JP2005107098A - 共焦点型検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 機構を簡単にし、制御性を上げた共焦点型検査装置を提供する。
【解決手段】 検査対象２に対向して配置された対物レンズ５と、所定の方向に一直線に配列された複数の輝点光１０ａを、対物レンズ５を介して検査対象２に投光する投光部２０と、前記輝点光１０ａで検査対象２を前記所定の方向と交差する方向に一次元に走査する走査機構９と、対物レンズ５を介して検査対象２から戻ってくる前記投光された輝点光１０ａを結像する結像レンズ６と、結像レンズ６により結像される光を受光する受光部であって、検査対象２上の各輝点光１０ａと対応して一直線に配列して設けられた受光部４０とを備える、共焦点型検査装置１とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、共焦点型検査装置に関し、特に機構を簡単にし、制御性を上げた共焦点型検査装置に関するものである。

従来から、検査対象の三次元形状を検査する装置として、共焦点型検査装置があった。このような共焦点型検査装置としては、例えば、検査対象に微小な輝点光を結像し、さらにその輝点光を合焦面で平面的に、言い換えれば合焦面をｘｙ平面とすると、そのｘとｙそれぞれの方向に走査し、そして、検査対象から戻ってくる（反射して）輝点光を受光素子で受光するものがあった。さらに、このような共焦点型検査装置は、焦点深度が浅く設定されているので、合焦面と検査対象の表面の部位が一致したことを検知することで、検査対象の凹凸を検査できるものであった。なお、検査対象上の部位で合焦したこと（合焦面と一致したこと）は、受光素子で受光する輝点光の強度が上がることを利用して検出していた。さらに合焦面をその面に垂直な方向（ｚ方向）に移動させて、凹凸の情報を積層していくことで、検査対象の凹凸を正確に検査できる、言い換えれば三次元形状を検査できるものがあった（例えば、特許文献１参照。）。
特開平６−１８７８６号公報 （第２−３頁、第１図）

以上のような従来の共焦点型検査装置によれば、例えば、検査対象上をｘｙ平面のｘとｙの２方向に走査していたため、走査のためのミラーが少なくとも２つ必要であった。このため、機構が複雑になり制御性も悪く、光路長が長くなる等の問題があった。

そこで本発明は、機構を簡単にし、制御性を上げた共焦点型検査装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明による共焦点型検査装置１は、例えば図１に示すように、検査対象２に対向して配置された対物レンズ５と；所定の方向に一直線に配列された複数の輝点光１０ａを、対物レンズ５を介して検査対象２に投光する投光部２０と；前記輝点光１０ａで検査対象２を前記所定の方向と交差する方向に一次元に走査する走査機構９と；対物レンズ５を介して検査対象２から戻ってくる前記投光された輝点光１０ａを結像する結像レンズ６と；結像レンズ６により結像される光を受光する受光部４０であって、検査対象２上の各輝点光１０ａと対応して一直線に配列して設けられた受光部４０とを備える。

このように構成すると、投光部２０により所定の方向に一直線に配列された複数の輝点光１０ａを、対物レンズ５を介して検査対象２に投光し、走査機構９により輝点光１０ａで検査対象２を前記所定の方向と交差する方向に一次元に走査できる。そして、対物レンズ５を介して検査対象２から戻ってくる前記投光された輝点光１０ａを結像レンズ６により結像し、さらに結像レンズ６により結像された光を、検査対象２上の各輝点光１０ａと対応して一直線に配列して設けられた受光部４０で受光するので、機構を簡単にし、制御性を上げた共焦点型検査装置を提供できる。

また請求項２に記載のように、請求項１に記載の共焦点型検査装置１では、走査機構９は、前記投光される光を反射して、検査対象２を前記所定の方向と交差する方向に一次元に走査する一次元走査ミラーであるとよい。

また請求項３に記載のように、請求項１又は請求項２に記載の共焦点型検査装置１では、例えば図１、図６に示すように、投光部２０は、複数の光ファイバー１１を各光ファイバー１１の軸線を第１の方向ｖ１に向けて平行に且つ平面状に並べた第１のファイバーグレーティング素子１２と、複数の光ファイバー１１を各光ファイバー１１の軸線を第１の方向ｖ１と異なる第２の方向ｖ２に向けて平行に且つ平面状に並べた第２のファイバーグレーティング素子１３と、複数の光ファイバー１１を各光ファイバー１１の軸線を第１、第２の方向ｖ１、ｖ２と異なる第３の方向ｖ３に向けて平行に且つ平面状に並べた第３のファイバーグレーティング素子１４とを有し、第１のファイバーグレーティング素子１２と第２のファイバーグレーティング素子１３と第３のファイバーグレーティング素子１４は、重ね合わせてファイバーグレーティング１０を構成し、ファイバーグレーティング１０には、可干渉性の光束を透過させるように構成するとよい。

このように構成すると、第１のファイバーグレーティング素子１２と第２のファイバーグレーティング素子１３と第３のファイバーグレーティング素子１４は、重ね合わせてファイバーグレーティング１０を構成し、ファイバーグレーティング１０には、可干渉性の光束を透過させるように構成されているので、例えば透過した可干渉性の光束が各ファイバーグレーティング素子１２、１３、１４で回折し、さらに前記回折光が干渉することで、単純な構成で、所定の方向に一直線に配列された複数の輝点光１０ａを、対物レンズ５を介して検査対象２に投光できる。

さらに請求項４に記載のように、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の共焦点型検査装置１では、例えば図１に示すように、投光部２０と検査対象２との間に配置された光分岐手段３１、３２を備えるとよい。

上記目的を達成するために、請求項５に係る発明による共焦点型検査装置１０００は、例えば図９に示すように、検査対象２に対向して配置された対物レンズ５と；複数の輝点光１１０ａを、対物レンズ５を介して検査対象２に二次元的に投光する投光部１２０と；対物レンズ５を介して検査対象２から戻ってくる前記投光された光を結像する結像レンズ６と；結像レンズ６により結像される光を受光する受光部１４０であって、検査対象２上に投光される各輝点光１１０ａと対応して設けられた受光部１４０とを備える。

