JP2005049363A

JP2005049363A - 赤外共焦点走査型顕微鏡および計測方法

Info

Publication number: JP2005049363A
Application number: JP2003166751A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Kitahara; 章広北原; Shigeru Kanee; 繁鐘江; Yasuhisa Nishiyama; 泰央西山; Yukinaga Shimomichi; 幸永下道
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2003-06-03
Filing date: 2003-06-11
Publication date: 2005-02-24
Also published as: US20040262522A1

Abstract

【課題】シリコン材を含む試料の内部構造を高いコントラストで観察し得る赤外共焦点走査型顕微鏡を提供する。
【解決手段】赤外共焦点走査型顕微鏡１００は、赤外光ビームを発する光源部１１０と、赤外光ビームを二次元的に走査する二次元走査機構１１４と、赤外光ビームを収束させて試料１８０の内部に光スポットを形成する対物レンズ１２２と、対物レンズ１２２を光軸に沿って移動させる対物レンズ移動機構１２４と、対物レンズ１２２の移動を計測するＺスケール１２６と、１／４波長板１２０と共働して試料１８０からの反射赤外光のビームを分離するＰＢＳ１１２と、分離された反射赤外光ビームを収束する収束レンズ１２８と、収束レンズ１２８からの反射赤外光を検出する光検出器１３０とを有し、光検出器１３０は光スポットに対して共焦点に位置する微小開口として機能する大きさの受光面を有している。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、赤外光を利用して試料の内部を観察する顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＦＣＢ（ＦｌｉｐＣｈｉｐＢｏｎｄｉｎｇ）後のＩＣチップやＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍ：微小電子機械システム）構造体を、シリコンを透過し得る赤外光を用いて観察する技術が知られている。
【０００３】
特開平５−１５２４０１公報は、プリント基板に接合されたバンプ接合形状をバンプが接合されているシリコンチップの裏面より、観察する手法を開示している。この中には、対物、赤外線カメラで構成されているものの他、光源、スキャナ、対物レンズと共焦点光学系を構成する受光素子、アパーチャから構成されている。
【０００４】
特開平１１−１８３４０６公報は、通常の赤外線顕微鏡を用いて、接合形状を検査する装置を開示している。また、本装置に備えられているレーザフォーカス変位計を用いて、まず、シリコンチップＩＣの裏面にレーザフォーカス変位計で位置を測定し、次に、接合部に近い回路基板位置を測定して、その差で、接合部に対しての高さ測定を行い、不良の判定を行なっている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平５−１５２４０１公報
【０００６】
【特許文献２】
特開平１１−１８３４０６公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来の赤外顕微鏡では、シリコンチップ下面の例えばＦＣＢ後のパターン状態やＭＥＭＳ構造（クリアランス）の測定は、対物レンズの集光点以外の情報を検出するためのコントラストが弱く、ぼやけた状態の像しか観察できない。また、シリコンチップ表面上での可視光が乱反射し、低倍率（対物２０倍が限界）での観察しか出来ない。また、このような、コントラストが弱く、ぼけた状態での観察では、正確に、実装部品の位置ズレの計測や、シリコン裏面のパターンの傷、バンプの欠損の判断ができなない。シリコンチップＩＣの裏面にレーザフォーカス変位計で位置を測定し、接合部に近い回路基板位置を測定して、その差で、接合部に対しての高さ測定を行い、ボンディングの接合具合や、加圧条件設定、などを、精度良く行なうことはできない。
【０００８】
本発明は、この様な実状を考慮して成されたものであり、その目的は、試料の内部構造を高いコントラストで観察し得る赤外共焦点走査型顕微鏡を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ひとつには、試料の内部を観察するための赤外共焦点走査型顕微鏡に向けられており、以下の各項に列記する赤外共焦点走査型顕微鏡を含んでいる。
【００１０】
１．本発明の赤外共焦点走査型顕微鏡は、赤外光のビームを発する光源部と、光源部からの赤外光のビームを収束させて試料の内部に光スポットを形成する対物レンズと、光スポットを光軸に直交する平面内で二次元的に走査する走査機構と、光スポットに対して共焦点の位置関係にある実質的微小開口と、実質的微小開口を通る試料からの反射（赤外）光を検出する光検出器とを有している。
【００１１】
２．本発明の別の赤外共焦点走査型顕微鏡は、第１項の赤外共焦点走査型顕微鏡において、走査機構は、赤外光のビームを二次元的に走査するビーム走査機構であり、実質的微小開口は、ピンホールである。
【００１２】
３．本発明の別の赤外共焦点走査型顕微鏡は、赤外光のビームを発する光源部と、光源部からの赤外光のビームを収束させて試料の内部に光スポットを形成する対物レンズと、光スポットを光軸に直交する平面内で二次元的に走査する走査機構と、光スポットに対して共焦点の位置関係にある微小な受光領域を有して、微小な受光領域が実質的微小開口を構成する光検出器とを有している。
【００１３】
４．本発明の別の赤外共焦点走査型顕微鏡は、赤外光のビームを発する光源部と、光源部からの赤外光のビームを収束させて試料の内部に光スポットを形成する対物レンズと、光スポットを光軸に直交する平面内で二次元的に走査する走査機構と、光スポットに対して共焦点の位置関係にあり、赤外光の光路を横切る所定のパターンで複数の光透過部と光遮光部が形成されたディスクと、二次元的な広がりを持つ領域において光を検出し得る撮像素子とを有している。
【００１４】
５．本発明の別の赤外共焦点走査型顕微鏡は、第１項または第３項または第４項の赤外共焦点走査型顕微鏡において、対物レンズと試料を相対的に光軸に沿って移動させるＺ移動機構と、対物レンズと試料の光軸に沿った相対的な移動を検出する移動検出手段と、検出される移動に基づいて、試料内の複数の部位の光軸に沿った相対的な位置を計測する第一の位置計測手段とを更に有している。
【００１５】
６．本発明の別の赤外共焦点走査型顕微鏡は、第５項の赤外共焦点走査型顕微鏡において、光検出器で得られる情報と光スポットの位置情報に基づいて光スポットが位置する平面の画像を形成する画像化手段と、得られた画像に基づいて、光軸に直交する同一平面内に位置する試料内の複数の部位の相対的な位置を計測する第二の位置計測手段とを有している。
【００１６】
７．本発明の別の赤外共焦点走査型顕微鏡は、第６項の赤外共焦点走査型顕微鏡において、画像化手段で形成される光軸に沿った複数の位置における複数の画像を合成して、光軸に沿った複数の位置の全てにおいて焦点が合っている一枚の画像（エクステンド像）を形成するエクステンド像形成手段を更に有している。
【００１７】
８．本発明の別の赤外共焦点走査型顕微鏡は、第７項の赤外共焦点走査型顕微鏡において、得られたエクステンド像に基づいて、光軸に沿った異なる位置において光軸に直交する異なる平面内に位置する試料内の複数の部位の相対的な位置を計測する第二の位置計測手段を更に有している。
【００１８】
９．本発明の別の赤外共焦点走査型顕微鏡は、第１項の赤外共焦点走査型顕微鏡において、対物レンズは、試料に起因して生じる収差が補正されている。
【００１９】
１０．本発明の別の赤外共焦点走査型顕微鏡は、第１項の赤外共焦点走査型顕微鏡において、対物レンズは、試料に起因して生じる収差を補正する機能を有している。
【００２０】
１１．本発明の別の赤外共焦点走査型顕微鏡は、第１項または第３項または第４項の赤外共焦点走査型顕微鏡において、試料に応じて試料に照射される光の波長を選択する波長選択手段を更に有している。
【００２１】
１２．本発明の別の赤外共焦点走査型顕微鏡は、第１１項の赤外共焦点走査型顕微鏡において、光源部は複数の光源を含み、複数の光源はそれぞれ異なる波長の光を発し、波長選択手段は、複数の光源を選択的に駆動させることにより、試料に照射される光の波長を選択する。
【００２２】
１３．本発明の別の赤外共焦点走査型顕微鏡は、第１１項の赤外共焦点走査型顕微鏡において、光源部は複数の波長の光を発し、波長選択手段は、それぞれ異なる波長帯域の光を透過する複数のフィルターを含み、複数のフィルターのひとつを選択的に光路中に配置することにより、試料に照射される光の波長を選択する。
【００２３】
１４．本発明の別の赤外共焦点走査型顕微鏡は、第６項の赤外共焦点走査型顕微鏡において、試料に応じて試料に照射される光の波長を選択する波長選択手段と、選択される波長に応じて引き起こされる画像の明るさの変動を修正する手段とを更に有している。
