JP2005055540A - 共焦点顕微鏡及び高さ測定装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】高い検査精度を重視する場合や検査時間を高速化したい場合に柔軟に対応すること。
【解決手段】対物レンズ２８のエアリディスク径に対する共焦点ディスク２３のスリット又はピンホールなどの開口部の大きさの比を変更する。
【選択図】 図１
【解決手段】対物レンズ２８のエアリディスク径に対する共焦点ディスク２３のスリット又はピンホールなどの開口部の大きさの比を変更する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、共焦点顕微鏡、及びこの共焦点顕微鏡を用いて例えばＬＳＩチップ等のサンプルの高さ情報を取得する高さ測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図９はバンプ電極（以下、バンプと省略する）が形成されたＬＳＩチップの構成図である。ＬＳＩチップ１上には、複数のバンプ２が縦横方向に形成されている。これらバンプ２は、半球状であり、その大きさや各バンプ２間のピッチは種々あり、例えばバンプ２の半径が５０μｍでピッチが２００μｍのものがある。
ＬＳＩチップ１のサイズが例えば１０ｍｍ×１０ｍｍであれば、ＬＳＩチップ１上には、数千個にも及ぶ膨大な個数のバンプ２が形成される。このＬＳＩチップ１は、図１０に示すように基板３に対して逆さまにされて接続される。このとき、ＬＳＩチップ１の各バンプ２と基板３上の各基板電極とがフリップチップ接続される。このフリップチップ接続では、各バンプ２の形状、特に各バンプ２の高さが正確に制御されていることが正常に接続するために必要である。
【０００３】
図１１は図９に示すＡ−Ａ’断面図であって、各バンプ２の高さは、設計上、高さレベルｈに揃っている必要があるが、実際には黒塗りしたバンプ２ｇに示すように設計した高さレベルよりも高い又は低い不良のものが存在する場合がある。このような不良バンプ２ｇが存在するＬＳＩチップ１を基板３上にフリップチップ接続すると、バンプ２と基板３との接続不良が発生する。このため、ＬＳＩチップ１上に形成された各バンプ２の高さは、所定の許容範囲内に制限する必要がある。
【０００４】
このような実情からバンプ２の高さを数μｍの精度で検査する要求がある。このバンプ高さ検査の要求に対して共焦点光学系のセクショニング効果を利用した高さ測定方式がある。例えば特許文献１には、共焦点光学系を用いた高さ測定装置が記載されている。このうち共焦点光学系は、レーザ走査式又はＮｉｐｋｏｗディスクなどを用いたディスク方式が知られており、いずれの方式も高さ方向（光軸方向）の分布を検出光量に変換する機能を有する。
【０００５】
図１２は共焦点光学系の原理を示す構成図である。光源４から放射された光は、ピンホール５を通過し、ビームスプリッタ６で反射され、対物レンズ７により集光されてサンプル８に照射される。このサンプル８からの反射光は、対物レンズ７により集光され、ビームスプリッタ６を透過し、検出ピンホール９を通って光検出器１０で受光される。
【０００６】
サンプル８が光軸方向に例えば距離ΔＺだけずれると、サンプル８の反射光は、点線により示す光路を通るものとなり、検出ピンホール９上では大きく広がってしまう。このため、検出ピンホール９を通過できる光量は、非常に小さくなり、実質的に検出ピンホール９の通過光量はゼロとみなせる。
【０００７】
図１３はサンプル８のＺ方向（光軸方向）位置と検出ピンホール９を通過する光量Ｉとの関係（以下、Ｉ−Ｚ特性と称する）の理論値を示す図で、対物レンズ７の開口数（ＮＡ）をパラメータとした場合の焦点位置を基準にしたサンプル８の位置Ｚと光量Ｉとの関係を最大値で規格化して示す。サンプル８が焦点位置（Ｚ＝０）にある場合にもっとも光量Ｉが大きく（Ｉ＝１）、焦点位置から外れるに従って光量Ｉが減少する。これにより、共焦点光学系によりサンプル８を観察すると、焦点位置の高さ付近だけで観察像が明るく観察される。これは共焦点光学系のセクショニング効果と呼ばれる。
【０００８】
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とが重なって観察されるが、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像（セクショニング像）が観察され、この点が通常の光学顕微鏡とは大きく異なる。セクショニング効果は、対物レンズ７のＮＡが大きい程顕著である。
図１３には複数のＮＡ（例えばＮＡ＝０．３、０．２５、０．２）をパラメータとした各ＩＺカーブが示されている。例えばＮＡ＝０．３のＩＺカーブでは、焦点位置から±１０μｍ以内のサンプル８のセクショニング像だけが観察できる。
【０００９】
しかるに、上記特許文献１に記載された高さ測定装置は、図１３に示すＩＺカーブを利用してＺ方向に離散的なセクショニング画像を取得し、これらセクショニング画像における各画素の最大輝度値を含む少なくとも３点のＩＺデータを用いて、これら３点のＩＺデータを２次曲線で近似（カーブフィッティング）する。そして、近似により求められたＩＺカーブのピーク位置を推定し、サンプル８の高さ情報を取得する。
【００１０】
【特許文献１】
特開平９−１２６７３９号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、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イッティングを行ないサンプル８の高さ検査を行なう場合には、ＩＺカーブのある光強度以上の中に、最低３枚のセクショニング画像が必要である。この理由は、２次近似を行なうためには未知数が３個必要であることの数学的に必要な個数である。
【００１２】
ＩＺカーブのある光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とを図１４を参照して説明する。図１４は実際にＮＡ＝０．３の対物レンズ７を用いたときのＩＺカーブを測定した図である。この実測ＩＺカーブは、裾野部分のカーブが乱れていることが分る。この乱れは対物レンズ７の収差による。
【００１３】
従って、カーブフイッティングを行なうには、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。図１４に示すＩＺカーブでは光強度が０．４以上のデータを用いることが考えられる。
【００１４】
簡単のために光強度が０．５以上で考えると、カーブフイッティングを計算するのには、光強度０．５以上のＩＺカーブの領域内に最低限必要なデータ点数がある。例えば２次曲線にカーブフイッティングする場合には、３個のデータ点数である。これにより、Ｚ方向でセクショニング画像を取得するときのサンプリング間隔には、その間隔の最大値に制限が生じる。例えば図１４に示す実測ＩＺカーブにおいて光強度０．５でのＺ方向の全幅をＷ０．５とすると、Ｗ０．５≒１０μｍであり、この全幅Ｗ０．５の中に３個のＩＺデータが必要になる。そうすると、Ｚ方向のサンプリング間隔は、最も粗い場合で１０μｍ／３＝３．３３μｍとなり、この３．３３μｍよりも粗くすることはできない。高さ測定する場合には、Ｚ方向のサンプリング間隔の最大値制限よりも粗くＺ方向にサンプリングできない。
【００１５】
しかしながら、Ｚ方向のサンプリング間隔の最大値制限があるために、高精度に高さ測定するためには、セクショニング画像の取得枚数を増やすしかない。これではバンプ高さ検査時間が長くなってしまい、かつ１チップ当たりの検査コストを高くしてしまう。特にバンプ高さ検査は、１つでも不良バンプ２ｇが存在すると、バンプ２と基板３との接続不良が発生するために、不良バンプ２ｇの存在を見逃すことは許されない。このため、バンプ高さ検査では、ウエハ上の全てのＬＳＩチップ１に対してパンブ２の高さ測定を行なうことが絶対必要である。このようなバンプ高さ検査の実情からバンプ高さ検査時間を長くすることは製品の製造効率を低下させることに繋がる。
【００１６】
