JPH11173821A - 光学式検査装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 共焦点法による高精度な計測精度を維持しな
がら、測定対象物における任意の位置での高さ計測を高
速に実現し得る光学式検査装置を提供する。 【解決手段】 光源から出力された光ビームを測定対象
物に照射すると共に、前記検査対象物による反射光を上
記光ビームと同軸に集光する対物レンズと、この対物レ
ンズを介して集光された反射光をビームスプリッタを介
して前記光ビームの光路から分離して受光する受光器
と、前記対物レンズを介する光ビームおよび反射光の前
記検査対象物に対する実質的な光路長を変化させる集光
レンズの焦点調整手段（アクチュエータ）と、前記光ビ
ームを所定の向きに偏向して前記対物レンズを介する光
ビームの照射位置を変位させると共に、該照射位置から
の反射光を上記対物レンズを介して集光して前記受光器
に導く２次元可動ミラーとを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体チップ等の
外観・形状検査やプリント基板における部品実装状態の
検査等に用いられる光学式検査装置に関する。

【０００２】

【関連する背景技術】半導体チップ等の外観・形状を光
学的に検査する手法の１つに、レンズの縦倍率を利用し
た共焦点法がある。この共焦点法は、基本的には測定対
象物を視野する光学系（レンズ）の焦点位置を変化さ
せ、合焦点の情報から上記測定対象物の高さを求めるも
のである。

【０００３】具体的には図３に示すように、光源１から
出力した光を対物レンズ２を介して測定対象物３に照射
し、その反射光を上記対物レンズ２を介して集光する。
そしてこの反射光をハーフミラー（ビームスプリッタ）
４を介して受光器５に導き、その受光光量を計測する。
このとき図３(ａ)〜(ｃ)に示すように前記対物レンズ２
を光軸方向に変位させてその焦点位置を変化させる。す
ると図４に示すように測定対象物３に対する焦点位置の
変化に伴って受光器５による受光量が変化し、測定対象
物３に焦点があったとき、その受光量が最大となること
を利用して上記測定対象物３の高さを計測するものであ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが上述した共焦
点法による形状計測は、レンズの横倍率を利用した従来
一般的な三角測距法に比較して、その測定精度が高い等
の利点がある反面、例えば対物レンズを光軸方向に変位
させる必要があるので、計測に要する時間が長い（測定
速度が遅い）と言う問題がある。特に半導体チップ等の
外観・形状を検査したり、プリント基板における部品実
装状態を検査する場合のように、或る程度広い領域に亘
って計測位置を変えながら高さ計測を行うような場合、
その位置制御と相俟って計測速度が益々遅くなると言う
不具合がある。しかも計測位置の制御に機械的な２軸形
走査ステージを用いるようにすると、装置の全体構成が
相当大掛かりで高価なものとなることが否めない。

【０００５】本発明はこのような事情を考慮してなされ
たもので、その目的は、共焦点法による高精度な計測精
度を維持しながら、測定対象物における任意の位置での
高さ計測を高速に実現し得る簡易で実用性の高い光学式
検査装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上述した目的を達成する
べく本発明に係る光学式検査装置は、光源から出力され
た光ビームを上記測定対象物に照射すると共に、前記検
査対象物による反射光を上記光ビームと同軸に集光する
対物レンズと、この対物レンズを介して集光された反射
光をビームスプリッタを介して前記光ビームの光路から
分離して受光する受光器と、前記対物レンズを介する光
ビームおよび反射光の前記検査対象物に対する実質的な
光路長を変化させる焦点調整手段とを備え、更に前記光
ビームを所定の向きに偏向して前記対物レンズを介する
光ビームの照射位置を変位させると共に、該照射位置か
らの反射光を上記対物レンズを介して集光して前記受光
器に導く２次元可動ミラーを備えたことを特徴としてい
る。

【０００７】即ち、ビームスプリッタと対物レンズとを
結ぶ光ビームおよび反射光の光路中に、上記光ビームお
よび反射光を所定の向きに偏向することで該光ビームお
よび反射光の対物レンズにおける透過位置を変化させ、
これによって測定対象物に対する光ビームの照射位置、
およびその反射光の検出位置を光学的に変位させるよう
にしたことを特徴としている。

