JP2000310518A - ３次元形状測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 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。 【解決手段】 コヒーレンスの低い照明光を発生させる
光源１と、照明光を参照面１１に入射する参照光束と試
料７に入射する測定用光束とに分割する光束分割手段６
と、照明光を試料に集光させる照明光学系５と、参照光
束と測定用光束とを合成する光束合成手段６と、試料７
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７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１４と、光検出手段
で検出した信号を演算する信号演算手段１５とを有し、
試料７が照明光学系５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１４により信号を検出する
３次元形状測定装置。

Description

【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、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、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。

【００１３】本発明の第２の３次元形状測定装置は、第
１の３次元形状測定装置において、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
とするものである。

【００１４】コヒーレンスの低い光源を用いた干渉測定
では、参照面と試料表面との光路長差が０になった近傍
でのみ干渉強度の変化が観測される。そこで、この３次
元形状測定装置においては、光検出手段からの信号が一
定値以上になった点のみで信号処理をすれば、試料の表
面形状を算出することができる。

【００１５】本発明の第３の３次元形状測定装置は、第
１又は第２の３次元形状測定装置において、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ものであ
る。

【００１６】本発明の第４の３次元形状測定装置は、第
３の３次元形状測定装置において、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ものである。

【００１７】これらの３次元形状測定装置においては、
光検出手段が１次元ラインセンサであるので、２次元型
センサを用いる場合に比べて、全画素から出力を読み出
すのに必要な時間が短くなるので、試料の移動速度を高
くすることができ、高速測定への対応が可能になる。

【００１８】本発明の第５の３次元形状測定装置は、第
１の３次元形状測定装置から第４の３次元形状測定装置
の何れかにおいて、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もの
である。

【００１９】レーザによる干渉測定は光の波長という微
小な量が基準となるため、極めて高精度の変位測定が可
能になる。しかし、レーザは可干渉距離が長いために、
試料の絶対的な位置を一義的に決定するためには付加的
な手法が必要になってくる。一方、白色光等の低コヒー
レンス光を用いた干渉測定では、図６に光路長差と干渉
強度の関係を示すように、可干渉距離が短くなり、参照
面と試料との光路長差が０になる位置で干渉強度が最大
になり、そこからずれるに従って急激に強度変化が小さ
くなっていく。したがって、干渉縞の強度が最大になっ
たときの参照面の位置から試料の位置を算出することが
できる。

【００２０】参照光束と測定用光束の光路長差を一定の
値にしたまま、試料を移動させると、試料の特定の高さ
に関する情報しか得られない。参照光束と測定用光束の
光路長差をこの３次元形状測定装置のように周期的に変
化させることにより、光路長差の変化に対応した高さ方
向の範囲の情報が得られるようになる。

【００２１】本発明の第６の３次元形状測定装置は、第
５の３次元形状測定装置において、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も
のである。

【００２２】この３次元形状測定装置においては、光路
長差を変化させる周期を可変としたので、例えば表面形
状が激しい変化を示す試料に対しては、光路長を変化さ
せる周期を短くし、表面が緩やかな形状変化を示す試料
に対しては光路長を変化させる周期を長くするというよ
うに、試料に応じた最適な条件での測定が可能になる。

【００２３】あるいは、一つの試料の中においても、形
状変化が激しい場所では短く、ゆるやかな場所では長く
というように、場所により周期を変化させることがで
き、試料全面で最適な条件で測定が可能になる。

【００２４】本発明の第７の３次元形状測定装置は、第
５の３次元形状測定装置又は第６の３次元形状測定装置
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ものである。

【００２５】この３次元形状測定装置においては、一定
方向に移動させて測定される試料に対し、参照面は試料
よりも小型なもので対応できるため、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として、試
料を変位させる場合に比べて、走査機構が簡単なもので
すむ。

【００２６】本発明の第８の３次元形状測定装置は、第
７の３次元形状測定装置において、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ものである。

【００２７】この３次元形状測定装置においては、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
出する手段であるので、参照面の変位という光路長に直
接対応する量を検出することができるため、測定結果の
処理が簡便になる。

【００２８】本発明の第９の３次元形状測定装置は、第
８の３次元形状測定装置において、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
するものである。