これに対してＮＡの異なる対物レンズを切り替えて使用する方法が考えられるが、バンプ高さ検査装置に使用される対物レンズは、低倍率（広視野）の割にＮＡが大きい（ＮＡ＝０．３、０．２５など）ために大型で高価であり、対物レンズの切替え機構（電動レボルバ切替え機構など）が複雑化する。しかも、電動レボルバ切替え機構は、構成上、剛性が低く、振動などの外乱に影響されやすく、測定精度を劣化させる。
【００１７】
そこで本発明は、高い検査精度を重視する場合や検査時間を高速化したい場合に柔軟に対応できる共焦点顕微鏡及びこれを用いた高さ測定装置を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、光を共焦点ディスクの開口部を通して対物レンズによりサンプルに照射し、このサンプルからの反射光を対物レンズから開口部を通して光電変換手段に結像させることによりサンプルのセクショニング像を取得する共焦点顕微鏡において、対物レンズのエアリディスク径に対する開口部の大きさの比を変更する共焦点顕微鏡である。
【００１９】
本発明は、上記共焦点顕微鏡において、サンプル又は対物レンズを相互に対物レンズの光軸方向に走査させて複数のセクショニング像を取得し、これらセクショニング像からサンプルの高さ情報を取得する高さ測定装置である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。
【００２１】
図１は共焦点顕微鏡を用いた高さ測定装置の構成図である。光源２０から放射される光の光路上には、コリメータレンズ２１とビームスプリッタ２２とを有する照明光学系が配置されている。コリメータレンズ２１は光源２０から放射された光を平行光に整形し、ビームスプリッタ２２はコリメータレンズ２１からの平行光をサンプル８側に反射する。
【００２２】
ビームスプリッタ２２の反射光路上には、回転タイプや共焦点ディスク２３が設けられている。この共焦点ディスク２３は、セクショニング効果を得るものであればどのような形状の開口部（共焦点パターン）が形成されたものでもよく、例えば複数のスリット開口が形成されたスリットタイプの共焦点ディスク、円形の複数のピンホール開口を螺旋状に配置したＮｉｐｋｏｗディスク、国際公開番号第９７／３１２８２号公報に開示されているＴｏｎｙ Ｗｉｌｓｏｎディスクなどである。この共焦点ディスク２３は、その中心部がモータ２４の回転軸２４ａに連結されている。
【００２３】
この共焦点ディスク２３の複数の開口部を通過した光の光路上には、結像レンズ２５、λ／４波長板２６、テレセントリック絞り２７、対物レンズ２８が配置されている。このうち共焦点ディスク２３、結像レンズ２５及び対物レンズ２８により第１の結像光学系が形成される。なお、図１では共焦点ディスク２３に形成された複数の開口部のうち２つの開口部を通過した光の光路を示す。共焦点ディスク２３に形成された開口部と対物レンズ２８の焦点面とは共役関係であり、結像レンズ２５、対物レンズ２８及びテレセントリック絞り２７は、両側テレセントリック系の配置である。又、光源２０とテレセントリック絞り２７とは、共役関係にある。
【００２４】
従って、共焦点ディスク２３、結像レンズ２５及び対物レンズ２８により第１の結像光学系は、サンプル８の光軸方向（Ｚ方向）の高さ分布を共焦点光学系のＩ−Ｚ特性により光強度情報に変換する機能を有する。
【００２５】
サンプル８からの反射光は、対物レンズ２８、テレセントリック絞り２７、λ／４波長板２６、結像レンズ２５、共焦点ディスク２３及びビームスプリッタ２２を透過するが、このビームスプリッタ２２の透過光路上には、レンズ２９、テレセントリック絞り３０、レンズ３１及び光電変換手段としての例えばＣＣＤ３２が配置されている。これらレンズ２９、テレセントリック絞り３０及びレンズ３１は、第２の結像光学系を形成する。このうち共焦点ディスク２３とＣＣＤ３２とは、各レンズ２９、３１により共役関係にある。
【００２６】
第２の結像光学系は、各レンズ２９、３１及びテレセントリック絞り３０の配置により両側テレセントリック系である。この第２の結像光学系は、テレセントリック系でなくてもよいが、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。
【００２７】
ＣＣＤ３２は、受光面上に対物レンズ２８の焦点付近だけのセクショニング像が結像され、このセクショニング像を撮像してその画像信号を出力する。
【００２８】
コンピュータ３３は、ＣＣＤ３２から出力された画像信号を入力し、この画像信号を画像処理してセクショニング画像データを求め、このセクショニング画像データをモニタ３４に表示する。又、コンピュータ３３は、焦点移動装置３５に対して対物レンズ２８を光軸方向（Ｚ方向）に移動させるか又はサンプル８を載置するサンプルステージ３６を光軸方向に移動動作させる指令を発する。
【００２９】
焦点移動装置３５は、対物レンズ２８を光軸方向に指示されたサンプリング間隔に従って移動させるか、又はサンプルステージ３６を光軸方向に指示されたサンプリング間隔ずつ移動させる。
【００３０】
このような装置であれば、光源２０から放射された光は、コリメータレンズ２１により平行光に整形され、ビームスプリッタ２２によりサンプル８側に反射され、回転している共焦点ディスク２３に照射される。
【００３１】
この共焦点ディスク２３の複数の開口部を通過した光は、結像レンズ２５により集光され、λ／４波長板２６を透過し、テレセントリック絞り２７を通り、対物レンズ２８によりサンプル８上に照射される。
【００３２】
サンプル８からの反射光は、サンプル８に照射する光路と同一光路を戻り、ビームスプリッタ２２に入射する。このサンプル８からの反射光は、ビームスプリッタ２２を透過し、さらにレンズ２９、テレセントリック絞り３０、レンズ３１を通ってＣＣＤ３２に入射する。
【００３３】
このＣＣＤ３２の受光面上にはサンプル８上における対物レンズ２８の焦点付近だけのセクショニング像が結像される。従って、ＣＣＤ３２は、サンプル８上における対物レンズ２８の焦点付近だけのセクショニング像を撮像してその画像信号を出力する。
【００３４】
この結果、コンピュータ３３は、指示したサンプリング間隔毎にＣＣＤ３２から出力された各画像信号を入力し、これら画像信号を画像処理して複数枚のセクショニング画像データを取得する。これらセクショニング画像データは、サンプル８の３次元情報となる。なお、ＸＹ方向の測定範囲はＣＣＤ３２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像を撮像した範囲である。
【００３５】
図２及び図３はサンプル８として図９に示すＬＳＩチップ１を観察したときのセクショニング像を示す図であって、図２はＬＳＩチップ１上の各バンプ２の頂点付近に合焦させた場合を示す。このセクショニング像は、各バンプ２の頂点付近だけが明るい画像として観察できる。なお、図２ではＬＳＩチップ１の面上と各バンプ２との各黒塗りの濃度を異ならせて示しているが、実際には、明るく見えるのは各バンプ２の頂点付近だけであり、それ以外の部分は殆ど真暗の状態である。
【００３６】
図３はＬＳＩチップ１上のチップ面付近に合焦させた場合を示す。すなわち、合焦位置をチップ面上に近付けて行くと、共焦点光学系のセクショニング効果によりバンプ２の頂点付近の像は徐々に暗くなり、やがてバンプ２の像は真暗の状態になる。さらに、合焦位置をチップ面上に近付けて行くと、徐々にチップ面上の像が明るく観察される。そして、チップ面上に合焦した状態になると、図３に示すようにバンプ２の像は真暗の状態になると共に、チップ面上の像が最も明るく観察される。これらセクショニング像をＣＣＤ３２により撮像する場合について説明する。ＣＣＤ３２の画素寸法は通常数μｍ〜１０μｍ程度である。ここでは、説明を簡単にするためにＣＣＤ３２の画素寸法を１０μｍの正方画素とする。
【００３７】
最近、価格的にも容易に入手できるようになった１０００×１０００（１００万画素）画素のＣＣＤは、画素サイズが１０μｍ程度であるので、そのＣＣＤサイズは１０×１０ｍｍになる。光学系総合倍率を例えば１倍にすれば、１０×１０ｍｍのＬＳＩチップ１を観察できる。高速検査を達成するためには、光学系総合倍率が例えば１倍とするような広視野光学系を実現することが必要になる。この場合、図１に示す装置での第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１／２倍などの組み合わせが考えられる。実用化において光学系総合倍率が２倍に設定されている場合や１／２倍などの縮小系になる場合も有り得る。
