三维测量装置的制作方法

1.本发明涉及对被测量物的形状进行测量的三维测量装置。


背景技术：

2.以往，作为测量被测量物的形状的三维测量装置，例如已知有利用数字全息照相技术对半导体晶圆的凸块高度进行测量的干涉式三维测量装置等(例如，参照专利文献1)。
3.根据该三维测量装置，不需要参照面的移动机构、电流机构等，通过一次拍摄，能够实现超过测量范围的凸块的高度测量。
4.现有技术文献
5.专利文献
6.专利文献1：日本特开2019-100961号公报。


技术实现要素：

7.发明所要解决的课题
8.在利用数字全息照相技术的三维测量中，由于需要从多个再现图像(针对高度方向多个位置再现的强度图像数据)中确定处于对焦状态的再现图像，因此测量点的亮度检测变得重要。
9.然而，在专利文献1所涉及的结构中，多个再现图像的亮度没有大的差异，有可能难以确定哪个再现位置是对焦位置(或者是在高度方向上对焦最准的最佳对焦位置)，其结果是，有可能导致测量精度降低。
10.特别是，如上述凸块等那样，在被测量物的一部分弯曲的情况下，关于该弯曲部，由于所照射的光发生扩散，检测出的反射光的量变少，因此上述不良情况有可能变得更显著。
11.本发明是鉴于上述情况等而完成的，其目的在于提供一种能够实现测量精度的提高并且实现测量效率的提高的三维测量装置。
12.用于解决问题的手段
13.以下，对适于解决上述课题的各技术方案分项进行说明。另外，根据需要对对应的技术方案附加特有的作用效果。
14.技术方案1.一种三维测量装置，包括：
15.规定的光学系统(特定光学系统)，将入射的规定的光分割为两种光，能够将一种光作为测量光照射到被测量物(例如晶圆基板)，并且能够将另一种光作为参照光照射到参照面，并且能够将它们再次合成并射出；
16.照射单元，能够射出入射到所述规定的光学系统的规定的光；
17.拍摄单元，能够拍摄从所述规定的光学系统射出的输出光；
18.测量光用的物镜，使所述测量光朝向所述被测量物照射；
19.参照光用的物镜，使所述参照光朝向所述参照面照射；
20.成像透镜，使所述输出光成像到所述拍摄单元(拍摄元件)；以及
21.图像处理单元，能够基于由所述拍摄单元拍摄得到的干涉条纹图像(全息图)，来执行所述被测量物的规定的测量区域(被测量物的整个区域或其一部分)所涉及的三维测量，
22.所述三维测量装置的特征在于，
23.所述图像处理单元包括：
24.图像数据获取单元，能够基于由所述拍摄单元拍摄得到的所述测量区域所涉及的干涉条纹图像，通过再现(reconstruction)来获取所述测量区域的各坐标位置的光轴方向规定位置的强度图像数据；
25.相位信息获取单元，能够基于由所述拍摄单元拍摄得到的所述测量区域所涉及的干涉条纹图像，通过再现来获取所述测量区域的各坐标位置的光轴方向规定位置的光的相位信息；
26.对焦判定单元，基于由所述图像数据获取单元获取的所述测量区域的规定坐标位置的光轴方向规定位置的强度图像数据，来判定该强度图像数据是否处于满足规定条件(例如具有规定的阈值以上的亮度的情况等)的对焦状态；
27.次数确定单元，在基于所述对焦判定单元的判定结果判定为所述规定坐标位置的光轴方向规定位置的强度图像数据处于所述对焦状态的情况下，将在光轴方向上以规定的测量范围间隔确定的次数中的、与所述光轴方向规定位置对应的次数确定为所述规定坐标位置所涉及的次数；以及
28.三维测量单元，能够基于由所述相位信息获取单元获取的所述规定坐标位置所涉及的相位信息和由所述次数确定单元确定出的所述规定坐标位置所涉及的次数，来执行所述规定坐标位置所涉及的三维测量(高度测量)。
29.另外，“规定的光学系统”不仅包括“在使参照光和测量光在内部干涉之后作为干涉光输出的光学系统”，还包括“不使参照光和测量光在内部干涉而仅作为合成光输出的光学系统”。但是，在从“规定的光学系统”输出的“输出光”为“合成光”的情况下，为了拍摄“干涉条纹图像”，至少在由“拍摄单元”拍摄的前阶段，经由规定的干涉单元变换为“干涉光”。
30.即，能够将以产生光的干涉(拍摄干涉条纹图像)为目的，将入射的规定的光分割为两种光，能够将一种光作为测量光照射到被测量物，并且能够将另一种光作为参照光照射到参照面，并且能够将它们再次合成而射出的光学系统称为“干涉光学系统”。因此，在上述技术方案1中(在以下的各技术方案中也同样)，也可以将“规定的光学系统(特定光学系统)”改称为“干涉光学系统”。
31.根据上述技术方案1，通过数字全息照相技术，能够针对测量区域的各坐标位置，进行超过测量范围的高度测量。另外，不需要使被测量物移动那样的大型的移动机构，能够实现结构的简化，并且也不会受到该振动等的影响，因此能够实现测量精度的提高。
32.并且，能够以更少的拍摄次数获取测量所需的所有干涉条纹图像，能够实现测量效率的提高。
33.此外，根据本技术方案1，通过具备测量光用的物镜及参照光用的物镜、以及使输出光向拍摄单元成像的成像透镜，能够实现进一步的测量精度的提高。
34.以下，对具备物镜及成像透镜的本技术方案1的特征部分的作用效果进行详细说
明。图16是用于说明本技术方案1所涉及的物镜和成像透镜的光学关系的图，示意性地示出经由物镜701和成像透镜702使被测量物700的像成像到拍摄单元703的光学系统。
35.如该图所示，在利用数字全息照相技术的三维测量中，针对光轴j1(高度z)方向的多个位置z1～zn再现强度图像数据，从这些多个强度图像数据(再现图像)中确定在光轴j1方向上对焦的对焦位置z
p
(或者在光轴j1方向上对焦最准的最佳对焦位置z
p
)的再现图像。
36.此时，为了从多个再现图像中确定处于对焦状态的再现图像，如上述“发明所要解决的课题”所述，测量点的亮度检测变得重要。
37.这里，说明基于再现图像的规定位置的像素的亮度，针对该规定位置的像素判断该再现图像是否是对焦位置(或最佳对焦位置)的像素的原理。
38.在对焦位置的再现图像和不处于对焦位置的再现图像中，由于亮度的总量没有差别，因此即使光在相同像素(xy坐标系相同位置的一个像素)中会聚或发生模糊，作为该像素的亮度(亮度总量)也不会表现出变化。
39.例如，如图17的(a)所示，在拍摄微小的测量点pa时，在对焦位置的再现图像800中，如果测量点pa位于再现图像800的规定的像素800a的中心，则如图17的(b)所示，即使在从对焦位置向光轴方向(高度z方向)偏移了第一规定量的位置的再现图像801中，测量点pa发生模糊，向x方向和y方向分别各渗出0.5个像素(像素801a的1边的长度的一半)，也由于包含该测量点pa的像素801a的亮度(亮度总量)不变化，因此无法判断为从对焦位置偏移。
40.另一方面，如图17的(c)所示，如果在从对焦位置向光轴方向(高度z方向)偏移了第二规定量的位置的再现图像802中，测量点pa发生模糊，向x方向和y方向分别超出0.5个像素(像素802a的1边的长度的一半)的大小而渗出，则由于包含该测量点pa的像素802a的亮度(亮度总量)减少，因此通过检测该变化，能够判断为从对焦位置偏移。或者，由于包含测量点pa的像素802a的周边的像素的亮度增加，因此通过检测该变化，能够判断为从对焦位置偏移。
41.另外，例如如图18的(a)所示，在拍摄微小的测量点pa时，如果在对焦位置的再现图像800中，测量点pa跨越4个像素800a，则如图18的(b)所示，即使在从对焦位置向光轴方向(高度z方向)偏移了第一规定量的位置的再现图像801中，测量点pa发生模糊，向x方向和y方向分别各渗出1个像素(像素801a的1边的长度)，也由于包含该测量点pa的4个像素801a各自的亮度(亮度总量)不变化，因此无法判断为从对焦位置偏移。
42.另一方面，如图18的(c)所示，如果在从对焦位置向光轴方向(高度z方向)偏移了第二规定量的位置的再现图像802中，测量点pa发生模糊，向x方向和y方向分别超过1个像素(像素802a的1边的长度)的大小而渗出，则由于包含该测量点pa的4个像素802a的亮度(亮度总量)分别减少，因此通过检测该变化，能够判断为从对焦位置偏移。或者，包含测量点pa的4个像素802a的周边的像素的亮度增加，因此通过检测该变化，能够判断为从对焦位置偏移。
43.但是，实际上，如图19所示，在再现位置ps从对焦位置po沿光轴方向(高度z方向)偏移了规定量dz的情况下，测量点pa模糊为直径ε的圆形。另外，与对焦位置po的相对距离dz越大，则在再现位置ps的再现图像中，测量点pa的模糊程度(再现形态)越大。
44.并且，如图19所示，通过使用物镜900等，与不使用物镜900等的现有结构(参照图19中的双点划线部)相比，即使是与对焦位置po的相对距离dz相同的再现位置ps，测量点pa
的模糊程度也变大。
45.接着，对在不具有物镜等的“以往”的结构下获取的多个再现图像的规定测量点所涉及的亮度值与具有物镜等的“本发明(技术方案1)”的结构下获取的多个再现图像的规定测量点所涉及的亮度值进行比较，并且对本发明(技术方案1)的作用效果进行说明。
46.图21是例示在“以往”及“本发明(技术方案1)”所涉及的结构下，在光轴方向(高度z方向)以“30μm”间隔的再现间隔设定的高度位置、具体而言为“3次(+90μm)”、“2次(+60μm)”、“1次(+30μm)”、“0次(0μm)”、
“‑
1次(-30μm)”、
“‑
2次(-60μm)”、
“‑
3次(-90μm)”中再现的多个再现图像的规定测量点所涉及的亮度值的表。
47.如图21所示，在“以往”中，在“0次(0μm)”的高度位置再现的再现图像的规定测量点所涉及的亮度值最大，为“128”，在“1次(+30μm)”和
“‑
1次(-30μm)”的高度位置再现的再现图像的规定测量点所涉及的亮度值分别为“120”，在“2次(+60μm)”和
“‑
2次(-60μm)”的高度位置再现的再现图像的规定测量点所涉及的亮度值分别为“112”，在“3次(+90μm)”和
“‑
3次(-90μm)”的高度位置再现的再现图像的规定测量点所涉及的亮度值分别为“104”。
48.基于这些数据，在图21所例示的情形下，在“以往”中，能够将“0次(0μm)”的高度位置确定为对焦位置。
49.另一方面，在“本发明”中，在“0次(0μm)”的高度位置再现的再现图像的规定测量点所涉及的亮度值最大，为“128”，在“1次(+30μm)”和
“‑
1次(-30μm)”的高度位置再现的再现图像的规定测量点所涉及的亮度值分别为“100”，在“2次(+60μm)”和
“‑
2次(-60μm)”的高度位置再现的再现图像的规定测量点所涉及的亮度值分别为“72”，在“3次(+90μm)”和
“‑
3次(-90μm)”的高度位置再现的再现图像的规定测量点所涉及的亮度值分别为“44”。
50.基于这些数据，在图21所例示的情形下，在“本发明”中，能够将“0次(0μm)”的高度位置确定为对焦位置。
51.但是，在上述“以往”中，在作为峰值的“0次(0μm)”的高度位置再现的再现图像的规定测量点所涉及的亮度值为“128”，与此相对，在
“±
1次(
±
30μm)”的高度位置再现的再现图像的规定测量点所涉及的亮度值分别为“120”，与峰值的亮度差为“8”。同样地，在
“±
2次(
±
60μm)”的高度位置再现的再现图像的规定测量点所涉及的亮度值分别为“112”，与峰值的亮度差为“16”。另外，在
“±
3次(
±
90μm)”的高度位置再现的再现图像的规定测量点所涉及的亮度值分别为“104”，与峰值的亮度差为“24”。
52.与此相对，在上述“本发明”中，在作为峰值的“0次(0μm)”的高度位置再现的再现图像的规定测量点所涉及的亮度值为“128”，与此相对，在
“±
1次(
±
30μm)”的高度位置再现的再现图像的规定测量点所涉及的亮度值分别为“100”，与峰值的亮度差为“28”。同样地，在
“±
2次(
