JP2004101532A

JP2004101532A - 共焦点距離センサ

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Publication number: JP2004101532A
Application number: JP2003320137A
Authority: JP
Inventors: Anton Schick; アントン　シック
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2002-09-12
Filing date: 2003-09-11
Publication date: 2004-04-02
Also published as: US20040109170A1; DE10242374A1; EP1398597A1

Abstract

【課題】共焦点結像原理による高速な光学式距離測定のためのセンサにおいて、センサと表面スポットとの間の間隔測定に対して、センサと表面スポットとの間の相対的な運動も、センサの光学素子の機械的な運動も必要としないように改善を行うこと。
【解決手段】様々なスペクトル成分を有する照明光を発光する光源と、結像光学系を設け、該結像光学系により、照明光を測定対象物の表面に配向し、当該結像光学系の色収差に基づいて照明光の異なるスペクトル成分が結像光学系から種々異なる間隔で集束させ、
、表面から少なくとも部分的に反射された測定光が照明光のビーム経路から空間的に分離するようにビームスプリッタを設け、照明光のビーム経路から空間的に分離された測定光をスペクトル分解能を用いて検出する光受信器を設け、さらに評価ユニットを設けて、異なるスペクトル成分毎に検出された測定光の光強度から、当該センサと表面との間の間隔を求めるように構成する。
【選択図】図１

Description

　本発明は、共焦点結像原理に従った高速な光学式距離測定のためのセンサに関している。

　電子的な構成モジュール上の集積密度の高まりによって、電子的構成素子の接続の数も益々増加している。この傾向に対応するために、複数の構成素子をそれらの下方側でボールソルダリング手法を用いて実装すべき基板の接続面とコンタクトさせるための組付け手法や接続手法も開発されてきた。この種の構成素子は例えばいわゆるボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）やフリップチップなどである。信頼性の高いコンタクトを保証するためには、これらの構成素子の実装前に接続が正確に検査されなければならない。なぜなら実装してしまった後では、構成素子と接続面との電気的なコンタクトの不良につながるような不具合を含んだ接続箇所がもはや検出できなくなるからである。

　高品質な電子的構成モジュールを低コストで製造できるようにするために、電気的な構成素子のための最新の検査システムには多大な要求が課せられている。そのためこの検査システムは、検査対象のパラメータ、例えばその寸法や電気的なコネクションの共平面性、コネクションのピッチなどを定めなければならない。さらにこの検査はできるだけ短い検査期間内で実施できることと、なるべく安いコストで無接触に作業できるようにすべきものでもある。この種の三次元表面測定に対する高い要求は、通常は表面状態の測定のための光学的手法によってしか満たすことができない。この関係における光学的検査手法としては、いわゆる伝播時間計測法や三角測量法並びに共焦点検査法が公知である。

　センサと測定すべき表面との間の距離が当該表面から反射されて戻ってきた光パルスの伝播時間から求められる、伝播時間計測法に対しては、さらなる別の関係においていわゆる干渉測定法もその１つに数えられる。これは干渉性の光ビームの頂上によって非常に高い空間分解能が得られる。この干渉信号は、干渉計の光学素子の機械的な運動によってかまたは干渉計内の光路長さの変化によって生成される。この場合は測定すべき表面の表面結像記録のために比較的長い測定時間が必要となる。

　三角測量法に対しては、照明装置もしくは照射装置が監視装置から離れている全ての手法が含まれる。構造化された照明を用いて動作させる方法、例えばモアレ法などもこの方式に算入される。なぜなら測定すべき表面に照射されるパターンの変形が（この変形の具合からこの表面スポットの高さ位置が算出できる）所定の三角形の角度の下で監視されるだけだからである。構造化された照明を用いた三次元的な表面状態測定は、理想的には等方散乱の対象表面を前提とする。なぜなら非等方散乱の表面、つまり少なくとも僅かな反射性の表面は、ミラーレンズ作用のために三次元表面による構造化された照明の変形が反射できないからである。測定結果の信頼性は測定すべき表面の反射特性に非常に強く依存しているので、構造化された照明を用いたボールソルダリングの検査は、通常は不可能か、極端な困難性を伴ってしか実現できない。