【００２４】
１５．本発明の別の赤外共焦点走査型顕微鏡は、第４項の赤外共焦点走査型顕微鏡において、ディスクは複数の光透過部と光遮光部の配列パターンの異なる複数の領域を有し、試料に応じて試料に照射される光の波長を選択する波長選択手段と、選択される波長に対応して赤外光が照射されるディスクの領域を変更する手段とを更に有している。
【００２５】
１６．本発明の別の赤外共焦点走査型顕微鏡は、第１１項の赤外共焦点走査型顕微鏡において、光源部は複数の光源を含み、複数の光源はそれぞれ異なる波長の光を発し、波長選択手段は、各々の光源の前に設けられている光を遮断するシャッタを制御することにより、試料に照射される光の波長を選択する。
【００２６】
本発明は、ひとつには、試料内の複数の部位の相対的な位置を計測する計測方法に向けられており、以下の計測方法を含んでいる。
【００２７】
１７．赤外光のビームを収束させて試料の内部に光スポットを形成し、光スポットを平面内で二次元的に走査し、光スポットに対して共焦点の位置において試料からの反射（赤外）光を検出し、検出される反射（赤外）光と光スポットの位置とに基づいて光スポットが位置する平面の画像を形成し、光スポットの高さ位置を変えて同様の操作を繰り返し行なうことにより複数の画像を取得し、取得した複数の画像を合成して全ての高さ位置において焦点が合っている一枚の画像（エクステンド像）を形成し、得られたエクステンド像に基づいて試料内の複数の部位の相対的な位置を計測する。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
【００２９】
第一実施形態
本実施形態は、光ビーム走査型の赤外共焦点走査型顕微鏡に向けられている。図１は、本発明の第一実施形態の赤外共焦点走査型顕微鏡の構成を示している。
【００３０】
図１に示されるように、本実施形態の赤外共焦点走査型顕微鏡１００は、赤外光のビームを発する光源部１１０と、光源部１１０からの赤外光のビームを二次元的に走査する二次元走査機構１１４と、走査される赤外光のビームを収束させて試料１８０の内部に光スポットを形成する対物レンズ１２２と、対物レンズ１２２を光軸に沿って移動させる対物レンズ移動機構１２４と、対物レンズ１２２の光軸に沿った移動を計測するＺスケール１２６とを有している。
【００３１】
赤外共焦点走査型顕微鏡１００は、光源部１１０と二次元走査機構１１４の間の光路上にＰＢＳ（偏光ビームスプリッター）１１２を有し、二次元走査機構１１４と対物レンズ１２２の間の光路上に瞳投影レンズ１１６と結像レンズ１１８と１／４波長板１２０とを有している。ＰＢＳ１１２は、１／４波長板１２０と共働して、試料１８０からの反射赤外光のビームを、試料１８０に向かう赤外光のビームから、偏光に基づいて選択的に分離する。
【００３２】
赤外共焦点走査型顕微鏡１００は、更に、ＰＢＳ１１２で分離された反射赤外光のビームを収束する収束レンズ１２８と、収束レンズ１２８で収束された反射赤外光を検出する光検出器１３０と、二次元走査機構１１４の制御・Ｚスケール１２６と光検出器１３０で得られる情報の処理等を行なう制御部１３２と、制御部１３２で得られる処理結果（画像）を表示するモニター１３４とを有している。
【００３３】
本実施形態において、試料１８０は、これに限定されないが、例えば、ＦＣＢ（ＦｌｉｐＣｈｉｐＢｏｎｄｉｎｇ）後のＩＣチップやＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍ：微小電子機械システム）構造体であり、その観察部位は、その内部に位置している。観察対象は、例えば、ＩＣチップのパターン状態や、ＭＥＭＳ構造体内の空間のギャップ等である。
【００３４】
ＩＣチップやＭＥＭＳ構造体はシリコンを主材料として作製されている。図２は、光の波長に対するシリコンの透過率特性を示している。図２から分かるように、シリコンは、約１．１μｍ以下の波長範囲の光は殆ど透過しないが、１．１μｍ以上の波長範囲の光は比較的良く透過する。
【００３５】
光源部１１０は、シリコンを透過し得る波長の光、すなわち、１．１μｍ以上の範囲内の波長の光を発する。得られる画像は、使用する光の波長が短い方が分解能が高いため、光源部１１０は、より好ましくは、１．１μｍに近い波長の光で、透過率が５０％程度あり、入手性がよく、安価な１．３μｍの波長の光を発する。
【００３６】
二次元走査機構１１４は、例えば二つのガルバノミラーを組み合わせて構成される。二次元走査機構１１４は、対物レンズ１２２の瞳と共役な位置に配置されている。また、対物レンズ１２２は、試料１８０内のシリコンの厚さによる収差が補正されたものが使用されるとよい。
【００３７】
図１において、光源部１１０からの赤外光のビーム１５２は、ＰＢＳ１１２を透過し、二次元走査機構１１４により二次元的に走査される。二次元走査機構１１４を経た赤外光のビーム１５２は、瞳投影レンズ１１６と結像レンズ１１８、１／４波長板１２０を経た後、対物レンズ１２２によって試料１８０の内部に収束され、光スポットを形成する。試料１８０の内部に形成された光スポットは、二次元走査機構１１４によるビームの二次元走査に対応して、光軸に直交する平面内で走査される。
【００３８】
図４と図５は、試料１８０の一例であるＦＣＢ実装されたパッケージを示している。図４と図５に示されるように、パッケージ１８０は、例えば、バンプ１９２によって互いに接合されたシリコンチップ１８２とプリント基板１８８とを有している。例えば、シリコンチップ１８２は配線パターン１８４とアルミパッド１８６を有し、プリント基板１８８はランド１９０を有し、アルミパッド１８６とランド１９０はバンプ１９２によって電気的に接続されている。
【００３９】
赤外光のビーム１５２は、例えば、図４に示されるように、シリコンチップ１８２を透過し、その裏面の配線パターン１８４で反射される。あるいは、図５に示されるように、シリコンチップ１８２を透過し、プリント基板１８８の表面で反射される。
【００４０】
図１において、試料１８０からの反射赤外光のビームは、試料１８０への入射時の光路を逆に戻り、対物レンズ１２２、１／４波長板１２０、結像レンズ１１８、瞳投影レンズ１１６、二次元走査機構１１４を経て、ＰＢＳ１１２に到達する。
【００４１】
光源部１１０から射出される赤外光は直線偏光であり、この赤外光は試料１８０に到達する途中で１／４波長板１２０を通過することにより円偏光に変換される。試料１８０で反射された赤外光は、ＰＢＳ１１２に到達する間に１／４波長板１２０を再び通過することにより、円偏光から直線偏光に変換される。この直線偏光は、光源部１１０からの射出された直後の直線偏光に対して直交している。
【００４２】
このため、試料１８０からの反射赤外光のビームは、ＰＢＳ１１２で反射され、試料１８０に向かう赤外光のビーム１５２から選択的に分離され、検出光のビーム１５４となる。検出光のビーム１５４は、収束レンズ１２８によって収束され、光検出器１３０に入射する。
【００４３】
光検出器１３０は、実質的に微小開口として機能する大きさの受光面を有し、その受光面は、試料１８０の内部に形成された光スポットに対して共焦点の位置に配置されている。従って、図１に示される光学系は、共焦点光学系を構成している。
【００４４】
ここで、検出光のビーム１５４のビーム径をＷ、収束レンズ１２８の焦点距離をｆ、光源部１１０から発せられる光の波長をλとすると、収束レンズ１２８により絞られるスポット径ｄは、ｄ＝４ｆλ／πＷで表される。これに対して、光検出器１３０の受光面の径Ｄは、ｄ／４≦Ｄ≦ｄ／３を満足している。言い換えれば、収束レンズ１２８と光検出器１３０は、そのように設計されている。
【００４５】
光検出器１３０は、入射した光強度に対応した電気信号を出力する。光検出器１３０からの電気信号は、制御部１３２に取り込まれる。制御部１３２は、光検出器１３０からの電気信号と、光スポットの位置情報とに基づいて画像を形成する。光スポットの位置情報は、二次元走査機構１１４の制御信号から求められる。形成された画像は、モニター１３４に表示される。
【００４６】
図３は、赤外共焦点走査型顕微鏡１００における、対物レンズと試料の相対位置（Ｚ）と光検出器の出力すなわち光強度（Ｉ）との関係を示すグラフである。つまり、一般にＩ−Ｚカーブと呼ばれる、Ｚ座標対光強度のグラフである。図３には、比較のため、通常の非共焦点顕微鏡におけるＺ座標対光強度のグラフも一緒に示してある。
【００４７】
図３から分かるように、非共焦点顕微鏡においては、合焦から外れたＺ位置からの反射光の強度も高く、場合によっては合焦位置からの反射光の強度よりも高い場合もある。このため、不所望なノイズ光が多く、赤外光のビームが観察対象に合焦していても、鮮明な画像が得られ難い。
【００４８】
それに対して、共焦点顕微鏡においては、合焦位置からの反射光の強度は高いが、合焦から外れたＺ位置からの反射光の強度は極端に小さい。このため、ノイズ光が少なく、合焦面すなわち光スポットが位置する平面の鮮明な画像が得られる。
【００４９】
