(57)【要約】【課題】反射率の低い被計測物であっても輪郭を正確に計測することができる３次元計測装置を提供する。【解決手段】所定の波長領域を有する光を照射し被測定物で反射した反射光と基準反射光との干渉光の各波長の光強度を検出して分光干渉波形を求め、分光干渉波形と理論上の波形関数に基づいて波形解析を実行する制御手段を具備する３次元計測装置であって、被計測面が対物レンズの集光点位置と一致するように予め波形解析後の光強度のピーク位置と共焦点位置の対応をとっておき、制御手段はイメージセンサーからの検出信号に基づいて分光干渉波形を求め、分光干渉波形と理論上の波形関数に基づいて波形解析を実行し、対物レンズの集光点位置に対応する光強度を位置付け手段によって特定されたX、Y座標におけるZ座標の光強度としてメモリに保存し、該メモリに保存されたX、Y、Z座標に基づいて３次元画像を形成する。【選択図】図２
2012229958.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被計測物の３次元形状を測定する３次元計測装置において
所定の波長領域を有する光を発する発光源と、
該発光源からの光を第１の経路と第２の経路に導く光分岐手段と、
該第１の経路に導かれた第１の光を集光して被計測物に導く対物レンズと、
該光分岐手段から第１の経路に導かれ該対物レンズによって集光される第１の光を被計測物のX軸方向位置およびY軸方向位置に位置付ける位置付け手段と、
該対物レンズを光軸方向であるZ軸方向に移動せしめる移動手段と、
該第２の経路に導かれた第２の光を反射して基準となる光路長を設定する反射板と、
被計測物に照射された第１の光が反射せしめられた第１の反射光と、該反射板に照射された第１の光が反射せしめられた第２の反射光とが該光分岐手段によって導かれる第３の経路と、
該第３の経路に導かれた干渉光を集光する集光レンズと、
該集光レンズによって集光された干渉光を伝送する伝送手段と、
該伝送手段によって伝送された干渉光を平行光に形成するコリメーションレンズと、
該コリメーションレンズによって平行光に形成された干渉を各波長毎に分光する回折格子と、
該回折格子によって分光された干渉光の各波長の光強度を検出し、光強度信号を出力するラインイメージセンサーと、
該ラインイメージセンサーからの検出信号に基づいて分光干渉波形を求め、該分光干渉波形と理論上の波形関数に基づいて波形解析を実行する制御手段と、を具備し、
被計測面が該対物レンズの集光点位置と一致するように予め波形解析後の光強度のピーク位置と共焦点位置の対応をとっておき、
該制御手段は、該イメージセンサーからの検出信号に基づいて分光干渉波形を求め、該分光干渉波形と理論上の波形関数に基づいて波形解析を実行し、該対物レンズの集光点位置に対応する光強度を該位置付け手段によって特定されたX、Y座標におけるZ座標の光強度としてメモリに保存し、該メモリに保存されたX、Y、Z座標に基づいて３次元画像を形成する、
ことを特徴とする３次元計測装置。
【請求項２】
該位置付け手段は、該光分岐手段と該対物レンズとの間に配設され該光分岐手段から第１の経路に導かれた第１の光をX軸方向およびY軸方向に揺動して該対物レンズに導くスキャニングミラーからなっている、請求項１記載の３次元計測装置。
【請求項３】
該伝送手段は、該集光レンズによって集光された干渉光を伝送する光ファイバーからなる、請求項１又は２記載の３次元計測装置。
【請求項４】
該発光源と該光分岐手段との間に間隔をおいて配設された第１のλ／２波長板および第２のλ／２波長板と、該第１のλ／２波長板と第２のλ／２波長板との間に配設された偏光ビームスプリッターと、該偏光ビームスプリッターによって反射した光を吸収するバッファーとを備え、該偏光ビームスプリッターを介して該第１の経路に導かれる第１の光と該第２の経路に導かれる第２の光の光量を調整する光量調整手段を具備している、請求項１から３のいずれかに記載の３次元計測装置。
【請求項５】
該光分岐手段は偏光ビームスプリッターからなり、該第１の経路における該偏光ビームスプリッターと該スキャニングミラーとの間に第１のλ／４波長板を配設するとともに、該第２の経路における該偏光ビームスプリッターと該反射板との間に第２のλ／４波長板が配設されている、請求項２から４のいずれかに記載の３次元計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザー加工孔等の細孔の形状を正確に計測することができる３次元計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイス製造工程においては、略円板形状である半導体ウエーハの表面に格子状に配列されたストリートと呼ばれる分割予定ラインによって複数の領域が区画され、この区画された領域にＩＣ、ＬＳＩ等のデバイスを形成する。そして、半導体ウエーハをストリートに沿って切断することによりデバイスが形成された領域を分割して個々の半導体デバイスを製造している。
【０００３】
