JP2013124863A

JP2013124863A - ライン光源

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Publication number: JP2013124863A
Application number: JP2011271947A
Authority: JP
Inventors: Mitsuru Uda; 満宇田; Atsushi Kohayase; 敦小早瀬; Hisashi Shimizu; 久清水
Original assignee: SMICS CO Ltd
Current assignee: SMICS CO Ltd
Priority date: 2011-12-13
Filing date: 2011-12-13
Publication date: 2013-06-24
Anticipated expiration: 2031-12-13
Also published as: JP5578329B2

Abstract

【課題】長手方向の各位置での輝度のばらつきを低減させることができるライン光源を提供する。
【解決手段】基板１０上に所定の間隔Ｌ１でライン状に配置された複数の発光素子１２と、基板１０の上部に設けられ、複数の発光素子１２からの光を拡散させるための少なくとも１つの拡散板２０と、拡散板の表面または近傍に設けられ、拡散板からの拡散光における拡散板の長手方向での輝度分布に応じて、拡散板の長手方向での出射光の光量分布を設定するためのマスクと、を備えるライン光源１００を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ライン光源に関し、より具体的には、ライン光源の長手方向の各位置での輝度のばらつきを低減するための技術に関する。

基板上にＬＥＤのような複数の発光素子を一列に配置したライン光源が既に数多く実用化されている。そうしたライン光源では、個々の発光素子の特性のばらつき、あるいは発光素子の基板上への実装時の位置ずれ（オフセット）等により、ライン光源の長手方向の各位置での輝度のばらつきが発生する。

ライン光源を表面の欠陥検査などの検査用の光源として用いる場合、その輝度のばらつき（不均一性）がその検査において悪い影響を与える。特に微細なパターンにおける欠陥をマクロ的に検査する場合など、高い検出精度が求められる広範囲な検査においては、その輝度の不均一性による影響はより大きくなる。

従来から、ライン光源の発光素子の前面に拡散板やマイクロレンズを設けて光を拡散させることにより、輝度ムラを軽減することが行われている。あるいは、個々の発光素子（ＬＥＤ）の駆動電流を輝度が均一になるように制御することも可能である。

他の方法として、例えば公開特許公報の2004-101311は、ラインセンサカメラ用の照明装置を開示する。この照明装置では、複数のＬＥＤを所定のピッチ間隔でライン状に並べて配置した複数の照明ユニットを設け、一方の照明ユニットによるライン状の照射範囲における照明輝度の弱い部分に他方の照明ユニットによる照明輝度の強い部分が重なるように、ピッチ間隔方向に沿ってずらして配置している。これにより、点光源であるＬＥＤを列状に組み合わせた場合に隣り合うＬＥＤ間の箇所が暗くなることにより発生する輝度のムラを抑えている。

特開２００４−１０１３１１号公報

従来の拡散板やマイクロレンズを設けて輝度ムラを軽減する方法では、高い検出精度が求められる広範囲な検査に対して、その輝度ムラの軽減が必ずしも十分ではない。また、個々の発光素子の駆動電流を制御するには所定の制御回路が必要となり、特に発光素子数が増えるほどその制御は複雑になり、必ずしも十分な輝度の均一化が図れない恐れがある。

特許文献１の照明装置では、少なくとも２以上の照明ユニットが必要であり、照明装置の大型化およびコスト高を招く。また、特許文献１の照明装置では、個々の発光素子の特性のばらつき、あるいは発光素子の基板上への実装時の位置ずれ（オフセット）等により、ライン光源の長手方向の各位置での輝度のばらつきを低減させるには不十分である。

したがって、本発明の目的は、長手方向の各位置での輝度のばらつきを低減させることができるライン光源を提供することである。

本発明は、基板上に所定の間隔でライン状に配置された複数の発光素子と、基板の上部に設けられ、複数の発光素子からの光を拡散させるための少なくとも１つの拡散板と、拡散板の表面または近傍に設けられ、拡散板からの拡散光における拡散板の長手方向での輝度分布に応じて、拡散板の長手方向での出射光の光量分布を設定するためのマスクと、を備えるライン光源を提供する。