赤外共焦点走査型顕微鏡１００においては、このような共焦点光学系の特性を利用し、光検出器１３０で検出される光強度が最大となるように、対物レンズ移動機構１２４により、試料１８０に対する対物レンズ１２２の光軸に沿った位置を調整することにより、光スポットの光軸に沿った位置すなわち合焦位置を、希望の観察対象に合わせることが可能である。
【００５０】
つまり、例えば、図４に示されるように、光軸が配線パターン１８４を横切っている場合には、光検出器１３０で検出される光強度が最大となるように対物レンズ１２２の光軸に沿った位置を調整することにより、光スポットがシリコンチップ１８２の下面上に配置される。この平面上において光スポットを走査することにより、配線パターン１８４のコントラストの高い鮮明な画像を得ることができる。
【００５１】
また、図５に示されるように、光軸上にシリコンチップ１８２の素子が存在しない場合には、光検出器１３０で検出される光強度が最大となるように対物レンズ１２２の光軸に沿った位置を調整することにより、光スポットがプリント基板１８８の上面上に配置される。この平面上において光スポットを走査することにより、プリント基板１８８のコントラストの高い鮮明な画像を得ることができる。
【００５２】
更に、光軸に直交する同一平面上のコントラストの高い鮮明な画像が得ることができるため、その画像に基づいて、試料内の同一平面上の複数の部位の間の寸法、例えば、配線パターン１８４のピッチなどを計測することも可能となる。
【００５３】
加えて、対物レンズ１２２の光軸に沿った移動をＺスケール１２６により計測することにより、シリコンチップ１８２とプリント基板１８８の間隔など、試料内の複数の部位の間の光軸に沿った寸法などを計測することも可能である。
【００５４】
更には、観察対象毎の異なる高さ毎に画像を取得し、それらを合成する（重ね合わせる）ことにより、異なる全ての高さにおいてピントの合っている一枚の画像（エクステンド像）を得ることも可能である。これにより、光軸に沿って異なる位置にある複数の部位の間の、光軸に直交する平面上における寸法などを測定することも可能となる。
【００５５】
このように、試料内の部位を三次元計測することが可能となる。これにより、配線パターンやバンプ、アルミパッド等の長さや面積や形状を測定することが可能となる。
【００５６】
つまり、本実施形態の赤外共焦点走査型顕微鏡１００では、ランド（配線）とアルミパットの位置を測定することが可能となる。これにより、加圧条件設定やバンプの接合状態を知ることが可能となる。また、バンプ欠損によるアルミパット部の異物の大きさなどを測定することが可能となる。基板回路上のパターンの傷や、基板回路の接地ズレ、バンプ作成時のパット変化などを観察することが可能となる。また、アンダーボイドと呼ばれる、シリコンチップとプリント基板内に注入された物質内に生じる空気層等の大きさを測定することも可能となる。
【００５７】
通常の赤外顕微鏡では使用できる対物レンズの倍率は２０倍程度止まりであるが、本実施形態の赤外共焦点走査型顕微鏡１００では、１００倍程度の倍率の対物レンズまで使用可能であり、高解像度観察が可能である。
【００５８】
変形例
図６は、図１に示される対物レンズ１２２に代えて適用可能な別の対物レンズを示している。図６に示されるように、対物レンズ１４０は、回転可能な補正リング１４２を有している。補正リング１４２は、図示しない機械的機構を介して、内部の光学要素と連結されている。その機械的機構は、補正リング１４２の回転に応じて、その光学要素を光軸に沿って移動させる。補正リング１４２を必要な量だけ回転させることにより、試料１８０に含まれるシリコンによって引き起こされる収差を適宜補正することが可能である。これにより、収差の無いより好適な画像を得ることが可能となる。
【００５９】
第二実施形態
本実施形態は、光ビーム走査型の別の赤外共焦点走査型顕微鏡に向けられている。図７は、本発明の第二実施形態の赤外共焦点走査型顕微鏡の構成を示している。
【００６０】
図７に示されるように、本実施形態の赤外共焦点走査型顕微鏡２００は、赤外光のビームを発する光源部２１０と、光源部２１０からの赤外光のビームを偏向するミラー２２８と、ミラー２２８からの赤外光のビームを二次元的に走査する二次元走査機構２３０と、走査される赤外光のビームを収束させて試料２８０の内部に光スポットを形成する対物レンズ２４２と、試料２８０が載置される試料台２４４と、試料２８０を試料台２４４と共に光軸に沿って移動し得るＺステージ２４６とを有している。二次元走査機構２３０は、これに限定されないが、例えば、二つのガルバノミラー２３２と２３４で構成される。
【００６１】
赤外共焦点走査型顕微鏡２００は、光源部２１０とミラー２２８の間の光路上にＰＢＳ（偏光ビームスプリッター）２４８を有し、二次元走査機構２３０と対物レンズ２４２の間の光路上に瞳投影レンズ２３６と結像レンズ２３８と１／４波長板２４０とを有している。ＰＢＳ２４８は、１／４波長板２４０と共働して、試料２８０からの反射赤外光のビームを、試料２８０に向かう赤外光のビームから、偏光に基づいて選択的に分離する。
【００６２】
赤外共焦点走査型顕微鏡２００は、更に、ＰＢＳ２４８で分離された反射赤外光のビームを収束する収束レンズ２５０と、収束レンズ２５０からの反射赤外光の光路上に配置されたピンホール２５２と、ピンホール２５２を通過した反射赤外光を検出する光検出器２５４と、二次元走査機構２３０の制御や光検出器２５４で得られる情報の処理等を行なうコンピューター等の制御部２５６と、制御部２５６で得られる処理結果（画像）を表示するモニター２５８とを有している。ピンホール２５２は、対物レンズ２４２により形成される光スポットに対して共焦点の位置に配置されている。制御部２５６は、Ｚステージ２４６の移動を測定し得る。
【００６３】
光源部２１０から射出された赤外光のビームは、ＰＢＳ２４８を透過し、ミラー２２８で偏向され、二次元走査機構２３０によって走査される。二次元走査機構２３０を経た赤外光のビームは、瞳投影レンズ２３６と結像レンズ２３８、１／４波長板２４０を経た後、対物レンズ２４２によって試料２８０の内部に収束され、光スポットを形成する。試料２８０の内部に形成された光スポットは、二次元走査機構２３０によるビームの二次元走査に対応して、光軸に直交する平面内で走査される。
【００６４】
試料２８０からの反射赤外光のビームは、対物レンズ２４２、１／４波長板２４０、結像レンズ２３８、瞳投影レンズ２３６、二次元走査機構２３０、ミラー２２８を経て、ＰＢＳ２４８に到達する。ＰＢＳ２４８に到達した反射赤外光は、光源部２１０からの直線偏光の赤外光に対して直交する直線偏光となっており、ＰＢＳ２４８で反射される。ＰＢＳ２４８で反射された反射赤外光のビームは、収束レンズ２５０によって収束され、ピンホール２５２を介して、光検出器２５４に入射する。
【００６５】
光検出器２５４は、入射した光強度に対応した電気信号を出力する。光検出器２５４からの電気信号は、制御部２５６に取り込まれる。制御部２５６は、光検出器２５４からの電気信号と、光スポットの位置情報とに基づいて画像を形成する。光スポットの位置情報は、二次元走査機構２３０の制御信号から求められる。形成された画像は、モニター２５８に表示される。
【００６６】
赤外共焦点走査型顕微鏡２００は、共焦点光学系を構成しており、第一実施形態で詳しく説明したように、対物レンズ２４２により形成される光スポットからの反射赤外光のみが良好にピンホール２５２を透過し得る。光スポットから光軸に沿って外れた位置からの反射赤外光は、殆どピンホール２５２を通過できない。このため、光スポットの位置する光軸に直交する平面上の画像が高いコントラストで得られる。
【００６７】
試料２８０に照射される赤外光の最も好適な波長は、試料２８０を構成している材料に依存する。これは、試料２８０に照射される光の波長が短いほど、得られる画像の分解能は高くなる反面、試料２８０の透過率が非常に低くなるためである。
【００６８】
このような実状に応じて、光源部２１０は、より好適な波長の赤外光を試料２８０に照射するため、複数の波長の赤外光のビームを選択的に射出し得る。
【００６９】
図８は、図７に示される光源部２１０の構成を示している。図８に示されるように、光源部２１０は、三つの光源２１２と２１４と２１６を含んでいる。三つの光源２１２と２１４と２１６は、これに限定されないが、例えば、半導体レーザーである。光源２１２と２１４と２１６は、固体レーザーや気体レーザーであってもよい。
【００７０】
三つの半導体レーザー２１２と２１４と２１６は、それぞれ、異なる波長λ１とλ２とλ３の光を発する。例えば、半導体レーザー２１２と２１４と２１６は、それぞれ、λ１＝９８０ｎｍ、λ２＝１３００ｎｍ、λ３＝１５００ｎｍの光を発する。
【００７１】
光源部２１０は、更に、半導体レーザー２１２からの光ビームを偏向するミラー２１８と、半導体レーザー２１４からの光ビームを偏向するハーフミラー２２０と、半導体レーザー２１６からの光ビームを偏向するハーフミラー２２２とを有している。ミラー２１８とハーフミラー２２０と２２２は、それぞれ、対応する対応する半導体レーザーからの光ビームを同一の光軸に沿って偏向する（言い換えれば同一の光路に結合する）。