【００２９】この３次元形状測定装置においては、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
るので、変位を高精度に測定することが可能になる。

【００３０】本発明の第１０の３次元形状測定装置は、
第７の３次元形状測定装置において、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もので
ある。

【００３１】この３次元形状測定装置においては、ピエ
ゾアクチュエータの駆動電圧という電気量を測定するこ
とにより、参照光束と測定用光束の光路長差と等価な量
を検出することができるので、測定が簡単であり、ま
た、光路長差の変化する周波数が高くなっても測定が容
易である。

【００３２】本発明の第１１の３次元形状測定装置は、
第１の３次元形状測定装置から第１０の３次元形状測定
装置の何れかにおいて、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ものである。

【００３３】この３次元形状測定装置においては、試料
の移動速度を可変としたので、例えば表面形状が激しい
変化を示す試料に対しては試料の移動速度を遅くし、表
面がゆるやかな形状変化を示す試料に対しては試料の移
動速度を速くするというように、試料に応じた最適な条
件での測定が可能になる。

【００３４】あるいは、一つの試料の中においても、形
状変化が激しい場所では遅く、ゆるやかな場所では速く
というように、場所により移動速度を変化させることが
でき、試料全面で最適な条件で測定が可能になる。

【００３５】本発明の第１２の３次元形状測定装置は、
第１の３次元形状測定装置から第１０の３次元形状測定
装置の何れかにおいて、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ものである。

【００３６】この３次元形状測定装置においては、試料
の移動速度を一定としたので、試料が大型になった場合
でも、安定した制御が可能になる。

【００３７】本発明の第１３の３次元形状測定装置は、
第１１の３次元形状測定装置又は第１２の３次元形状測
定装置において、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ものである。

【００３８】この３次元形状測定装置においては、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の
で、１周期の範囲内で試料形状の変化の様子を考慮し
て、試料の移動速度を決定すれば、全面で最適な測定条
件を設定できる。

【００３９】本発明の第１４の３次元形状測定装置は、
第１３の３次元形状測定装置において、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もので
ある。

【００４０】この３次元形状測定装置においては、略周
期的な構造の頂点付近を測定できればよい場合に、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ので、参照
面を変位させる幅を狭くすることができ、参照面をより
高い周波数で変位させることができる。

【００４１】本発明の第１５の３次元形状測定装置は、
第１の３次元形状測定装置から第１４の３次元形状測定
装置の何れかにおいて、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ｖ_s ／（２Ｒｓｉｎθ_b ）〔Ｈｚ〕よりも
高い周波数で、かつ、Ｒ×〔１−（１−ｓｉｎ² θ_b）
^1/2 〕よりも大きい振幅で光軸方向に変化させることを
特徴とするものである。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 ｖ_s ：試料を一定速度で移動させるときの速度 θ_b ：θ_b ＝（ｓｉｎ^-1ＮＡ）／２ とする。

【００４２】試料が基板上に半球状のバンプが形成され
た表面実装型半導体パッケージの場合、有限の開口値を
持つ光学系で測定を行うと、各バンプの頂点付近からの
反射光は光学系で取り込むことができるが、周辺からの
反射光は、角度が大きくなり光学系で取り込むことがで
きなくなる。その様子を図７に模式的に示す。基板上に
半球状のバンプが形成されており、それを試料側開口数
ＮＡの光学系で観察するときに、基板からの反射光は光
学系で取り込むことができるが、バンプに垂直に入射し
た照明光が反射して光学系に戻ってくるのは、バンプ頂
点から反射角度θ_r がＮＡ＞ｓｉｎθ_r となる位置の領
域に限られる。したがって、試料形状を半球と考える
と、θ_r ＝２θ_b という関係があるので、ｓｉｎ２θ_b
＝ＮＡの角度範囲まで、つまり、図中に示す斜線の角度
範囲だけが測定できることになる（このとき、θ_b ＝
（ｓｉｎ^-1ＮＡ）／２である。）。そのため、バンプ形
状の測定のために、基板上面からバンプ頂点までをカバ
ーするように参照面を変位させても、基板とバンプ頂点
付近からの反射光のみを観測することになる。バンプ形
状の測定において最も重要な項目の一つに、コプラナリ
ティ（各バンプの頂点の高さが基準平面からどの程度ず
れているか）がある。そのためには、バンプ頂点周辺の
照明光が戻ってくる範囲を測定すれば十分である。図
中、斜線部分は、ｘ方向が直径２Ｒｓｉｎθ_b の広がり
を持ち、高さ方向の広がりｔはＲ×〔１−（１−ｓｉｎ
² θ_b ）^1/2 〕となる。各バンプの頂点高さを算出する
ためには、斜線部分に対して測定を行えばよい。