±
60μm)”的高度位置再现的再现图像的规定测量点所涉及的亮度值分别为“72”，与峰值的亮度差为“56”。另外，在
“±
3次(
±
90μm)”的高度位置再现的再现图像的规定测量点所涉及的亮度值分别为“44”，与峰值的亮度差为“84”。
53.即，使用物镜等的“本发明(技术方案1)”与不使用物镜等的“以往”相比，即使在与对焦位置的相对距离(再现距离)相同的再现位置，测量点的亮度值的变化也变大，因此能够容易确定对焦位置，并且不易受到噪声等的影响。其结果是，能够实现测量精度的提高。
54.技术方案2.一种三维测量装置，包括：
55.规定的光学系统(特定光学系统)，将入射的规定的光分割为两种光，能够将一种
光作为测量光照射到被测量物(例如晶圆基板)，并且能够将另一种光作为参照光照射到参照面，并且能够将它们再次合成并射出；
56.照射单元，能够射出入射到所述规定的光学系统的规定的光；
57.拍摄单元，能够拍摄从所述规定的光学系统射出的输出光；
58.测量光用的物镜，使所述测量光朝向所述被测量物照射；
59.参照光用的物镜，使所述参照光朝向所述参照面照射；
60.成像透镜，使所述输出光成像到所述拍摄单元(拍摄元件)；以及
61.图像处理单元，能够基于由所述拍摄单元拍摄得到的干涉条纹图像(全息图)，来执行所述被测量物的规定的测量区域(被测量物的整个区域或其一部分)所涉及的三维测量，
62.所述三维测量装置的特征在于，
63.所述图像处理单元包括：
64.图像数据获取单元，能够基于由所述拍摄单元拍摄得到的所述测量区域所涉及的干涉条纹图像，通过再现(reconstruction)至少在光轴方向规定范围内以规定间隔获取多组所述测量区域的各坐标位置的光轴方向规定位置的强度图像数据；
65.对焦位置决定单元，基于由所述图像数据获取单元获取的所述测量区域的规定坐标位置所涉及的所述多组强度图像数据，来决定该规定坐标位置的规定的光轴方向对焦位置(例如得到了对焦最准的强度图像数据的光轴方向位置)；
66.次数确定单元，将在光轴方向上以规定的测量范围间隔确定的次数中的、与由所述对焦位置决定单元决定的所述规定坐标位置的所述光轴方向对焦位置对应的次数确定为该规定坐标位置所涉及的次数；
67.相位信息获取单元，能够基于由所述拍摄单元拍摄得到的所述测量区域所涉及的干涉条纹图像，通过再现来获取所述测量区域的各坐标位置的光轴方向规定位置的光的相位信息；以及
68.三维测量单元，能够基于由所述相位信息获取单元获取的所述规定坐标位置所涉及的相位信息和由所述次数确定单元确定出的所述规定坐标位置所涉及的次数来执行所述规定坐标位置所涉及的三维测量(高度测量)。
69.根据上述技术方案2，能够起到与上述技术方案1相同的作用效果。
70.技术方案3.一种三维测量装置，包括：
71.规定的光学系统(特定光学系统)，将入射的规定的光分割为两种光，能够将一种光作为测量光照射到被测量物(例如晶圆基板)，并且能够将另一种光作为参照光照射到参照面，并且能够将它们再次合成并射出；
72.照射单元，能够射出入射到所述规定的光学系统的规定的光；
73.拍摄单元，能够拍摄从所述规定的光学系统射出的输出光；
74.测量光用的物镜，使所述测量光朝向所述被测量物照射；
75.参照光用的物镜，使所述参照光朝向所述参照面照射；
76.成像透镜，使所述输出光成像到所述拍摄单元(拍摄元件)；以及
77.图像处理单元，能够基于由所述拍摄单元拍摄得到的干涉条纹图像(全息图)，来执行所述被测量物的规定的测量区域(被测量物的整个区域或其一部分)所涉及的三维测
量，
78.所述三维测量装置的特征在于，
79.所述图像处理单元包括：
80.第一图像数据获取单元，能够基于由所述拍摄单元拍摄得到的干涉条纹图像，通过再现(reconstruction)至少在光轴方向第一范围内以规定间隔获取多组预先设定在所述测量区域内的一部分特定区域中的光轴方向规定位置的强度图像数据；
81.第一对焦位置决定单元，基于由所述第一图像数据获取单元获取的所述特定区域所涉及的所述多组强度图像数据来决定该特定区域中的规定的光轴方向对焦位置；
82.第二图像数据获取单元，能够基于由所述拍摄单元拍摄得到的所述测量区域所涉及的干涉条纹图像，通过再现在以所述特定区域中的光轴方向对焦位置为基准而设定的至少光轴方向第二范围内，以规定间隔获取多组所述测量区域的各坐标位置的光轴方向规定位置的强度图像数据；
83.第二对焦位置决定单元，基于由所述第二图像数据获取单元获取的所述测量区域的规定坐标位置所涉及的所述多组强度图像数据，来决定该规定坐标位置的规定的光轴方向对焦位置；
84.次数确定单元，将在光轴方向上以规定的测量范围间隔确定的次数中的、与由所述第二对焦位置决定单元决定的所述规定坐标位置的所述光轴方向对焦位置对应的次数确定为该规定坐标位置所涉及的次数；
85.相位信息获取单元，能够基于由所述拍摄单元拍摄得到的所述测量区域所涉及的干涉条纹图像，通过再现来获取所述测量区域的各坐标位置的光轴方向规定位置的光的相位信息；以及
86.三维测量单元，能够基于由所述相位信息获取单元获取的所述规定坐标位置所涉及的相位信息和由所述次数确定单元确定出的所述规定坐标位置所涉及的次数来执行所述规定坐标位置所涉及的三维测量(高度测量)。
87.根据上述技术方案3，起到与上述技术方案1、2相同的作用效果。特别是，根据本技术方案，首先，最初不是针对整个测量区域，而仅针对在测量区域内预先设定的一部分特定区域(有限的狭窄范围)获取光轴方向多个位置处的强度图像数据，根据该对焦状况来确定光轴方向上的被测量物的位置。
88.然后，针对整个测量区域的各坐标位置，以特定区域所涉及的对焦位置为基准，获取光轴方向多个位置处的强度图像数据。
89.由此，能够减轻施加给用于获取数据的处理的负荷，并且能够缩短该处理所需的时间，该数据是进行测量区域所涉及的三维测量所需的数据。其结果是，能够实现测量精度的提高，并且能够实现测量效率的提高。
90.技术方案4.根据技术方案1至3中任一项所述的三维测量装置，其特征在于，所述物镜的数值孔径na满足下式：
[0091][0092]
a：像素大小，dz：再现间隔。
[0093]
在使用数值孔径na较小的物镜的情况下，即使在再现间隔(与对焦位置的相对距离)dz较大的情况下，测量点的模糊程度也小，有可能难以确定对焦位置。
[0094]
另一方面，如上述技术方案4所涉及的物镜那样，在使用数值孔径na较大的物镜的情况下，从凸块的顶部等被测量物的弯曲部大范围反射的反射光容易被物镜取入，并且即使在再现间隔dz小的情况下，测量点的模糊程度也变大，容易确定对焦位置。其结果是，根据上述技术方案4，能够进一步提高上述技术方案1等的作用效果。
[0095]
以下，对本技术方案4的特征部分的作用效果进行更详细的说明。例如，如图20所示，在将半球状的凸块101作为被测量物(测量对象)的情况下，照射到凸块101的顶点附近的照射光k1的反射光k2扩散。在该状况下，在使用数值孔径na大的物镜901的情况下，与使用数值孔径na小的物镜902(参照图20的双点划线部)的情况相比，能够在大范围取入来自凸块101的反射光k2。
[0096]
即，与使用数值孔径na小的物镜902的情况下的可测量范围g2相比，能够增大使用数值孔径na大的物镜901的情况下的可测量范围g1。
[0097]
另外，如上所述，为了可靠地检测是否从对焦位置偏移，如图17、图18所示，只要规定的测量点pa的模糊所导致的渗出作为整体至少大于两个像素大小即可。
[0098]
具体而言，为了使由测量点pa的模糊导致的渗出大于两个像素大小，需要满足下式(1)的关系。即，测量点pa模糊而产生的圆的直径ε必须大于像素大小a的2倍(参照图19)。
[0099]
ε》2a
……
(1)
[0100]
如图19所示，在将从测量点pa入射到物镜900的光线相对于光轴j1的最大角度设为θ、将测量点pa与物镜900之间的介质的折射率设为n的情况下(如果是空气中，则n≈1)，数值孔径na能够由下式(2)表示。
[0101]
na＝n
×
sinθ
……
(2)
[0102]
另外，在将再现间隔(与对焦位置的相对距离)设为dz的情况下，下式(3)的关系成立(参照图19)。
[0103]
ε＝2
×
dz
×
tanθ
……
(3)
[0104]
并且，根据上式(1)、(3)，能够导出下式(4)。
[0105]2×
dz
×
tanθ》2a
……
(4)
[0106]
这里，由于因此上式(4)成为下式(5)。
[0107][0108]
接着，若将折射率n＝1的上式(2)代入上式(5)，则得到下式(6)。
[0109][0110]
然后，如果针对数值孔径na求解上式(6)，则得到下式(7)。
[0111][0112]
但是，再现间隔dz优选为0以上且不超过测量范围间隔r(0≤dz≤r)。另外，测量范围r是三维测量装置的测量范围，例如在仅利用一种波长的光进行测量的情况下，由其波长决定的测量范围相当于测量范围r，在利用波长不同的两种光进行测量的情况下，由两波长的合成波长决定的测量范围相当于测量范围r。
[0113]
另外，数值孔径na优选尽可能大，但只要不采用浸液等特别的技术，则数值孔径na的上限为1(参照折射率n＝1时的上式(2))，优选数值孔径na为1以下(na≤1)。
[0114]
技术方案5.根据权利要求1至4中任一项所述的三维测量装置，其特征在于，
[0115]
所述照射单元包括：
[0116]
第一照射单元，能够射出入射到所述规定的光学系统的、包含第一波长的偏振光的第一光；
[0117]
第二照射单元，能够射出入射到所述规定的光学系统的、包含第二波长的偏振光的第二光；
[0118]
第一光用的投光透镜，配置在所述规定的光学系统与所述第一照射单元之间，使所述第一光朝向所述物镜会聚；以及
[0119]
第二光用的投光透镜，配置在所述规定的光学系统与所述第二照射单元之间，使所述第二光朝向所述物镜会聚，
[0120]
所述拍摄单元包括：
[0121]
第一拍摄单元，能够拍摄通过向所述规定的光学系统入射所述第一光而从所述规定的光学系统射出的所述第一光所涉及的输出光；以及
[0122]
第二拍摄单元，能够拍摄通过向所述规定的光学系统入射所述第二光而从所述规定的光学系统射出的所述第二光所涉及的输出光，
[0123]
作为所述成像透镜，包括：
[0124]
第一拍摄用的成像透镜，使所述第一光所涉及的输出光成像到所述第一拍摄单元；以及
[0125]
第二拍摄用的成像透镜，使所述第二光所涉及的输出光成像到所述第二拍摄单元。
[0126]
另外，从“第一照射单元”照射的“第一光”只要是至少包含“第一波长的偏振光(第一偏振光)”的光即可，之后也可以是包含在“规定的光学系统”中被截断的其他多余的分量的光(例如“无偏振光”、“圆偏振光”)。
[0127]
同样地，从“第二照射单元”照射的“第二光”只要是至少包含“第二波长的偏振光(第二偏振光)”的光即可，之后也可以是包含在“规定的光学系统”中被截断的其他多余的分量的光(例如“无偏振光”、“圆偏振光”)。
[0128]
另外，从“规定的光学系统(特定光学系统)”输出的“第一光所涉及的输出光”中包含“第一光所涉及的参照光和测量光的合成光、或者使该合成光干涉的干涉光”，“第二光所涉及的输出光”中包含“第二光所涉及的参照光和测量光的合成光、或者使该合成光干涉的干涉光”。
[0129]
根据上述技术方案5，通过利用波长不同的两种光，能够扩大测量范围，并且通过具备两个拍摄单元，能够实现测量效率的提高。
[0130]
另外，如上述技术方案1等那样，在具备物镜的结构中，由于对被测量物照射的光集中在测量区域的一点(狭窄的范围)，因此在一次测量中能够测量的测量区域有可能变窄。
[0131]
