(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
白色照明光を発生させる光源と、
照明光を参照面に入射する参照光束と試料に入射する測定用光束とに分割する光束分割手段と、
測定用光束を試料に集光させる照明光学系と、
参照光束と測定用光束とを合成する光束合成手段と、
試料を照明光学系の光軸に対して垂直な方向に移動させる手段と、
試料の照明光学系の光軸に対して垂直な面内での位置を検出する手段と、
参照光束と測定用光束の光路長差を検出する手段と、
光検出手段と、
光検出器で検出した信号を演算する信号演算手段とを有し、
試料が照明光学系の光軸に対して垂直な方向に移動している状態で、光検出手段により信号を検出することを特徴とする３次元形状測定装置。
【請求項２】
照明光を発生させる光源と、
照明光を試料上に集光させる照明光学系と、
試料からの光を結像させる結像光学系と、
試料と共役な位置近傍に配置した光束径制限手段と、
光束径制限手段と共役な位置と試料との光軸方向の相対的な位置を検出する手段と、
試料を照明光学系の光軸に対して垂直な方向に移動させる手段と、
試料の照明光学系の光軸に対して垂直な面内での位置を検出する手段と、
光検出手段と、
光検出手段で検出した信号を演算する信号演算手段とを有し、
試料が照明光学系の光軸に対して垂直な方向に移動している状態で、光検出手段により信号を検出することを特徴とする３次元形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、３次元形状測定装置に関し、特に、光を用いて試料の表面形状を観察する３次元形状測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
技術の進展に伴い試料の微細化が進行し、３次元形状測定において高速化、高精度化は益々必要とされている。半導体分野においても、試料の微細化は進行しており、微細化に対応した技術として、表面実装型ＬＳＩパッケージ（ＢＧＡ：ボールグリッドアレイ、ＣＳＰ：チップスケールパッケージ等）が注目されている。
【０００３】
試料を高精度に測定する方法として、白色干渉計や共焦点顕微鏡等が知られている。白色干渉計は、例えば特公平６−１１６７号に示されているように、コヒーレンスの低い光を用いて試料と参照面との光路長差を変化させながら多数の測定を行い、干渉強度が最大になった点を表面と検出するものである。
【０００４】
また、白色干渉計による測定の高速化のための改良例が、例えば特開平８−２１９７２２号に示されている。これは、バンプが形成されている試料に対して高さ方向で異なる２箇所の断層像を得て、その結果からバンプ高さの合否判定を行うものである。
【０００５】
また、３次元形状の高精度な測定方法として、共焦点顕微鏡がある。共焦点顕微鏡は公知の技術であるが、その高速化のための改良例が、例えば特開平７−３１１０２５号に示されている。測定系とは別に２次元撮像手段を用意し、その画像から測定すべき領域を抽出する。これにより測定領域を限定することができ、測定時間を短縮できる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
白色干渉計により試料の３次元形状を測定するためには、光軸方向の異なる高さにおいて測定を多数回行い、その結果から表面形状を算出するために、多大な時間がかかるという問題点がある。
【０００７】
また、その結果得られる形状は光学系の視野の範囲に限られるため、大型試料を測定するためには、試料を移動させた後に測定することを繰り返す必要があったため、大型試料全面の全数検査に用いるには、測定のスループットが低すぎるという問題点があった。
【０００８】
その対策として、高さ方向で異なる２回の走査結果を用いる方法が特開平８−２１９７２２号で提案されているが、同一箇所を２回走査する必要があり、測定時間短縮の妨げになるという問題がある。さらに、１回目と２回目の走査の間には、ステージの精度に起因した位置決め誤差が発生する。
【０００９】
共焦点顕微鏡においても、同一箇所で高さの異なる複数の測定を行う必要があり、測定時間が長大になるという問題点がある。この問題を解決するために、測定系とは別に２次元撮像手段を用意して、測定領域を限定する方法が特開平７−３１１０２５号で提案されているが、この方法においても、試料の移動、停止という制御が必要になり、特に大型試料の場合、それを高速に行うことは困難であり、測定時間の短縮の妨げになる。
【００１０】
本発明は上記の問題点に着目してなされたものであり、その目的は、試料の３次元形状を高精度で高速に測定することを可能にする３次元形状測定装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の第１の３次元形状測定装置は、
白色照明光を発生させる光源と、
照明光を参照面に入射する参照光束と試料に入射する測定用光束とに分割する光束分割手段と、
測定用光束を試料に集光させる照明光学系と、
参照光束と測定用光束とを合成する光束合成手段と、
試料を照明光学系の光軸に対して垂直な方向に移動させる手段と、
試料の照明光学系の光軸に対して垂直な面内での位置を検出する手段と、
参照光束と測定用光束の光路長差を検出する手段と、
光検出手段と、
光検出器で検出した信号を演算する信号演算手段とを有し、
試料が照明光学系の光軸に対して垂直な方向に移動している状態で、光検出手段により信号を検出することを特徴とするものである。
【００１２】
この３次元形状測定装置においては、試料が照明光学系の光軸に対して垂直な方向に移動している状態で測定を行うため、停止、移動といった制御を行う必要がなく、白色干渉測定ができるため、高速高精度測定が可能になる。