【０００８】本発明の好ましい態様としては、請求項２
に記載するように前記光源と焦点調整手段との間の光路
および前記受光器と焦点調整手段との間の光路をコリメ
ータ光学系をなして設け、また請求項３に記載するよう
に前記焦点調整手段としては、前記２次元可動ミラーの
手前に設けられた集光レンズを光軸方向に移動変位させ
るアクチュエータとして実現することを特徴としてい
る。

【０００９】即ち、２次元可動ミラーの手前に焦点調整
手段を設けることで、２次元可動ミラーおよび焦点調整
手段における集光レンズの小型化を図り、また２次元可
動ミラーを介する光ビームおよび反射光を絞ることで、
その小型化と駆動速度の高速化を図り、全体として測定
速度を向上させることを特徴としている。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の一
実施形態に係る光学式検査装置について説明する。図１
はこの実施形態に係る光学式検査装置の概略的な構成を
示しており、１１は測定対象物に対向させて配置される
対物レンズである。この対物レンズ１１としては、後述
するように光学的に偏向走査される光ビームの走査範囲
に相当する大径のものが用いられ、該検査装置の筐体部
に固定的に組み込まれる。しかして対物レンズ１１の上
方には、該対物レンズ１１の光学的中心を通り、４５°
の傾きを持つ基準位置に姿勢制御された２次元ガルバノ
ミラー（２次元反射鏡）１２が設けられている。このガ
ルバノミラー１２は、図示しない２次元姿勢制御機構に
よりその光学的中心を支点として２次元的に傾き制御さ
れるものである。

【００１１】一方、上記ガルバノミラー１２の側方に
は、焦点調整手段１３としての集光レンズ１３ａが配置
されている。この集光レンズ１３ａは、例えばリニアモ
ータや圧電振動子からなるアクチュエータ１３ｂにより
支持されて、その光軸方向に移動変位自在に設けられて
いる。即ち、アクチュエータ１３ｂは上記集光レンズ１
３ａを光軸方向に変位させることで、前記ガルバノミラ
ー１２を介する対物レンズ１１と集光レンズ１３ａとの
距離を変化させ、これによって対物レンズ１１を介して
測定対象物に対して照射する光、またその反射光を受光
する上での焦点位置を調整し、その実質的な光路長を変
化させる役割を担う。このような集光レンズ１３ａの焦
点位置調整により、図３に示した測定対象物に対する対
物レンズ２の焦点調整が等価的に実現される。

【００１２】また前記集光レンズ１３ａの側方には前記
ガルバノミラー１２を介して前記対物レンズ１１を視野
するように、その光学的中心を合わせて１／４波長板１
４およびビームスプリッタ１５が配置されている。具体
的には前記ガルバノミラー１２が４５°の傾きを持つ基
準位置に姿勢制御されているとき、前記対物レンズ１１
の光学的中心軸と、上記１／４波長板１４およびビーム
スプリッタ１５がなす光学系の光学的中心軸とが前記ガ
ルバノミラー１２の光学的中心位置にて直角に交わるよ
うな光学的配置で、前記１／４波長板１４およびビーム
スプリッタ１５が設けられている。

【００１３】しかして前記１／４波長板１４およびビー
ムスプリッタ１５がなす光学系の光学的中心軸の延長線
上には、前記対物レンズ１１を介して測定対象物に照射
する光ビームを発生する投光系１６が設けられている。
この投光系１６は、半導体レーザ等のコヒーレントな光
ビームを出力する光源１７と、この光源１７から出力さ
れた光ビームを平行光束からなるスポット光に収束する
コリメータレンズ１８と、上記スポット光の前記対物レ
ンズ１１による非点収差を補償するための非点収差補正
レンズ１９等を備えて構成される。このような投光系１
６から出力される光ビーム（スポット光）は、ビームス
プリッタ１５から１／４波長板１４、更に前記集光レン
ズ１３ａを介してガルバノミラー１２に導かれ、該ガル
バノミラー１２にて反射された後、対物レンズ１１を介
して測定対象物に照射される。尚、前記コリメータレン
ズ１８と前記集光レンズ１３ａとの間の光路はコリメー
タ光学系として構築されており、上記光ビームが平行光
束のまま導かれるようになっている。

