JP2005077158A

JP2005077158A - 表面検査装置および方法

Info

Publication number: JP2005077158A
Application number: JP2003305598A
Authority: JP
Inventors: Hideyuki Ishimaru; 秀行石丸; Masahiro Nakashiro; 正裕中城; Toshihiro Matsumoto; 敏宏松本
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-08-29
Filing date: 2003-08-29
Publication date: 2005-03-24

Abstract

【課題】本発明は実装回路基板等の被検査物表面を光走査し、その反射光に基づいて部品の形状不良等を検査する表面検査装置において、その検査速度を高速化する。
【解決手段】複数の半導体レーザ素子１、２、３を時間差を設けてパルス発振をさせ、その光軸をわずかにずらしたレーザ光Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３をポリゴンミラー５に入射し、光走査用ｆθレンズ系６を通して被検査物１０の表面１１に所定ピッチＡで光走査する。被検査物１０を光走査方向に対して直角方向に移動させながら、被検査物表面１１から反射するレーザ光Ｌ１ｒ、Ｌ２ｒ、Ｌ３ｒを光検出器１６ａ、１６ｂにより検出し、光検出器１６ａ、１６ｂが出力する電気信号を演算装置１７、１８で高さ信号に変換する。
【選択図】図３

Description

本発明は回路基板上に実装する電子部品単体や半導体チップ等の被検査物表面に光走査して、その被検査物の表面から反射した散乱反射光に基づいて部品の形状不良や表面欠陥等を検査する表面検査装置および検査方法に関する。

近年、電子部品単体やこれらの電子部品を実装した回路基板の表面を検査するに際して、レーザスキャン方式の表面検査装置が多く用いられる。この表面検査装置としては、一般に、図５（ａ）、（ｂ）に示す構成が知られている。

図５（ａ）に示すように、半導体レーザ素子３１から放射するレーザ光Ｌは、コリメータレンズ３２により平行光に揃えられ、アナモフィックプリズム３４によりビーム形状を整形された後、ポリゴンミラー３５の外周面３５ａをなす鏡面に入射する。

ポリゴンミラー３６はその外周面３５ａを回転軸Ｐに平行な８つの鏡面で構成したもので、回転軸Ｐの軸心回りで矢印方向Ｅに一定速度で回転する。レーザ光Ｌは回転軸Ｐに対して直交する方向からポリゴンミラー３５の外周面３５ａの鏡面に入射する。

したがって、ポリゴンミラー３６で反射するレーザ光Ｌは、ポリゴンミラー３５の回転にともない偏向角度が変化することで、破線で示すように光路Ｌｅから光路Ｌｆの範囲で偏向される。このようにして偏向されたレーザ光Ｌは、同軸配置された複数枚（図では３枚の場合を例示）のレンズ３７、３８および３９からなる光走査用ｆθレンズ系３６によって偏向および集光された後、被検査物４０の表面４１を光走査する。

図５（ｂ）は図５（ａ）を矢印Ｄの方向から見た図である。図５（ｂ）で示すように、ポリゴンミラー３５で反射偏向した光路Ｌｅから光路Ｌｆの範囲のレーザ光Ｌは、光走査用ｆθレンズ系３６を通り被検査物４０の表面４１を光走査する。

この光走査によって被検査物４０の表面４１で反射した散乱反射光Ｌｒは、レーザ光Ｌの光軸の両側の対象位置にそれぞれ配置した集光レンズ４３で集光された後、対向する光検出器４４の受光面４５に入射する。光検出器４４は受光した光の大きさ（光子の量）や強度（振幅）に応じて電気信号を演算装置４６に出力する。被検査物４０を矢印Ｙの方向に移動させながら前述した光走査を繰り返すことにより、被検査物４０の表面４１に生じた凹凸の状態を検知し、その電気信号を得る。

集光レンズ４３および光検出器４４は光路Ｌｅから光路Ｌｆの範囲のレーザ光Ｌの光軸の両側の対称位置にそれぞれ配置する構成としているので、被検査物表面４１の部品４２の段差で散乱反射光Ｌｒが遮られて、一方の光検出器４４に散乱反射光Ｌｒが入射しない事態が生じても、他方の光検出器４４で検出可能である。

図６は実装回路基板等の被検査物４０の表面４１に部品４２が実装されている状態を示す。ポリゴンミラー３５で反射偏向するレーザ光Ｌにより光路Ｌｅから光路Ｌｆまでの範囲で光走査すると、被検査物４０の表面４１には部品４２の凹凸に対応した走査光４９が結像する。走査光４９は被検査物４０の表面４１で光路Ｌｒ１から光路Ｌｒ２までの幅を持って反射する。光路Ｌｒ１からＬｒ２までの範囲の反射散乱光Ｌｒは集光レンズ４３および４８で集光され、光検出器４４の表面４５に入射して入射散乱光４７として結像する。