与此相对，如本技术方案5那样，通过具备使从照射单元射出的光向物镜会聚的投光透镜，能够向被测量物的更大的范围照射均匀的平行光。其结果是，能够通过一次测量来测量大范围。
[0132]
技术方案6.根据技术方案1至5中任一项所述的三维测量装置，其特征在于，所述
被测量物是形成有凸块的晶圆基板。
[0133]
根据上述技术方案6，能够进行形成于晶圆基板的凸块的测量。进而，在凸块的检查中，能够基于该测量值来进行凸块的好坏判定。因此，在该检查中，起到上述各技术方案的作用效果，能够高精度地进行好坏判定。其结果是，能够实现凸块检查装置中的检查精度及检查效率的提高。
附图说明
[0134]
图1是三维测量装置的概略结构图。
[0135]
图2是表示三维测量装置的电气结构的框图。
[0136]
图3是示出第一光的光路的光路图。
[0137]
图4是示出第二光的光路的光路图。
[0138]
图5是表示测量处理的流程的流程图。
[0139]
图6是用于说明工件与拍摄元件的位置关系等的说明图。
[0140]
图7是用于说明工件与拍摄元件的位置关系等的说明图。
[0141]
图8是用于说明晶圆基板的三维测量的示意图。
[0142]
图9是用于说明凸块的三维测量的示意图。
[0143]
图10是用于说明凸块的二维测量的示意图。
[0144]
图11是以一个具体例表示测量范围、相位、次数、高度测量值等的关系的图。
[0145]
图12是以一个具体例表示另一实施方式所涉及的测量范围、相位、次数、高度测量值等的关系的图。
[0146]
图13是另一实施方式所涉及的相机的概略结构图。
[0147]
图14是表示另一实施方式所涉及的测量处理的流程的流程图。
[0148]
图15是另一实施方式所涉及的三维测量装置的概略结构图。
[0149]
图16是用于说明物镜和成像透镜的光学关系的图。
[0150]
图17的(a)是表示对焦位置处的测量点的再现形态的图，(b)是表示从对焦位置偏移了第一规定量的位置处的测量点的再现形态的图，(c)是表示从对焦位置偏移了第二规定量的位置处的测量点的再现形态的图。
[0151]
图18的(a)是表示对焦位置处的测量点的再现形态的图，(b)是表示从对焦位置偏移了第一规定量的位置处的测量点的再现形态的图，(c)是表示从对焦位置偏移了第二规定量的位置处的测量点的再现形态的图。
[0152]
图19是用于说明测量点的对焦位置、对焦位置与再现位置的相对距离、再现位置处的测量点的模糊情况(再现形态)、从测量点入射到物镜的光的角度等的对应关系的示意图。
[0153]
图20是用于说明使用数值孔径大的物镜的情况下的可测量范围和使用数值孔径小的物镜的情况下的可测量范围的差异的示意图。
[0154]
图21是例示在以往和本发明所涉及的结构下在多个高度位置再现的多个再现图像的规定测量点所涉及的亮度值的表。
具体实施方式
[0155]
以下，参照附图对三维测量装置的一个实施方式进行说明。本实施方式所涉及的三维测量装置是使用数字全息术进行三维测量的测量装置。这里，“数字全息术”是指获取干涉条纹图像(全息图)并从其再现(reconstruct)图像的技术。
[0156]
图1是表示本实施方式所涉及的三维测量装置1的概略结构的示意图，图2是表示三维测量装置1的电气结构的框图。以下，为了方便，将图1的纸面前后方向设为“x轴方向”，将纸面上下方向设为“y轴方向”，将纸面左右方向设为“z轴方向”来进行说明。
[0157]
三维测量装置1基于迈克尔逊干涉仪的原理而构成，包括：作为照射单元的两个投光系统2a、2b(第一投光系统2a、第二投光系统2b)，能够输出特定波长的光；干涉光学系统3，被入射从该投光系统2a、2b分别射出的光；作为拍摄单元的两个拍摄系统4a、4b(第一拍摄系统4a、第二拍摄系统4b)，能够拍摄从该干涉光学系统3射出的光；以及控制装置5，进行与投光系统2a、2b或干涉光学系统3、拍摄系统4a、4b等有关的各种控制或图像处理、运算处理等。
[0158]
这里，“控制装置5”构成本实施方式中的“图像处理单元”，“干涉光学系统3”构成本实施方式中的“规定的光学系统(特定光学系统)”。另外，在本实施方式中，以产生光的干涉(拍摄干涉条纹图像)为目的，将入射的规定的光分割为2个光(测量光和参照光)，将使该2个光产生光程差之后再次合成并输出的光学系统称为“干涉光学系统”。即，不仅将两个光在内部干涉后作为干涉光输出的光学系统称为“干涉光学系统”，也将两个光不在内部干涉而仅作为合成光输出的光学系统称为“干涉光学系统”。因此，如在本实施方式中后述那样，在两个光(测量光和参照光)不干涉而作为合成光从“干涉光学系统”输出的情况下，至少在拍摄的前阶段(例如拍摄系统的内部等)经由规定的干涉单元得到干涉光。
[0159]
首先，对两个投光系统2a、2b(第一投光系统2a、第二投光系统2b)的结构进行详细说明。第一投光系统2a具备第一发光部11a、第一光隔离器12a、第一无偏振分光器13a等。这里，“第一发光部11a”构成本实施方式中的“第一照射单元”。
[0160]
虽然省略了图示，但是第一发光部11a包括：能够输出特定波长λ1的直线偏振光的激光光源、将从该激光光源输出的直线偏振光放大并作为平行光射出的光束扩展器、用于进行强度调整的偏振光板、以及用于调整偏振光方向的1/2波长板等。
[0161]
在该结构下，在本实施方式中，将以相对于x轴方向和y轴方向倾斜45
°
的方向作为偏振光方向的波长λ1(例如λ1＝1500nm)的直线偏振光从第一发光部11a在z轴方向向左射出。这里，“波长λ
1”相当于本实施方式中的“第一波长”。以下，将从第一发光部11a射出的波长λ1的光称为“第一光”。
[0162]
第一光隔离器12a是仅使向一个方向(在本实施方式中为z轴方向向左)前进的光透射而截断反向(在本实施方式中为z轴方向向右)的光的光学元件。由此，仅使从第一发光部11a射出的第一光透射，能够防止因返回光而导致的第一发光部11a的损伤、不稳定化等。
[0163]
第一无偏振分光器13a是将直角棱镜(以直角等腰三角形为底面的三棱柱状的棱镜。以下相同。)贴合成为一体的立方体型的公知的光学部件，对其接合面13ah例如实施金属膜等涂层。“第一无偏振分光器13a”构成本实施方式中的“第一导光单元”。
[0164]
以下相同，也包含偏振光状态，无偏振分光器将入射光以规定的比率分割为透射光和反射光。在本实施方式中，采用了具有1∶1的分割比的所谓半透半反镜。即，透射光的p
偏振光分量和s偏振光分量以及反射光的p偏振光分量和s偏振光分量全部被以相同的比率分割，并且透射光和反射光的各偏振光状态与入射光的偏振光状态相同。
[0165]
另外，在本实施方式中，将与图1的纸面平行的方向(y轴方向或z轴方向)作为偏振光方向的直线偏振光称为p偏振光(p偏振光分量)，将与图1的纸面垂直的x轴方向作为偏振光方向的直线偏振光称为s偏振光(s偏振光分量)。
[0166]
另外，第一无偏振分光器13a配置为隔着其接合面13ah而相邻的两个面中的一个与y轴方向正交且另一个与z轴方向正交。即，第一无偏振分光器13a的接合面13ah配置为相对于y轴方向及z轴方向倾斜45
°
。更详细而言，配置为使经由第一光隔离器12a从第一发光部11a在z轴方向向左入射的第一光的一部分(一半)在z轴方向向左透射，使剩余部分(一半)在y轴方向向下反射。
[0167]
与上述第一投光系统2a同样地，第二投光系统2b包括第二发光部11b、第二光隔离器12b、第二无偏振分光器13b等。这里，“第二发光部11b”构成本实施方式中的“第二照射单元”。
[0168]
第二发光部11b与上述第一发光部11a同样地包括能够输出特定波长λ2的直线偏振光的激光光源、将从该激光光源输出的直线偏振光放大并作为平行光射出的光束扩展器、用于进行强度调整的偏振光板、以及用于调整偏振光方向的1/2波长板等。
[0169]
在该结构下，在本实施方式中，将相对于x轴方向和z轴方向倾斜45
°
的方向作为偏振光方向的波长λ2(例如λ2＝1503nm)的直线偏振光从第二发光部11b在y轴方向向上射出。这里，“波长λ
2”相当于本实施方式中的“第二波长”。以下，将从第二发光部11b射出的波长λ2的光称为“第二光”。
[0170]
第二光隔离器12b与第一光隔离器12a同样，是仅使向一个方向(在本实施方式中为y轴方向向上)前进的光透射而截断反向(在本实施方式中为y轴方向向下)的光的光学元件。由此，仅使从第二发光部11b射出的第二光透射，能够防止因返回光而导致的第二发光部11b的损伤、不稳定化等。
[0171]
第二无偏振分光器13b与第一无偏振分光器13a同样，是将直角棱镜贴合而成为一体的立方体型的公知的光学部件，对其接合面13bh例如实施金属膜等涂层。“第二无偏振分光器13b”构成本实施方式中的“第二导光单元”。
[0172]
另外，第二无偏振分光器13b配置为隔着其接合面13bh而相邻的两个面中的一个与y轴方向正交且另一个与z轴方向正交。即，第二无偏振分光器13b的接合面13bh配置为相对于y轴方向及z轴方向倾斜45
°
。更详细而言，配置为使经由第二光隔离器12b从第二发光部11b在y轴方向向上入射的第二光的一部分(一半)在y轴方向向上透射，使剩余部分(一半)在z轴方向向右反射。
[0173]
接着，对干涉光学系统3的结构进行详细说明。干涉光学系统3包括偏振分光器(pbs)20、物镜21、22、1/4波长板23、24、参照面25、设置部26等。
[0174]
偏振分光器20是将直角棱镜贴合而成为一体的立方体型的公知的光学部件，对其接合面(边界面)20h实施例如电介质多层膜等涂层。
[0175]
偏振分光器20将入射的直线偏振光分割为偏振光方向相互正交的两个偏振光分量(p偏振光分量和s偏振光分量)。本实施方式中的偏振分光器20构成为使p偏振光分量透射并反射s偏振光分量。
[0176]
偏振分光器20配置为隔着其接合面20h而相邻的两个面中的一个与y轴方向正交且另一个与z轴方向正交。即，配置为偏振分光器20的接合面20h相对于y轴方向及z轴方向倾斜45
°
。
[0177]
更详细而言，从上述第一无偏振分光器13a在y轴方向向下反射的第一光入射的偏振分光器20的第一面(y轴方向上侧面)20a、以及与该第一面20a相对置的第三面(y轴方向下侧面)20c配置为与y轴方向正交。“偏振分光器20的第一面20a”相当于本实施方式中的“第一输入输出部”。
[0178]
另一方面，隔着接合面20h与第一面20a相邻的面、且从上述第二无偏振分光器13b在z轴方向向右反射的第二光入射的偏振分光器20的第二面(z轴方向左侧面)20b、以及与该第二面20b相对置的第四面(z轴方向右侧面)20d配置为与z轴方向正交。“偏振分光器20的第二面20b”相当于本实施方式中的“第二输入输出部”。
[0179]
另外，物镜21配置为与偏振分光器20的第三面20c在y轴方向上相对置，1/4波长板23配置为与该物镜21在y轴方向上相对置，参照面25配置为与该1/4波长板23在y轴方向上相对置。
[0180]
物镜21配置为一侧的焦点位置与参照面25对位，且另一侧(第一拍摄系统4a侧及第二拍摄系统4b侧)的焦点位置与后述的成像透镜30a的另一侧(干涉光学系统3侧)的焦点位置和后述的成像透镜30b的另一侧(干涉光学系统3侧)的焦点位置分别重叠。
[0181]
即，物镜21具有使从偏振分光器20的第三面20c射出的光(参照光)朝向参照面25照射的功能。另外，物镜21也可以由包括多个透镜的透镜单元构成。当然，也可以由一片透镜构成。
[0182]
1/4波长板23具有将直线偏振光变换为圆偏振光并且将圆偏振光变换为直线偏振光的功能。即，从偏振分光器20的第三面20c射出并通过了物镜21的直线偏振光(参照光)经由1/4波长板23变换为圆偏振光之后照射到参照面25。另外，由参照面25反射的参照光再次经由1/4波长板23从圆偏振光变换为直线偏振光之后，通过物镜21入射到偏振分光器20的第三面20c。