【００３８】
一方、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と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とについて考える。上記図１３に示すようにセクショニング効果すなわちＩＺカーブの急峻さは対物レンズ２８のＮＡにより決定される。なお、第１の結像光学系の倍率を例えば３倍程度の低倍率であると、実用化可能と考えられる最も大きなＮＡの対物レンズ２８のＮＡが０．３程度であると考えられる。
【００３９】
次に、ＮＡ＝０．３程度の対物レンズ２８を使用しての高さ測定について説明する。上記図１３は理論的なＩＺカーブを示すので、焦点位置（Ｚ＝０μｍ）に対して完全に対称形である。これに対して実際のＮＡ＝０．３の対物レンズ２８を使用したときのＩＺカーブは、上記図１４に示すように裾野部分が対物レンズ２８の収差により乱れたカーブになっている。
【００４０】
従って、図１４に示すＩＺカーブから、セクショニング像をＺ方向にΔＺで離散的にサンプリングし、２次曲線やガウス分布曲線によりカーブフイッティングし、そのピーク位置のＺ位置をバンプ２の高さ情報にする場合、ＩＺカーブの裾野部分のデータは使用しない方が高精度化に有利である。なお、フイッティングに際しては、理論的なＩＺカーブがガウス分布曲線でかなり良く近似できるので、２次曲線よりもガウスフイッティングの方が有利である。ガウスフイッティングは、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はない。
【００４１】
ＣＣＤ量子雑音（∝１／√（明るさ））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画像データをフイッティングに使用するのは好ましくない。この理由から、ＩＺカーブにおける光強度に対しある閾値Ｉｔｈ以上の画像データを有効とし、閾値Ｉｔｈ以下の画像データを無効にすることが好ましい。
【００４２】
ガウス又は２次曲線フイッティングのいずれにしろ、数学的には閾値Ｉｔｈ以上の画像データが最低３個必要である。最低限必要なデータ個数は、フイ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。
【００４３】
上述したように理論的なＩＺカーブがガウス分布曲線でかなり良く近似できるので、以下の説明では、ガウス分布を使用することを前提に説明する。閾値Ｉｔｈの決定方法は、画像データのＳ／Ｎや使用する対物レンズ２８のＩＺカーブの裾野部分の乱れなどを総合的に判断して適宜選択する。ここでは、上記図１４に示す実測ＩＺカーブの裾野部分の乱れに基づいて、閾値Ｉｔｈ＝０．５として考える。実際に、光強度０．４程度までは、図１３に示す理論値のＩＺカーブと図１４に示す実測ＩＺカーブとは非常に良く一致しているので、閾値Ｉｔｈ＝０．５とするのは妥当である。
【００４４】
図１４に示す実測ＩＺカーブに対して閾値Ｉｔｈ＝０．５でのＺ方向の全幅Ｗ０．５は、Ｗ０．５≒１０μｍである。この全幅Ｗ０．５の中に最低３個の離散的なＩＺカーブが必ず存在するためには、Ｚ方向のサンプリング間隔ΔＺは、
ΔＺ＝１０μｍ／３＝３．３３μｍ
になる。
【００４５】
サンプリング間隔ΔＺを３．３３μｍよりも細かくして常に４個以上のデータ数を使用してフイッティングすれば、検査時間は長くかるが、ピーク推定位置の精度は高くなる。これを高精度検査モードと呼ぶ。実際に、サンプリング間隔ΔＺを３．３３μｍで離散的ＩＺデータを取得してフイッティングすれば、高さ測定精度は、±１μｍ程度に収めることが可能である。
【００４６】
バンプ２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。これにより、バンプ高さ検査のレンズも広くなることが予想される。今までは、パンプ２は小さなものでもチップ面上から高さが５０μｍ程度であったが、高さが１０〜２０μｍ程度のバンプも実用化されつつある。
【００４７】
一般に、小さなバンプ２ほど高精度の高さ検査が要求され、大きなバンプ２では小さなバンプ（微小バンプ）ほどの高さ検査精度は要求されない。微小バンプの場合は、上記高精度検査モードで対応すれば良い。
【００４８】
これに対して大きなバンプの高さ検査をする場合について説明する。例えば高さ５０μｍの大きなバンプを検査する場合、要求される高さ検査精度は１００μｍの１／２０で、±５μｍと仮定する。対物レンズ２８は、前述と同様にＮＡ＝０．３とする。ＮＡ＝０．３としたので、Ｚ方向のサンプリング間隔ΔＺは、最も粗くて３．３３μｍである。これは要求される精度を十分満足できるが、高さ５０μｍの大きさのバンプのサンプリング間隔ΔＺとしてはオーバスペックである。これでは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が発生する。すなわち、１つのＬＳＩチップ１当たりの検査コストに無駄なコストが掛かることになる。検査装置に要求されるのは、必要十分な検査精度でかつ検査時間を出来るだけ短縮して１チップ当たりの検査コストを抑制することにある。
【００４９】
このような高さ測定レンジの変化に対応するためには、ＮＡが異なる複数の対物レンズ２８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対物レンズ２８を交換する方法が考えられる。しかし、低倍率の対物レンズ２８は高価で大型であり、コスト上問題がある。さらに、対物レンズの切替え機構を付加するのは、構成が複雑化し、検査コストが高くなる。
【００５０】
しかるに、本発明では、共焦点ディスク２３の開口部の大きさ（開口比）を変えるという非常に簡便な方法によってＩＺカーブの急峻さを選択できるようにした。
【００５１】
セクショニング効果は、共焦点ディスク２３の開口部の大きさが無限小のときにその効果がもっとも大きい。開口部の大きさを大きくすると、明るい画像を得ることが出来るが、セクショニング効果が弱くなる。すなわち、ＩＺカーブの半値全幅（ＦＷＨＭ）が大きくなる。従って、開口部の大きさを大きくしてＩＺカーブの半値全幅を大きくし、Ｚ方向のサンプリング間隔ΔＺを粗くすることで検査時間の高速化を図る。
【００５２】
図４は共焦点ディスク２３の開口部をスリットに形成し、このスリット幅をパラメータとしたＩＺ特性を示す図である。対物レンズ２８のＮＡは、０．２３である。パラメータであるスリット幅は、対物レンズ２８のＮＡで決まるエアリディスク径に対するスリット幅の比としている。同図からスリット幅が対物レンズ２８のエアリディスク径に対して０．１倍、０．５倍、１倍と大きくなるに従ってＩＺカーブの半値全幅が急激に大きくなることが分る。０．１倍でのＩＺカーブは、スリット幅が無限小の場合と同じと考えて差し支えない。
【００５３】
共焦点ディスク２３の開口部をピンホールに形成した場合も同様に、対物レンズ２８のエアリディスク径に対するピンホール径の比をパラメータとしたＩＺ特性を計算できる。図５は対物レンズ２８のエアリディスク径に対する共焦点ディスク２３の開口部の大きさの比を横軸に示し、ＩＺカーブの半値全幅の変化を縦軸に示した図である。開口部としては、スリットとピンホールとの２種類の形状について示した。縦軸の半値全幅は、各形状の開口部の大きさが無限小の場合に「１」に規格化している。同図１１対物レンズ２８のエアリディスク径に対する共焦点ディスク２３の開口部の大きさ（開口比）が大きくなるに従ってＩＺカーブの半値全幅が大きくなること、すなわちセクショニング効果が弱くなることを示す。
【００５４】
従って、共焦点ディスク２３に複数のスリットを形成した場合、対物レンズ２８のエアリディスク径に対するスリット幅の比を３０％以下にすれば、半値全幅ＦＷＨＭは、ＦＷＨＭ≒１となる。又、共焦点ディスク２３に複数のピンホールを形成した場合、対物レンズ２８のエアリディスク径に対するピンホール径の比を６０％以下にすれば、半値全幅ＦＷＨＭは、ＦＷＨＭ≒１となる。従って、パンプ２の高さを精度高く検査するには、セクショニング効果が強い方がよいので、半値全幅ＦＷＨＭは、ＦＷＨＭ≒１になるように共焦点ディスク２３の開口部の大きさを変更する。
