高さ測定装置

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【発明の名称】	高さ測定装置
【発明者】	【氏名】青木雅弘
【要約】	【課題】表面を有する被検体に対しても、その面頂に最も近い部分からの高さデータを選択でき、精度の高い高さ測定を実現できる高さ測定装置を提供する。【解決手段】被検体１０１の表面に投光絞り１１２を通して光ビームを投光し、被検体１０１で反射された全光束の光軸から所定の量だけずれた測定用光軸上の光束の一部を測定光として取り出し、受光絞り１１４を通し対物レンズ１０２の瞳位置に配置されたセパレータレンズ１１５を介して測定光のスポット位置を検出する第１のＰＳＤ１１６に収束させ、また、ハーフミラー１１３で分割された他方の測定光路の配置され第２のＰＳＤ１１７により被検体１０１面の傾きを検出し、この第２のＰＳＤ１１７の検出結果に基づいて第１のＰＳＤ１１６により検出されるスポット位置信号より被検体１０１表面の高さを求める。

【特許請求の範囲】
【請求項１】被検体の表面に照明光を収束させる光源および対物レンズを有する照明光学系と、この照明光学系の光源の前方に配置され、光源からの光をビームにして被検体に投光させる投光絞りと、被検体で反射された全光束の光軸から所定の量だけずれた測定用光軸を有し、前記光束の一部を測定光として取り出し、前記測定用光軸に沿って収束させる前記対物レンズの瞳位置に配置されたセパレータレンズを有する結像光学系と、この結像光学系のセパレータレンズの前方に配置される受光絞りと、前記結像光学系の測定光を２光路に分割する光路分割手段と、この光路分割手段により分割された一方の測定光の収束面に配置され、前記受光絞りを通り前記セパレータレンズにより収束される測定光のスポット位置を検出する第１の位置検出素子と、前記光路分割手段により分割された他方の測定光路上に配置され前記被検体面の傾きを検出する第２の位置検出素子とを具備し、前記第２の位置検出素子の検出結果に基づいて第１の位置検出素子により検出されるスポット位置信号より前記被検体表面の高さを求めることを特徴とする高さ測定装置。
【請求項２】投光絞りおよび受光絞りは、ほぼ等しい大きさの絞り径に設定されることを特徴とする請求項１記載の高さ測定装置。
【請求項３】前記第２の位置検出素子により検出される前記被検体面の傾きが一定以上の場合には、第１の位置検出素子により求められる前記被検体の高さ測定データを破棄することを特徴とする請求項１記載の高さ測定装置。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、リードフレーム、ボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）、さらにはバンプなどの電気部品実装に関わる微小物体の形状検査、なかでも特に高さの検査に用いられる高さ測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】たとえば、半導体製造工程には、リードフレームのリードや、ベアチップ実装用のボールグリッドアレイのように微小かつ連続する構造体の高さを測定する工程がある。近年、半導体部品はますます高集積化及び大型化する傾向にあり、これに伴いより多くの測定点を、より高速で測定することの出来る高さ測定装置が求められている。
【０００３】従来、半導体製造工程に適用される高さ測定装置として、焦点ずれ信号を利用して測定点の高さを測定する装置がある。この装置は、測定点に対し対物レンズを通して光ビームを照射し、其の反射光をビームスプリッターで分割し、その一方を焦点面より前方に配置された第１の絞りを介して第１の受光素子で検出し、他方を焦点面より後方に配置された第２の絞りを介して第２の受光素子で検出するように構成されている。