【００４８】
本発明の第２の３次元形状測定装置は、
照明光を発生させる光源と、
照明光を試料上に集光させる照明光学系と、
試料からの光を結像させる結像光学系と、
試料と共役な位置近傍に配置した光束径制限手段と、
光束径制限手段と共役な位置と試料との光軸方向の相対的な位置を検出する手段と、
試料を照明光学系の光軸に対して垂直な方向に移動させる手段と、
試料の照明光学系の光軸に対して垂直な面内での位置を検出する手段と、
光検出手段と、
光検出手段で検出した信号を演算する信号演算手段とを有し、
試料が照明光学系の光軸に対して垂直な方向に移動している状態で、光検出手段により信号を検出することを特徴とするものである。
【００４９】
この３次元形状測定装置においては、試料が照明光学系の光軸に対して垂直な方向に移動している状態で測定を行うため、停止、移動といった制御を行う必要がなく、共焦点測定ができるため、高速高精度測定が可能になる。
【００８９】
【発明の実施の形態】
〔第１実施形態〕
本発明の３次元形状測定装置の第１の発明実施の形態を図１、図５を用いて説明する。
【００９０】
図１において、１はハロゲンランプ等の白色光源、２は白色光源１からの照明光束を略平行な光束に形成するコリメータレンズ、３は集光レンズであり、４は照明光束の進行方向を偏向させる光束偏向手段であり、例えばハーフミラーを用いることができる。５は対物レンズであり、集光レンズ３による照明光の集光点が対物レンズ５の後側焦点に一致するように配置されている。６は光束分割手段であり、例えばハーフミラーを用いることができ、入射した照明光束を干渉測定において参照光束となる第１の光束と、測定用光束となる第２の光束とに分割する。なお、光束分割手段６は、試料７で反射した測定用光束とミラー１１で反射した参照光束とを再び合成して一つの光束にするので、光束合成手段としての役割も果たす。第１の光束の進行方向上には、ピエゾアクチュエータ１２に結合された参照ミラー１１が光軸に対して垂直に配置されている。ピエゾアクチュエータ１２にはピエゾアクチュエータ駆動装置１６が繋がれている。他方、第２の光束上には、ステージ１０上に載置された試料７が配置されている。試料７は、基板８上に周期的にバンプ９が形成された構成となっている。ステージ１０は、図示しない移動機構によりｘ，ｙ，ｚの３方向の移動、及び、θｘ，θｙ，θｚの３方向のあおりの調整が可能になっている。また、ｘ，ｙ，ｚ方向の変位は、図示しないリニアスケールにより測定可能となっている。
【００９１】
１７は接眼鏡筒であり、試料７の光学像を観察することができ、１３は結像レンズである。そして、１４は光検出手段であり、その受光面が結像レンズ１３の後側焦面に配置されている。光検出手段１４としては、例えば１次元ＣＣＤを用いることができ、１次元ＣＣＤはその長手方向が図中ｙ方向に向き、結像レンズ１３の光軸上に中心が一致するように配置されている。そこに、光検出手段１４が配置され、信号出力を伝達するケーブルにより信号演算手段１５と結ばれている。
【００９２】
白色光源１から出た照明光は、コリメータレンズ２により略平行な光束に成形されて、集光レンズ３により収束光に変換される。収束光に変換された照明光はハーフミラー４に入射する。ハーフミラー４に反射された照明光は、対物レンズ５の後側焦点に集光する。したがって、対物レンズ５に入射した照明光は、平行光束となって対物レンズ５から射出し、ハーフミラー６に入射してハーフミラー６で反射される第１の光束と、透過する第２の光束の２つに分割される。
【００９３】
ハーフミラー６で反射された第１の光束は、参照ミラー１１に入射する。参照ミラー１１で反射された光束は元の光路をたどり再びハーフミラー６へ入射する。ハーフミラー６を透過した第２の光束は、試料７に入射する。試料７で反射された光は再びハーフミラー６へ入射する。
【００９４】
このとき、光軸上の１点を例にとり、図中に点線で示すように、試料７からの光は対物レンズ５を介して結像レンズ１３に入射して光検出手段１４の受光面で結像する。
【００９５】
参照ミラー１１で反射された光束と、試料７で反射された光束は再びハーフミラー６で合致され、干渉を起こす。その干渉縞の強度を光検出手段１４により検出する。
【００９６】
以下に、測定手順を説明する：
ステージ１０上に試料７を置き、ステージ１０をあおり機構を用いて基板８上面の平行出しを行う。基板８の平行出しの後、接眼鏡筒１７で観察しながら対物レンズ５の視野中心に試料７のバンプ９が存在しないようにステージ１０を移動させる。その状態で、ピエゾアクチュエータ駆動装置１６からの印加電圧を変化させることにより、参照ミラー１１の光軸方向の位置を変位させる。１次元ＣＣＤ１４の中心の画素の出力を測定し、最大値（Ｉ0 とする）を示す参照ミラー１１の位置をｘ0 とし、Ｉ0 とｘ0 を信号演算手段１５に記憶させる。この位置が参照ミラー１１と基板８との光路長差が０となる位置である。
【００９７】
次に、接眼鏡筒１７の視野中心にバンプ９の頂点が存在するようにステージ１０を移動させる。その状態で、参照ミラー１１の光軸方向の位置を変位させて、同様に１次元ＣＣＤ１４の中心の画素が最大値（Ｉ1 とする）を示す参照ミラー１１の位置をｘ1 として、Ｉ1 とｘ1 を信号演算手段１５に記憶させる。この位置が参照ミラー１１とバンプ９頂点との光路長差が０となる位置である。なお、接眼鏡筒１７の観察時には、図示しない光束遮蔽機構によりハーフミラー６から参照ミラー１１へ入射する光束を遮蔽した状態で観察し、観察終了時には遮蔽機構を解除することによりハーフミラー６に光束が入射する状態に戻す。
【００９８】
次に、試料７を測定開始する位置に移動させる。参照ミラー１１をｘ0 からｘ1 の位置の間を正弦波状に振動させた状態で、ステージ１０により試料７を一定速度でｘ方向に移動させる。
