JP2008096193A

JP2008096193A - 固体撮像素子検査用光源

Info

Publication number: JP2008096193A
Application number: JP2006276448A
Authority: JP
Inventors: Yasuharu Nakajima; 康晴中島
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2006-10-10
Filing date: 2006-10-10
Publication date: 2008-04-24

Abstract

【課題】照明照度が明るく、作動距離が短くてもＦ値変換アダプタの切り替えが可能な小型化されたテレセントリック照明光学系を備えた固体撮像素子検査用光源を提供する。
【解決手段】Ｆ値変換アダプタ４０が光路に挿入され、ウエハ５０近傍に配置されている有限瞳検査の状態（Ａ）からウエハ５０近傍の構造物を避けるためＦ値変換アダプタ４０を第２レンズ群３２と共に、光軸に沿って上方に退避させる（Ｂ）。ウエハ近傍の構造物を避け、Ｆ値変換アダプタ４０を水平移動できる位置まで退避したのちＦ値変換アダプタ４０光軸（光路中）から外す（Ｃ）。次に第２レンズ群３２のみを元の位置に戻し、テレセントリック照明の検査状態にする（Ｄ）。すなわち、第２レンズ群３２のみが、定常位置に戻る。このように第２レンズ群３２をＦ値変換アダプタ４０とともに退避させることで、作動距離を長くすること無くＦ値変換アダプタの挿脱を可能にしている。
【選択図】図３

Description

本発明は、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ等の固体撮像素子を検査するために使用される、固体撮像素子検査用光源に関するものである。

ＣＣＤやＣＭＯＳ等の固体撮像素子は、半導体ウエハ表面に半導体集積回路を積層形成して製造される。形成される固体撮像素子は光電変換素子であるフォトダイオード等からなる画素を格子状あるいは直線状に配置したものである。これらのフォトダイオードは照射される光強度に応じた電荷を発生するが、このとき固体撮像素子の各画素における光応答特性は、製造過程における諸工程の変動によりばらつきを生じる。

そのため、通常の製造工程においてはこの光応答特性のばらつきが所定の範囲内にあるもののみを検査により識別し、良品として出荷している。このバラツキを検査するために、固体撮像素子を照射強度が均一な、すなわちムラのない光で照明し各画素からの電荷出力を測定し、相互の比較をしている。この種の検査のために均一光を出射可能なテレセントリック系の照明装置が開発されている。

この固体撮像素子の光応答特性の検査は、所定の照明装置により被検査固体撮像素子を照明し、当該被検査固体撮像素子からの電気信号を測定することにより行われているが、この検査は、対象となる固体撮像素子が実際に使用される条件と略同一な照明下において検査を行うこと、具体的には、その固体撮像素子が使用されるカメラ等の撮像レンズの射出瞳と固体撮像素子間の距離（以下、「瞳距離」と称する）、及び、撮像レンズの口径比に等しい照明条件を満たした光源により照明して検査（有限瞳距離検査）を行うことが望ましい。

そのため固体撮像素子の検査装置においては、拡散板と開口絞りを有する照明補助装置（Ｆ値変換アダプタ）を用いて、前述のテレセントリック光学系を有する照明装置からの光線を拡散板で拡散させるとともに撮像レンズの口径比及び瞳距離となるように開口絞りの位置及び口径を調節して、固体撮像素子に照明光を照射するようにしている。

このような検査に用いられる固体撮像素子検査用光源が、実用新案登録第２５８２７３３号公報（特許文献1）に記載されている。この固体撮像素子検査用光源においては、検査対象である固体撮像素子が実際に使用される条件と略同一な照明条件を実現するために、光源からの光をテレセントリックに照明する照明装置と、被検査物となる撮像素子との間であって、撮像素子からの距離が概ね撮像素子の瞳距離に等しい位置に、拡散板と開口絞りを配置している。

照明装置からの射出光は拡散板により拡散される。開口絞りは撮像レンズと同等の口径比（Ｆ値）となる有効径を有しており、拡散板近傍であって、被検査物からの距離が前述の撮像レンズの射出瞳距離と等しくなる位置に配置されている。

拡散板において拡散された光は、開口絞りにより射出範囲が限定され、これにより開口絞りから撮像素子までの距離を瞳距離とし、瞳距離と開口絞りの有効径により決まる口径比を有する２次光源として機能する。このような照明補助装置を前述のようにＦ値変換アダプタと称する。