【００１４】また前記ビームスプリッタ１５により前記
対物レンズ１１からの光路が分岐される反射光の出力端
側には受光系２０が設けられている。この受光系２０は
フォトトランジスタ等の受光器２１と、前記ビームスプ
リッタ１５により分岐された反射光を、アパーチャ（絞
り）２２を介して前記受光面上に結像する結像レンズ２
３とを備えている。この結像レンズ２３と前記集光レン
ズ１３ａとの間の光路もコリメータ光学系として構築さ
れている。

【００１５】しかして測定対象物の高さの計測は、例え
ば受光器２１による反射光の受光量を監視しながら、そ
の受光量が最大となるときの光学的条件、具体的にはア
クチュエータ１３ｂによって変位駆動される集光レンズ
１３ａの位置を求めることによって達せられる。この集
光レンズ１３ａの位置情報は、例えばアクチュエータ１
３ｂを駆動する差動トランス（図示せず）の出力を検出
して、或いはアクチュエータ１３ｂの移動量を監視する
エンコーダの出力として求められる。

【００１６】さて前述したガルバノミラー１２は図１に
示すように角度調整されるもので、その傾きに応じて前
記集光レンズ１３ａと対物レンズ１１との間の光軸、特
にガルバノミラー１２と対物レンズ１１との間の光軸
を、該対物レンズ１１光学的中心軸から変位（偏向）さ
せる。しかして対物レンズ１１の光学的中心軸から偏向
された光ビーム（反射光）は、その偏向の向きに応じて
対物レンズ１１の光学的中心から変位した位置を透過し
て測定対象物に垂直に照射され、その反射光が逆の経路
を辿って集光される。即ち、ガルバノミラー１２による
光ビーム（反射光）の光軸の偏向により、対物レンズ１
１を介して測定対象物に照射する光ビームの照射位置、
およびその反射光の検出位置が変位されることになる。

【００１７】かくしてこのように構成された光学式検査
装置によれば、測定対象物に照射した光ビームの反射光
の受光器２１に対する焦点（受光光路長）を変位させて
該測定対象物の高さを高精度に計測するに際し、対物レ
ンズ１１に導かれる光ビーム、またその反射光をガルバ
ノミラー１２を用いて光学的に偏向し、これによってそ
の計測位置を２次元的に変位させるので高速度な走査が
可能である。しかも対物レンズ１１を介して光ビームを
照射可能な範囲であれば、測定対象物の任意の位置に素
早く光ビームを照射し、その反射光を検出することがで
きるので、測定対象物または検査装置を機械式の２軸走
査ステージに組み込んで測定部位を調整する必要がな
い。従って測定対象物の３次元的な形状計測を比較的短
時間（高速度）に高精度に実行することが可能となる。

【００１８】また上述した構成であれば、大径の対物レ
ンズ１１を変位させる必要がなく、焦点調整手段１３に
おける微小な集光レンズ１３ａを光軸方向に変位させる
だけでよいので、焦点を調整する上での上記集光レンズ
１３ａの移動に要するエネルギが小さくて良く、またア
クチュエータ１３ｂ自体も簡単に構成することができ
る。更にはガルバノミラー１２に照射する光ビームの径
を小さくすることができるので、該ガルバノミラー１２
の外径を小さくすることができ、その傾き調整に要する
駆動力も小さくすることができる。従ってガルバノミラ
ー１２を高速に駆動することが可能となり、光ビームの
照射位置制御の高速化を図ることが可能となる。従って
測定精度を高精度に維持しながら、その測定部位を高速
に変化させることができる等の効果が奏せられる。

【００１９】尚、本発明は上述した実施形態に限定され
るものではない。例えば対物レンズ１１の有効範囲内に
おいて光ビームを連続的に走査しながら各部位での高さ
を順次計測していくことも可能であるが、予め指定され
た測定部位だけをスポット的に計測することも可能であ
る。この場合には、例えば図２に示すように、上述した
構成の光学式検査装置を備えた筐体部にＴＶカメラ３０
を一体に組み込み、予め画像として撮像入力した測定対
象物の情報から計測部位を特定し、その特定部位に対し
てのみ光ビームを照射するようにガルバノミラー１２の
角度を調整するようにすれば良い。この際、前記筐体部
を１軸形の走査ステージ３１に組み込んでおき、ＴＶカ
メラ３０による測定対象物の視野位置と、対物レンズ１
１による測定対象物の視野位置とが等しくなるように上
記筐体部を移動した上で、ガルバノミラー１２の駆動制
御を行うようにすれば良い。