装置の小型化、高機能化を図るため、複数のデバイスを積層し、積層されたデバイスに設けられた電極を接続するモジュール構造が実用化されている。このモジュール構造は、半導体ウエーハにおける電極が設けられた箇所に細孔（ビアホール）を形成し、この細孔（ビアホール）にアルミニウムや銅等の導電性材料を埋め込む構成である。（例えば、特許文献１参照。）
【０００４】
上述した半導体ウエーハに設けられる細孔（ビアホール）は、ドリルによって形成されている。しかるに、半導体ウエーハに設けられる細孔（ビアホール）は直径が５０〜１００μmと小さく、ドリルによる穿孔では生産性が悪いという問題がある。
【０００５】
上記問題を解消するために、基板の表面に複数のデバイスが形成されているウエーハに、パルスレーザー光線を照射して細孔（ビアホール）を効率よく形成するウエーハの穿孔方法が提案されている。（例えば、特許文献２参照。）
【０００６】
上述したようにパルスレーザー光線を照射することによって形成された細孔（ビアホール）は必ずしも正確に形成されていない場合があり、従って、パルスレーザー光線を照射することによって形成された細孔（ビアホール）は適正に形成されているか否かを計測する必要がある。このような細孔（ビアホール）を計測する方法として、共焦点レーザー顕微鏡が用いられている。共焦点レーザー顕微鏡は、図１１に示すようにレーザー光源１１と、該レーザー光源から発振されたレーサー光を平行光に形成するコリメーションレンズ１２と、該コリメーションレンズ１２によって平行光に形成された光を第１の経路１３aに導く光分岐手段１４と、第１の経路１３aに配設され該第１の経路１３aに導かれたレーザー光を集光して被計測物Wに導く対物レンズ１５と、光分岐手段１４と対物レンズ１５との間に配設され光分岐手段１４から第１の経路１３aに導かれたレーザー光をX軸方向およびY軸方向に揺動して対物レンズ１５に導くスキャニングミラー１６と、第２の経路１３bに配設され対物レンズ１５から被計測物Wに照射されたレーザー光の反射光を集光する集光レンズ１７と、該集光レンズ１７によって集光された反射光の集光点位置に配設されたピンホール１８１を備えたピンホールマスク１８と、該ピンホールマスク１８のピンホール１８を通過した反射光の光強度を検出する検出器１９と、制御手段１９０とからなっており、同一のXY座標において対物レンズ１５に光軸方向であるZ軸方向の光強度の中で最も高い光強度を持つZの位置を被測定対象面であると判定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−１６３３２３号公報
【特許文献２】特開２００７−６７０８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
而して、上述した共焦点レーザー顕微鏡は、対物レンズの集光点位置以外からの光の成分の影響で反射率の低い被計測物においては正しい値を測定することができないという問題がある。
【０００９】
本発明は上記事実に鑑みてなされたものであり、その主たる技術的課題は、反射率の低い被計測物であっても輪郭を正確に計測することができる３次元計測装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記主たる技術課題を解決するため、被計測物の３次元形状を測定する３次元計測装置において
所定の波長領域を有する光を発する発光源と、
該発光源からの光を第１の経路と第２の経路に導く光分岐手段と、
該第１の経路に導かれた第１の光を集光して被計測物に導く対物レンズと、
該光分岐手段から第１の経路に導かれ該対物レンズによって集光される第１の光を被計測物のX軸方向位置およびY軸方向位置に位置付ける位置付け手段と、
該対物レンズを光軸方向であるZ軸方向に移動せしめる移動手段と、
該第２の経路に導かれた第２の光を反射して基準となる光路長を設定する反射板と、
被計測物に照射された第１の光が反射せしめられた第１の反射光と、該反射板に照射された第１の光が反射せしめられた第２の反射光とが該光分岐手段によって導かれる第３の経路と、
該第３の経路に導かれた干渉光を集光する集光レンズと、
該集光レンズによって集光された干渉光を伝送する伝送手段と、
該伝送手段によって伝送された干渉光を平行光に形成するコリメーションレンズと、
該コリメーションレンズによって平行光に形成された干渉を各波長毎に分光する回折格子と、
該回折格子によって分光された干渉光の各波長の光強度を検出し、光強度信号を出力するラインイメージセンサーと、
該ラインイメージセンサーからの検出信号に基づいて分光干渉波形を求め、該分光干渉波形と理論上の波形関数に基づいて波形解析を実行する制御手段と、を具備し、
被計測面が該対物レンズの集光点位置と一致するように予め波形解析後の光強度のピーク位置と共焦点位置の対応をとっておき、
該制御手段は、該イメージセンサーからの検出信号に基づいて分光干渉波形を求め、該分光干渉波形と理論上の波形関数に基づいて波形解析を実行し、該対物レンズの集光点位置に対応する光強度を該位置付け手段によって特定されたX、Y座標におけるZ座標の光強度としてメモリに保存し、該メモリに保存されたX、Y、Z座標に基づいて３次元画像を形成する、
ことを特徴とする３次元計測装置が提供される。