【００４３】光検出手段へのバンプからの戻り光を考え
る。ステージの移動速度をｖ_s とすると、一つのバンプ
からの戻り光が検出されるのは２Ｒｓｉｎθ_b ／ｖ
_s 〔ｓ〕の間である。そのときに、バンプ高さを算出す
るためには、参照面がその時間内に１周期以上振動する
ことが望ましい。したがって、参照面をｖ_s ／（２Ｒｓ
ｉｎθ_b ）〔Ｈｚ〕以上の周波数で、振幅Ｒ×〔１−
（１−ｓｉｎ² θ_b ）^1/2 〕以上の振幅で振動させるこ
とが望ましい。

【００４４】上記のバンプ頂点の高さを測定するために
必要な参照面の変位の周波数と振幅に従って測定すれ
ば、測定時間の短縮と精度の両方を確保した測定が可能
になる。

【００４５】本発明の第１６の３次元形状測定装置は、
第１の３次元形状測定装置から第１５の３次元形状測定
装置の何れかにおいて、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
とするものである。

【００４６】本発明の第１７の３次元形状測定装置は、
第１６の３次元形状測定装置において、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ものであ
る。

【００４７】第１５の３次元形状測定装置の構成では、
各バンプの頂点の高さの相対変化しか測定できないが、
これらの３次元形状測定装置においては、照明光学系と
試料の距離、又は、それと等価な量を測定する手段を有
するので、バンプ高さを測定することができ、その結果
からバンプ高さの絶対値を求めることができる。

【００４８】本発明の第１８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、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。

【００５０】本発明の第１９の３次元形状測定装置は、
第１８の３次元形状測定装置において、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ものである。

【００５１】共焦点測定では、光束径制限手段と共役な
位置と試料表面が一致した近傍でのみ強い戻り光が観測
される。そこで、この３次元形状測定装置により、光検
出手段からの信号が一定値以上になった点でのみで信号
処理をすれば、試料の表面形状を算出することができ
る。

【００５２】本発明の第２０の３次元形状測定装置は、
第１８の３次元形状測定装置又は第１９の３次元形状測
定装置において、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ものである。

【００５３】本発明の第２１の３次元形状測定装置は、
第２０の３次元形状測定装置において、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ものであ
る。

【００５４】これらの３次元形状測定装置においては、
光検出手段が１次元ラインセンサであるので、２次元型
センサを用いる場合に比べて、全画素からの出力を読み
出すのに必要な時間が短くなるので、試料の移動速度を
高くすることができ、高速測定への対応が可能になる。

【００５５】本発明の第２２の３次元形状測定装置は、
第１８の３次元形状測定装置又は第１９の３次元形状測
定装置において、光束径制限手段がピンホールであるこ
とを特徴とするものである。

【００５６】この３次元形状測定装置においては、光束
径制限手段がピンホールであるため、光軸方向と試料面
内の２次元方向の何れの方向も高い分解能が得られる。

【００５７】本発明の第２３の３次元形状測定装置は、
第１８の３次元形状測定装置から第２１の３次元形状測
定装置の何れかにおいて、光束径制限手段がスリットで
あることを特徴とするものである。

【００５８】この３次元形状測定装置においては、光束
径制限手段がスリットであるため、照明光の走査が不要
であるため、光軸方向の分解能を維持しつつ、測定時間
を短縮できる。

【００５９】本発明の第２４の３次元形状測定装置は、
第１８の３次元形状測定装置から第２１の３次元形状測
定装置の何れかにおいて、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ものである。

【００６０】この３次元形状測定装置においては、光束
径制限手段がマルチピンホールアレイであるため、照明
光の走査が不要で測定時間を短縮でき、かつ、光軸方向
と試料面内の２次元方向共に高分解能であるという利点
がある。