[0183]
另一方面，物镜22配置为与偏振分光器20的第四面20d在z轴方向上相对置，1/4波长板24配置为与该物镜22在z轴方向上相对置，设置部26配置为与该1/4波长板24在z轴方向上相对置。
[0184]
物镜22配置为一侧的焦点位置与设置部26对位，且另一侧(第一拍摄系统4a侧及第二拍摄系统4b侧)的焦点位置与后述的成像透镜30a的另一侧(干涉光学系统3侧)的焦点位置和后述的成像透镜30b的另一侧(干涉光学系统3侧)的焦点位置分别重叠。
[0185]
即，物镜22具有使从偏振分光器20的第四面20d射出的光(测量光)朝向放置于设置部26的作为被测量物的工件w照射的功能。另外，物镜22也可以由包括多个透镜的透镜单元构成。当然，也可以由一片透镜构成。
[0186]
1/4波长板24具有将直线偏振光变换为圆偏振光并且将圆偏振光变换为直线偏振光的功能。即，从偏振分光器20的第四面20d射出并通过了物镜22的直线偏振光(测量光)经由1/4波长板24变换为圆偏振光之后，向放置于设置部26的作为被测量物的工件w照射。另外，由工件w反射的测量光再次经由1/4波长板24从圆偏振光变换为直线偏振光之后，通过物镜22入射到偏振分光器20的第四面20d。
[0187]
接着，对两个拍摄系统4a、4b(第一拍摄系统4a、第二拍摄系统4b)的结构进行详细说明。第一拍摄系统4a具备成像透镜30a、1/4波长板31a、第一偏振光板32a、构成第一拍摄单元的第一相机33a等。
[0188]
成像透镜30a对位为一侧(第一相机33a侧)的焦点位置与后述的拍摄元件33aa对位，且另一侧(干涉光学系统3侧)的焦点位置与参照光用的物镜21的第一拍摄系统4a侧的焦点位置和测量光用的物镜22的第一拍摄系统4a侧的焦点位置分别重叠。
[0189]
即，成像透镜30a具有使从偏振分光器20的第二面20b射出并在第二无偏振分光器13b中在z轴方向向左透射来的直线偏振光(第一光的参照光分量和测量光分量)向第一相机33a(拍摄元件33aa)成像的功能。另外，成像透镜30a也可以由包括多个透镜的透镜单元构成。当然，也可以由一片透镜构成。
[0190]
1/4波长板31a用于将在z轴方向向左透射第二无偏振分光器13b并通过成像透镜30a的直线偏振光(第一光的参照光分量及测量光分量)分别变换为圆偏振光。
[0191]
第一偏振光板32a选择性地使被1/4波长板31a变换为圆偏振光的第一光的各分量透射。由此，能够使旋转方向不同的第一光的参照光分量和测量光分量针对特定的相位发生干涉。“第一偏振光板32a”构成本实施方式中的“相移单元”和“干涉单元”。
[0192]
本实施方式所涉及的第一偏振光板32a构成为能够以z轴方向为轴心旋转，并且被控制为其透射轴方向每次变化45
°
。具体而言，透射轴方向相对于y轴方向以成为“0
°”
、“45
°”
、“90
°”
、“135
°”
的方式变化。
[0193]
由此，能够使透射第一偏振光板32a的第一光的参照光分量及测量光分量以4种相位发生干涉。即，能够生成相位各相差90
°
的干涉光。具体而言，能够生成相位为“0
°”
的干涉光、相位为“90
°”
的干涉光、相位为“180
°”
的干涉光、相位为“270
°”
的干涉光。
[0194]
第一相机33a是具备拍摄元件33aa(参照图6)等而构成的公知的相机。在本实施方式中，采用ccd区域传感器作为第一相机33a的拍摄元件33aa。当然，拍摄元件33aa并不限定于此，例如也可以采用cmos区域传感器等。
[0195]
由第一相机33a拍摄到的图像数据在第一相机33a内部被变换为数字信号之后，以数字信号的形式输入到控制装置5(图像数据存储装置54)。
[0196]
具体而言，第一光所涉及的相位“0
°”
的干涉条纹图像、相位“90
°”
的干涉条纹图像、相位“180
°”
的干涉条纹图像、相位“270
°”
的干涉条纹图像由第一相机33a拍摄。
[0197]
与第一拍摄系统4a同样地，第二拍摄系统4b具备成像透镜30b、1/4波长板31b、第二偏振光板32b、构成第二拍摄单元的第二相机33b等。
[0198]
成像透镜30b对位为一侧(第二相机33b侧)的焦点位置与后述的拍摄元件33ba对位，并且另一侧(干涉光学系统3侧)的焦点位置与参照光用的物镜21的第二拍摄系统4b侧的焦点位置和测量光用的物镜22的第二拍摄系统4b侧的焦点位置分别重叠。
[0199]
即，成像透镜30b具有使从偏振分光器20的第一面20a射出并在第一无偏振分光器13a中在y轴方向向上透射来的直线偏振光(第二光的参照光分量及测量光分量)向第二相机33b(拍摄元件33ba)成像的功能。另外，成像透镜30b也可以由包括多个透镜的透镜单元构成。当然，也可以由一片透镜构成。
[0200]
1/4波长板31b用于将在y轴方向向上透射第一无偏振分光器13a并通过成像透镜30b的直线偏振光(第二光的参照光分量及测量光分量)分别变换为圆偏振光。
[0201]
第二偏振光板32b与第一偏振光板32a同样，选择性地使被1/4波长板31b变换为圆偏振光的第二光的各分量透射。由此，能够使旋转方向不同的第二光的参照光分量和测量光分量针对特定的相位发生干涉。“第二偏振光板32b”构成本实施方式中的“相移单元”和“干涉单元”。
[0202]
本实施方式所涉及的第二偏振光板32b构成为能够以y轴方向为轴心旋转，并且其透射轴方向被控制为每次变化45
°
。具体而言，透射轴方向相对于x轴方向以成为“0
°”
、“45
°”
、“90
°”
、“135
°”
的方式变化。
[0203]
由此，能够使透射第二偏振光板32b的第二光的参照光分量及测量光分量以4种相位发生干涉。即，能够生成相位各相差90
°
的干涉光。具体而言，能够生成相位为“0
°”
的干涉光、相位为“90
°”
的干涉光、相位为“180
°”
的干涉光、相位为“270
°”
的干涉光。
[0204]
第二相机33b与第一相机33a同样，是具备拍摄元件33ba(参照图6)等而成的公知的相机。在本实施方式中，与第一相机33a同样地，采用ccd区域传感器作为第二相机33b的拍摄元件33ba。当然，拍摄元件33ba并不限定于此，例如也可以采用cmos区域传感器等。
[0205]
与第一相机33a同样地，由第二相机33b拍摄到的图像数据在第二相机33b内部被变换为数字信号之后，以数字信号的形式输入到控制装置5(图像数据存储装置54)。
[0206]
具体而言，第二光所涉及的相位“0
°”
的干涉条纹图像、相位“90
°”
的干涉条纹图像、相位“180
°”
的干涉条纹图像、相位“270
°”
的干涉条纹图像由第二相机33b拍摄。
[0207]
这里，对控制装置5的电气结构进行说明。如图2所示，控制装置5包括：管理三维测量装置1整体的控制的微型计算机51；由键盘、鼠标或者触摸面板构成的作为“输入单元”的输入装置52；具有液晶画面等显示画面的作为“显示单元”的显示装置53；用于依次存储由相机33a、33b拍摄到的图像数据等的图像数据存储装置54；用于存储各种运算结果的运算结果存储装置55；以及预先存储各种信息的设定数据存储装置56。
[0208]
另外，微型计算机51包括作为运算单元的cpu51a、存储各种程序的rom51b、暂时存储运算数据以及输入输出数据等各种数据的ram51c等，并与上述各种装置52～56电连接。
[0209]
接下来，对三维测量装置1的作用进行说明。另外，如后所述，本实施方式中的第一光及第二光的照射同时进行，第一光的光路和第二光的光路在一部分重叠，但这里为了更容易理解，使用不同的附图对第一光及第二光的每个光路分别进行说明。
[0210]
首先，参照图3对第一光的光路进行说明。如图3所示，波长λ1的第一光(偏振光方向相对于x轴方向和y轴方向倾斜45
°
的直线偏振光)从第一发光部11a在z轴方向向左射出。
[0211]
从第一发光部11a射出的第一光通过第一光隔离器12a入射到第一无偏振分光器13a。入射到第一无偏振分光器13a的第一光的一部分在z轴方向向左透射，剩余部分在y轴方向向下反射。
[0212]
其中，在y轴方向向下反射的第一光(偏振光方向相对于x轴方向和z轴方向倾斜45
°
的直线偏振光)入射到偏振分光器20的第一面20a。另一方面，在z轴方向向左透射的第一光不入射到任何光学系统等而成为舍弃光。
[0213]
这里，如果根据需要将成为舍弃光的光用于波长测量或光的功率测量，则能够使光源稳定化，进而实现测量精度的提高。
[0214]
从偏振分光器20的第一面20a在y轴方向向下入射的第一光中，其p偏振光分量在y轴方向向下透射并从第三面20c作为参照光射出，另一方面，其s偏振光分量在z轴方向向右
反射并从第四面20d作为测量光射出。
[0215]
从偏振分光器20的第三面20c射出并通过了物镜21的第一光所涉及的参照光(p偏振光)在通过1/4波长板23而变换为右旋的圆偏振光之后，由参照面25反射。这里，光的相对于行进方向的旋转方向被维持。之后，第一光所涉及的参照光再次通过1/4波长板23，从而从右旋的圆偏振光变换为s偏振光之后，通过物镜21再次入射到偏振分光器20的第三面20c。
[0216]
另一方面，从偏振分光器20的第四面20d射出并通过了物镜22的第一光所涉及的测量光(s偏振光)在通过1/4波长板24而变换为左旋的圆偏振光之后，被工件w反射。这里，光的相对于行进方向的旋转方向被维持。之后，第一光所涉及的测量光再次通过1/4波长板24，从而从左旋的圆偏振光变换为p偏振光之后通过物镜22再次入射到偏振分光器20的第四面20d。
[0217]
这里，从偏振分光器20的第三面20c再次入射的第一光所涉及的参照光(s偏振光)由接合面20h在z轴方向向左反射，另一方面，从第四面20d再次入射的第一光所涉及的测量光(p偏振光)在z轴方向向左透射接合面20h。然后，将第一光所涉及的参照光及测量光合成后的状态的合成光作为输出光从偏振分光器20的第二面20b射出。
[0218]
从偏振分光器20的第二面20b射出的第一光所涉及的合成光(参照光和测量光)入射到第二无偏振分光器13b。向第二无偏振分光器13b在z轴方向向左入射的第一光所涉及的合成光的一部分在z轴方向向左透射，剩余部分在y轴方向向下反射。其中，在z轴方向向左透射的合成光(参照光和测量光)通过成像透镜30a而入射到第一拍摄系统4a。另一方面，在y轴方向向下反射的合成光被第二光隔离器12b截断其行进，成为舍弃光。
[0219]
通过成像透镜30a入射到第一拍摄系统4a的第一光所涉及的合成光(参照光和测量光)中，首先通过1/4波长板31a将其参照光分量(s偏振光分量)变换为左旋的圆偏振光，将其测量光分量(p偏振光分量)变换为右旋的圆偏振光。这里，左旋的圆偏振光和右旋的圆偏振光由于旋转方向不同而不发生干涉。
[0220]
第一光所涉及的合成光接着通过第一偏振光板32a，由此其参照光分量和测量光分量以与第一偏振光板32a的角度对应的相位发生干涉。并且，该第一光所涉及的干涉光被第一相机33a拍摄。
[0221]
接着，参照图4对第二光的光路进行说明。如图4所示，波长λ2的第二光(偏振光方向相对于x轴方向及z轴方向倾斜45
°
的直线偏振光)从第二发光部11b在y轴方向向上射出。
[0222]
从第二发光部11b射出的第二光通过第二光隔离器12b入射到第二无偏振分光器13b。入射到第二无偏振分光器13b的第二光的一部分在y轴方向向上透射，剩余部分在z轴方向向右反射。
[0223]
其中，在z轴方向向右反射的第二光(偏振光方向相对于x轴方向和y轴方向倾斜45
°
的直线偏振光)入射到偏振分光器20的第二面20b。另一方面，在y轴方向向上透射的第二光不入射到任何光学系统等而成为舍弃光。