したがって入射散乱光４７は被検査物４０の表面４１に配置した部品４２の凹凸に対応した形状になる。光検出器４４は入射散乱光４７を光電変換するとともに、受光面４５における入射散乱光４７の光照射位置に対応した電気信号を演算装置４６に対して出力する。演算装置４６では、光検出器４４から入力した電気信号に基づいて、公知の三角測距法で被検査物４０の表面４１に実装された部品４２の高さ位置を演算により算出する。

被検査物４０の表面４１を１回光走査するごとに入射散乱光４７が結像する位置での部品４２の凹凸の高さが求まる。このため、被検査物を矢印Ｙ方向に動かしながら前記光走査を繰り返すことにより、図７に示すように、部品４２の矢印Ｙ方向の各位置における凹凸の状態を示す高さ信号５０、５１および５２を連続して得ることが可能になる。

この種の先行技術文献としては特許文献１に記載するものがある。この文献に記載された発明は、ポリゴンミラーで偏向されたレーザ光がｆθレンズ系を経て被検査物の表面に直角に入射することで、レーザ光の入射ビーム光に死角を生じさせることがなくなるものである。
特開平８−７５４３１号

こうした実装回路基板等の被検査物の測定あるいは検査においては、その効率化を図るために測定あるいは検査速度を上げることが要求されており、前述した表面検査装置ではポリゴンミラーの高速回転化を進めているが、高速回転化には限界があるのでさらなる効率改善は困難であった。

さらに、検査の対象として実装回路基板の表面形状と同時に、例えば半導体の端子形状の歪み等、実装前の部品形状の検査も要求されており、検査の高速化が急務となっている。また、部品の小型化も進み、大きな形状の部品と極めて小さな形状の部品が混載された実装回路基板も実用に供されており、それらを効率良く測定あるいは検査する必要性が生じている。

そこで本発明は前記課題に鑑み、従来の測定精度を維持しながら測定速度を大幅に改善することが可能な表面検査装置および表面検査方法を提供することを目的とするものである。

前記目的を達成するために、本発明の表面検査装置は、外周を多面体で構成した多面体走査ミラーと、前記多面体走査ミラーの外周面にレーザ光を照射する複数の半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子を各半導体レーザ素子ごとに時間差を設けてパルス発振させる制御手段と、前記多面体走査ミラーで反射偏向するレーザ光を被検査物の表面に複数の平行な走査光として照射して光走査する光走査手段と、前記被検査物と前記光走査手段とを相対的に移動させる移動手段と、前記被検査物表面から反射する各走査光の反射光を受光する光検出器と、前記光検出器から出力する電気信号を演算により高さ信号に変換し、前記制御手段に同期させて各高さ信号を各走査光ごとに時系列に並べ替える演算装置とを有するものである。

上記構成により、制御手段によって複数の半導体レーザ素子から任意の光強度のレーザ光を各半導体レーザ素子ごとに時間的位相をずらし、光走査方向の分解能と半導体レーザ素子数に応じてパルス発振させる。各レーザ光は、多面体走査ミラーをなすポリゴンミラーの回転軸を含む面と平行な面内において、各レーザ光の光軸を互いに所定の角度を有するように配し、ホリゴンミラーにより各レーザ光を反射偏向して光走査手段をなす光走査用ｆθレンズ系を通して被検査物の表面に光走査する。この際、光軸のずれた複数のレーザ光は、光走査用ｆθレンズ系を通過する際に光走査用ｆθレンズの副走査方向のテレセントリックｆθ特性により、ポリゴンミラーの回転軸に直交する面内で一定間隔を有する平行な走査光となり、等間隔で同時に被検査表面を光走査する。

そして、被検査物を光走査用ｆθレンズ系に対して相対移動させながら前記複数のレーザ光により光走査し、被検査物表面から反射する複数のレーザ光の反射光を光検出器により検出する。これにより、被検査物の表面を常に一定間隔を置いて複数のレーザ光が光走査することになり、被検査物の送り速度を高速にすることが可能となり、検査速度を改善するものである。