【００５５】
一方、高速でバンプ２の高さを検査する場合、例えば２倍程度高速に検査する場合について説明する。この場合、Ｚ方向のサンプリング間隔ΔＺを２倍に粗くすれば良い。図５において、半値全幅ＦＷＨＭ≒２にすれば、２倍の粗さのサンプリング間隔ΔＺが可能である。スリットの場合、対物レンズ２８のエアリディスク径に対するスリット幅の比を約７５％に選択し、ピンホールの場合、対物レンズ２８のエアリディスク径に対するピンホール径の比を約１０５％に選択する。同様に、半値全幅ＦＷＨＭ≒３にしてサンプリング間隔Δを３倍粗くするには、スリットの場合、対物レンズ２８のエアリディスク径に対するスリット幅の比を約９０％に選択し、ピンホールの場合、対物レンズ２８のエアリディスク径に対するピンホール径の比を約１３０％に選択する。
【００５６】
対物レンズ２８のエアリディスク径に対する共焦点ディスク２３の開口部の大きさの比を変える方法について説明する。例えば図６に示すように共焦点ディスク２３を３つのパターンＰ１〜Ｐ３の各領域に分割し、それぞれのパターンＰ１〜Ｐ３領域毎に対物レンズ２８のエアリディスク径に対する共焦点ディスク２３の開口部（ピンホール）の大きさの比が異なるように形成する。例えば、図７に示す共焦点ディスク２３の各パターンＰ１〜Ｐ３領域における開口部３１がスリットであれば、各パターンＰ１〜Ｐ３領域毎に対物レンズ２８のエアリディスク径に共焦点ディスク２３の開口部の大きさの比を変えるには、各パターンＰ１〜Ｐ３領域によってそれぞれスリット幅Ｓを異ならせればよい。
【００５７】
このような共焦点ディスク２３は、例えば手動で共焦点ディスク２３を光軸と直交する方向にスライドするようにしたり、又は電動でスライドさせることにより、各パターンＰ１〜Ｐ３領域を光軸上に配置する。なお、共焦点ディスク２３のピンホールは、楕円、三角形、四角形などの多角形でもよい。
【００５８】
又、対物レンズ２８のエアリディスク径に対する共焦点ディスク２３の開口部の大きさの比を変える方法は、この比がそれぞれ異なる複数の共焦点ディスク２３を用意し、これら共焦点ディスク２３のうち適宜所望の共焦点ディスク２３を使用するようにしてもよい。
【００５９】
このように上記一実施の形態においては、対物レンズ２８のエアリディスク径に対する共焦点ディスク２３のスリット又はピンホールなどの開口部の大きさの比を変更することで、一つの対物レンズ２８でセクショニング効果すなわちＩＺカーブの半値全幅ＦＷＨＭを容易にできる。従って、バンプ２の高さ検査をする場合、高い検査精度を重視したい場合、又は検査時間を高速化したい場合などの要求に柔軟に対応できる。例えば、バンプ２の高さ検査に限らず、各種サンプル８の像を観察する場合、明るいセクショニング像で観察したいとか、セクショニング像が暗くても良いからサンプル８の細かいところまで精度高く観察したいなどのその観察目的によって要望がある。
【００６０】
このような要望が様々あっても、これら要望に応じて対物レンズ２８のエアリディスク径に対する共焦点ディスク２３のスリット又はピンホールなどの開口部の大きさの比を変更することによってベストの状態のセクショニング像を得ることができる。
【００６１】
一般に、共焦点光学系では、対物レンズ２８のＮＡが小さくなるほどセクショニング効果が弱くなると同時に、光学的横分解能もＮＡが小さくなるほどけ劣化する。本発明装置では、対物レンズ２８のＮＡを小さくしてセクショニング効果を弱くするのでなく、対物レンズ２８のエアリディスク径に対する共焦点ディスク２３のスリット又はピンホールなどの開口部の大きさの比を変更することにより、セクショニング効果を弱くするので、光学的横分解能は劣化しない。すなわち、対物レンズ２８のＮＡを十分活かした横分解能を得ながら、セクショニング効果を大きく変えることができる。
【００６２】
例えば、バンプ２がさらに微小化したり、１つのバンプ２のある程度の形状を検査する必要に迫られたり、或いは隣接する各バンプ２の間隔が狭くなった場合に、対物レンズ２８の横分解能を劣化させずにセクショニング効果を変更できる。実際に、ＬＣＤドライバ用ＩＣのバンプでは、１つのバンプのある程度の形状（特に凹み量）を検査する要求が出てきているので、この検査を精度高く行なうことができるいとう大きなメリットがある。
【００６３】
なお、本発明は、上記一実施の形態に限定されるものでなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。
【００６４】
例えば、上記一実施の形態では、共焦点ディスク２３を用いた場合について説明したが、図８に示すように液晶表示素子を用いて電子的に例えばピンホールの各開口部４０を走査してもよい。これらピンホール４０の大きさ、すなわち対物レンズ２８のエアリディスク径に対するピンホール径の比を可変すれば、セクショニング効果を瞬時にかつ簡単に変えることができる。液晶表示素子を用いた場合でも開口部はピンホールに限らず、スリットや楕円、三角形、四角形などの多角形でもよい。
【００６５】
又、上記実施形態には、種々の段階の発明が含まれており、開示されている複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出できる。例えば、実施形態に示されている全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出できる。
【００６６】
【発明の効果】
以上詳記したように本発明によれば、高い検査精度を重視する場合や検査時間を高速化したい場合に柔軟に対応できる共焦点顕微鏡及びこれを用いた高さ測定装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる共焦点顕微鏡を用いた高さ測定装置の一実施の形態を示す構成図。
【図２】本発明に係わる共焦点顕微鏡を用いた高さ測定装置の一実施の形態により取得されるＬＳＩチップを観察したときのセクショニング像を示す図。
【図３】本発明に係わる共焦点顕微鏡を用いた高さ測定装置の一実施の形態により取得されるＬＳＩチップを観察したときのセクショニング像を示す図。
【図４】本発明に係わる共焦点顕微鏡を用いた高さ測定装置の一実施の形態における共焦点ディスクに形成されたスリット幅をパラメータとしたＩＺ特性図。
【図５】本発明に係わる共焦点顕微鏡を用いた高さ測定装置の一実施の形態におけるエアリディスク径に対する開口部の大きさの比に対するＩＺカーブの半値全幅の変化を示す図。
【図６】本発明に係わる共焦点顕微鏡を用いた高さ測定装置の一実施の形態におけるエアリディスク径に対する開口部の大きさの比の変更方法を説明するための図。
【図７】本発明に係わる共焦点顕微鏡を用いた高さ測定装置の一実施の形態におけるスリット開口が形成された共焦点ディスクの構成図。
【図８】本発明に係わる共焦点顕微鏡を用いた高さ測定装置の変形例を示す構成図。
【図９】バンプ電極が形成されたＬＳＩチップの構成図。
【図１０】基板上に接続されたＬＳＩチップを示す図。
【図１１】バンプ電極が形成されたＬＳＩチップの断面図。
【図１２】従来の共焦点光学系の構成図。
【図１３】サンプルのＺ方向位置と検出ピンホールの通過光量との関係を示すＩ−Ｚ特性の理論値を示す図。
【図１４】実際にＮＡ＝０．３の対物レンズを用いたときのＩＺカーブの測定図。
【符号の説明】
８：サンプル、２０：光源、２１：コリメータレンズ、２２：ビームスプリッタ、２３：共焦点ディスク、２４：モータ、２５：結像レンズ、２６：λ／４波長板、２７，３０：テレセントリック絞り、２８：対物レンズ、２９，３１：レンズ、３２：ＣＣＤ、３３：コンピュータ、３４：モニタ、３５：焦点移動装置。
【発明の属する技術分野】