【００１１】
上記位置付け手段は、該光分岐手段と該対物レンズとの間に配設され該光分岐手段から第１の経路に導かれた第１の光をX軸方向およびY軸方向に揺動して該対物レンズに導くスキャニングミラーからなっている。
また、上記伝送手段は、集光レンズによって集光された干渉光を伝送する光ファイバーからなる。
更に、上記発光源と光分岐手段との間に間隔をおいて配設された第１のλ／２波長板および第２のλ／２波長板と、該第１のλ／２波長板と第２のλ／２波長板との間に配設された偏光ビームスプリッターと、該偏光ビームスプリッターによって反射した光を吸収するバッファーとを備え、偏光ビームスプリッターを介して第１の経路に導かれる第１の光と該第２の経路に導かれる第２の光の光量を調整する光量調整手段を具備していることが望ましい。
また、上記光分岐手段は偏光ビームスプリッターからなり、第１の経路における偏光ビームスプリッターとスキャニングミラーとの間に第１のλ／４波長板を配設するとともに、第２の経路における偏光ビームスプリッターと反射板との間に第２のλ／４波長板が配設されていることが望ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明による３次元計測装置においては、被計測面が対物レンズの集光点位置と一致するように予め波形解析後の光強度のピーク位置と共焦点位置の対応をとっておき、制御手段はイメージセンサーからの検出信号に基づいて分光干渉波形を求め、該分光干渉波形と理論上の波形関数に基づいて波形解析を実行し、対物レンズの集光点位置に対応する光強度を位置付け手段によって特定されたX、Y座標におけるZ座標の光強度としてメモリに保存し、該メモリに保存されたX、Y、Z座標に基づいて３次元画像を形成するので、対物レンズの集光点位置に対応する光強度に基づいて被測定面を判定することができるため、反射率の低い被計測物であっても輪郭を正確に計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に従って構成された３次元計測装置の斜視図。
【図２】図1に示す３次元計測装置の計測手段を示すブロック構成図。
【図３】図１に示す３次元計測装置を構成する制御手段によって求められる分光干渉波形を示す説明図。
【図４】図１に示す３次元計測装置を構成する制御手段による分光干渉波形と理論上の波形関数に基づく波形解析によって出力される光強度を示す図。
【図５】図１に示す３次元計測装置を構成する制御手段による分光干渉波形と理論上の波形関数に基づく波形解析よって出力される対物レンズの集光点位置における光強度を示す図。
【図６】被計測物としての半導体ウエーハが環状のフレームに装着された保護テープの表面に貼着された状態の斜視図。
【図７】図６に示す半導体ウエーハが図１に示す３次元計測装置のチャックテーブルの所定位置に保持された状態における座標位置との関係を示す説明図。
【図８】図１に示す３次元計測装置を構成する制御手段による分光干渉波形と理論上の波形関数に基づく波形解析によって出力される各Z軸方向位置における光強度を示す図。
【図９】図１に示す３次元計測装置によって計測されたレーザー加工孔の３次元画像を示す図。
【図１０】本発明に従って構成された３次元計測装置の他の実施形態を示すブロック構成図。
【図１１】従来用いられている共焦点レーザー顕微鏡を示すブロック構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に従って構成された３次元計測装置の好適な実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
【００１５】
図１には、本発明に従って構成された３次元計測装置の斜視図が示されている。図１に示す３次元計測装置は、静止基台２と、該静止基台２に矢印Ｘで示すＸ軸方向に移動可能に配設され被計測物を保持するチャックテーブル機構３と、静止基台２に上記Ｘ軸方向と直交する矢印Ｙで示すY軸方向に移動可能に配設された計測ユニット支持機構４と、該計測ユニット支持機構４にＸ軸方向およびY軸方向に対して垂直な矢印Ｚで示すZ軸方向に移動可能に配設された計測ユニット５とを具備している。
【００１６】
上記チャックテーブル機構３は、静止基台２上にＸ軸方向に沿って平行に配設された一対の案内レール３１、３１と、該案内レール３１、３１上にＸ軸方向に移動可能に配設された第一の滑動ブロック３２と、該第１の滑動ブロック３２上にY軸方向に移動可能に配設された第２の滑動ブロック３３と、該第２の滑動ブロック３３上に円筒部材３４によって支持された支持テーブル３５と、被計測物保持手段としてのチャックテーブル３６を具備している。このチャックテーブル３６は多孔性材料から形成された吸着チャック３６１を具備しており、吸着チャック３６１の上面である保持面上に被計測物を図示しない吸引手段によって保持するようになっている。このように構成されたチャックテーブル３６は、円筒部材３４内に配設された図示しないパルスモータによって回転せしめられる。なお、チャックテーブル３６には、被計測物を保護テープを介して支持する環状のフレームを固定するためのクランプ３６２が配設されている。
