JP2022081920A - 計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】励起光を高効率に蛍光体に集光して強度の高い蛍光を生じさせることで高精度な測定を可能とする。【解決手段】被測定物の上面の高さを計測する計測ユニットを含む計測装置であって、該計測ユニットは、光源ユニットと、該光源ユニットが発した光を導く光ファイバーと、該光ファイバーによって導かれた光を被測定物に集光する集光器と、を含み、該光源ユニットは、励起光源と、該励起光源が発した励起光を受けると該励起光とは波長の異なる蛍光を発する蛍光体と、該励起光源が発した該励起光の断面形状を変化させ該励起光を該蛍光体に集光するビーム成形ユニットと、該蛍光を含むプローブ光を該光ファイバーの端面に向けて集光する第１の集光レンズと、を有し、該ビーム成形ユニットは、該励起光源が発した該励起光の進行方向に垂直な第１の方向と、該進行方向及び該第１の方向に垂直な第２の方向と、で異なる倍率で該励起光の該断面形状を変化させる。【選択図】図３

Description

本発明は、被測定物に光を照射し、反射光から被測定物の高さ位置や厚みを測定する計測装置に関する。

携帯電話やパソコン等の電子機器に使用されるデバイスチップの製造工程では、まず、半導体等の材料からなるウエーハの表面に互いに交差する複数の分割予定ライン（ストリート）を設定する。そして、分割予定ラインで区画される各領域にＩＣ（Integrated Circuit）、ＬＳＩ（Large-scale Integration）等のデバイスを形成する。その後、ウエーハを裏面側から研削して薄化し、分割予定ラインに沿って分割すると、個々のデバイスチップが形成される。

ウエーハを薄化する研削装置は、ウエーハを保持できる保持テーブルと、ウエーハを研削できる研削砥石を備える研削ユニットと、を備える。さらに、研削装置は、保持テーブルに保持されたウエーハの上面の高さ位置やウエーハの厚みを監視できる計測装置を備える。研削装置は、この計測装置を用いてウエーハの厚みを測定しながらウエーハを研削し、ウエーハを所定の厚みに薄化する（特許文献１参照）。

ウエーハの分割は、例えば、レーザービームをウエーハに照射して該ウエーハをレーザー加工できるレーザー加工装置で実施される。レーザー加工装置は、ウエーハ等の被加工物を保持する保持テーブルと、該保持テーブルで保持された被加工物にレーザービームを照射して該被加工物をレーザー加工するレーザービーム照射ユニットと、を備える。さらに、レーザー加工装置は、保持テーブルで保持された被加工物の上面の高さ位置や被加工物の厚みを測定できる計測装置を備える。

レーザービーム照射ユニットは、被加工物に対して透過性を有する波長（被加工物を透過できる波長）のレーザービームを被加工物中の所定の深さ位置に集光し、被加工物の内部に分割起点となる改質層を形成する。

レーザー加工装置では、被加工物にレーザービームを照射する際に、保持テーブルで保持された被加工物の上面の高さ位置等が計測装置で測定される。そして、計測された被加工物の上面の高さ位置等に基づいて、レーザービームの集光点を所定の高さ位置に位置づける（例えば、特許文献２及び特許文献３参照）。

計測装置は、光源が発した光を集光して光ファイバーの一端に入射する。この光ファイバーの他端は保持テーブルで保持された被加工物の上面に向けられており、この他端から出た光が被加工物に照射される。そして、該光の反射光を検出することで被加工物の上面の高さや被加工物の厚みを特定する。

特開２０１１－１４３４８８号公報 特開２０１１－１２２８９４号公報 特開２００８－１７０３６６号公報

従来の計測装置では、光源に白色ＬＥＤ（Light Emitting Diode）が用いられてきた。白色ＬＥＤから発せられた光はスポット径が大きく、光ファイバーの一端に集光しにくい。そのため、十分な量の光を光ファイバーに通しにくく、十分な光量で光を被測定物に照射できないため、測定精度や分解能が不十分であった。

そこで、光源に青色ＬＤ（Laser Diode）等の励起光源を用い、励起光源から発せられた青色光を励起光として蛍光体に照射させ、発生した蛍光と青色光を合成することで白色のような色の光を生じさせることが考えられる。この方法で得られる光は、強度が高くなる。

計測装置の測定精度を高めるには、測定に用いられる光の強度を高めることが考えられる。そこで、蛍光体に照射する励起光の光源として、マルチモードＬＤを使用することが考えられる。マルチモードＬＤを励起光の光源に使用すると、強度の高い励起光を利用できる。

しかしながら、マルチモードＬＤでは発光点のサイズ（エミッタサイズ）が大きくなる上、励起光の断面形状が楕円形状になる。そして、蛍光体から生じる蛍光の断面形状は、励起光の断面形状を反映した形状となる。そのため、エミッタサイズが大きくかつ断面形状が楕円形状の励起光が照射されて生じた蛍光は、光ファイバーの一端に高効率に集光しにくい。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、被加工物に照射される蛍光を光ファイバーの一端に高効率に集光することで高精度な測定が可能な計測装置を提供することである。

