JP2007132975A - 光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】撮像素子検査用光源の照明サイズ、形状に効率良く変換する手段を用いることにより、従来以上の光量を得る光源装置を提供する。
【解決手段】被検査対象に光を照射して該被検査対象の特性を検査する光源装置において、少なくとも２つの照度均一化素子を光軸上に直列に配置し、１段目の照度均一化素子の出射端の直後に、２段目の照度均一化素子を配置し、前記１段目の照度均一化素子からの出射光が２段目の照度均一化素子に入射するように構成した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光源からの光を用いて被検査対象を照射する光源装置に関し、被検査対象の面積が大きくなっても光量損失を最小限に留めるように構成した光源装置に関するものである。

従来、ＣＣＤ（電荷結合素子）センサやＣＭＯＳ（相補性金属酸化膜半導体）センサ等
の固体撮像素子の検査では光源装置を用いて、被検査対象である固体撮像素子に既知の色
や光量の光を照射し、固体撮像素子から出力された電気信号をモニタするものがある。このような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２００２−９０６８６号公報 特開２００２−３１４０５４号公報

ＣＣＤ等の固体撮像素子の製造にあたっては、これらの固体撮像素子がウエハ上に形成された段階で、個々の固体撮像素子の性能が検査される。
図６はこのような検査に用いられる固体撮像素子の検査用光源として用いられる従来の光源装置の一例を示す概略構成図である。

図６において、ハロゲンランプ１などを光源とし、コンデンサレンズ２でランプ光をほぼ平行もしくはわずかに収束する光束とする。減光開口部３はコンデンサレンズ２により導かれた光束を機械的に遮光することが可能な絞りで、プログラマブルに開口面積が制御される。

光束の途中にはモータ４で回転するＮＤフィルタ用ターレット５が設けられ、このターレット５の外周付近には複数の透過率の異なるＮＤ（ニュートラルデンシティ）フィルタ５ａが取付けられている。なお、ＮＤフィルタ５ａだけでは光量の制御ステップ数が少ないため（実施例では６〜８種搭載可能）、減光開口部３と組み合わせて光量の制御ステップ数を増やしている。
また、モータ６で回転するカラーフィルタ用ターレット７の外周付近には色の異なる複数のカラーフィルタ７ａが取付けられている。

ＮＤフィルタ５ａ、カラーフィルタ７ａを通過した光は照度均一化素子１０に入射し、内部で反射を繰り返すことで出口において照度ムラ、色ムラの極めて少ない均一な拡散光となる。

この均一な面光源に対し投射レンズ１１を結像関係になるように配置して被検査撮像素子１２に導く。ここで、照度均一化素子１０のほぼ直後に照明エリアを規制するマスク９を置くことで、被検査撮像素子１２には任意のサイズ、形状で落射が可能となる。照明エリアを規制するマスク９はモータ８で回転する円盤上に所望するパターンが開けれたマスクが複数配置されている。

このような光源装置は照度均一化素子１０に角ロッドが使われることから、『ロッド照明光学系』と呼ばれ、中実の角柱のガラスロッドまたは、表面反射ミラーなどで四角柱に囲った中空内面反射鏡に端面から入射し出射端で均一照明を得ることができる。

中実のガラスロッドでは全反射により内部に複数回反射しながら均一化されることから光の損失が無く入射した光は全て出射端に出てくる。内面反射鏡の場合は、反射率×反射回数分光量損失はあるが、軽量で安価であることから多少損失があっても実用的であって中実ロッド、内面反射鏡ともに使われる。

図７(ａ，ｂ)は、照度均一化素子１０からの出射光を投射レンズ１１で倍率を変えて拡大して投射した状態を示す図である。照明エリアの形状（長方形の扁平率や正方形の切替え）やサイズは、照明エリアを規制するマスク９を切り替えることで任意に選択できる。また、サイズだけの変更であれば照明エリアを規制するマスク９は変えないで投射レンズ１１で倍率を変えることで、相似形状でサイズを選択できる。

図７(ａ)は、投射レンズ１１でほぼ等倍に投射した状態を示している。この場合、取り込み角は比較的に大きなものとなる。
図９(ｂ)は、同じ投射レンズ１１で拡大投射の関係になるように、照明エリアをマスク９とレンズ１１の間隔を詰め、レンズ１１,被検査撮像素子１２の間隔を広げて共役関係を維持した状態を示している。この場合、取り込み角は像の大きさに反比例して小さなものとなる。

