JPH07198348A - 表面形状測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は表面形状測定装置において、レジスト
成分を含む被測定物の表面形状の測定を正確にし得る。 【構成】レジスト成分を含む被測定物８上に照射する照
射光の波長帯域を 475〜 560〔nm〕にとることにより、
レジスト成分を含む部分での反射率強度が十分に得られ
るようになると共に、レジスト成分を含まない部分との
反射率強度の差を減らすことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【目次】以下の順序で本発明を説明する。 産業上の利用分野 従来の技術（図５及び図６） 発明が解決しようとする課題（図６） 課題を解決するための手段（図１及び図２） 作用（図３及び図４） 実施例（図１〜図４） 発明の効果

【０００２】

【産業上の利用分野】本発明は表面形状測定装置に関
し、被測定物表面にレーザ光を照射して非接触で被測定
物表面の形状を測定するものに適用し得る。

【０００３】

【従来の技術】従来、被測定物平面の表面形状を測定す
る非接触の測定装置として、例えば図５に示すような表
面形状測定装置１が用いられている。表面形状測定装置
１は照射系２と、受光系３とから構成される。照射系２
は出射レーザ光の波長が 632〜830 〔nm〕の近赤外光を
照射する照射光源レーザ装置４と、コリメータレンズ
５、シリンドリカルレンズ６及びシリンドリカルレンズ
７とからなり、レーザ光を線状の光（以下これを輝線と
いう）として被測定物平面８に照射する構成となつてい
る。

【０００４】この照射系２が被測定物平面８に対して垂
直上方に位置するように配置される。受光系３はレーザ
反射光を受光するＣＣＤ(couple charged device) カメ
ラ９とＣＣＤカメラ９上へ被測定物平面８上のレーザ光
による輝線を結像する結像レンズ１０とからなり、被測
定物平面に対して斜め上方向に位置するように配置され
る。

【０００５】表面形状測定装置１による被測定物平面８
の表面形状測定は照射光源レーザ装置４から照射するレ
ーザ光をコリメータレンズ５、シリンドリカルレンズ６
及びシリンドリカルレンズ７とにより輝線として被測定
物平面８に対して垂直上方から照射し、さらに被測定物
平面８を輝線の直交方向に水平に移動させて走査する。
これにより被測定物平面８上の物体面の頂点と基準点に
輝線が集光される。

【０００６】この輝線の反射は結像レンズ１０によりＣ
ＣＤカメラ９の受光面に結像される。ＣＣＤカメラ９の
受光面には被測定物平面８上の基準面８Ａと物体上面８
Ｂに集光された輝線の反射が位置が異なる２点の観測点
として結像される。この２点の観測点と被測定物平面８
の基準面８Ａ又は物体上面８Ｂとによつて形成される三
角形において観測点間の距離及び観測点における視角と
から三角測量法を用いて被測定物平面８上の基準面８Ａ
から物体上面８Ｂまでの高さを算出する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところが照射光源レー
ザに近赤外のレーザ光を用いて表面形状を測定する場
合、被測定物がレジスト成分を有すると、例えば図６に
示すようにレジスト成分の反射率は出射光の波長が 780
〔nm〕のＧａＡｌＡｓ(gallium alminium arsenic)レー
ザでは0.54〔％〕、また出射光の波長が 670〔nm〕のＡ
ｌＧａＩｎＰ(aluminium gallium indium phosphorus)
レーザでは0.28〔％〕と低いため受光素子で十分な光量
を得ることが困難になる。またレジスト成分を含まない
例えば半田部分では反射率が約70〔％〕となり、受光素
子により感知する光強度に大きな差が生じ、光強度から
変換されるビデオ信号強度の差異が非常に大きくなる。

【０００８】このため、例えば半田部分のビデオ信号が
飽和しないように受光レベルを設定した場合、レジスト
成分を含む部分でのビデオ信号のＳＮ比が悪くなり正確
な表面形状測定が困難となる問題があつた。さらに照射
光を線状に集光した場合、レジスト成分を含む部分と含
まない部分とで反射光の線幅が変化して、正確な形状測
定ができないという問題があつた。

【０００９】本発明は以上の点を考慮してなされたもの
で、レジスト成分を含む被測定物の表面形状を正確に測
定し得る表面形状測定装置を提案しようとするものであ
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】かかる課題を解決するた
め本発明においては、波長帯域 475〜560 〔nm〕の光を
出射する照射光源２３と、照射光源２３から出射される
光を被測定物８上に輝線として集光するレンズ系２４
と、被測定物８上に集光された輝線の反射光を受光する
受光手段９と、受光手段９の受光面９Ａ上に被測定物８
上に集光された輝線４０の反射光を結像する結像レンズ
１０とを備える。

