JP2021156674A - 亀裂検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 被加工物の内部に形成された亀裂の亀裂深さを非破壊かつ精度よく検出することができる亀裂検出装置を提供する。【解決手段】 亀裂検出装置（１０）は、光源部（１００）と、対物レンズ（５０４）と、第１の検出光を被加工物に照射して被加工物からの第１の反射光を検出し、第１の反射光に対応する検出信号に基づき、被加工物の表面又は裏面を示す界面位置を検出する界面検出手段（３００、５００）と、主光軸から偏心した第２の検出光であって、第１の検出光の被加工物に対する実効屈折率に応じて実効屈折率が調整された第２の検出光により被加工物を偏射照明して、被加工物からの第２の反射光を検出し、第２の反射光に対応する検出信号に基づき、界面位置を基準として被加工物の内部に形成された亀裂の亀裂深さを検出する亀裂検出手段（４００、５００）とを備える。【選択図】 図１

Description

本発明は、被加工物の内部に形成された亀裂の亀裂深さを検出する亀裂検出装置に関するものである。

従来、シリコンウェーハ等の被加工物の内部に集光点を合わせてレーザー光を切断予定ラインに沿って照射し、加工ラインに沿って被加工物の内部に切断の起点となるレーザー加工領域を形成するレーザー加工装置が知られている。レーザー加工領域が形成された被加工物は、その後、エキスパンド又はブレーキングといった割断プロセスによって切断予定ラインで割断されて個々のチップに分断される。このようなレーザー加工装置によれば、被加工物の内部にレーザー加工領域が形成され、そのレーザー加工領域を起点として切断予定ラインに沿って被加工物が分断されるので、ブレードを用いて被加工物を切削して分断する一般的なダイシング装置と比べ、発塵量が低く、ダイシング傷、チッピングあるいは材料表面でのクラック等が発生する可能性が低くなる等の利点がある。

ところで、レーザー加工装置により被加工物にレーザー加工領域を形成すると、そのレーザー加工領域から被加工物の厚さ方向に亀裂（クラック）が伸展する。割断プロセスにおいてチップへの分断を適正に行うためには、被加工物を分断する際の起点となるレーザー加工領域を適正に形成し、被加工物の内部に形成された亀裂の亀裂深さを正確に検出することが重要である。

したがって、レーザー加工装置によりレーザー加工領域を形成した後、割断プロセス前において、被加工物を分断する際の起点となるレーザー加工領域が適正に形成されたか否か、すなわち、被加工物の内部に形成された亀裂の亀裂深さを検出することによって、割断プロセスにおけるチップへの分断の良否を正確に予測することが可能となる。そして、被加工物の内部にレーザー加工領域が適正に形成されていない箇所があれば、その部分だけ、再度、レーザー加工装置により再加工するか、又は割断プロセスにおける割断方法を変えるなどの対応が可能となる。これによって、その後の割断プロセスにおけるチップの損失を無くすことができる。また、不良箇所の発生状況などを参考にしてレーザー加工装置における加工条件を修正することもでき、その後に加工する被加工物でのレーザー加工領域の不良箇所の発生を低減させることができる。不良箇所のレーザー加工領域を再加工する場合には、不良箇所が低減することによって、再加工に要する時間の損失も低減することができる。

一方、被加工物の内部に発生した亀裂の評価は、従来、試料を切断研磨するか、限られた条件下での観察が行われていた。そのため、レーザー加工装置を用いた加工プロセスへの適用は困難であった。

これに対し、被加工物の内部に形成された亀裂を非破壊で検査する技術が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。

特許文献１に開示された技術では、亀裂の一方から光を入射させ、亀裂を含む領域を透過した光を検出し、亀裂の散乱による検出光量の低下を利用して亀裂の検査を行っている。

特開２００８−２２２５１７号公報

しかしながら、特許文献１に開示された技術では、受光器の信号レベルが亀裂の深さを直接示すものではなく、閾値として扱われる。そのため、予め実験を行い、閾値を設定する必要があった。また、亀裂長さ（亀裂深さ）を測定するためには、実験により亀裂長さに応じて予め閾値を複数設定しておく必要があった。また、透過光（亀裂を含む領域を透過した光）の減少のみを利用して亀裂先頭位置を確認するため、亀裂の亀裂深さの検出精度を向上させるには限界がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、被加工物の内部に形成された亀裂の亀裂深さを非破壊かつ精度よく検出することができる亀裂検出装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様に係る亀裂検出装置は、主光軸に沿って検出光を出射する光源部と、主光軸と同軸のレンズ光軸を有し、光源部から出射した検出光を被加工物に集光させる対物レンズと、主光軸に沿って出射された第１の検出光を被加工物に照射して被加工物からの第１の反射光を検出し、第１の反射光に対応する検出信号に基づき、被加工物の表面又は裏面を示す界面位置を検出する界面検出手段と、主光軸から偏心した第２の検出光であって、第１の検出光により定まる被加工物の実効屈折率に応じてレンズ光軸からの偏心量が調整された第２の検出光により被加工物を偏射照明して、被加工物からの第２の反射光を検出し、第２の反射光に対応する検出信号に基づき、界面位置を基準として被加工物の内部に形成された亀裂の亀裂深さを検出する亀裂検出手段とを備える。

