JP2006078457A - 高さ測定を有する基板検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 結像レンズを大幅に小型化し、通常の小型ＰＳＤを用いた簡単な構成とすることによりコストを低減し、また測定光を再度走査ミラーに通すことにより面倒れなどの誤差をキャンセルできる高精度な測定系を実現し、さらに結像倍率を自由に変更できる柔軟性の高い基板検査装置を提供することを課題とする。
【解決手段】 平行光束を出射する光源１と、光束をわける第１のビームスプリッタ１２と、光束の角度を変える走査ミラー２と、走査光束を集光する走査レンズ３と、走査光束を二つにわける第２のビームスプリッタ１３と、わけた光束を折り返すミラー１５と、第１のビームスプリッタ１２でわけられた光束を集光する結像レンズ１７と、集光された光ビーム位置を検知するＰＳＤ１８とで構成されることとした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、表面に電極等の材質の異なる部分をもつ基板の基板面上にレーザ光を走査したときの反射光を受光して表面上の位置や高さ検査を行う高さ測定装置および基板検査装置に関する。

従来技術としては例えば特開平６−１６７３２２に示されたものがあげられる。
図４はレーザ走査を用いた基板検査装置の一例の構成図である。レーザ光源１は、例えば半導体レーザとコリメーションレンズの組み合わせであり、このレーザ光源１と走査ミラーであるポリゴンスキャナ２と走査レンズ３の組み合わせによる投光光学系によって搬送ステージ４上に載置されている測定対象としてたとえば電極５が形成された基板６面上に一次元的に走査されるものとなっている。

又、搬送ステージ４は、制御／測定部７の制御によって投光光学系によるレーザ光の一次元的な走査方向に対して直交する方向に移動するものとなっている。

従って、投光光学系によるレーザ光の一次元的な走査と搬送ステージ４の移動とにより、レーザ光は、基板６の電極５の配置されている領域に対して二次元走査される。

一方、基板６の法線について投光光学系と対称となる斜め上方には、結像光学系８が配置され、基板６からの反射光が結像光学系８を通して高さ測定手段としてのＰＳＤ（光位置検出器）９に結像されるものとなっている。

このＰＳＤ９に結像されるレーザ光は、基板６上のレーザ光の照射される位置の高さに応じて移動し、これによりＰＳＤ９からは、レーザ光の位置と基板６からの反射光量に応じて電流による出力信号Ａ、Ｂが流れるものとなっている。

このＰＳＤ９の各出力Ａ、Ｂの出力端子には、それぞれＩ−Ｖ変換器１０が接続され、さらにこれらＩ−Ｖ変換器１０の出力がＡ／Ｄ変換器１１によりデジタルデータに変換されたあと制御／測定部７に送られ各ＰＳＤ出力ごとに（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）の計算が行われ、これが高さ測定信号として出力される。

上記装置では、反射光が結像してできるＰＳＤ９上の光点がポリゴンスキャナ２による走査によりＰＳＤ９上を移動するためＰＳＤ９は走査幅に対応する充分な長さを持つものが必要になる。一方高さ測定可能な範囲はＰＳＤ９の電極幅により決まる。そのためＰＳＤ９の大きさにより走査幅と測定範囲の比率が決まってしまい、走査幅と測定範囲の比率がかわるごとにＰＳＤ９を作りなおす必要がある。

例えば走査幅が２０ｍｍでレンズの結像倍率が１倍で高さ方向の測定範囲が２ｍｍのシステムが必要である場合にはＰＳＤは電極幅が３ｍｍ、走査方向の長さが２０ｍｍのＰＳＤが必要である。このようなＰＳＤは市販されておらず特別に作る必要がある。

このシステムを別な用途に使うために例えば走査幅が同じ２０ｍｍで高さ測定範囲を１／４の０．５ｍｍとし、高さ分解能を向上させたシステムを作りたい場合には同じＰＳＤを用いるとＰＳＤの高さ測定範囲の１／４しか使えなくなりＳ／Ｎが悪くなって高さ分解能が向上しない。光学倍率を４倍にして高さ測定範囲をＰＳＤの大きさに合わせると走査幅２０ｍｍのうち１／４の５ｍｍしかデータの取得ができなくなる。

よって十分な性能のシステムを作る場合には適したＰＳＤを新たに製作する必要が生じコスト高となる。また同時に結像レンズも作りなおす必要が生じ、さらにコスト高になり、システムとして柔軟性に欠けるという問題点がある。