本発明は、共焦点顕微鏡、及びこの共焦点顕微鏡を用いて例えばＬＳＩチップ等のサンプルの高さ情報を取得する高さ測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図９はバンプ電極（以下、バンプと省略する）が形成されたＬＳＩチップの構成図である。ＬＳＩチップ１上には、複数のバンプ２が縦横方向に形成されている。これらバンプ２は、半球状であり、その大きさや各バンプ２間のピッチは種々あり、例えばバンプ２の半径が５０μｍでピッチが２００μｍのものがある。
ＬＳＩチップ１のサイズが例えば１０ｍｍ×１０ｍｍであれば、ＬＳＩチップ１上には、数千個にも及ぶ膨大な個数のバンプ２が形成される。このＬＳＩチップ１は、図１０に示すように基板３に対して逆さまにされて接続される。このとき、ＬＳＩチップ１の各バンプ２と基板３上の各基板電極とがフリップチップ接続される。このフリップチップ接続では、各バンプ２の形状、特に各バンプ２の高さが正確に制御されていることが正常に接続するために必要である。
【０００３】
図１１は図９に示すＡ−Ａ’断面図であって、各バンプ２の高さは、設計上、高さレベルｈに揃っている必要があるが、実際には黒塗りしたバンプ２ｇに示すように設計した高さレベルよりも高い又は低い不良のものが存在する場合がある。このような不良バンプ２ｇが存在するＬＳＩチップ１を基板３上にフリップチップ接続すると、バンプ２と基板３との接続不良が発生する。このため、ＬＳＩチップ１上に形成された各バンプ２の高さは、所定の許容範囲内に制限する必要がある。
【０００４】
このような実情からバンプ２の高さを数μｍの精度で検査する要求がある。このバンプ高さ検査の要求に対して共焦点光学系のセクショニング効果を利用した高さ測定方式がある。例えば特許文献１には、共焦点光学系を用いた高さ測定装置が記載されている。このうち共焦点光学系は、レーザ走査式又はＮｉｐｋｏｗディスクなどを用いたディスク方式が知られており、いずれの方式も高さ方向（光軸方向）の分布を検出光量に変換する機能を有する。
【０００５】
図１２は共焦点光学系の原理を示す構成図である。光源４から放射された光は、ピンホール５を通過し、ビームスプリッタ６で反射され、対物レンズ７により集光されてサンプル８に照射される。このサンプル８からの反射光は、対物レンズ７により集光され、ビームスプリッタ６を透過し、検出ピンホール９を通って光検出器１０で受光される。
【０００６】
サンプル８が光軸方向に例えば距離ΔＺだけずれると、サンプル８の反射光は、点線により示す光路を通るものとなり、検出ピンホール９上では大きく広がってしまう。このため、検出ピンホール９を通過できる光量は、非常に小さくなり、実質的に検出ピンホール９の通過光量はゼロとみなせる。
【０００７】
図１３はサンプル８のＺ方向（光軸方向）位置と検出ピンホール９を通過する光量Ｉとの関係（以下、Ｉ−Ｚ特性と称する）の理論値を示す図で、対物レンズ７の開口数（ＮＡ）をパラメータとした場合の焦点位置を基準にしたサンプル８の位置Ｚと光量Ｉとの関係を最大値で規格化して示す。サンプル８が焦点位置（Ｚ＝０）にある場合にもっとも光量Ｉが大きく（Ｉ＝１）、焦点位置から外れるに従って光量Ｉが減少する。これにより、共焦点光学系によりサンプル８を観察すると、焦点位置の高さ付近だけで観察像が明るく観察される。これは共焦点光学系のセクショニング効果と呼ばれる。
【０００８】
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とが重なって観察されるが、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像（セクショニング像）が観察され、この点が通常の光学顕微鏡とは大きく異なる。セクショニング効果は、対物レンズ７のＮＡが大きい程顕著である。
図１３には複数のＮＡ（例えばＮＡ＝０．３、０．２５、０．２）をパラメータとした各ＩＺカーブが示されている。例えばＮＡ＝０．３のＩＺカーブでは、焦点位置から±１０μｍ以内のサンプル８のセクショニング像だけが観察できる。
【０００９】
しかるに、上記特許文献１に記載された高さ測定装置は、図１３に示すＩＺカーブを利用してＺ方向に離散的なセクショニング画像を取得し、これらセクショニング画像における各画素の最大輝度値を含む少なくとも３点のＩＺデータを用いて、これら３点のＩＺデータを２次曲線で近似（カーブフィッティング）する。そして、近似により求められたＩＺカーブのピーク位置を推定し、サンプル８の高さ情報を取得する。
【００１０】
【特許文献１】
特開平９−１２６７３９号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、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イッティングを行ないサンプル８の高さ検査を行なう場合には、ＩＺカーブのある光強度以上の中に、最低３枚のセクショニング画像が必要である。この理由は、２次近似を行なうためには未知数が３個必要であることの数学的に必要な個数である。
【００１２】
ＩＺカーブのある光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とを図１４を参照して説明する。図１４は実際にＮＡ＝０．３の対物レンズ７を用いたときのＩＺカーブを測定した図である。この実測ＩＺカーブは、裾野部分のカーブが乱れていることが分る。この乱れは対物レンズ７の収差による。
【００１３】
従って、カーブフイッティングを行なうには、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。図１４に示すＩＺカーブでは光強度が０．４以上のデータを用いることが考えられる。
【００１４】
簡単のために光強度が０．５以上で考えると、カーブフイッティングを計算するのには、光強度０．５以上のＩＺカーブの領域内に最低限必要なデータ点数がある。例えば２次曲線にカーブフイッティングする場合には、３個のデータ点数である。これにより、Ｚ方向でセクショニング画像を取得するときのサンプリング間隔には、その間隔の最大値に制限が生じる。例えば図１４に示す実測ＩＺカーブにおいて光強度０．５でのＺ方向の全幅をＷ０．５とすると、Ｗ０．５≒１０μｍであり、この全幅Ｗ０．５の中に３個のＩＺデータが必要になる。そうすると、Ｚ方向のサンプリング間隔は、最も粗い場合で１０μｍ／３＝３．３３μｍとなり、この３．３３μｍよりも粗くすることはできない。高さ測定する場合には、Ｚ方向のサンプリング間隔の最大値制限よりも粗くＺ方向にサンプリングできない。
【００１５】
しかしながら、Ｚ方向のサンプリング間隔の最大値制限があるために、高精度に高さ測定するためには、セクショニング画像の取得枚数を増やすしかない。これではバンプ高さ検査時間が長くなってしまい、かつ１チップ当たりの検査コストを高くしてしまう。特にバンプ高さ検査は、１つでも不良バンプ２ｇが存在すると、バンプ２と基板３との接続不良が発生するために、不良バンプ２ｇの存在を見逃すことは許されない。このため、バンプ高さ検査では、ウエハ上の全てのＬＳＩチップ１に対してパンブ２の高さ測定を行なうことが絶対必要である。このようなバンプ高さ検査の実情からバンプ高さ検査時間を長くすることは製品の製造効率を低下させることに繋がる。
【００１６】
これに対してＮＡの異なる対物レンズを切り替えて使用する方法が考えられるが、バンプ高さ検査装置に使用される対物レンズは、低倍率（広視野）の割にＮＡが大きい（ＮＡ＝０．３、０．２５など）ために大型で高価であり、対物レンズの切替え機構（電動レボルバ切替え機構など）が複雑化する。しかも、電動レボルバ切替え機構は、構成上、剛性が低く、振動などの外乱に影響されやすく、測定精度を劣化させる。
【００１７】
そこで本発明は、高い検査精度を重視する場合や検査時間を高速化したい場合に柔軟に対応できる共焦点顕微鏡及びこれを用いた高さ測定装置を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、光を共焦点ディスクの開口部を通して対物レンズによりサンプルに照射し、このサンプルからの反射光を対物レンズから開口部を通して光電変換手段に結像させることによりサンプルのセクショニング像を取得する共焦点顕微鏡において、対物レンズのエアリディスク径に対する開口部の大きさの比を変更する共焦点顕微鏡である。
【００１９】