また、一般にこの光応答特性検査は、製造される固体撮像素子すべてについて実施される全数検査であるが、検査のスループット向上のため、1シークエンスで複数の固体撮像素子を同時検査を実施する場合がある。すなわちＦ値変換アダプタを、前述の拡散板と開口絞りによる疑似光源を複数個ならべて配置したものとし、複数の固体撮像素子を一度に照明し、同時に電荷蓄積させることで複数固体撮像素子の同時検査を実施し、全体の照射時間および搬送時間などの処理に必要な時間を短縮している。

さらには、Ｆ値変換アダプタを光路から挿脱可能とする、もしくは複数のＦ値変換アダプタを切り替え可能とすることで複数の照明条件を切り替えて検査を行っている。
実用新案登録第２５８２７３３号公報

このような従来の固体撮像素子検査用光源では、照明装置と固体撮像素子の間のＦ値変換アダプタを挿脱するために必要なスペースを設ける必要がある。そのため照明装置の光束の出射部から固体撮像素子までの距離（作動距離）は２００ｍｍ程度になるように設計されている。一方で照明装置は前述のとおり照明エリアを均一に照明するためにテレセントリック光学系により構成されている。このとき図１に示すように、照明装置の作動距離Ｌに応じて固体撮像素子２にもっとも近いレンズ１の径が大きくなる。また、照明光量を大きくする為に照明装置の口径比を小さくすることでも光学系のレンズ径は大きくなる。さらには、当然のことながら照明エリアを広げることも光学系のレンズ径の増加につながる。ここでレンズ径φ_Ｍと、照明エリアの大きさφ_Ｉ、作動距離Ｌ、口径比Ａの関係は（１）式のように表される。

このようにテレセントリックな照明装置においては、Ｆ値変換アダプタを切り替えるためのスペースを確保する為に作動距離を大きくすることや照明装置の口径比を小さくして明るい照明光学系とすることは、装置の小型化と背反している。そのためにＦ値変換アダプタの切り替え機構や口径比など、機能を維持しつつ装置を小型化することが難しい。

特にテストヘッドと光源が一体化された構成の内蔵型光源においては、テストヘッド中央部に設けられた貫通孔の径によって、照明装置の外径が制限されるため、照明光学系の大きさを十分に取ることができず、結果として照明エリアの大きさが制限されるといった問題がある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、照明照度が明るく、作動距離が短くてもＦ値変換アダプタの切り替えが可能な小型化されたテレセントリック照明光学系を備えた固体撮像素子検査用光源を提供することを課題とする。

前記課題を解決するための第１の手段は、光源と、前記光源から放射される光束を均一化する均一化手段と、前記均一化手段により均一化された光束を被検査試料にテレセントリックに照射するコンデンサレンズとを有する照明装置と、前記照明装置と前記被検査試料との間の光路中に設置され、拡散板と前記拡散板の近傍に配置される絞りからなるＦ値変換アダプタとを有してなる固体撮像素子検査用光源であって、前記コンデンサレンズは２群構成であり、そのうちの物体側レンズ群は前記Ｆ値変換アダプタの近傍に配置され、前記Ｆ値変換アダプタと共に、定常位置より待避位置まで光軸方向に移動可能であり、前記待避位置において、前記Ｆ値変換アダプタが、光路中に挿脱可能とされていることを特徴とする固体撮像素子検査用光源である。

前記課題を解決するための第２の手段は、光源と、前記光源から放射される光束を均一化する均一化手段と、前記均一化手段により均一化された光束を被検査試料にテレセントリックに照射するコンデンサレンズとを有する照明装置と、前記照明装置と前記被検査試料との間の光路中に設置され、拡散板と前記拡散板の近傍に配置される絞りからなる複数のＦ値変換アダプタとを有してなる固体撮像素子検査用光源であって、前記コンデンサレンズは２群構成であり、そのうちの物体側レンズ群は前記Ｆ値変換アダプタに対応して前記Ｆ値変換アダプタの近傍に複数個配置され、前記物体側レンズ群と前記Ｆ値変換アダプタとの対を、切り替えて使用可能とされていることを特徴とする固体撮像素子検査用光源である。