[0224]
这里，如果根据需要将成为舍弃光的光用于波长测量或光的功率测量，则能够使光源稳定化，进而实现测量精度的提高。
[0225]
从偏振分光器20的第二面20b在z轴方向向右入射的第二光中，其s偏振光分量在y轴方向向下反射并从第三面20c作为参照光射出，另一方面，其p偏振光分量在z轴方向向右
透射并从第四面20d作为测量光射出。
[0226]
从偏振分光器20的第三面20c射出并通过了物镜21的第二光所涉及的参照光(s偏振光)在通过1/4波长板23而变换为左旋的圆偏振光之后，由参照面25反射。这里，光的相对于行进方向的旋转方向被维持。之后，第二光所涉及的参照光再次通过1/4波长板23，从而从左旋的圆偏振光变换为p偏振光之后通过物镜21再次入射到偏振分光器20的第三面20c。
[0227]
另一方面，从偏振分光器20的第四面20d射出并通过了物镜22的第二光所涉及的测量光(p偏振光)在通过1/4波长板24而变换为右旋的圆偏振光之后，被工件w反射。这里，光的相对于行进方向的旋转方向被维持。之后，第二光所涉及的测量光再次通过1/4波长板24，从而从右旋的圆偏振光变换为s偏振光之后通过物镜22再次入射到偏振分光器20的第四面20d。
[0228]
这里，从偏振分光器20的第三面20c再次入射的第二光所涉及的参照光(p偏振光)在y轴方向向上透射接合面20h，另一方面，从第四面20d再次入射的第二光所涉及的测量光(s偏振光)由接合面20h在y轴方向向上反射。然后，将第二光所涉及的参照光及测量光合成后的状态的合成光作为输出光从偏振分光器20的第一面20a射出。
[0229]
从偏振分光器20的第一面20a射出的第二光所涉及的合成光(参照光和测量光)入射到第一无偏振分光器13a。向第一无偏振分光器13a在y轴方向向上入射的第二光所涉及的合成光的一部分在y轴方向向上透射，剩余部分在z轴方向向右反射。其中，在y轴方向向上透射的合成光(参照光及测量光)通过成像透镜30b而入射到第二拍摄系统4b。另一方面，在z轴方向向右反射的合成光被第一光隔离器12a截断其行进，成为舍弃光。
[0230]
通过成像透镜30b入射到第二拍摄系统4b的第二光所涉及的合成光(参照光和测量光)中，首先通过1/4波长板31b将其参照光分量(p偏振光分量)变换为右旋的圆偏振光，将其测量光分量(s偏振光分量)变换为左旋的圆偏振光。这里，左旋的圆偏振光和右旋的圆偏振光由于旋转方向不同而不发生干涉。
[0231]
第二光所涉及的合成光接着通过第二偏振光板32b，由此其参照光分量和测量光分量在与第二偏振光板32b的角度对应的相位发生干涉。并且，该第二光所涉及的干涉光被第二相机33b拍摄。
[0232]
接着，参照图5的流程图等详细说明由控制装置5执行的测量处理的步骤。以下，在对该测量处理进行说明时，将第一相机33a的拍摄元件33aa面、或者第二相机33b的拍摄元件33ba面设为x－y平面，将与其正交的光轴方向设为z方向来进行说明。当然，该坐标系(x，y，z)和用于说明三维测量装置1整体的坐标系(x，y，z)是不同的坐标系。
[0233]
首先，在步骤s1中，执行获取工件w的规定的测量区域(工件w的整个区域或其一部分)所涉及的干涉条纹图像的处理。在本实施方式中，这里获取第一光所涉及的相位不同的4种干涉条纹图像、以及第二光所涉及的相位不同的4种干涉条纹图像。以下，进行详细说明。
[0234]
在将工件w设置于设置部26之后，将第一拍摄系统4a的第一偏振光板32a的透射轴方向设定为规定的基准位置(例如“0
°”
)，并且将第二拍摄系统4b的第二偏振光板32b的透射轴方向设定为规定的基准位置(例如“0
°”
)。
[0235]
接着，在从第一投光系统2a照射第一光的同时，从第二投光系统2b照射第二光。其结果是，从干涉光学系统3的偏振分光器20的第二面20b射出第一光所涉及的合成光(参照
光及测量光)，同时从偏振分光器20的第一面20a射出第二光所涉及的合成光(参照光及测量光)。
[0236]
并且，在利用第一拍摄系统4a拍摄从偏振分光器20的第二面20b射出的第一光所涉及的合成光的同时，利用第二拍摄系统4b拍摄从偏振分光器20的第一面20a射出的第二光所涉及的合成光。
[0237]
另外，这里，由于第一偏振光板32a和第二偏振光板32b的透射轴方向分别被设定为“0
°”
，因此由第一相机33a拍摄第一光所涉及的相位“0
°”
的干涉条纹图像，由第二相机33b拍摄第二光所涉及的相位“0
°”
的干涉条纹图像。
[0238]
然后，从各相机33a、33b分别拍摄到的图像数据被输出到控制装置5。控制装置5将输入的图像数据存储在图像数据存储装置54中。
[0239]
接着，控制装置5进行第一拍摄系统4a的第一偏振光板32a和第二拍摄系统4b的第二偏振光板32b的切换处理。具体而言，使第一偏振光板32a及第二偏振光板32b分别转动位移至透射轴方向成为“45
°”
的位置。
[0240]
当该切换处理结束时，控制装置5进行与上述一系列的第一次的拍摄处理同样的第二次的拍摄处理。即，控制装置5在从第一投光系统2a照射第一光的同时，从第二投光系统2b照射第二光，在利用第一拍摄系统4a对从偏振分光器20的第二面20b射出的第一光所涉及的合成光进行拍摄的同时，利用第二拍摄系统4b对从偏振分光器20的第一面20a射出的第二光所涉及的合成光进行拍摄。由此，能够获取第一光所涉及的相位“90
°”
的干涉条纹图像，并且拍摄第二光所涉及的相位“90
°”
的干涉条纹图像。
[0241]
以后，反复进行两次与上述第一次和第二次的拍摄处理同样的拍摄处理。即，在将第一偏振光板32a和第二偏振光板32b的透射轴方向设定为“90
°”
的状态下进行第三次的拍摄处理，获取第一光所涉及的相位“180
°”
的干涉条纹图像，并且获取第二光所涉及的相位“180
°”
的干涉条纹图像。
[0242]
然后，在将第一偏振光板32a和第二偏振光板32b的透射轴方向设定为“135
°”
的状态下进行第四次拍摄处理，获取第一光所涉及的相位“270
°”
的干涉条纹图像，并且获取第二光所涉及的相位“270
°”
的干涉条纹图像。
[0243]
这样，通过进行四次拍摄处理，能够获取进行与工件w的规定的测量区域相关的测量所需的全部图像数据(由第一光所涉及的4种干涉条纹图像以及第二光所涉及的4种干涉条纹图像构成的共计8个干涉条纹图像)。
[0244]
在接下来的步骤s2中，控制装置5执行获取拍摄元件33aa、33ba面中的光的复振幅数据的处理。
[0245]
在本实施方式中，基于图像数据存储装置54中存储的第一光所涉及的4种干涉条纹图像以及第二光所涉及的4种干涉条纹图像，获取第一光及第二光各自所涉及的拍摄元件33aa、33ba面上的光的复振幅数据eo(x，y)。
[0246]
第一光或第二光所涉及的4种干涉条纹图像的相同坐标位置(x，y)处的干涉条纹强度、即亮度i1(x，y)、i2(x，y)、i3(x，y)、i4(x，y)可由下述[数学式1]的关系式表示。
[0247]
[数学式1]
[0248]
i1(x，y)＝b(x，y)+a(x，y)cos[δφ(x，y)]
[0249]
i2(x，y)＝b(x，y)+a(x，y)cos[δφ(x，y)+90
°
]
[0250]
i3(x
，
y)＝b(xy)+a(x，y)cos[δφ(x，y)+180
°
]
[0251]
i4(xy)＝p(x，y)+a(x，y)cos[δφ(x，y)+270
°
]
[0252]
这里，表示基于坐标(x，y)处的测量光与参照光的光程差的相位差。此外，a(x，y)表示干涉光的振幅，b(x，y)表示偏移。但是，由于参照光是均匀的，因此若将其作为基准来观察，则表示“测量光的相位”，a(x，y)表示“测量光的振幅”。
[0253]
因此，到达拍摄元件33aa、33ba面的测量光的相位能够基于上述[数学式1]的关系式，通过下述[数学式2]的关系式求出。
[0254]
[数学式2]
[0255][0256]
另外，到达拍摄元件33aa、33ba面的测量光的振幅a(x，y)能够基于上述[数学式1]的关系式，通过下述[数学式3]的关系式求出。
[0257]
[数学式3]
[0258][0259]
并且，能够根据上述相位和振幅a(x，y)并基于下述[数学式4]的关系式来计算拍摄元件33aa、33ba面上的复振幅数据eo(x，y)。这里，i表示虚数单位。
[0260]
[数学式4]
[0261]
f0(x，y)＝a(x，y)e
iφ(x，y)
[0262]
在接下来的步骤s3中，控制装置5针对在工件w上的测量区域内预先设定的一部分特定区域v(参照图7)，执行获取z方向多个位置的复振幅数据的处理。
[0263]
在本实施方式中，以三维测量装置1中的成为高度测量的基准的装置原点为基准，在工件w能够存在的z方向规定范围(光轴方向第一范围)q1内，每隔规定的测量范围间隔获取特定区域v所涉及的复振幅数据。
[0264]
这里，“特定区域v”是为了事先掌握z方向上的工件w的位置而任意设定的区域。例如，在工件w是图8、9所示那样的晶圆基板100的情况下，能够成为凸块101的高度测量的基准面的图案部102被设定为特定区域v。
[0265]
另外，在图8所示的晶圆基板100的测量例中，设定为获取以作为三维测量装置1中的高度测量的基准的装置原点h0为中心在上下方向上分别按每个测量范围间隔r设定的高度位置h3、h2、h1、h0、h-1
、h-2
、h-3
各自的复振幅数据。
[0266]
以下，详细说明步骤s3中的复振幅数据的获取方法。首先，对从z方向的规定位置的已知的复振幅数据获取z方向的不同位置的未知的复振幅数据的方法进行说明。
[0267]
这里，考虑在z方向上相距距离d的两个坐标系(x-y坐标系和ξ-η坐标系)。并且，若将x-y坐标系设为z＝0，用eo(x，y)表示x-y坐标系下的已知的光的复振幅数据，将从x-y平面离开距离d的ξ-η平面上的未知的光的复振幅数据表示为eo(ξ，η)，则成为下述[数学式5]所示的关系。这里，λ表示波长。
[0268]
[数学式5]
[0269][0270][0271]
傅立叶变换
[0272]
傅立叶逆变换
[0273]
若关于eo(ξ，η)对其进行求解，则成为下述[数学式6]。
[0274]
[数学式6]
[0275][0276]
因此，在步骤s3中，如图6、7所示，基于在上述步骤s2中获取的拍摄元件33aa、33ba面上的复振幅数据eo(x，y)，获取从拍摄元件33aa、33ba面向z方向的距离l离开l0、l1、l2、
……
、ln的位置(z＝l0、l1、
……
、ln)各自的复振幅数据eol0(ξ，η)、eol1(ξ，η)、
……
、eoln(ξ，η)。
[0277]
在接下来的步骤s4中，控制装置5针对特定区域v执行获取z方向多个位置的强度图像(亮度图像)数据的处理。
[0278]
详细而言，从在上述步骤s3中获取的特定区域v所涉及的z方向多个位置的复振幅数据eol0(ξ，η)、eol1(ξ，η)、
……
、eoln(ξ，η)分别获取强度图像数据。因此，通过执行上述步骤s2～s4所涉及的一系列的再现处理的功能，构成本实施方式中的第一图像数据获取单元。
[0279]
另外，当ξ-η平面中的复振幅数据由eo(ξ，η)表示时，ξ-η平面中的强度图像数据i(ξ，η)能够通过下述[数学式7]的关系式求出。
[0280]
[数学式7]
[0281]
i(ξ，η)＝|e0(ξ，η)|2[0282]
在接下来的步骤s5中，控制装置5执行决定与特定区域v相关的最佳对焦位置(光轴方向对焦位置)的处理。通过执行该步骤s5的处理的功能，构成本实施方式中的第一对焦位置决定单元。
[0283]