本発明の第２の態様に係る亀裂検出装置は、第１の態様において、被加工物の屈折率をｎ、第１の検出光により定まる被加工物の実効屈折率をｎ_ｅｆｆ、第２の検出光の開口数をＮＡとしたときに、

を満たすように、第２の検出光の開口数ＮＡが調整されている。

本発明によれば、被加工物の内部に形成された亀裂の亀裂深さを非破壊かつ精度よく検出することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る亀裂検出装置を示すブロック図である。 図２は、被加工物に対して検出光の偏射照明が行われたときの様子を示した説明図である。 図３は、被加工物に対して検出光の偏射照明が行われたときの様子を示した説明図である。 図４は、被加工物に対して検出光の偏射照明が行われたときの様子を示した説明図である。 図５は、光検出器に受光される反射光の様子を示した図である（図２に対応）。 図６は、光検出器に受光される反射光の様子を示した図である（図３に対応）。 図７は、光検出器に受光される反射光の様子を示した図である（図４に対応）。 図８は、被加工物からの反射光が対物レンズ瞳に到達する経路を説明するための図である。 図９は、亀裂検出用の開口と界面検出用の開口を兼用した例を示す図である。 図１０は、被加工物に入射する検出光の光路を示す図である。 図１１は、対物レンズのレンズ瞳と亀裂検出用の検出光の光束の関係を示す図である。

以下、添付図面に従って本発明に係る亀裂検出装置の実施の形態について説明する。

［亀裂検出装置］
図１は、本発明の一実施形態に係る亀裂検出装置を示すブロック図である。

本実施形態に係る亀裂検出装置１０は、シリコンウェーハ等の被加工物Ｗに対して検出光Ｌ１を照射し、被加工物Ｗからの反射光Ｌ２を検出することで、被加工物Ｗの内部に形成された亀裂Ｋの亀裂深さを検出する。なお、亀裂検出装置１０は、被加工物Ｗの内部にレーザー加工領域を形成するレーザー加工装置（不図示）と組み合わせて使用されるが、以下の説明では、亀裂検出装置１０に係る構成要素について説明し、レーザー加工装置の構成については説明を省略する。

以下の説明では、被加工物Ｗが載置されるステージ５１０をＸＹ平面と平行な平面とし、Ｚ方向を被加工物Ｗの深さ方向とする３次元直交座標系を用いる。

図１に示すように、本実施形態に係る亀裂検出装置１０は、光源部１００、照明光学系２００、界面検出用光学系３００、亀裂検出用光学系４００、制御部５００、フォーカス調整機構５０２、対物レンズ５０４、操作部５０６及び表示部５０８を含んでいる。

光源部１００は、被加工物Ｗの界面の検出及び被加工物Ｗの内部に形成された亀裂Ｋの検出に用いられる検出光Ｌ１を出射する。ここで、被加工物Ｗがシリコン被加工物の場合、検出光Ｌ１としては、波長１，０００ｎｍ以上の赤外光を用いるのが望ましい。

光源部１００は、光源１０２Ａ、１０２Ｂ及び１０２Ｃ並びにハーフミラー１０４を含んでいる。光源１０２Ａ、１０２Ｂ及び１０２Ｃ並びにハーフミラー１０４は、対物レンズ５０４のレンズ光軸と同軸の主光軸ＡＸに沿って配置されている。

光源１０２Ａ、１０２Ｂ及び１０２Ｃは、主光軸ＡＸに沿って検出光Ｌ１を出射する。光源１０２Ａ、１０２Ｂ及び１０２Ｃとしては、例えば、レーザー光源（赤外線レーザー光源、レーザーダイオード）、又はＬＥＤ（Light Emitting Diode）光源を用いることができる。

光源１０２Ａは、対物レンズ５０４の対物レンズ瞳５０４ａの略全面を照明することが可能なレーザー開口を有している。光源１０２Ａは、後述の界面検出に用いられる。

光源１０２Ｂ及び１０２Ｃは、対物レンズ５０４の対物レンズ瞳５０４ａのうち、主光軸ＡＸ（レンズ光軸）から偏心した一部のみを照明することが可能なレーザー開口をそれぞれ有している。光源１０２Ｂ及び１０２Ｃは、後述の亀裂検出に用いられる。

ハーフミラー１０４は、界面検出用の光源１０２Ａから出射される検出光Ｌ１を反射し、亀裂検出用の光源１０２Ｂ及び１０２Ｃから出射される検出光Ｌ１を透過させる。以下、図示は省略するが、光源１０２Ａ、１０２Ｂ及び１０２Ｃから出射される検出光Ｌ１をそれぞれＬ１（Ａ）、Ｌ１（Ｂ）及びＬ１（Ｃ）とする。

なお、本実施形態では、ハーフミラー１０４を用いたが、ハーフミラー１０４に代えて、界面検出時に光路上にミラーを挿入し、亀裂検出時に光路からミラーを退避させるようにしてもよい。