【００７２】
光源部２１０は、半導体レーザー２１２と２１４と２１６を選択的に駆動することにより、言い換えれば、半導体レーザー２１２と２１４と２１６のオン・オフを制御することにより、発する光の波長を選択し得る。
【００７３】
例えば、試料２８０の表面材料がシリコンである場合、シリコンの透過率が５０％程度になるのは１３００ｎｍ以上であるので、画像分解能も考慮して１３００ｎｍの半導体レーザー２１４のスイッチをオンとし、他の半導体レーザー２１２と２１６のスイッチはオフとする。
【００７４】
また、試料２８０の材料が不明である場合には、半導体レーザー２１２と２１４と２１６を波長の低い順に一つずつ駆動して、実際に画像を取得していく。こうにして得られた画像の内、最も鮮明な画像を与える半導体レーザーを使用する光源とする。あるいは、駆動する半導体レーザーを切り替えていく途中で、十分に鮮明な画像が得られた時点で、その半導体レーザーを使用する光源としてもよい。
【００７５】
図８に示される光源部２１０においては、半導体レーザー２１４と２１６からの光ビームをそれぞれ偏向するハーフミラー２２０と２２２は、ビームスプリッターなどの半透過の光学素子であればよい。より好ましくは、ハーフミラーに代えて偏光ビームスプリッターやダイクロイックミラー等が使用されるとよく、その場合、光源からの光がより少ない損失で試料に照射され得る。また、三つの半導体レーザーを有しているが、その個数はこれに限定されるものではなく、変更されてよい。
【００７６】
図９は、図７に示される光源部２１０の別の構成を示している。図９において、図８に示された部材と同一の参照符号で指示された部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。
【００７７】
図９に示されるように、光源部２１０は、半導体レーザー２１２と２１４と２１６と、それぞれの半導体レーザーから射出される光ビームを同一の光路に結合する光学プリズム２２４とを有している。光学プリズム２２４は、赤外波長における透過率が高く、屈折率も高いものが望ましい。また、赤外波長域の屈折率の波長依存性が少ないものが望ましい。この時、各波長におけるプリズムの屈折率を考慮して設置する必要がある。
【００７８】
波長の切り替えは、半導体レーザー２１２と２１４と２１６を選択的に駆動することにより、言い換えれば、半導体レーザー２１２と２１４と２１６のオン・オフを制御することにより行われる。
【００７９】
例えば、試料２８０の表面材料がシリコンである場合、シリコンの透過率が５０％程度になるのは１３００ｎｍ以上であるので、画像分解能も考慮して１３００ｎｍの半導体レーザー２１４のスイッチをオンとし、他の半導体レーザー２１２と２１６のスイッチはオフとする。
【００８０】
また、試料２８０の材料が不明である場合には、半導体レーザー２１２と２１４と２１６を波長の低い順に一つずつ駆動して、実際に画像を取得していく。こうにして得られた画像の内、最も鮮明な画像を与える半導体レーザーを使用する光源とする。あるいは、駆動する半導体レーザーを切り替えていく途中で、十分に鮮明な画像が得られた時点で、その半導体レーザーを使用する光源としてもよい。
【００８１】
図９に示される光源部２１０においては、半導体レーザーの個数は三つであるが、プリズム２２４をより多い面を持つものに代えることにより、半導体レーザーの個数を増やしてもよい。
【００８２】
本実施形態において、例えば、図１０に示される試料２８０に対して、試料内部表面２８４ａに焦点位置が来るようにＺステージ２４６を位置決めして共焦点画像を取る。このときの光源波長λに対する試料２８０の表面材料２８２の透過率ｔ１、内部材料２８４の透過率ｔ２とする。この際、ｔ１の値が小さい場合、すなわち、試料の表面材料２８２の表面２８２ａで殆ど光が反射され試料内部表面２８４ａからの反射光が微少である場合、透過画像は不鮮明なものとなる。この様な場合には、ｔ１が十分大きくなる光源波長λ’となるように使用する光源を変えることで、鮮明な透過三次元顕微鏡画像を得ることが可能である。また、分解能が要求されるものより悪い場合には、表面材料の透過率ｔ１が小さくなり過ぎないように注意しながら、使用する光源を短い波長の光を発するものに変えることで、より分解能が高い画像を得ることが可能となる。これらにより、鮮明な透過三次元顕微鏡画像を得ることが出来る。
【００８３】
本実施形態の赤外共焦点走査型顕微鏡２００においては、光源部２１０は、レーザー等の発光素子の交換を必要とすることなく、試料に適した波長の光を発することが可能である。つまり、試料に適した波長の光を容易に選択することが可能である。
【００８４】
赤外共焦点走査型顕微鏡２００では、好ましくは、光源部２１０における使用する光の波長の切り替えに対応して、使用する光学素子（波長板、ミラー、ＰＢＳ等）が変更されるとよい。そのような変更は、例えば、光路上に配置される光学素子を交換することにより行なえる。あるいは、光路を切り替えて光を対応する光学素子を通過させることにより行われる。
【００８５】
また、赤外共焦点走査型顕微鏡２００は、好ましくは、光源部２１０から射出される光の波長の切り替えに応じて、得られる像の明るさが光の波長の切り替えに関係なく同じになるように、例えば、光源部２１０の出力が調整されるとよい。
【００８６】
光源部２１０から射出される光の波長が変わると、半導体レーザーの出力差や光検出器の波長特性のために、光検出器２５４で検出される光強度が変化する。その結果、得られる画像の明るさが変動してしまう。つまり、光源部２１０で選択される波長に応じて画像の明るさの変動が引き起こされる。
【００８７】
このような画像の明るさ変化は、使用する光源すなわち半導体レーザーの出力を調整することにより、打ち消すことが可能である。光源の出力を調整は、望ましくは、コンピューターや電気回路を通して自動で行われるとよい。
【００８８】
画像の明るさの変動を修正する手法は、光源の出力を調整することに限定されない。例えば、光検出器２５４の感度を調節することにより行われてもよい。また、適当な透過率を持つＮＤフィルター等を光路上に挿入することにより行われてもよい。あるいは、使用する光源に応じて、使用する光検出器が交換されてもよい。その場合、複数の半導体レーザーのそれぞれの波長に合った複数の光検出器が交換可能に設けられ、使用する半導体レーザーの切り替えに応じて、それに対応する光検出器が適所に配置される構成としてもよい。
【００８９】
本実施形態では、試料材料が不明な場合の光源選択を画像の鮮明さに基づいて行なっているが、最大波長で試料内部表面２８４ａに焦点を合わせ、半導体レーザーを次々と切り替えながら、光検出器２５４での検出強度が甚だしく低くならない範囲で波長の短い光を発する半導体レーザーを使用する光源としてもよい。
【００９０】
また、波長選択のための半導体レーザーのオン・オフの制御は制御部２５６によって自動に行われるのが望ましい。また、波長選択方法として、レーザー２１２、１２４、２１６のそれぞれの前に、光を遮るシャッタなどを配置し、使用波長に応じて、それぞれのシャッタを開閉することで、波長選択してもよい。
【００９１】
変形例
例えば、試料２８０の表面あるいは内部の光軸に直交する平面内での光スポットの走査は、二次元走査機構２３０に代えて、試料２８０を光軸に垂直な面内で移動させるＸＹステージを用いても行われてもよい。また、二次元走査機構２３０に代えて、赤外光のビームを一次元的に走査する一次元走査機構と、その走査方向に直交する方向に試料２８０を光軸に垂直な面内で移動させるステージとの組み合わせにより行われてもよい。
【００９２】
また、光スポットと試料２８０の光軸に沿った相対的な移動は、試料２８０を光軸に沿って移動させるＺステージ２４６に代えて、対物レンズ２４２を光軸に沿って移動させる対物レンズ移動機構によって行われてもよい。
【００９３】
また、複数の光源からの射出される光ビームを同一の光路に結合するする手段は、音響光学素子で構成されてもよい。また、光源部２１０から射出される光の波長を選択する手段は、複数の半導体レーザーを選択的に駆動する代わりに、グレーティング等の光学素子を用いた波長可変レーザーを使用して構成されてもよい。この場合、使用する光の波長を広範囲で細かく変更することが可能である。
【００９４】
更に、上述した本実施形態では、単一の波長の光で試料を観察する例について述べたが、複数の波長の光で試料を観察してもよい。そのため、複数の光源に適合した複数の光検出器と、ピンホールを通過した光を分光して対応する光検出器に導く手段とを有する構成としてもよい。これにより、複数の光源を同時に駆動して波長の異なる複数の光を多層の試料に同時照射し、それぞれの層で反射される複数の反射光を微小開口通過後にフィルター等で分光し、それぞれの光検出器で検出することにより、一度の走査で多層の試料の内部を観察することも可能となる。
【００９５】
第三実施形態
本実施形態は、ディスク走査型の赤外共焦点走査型顕微鏡に向けられている。図１１は、本発明の第三実施形態の赤外共焦点走査型顕微鏡の構成を示している。
【００９６】