【００１７】
上記第１の滑動ブロック３２は、その下面に上記一対の案内レール３１、３１と嵌合する一対の被案内溝３２１、３２１が設けられているとともに、その上面にＸ軸方向に沿って平行に形成された一対の案内レール３２２、３２２が設けられている。このように構成された第１の滑動ブロック３２は、被案内溝３２１、３２１が一対の案内レール３１、３１に嵌合することにより、一対の案内レール３１、３１に沿ってＸ軸方向に移動可能に構成される。図示の実施形態におけるチャックテーブル機構３は、第１の滑動ブロック３２を一対の案内レール３１、３１に沿ってＸ軸方向に移動させるためのＸ軸方向移動手段３７を具備している。Ｘ軸方向移動手段３７は、上記一対の案内レール３１と３１の間に平行に配設された雄ネジロッド３７１と、該雄ネジロッド３７１を回転駆動するためのパルスモータ３７２等の駆動源を含んでいる。雄ネジロッド３７１は、その一端が上記静止基台２に固定された軸受ブロック３７３に回転自在に支持されており、その他端が上記パルスモータ３７２の出力軸に伝動連結されている。なお、雄ネジロッド３７１は、第１の滑動ブロック３２の中央部下面に突出して設けられた図示しない雌ネジブロックに形成された貫通雌ネジ穴に螺合されている。従って、パルスモータ３７２によって雄ネジロッド３７１を正転および逆転駆動することにより、第一の滑動ブロック３２は案内レール３１、３１に沿ってＸ軸方向に移動せしめられる。
【００１８】
図示の実施形態における３次元計測装置は、上記チャックテーブル３６の移動位置を検出するためのＸ軸方向位置検出手段３７４を備えている。Ｘ軸方向位置検出手段３７４は、案内レール３１に沿って配設されたリニアスケール３７４aと、第１の滑動ブロック３２に配設され第１の滑動ブロック３２とともにリニアスケール３７４aに沿って移動する読み取りヘッド３７４bとからなっている。このＸ軸方向位置検出手段３７４の読み取りヘッド３７４bは、図示の実施形態においては1μm毎に１パルスのパルス信号を後述する制御手段に送る。そして後述する制御手段は、入力したパルス信号をカウントすることにより、チャックテーブル３６のＸ軸方向移動位置を検出する。
【００１９】
上記第２の滑動ブロック３３は、その下面に上記第１の滑動ブロック３２の上面に設けられた一対の案内レール３２２、３２２と嵌合する一対の被案内溝３３１、３３１が設けられており、この被案内溝３３１、３３１を一対の案内レール３２２、３２２に嵌合することにより、Y軸方向に移動可能に構成される。図示の実施形態におけるチャックテーブル機構３は、第２の滑動ブロック３３を第１の滑動ブロック３２に設けられた一対の案内レール３２２、３２２に沿ってY軸方向に移動させるための第１のY軸方向移動手段３８を具備している。第１のY軸方向移動手段３８は、上記一対の案内レール３２２と３２２の間に平行に配設された雄ネジロッド３８１と、該雄ネジロッド３８１を回転駆動するためのパルスモータ３８２等の駆動源を含んでいる。雄ネジロッド３８１は、その一端が上記第１の滑動ブロック３２の上面に固定された軸受ブロック３８３に回転自在に支持されており、その他端が上記パルスモータ３８２の出力軸に伝動連結されている。なお、雄ネジロッド３８１は、第２の滑動ブロック３３の中央部下面に突出して設けられた図示しない雌ネジブロックに形成された貫通雌ネジ穴に螺合されている。従って、パルスモータ３８２によって雄ネジロッド３８１を正転および逆転駆動することにより、第２の滑動ブロック３３は案内レール３２２、３２２に沿ってY軸方向に移動せしめられる。
【００２０】
図示の実施形態における３次元計測装置は、上記第２の滑動ブロック３３のY軸方向移動位置を検出するためのY軸方向移動位置検出手段３８４を備えている。Y軸方向移動位置検出手段３８４は、案内レール３２２に沿って配設されたリニアスケール３８４aと、第２の滑動ブロック３３に配設され第２の滑動ブロック３３とともにリニアスケール３８４aに沿って移動する読み取りヘッド３８４bとからなっている。このY軸方向移動位置検出手段３８４の読み取りヘッド３８４bは、図示に実施形態においては1μm毎に１パルスのパルス信号を後述する制御手段に送る。そして後述する制御手段は、入力したパルス信号をカウントすることにより、チャックテーブル３６の割り出し送り位置を検出する。
【００２１】
上記計測ユニット支持機構４は、静止基台２上にY軸方向に沿って平行に配設された一対の案内レール４１、４１と、該案内レール４１、４１上にY軸方向に移動可能に配設された可動支持基台４２を具備している。この可動支持基台４２は、案内レール４１、４１上に移動可能に配設された移動支持部４２１と、該移動支持部４２１に取り付けられた装着部４２２とからなっている。装着部４２２は、一側面にZ軸方向に延びる一対の案内レール４２３、４２３が平行に設けられている。図示の実施形態における計測ユニット支持機構４は、可動支持基台４２を一対の案内レール４１、４１に沿ってY軸方向に移動させるための第２のY軸方向移動手段４３を具備している。第２のY軸方向移動手段４３は、上記一対の案内レール４１、４１の間に平行に配設された雄ネジロッド４３１と、該雄ネジロッド４３１を回転駆動するためのパルスモータ４３２等の駆動源を含んでいる。雄ネジロッド４３１は、その一端が上記静止基台２に固定された図示しない軸受ブロックに回転自在に支持されており、その他端が上記パルスモータ４３２の出力軸に伝動連結されている。なお、雄ネジロッド４３１は、可動支持基台４２を構成する移動支持部４２１の中央部下面に突出して設けられた図示しない雌ネジブロックに形成された雌ネジ穴に螺合されている。このため、パルスモータ４３２によって雄ネジロッド４３１を正転および逆転駆動することにより、可動支持基台４２は案内レール４１、４１に沿ってY軸方向に移動せしめられる。