このように構成すると、投光部１２０により複数の輝点光１１０ａを、対物レンズ５を介して検査対象２に二次元的に投光でき、そして対物レンズ５を介して検査対象２から戻ってくる前記投光された輝点光１１０ａを結像レンズ６により結像できる。さらに結像レンズ６により結像された光を、検査対象２上の各輝点光１１０ａと対応して設けられた受光部１４０で受光するので、例えば走査機構を必要とすることがないため、機構を簡単にし、制御性を上げた共焦点型検査装置を提供できる。

また請求項６に記載のように、請求項５に記載の共焦点型検査装置１では、例えば図１０に示すように、投光部１２０は、複数の光ファイバー１１を各光ファイバー１１の軸線を第１の方向ｖ１に向けて平行に且つ平面状に並べた第１のファイバーグレーティング素子１２と、複数の光ファイバー１１を各光ファイバー１１の軸線を第１の方向ｖ１と異なる第２の方向ｖ２に向けて平行に且つ平面状に並べた第２のファイバーグレーティング素子１３とを有し、第１のファイバーグレーティング素子１２と第２のファイバーグレーティング素子１３は、重ね合わせてファイバーグレーティング１１０を構成し、ファイバーグレーティング１１０には、可干渉性の光束を透過させるように構成するとよい。

このように構成すると、第１のファイバーグレーティング素子１２と第２のファイバーグレーティング素子１３は、重ね合わせてファイバーグレーティング１１０を構成し、ファイバーグレーティング１１０には、可干渉性の光束を透過させるように構成されているので、例えば透過した可干渉性の光束が各ファイバーグレーティング素子１２、１３で回折し、さらに前記回折光が干渉することで、単純な構成で、複数の輝点光１１０ａを、対物レンズ５を介して検査対象２に二次元的に投光できる。なお、第１のファイバーグレーティング素子１２と第２のファイバーグレーティング素子１３は、典型的には、第１の方向ｖ１と第２の方向ｖ２がほぼ直交しているとよい。

以上のように、本発明によれば、検査対象に対向して配置された対物レンズと、所定の方向に一直線に配列された複数の輝点光を、前記対物レンズを介して前記検査対象に投光する投光部と、前記輝点光で前記検査対象を前記所定の方向と交差する方向に一次元に走査する走査機構と、前記対物レンズを介して前記検査対象から戻ってくる前記投光された輝点光を結像する結像レンズと、前記結像レンズにより結像される光を受光する受光部であって、前記検査対象上の各輝点光と対応して一直線に配列して設けられた受光部とを備えるので、機構を簡単にし、制御性を上げた共焦点型検査装置を提供できる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、各図において互いに同一あるいは相当する部材には同一符号を付し、重複した説明は省略する。

図１は、本発明による第１の実施の形態である共焦点型検査装置としての共焦点走査顕微鏡１の模式的斜視図である。共焦点走査顕微鏡１は、検査対象２に対向して配置された対物レンズ５と、所定の方向に一直線に配列された複数の輝点光１０ａを、対物レンズ５を介して検査対象２に投光する投光部２０と、輝点光１０ａで検査対象２を前記所定の方向と交差する方向に一次元に走査する走査機構９と、対物レンズ５を介して検査対象２から戻ってくる前記投光された輝点光１０ａを結像する結像レンズ６と、結像レンズ６により結像される光を受光する受光部であって、検査対象２上の各輝点光１０ａと対応して一直線に配列して設けられた受光部４０とを備える。なお、図示では検査対象２の表面の一部のみを示している。

また、共焦点走査顕微鏡１は、投光部２０と検査対象２との間に配置された光分岐手段を備えている。光分岐手段は、投光部２０と検査対象２との間に配置された四分の一波長板３１と、四分の一波長板３１と投光部２０との間に配置され、検査対象２から戻る光のうち所定の偏光方向の光を透過させ前記所定の偏光方向と交差する偏光方向の光を受光部４０方向に偏向する、偏光ビームスプリッタ３２とで構成される。なお光分岐手段は、上記に限られず例えば検査対象２から戻る光を投光部２０方向と受光部４０方向とに分光するハーフミラーであってもよい。以下光分岐手段は、四分の一波長板３１と、偏光ビームスプリッタ３２とで構成される場合で説明する。以下、上記構成について詳述する。

なおここでは、ｘｙ軸を、検査対象２上に置くように、直交座標系ｘｙｚがとられている。またここでは、ｚ軸は対物レンズ５の光軸と平行である。

対物レンズ５は、その光軸をｚ軸と平行方向に向けて、検査対象２に対向して配置されている。対物レンズ５は、図示では説明のために単レンズとして示してあるが、典型的には、複数枚多群で構成される組み合わせレンズである。本実施の形態では固定的に取り付けられている。

投光部２０は、所定の方向（図中ｘ軸方向）に一直線即ち一次元方向に配列された複数の輝点光１０ａを、対物レンズ５を介して検査対象２に投光するものである。なお図１では一次元方向に配列された複数の輝点光１０ａは１本に輝線で示してある。また本実施の形態では、一次元方向に配列された複数の輝点光１０ａの列を複数本投光している。投光される輝点光１０ａの列は互いに平行であり、その間隔は一定である。

このように、投光部２０により、検査対象２に一次元方向に配列された複数の輝点光１０ａを投光することで、例えば輝線を投光する場合と比較して、各輝点光１０ａが所定間隔を空けて投影されるので（離散的に投影されるので）、投影された輝点光１０ａの結像状態（ボケ）の変化による、受光部４０で測定される光の強度の変化が明確になり、検査を高精度で行なえる。また、所定の方向に一直線に配列された複数の輝点光１０ａ、即ち一次元方向に配列された複数の輝点光１０ａの列を互いに平行に複数本投光することで、例えば同じ範囲を走査する場合、輝点光１０ａの列を１本とする場合と比較して走査機構９による走査の量（走査角度）を小さくすることができる。これにより、検査の高速化が図れるだけでなく、走査角度を小さくできるので精度が向上する。また以上では各輝点光１０ａが所定間隔を空けて投影される場合で説明したが、各輝点光１０ａは、その一部が重なってもよい。

なおここでは、上記の一次元方向に配列された複数の輝点光１０ａを複数本投光する場合で説明するが、１本であってもよい。この場合には、図２で後述の受光部４０も対応して１つとなる。