図１１に示されるように、本実施形態の赤外共焦点走査型顕微鏡３００は、赤外光を含む光ビームを発する光源３１０と、光源３１０からの光ビームを平行化するコリメートレンズ３１２と、赤外光を透過する赤外波長フィルター３１４と、赤外波長フィルター３１４からの赤外光のビームを偏向するハーフミラー３１６と、ハーフミラー３１６で偏向された赤外光のビームを横切る回転ディスク３１８と、回転ディスク３１８を回転させるモーター３２０とを有している。回転ディスク３１８は、微小開口として機能する複数の貫通穴（ピンホール）を有している。
【００９７】
赤外共焦点走査型顕微鏡３００は、更に、回転ディスク３１８のピンホールを通過した赤外光のビームを収束させて試料３８０の内部に光スポットを形成する対物レンズ３２２と、対物レンズ３２２を光軸に沿って移動させる対物レンズ移動機構３２４と、対物レンズ３２２の光軸に沿った移動を計測するＺスケール３２６とを有している。
【００９８】
赤外共焦点走査型顕微鏡３００は、対物レンズ３２２と回転ディスク３１８とハーフミラー３１６を経た試料３８０からの反射赤外光のビームを収束する収束レンズ３２８と、収束レンズ３２８からの反射赤外光を二次元的な広がりを持つ領域において検出し得る撮像素子であるＣＣＤカメラ３３０と、ＣＣＤカメラ３３０で得られる情報の処理等を行なうコンピューター３３２と、コンピューター３３２で得られる処理結果（画像）を表示するモニター３３４とを有している。
【００９９】
光源３１０は、赤外光を含む光を発する光源であり、これに限定されないが、例えば、赤外域で輝度の大きいハロゲンランプである。光源３１０から発せられた光ビームは、コリメートレンズ３１２により平行化され、赤外波長フィルター３１４に入射し、所望の波長帯の赤外光のみが透過する。透過した赤外光は、ハーフミラー３１６で反射され、回転ディスク３１８に照射される。回転ディスク３１８は、例えばニポウディスクと呼ばれる螺旋状に複数のピンホールが形成されたものであったり、スリット状のパターンが形成されたものであったりするが、以下ではニポウディスクとして話を進める。
【０１００】
この回転ディスク３１８は、モーター３２０の回転軸に取り付けられており、所定の回転速度で回転される。回転ディスク３１８に照射された光は、回転ディスク３１８に形成された複数のピンホールを通過し、対物レンズ３２２によって試料３８０の表面あるいは内部に収束されて、光スポットを形成する。対物レンズ３２２は、例えば、可視域から赤外域での使用波長１．３μｍまでの光の収差が補正された無限遠対物レンズである。
【０１０１】
試料３８０からの反射光は、再び、対物レンズ３２２、回転ディスク３１８のピンホールを通り、ハーフミラー３１６を透過し、収束レンズ３２８によりＣＣＤカメラ３３０に入射する。ＣＣＤカメラ３３０は、赤外波長領域に感度を有し、試料３８０からの反射光を撮像してその画像信号を出力する。
【０１０２】
コンピューター３３２は、ＣＣＤカメラ３３０から出力された画像信号を取り込み、画像処理を行なって所望の画像データを記憶するとともに、モニター３３４に表示する。
【０１０３】
赤外共焦点走査型顕微鏡３００において、試料３８０の表面あるいは内部に形成される光スポットは、回転ディスク３１８の回転に伴うピンホールの移動に従って移動される（つまり走査される）。ＣＣＤカメラ３３０は、二次元的な広がりを持つ領域において光を検出し得る。また、試料３８０の表面あるいは内部に形成された光スポットからの反射光は、その光スポットに対してピンホールを介して共焦点の位置にあるＣＣＤカメラ３３０の受光領域上の一点（微小領域あるいは画素）に入射する。その結果として、ＣＣＤカメラ３３０からは、光スポットが位置する光軸に直交する平面上の画像が出力される。
【０１０４】
第一実施形態において説明したように、共焦点光学系においては、合焦位置からの反射光のみが強度が高く、合焦から外れると強度が急激に小さくなる。従って、ノイズ光が少なく、合焦時には鮮明な画像が得られる。これにより、半導体結晶内部や基板実装後のＩＣの接合部分を鮮明に観察することが可能となる。
【０１０５】
本実施形態においては、コンピューターを用いて画像を取得する場合の構成を示したが、単にテレビモニタに画像を表示するだけの構成としてもよい。また、従来の赤外顕微鏡の構成と同様に、目視観察光路とテレビカメラによる赤外観察をするための赤外観察光路とを備える構成としてもよい。ただし、当然その場合は赤外光のみを透過する赤外波長フィルター３１４は不要となる。また、回転ディスクは、前述したものに限らず、共焦点効果の得られる構成であれば、他の方式のものであってもよい。
【０１０６】
変形例
図１２は、本実施形態のディスク走査型の赤外共焦点走査型顕微鏡の変形例の構成を示している。図１２において、図１１に示された部材と同一の参照符号で指示された部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。
【０１０７】
本変形例の赤外共焦点走査型顕微鏡３００Ａは、赤外共焦点走査型顕微鏡３００の構成において、赤外波長フィルター３１４に代えて、コリメートレンズ３１２からの赤外光のビームを横切る赤外波長フィルター・ターレット３４０と、赤外波長フィルター・ターレット３４０を回転させるモーター３５０とを有している。赤外波長フィルター・ターレット３４０は、モーター３５０の回転軸３５２に取り付けられており、回転可能に支持されている。
【０１０８】
赤外波長フィルター・ターレット３４０は、後に図１３や図１４を参照しながら説明するように、試料３８０に照射される光の波長を選択するために、複数のフィルターを有している。複数のフィルターのひとつが選択的に光路上に配置される。
【０１０９】
赤外共焦点走査型顕微鏡３００Ａは更に、選択する波長を指示するための波長選択手段３５４を有しており、これに伴い、コンピューター３３２に代わるコンピューター３３２Ａは、コンピューター３３２の機能に加えて、波長選択手段３５４からの指示に従ってモーター２５０を制御する機能を有している。
【０１１０】
本変形例の赤外共焦点走査型顕微鏡３００Ａにおいては、光源３１０から射出された光ビームは、コリメートレンズ３１２で平行化され、赤外波長フィルター・ターレット３４０に入射する。赤外波長フィルター・ターレット３４０は特定の波長範囲の赤外光を透過する複数のフィルターを有し、そのひとつが光路上に配置されている。赤外波長フィルター・ターレット３４０のフィルターを透過した赤外光は、ハーフミラー３１６で反射され、回転ディスク３１８のピンホールを介して試料３８０に照射される。
【０１１１】
試料３８０からの反射光は、対物レンズ３２２、回転ディスク３１８、ハーフミラー３１６、収束レンズ３２８を経て、ＣＣＤカメラ３３０に入射し、前述したように、試料３８０の表面あるいは内部に形成される光スポットが位置する光軸に直交する平面上の画像が観察される。
【０１１２】
赤外波長フィルター・ターレット３４０のフィルターは、波長選択手段３５４からの指示に従ってコンピューター３３２Ａがモーター３５０を制御することにより回転され、所望のフィルターが光路上に配置される。波長選択手段３５４は、専用のハードウェアによって実現することも、コンピューター３３２Ａ上で動作するソフトウェアによって実現することも可能である。
【０１１３】
本変形例の赤外共焦点走査型顕微鏡３００Ａにおいては、観察試料に適した観察波長域が選択できるよう、赤外波長フィルター・ターレット３４０は、例えば図１３に示されるように、透過波長帯域の異なる二つのフィルター３４２と３４４を有しており、それらの一方が選択的に光路上に配置され得る。例えば、フィルター３４２は１２００μｍを中心とするバンドパスフィルター、フィルター３４４は１３００μｍを中心とするバンドパスフィルターで構成される。このように、複数のバンドパスフィルターを備え、観察試料に適した観察波長域を選択することで、様々な被検体に対して適用可能となり、半導体結晶内部や基板実装後のＩＣの接合部分をより鮮明に観察することが可能となる。
【０１１４】
尚、本実施の形態においては、選択できる波長帯域を２つとしたが、更に多くの波長帯域を選択できる構成とすれば、より観察試料に適した観察波長域を選択することが可能となる。
【０１１５】
また、赤外波長フィルター・ターレット３４０は、例えば図１４に示されるように、赤外光を透過する二つのフィルター３４２と３４４に加えて、可視光を透過するフィルター３４６を有していてもよい。このような赤外波長フィルター・ターレット３４０によれば、赤外光を透過する二つのフィルター３４２と３４４の一方を光路上に配置することにより、半導体結晶内部や基板実装後のＩＣの接合部分等を観察できるほか、可視光を透過するフィルター３４６を光路上に配置することにより、通常の共焦点観察を行なうことが可能である。
【０１１６】
また、回転ディスクは、前述したものに限らず、共焦点効果の得られる構成であれば、他の方式のものであってもよい。
【０１１７】
別の変形例
図１５は、本実施形態のディスク走査型の赤外共焦点走査型顕微鏡の別の変形例の構成を示している。図１５において、図１２に示された部材と同一の参照符号で指示された部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。