【００２０】また実施形態では、ガルバノミラー１２を
用いて光ビームの照射位置を２次元点に変位させたが、
簡易型のものにあってはガルバノミラー１２による光ビ
ームの照射位置を１軸方向にだけ変位させるようにして
も良い。この場合には、その変位方向を、１軸形走査ス
テージ３１による走査方向と交差（直交）する向きとす
れば良い。ちなみにこの場合には、２次元ガルバノミラ
ー１２の１軸方向の変位量を固定的に与えるものと看做
すことができる。その他、本発明はその要旨を逸脱しな
い範囲で種々変形して実施することができる。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、対
物レンズを介して測定対象物に照射する光ビームの照射
位置、および光ビームの反射光の検出位置を、コリメー
タ光学系をなす光路上においてその光路を２次元反射鏡
（ガルバノミラー）を用いて偏向することにより光学的
に変位させるので、共焦点法による高精度な計測精度を
維持しながら、任意の位置における測定対象物の高さを
高速に測定することができる。しかも装置構成の簡素化
を図ることができる等の実用上多大なる効果が奏せられ
る。

【００２２】特に焦点調整手段としての集光レンズを２
次元可動ミラーの手前に設けて該集光レンズを光軸方向
に移動するようにし、この集光レンズと光源および受光
器との間の光路をコリメータ光学系としているので、２
次元可動ミラーの小型化を図り、その高速な傾き制御を
可能とする等の効果が奏せられる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る光学式検査装置の概
略的な構成を示す図。

【図２】画像処理装置を組み込んで構成される光学式検
査装置の構成例を示す図。

【図３】共焦点法による高さ計測の原理を説明する為の
図。

【図４】焦点位置の変化に伴う反射光の受光量変化を示
す図。

【符号の説明】

１１ 対物レンズ １２ ガルバノミラー（２次元可動ミラー） １３ 焦点調整手段 １３ａ 集光レンズ １３ｂ アクチュエータ １４ １／４波長板 １５ ビームスプリッタ １６ 投光系 １７ 光源（半導体レーザ） １８ コリメータレンズ １９ 非点収差補正レンズ ２０ 受光系 ２１ 受光器（フォトトランジスタ） ２２ アパーチャ ２３ 結像レンズ（受光レンズ） ３０ ＴＶカメラ ３１ １軸形走査ステージ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｌ 21/66 Ｈ０１Ｌ 21/66 Ｊ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光ビームを出力する光源と、検査対象物
   に対向配置されて上記光ビームを上記測定対象物に照射
   すると共に、前記検査対象物による反射光を上記光ビー
   ムと同軸に集光する対物レンズと、この対物レンズを介
   して集光された反射光を前記光ビームの光路から分離す
   るビームスプリッタと、このビームスプリッタを介して
   分離された反射光を受光する受光器と、前記対物レンズ
   を介する光ビームおよび反射光の前記検査対象物に対す
   る実質的な光路長を変化させる焦点調整手段と、前記光
   源から出力された光ビームを所定の向きに偏向して前記
   対物レンズを介する光ビームの照射位置を変位させると
   共に、該照射位置からの反射光を上記対物レンズを介し
   て集光して前記受光器に導く２次元可動ミラーとを具備
   したことを特徴とする光学式検査装置。
2. 【請求項２】 前記光源と前記焦点調整手段との間の光
   路および前記受光器と前記焦点調整手段との間の光路は
   コリメータ光学系をなして設けられることを特徴とする
   請求項１に記載の光学式検査装置。
3. 【請求項３】 前記焦点調整手段は、前記２次元可動ミ
   ラーの手前に設けられた集光レンズを光軸方向に移動変
   位させるアクチュエータからなることを特徴とする請求
   項１に記載の光学式検査装置。