投光部２０は、ファイバーグレーティング１０（以下、単にグレーティング１０という）と、可干渉性の光束を発生する光束発生手段としての光束発生部２１とを備えている。可干渉性の光束は、典型的にはレーザーである。光束発生部２１は、平行光束を発生するように構成されている。なお、光束発生部２１は、典型的には、光源としてのＬＤ（半導体レーザダイオード）２１ａと、コリメータレンズ２１ｂとを含んで構成される半導体レーザー装置であり、発生される平行光束は、レーザー光束Ｌ１（図６参照）である。そしてレーザー光束Ｌ１は、断面が略円形状の光束である。なお、この略円形状は、略楕円形状を含む概念である。ここで平行光束とは、実質的に平行であればよく、平行に近い光束も含む。また、輝点光１０ａの形状は楕円形を含む略円形である（図示では円形）。

グレーティング１０に、レーザー光Ｌ１を入射させと、レーザー光Ｌ１は、個々の光ファイバー１１によりそのレンズ効果を持つ面内で集光したのち、発散波となって広がって行き、干渉して、投影面である検査対象２の表面に一次元方向に配列された複数の輝点光１０ａが投影される。なお図６で後述するように、一次元方向に配列された複数の輝点光１０ａの列を複数本投影することが容易に行なえる。また、グレーティング１０は、コリメータレンズ２１ｂの光軸に垂直に配置される。コリメータレンズ２１ｂの光軸に垂直に配置するとは、図６で後述するように、例えば、グレーティング１０を構成する第１ＦＧ素子１２の各光ファイバー１１の軸線を含む平面と、コリメータレンズ２１ｂの光軸とが垂直になるように配置することである。グレーティング１０については、図６で詳述する。

走査機構９は、複数の輝点光１０ａが配列された所定の方向と交差する方向に一次元に走査するものである。走査機構９は、典型的には、投光部２０により投光される光を反射して、検査対象２を所定の方向と交差する方向（図中ｙ軸方向）に一次元に走査する一次元走査ミラーである。以下走査機構９は、一次元走査ミラーの場合で説明する。一次元走査ミラー９は、対物レンズ５と四分の一波長板３１との間に配置されている。以下、ｙ軸方向即ち所定の方向と交差する方向を走査方向という。さらにここでは、所定の方向と垂直に交差する方向を走査方向とする。一次元走査ミラー９は、投光部２０により投光される光を反射する走査ミラー部９ａと、複数の輝点光１０ａが配列された所定の方向と平行方向の直線を回動軸９ｃとして、言い換えれば走査方向に垂直な方向の直線を回動軸９ｃとして、走査ミラー部９ａを回動軸９ｃ回りに回動するアクチュエータ９ｂとを有している。一次元走査ミラー９は、アクチュエータ９ｂにより、走査ミラー部９ａを走査方向に垂直な方向を回動軸９ｃ回りに回動することで、輝点光１０ａを走査方向に走査することができる。

なお本実施の形態では、一次元方向に配列された複数の輝点光１０ａの列を複数本投光しているが、このような場合であっても、例えば投光された複数本の複数の輝点光１０ａの列の各列間を一次元走査ミラー９により走査できることで、検査対象２を高精度に検査できる。

また本実施の形態では、走査機構は上記の一次元走査ミラー９の場合で説明するが、これに限られず例えば、検査対象２が載置される台を前記所定の方向と交差する方向に移動させることで、検査対象を所定の方向と交差する方向に走査するものであってもよい。

結像レンズ６は、受光部４０と偏光ビームスプリッタ３２との間に配置され、受光部４０に検査対象２から戻ってくる輝点光１０ａを結像するものである。
また、結像レンズ６と偏光ビームスプリッタ３２との間には、コリメータレンズ３３が、投光部２０と偏光ビームスプリッタ３２との間には、コリメータレンズ３４が配置されている。さらに、対物レンズ５と一次元走査ミラー９との間には、対物レンズ５側からレンズ３５、レンズ３６が配置されている。

ここで図２を受光部４０について説明する。（ａ）に示すように、受光部４０は、典型的には複数の受光素子４１を一次元に配列した一次元ＣＣＤアレイ（以下ラインセンサという）である。受光素子４１の配列方向は、検査対象２上の各輝点光１０ａと対応した方向である。なお、ラインセンサ４０は、複数の受光素子４１（画素）が前記配列方向に密に配列されたものである。なおここでは、（ｂ）に示すように、ラインセンサ４０を互いに平行に複数配置することでラインセンサ群４０ａを形成している。各ラインセンサ４０は、検査対象２上の所定の方向に一次元方向に配列された複数の輝点光１０ａの各列と対応するように配置される。なお、前述した通り、上記の一次元方向に配列された複数の輝点光１０ａが１本の場合には、ラインセンサ４０も対応して１つとなる。またここでは、複数のラインセンサ４０でラインセンサ群４０ａを形成する場合で説明するが、受光素子４１を二次元に配列した二次元受光素子アレイを用いてもよい。この場合には、前記複数の輝点光１０ａの各列と対応する列のみの情報を取得するようにするとよい。

さらにここでは、一定の間隔をあけた受光素子４１の情報を採用するようにする。この場合、情報を採用される受光素子４１の広がりそのものが絞りとなる。受光素子４１が絞りとなることで、検査対象２からの余分な散乱光やボケを排除し、三次元空間内の１点を正確に検査できる。また、高い分解能を実現できる。また、（ｃ）に示すように、ラインセンサ４０は、別の例として、各受光素子が所定の間隔をあけて配列され、点状の光の結像に比べて画素の大きさが小さいものを用いてもよい。この場合にも、受光素子の広がりそのものが絞りとなる。

