(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料と対物レンズの一方を光軸方向に所定のサンプリング間隔で移動させながら共焦点パターンを通過した光源からの光を前記対物レンズを介して前記試料上で走査し、
前記対物レンズを介して前記共焦点パターンを透過した前記試料からの光を光電変換手段で複数のセクショニング像として取得し、
前記光電変換手段によって取り込まれた複数の前記セクショニング像に基づいて所定の関数により合焦位置を求め、合焦が得られない場合に、前記対物レンズの瞳位置又は前記対物レンズの瞳位置と共役な位置に配置された絞りにより前記対物レンズのＮＡを変更して、走査することから合焦位置を求めるまでの動作を繰り返すことを特徴とする自動合焦方法。
【請求項２】
試料と対物レンズの一方を光軸方向に所定のサンプリング間隔で移動させながら共焦点パターンを通過した光源からの光で前記試料を走査し、
前記対物レンズを介して前記共焦点パターンを透過した前記試料からの光を光電変換手段で複数のセクショニング像として取得し、
前記光電変換手段によって取り込まれた複数の前記セクショニング像に基づいて所定の関数により合焦位置を求め、
合焦が得られない場合に、前記対物レンズのＮＡを小さくするように前記対物レンズの瞳位置又はこの瞳位置と共役な位置に配置された可変絞りの開口径を変更して、複数のセクショニング像を光電変換手段により取り込むことから合焦位置を求めるまでの動作を繰り返すことを特徴とする自動合焦方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の自動合焦方法において、前記対物レンズに高ＮＡの低倍対物レンズを用いたことを特徴とする自動合焦方法。
【請求項４】
請求項１または２に記載の自動合焦方法において、前記対物レンズのＮＡを変更したときに前記所定のサンプリング間隔を変えずに複数のセクショニング像を取り込むことを特徴とする自動合焦方法。
【請求項５】
請求項１または２に記載の自動合焦方法において、前記合焦位置を求める動作は、前記セクショニング像を３枚以上取得するまで繰り返されることを特徴とする自動合焦方法。
【請求項６】
請求項１または２に記載の自動合焦方法において、前記セクショニング像が、前記対物レンズの収差により乱れを生じている部分のデータを使用しているかを判定し、前記データを使用している場合には、前記対物レンズのＮＡを小さくしてセクショニング像を取得することを特徴とする自動合焦方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、共焦点顕微鏡において自動的に焦点調整を行う自動合焦方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近、ＬＳＩの高集積化にともないＬＳＩチップの電極数が増大している。更に、ＬＳＩの実装密度も高くなっている。このような背景から、ＬＳＩチップの電極としてバンプ電極が採用されるようになってきている。
【０００３】
図１は、このようなバンプ電極が形成されたＬＳＩチップの概略構成を示す図である。図１示すように、ＬＳＩチップ１００上に半球状のバンプ１０１が複数形成されている。この場合において、バンプ１０１の大きさやバンプ１０１間のピッチは様々である。例えば半径５０μｍ、ピッチ２００μｍなどのバンプが用いられている。この時、ＬＳＩチップ１００が１０ｍｍ×１０ｍｍであれば、数千個にもなる膨大な数のバンプが形成されていることになる。
【０００４】
そして、このようなバンプ１０１が形成されたＬＳＩチップ１００は、図２に示すように基板１０２上に逆さまにして接触させるとともに、基板１０２上の電極（図示せず）にバンプ１０１を接続する、所謂、フリップチップ接続が行われる。
【０００５】
この場合、当然のことながら基板１０２上の電極（図示せず）とバンプ１０１の間は、正確に接続されることが重要である。このためバンプ１０１の形状および高さが正確に形成されていることが必要になる。
【０００６】
ところが、ＬＳＩチップ１００上のバンプ１０１は、図３に示すように、設計上、点線で示した高さレベルに高さ寸法が揃っていることが前提になっている、しかし、実際は、製造上の誤差などにより黒塗りしたバンプ１０１′のように設計高さよりも、高いバンプや低いバンプが存在する。従って、このようなＬＳＩチップ１００に対して上述したフリップチップ接続を行うと、基板１０２との間で接触不良を発生するおそれが生じる。
【０００７】
このため、このようなバンプ１０１が形成されるＬＳＩチップ１００として、バンプ１０１の高さが、あるバラツキの範囲のもののみを使用する必要がある。このような背景から、フリップチップ接続の前に全バンプの高さを数μｍの精度でインライン検査することが要求されている。
【０００８】
そこで、共焦点光学系を用いた高さ測定装置が考えられている（特開平９−１１３２３５号公報、特開平９−１２６７３９号公報参照）。この場合における共焦点光学系としては、レーザ走査式やディスク方式（Ｎｉｐｋｏｗディスク）が知られているが、いずれも高さ方向（光軸方向）の分布を検出光量に変換する機能を有する。