本発明によれば、被検査物の表面を光走査して被検査物の形状などを測定あるいは走査する場合、被検査物の表面に常に一定間隔をおいて複数のレーザ光が光走査することになり、被検査物の送り速度を高速にすることが可能になり、検査速度を改善できる。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態について、図１〜図３を用いて説明する。図１は本発明の実施の形態においてレーザ光を被検査物の表面に照射する構成を示す概略図である。

本実施の形態では３個の半導体レーザ素子１、２、３を用いる。各半導体レーザ素子１、２、３はそれぞれのパルス発振制御装置２７、２８、２９により、パルス幅、パルス強度（光強度）、パルス周期および各半導体レーザ素子１、２、３のパルス発光タイミングを決定する時間的位相を制御する。

各半導体レーザ素子１、２、３の作用は同様であるので、ここでは半導体レーザ素子１について説明する。半導体レーザ素子１から放射されるレーザ光Ｌ１はコリメータレンズ４を通過してアナモフィックプリズム（図示せず）に入射し、アナモフィックプリズムでビーム形状を整形した後、ポリゴンミラー５の外周面５ａをなす鏡面に入射する。

多面体走査ミラーをなすポリゴンミラー５は回転軸Ｐに平行な８つの鏡面で外周面５ａを構成し、回転軸Ｐの軸心回りで矢印Ｅの方向に一定速度で回転する。レーザ光Ｌ１は回転軸Ｐに対して垂直な方向からポリゴンミラー５の外周面５ａの鏡面に入射する。

したがって、ポリゴンミラー５で反射するレーザ光は、ポリゴンミラー５の回転にともない偏向角度が変化することで、光路Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ、Ｌｄの方向に偏向される。この光路Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ、Ｌｄはポリゴンミラー５で反射する反射光が光走査手段をなす光走査用ｆθレンズ系６に入射する直前、光走査用ｆθレンズ系６への入側端、中央および出側端に入射するときのそれぞれの光路を示す。

光走査用ｆθレンズ系６に入射する直前の光路Ｌａのレーザ光Ｌ１は、光走査開始の基準信号を生成するために光強度検出器１４に入射し、光強度検出器１４にはポリゴンミラー５が４５度回転するごとに、つまり被検査面への光走査開始直前のタイミングでレーザ光Ｌ１が入射し、その都度毎に光強度検出器１４は基準信号として電気信号を１回出力する。この基準信号を基準として、各半導体レーザ素子１、２、３のパルス発振をパルス発振制御装置２７、２８、２９により時間的に制御する。

そして、偏向されたレーザ光Ｌ１は同軸配置された複数枚（図では３枚の場合を例示）のレンズ７、８および９からなる光走査用ｆθレンズ系６によって偏向および集光した後、被検査物１０の表面１１を幅方向（矢印Ｗの方向）に光走査する。半導体レーザ素子２、３から放射されるレーザ光も、同様にポリゴンミラー５および光走査用ｆθレンズ系６を通り、被検査物１０の表面１１を光走査する。

被検査物１０の表面１１には部品等が実装されており、その部品等によって表面１１に凹凸１２の形状を有している。被検査物１０は紙面の奥から手前に向かう方向（Ｙで示す方向）に連続的に移動する。移動速度はポリゴンミラー５が４５度回転する間にＹ方向に所定距離３ｙ（ｙは後述するレーザ光Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の光軸間のピッチＡに相当）移動する。

レーザ素子１、２、３のそれぞれのパルス発振タイミングの一例を図２に示す。図２に示すように、まず半導体レーザ素子１を一定時間ｔ_０にわたって射して基準信号を発生させる。一定時間ｔ_０が経過した後に半導体レーザ素子１を消灯する。この間に光強度検出器１４が基準信号を出力する。

次に、パルス発振制御装置２７、２８、２９により、光強度検出器１４が出力する基準信号の立ち上がりタイミングから各々一定時間ｔ_１、ｔ_２、ｔ_３の経過後に、各半導体レーザ素子１、２、３をパルス幅Ｓ、周期Ｔでパルス発振させる。ここで、パルス周期Ｔとパルス幅Ｓは、光走査速度、光走査幅、被検査面光走査方向の必要分解能、レーザ素子の個数（この事例では３個）に応じて決定されるものであり、３個の半導体レーザ素子１、２、３が同時にレーザ放射することはないように設定する。

半導体レーザ素子１は、ポリゴンミラー５が４５度回転して被検査面への光走査が１回終了するまでの間に所定のパルス数を発生させ、その後に時間ｔ_４にわたって消灯させて再び一定時間ｔ_０にわたってレーザを放射させる。