【０００４】このような構成によれば、第１、第２の受光素子の各出力の差は、合焦点で０となりその近くにおいて焦点ずれに対応した正負符号と焦点ずれの量にしたがった大きさを有する焦点ずれ信号を得ることが出来る。従って、この焦点ずれ信号が０になるように対物レンズを高さ方向に移動させ、この時の対物レンズの高さを測定することで、被検体の高さを求めることが出来る。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ところが、このような高さ測定装置では、被検体上の１点の高さ測定を行うようになっていて、１点の高さを測定するごとにステージを走査して次の測定点に移動するようになるため、最近の電子部品に見られるように、実装部品の高密度、大型化する傾向の中で多数点の測定を必要とするものでは、必要とする各所の測定を行うのに、膨大な時間がかかってしまい、作業者にも大きな負担を強いることになるばかりか、作業能率も極めて悪くなるという問題があった。
【０００６】さらに、近年の実装技術は、よりコンパクトな方式を目指しており、ボールグリッドアレイやバンプアレイなど、球状または曲面状の物体の高さを正確に測定する手段が求められている。
【０００７】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、作業者にかかる負担を軽減でき、高い作業性を実現できるとともに、球面を有する被検体に対しても正確な測定が行える高さ測定装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、被検体の表面に照明光を収束させる光源および対物レンズを有する照明光学系と、この照明光学系の光源の前方に配置され、光源からの光をビームにして被検体に投光させる投光絞りと、被検体で反射された全光束の光軸から所定の量だけずれた測定用光軸を有し、前記光束の一部を測定光として取り出し、前記測定用光軸に沿って収束させる前記対物レンズの瞳位置に配置されたセパレータレンズを有する結像光学系と、この結像光学系のセパレータレンズの前方に配置される受光絞りと、前記結像光学系の測定光を２光路に分割する光路分割手段と、この光路分割手段により分割された一方の測定光の収束面に配置され、前記受光絞りを通り前記セパレータレンズにより収束される測定光のスポット位置を検出する第１の位置検出素子と、前記光路分割手段により分割された他方の測定光路上に配置され前記被検体面の傾きを検出する第２の位置検出素子とを具備し、前記第２の位置検出素子の検出結果に基づいて第１の位置検出素子により検出されるスポット位置信号より前記被検体表面の高さを求めることを特徴としている。
【０００９】請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、投光絞りおよび受光絞りは、ほぼ等しい大きさの絞り径に設定されることを特徴としている。
【００１０】請求項３記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記第２の位置検出素子により検出される前記被検体面の傾きが一定以上の場合には、第１の位置検出素子により求められる前記被検体の高さ測定データを破棄することを特徴としている。
【００１１】この結果、本発明によれば、投光側および受光側に、それぞれ小さな径の絞りを設けることで、ＢＧＡ、バンプなどのように曲面を有する被検体に対して、正反射光に近い成分のみを捉えることができ、高さ測定の精度を向上させることができる。
【００１２】また、第２の位置検出素子により被検体の反斜面の傾きを検出するようにしたので、測定ビームが有限の径を持っていることによって生じる誤差を含んだデータを取捨することができるようになり、測定精度をさらに向上させることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態を図面に従い説明する。
【００１４】図１は、本発明が適応される高さ測定装置の概略構成を示している。