【００２２】
図示の実施形態のおける計測ユニット５は、ユニットホルダ５１と、該ユニットホルダ５１に取り付けられた円筒形状のユニットハウジング５２を具備しており、ユニットホルダ５１が上記可動支持基台４２の装着部４２２に一対の案内レール４２３、４２３に沿って移動可能に配設されている。ユニットホルダ５１に取り付けられたユニットハウジング５２には、上記チャックテーブル３６に保持された被計測物に形成されている細孔の形状を計測するための計測手段が配設されている。この計測手段については後で詳細に説明する。
【００２３】
図示の実施形態における計測ユニット５は、ユニットホルダ５１を一対の案内レール４２３、４２３に沿ってZ軸方向に移動させるためのZ軸方向移動手段５６を具備している。Z軸方向移動手段５６は、上記X軸方向移動手段３７や第１のY軸方向移動手段３８および第２のY軸方向移動手段４３と同様に一対の案内レール４２３、４２３の間に配設された雄ネジロッド（図示せず）と、該雄ネジロッドを回転駆動するためのパルスモータ５６２等の駆動源を含んでおり、パルスモータ５６２によって図示しない雄ネジロッドを正転および逆転駆動することにより、ユニットホルダ５１とユニットハウジング５２を一対の案内レール４２３、４２３に沿ってZ軸方向に移動せしめる。
【００２４】
図示の実施形態における計測ユニット５は、計測ユニット５のZ軸方向位置を検出するためのZ軸方向位置検出手段５７を具備している。Z軸方向位置検出手段５７は、上記案内レール４２３、４２３と平行に配設されたリニアスケール５７aと、上記ユニットホルダ５１に取り付けられユニットホルダ５１とともにリニアスケール５７aに沿って移動する読み取りヘッド５７bとからなっている。このZ軸方向位置検出手段５７の読み取りヘッド５７bは、図示の実施形態においては1μm毎に１パルスのパルス信号を後述する制御手段に送る。また、計測ユニット５は、ユニットハウジング５２の前端部に配設され後述する被計測物の計測領域を撮像する撮像手段５８を備えている。この撮像手段５８は、撮像した画像信号を後述する制御手段に送る。
【００２５】
次に、計測ユニット５のユニットハウジング５２に配設された計測手段について、図２を参照して説明する。
図示の実施形態における計測手段６は、所定の波長領域を有する光を発する発光源６０と、該発光源６０からの光を平行光に形成するコリメーションレンズ６１と、該コリメーションレンズ６１によって平行光に形成された光を第１の経路６aと第２の経路6ｂに導くとともに第１の経路６aを逆行する反射光と第２の経路6ｂを逆行する反射光を第３の経路６cに導く光分岐手段６２を具備している。発光源６０は、例えば波長(λ)が４００〜５００nm領域の光を発光するLED、SLD、LD、ハロゲン光源、ASE光源、スーパーコンティニアム光源を用いることができる。上記光分岐手段６２は、発光源６０からの光を第１の光として第１の経路６aに導くとともに第２の光として第２の経路6ｂに導き、また、第１の経路６aを逆行する第１の反射光と第２の経路6ｂを逆行する第２の反射光を第３の経路６cに導く。この光分岐手段６２は、図２に示す実施形態においてはハーフミラーからなるビームスプリッター６２１によって構成されている。
【００２６】
上記第１の経路６aには、対物レンズ６３が配設されているとともに、光分岐手段６２と対物レンズ６３との間にスキャニングミラー６４が配設されている。対物レンズ６３は、第１の経路６aに導かれた第１の光を集光して上記チャックテーブル３６に保持された測定対象物としての被計測物Wに導く。上記スキャニングミラー６４は例えばガルバノスキャナーによって構成され、後述する制御手段によって制御され、光分岐手段６２から第１の経路６aに導かれた第１の光をX軸方向およびY軸方向に揺動して対物レンズ６３に導く。従って、スキャニングミラー６４は、光分岐手段６２から第１の経路６aに導かれ対物レンズ６３によって集光される第１の光を被計測物WのX軸方向位置およびY軸方向位置に位置付ける位置付け手段として機能する。
【００２７】
上記第２の経路6ｂには、光分岐手段６２から第２の経路6ｂに導かれた第２の光を反射して基準となる光路長を設定する反射板６５が配設されている。この反射板６５は、光分岐手段６２から第２の経路6ｂに導かれた第２の光を反射し第２の反射光として光分岐手段６２に導く。なお、反射板６５は、光軸方向に移動可能に構成されており、後述する調整後に固定するようになっている。