なお、光量や色を切り替えるターレット５，７は、光量調整範囲をカバーするように大きなステップと小さなステップを組み合わせて所望の照度を最低ステップ数で選択できるように設定されている。

ところで、このような構成の光源装置をＣＣＤやＣ−ＭＯＳなどのウェハー検査に用いた場合、１個測定、２個同時測定、４個同時測定、８個同時測定などと同時に多数の素子を測定したい場合、「光照射エリアの幅は変えないでデバイスの並びが増えた分長手方向にのみ伸ばしたい」という要求がある。

被検査面の照明エリアを大きくするには、一般的に簡単な方法として均一化照明を得る光学系はそのままで、投影レンズ系の倍率を変更して所望のサイズに拡大する方法と、投影レンズ系の倍率は変えないで照明エリアを規制するマスクを変えて必要な照明エリアを確保する方法や、これらを併用した方法が用いられている。

例えば４個同時測定から８個同時測定にするため長辺を２倍にしたいのであれば、レンズの倍率も２倍に設計する。このときレンズの明るさを示す実効Ｆナンバーは、次式で表され、倍率に応じて光量が減少し、倍率２の時は、２／３の光量になる。
実効Ｆナンバー≡（１＋Ｍ）Ｆ Ｍ：倍率、 Ｆナンバー

次に照明エリアを規制するマスクを変えて照明サイズを変えるときには、投射レンズ１１の共役関係にある物体面側に照明エリアを規制するマスク９を置くことで、被検査撮像素子１２には任意のサイズ、形状で投射が可能であるが、これを可能にするには複数あるマスクの中から最も大きなマスクを十分カバーする大きさの照度均一化素子のサイズが必要となる。

この場合、大きな照度均一化素子から出た照明をマスクを使って一部しか使用しないことになるので、当然マスクサイズは変わっても輝度は変わらない。
また、マスクされた均一照度面の均一性を落とさずに投射レンズ１１で被検査撮像素子１２の位置に結像させる場合は、レンズの倍率に応じて光量が減るため、小さなマスクを拡大投影したのでは、被検査撮像素子１２で得られる光量は少なくなる。

ところで、均一化素子１０で単位面積あたりの輝度が同じであれば、小さなマスクで制限した場合は光量の利用効率が悪くなり必要十分な光量が得られない場合がある。ハロゲンランプやメタルハライドランプのように十分な発光光量があればそれでも良いが、それでも消費電力の大きなランプを選択することになり、装置の大型化、消費電力の増大、冷却強化といったデメリットが生じる。また、最近ＬＥＤを光源に用いた照明装置も開発されているが、かなり明るいＬＥＤを複数個用いても十分な光量を得るのは難しい。

なお、通常のレンズ系では照明エリアを規制するマスクの縦横比はそのまま拡大または縮小されることになるが、特殊な方法として「アナモフィック系」（＝光軸に互いに垂直な平面内で、異なった焦点距離や倍率のレベルを持っている光学系）がある。
この装置を採用すれば縦横比の変換は可能であるが、構成が複雑であり、縦横比を変えたうえで均一照度を得るにはかなり複雑な専用設計を要するため容易に縦横比を変えられるとは言い難い。

検査用光源としては、実際の撮像素子が製品に組み込まれて使われるＦ値よりも、同等もしくはわずかにＦ値の小さな（＝ＮＡ（Ｎｕｍｅｔｒｉｃａｌ Ａｐｅｒｔｕｒｅ）の大きな）検査用照明を当てることが望ましい。

ところが、投影レンズで拡大したのでは、実際の撮像素子が製品に組み込まれて使われるＦ値より大きな（＝ＮＡの小さな）照明しか当てられないことになり、検査光と実際の使用とで差が生じることになってしまう。

これはラグランジェの不変量の定理として知られ、「像の大きさと像側の集光角の積は、物体の大きさと物体側の取込み角の積に等しい」ことから、像サイズが大きくなると集光角（＝ＮＡ）は小さくなる。このため、投射レンズで拡大したのでは、所望する検査光にはならないという問題があった。

従って、本発明が解決しようとする課題は、撮像素子検査用光源の照明サイズ、形状に効率良く変換する手段を用いることにより、照明エリアの大小にかかわらずＦ項を一定に保つことで、従来以上の光量を得る光源装置を提供することを目的とする。