【０００９】
図４は、上記のような共焦点光学系の原理を示す図である。光源２１１から放射された光はピンホール２１２、ビームスプリッタ２１３、対物レンズ２１４を通ってサンプル２１５上に集光する。また、サンプル２１５で反射した光は、対物レンズ２１４、ビームスプリッタ２１３を通ってピンホール２１６に集光されて、ＣＣＤなどの光検出器２１７で受光される。ここで、サンプル２１５が光軸方向にΔＺずれたとする。サンプル２１５で反射した光は、図示破線の経路を通って検出ピンホール２１６上では、大きく広がる。このため、検出ピンホール２１６を通過できる光量は非常に小さくなり、実質的には通過光量は０とみなせる。
【００１０】
図５は、サンプル２１５のＺ方向の移動位置と検出ピンホール２１６を通過する光量Ｉの関係（Ｉ−Ｚ特性）を示すグラフである。具体的には、図５は、対物レンズ２１４の開口数（ＮＡ）をパラメータとした場合の焦点位置を基準としたサンプル２１５の位置Ｚと光量Ｉの関係を最大値で規格化して示すである。図５において、サンプル２１５が焦点位置（Ｚ＝０）にある場合に最も光量Ｉが大きく（Ｉ＝１）、焦点位置から離れるにしたがい光量Ｉが減少する。従って、共焦点光学系でサンプル２１５を観察すると、焦点位置付近だけが明るく見える。この効果を、共焦点光学系のセクショニング効果と呼んでいる。つまり、通常の光学顕微鏡では、焦点位置から外れた部分のボケ像と合焦位置の像が重なって観察される。ところが、共焦点光学系では、セクショニング効果により合焦位置だけのスライス像が観察される。これが共焦点光学系と通常の光学顕微鏡と大きく異なる点である。また、セクショニング効果は、対物レンズ２１４のＮＡが大きいほど顕著である。例えば、ＮＡ＝０．３の場合、焦点位置から±１０μｍ以内のサンプル２１５のスライス像だけが観察できる。
【００１１】
特開平９−１１３２３５号公報では、次のようにして、高さ情報を得るようにしている。共焦点光学系のＩ−Ｚ特性を利用して離散的なセクショニング画像を取得する。各画素の最大輝度を含む３つのＩＺデータから２次曲線を近似する。そして、ＩＺピーク位置を推定して高さ情報を得る。つまり、上記の文献によれば、共焦点光学系のセクショニング効果を利用してカーブフィッティング、例えば上述の２次曲線近似を行い、サンプルの高さ測定を行うようにしている。しかし、この場合には、ＩＺカーブのある強度以上の中に、最低３枚のセクショニング画像が必要である。ここで、セクショニング画像を３枚必要とする理由は、２次元近似を行う場合には、未知数が３個あるため、３点のデータが必要であるためである。
【００１２】
また、３枚のセクショニング画像は、ＩＺカーブの所定の強度以上で得られた画像でなければならない。その理由を図６に基づいて説明する。図６は、実際にＮＡ＝０．３の対物レンズのＩＺカーブを測定した例を示す図である。図６から明らかなように、実測ＩＺカーブの裾野部分は、対物レンズの収差により、その形状が乱れている。従って、カーブフィッティングを行うには、ＩＺカーブの乱れが問題にならない部分のデータを使用する必要がある。ＩＺカーブの乱れが問題にならない部分は、図６によれば、強度が０．４以上のあたりと考えてよい。簡単のため、強度が０．５以上のデータを採用するものと仮定すると、強度０．５以上の領域にカーブフィッティングを計算するのに最低限必要なデータ点数（２次曲線にフィッティングする場合はデータ数３個）が必要となる。このため、Ｚ方向のサンプリング間隔の最大値の制限が出てくる。そして、強度０．５におけるＺ方向のＩＺカーブの全幅をＷ０．５とすると、Ｗ０．５＝８μｍである。Ｗ０．５＝８μｍの中で３個のデータを取得するためには、Ｚ方向のサンプリング間隔を、最も粗い場合で８μｍ／３＝２．６７μｍとしなければならない。従って、図６のＩＺカーブでは、Ｚ方向のサンプリング間隔を、２．６７μｍより粗くすることはできない。
【００１３】
【特許文献１】
特開平９−１１３２３５号公報
【特許文献２】
特開平９−１２６７３９号公報
【特許文献３】
国際公開番号第９７／３１２８２号
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のようにしてカーブフィッティングを行いながら高さ測定を行うような場合には、上述したＺ方向のサンプリング間隔の最大値の制限から、この制限値よりも粗くＺ方向のサンプリングを行うことができない。
【００１５】
このために、以下のような問題が生じる。
【００１６】
例えば、バンプ高さ検査において、高さ測定精度を多少犠牲にしても大きな測定レンジが必要で、かつ検査時間を増大させたくない場合を考慮する。この場合には、検査時間を増大させないために、Ｚ方向のサンプリング間隔を粗くしてセクショニング画像の取得枚数を抑えることが効果的である、しかし、上述したようにセクショニング画像のＺ方向のサンプリング間隔の最大値制限がある。このため、大きな高さ測定レンジに対応するためには、セクショニング画像の枚数を増やすしかなくなってしまう。その結果、バンプ高さ検査時間が増大してしまい、１チップあたりの検査コストの増大を招くという問題が生じる。