【００９９】
実際には、基板８にはうねりがあるために、基板８上面に凹凸があることや、製造誤差等によりバンプ９の大きさにばらつきがあることから、それらに対応するために、参照ミラー１１の移動範囲はｘ0 とｘ1 との間だけではなく、若干広めにとる必要がある。
【０１００】
そのときに、信号演算手段１５には、光検出手段１４の１次元に配置された複数のＣＣＤ画素からの信号が伝達される。ここでは簡単のため、複数のＣＣＤ画素の内、一つに注目して説明する。図５に、試料７と参照ミラー１１を正弦波状に変位させたときの測定光束と参照光束の光路長差が０になる位置の軌跡を示す。参照光束と測定光束との光路差が０になる点の近傍で出力が強くなる。光路長差が０になる点は、図中に小さな丸で囲んだように分布する。光検出手段１４からの出力がある閾値以上になったとき、その点でのステージ１０のｘ方向の位置と、ピエゾアクチュエータ１２の駆動電圧を信号演算手段１５に記憶させる。ステージ１０のｘ方向の位置は、例えば図示しないステージ駆動機構に付加したリニアスケールで測定することができる。ピエゾアクチュエータ１２の駆動電圧とそれに対応する変位を予め測定しておけば、駆動電圧の値から参照ミラー１１の変位を計算することができ、それを基に試料７のｚ方向の変位を算出できる。閾値は、信号演算手段１５に記憶させたＩ0 とＩ1 を基に決定する。基板８とバンプ９の反射率の違い等から、干渉縞のコントラストが異なり、その結果Ｉ0 とＩ1 の値が異なる場合が多い。そこで、例えばＩ0 とＩ1 とで小さい方の値に０．９を掛けたものを閾値とすれば、場所により干渉縞のコントラストが異なる場合でも、基板８とバンプ９の両方の形状測定を行うことができる。
【０１０１】
以上は、ＣＣＤ画素の内、一つの画素に限定して説明したが、実際には複数の画素が配置されている。測定中に一定値以上の出力が得られたときに、どの画素で一定値を越えたかという情報と、そのときのステージ１０のｙ方向の位置から、試料７上のｙ方向の位置を算出することができる。
【０１０２】
試料７をｘ方向に走査して試料７の端まで到達すると、ｘ方向の走査を停止させ、測定の走査幅だけｙ方向に試料７を移動させて、再びｘ方向にステージ１０を移動させる。これを繰り返して、試料７全面を測定する。
【０１０３】
本実施の形態によれば、測定中はステージ１０を一定速度で移動させればよく、従来方法のように移動、停止を繰り返す必要がない。また、同じ箇所を複数回測定する必要がないために、測定時間を大幅に短縮することができる。
【０１０４】
上記の説明では、本発明をマイケルソン型の白色干渉計に適用した例について説明したが、これに限られる訳ではなく、他の構成、例えばリニーク型の白色干渉計やミロー型の白色干渉計に適用してもよい。
【０１０５】
上記の説明では、参照ミラー１１の変位を検出する手段として、ピエゾアクチュエータ１２の駆動電圧から算出する方法を用いたが、これに限られる訳ではなく、他の手段、例えばレーザ測長器を用いてもよい。その場合、裏面もミラー面に加工された参照ミラー１１を用い、参照ミラー１１の裏面にレーザを照射して変位を測定すればよい。
【０１０６】
上記の説明では、光源１としてハロゲンランプを用いた例について説明したが、これに限られる訳ではなく、他の白色光源、例えばキセノンランプや水銀ランプを用いてもよく、さらには他のコヒーレンスの低い光源、例えばＳＬＤ（スーパールミネッセントダイオード）等を用いてもよい。
【０１０７】
〔第２実施形態〕
本発明の３次元形状測定装置の第２の発明実施の形態を図２を用いて説明する。図２において、図１に示した基本的な構成と同一若しくは対応する部材には同一符号を付して示しており、基本的に説明は省略した。
【０１０８】
図２において、１８は光束分割手段であると同時に光束合成手段でもあり、例えばハーフミラーを用いることができ、入射した照明光束を干渉測定において参照光束となる第１の光束と、測定用光束となる第２の光束とに分割する。第１の光束の進行方向上には、レンズ２１と、ピエゾアクチュエータ１２に結合された参照ミラー１１が光軸に対して垂直に配置されている。レンズ２１は、その後側焦点位置が集光レンズ３による照明光の集光点と一致するように配置される。他方、第２の光束上には、対物レンズ２０とステージ１０上に載置された試料７が配置されている。対物レンズ２０は、その後側焦点位置が集光レンズ３による照明光の集光点と一致するように配置される。レンズ２１と対物レンズ２０は、焦点距離や開口数等の光学性能が同一であるものを用いる。試料７は、基板８上に周期的にバンプ９が形成された構成となっている。
【０１０９】
ハーフミラー１８と結像レンズ１３との間に配置された符号２２で示されるものはオートフォーカス装置であり、試料７の変位を測定することができる。顕微鏡のオートフォーカス装置については公知の技術であるため、説明は省略する。
【０１１０】
以下に、測定手順を説明する：
基板８の平行出しの後、接眼筒鏡１７で観察しながら、対物レンズ２０の視野中心にバンプ９が存在しないようにステージ１０を移動させる。その状態で、オートフォーカス装置２２により基板８の高さを測定する。この作業を試料７の複数箇所で行い、基板８の上面の形状をその複数の結果に最小自乗法を適用して近似する。
【０１１１】
次に、接眼鏡筒１７の視野中心にバンプ９の頂点が存在するようにステージ１０を移動させる。その状態で参照ミラー１１の光軸方向の位置を変位させて、１次元ＣＣＤ１４の中心の画素の出力が最大値（Ｉ3 とする）を示す参照ミラー１１の位置をｘ2 として、Ｉ3 、ｘ2 を信号演算手段１５に記憶させる。この位置が参照ミラー１１とバンプ９頂点との光路長差が０となる位置である。その後、オートフォーカス装置２２により、バンプ９頂点の高さとすぐ脇の基板８上面の高さとを測定して信号演算手段１５に記憶させる。なお、接眼鏡筒１７の観察時には、図示しない遮蔽板によりハーフミラー１８から参照ミラー１１へ入射する光束を遮蔽した状態で観察し、観察終了時には遮蔽板を光束から退避させることにより参照ミラー１１に光束が入射する状態に戻す。
