JP2003507708A - 屈折率回折格子を用いる空間フィルタリングに基づいた光学的検査装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 試験物体と基準物体の表面構造を比較するための光学的検査装置（１０）は、レーザ（１２）、光屈折結晶（２４）及び検出器（３０）を有する。基準物体の表面構造の回折パターンに対応する屈折率回折格子が、光屈折結晶（２４）内に存在し、かつ、試験物体の表面構造によって回折された光に対して空間フィルタとして機能する。もし、試験物体の表面構造が基準物体の表面構造と合致すれば、光は検出器（３０）にほとんど又は全く達しない。もし、試験物体の表面構造が基準物体の表面構造と異なれば、より大きなパワーの光が検出器（３０）に達する。装置（１０）は、簡単な合否の比較検査を提供し、検出器（３０）に入射する光は、解釈も他の処理も必要としない。装置（１０）は、物体のエッジの簡単な像を可能にするようになっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 ［技術分野］ 本発明は、光学的検査装置に関する。

【０００２】 ［背景技術］ 多くの適用では、物体が、所要の表面構造を有するようにするために、物体を
検査することが望ましい。例えば、生産ライン上の製造品の表面構造が品質基準
を満たすようにするために、製造品の表面構造を検査することがしばしば必要で
ある。試験物体の表面構造は、所要の表面構造を有する基準物体と比較すること
によって、検査される。普通、このような検査は、基準物体及び試験物体の像を
捕捉して、比較するために、コンピュータとインターフェイスしたカメラを使用
して行われる。

【０００３】 この技術は、コンピュータを必要とし、もし関係する物体の表面構造が複雑で
あれば、相当なコンピュータ処理を必要とし、かつ、捕捉した像を比較するのに
必要なソフトウエアを開発又は購入するために相当な労力又は経費を必要とする
という欠点を有する。この技術の別の欠点は、検査の結果を得るのに伴われる遅
れがあることである。生産工程においては、工程から多量の不良品が出るのを避
けるために、誤りを急いで修正することが重要である。この技術の更なる欠点は
、検査すべき物体の特性の空間頻度の増加で、ますます困難かつ時間消費となる
ことである。例えば、半導体集積回路の分野では、集積規模をますます増大させ
ることにより、ますます密集した回路構成になる。

【０００４】 物体の表面構造を検査するための別の方法は、光回折を伴う。この方法では、
コンピュータとインターフェースした光検出器が、基準物体及び試験物体の表面
構造のそれぞれの回折パターンを捕捉してこれを比較するのに、使用される。し
かながら、この方法もまた、上述した欠点を有する。別の例として、それぞれの
回折パターンを、空間フィルタの使用によって、比較する。これは、基準物体の
表面構造の回折パターンに基づいた空間フィルタを作ること、及び、空間フィル
タ上に、試験物体の表面構造の回折パターンを形成することを伴う。もし、試験
物体の表面構造が基準物体の表面構造と同一ならば、光は空間フィルタを通過し
ない。しかしながら、この検査方法は、空間フィルタが正確に整合されていなけ
れば、偽結果を示す。さらに、異なる製造工程のための注文空間フィルタを作り
出す際に、相当の努力を費やさなければならない。

【０００５】 物体の表面を比較するのに使用される他の先行技術の方法は、ホログラフィで
ある。この方法では、基準物体のホログラムを、感光板に記録する。次いで、基
準物体を、試験物体で置き換える。感光板を通過する光は、試験物体が、基準物
体の表面構造と異なる表面構造を有していること、即ち、試験物体が不良品であ
ることを示す。再び、試験物体を基準物体の位置に正確に位置決めしなければな
らないため、偽結果は極めて回避しにくい。感光板を通過する光があるため、波
長の何分の一だけずらされた良質の試験物体が不良品としてはねられることがあ
る。

【０００６】 基準物体と試験物体とを比較するのに使用される、更なる技術は、例えば米国
特許第５２８２０６７号及び同第４２１２５３６号に開示されている、ホログラ
フィック相関である。この技術では、基準物体を使用してホログラムを発生し、
試験物体からの回折光をホログラムに通して光学的場を生じさせ、この光学的場
は、試験物体と基準物体とが同様である程度を表す空間相互相関関数を発生させ
るのに使用される。ホログラフィック相関を実行するための装置は、ホログラム
を発生させるための手段を必要とするので、複雑である。また、空間相互相関関
数は、試験物体と基準物体とが同様である程度を識別するために解釈を必要とす
る。