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、請求項１記載の発明は、
被検査対象に光を照射して該被検査対象の特性を検査する光源装置において、
少なくとも２つの照度均一化素子を光軸上に直列に配置し、１段目の照度均一化素子の出射端の直後に、２段目の照度均一化素子を配置し、前記１段目の照度均一化素子からの出射光が２段目の照度均一化素子に入射するように構成したことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１に記載の光源装置において、
前記少なくとも２つの照度均一化素子は、柱状のガラス角ロッドまたは、表面反射鏡で柱状に囲んだ内面反射鏡であることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１又は２に記載の光源装置において、
前記少なくとも２つの照度均一化素子は、入射端と出射端の形状サイズが同等であることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の光源装置において、
前記少なくとも２つの照度均一化素子は、入射端と出射端の形状が異形若しくは相似とされ、端面の表面積が異なるように形成したことを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の光源装置において、
２段目以降の複数の照度均一化素子をターレットに搭載し、１段目の照度均一化素子と組合わせ、プログラマブルに任意に選択可能としたことを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の光源装置において、
最終段の照度均一化素子と被検査対象の間に投射レンズを共役関係となるように配置して、前記最終段の照度均一化素子の出射端面の均一光を、前記被検査対象に結像投影するように構成したことを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の光源装置において、
２段目以降の照度均一化素子と前記投射レンズを一体または分割が可能な鏡筒に収納し、光源装置の交換ユニットとして構成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請求項１乃至４に記載の発明によれば、
少なくとも２つの照度均一化素子を光軸上に直列に配置し、第１照度均一化素子の出射端の直後に、第２照度均一化素子を配置し、第１照度均一化素子からの出射光が第２照度均一化素子に入射するように構成した。また、照度均一化素子として、柱状のガラス角ロッドまたは、表面反射鏡で柱状に囲んだ内面反射鏡を用い、入射端と出射端の形状サイズを同等としたり、形状を異形若しくは相似とし、端面の表面積が異なるように形成したので、

投射レンズにより拡大投影した場合のように取込み角が小さくなることなく、ＮＡが一定のままで照明サイズや縦横の比率、または形状を変えることが出来る。その結果、２個測→４個測→８個測と検査面積の大きさが変わっても照明条件は変わることなく、最適な測定条件を維持できる。

また、投射レンズで拡大投影したのでは、同時測定の取り数をカバーするために長辺方向、短辺方向ともに拡大されるために面積では１/（倍率）^２に照度が落ちるという問題があるが、本発明では、幅は変えないでデバイスの検査面積の大きさが増えた分、長手方向にのみ伸ばして測定することで、２段角ロッドで変換した場合は所望する方向にだけ拡大することが出来る。その結果、光量変化は１／倍率で済み、従来方法に対しては倍率分だけ光量低下が避けられる。

従来の光源装置に対して光量で比較した場合、照明エリアを１．５倍に拡大する場合は１．５倍の光量を、２倍に拡大する場合には２倍の光量を得られることになり、同測数の増加に対して光源のパワーアップを図らなくても対応が可能である。

請求項５に記載の発明によれば、
第２照度均一化素子をターレットに搭載し、第１照度均一化素子と組合わせ、プログラマブルに任意に選択可能としたので、第２照度均一化素子の交換速度が速くなり、１素子当りの検査時間を短縮することができる。

請求項６に記載の発明によれば、
最終段の照度均一化素子と被検査対象の間に投射レンズを共役関係となるように配置して、最終段の照度均一化素子の出射端面の均一光を、被検査対象に結像投影するように構成したので、均一照明が可能である。

請求項７によれば、
２段目以降の照度均一化素子と投射レンズを一体または分割が可能な鏡筒に収納し、光源装置の交換ユニットとして構成したので、光源装置本体の汎用性を確保し、レンズ部でアプリケーション対応が可能である。

図１は本発明の光源装置の要部構成図である。
本実施例では照度均一化素子（＝角柱ロッド）を縦に２段以上繋いだ光学系の構造と働きについて述べる。
本発明の照明系は、従来の照度均一化素子１０の直後に断面積の異なる照度均一化素子１０ａ（＝角柱ロッド）を繋いで照明エリアの縦横比やサイズを変換する光学系である。

図１において、１段目の照度均一化素子(以下、単に第１均一化素子という)１０の直後に別の照度均一化素子(以下、単に第２均一化素子という)１０ａを近接もしくは接着して配置してあり、第１均一化素子１０の入口からは、輝度ムラや色ムラが均一化されたハロゲン光源や、メタルハライド光源、またはＬＥＤ光源などから導かれた光束が入射する。

この光束は平行光やＬＥＤの砲弾ランプのような指向性の強い光では内面反射がランダムに起こらないために十分に均一化されないことがある。その場合は入口に拡散板やレンズ系（凸レンズ、凹レンズ、ボールレンズいずれでも可）を入れて指向性をおとして入射させる。