【００１７】
この問題を解決するため、ＮＡの異なる複数の対物レンズを切換えて使用することが考えられる。しかし、バンプ高さ検査に用いられるような低倍率（広視野）の割にＮＡが大きい（ＮＡ＝０．３、ＮＡ＝０．２５など）対物レンズは、大型で高価である。加えて、対物レンズの切換え機構も複雑になる。従って、この場合も１チップあたりの検査コストの増大を招くという問題が生じる。
【００１８】
本発明の目的は、検査コストの低減を図ることができる自動合焦方法を提供することである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１局面に係る自動合焦方法は、試料と対物レンズの一方を光軸方向に所定のサンプリング間隔で移動させながら共焦点パターンを通過した光源からの光を前記対物レンズを介して前記試料上で走査し、前記対物レンズを介して前記共焦点パターンを透過した前記試料からの光を光電変換手段で複数のセクショニング像として取得し、前記光電変換手段によって取り込まれた複数の前記セクショニング像に基づいて所定の関数により合焦位置を求め、合焦が得られない場合に、前記対物レンズの瞳位置又は前記対物レンズの瞳位置と共役な位置に配置された絞りにより前記対物レンズのＮＡを変更して、走査することから合焦位置を求めるまでの動作を繰り返すことを特徴とする。
【００２０】
本発明の第２局面に係る自動合焦方法は、試料と対物レンズの一方を光軸方向に所定のサンプリング間隔で移動させながら共焦点パターンを通過した光源からの光で前記試料を走査し、前記対物レンズを介して前記共焦点パターンを透過した前記試料からの光を光電変換手段で複数のセクショニング像として取得し、前記光電変換手段によって取り込まれた複数の前記セクショニング像に基づいて所定の関数により合焦位置を求め、合焦が得られない場合に、前記対物レンズのＮＡを小さくするように前記対物レンズの瞳位置又はこの瞳位置と共役な位置に配置された可変絞りの開口径を変更して、複数のセクショニング像を光電変換手段により取り込むことから合焦位置を求めるまでの動作を繰り返すことを特徴とする。
【００２１】
第１局面および第２局面において、下記の実施態様が好ましい。なお、下記の実施態様は、独立で適用しても良いし、適宜組合わせて適用しても良い。
【００２２】
（１）  前記対物レンズに高ＮＡの低倍対物レンズを用いたこと。
【００２３】
（２）  前記対物レンズのＮＡを変更したときに前記所定のサンプリング間隔を変えずに複数のセクショニング像を取り込むこと。
【００２４】
（３）  前記合焦位置を求める動作は、前記セクショニング像を３枚以上取得するまで繰り返されること。
【００２５】
（４）  前記セクショニング像が、対物レンズの収差により乱れを生じている部分のデータを使用しているかを判定し、前記データを使用している場合には、前記対物レンズのＮＡを小さくしてセクショニング像を取得すること。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に従い説明する。
【００２７】
（第１の実施の形態）
図７は、本発明の第１の実施の形態が適用される共焦点顕微鏡の概略構成を示す図である。
【００２８】
図７において、ハロゲン光源又は水銀光源等を有する光源１から出射される光の光路上に、光源１とともに照明光学系を形成するレンズ２、ＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）３が配置されている。また、ＰＢＳ３の反射光路上には、例えばＮｉｐｋｏｗディスク等の共焦点ディスク４、結像レンズ６、１／４波長板７、可変絞り１３、対物レンズ８を介してサンプル９が配置されている。これらは、セクショニング効果を持つ第１の結像光学系を構成する。ここで、可変絞り１３は、対物レンズ８の瞳位置に配置される。また、可変絞り１３として、詳細は後述するように、径を可変可能な羽絞り又は径の異なる複数の開口部を光軸上に選択的に交換可能な固定絞り等（本明細書においては、この種の絞りを全て含んで「可変絞り」と称する。）が用いられる。図７に示す例では、後述するコンピュータ１４の指示により絞り径が無段階に制御される羽絞りが用いられている。また、サンプル９からの反射光のＰＢＳ３の透過光路上には、第１の結像光学系と直列に、第２の結像光学系を構成するレンズ１０、絞り１４１、レンズ１１を介してＣＣＤカメラ１２が配置されている。
【００２９】
共焦点ディスク４として使用されるＮｉｐｋｏｗディスクは、円板上にピンホールの配置が螺旋状であり、各ピンホールの距離がピンホールの直径の１０倍程度に配置されている。共焦点ディスク４は、モータ５の軸に連結され、一定の回転速度で回転される。この共焦点ディスク４は、セクショニング効果を発生するものであれば、国際公開番号第９７／３１２８２号に開示されているＴｏｎｙ  Ｗｉｌｓｏｎディスク等や直線状に形成した透過パターンと遮光パターンを交互に形成したラインパターンディスクであってもよい。また、共焦点ディスク４は、ガラス円板上にパターンを薄膜形成したものに限らず共焦点パターンを映像化できる透過型液晶ディスプレイでもよい。また、サンプル９には、ＬＳＩチップ上に半球状のバンプが形成されており、サンプル９は、サンプルステージ１６上に載置されている。