【００１１】

【作用】レジスト成分を含む被測定物８上に照射する照
射光の波長帯域を 475〜 560〔nm〕にすることにより、
レジスト成分を含む部分における反射率強度が十分得ら
れるようになると共に、レジスト成分を含まない部分と
の反射率強度の差を減らすことができる。これにより被
測定物８上の反射光の測定が容易になし得る。

【００１２】

【実施例】以下図面について、本発明の一実施例を詳述
する。

【００１３】図５との対応部分に同一符号を付けて示す
図１において、２０は全体として表面形状測定装置を示
し、レーザ光を被測定物平面８上に集光する照射系２１
と、被測定物平面８上のレーザ光による輝線をＣＣＤカ
メラ９によつて受光する受光系２２とから構成されてい
る。表面形状測定装置２０は自動制御装置（図示せず）
を用いて、被測定物平面８を水平走査して被測定物平面
８の全面の表面形状を測定する。

【００１４】照射系２１は照射光源となる第２高調波レ
ーザ装置２３と、第２高調波レーザ装置２３から出射さ
れるレーザ光ＭＧを被測定物平面８上に集光するレンズ
群２４とから構成される。照射系２１は被測定物平面８
の垂直上方に配置され、出射されるレーザ光ＭＧが被測
定物平面８に対して垂直に照射されるように被測定物平
面８を水平走査する。第２高調波レーザ装置２３は励起
光に半導体レーザを用い基本波レーザ光を出射するＮd:
ＹＡＧ(neodymium yittrium alminium garnet)レーザ媒
質と、Ｎd:ＹＡＧレーザ媒質から出射される波長1064
〔μm 〕の基本波レーザ光を波長 532〔nm〕の第２高調
波に波長変換するＳＨＧ(second harmonicgeneration)
非線形光学素子とからなる。

【００１５】レンズ群２４はコリメータレンズ２５、シ
リンドリカルレンズ２６及び球面レンズ２７とから構成
される。第２高調波レーザ装置２３から出射されるレー
ザ光ＭＧはコリメータレンズ２５を介して平行光とな
る。さらにシリンドリカルレンズ２６と球面レンズ２７
とにより線状に集光されてＮＡ(numerical aperture)約
0.025 、焦点深度約 400〔μm 〕、集光点から光軸方向
± 2.5〔mm〕範囲の線幅50〜 100〔μm 〕、線長方向 7
〜 8〔mm〕のレーザ光でなる輝線として被測定物平面８
に照射される。また被測定物平面８上でのレーザ照射光
量は線幅50〔μm〕で線長方向に50〔μW/mm〕である。

【００１６】ここで照射されるレーザ光ＭＧは基板上の
レジスト成分に対して、反射率強度が2.66〔％〕となり
レジスト成分の最大反射率強度ＭＡＸ（約 3〔％〕）の
75〔％〕以上に達する。これによりレジスト成分を含ま
ない部分との反射率強度の差異を少なくすることができ
る。

【００１７】次に受光系２２の構成は表面形状測定装置
１における受光系３と同様の結像レンズ１０及びＣＣＤ
カメラ９とから構成される。ここで結像レンズ１０の光
軸ＡＸと照射系２１の光軸ＢＸとは角θが45度になるよ
うに設定され、さらに結像レンズ１０のレンズ面１０Ａ
の延長線とＣＣＤカメラ９上の結像面９Ａの延長線との
角φは45度に設定される。また受光系２２には結像レン
ズ１０は倍率が１倍のものが用いられる。このように照
射系２１と受光系２２とをシヤインプルフの原理に基づ
いて配置する。

【００１８】すなわち図２に示すように、シヤインプル
フの原理によれば物体面３０の延長線ＡＢと像面３１の
延長線ＣＤとレンズ３２の光軸ＱＲに直交するレンズ面
３２Ａの延長線ＯＰとが１点で交わるようにレンズ光軸
の傾きを設定し、レンズ３２の光軸ＱＲと物体面３０と
のなす角度をθ、像面３１の延長線ＣＤとレンズ面３２
Ａの延長線ＯＰとのなす角度をφ、レンズ３２の倍率を
Ｍとすると、次式

【数１】 に示す関係式が成り立つ。これにより像面３１に結像す
るレンズ３２による物体面３０の像は全てピントが合う
ようになる。

【００１９】因みに上述の例の場合、角θとして45度、
角φとして45度、さらにレンズの倍率１であるので、こ
れらを（１）式に代入すると、シヤインプルフの原理を
満たしており、従つて結像レンズ１０によりＣＣＤカメ
ラ９の結像面９Ａに結像される被測定物平面８上の像は
全てピントが合う。