【０００７】 公開された英国特許出願第ＧＢ２１６５９８３Ａ号に記載されている別の光学
相関技術では、基準物体及び試験物体から回折された光が、非線形結晶内に回折
格子構造を発生させるのに使用される。回折格子構造は、二つのフーリエ変換の
積を表し、一方のフーリエ変換は基準物体から回折された光を表し、他方のフー
リエ変換は試験物体によって回折された光を表す。回折格子から回折された光は
、試験物体と基準物体とが同様である程度を表す空間相互相関関数を発生させる
のに使用される。この技術を実行するための装置は複雑である。また、空間相互
相関関数は、試験物体と基準物体とが同様である程度を識別するために解釈を必
要とする。

【０００８】 或る状況では、固体物体のエッジ又は透明物体内の屈折率不連続部を検出して
結像させることも望ましい。例えば、エッジの検出により、試験物体をエッジ構
造だけに基づいて品質について検査することができ、異なる表面特徴を備えるが
同じ所要エッジ構造を備えた物体を、単一工程で検査することができる。生産工
程で一連の透明試験物体の品質を検査することも要求される。

【０００９】 固体物体のエッジの像だけを形成することも、現在、大変困難である。例えば
、物体のエッジによって形成された影は、物体のエッジの純粋に像ではない。

【００１０】 透明物体を基準物体と比較することによる、屈折率不連続部を有する透明物体
の光学検査もまた、現今大変困難である。シュリーレン写真法は、屈折率写像の
ための既知の技術であるけれども、それは空間フィルタリングに頼る。シュリー
レン写真法は、イー・ヘクト（E Hecht）著「オプティクス（Optics）」（第二
版、１９８７年、アディソン・ウエズリー（Addison-Wesley）刊、ＩＳＢＮ ０
−２０１−１１６１１−１）第５７６乃至５７７頁に記載されている。もし、こ
の方法を基準物体と試験物体との比較に用いたならば、空間フィルタが要求され
る。これは、回折を使用する物体の検査に関して上述した整合の困難さを示すで
あろう。さらに、異なる製造工程のために、注文空間フィルタが、要求されるで
あろう。

【００１１】 代替的な光学的検査装置を提供することが、本発明の目的である。

【００１２】 ［発明の開示］ 本発明は、回折光又は非回折光を除去するための屈折率回折格子を媒体内に発
生させるための光源を有し、回折格子が、基準物体からの光の回折か、検査中の
物体を迂回する光かのいずれかによって発生され、更に、検査中の物体によって
回折され、かつ、媒体を通過する光を検出するための手段を特徴とする物体を検
査するための光学的検査装置を提供する。

【００１３】 本発明の実施形態は、安価であり、異なる物体に迅速に適用でき、かつ、屈折
率回折格子を発生させるのに単一の光ビームを必要とするに過ぎない点で簡単で
ある。

【００１４】 本発明の実施形態は、試験物体の表面構造と基準物体の表面構造とを比較する
のに使用され、その場合、屈折率回折格子は、基準物体から得られた回折パター
ンに相当する二次元の変化を有する。

【００１５】 本発明の実施形態は、特定な物体に特別の空間フィルタリングを必要とするこ
となく、物体のエッジの像、又は、透明物体体内の屈折率不連続部の像を、エッ
ジ又は不連続部による回折された光から形成するのに使用される。すなわち、本
装置は、変更なしに、異なる物体のエッジ又は不連続部の結像に適用することが
できる。このような実施形態は、エッジ又は不連続部によて回折されない光の空
間広さに相当する二次元の空間広さを有する屈折率回折格子、及び、エッジ又は
不連続部による回折される光からのエッジ又は不連続部の像を形成するための手
段を有する。

【００１６】 本装置は、好ましくは、結晶中に十分な屈折率回折格子、すなわち、所要の品
質の物体を検査するときに、結晶からの光の漏れを防止するのに十分なコントラ
ストを有する回折格子を書き込めるのに十分な空間電荷トラップの密度を有する
光屈折結晶を有する。光屈折結晶は、好ましくは、イオンドープドニオブ酸リチ
ウムである。なぜならば、このような結晶は、発生が容易であり、したがって、
比較的安価であり、かつ、このような結晶内に書き込まれた回折格子は、少なく
とも数ヶ月の有効持続期間を有するからである。イオンドーピングのレベルは、
空間電荷トラップの必要な密度を与えるために、０．０１と０．２モルパーセン
トの間とすべきである。本装置は、好ましくは、その波長がイオンドープドニオ
ブ酸リチウム中で最も効果的な光屈折率相互作用を生じさせるので、４５０乃至
５５０ｎｍの範囲内の出力波長のレーザを有する。レーザの出力パワーは、不必
要に高いレーザパワーを使用することなく、十分な回折格子を、光屈折結晶に書
き込めるようにするために、数ミリワットのオーダーとすべきである。