【００３０】
ＣＣＤカメラ１２にはコンピュータ１４が接続されている。コンピュータ１４からの指示によりＣＣＤカメラ１２における撮像の開始、終了、撮像画像の転送などが制御される。コンピュータ１４は、ＣＣＤカメラ１２で撮像された画像データを取込み演算処理して図示しないモニターに表示させる。コンピュータ１４は、更に、焦点移動装置１５に駆動指令を与える。焦点移動装置１５は、コンピュータ１４の駆動指令により、サンプルステージ１６又は対物レンズ８を光軸方向に移動させて複数枚の画像を取得する。
【００３１】
このような構成において、光源１から出射された光は、レンズ２を通って平行光となる。平行光は、ＰＢＳ３で反射される。ＰＢＳ３で反射された光は、一定の速度で回転する共焦点ディスク４に入射する。共焦点ディスク４のピンホールを通過した光は、結像レンズ６を通り、１／４波長板７で円偏光になる。円偏光は、可変絞り１３を通り対物レンズ８によって結像されて、サンプル９に入射する。サンプル９から反射された光は、対物レンズ８、可変絞り１３を介し、再度、１／４波長板７で入射時とは直交する偏光方向になる。そして、結像レンズ６により共焦点ディスク４上に試料像が投影される。そして、共焦点ディスク４上に投影されたサンプル像のうち焦点の合っている部分は共焦点ディスク４上のピンホールを通過し、さらにＰＢＳ３を透過してレンズ１０、絞り１４１、レンズ１１を介してＣＣＤカメラ１２で撮像される。ＣＣＤカメラ１２で撮像された共焦点画像は、コンピュータ１４に取り込まれ、図示しないモニターに表示される。
【００３２】
ここで、図７では、簡単のため共焦点ディスク４上の複数のピンホールのうち、２個のピンホールを通過した光に着目して図示している。また、共焦点ディスク４のピンホールと対物レンズ８の焦点面は共役であり、結像レンズ６、対物レンズ８、可変絞り１３は両側テレセントリック系の配置になっている。さらに、光源１と可変絞り１３は、共役関係にあり、サンプル９を均一に照明できるケーラー照明となっている。以上のような第１結像光学系によりサンプル９の光軸方向の高さ分布を共焦点光学系のＩ−Ｚ特性を利用して光強度情報に変換することができる。また、可変絞り１３は、前記したように、可変絞り又は交換可能な絞りである。そして、可変絞り１３は、後で詳述するように本発明の最も重要な要件である。
【００３３】
一方、共焦点ディスク４とＣＣＤカメラ１２は、レンズ１０、１１により共役関係にあり、また、レンズ１０、１１、ＣＣＤカメラ１２からなる第２の結像光学系もレンズ１０、１１は、絞り１４１の存在により両側テレセントリック系の配置になっている。この第２の結像光学系は、テレセントリックでなくともよい。しかし、第２の結像光学系の長さが問題にならなければ、周辺光量の低下が起きにくいテレセントリック系が望ましい。
【００３４】
このような第１の結像光学系と第２の結像光学系により、ＣＣＤカメラ１２では、対物レンズ８の焦点面付近だけのセクショニング画像が撮像される。撮像されたセクショニング画像を、モニター上に表示すると、焦点面だけが明るく見え、焦点面から光軸方向にずれた部分は暗く見える。そして、焦点移動装置１５によりサンプルステージ１６又は対物レンズ８を光軸方向に移動させて複数枚の画像を取得すれば、サンプル９の３次元情報を得ることができる。なお、この場合のＸＹの測定範囲は、ＣＣＤカメラ１２での撮像視野、Ｚ測定範囲は、焦点移動させてセクショニング画像を撮像した範囲である。
【００３５】
次に、サンプル９として、ＬＳＩチップ９ａ上に多数形成されたバンプ９ｂを観察した場合の様子を図８Ａ及び図８Ｂにより説明する。
【００３６】
まず、図８Ａは、ＬＳＩチップ９ａ上のバンプ９ｂの頂点付近に合焦した場合の共焦点画像である。図８Ａ中のバンプ９ｂの中心に示した白抜きの明るく見える領域をφとすると、この部分、つまりバンプ９ｂの頂点付近だけが明るい画像が観察できる。なお、図８Ａでは、ＬＳＩチップ９ａ面とバンプ９ｂの黒塗り部分の濃度が異なるように表わされているが、これは説明上のものであって、実際には、明るく見えるのはバンプ９ｂの頂上付近だけであり、それ以外は、ほとんど真っ暗である。
【００３７】
この状態から、合焦位置をＬＳＩチップ９ａ面に近づけて行くと、共焦点光学系のセクショニング効果によりバンプ９ｂの頂上付近は徐々に暗くなる。やがてバンプ９ｂは、真っ暗になる。さらに合焦位置をＬＳＩチップ９ａ面に近づけていくと、徐々にＬＳＩチップ９ａ面が明るく見えてくる。ＬＳＩチップ９ａ面に合焦した状態になると、図８Ｂに示すようにバンプ９ｂは、ほとんど真っ暗な状態になり、ＬＳＩチップ９ａ面が最も明るく見える。
【００３８】