【００１５】図において、１０１は被検体で、この被検体１０１は、図示しないステージに搭載されていて少なくとも１方向（測定光の走査方向と被検体面内で直交する方向）に移動可能にしている。
【００１６】このような被検体１０１に対して第１の対物レンズ１０２を配置している。この対物レンズ１０２は無限遠設計の物側テレセントリックレンズである。
【００１７】対物レンズ１０２の瞳面１０３に二次元走査手段としてガルバノミラー１０４を配置している。このガルバノミラー１０４は、瞳面１０３の中心にその回転中心を持っていて、図示しない制御回路によって回転可能とされている。
【００１８】対物レンズ１０２の光軸から一定距離離してレーザダイオード１０５を配置している。このレーザダイオード１０５を発した測定光は、コリメータレンズ１０６で平行光とし、絞り１１２を通り、偏向ビームスプリッタ１０７と１／４波長板１０８を透過されたのち、ガルバノミラー１０４で反射され、対物レンズ１０２によって、被検体１０１の表面の任意の位置に集光される。
【００１９】一方、被検体１０１で反射された測定光は、対物レンズ１０２を透過し、ガルバノミラー１０４で反射された後、１／４波長板１０８を透過し、偏向ビームスプリッタ１０７で反射されて、第１の結像レンズ１０９によって一次像面１１０に集光される。
【００２０】一次像面１１０から発した光束は、やはり無限系に設計された第２の対物レンズである瞳リレーレンズ１１１を透過し、ハーフミラー１１３で分割される。そして、ハーフミラー１１３で分割された一方の光束は、絞り１１４を通って第２の結像レンズであるセパレータレンズ１１５により被検体の高さに応じて第１の光位置検出素子（ＰＳＤ）１１６上に集光される。
【００２１】この場合、投光側の絞り１１２と受光側の絞り１１４は、例えば、円板状の回転体の周縁部に沿って径の異なる複数のピンホールを有するものを用い、このような回転体を回転させて所定径のピンホールを光軸上に位置させるようにしている。また、これら絞り１１２と受光側の絞り１１４は、無限に細いビームを得られるものが好ましく、さらに、投光側の絞り１１２によって形成されるビームが丁度よく受光側の絞り１１４を通過できるように、実質的にほぼ等しい大きさの絞り径に設定される。
【００２２】また、ハーフミラー１１３で分割された他方の光束は、セパレータレンズ１１５とほぼ共役な位置に置かれた第２の光位置検出素子（ＰＳＤ）１１７に入射される。
【００２３】このような構成において、第１の結像レンズ１０９の前側焦点は、第１の対物レンズ１０２の瞳面１０３にあり、セパレータレンズ１１５は、第２の対物レンズである瞳リレーレンズ１１１の後焦点面に配置されており、これによりセパレータレンズ１１５は、第１の対物レンズ１０２の瞳面１０３と共役の位置にある。
【００２４】従って、セパレータレンズ１１５は、全ての測定点から反射された測定光のうち、瞳面１０３の同一部分を通過した光束によって、測定スポットを第１のＰＳＤ１１６上に形成することになる。
【００２５】また図から明らかなように、ガルバノミラー１０４の角度の変化によって照射される被検体１０１の全ての点からの反射光は、再びガルバノミラー１０４で反射されることによって、軸対称ではあるが、投光光路と同じ道筋を逆進し、常に一次像面１１０の軸上に結像する。このことから、第１のＰＳＤ１１６上のスポット位置は、ビーム走査によっては変動せず、セパレータレンズ１１５の光軸と投光側コリメータレンズ１０６の光軸が対物レンズ１０２の光軸に対して対称に配置されているので、三角測量の原理に基づいて、被検体１０１の凹凸によって変動する。
【００２６】この結果として、図示しない制御回路により、ガルバノミラーの角度とステージの位置から知られる被検体１０１の測定位置座標Ｘ、Ｙと、それぞれのディレクタ上でのスポット位置の中心からのずれδから、サンプルの表面形状が測定できることになる。
【００２７】次に、その測定のための計算方法について図２に従って詳しく説明する。