前記課題を解決するための第３の手段は、光源と、前記光源から放射される光束を均一化する均一化手段と、前記均一化手段により均一化された光束をチャート面に照射するコンデンサレンズと、前記チャート面を被検査試料にテレセントリックに投影する投影レンズからなる照明装置と、前記照明装置と前記被検査試料との間の光路中に設置され、拡散板と前記拡散板の近傍に配置される絞りからなるＦ値変換アダプタを有してなる固体撮像素子検査用光源であって、前記コンデンサレンズは２群構成であり、そのうちの物体側レンズ群は前記Ｆ値変換アダプタの近傍に配置され、前記Ｆ値変換アダプタと共に、定常位置より待避位置まで光軸方向に移動可能であり、前記待避位置において、前記Ｆ値変換アダプタが、光路中に挿脱可能とされていることを特徴とする固体撮像素子検査用光源である。

前記課題を解決するための第４の手段は、前記第１の手段から第３の手段のいずれかであって、前記物体側レンズ群はフレネルレンズを有することを特徴とするものである。

本発明によれば、照明照度が明るく、作動距離が短くてもＦ値変換アダプタの切り替えが可能な小型化されたテレセントリック照明光学系を備えた固体撮像素子検査用光源を提供することができる。

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構成要素には同一符号を付し、重複した説明は省略することがある。

図２は、本発明の第１の実施の形態である固体撮像素子検査用光源の光学系の概要を示す図である。光源１０から放射される光は、コレクタレンズ１１、レンズ１２を経て色変換フィルタ１３、ＮＤフィルタ１４に入射する。色変換フィルタ１３、ＮＤフィルタ１４により所定の強度、色に変換された光はレンズ１５を経て、照度均一化手段であるフライアイインテグレータ２０に入射する。

フライアイインテグレータ２０を構成する単位レンズは、両面の曲率半径│r│が等しく、両面の各頂点がそれぞれ反対側から平行光を入れたときの焦点になっている。フライアイインテグレータ２０はこの単位レンズを数十個各頂点が同一平面上に乗るように束ねて配置されている。各単位レンズの入射面は照明領域と共役に配置され、各単位レンズの入射面の像は、各単位レンズの位置に無関係にコレクタレンズ３０の後側焦点（すなわちウエハ５０表面）に生じ、ウエハ５０を重畳的に照明する。フライアイインテグレータ２０の入射面上の照度は光源の放射角度特性によって中心が明るく、周辺が暗く照明されるが各単位レンズの入射面が重畳的に照野に投影されるため、照明領域全体での照度の均一性が向上する。一方でフライアイインテグレータ２０の後側頂点面には各単位レンズに小さな光源像が規則正しく並び、２次光源を形成する。またこの面には開口絞り１６が配置され、ウエハ５０に照射する光束を所定の開口数に制限している。

コレクタレンズ３０は、２つのレンズ群３１、３２を有しており、前側焦点位置が開口絞り１６に一致するように配置され、ウエハ５０をテレセントリックに照明するよう構成されている。

コレクタレンズ３０からのテレセントリックな照明光はＦ値変換アダプタ４０により検査対象であるウエハ５０上のＣＣＤチップの特性に合うように変換される。Ｆ値変換アダプタ４０は拡散板４１と絞り４２により構成され、コレクタレンズ３０とウエハ５０との間に配置されている。照明装置からの射出光は拡散板４１により拡散される。絞り４２はＣＣＤが使用される撮像装置等の撮像レンズと同等の口径比Ａとなる有効径φ_Ａを有しており、拡散板４１の近傍であって、かつＣＣＤチップが使用される撮像レンズの射出瞳距離Ｌ_１と等しくとなるよう被検査物からの距離Ｌ_２の位置に配置している。

絞り４２により拡散板４１において拡散された光の射出範囲が限定され、これにより絞り４２から撮像素子（ウエハ５０）までの距離を瞳距離Ｌ_１とし、瞳距離と絞り４２の有効径φ_Ａにより決まる口径比Ａを有する光源として機能する。この時φ_ＡおよびＬ_２はそれぞれ式（２）、式（３）を満たしている。

絞り４２上には径φ_Ａなる二つの開口が開けられており、２チップを一度に照明、同時に電荷蓄積させることで２チップ同時検査を実施し、全体の照射時間および搬送時間などの処理に必要な時間を短縮している。

本実施の形態においてコレクタレンズは光源側より第１のレンズ群３１と、第２レンズ群３２から構成されており、第２のレンズ群３２はＦ値変換アダプタ４０の近傍に配置されている。近傍とは、なるべく近い方が望ましいが、少なくとも５０mm以下の距離を言う。（１）式から明らかなように、このように配置することで、作動距離Ｌが小さくなり、レンズ群３２の口径を小さくすることができて装置の小型化が可能となる。