【００２０】以上の構成において、例えばクリーム半田
を塗布した後の半導体実装基板上の被測定物平面８に第
２高調波レーザ装置２３からレーザ光ＭＧを照射するこ
とで被測定物平面８上の表面形状測定が開始される。第
２高調波レーザ装置２３から出射されたレーザ光ＭＧは
コリメータレンズ２５を介して平行光とされ、さらにシ
リンドリカルレンズ２６、球面レンズ２７により線状に
集光され被測定物平面８上に照射される。このとき被測
定物平面８上では基準面８Ａに対して輝線４０Ａが、高
さを測定する対象の物体上面８Ｂには輝線４０Ｂが観察
される。

【００２１】この輝線４０Ａ及び４０Ｂは図３に示すよ
うに、結像レンズ１０を介して、ＣＣＤカメラ９の受光
面上に結像される。すなわち被測定物平面８の基準面８
Ａの輝線４０Ａは輝線４１Ａとして、さらに物体上面８
Ｂの輝線４０Ｂは輝線４１Ｂとして、それぞれＣＣＤカ
メラ９の受光面に結像される。このとき基準面８Ａから
物体上面８Ｂまでの高さｈは、結像される輝線４１Ａ及
び４１Ｂ間のずれｈ´として観察される。

【００２２】ここで被測定物平面８上にレジスト成分が
含まれている場合でも波長 532〔nm〕の緑色レーザ光Ｍ
Ｇの反射率は2.66〔％〕と、従来に比し20〔dB〕以上改
善されるので、クリーム半田での反射率強度との差異は
少なくなりＳＮ比の高い正確な測定ができる。さらに被
測定物平面８上に照射される輝線４０が線状に集光され
てもレジスト成分を含む部分とレジスト成分を含まない
部分とで線幅が一定となり、より正確な測定ができる。
また波長 532〔nm〕のレーザ光ＭＧは緑色の可視光なの
で被測定物平面８上での照射部分が目視でき、これによ
り参照光レーザを必要とせずに被測定物平面８上にレー
ザ光ＭＧをあてることができる。

【００２３】このＣＣＤカメラ９の受光面に集光された
輝線４１Ａ及び４１Ｂをビデオ信号に変換すると、図４
に示すように、輝線の位置がそれぞれビデオ信号のピー
ク４２Ａ及び４２Ｂとして現れる。ここで基準面８Ａに
おけるＨシンクとピーク４２Ａ間の画素数ａ、物体上面
８ＢにおけるＨシンクとピーク４２Ｂ間の画素数ｂとを
各々読み取る。これにより画素数ａ及び画素数ｂとの差
が観測点間距離として測定され、さらに輝線４２Ａ及び
４２Ｂとにおける視角とから三角測量法を用いて基準面
８Ａから物体上面８Ｂまでの高さが算出される。

【００２４】以上の構成によれば、波長 532〔nm〕の緑
色のレーザ光を照射して表面形状の測定をするようにし
たことにより、被測定物上にレジスト成分が含まれてい
る場合でも十分な反射率強度が得られることにより、レ
ジスト成分が含まれている部分と含まれていない部分の
反射光が同一の照射光によつて共にＳＮ比良く検出でき
る。さらにレジスト成分が含まれている部分と含まれて
いない部分とで反射光の線幅が変わらなくなり、これに
より正確な表面形状の測定をなし得る。また可視光であ
るために参照光に用いるレーザ装置が不要となり、部品
点数を減らすことができ装置が小型化し得る。

【００２５】なお上述の実施例においては、照射系と受
光系の光学的配置をシヤインプルフの原理に基づいた配
置とした場合について述べたが、本発明はこれに限ら
ず、受光系の結像レンズの光軸角度を被測定物の表面に
集光される輝線がＣＣＤカメラで観測できる角度に配置
すれば良い。

【００２６】また上述の実施例においては、１つの照射
系に対して１つの受光系を配置した場合について述べた
が、本発明はこれに限らず、１つの照射系に対して左右
対象に２つ以上の受光系を設置するようにしても良く、
このようにすれば表面形状の測定精度を一段と向上し得
る。

【００２７】さらに上述の実施例においては、照射レー
ザの出力は50〔μW/mm〕としているが、輝線部分を表す
ビデオ信号が飽和せず、その強度中心が検出できる範囲
であれば良い。さらに上述の実施例においては、ＣＣＤ
カメラに２分の３インチのものを用いているが、カメラ
サイズはこれに限らなくても良く、さらに上述の実施例
においては、受光素子にＣＣＤカメラを用いた場合につ
いて述べたが、ＣＣＤラインセンサー又は光学的位置セ
ンサー等でも良い。