さらに従来装置においてポリゴンスキャナの各ミラーの回転軸に対する傾き角度を加工精度上誤差ゼロで製作することはできないので各ミラー毎に面倒れと呼ばれる角度誤差が発生する。この誤差はあらかじめ計測しておいて、取得したＰＳＤのデータから差し引くなどの処置が必要になるわけであるが、ポリゴンスキャナには回転軸が倒れるなどの誤差もあり、動的な誤差を完全になくすことはできなかった。

そこで本発明は、結像レンズを大幅に小型化し、通常の小型ＰＳＤを用いた簡単な構成とすることによりコストを低減し、また測定光を再度走査ミラーに反射させることにより面倒れなどの誤差をキャンセルできる高精度な測定系を実現し、さらに結像倍率を自由に変更できる柔軟性の高い基板検査装置を提供することを目的とする。

本発明は以上の課題を解決するため以下のような構成としたものである。
平行光束を出射する光源１と、光束をわける第１のビームスプリッタ１２と、光束の角度を変える走査ミラー２と、走査光束を集光する走査レンズ３と、走査光束を二つにわける第２のビームスプリッタ１３と、わけた光束を折り返すミラー１５と、第１のビームスプリッタ１２でわけられた光束を集光する結像レンズ１７と、集光された光ビーム位置を検知するＰＳＤ１８とで構成されることとした。

また、第１のビームスプリッタ１２を偏光ビームスプリッタとし、第２のビームスプリッタ１３を偏光ビームスプリッタとし、第２のビームスプリッタ１３でわかれる光束の一方に１／２波長板１４を挿入することとした。

また走査レンズ３の焦点距離をｆ、設計上の入射瞳径をｄとしたとき走査レンズ３を全走査幅において角度ｄ／（２ｆ）ｒａｄ以下のテレセントリック光学系とした。

また前記第１のビームスプリッタ１２とＰＳＤ１８との間にシリンドリカルレンズ１６を挿入することとした。

本発明によると次のような効果がある。
第１に反射光を走査ミラー２に戻す構造としたことにより結像レンズ８が不要となりコストの低減が図れる。
第２にＰＳＤ１８に入射する光が走査しないのでＰＳＤ１８の小型化、市販品の使用が可能となりコストの低減が図れる。
第３に光が走査ミラー２を２度通過することにより走査ミラー２の誤差がキャンセルされ測定の高精度化が測れる。
第４に走査幅とＰＳＤ１８に対する結像倍率が独立に設計できるためシステムの柔軟性が高く、さまざまな用途に使用できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。なお、図４と同一部分には同一符号を付す。

図１は第１の実施の形態を示す２次元高さ測定装置の構成図である。
レーザ光源１は、従来例と同様に例えば半導体レーザとコリメーションレンズの組み合わせでありこのレーザ光源１から平行光として出射されたレーザ光は、第１のビームスプリッタ１２を通過する。このビームスプリッタ１２は例えば透過光対反射光の比率がほぼ１：１のいわゆるハーフミラー的なものでも良いが、より望ましくは偏光ビームスプリッタであって、レーザ光源から出射したレーザ光の偏光方向はこの第１の偏光ビームスプリッタ１２を通過する方向に設定されている。

第１の偏光ビームスプリッタ１２を通過したレーザ光は走査ミラーであるポリゴンスキャナ２を介して走査レンズ３に入射し出射する。走査ミラーはポリゴンスキャナ以外にガルバノスキャナやレゾナントスキャナでもよい。走査レンズ３はより望ましくはテレセントリックレンズとなっており、走査のいずれの場所でも走査レンズ３の光軸にほぼ平行に出射する。

走査レンズ３を出射した光は第２のビームスプリッタ１３に入射する。この第２のビームスプリッタ１３はハーフミラーでもよいがより望ましくは偏光ビームスプリッタとなっておりレーザ光源１からのレーザ光はこれを透過するような偏光方向となっている。この第２のビームスプリッタ１３は走査幅によっては細長く作る必要が生じる。

第２のビームスプリッタ１３を出射したレーザ光は次に１／２波長板１４に入射する。この１／２波長板１４は各ビームスプリッタがハーフミラーである場合にはなくてもよいものであるが各ビームスプリッタが偏光ビームスプリッタである場合には必ず必要である。この１／２波長板１４は透過するレーザ光の偏光方向を９０°変換するような角度で設置される。この１／２波長板１４も走査幅によっては細長く作る必要がある。

その後レーザ光はミラー１５に入射し、反射される。このミラー１５はより望ましくは誘電体多層膜により反射率が高く設計される。別な例としてはプリズムを用いた全反射でもよい。