【０１１２】
次に、試料７を測定開始する位置に移動させる。参照ミラー１１を正弦波状に振動させた状態で、ステージ１０により試料７を一定速度ｖs でｘ方向に移動させる。
【０１１３】
このとき、参照ミラー１１は、ｘ2 とｘ2 −Ｒ×〔１−（１−ｓｉｎ2 θb ）1/2 〕との間を、周波数ｖs ／（２Ｒｓｉｎθb ）〔Ｈｚ〕で振動させる（図中、矢印方向をｘ軸の＋とする。）。ただし、
ＮＡ：対物レンズの試料側開口数
Ｒ  ：バンプ形状を球面で近似したときの球面の半径
ｖs ：試料を一定速度で移動させるときの速度
θb ：θb ＝（ｓｉｎ-1ＮＡ）／２
とする。
【０１１４】
実際には、基板８にはうねりがあるために、基板８上面に凹凸があることや、製造誤差等によりバンプ９の大きさにばらつきがあることから、それらに対応するために、参照ミラー１１の移動範囲は上記の値よりも若干広めにとる必要がある。
【０１１５】
そのときに、第１の実施の形態と同様の信号処理を行うことにより、バンプ９頂点周辺の形状測定を行うことができる。このとき、参照面を変位させる範囲が上記の通りバンプ９頂点付近であるため、閾値は、信号演算手段１５に記憶させたＩ3 を基に決定する。例えばＩ3 の値に０．９を掛けたものを閾値とすればよい。
【０１１６】
ただし、これまでの測定だけでは、各バンプ９の頂点の高さの相対的な位置関係が分かるだけで、基板８からバンプ９頂点までの高さの絶対値を算出することができない。そこで、オートフォーカス装置２２による測定結果（バンプ９頂点の高さとすぐ脇の基板８上面の高さ）から一つのバンプ９に対して高さが計算できる。そのバンプ９を基準にして、上記の各バンプ９の頂点の高さの相対的な位置関係から各バンプ９の高さを算出することができる。このとき、基板８上面のそり等による凹凸の影響は、オートフォーカスによる測定結果から基板８上面を近似した値を用いて、各バンプ９毎に補正を加えればよい。
【０１１７】
試料７をｘ方向に走査して試料７の端まで到達すると、ｘ方向の走査を停止させ、測定の走査幅だけｙ方向に試料７を移動させて再びｘ方向にステージ１０を移動させる。これを繰り返して、試料７全面を測定する。
【０１１８】
基板８とバンプ９の反射率は大きく異なる場合が多く、基板８からの干渉縞のコントラストとバンプ９で発生する干渉縞のコントラストとは大きく異なってしまうため、光検出手段１４をその両方に適した感度に設定するのが困難な場合が多かった。本実施の形態によれば、バンプ９で発生する干渉縞のみを検出すればよく、光検出手段１４の感度を最適な値に調整することが可能になる。また、参照ミラー１１を振動させる振幅が減少したために、参照ミラー１１を変位させる周波数を上げることができる。したがって、試料７を測定する際の測定間隔を狭くすることができ、測定精度を向上させることができる。あるいは、ステージ速度ｖs を上げることにより、さらなる測定時間の短縮が可能になる。
【０１１９】
上記の説明では、参照ミラー１１を一定周期で変位させる場合について説明したが、これに限られる訳ではなく、例えばバンプ９測定時以外には、周期を遅くしてもよい。
【０１２０】
上記の説明では、ステージ１０を一定速度ｖs で移動させる場合について説明したが、これに限られる訳ではない。バンプ９は規則的に配置されているので、例えば一つのチップの中でのバンプとバンプの間や、あるいはチップと隣のチップのように、バンプが存在しない領域ではステージ１０の移動速度を上げて、バンプ９測定時には一定速度に制御することもでき、ステージ１０の平均的な移動速度を向上させることができ、測定時間の短縮に繋がる。
【０１２１】
〔第３実施形態〕
本発明の３次元形状測定装置の第３の発明実施の形態を図３を用いて説明する。図３において、図１に示した基本的な構成と同一若しくは対応する部材には同一符号を付して示しており、基本的に説明は省略した。
【０１２２】
図３において、３１は水銀ランプ等の白色光源、３２は白色光源３１からの照明光束を略平行な光束に成形するコリメータレンズ、３３は照明光束の進行方向を偏向させる光束偏向手段であり、例えばハーフミラーを用いることができる。３４は集光レンズであり、３５は光束径制限手段であり、例えばスリットを用いることができ、スリットの長手方向がｙ軸方向と合致するように配置する。集光レンズ３４による照明光の集光点の位置に光束径制限手段３５が配置されている。３６は結像レンズであり、その後側焦点と光束径制限手段３５とが一致するように配置されている。１７は接眼鏡筒であり、試料７の光学像を観察することができる。３７は対物レンズである。
【０１２３】
レンズ３８は、レンズ３４と合わせてリレーレンズ３９を構成する。レンズ３４と光束径制限手段３５とは図示しない機械部品により一体に固定され、ユニット４０を形成し、ピエゾアクチュエータを用いた移動機構（図示せず）によりｚ方向に移動可能となっている。ユニット４０の光軸方向の変位は、ピエゾアクチュエータへの駆動電圧を測定することにより、駆動電圧と変位の関係から算出することができる。
【０１２４】
白色光源３１から出た照明光はコリメータレンズ３２により略平行な光束に成形されて、ハーフミラー３３に入射する。ハーフミラー３３により反射された照明光は、レンズ３４により収束光に変換され光束径制限手段３５の位置で集光する。光束径制限手段３５のスリットを通過した照明光は結像レンズ３６に入射して平行光束になり、対物レンズ３７に入射する。照明光は対物レンズ３７で集光され、試料７を照明する。