また、ラインセンサ４０への光を絞る絞り部を備えるようにしてもよい。この場合には、絞り部は、ラインセンサ４０への光を絞るものであり、結像レンズ６とラインセンサ４０との間に配置される。この場合絞り部は、ラインセンサ４０に密着して配置される。さらにこの場合には、絞り部は、典型的には複数のピンホールが一定の間隔で、一次元方向に配列されたものである。ピンホールの配列方向はラインセンサ４０の受光素子の配列方向と平行である。即ち、検査対象２上の各輝点光１０ａと対応した配列方向である。ラインセンサ４０の前にこのようなピンホールが形成された絞り部を設置することで、検査対象２からの余分な散乱光やボケを排除し、三次元空間内の１点を正確に検査できる。また、高い分解能を実現できる。また上記では絞り部は、複数のピンホールの場合で説明したが、ラインセンサ４０の受光素子の配列方向と平行方向に形成されたスリットであってもよい。

図１に戻ってさらに説明する。四分の一波長板３１は、投光部２０と検査対象２との間に配置され、入射した光を所定の偏光方向と交差する偏光方向に偏光するものである。偏光ビームスプリッタ３２は、検査対象２から戻る光のうち、所定の偏光方向の光を透過させ、所定の偏光方向と交差する偏光方向の光をラインセンサ４０方向に偏向するものである。言い換えれば、検査対象２から戻る光のうち、四分の一波長板３１により偏光された偏光方向の光をラインセンサ４０方向に偏向するものである。即ちここでは、所定の偏光方向は、四分の一波長板３１により偏光された光の偏光方向と交差する偏光方向である。

さらに、共焦点走査顕微鏡１は、対物レンズ５と結像レンズ６の共焦点を調節する共焦点調節機構３を備える。本実施の形態では、共焦点調節機構３は可変焦点レンズである。共焦点走査顕微鏡１は、可変焦点レンズ３を用いることで、光学系を単純化することができる。また共焦点の調節を高精度で行なえる。

図３の断面図に示すように、可変焦点レンズ３は、例えば人間の眼球で水晶体の厚さを変化させて焦点調節を行っているのと同じ原理に基づいたものである。このような可変焦点レンズ３の構成の概略は、例えば次の通りである。可変焦点レンズ３は、可撓性に富む一対の透明板状体３ａと、透明板状体３ａの間に充填された変形可能な透明体３ｂと、透明板状体３ａの両端に取り付けられ、透明板状体３ａと透明体３ｂの形状を変化させるアクチュエータ３ｃを含んで構成される。

可変焦点レンズ３は、アクチュエータ３ｃにより、透明板状体３ａと透明体３ｂの形状を変化させることで、一対の透明板状体３ａを通過する光の屈折率を変化させることができる。即ち焦点を変化させることができる。なおこの透明体３ｂは、外部環境媒体（例えば空気）と異なる屈折率を持っている。透明体３ｂは、水などの液体やゼリー状の物質の流動体で、透明板状体３ａが変形するとその変形に伴い形状が変化することができる。可変焦点レンズ３は、駆動信号を入力することによりその焦点を可変するものである。可変焦点レンズ３は、例えば、駆動信号の電圧により、その焦点距離を可変させるものである。このような可変焦点レンズ３は、小型軽量であり、さらに高速動作で焦点調節が可能である。

また、図４の模式的断面図に示すような液晶レンズ３’を可変焦点レンズとして用いてもよい。液晶レンズ３’は、ホモジニアス（ねじれのない）分子配列のネマティック液晶層３０１と、ネマティック液晶層３０１を挟む２枚の無反射コートされたガラス板３０２と、ガラス板の内側に形成された透明電極３０３ａ、３０３ｂとを含んで構成される。透明電極３０３ａ、３０３ｂは、例えばスズを添加した酸化インジウムのＩＴＯ膜のような金属酸化物である。液晶レンズ３’は、例えば、ガラス板３０２の片方（例えば図中下側）には、電気的な接地面を形成するための一様な透明電極３０３ａが全面にわたって形成されている。また、ガラス板３０２のもう一方（例えば図中上側）には、液晶層３０１に必要な電界分布を与えるための電極パターンで透明電極３０３ｂが形成される。

透明電極３０３ａ、３０３ｂに、駆動信号としての駆動交流電圧（例えば数ｋＨｚの矩形波）を印加すると、複屈折率（分子の長軸と短軸の屈折率差）を持つネマティック液晶分子３０１ａは、電場に沿って傾く。即ちネマティック液晶分子３０１ａの長軸の向きと平行な方向の直線偏光をもった単色光にとって、ネマティック液晶層３０１は、電圧分布に応じて局所的に異なった屈折率分布をもった媒質と等価となる。したがって、ネマティック液晶層３０１を通過した光の波面には、液晶の印加電圧の面内分布に応じた空間的な波面変調あるいは位相変調が加わることになる。なお同心円状の電極構造を用いた場合、球面単レンズの位相プロファイルが得られる。液晶レンズ３’の焦点距離は、印加電圧の振幅制御により可変できる。液晶レンズ３’は、駆動電圧が低く、システムの構成が簡単であることが特徴である。なお、可変焦点レンズとしては、上述したものに限られるものではなく、例えば非線形光学結晶を用いたものとしてもよい。以下可変焦点レンズ３を用いる場合で説明する。

可変焦点レンズ３は、典型的には、一次元走査ミラー９と四分の一波長板３１との間に配置される。なお、可変焦点レンズ３は、比較的焦点距離の短いレンズを配置する必要がある箇所に配置することが好ましい。このようにすると、可変焦点レンズ３による共焦点の調整幅を大きく取りやすい。また、可変焦点レンズ３は、例えばレンズ３５とレンズ３６と対物レンズ５のうち、少なくともいずれか１つと置換えてもよい。なおこの場合には、一次元走査ミラー９と四分の一波長板３１との間に配置された可変焦点レンズ３を固定のレンズと置換えてもよいし、一次元走査ミラー９と四分の一波長板３１との間に配置された可変焦点レンズ３をそのまま配置した状態でもよい。後者の場合、共焦点走査顕微鏡１は、可変焦点レンズ３を少なくとも２つ備えることになる。このように、可変焦点レンズ３を複数配置することで、より高精度に共焦点を調節できる。即ち検査対象２を詳細に検査できる。また上記では、可変焦点レンズ３は、レンズ３５とレンズ３６と対物レンズ５のうち、少なくともいずれか１つと置換える場合で説明したが、例えば上記各レンズと組み合わせてもよい。