これを反射したレーザ光は測定対象である基板６および電極５に入射する。測定対象を反射した測定光は入射時と対称な位置にあるミラー１５で反射され、第２のビームスプリッタ１３に再び入射する。第２のビームスプリッタ１３の入射側には波長板はないが行き側の１／２波長板１４の光路長を補正するために第２のビームスプリッタ１３の入射側にも１／２波長板１４と同光路長のガラス板を挿入してもよい。

第２のビームスプリッタ１３に再び入射した測定光は前記１／２波長板１４により偏光方向が９０°変化しているため偏光ビームスプリッタ１３を反射し、走査レンズ３方向に向きを変え、行きと逆の経路で走査レンズ３を透過する。走査レンズは結像位置が焦点距離と角度に比例するいわゆるｆθレンズであるので反射位置の高さが変化した場合は反射位置の高さに応じた角度をもつ平行光に変換されてポリゴンスキャナ２に向かう。

ポリゴンスキャナ２を再度反射する際にはポリゴンスキャナの走査による角度変化がキャンセルされる。そのためポリゴンスキャナを出射した測定光は走査しないのでＰＳＤ１８の小型化が可能になる。また面倒れによる角度誤差がキャンセルされるので高精度な測定が可能となる。

ポリゴンスキャナ２を反射した測定光は第１のビームスプリッタ１２に再び入射する。ここでも前記１／２波長板１４により偏光方向を９０°変えられているために測定光は第１のビームスプリッタ１２を反射し、ＰＳＤ１８方向に向かう。

測定光はシリンドリカルレンズ１６を通過する。このシリンドリカルレンズ１６はなくてもよいがより望ましくはより大きな光量でより高い周波数でＰＳＤ１８を動作させるため高さ測定方向と直交方向にビームを広げる役割をになう。このことによりＰＳＤ１８上の光量密度が緩和されＰＳＤ１８の応答性、線形性が改善される。

次に測定光は結像レンズ１７に入射する。測定光は結像レンズ１７によってＰＳＤ１８上に結像される。このときの結像高さは測定光の角度のタンジェントと、結像レンズ１７の焦点距離に比例する。測定光の角度は反射点の高さに比例し走査レンズ３の焦点距離の逆数に比例する。そのため測定光の反射点の高さとＰＳＤ１８上の結像高さは（結像レンズ１７の焦点距離）／（走査レンズ３の焦点距離）に比例することになる。よって結像レンズ１７の焦点距離を変えることにより走査幅などとは独立に結像倍率を可変することができる。よって本発明においては背景技術に比較して対象物の要求にたいしてより柔軟に最適な設定を行うことができる。

この結像レンズ１７は背景技術で説明したような結像レンズ８とは難しさがまったく異なる。背景技術で使われるような結像レンズ８は走査幅のすべての視野で測定に耐えうる精度でＰＳＤ９に結像しなければならない。そのため走査幅のすべてでコマ収差、非点収差、像面湾曲、歪曲などが高精度に補正されていなければならない。一方本発明による結像レンズ１７はほぼ光軸上のほぼ平行な光束を集光するだけの機能であり、必要な視野範囲は走査幅に対応する必要はなく、高さ測定範囲に対応できればよい。

例として２０ｍｍの走査幅で１ｍｍの高さ測定範囲でＰＳＤの電極幅２．５ｍｍとすれば、背景技術での結像レンズ８では視野２０ｍｍ以上に対応する必要があるが、本発明の結像レンズ１７ではＰＳＤ１８の電極幅２．５ｍｍに対応できればよく、視野は約１／１０となる。また一般に市販されている等倍結像レンズは高価であるが、無限遠の光束を結像するためのレンズはカメラレンズをはじめとして市販品にきわめて多く、安価である。よって本発明の結像レンズは背景技術に比較して大幅な低コスト化が図れる。

結像レンズ１７を透過した測定光はＰＳＤ１８に入射する。このＰＳＤ１８に結像されるレーザ光は、基板６上のレーザ光の光点の高さに応じて移動し、これによりＰＳＤ１８からは、レーザ光の位置と光量に応じて電流による出力信号Ａ、Ｂが流れる。

このＰＳＤ１８の各出力Ａ、Ｂの出力端子には、それぞれＩ−Ｖ変換器１０が接続され、さらにこれらＩ−Ｖ変換器１０の出力がＡ／Ｄ変換器１１によりデジタルデータに変換されたあと制御／測定部７に送られ各ＰＳＤ出力ごとに（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）の計算が行われ、これが高さ測定信号として出力される。