【０１２５】
試料７で反射された光束は、再び対物レンズ３７、結像レンズ３６、光束径制限手段３５、レンズ３４を介してハーフミラー３３に入射する。ハーフミラー３３を透過した光束は、リレーレンズ３９により光検出手段１４の受光面に集光される。
【０１２６】
以下に、測定手順を説明する：
試料７の基板８上面の平行出しの後、接眼鏡筒１７で観察しながら、対物レンズ３７の視野中心に試料７のバンプ９が存在しないようにステージ１０を移動させる。その状態で，図示しない移動機構によりユニット４０の光軸方向の位置を変位させる。１次元ＣＣＤ１４の中心の画素の出力を測定し、最大値（Ｉ4 とする）を示す光軸方向の位置をｚ0 とし、Ｉ4 とｚ0 を信号演算手段１５に記憶させる。この位置が基板８上面に合焦している状態である。
【０１２７】
次に、接眼鏡筒１７の視野中心にバンプ９の頂点が存在するように、ステージ１０をｘ，ｙ方向に移動させる。その状態で、図示しない移動機構によりユニット４０の光軸方向の位置を変位させて、１次元ＣＣＤ１４の中心の画素の出力が最大値（Ｉ5 とする）を示すときの、ユニット４０の光軸方向の位置をｚ1 として、Ｉ5 とｚ1 を信号演算手段１５に記憶させる。この位置がバンプ９頂点に合焦している状態である。
【０１２８】
次に、試料７を測定開始する位置に移動させる。ユニット４０をｚ0 からｚ1 の間を正弦波状に振動させた状態で、ステージ１０により試料７を一定速度でｘ方向に移動させる。
【０１２９】
実際には、基板８にはうねりがあるため、基板８上面に凹凸があることや、製造誤差等によりバンプ９の大きさにばらつきがあることから、それらに対応するために、ユニット４０の移動範囲はｚ0 とｚ1 との間だけではなく、若干広めにとる必要がある。
【０１３０】
そのときに、信号演算手段１５には光検出手段１４の１次元に配置された複数のＣＣＤ画素からの信号が伝達される。ここで、第１の実施の形態と同様の信号処理を行うことにより、試料７の表面形状を算出することができる。ただし、ユニット４０の変位からそれに伴う試料７上での合焦位置の変位を求める場合は、対物レンズ３７と結像レンズ３６とで構成される光学系の縦倍率を考慮する必要がある。
【０１３１】
閾値は、信号演算手段１５に記憶させたＩ4 とＩ5 を基に決定する。基板８とバンプ９の反射率の違いから、光検出手段１４に入射する光強度Ｉ4 とＩ5 の値が異なる場合が多い。そこで、第１の実施の形態で説明したのと同様に、例えばＩ4 とＩ5 とで小さい方の値に０．９を掛けたものを閾値とすれば、場所により試料７の反射率が異なる場合でも、基板８とバンプ９の両方の形状測定を行うことができる。
【０１３２】
試料７をｘ方向に走査して試料７の端まで到達すると、ｘ方向の走査を停止させ、測定の走査幅だけｙ方向に試料７を移動させて、再びｘ方向にステージ１０を移動させる。これを繰り返して、試料７全面を測定する。
【０１３３】
本実施の形態によれば、測定中はステージ１０を一定速度で移動させればよく、従来方法のように移動、停止を繰り返す必要がない。また、同じ箇所を複数回測定する必要がないために、測定時間を大幅に短縮することができる。
【０１３４】
上記の説明では、光束径制限手段３５として開口形状がスリットの場合について説明したが、これに限られる訳ではなく、他の形状、例えばピンホールを用いてもよい。その場合、光束径制限手段３５と試料７との間に、照明光束をｙ方向に走査する機構を付加する必要があり、その機構が複雑になると測定時間が長くなってしまう。しかし、スリットを用いた上記の実施の形態では、ｘとｚの２方向しか共焦点効果が得られず、ｙ方向に関しては通常の顕微鏡と同等の分解能しか得られないのに対して、ピンホールを用いると、ｘ，ｙ，ｚ全ての方向に対して共焦点効果が得られるという利点がある。
【０１３５】
上記の説明では、光源３１として水銀ランプを用いた例について説明したが、これに限られる訳ではなく、他の白色光源、例えばキセノンランプを用いてもよく、あるいはレーザ光源、例えばヘリウムネオンレーザ等を用いてもよい。
【０１３６】
〔第４実施形態〕
本発明の３次元形状測定装置の第４の発明実施の形態を図４を用いて説明する。図４において、図１〜図３に示した基本的な構成と同一若しくは対応する部材には同一符号を付して示しており、基本的に説明は省略した。
【０１３７】
図４において、４１は光束径制限手段であり、例えばマルチピンホールアレイを用いることができ、図示しない機構により、ｚ軸を回転軸として回転可能となっている。光束径制限手段４１は、集光レンズ３４による照明光の集光点の位置に配置される。４２は対物レンズであり、ピエゾアクチュエータを用いた移動機構（図示せず）によりｚ方向に移動可能となっている。対物レンズ４２の光軸方向の変位はピエゾアクチュエータへの駆動電圧を測定することにより、駆動電圧と変位の関係から算出することができる。
【０１３８】
以下に、測定手順を説明する：
基板８の平行出しの後、接眼鏡筒１７で観察しながら、対物レンズ４２の視野中心にバンプ９が存在しないようにステージ１０を移動させる。その状態で、オートフォーカス装置２２により基板８の高さを測定する。この作業を試料７の複数箇所で行い、基板８の上面の形状をその複数の結果に最小自乗法を適用して近似する。
【０１３９】
次に、接眼鏡筒１７の視野中心にバンプ９の頂点が存在するようにステージ１０を移動させる。その状態で、対物レンズ４２の光軸方向の位置を変位させて、１次元ＣＣＤ１４の中心の画素の出力が最大値（Ｉ6 とする）を示す対物レンズ４２の位置をｚ3 として、Ｉ6 とｚ3 を信号演算手段１５に記憶させる。この位置がバンプ９頂点に合焦した位置である。その後、オートフォーカス装置２２により、バンプ９頂点の高さとすぐ脇の基板８上面の高さとを測定して信号演算手段１５に記憶させる。