　三角測量法にはそのほかにもさらにレーザー三角測量も含まれている。この場合は測定すべき表面がレーザービームによって走査され、レーザービームの入射点がカメラによって撮影される。この場合は高速偏向ユニット、例えば回転式ポリゴンミラーやガルバノメータスキャナなどがレーザービームの所定の偏向のために用いられる。代替的に、測定すべき対象物の移動によって対象物とレーザービームの間の相対運動を形成してもよい。このレーザー三角測量法を用いた測定は次のような欠点を有している。すなわち表面スポットが複数ある場合には、同時にではなく、ただ時間的に前後にずらしての走査しかできないことである。それにより結果的には検査時間も相応に長くなってしまう。

　三次元表面の測定のための共焦点光学結像法は、二次反射によって生成される散乱光よりも高い分解能と堅牢性の点で抜きんでている。さらに共焦点光学結像法は、次のような利点を有している。すなわち表面測定を同軸的に行うことができる点である。それにより、表面に対して斜めに入射する照明光による陰の問題、もしくは表面に対して傾斜した監視角度による陰の問題は生じない。既に公知である共焦点型顕微鏡は、非常に正確ではあるが緩慢な三次元表面測定の手法を表す。従来の共焦点距離センサは、間隔測定に対してセンサと測定すべき表面との間の周期的な相対運動を必要とする欠点を伴う。そのため移動させるべき質量体の慣性のために走査レートがさらに限られてしまう。

　欧州特許 EP 835423 B1 明細書からは、三次元表面測定のための改良された共焦点センサが公知である。この場合は、複数のレーザービームの線形配置構成の適用下で機械的に動く逆反射鏡によって生じる高速なフォーカスシフトによって迅速な表面測定が可能となる。この場合のイメージ記録はラインカメラによるものに匹敵する。このラインカメラを用いた測定すべき対象物および/またはカメラの、ラインに対して直角方向の運動により、原理的に連続画像が撮影可能となる。この理由からこの改良された共焦点センサは、ウエハや基板などの比較的大きな対象物の測定にも適する。画像の幅は、走査ラインの長さによって確定されるので、比較的広い画像範囲は、表面の蛇行状の走査によって測定されなければならない。ただしこの改良された共焦点センサは、所要のフォーカスシフトが逆反射鏡の運動によって形成されなければならないという欠点も有している。そのため従来の共焦点距離センサよりも少ない質量体を動かすだけでよいが、それにもかかわらず作動される逆反射鏡の慣性は、走査レートを制限する。
欧州特許 EP 835423 B1 明細書

　本発明の課題は、共焦点結像原理による高速な光学式距離測定のためのセンサにおいて、センサと表面スポットとの間の間隔測定に対して、センサと表面スポットとの間の相対的な運動も、センサの光学素子の機械的な運動も必要としないように改善を行うことである。

　前記課題は本発明により、
　光源を有しており、該光源は様々なスペクトル成分を有する照明光を発光するものであり、
　結像光学系が設けられており、該結像光学系により、照明光が測定対象物の表面に配向され、この場合当該結像光学系の色収差に基づいて照明光の異なるスペクトル成分が結像光学系から種々異なる間隔で集束され、
　ビームスプリッタを有しており、該ビームスプリッタは、表面から少なくとも部分的に反射された測定光が照明光のビーム経路から空間的に分離するように配列されており、
　光受信器が設けられており、該光受信器は、照明光のビーム経路から空間的に分離された測定光をスペクトル分解能を用いて検出するものであり、
　さらに評価ユニットを有しており、該評価ユニットは、異なるスペクトル成分毎に検出された測定光の光強度から、当該センサと表面との間の間隔を求めるように構成されて解決される。