本発明によれば、拡散板の長手方向での拡散光の光量分布を制御することにより、ライン光源の長手方向の各位置での輝度のばらつきを低減させることができる。

本発明の一態様では、マスクは、輝度分布を相殺するように光量分布を設定する。

本発明の一態様によれば、実際に測定あるいはシミュレーションされた長手方向での輝度分布に即した輝度のバラツキ低減（均一化）を図ることができる。

本発明の一態様では、マスクは、輝度分布の曲線に対応する関数の逆関数を表す曲線を拡散光を遮蔽するためのマスクパターンとして用いる。

本発明の一態様によれば、輝度分布の曲線に対応する関数の逆関数から一義的に（自動的に）に拡散光を遮蔽するためのマスクパターンを形成することが可能となる。

本発明の一態様では、マスクパターンは、光を遮蔽可能な膜、薄板、またはテープから形成される。

本発明の一態様によれば、膜、薄板、またはテープを用いて、輝度分布の曲線に対応する関数の逆関数を表す曲線を忠実に反映したマスクパターンを形成することが可能となる。

本発明のライン光源の構成の一実施形態を示す図である。本発明のライン光源の輝度分布の測定結果を示す図である。本発明のマスクの構成の一実施形態を示す図である。本発明のライン光源を用いたウェハ表面の測定構成を示す図である。図４の構成による輝度分布の測定結果を示す図である。

図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明のライン光源１００の構成の一実施形態を示す図である。図１の（ａ）は、ライン光源１００の上面図であり、（ｂ）は側面（断面）図である。長形の基板１０上に複数の発光素子１２が所定のピッチＬ１で一列に配置される。基板１０のサイズは、任意に選択できるが、例えば１５ｍｍ×７００ｍｍである。ピッチＬ１は、発光素子１２のサイズ等に応じて任意に選択できるが、例えば数ｍｍである。基板１０の上部、すなわち発光素子１２の上部に拡散板２０が配置される。基板１０の両端部には、発光素子１２の発光を制御する電源／コントローラに接続するコネクタ部１４、１６がある。基板１０の下面は、発光素子１２からの熱を逃がすためのヒートシンク１８に接続する。ヒートシンク１８は、例えばアルミニウム（Ａｌ）からなり、熱伝導性の接着層（図示なし）を介して基板１０の下面に接合される。

基板１０は、発光素子１２の出力に応じて選択される。比較的小さな出力（例えば「ｍＷ」レベル）では、プリント配線板などの一般的な回路基板が利用できる。発光素子１２の発熱量が小さい場合は、ヒートシンク１８が不要となる場合もあり得る。発光素子１２の出力が比較的大きい場合（例えば「Ｗ」レベル）、基板１０は熱伝導性の大きな物質、例えば金属（アルミニユム（Ａｌ）や銅（Ｃｕ）等）から構成される。

発光素子１２は、現在利用可能な発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザダイオード（ＬＤ）等の半導体素子のみならず将来新たに出現する発光素子等、基本的に任意に選択可能である。ただし、本発明の趣旨から、比較的高出力、言い換えれば高輝度の発光素子であることが望ましい。以下の説明では、発光素子１２として、高輝度ＬＥＤを用いた場合について説明する。すなわち、発光素子１２が高輝度ＬＥＤ１２であるとして説明する。ここで、高輝度とは、その出力が例えば数ワット（Ｗ）程度のものを意味する。

高輝度ＬＥＤ１２は、１つ１つチップとして形成（素子化）されたものを意味し、半導体プロセスで形成されたＬＥＤアレイのような形態とは異なる。したがって、高輝度ＬＥＤ１２は、基板１０上に１つ１つ位置決めしながら所定のピッチＬ１でマウントされる。高輝度ＬＥＤ１２の発光色は任意に選択でき、可視、近紫外、近赤外等、基本的に任意に選択できる。例えば、光量を稼ぐ観点からは、発光の波長帯が広い白色のＬＥＤを利用することができるが、他の３原色（赤、青、緑）などの色であっても良いことは言うまでもない。

拡散板２０は、高輝度ＬＥＤ１２からの光を拡散させて均一化させるために用いられ、その材質は任意に選択できる。拡散板２０は、少なくとも１枚あればよく、その数は任意に選択できる。また、拡散板２０は、マイクロレンズ等の他の光の拡散機能を備える手段と組み合わせて用いてもよい。本発明では、詳細は後述するように、この拡散板２０の表面または近傍に、さらなる光の均一化を図るためのマスクが設置される。