内面の多重反射を利用して均一化させるためには、均一化の程度にもよるが３回以上の反射が得られるよう、柱状素子の断面サイズと長さを考慮しなければならない。
このようにして第１均一化素子の出射端ではほぼ完全拡散光の状態になるが、続けて第２均一化素子に入射した光は、再びこの均一化素子内で多重反射して第２均一化素子の出口でも均一な光が得られる。

第１均一化素子と第２均一化素子は、極端に断面積を変えない方が好ましい。極端に倍率を変えた場合は、第２均一化素子の長さを比較的長くする必要がある。逆の言い方をすれば、あまり倍率を変えなければ第２均一化素子の長さはそれほど長い必要はない。

第１均一化素子と第２均一化素子の繋ぎは、第１均一化素子に対して第２均一化素子が大きい方が光量損失はないが、変換したいサイズによっては第２均一化素子を小さくすることも考えられる。その場合、光束の全てを取り込むことは出来ないものの双方の関係に制限はない。また、第２均一化素子は入射側と出射側の形状が異なっても構わない。

図２(ａ)は第１均一化素子２１ａが正方形の角柱で、入射・出射ともに同形の角柱ロッ
ドとした場合の実施例を示すものである。図によれば、第２均一化素子２２ａの入射端は、第１均一化素子２１ａの出射端と同等か僅かに大きく形成されており、出射端は細長い長方形に形成されている。このような第２均一化素子の形状であれば、第１均一化素子（ａ）から第２均一化素子（ｂ）へ入射した光の光量損失が抑えられ、かつ、形状も変化させることができる。

図２(ｂ)は第２均一化素子（角柱ロッド）２２ｂに比較的に大きな収束テーパーを付けた状態を示すもので、第１均一化素子２１ｂから入射した光が第２均一化素子２２ｂ内で反射を繰り返す度にテーパー角度の２倍で反射角度が増していき、ついには全面反射の臨界角を超えて漏れ出し、光量損失が大きくなって第２出射端にはわずかな光量しか出てこない。即ち、大きく入れて小さく集光し高輝度を得るといったことは全面反射の臨界内でなければ叶わない。

図２(ｃ)は図２(ｂ)とは反対に、テーバーで拡大する場合を示すもので、第１均一化素子２１ｃから入射した光が第２均一化素子２２ｃ内で反射を繰り返す度に反射毎にテーパー角度の２倍で反射角度が減じていき、出射端に平行光に近くなって向かうことになる。全光束は出射端より発せられるが、内部反射回数が減ることで均一性が損なわれる。いずれにしても、極端な変換は出来ない。

本発明によれば、投射レンズにより拡大投影した場合のように取込み角が小さくなることなく、ＮＡが一定のままで照明サイズや縦横の比率、または形状を変えることが出来る（但し、図２ｂ，ｃで示す不具合が発生しない程度の形状（角度）変化に留める場合とする）。
その結果、２個測→４個測→８個測と取り数を変えても照明条件は変わることなく、最適な測定条件を維持することができる。

また、投射レンズで拡大投影したのでは、同時測定の取り数をカバーするために長辺方向、短辺方向ともに拡大されるため、面積では１/（倍率）^２に照度が落ちる。必要なのは、幅は変えないでデバイスの取り数が増えた分、長手方向にのみ伸ばして測定することで、２段角ロッドで変換した場合は所望する方向にだけ拡大することが出来るため光量変化は1/倍率で済み、従来方法に対しては倍率分だけ光量低下を避けることができる。

双方を光量で比較してみれば、照明エリアを１．５倍に拡大する場合は１．５倍の光量を、２倍に拡大する場合には２倍の光量を得られることになり、同測数の増加に対して光源のパワーアップを図らなくても対応が可能である。

図３は請求項５に関する実施例を示すもので、複数の第２均一化素子を２段目ターレットに搭載し、第１均一化素子と組合わせてプログラマブルに任意に選択可能としたものである。なお、２段目ターレット１５を設けた部分以外は図６に示す従来例と同様なので、ここでの説明は省略する。

図３において、モータ１４の回転軸には円盤状の２段目ターレット１５の中心が固定され、このターレット１５の外周付近には円周上に複数の第２均一化素子の一端がそれぞれ固定されている。第１均一化素子と第２均一化素子の関係は例えば図２（ａ）に示すような組合わせとされ、図３における複数の第２均一化素子は出口の寸法Ｌｌ，Ｌ２が異なっていることを示している。