【０１４０】
次に、試料７を測定開始する位置に移動させる。対物レンズ４２を正弦波状に振動させた状態で、ステージ１０により試料７を一定速度ｖs でｘ方向に移動させる。
【０１４１】
このとき、対物レンズ４２はｚ3 とｚ3 −Ｒ×〔１−（１−ｓｉｎ2 θb ）1/2 〕との間を、周波数ｖs ／（２Ｒｓｉｎθb ）〔Ｈｚ〕で振動させる（図中、図中、矢印方向をｘ軸の＋とする。）。ただし、
ＮＡ：対物レンズの試料側開口数
Ｒ  ：バンプ形状を球面で近似したときの球面の半径
ｖs ：試料を一定速度で移動させるときの速度
θb ：θb ＝（ｓｉｎ-1ＮＡ）／２
とする。
【０１４２】
実際には、基板８にはうねりがあるため、基板８上面に凹凸があることや、製造誤差等によりバンプ９の大きさにばらつきがあることから、それらに対応するために対物レンズ４２の移動範囲は上記の値よりも若干広めにとる必要がある。
【０１４３】
そのときに、第２の実施の形態と同様の信号処理を行うことにより、バンプ９頂点周辺の形状測定を行うことができ。このとき、対物レンズ４２の変位とそれに伴う試料７上での合焦位置の変位は等しい。したがって、対物レンズ４２の変位を測定することにより、光束径制限手段４１と共役な位置の変位を求めることができる。光束径制限手段４１と共役な位置が上記の通りバンプ９頂点付近だけであるため、閾値は信号演算手段１５に記憶させたＩ6 を基にに決定する。例えばＩ6 の値に０．９を掛けたものを閾値とすればよい。
【０１４４】
ただし、これだけでは、各バンプ９の頂点の高さの相対的な位置関係が分かるだけで、基板８からバンプ９頂点までの高さの絶対値を算出することができない。そこで、オートフォーカス装置２２による測定結果（バンプ９頂点の高さとすぐ脇の基板８上面の高さ）から、一つのバンプ９に対して高さが計算できる。そのバンプ９を基準にして上記の各バンプの頂点の高さの相対的な位置関係から、各バンプ９の高さを算出することができる。このとき、基板８上面のそり等による凹凸の影響は、オートフォーカス装置２２による測定結果から基板８上面を近似した値を用いて、各バンプ９毎に補正を加えればよい。
【０１４５】
試料７をｘ方向に走査して試料９の端まで到達すると、ｘ方向の走査を停止させ、測定の走査幅だけｙ方向に試料７を移動させて、再びｘ方向にステージ１０を移動させる。これを繰り返して、試料全面を測定する。
【０１４６】
本実施の形態によれば、光束径制限手段４１としてマルチピンホールアレイを用いているので、ｚ軸方向はもとより、ｘ，ｙ方向にも共焦点効果が得られ、高分解能測定が可能になる。
【０１４７】
基板８とバンプ９の反射率は大きく異なる場合が多く、基板８からの反射光とバンプ９からの反射光とでは、光検出手段１４への光量が大きく異なってしまうため、光検出手段１４をその両方に適した感度に設定するのが困難な場合が多かった。本実施の形態によれば、バンプ９からの反射光だけを検出すればよく、光検出手段１４の感度を最適な値に調整することが可能になる。また、対物レンズ４２を振動させる振幅が減少したために、対物レンズ４２を変位させる周波数を上げることができる。したがって、試料７を測定する際の測定間隔を狭くすることができ、測定精度を向上させることができる。あるいは、ステージ速度ｖs を上げることにより、さらなる測定時間の短縮が可能になる。
【０１４８】
上記の説明では、対物レンズ４２を一定周期で変位させる場合について説明したが、これに限られる訳ではなく、例えばバンプ測定時以外には周期を遅くしてもよい。
【０１４９】
上記の説明では、ステージ１０を一定速度ｖs で移動させる場合について説明したが、これに限られる訳ではない。バンプ９は規則的に配置されているので、例えば一つのチップの中でのバンプとバンプの間やあるいはチップと隣のチップとの間のように、バンプが存在しない領域ではステージ１０の移動速度を上げてバンプ測定時には一定速度に制御することにより、ステージ１０の平均的な移動速度を向上させることができ、測定時間の短縮に繋がる。
【０１５０】
上記の説明では、対物レンズ４２の変位を検出する手段としてピエゾアクチュエータの駆動電圧から算出する方法を用いたが、これに限られる訳ではなく、他の手段、例えばレーザ測長器を用いてもよい。その場合、対物レンズ４２を支える機械部品（図示せず）の一部にミラーを貼付し、そのミラー面を用いてレーザ測長器により変位を測定すればよい。
【０１５１】
以上の本発明の３次元形状測定装置は例えば次のように構成することができる。
【０１５２】
〔１〕  コヒーレンスの低い照明光を発生させる光源と、
照明光を参照面に入射する参照光束と試料に入射する測定用光束とに分割する光束分割手段と、
照明光を試料に集光させる照明光学系と、
参照光束と測定用光束とを合成する光束合成手段と、
試料を照明光学系の光軸に対して垂直な方向に移動させる手段と、
試料の照明光学系の光軸に対して垂直な面内での位置又はそれと等価な量を検出する手段と、
参照光束と測定用光束の光路長差、又は、その光路長差と等価な量を検出する手段と、
光検出手段と、
光検出手段で検出した信号を演算する信号演算手段とを有し、
試料が照明光学系の光軸に対して垂直な方向に移動している状態で、光検出手段により信号を検出することを特徴とする３次元形状測定装置。
【０１５３】
〔２〕  上記１において、信号演算手段が、閾値を設定する手段と、光検出手段からの信号と閾値を比較する手段と、閾値を越えた信号が発生した場合、その時点での光路長差と試料の照明光学系の光軸に対して垂直な面内での位置とを記憶させる手段と、記憶手段の情報から試料の形状を演算する手段とを有することを特徴とする３次元形状測定装置。
【０１５４】
〔３〕  上記１又は２において、光検出手段が１次元ラインセンサであることを特徴とする３次元形状測定装置。