なおここでは、可変焦点レンズ３を用いる場合で説明するが、これに限られず、可変焦点レンズ３の代わとして、例えば可変焦点レンズ３と同様な位置に配置された結像レンズと、前記結像レンズをその光軸方向に移動させる共焦点調節機構としてのレンズ移動手段とを有するものであってもよい。または、共焦点調節機構は、前記結像レンズ又は対物レンズ５を光軸方向に移動させる機構であってもよい。さらにこのような共焦点調節機構と、可変焦点レンズ３とを組み合わせて用いてもよい。この場合には、前記共焦点調節機構により大まかに共焦点を調節し、さらに可変焦点レンズ３で高精度で共焦点を調節するとよい。このようにすることで、高速で高精度な共焦点走査顕微鏡１とすることができる。なお、前記共焦点調節機構は、対物レンズ５を光軸方向に移動させる機構とすると効果的に共焦点の調節を行なえる。

共焦点走査顕微鏡１は、可変焦点レンズ３に出力する駆動信号に対応する共焦点の移動距離を予め測定し、前記測定の結果に基づいて共焦点の調節を行なうように構成するとよい。具体的には、例えば駆動信号の電圧と、共焦点の移動距離を対応させてテーブルを生成しておくとよい。なお、テーブルは、電圧又は共焦点の移動距離が一定間隔になるように生成する。ここでは、共焦点の移動距離が一定間隔になるように生成した。可変焦点レンズ３は、電圧と焦点距離の変化（言い換えれば共焦点の移動距離）が線形でなく、一定間隔で共焦点の移動距離が一定間隔になるように制御することが難しい。このように、予め駆動信号の電圧に対応する共焦点の移動距離を予め測定して、テーブルを生成しておくことで、共焦点の調節が容易に行なえる。このため、検査の高速化が可能なだけでなく、検査の自動化が可能になる。テーブルは、共焦点走査顕微鏡１を制御する不図示の制御装置に記憶しておくとよい。また、共焦点の移動距離を共焦点の位置（例えば対物レンズ５からの距離）としてもよい。即ち、駆動信号の電圧と、共焦点の位置を対応させてテーブルを生成してもよい。
図５に生成したテーブルの例を示す。

図６の模式図を参照して、グレーティング１０について説明する。（ａ）は斜視図、（ｂ）は正面図である。グレーティング１０は、複数の光ファイバー１１を各光ファイバー１１の軸線を第１の方向ｖ１に向けて平行に且つ平面状に並べた第１のファイバーグレーティング素子１２（以下第１ＦＧ素子１２という）と、複数の光ファイバー１１を各光ファイバー１１の軸線を第１の方向ｖ１と異なる第２の方向ｖ２に向けて平行に且つ平面状に並べた第２のファイバーグレーティング素子１３（以下第２ＦＧ素子１３という）と、複数の光ファイバー１１を各光ファイバー１１の軸線を第１の方向ｖ１、第２の方向ｖ２と異なる第３の方向ｖ３に向けて平行に且つ平面状に並べた第３のファイバーグレーティング素子１４（以下第３ＦＧ素子１４という）とを含んで構成される。本実施の形態では、各ＦＧ素子１２、１３、１４の平面は、互いに平行である。ここでは、各ＦＧ素子を識別するために、第１ＦＧ素子、第２ＦＧ素子、第３ＦＧ素子と呼ぶ。本実施の形態では、第１ＦＧ素子、第２ＦＧ素子、第３ＦＧ素子の順序で重ね合わされている。しかしながら他の順序、例えば、第１ＦＧ素子、第３ＦＧ素子、第２ＦＧ素子の順に重ね合わせてもよい。以下、各ＦＧ素子１２、１３、１４の平面を素子平面という。

また本実施の形態では、第１ＦＧ素子１２と、第２ＦＧ１３と、第３ＦＧ素子１４とは、各光ファイバー１１の軸線の間隔が等しく、且つその間隔は、第１ＦＧ素子１２、第２ＦＧ素子１３、第３ＦＧ素子１４間で等しい。さらに本実施の形態では、第１ＦＧ素子１２と、第２ＦＧ１３と、第３ＦＧ素子１４は、共に光ファイバー１１の径を等しく、且つ光ファイバー１１を接触させて並べて構成されている。

第１ＦＧ素子１２、第２ＦＧ素子１３、第３ＦＧ素子１４は、それぞれ、例えば、直径が数十ミクロン、長さ１０ｍｍ程度の光ファイバー１１を数１０〜数１００本程度、平行にシート状に並べて構成したものである。また、各ＦＧ素子１２、１３、１４は、それぞれ、例えばガラス板に貼り付けて構成するとよい。このようにすることで、各ＦＧ素子１２、１３、１４の取り扱いが容易になる。また、グレーティング１０を容易に組み立てることができるので、製造しやすい。

第１ＦＧ素子１２と第２ＦＧ素子１３と第３ＦＧ素子１４は、重ね合わせてグレーティング１０を構成する。なお、ここでの重ね合わせは、各ＦＧ素子１２、１３、１４の各素子平面がほぼ平行になるように重ね合わされている。言い換えれば、本実施の形態では、グレーティング１０は、第１ＦＧ素子１２、第２ＦＧ素子１３、第３ＦＧ素子１４の順に、各々の素子平面が平行になるように重ね合わされている。即ち、第１ＦＧ素子１２と第２ＦＧ素子１３は隣接している。また、第２ＦＧ素子１３と第３ＦＧ素子１４は隣接している。また、グレーティング１０は、光束発生部２１により発生されるレーザー光束Ｌ１を透過させるように構成されている。ここでは、レーザー光束Ｌ１は、第１ＦＧ素子１２側から入射させる。言い換えれば、レーザー光束Ｌ１は、第１ＦＧ素子１２、第２ＦＧ素子１３、第３ＦＧ素子１４の順に透過させる。レーザー光束Ｌ１は、典型的には、グレーティング１０（第１ＦＧ素子１２）の素子平面に対して垂直に入射させる。

さらに、図６（ｂ）に示すように、本実施の形態では、第１の方向ｖ１と第２の方向ｖ２がほぼ直交している。また、第３ＦＧ素子１４は、第３の方向ｖ３が、第１の方向ｖ１から所定の角度θだけ素子平面と平行な面内で回転させて重ね合わされている。所定の角度θについては、図７を参照して後述する。