光源１０２Ａ、１０２Ｂ及び１０２Ｃは、それぞれ制御部５００と接続されており、制御部５００により光源１０２Ａ、１０２Ｂ及び１０２Ｃの出射制御が行われる。

制御部５００は、亀裂検出装置１０の各部の動作を制御するＣＰＵ（Central Processing Unit）、制御プログラムを格納するＲＯＭ（Read Only Memory）、及びＣＰＵの作業領域として使用可能なＳＤＲＡＭ（Synchronous Dynamic Random Access Memory）を含んでいる。制御部５００は、操作部５０６を介して操作者による操作入力を受け付け、操作入力に応じた制御信号を亀裂検出装置１０の各部に送信して各部の動作を制御する。

操作部５０６は、操作者による操作入力を受け付ける手段であり、例えば、キーボード、並びにマウス及びタッチパネル等のポインティングデバイス等である。

表示部５０８は、の操作ＧＵＩ（Graphical User Interface）及び画像（例えば、亀裂の検出結果等）を表示する装置である。表示部５０８としては、例えば、液晶ディスプレイを用いることができる。

照明光学系２００は、光源部１００から出射された検出光Ｌ１を対物レンズ５０４に導光する。照明光学系２００は、リレーレンズ２０２及び２０６並びにミラー２０４を含んでいる。光源部１００から出射された検出光Ｌ１は、リレーレンズ２０２を透過して、ミラー（例えば、全反射ミラー）２０４により反射されて光路が折り曲げられる。ミラー２０４によって反射された検出光Ｌ１は、リレーレンズ２０６を透過した後、ハーフミラー３０４及びハーフミラー３０２によって順次反射されて対物レンズ５０４に向けて出射される。ここで、ハーフミラー３０２としては、例えば、波長１，０００ｎｍ以上の赤外光を選択的に反射し、それ以外の波長帯の光（観察光）を透過させるダイクロイックミラーを用いることができる。ハーフミラー３０２を透過した観察光は、観察光学系６００を用いて観察可能となっている。

対物レンズ５０４は、照明光学系２００から出射された検出光Ｌ１を被加工物Ｗに集光（合焦）させる。対物レンズ５０４は、被加工物Ｗに対向する位置に配置され、主光軸ＡＸと同軸に配置される。

フォーカス調整機構５０２は、被加工物Ｗにおける検出光Ｌ１の集光位置を調整する。フォーカス調整機構５０２は、対物レンズ５０４、及び被加工物Ｗが載置されるステージ５１０のうちの少なくとも一方を移動させる駆動部を含んでいる。フォーカス調整機構５０２は、対物レンズ５０４とステージ５１０との間のＸＹＺ方向の相対位置を調整することにより、検出光Ｌ１の集光位置をＸＹＺ方向に移動させることが可能となっている。

対物レンズ５０４によって集光され、被加工物Ｗによって反射された反射光Ｌ２は、界面検出用光学系３００及び亀裂検出用光学系４００に導光され、それぞれ、被加工物Ｗの界面検出及び亀裂の検出に用いられる。

［亀裂検出の手順］
本実施形態では、被加工物Ｗの裏面（ステージ５１０に接する面）の界面の検出を行い、その後、被加工物Ｗの裏面の界面位置を基準として亀裂深さを検出する例について説明する。

なお、本実施形態では、裏面を基準として亀裂深さの検出を行うようにしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、被加工物Ｗの表面を基準として亀裂深さの検出を行ってもよいし、被加工物Ｗの表裏の界面をそれぞれ基準として検出した亀裂深さの平均値をとるようにすることも可能である。

［界面検出用光学系］
まず、被加工物Ｗの界面検出について説明する。

界面検出用光学系３００は、被加工物Ｗの界面（表面又は裏面）の検出を行うための光学系であり、ミラー３０２、ハーフミラー３０４、リレーレンズ３０６、ハーフミラー３０８及び光検出器３１０を含んでいる。

被加工物Ｗの界面を検出するときには、制御部５００は、光源１０２Ａを発光させて、検出光Ｌ１（Ａ）を被加工物Ｗに照射する。ここで、制御部５００及び界面検出用光学系３００は、それぞれ界面検出手段の一部として機能する。

光源１０２Ａからの検出光Ｌ１（Ａ）（第１の検出光）は、対物レンズ５０４の対物レンズ瞳５０４ａと略同じ大きさの開口を有するレーザー光であり、ハーフミラー３０４及びミラー３０２によって順次反射されて対物レンズ５０４に導光される。検出光Ｌ１（Ａ）は、対物レンズ５０４の対物レンズ瞳５０４ａの略全面に照射される。

検出光Ｌ１（Ａ）が被加工物Ｗにより反射された反射光をＬ２（Ａ）（第１の反射光）とする。反射光Ｌ２（Ａ）は、ミラー３０２によって反射され、ハーフミラー３０４を透過した後リレーレンズ３０６に導光される。リレーレンズ３０６を透過した反射光Ｌ２（Ａ）は、ハーフミラー３０８によって反射されて光検出器３１０に導光される。