【００１７】 ［実施形態］ 本発明をより完全に理解するために、それらについての実施形態を、添付の図
面を参照して、単なる例示として、記述する。

【００１８】 今、図１を参照すると、物体の表面構造の光学検査のための、全体的に１０に
よって指示した、本発明の検査装置の平面図が示されている。装置１０は、コン
ベヤベルト１１、数ミリワットの出力パワー及び５３２ｎｍの出力波長を有する
周波数２倍連続波ネオジウム・イットリウム・アルミニウム・ガーネット（Ｎｄ
：ＹＡＧ）レーザ１２、基準物体又は試験物体１６、レンズ２０、光屈折結晶２
４、及び、検出器３０を有する。レーザ１２は、その出力ビームを拡張して、試
験物体又は基準物体を照明するのに十分な幅のコリメートビーム１４を生じさせ
るための光学部品（図示せず）を有する。レンズ２０は、焦点距離ｆの標準のガ
ラスレンズであり、基準物体又は試験物体１６から距離ｘに配置され、ここに、
ｘ≧ｆである。光屈折結晶２４は、基準物体又は試験物体１６から回折された光
を合集させる点でレンズ２０から少なくとも距離ｆに配置されている。光屈折結
晶２４は、平らで、平行であり、かつ、光学的完成品に研磨された前面２６及び
後面２８を有する、イオンドープドニオブ酸リチウム即ちＦｅ：ＬｉＮｂＯ₃の
単結晶である。光屈折結晶２４は、０．１モルパーセントのイオンドーピングレ
ベル、及び、４ｍｍの幅を有する。光屈折結晶２４のカットは、結晶ｃ軸（図示
せず）が結晶面２６、２８に垂直であるようになっている。検出器３０は、光屈
折結晶２４の後ろに配置されている。装置１０の部品１６、２０、２４及び３０
は、共通の軸線３２に沿って整列されている。今、検査装置１０の作動を説明す
る。コンベヤベルト１１が静止しているときに、試験物体の要求される表面構造
を有する基準物体１６が、レーザビーム１４の中に置かれている。基準物体１６
から発する回折光１８は、レンズ２０を通過して、光屈折結晶２４内へ合焦され
る信号光２２のビームを形成する。合焦した信号光２２と結晶２４の後面２８か
ら反射した光との光屈折率相互作用の結果、結晶内に屈折率回折格子を形成する
。前面２６及び後面２８に平行な平面内における光屈折率の変化は、基準物体１
６の回折パターンに依存する。したがって、光屈折率回折格子は、基準物体の表
面構造の特徴を示す。結晶２４は、該結晶内に永久的な回折格子が形成され、か
つ、すべての合焦した信号光２２がレンズ２０の方へ反射され、即ち、検出器３
０に光が到達しなくなるまで露光される。露光時間は、レーザ波長及び強度、並
びに、ニオブ酸リチウム結晶のイオンドーピングレベルに依存する。結晶２４に
形成された回折格子は、使用される特定の結晶に依存して、一ヶ月乃至一年間持
続する。 回折格子の書き込み中の光屈折結晶２４の方位は、重要ではない。結
晶２４の結晶ｃ軸（図示せず）は、装置１０の軸線３２から数度だけ外れてもよ
い。

【００１９】 次いで、基準物体が取り除かれ、コンベヤベルト１１は、一連の試験物体を、
コリメートレーザビームの中に、連続的に搬送する。試験物体から発出する回折
光１８は、結晶２４内へ合焦される。もし、結晶２４に形成された回折パターン
が、基準物体のものと合致すれば、全ての入射信号光２２は、屈折率回折格子に
よってレンズ２０の方に反射され、検出器３０に光は通らない。しかし、もし、
試験物体の表面構造が、基準物体のものと異なっていれば、入射信号光２２の一
部分が光屈折結晶２４を通過して、検出器３０に到達する。かくして、屈折率回
折格子は、試験物体からの回折された光に対して空間的フィルタとして働く。

【００２０】 もし、基準物体と合致する試験物体が検査されるときに、光が結晶２４を通過
すべきでないことが要求されるならば、試験物体の方位は基準物体の方位と同じ
でなければならない。しかし、結晶２４を、信号光２２の焦点から軸線３２に沿
ってわずかな距離ずらすことによって、基準物体及び試験物体の方位が同じでな
ければならないとする要件が緩和される。この変更した配置では、基準物体の表
面構造と合致する表面構造を備えた試験物体の検査により、検出器３０で光が全
くないのではなく、低強度の光が検出されることになる。結晶２４が信号光２２
の焦点２７から更にずらされると、試験物体と基準物体との比較試験に合格する
試験物体、及び、基準物体との比較試験に合格しない試験物体に対応して、検出
器３０に達する光学信号間の強度差が減少されるが、試験物体の方位ミスに対す
る装置１０の許容差は増大する。