ここで、図７を参照して、所定の角度θについて説明する。まず所定の角度θを与えることによる、輝点光の変化について説明する。（ａ）では、（ｂ）に示すように、所定の角度θがθ１の場合で説明する。なお（ａ）は、（ｂ）の図中奥側から手前にレーザー光束Ｌ１を透過させた場合に投影されるパターンの一部を示した図である。図示では、参考として、θ１は、１０°程度で示してある。まず、所定の角度θが０°であったときに投影されるパターンの一部である輝点光５１、５２、５３、５４、５５に注目する。そして、第３ＦＧ素子１４に所定の角度θ１を与えると、上記各輝点光は、各輝点光の生成方向である直線５１ａに対して、それぞれ角度θ１をなす直線５１ａ’方向に回折して新たな輝点光を投影する。さらに説明するならば、輝点光５１に注目すると、輝点光５１は、直線５１ａ’方向に、回折して新たな輝点光５１’を投影する。

このように、所定の角度θによって輝点の回折方向が変わるので、θによっては、例えば平行で等間隔に配列される、一直線に配列された複数の輝点光の列を投影することができる。以下、所定の角度θを調整することで、一直線に配列された複数の輝点光の列を投影する場合について説明する。

図８に示すように、一直線に配列された複数の輝点光１０ａの列を投影する場合には、所定の角度θは、０．１〜１０°、好ましくは１〜８°、最も好ましくは５°程度とするとよい（図示は５°の場合）。また、θ＝８５°の場合にも、同様なパターンとなる。但し、この場合には、投影されるパターンは、図示のパターンを９０°回転させたパターンとなる。また、ＦＧ素子は、低次から高次の回折光に渡って回折効率が一定に近く、一直線に配列された複数の輝点光１０ａは、複数の輝点光１０ａが一直線に集合することで形成されているので、中央部にある輝点光１０ａの明るさが、中央部から端部方向にいっても変化しにくい。即ち、輝度を均一にすることができる。さらに、グレーティング１０では、一直線に配列された複数の輝点光１０ａの列を複数本投光することが容易に行なえる。

なお図示のように、グレーティング１０により、一直線に配列された複数の輝点光１０ａの列が複数本投光されるが、輝点光１０ａの列が１本でもよい場合には、他の列を例えば絞りによりマスキングすることで、１本の一直線に配列された複数の輝点光１０ａの列とするとよい。

図１に戻って、以上のような構成を有する共焦点走査顕微鏡１の作用を説明する。具体的には、まず可変焦点レンズ３により、およそ検査対象２の表面と一致する位置に焦点を調節する。さらに言えば、焦点の合った面（以下合焦面２ａという）を調節する。そして、ＬＤ２１ａを発光させる。そして、図示されるように、ＬＤ２１ａにより発せられた直線偏光の光は、コリメータレンズ２１ｂにより平行光となってグレーティング１０に入射し、個々の光ファイバー１１によりそのレンズ効果を持つ面内で集光したのち、発散波となる。そして偏光ビームスプリッタ３２を透過し、四分の一波長板３１で円偏光となり、可変焦点レンズ３にへ入射する。そして一次元走査ミラー９で反射され（偏向され）、対物レンズ５に入射し、合焦面２ａで収束する。即ち結像する。なお、グレーティング１０に入射して発散波となって広がった光は、干渉して、合焦面２ａに複数の輝点光１０ａとして結象される。

そして、検査対象２で反射した光は、対物レンズ５から戻り、可変焦点レンズ３に入射したのち、四分の一波長板３１で円偏光が直線偏光に偏光される。偏光された光は、ＬＤ２１ａからの光に対し、偏光面が９０°回転するため、偏光ビームスプリッタ３２でラインセンサ４０方向に偏向される（図示では９０度偏向）。そして偏向された光は、結像レンズ６を介してラインセンサ４０で受光される。そして、ラインセンサ４０は、受光した光の強度を検出する。

ここで、共焦点走査顕微鏡１は、共焦点光学系であるため、検査対象２に凹凸が存在すると、この凹凸のうち、ｚ軸方向で合焦面２ａと一致した部分に投影された輝点光１０ａは結像し、一致しない部分に投影された輝点光１０ａはラインセンサ４０上でボケるため、ラインセンサ４０の受光素子４１に入射する光量は大きく減少する。これを利用して、検査対象２のｚ軸方向のうねり等の凹凸が一次元的に検査できる。

さらにこの状態で、一次元走査ミラー９により、ｙ軸方向に一直線に配列された複数の輝点光１０ａで、検査対象２を、走査方向（ｘ軸方向）に走査することで、検査対象２のｚ軸方向の凹凸がニ次元的（平面的）に検査できる。

さらに共焦点走査顕微鏡１は、上述のような検査対象２の凹凸の二次元的な検査が完了すると、可変焦点レンズ３により、合焦面２ａをｚ軸方向へ移動させて（例えば図示の合焦面２ａ’の位置に移動させて）、同様な検査を行なう。このような検査をｚ軸の座標を変えて繰り返し行なう。これにより、ｚ軸の各座標で検査した、各合焦面２ａでの検査対象２の凹凸の二次元的な検査結果を積層していくことで、詳細な検査対象２のｚ軸方向の凹凸の検査、例えば凹凸の深浅とその値まで検査できる。言い換えれば検査対象２の三次元形状を検査できる。

以上のように、本発明の第１の実施の形態である共焦点走査顕微鏡１は、対物レンズ５と、所定の方向に一直線に配列された複数の輝点光１０ａを、対物レンズ５を介して検査対象２に投光する投光部２０と、複数の輝点光１０ａで検査対象２を所定の方向と交差する方向である走査方向に一次元に走査する一次元走査ミラー９と、対物レンズ５を介して検査対象２から戻ってくる輝点光１０ａを結像する結像レンズ６と、検査対象２上の各輝点光１０ａと対応して一直線に配列して設けられたラインセンサ４０とを備える。これにより、例えば一次元走査ミラー９で、検査対象２の検査対象領域を走査できるため、走査のためのミラーを減らすことができるので、光路長が短く、単純な光学系とすることができる。また、一次元に走査するだけで済むので検査の高速化が図れる。