光検出器３１０は、被加工物Ｗからの反射光Ｌ２（Ａ）を受光して、被加工物Ｗの界面の検出を行うための装置であり、検出器本体３１０Ａ及びピンホールパネル３１０Ｂを含んでいる。

検出器本体３１０Ａとしては、受光した光を電気信号に変換して制御部５００に出力するフォトディテクタ（例えば、フォトダイオード）を用いることができる。

ピンホールパネル３１０Ｂには、入射光の一部を透過させるためのピンホールが形成されている。ピンホールパネル３１０Ｂは、検出器本体３１０Ａの受光面に対して上流側に配置されており、ピンホールパネル３１０Ｂのピンホールが反射光Ｌ２（Ａ）の光軸上に位置するように配置されている。ピンホールパネル３１０Ｂのピンホールの位置は、対物レンズ５０４の集光点の位置と光学的に共役関係にある（コンフォーカルピンホール）。また、ピンホールパネル３１０Ｂのピンホールの大きさは、対物レンズ５０４の回折限界程度に調整されている。

被加工物Ｗにより反射された反射光Ｌ２（Ａ）は、対物レンズ５０４の前側焦点位置と光学的に共役な位置にあるピンホールパネル３１０Ｂのピンホールの位置に集光する。そして、対物レンズ５０４の前側焦点位置が反射面となる被加工物Ｗの界面（裏面）と一致した場合、検出光Ｌ１（Ａ）の光束は被加工物Ｗの界面（裏面）で反射されて、平行光束となって対物レンズ５０４を透過して戻ってくる。したがって、検出器本体３１０Ａから出力される信号は、対物レンズ５０４の前側焦点位置が反射面となる被加工物Ｗの界面（裏面）の位置と一致したときに鋭いピークを有することになる。

制御部５００は、光源１０２Ａからの検出光Ｌ１（Ａ）を被加工物Ｗに照射しながら、対物レンズ５０４とステージ５１０とをＺ方向に相対的に移動させて、対物レンズ５０４の前側焦点位置を被加工物Ｗに対してＺ方向に移動させる。制御部５００は、被加工物Ｗからの反射光Ｌ２（Ａ）を光検出器３１０により検出し、この光検出器３１０からの信号のピークを検出することにより、被加工物Ｗの裏面の界面位置Ｚ（０）を検出する。

なお、本実施形態では、コンフォーカル法を用いて被加工物Ｗの界面検出を行うようにしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、ナイフエッジ法を用いてもよい。ナイフエッジ法を用いる場合には、ハーフミラー３０８及び光検出器３１０を設けずに、後述の亀裂検出用の開口（光検出器４０４又は４０６）を適用することも可能である。また、例えば、非点収差法、白色干渉法等のその他の焦点検出方法を適用することも可能である。

［亀裂検出用光学系］
次に、被加工物Ｗの内部に形成された亀裂Ｋの検出について説明する。

亀裂検出用光学系４００は、リレーレンズ４０２、光検出器４０４及び４０６を含んでいる。

被加工物Ｗの内部に形成された亀裂Ｋを検出するときには、制御部５００は、光源１０２Ｂ及び１０２Ｃを発光させて、検出光Ｌ１（Ｂ）及びＬ１（Ｃ）（第２の検出光）を被加工物Ｗに照射する。ここで、制御部５００、亀裂検出用光学系４００は、それぞれ亀裂検出手段の一部として機能する。光源１０２Ｂ及び１０２Ｃは、それぞれ主光軸ＡＸからずれた位置にレーザー開口を有している。これにより、主光軸ＡＸに対して偏心した検出光Ｌ１（Ｂ）及びＬ１（Ｃ）が被加工物Ｗに照射される。

検出光Ｌ１（Ｂ）及びＬ１（Ｃ）が被加工物Ｗによりそれぞれ反射された反射光Ｌ２（Ｂ）及びＬ２（Ｃ）（第２の反射光）は、ハーフミラー３０４及びミラー３０２によって順次反射された後、リレーレンズ３０６及びハーフミラー３０８を順次透過してリレーレンズ４０２に入射する。リレーレンズ４０２を透過した反射光Ｌ２（Ｂ）及びＬ２（Ｃ）は、光検出器４０４及び４０６により受光される。

光検出器４０４及び４０６は、被加工物Ｗからの反射光Ｌ２（Ｂ）及びＬ２（Ｃ）を受光して、被加工物Ｗの内部の亀裂Ｋの検出を行うための装置である。光検出器４０４及び４０６としては、受光した光を電気信号に変換して制御部５００に出力するフォトディテクタ（例えば、フォトダイオード）を用いることができる。