走査レンズ３がテレセントリックである必要性について簡単に説明する。高さ計測を行う場合には対象基板６に投射した光が最終的にＰＳＤ１８まで到達する必要があるが、基板６が平面で正反射性の場合、走査レンズ３がテレセントリックでなく光軸より外側に傾いていると、走査の端部を投光した光の平面での正反射光はより一層光軸より離れてしまうため走査レンズ３に戻ることができず、ＰＳＤ１８まで到達しない。この場合には表面の高さを測定することはできない。

走査レンズ３がテレセントリックであって投射したレーザ光が光軸と平行であるならば基板６が平面で正反射性の場合でも走査方向には投光レーザ光と同じ経路を戻ることとなりＰＳＤ１８まで到達できる。テレセントリック性が走査レンズの焦点距離ｆに対し開口ｄの半分までの角度範囲つまりｄ／（２ｆ）以下であれば一部の光はＰＳＤ１８まで到達できるが、それ以上テレセントリック性が悪くなると平面で正反射性の対象物の場合にはＰＳＤ１８に光が到達できない。よってテレセントリック性が必要となる。ただし測定対象物が拡散反射面であればテレセントリックであることは望ましいことではあるが必ずしも必要ではない。

以上、最良の形態について説明したが以下のよう変形も可能である。
対象基板への入射角度を変えることで高さ測定倍率を変えることができる。基板法線からの入射光の角度をθとすると高さｚによる反射光のビームの位置の差ｙはｙ＝ｚ（２・ｓｉｎθ）で与えられる。たとえば角度１５度の場合ｙ＝０．５２ｚであるが角度４５度ではｙ＝１．４１ｚ、角度７５度ではｙ＝１．９３ｚである。このように角度によって高さ測定倍率を４倍程度にも変えることができる。

本発明によれば図２に示すようにミラー１５の傾きをかえることによりいずれの角度にも対応できる。図２の（ａ）対象面の法線から入射光の角度が４５度、（ｂ）は１５度、（ｃ）は７５度の場合である。斜め入射による影が問題となるような用途であれば角度はなるべく浅くし、そのかわりに結像レンズ１７の焦点距離を大きくすることで結像倍率が下がる影響を少なくすることができる。一方影の問題がなく、倍率を上げたい場合には入射角度をなるべく深くすることで高さ測定倍率をあげることができる。なお入射反射角を４５度以外に設定する場合はより望ましくはＰＳＤ１８の姿勢を光学的共役線に従って傾かせることが必要である。

正反射物体の計測について説明したが全体の傾きをかえることにより間接反射光の計測にも対応可能である。図３は入射、反射角を各２２．５度とし、全体を２２．５度傾けた場合を示したものでこのような構成とすることで垂直入射による拡散面測定を行うことができる。

本発明の実施例の構成図 本発明の実施例の変形例の説明図 本発明の実施例の変形例の説明図 従来技術の構成図

符号の説明

１はレーザ光源
２は走査ミラーであるポリゴンスキャナ
３は走査レンズ
４はステージ
５は電極等の測定対象領域
６は基板
７は制御／測定部
８は結像光学系
９はＰＳＤ
１０はＩ−Ｖ変換器
１１はＡ／Ｄ変換器
１２は第１のビームスプリッタ
１３は第２のビームスプリッタ
１４は１／２波長板
１５はミラー
１６はシリンドリカルレンズ
１７は結像レンズ
１８はＰＳＤ

Claims (5)

1. 平行光束を出射する光源と、光束をわける第１のビームスプリッタと、光束の角度を変える走査ミラーと、走査光束を集光する走査レンズと、走査光束を二つにわける第２のビームスプリッタと、わけた光束を折り返すミラーと、第１のビームスプリッタでわけられた光束を集光する結像レンズと、集光された光ビーム位置を検知するＰＳＤとで構成されることを特徴とする走査型高さ測定装置。
2. 第１のビームスプリッタを偏光ビームスプリッタとし、第２のビームスプリッタを偏光ビームスプリッタとし、第２のビームスプリッタでわかれる光束の一方に１／２波長板を挿入することを特徴とする請求項１の走査型高さ測定装置。
3. 走査レンズの焦点距離をｆ、設計上の入射瞳径をｄとしたとき走査レンズを全走査幅において角度ｄ／（２ｆ）ｒａｄ以下のテレセントリック光学系としたことを特徴とする請求項１乃至２の走査型高さ測定装置。
4. 前記第１のビームスプリッタとＰＳＤとの間にシリンドリカルレンズを挿入することを特徴とする請求項１乃至３の走査型高さ測定装置。
5. 請求項１乃至４の２次元高さ測定装置を用いた基板検査装置。

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