详细而言，基于在上述步骤s4中获取的特定区域v所涉及的z方向多个位置的强度图像数据，来决定特定区域v在z方向上的最佳对焦位置。以下，对根据强度图像数据的对比度来决定特定区域v的最佳对焦位置的方法进行说明。
[0284]
首先，针对从拍摄元件33aa、33ba面向z方向的距离l离开l0、l1、l2、
……
、ln的z方向各位置(z＝l0、l1、
……
、ln)中的特定区域v的强度图像数据，求出“特定坐标位置”和“其他坐标位置”的亮度的对比度。接着，将能够得到其中对比度最高的强度图像数据的位置(z＝lm)提取为最佳对焦位置。
[0285]
另外，作为决定特定区域v的最佳对焦位置的方法，不仅可以采用根据上述强度图像数据的对比度求出的方法，也可以采用其他方法。例如，也可以采用根据强度图像数据的亮度求出的方法。
[0286]
在该方法中，利用强度图像数据实际上在有物体的面上最强的性质。具体而言，在z方向各位置(z＝l0，l1，
……
，ln)中的特定区域v的强度图像数据中，求出特定区域v的各坐标位置的平均亮度。接着，将能够得到其中平均亮度最高的强度图像数据的位置(z＝lm)提取为最佳对焦位置。
[0287]
例如，在图8所示的晶圆基板100的测量例中，对于高度位置h3、h2、h1、h0、h-1
、h-2
、h-3
中的图案部102的强度图像数据，求出对比度或平均亮度，并且提取能够得到其中对比度或平均亮度最高的强度图像数据的位置(例如高度位置h-1
)作为最佳对焦位置。
[0288]
在接下来的步骤s6中，控制装置5针对工件w的规定的测量区域整体的各坐标位置，执行获取z方向多个位置的复振幅数据的处理。
[0289]
在本实施方式中，以在上述步骤s5中决定的特定区域v的最佳对焦位置为基准，在工件w上的规定的测量对象(例如晶圆基板100上的凸块101)能够存在的z方向规定范围(光轴方向第二范围)q2内，每隔规定的测量范围间隔，获取测量区域的各坐标位置所涉及的复振幅数据。
[0290]
例如，在图8所示的晶圆基板100的测量例中，设定为获取以特定区域v的最佳对焦位置(高度位置h-1
)为基准在上方按每个测量范围间隔r设定的高度位置h1、h0、h-1
各自的复振幅数据。
[0291]
另外，在图8所示的例子中，设定为z方向规定范围q2比z方向规定范围q1窄，但不限于此，也可以是设定为两者为相同间隔或者z方向规定范围q2比z方向规定范围q1宽的构成。但是，在能够减轻施加给用于获取数据的处理的负荷的同时，能够缩短该处理所需的时间的方面，优选将z方向规定范围q2设定为比z方向规定范围q1窄，该数据是进行测量区域整体的各坐标位置所涉及的三维测量所需的数据。
[0292]
另外，步骤s6中的复振幅数据的获取方法与上述步骤s3中的复振幅数据的获取方法相同，因此省略详细的说明。
[0293]
在接下来的步骤s7中，控制装置5针对工件w上的测量区域的各坐标位置执行获取z方向多个位置的强度图像数据的处理。因此，通过执行上述步骤s6、s7的一系列处理的功能，构成本实施方式中的第二图像数据获取单元。
[0294]
详细而言，基于在上述步骤s6中获取的复振幅数据，针对工件w上的测量区域的各坐标位置，获取z方向多个位置的强度图像数据。另外，在步骤s7中从复数振幅数据中获取强度图像数据的方法与上述步骤s4中的强度图像数据的获取方法相同，因此省略详细的说明。
[0295]
在接下来的步骤s8中，控制装置5执行针对工件w上的测量区域的各坐标位置决定最佳对焦位置(光轴方向对焦位置)的处理。通过执行该步骤s8的处理的功能构成本实施方式中的第二对焦位置决定单元。
[0296]
详细而言，基于在上述步骤s7中获取的测量区域的各坐标位置所涉及的z方向多个位置的强度图像数据，来决定测量区域的各坐标位置在z方向上的最佳对焦位置。另外，在步骤s8中根据z方向多个位置的强度图像数据来决定最佳对焦位置的方法与上述步骤s5
中的最佳对焦位置的决定方法相同，因此省略详细的说明。
[0297]
在接下来的步骤s9中，控制装置5执行将与在步骤s8中决定的工件w上的测量区域的各坐标位置所涉及的最佳对焦位置对应的次数确定为该各坐标位置所涉及的测量范围的次数的处理。通过执行该步骤s9的处理的功能，构成本实施方式中的次数确定单元。
[0298]
这里，基于图11所例示的具体例，对测量范围的次数的确定方法进行说明。图11所示的例子是使用测量范围(相移法中的正弦波的1周期量[-180
°
～180
°
])为1000nm的光(本实施方式中为2波长的合成波长光)对图8所示的晶圆基板100进行了
“‑
3500(nm)”～“3500(nm)”的范围的高度测量的情况的例子。
[0299]
在图11所示的“情形1”中，关于规定坐标位置，在高度位置h3、h2、h1、h0、h-1
、h-2
、h-3
中再现的强度图像数据(再现图像[1]～[7])中，在高度位置h2再现的强度图像数据(再现图像[2])所涉及的亮度值为“250”，为最大。因此，关于该坐标位置，高度位置h2成为最佳对焦位置，与其对应的次数[2]被确定为该坐标位置所涉及的测量范围的次数。
[0300]
在图11所示的“情形2”中，关于规定坐标位置，在高度位置h3、h2、h1、h0、h-1
、h-2
、h-3
中再现的强度图像数据(再现图像[1]～[7])中的、在高度位置h2再现的强度图像数据(再现图像[2])和在高度位置h1再现的强度图像数据(再现图像[1])涉及的亮度值均为“128”，为最大。
[0301]
在该情况下，假定该坐标位置所涉及的实际高度是相当于次数[2]的测量范围与次数[1]的测量范围的边界部附近的高度，因此，在该时间点，将两个次数[2]、[1]确定为该坐标位置所涉及的测量范围的次数。
[0302]
在接下来的步骤s10中，控制装置5执行三维测量处理。通过执行该步骤10的处理的功能，构成本实施方式中的三维测量单元。
[0303]
这里，首先，控制装置5根据在步骤s8中决定的测量区域的各坐标位置的最佳对焦位置的复振幅数据eo(ξ，η)，基于下述[数学式8]的关系式来计算测量光的相位和测量光的振幅a(ξ，η)。
[0304]
[数学式8]
[0305]
e0(ξ，η)＝a(ξ，η)e
iφ(ξ，η)
[0306]
测量光的相位能够通过下述[数学式9]的关系式求出。这里，通过执行计算作为测量光的相位信息的相位的一系列的再现处理的功能，构成本实施方式中的相位信息获取单元。
[0307]
[数学式9]
[0308][0309]
测量光的振幅a(ξ，η)能够通过下述[数学式10]的关系式求出。
[0310]
[数学式10]
[0311][0312]
然后，进行相位-高度变换处理，计算出三维地表示工件w的表面的凹凸形状的测量范围内的高度信息z(ξ，η)。
[0313]
测量范围内的高度信息z(ξ，η)能够通过下述[数学式11]的关系式来计算。
[0314]
[数学式11]
[0315][0316]
然后，基于如上述那样计算出的测量范围内的高度信息z(ξ，η)和在步骤s9中确定的各坐标位置所涉及的测量范围的次数，来获取该坐标位置所涉及的真正的高度数据(实际高度)。
[0317]
例如，在图11所示的例子中，关于规定坐标位置，在如上述那样计算出的测量范围内的高度信息z(ξ，η)例如是相当于相位“+90
°”
的信息的情况下，该坐标位置的真正的高度数据的候选成为次数[3]的“3250(nm)”、次数[2]的“2250(nm)”、次数[1]的“1250(nm)”、次数[0]的“250(nm)”、次数[-1]的
“‑
750(nm)”、次数[-2]的
“‑
1750(nm)”、次数[-3]的
“‑
2750(nm)”。
[0318]
这里，例如如“情形1”那样，关于该坐标位置，高度位置h2成为最佳对焦位置，与此对应的次数[2]被确定为该坐标位置所涉及的测量范围的次数的情况下，能够将该坐标位置的真正的高度数据确定为与次数[2]的相位[90
°
]对应的“2250(nm)”。
[0319]
另外，在图11所示的例子中，关于规定坐标位置，如上述那样计算出的测量范围内的高度信息z(ξ，η)例如是相当于相位
“‑
180
°”
的信息的情况下，该坐标位置的真正的高度数据的候选成为次数[3]的“2500(nm)”、次数[2]的“1500(nm)”、次数[1]的“500(nm)”、次数[0]的
“‑
500(nm)”、次数[-1]的
“‑
1500(nm)”、次数[-2]的
“‑
2500(nm)”、次数[-3]的
“‑
3500(nm)”。
[0320]
这里，例如如“情形2”那样，关于该坐标位置，高度位置h2及高度位置h1成为最佳对焦位置，与其对应的次数[2]及次数[1]被确定为该坐标位置所涉及的测量范围的次数的情况下，能够将该坐标位置的真正的高度数据确定为与次数[2]的相位
“‑
180
°”
对应的“1500(nm)”。
[0321]
那么，在工件w为晶圆基板100(参照图9)而凸块101成为测量对象的情况下，凸块101相对于作为测量基准面的图案部102的高度hb能够通过从凸块101的绝对高度ha1减去该凸块101周边的图案部102的绝对高度ha2而求出[hb＝ha1-ha2]。
[0322]
这里，作为图案部102的绝对高度ha2，例如能够使用图案部102上的任意一点的绝对高度、图案部102上的规定范围的绝对高度的平均值等。另外，“凸块101的绝对高度ha1”、“图案部102的绝对高度ha2”能够通过高度信息z(ξ，η)及测量范围的次数来求出。
[0323]
并且，这样求出的工件w的测量结果被保存在控制装置5的运算结果存储装置55中。
[0324]
另外，在使用波长不同的两种光(波长λ1、λ2)进行了测量的情况下，与利用该合成波长λ0的光进行了测量的情况相同。而且，该测量范围扩大为λ0/2。合成波长λ0可以由下式(m1)表示。
[0325]
λ0＝(λ1×
λ2)/(λ
2-λ1)
……
(m1)
[0326]
其中，设为λ2＞λ1。
[0327]
例如，当设为λ1＝1500nm、λ2＝1503nm时，根据上式(m1)成为λ0＝7751.500μm，测量范围成为λ0/2＝375.750μm。
[0328]
当更详细地进行说明时，在本实施方式中，首先基于波长λ1的第一光所涉及的4种干涉条纹图像的亮度i1(x，y)、i2(x，y)、i3(x，y)、i4(x，y)(参照上述[式1])，能够计算工件w面上的坐标(ξ，η)中的第一光所涉及的测量光的相位(参照上述[式9])。
[0329]
在第一光所涉及的测量下，坐标(ξ，η)处的高度信息z(ξ，η)能够由下式(m2)表示。
[0330][0331]
其中，d1(ξ，η)表示第一光所涉及的测量光与参照光的光程差，m1(ξ，η)表示第一光所涉及的条纹次数。
[0332]
因此，相位能够由下式(m2’)表示。
[0333][0334]
同样地，基于波长λ2的第二光所涉及的4种干涉条纹图像的亮度i1(x，y)、i2(x，y)、i3(x，y)、i4(x，y)(参照上述[数学式1])，能够计算工件w面上的坐标(ξ，η)中的第二光所涉及的测量光的相位相位(参照上述[数学式9])。
[0335]
在第二光所涉及的测量下，坐标(ξ，η)处的高度信息z(ξ，η)能够由下式(m3)表示。
[0336][0337]
其中，d2(ξ，η)表示第二光所涉及的测量光与参照光的光程差，m2(ξ，η)表示第二光所涉及的条纹次数。
[0338]
因此，相位能够由下式(m3’)表示。
[0339][0340]
这里，波长λ1的第一光所涉及的条纹次数m1(ξ，η)和波长λ2的第二光所涉及的条纹次数m2(ξ，η)能够基于两种光(波长λ1，λ2)的光程差δd和波长差δλ求出。光程差δd和波长差δλ可以分别如下式(m4)、(m5)那样表示。
[0341][0342]
δλ＝λ
2-λ1……
(m5)
[0343]
其中，λ2＞λ1。
[0344]