【００２８】図２は図１の一次像面１１０から後の部分のみを示したもので、一次像面１１０の被検体像を新たに被検体面として考えている。
【００２９】ここで、システムのパラメータとして、瞳リレーレンズ（第２の対物レンズ）１１１の焦点距離をｆ_p 、セパレータレンズ１１５の焦点距離をｆ_s 、一次像１０１’の結像倍率をＭ、光軸からセパレータレンズ１１５の中心までの高さをｈ、瞳リレーレンズ１１１とセパレータレンズ１１５の距離をＤ、第１の対物レンズ１０２のＮＡをＮＡ_ＯＢとする。
【００３０】一次像１０１’のデフォーカス量（高さ）がＺ’の時、ＰＳＤ１１６には中心からδの位置に光スポットが形成される。この時δは、図２からδ＝ｆｓ・ｔａｎα …（１）
ｔａｎα＝ｈ／（ｂ－Ｄ） …（２）
となる。
【００３１】したがって、次式が導かれる。
【００３２】
δ＝ｆｓ・ｈ／（ｂ－Ｄ） …（３）
ｈ＝ｆｐ・ＮＡ_ＯＢ／ＭＰ …（４）
ここで、Ｐは、対物レンズ１０２の瞳上で換算した絞径と瞳の中心からセパレータレンズ１１５の光軸までの距離の比である。
【００３３】次に、ｂを計算すると、１／ｂ＝（１／ｆｐ）－（１／（ｆｐ＋Ｍ^２Ｚ）） …（５）
であるから、ｂ＝ｆｐ（ｆｐ＋Ｍ^２Ｚ）／Ｍ^２Ｚ …（６）
となる。これらの式をまとめると、【００３４】
【数１】

【００３５】となる。さらに、前述したように、セパレータレンズ１１５と瞳リレーレンズ１１２の距離Ｄはｆｐなので、【００３６】
【数２】

【００３７】となり、δとＺは完全に線形の関係となる。
【００３８】実際の測定量はδである。したがって、測定値δから被検体の高さＺを算出する式は、【００３９】
【数３】

【００４０】となり、δとＺは完全に線形でアブソリュートな測長機が実現される。
【００４１】次に、このような原理に基づいてＢＧＡ、あるいはバンプなど曲面を持った被検体の高さを測定する場合を考える。
【００４２】図３（ａ）（ｂ）は、測定光が第１の対物レンズ１０２のＮＡをほぼ満たしている場合の平面からの反射光と曲面からの反射光の違いを説明するものである。
【００４３】この場合、図３（ａ）に示すように入射光２０１による合焦点２０２が被検体１０１の下方に位置する場合、被検体１０１を、仮に平面鏡１０１’とみなすと、入射光２０１の位置と角度がＡ点からＢ点の範囲で移動したとしても、平面鏡１０１’からの反射光２０４の反射点２０５は、いずれも合焦点２０２と平面鏡１０１’との間の距離の２倍の位置になるが、被検体１０１が、図示のように曲面を有すると、この曲面からの反射光２０６の反射点２０７は、反射点２０５より上方で、しかも入射光２０１の位置と角度がＡ方向からＢ方向の範囲で移動することで、反射点２０５と２０７の範囲で変化する。
【００４４】また、図３（ｂ）に示すように入射光２０１による合焦点２０２が被検体１０１の上方に位置する場合も同様で、被検体１０１を、平面鏡１０１’とみなすと、入射光２０１の位置と角度がＡ点からＢ点の範囲で移動したとしても、平面鏡１０１’からの反射光２０４の反射点２０５は、いずれも合焦点２０２と平面鏡１０１’との間の距離の２倍の位置になるが、被検体１０１が曲面を有すると、曲面からの反射光２０６の反射点２０７は、反射点２０５より上方で、しかも入射光２０１の位置と角度がＡ方向からＢ方向の範囲で移動することで、反射点２０５と２０７の範囲で変化する。
【００４５】つまり、平面からの反射光は、いずれも合焦点からの高さの２倍の位置にある点からの反射光が帰ってきているのに対して、曲面の場合は、より高い点からの反射光が帰ってきているように見える。しかもその高さは入射光の位置と角度によって様々に変化する。従って、測定光のＮＡが大きい場合には曲面の高さを正確に測ることは出来ないということになる。