【００２１】 光屈折結晶２４に形成された回折格子は、結晶２４を２５０℃まで加熱し、次
いで、結晶２４を室温まで冷却することによって消去することができ、結晶２４
を異なる物体の検査するために再使用することができる。したがって、本発明１
０は、異なる物体を検査するのに適用することができる。変形例として、多数の
回折格子を、結晶２４内に異なる位置に書き込むことができる。

【００２２】 今、図２を参照すると、固体物体のエッジの像を得る、全体的に５０で指示し
、本発明の別の検査装置が示されている。装置５０は、装置１０の構成要素１１
乃至３０にそれぞれ相当する構成要素５１乃至７０を有する。

【００２３】 今、装置５０の作動を説明する。図２の紙の平面に垂直に移動するコンベヤベ
ルト５１は、５６のような一連の試験物体をレーザビーム５４の中に連続的に搬
送する。像が造られるべき物体のエッジは、ほぼレーザビーム５４の中心内に置
かれる。試験物体５６がレーザビーム５４の中を通ると、光５８はレンズ６０を
通過して、光屈折結晶６４内に合焦される信号光６２を生じさせる。光５８は、
物体５６のエッジによって回折された成分からなり、かつまた、回折されないビ
ーム５４からの成分からなる。信号光６２は、回折成分及び非回折成分を有し、
前者は、後者に対して低強度のものである。回折成分は、合焦信号光６２の周囲
に位置する。合焦信号光６２の非回折成分は、屈折率回折格子を形成する、光屈
折結晶６４の後面６８から反射した光との光屈折率相互作用を経験する。非回折
成分は、回折格子によってレンズ６０の方へ反射され、一方、周囲の、低強度回
折成分は、光屈折率相互作用を経験せずに、光屈折結晶６４を通過する。物体５
６のエッジの像は、検出器７０上に形成される。

【００２４】 今、図３を参照すると、透明物体内の屈折率不連続部を検出し、かつ、像を造
ることができる、本発明の更に別の検査装置が示されている。検査装置は、全体
的に１５０で指示される。先に記述したものと同じ構成要素は、頭に１００を付
けて同様に指示されている。装置の構成要素１５１乃至１７０は、１５６のよう
な、検査すべき物体が、屈折率不連続部１５７を形成する異なる屈折率ｎ₁及び
ｎ₂の領域を有する透明物体であることを除いて、構成要素５１乃至７０と同じ
である。コンベヤベルト１５１は、１５６のような、一連の試験物体を、レーザ
ビーム１５４の中を連続的に運搬する。レーザ１５２からのレーザビーム１５４
は、透明物体１５６の屈折率不連続部１５７を照明する。屈折率不連続部によっ
て回折された光と非回折光の両方を含む光１５８は、レンズ１６０を通過して、
光屈折結晶１６４内に合焦される信号光１６２を生じさせる。光屈折率相互作用
は、信号光１６２の非回折成分を反射させ、かつ、上述の方法で回折成分を通過
させる。屈折率不連続部１５７の像が、検出器１７０上に形成される。

【００２５】 今、図４を参照すると、全体的に２００で指示した、本発明の別の検査装置が
示されている。装置２００は、装置１０の構成要素１１乃至３０と同じ構成要素
２１１乃至２３０を有する。さらに、装置２００は、ビームスプリッタ２３４、
半波長板２３６及び偏光ビームスプリッタ／再結合器２３８を有する。