次に本実施の形態における有限瞳検査用照明からテレセントリック照明への切り替えの方法を、図３を参照して説明する。まずＦ値変換アダプタ４０が光路に挿入され、ウエハ５０近傍に配置されている有限瞳検査の状態（Ａ）（この位置を「定常位置」と呼んでいる）からウエハ５０近傍の構造物を避けるためＦ値変換アダプタ４０を第２レンズ群３２と共に、光軸に沿って上方に退避させる（Ｂ）。ウエハ近傍の構造物を避け、Ｆ値変換アダプタ４０を水平移動できる位置（この位置を「待避位置」と呼んでいる）まで退避したのちＦ値変換アダプタ４０光軸（光路中）から外す（Ｃ）。次に第２レンズ群３２のみを元の位置に戻し、テレセントリック照明の検査状態にする（Ｄ）。すなわち、第２レンズ群３２のみが、定常位置に戻る。このように第２レンズ群３２をＦ値変換アダプタ４０とともに退避させることで、作動距離を長くすること無くＦ値変換アダプタの挿脱を可能にしている。

なお、本実施の形態における第２レンズ群３２は、単一の凸レンズで構成しているが、色収差補正のために張り合わせレンズとしてもよい。また、図４に示すように第２レンズ群にフレネルレンズ３３を用いてもよい。このように構成することで、Ｆ値変換アダプタ４０とともに駆動する第２レンズ群を軽量化することができ、従って、不図示の駆動機構の軽量化、小型化が可能であり、照明条件の切り替え時間を短縮することが可能である。

次に図５を参照して本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、光源からフライアイインテグレータ２０までの構成は第１の実施の形態と同一であるので、説明を省略する。図５に示すように第２の実施の形態においては、第２レンズ群３２およびＦ値変換アダプタ４０を対として複数有し、これらを（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示すように水平方向にシフトすることでＦ値変換アダプタ４０を第２レンズ群３２と一緒に切り替えることによって複数の照明条件を設定することを可能にしている。

図６は第２レンズ群３２を光源側から見た図である。第２レンズ群３２は外形が長方形に形成され、これを通った光束は、Ｆ値変換アダプタの拡散板４１を通して、絞り４２に設けられた開口部４２ａを照明している。３つの絞り４２にそれぞれ設けられた開口部４２ａの大きさは、絞り４２毎に異なっており、Ｆ値変換アダプタ４０を第２レンズ群３２と一緒に切り替えることによって複数の照明条件を設定することを可能となる。このように構成することにより、照明条件の切り替えに際して第２レンズ群３２及びＦ値変換アダプタ４０を移動させるストロークを小さくすることが可能であり、装置全体として小型化が可能である。又、一つの絞り４２には、それぞれ３つの開口部４２ａが設けられているが、これにより、同時に３個のＣＣＤを照明して検査することができる。なお、本発明においてＦ値変換アダプタ４０及び第２レンズ群３２は水平シフトすることで切り替えるとしたが、第１の実施の形態と同様に一度垂直に退避してから切り替えるようにしてもよい。

次に図７を参照して本発明の第３の実施の形態について説明する。なお、光源１０からフライアイインテグレータ２０までの構成は第１の実施の形態と同一であるので、説明を省略する。コレクタレンズ３０は前側焦点位置が開口絞り１６に一致するように配置され、ミラー１７を介してチャート１８をテレセントリックに照明するよう構成されている。チャート１８を透過した光束は投影レンズ６０を介して、チャート１８の像をウエハ５０表面に結像する。

本実施の形態のように、照明装置に投影レンズ６０を有することでＦ値変換アダプタ４０を光路から外した状態の検査において、ウエハ５０上に形成されたＣＣＤ素子にチャート投影を可能にしている。また、Ｆ値変換アダプタ４０を光路に挿入した検査においては、チャート１８に換えて視野絞りを挿入することでＦ値変換アダプタ上に余分な光束が照射されるのを防ぐことが可能になる。投影レンズ６０は両側テレセントリック光学系とし、ウエハ面上を同一な条件で照射可能に構成されている。

本実施の形態において投影レンズ６０は光源１０側より第３レンズ群６１と、第４レンズ群６２から構成されており、第４レンズ群６２はF値変換アダプタ４０の近傍に配置されている。（１）式から明らかなように、このように配置することで、作動距離Ｌが小さくなり装置の小型化が可能となる。