【００６１】本発明の第２５の３次元形状測定装置は、
第１８の３次元形状測定装置から第２４の３次元形状測
定装置の何れかにおいて、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ものである。

【００６２】共焦点測定では、光束径制限手段と共役な
位置の試料からの戻り光しか光検出器に到達しないた
め、高い光軸方向の分解能を有する。光束径制限手段と
共役な位置の試料との光軸方向の相対的な位置を一定に
したまま試料を移動させると、試料の特定の高さに関す
る情報しか得られない。この３次元形状測定装置におい
て、光束径制限手段と共役な位置の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ことにより、相対的
な位置の変化に対応した高さ方向の範囲の情報が得られ
るようになり、高速な３次元計測が可能になる。

【００６３】本発明の第２６の３次元形状測定装置は、
第２５の３次元形状測定装置において、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。

【００６４】本発明の第２７の３次元形状測定装置は、
第２６の３次元形状測定装置において、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もので
ある。

【００６５】本発明の第２８の３次元形状測定装置は、
第２５の３次元形状測定装置において、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ものである。

【００６６】本発明の第２９の３次元形状測定装置は、
第２８の３次元形状測定装置において、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ものであ
る。

【００６７】本発明の第３０の３次元形状測定装置は、
第２５の３次元形状測定装置において、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ものである。

【００６８】本発明の第３１の３次元形状測定装置は、
第３０の３次元形状測定装置において、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ものであ
る。

【００６９】第２６、第２８、第３０の３次元形状測定
装置においては、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、試料の位置を光軸方向に変位させるのに比べて、測
定装置の構成要素である光束径制限手段や、照明光学
系、結像光学系の方が小型であるため、それを変位させ
る方が容易である。

【００７０】第２７、第２９、第３１の３次元形状測定
装置においては、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の変化を検出する手段が、光
学系の構成要素の位置を検出する機構としたので、その
結果から光束径制限手段と共役な位置を算出できる。こ
れは、実際に光束径制限手段と共役な位置を測定するこ
とに比べると、遙に簡便な方法である。

【００７１】本発明の第３２の３次元形状測定装置は、
第２５の３次元形状測定装置において、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
特徴とするものである。

【００７２】この３次元形状測定装置においては、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
位置を変化させる周期を可変としたので、例えば、表面
形状が激しい変化を示す試料に対しては相対的な位置を
変化させる周期に短くし、表面がゆるやかな形状変化を
示す試料に対しては相対的な位置を変化させる周期を長
くするというように、試料に応じた最適な条件での測定
が可能になる。

【００７３】あるいは、一つの試料の中においても、形
状変化が激しい場所では短く、ゆるやかな場所では長く
というように、場所により周期を変化させることがで
き、試料全面で最適な条件で測定が可能になる。

【００７４】本発明の第３３の３次元形状測定装置は、
第１８の３次元形状測定装置から第２５の３次元形状測
定装置の何れかにおいて、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ものである。

【００７５】この３次元形状測定装置においては、試料
の移動速度を可変としたので、例えば表面形状が激しい
変化を示す試料に対しては試料の移動速度を遅くし、表
面形状が高精度に仕上げられていてゆるやかな形状変化
を示す試料に対しては試料の移動速度を速くするという
ように、試料に応じた最適な条件での測定が可能にな
る。

【００７６】あるいは、一つの試料の中においても、形
状変化が激しい場所では遅く、ゆるやかな場所では速く
というように、場所により移動速度を変化させることが
でき、試料全面で最適な条件で測定が可能になる。

【００７７】本発明の第３４の３次元形状測定装置は、
第１８の３次元形状測定装置から第２５の３次元形状測
定装置の何れかにおいて、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ものである。

【００７８】この３次元形状測定装置においては、試料
の移動速度を一定としたので、試料が大型になった場合
でも安定した制御が可能になる。

【００７９】本発明の第３５の３次元形状測定装置は、
第３３の３次元形状測定装置又は第３４の３次元形状測
定装置において、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ものである。

【００８０】この３次元形状測定装置においては、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の
で、１周期の範囲内で試料形状の変化の様子を考慮し
て、試料の移動速度を決定すれば、全面で最適な測定条
件を設定できる。

