エリア共焦点光学系による高さ測定

  コンフォーカルNEXIV VMZ-Kシリーズは、視野内を一括で測定可能な共焦点光学系（エリア共焦点光学系）による高さ測定機能と、従来の明視野光学系による2D測定機能を組み合わせた測定ヘッドにより、これらの測定要求に応えている（図2）。

　エリア共焦点光学系は、その浅い焦点深度によるセクショニング効果を利用して合焦面だけを結像させる光学系であるため、水平（XY）方向の分解能と高さ（Z）方向の分解能とのバランスを取りやすい。また、広い波長域の照明光を使用するために被検物の反射特性に影響されることが少ない。さらに、光軸方向の相対的な光量分布から高さを算出するため、外乱光に強く、オクルージョンの影響も最小であり、高傾斜面にも比較的強いなどの特徴を備える。半導体パッケージのようなμm単位の形状寸法で、mm単位の広がりをもつ立体構造の測定に最適である。

　高さ測定の基本原理は、反射光量内挿方式である。その処理手順は、まず、対物レンズを光軸方向に移動することで、エリア共焦点光学系の焦点面位置をシフトさせて、異なった高さの複数の画像を取得する。これらの画像は、焦点面位置と被検物表面位置が合致した部分からの反射光がもっとも強い、つまり光軸を法線とする被検物断面の輪郭を表す画像となる。各画像において、もっとも強い反射光を示す画素のXY座標値と焦点面位置（Z）座標値が、被検物の空間上の位置となる。しかし、画像取得のサンプリング間に被検物表面が存在した場合には、測定できない。そこで、複数の断面画像間で内挿処理することによって、視野内の全画素に対する高さを測定可能とした（図3）。

　本方式には下記の特徴を備えている。

図3　反射光量内挿方式原理図

（1） 光学系性能

　エリア共焦点光学系に対して、以下の測定光学系要件を実現した。
　①視野全域での寸法精度（倍率精度）を保証する低ディストーション光学系
　②焦点がずれても高い倍率精度を確保するテレセントリック光学系
　③高さ測定精度を確保する低収差光学系
　④高速測定のための広視野光学系（標準タイプ）
　⑤数μmの部位の測定を可能とした高分解能光学系（高倍タイプ）

（2） 広検出レンジ

　複数反射率の被検物を同時に測定する場合、低反射被検物からの反射光を効率的に検出するために、測定ヘッド内部のフレア低減が必要となる。フレアは、測定ヘッド内の内蔵物表面から発生するが、本ヘッドの場合は、Nipkow Disk表面からの反射が、圧倒的なフレアとなる。このフレアを、光学濃度を維持したままで極低反射率に抑えた反射防止膜を開発することで、徹底的に低減させた。これにより、想定される被検物の複数反射率部位を同時に測定可能とした。

（3） 高精度フォーカススキャン

　エリア共焦点光学系による高さ測定の測定精度を実現するためには、測定ヘッドスキャンによる焦点面高さと反射光量とが常に相関を保ち、さらに、内挿対象の画素が常に同一である必要がある。コンフォーカルNEXIV VMZ-Kシリーズでは、測定ヘッドを上下駆動する軸（Z軸）を、高真直性の案内機構によって保持し、一定速性を大幅に高めた専用駆動機構と制御システムによってスキャンさせることで、正確な高さ間隔でエリア共焦点画像を取得可能としている。

（4） 高速処理

　コンフォーカルNEXIV VMZ-Kシリーズでは、画像取得準備、画像取得、高さ演算、各種寸法測定、結果出力、被検物（ステージ）移動、そして次の画像取得準備の開始と、順次処理される各工程をパイプライン処理や並列処理とすることによって、さらに高加減速駆動によるステージ移動の最適化によって、最短時間での測定を実現した。

（5） 半導体パッケージ向け測定機能

　半導体パッケージに存在する複数反射率部位の被検物に関する測定機能の一部を紹介する。これらの機能は、エリア共焦点光学系の特徴を活かしたものである。

　①透明被検物の測定

　エリア共焦点光学系は、被検物からの反射光量を取得できれば、測定が可能。透明被検物でも、表面や下層面からの反射光が取得できれば、それぞれの高さからの段差測定や相互差による膜厚測定（屈折率補正が必要）を実現できる（図4）。

　②複数反射率被検物の測定

　コンフォーカルNEXIV VMZ-Kシリーズでは、最適な反射光量を得るために、被検物の反射率に合わせた照明光量を設定する必要があるが、フォーカススキャンの間に照明光量を変更することも可能であるので、1スキャンで複数反射率部位を有する被検物の測定を実現できる（図5）。

図4 透明被検物の測定

図5 複数反射率被検物の測定

 

 

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