実際には、図８Ａ及び図８Ｂに示す画像は、ＣＣＤカメラ１２により撮像するので、この撮像の場合を考える。ＣＣＤカメラ１２に用いられるＣＣＤの画素寸法は、通常、数μｍ〜１０μｍ程度である。簡単のため、ＣＣＤの画素寸法を１０μｍの正方画素とすると、価格的にも入手が容易になった１０００×１０００（１００万画素）のＣＣＤサイズは、１０×１０ｍｍとなる。この結果、光学系総合倍率を１倍とすれば、１０×１０ｍｍのサンプル９を一度に観察できる。このことから、高速検査を実現するには、光学系総合倍率が１倍になるような広視野光学系を実現する必要がある。しかし、この場合は、第１の結像光学系の倍率が３倍、第２の結像光学系の倍率が１／３倍のような組み合わせが考えられ、また、実用化においては、総合倍率が２倍に設定される場合や１／２倍等の縮小系に設定される場合もある。
【００３９】
次に、第１の結像光学系のＮＡで決定されるセクショニング効果によるセクショニング画像を取得するＺ方向のサンプリング間隔ΔＺについて説明する。
【００４０】
ところで、図５に示すようにセクショニング効果すなわちＩＺカーブの急峻さはＮＡで決定される。図５には、理論ＩＺカーブでＮＡが０．３、０．２５、０．２の３通りが示されている。ここで、このようなＮＡのＩＺカーブを図示した理由は、第１の結像光学系の倍率を３倍程度の低倍率で考えると、実用化可能と考えられる最も大きなＮＡの対物レンズがＮＡ＝０．３程度であるという予想からである。なお、ＮＡが０．２５、０．２と小さくなるほど、その設計、制作の難易度が若干緩和される。しかし、いずれにしても低倍率にしては、高ＮＡなので、対物レンズ８としては、高価で大型のものになる。
【００４１】
次に、実際に、対物レンズ８としてＮＡ＝０．３程度のものを使用して高さ測定を行う場合を説明する。この場合、図５は、理論ＩＺカーブなので焦点位置（Ｚ＝０μｍ）に対して完全に対称形である。しかし、実際のＮＡ＝０．３の対物レンズ８のＩＺカーブにおいては、図６に示すように裾野の部分は、収差により乱れた状態になっている。従って、ＩＺカーブからセクショニング画像をＺ方向にΔＺで離散的にサンプリングして、２次曲線やガウス分布曲線でフィッティングし、そのピーク位置のＺをバンプの高さ情報として得るような場合には、測定精度を高める上で、収差により乱れを生じている裾野部分のデータを使用しないことが必要である。なお、フィッティングに際しては、理論的なＩＺカーブ（（ｓｉｎ（ｘ）／ｘ）２の形式）がガウス分布曲線（ｅｘｐ（−（ｘ−ａ）２／２＊σ２、σ：標準偏差、ａ：平均値）によりかなりよく近似できる。従って、２次曲線よりガウスフィッティングの方が有利である。また、ガウスフィッティングは、自然対数を取れば２次曲線として扱えるので、計算もそれほど面倒でない。
【００４２】
また、ＣＣＤ量子雑音（∝（明るさ）１／２）などのＳ／Ｎの面から考えても焦点位置から大きく離れた暗いデータをフィッティングに使用するのは好ましくない。このような理由から、所定のしきい値Ｉｔｈ以上のデータを有効とし、しきい値Ｉｔｈ以下のデータは無効とするのが好ましい。ガウス又は２次曲線フィッティングのいずれにしろ、数学的にはしきい値Ｉｔｈ以上のデータが最低３個必要となる。最低限必要なデータ個数は、フィッティングに使用する関数に含まれる係数の数と同じである。しかし、上述の理由からフィッティングに使用する関数はガウス分布で十分と考えられる。従って、このあとの説明では、ガウス分布を使用することを前提とする。ただし、ガウス分布で説明したからといって、本発明の主旨は変わらない。
【００４３】
また、しきい値Ｉｔｈの決め方は、画像のＳ／Ｎや使用する対物レンズ８のＩＺカーブの裾野の乱れなどを総合的に判断して、適宜選択すればよい。ここでは、図６の実測ＩＺデータの乱れに基づいて、Ｉｔｈ＝０．５として考えてみる。実際、０．４程度までは、図５のＮＡ＝０．３の理論ＩＺと図６の実測ＩＺは、非常によく一致しているので、Ｉｔｈ＝０．５は妥当である。
【００４４】
図６の実測ＩＺのＩｔｈ＝０．５でのＺ方向の全幅Ｗ０．５は、全幅Ｗ０．５＝８μｍである。従って、この中に最低３個の離散的なＩＺデータが必ず存在するためのＺ方向のサンプリング間隔ΔＺは、ΔＺ＝８μｍ／３＝２．６７μｍとなる。そして、サンプリング間隔ΔＺを２．６７μｍよりも細かくして常に４個以上のデータを使用してフィッティングすれば、検査時間は長くなる。しかし、ピーク推定位置の精度は、さらに高くすることができる。これを「高精度検査モード」と呼ぶことにする。実際、ΔＺ＝２．６７μｍで離散的ＩＺデータを取得し、フィッティングすれば、高さ測定精度は、±１μｍ程度に収めることは可能である。
【００４５】
一方、バンプの大きさや形状は、今後様々な種類のものが生産されると予想される。これにともないバンプ高さの検査のレンジも広くなることが予想される。例えば、今までは、小さいものでもＬＳＩチップ面からの高さが５０μｍ程度である。しかし、最近は、高さ１０〜２０μｍ程度のものも実用化されつつある。この場合、一般には、小さいバンプほど高精度の高さ検査が要求される。逆に大きなバンプでは、微小バンプほどの高さ検査精度は要求されない。ユーザ要求からすると、バンプ高さの１／２０程度の高さ検査精度が要求されているようである。