【０１５５】
〔４〕  上記３において、１次元ラインセンサが１次元ＣＣＤであることを特徴とする３次元形状測定装置。
【０１５６】
〔５〕  上記１から４の何れか１項において、参照光束と測定用光束の光路長差を周期的に変化させる手段を有することを特徴とする３次元形状測定装置。
【０１５７】
〔６〕  上記５において、参照光束と測定用光束との光路長差を周期的に変化させる手段において、光路長を変化させる周期が可変であることを特徴とする３次元形状測定装置。
【０１５８】
〔７〕  上記５又は６において、参照光束と測定用光束との光路長差を周期的に変化させる手段が、参照面を光軸方向に変位させる機構を有することを特徴とする３次元形状測定装置。
【０１５９】
〔８〕  上記７において、参照光束と測定用光束の光路長差、又は、その光路長差と等価な量を検出する手段が、参照面の光軸方向の変位を検出する手段を有することを特徴とする３次元形状測定装置。
【０１６０】
〔９〕  上記８において、参照面の光軸方向の変位を検出する手段がレーザ測長器であることを特徴とする３次元形状測定装置。
【０１６１】
〔１０〕  上記７において、参照面を光軸方向に変位させる機構が、ピエゾアクチュエータであり、参照光束と測定用光束の光路長差、又は、その光路長差と等価な量を検出する手段が、ピエゾアクチュエータの駆動電圧を検出する手段を有することを特徴とする３次元形状測定装置。
【０１６２】
〔１１〕  上記１から１０の何れか１項において、試料を照明光学系の光軸に対して垂直な方向に移動させる手段により、試料の移動速度を可変としたことを特徴とする３次元形状測定装置。
【０１６３】
〔１２〕  上記１から１０の何れか１項において、試料を照明光学系の光軸に対して垂直な方向に移動させる手段により、試料を一定速度で移動させることを特徴とする３次元形状測定装置。
【０１６４】
〔１３〕  上記１１又は１２において、試料が基板上に略周期的な構造が形成された構成であることを特徴とする３次元形状測定装置。
【０１６５】
〔１４〕  上記１３において、参照面を変位させたときに参照光束と測定用光束との光路長差が０になる測定用光束上の位置が、略周期的な構造の頂点の高さを含み、基板の高さを含まないことを特徴とする３次元形状測定装置。
【０１６６】
〔１５〕  上記１から１４の何れか１項において、試料が基板上に球状のバンプが略周期的に配置された表面実装型半導体パッケージであり、参照面をｖs ／（２Ｒｓｉｎθb ）〔Ｈｚ〕よりも高い周波数で、かつ、Ｒ×〔１−（１−ｓｉｎ2 θb ）1/2 〕よりも大きい振幅で光軸方向に変化させることを特徴とする３次元形状測定装置。ただし、
ＮＡ：照明光学系の試料側開口数
Ｒ  ：バンプ形状を球面で近似したときの球面の半径
ｖs ：試料を一定速度で移動させるときの速度
θb ：θb ＝（ｓｉｎ-1ＮＡ）／２
とする。
【０１６７】
〔１６〕  上記１から１５の何れか１項において、照明光学系と試料との距離、又は、それと等価な量を測定する手段を有することを特徴とする３次元形状測定装置。
【０１６８】
〔１７〕  上記１６において、照明光学系と試料との距離、又は、それと等価な量を測定する手段が、オートフォーカス装置であることを特徴とする３次元形状測定装置。
【０１６９】
〔１８〕  照明光を発生させる光源と、
照明光を試料上に集光させる照明光学系と、
試料からの光を結像させる結像光学系と、
試料と共役な位置近傍に配置した光束径制限手段と、
光束径制限手段と共役な位置と試料との光軸方向の相対的な位置、又は、それと等価な量を検出する手段と、
試料を照明光学系の光軸に対して垂直な方向に移動させる手段と、
試料の照明光学系の光軸に対して垂直な面内での位置、又は、それと等価な量を検出する手段と、
光検出手段と、
光検出手段で検出した信号を演算する信号演算手段とを有し、
試料が照明光学系の光軸に対して垂直な方向に移動している状態で、光検出手段により信号を検出することを特徴とする３次元形状測定装置。
【０１７０】
〔１９〕  上記１８において、信号演算手段が、閾値を設定する手段と、光検出手段からの信号と閾値を比較する手段と、閾値を越えた信号が発生した場合、その時点での光束径制限手段と共役な位置と試料との光軸方向の相対的な位置、又は、それと等価な量と、試料の照明光学系の光軸に対して垂直な面内での位置とを記憶させる手段と、記憶手段の情報から試料の形状を演算する手段とを有することを特徴とする３次元形状測定装置。
【０１７１】
〔２０〕  上記１８又は１９において、光検出手段が１次元ラインセンサであることを特徴とする３次元形状測定装置。
【０１７２】
〔２１〕  上記２０において、１次元ラインセンサが１次元ＣＣＤであることを特徴とする３次元形状測定装置。
【０１７３】
〔２２〕  上記１８又は１９において、光束径制限手段がピンホールであることを特徴とする３次元形状測定装置。
【０１７４】
〔２３〕  上記１８から２１の何れか１項において、光束径制限手段がスリットであることを特徴とする３次元形状測定装置。
【０１７５】
〔２４〕  上記１８から２１の何れか１項において、光束径制限手段がマルチピンホールアレイであることを特徴とする３次元形状測定装置。
【０１７６】
〔２５〕  上記１８から２４の何れか１項において、光束径制限手段と共役な位置と試料との光軸方向の相対的な位置を周期的に変化させる手段を有することを特徴とする３次元形状測定装置。
【０１７７】
〔２６〕  上記２５において、光束径制限手段と共役な位置と試料との光軸方向の相対的な位置を周期的に変化させる手段が、光束径制限手段の位置を周期的に変化させる機構を有することを特徴とする３次元形状測定装置。
【０１７８】