本実施の形態においては、図３において、第１の実施の形態における第２レンズ群３２に代わり、第４レンズ群６２をＦ値変換アダプタ４０とともに退避させることで、作動距離を長くすること無くＦ値変換アダプタの挿脱を可能にしている。

本実施の形態における第４レンズ群６２は、単一の凸レンズで構成しているが、色収差補正のために張り合わせレンズとしてもよい。また、第４レンズ群にフレネルレンズを用いてもよい。このように構成することで、Ｆ値変換アダプタ４０とともに駆動する第４レンズ群を軽量化でき、不図示の駆動機構の軽量化、小型化が可能であり、照明条件の切り替え時間を短縮することが可能である。

固体撮像素子検査用光源における最大レンズ径と照明領域、作動距離、口径比の関係を示す図である本発明の第１の実施の形態である固体撮像素子検査用光源の光学系の一部の概要を示す図である。本発明実施の形態である固体撮像素子検査用光源における、Ｆ値変換アダプタの挿脱の手順を示すである。本発明実施の形態である固体撮像素子検査用光源において第２レンズ群をフレネルレンズとした光学系の概要を示す図である。本発明の第２の実施の形態である固体撮像素子検査用光源の光学系の一部の概要を示す図である。本発明の第２の実施の形態である固体撮像素子検査用光源おける第２レンズ群をの概要を示す図である。本発明の第３の実施の形態である固体撮像素子検査用光源の光学系の一部の概要を示す図である。

符号の説明

１０…光源、１１…コレクタレンズ、１２…レンズ、１３…色変換フィルタ、１４…ＮＤフィルタ、１５…レンズ、１６…開口絞り、１７…ミラー、１８…チャート、２０…フライアイインテグレータ、３０…コレクタレンズ、３１…第１レンズ群、３２…第２レンズ群、３３…フレネルレンズ、４０…Ｆ値変換アダプタ、４１…拡散板、４２…絞り、４２ａ…開口部、５０…ウエハ、６０…投影レンズ、６１…第３レンズ群、６２…第４レンズ群

Claims

光源と、前記光源から放射される光束を均一化する均一化手段と、前記均一化手段により均一化された光束を被検査試料にテレセントリックに照射するコンデンサレンズとを有する照明装置と、前記照明装置と前記被検査試料との間の光路中に設置され、拡散板と前記拡散板の近傍に配置される絞りからなるＦ値変換アダプタとを有してなる固体撮像素子検査用光源であって、前記コンデンサレンズは２群構成であり、そのうちの物体側レンズ群は前記Ｆ値変換アダプタの近傍に配置され、前記Ｆ値変換アダプタと共に、定常位置より待避位置まで光軸方向に移動可能であり、前記待避位置において、前記Ｆ値変換アダプタが、光路中に挿脱可能とされていることを特徴とする固体撮像素子検査用光源。
光源と、前記光源から放射される光束を均一化する均一化手段と、前記均一化手段により均一化された光束を被検査試料にテレセントリックに照射するコンデンサレンズとを有する照明装置と、前記照明装置と前記被検査試料との間の光路中に設置され、拡散板と前記拡散板の近傍に配置される絞りからなる複数のＦ値変換アダプタとを有してなる固体撮像素子検査用光源であって、前記コンデンサレンズは２群構成であり、そのうちの物体側レンズ群は前記Ｆ値変換アダプタに対応して前記Ｆ値変換アダプタの近傍に複数個配置され、前記物体側レンズ群と前記Ｆ値変換アダプタとの対を、切り替えて使用可能とされていることを特徴とする固体撮像素子検査用光源。
光源と、前記光源から放射される光束を均一化する均一化手段と、前記均一化手段により均一化された光束をチャート面に照射するコンデンサレンズと、前記チャート面を被検査試料にテレセントリックに投影する投影レンズからなる照明装置と、前記照明装置と前記被検査試料との間の光路中に設置され、拡散板と前記拡散板の近傍に配置される絞りからなるＦ値変換アダプタを有してなる固体撮像素子検査用光源であって、前記コンデンサレンズは２群構成であり、そのうちの物体側レンズ群は前記Ｆ値変換アダプタの近傍に配置され、前記Ｆ値変換アダプタと共に、定常位置より待避位置まで光軸方向に移動可能であり、前記待避位置において、前記Ｆ値変換アダプタが、光路中に挿脱可能とされていることを特徴とする固体撮像素子検査用光源。
前記物体側レンズ群はフレネルレンズを有することを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか１項に記載の固体撮像素子検査用光源。