【０１１８】
本変形例の赤外共焦点走査型顕微鏡３００Ｂは、赤外共焦点走査型顕微鏡３００Ａの構成において、回転ディスク３１８に代えて別の回転ディスク３６０を有し、これに伴い回転ディスク３１８を回転させるモーター３２０に代えて回転ディスク３６０を回転させるモーター３２０Ｂを有し、更に、モーター３２０Ｂと共に回転ディスク３６０を光軸に直交する方向に移動させるディスク移動手段３７０とを有している。
【０１１９】
回転ディスク３６０は、図１６に示されるように、ピンホールの配列パターンの異なる複数の領域、例えば領域３６２と領域３６４を有している。領域３６２と領域３６４とでは、ピンホールの配列パターン、ピンホールの径やピンホールのピッチが異なっている。
【０１２０】
本変形例の赤外共焦点走査型顕微鏡３００Ｂにおいては、図１５において、光源３１０から射出された光ビームは、コリメートレンズ３１２で平行化され、赤外波長フィルター・ターレット３４０に入射する。赤外波長フィルター・ターレット３４０は特定の波長範囲の赤外光を透過する複数のフィルターを有し、そのひとつが光路上に配置されている。赤外波長フィルター・ターレット３４０のフィルターを透過した赤外光は、ハーフミラー３１６で反射され、回転ディスク３１８のピンホールを介して試料３８０に照射される。
【０１２１】
試料３８０からの反射光は、対物レンズ３２２、回転ディスク３１８、ハーフミラー３１６、収束レンズ３２８を経て、ＣＣＤカメラ３３０に入射し、前述したように、試料３８０の表面あるいは内部に形成される光スポットが位置する光軸に直交する平面上の画像が観察される。
【０１２２】
赤外波長フィルター・ターレット３４０のフィルターは、波長選択手段３５４からの指示に従ってコンピューター３３２Ａがモーター３５０を制御することにより回転され、所望のフィルターが光路上に配置される。
【０１２３】
ディスク走査型の赤外共焦点走査型顕微鏡においては、最適なピンホールの配列パターンは、使用する光の波長に依存して異なる。回転ディスク３６０は、使用する光に対して、より好適なピンホールの配列パターンの領域、領域３６２と領域３６４のいずれか一方が、光路上に配置される。なお、ピンホールの配列パターンの領域の切り替えは、ディスク移動手段３７０によりモーター３２０Ｂと共に回転ディスク３６０を光軸に直交する方向に移動させることにより行われる。
【０１２４】
本変形例の赤外共焦点走査型顕微鏡３００Ｂにおいては、赤外波長フィルター・ターレット３４０による波長の選択に加えて、回転ディスク３６０のピンホールの配列パターンがより好適なものに変更されることにより、試料に応じて更に好適な観察が可能となっている。
【０１２５】
つまり、赤外波長フィルター・ターレット３４０の使用するフィルターに応じて、回転ディスク３６０のピンホールの配列パターンを切り替えて、最適な共焦点効果を得ることにより、より多くの試料に対して適用可能となり、半導体結晶内部や基板実装後のＩＣの接合部分をより鮮明に観察することが可能となる。
【０１２６】
本実施形態においては、赤外波長フィルター・ターレット３４０の赤外光選択用のフィルターと回転ディスク３６０のピンホールの配列パターンの領域は共に二つであるが、その個数はこれに限定されるものではなく、赤外波長フィルター・ターレット３４０が更に多くのフィルターを有し、回転ディスク３６０が更に多くのピンホールの配列パターンの異なる領域を有していてもよい。これにより、より多くの試料に対して、最適な条件（波長とピンホールパターン）で観察を行なうことが可能となる。また、赤外波長フィルター・ターレット３４０の赤外光選択用のフィルターと回転ディスク３６０のピンホールの配列パターンの領域は必ずしも一対一で対応している必要は無く、必要に応じて回転ディスク３６０のひとつのピンホールの配列パターンで複数の波長帯域の赤外光に対応してもよい。
【０１２７】
また、回転ディスクは前記したものに限らず、共焦点効果の得られる構成であれば、他の方式を用いても良い。
【０１２８】
第四実施形態
本実施形態は、赤外光を用いた高さ測定装置に向けられている。図１７は、本発明の第四実施形態の高さ測定装置の構成を示している。
【０１２９】
図１７に示されるように、本実施形態の高さ測定装置４００は、載置された試料４８０を光軸に直交する面内で移動させ得るステージ４２６と、シリコンを透過する赤外光のビームを発する光源部４１０と、光源部４１０からの赤外光のビームを偏向する偏光ビームスプリッター４１２と、赤外光のビームを収束させて試料４８０の内部に光スポットを形成する対物レンズ４１８と、対物レンズ４１８を光軸に沿って移動可能に支持する支持機構４２０と、対物レンズ４１８を光軸に沿って移動させる対物レンズ移動機構（モーター）４２２と、対物レンズ４１８の光軸に沿った移動を計測するリニアスケール４２４とを有している。
【０１３０】
高さ測定装置４００は更に、１／４波長板４１４と結像レンズ４１６を有し、これらは偏光ビームスプリッター４１２と対物レンズ４１８の間に位置している。１／４波長板４１４は、偏光ビームスプリッター４１２と共働して、光源部４１０から試料４８０に向かう赤外光と、試料４８０で反射された赤外光とを分離する。分離された試料４８０からの反射赤外光は、偏光ビームスプリッター４１２を透過する。結像レンズ４１６は、試料４８０からの反射赤外光を結像させる。
【０１３１】
高さ測定装置４００は更に、試料４８０からの反射赤外光の合焦を検出する光検出器４２８と、光源部４１０とモーター４２２とステージ４２６を制御すると共にリニアスケール４２４と光検出器４２８からの情報を処理する演算処理装置４３０とを有している。
【０１３２】
図１７において、光源４１０から射出された赤外光のビームは、偏光ビームスプリッター４１２によって反射され、１／４波長板４１４を通過し、結像レンズ４１６に入射する。結像レンズ４１６に入射した赤外光のビームは、結像レンズ４１６によって平行ビームに変えられ、対物レンズ４１８によって収束され、試料４８０の表面または内部に光スポットを形成する。
【０１３３】
試料４８０の表面または内部で反射された赤外光は、対物レンズ４１８、結像レンズ４１６、１／４波長板４１４を通過した後、偏光ビームスプリッター４１２を透過し、光検出器４２８に入射する。光検出器４２８は、対物レンズ４１８の焦点位置に対するずれ量を示す情報を演算処理装置４３０へ出力する。演算処理装置４３０は、光検出器４２８からの輝度情報（山登り法による焦点検出方法で、Ｉ−Ｚ信号のピーク位置を合焦位置とする方法）に基づいて、輝度情報が最大となるように、モーター４２２を制御し、対物レンズ４１８の焦点位置を調整する。
【０１３４】
つまり、高さ測定装置４００は、シリコンを透過する赤外光を用いたオートフォーカス機構を有している。
【０１３５】
本実施形態の高さ測定装置４００は、複数の対象面の間の相対的な高さを測定し得る。以下、高さ測定装置４００による高さ測定について、ＦＣＢ実装されたパッケージのギャップ測定を例にあげて説明する。図１８は、ＦＣＢ実装されたパッケージのギャップ測定の光路図である。
【０１３６】
図１８に示されるように、測定対象のパッケージ４８０は、例えば、バンプ４９２によって互いに接合されたシリコンチップ４８２とプリント基板４８８とを有している。例えば、シリコンチップ４８２は配線パターン４８４とアルミパッド４８６を有し、プリント基板４８８はランド４９０を有し、アルミパッド４８６とランド４９０はバンプ４９２によって電気的に接続されている。
【０１３７】
ここでは、シリコンチップ４８２の下面とプリント基板４８８の上面とのギャップを測定する。
【０１３８】
まず、ステージ４２６により試料４８０を移動させて、図１８の左側に示されるように、シリコンチップ４８２の下面に形成された配線パターン４８４が光軸上に位置するように、試料４８０を位置決めする。演算処理装置４３０により、光検出器４２８で得られる輝度情報に基づいて対物レンズ４１８を光軸に沿って移動させ、赤外光のビームの収束点をシリコンチップ４８２の下面すなわち配線パターン４８４の上面に合わせる。そのときのリニアスケール４２４の読み取り値を基準値に設定する。
【０１３９】
次に、ステージ４２６により、図１８の右側に示されるように、シリコンチップ４８２の下面に形成された配線パターン４８４が赤外光のビームから外れる位置に試料４８０を移動させる。その位置は先の測定位置から近いとよい。演算処理装置４３０により、光検出器４２８で得られる輝度情報に基づいて対物レンズ４１８を光軸に沿って移動させ、プリント基板４８８の上面に合わせる。
【０１４０】
その際の対物レンズ４１８の移動量４９４は、シリコンチップ４８２の下面とプリント基板４８８の上面とのギャップに等しく、これは演算処理装置４３０においてリニアスケール４２４の前述の基準値に対する移動量として計測される。
【０１４１】
このように、本実施形態の高さ測定装置４００においては、ＦＣＢ実装されたパッケージ等の試料４８０の内部の複数の対象面の間の相対的な高さが測定され得る。
【０１４２】
更には、多数の点において同様の計測を行い、得られる多数の高さ情報を処理して、例えば、複数の対象面の間のギャップの平均や複数の対象面の平行度を求めることも可能である。