次に、図２を参照しながら、本発明における輝度分布の利用原理（考え方）について説明する。図２の（ａ）は、ライン光源１００の輝度分布の測定構成を示し、（ｂ）はその測定結果等を示す。（ａ）に示されるように、輝度分布はライン光源１００上に設置されたラインセンサカメラ２５により測定される。ラインセンサカメラ２５は、受光素子（画素）を一列に並べることによって、１次元毎に画像を取得できるものであれば良い。ラインセンサカメラ２５には、例えば１次元のＣＣＤが含まれる。なお、図示されていないが、ラインセンサカメラ２５の出力信号は、ＰＣ等の信号（画像）処理系に入力され、そこで輝度分布となるように処理される。

ライン光源１００は、所定の出力で発光した状態で、図のＸ方向に所定のピッチで移動し、ラインセンサカメラ２５によりＸ軸上の各位置での平均輝度が測定される。ここで、平均輝度とは、ライン光源１００の各位置（Ｘ）におけるライン光源１００の短手（幅）方向での輝度値の平均を意味する。図２（ｂ）の曲線Ａは輝度分布の測定結果である。ライン光源１００の位置（Ｘ）により平均輝度がばらついていることがわかる。曲線Ｂは、曲線Ａを１つの関数として見た場合に、その関数の逆関数を表す曲線である。本発明では、この平均輝度分布（曲線）についての逆関数を表す曲線Ｂを利用して、輝度（曲線）の振幅を相殺させることにより、輝度のばらつきを減少させる。具体的には、詳細は後述するように、曲線Ｂを利用してライン光源１００からの光量、より正確には拡散板２０からの光量（拡散光量）を制御する。これは、ラインセンサカメラ２５で受光する光量が光の積分値であることから、光出射側の光量を位置（Ｘ）により増減させて、輝度値の大小（ばらつき）を相殺させることを意図している。

図３は、本発明のマスク３０の構成の一実施形態を示す図である。図３の（ａ）と（ｂ）は、マスク３０の上面図であり、（ｃ）〜（ｆ）はマスク３０の側面（断面）図である。マスク３０は、光の遮蔽領域３１０と透過領域３１２を有する。光の遮蔽領域３１０は、１つのマスクパターンを構成し、上述した輝度分布の逆関数を表す曲線（例えば図２のＢ）を基にその形状（パターン）が決められる。すなわち、輝度分布の逆関数を表す曲線を反映した遮蔽形状３１０により、ライン光源１００の各位置（Ｘ）での光量を増減させる。実際には、ライン光源１００のサイズに合わせて、長手（Ｘ）方向あるいは短手（Ｙ）方向で、曲線の縮尺を変えながらマスクの遮蔽形状３１０を形成する。

光の遮蔽領域３１０は、マスク３０の短手（Ｙ）方向の一方の端部（図３の（ａ））または両方の端部（図３の（ｂ））に設けられる。光の遮蔽領域３１０を一方の端部に設ける場合は、図３（ａ）のように上端部に設ける場合、あるいは図の下側の下端部に設ける場合のいずれであってもよい。図３（ｂ）のように両方の端部に光の遮蔽領域３１０を設ける場合は、遮蔽領域３１０の形状（パターン）を上下で反転させる。その反転の際に、輝度の均一化を促進する観点から、さらに両者の形状に微妙な差異を設けてもよい。マスク３０は、透明な基板上に形成、あるいは拡散板２０の表面に直接的に形成される。光の遮蔽領域３１０は、光を透過しない薄膜、テープ、薄板などをパターン化して形成される。ここで、パターン化とは、上述した輝度分布の逆関数を表す曲線に対応した形状に加工することを意味する。薄膜の場合は、透明な基板上への金属の蒸着等の成膜技術により形成される。テープや薄板の場合は、その曲線に対応した形状に切り出される。あるいは、レーザ加工機などを用いて、透明な基板上に曲線に対応した形状を描画して、その描画域の光の透過率を減少させるようにしてもよい。

マスク３０は、図３（ｃ）、（ｄ）に示されるように、１つの拡散板２０の一方の面、すなわち高輝度ＬＥＤ１２からの光の入射側面または拡散板からの拡散光の出口側面に設置、あるいは各表面上に直接形成される。マスク３０は、図３（ｅ）に示すように、１つの拡散板２０の両面側に設けてもよい。その際、拡散板２０の上面側に図３（ａ）のマスク３０を設置し、下面側には図３（ａ）のマスク３０を反転させたマスク（下側に光の遮蔽領域３１０があるマスク）を設置してもよい。２つの拡散板２０を重ね合わせて用いる場合は、図３（ｆ）に示すように、２つの拡散板２０の間にマスク３０を設けることもできる。なお、拡散板２０の数は１つまたは２つに限定されず、３以上の複数の拡散板を重ねてあるいは組み合わせて用いることもできる。その場合は、１つあるいは２つ以上の拡散板の表面上にマスク３０を選択的に設けることができる。