また、共焦点走査顕微鏡１は、投光部２０に複数の光ファイバーを平面状に並べたＦＧ素子３枚から構成されるグレーティング１０が備えられているので、単純でありながら、例えば輝度が均一である複数の輝点光１０ａを、所定の方向に一直線に配列して検査対象２に投光できる。

さらに、共焦点走査顕微鏡１は、投光部２０と検査対象２との間に配置された四分の一波長板３１と、四分の一波長板３１と投光部２０との間に配置され、検査対象２から戻る光のうち所定の偏光方向の光を透過させ、所定の偏光方向と交差する偏光方向の光をラインセンサ４０方向に偏向する偏光ビームスプリッタ３２とを備える。これにより、単純な光学系でありながら、投光部２０より検査対象２に投光され、また検査対象２から戻る光をラインセンサ４０が受光できるので、検査対象２の凹凸を正確に検査できる。

図９は、本発明による第２の実施の形態である共焦点型検査装置としての共焦点顕微鏡１００の模式的斜視図である。共焦点顕微鏡１００は、共焦点走査顕微鏡１と、基本的に同様な構成であるが、例えば投光部と受光部の構成が異なり、走査機構を備えていないものである。以下、共焦点顕微鏡１００について説明する。共焦点顕微鏡１００は、検査対象２に対向して配置された対物レンズ５と、複数の輝点光１１０ａを、対物レンズ５を介して検査対象２に二次元的に投光する投光部１２０と、対物レンズ５を介して検査対象２から戻ってくる投光部１２０により投光された光を結像する結像レンズ６と、結像レンズ６により結像される光を受光する受光部であって、検査対象２上に投光される各輝点光１１０ａと対応して設けられた受光部１４０と、受光部１４０への光を絞る孔の形成された絞り部１４１とを備えている。なお、第１の実施の形態と同様に、図示では検査対象２の表面の一部のみを示している。また、共焦点走査顕微鏡１と同様な構成については説明を省略する。

投光部１２０は、検査対象２に二次元的に配列された輝点光１１０ａを、対物レンズ５を介して検査対象２に投光するものである。投光部１２０は、グレーティング１１０と、前述の光束発生部２１とを備えている。

図１０（ａ）に示すように、グレーティング１１０は、基本的に図６で説明したグレーティング１０と同様なものであるが、第３ＦＧ素子１４（図６参照）を有していない。即ち、グレーティング１１０は、第１ＦＧ素子１２と第２ＦＧ素子１３で構成され、第１ＦＧ素子１２の第１の方向ｖ１と、第２ＦＧ素子１３の第２の方向ｖ２がほぼ直交している。このようなグレーティング１１０に、レーザー光束Ｌ１を入射させると、検査対象２に二次元的に配列された輝点光１１０ａを検査対象２に投光できる。なお、二次元的に配列された複数の輝点光１１０ａは、本実施の形態では、例えば図１０（ｂ）に示すような、正方格子状に配列された複数の輝点光１１０ａである。

受光部１４０は、典型的には複数の受光素子を二次元に配列したＣＣＤセンサである。また、受光部１４０として、ＣＣＤの他にＣＭＯＳ構造の素子が最近盛んに発表されており、それらも当然使用可能である。特にこれらの中には、素子自体にフレーム間差算や二値化の機能を備えたものがあり、これらの素子の使用は好適である。以下、受光部１４０はＣＣＤセンサの場合で説明する。

絞り部１４１は、ＣＣＤセンサ１４０への光を絞るものであり、結像レンズ６とＣＣＤセンサ１４０との間に配置される。この場合絞り部１４１は、ＣＣＤセンサ１４０に密着して配置される。絞り部１４１は、典型的には複数のピンホールが一定の間隔で、二次元方向に配列されたピンホールアレイである。ピンホールの配列パターンは、検査対象２上の各輝点光１０ａと対応した配列パターンである。ＣＣＤセンサ１４０の前にこのようなピンホールアレイが形成された絞り部１４１を設置することで、検査対象２からの余分な散乱光やボケを排除し、三次元空間内の１点を正確に検査できる。また、高い分解能を実現できる。上記では絞り部１４１は、ピンホールアレイの場合で説明したが、複数本のスリットであってもよい。この場合には、複数本のスリットは検査対象２上の正方格子状に配列された複数の輝点光１０ａが形成する各列と対応するように形成される。なお、スリットの方向は、ＣＣＤセンサ１４０のスキャン方向と垂直な方向（図９中のＣＣＤセンサ１４０では上下方向）とすることが好ましい。このようにすることで、より高い分解能を実現できる。なお、図示ではピンホールアレイの場合で示してある。

なおＣＣＤセンサ１４０は、典型的にはフルフレームの情報（全ての受光素子の情報）を採用するが、これに限られず、一定の間隔をあけた受光素子の情報を採用するようにしてもよい。この場合には、検査対象２上に投光された複数の輝点光１１０ａのＣＣＤセンサ１４０上での像に対応するように、採用する受光素子を決めるようにする。なおこの場合には、採用された受光素子の広がりそのものが絞りとなる。言い換えれば絞り部１４１を備える必要がない。またこのようにすることで、ＣＣＤセンサ１４０からの情報量が減るので高速処理が可能である。またここでは受光部はＣＣＤセンサ１４０の場合で説明するが、これに限られず、一定の間隔をあけて二次元方向にＰＤ（フォトディテクタ）を配列したＰＤアレイとしてもよい。この場合には、検査対象２上に投光された複数の輝点光１１０ａの受光部上での像に対応するように、各ＰＤを配置するようにする。なおこの場合にも、ＰＤの広がりそのものが絞りとなる。言い換えれば絞り部１４１を備える必要がない。

なお共焦点顕微鏡１００は、図示では、偏向ミラー１０９が、対物レンズ５と四分の一波長板３１との間に配置されている場合を示してあるが、偏向ミラー１０９は備えなくてもよい。この場合には、投光部１２０、偏光ビームスプリッタ３２、四分の一波長板３１、可変焦点レンズ３、対物レンズ５が一直線上に配置される。これにより、光学系を単純化できる。また、例えば共焦点顕微鏡１００の体積を小さくすることが可能である。