【０１４３】
また、この高さ測定装置４００は、実装装置に搭載し、実装装置上で測定しても構わない。このように、シリコン等、可視光では透過しないＦＣＢ実装されたパッケージ等の試料内部の対象面の相対高さを直接測定できるため、接合部の高さ測定や、加圧条件設定などを精度良く行なえる。
【０１４４】
変形例
図１９は、本実施形態の高さ測定装置の変形例の構成を示している。図１９において、図１７に示された部材と同一の参照符号で指示された部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。
【０１４５】
本変形例の高さ測定装置４００Ａは、高さ測定装置４００の構成に対して、赤外照明光を発する赤外線光源４４０と、赤外線光源４４０からの赤外照明光を対物レンズ４１８に反射すると共に試料４８０で反射された赤外照明光を透過するビームスプリッター４４２と、試料４８０で反射された赤外照明光を光源部４１０から射出された赤外光から分離するビームスプリッター４４４と、ビームスプリッター４４４を透過した赤外照明光を受光する赤外線撮像素子４４６とが付加された構成となっている。
【０１４６】
これに伴い、演算処理装置４３０に代わる演算処理装置４３０Ａは、光源部４１０とモーター４２２とステージ４２６の制御とリニアスケール４２４と光検出器４２８からの情報処理に加えて、赤外線撮像素子４４６からの情報すなわち画像をも処理し得る。
【０１４７】
ビームスプリッター４４２は、光源部４１０から射出される赤外光は透過するとよい。
【０１４８】
本変形例の高さ測定装置４００Ａにおいて、高さ測定は、光源部４１０から射出された赤外光のビームがビームスプリッター４４４とビームスプリッター４４２を経由する点を除けば、高さ測定装置４００と全く同様にして行われる。
【０１４９】
本変形例の高さ測定装置４００Ａにおいて、赤外線光源４４０から発せられた赤外照明光は、ビームスプリッター４４２で反射され、対物レンズ４８０を介して試料４８０に照射される。試料４８０で反射された赤外照明光は、対物レンズ４８０、ビームスプリッター４４２、結像レンズ４１６、ビームスプリッター４４４を通過し、赤外線撮像素子４４６に入射する。赤外線撮像素子４４６は、赤外照明光を反射した試料４８０内の部位の画像を得る。
【０１５０】
高さ測定装置４００Ａでは、赤外線撮像素子４４６で得られる画像に基づいて、試料４８０の内部の赤外光を反射する部位、例えば図１８に示されるパッケージ４８０におけるバンプ４９２や配線パターン４８４等、の位置を確認することが可能となる。これにより、高さ測定の際の位置決めをより短時間で行なうことが可能となる。
【０１５１】
本変形例においては、赤外照明光は、高さ測定の光学系の光軸に対して同軸の落射照明により対物レンズ４１８を介して試料４８０に照射されているが、対物レンズ４１８の外からの斜めに照射される斜照明により試料４８０に照射されてもよい。
【０１５２】
これまで、図面を参照しながら本発明の実施の形態を述べたが、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において様々な変形や変更が施されてもよい。
【０１５３】
また、第一実施形態から第四実施形態の対象試料として、シリコンが使用されているものを中心に説明したが、これに限らず、赤外光を透過する試料であればよい。
【０１５４】
また、第一実施形態から第四実施形態に記載の構成を適宜組み合わせが可能である。例えば、第一実施形態の装置に、第二実施形態で記載の波長選択手段を設けて使用波長を選択できるようにすることや、第一実施形態や第二実施形態の装置に、第四実施形態のオートフォーカス機能を設けることも可能である。
【０１５５】
１．シリコン材を含む試料の内部を観察するための赤外共焦点走査型顕微鏡であり、
シリコンを透過し得る赤外光のビームを発する光源部と、
光源部からの赤外光のビームを収束させて試料の内部に光スポットを形成する対物レンズと、
光スポットを光軸に直交する平面内で二次元的に走査する二次元走査機構と、
光スポットに対して共焦点の位置関係にある実質的微小開口と、
実質的微小開口を通る試料からの反射（赤外）光を検出する光検出器とを有している、赤外共焦点走査型顕微鏡。
【０１５６】
２．第１項において、対物レンズと試料を相対的に光軸に沿って移動させるＺ移動機構と、対物レンズと試料の光軸に沿った相対的な移動を検出する移動検出手段と、検出される移動に基づいて、試料内の複数の部位の光軸に沿った相対的な位置を計測する第一の位置計測手段とを更に有している、赤外共焦点走査型顕微鏡。
【０１５７】
３．第２項において、光検出器で得られる情報と光スポットの位置情報に基づいて光スポットが位置する平面の画像を形成する画像化手段と、得られた画像に基づいて、光軸に直交する同一平面内に位置する試料内の複数の部位の相対的な位置を計測する第二の位置計測手段とを有している、赤外共焦点走査型顕微鏡。
【０１５８】
４．第３項において、画像化手段で形成される光軸に沿った複数の位置における複数の画像を合成して、光軸に沿った複数の位置の全てにおいて焦点が合っている一枚の画像（エクステンド像）を形成するエクステンド像形成手段を更に有している、赤外共焦点走査型顕微鏡。
【０１５９】
５．第４項において、得られたエクステンド像に基づいて、光軸に沿った異なる位置において光軸に直交する異なる平面内に位置する試料内の複数の部位の相対的な位置を計測する第二の位置計測手段を更に有している、赤外共焦点走査型顕微鏡。
【０１６０】
６．第１項において、二次元走査機構は、赤外光のビームを二次元的に走査するビーム走査機構であり、実質的微小開口は、ピンホールである、赤外共焦点走査型顕微鏡。
【０１６１】
７．第１項において、二次元走査機構は、赤外光のビームを二次元的に走査するビーム走査機構であり、光検出器は、微小な受光領域を有しており、光検出器の微小な受光領域が実質的微小開口を構成する、赤外共焦点走査型顕微鏡。
【０１６２】
８．第１項において、二次元走査機構は、赤外光の光路を横切るディスクと、ディスクを回転させる回転手段とを含み、ディスクは複数の貫通孔を有し、貫通孔は実質的微小開口を構成し、光検出器は、二次元的な広がりを持つ領域において光を検出し得る撮像素子である、赤外共焦点走査型顕微鏡。
【０１６３】
９．第１項において、対物レンズは、試料内のシリコン材に起因して生じる収差が補正されている、赤外共焦点走査型顕微鏡。
【０１６４】
１０．第１項において、対物レンズは、試料内のシリコン材に起因して生じる収差を補正する機能を有している、赤外共焦点走査型顕微鏡。
【０１６５】
１１．第６項または第７項において、試料に応じて試料に照射される光の波長を選択する波長選択手段を更に有している、赤外共焦点走査型顕微鏡。
【０１６６】
１２．第１１項において、光源部は複数の光源を含み、複数の光源はそれぞれ異なる波長の光を発し、波長選択手段は、複数の光源を選択的に駆動させることにより、試料に照射される光の波長を選択する、赤外共焦点走査型顕微鏡。
【０１６７】
１３．第１１項において、光源部は複数の波長の光を発し、波長選択手段は、それぞれ異なる波長帯域の光を透過する複数のフィルターを含み、複数のフィルターのひとつを選択的に光路中に配置することにより、試料に照射される光の波長を選択する、赤外共焦点走査型顕微鏡。
【０１６８】
１４．第３項において、試料に応じて試料に照射される光の波長を選択する波長選択手段と、選択される波長に応じて引き起こされる画像の明るさの変動を修正する手段とを更に有している、赤外共焦点走査型顕微鏡。
【０１６９】
１５．第８項において、ディスクは貫通孔の配列パターンの異なる複数の領域を有し、試料に応じて試料に照射される光の波長を選択する波長選択手段と、選択される波長に対応して赤外光が照射されるディスクの領域を変更する手段とを更に有している、赤外共焦点走査型顕微鏡。
【０１７０】
１６．シリコン材を含む試料内の複数の部位の相対的な位置を計測する計測方法であり、
シリコンを透過し得る赤外光のビームを収束させて試料の内部に光スポットを形成し、
光スポットを平面内で二次元的に走査し、
光スポットに対して共焦点の位置において試料からの反射（赤外）光を検出し、
検出される反射（赤外）光と光スポットの位置とに基づいて光スポットが位置する平面の画像を形成し、
光スポットの高さ位置を変えて同様の操作を繰り返し行なうことにより複数の画像を取得し、
取得した複数の画像を合成して全ての高さ位置において焦点が合っている一枚の画像（エクステンド像）を形成し、
得られたエクステンド像に基づいて試料内の複数の部位の相対的な位置を計測する、計測方法。
【０１７１】
１７．試料の内部（その表面も含む）の複数の対象面の間の相対的な高さを測定する高さ測定装置であり、
シリコンを透過し得る赤外光のビームを発する光源部と、
光源部からの赤外光のビームを試料の内部に収束させる対物レンズと、
赤外光のビームの収束点を対象面に合わせるオートファオーカス機構と、
対物レンズと試料の光軸に沿った相対的な移動量を計測する移動計測手段とを備えている、高さ測定装置。
【０１７２】
