JP2007072020A - 光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ダイレクト接続タイプの測定装置で、結像光学系よりＦ値の大きな明るい照明光学系を照射することが可能な光源装置を実現する。
【解決手段】 光源からの光をレンズ群を介して被検査撮像素子に照射する光源装置において、前記レンズ群の中のレンズのうち、結像面に最も近いレンズをレンズ群とは分離して配置した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば、ＣＣＤセンサ、ＣＭＯＳセンサ等の固体撮像素子の検査に用いられる光源装置に関し、詳しくは光源からの光が組み合わせレンズ群を介してウエハ状態の被測定体に照射されるように構成された光源装置に関するものである。

ＣＣＤセンサやＣＭＯＳなどの固体撮像素子の検査は、前工程と後工程の２段階に分けて測定されるのが一般的で、そのうち前工程ではウェハー状態で検査され、良品として選別された素子は続く後工程で電子部品として実装が可能な形態にパッケージングされる。

更にレンズモジュールなどを付加したアッセンブリなどの形態に組立てられる場合もある。パッケージングされた撮像素子は後工程での検査として実使用状況により近い照明条件で測定される。

図３は前述の前工程で行われるウェハー状態での検査を行う光源装置の構成説明図である。
図３において、１はプローバ、２は撮像素子検査用光源、３はＤＵＴ(ＤeviceＵnder Ｔest)、４はウエハー、５はケーブル、６は検査光、７はアプリケーションボード、８はテストヘッド、９はテスタ本体、１０はテストヘッド内蔵撮像素子検査用光源である。

図３に示すように、ウェハー４はプローバ１内の搬送部により検査位置に搬送され、検査用光源２から検査の基準となる検査光６が照射される。
そして、ウエハー状態における固体撮像素子４の受光機能がテスタのテストヘッド８により検査される。検査は検査光６を照射したときの電気的な出力を測定することで行われる。

テストヘッドを使った測定の形態には大きく分けて２通りあり、１つは図３に示したようにテストヘッドが測定部から比較的離れた場所にあり、比較的長いケーブル５でアプリケーションボード７を中継してテストヘッド８まで接続される形態である。

図４はウェハー状態での光源装置の他の実施例を示すもので、ダイレクト接続と呼ばれるものである。図において、１１はスコープホールであり、その他の要素中図３と同一要素には同一符号を付している。この例では、テストヘッド８を上下反転してプローバ（測定部）に直接載せることで、ウェハー４とテストヘッド８までの距離を短く抑え、電気的な測定精度の向上と測定時間の高速化を図っている。

前述の２つの光源装置の検査用光源２及び１０を比べると、図３の光源装置ではプローバ１の上には配置される部品がなく物理的制限が無いため、検査用光源２が自由に占有することが許される。

一方、図４に示す光源装置では、テストヘッド８がプローバ１の上を完全に独占している。そのため、テストヘッド８にはスコープホール１１と呼ばれる概ねΦ１１０ｍｍ程度の穴が開けらている。検査用光源１０はこのスコープホール１１を利用して、ウェハー上空まで検査の基準となる検査光を照射しなければならない。

このような光源装置では、安定した均一光を微少光量から大光量まで変化させて照射する必要がある。そのためスコープホール１１を利用して検査光を照射する場合、限られた空間と様々な制限の中で設計を遣り繰りすることが要求される。その結果、測定条件によっては寸法の制約から必要十分な設計に至らずに妥協して使われることもある。

図５は図４に示すダイレクト接続の光源装置の要部構成断面図である。図において、テストヘッド８には、中央部に光束が通る穴の開いたＤＵＴボード３とコンタクトリング１２が取り付けられている。
上述の構成において、コンタクトリング１２の近傍にウェハー４がプローバ１により搬送され、位置決めされてテスト針（図示省略）に電気的に接触する。

テストヘッド８には前述のスコープホール１１が形成されており、このスコープホール１１を貫通してレンズ群からなる投射レンズ系（後述）が内蔵されたレンズ鏡筒１５が配置されている。レンズ鏡筒１５内の投射レンズ系は検査用光源１０から出射した光がウエハー表面で概ね結像するように（又は均一な分布を有する落射光となるように）設計されており、レンズ鏡筒１５の先端は、ＤＵＴボード３の近傍まで達するように形成されている。