〔２７〕  上記２６において、光束径制限手段と共役な位置と試料との光軸方向の相対的な位置、又は、それと等価な量を検出する手段が、光束径制限手段の位置を検出する手段を有することを特徴とする３次元形状測定装置。
〔２８〕  上記２５において、光束径制限手段と共役な位置と試料との光軸方向の相対的な位置を周期的に変化させる手段が、照明光学系の位置を周期的に変化させる機構を有することを特徴とする３次元形状測定装置。
【０１７９】
〔２９〕  上記２８において、光束径制限手段と共役な位置と試料との光軸方向の相対的な位置、又は、それと等価な量を検出する手段が、照明光学系の位置を検出する手段を有することを特徴とする３次元形状測定装置。
【０１８０】
〔３０〕  上記２５において、光束径制限手段と共役な位置と試料との光軸方向の相対的な位置を周期的に変化させる手段が、結像光学系の位置を周期的に変化させる機構を有することを特徴とする３次元形状測定装置。
【０１８１】
〔３１〕  上記３０において、光束径制限手段と共役な位置と試料との光軸方向の相対的な位置、又は、それと等価な量を検出する手段が、結像光学系の位置を検出する手段を有することを特徴とする３次元形状測定装置。
【０１８２】
〔３２〕  上記２５において、光束径制限手段と共役な位置と試料との光軸方向の相対的な位置を周期的に変化させる手段において、周期が可変であることを特徴とする３次元形状測定装置。
【０１８３】
〔３３〕  上記１８から２５の何れか１項において、試料を照明光学系の光軸に対して垂直な方向に移動させる手段により、試料の移動速度を可変としたことを特徴とする３次元形状測定装置。
【０１８４】
〔３４〕  上記１８から２５において、試料を照明光学系の光軸に対して垂直な方向に移動させる手段により、試料を一定速度で移動させることを特徴とする３次元形状測定装置。
【０１８５】
〔３５〕  上記３３又は３４において、試料が基板上に略周期的な構造が形成された構成であることを特徴とする３次元形状測定装置。
【０１８６】
〔３６〕  上記３５において、光束径制限手段と共役な位置と試料との光軸方向の相対的な位置を周期的に変化させたときに、光束径制限手段と試料との光軸方向の相対的な位置が０になる光束径制限手段と共役な位置が、略周期的な構造の頂点の高さを含み、基板の高さを含まないことを特徴とする３次元形状測定装置。
【０１８７】
〔３７〕  上記１８から３６の何れか１項において、試料が基板上に球状のバンプが略周期的に配置された表面実装型半導体パッケージであり、光束径制限手段と共役な位置をｖs ／（２Ｒｓｉｎθb ）〔Ｈｚ〕よりも高い周波数で、かつ、Ｒ×〔１−（１−ｓｉｎ2 θb ）1/2 〕よりも大きい振幅で光軸方向に変位させることを特徴とする３次元形状測定装置。ただし、
ＮＡ：照明光学系の試料側開口数
Ｒ  ：バンプ形状を球面で近似したときの球面の半径
ｖs ：試料を一定速度で移動させるときの速度
θb ：θb ＝（ｓｉｎ-1ＮＡ）／２
とする。
【０１８８】
〔３８〕  上記１８から３７の何れか１項において、照明光学系と試料との距離、又は、それと等価な量を測定する手段を有することを特徴とする３次元形状測定装置。
【０１８９】
〔３９〕  上記３８において、照明光学系と試料との距離、又は、それと等価な量を測定する手段がオートフォーカス装置であることを特徴とする３次元形状測定装置。
【０１９０】
【発明の効果】
上記のように、本発明によれば、白色干渉計や共焦点顕微鏡等の測定方法において、同一箇所を複数回測定することなく試料の３次元形状を測定することが可能であり、高い測定スループットを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の３次元形状測定装置の構成と作用を説明するための図である。
【図２】第２実施形態の３次元形状測定装置の構成と作用を説明するための図である。
【図３】第３実施形態の３次元形状測定装置の構成と作用を説明するための図である。
【図４】第４実施形態の３次元形状測定装置の構成と作用を説明するための図である。
【図５】第１実施形態において試料を一定速度で移動させ、参照ミラーを正弦波状に変位させたときの測定光束と参照光束の光路長差が０になる位置の軌跡を示す図である。
【図６】低コヒーレンス光を用いた干渉測定における光路長差と干渉強度の関係を示す図である。
【図７】半球状試料の場合に周辺からの反射光は光学系で取り込むことができなくなる様子を模式的に示す図である。
【符号の説明】
１…白色光源
２…コリメータレンズ
３…集光レンズ
４…光束偏向手段（ハーフミラー）
５…対物レンズ
６…光束分割手段（ハーフミラー）
７…試料
８…基板
９…バンプ
１０…ステージ
１１…参照ミラー
１２…ピエゾアクチュエータ
１３…結像レンズ
１４…光検出手段（１次元ＣＣＤ）
１５…信号演算手段
１６…ピエゾアクチュエータ駆動装置
１７…接眼鏡筒
１８…光束分割手段（ハーフミラー）
２０…対物レンズ
２１…レンズ
２２…オートフォーカス装置
３１…白色光源
３２…コリメータレンズ
３３…光束偏向手段（ハーフミラー）
３４…集光レンズ
３５…光束径制限手段（スリット）
３６…結像レンズ
３７…対物レンズ
３８…レンズ
３９…リレーレンズ
４０…スキャンユニット
４１…光束径制限手段（マルチピンホールアレイ）
４２…対物レンズ
【図１】
0004115624.tif 000002
【図２】
0004115624.tif 000003
【図３】
0004115624.tif 000004
【図４】
0004115624.tif 000005
【図５】
0004115624.tif 000006
【図６】
0004115624.tif 000007
【図７】
0004115624.tif 000008