【００８１】本発明の第３６の３次元形状測定装置は、
第３５の３次元形状測定装置において、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ものである。

【００８２】この３次元形状測定装置においては、略周
期的な構造の頂点付近を測定できればよい場合に、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ので、光束径制限手段と共役
な位置を変位させる幅を狭くすることができるので、よ
り高い周波数で変位させることができる。

【００８３】本発明の第３７の３次元形状測定装置は、
第１８の３次元形状測定装置から第３６の３次元形状測
定装置の何れかにおいて、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ｖ_s ／（２Ｒｓｉ
ｎθ_b ）〔Ｈｚ〕よりも高い周波数で、かつ、Ｒ×〔１
−（１−ｓｉｎ² θ_b ）^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ものである。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 ｖ_s ：試料を一定速度で移動させるときの速度 θ_b ：θ_b ＝（ｓｉｎ^-1ＮＡ）／２ とする。

【００８４】この３次元形状測定装置においては、第１
５の３次元形状測定装置で行ったのと同様な議論から、
試料からの戻り光を考えた場合、光束径制限手段と共役
な位置をｖ_s ／（２Ｒｓｉｎθ_b ）〔Ｈｚ〕よりも高い
周波数で、かつ、Ｒ×〔１−（１−ｓｉｎ
² θ_b ）^1/2 〕よりも大きい振幅で光軸方向に変位させ
ることが望ましい。

【００８５】上記のバンプ頂点の高さを測定するために
必要な参照面の変位の周波数と振幅に従って測定すれ
ば、測定時間の短縮と精度の両方を確保した測定が可能
になる。

【００８６】本発明の第３８の３次元形状測定装置は、
第１８の３次元形状測定装置から第３７の３次元形状測
定装置の何れかにおいて、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
徴とするものである。

【００８７】本発明の第３９の３次元形状測定装置は、
第３８の３次元形状測定装置において、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ものであ
る。

【００８８】第３６の３次元形状測定装置の構成では、
各バンプの頂点の高さの相対変化しか測定できないが、
これらの３次元形状測定装置においては、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
有するので、バンプ高さを測定することができ、その結
果からバンプ高さの絶対値を求めることができる。

【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１
０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ＣＣ
Ｄ１４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ｘ
₀ 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（Ｉ
₁ 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ｘ ₁ 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ｘ
₁ 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ＣＣ
Ｄ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Ｉ ₁ 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２
０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（Ｉ
₃ 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ｖ_s 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 θ_b ） ^1/2 〕との間を、周
波数ｖ_s ／（２Ｒｓｉｎθ_b ）〔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 ｖ_s ：試料を一定速度で移動させるときの速度 θ_b ：θ_b ＝（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１
０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ｖ_s 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
ｖ_s 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ＣＣ
Ｄ１４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Ｉ
₄ 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３
４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（Ｉ
₆ 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ｖ_s 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 θ_b ）^{1/ 2} 〕との間を、周波
数ｖ_s ／（２Ｒｓｉｎθ_b ）〔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 ｖ_s ：試料を一定速度で移動させるときの速度 θ_b ：θ_b ＝（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４
１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ｖ_s 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
ｖ_s 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ｖ
_s／（２Ｒｓｉｎθ_b ）〔Ｈｚ〕よりも高い周波数で、
かつ、Ｒ×〔１−（１−ｓｉｎ² θ_b ）^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 ｖ_s ：試料を一定速度で移動させるときの速度 θ_b ：θ_b ＝（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ｖ_s ／（２Ｒｓｉｎθ_b ）〔Ｈ
ｚ〕よりも高い周波数で、かつ、Ｒ×〔１−（１−ｓｉ
ｎ² θ_b ）^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 ｖ_s ：試料を一定速度で移動させるときの速度 θ_b ：θ_b ＝（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

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F065 AA06 AA24 AA53 BB05 CC26 DD06 FF10 FF52 GG02 GG05 GG12 HH13 JJ02 JJ25 LL00 LL04 LL28 LL30 LL46 PP12 PP22 PP24 QQ18 UU05 UU06 UU07

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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、 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。
2. 【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、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。