【００２６】 装置２００は、以下のように作動する。レーザ２１２によって放出された直線
偏光２１３は、ビームスプリッタ２３４によって、二つの成分２１４ａ及び２１
４ｂに分割される。半波長板２３６を通過するとき、成分２１４ｂは、成分２１
４ａの偏光に直交する偏光となる。成分２１４ｂは、コンベヤベルト２１１上で
、成分２１４ｂの中を連続的に通過する２１６ｂのような一連の試験物体を照明
する。成分２１４ａは、試験物体の要求された表面構造を有する基準物体２１６
を照明する。基準物体２１６ａ及び試験物体２１６ｂの表面からそれぞれ回折さ
れた光信号２１８ａ、２１８ｂは、偏光ビームスプリッタ／再結合器２３８で偏
光多重化によって結合され、レンズ２２０によって合焦されて、イオンドープド
ニオブ酸リチウムの結晶内の焦点２２７に導かれる合焦信号光２２２を形成する
。ビームスプリッタ２３４は、レーザ２１２によって出力された光２１３を、成
分２１４ａが成分２１４ｂよりも高い強度を有するように分割する。基準物体２
１６ａの表面によって回折された光２１８ａは、結晶２２４内に実時間屈折率回
折格子を形成するのに十分な強度を有する。試験物体２１６ｂによって回折され
た光２１８ｂは、そのような回折格子を形成するのに十分な強度を有さない。基
準物体２１６ａの表面構造と合致する表面構造を有する試験物体が、光２１３の
成分２１４ｂの中を通るとき、光は検出器２３０に達しない。もし、試験物体の
表面構造が基準物体２１６ａの表面構造と同じでなければ、合焦された信号光２
２２の一部分が、結晶２２４を通過し、検出器２３０に達する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 物体の表面構造の光学検査のための本発明の検査装置の略図である。

【図２】 物体のエッジの検出及び結像のための本発明の検査装置の略図である。

【図３】 透明物体内の屈折率不連続部の検出及び結像のための本発明の検査装置の略図
である。

【図４】 物体の表面構造の光学検査のための本発明の別の検査装置の略図である。

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回折光又は非回折光を除去するための屈折率回折格子を媒体
   内に発生させるための光源を有し、回折格子が基準物体からの光の回折か、検査
   中の物体を迂回する光かのいずれかによって発生され、 検査中の物体によって回折され、かつ、前記媒体を通過する光を検出するため
   の手段を更に有することを特徴とする物体を検査するための光学的検査装置。
2. 【請求項２】 前記屈折率回折格子は、前記基準物体から得られた回折パタ
   ーンに相当する二次元の変化を有する ことを特徴とする請求項１記載の光学的検査装置。
3. 【請求項３】 前記屈折率回折格子は、前記媒体内に記憶される ことを特徴とする請求項２記載の光学的検査装置。
4. 【請求項４】 前記屈折率回折格子は、実時間屈折率回折格子である ことを特徴とする請求項２記載の光学的検査装置。
5. 【請求項５】 物体のエッジ、又は、透明物体内の屈折率不連続部によって
   回折された光から前記エッジの像又は屈折率不連続部の像を形成するための手段
   を有する ことを特徴とする請求項１記載の光学的検査装置。
6. 【請求項６】 前記屈折率回折格子は、前記エッジ又は屈折率不連続部によ
   って回折されない光の空間広さに対応する二次元の空間広さを有する ことを特徴とする請求項５記載の光学的検査装置。
7. 【請求項７】 前記媒体は、光屈折結晶である ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の光学的検査装置。
8. 【請求項８】 前記光屈折結晶は、イオンドープドニオブ酸リチウムの結晶
   である ことを特徴とする請求項７記載の光学的検査装置。
9. 【請求項９】 基準物体によって回折された光を使用するか、検査中の物体
   によって回折されない光を使用するかして、媒体内に屈折率回折格子を発生させ
   る段階を含む ことを特徴とする光学検査方法。
10. 【請求項１０】 前記屈折率回折格子は、基準物体の表面によって回折され
    た光を使用して発生され、かつ、試験物体の表面によって回折された光の空間フ
    ィルタリングのために使用される ことを特徴とする請求項９記載の光学検査方法。
11. 【請求項１１】 (i)不透明物体のエッジから、又は択一的に、透明物体内
    の屈折率不連続部から光を回折させて、回折成分及び非回折成分の光を生じさせ
    る段階と、 (ii)非回折成分を使用して、媒体内に屈折率回折格子を発生させる段階と、 (iii)前記屈折率回折格子を、非回折成分を除去する光学空間フィルタとして
    使用する段階と、 (iv)回折成分から、不透明物体のエッジの像、又は場合により、透明物体内の
    屈折率不連続部の像を形成する段階と、 を含むことを特徴とする請求項９記載の光学検査方法。
12. 【請求項１２】 試験物体から得られた回折パターンの空間フィルタリング
    のための屈折率回折格子を媒体内に有し、前記屈折率回折格子は、基準物体から
    得られた回折パターンに相当する二次元の変化を有する ことを特徴とする光学的検査装置。
13. 【請求項１３】 検査中の物体のエッジ、又は、検査中の透明物体内の屈折
    率不連続部によって迂回光を反射させるための媒体内の屈折率回折格子と、 前記エッジ又は不連続部によって回折される光から前記エッジ又は不連続部の
    像を形成するための手段と、 を有することを特徴とする光学的検査装置。