光検出器４０４及び４０６は対物レンズ瞳５０４ａと共役位置に配置され、さらに、検出光Ｌ１（Ｂ）及びＬ１（Ｃ）を受光するよう光軸からずれた位置に配置されている。

図２から図４は、被加工物Ｗに対して検出光Ｌ１の偏射照明が行われたときの様子を示した説明図である。図２は対物レンズ５０４の集光点に亀裂Ｋが存在する場合、図３は対物レンズ５０４の集光点に亀裂Ｋが存在しない場合、図４は対物レンズ５０４の集光点と亀裂Ｋの亀裂深さ（亀裂下端位置）とが一致する場合をそれぞれ示している。図５から図７は、光検出器４０４及び４０６に受光される反射光Ｌ２の様子を示した図であり、それぞれ図２から図４に示した場合に対応するものである。図８は、被加工物Ｗからの反射光Ｌ２が対物レンズ瞳５０４ａに到達する経路を説明するための図である。なお、ここでは、検出光Ｌ１は、対物レンズ瞳５０４ａの一方側（図８の右側）の第１領域Ｇ１を通過して、被加工物Ｗに対して偏射照明が行われる場合について説明する。

図２に示すように、対物レンズ５０４の集光点に亀裂Ｋが存在する場合には、検出光Ｌ１は亀裂Ｋで全反射して、その反射光Ｌ２は主光軸ＡＸに対して検出光Ｌ１の光路と同じ側の経路をたどって、対物レンズ瞳５０４ａの検出光Ｌ１と同じ側の領域に到達する成分となる。すなわち、図８に示すように、光源部１００からの検出光Ｌ１が対物レンズ５０４を介して被加工物Ｗに照射されるときの検出光Ｌ１の経路をＲ１としたとき、被加工物Ｗの内部の亀裂Ｋで全反射した反射光Ｌ２は、検出光Ｌ１の経路Ｒ１とは主光軸ＡＸに対して同じ側（図８の右側）の経路Ｒ２をたどって対物レンズ瞳５０４ａの第１領域Ｇ１を通過する。

図３に示すように、対物レンズ５０４の集光点に亀裂Ｋが存在しない場合には、検出光Ｌ１は被加工物Ｗの裏面で反射し、その反射光Ｌ２は対物レンズ瞳５０４ａの検出光Ｌ１と反対側の領域に到達する成分となる。すなわち、図８に示すように、被加工物Ｗの裏面で反射した反射光Ｌ２は、検出光Ｌ１の経路Ｒ１とは主光軸ＡＸに対して反対側（図８の左側）の経路Ｒ３をたどって対物レンズ瞳５０４ａの第２領域Ｇ２を通過する。

図４に示すように、対物レンズ５０４の集光点と亀裂Ｋの下端位置とが一致する場合には、検出光Ｌ１は、亀裂Ｋで全反射して対物レンズ瞳５０４ａの検出光Ｌ１と同じ側の領域に到達する反射光成分Ｌ２ａと、亀裂Ｋで全反射されずに被加工物Ｗの裏面で反射して対物レンズ瞳５０４ａの検出光Ｌ１と反対側の領域に到達する非反射光成分Ｌ２ｂとに分割される。すなわち、図８に示すように、反射光Ｌ２のうち、被加工物Ｗの内部の亀裂Ｋで全反射した反射光成分Ｌ２ａは、検出光Ｌ１の経路Ｒ１とは主光軸ＡＸに対して同じ側（図８の右側）の経路Ｒ２をたどって対物レンズ瞳５０４ａの第１領域Ｇ１を通過するとともに、亀裂Ｋで全反射されずに被加工物Ｗの裏面で反射した非反射光成分Ｌ２ｂは、検出光Ｌ１の経路Ｒ１とは主光軸ＡＸに対して反対側（図８の左側）の経路Ｒ３をたどって対物レンズ瞳５０４ａの第２領域Ｇ２を通過する。

光検出器４０４及び４０６は、それぞれが対物レンズ瞳５０４ａの第１領域Ｇ１及び第２領域Ｇ２と光学的に共役な位置となるように配置されている。これにより、光検出器４０４及び４０６は、それぞれ対物レンズ瞳５０４ａの第１領域Ｇ１及び第２領域Ｇ２を通過した光を選択的に受光可能となっている。

図２に示す例（対物レンズ５０４の集光点に亀裂Ｋが存在する場合）では、図５に示すように、光検出器４０４及び４０６のうち、光検出器４０４の受光面４０４Ｃに反射光Ｌ２が入射する。このため、光検出器４０４の受光面４０４Ｃから出力される検出信号のレベルが光検出器４０６の受光面４０６Ｃから出力される検出信号のレベルよりも高くなる。

一方、図３に示す例（対物レンズ５０４の集光点に亀裂Ｋが存在しない場合）では、図６に示すように、光検出器４０４及び４０６のうち、光検出器４０６の受光面４０６Ｃに反射光が入射する。このため、光検出器４０６の受光面４０６Ｃから出力される検出信号のレベルが光検出器４０４の受光面４０４Ｃから出力される検出信号のレベルよりも高くなる。

また、図４に示す例（対物レンズ５０４の集光点と亀裂Ｋの下端位置とが一致する場合）では、図８に示すように、光検出器４０４及び４０６の受光面４０４Ｃ及び４０６Ｃに反射光Ｌ２の各成分Ｌ２ａ、Ｌ２ｂがそれぞれ入射するため、光検出器４０４及び４０６の受光面４０４Ｃ及び４０６Ｃから出力される検出信号のレベルが略等しくなる。