另外，在2波长的合成波长λ0的测量范围内，条纹次数m1、m2的关系分为以下的三种情况，针对每个情况决定条纹次数m1(ξ，η)、m2(ξ，η)的计算式不同。这里，例如对决定条纹次数m1(ξ，η)的情况进行说明。当然，对于条纹次数m2(ξ，η)，也能够通过同样的方法求出。
[0345]
例如，在的情况下成为“m
1-m2＝-1”，在该情况下，m1能够如下式(m6)那样表示。
[0346][0347]
在的情况下成为“m
1-m2＝0”，在该情况下，m1能够如下式
(m7)那样表示。
[0348][0349]
在的情况下成为“m
1-m2＝+1”，在该情况下，m1能够如下式(m8)那样表示。
[0350][0351]
基于这样得到的条纹次数m1(ξ，η)或m2(ξ，η)，能够根据上式(m2)、(m3)得到高度信息z(ξ，η)。
[0352]
如以上详述的那样，在本实施方式中，能够针对工件w上的测量区域的各坐标位置，进行超过测量范围的高度测量。另外，不需要使工件w移动那样的大型的移动机构，能够实现结构的简化，并且也不会受到其振动等的影响，因此能够实现测量精度的提高。
[0353]
并且，能够以更少的拍摄次数获取测量所需的所有干涉条纹图像，能够实现测量效率的提高。
[0354]
此外，在本实施方式中，成为以下的结构：首先，最初不是针对工件w的测量区域整体，而是仅针对测量区域内预先设定的一部分特定区域v，获取z方向多个位置处的强度图像数据，在根据该对焦状况确定工件w的z方向位置之后，以该位置为基准，针对测量区域整体的各坐标位置，获取z方向多个位置处的强度图像数据并进行测量。
[0355]
由此，能够减轻施加给用于获取数据的处理的负荷，并且能够缩短该处理所需的时间，所述数据是在进行与测量区域有关的三维测量所需的数据。其结果是，能够实现测量精度的提高，并且能够实现测量效率的提高。
[0356]
另外，在本实施方式中，通过使波长λ1的第一光从偏振分光器20的第一面20a入射，并且使波长λ2的第二光从偏振分光器20的第二面20b入射，由此第一光所涉及的参照光和测量光和第二光所涉及的参照光和测量光分别被分割为不同的偏振光分量(p偏振光或s偏振光)，因此入射到偏振分光器20的第一光和第二光相互不发生干涉，分别从偏振分光器20射出。即，不需要使用规定的分离单元将从偏振分光器20射出的光分离为第一光和第二光。
[0357]
其结果是，能够使用波长近的两种光作为第一光和第二光，能够进一步扩大三维测量所涉及的测量范围。此外，由于能够同时进行第一光所涉及的输出光的拍摄和第二光所涉及的输出光的拍摄，所以能够缩短总体的拍摄时间，能够实现测量效率的提高。
[0358]
此外，在本实施方式中，成为以下的结构：具备使从偏振分光器20的第三面20c射出的光(参照光)朝向参照面25照射的物镜21、以及使从偏振分光器20的第四面20d射出的光(测量光)向工件w照射的物镜22，并且具备使从偏振分光器20的第二面20b射出的直线偏振光(第一光的参照光分量及测量光分量)向第一相机33a成像的成像透镜30a、以及使从偏振分光器20的第一面20a射出的直线偏振光(第二光的参照光分量及测量光分量)向第二相机33b成像的成像透镜30b。
[0359]
由此，与不使用物镜等的现有结构相比，在执行上述步骤s5的处理(决定特定区域v所涉及的最佳对焦位置的处理)、或上述步骤s8的处理(针对工件w上的测量区域的各坐标
位置决定最佳对焦位置的处理)时，如图21的表所示，即使与最佳对焦位置的相对距离(再现距离)是相同的再现位置，亮度值的变化也变大。
[0360]
其结果是，容易确定最佳对焦位置，并且不易受到噪声等的影响，能够实现测量精度的提高。
[0361]
另外，并不限定于上述实施方式的记载内容，例如也可以如下实施。当然，也可以实施以下未例示的其他应用例、变更例。
[0362]
(a)作为被测量物的工件w并不限定于上述实施方式所例示的晶圆基板100。例如，也可以将印刷有膏状焊料的印刷基板等作为工件w(被测量物)。
[0363]
另外，也可以构成为，在设置有检查单元的凸块检查装置、焊料印刷检查装置中具备三维测量装置1，该检查单元根据预先设定的好坏的判定基准来检查成为测量对象的凸块、膏状焊料的好坏。
[0364]
(b)在上述实施方式中，作为从干涉条纹图像进行再现的方法(得到复振幅数据的方法)，采用了使用多张图像数据的相移法，但不限于此，也可以采用其他方法。例如，也可以采用使用一张图像数据进行的傅立叶变换法。
[0365]
另外，关于再现，并不限定于使用复振幅数据进行再现的方法，也可以采用其他的再现方法。
[0366]
此外，关于光传播计算，也不限于上述实施方式中例示的卷积法，例如也可以采用角谱法等其他方法。
[0367]
(c)干涉光学系统(规定的光学系统)的结构并不限定于上述实施方式。例如，在上述实施方式中，作为干涉光学系统，采用了迈克尔逊干涉仪的光学结构，但并不限于此，例如只要是利用马赫-曾德尔干涉仪或菲氏干涉仪的光学结构等将入射光分割为参照光和测量光来进行工件w的测量的结构，则也可以采用其他的光学结构。
[0368]
(d)在上述实施方式中，构成为利用波长不同的两种光进行工件w的测量，但不限于此，也可以采用仅利用一种光进行工件w的测量的结构。
[0369]
另外，在利用波长不同的两种光的情况下，不限于上述实施方式的结构，也可以与以往的三维测量装置同样地构成为，在合成了第一波长光和第二波长光的状态下入射到干涉光学系统，利用规定的光学分离单元(分色镜等)对从此处射出的干涉光进行波长分离，得到第一波长光所涉及的干涉光和第二波长光所涉及的干涉光，基于分别拍摄各波长光所涉及的干涉光而得到的干涉条纹图像进行工件w的测量。
[0370]
另外，也可以构成为将从两个光源射出的波长不同的两种光在重合的状态下入射到干涉光学系统，将从这里射出的光通过光学分离单元进行波长分离，分别拍摄上述各波长的光所涉及的干涉光的结构与上述实施方式组合，利用波长不同的3种以上的光来进行工件w的测量。
[0371]
(e)投光系统2a、2b的结构并不限定于上述实施方式。例如，在上述实施方式中，例示了从第一投光系统2a照射波长λ1＝1500nm的光，从第二投光系统2b照射波长λ2＝1503nm的光的结构，但各光的波长并不限定于此。但是，为了扩大测量范围，优选使两个光的波长差更小。
[0372]
另外，上述实施方式所涉及的发光部11a、11b成为了采用激光光源射出激光的结构，但不限于此，也可以采用其他结构。只要是能够射出至少能够产生干涉的相干性高的光
(相干光)的结构即可。
[0373]
例如，也可以构成为，组合led光源等非相干光源和仅使特定的波长透射的带通滤光器、特殊滤光器等来提高相干性，射出相干光。
[0374]
(f)在上述实施方式中，也可以构成为针对第一光及第二光，分别获取相位各相差90
°
的4种干涉条纹图像，但相移次数及相移量并不限定于这些。例如，也可以构成为获取相位各相差120
°
(或90
°
)的3种干涉条纹图像来进行工件w的测量。
[0375]
(g)在上述实施方式中，作为相移单元，采用了构成为能够变更透射轴方向的偏振光板32a、32b，但相移单元的结构并不限定于此。
[0376]
例如，也可以采用通过利用压电元件等使参照面25沿着光轴移动而使光路长度在物理上变化的结构。
[0377]
但是，在该结构和上述实施方式中，在获取测量所需的所有干涉条纹图像之前需要一定时间，因此不仅测量时间变长，而且受到其空气的波动、振动等的影响，因此测量精度有可能降低。
[0378]
与此相对，例如也可以构成为，在第一拍摄系统4a中具备将透射了1/4波长板31a的第一光所涉及的合成光(参照光分量及测量光分量)分割为4种光的分光单元(棱镜等)，并且作为相移单元，代替第一偏振光板32a而具备对从所述分光单元射出的4种光分别赋予不同的相位差的滤光器单元，利用第一相机33a(或者多个相机)同时拍摄透射了该滤光器单元的4种光。当然，第二拍摄系统4b也可以采用同样的结构。
[0379]
代替于此，也可以使用针对拍摄元件的每个像素设置有不同角度的偏振光板的特殊的相机。
[0380]
例如，如图13所示，也可以使用如下的相机，所述相机具有：透镜单元402，将用于提高各像素的聚光效率的微透镜401排列成矩阵状；作为滤光器单元的滤光器单元404，是将选择性地使从各透镜401射出的光的规定分量透射的偏振光板403排列成矩阵状而成的；以及拍摄元件406，是将分别接受透射了各偏振光板403的光的多个像素405排列成矩阵状而成的。
[0381]
这里，构成滤光器单元404的偏振光板403由透射轴方向各相差45
°
的4种偏振光板403a、403b、403c、403d构成。更详细而言，由透射轴方向为0
°
的第一偏振光板403a、透射轴方向为45
°
的第二偏振光板403b、透射轴方向为90
°
的第三偏振光板403c、透射轴方向为135
°
的第四偏振光板403d构成。
[0382]
而且，在滤光器单元404中，构成为这4种偏振光板403a、403b、403c、403d按规定顺序排列成2行2列的矩阵状的偏振光板组(参照图13的粗框部分)配置为矩阵状。
[0383]
通过使用这样的相机，能够在相邻的4个像素中进行相移计算。也可以是如下方法：即使不使用相邻像素，也能够分解为0
°
、45
°
、90
°
、135
°
的图像，放大到原来的尺寸后制作4张图像，按每个像素进行相移计算。放大的方法使用基于双线性或双三次法的插值方法，但并不限定于此。
[0384]
根据该结构，能够同时获取测量所需的所有干涉条纹图像。即，能够同时获取两种光所涉及的共计8组干涉条纹图像。其结果是，能够实现测量精度的提高，并且能够大幅缩短总体的拍摄时间，能够实现测量效率的飞跃性的提高。
[0385]
(h)在上述实施方式中，构成为在决定z方向上的工件w的位置(特定区域v的最佳
对焦位置)的过程中，以高度测量的测量范围间隔获取复振幅数据等，但不限于此，例如也可以采用以对焦范围间隔获取复振幅数据等的结构。
[0386]
(i)在上述实施方式中，构成为基于在步骤s6中得到的整个测量区域的复振幅数据，在步骤s10中进行三维测量。除此之外，也可以构成为基于在步骤s6中得到的整个测量区域的复振幅数据来获取整个测量区域的强度图像，进行二维测量。
[0387]
在获取整个测量区域的强度图像的情况下，例如关于测量区域中的第一区域，使用光轴方向上的第一位置处的数据，关于测量区域中的第二区域，使用光轴方向上的第二位置处的数据，如此地通过使根据测量区域的各坐标位置的光轴方向的对焦位置的不同而使用的数据不同，即使在被测量物翘曲或成为倾斜的状态等而在测量区域产生高低差的情况下，也能够获取对焦于整个测量区域的强度图像。
[0388]
在进行二维测量的情况下，基于该测量结果例如将成为测量对象的凸块101(参照图10)的位置偏移δx、δy、外径d、面积s等与预先设定的基准值进行比较判定，根据该比较结果是否处于允许范围内，能够进行判定凸块101的好坏的二维检查。
[0389]
另外，在步骤s10中进行二维测量和三维测量这两者的情况下，能够基于二维测量(二维检查)的结果，确定作为测量对象的凸块101存在的场所，然后进行三维检查，或者对通过三维测量得到的三维数据映射强度图像等，进行组合了多种测量的综合检查。
[0390]
(j)在上述实施方式中，构成为在偏振分光器20(第三面20c)与1/4波长板23之间配置物镜21，在偏振分光器20(第四面20d)与1/4波长板24之间配置物镜22，但物镜21、22的配置结构并不限定于此。
[0391]
也可以代替上述实施方式，例如构成为在1/4波长板23与参照面25之间配置物镜21。同样地，也可以构成为在1/4波长板24与设置部26(工件w)之间配置物镜22。
[0392]