　本発明は次のような認識に基づいている。すなわち、色収差（これは通常は分散性の結像光学系の不所望な結像エラーを表し、それ故に多くのレンズ系においては補正がなされている）が有利な形態で共焦点距離センサに対して有効利用できることである。色収差に基づいて照射ビームの分光成分が結像光学系からの異なった距離で収束されることが、本発明により次のことに有効利用される。すなわち測定光のスペクトル分布が表面から少なくとも部分的に反射され結像光学系の新たな通過の後でスペクトル分解能を有する光受信器によって検出される測定光のスペクトル分布が、センサと表面の間の間隔に対する尺度となることである。この場合光受信器は、照明光を発する光源に対してコンフォーカルに配置される。換言すれば、照明光の種々異なるスペクトル成分が結像光学系の色収差によって次にように空間的に分割される。すなわち異なるスペクトル成分に対する焦点が対象領域において上下に存在するように空間的に分割される。ここにおいて対象物が対象領域に存在するならば、できるだけ小さな焦点で測定すべき表面に入射するスペクトル成分が有利には光受信器に結像される。このことは、コンフォーカルな条件が有利には１つのスペクトル色のみに対して充たされることを意味する。従って最大強度で検出される光の色は、本発明によるセンサと、対象表面上に存在する焦点との間の距離に対する尺度となる。センサの高さ測定範囲は、結像光学系の色収差の強さによって定まる。この場合結像光学系に対して有利には公知の色収差を補正したレンズないしレンズ系が用いられる。本発明による共焦点距離センサは、シングルカラー画像収集を用いた距離検出を可能にする。この場合有利には、センサの光学素子の移動も、センサ本体と測定対象物との間の相対的な移動も必要ない。この共焦点距離センサの分解能は、結像光学系の開口数と、結像光学系の色収差の強さ並びに光受信器のスペクトル分解能によって定まる。本発明によるセンサは特に照明光ないし照射光がほぼ無彩色で反射する測定対象物に適している。なぜならこのケースでは距離検出が色修正なしでできるからである。この種の無彩色の反射は、金属または合金のもとで頻繁に生じる。これらは通常は電子的な構成素子と基板の間の電気的な接続材料として用いられるものである。この理由から本発明によるセンサは、特にエレクトロニクス分野での検査に用いることができる。なぜならこの分野では、既に前述したように従来の光学的検査手法には頻繁に多大な不正確さが伴うものだからである。

　請求項２によれば、測定光も結像光学系を介してガイドされる。それによりセンサの高さ分解能が開口数ＮＡの二乗に正比例する。さらにこのセンサは特にコンパクトな構造形式で実現できる。

　請求項３によれば光源は白色光源である。これは特に簡単な形式で照明光の幅広なスペクトル分布を提供する。

　請求項４によれば光受信器としてカラーカメラを使用することにより、付加的な光学解像素子、例えば格子やプリズムなどを必要としない利点が得られる。なぜなら測定光のスペクトル分解能は光受信器によって直接行われるからである。

　請求項５の実施形態によれば、照明光が所定のスポット光源から所定の表面スポットに入射し、この所定の表面スポットから、当該スポット光源に対してコンフォーカルに配置され当該スポット光源に対応付けられている所定のスポット検出器に入射するので、複数の表面スポットが同時に測定できる。このように相応数のスポット光源とスポット検出器のもとでのシングルカラーイメージ収集を用いることによって、測定対象物の総合的な三次元表面状態が検出できる。

　請求項６の実施形態によれば、複数の光源と複数の光検出器による実現が特に簡単に可能となる。この場合、複数の光源が次のようにして形成される。すなわち複数の回折格子を有する相応の格子系をフラット型光源の前に配置することによって形成される。複数のスポット検出器は、最適には局所分可能を有するフラット型検出器によって実現されてもよい。この検出器は複数の回折格子を有する相応の格子系の後方に配置される。

　請求項８によれば、マイクロレンズ装置を用いることによって格子系の視感度効率を高めることができる。従って光受信器に入射する測定光の光強度も高めることができる。このマイクロレンズ装置を用いるさらなる利点は、マイクロレンズ装置を、光が所期のように格子上に集束され、不所望な散乱作用が低減されるように構成することによって得られる。このケースでは、各回折格子に、マイクロレンズ装置の１つのレンズ素子が正確に対応付けられる。