このように、光検出器４０４及び４０６の受光面４０４Ｃ及び４０６Ｃで受光される光量は、対物レンズ５０４の集光点に亀裂Ｋが存在するか否かによって変化する。本実施形態では、このような性質を利用して、被加工物Ｗの内部に形成された亀裂Ｋの亀裂深さ（亀裂下端位置又は亀裂上端位置）を検出することができる。

具体的には、光検出器４０４及び４０６の受光面４０４Ｃ及び４０６Ｃから出力される検出信号の出力をそれぞれＤ１及びＤ２としたとき、対物レンズ５０４の集光点における亀裂Ｋの存在を判断するための評価値Ｓは、次式で表すことができる。

Ｓ＝（Ｄ１−Ｄ２）／（Ｄ１＋Ｄ２） …（１）
式（１）において、Ｓ＝０の条件を満たすとき、すなわち、光検出器４０４及び４０６の受光面４０４Ｃ及び４０６Ｃによって受光される光量が一致するとき、対物レンズ５０４の集光点と亀裂下端位置（又は亀裂上端位置）とが一致した状態を示す。

制御部５００は、フォーカス調整機構５０２（集光点変更手段）を制御して、対物レンズ５０４の集光点を、裏面の界面位置Ｚ（０）から被加工物Ｗの厚さ方向（Ｚ方向）に順次変化させながら、光検出器４０４及び４０６の受光面４０４Ｃ及び４０６Ｃから出力される検出信号を順次取得し、この検出信号に基づいて式（１）で示される評価値Ｓを算出し、この評価値Ｓ及び集光点位置情報を評価することによって亀裂Ｋの亀裂深さ（亀裂下端位置又は亀裂上端位置）を検出することができる。

なお、本実施形態では、光検出器３１０、４０４及び４０６としてフォトディテクタを用いたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、フォトディテクタに代えて、赤外線カメラ等を用いてもよい。

また、亀裂Ｋの検出を行う場合には、反射光Ｌ２の光路上から界面検出用光学系３００のハーフミラー３０８を退避させるようにしてもよい。この場合、界面検出用光学系３００のハーフミラー３０８として、全反射ミラー又はダイクロイックミラー等を用いてもよい。

なお、本実施形態では、界面検出用の開口（光源１０２Ａ）と亀裂検出用の開口（光源１０２Ｂ及び１０２Ｃ）を別々に設けたが、１つの開口を兼用してもよい。

図９は、亀裂検出用の開口と界面検出用の開口を兼用した例を示す図である。なお、図９では、光源部１００以外の構成を省略して示す。

図９に示す例では、光源部１００−１には、光源１０２が１つ設けられている。光源１０２は、対物レンズ５０４の対物レンズ瞳５０４ａの略全面を照明することが可能なレーザー開口を有している。界面検出を行う際には、図９（ａ）に示すように、光源１０２からの検出光Ｌ１（Ａ）を、照明光学系２００及び対物レンズ５０４を介して被加工物Ｗに照射する。したがって、図９（ａ）に示す例でも、上記の実施形態（図１）と同様の方法で界面検出を行うことができる。

亀裂検出を行う際には、図９（ｂ）及び図９（ｃ）に示すように、光源１０２の下流側の照明光学系２００との間に、検出光Ｌ１（Ａ）の一部を遮光するための制限部材１０６を挿入する。制限部材１０６の光路への挿入及び光路からの退避は手動で行ってもよいし、制御部５００により制御可能なアクチュエータを用いて自動で行ってもよい。

制限部材１０６は、例えば、円板状の部材であり、主光軸ＡＸ（レンズ光軸）から偏心した位置に略円形の開口１０６ａが形成されている。図９（ｂ）及び図９（ｃ）に示すように、制限部材１０６を主光軸ＡＸの周りに１８０°回転させると、対物レンズ５０４の対物レンズ瞳５０４ａのうち、主光軸ＡＸから偏心した一部のみを照明する検出光Ｌ１（Ｂ）及びＬ１（Ｃ）を得ることができる。したがって、図９（ｂ）及び図９（ｃ）に示す例でも、上記の実施形態（図１）と同様の方法で亀裂検出を行うことができる。

［亀裂検出用の検出光について］
次に、亀裂検出用の検出光Ｌ１（Ｌ１（Ｂ）及びＬ１（Ｃ））の関係について説明する。

図１０は、被加工物に入射する検出光の光路を示す図である。図１０に示す例では、検出光Ｌ１は、対物レンズ５０４により被加工物Ｗの深さｄの位置に集光している。

対物レンズ５０４と被加工物Ｗの間の距離ｄ_ａｉｒを変化させて、検出光Ｌ１の集光点Ｐｃの位置（集光位置）を変化させる。被加工物Ｗを構成する媒質の屈折率をｎとすると、ｄ_ａｉｒ及びｄの変化量Δｄ_ａｉｒ及びΔｄの関係は、下記の式（２）により表される。なお、空気の屈折率（絶対屈折率）を１とする。