前述の投射レンズ系１６では検査用光源１０からの光が必ずしも結像しなければいけないわけではないが、後述する要件を満たすことが大切である。レンズ鏡筒１５の先端には投射レンズ系の一部を構成するレンズ１３が配置されており、このレンズ１３の先端からウエハー４の表面までの距離ワーキングディスタンス（以下ＷＤという）が確保されている。
なお、リレーレンズ系集光レンズを用いた光源装置の先行技術としては例えば下記の特許文献１，２に示されたものがある。

特開２００１−２６４８７９号公報 特開２００５−２０４２７２号公報

ところで、テストヘッド８は、比較的頻繁に定期的診断校正の作業が行われるが、校正に際しては、ＤＵＴボード３やコンタクトリング１２を外し、代わりに中央に穴の開いていない診断ボード１４が載せられる。
図６は、テストヘッド８に診断ボードを取付けたときの場合を示す図で、検査用光源１０からの光を結像するレンズ鏡筒１５がＤＵＴボード３の直前までしか近づけることができない状態を示している。

図７はレンズ鏡筒１５内に配置された結像機能を有するレンズ群からなる投射レンズ系１６の断面構成図である。
図において、３はＤＵＴボード、４はウエハー、１２はコンタクトリング、８はテストヘッド、１１はスコープホール、１６は投射レンズ系を構成するレンズ群、１３は結像面にもっとも近いレンズ、２１は瞳レンズである。また、Ｂで示す範囲は照明エリア、ＷＤはレンズから被写体までの距離（ワーキングディスタンス）である。

検査用光源１０は同時に多数個の撮像素子を測定するために、
１）照明の中心でも周辺でも色温度が高く光量や色ムラが均一であること。
２）周辺に至るまで同じF値で光軸の倒れが無いこと。
が求められる。
更に最終的に被検査撮像素子（ウエハー）の表面に光を照射する瞳レンズ２１の最大ＮＡ（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ａｐｅｒｔｕｒｅ）を十分に満たすことが求められる。この条件を満たす照明に使われるレンズの代表的なものとしてテレセントリック結像レンズがある。

周辺光の倒れがないテレセントリックレンズで平行光を落とすには、ウエハー面４側から見てＦ値分だけ直径の大きなレンズが必要となる。従って結像面に最も近いレンズ１３は、矢印Ｂで示す照明エリア＋Ａのエリアだけ直径の大きなレンズが必要となる。Ａの面積はＦ値が大きければ大きいほど、そしてＷＤが大きければ大きいほど広い面積となるため、明るいレンズを設計しようとすればＷＤを小さくした方がレンズ１３の直径は小型化が図られる。

近年の検査用光源は高画素撮像素子の小型化が進み一枚のウエハー上に多数の撮像素子が並ぶようになり生産性向上のために同測数を２個→４個→８個と増やしているため照明エリアが大きくなっていることからレンズ直径も大きくなる。しかし前述のように光源の先端レンズ（結像面に最も近いレンズ）１３はＤＵＴボード３を越えられないため、一般的には概ねＷＤを８０ｍｍ程度確保せざるを得ない。

例えばＷＤを８０ｍｍとした時、Ｆ４のレンズを設計すればＡの直径はΦ２０ｍｍとなりレンズ１３の直径は、「照明エリア」+「２０ｍｍ」ということになる。照明エリアが１００ｍｍ近いものであればレンズ１３の直径はΦ１２０ｍｍになる。更にＦ２のような明るいレンズでは、Ａの直径はΦ４０ｍｍとなり、この場合レンズ１３の直径はΦ１４０ｍｍになる。

通常コンタクトリングの内径はΦ１１０ｍｍ程度で、この制約の中で照射エリアの大きなテレセントリックレンズを設計しようとすれば、「ＷＤ」÷「Ａの直径」で求められるＦ値以下とならざるを得ない。「Ａの直径」＝「コンタクトリングの内径」―「照射エリアサイズ」となるため、大きな照明エリアが必要な検査条件では、Ｆ値を小さくせざるを得ない。

しかしながら、照明のＦ値は最終的に撮像素子面に照射することになる結像レンズのＦ値より明るいことが検査光の条件であり、これより暗い照明を当てたのでは周辺光量が不足し、検査光としては不適である。