　請求項９によれば、光源の中間像の適用によって、センサが同時にハイレベルな横方向の解像度を有する共焦点顕微鏡を表す。センサ内でのさらなる結像光学系の配置構成に対しては以下の２つの手段がある。すなわち、
ａ）さらなる結像光学系を、結像光学系とビームスプリッタの間の測定光と照明光の共通のビーム経路に配置するか、
ｂ）さらなる結像光学系を、光源とビームスプリッタの間の照明光のビーム経路にだけ配置する。このケースでは有利には、さらなる結像光学系が用いられる。これはもっぱらビームスプリッタと光受信器の間の測定光のビーム経路に配置される。

　請求項１０によれば、中間像の領域に格子系が配設される。それにより有利な形態でコンフォーカルな条件が、光源と光受信器の正確な配置構成に依存することなく充たされる。

　請求項１１による、回転型ニプコウディスクの利用により、所定の時間に亘って露光を行うシングルカラーイメージ収集手法を用いた、測定すべき表面の逐次走査が可能となる。

　請求項１２によれば、定常的な回折格子マトリックスとこの回折格子マトリックスに相応する局所分解能を有するフラット型検出器とを組み合わせた利用により、測定対象の複数の表面スポットが同時に走査できるようになる。このフラット型検出器としては特にＣＣＤラインないしはＣＣＤカメラが適している。

　本発明のさらなる利点や特徴は以下の明細書でも別の有利な実施形態に基づいて述べてゆく。

　次に本発明を図面に基づき以下の明細書で詳細に説明する。

　図１に示されているシングルチャネル型の共焦点光距離センサ１００は、光源１１０を有しており、この光源は回折格子（ないしピンホール）１１１と共にいわゆるスポット光源をなしている。ここで発光されたほぼ白色の照明ビーム１１２は、ビームスプリッタ１１２を通る伝送の後で結像光学系１３０に入射している。この結像光学系は、公知の色収差補正に基づいてハイレベルな色収差を備えている。結像光学系１３０は、照明ビーム１１２を様々なスペクトル成分に分割し、そのうちから図１では赤のスペクトル成分１１２ａと緑のスペクトル成分１１２ｂおよび青のスペクトル成分１１２ｃが概略的に表されている。これらの異なったスペクトル成分１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃの焦点は、高さ測定範囲１４１を定めている。従って測定対象物の表面１４０上には、照明ビーム１１２のスペクトル色に依存して異なった大きさの表面領域が照明される。従って表面１４０から出射される、赤のスペクトル成分５１２ａ、緑のスペクトル成分５１２ｂおよび青のスペクトル成分５１２ｃを有する測定ビーム１５２を生成している輝度は、スペクトル色毎に異なったレベルとなる。測定ビーム１５２（これは測定すべき表面１４０における照明ビーム１１２の少なくとも部分的な反射によって生成される）は、結像光学系１３０を用いてスポット検出器に結像される。この場合測定ビーム１５２は、結像光学系１３０とスポット検出器の間でビームスプリッタ１２０において反射される。スポット検出器は、ここで説明する実施例によれば、カラー検出器１５０によって実現されている。これは回折格子１５１後方に配置される。スポット光源ないしスポット検出器と表面との間のコンフォーカルな条件は、測定すべき表面１４０の高さ位置に依存して、次のようなスペクトル色に対してのみ充たされる。すなわちスポット検出器によって検出される全強度のうちの距離に伴う最大の割合を占めるスペクトル色に対してのみ充たされる。このようにして、スポット検出器により検出された光の色が、距離センサ１００と測定対象物表面との間の距離に対する尺度となる。

　さらにここでは、図１に示されている距離センサ１００の場合では、スポット光源の位置とスポット検出器の位置が入れ替わってもよいことを述べておく。このケースでは、照明光がビームスプリッタ１２０における反射を介して結像光学系１３０に入射し、測定光はビームスプリッタ１２０を通る伝送の後でスポット検出器に到達する。

　図２には、本発明の第２実施例としてのマルチチャネル型の距離センサ２００が示されている。この距離センサ２００は、フラット型光源２１０を有しており、この光源はスペクトル帯域幅の広い白色の照明光を発光している。図を見やすくする理由から、このフラット光源から発光される複数の照明ビームのうち、当該光源２１０の唯１つのフラット素子から発せられた照明ビーム２１２だけが示されている。照明ビーム２１２は、結像光学系２３０（これは有利には僅かな色収差しか有していない）を用いて次にように偏向される。すなわちビームスプリッタ２２０の伝送の後で光源２１０のフラット素子の中間像２２５が生成される。