式（２）によれば、被加工物Ｗを構成する媒質の屈折率ｎ及びΔｄ_ａｉｒから、被加工物Ｗの内部における媒質中の集光位置の変化Δｄを算出することができる。

式（２）に示すように、被加工物Ｗを構成する媒質の屈折率ｎにより集光位置の変化量Δｄが決まるため、屈折率ｎが亀裂の検出結果に影響を与える。しかしながら、後述するように、検出光Ｌ１の収束光束が被加工物Ｗの内部に入射するときの角度（入射角）によって、被加工物Ｗの内部における実質的な屈折率（以下、実効屈折率ｎ_ｅｆｆという。）が変化する。実効屈折率ｎ_ｅｆｆが変化すると、集光位置の変化Δｄを正確に算出することができない。したがって、集光位置を決めるための検出光学系（対物レンズ５０４）と亀裂検出用光学系４００との間で位置情報に矛盾が生じないようにする必要がある。このためには、亀裂検出用の検出光Ｌ１（Ｂ）及びＬ２（Ｃ）の対物レンズ５０４の対物レンズ瞳５０４ａにおける位置を適切に定める必要がある。このように、亀裂検出用の検出光Ｌ１（Ｂ）及びＬ２（Ｃ）の対物レンズ５０４の対物レンズ瞳５０４ａにおける位置を適切に定めることによって、コンフォーカル光学系の示す位置情報と亀裂検出用光学系４００が示す位置情報が一致する。

屈折率ｎの媒質中における光路長ｄと空気中換算の光路長ｄ_ａｉｒとの関係は、下記の式（３）により表される。

式（３）は、空気と媒質との間の界面に垂直入射する光束についての式である。本実施形態に係る亀裂検出装置１０は、被加工物Ｗの表面（界面）に対して偏射照明を行う。この場合、式（３）は式（４）のように修正される。

ここで、ＮＡは、亀裂検出用の検出光Ｌ１（Ｂ）及びＬ２（Ｃ）の開口数であり、検出光Ｌ１の光束の空気中における傾角をθ、空気の屈折率（絶対屈折率）を１としたときにＮＡ＝ｓｉｎθにより表される。式（４）から、媒質の実効屈折率ｎ_ｅｆｆは、下記の式（５）により表される。

亀裂検出を行う際には、空気中換算の光路長ｄ_ａｉｒを実効屈折率ｎ_ｅｆｆで補正した値で亀裂位置を計算する。

ここで、界面検出用の検出光Ｌ１（Ａ）は、対物レンズ５０４の対物レンズ瞳５０４ａと略同じ大きさの開口を有する。これに対して、亀裂検出用の検出光Ｌ１（Ｂ）及びＬ２（Ｃ）は、界面検出用の検出光Ｌ１（Ａ）よりも細い光束を用いる。この両者の間で実効屈折率ｎ_ｅｆｆが一致するように開口数ＮＡを決める必要がある。

界面検出用の検出光Ｌ１（Ａ）についても、上記と同様に、被加工物Ｗに対する入射角の傾きの影響を受ける。界面（裏面）を正確に検出するためには、裏面として検出された位置に検出光Ｌ１（Ａ）の光束が正しく合焦している必要がある。検出光Ｌ１（Ａ）の光束を裏面で合焦させるためには、以下に述べるような方法で検出光Ｌ１（Ａ）のＮＡを定めるのが望ましい。

厚さｄが既知の測定物（サンプル）に界面検出用の検出光Ｌ１（Ａ）を照射して、サンプル裏面と表面の位置を検出する。そして、検出した裏面と表面との位置の差をｄ_ａｉｒとする。このとき、焦点位置検出の光束に対しての実効屈折率ｎ_ｅｆｆは、下記の式（６）により表される。

亀裂検出用の検出光Ｌ１（Ｂ）及びＬ２（Ｃ）についても、実効屈折率ｎ_ｅｆｆが式（６）の場合と同じになるように、下記の式（７）によりＮＡを算出する。

なお、対物レンズ５０４の開口数ＮＡ_ｏｂｊと、式（４）、（５）及び（７）における検出光Ｌ１（Ｂ）及びＬ２（Ｃ）のＮＡは異なっている。ＮＡ＜ＮＡ_ｏｂｊであり、一例でＮＡ／ＮＡ_ｏｂｊ＝０．５６である。

図１１は、対物レンズのレンズ瞳と亀裂検出用の検出光の光束の関係を示す図である。図１１（ａ）及び図１１（ｂ）において、対物レンズ瞳５０４ａの径をＲ_ｏｂｊ、亀裂検出用の検出光Ｌ１（Ｂ）及びＬ２（Ｃ）の位置をＲ_ｍとする。ＮＡ／ＮＡ_ｏｂｊ＝０．５６とした場合、下記の式（８）を満たす場合に、界面検出用光学系３００と亀裂検出用光学系４００に対する媒質の実効屈折率ｎ_ｅｆｆが一致する。