例えば、ポリゴンミラー面８面、ポリゴンミラー回転数20,000min^-1、光走査幅60mm、被検査面光走査方向の必要分解能60μｍの場合、パルス周期Ｔは375ns、パルス幅Ｓは、100nsと設定した。また、初期の半導体レーザ素子１の放射時間ｔ_０は1000ns、基準信号の立ち上がり時刻からの、各々一定時間ｔ_１は1250ns、ｔ_２は1275ns、ｔ_３は1300ns、ｔ_４は500nsとし、被検査面への光走査が１回終了するパルス数は、10,000パルスと設定した。

図３は図１を矢印Ｄの方向から見た図であり、半導体レーザ素子１、２、３のそれぞれの位置関係とポリゴンミラー５に対する位置関係の一例を示している。図３で示すように、ポリゴンミラー５で偏向されたレーザ光Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３は、光走査用ｆθレンズ系６を通り被測定物１０の表面１１を光走査する。

本実施の形態においては、ポリゴンミラー５に入射するレーザ光Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の光軸は、ポリゴンミラー５の回転軸Ｐを含む面と平行な面内に存在し、入射角度が僅かにずれている。

このように光軸のずれたレーザ光Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３は、ポリゴンミラー５の外周面５ａで反射し光走査用ｆθレンズ系６を通過する際に、光走査用ｆθレンズ系６の副走査方向（方向Ｙ）のテレセントリックｆθ特性により、被検査物１０の移動方向Ｙに対し一定間隔Ａを有する平行光になる。例えば、ポリゴンミラー５に入射するレーザ光Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の光軸を０．０４度ずつずらすことにより、被検査物１０の移動方向Ｙに対してＡ＝６０μｍのピッチを有する平行な走査光を得た。

被検査物１０の表面１１に達したレーザ光Ｌ１、Ｌ２およびＬ３は、被検査物１０の移動方向Ｙに対して所定の距離Ａだけずれた位置に結像する。この結果、被検査物１０の表面１１をピッチＡの３本の走査光が同時に走査する。

この光走査によって被検査物１０の表面１１で反射したレーザ光Ｌ１の散乱反射光Ｌ１ｒ、レーザ光Ｌ２の散乱反射光Ｌ２ｒ、およびレーザ光Ｌ３の散乱反射光Ｌ３ｒは、レーザ光Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の光軸（図１に示す光路Ｌｂ、Ｌｃ、Ｌｄ）の両側の対称位置にそれぞれ配置した集光レンズ１５で集光され、それぞれビーム位置センサー（ＰＳＤ）等の光検出器１６ａおよび１６ｂに入射する。

光検出器１６ａおよび１６ｂは受光した光に応じて電気信号をそれぞれ演算装置１７、１８へ出力する。演算装置１７、１８は、光検出器１６ａおよび１６ｂから入力された電気信号を演算により高さ信号に変換して表示装置１９に送る。この際、演算装置１７、１８はレーザ光Ｌ１の散乱反射光Ｌ１ｒによる高さ信号、レーザ光Ｌ２の散乱反射光Ｌ２ｒによる高さ信号、レーザ光Ｌ３の散乱反射光Ｌ３ｒによる高さ信号をそれぞれ分離して表示装置１９に送る。

詳述すると、レーザ光Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３は光強度検出器１４からの基準信号に同期してそれぞれパルス発振しているので、ポリゴンミラー５が４５度回転する間に偏向されたレーザ光Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３が被検査物１０の表面１１を幅方向（矢印Ｗの方向）に光走査すると、光検出器１６ａおよび１６ｂには集光レンズ１５を通して散乱反射光Ｌ１ｒ、Ｌ２ｒ、Ｌ３ｒが離散的に入射し、演算装置１７、１８には光検出器１６ａおよび１６ｂから散乱反射光Ｌ１ｒ、Ｌ２ｒ、Ｌ３ｒに由来する電気信号が離散的に入力される。

このため、演算装置１７、１８は各走査光の散乱反射光Ｌ１ｒ、Ｌ２ｒ、Ｌ３ｒに由来する電気信号を演算により高さ信号に変換するとともに、光強度検出器１４からの基準信号発生時刻でタイミングを取って、時間的に離散な状態にある各高さ信号を各走査光の散乱反射光Ｌ１ｒ、Ｌ２ｒ、Ｌ３ｒに由来するものごとにそれぞれ時系列に並べ替えて表示装置１９に送る。表示装置１９では、送られた高さ信号に基づき、被検査物の表面形状を表示する。