【００２８】
上記第３の経路６cには、光分岐手段６２から第３の経路６cに導かれた干渉光を集光する集光レンズ６７と、該集光レンズ６７によって集光された干渉光を伝送する伝送手段６８としてのピンホール６８１aを備えたピンホールマスク６８１と、伝送手段６８によって伝送された干渉光を平行光に形成するコリメーションレンズ６９と、該コリメーションレンズ６９によって平行光に形成された干渉光を各波長毎に分光する回折格子７０と、結像レンズ７１と、回折格子７０によって分光された干渉光の各波長の光強度を検出して光強度信号を出力するラインイメージセンサー７２が配設されており、ラインイメージセンサー７２は光強度信号をデータ処理機能を含む制御手段８０に出力する。なお、上記ピンホールマスク６８１のピンホール６８１aは、上記対物レンズ６３の集光点位置に被計測物Wの表面を位置付け、この被計測物Wの表面で反射した反射光が集光レンズ６７によって集光された集光点の位置である共焦点関係になるように位置付けられる。
【００２９】
制御手段８０は、イメージセンサー７２による検出信号から分光干渉波形を求め、該分光干渉波形と理論上の波形関数に基づいて波形解析を実行する。即ち、制御手段８０は、イメージセンサー７２からの検出信号に基づいて図３に示すような分光干渉波形を求める。図３において横軸は反射光の波長を示し、縦軸は光強度を示している。
【００３０】
以下、制御手段８０が上記分光干渉波形と理論上の波形関数に基づいて実行する波形解析の一例について説明する。
上記第１の経路６aにおける光分岐手段６２から対物レンズ６３の集光点位置Pまでの距離、即ちチャックテーブル３６に保持された被計測物Wの表面までの光路長を（L1）とし、第２の経路6ｂにおける光分岐手段６２から反射板６５までの光路長を（L2）とし、両光路の光路長差を(d)（d＝L1−L2）とする。
【００３１】
制御手段８０は、上記分光干渉波形と理論上の波形関数に基づいて波形解析を実行する。この波形解析は、例えばフーリエ変換理論やウエーブレット変換理論に基づいて実行することができるが、以下に述べる実施形態においては下記数式１、数式２、数式３に示すフーリエ変換式を用いた例について説明する。
【００３２】
【数１】
2012229958.tif 000003
【００３３】
【数２】
2012229958.tif 000004
【００３４】
【数３】
2012229958.tif 000005
【００３５】
上記数式において、λは波長、dは上記光路長差（d＝L1−L2）、W(λn)は窓関数である。
上記数式１は、cosの理論波形と上記分光干渉波形（I（λn））との比較で最も波の周期が近い（相関性が高い）、即ち分光干渉波形と理論上の波形関数との相関係数が高い光路長差(d)を求める。また、上記数式２は、sinの理論波形と上記分光干渉波形（I（λn））との比較で最も波の周期が近い（相関性が高い）、即ち分光干渉波形と理論上の波形関数との相関係数が第１の光路長差（d1＝L1−L2）を求める。そして、上記数式３は、数式１の結果と数式２の結果の平均値を求める。
【００３６】
制御手段８０が上記数式１、数式２、数式３に基づく演算を実行することにより、図４に示すように光路長差（d＝L1−L2）の位置において高い光強度が表される。図４において横軸は光路長差（d＝L1−L2）を示し、縦軸は光強度を示している。そして、第２の経路6ｂに配設された反射板６５を光軸方向に移動して光強度のピークが上記共焦点、即ち対物レンズ６３の集光点位置(P)においてピークとなるように第２の経路6ｂにおける光分岐手段６２から反射板６５までの光路長を（L2）を調整して固定する。このように反射板６５を光軸方向に移動調整して光強度のピークが対物レンズ６３の集光点位置(P) においてピークとなる位置に固定した状態における光路長差を（d1）とすると、上記分光干渉波形と理論上の波形関数に基づく波形解析によって出力される光強度は、図５に示すように光路長差を（d1）において最も高い値を示すことになる。従って、対物レンズ６３を光軸方向（Z軸方向）に移動させる際に対物レンズ６３の集光点位置(P)の位置における光強度を計測することにより、被計測物のZ軸方向における被測定面である輪郭位置を求めることができる。
【００３７】
図示の実施形態における３次元計測装置は以上のように構成されており、以下その作用について説明する。
図６には、被計測物としての半導体ウエーハ１０が環状のフレームFに装着された保護テープTの表面に貼着された状態の斜視図が示されている。半導体ウエーハ１０はシリコンウエーハからなり表面１０ａに格子状に配列された複数の分割予定ライン１０１によって複数の領域が区画され、この区画された領域にＩＣ、ＬＳＩ等のデバイス１０２がそれぞれ形成されている。この各デバイス１０２は、全て同一の構成をしている。デバイス１０２にはそれぞれ電極を埋設するための複数のレーザー加工孔１０３が形成されている。このレーザー加工孔１０３は、直径が例えば５０μmで深さが例えば１００μmに設定されている。このように形成された半導体ウエーハ１０における各デバイス１０２およびレーザー加工孔１０３のX,Y座標値は、その設計値のデータが上記制御手段８０のメモリに格納されている。
