が記載されたが、構成および使用される態様、構造の特性、および有利で、新しく、かつ有用な結果が達成された。新規および有用な構造、デバイス、素子、構成、部分および組み合わせは、添付の請求項に記載される。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】図１は、本発明の一実施形態の図である。
【図１】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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