【００２８】また上述の実施例においては、照射光源に
波長 532〔nm〕の緑色光のレーザを用いた場合について
述べたが、本発明はこれに限らず、例えば波長 442〔n
m〕のＣｄ：Ｈｅ（cadmium helium) 等の気体レーザ、
波長 477〔nm〕、 488〔nm〕、497〔nm〕、 502〔n
m〕、 515〔nm〕のＡｒ(argon) 又は波長 521〔nm〕、
531〔nm〕のＫｒ (krypton)等のイオンレーザ、波長帯
域が 475〜 560〔nm〕の半導体レーザ又は波長帯域が 4
75〜 560〔nm〕のＬＥＤ(light emitting diode)等を照
射光源に用いるようにしても良い。

【００２９】また上述の実施例においては、ＳＨＧの基
本波レーザ光を出射するレーザ媒質としてＮｄ：ＹＡＧ
レーザ媒質を用いたが、本発明はこれに限らず、例えば
Ｎｄ：ＹＶＯ₄ （ネオジムイオン、バナジウム酸イツト
リウム）等を用いても良く、また基本波レーザ光を出射
するレーザ媒質の励起光源として半導体レーザ装置の他
にフラツシユランプ等を用いても良い。

【００３０】さらに上述の実施例においては、半導体実
装基板上の表面形状を測定する場合について述べたが、
本発明はこれに限らず、 475〜 560〔nm〕反射帯域を有
する被測定物の表面形状を測定する場合に広く適用し得
る。

【００３１】

【発明の効果】上述のように本発明によれば、可視光線
の緑色の成分に対する反射率強度が大きい波長帯域 475
〜560 〔nm〕の照射光源を用いることにより、 475〜56
0 〔nm〕の反射帯域を有する被測定物上の反射率強度が
十分に得られ、さらに照射光が目視できるので、これに
より正確な反射光による測定が参照光なしで容易になし
得る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による表面形状測定装置の一実施例を示
す略線図である。

【図２】シヤインプルフの原理を示す略線図である。

【図３】ＣＣＤカメラで認識する画像を示す略線図であ
る。

【図４】ＣＣＤカメラで得られるビデオ信号を示す信号
波形図である。

【図５】従来の表面形状測定装置を示す略線図である。

【図６】レジスト成分の反射率分光特性を示す特性曲線
図である。

【符号の説明】

１、２０……表面形状測定装置、４……照射光源レーザ
装置、５、２５……コリメータレンズ、６、７、２６…
…シリンドリカルレンズ、８……被測定物平面、９……
ＣＣＤカメラ、１０…結像レンズ、２７……球面レン
ズ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鵜飼 信之 岐阜県美濃加茂市本郷町９丁目15番22号ソ ニー美濃加茂株式会社内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】波長帯域 475〜560 〔nm〕の光を出射する
   照射光源と、 上記照射光源から出射される光を被測定物上に輝線とし
   て集光するレンズ系と、 上記被測定物上に集光された上記輝線の反射光を受光す
   る受光手段と、 上記受光手段の受光面上に上記被測定物上に集光された
   上記輝線の反射光を結像する結像レンズとを具えること
   を特徴とする表面形状測定装置。
2. 【請求項２】上記照射光源は、 励起光源の半導体レーザ装置と、 上記半導体レーザ装置によつて励起され基本波レーザ光
   を出射するＮd:ＹＡＧレーザ媒質と、 上記Ｎd:ＹＡＧレーザ媒質から出射される基本波レーザ
   光を第２高調波に波長変換する非線形光学素子とを具え
   ることを特徴とする請求項１に記載の表面形状測定装
   置。
3. 【請求項３】上記被測定物上に照射される照射光の光軸
   と上記結像レンズの光軸との第１の角と、上記結像レン
   ズの光軸に直交する当該結像レンズの中心面の延長線と
   上記受光手段の受光面の延長線との第２の角と上記結像
   レンズの倍率で、上記第１の角の正接が上記倍率と上記
   第２の角の正接との商に等しくなるように上記結像レン
   ズを配置することを特徴とする請求項１又は請求項２に
   記載の表面形状測定装置。
4. 【請求項４】上記被測定物として、実装基板の表面形状
   を測定し、上記波長帯域 475〜 560〔nm〕の光によつ
   て、上記実装基板のレジスト成分に対して最大値の４分
   の３以上の反射率強度を得るようにしたことを特徴とす
   る請求項１、請求項２又は請求項３に記載の表面形状測
   定装置。