【００３８】
以下、上述した３次元計測装置を用いて上記半導体ウエーハ１０に形成されたレーザー加工孔１０３がどのような形状に形成されているかを計測する方法について説明する。
図６に示すように環状のフレームFに保護テープTを介して支持された半導体ウエーハ１０は、図１に示す３次元計測装置のチャックテーブル３６上に保護テープT側を載置する。そして、図示しない吸引手段を作動することにより半導体ウエーハ１０は、保護テープTを介してチャックテーブル３６上に吸引保持される。また、環状のフレームFは、クランプ３６２によって固定される。
【００３９】
上述したように半導体ウエーハ１０を吸引保持したチャックテーブル３６は、Ｘ軸方向移動手段３７によって撮像手段５８の直下に位置付けられる。チャックテーブル３６が撮像手段５８の直下に位置付けられると、チャックテーブル３６上の半導体ウエーハ１０は、図７に示す座標位置に位置付けられた状態となる。この状態で、チャックテーブル３６に保持された半導体ウエーハ１０に形成されている格子状の分割予定ライン１０１がX軸方向とY軸方向に平行に配設されているか否かのアライメント作業を実施する。即ち、撮像手段５８によってチャックテーブル３６に保持された半導体ウエーハ１０を撮像し、パターンマッチング等の画像処理を実行してアライメント作業を行う。
【００４０】
次に、チャックテーブル３６を移動して、半導体ウエーハ１０に形成されたデバイス１０２に形成されているレーザー加工孔１０３の一つを計測手段６を構成する対物レンズ６３の直下に位置付ける。レーザー加工孔１０３の一つを対物レンズ６３の直下に位置付けたならば、Z軸方向移動手段５６を作動して対物レンズ６３による集光点をZ軸方向の所定位置（Z1位置）に位置付ける。そして、発光源６０を作動して検出光を照射するとともにスキャニングミラー６４を作動して対物レンズ６３による集光点を設定された各X,Y座標に位置付ける。このZ1位置の各X,Y座標において上記波形解析の結果得られた対物レンズ６３の集光点位置(P)の光強度を計測して制御手段８０のメモリに格納する（計測工程）。次に、Z軸方向移動手段５６を作動して対物レンズ６３による集光点をZ1位置から所定量（例えば１μｍ）下方のZ2位置に位置付けるとともに、スキャニングミラー６４を作動して対物レンズ６３による集光点を設定された各X,Y座標に位置付け、Z2位置の各X,Y座標において上記波形解析の結果得られた対物レンズ６３の集光点位置(P)の光強度を計測して制御手段８０のメモリに格納する。この計測工程を対物レンズ６３による集光点を順次下降させて設定されたZn位置まで実施する。
【００４１】
上述した計測工程を実施したならば、制御手段８０は計測データに基づいてレーザー加工孔１０３の輪郭位置のX,Y,Z座標を求める。図８の(a)には例えばx1,y1座標における各Z位置に位置付けられた対物レンズ６３の集光点位置(P)の光強度が示されており、図８の(ｂ)には例えばx10,y10座標における各Z位置における対物レンズ６３の集光点位置(P)の光強度が示されている。図８の(a)に示すx1,y1座標においてはZ1位置における光強度が最大であり、Z1位置に被測定面が位置している。一方、図８の(b)に示すx10,y10座標においてはZ3位置における光強度が最大であり、Z3位置に被測定面が位置していることが判る。このようにして、設定された全てのX,Y座標における各Z位置の光強度の最大値に対応するZ位置を求め、このX,Y,Z座標をメモリに保存する。このように対物レンズ６３の集光点位置(P)に対応する光強度に基づいて被測定面を判定するので、反射率の低い被計測物であっても輪郭を正確に計測することができる。なお、各Z位置の光強度を比較する際に、集光点位置(P)を中心として一定範囲の光強度を積分した値を求め、この積分値の最も高いZ位置を求めことにより、より正確なZ位置を求めることができる。そして、制御手段８０は、メモリに保存されたX,Y,Z座標に基づいて図９に示すようにレーザー加工孔１０３の３次元画像を形成し、この３次元画像を表示手段８１に表示する。
【００４２】
次に、本発明による３次元計測装置の他の実施形態について、図１０を参照捨て説明する。なお、図１０においては上記図３に示す計測手段６を構成する各部材と同一部材には同一不動を付して、その説明は省略する。
図１０に示す計測手段６においては、発光源６０と光分岐手段６２との間に光分岐手段６２を介して第１の経路６aに導かれる第１の光と第２の経路6ｂに導かれる第２の光の光量を調整する光量調整手段７３を具備している。この光量調整手段７３は、発光源６０と光分岐手段６２との間に間隔をおいて配設された第１のλ／２波長板７３１および第２のλ／２波長板７３２と、該第１のλ／２波長板７３１と第第２のλ／２波長板７３２との間に配設された偏光ビームスプリッター７３３と、該偏光ビームスプリッター７３３によって反射した光を吸収するバッファー７３４とを具備している。図示の実施形態における光量調整手段７３は以上のように構成されており、以下その作用について説明する。発光源６０から発せられた直線偏光の光は、第１のλ／２波長板７３１によって偏光面が回転せしめられ、偏光ビームスプリッター７３３に入光するとS波がバッファー７３４に向けて分光され、P波が偏光ビームスプリッター７３３を通過して第２のλ／２波長板７３２を通して光分岐手段６２に導かれる。従って、第１のλ／２波長板７３１の回動角を調整することにより、偏光ビームスプリッター７３３によってバッファー７３４に向けて分光されるS波を調整することができるので、偏光ビームスプリッター７３３によって第１の経路６aに導かれる第１の光と第２の経路6ｂに導かれる第２の光の光量を調整することができる。