次に、図４と図５を参照しながら、本発明のライン光源１００を用いてＳｉウェハ表面を測定した結果について説明する。図４は、本発明のライン光源１００を用いたウェハ表面の測定系を示す図である。図５は、図４の構成による輝度分布の測定結果を示す図である。

図４（ａ）は、測定系の上面図であり、（ｂ）は測定系の側面図である。ライン光源１００は、テーブル４５上のＳｉウェハ４０の上方に所定の距離を空けて置かれる。ラインセンサカメラ２５は、同じくＳｉウェハ４０の上方に、Ｓｉウェハ４０の表面に対して所定の角度の位置に設置される。なお、図２の場合と同様に、図示されていないが、ラインセンサカメラ２５の出力信号は、ＰＣ等の信号（画像）処理系に入力され、そこで輝度分布となるように処理される。また、テーブル４５は、所定のステップで水平または垂直方向に移動できるようになっている。ライン光源１００が、所定の出力で発光した状態で、Ｓｉウェハ４０を乗せたテーブル４５が所定のステップで移動し、ラインセンサカメラ２５によりＳｉウェハ４０の所定のライン上の各位置（Ｘ）での平均輝度が測定された。

図５において、曲線Ｃは本発明のマスク３０を使用しない場合の輝度分布の測定結果であり、曲線Ｄは本発明のマスク３０を使用した場合の輝度分布の測定結果である。両曲線の比較から明らかなように、本発明のマスク３０を使用した場合の曲線Ｄの方が、Ｓｉウェハ４０の各位置（Ｘ）での平均輝度のバラツキが小さくなっていることがわかる。実際の測定値を基に、各曲線での平均輝度の最大値と最小値の差分Δを計算して比較してみたところ、曲線Ｃの差分Δｃ＝Ｑ２−Ｑ１と曲線Ｄの差分Δｄ＝Ｐ２−Ｐ１との比（Δｄ／Δｃ）が約５３％となり、平均輝度のばらつきが約半分ほどに減少していることが確認された。すなわち、輝度分布の発光素子の位置（Ｘ）における均一性が約５０％改善していることになる。

本発明の実施形態について、図１〜図５を例にとり説明をした。しかし、本発明はこれらの実施形態に限られるものではない。本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々なる改良、修正、変形を加えた態様で実施できるものである。

１０基板
１２発光素子（高輝度ＬＥＤ）
１４、１６コネクタ部
１８ヒートシンク
２０拡散板
２５ラインセンサカメラ
３０マスク
４０Ｓｉウェハ
４５ステージ
１００ライン光源
３１０光遮蔽域
３２０光透過域

Claims

ライン光源であって、
基板上に所定の間隔でライン状に配置された複数の発光素子と、
前記基板の上部に設けられ、前記複数の発光素子からの光を拡散させるための少なくとも１つの拡散板と、
前記拡散板の表面または近傍に設けられ、前記拡散板からの拡散光における前記拡散板の長手方向での輝度分布に応じて、前記拡散板の長手方向での前記出射光の光量分布を設定するためのマスクと、を備えるライン光源。
前記マスクは、前記輝度分布を相殺するように前記光量分布を設定する、請求項１のライン光源。
前記マスクは、前記輝度分布の曲線に対応する関数の逆関数を表す曲線を前記拡散光を遮蔽するためのマスクパターンとして用いる、請求項２のライン光源。
前記マスクパターンは、前記マスクの短手方向の少なくとも一方の端部において当該マスクの長手方向に沿って設けられる、請求項３のライン光源。
前記マスクパターンは、光を遮蔽可能な膜、薄板、またはテープから形成される、請求項４のライン光源。
前記マスクは、２つの前記拡散板の間に設けられる、請求項１〜５のいずれか１項のライン光源。
前記発光素子は、高輝度ＬＥＤからなり、熱伝導性の高い基板上に設けられる、請求項１〜６のいずれか１項のライン光源。