したがって、被検査物１０の表面１１をピッチＡを有する３本の走査光で同時に走査し、被検査物１０を矢印Ｙの方向に移動させながら光走査を繰り返すことにより、表示装置１９には図４に示すように、最初の光走査で高さ信号２１、２２、２３を同時に得て、次ぎの光走査で高さ信号２４、２５、２６を同時に得ることができ、従来に比較して被検査物１１の送り速度を３倍にすることが可能になる。

なお、実施の形態１では３つのレーザ光を用いたが、本発明の構成において３つ以上のレーザ光を用いれば、検査速度の更なる改善が実現できる。

本発明の表面検査装置および方法は、被検査物の表面を光走査して被検査物の形状などを測定あるいは走査する場合に、被検査物の表面に常に一定間隔をおいて複数のレーザ光が光走査することになり、被検査物の送り速度を高速にすることが可能になり、検査速度を改善でき、回路基板上に実装する電子部品単体や半導体チップ等の被検査物表面に光走査して、その被検査物の表面から反射した散乱反射光に基づいて部品の形状不良や表面欠陥等を検査する技術に利用できる。

本発明の表面検査装置の実施の形態を示す要部構成図本発明の実施の形態１の動作原理を説明する図本発明の実施の形態１の動作原理を説明する図本発明の表面検査装置で得られる被検査物の高さデータを示す図（ａ）従来の表面検査装置の要部構成図（ｂ）同上図を右側面から見た構成図被検査物の表面状態の検出方法を説明する図従来の表面検査装置で得られる被検査物の高さデータを示す図

符号の説明

１、２、３半導体レーザ素子
４コリメータレンズ
５ポリゴンミラー
５ａポリゴンミラーの反射面
６光走査用ｆθレンズ系
７、８、９光走査用ｆθレンズ系を構成するレンズ
１０被検査物
１１被検査物の表面
１２被検査物の表面の凹凸
１３ミラー
１４光強度検出器
１５集光レンズ
１６ａ、１６ｂ光検出器
１７、１８演算装置
１９表示装置
２１、２２、２３、２４、２５、２６高さ信号
２７、２８、２９パルス発振制御装置
３１レーザ素子
３２コリメータレンズ
３４アナモフィックプリズム
３５ポリゴンミラー
３５ａポリゴンミラーの反射面
３６光走査用ｆθレンズ系
３７、３８、３９光走査用ｆθレンズ系を構成するレンズ
４０被検査物
４１被検査物の表面
４２被検査物の表面の部品
４３、４８集光レンズ
４４光検出器
４５光検出器の受光面
４６演算装置
４７入射散乱光
４９走査光
５０、５１、５２高さ信号

Claims

外周を多面体で構成した多面体走査ミラーと、前記多面体走査ミラーの外周面にレーザ光を照射する複数の半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子を各半導体レーザ素子ごとに時間差を設けてパルス発振させる制御手段と、前記多面体走査ミラーで反射偏向するレーザ光を被検査物の表面に複数の平行な走査光として照射して光走査する光走査手段と、前記被検査物と前記光走査手段とを相対的に移動させる移動手段と、前記被検査物表面から反射する各走査光の反射光を受光する光検出器と、前記光検出器から出力する電気信号を演算により高さ信号に変換し、前記制御手段に同期させて各高さ信号を各走査光ごとに時系列に並べ替える演算装置とを有することを特徴とする表面検査装置。
複数の半導体レーザ素子から照射するレーザ光を多面体走査ミラーの外周面に入射角度を等角度にずらせて入射し、被検査物の移動方向に対して所定ピッチを有する平行な走査光を形成することを特徴とする請求項１に記載の表面検査装置。
複数の半導体レーザ素子から多面体走査ミラーに入射するレーザ光の光軸が前記多面体走査ミラーの回転軸を含む面と平行な面内に存在することを特徴とする請求項１又は２に記載の表面検査装置。
複数の半導体レーザ素子から多面体走査ミラーの外周面に入射するレーザ光の入射角度を等角度でずらせるとともに、各レーザ光の光軸を多面体走査ミラーの回転軸を含む面と平行な面内に配置して、各半導体レーザ素子を時間差を設けてパルス発振させ、各半導体レーザ素子から照射するレーザ光を回転する多面体走査ミラーの外周面に照射する工程と、前記多面体走査ミラーの外周面で反射偏向する各レーザ光を副走査方向で平行な複数の走査光として被検査物上を光走査する工程と、前記被検査物の表面からの散乱反射光を光検出器で受光する工程と、前記光検出器が出力する電気信号から高さ信号を演算し、前記制御手段に同期させて各高さ信号を各走査光ごとに時系列に並べ替える演算工程とを有する表面検査方法。