本実施形態では、まず、厚さｄが既知の測定物（サンプル）の裏面と表面の位置を界面検出方法で検出し、検出した裏面と表面との位置の差ｄ_ａｉｒを検出する。次に、既知の厚さｄ及び検出した厚さｄ_ａｉｒを式（４）に代入してＮＡについて解くことにより、亀裂検出用の検出光Ｌ１（Ｂ）及びＬ１（Ｃ）の光束の開口数ＮＡを算出する。そして、亀裂検出用の検出光Ｌ１（Ｂ）及びＬ１（Ｃ）の光束の開口数ＮＡが式（４）から算出した開口数ＮＡと一致するように、光源１０２Ｂ及び１０２Ｃの開口を調整する。すなわち、光源１０２Ｂ及び１０２Ｃのレーザー開口の偏心量、又は図９に示した制限部材１０６における開口１０６ａの偏心量等を調整する。これにより、界面検出用の検出光Ｌ１（Ａ）と亀裂検出用の検出光Ｌ１（Ｂ）及びＬ１（Ｃ）の、被加工物Ｗに対する実効屈折率を一致させることができる。なお、光源１０２Ｂ及び１０２Ｃのレーザー開口のサイズ、及び図９に示した制限部材１０６における開口１０６ａのサイズは、反射光Ｌ２の信号強度等を考慮して調整される。

本実施形態によれば、界面検出用の検出光Ｌ１（Ａ）と亀裂検出用の検出光Ｌ１（Ｂ）及びＬ１（Ｃ）の、被加工物Ｗに対する実効屈折率を一致させることができる。これにより、検出光Ｌ１の被加工物Ｗに対する入射角により変化する実効屈折率ｎ_ｅｆｆの影響を抑制し、対物レンズ５０４と被加工物Ｗの相対位置の変化による集光位置の変化Δｄを正確に算出することができる。したがって、本実施形態によれば、被加工物Ｗの内部に形成された亀裂Ｋの亀裂深さを非破壊で精度よく検出することができる。

なお、本実施形態では、界面検出用の検出光Ｌ１（Ａ）と亀裂検出用の検出光Ｌ１（Ｂ）及びＬ１（Ｃ）の、被加工物Ｗに対する実効屈折率を一致させたが、本発明はこれに限定されない。例えば、界面検出用の検出光Ｌ１（Ａ）と亀裂検出用の検出光Ｌ１（Ｂ）及びＬ１（Ｃ）実効屈折率の差が±２０％程度となるように開口数ＮＡを設定してもよい。

また、本実施形態では、界面として被加工物Ｗの裏面を検出し、この裏面を基準として、Δｄ_ａｉｒを算出したが、Δｄ_ａｉｒの算出の基準となる面は、被加工物Ｗの算出の基準となる界面は裏面に限定されず、表面であってもよい。被加工物Ｗの表面を基準とする場合には、表面に焦点を結んだときに収差が小さいことが前提となる。また、被加工物Ｗの裏面を基準とする場合には、補正環などを用いて裏面で収差が小さいことが前提となる。

１０…亀裂検出装置、１００…光源部、１０２Ａ、１０２Ｂ、１０２Ｃ…光源、１０４…ハーフミラー、１０６…制限部材、２００…照明光学系、２０２…リレーレンズ、２０４…ミラー、２０６…リレーレンズ、３００…界面検出用光学系、３０２…ミラー、３０４…ハーフミラー、３０６…リレーレンズ、３０８…ハーフミラー、３１０…光検出器、４００…亀裂検出用光学系、４０２…リレーレンズ、４０４、４０６…光検出器、５００…制御部、５０２…フォーカス調整機構、５０４…対物レンズ、５０６…操作部、５０８…表示部

Claims (2)

1. 主光軸に沿って検出光を出射する光源部と、
   前記主光軸と同軸のレンズ光軸を有し、前記光源部から出射した前記検出光を被加工物に集光させる対物レンズと、
   前記主光軸に沿って出射された第１の検出光を前記被加工物に照射して前記被加工物からの第１の反射光を検出し、前記第１の反射光に対応する検出信号に基づき、前記被加工物の表面又は裏面を示す界面位置を検出する界面検出手段と、
   前記主光軸から偏心した第２の検出光であって、前記第１の検出光により定まる前記被加工物の実効屈折率に応じて前記レンズ光軸からの偏心量が調整された第２の検出光により前記被加工物を偏射照明して、前記被加工物からの第２の反射光を検出し、前記第２の反射光に対応する検出信号に基づき、前記界面位置を基準として前記被加工物の内部に形成された亀裂の亀裂深さを検出する亀裂検出手段と、
   を備える亀裂検出装置。
2. 前記被加工物の屈折率をｎ、前記第１の検出光により定まる前記被加工物の実効屈折率をｎ_ｅｆｆ、前記第２の検出光の開口数をＮＡとしたときに、
   

   

   を満たすように、前記第２の検出光の開口数ＮＡが調整された、請求項１記載の亀裂検出装置。

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