本発明は、上記共焦点顕微鏡において、サンプル又は対物レンズを相互に対物レンズの光軸方向に走査させて複数のセクショニング像を取得し、これらセクショニング像からサンプルの高さ情報を取得する高さ測定装置である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。
【００２１】
図１は共焦点顕微鏡を用いた高さ測定装置の構成図である。光源２０から放射される光の光路上には、コリメータレンズ２１とビームスプリッタ２２とを有する照明光学系が配置されている。コリメータレンズ２１は光源２０から放射された光を平行光に整形し、ビームスプリッタ２２はコリメータレンズ２１からの平行光をサンプル８側に反射する。
【００２２】
ビームスプリッタ２２の反射光路上には、回転タイプや共焦点ディスク２３が設けられている。この共焦点ディスク２３は、セクショニング効果を得るものであればどのような形状の開口部（共焦点パターン）が形成されたものでもよく、例えば複数のスリット開口が形成されたスリットタイプの共焦点ディスク、円形の複数のピンホール開口を螺旋状に配置したＮｉｐｋｏｗディスク、国際公開番号第９７／３１２８２号公報に開示されているＴｏｎｙ Ｗｉｌｓｏｎディスクなどである。この共焦点ディスク２３は、その中心部がモータ２４の回転軸２４ａに連結されている。
【００２３】
この共焦点ディスク２３の複数の開口部を通過した光の光路上には、結像レンズ２５、λ／４波長板２６、テレセントリック絞り２７、対物レンズ２８が配置されている。このうち共焦点ディスク２３、結像レンズ２５及び対物レンズ２８により第１の結像光学系が形成される。なお、図１では共焦点ディスク２３に形成された複数の開口部のうち２つの開口部を通過した光の光路を示す。共焦点ディスク２３に形成された開口部と対物レンズ２８の焦点面とは共役関係であり、結像レンズ２５、対物レンズ２８及びテレセントリック絞り２７は、両側テレセントリック系の配置である。又、光源２０とテレセントリック絞り２７とは、共役関係にある。
【００２４】
従って、共焦点ディスク２３、結像レンズ２５及び対物レンズ２８により第１の結像光学系は、サンプル８の光軸方向（Ｚ方向）の高さ分布を共焦点光学系のＩ−Ｚ特性により光強度情報に変換する機能を有する。
【００２５】
サンプル８からの反射光は、対物レンズ２８、テレセントリック絞り２７、λ／４波長板２６、結像レンズ２５、共焦点ディスク２３及びビームスプリッタ２２を透過するが、このビームスプリッタ２２の透過光路上には、レンズ２９、テレセントリック絞り３０、レンズ３１及び光電変換手段としての例えばＣＣＤ３２が配置されている。これらレンズ２９、テレセントリック絞り３０及びレンズ３１は、第２の結像光学系を形成する。このうち共焦点ディスク２３とＣＣＤ３２とは、各レンズ２９、３１により共役関係にある。
【００２６】
第２の結像光学系は、各レンズ２９、３１及びテレセントリック絞り３０の配置により両側テレセントリック系である。この第２の結像光学系は、テレセントリック系でなくてもよいが、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。
【００２７】
ＣＣＤ３２は、受光面上に対物レンズ２８の焦点付近だけのセクショニング像が結像され、このセクショニング像を撮像してその画像信号を出力する。
【００２８】
コンピュータ３３は、ＣＣＤ３２から出力された画像信号を入力し、この画像信号を画像処理してセクショニング画像データを求め、このセクショニング画像データをモニタ３４に表示する。又、コンピュータ３３は、焦点移動装置３５に対して対物レンズ２８を光軸方向（Ｚ方向）に移動させるか又はサンプル８を載置するサンプルステージ３６を光軸方向に移動動作させる指令を発する。
【００２９】
焦点移動装置３５は、対物レンズ２８を光軸方向に指示されたサンプリング間隔に従って移動させるか、又はサンプルステージ３６を光軸方向に指示されたサンプリング間隔ずつ移動させる。
【００３０】
このような装置であれば、光源２０から放射された光は、コリメータレンズ２１により平行光に整形され、ビームスプリッタ２２によりサンプル８側に反射され、回転している共焦点ディスク２３に照射される。
【００３１】
この共焦点ディスク２３の複数の開口部を通過した光は、結像レンズ２５により集光され、λ／４波長板２６を透過し、テレセントリック絞り２７を通り、対物レンズ２８によりサンプル８上に照射される。
【００３２】
サンプル８からの反射光は、サンプル８に照射する光路と同一光路を戻り、ビームスプリッタ２２に入射する。このサンプル８からの反射光は、ビームスプリッタ２２を透過し、さらにレンズ２９、テレセントリック絞り３０、レンズ３１を通ってＣＣＤ３２に入射する。
【００３３】
このＣＣＤ３２の受光面上にはサンプル８上における対物レンズ２８の焦点付近だけのセクショニング像が結像される。従って、ＣＣＤ３２は、サンプル８上における対物レンズ２８の焦点付近だけのセクショニング像を撮像してその画像信号を出力する。
【００３４】
この結果、コンピュータ３３は、指示したサンプリング間隔毎にＣＣＤ３２から出力された各画像信号を入力し、これら画像信号を画像処理して複数枚のセクショニング画像データを取得する。これらセクショニング画像データは、サンプル８の３次元情報となる。なお、ＸＹ方向の測定範囲はＣＣＤ３２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像を撮像した範囲である。
【００３５】
図２及び図３はサンプル８として図９に示すＬＳＩチップ１を観察したときのセクショニング像を示す図であって、図２はＬＳＩチップ１上の各バンプ２の頂点付近に合焦させた場合を示す。このセクショニング像は、各バンプ２の頂点付近だけが明るい画像として観察できる。なお、図２ではＬＳＩチップ１の面上と各バンプ２との各黒塗りの濃度を異ならせて示しているが、実際には、明るく見えるのは各バンプ２の頂点付近だけであり、それ以外の部分は殆ど真暗の状態である。
【００３６】
図３はＬＳＩチップ１上のチップ面付近に合焦させた場合を示す。すなわち、合焦位置をチップ面上に近付けて行くと、共焦点光学系のセクショニング効果によりバンプ２の頂点付近の像は徐々に暗くなり、やがてバンプ２の像は真暗の状態になる。さらに、合焦位置をチップ面上に近付けて行くと、徐々にチップ面上の像が明るく観察される。そして、チップ面上に合焦した状態になると、図３に示すようにバンプ２の像は真暗の状態になると共に、チップ面上の像が最も明るく観察される。これらセクショニング像をＣＣＤ３２により撮像する場合について説明する。ＣＣＤ３２の画素寸法は通常数μｍ〜１０μｍ程度である。ここでは、説明を簡単にするためにＣＣＤ３２の画素寸法を１０μｍの正方画素とする。
【００３７】
最近、価格的にも容易に入手できるようになった１０００×１０００（１００万画素）画素のＣＣＤは、画素サイズが１０μｍ程度であるので、そのＣＣＤサイズは１０×１０ｍｍになる。光学系総合倍率を例えば１倍にすれば、１０×１０ｍｍのＬＳＩチップ１を観察できる。高速検査を達成するためには、光学系総合倍率が例えば１倍とするような広視野光学系を実現することが必要になる。この場合、図１に示す装置での第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１／２倍などの組み合わせが考えられる。実用化において光学系総合倍率が２倍に設定されている場合や１／２倍などの縮小系になる場合も有り得る。
【００３８】
一方、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と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とについて考える。上記図１３に示すようにセクショニング効果すなわちＩＺカーブの急峻さは対物レンズ２８のＮＡにより決定される。なお、第１の結像光学系の倍率を例えば３倍程度の低倍率であると、実用化可能と考えられる最も大きなＮＡの対物レンズ２８のＮＡが０．３程度であると考えられる。
【００３９】