従って本発明の目的は、照明の中心でも周辺でも光量や色ムラが均一であること、周辺に至るまで同じＦ値で光軸の倒れが無いように設計されたレンズ群の中で結像面に最も近いレンズをレンズ群とは分離して被検査撮像素子（ウエハー）４の近傍に配置することで、ダイレクト接続タイプの測定装置で特に問題となる被検査撮像素子に近づけられないという寸法的な制限を解消し、結像光学系よりＦ値の大きな明るい照明光学系で照射することが可能な光源装置を実現することにある。

本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、請求項１記載の光源装置の発明は、
光源からの光をレンズ群を介して被検査撮像素子に照射する光源装置において、前記レンズ群の中のレンズのうち、結像面に最も近いレンズをレンズ群とは分離して配置したことを特徴とする。
請求項２においては、請求項１記載の光源装置において、
前記レンズ群は周辺に至るまで同じＦ値で光軸の倒れが無いように設計され、レンズ群を構成する絞りで任意にＦ値を変更可能としたことを特徴とする。

請求項３においては、請求項１又は２に記載の光源装置において、
前記結像面に最も近いレンズの後段に瞳レンズが配置されており、前記レンズ群のＦ値は前記瞳レンズのＦ値と同等若しくは僅かに明るいＦ値で照射することが可能なように絞り径を固定したことを特徴とする。

請求項４においては、請求項１乃至３に記載の光源装置において、
前記レンズ群はテストヘッド内に形成されたスコープホールに挿入されたことを特徴とする。
請求項５においては、請求項１乃至４に記載の光源装置において、
前記結像面に最も近いレンズはコンタクトリング内に配置されたことを特徴とする。

請求項６においては、請求項１乃至５に記載の光源装置において、
前記光源からの光はケーラー照明光学系またはクリティカル照明系を介して前記レンズ群に照射するように構成したことを特徴とする。
請求項７においては、請求項５に記載の光源装置において、
前記コンタクトリングは取り付け、取り外し自在としたことを特徴とする。

以上説明したことから明らかなように本発明によれば、次のような効果がある。請求項１乃至７の発明によれば、
光源からの光をレンズ群を介して被検査撮像素子に照射する光源装置において、前記レンズ群の中のレンズのうち、結像面に最も近いレンズをレンズ群とは分離して配置したので、結像面に最も近いレンズを瞳レンズの近傍に配置することが可能となり、Ｆ値を瞳レンズのＦ値と同等かそれ以上とすることができ、照明光の要件が満たされ、周辺光量が足りた均一な照明とすることが可能となる。

また、生産性を上げる目的で一枚のウエハー径を大きくし、同測数を１個測定→２個測定→４個測定→８個測定と増加させている。そのため照明エリアのサイズは広範囲であることが要求されるが、光源装置が取り付けられるテストシステムで既に決まった寸法を変更することは多額の投資が必要となる。本発明の光源装置によれば寸法的な制限内で照明条件の用件を満たした上で照明エリアの拡張が可能であり、投資を抑えて生産性向上が可能である。

更に、F値の小さい明るいレンズとすることができるため、レンズ本体に入れる光量を小さくでき、光源出力を減らし長寿命化や省エネなどに効果がある。

図１は本発明の実施形態の一例を示す断面構成図である。
本発明ではレンズ群からなるリレーレンズ系１６のうちの結像面に最も近いレンズ１３をレンズ系とは分離して被検査撮像素子の近傍に配置する。
即ち、レンズレンズ鏡筒１５に結像面に最も近いレンズ１３を除く全てのレンズ及び絞りを一体で組込んでスコープホール１１に挿入し、テストヘッド８に固定する。そして、結像面に最も近いレンズ１３は、コンタクトリング１２に光軸とレンズ間隔が出るように配慮して固定する。

この場合、レンズ鏡筒１５内の投射レンズ系は相対的にコンタクトリング側に下降し、レンズ１３の上側に配置されていたレンズ１７（図中の先端レンズ）がレンズ１３があった位置まで下降する。その結果、光学的特性は相互作用により得られるが、機構的には完全に分離された状態となる。このため診断ボード１４（図６参照）に載せ換える場合でも結像面に最も近いレンズ１３が邪魔にならずにＷＤが確保できる。