　中間像２２５の面内には、回転軸２６１を中心に回転するニプコウディスク２６０が設けられている。このようにしてこのニプコウディスク２６０は、中間像２２５の面内で相互に離間された複数のスポット光源を逐次生成する。ニプコウディスク２６０によって生成されるそれらのスポット光源は、結合光学系２３０を介して（これは周知のようにハイレベルな色収差を有している）測定すべき表面２４０に結像される。この場合結像光学系２３０は照明ビーム２１２を異なるスペクトル成分に分割する。それらのうち図２には、赤のスペクトル成分２１２ａと緑のスペクトル成分２１２ｂと青のスペクトル成分２１２ｃ概略的に示されている。これらの異なったスペクトル成分２１２ａ，２１２ｂ，２１２ｃの焦点は、高さ測定範囲２４１を定めている。従って測定対象物の表面２４０においては照明ビーム２１２のスペクトル色に応じて異なった大きさの表面領域が照明される。表面２４０上で照明される面積が大きければ大きいほどそのつどの表面領域の輝度は低くなる。これは照明ビーム２１２の少なくとも部分的な後方散乱に基づいて測定ビーム２５２を生成する。照明ビーム２１２によって異なる大きさで照明された表面２４０の表面領域は、結像光学系２３０を介して中間像２２５の面内に結像される。その際には、表面２４０上で可及的に小さな面積を照明しているスペクトル色が距離に伴う最大の光強度を有している。表面２４０から最大強度で反射された測定ビーム２５２ａは、ニプコウディスク２６０の表面２４０の照明に寄与したのと同じホールを通過する。ニプコウディスク２６０を通過した光は、ビームスプリッタ２２０において反射され、結像光学系２５３を介してフラットなカラー検出器２５０に結像される。このようにしてニプコウディスク２６０のホールは、スポット光源に対して自動的にコンフォーカルに配置されるスポット検出器として作用する。それ故に測定ビーム２５２の最大強度を有するスペクトル成分は、当該距離センサ２００と表面２４０上の照明された表面スポットとの間の間隔に対する直接の尺度となる。これによってプコウディスク２６０は、有利な形態で表面２４０の逐次走査を可能にする。この場合それぞれの走査過程において、複数の表面スポットが同時に走査される。

　ここでさらに前記回転型ニプコウディスクの箇所には、マトリックス状に配列された回折格子を有する格子系が用いられてもよいことを述べておく。その際には回折格子の格子がカラーカメラの局所分可能にマッチングされる。このようなケースでは、測定すべき表面が逐次にではなく、複数の表面スポットにおいて同時に測定される。

　ここにおいて以上のことをまとめてみると、本発明によれば、共焦点結像原理に従った高速な光学的距離測定のためのセンサが得られることがわかる。このセンサは、異なるスペクトル成分を有する照明光２１２を発光する光源２１０と、当該照明光２１２を測定対象物の表面２４０方向に配向させる結像光学系２３０を含んでいる。この場合結像光学系２３０の色収差に基づいて照明光２１２の種々のスペクトル成分が結像光学系２３０からの様々な間隔で集束される。さらにビームスプリッタ２２０が設けられており、このビームスプリッタ２２０は、表面２４０から少なくとも部分的に反射された測定光２５２が照明光２１２のビーム経路から空間的に離れるように配設されている。また光受信器２５０が設けられており、この光受信器は、照明光２１２のビーム経路から空間的に離された測定光２５２をスペクトル分解能を用いて検出する。さらに評価ユニットが設けられており、この評価ユニットは、異なるスペクトル成分毎に検出された測定光２５２の強度からセンサと表面２４０との間の間隔を求める。