次に、ＮＡ＝０．３程度の対物レンズ２８を使用しての高さ測定について説明する。上記図１３は理論的なＩＺカーブを示すので、焦点位置（Ｚ＝０μｍ）に対して完全に対称形である。これに対して実際のＮＡ＝０．３の対物レンズ２８を使用したときのＩＺカーブは、上記図１４に示すように裾野部分が対物レンズ２８の収差により乱れたカーブになっている。
【００４０】
従って、図１４に示すＩＺカーブから、セクショニング像をＺ方向にΔＺで離散的にサンプリングし、２次曲線やガウス分布曲線によりカーブフイッティングし、そのピーク位置のＺ位置をバンプ２の高さ情報にする場合、ＩＺカーブの裾野部分のデータは使用しない方が高精度化に有利である。なお、フイッティングに際しては、理論的なＩＺカーブがガウス分布曲線でかなり良く近似できるので、２次曲線よりもガウスフイッティングの方が有利である。ガウスフイッティングは、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はない。
【００４１】
ＣＣＤ量子雑音（∝１／√（明るさ））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画像データをフイッティングに使用するのは好ましくない。この理由から、ＩＺカーブにおける光強度に対しある閾値Ｉｔｈ以上の画像データを有効とし、閾値Ｉｔｈ以下の画像データを無効にすることが好ましい。
【００４２】
ガウス又は２次曲線フイッティングのいずれにしろ、数学的には閾値Ｉｔｈ以上の画像データが最低３個必要である。最低限必要なデータ個数は、フイ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。
【００４３】
上述したように理論的なＩＺカーブがガウス分布曲線でかなり良く近似できるので、以下の説明では、ガウス分布を使用することを前提に説明する。閾値Ｉｔｈの決定方法は、画像データのＳ／Ｎや使用する対物レンズ２８のＩＺカーブの裾野部分の乱れなどを総合的に判断して適宜選択する。ここでは、上記図１４に示す実測ＩＺカーブの裾野部分の乱れに基づいて、閾値Ｉｔｈ＝０．５として考える。実際に、光強度０．４程度までは、図１３に示す理論値のＩＺカーブと図１４に示す実測ＩＺカーブとは非常に良く一致しているので、閾値Ｉｔｈ＝０．５とするのは妥当である。
【００４４】
図１４に示す実測ＩＺカーブに対して閾値Ｉｔｈ＝０．５でのＺ方向の全幅Ｗ０．５は、Ｗ０．５≒１０μｍである。この全幅Ｗ０．５の中に最低３個の離散的なＩＺカーブが必ず存在するためには、Ｚ方向のサンプリング間隔ΔＺは、
ΔＺ＝１０μｍ／３＝３．３３μｍ
になる。
【００４５】
サンプリング間隔ΔＺを３．３３μｍよりも細かくして常に４個以上のデータ数を使用してフイッティングすれば、検査時間は長くかるが、ピーク推定位置の精度は高くなる。これを高精度検査モードと呼ぶ。実際に、サンプリング間隔ΔＺを３．３３μｍで離散的ＩＺデータを取得してフイッティングすれば、高さ測定精度は、±１μｍ程度に収めることが可能である。
【００４６】
バンプ２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。これにより、バンプ高さ検査のレンズも広くなることが予想される。今までは、パンプ２は小さなものでもチップ面上から高さが５０μｍ程度であったが、高さが１０〜２０μｍ程度のバンプも実用化されつつある。
【００４７】
一般に、小さなバンプ２ほど高精度の高さ検査が要求され、大きなバンプ２では小さなバンプ（微小バンプ）ほどの高さ検査精度は要求されない。微小バンプの場合は、上記高精度検査モードで対応すれば良い。
【００４８】
これに対して大きなバンプの高さ検査をする場合について説明する。例えば高さ５０μｍの大きなバンプを検査する場合、要求される高さ検査精度は１００μｍの１／２０で、±５μｍと仮定する。対物レンズ２８は、前述と同様にＮＡ＝０．３とする。ＮＡ＝０．３としたので、Ｚ方向のサンプリング間隔ΔＺは、最も粗くて３．３３μｍである。これは要求される精度を十分満足できるが、高さ５０μｍの大きさのバンプのサンプリング間隔ΔＺとしてはオーバスペックである。これでは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が発生する。すなわち、１つのＬＳＩチップ１当たりの検査コストに無駄なコストが掛かることになる。検査装置に要求されるのは、必要十分な検査精度でかつ検査時間を出来るだけ短縮して１チップ当たりの検査コストを抑制することにある。
【００４９】
このような高さ測定レンジの変化に対応するためには、ＮＡが異なる複数の対物レンズ２８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対物レンズ２８を交換する方法が考えられる。しかし、低倍率の対物レンズ２８は高価で大型であり、コスト上問題がある。さらに、対物レンズの切替え機構を付加するのは、構成が複雑化し、検査コストが高くなる。
【００５０】
しかるに、本発明では、共焦点ディスク２３の開口部の大きさ（開口比）を変えるという非常に簡便な方法によってＩＺカーブの急峻さを選択できるようにした。
【００５１】
セクショニング効果は、共焦点ディスク２３の開口部の大きさが無限小のときにその効果がもっとも大きい。開口部の大きさを大きくすると、明るい画像を得ることが出来るが、セクショニング効果が弱くなる。すなわち、ＩＺカーブの半値全幅（ＦＷＨＭ）が大きくなる。従って、開口部の大きさを大きくしてＩＺカーブの半値全幅を大きくし、Ｚ方向のサンプリング間隔ΔＺを粗くすることで検査時間の高速化を図る。
【００５２】
図４は共焦点ディスク２３の開口部をスリットに形成し、このスリット幅をパラメータとしたＩＺ特性を示す図である。対物レンズ２８のＮＡは、０．２３である。パラメータであるスリット幅は、対物レンズ２８のＮＡで決まるエアリディスク径に対するスリット幅の比としている。同図からスリット幅が対物レンズ２８のエアリディスク径に対して０．１倍、０．５倍、１倍と大きくなるに従ってＩＺカーブの半値全幅が急激に大きくなることが分る。０．１倍でのＩＺカーブは、スリット幅が無限小の場合と同じと考えて差し支えない。
【００５３】
共焦点ディスク２３の開口部をピンホールに形成した場合も同様に、対物レンズ２８のエアリディスク径に対するピンホール径の比をパラメータとしたＩＺ特性を計算できる。図５は対物レンズ２８のエアリディスク径に対する共焦点ディスク２３の開口部の大きさの比を横軸に示し、ＩＺカーブの半値全幅の変化を縦軸に示した図である。開口部としては、スリットとピンホールとの２種類の形状について示した。縦軸の半値全幅は、各形状の開口部の大きさが無限小の場合に「１」に規格化している。同図１１対物レンズ２８のエアリディスク径に対する共焦点ディスク２３の開口部の大きさ（開口比）が大きくなるに従ってＩＺカーブの半値全幅が大きくなること、すなわちセクショニング効果が弱くなることを示す。
【００５４】
従って、共焦点ディスク２３に複数のスリットを形成した場合、対物レンズ２８のエアリディスク径に対するスリット幅の比を３０％以下にすれば、半値全幅ＦＷＨＭは、ＦＷＨＭ≒１となる。又、共焦点ディスク２３に複数のピンホールを形成した場合、対物レンズ２８のエアリディスク径に対するピンホール径の比を６０％以下にすれば、半値全幅ＦＷＨＭは、ＦＷＨＭ≒１となる。従って、パンプ２の高さを精度高く検査するには、セクショニング効果が強い方がよいので、半値全幅ＦＷＨＭは、ＦＷＨＭ≒１になるように共焦点ディスク２３の開口部の大きさを変更する。
【００５５】
一方、高速でバンプ２の高さを検査する場合、例えば２倍程度高速に検査する場合について説明する。この場合、Ｚ方向のサンプリング間隔ΔＺを２倍に粗くすれば良い。図５において、半値全幅ＦＷＨＭ≒２にすれば、２倍の粗さのサンプリング間隔ΔＺが可能である。スリットの場合、対物レンズ２８のエアリディスク径に対するスリット幅の比を約７５％に選択し、ピンホールの場合、対物レンズ２８のエアリディスク径に対するピンホール径の比を約１０５％に選択する。同様に、半値全幅ＦＷＨＭ≒３にしてサンプリング間隔Δを３倍粗くするには、スリットの場合、対物レンズ２８のエアリディスク径に対するスリット幅の比を約９０％に選択し、ピンホールの場合、対物レンズ２８のエアリディスク径に対するピンホール径の比を約１３０％に選択する。