上述の構成において、投射レンズ系１６には検査用光源１０からの照明光学系を通して均一な照明が与えられる。
検査用光源光学系としては一般的に照度ムラの発生が原理的になくなるケーラー照明が好ましいが、これ以外に照度ムラの発生はあるが単純な構成で明るく照明することができるクリティカル照明など様々な照明でも良い。テレセントリックレンズは周辺光量を均一化する設計が可能であるため、ケーラー照明系やクリティカル照明系のような均一な照明を受ければ撮像素子面に均一な照明が可能となる。

図１では物体側にもテレセントリック性を持たせた対称なレンズを示したが、必ずしも物体側はテレセントリック性は不要である。また、レンズの構成枚数など特に限定はない。さらに、結像側に関しても完全なテレセントリック性は不要であり、概ね要件を満たすように設計されたレンズ群（投射レンズ系）であれば良い。

ダイレクト接続の場合、テストヘッドのスコープホールやコンタクトリング、ＤＵＴボードなどの寸法的制限があるが、寸法制限の無い図３に示したテストシステムにおいてもレンズ径を小型に抑えることが可能で、コスト削減と小型化による取り扱い性の改善が図られる。レンズ径が大口径化するとレンズのコストは指数的にアップしてしまう。

ＷＤを確保してワークの搬送や測定器の出入りがあるような照明光学系において、結像面に最も近いレンズをレンズ本体と分離することで十分なＷＤを確保し、レンズ本体の小型化が可能となる。

図２はその概要を示す図である。撮像素子の検査中はテレセントリック光学系により平行光を落とすことになるため、結像面に最も近いレンズ１３が光軸上に挿入される。測定終了後検査されたウェハーやパッケージされた撮像素子を搬送部４１がＷＤ内に入ってウエハーの取り外し／取り付けを行う。また、通常の検査外で例えば定期的に測定や校正を行う場合には測定器４０がＷＤ内に入って計測する。この時結像面に最も近いレンズ１３は光軸から外れて退避する。このように、必要なユニットを正確に位置決めが可能なスライド機構やターレット機構に搭載しておけば、容易で短時間に切り替えが可能となる。

なお、以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。従って本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形を含むものである。

本発明の光源装置の実施形態の一例を示す要部断面構成図である。 本発明の応用例を説明するための図である。 従来の光源装置の要部構成を示す図である。 従来の光源装置の他の例を示す要部構成図である。 図４に示すダイレクト接続の光源装置の要部断面構成図である。 テストヘッドに診断ボードを取付けたときの状態を示す図である。 従来の光源装置の要部断面構成図である。

符号の説明

１ プローバ
２ 撮像素子検査用光源
３ ＤＵＴボード
４ ウエハー（撮像素子）
５ ケーブル
６ 検査光
７ アプリケーションボード
８ テストヘッド
９ テスタ本体
１０ テストヘッド内臓撮像素子検査用光源
１１ スコープホール
１２ コンタクトリング
１３ 結像面に最も近いレンズ
１４ 診断ボード
１５ レンズ鏡筒
１６ リレーレンズ系
１７ 先端レンズ
２２ 絞り
４０ 測定器
４１ 搬送部

Claims (7)

1. 光源からの光をレンズ群を介して被検査撮像素子に照射する光源装置において、前記レンズ群の中のレンズのうち、結像面に最も近いレンズをレンズ群とは分離して配置したことを特徴とする光源装置。
2. 前記レンズ群は周辺に至るまで同じＦ値で光軸の倒れが無いように設計され、レンズ群を構成する絞りで任意にＦ値を変更可能としたことを特徴とする請求項１記載の光源装置。
3. 前記結像面に最も近いレンズの後段に瞳レンズが配置されており、前記レンズ群のＦ値は前記瞳レンズのＦ値と同等若しくは僅かに明るいＦ値で照射することが可能なように絞り径を固定したことを特徴とする請求項１又は２に記載の光源装置。
4. 前記レンズ群はテストヘッド内に形成されたスコープホールに挿入されたことを特徴とする請求項１乃至３に記載の光源装置。
5. 前記結像面に最も近いレンズはコンタクトリング内に配置されたことを特徴とする請求項１乃至４に記載の光源装置。
6. 前記光源からの光はケーラー照明光学系またはクリティカル照明系を介して前記レンズ群に照射するように構成したことを特徴とする請求項１乃至５に記載の光源装置。
7. 前記コンタクトリングは取り付け、取り外し自在としたことを特徴とする請求項５に記載の光源装置。
   
   

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