　複数の表面スポットのそれぞれを逐次測定することが可能なマルチチャネル型距離センサは、回転型ニプコウディスク２６０の使用によって実現できる。このニプコウディスクは、結像光学系２３０と、中間像２２５を生成するさらなる結像光学系との間のフラットな光源２１０の中間像のところに配設される。複数の表面スポットが同時に測定可能であるマルチチャネル型距離センサは、有利には種々異なる回折格子の配列構成によって生成できる。それらは多数の色検出器のうちのそれぞれ１つに対応付けられているか、あるいは局所分解能を有する複数の色検出器のうちの１つのフラットな構成素子に対応付けられている。

シングルチャネル型の共焦点光距離センサを示した図である。

マルチチャネル型の共焦点光距離センサを示した図である。

符号の説明

　１１０　　光距離センサ
　１１１　　回折格子
　１１２　　照明ビーム
　１３０　　結像光学系
　１４０　　表面
　１５０　　色検出器
　１５１　　回折格子
　１５２　　測定ビーム
　２６０　　ニプコウディスク

Claims

　共焦点結像原理に従った高速な光学式距離測定のためのセンサにおいて、
　光源（１１０、２１０）を有しており、該光源は様々なスペクトル成分を有する照明光（１１２、２１２）を発光するものであり、
　結像光学系（１３０、２３０）が設けられており、該結像光学系により、照明光（１１２、２１２）が測定対象物の表面（２４０）に配向され、この場合当該結像光学系（１３０、２３０）の色収差に基づいて照明光（１１２、２１２）の異なるスペクトル成分が結像光学系（１３０、２３０）から種々異なる間隔で集束され、
　ビームスプリッタ（１２０、２２０）を有しており、該ビームスプリッタは、表面（２４０）から少なくとも部分的に反射された測定光（１５２、２５２）が照明光（１１２、２１２）のビーム経路から空間的に分離するように配列されており、
　光受信器（１５０、２５０）が設けられており、該光受信器は、照明光（１１２、２１２）のビーム経路から空間的に分離された測定光（１５２、２５２）をスペクトル分解能を用いて検出するものであり、
　さらに評価ユニットを有しており、該評価ユニットは、異なるスペクトル成分毎に検出された測定光（１５２、２５２）の光強度から、当該センサ（１００、２００）と表面（２４０）との間の間隔を求めるように構成されていることを特徴とするセンサ。
　前記測定光（１５２、２５２）は、結像光学系（１３０、２３０）を介して案内される、請求項１記載のセンサ。
　前記光源（１１０、２１０）は、白色光源である、請求項１または２記載のセンサ。
　前記光受信器（１５０、２５０）は、カラーカメラである。請求項１から３いずれか１項記載のセンサ。
　前記光源（１１０）は、複数のスポット光源を有しており、光受信器（１５０）は、複数のスポット検出器を有し、この場合それぞれ１つのスポット検出器とスポット光源が、相互に対応付けられ、相互にコンフォーカルに配置されている、請求項１から４いずれか１項記載のセンサ。
　前記複数のスポット光源および/または複数のスポット検出器を実現するために、複数の回折格子を有している格子系が用いられている、請求項５記載のセンサ。
　前記格子系は、一次元の回折格子ラインかまたは二次元の回折格子マトリックスである、請求項６記載のセンサ。
　前記格子系は、さらに付加的にマイクロレンズ装置を有している、請求項６または７記載のセンサ。
　付加的に少なくとも１つのさらなる結像光学系（２１３）が設けられており、該さらなる結像光学系は、当該さらなる結像光学系（２１３）と前記結像光学系（２３０）の間の領域内に光源（２１０）の中間像（２２５）が生じるように、照明光（２１２）のビーム経路内に配置されている、請求項１から４いずれか１項記載のセンサ。
　中間像（２２５）の領域内に、少なくとも１つの回折格子を有する格子系が設けられている、請求項９記載のセンサ。
　前記格子系は、回転型ニプコウディスク（２６０）であり、前記光受信器（２５０）はフラット型検出器である、請求項１０記載のセンサ。
　前記格子系は、定常的な一次元的または二次元的回折格子マトリックスを有しており、前記光受信器（２５０）は、局所分解能を有する一次元的または二次元的なフラット型検出器である、請求項１０記載のセンサ。