【００４６】
微小バンプの場合は、上述した高精度検査モードにより対応すればよいが、大きなバンプの場合は、次のようにしている。
【００４７】
いま、一例として、高さ５０ミクロンの大きさのバンプを検査する場合を考えると、要求される検査精度は、１００μｍの１／２０で±５μｍとなり、対物レンズ８を前述と同様にＮＡ＝０．３とすると、Ｚ方向のサンプリング間隔ΔＺは、最も粗くても３．３７μｍである。この値は、要求される精度を十分に満足できるので、精度上では問題ない。しかし、ΔＺとしてはオーバスペックで、検査装置としては、検査時間を無駄に費やしているという問題を生じる。つまり、１チップ当たりの検査コストに無駄なコストがかかっていることになる。このことからも、必要十分な検査精度で、かつ検査時間をできるだけ短縮して１チップ当たりの検査コストを抑制することが検査装置として要求される。
【００４８】
このような高さ測定のレンジの変化に対応するには、ＮＡが異なる複数の対物レンズ８を用意し、測定レンジに合わせてＩＺカーブの急峻さを選択できるように最適なＮＡの対物レンズ８に交換する方法が考えられる。しかし、バンプ検査に用いられる低倍率の対物レンズ８は、上述したように高価で大型である。このため、コスト的に問題となる。また、自動的に対物レンズを切換えるために、電動レボ機構を用意すると、対物レンズ８が大型であることから、電動レボ機構自体も大型化し複雑になるので、コストもかかる。さらに、レボ機構は、構成上剛性が低くなるので、振動などの外乱に影響されやすく測定精度も劣化してしまう。
【００４９】
そこで、本発明では、低倍率の高ＮＡ対物レンズ８を光軸上に１個だけ固定配置し、可変絞り１３の絞り径をコンピュータ１４の指示により対物レンズ８のＮＡを可変させる。これにより、非常に簡便な構成で低コストにより複数のＩＺカーブ曲線を選択できる。つまり、可変絞り１３が最大径のときにＮＡ＝０．３とすると、可変絞り１３の径を１／１．２にすればＮＡ＝０．２５となる。可変絞り１３の径を２／３にすればＮＡ＝０．２となる。このようにして、セクショニング像を得るための条件を可変することで、最適なＮＡの対物レンズ８に交換するのと同等な結果が得られる。
【００５０】
この場合、対物ＮＡ（０．３、０．２５、０．２）に対する、ＩＺカーブのＩｔｈ＝０．５、Ｗ０．５内で最低３個のデータを得るためのＺサンプリング間隔ΔＺ、結像レンズ６のディスクへの射出ＮＡ'、共焦点ディスク４上でのエアリデイスク直径φａの関係を図９に示す。ただし、第１の光学系の倍率を３倍とすると、ＮＡ'＝ＮＡ／３、φａ＝１．２２＊ＮＡ'／λ、光波長λ＝０．５５μｍである。
【００５１】
これにより、図９において、例えば、Ｗ０．５内で最低３個のデータを得るためのＺサンプル間隔ΔＺを、ＮＡ＝０．３とＮＡ＝０．２の場合について比較すると、ＮＡ＝０．３では、ΔＺ＝２．６７になるのに対して、ＮＡ＝０．２では、ΔＺ＝５．８７になるので、ＮＡ＝０．２の場合のΔＺは、ＮＡ＝０．３の場合に対して、５．８７／２．６７＝２．２より２倍以上も粗くサンプリングできるようになる。この結果、測定レンジ拡大による測定時間の増加を抑制することができるようになる。
【００５２】
なお、理想的な共焦点光学系の場合、共焦点ディスク４のピンホールは無限小であるが、これでは透過光がゼロになってしまうので、共焦点ディスク４上でのエアリデイスク直径φａ以下にする。実際には、Ｓ／Ｎも考慮してφａの２／３程度で設計される場合が多い。また、可変絞り１３でＮＡを変化させると厳密には、共焦点ディスク４の最適なピンホール径も変わって、ディスクを交換する必要が出てくる。これを避けるため、ＮＡ＝０．３でのピンホール径＝φａ＊２／３＝６．７１＊２／３＝４．５μｍに設定しておけば、ＮＡ＝０．２５、ＮＡ＝０．２のときでも共焦点ディスク４は共通に使用することができる。ただし、この場合、ＮＡが小さくなると、共焦点ディスク４上でのエアリデイスク直径φａが大きくなるため、画像が暗くなる。このように対物レンズ８のＮＡを変えた場合には、ＮＡに応じた最適な明るさになるように光源１の光量を調整する。また、ＮＡを小さくする場合は、大きなレンジ、即ち大きなバンプを測定する場合である。このような条件では、ＣＣＤカメラ１２で撮像されるバンプの頂点像も大きくなり、トータルの検出光量は増える。従って、ＮＡが小さくなることによる光量減少を補足する効果も出てくる。
【００５３】
従って、第１の実施態様によれば、可変絞り１３の絞り径を可変させて高さ測定に最適な対物レンズ８のＮＡを選択できる。従って、１台の装置で、Ｚ測定範囲を犠牲にしても高精度で測定したい要求、精度は犠牲にしてもＺ測定範囲の大きくする要求、あるいは精度を犠牲にしても検査時間の高速化を重視する要求など、のさまざまな要求に対して、必要十分な検査精度のもとで検査時間をできるだけ短縮しつつ対応することができるようになる。この結果、１チップ当たりの検査コストを低減することができる。また、対物レンズ８も１本で済むので、装置コストを大幅に低減できる。しかも対物レンズ８のレボ切替え機構なども不要にできるので、対物レンズ固定部の剛性劣化による高さ測定精度の劣化も防止することができる。