１８．第１７項において、オートファオーカス機構は、対象面に対する赤外光のビームの収束点のずれを検出する光検出器と、対物レンズと試料を相対的に光軸に沿って移動させる移動機構と、光検出器で得られる情報に基づいて赤外光のビームの収束点のずれを無くすように移動機構を制御する手段とを有している、高さ測定装置。
【０１７３】
【発明の効果】
本発明によれば、シリコン材を含む試料の内部構造を高いコントラストで観察し得る赤外共焦点走査型顕微鏡が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一実施形態の光ビーム走査型の赤外共焦点走査型顕微鏡の構成を示している。
【図２】光の波長に対するシリコンの透過率特性を示している。
【図３】図１に示される赤外共焦点走査型顕微鏡における、対物レンズと試料の相対位置（Ｚ）と光検出器の出力すなわち光強度（Ｉ）との関係を示すグラフである。
【図４】図１に示される赤外共焦点走査型顕微鏡で観察される試料の一例であるＦＣＢ実装されたパッケージを示しており、赤外光がシリコンチップの下面に合焦されている状態を示している。
【図５】図１に示される赤外共焦点走査型顕微鏡で観察される試料の一例であるＦＣＢ実装されたパッケージを示しており、赤外光がプリント基板の上面に合焦されている状態を示している。
【図６】図１に示される対物レンズに代えて適用可能な別の対物レンズを示している。
【図７】本発明の第二実施形態の光ビーム走査型の赤外共焦点走査型顕微鏡の構成を示している。
【図８】図７に示される光源部の構成を示している。
【図９】図７に示される光源部の別の構成を示している。
【図１０】図７に示される赤外共焦点走査型顕微鏡で測定される試料をモデル化して示している。
【図１１】本発明の第三実施形態のディスク走査型の赤外共焦点走査型顕微鏡の構成を示している。
【図１２】第三実施形態のディスク走査型の赤外共焦点走査型顕微鏡の変形例の構成を示している。
【図１３】図１２に示される赤外波長フィルター・ターレットの構成を示している。
【図１４】図１２に示される赤外波長フィルター・ターレットの別の構成を示している。
【図１５】第三実施形態のディスク走査型の赤外共焦点走査型顕微鏡の別の変形例の構成を示している。
【図１６】図１５に示される回転ディスクの平面図である。
【図１７】本発明の第四実施形態の高さ測定装置の構成を示している。
【図１８】ＦＣＢ実装されたパッケージのギャップ測定の光路図である。
【図１９】第四実施形態の高さ測定装置の変形例の構成を示している。
【符号の説明】
１００…赤外共焦点走査型顕微鏡、１１０…光源部、１１２…ＰＢＳ、１１４…二次元走査機構、１２０…波長板、１２２…対物レンズ、１２４…対物レンズ移動機構、１２６…Ｚスケール、１２８…収束レンズ、１３０…光検出器、１３２…制御部、１３４…モニター、２００…赤外共焦点走査型顕微鏡、２１０…光源部、２１２…半導体レーザー、２１４…半導体レーザー、２１６…半導体レーザー、２１８…ミラー、２２０…ハーフミラー、２２２…ハーフミラー、２２４…光学プリズム、２３０…二次元走査機構、２３２…ガルバノミラー、２４０…波長板、２４２…対物レンズ、２４６…Ｚステージ、２４８…ＰＢＳ、２５０…収束レンズ、２５２…ピンホール、２５４…光検出器、２５６…制御部、２５８…モニター、３００…赤外共焦点走査型顕微鏡、３００Ａ…赤外共焦点走査型顕微鏡、３００Ｂ…赤外共焦点走査型顕微鏡、３１０…光源、３１４…赤外波長フィルター、３１６…ハーフミラー、３１８…回転ディスク、３２０…モーター、３２０Ｂ…モーター、３２２…対物レンズ、３２８…収束レンズ、３３０…ＣＣＤカメラ、３３２…コンピューター、３３２Ａ…コンピューター、３３４…モニター、３４０…赤外波長フィルター・ターレット、３５０…モーター、３５４…波長選択手段、３６０…回転ディスク、３６２…ピンホールパターン領域。

Claims

試料の内部を観察するための赤外共焦点走査型顕微鏡であり、
赤外光のビームを発する光源部と、
光源部からの赤外光のビームを収束させて試料の内部に光スポットを形成する対物レンズと、
光スポットを光軸に直交する平面内で二次元的に走査する走査機構と、
光スポットに対して共焦点の位置関係にある実質的微小開口と、
実質的微小開口を通る試料からの反射（赤外）光を検出する光検出器とを有している、赤外共焦点走査型顕微鏡。
請求項１において、走査機構は、赤外光のビームを二次元的に走査するビーム走査機構であり、実質的微小開口は、ピンホールである、赤外共焦点走査型顕微鏡。
試料の内部を観察するための赤外共焦点走査型顕微鏡であり、
赤外光のビームを発する光源部と、
光源部からの赤外光のビームを収束させて試料の内部に光スポットを形成する対物レンズと、
光スポットを光軸に直交する平面内で二次元的に走査する走査機構と、
光スポットに対して共焦点の位置関係にある微小な受光領域を有して、微小な受光領域が実質的微小開口を構成する光検出器とを有している、赤外共焦点走査型顕微鏡。
試料の内部を観察するための赤外共焦点走査型顕微鏡であり、
赤外光のビームを発する光源部と、
光源部からの赤外光のビームを収束させて試料の内部に光スポットを形成する対物レンズと、
光スポットを光軸に直交する平面内で二次元的に走査する走査機構と、
光スポットに対して共焦点の位置関係にあり、赤外光の光路を横切る所定のパターンで複数の光透過部と光遮光部が形成されたディスクと、
二次元的な広がりを持つ領域において光を検出し得る撮像素子とを有している、赤外共焦点走査型顕微鏡。
請求項１または請求項３または請求項４において、対物レンズと試料を相対的に光軸に沿って移動させるＺ移動機構と、対物レンズと試料の光軸に沿った相対的な移動を検出する移動検出手段と、検出される移動に基づいて、試料内の複数の部位の光軸に沿った相対的な位置を計測する第一の位置計測手段とを更に有している、赤外共焦点走査型顕微鏡。
請求項５において、光検出器で得られる情報と光スポットの位置情報に基づいて光スポットが位置する平面の画像を形成する画像化手段と、得られた画像に基づいて、光軸に直交する同一平面内に位置する試料内の複数の部位の相対的な位置を計測する第二の位置計測手段とを有している、赤外共焦点走査型顕微鏡。
請求項６において、画像化手段で形成される光軸に沿った複数の位置における複数の画像を合成して、光軸に沿った複数の位置の全てにおいて焦点が合っている一枚の画像（エクステンド像）を形成するエクステンド像形成手段を更に有している、赤外共焦点走査型顕微鏡。
請求項７において、得られたエクステンド像に基づいて、光軸に沿った異なる位置において光軸に直交する異なる平面内に位置する試料内の複数の部位の相対的な位置を計測する第二の位置計測手段を更に有している、赤外共焦点走査型顕微鏡。
請求項１において、対物レンズは、試料に起因して生じる収差が補正されている、赤外共焦点走査型顕微鏡。
請求項１において、対物レンズは、試料に起因して生じる収差を補正する機能を有している、赤外共焦点走査型顕微鏡。
請求項１または請求項３または請求項４において、試料に応じて試料に照射される光の波長を選択する波長選択手段を更に有している、赤外共焦点走査型顕微鏡。
請求項１１において、光源部は複数の光源を含み、複数の光源はそれぞれ異なる波長の光を発し、波長選択手段は、複数の光源を選択的に駆動させることにより、試料に照射される光の波長を選択する、赤外共焦点走査型顕微鏡。
請求項１１において、光源部は複数の波長の光を発し、波長選択手段は、それぞれ異なる波長帯域の光を透過する複数のフィルターを含み、複数のフィルターのひとつを選択的に光路中に配置することにより、試料に照射される光の波長を選択する、赤外共焦点走査型顕微鏡。
請求項６において、試料に応じて試料に照射される光の波長を選択する波長選択手段と、選択される波長に応じて引き起こされる画像の明るさの変動を修正する手段とを更に有している、赤外共焦点走査型顕微鏡。
請求項４において、ディスクは複数の光透過部と光遮光部の配列パターンの異なる複数の領域を有し、試料に応じて試料に照射される光の波長を選択する波長選択手段と、選択される波長に対応して赤外光が照射されるディスクの領域を変更する手段とを更に有している、赤外共焦点走査型顕微鏡。
請求項１１において、光源部は複数の光源を含み、複数の光源はそれぞれ異なる波長の光を発し、波長選択手段は、各々の光源の前に設けられている光を遮断するシャッタを制御することにより、試料に照射される光の波長を選択する、赤外共焦点走査型顕微鏡。
試料内の複数の部位の相対的な位置を計測する計測方法であり、
赤外光のビームを収束させて試料の内部に光スポットを形成し、
光スポットを平面内で二次元的に走査し、
光スポットに対して共焦点の位置において試料からの反射（赤外）光を検出し、
検出される反射（赤外）光と光スポットの位置とに基づいて光スポットが位置する平面の画像を形成し、
光スポットの高さ位置を変えて同様の操作を繰り返し行なうことにより複数の画像を取得し、
取得した複数の画像を合成して全ての高さ位置において焦点が合っている一枚の画像（エクステンド像）を形成し、
得られたエクステンド像に基づいて試料内の複数の部位の相対的な位置を計測する、計測方法。