図では省略するが第２均一化素子２２ｄは例えば３〜８個搭載されていてもよく、出口の寸法Ｌも均一性が許容できる程度の範囲であれば、入口の寸法より大きくてもよい。
上述の構成によれば、２段目ターレット１５を回転させることにより、複数の第２均一化素子２２ｄの中から被検査対象の寸法に合わせ、図示しない制御装置の指令に基づいて、プログラマブルに任意に選択することができ、検査効率を高めることができる。

図４は図３に示す２段目ターレット１５の後段に図６に示す照明エリア規制ターレット９を配置して照明エリアを規制するマスク９により、照明エリアを規制するようにしたものである。このような構成によれば照明エリアの範囲を制限することができる。

図５は請求項６,７に関する実施例を示すもので、この例においては第２均一化素子１０aと被検査対象１２の間に投射レンズ１１を共約関係となるように配置している。そして、最終段の照度均一化素子（実施例では２段目）の出射端面の均一光を被検査対象に結像投影するように構成している。

これら第２均一化素子１０ａと投射レンズ１１は図では鏡筒１６の中に一体として組み込んだ状態を示しているが、別々の鏡筒に分割して収納し、必要に応じて例えばねじ込んで一体化し光源装置の交換ユニットとして構成してもよい。
また、これら一体化した鏡筒１６を複数個作製し、図３,４に示すような２段目ターレット１５に固定して任意に選択するように構成してもよい。そのような構成においても検査効率を高めることができる。

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。図６（ａ）ではＮＤフィルタターレットを備えた例を示しているが、照明条件切り替え専用フィルタターレット３０にＮＤフィルタと色フィルタを重ねて装着することで、光量と色を同時に切り替えることも可能であるため不要とすることができる。
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。

本発明の実施形態の一例を示す光源装置の要部構成図である。 ２段目の照度均一化素子（第２均一化素子）に比較的に大きな収束テーパーを付けた状態を示す図である。 複数の第２均一化素子を２段目ターレットに搭載した状態を示す構成図である。 ２段目ターレットの後段に照明エリア規制ターレットを配置した状態を示す構成図である。 第２均一化素子と被検査対象の間に投射レンズを配置した状態を示す構成図である。 従来の光源装置の要部構成を示す図である。 照度均一化素子からの出射光を投射レンズで倍率を変えて拡大して投射した状態を示す図である。

符号の説明

１ 光源
２，１１ レンズ
３ 減光開口部
４,６，８ モータ
５ ＮＤフィルタ用ターレット
５ａ ＮＤフィルタ
７ カラーフィルタ用ターレット
７ａ カラーフィルタ
９ 照明エリア規制ターレット
９ａ 照明エリアを規制するマスク
１０ 照度均一化素子
１２ 被検査（撮像）素子
１５ ２段目ターレット
１６ 鏡筒
２１ １段目の照度均一化素子（第１均一化素子）
２２ ２段目の照度均一化素子（第２均一化素子）

Claims (7)

1. 被検査対象に光を照射して該被検査対象の特性を検査する光源装置において、
   少なくとも２つの照度均一化素子を光軸上に直列に配置し、１段目の照度均一化素子の出射端の直後に、２段目の照度均一化素子を配置し、前記１段目の照度均一化素子からの出射光が２段目の照度均一化素子に入射するように構成したことを特徴とする光源装置。
2. 前記少なくとも２つの照度均一化素子は、柱状のガラス角ロッドまたは、表面反射鏡で柱状に囲んだ内面反射鏡であることを特徴とする請求項１記載の光源装置。
3. 前記少なくとも２つの照度均一化素子は、入射端と出射端の形状サイズが同等であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光源装置。
4. 前記少なくとも２つの照度均一化素子は、入射端と出射端の形状が異形若しくは相似とされ、端面の表面積が異なるように形成したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光源装置。
5. ２段目以降の複数の照度均一化素子をターレットに搭載し、１段目の照度均一化素子と組合わせ、プログラマブルに任意に選択可能としたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の光源装置。
6. 最終段の照度均一化素子と被検査対象の間に投射レンズを共役関係となるように配置して、前記最終段の照度均一化素子の出射端面の均一光を、前記被検査対象に結像投影するように構成したことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の光源装置。
   に記載の光源装置。
7. ２段目以降の照度均一化素子と前記投射レンズを一体または分割が可能な鏡筒に収納し、光源装置の交換ユニットとして構成したことを特徴とする請求項６に記載の光源装置。
   

Images