【００５４】
なお、第１の実施の形態において、可変絞り１３の可変絞り動作は、コンピュータ１４の制御により行うようにしたが、手動でもよいし、手動電動の両方、又は、可変絞り１３を所定絞り径のものと交換するようにしてもよい。具体的には、次のようなものが例示できる。
【００５５】
（１）  羽根型のシャッタを駆動して、径を連続的に変える（図１０参照）。
【００５６】
（２）  径の異なる複数の開口部を有するディスクを回転させて所望の開口径を選択する（図１１参照）。
【００５７】
（３）  径の異なる複数の開口部を有する板状のもの（スライダー）を直線移動させて所望の開口径を選択する（図１２参照）。
【００５８】
（４）  径の異なる開口部を有する複数の板状のもの（スライダー）を交換する（図１３参照）。
（第２の実施の形態）
図１４は、本発明の第２の実施の形態の概略構成を示す図である。図１４において、図７と同一部分には、同符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００５９】
第２の実施の形態では、図７で述べた可変絞り１３（すなわち、可変絞り）を対物レンズ８の瞳位置と共役な光源１の前面位置に配置している。また、対物レンズ８の瞳位置にテレセントリック絞りとして固定絞り１３０を配置している。このような構成では、セクショニング効果は、照明のＮＡと反射光の取り込みＮＡの２つで決まる。第２の実施の形態では、光源１前面の可変絞り１３を可変して照明のＮＡを変えることによりセクショニング効果を変えている。
【００６０】
第２の実施の形態によれば、可変絞り１３の絞り径を小さくすると、対物レンズ８の瞳に投影される可変絞り１３の像が小さくなる。その結果、サンプル９に対する照明光のＮＡが小さくなる、従って、セクショニング効果を可変できるようになり、第１の実施の形態と同様な効果を期待できる。
（第３の実施の形態）
上記の第１の実施の形態及び第２の実施の形態では、通常の照明を用いた例を示したが、本発明は照明としてレーザを用いた場合にも適用可能である。
【００６１】
図１５は、本発明をレーザ走査型の顕微鏡に適用した例を示す図である。なお、図１５において、図７及び図１４と同じ部分には、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
【００６２】
レーザ光源１′から出射された光は、ＰＢＳ３を介して二次元走査ミラー４０に入射する。二次元走査ミラー４０で反射された光は、瞳投影レンズ６１、１／４波長板７、可変絞り１３、対物レンズ８を介してサンプル９に入射する。サンプル９で反射された光は、逆の光路をたどり、ＰＢＳ３を通過して、レンズ１１及びピンホール４１を介してフォトセンサ１２'に入射する。なお、ピンホール４１は、共焦点効果を得るために設けられている。
【００６３】
上記の構成において、可変絞り１３の代わりに対物レンズ８の瞳共役位置（又はその近傍）であって、二次元走査ミラー４０とＰＢＳ３との間に、可変絞り１３'を配置することも可能である。本構成において、可変絞り１３（又は１３'）を変化させることにより、ＮＡを変化させることができる。従って、第１の実施の形態及び第２の実施の形態と同様の効果をレーザ走査型顕微鏡においても、実現可能である。
【００６４】
（第４の実施の形態）
第４の実施の形態においては、第１の実施の形態から第３の実施の形態に係る顕微鏡を用いて自動合焦を実現した実施の形態を説明する。従って、装置の構成は、第１の実施の形態から第３の実施の形態に係る顕微鏡と同じであるので、図示及び説明を省略する。
【００６５】
図１６は、第４の実施の形態に係る合焦動作を説明するためのフローチャートである。
【００６６】
まず、Ｚ方向のサンプリング間隔を設定する（ステップＳ１）。このサンプリング間隔は、例えば、ＬＳＩの設計データに基づいて設定される。
【００６７】
次に、所定位置（例えば、設定した基準位置）から、ステップＳ１で設定したサンプリング間隔で画像を取得する（ステップＳ２）。ステップＳ２において、３枚の画像が取得できたのであれば（ステップＳ３）、取得したデータに基づいて、フィッティングカーブを作成する（ステップＳ７）。次に、フィッティングカーブに基づいて焦点位置を求め、焦点移動装置１５により、サンプルステージ１６又は対物レンズ８を光軸方向に移動させて、焦点調整を行う（ステップＳ８）。
【００６８】
ステップＳ３において、３枚の画像が取得できない場合には、対物レンズ８のＮＡを例えばＮＡ＝０．３からＮＡ＝０．２５と小さくする（ステップＳ４）。これにより、図５に示したように、ＩＺカーブがなだらかになるので、同じサンプリング間隔であっても、より多くの画像が得られることになる。ＮＡを小さくした状態で再度画像取得を行う（ステップＳ５）。そして、３枚以上の画像が得られるまで、ステップＳ４からステップＳ５を繰り返す（ステップＳ６）。