【００４３】
また、図１０に示す計測手段６においては、第１の経路６aにおける光分岐手段６２とスキャニングミラー６４との間に配設された第１のλ／４波長板７４１と、第２の経路6ｂにおける光分岐手段６２と反射板６５との間に配設された第２のλ／４波長板７４２を具備している。このように第１の経路６aに第１のλ／４波長板７４１を配設するとともに第２の経路6ｂに第２のλ／４波長板７４２を配設する際には、光分岐手段６２は偏光ビームスプリッター６２２を用いる。このように構成された光分岐機構は、次のように機能する。即ち、第２のλ／２波長板７３２を通過し偏光面がビームスプリッター６２２に対して４５度回転せしめられた光は、光分岐手段６２としての偏光ビームスプリッター６２２によってS波が第２の経路6ｂに導かれ、P波が第１の経路６aに導かれる。第２の経路6ｂに導かれたS波は第２のλ／４波長板７４２によって円偏光に変換されて反射板６５に達し、該反射板６５で反射した反射光（第２の反射光）が再度第２のλ／４波長板７４２によって偏光面が９０度回転せしめられてP波に変換され、光分岐手段６２としての偏光ビームスプリッター６２２を通過して第３の経路６cに導かれる。一方、光分岐手段６２としての偏光ビームスプリッター６２２によって第１の経路６aに導かれたP波は第１のλ／４波長板７４１によって円偏光に変換されてスキャニングミラー６４および対物レンズ３を介して被計測物に照射される。そして、被計測物で反射した反射光（第１の反射光）が第１のλ／４波長板７４１によって偏光面が９０度回転せしめられてS波に変換され、光分岐手段６２としての偏光ビームスプリッター６２２を通過して第３の経路６cに導かれる。このよに、光分岐手段６２として偏光ビームスプリッター６２２を用いるとともに、第１の経路６aにおける光分岐手段６２としての偏光ビームスプリッター６２２とスキャニングミラー６４との間に第１のλ／４波長板７４１を配設し、第２の経路6ｂにおける光分岐手段６２としての偏光ビームスプリッター６２２と反射板６５との間に第２のλ／４波長板７４２を配設することにより、光の利用効率を向上させることができる。図１０に示す計測手段６においては、偏光ビームスプリッター６２２と集光レンズ６７との間に偏光板６６が配設されている。この偏光板６６は、光分岐手段６２から第３の経路６cに導かれた上記第１の反射光と第２の反射光の偏光面を一致させ干渉光を生成せしめる。
【００４４】
更に、図１０に示す計測手段６においては、第３の経路６cに導かれ偏光板６６によって偏光面が一致させられ集光レンズ６７によって集光された干渉光を伝送する伝送手段６８が、光ファイバー６８２によって構成されている。このように、集光レンズ６７によって集光された干渉光を伝送する伝送手段６８として光ファイバー６８２を用いることにより、集光レンズ６７によって集光された干渉光だけを確実にコリメーションレンズ６９へ伝送することができる。
【符号の説明】
【００４５】
２：静止基台
３：チャックテーブル機構
３６：チャックテーブル
３７：Ｘ軸方向移動手段
３７４：Ｘ軸方向位置検出手段
３８：第１のY軸方向移動手段
３８４：Y軸方向移動位置検出手段
４：計測ユニット支持機構
４２：可動支持基台
４３：第２のY軸方向移動手段
５：計測ユニット
５７：Z軸方向位置検出手段
５８：撮像手段
６：計測手段
６０：発光源
６２：光分岐手段
６２１：ハーフミラーからなるビームスプリッター
６２２：偏光ビームスプリッター
６３：対物レンズ
６４：スキャニングミラー
６５：反射板
６６：偏光板
６７：集光レンズ
６８：伝送手段
６８１：ピンホールマスク
６８２：光ファイバー
６９：コリメーションレンズ
７０：回折格子
７１：結像レンズ
７２：ラインイメージセンサー
８０：制御手段
１０：半導体ウエーハ
【図１】
2012229958.tif 000006
【図２】
2012229958.tif 000007
【図３】
2012229958.tif 000008
【図４】
2012229958.tif 000009
【図５】
2012229958.tif 000010
【図６】
2012229958.tif 000011
【図７】
2012229958.tif 000012
【図８】
2012229958.tif 000013
【図９】
2012229958.tif 000014
【図１０】
2012229958.tif 000015
【図１１】
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