以上のように、本発明の第２の実施の形態である共焦点顕微鏡１００は、対物レンズ５と、複数の輝点光１１０ａを、対物レンズ５を介して検査対象２に二次元的に投光する投光部１２０と、結像レンズ６と、検査対象２上に投光される各輝点光１１０ａと対応して設けられたＣＣＤセンサ１４０とを備えている。これにより、例えば走査機構を必要としないため、単純な光学系とすることができる。

また、共焦点顕微鏡１００は、投光部１２０に複数の光ファイバーを平面状に並べたＦＧ素子２枚から構成されるグレーティング１１０が備えられているので、単純でありながら、例えば輝度が均一である複数の輝点光１１０ａを、正方格子状に配列して検査対象２に投光できる。

さらに、第１の実施の形態の共焦点走査顕微鏡１と、第２の実施の形態の共焦点顕微鏡１００は、共に、合焦面以外からの光を通さないため、通常の光学顕微鏡のように像がぼやけることがない。このため、検査対象の凹凸、言い換えれば三次元形状を高精度に得ることができる。また非接触かつ簡単に検査対象の三次元形状を検査できる。これは、例えば高密度化する半導体や一般材料等の測定、微細な三次元形状の観察に有利である。

本発明の第１の実施の形態である共焦点走査顕微鏡の構成の概略を示す模式的斜視図である。 本発明の第１の実施の形態であるラインセンサについて説明する、（ａ）模式的平面図、（ｂ）ラインセンサ群を示す模式的平面図、（ｃ）各受光素子が所定の間隔をあけて配列された場合を示す模式的平面図である。 本発明の第１の実施の形態である可変焦点レンズについて説明する模式的断面図である。 本発明の第１の実施の形態である可変焦点レンズの別の態様である液晶レンズについて説明する模式的断面図である。 本発明の第１の実施の形態で用いる駆動信号の電圧に対応した共焦点の移動距離を表すテーブルの例を示す線図である。 本発明の第１の実施の形態であるグレーティングについて説明する、（ａ）斜視図、（ｂ）正面図である。 本発明の第１の実施の形態であるグレーティングにより投影される複数の輝点光について説明する、（ａ）パターンの模式図、（ｂ）グレーティングの正面図である。 本発明の第１の実施の形態であるグレーティングにより投影されるパターンの例を示す図であり、所定の角度θが５°の場合を示す模式的平面図である。 本発明の第２の実施の形態である共焦点顕微鏡の構成の概略を示す模式的斜視図である。 本発明の第２の実施の形態であるグレーティングについて説明する、（ａ）グレーティングの斜視図、（ｂ）グレーティングにより投影されるパターンの例を示す模式的平面図である。

符号の説明

１ 共焦点走査顕微鏡
２ 検査対象
３ 可変焦点レンズ
５ 対物レンズ
６ 結像レンズ
９ 一次元走査ミラー
１０ ファイバーグレーティング
１０ａ 輝点光
２０ 投光部
２１ 光束発生部
３１ 四分の一波長板
３２ 偏光ビームスプリッタ
４０ ラインセンサ
１００ 共焦点顕微鏡
１１０ ファイバーグレーティング
１１０ａ 輝点光
１２０ 投光部
１４０ ＣＣＤセンサ
１４１ 絞り部

Claims (6)

1. 検査対象に対向して配置された対物レンズと；
   所定の方向に一直線に配列された複数の輝点光を、前記対物レンズを介して前記検査対象に投光する投光部と；
   前記輝点光で前記検査対象を前記所定の方向と交差する方向に一次元に走査する走査機構と；
   前記対物レンズを介して前記検査対象から戻ってくる前記投光された輝点光を結像する結像レンズと；
   前記結像レンズにより結像される光を受光する受光部であって、前記検査対象上の各輝点光と対応して一直線に配列して設けられた受光部とを備える；
   共焦点型検査装置。
2. 前記走査機構は、前記投光される光を反射して、前記検査対象を前記所定の方向と交差する方向に一次元に走査する一次元走査ミラーである；
   請求項１に記載の共焦点型検査装置。
3. 前記投光部は、複数の光ファイバーを各光ファイバーの軸線を第１の方向に向けて平行に且つ平面状に並べた第１のファイバーグレーティング素子と、
   複数の光ファイバーを各光ファイバーの軸線を第１の方向と異なる第２の方向に向けて平行に且つ平面状に並べた第２のファイバーグレーティング素子と、
   複数の光ファイバーを各光ファイバーの軸線を第１、第２の方向と異なる第３の方向に向けて平行に且つ平面状に並べた第３のファイバーグレーティング素子とを有し、
   前記第１のファイバーグレーティング素子と第２のファイバーグレーティング素子と第３のファイバーグレーティング素子は、重ね合わせてファイバーグレーティングを構成し、該ファイバーグレーティングには、可干渉性の光束を透過させるように構成された；
   請求項１又は請求項２に記載の共焦点型検査装置。
4. 前記投光部と前記検査対象との間に配置された光分岐手段を備える；
   請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の共焦点型検査装置。
5. 検査対象に対向して配置された対物レンズと；
   複数の輝点光を、前記対物レンズを介して前記検査対象に二次元的に投光する投光部と；
   前記対物レンズを介して前記検査対象から戻ってくる前記投光された光を結像する結像レンズと；
   前記結像レンズにより結像される光を受光する受光部であって、前記検査対象上に投光される各輝点光と対応して設けられた受光部とを備える；
   共焦点型検査装置。
6. 前記投光部は、複数の光ファイバーを各光ファイバーの軸線を第１の方向に向けて平行に且つ平面状に並べた第１のファイバーグレーティング素子と、
   複数の光ファイバーを各光ファイバーの軸線を第１の方向と異なる第２の方向に向けて平行に且つ平面状に並べた第２のファイバーグレーティング素子とを有し、
   前記第１のファイバーグレーティング素子と第２のファイバーグレーティング素子は、重ね合わせてファイバーグレーティングを構成し、該ファイバーグレーティングには、可干渉性の光束を透過させるように構成された；
   請求項５に記載の共焦点型検査装置。
   

Images