【００６９】
そして、３枚以上の画像が得られたら、ステップＳ７とステップＳ８を実行して、焦点調整を行う。
【００７０】
なお、第４の実施の形態において、３枚の画像を取得するかどうかによって、焦点調整を行うようにしたが、必要な画像枚数は、フィッティング曲線によって変わるので、選択したフィッティング曲線に応じた画像枚数を取得するようにすれば良い。
【００７１】
また、図６に示したように、裾野の部分は、収差により乱れた状態になっているので、収差により乱れを生じている裾野部分のデータを使用しているかどうかを判定して、裾野部分のデータを使用している場合には、更にＮＡを小さくして、画像取得をすれば良い。
【００７２】
（第５の実施の形態）
第１の実施の形態及び第２の実施の形態では、共焦点ディスク４を用いている。そして、共焦点ディスク４として複数のピンホールが螺旋状に形成されたＮｉｐｋｏｗディスクを使用した例を述べている。本発明においては、セクショニング効果を発生させるパターンを有するディスクであれば、どのようなパターンを有していても良い。
【００７３】
例えば、図１７Ａに示すような、直線状の遮光ラインと透過ラインを交互に形成した周期的なラインパターン領域３２を有するディスク３３を用いることもできる。図１７Ｂに示すような、ラインパターン領域３２に対して直交する方向の他のラインパターン領域３４を有するディスク３５を用いることもできる。
【００７４】
この場合、これらパターンは、図１７Ｃに示すように、パターンピッチＰに対して光の透過部のスリット幅Ｓが１／２以下であることを特徴とする。このうち、スリット幅Ｓは、第１の結像光学系の結像レンズ６のディスクへの射出ＮＡ'で決定され、ディスク上でのエアリーディスク径の２／３程度に設計する場合が多い。
【００７５】
ここで、Ｓ／Ｐ＝０．５の場合は、得られる画像中に含まれる非共焦点画像の割合が０．５となる。Ｓ／Ｐ＝０．１の場合は、非共焦点画像の割合が０．１となる。同様にＳ／Ｐ＝０．０５の場合は、非共焦点画像の割合が０．０５となる。これにより、Ｓ／Ｐ＝０．１以下程度にすれば、実質的に有用なセクショニング効果が得られることになる。また、Ｓ／Ｐ＝０．０１にすると、非共焦点画像の割合が０．０１となり、これは、実質的にＮｉｐｋｏｗディスクで得られる画像に含まれる非共焦点画像の割合とほぼ同等の割合となる。しかし、当然のことながらＳ／Ｐを小さくするほど画像は暗くなるので、アプリケーションに応じて最適なＳ／Ｐを設定すればよい。
【００７６】
このような一方向の周期的なラインパターン領域３２（および直交する方向のラインパターン領域３４）を有するディスク３３（３５）によれば、Ｎｉｐｋｏｗディスクに比べてパターン形成が簡単で製造が容易なので、安価であり、しかもＳ／Ｐの値を選択することにより、アプリケーションに応じて最適な非共焦点画像の割合を任意に設定することもできる。
【００７７】
以上述べたように本発明によれば、検査コストの低減を図ることができる自動合焦方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  バンプ電極が形成されたＬＳＩチップの概略構成を示す図。
【図２】  ＬＳＩチップと基板の接続状態を示す図。
【図３】  不良バンプの状態を説明するための図。
【図４】  一般的な共焦点光学系の概略構成を示す図。
【図５】  ＮＡをパラメータとしたＩＺカーブを示す図。
【図６】  実測した対物レンズのＩＺカーブを示す図。
【図７】  本発明の第１の実施の形態に適用される共焦点顕微鏡の概略構成を示す図。
【図８Ａ】  第１の実施の形態を説明する共焦点画像を示す図。
【図８Ｂ】  第１の実施の形態を説明する共焦点画像を示す図。
【図９】  第１の実施の形態を説明するための図。
【図１０】  可変絞りの一例を示す図。
【図１１】  可変絞りの一例を示す図。
【図１２】  可変絞りの一例を示す図。
【図１３】  可変絞りの一例を示す図。
【図１４】  本発明の第２の実施の形態の概略構成を示す図。
【図１５】  本発明をレーザ走査型の顕微鏡に適用した例を示す図。
【図１６】  第４の実施の形態に係る合焦動作を説明するためのフローチャート。
【図１７Ａ】  本発明の第３の実施の形態に用いられる共焦点ディスクを説明する図。
【図１７Ｂ】  本発明の第３の実施の形態に用いられる共焦点ディスクを説明する図。
【図１７Ｃ】  本発明の第３の実施の形態に用いられる共焦点ディスクを説明する図。
【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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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１７Ｃ】
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