另外，在上述实施方式中，构成为在第二无偏振分光器13b与1/4波长板31a之间配置成像透镜30a，在第一无偏振分光器13a与1/4波长板31b之间配置成像透镜30b，但成像透镜30a、30b的配置结构并不限定于此。
[0393]
也可以取代上述实施方式，例如构成为在1/4波长板31a与第一偏振光板32a之间、或者在第一偏振光板32a与第一相机33a之间配置成像透镜30a。同样地，也可以构成为在1/4波长板31b与第二偏振光板32b之间、或者第二偏振光板32b与第二相机33b之间配置成像透镜30b。
[0394]
(k)在上述实施方式中，构成为在确定了在工件w的测量区域内预先设定的一部分特定区域v所涉及的最佳对焦位置、即工件w的z方向位置之后，以该位置为基准，获取整个测量区域的z方向多个位置处的复振幅数据以及强度图像数据并进行测量。
[0395]
不限于此，也可以构成为省略确定特定区域v所涉及的最佳对焦位置的工序，以三维测量装置1的装置原点为基准直接获取工件w的整个测量区域的各坐标位置所涉及的z方向多个位置的复振幅数据和强度图像数据来进行测量。
[0396]
以下，参照图14详细说明该结构的一个实施方式。图14是表示本实施方式中的测量处理的流程的流程图。另外，对于与上述实施方式重复的部分，使用相同的部件名称、相同的符号等而省略其详细的说明，并且以下以与上述实施方式不同的部分为中心进行说明。
[0397]
首先，在步骤t1中，执行获取工件w的规定的测量区域所涉及的干涉条纹图像的处
理。这里，获取进行工件w的规定的测量区域所涉及的测量所需的全部图像数据(由第一光所涉及的相位不同的4组干涉条纹图像、以及第二光所涉及的相位不同的4组干涉条纹图像构成的共计8个干涉条纹图像)。另外，步骤t1的处理是与上述实施方式的步骤s1相同的处理，因此省略详细的说明。
[0398]
在接下来的步骤t2中，控制装置5执行获取拍摄元件33aa、33ba面中的光的复振幅数据的处理。
[0399]
这里，基于图像数据存储装置54中存储的第一光所涉及的4组干涉条纹图像、以及第二光所涉及的4组干涉条纹图像，来获取第一光和第二光各自涉及的拍摄元件33aa、33ba面上的光的复振幅数据eo(x，y)。另外，步骤t2的处理是与上述实施方式的步骤s2相同的处理，因此省略详细的说明。
[0400]
在接下来的步骤t3中，控制装置5以三维测量装置1中的成为高度测量的基准的装置原点为基准，在工件w上的规定的测量对象(例如晶圆基板100上的凸块101)能够存在的z方向规定范围内，针对每个规定的测量范围间隔，关于工件w上的规定的测量区域及规定的基准区域所涉及的各坐标位置，执行获取z方向多个位置的复振幅数据的处理。这里，获取z方向多个位置的复振幅数据的方法与上述实施方式相同，因此省略详细的说明。
[0401]
另外，“基准区域”是指包含规定的测量对象的高度测量的基准面的区域。例如，在工件w是图8所示那样的晶圆基板100的情况下，包含基板上表面(或图案部102的上表面)的区域成为基准区域，所述基板上表面可成为作为测量对象的规定的凸块101的高度测量的基准面。
[0402]
在接下来的步骤t4中，控制装置5基于在上述步骤t3中获取的复振幅数据，针对工件w上的规定的测量区域和规定的基准区域所涉及的各坐标位置，执行获取z方向多个位置的强度图像(亮度图像)数据的处理。因此，通过执行上述步骤t3、t4所涉及的一系列处理的功能，构成本实施方式中的图像数据获取单元。这里，从复振幅数据中获取强度图像数据的方法与上述实施方式相同，因此省略详细的说明。
[0403]
在接下来的步骤t5中，控制装置5基于在上述步骤t4中获取的z方向多个位置的强度图像数据，针对工件w上的规定的测量区域和规定的基准区域所涉及的各坐标位置，执行决定最佳对焦位置(光轴方向对焦位置)的处理。通过执行该步骤t5的处理的功能，构成本实施方式中的对焦位置决定单元。这里，根据z方向多个位置的强度图像数据来决定最佳对焦位置的方法与上述实施方式相同，因此省略详细的说明。
[0404]
在接下来的步骤t6中，控制装置5执行以下的处理：将在步骤t5中决定的工件w上的规定的测量区域和规定的基准区域所涉及的各坐标位置的最佳对焦位置所对应的次数确定为该各坐标位置所涉及的测量范围的次数。通过执行该步骤t6的处理的功能，构成本实施方式中的次数确定单元。这里，测量范围的次数的确定方法与上述实施方式相同，因此省略详细的说明。
[0405]
在接下来的步骤t7中，控制装置5执行三维测量处理。通过执行该步骤t7的处理的功能，构成本实施方式中的三维测量单元。
[0406]
与上述实施方式的三维测量处理同样地，控制装置5首先根据在步骤t5中决定的测量区域和规定的基准区域的各坐标位置的最佳对焦位置的复振幅数据eo(ξ，η)，计算测量光的相位和测量光的振幅a(ξ，η)。这里，通过执行计算作为测量光的相位信息
的相位的一系列的再现处理的功能，构成本实施方式中的相位信息获取单元。
[0407]
然后，进行相位-高度变换处理，计算出三维地表示工件w(测量区域和基准区域)的表面的凹凸形状的测量范围内的高度信息z(ξ，η)。
[0408]
然后，基于如上述那样计算出的测量范围内的高度信息z(ξ，η)和在步骤t6中确定的各坐标位置所涉及的测量范围的次数，来获取该坐标位置所涉及的真正的高度数据(实际的高度)。
[0409]
此时，在本实施方式中，针对每一个测量对象(例如一个凸块101)，计算存在于该测量对象的周围的基准区域(例如基板上表面的多个部位或多个图案部102的上表面)的高度的平均值，并以此为基准来计算测量对象的高度。
[0410]
另外，也可以代替于此，例如在制作包含多个测量对象(例如多个凸块101)的工件w(例如晶圆基板100)上的规定范围内的基准区域(例如基板上表面或图案部102的上表面)的高度映射之后，从规定的测量对象的绝对高度减去该测量对象的位置处的基准区域的绝对高度，由此计算测量对象相对于基准面(基准区域)的高度。
[0411]
根据该结构，即使在工件w翘曲或设置部26(设置面)倾斜等而基准面或测量区域倾斜的情况下，也能够更适当地进行测量对象的高度测量。
[0412]
(l)在上述实施方式中，构成为按照每个测量范围1周期的间隔获取z方向多个位置处的强度图像数据来判断对焦状况。代替于此，也可以构成为每隔测量范围n周期大小(n是2以上的自然数)间隔，获取z方向多个位置处的强度图像数据来判断对焦状况。
[0413]
例如，如图12所示的具体例那样，也可以构成为每隔测量范围两个周期大小的间隔获取z方向多个位置处的强度图像数据来判断对焦状况。
[0414]
在图12所示的“情形1”中，关于规定坐标位置，在高度位置h3、h1、h-1
、h-3
中再现的强度图像数据(再现图像[1]～[4])中，在高度位置h3再现的强度图像数据(再现图像[1])的亮度值为“135”，为最大。由此，关于该坐标位置，能够将高度位置h3确定为最佳对焦位置。
[0415]
同样地，在图12所示的“情形2”中，关于规定坐标位置，在高度位置h3、h1、h-1
、h-3
中再现的强度图像数据(再现图像[1]～[4])中，在高度位置h1再现的强度图像数据(再现图像[2])所涉及的亮度值为“128”，为最大。由此，关于该坐标位置，能够将高度位置h3确定为最佳对焦位置。
[0416]
另外，这里，也可以构成为基于在高度位置h3、h1、h-1
、h-3
中再现的强度图像数据(再现图像[1]～[4])来求出高度位置h2、h0、h-2
所涉及的插值数据，并包含该插值数据来确定最佳对焦位置。
[0417]
另外，也可以构成为以比测量范围1周期大小短的再现间隔获取z方向多个位置处的强度图像数据来判断对焦状况(再现间隔dz＜测量范围间隔r)。
[0418]
(m)在上述实施方式中，构成为针对测量区域的各坐标位置，获取z方向多个位置处的强度图像数据，判断该对焦状况并进行测量。不限于此，也可以构成为，针对测量区域的各坐标位置，在z方向规定位置一处获取强度图像数据，判断该对焦状况(对焦判定单元)，在处于满足规定条件的规定的对焦状态的情况(例如具有规定的阈值以上的亮度的情况等)下，基于根据该z方向规定位置所涉及的复振幅数据求出的光的相位信息和与该z方向规定位置对应的次数来执行该坐标位置所涉及的三维测量。
[0419]
(n)在上述实施方式的基础上，也可以采用具备投光透镜的结构。例如，如图15所示，也可以构成为在第一投光系统2a中的第一光隔离器12a与第一无偏振分光器13a之间具备投光透镜500a，并且在第二投光系统2b中的第二光隔离器12b与第二无偏振分光器13b之间具备投光透镜500b。
[0420]
如上述实施方式那样，在具备物镜21、22的结构中，由于对工件w照射的光(测量光)会聚在测量区域的一点(狭窄的范围)，因此在一次测量中能够测量的测量区域有可能变窄。
[0421]
与此相对，具备上述投光透镜500a、500b，通过使从发光部11a、11b射出的光向物镜21、22聚光，能够对工件w的更大的范围照射均匀的平行光。由此，能够通过一次测量更均匀地测量更大的范围。
[0422]
其结果是，能够实现进一步的测量精度的提高以及进一步的测量效率的提高。
[0423]
当然，投光透镜500a、500b的配置结构并不限定于上述结构。例如，也可以代替上述结构，在第一发光部11a与第一光隔离器12a之间、或者在第一无偏振分光器13a与偏振分光器20(第一面20a)之间配置有投光透镜500a。
[0424]
同样地，也可以构成为在第二发光部11b与第二光隔离器12b之间、或者第二无偏振分光器13b与偏振分光器20(第二面20b)之间配置投光透镜500b。
[0425]
(o)在上述实施方式中，虽未特别提及，但作为上述物镜21、22，也可以采用其数值孔径na满足下式(o1)的物镜。
[0426][0427]
a：像素大小，dz：再现间隔。
[0428]
例如，在像素大小a＝2[μm]的情况下，在想要确定再现间隔dz＝3[μm]、再现位置从最佳对焦位置偏移的情况下，优选使用数值孔径na＞0.5547的物镜21、22。
[0429]
但是，再现间隔dz优选为0以上且不超过测量范围间隔r(0≤dz≤r)。另外，数值孔径na优选尽可能大，但只要不采用浸液等特别的技术，则数值孔径na的上限为1(参照折射率n＝1时的上述式(2))，因此数值孔径na优选为1以下(na≤1)。
[0430]
假如在作为物镜21、22使用数值孔径na小的物镜的情况下，即使在再现间隔(与最佳对焦位置的相对距离)dz较大的情况下，测量点的模糊程度也小，有可能难以确定最佳对焦位置。
[0431]
另一方面，如上所述，在使用数值孔径na较大的物镜21、22的情况下，从凸块101的顶部等大范围反射的反射光容易被物镜22取入，并且即使在再现间隔dz小的情况下，测量点的模糊程度也会变大，容易确定最佳对焦位置。
[0432]
符号说明
[0433]1…
三维测量装置，2a
…
第一投光系统，2b
…
第二投光系统，3
…
干涉光学系统，4a
…
第一拍摄系统，4b
…
第二拍摄系统，5
…
控制装置，11a
…
第一发光部，11b
…
第二发光部，12a
…
第一光隔离器，12b
…
第二光隔离器，13a
…
第一无偏振分光器，13b
…
第二无偏振分光器，20
…
偏振分光器，20a
…
第一面，20c
…
第三面，20b
…
第二面，20d
…
第四面，21，22
…
物镜，23，24
…
1/4波长板，25
…
参照面，26
…
设置部，30a，30b
…
成像透镜，31a
…
1/4波长板，31b
…
1/4波长板，32a
…
第一偏振光板，32b
…
第二偏振光板，33a
…
第一相机，33b
…
第二相机，33aa，33ba
…
拍摄元件，100
…
晶圆基板，101
…
凸块，102
…
图案部，r
…
测量范围间隔，v…
特定区域，w
…
工件。