【００４６】これに対して本発明による高さ測定装置では、図４の本装置を簡略化した概念図に示すように、交換可能な投光側の絞り１１２と受光側の絞り１１４を出来るだけ小さくすることで、ガルバノミラー１０４により被検体１０１上で揺動される光のうち、被検体１０１の曲面の面頂で正反射される光のみを、被検体１０１の位置が合焦点Ｆ１に対して前後のＦ２点、Ｆ３点にあっても、全て受光絞り１１４を通過させるようにして、つまり、曲面の面頂からの正反射に近い光束のみを捉えられるようにすることにより、球面が合焦点をも含んでいかなる高さにある場合でもその面頂にある平面と同じ高さとして測定できるようにしている。
【００４７】しかし、現実には投光側の絞り１１２と受光側の絞り１１４により無限に細いビームを形成することは不可能で、回折の影響、集光特性の状態、光量の関係等を考慮すると１～２ｍｍが限界であり、これだけでは、とうしても測定誤差が残ってしまう。
【００４８】そこで、本発明では、ハーフミラー１１３で分割された他方の光束を、セパレータレンズ１１５とほぼ共役な位置に第２のＰＳＤ１１７を設けている。
【００４９】この場合、図５に示すように第２のＰＳＤ１１７に入射する光束の位置σは、被検体１０１の合焦点ＦＡまたは非合焦点ＦＢの関係、つまり、被検体１０１のデフォーカス量に依ることなく、被検体１０１面の傾きによって上下に移動する。また、被検体１０１が合焦点ＦＡ位置にある場合は、対物レンズ１０２から出てくる光線ａ、ｂは被検体１０１面の傾きによらず光軸に平行になるため、第１のＰＳＤ１１６に対する高さ信号は変わらないが、被検体１０１面が非合焦点ＦＢ位置にある場合は、その傾きによって対物レンズ１０２から出てくる光線ｃ、ｄは互いに平行にはならず、第１のＰＳＤ１１６に対する高さ信号が異なることがわかる。
【００５０】そこで、第１のＰＳＤ１１６から得られる高さ信号のうち、第２のＰＳＤ１１７での信号がゼロ（傾きが無い場合は第２のＰＳＤ１１７の中心位置に入射する）近辺のものだけを採用するようにすれば、球面又は曲面の頂点に近い位置からの反射光による高さ測定値のみを更に厳密に選択できる。つまり、投光側の絞り１１２と受光側の絞り１１４により無限に細いビームが得られず、ある程度の太さを持っていても、より理想に近い高さ測定ができることになる。
【００５１】この場合、データ処理としては、言うまでもないことであるが、第１のＰＳＤ１１６からの高さ信号のうち、第１のＰＳＤ１１６の明るさ信号が一定以上であり、かつ第２のＰＳＤ１１７の傾き信号が一定以下のデータのみを採用し、それ以外の測定データは、破棄することになる。
【００５２】従って、このような構成とすれば、多数点の測定を必要とする高密度、大型電子部品のような被測定物の高さ測定が、従来、１点ごとにステージ走査を行って、測定していたのに対して、格段の速さでの測定が可能となり、スループットの向上と測定作業者にかかる負担の軽減が実現できる。
【００５３】また、投光側および受光側に、それぞれ小さな径の絞り１１２、１１４を設けることで、ＢＧＡ、バンプなどのように曲面を有する被検体の高さに関してもその面頂に最も近い部分から正反射光に近い成分のみを捉えることができるようになり、高さ測定の精度を向上させることができる。
【００５４】さらに、第２のＰＳＤ１１７により被検体１０１の反斜面の傾きを検出するようにしたので、測定ビームが有限の径を持っていることによって生じる誤差を含んだデータを取捨することができるようになり、測定精度をさらに向上させることができる。
【００５５】
【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、表面を有する被検体に対しても、その面頂に最も近い部分からの高さデータを選択でき、精度の高い高さ測定を実現できる高さ測定装置を提供できる。

【出願人】	【識別番号】００００００３７６【氏名又は名称】オリンパス光学工業株式会社
【出願日】	平成１１年９月２０日（１９９９．９．２０）
【代理人】	【識別番号】１０００５８４７９【弁理士】【氏名又は名称】鈴江武彦（外４名）
【公開番号】	特開２００１－９１２１１（Ｐ２００１－９１２１１Ａ）
【公開日】	平成１３年４月６日（２００１．４．６）
【出願番号】	特願平１１－２６５３３１