【００５６】
対物レンズ２８のエアリディスク径に対する共焦点ディスク２３の開口部の大きさの比を変える方法について説明する。例えば図６に示すように共焦点ディスク２３を３つのパターンＰ１〜Ｐ３の各領域に分割し、それぞれのパターンＰ１〜Ｐ３領域毎に対物レンズ２８のエアリディスク径に対する共焦点ディスク２３の開口部（ピンホール）の大きさの比が異なるように形成する。例えば、図７に示す共焦点ディスク２３の各パターンＰ１〜Ｐ３領域における開口部３１がスリットであれば、各パターンＰ１〜Ｐ３領域毎に対物レンズ２８のエアリディスク径に共焦点ディスク２３の開口部の大きさの比を変えるには、各パターンＰ１〜Ｐ３領域によってそれぞれスリット幅Ｓを異ならせればよい。
【００５７】
このような共焦点ディスク２３は、例えば手動で共焦点ディスク２３を光軸と直交する方向にスライドするようにしたり、又は電動でスライドさせることにより、各パターンＰ１〜Ｐ３領域を光軸上に配置する。なお、共焦点ディスク２３のピンホールは、楕円、三角形、四角形などの多角形でもよい。
【００５８】
又、対物レンズ２８のエアリディスク径に対する共焦点ディスク２３の開口部の大きさの比を変える方法は、この比がそれぞれ異なる複数の共焦点ディスク２３を用意し、これら共焦点ディスク２３のうち適宜所望の共焦点ディスク２３を使用するようにしてもよい。
【００５９】
このように上記一実施の形態においては、対物レンズ２８のエアリディスク径に対する共焦点ディスク２３のスリット又はピンホールなどの開口部の大きさの比を変更することで、一つの対物レンズ２８でセクショニング効果すなわちＩＺカーブの半値全幅ＦＷＨＭを容易にできる。従って、バンプ２の高さ検査をする場合、高い検査精度を重視したい場合、又は検査時間を高速化したい場合などの要求に柔軟に対応できる。例えば、バンプ２の高さ検査に限らず、各種サンプル８の像を観察する場合、明るいセクショニング像で観察したいとか、セクショニング像が暗くても良いからサンプル８の細かいところまで精度高く観察したいなどのその観察目的によって要望がある。
【００６０】
このような要望が様々あっても、これら要望に応じて対物レンズ２８のエアリディスク径に対する共焦点ディスク２３のスリット又はピンホールなどの開口部の大きさの比を変更することによってベストの状態のセクショニング像を得ることができる。
【００６１】
一般に、共焦点光学系では、対物レンズ２８のＮＡが小さくなるほどセクショニング効果が弱くなると同時に、光学的横分解能もＮＡが小さくなるほどけ劣化する。本発明装置では、対物レンズ２８のＮＡを小さくしてセクショニング効果を弱くするのでなく、対物レンズ２８のエアリディスク径に対する共焦点ディスク２３のスリット又はピンホールなどの開口部の大きさの比を変更することにより、セクショニング効果を弱くするので、光学的横分解能は劣化しない。すなわち、対物レンズ２８のＮＡを十分活かした横分解能を得ながら、セクショニング効果を大きく変えることができる。
【００６２】
例えば、バンプ２がさらに微小化したり、１つのバンプ２のある程度の形状を検査する必要に迫られたり、或いは隣接する各バンプ２の間隔が狭くなった場合に、対物レンズ２８の横分解能を劣化させずにセクショニング効果を変更できる。実際に、ＬＣＤドライバ用ＩＣのバンプでは、１つのバンプのある程度の形状（特に凹み量）を検査する要求が出てきているので、この検査を精度高く行なうことができるいとう大きなメリットがある。
【００６３】
なお、本発明は、上記一実施の形態に限定されるものでなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。
【００６４】
例えば、上記一実施の形態では、共焦点ディスク２３を用いた場合について説明したが、図８に示すように液晶表示素子を用いて電子的に例えばピンホールの各開口部４０を走査してもよい。これらピンホール４０の大きさ、すなわち対物レンズ２８のエアリディスク径に対するピンホール径の比を可変すれば、セクショニング効果を瞬時にかつ簡単に変えることができる。液晶表示素子を用いた場合でも開口部はピンホールに限らず、スリットや楕円、三角形、四角形などの多角形でもよい。
【００６５】
又、上記実施形態には、種々の段階の発明が含まれており、開示されている複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出できる。例えば、実施形態に示されている全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出できる。
【００６６】
【発明の効果】
以上詳記したように本発明によれば、高い検査精度を重視する場合や検査時間を高速化したい場合に柔軟に対応できる共焦点顕微鏡及びこれを用いた高さ測定装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる共焦点顕微鏡を用いた高さ測定装置の一実施の形態を示す構成図。
【図２】本発明に係わる共焦点顕微鏡を用いた高さ測定装置の一実施の形態により取得されるＬＳＩチップを観察したときのセクショニング像を示す図。
【図３】本発明に係わる共焦点顕微鏡を用いた高さ測定装置の一実施の形態により取得されるＬＳＩチップを観察したときのセクショニング像を示す図。
【図４】本発明に係わる共焦点顕微鏡を用いた高さ測定装置の一実施の形態における共焦点ディスクに形成されたスリット幅をパラメータとしたＩＺ特性図。
【図５】本発明に係わる共焦点顕微鏡を用いた高さ測定装置の一実施の形態におけるエアリディスク径に対する開口部の大きさの比に対するＩＺカーブの半値全幅の変化を示す図。
【図６】本発明に係わる共焦点顕微鏡を用いた高さ測定装置の一実施の形態におけるエアリディスク径に対する開口部の大きさの比の変更方法を説明するための図。
【図７】本発明に係わる共焦点顕微鏡を用いた高さ測定装置の一実施の形態におけるスリット開口が形成された共焦点ディスクの構成図。
【図８】本発明に係わる共焦点顕微鏡を用いた高さ測定装置の変形例を示す構成図。
【図９】バンプ電極が形成されたＬＳＩチップの構成図。
【図１０】基板上に接続されたＬＳＩチップを示す図。
【図１１】バンプ電極が形成されたＬＳＩチップの断面図。
【図１２】従来の共焦点光学系の構成図。
【図１３】サンプルのＺ方向位置と検出ピンホールの通過光量との関係を示すＩ−Ｚ特性の理論値を示す図。
【図１４】実際にＮＡ＝０．３の対物レンズを用いたときのＩＺカーブの測定図。
【符号の説明】
８：サンプル、２０：光源、２１：コリメータレンズ、２２：ビームスプリッタ、２３：共焦点ディスク、２４：モータ、２５：結像レンズ、２６：λ／４波長板、２７，３０：テレセントリック絞り、２８：対物レンズ、２９，３１：レンズ、３２：ＣＣＤ、３３：コンピュータ、３４：モニタ、３５：焦点移動装置。
Claims (4)
- 光を共焦点ディスクの開口部を通して対物レンズによりサンプルに照射し、このサンプルからの反射光を前記対物レンズから前記開口部を通して光電変換手段に結像させることにより前記サンプルのセクショニング像を取得する共焦点顕微鏡において、
前記対物レンズのエアリディスク径に対する前記開口部の大きさの比を変更することを特徴とする共焦点顕微鏡。 - 前記対物レンズのエアリディスク径に対する前記開口部の大きさの比は、当該共焦点顕微鏡におけるセクショニング効果の度合い又は前記セクショニング像を取得するサンプリング間隔に応じて選択することを特徴とする請求項１記載の共焦点顕微鏡。
- 前記ディスクには、前記対物レンズのエアリディスク径に対する前記開口部の大きさの比の異なる複数の前記開口部がそれぞれの各領域別に形成されたことを特徴とする請求項１記載の共焦点顕微鏡。
- 請求項１乃至３のうちいずれか１項記載の共焦点顕微鏡において、前記サンプル又は前記対物レンズを相互に前記対物レンズの光軸方向に走査させて複数の前記セクショニング像を取得し、これらセクショニング像から前記サンプルの高さ情報を取得することを特徴とする高さ測定装置。
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