本発明の一態様によれば、被測定物を保持する保持テーブルと、該保持テーブルに保持された被測定物の上面の高さ、または、厚みを計測する計測ユニットと、を含む計測装置であって、該計測ユニットは、光源ユニットと、該光源ユニットが発した光を導く光ファイバーと、該光ファイバーによって導かれた光を被測定物に集光する集光器と、を含み、該光源ユニットは、励起光源と、該励起光源が発した励起光を受けると該励起光とは波長の異なる蛍光を発する蛍光体と、該励起光源が発した該励起光の断面形状を変化させ該励起光を該蛍光体に集光するビーム成形ユニットと、該蛍光体が発した該蛍光を含むプローブ光を該光ファイバーの端面に向けて集光する第１の集光レンズと、を有し、該ビーム成形ユニットは、該励起光源が発した該励起光の進行方向に垂直な第１の方向と、該進行方向及び該第１の方向に垂直な第２の方向と、で異なる倍率で該励起光の該断面形状を変化させることを特徴とする計測装置が提供される。

好ましくは、該ビーム成形ユニットは、該励起光源が発した該断面形状が楕円形状の該励起光を平行光にするコリメートレンズと、該コリメートレンズにより平行光になった該励起光の該断面形状の短手方向を拡大するアナモルフィックプリズムペアと、該アナモルフィックプリズムペアによって該断面形状の該短手方向が拡大された該励起光を該蛍光体に集光する第２の集光レンズと、を含む。

または、好ましくは、該ビーム成形ユニットは、該励起光源が発した該断面形状が楕円形状の該励起光を平行光にするコリメートレンズと、該コリメートレンズにより平行光になった該励起光の該断面形状の短手方向を拡大する一つ以上のシリンドリカルレンズと、該シリンドリカルレンズによって該断面形状の該短手方向が拡大された該励起光を該蛍光体に集光する第２の集光レンズと、を含む。

または、好ましくは、該ビーム成形ユニットは、該励起光源が発した該断面形状が楕円形状の該励起光の短手方向を拡大し、その後に該励起光を該蛍光体に集光する一つ以上のトーリックレンズを含む。

本発明の一態様に係る計測装置は、励起光源と、蛍光体と、ビーム成形ユニットと、第１の集光レンズと、を有する光源ユニットを備える。ここで、ビーム成形ユニットは、励起光源が発した励起光の断面形状を変化させ該励起光を蛍光体に集光する。特に、ビーム成形ユニットは、励起光源が発した励起光の進行方向に垂直な第１の方向と、進行方向及び第１の方向に垂直な第２の方向と、で異なる倍率で励起光の断面形状を変化させる。

例えば、ビーム成形ユニットは、エミッタサイズの大きい励起光の断面形状が円形に近づくように、蛍光体に集光される前の励起光の断面形状を変形できる。この場合、蛍光体で生じる蛍光の断面形状も円形に近づけられるため、この蛍光を光ファイバーの一端に高効率に集光でき、被測定物の測定に強度の高い光を利用でき、被測定物の測定の精度が上がる。

したがって、本発明の一態様によると、被加工物に照射される蛍光を光ファイバーの一端に高効率に集光することで高精度な測定が可能な計測装置が提供される。

計測装置が組み込まれた研削装置を模式的に示す斜視図である。 計測装置が組み込まれたレーザー加工装置を模式的に示す斜視図である。 計測装置の基本構造を模式的に示す側面図である。 図４（Ａ）及び図４（Ｂ）は、ビーム成形ユニットにアナモルフィックプリズムペアを用いる計測装置の光学系を模式的に示す側面図である。 図５（Ａ）及び図５（Ｂ）は、ビーム成形ユニットにシリンドリカルレンズを用いる計測装置の光学系を模式的に示す側面図である。 図６（Ａ）及び図６（Ｂ）は、ビーム成形ユニットにトーリックレンズを用いる計測装置の光学系を模式的に示す側面図である。 計測装置の光学系の変形例を模式的に示す側面図である。

添付図面を参照して、本発明の一態様に係る計測装置について説明する。本実施形態に係る計測装置は、例えば、半導体ウエーハ等の被加工物を加工する加工装置に組み込まれて使用される。まず、加工装置で加工される被加工物について説明する。被加工物は、例えば、Ｓｉ（シリコン）、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）、ＧａＮ（ガリウムナイトライド）、ＧａＡｓ（ヒ化ガリウム）、若しくは、その他の半導体等の材料の円板状のウエーハである。

または、被加工物は、サファイア、ガラス、石英等の材料からなる略円板状の基板等である。ガラスは、例えば、アルカリガラス、無アルカリガラス、ソーダ石灰ガラス、鉛ガラス、ホウケイ酸ガラス、石英ガラス等である。被加工物は、パッケージ基板、セラミックス基板等でもよい。以下、被加工物が円板状のウエーハである場合を例に説明する。

ウエーハの表面は、格子状に配列された複数の分割予定ラインで区画される。ウエーハの表面の分割予定ラインで区画された各領域には、ＩＣやＬＳＩ等のデバイスが形成される。そして、ウエーハを裏面から研削して薄化し、該ウエーハを分割予定ラインに沿って分割すると、個々のデバイスチップが得られる。

ウエーハの研削は、研削砥石を備える研削装置で実施される。また、ウエーハの分割は、ウエーハにレーザービームを照射して該ウエーハをレーザー加工するレーザー加工装置で実施される。そして、本実施形態に係る計測装置は、例えば、研削装置やレーザー加工装置等の加工装置に組み込まれて使用される。

ここで、計測装置が組み込まれる加工装置の一例として、研削装置について説明する。図１は、研削装置２を模式的に示す斜視図である。研削装置２は、各構成要素を支持する矩形状の基台４を備える。基台４の上面にはＸ軸方向に沿った開口４ａが設けられており、開口４ａ内にはＸ軸移動テーブル８が設けられている。

研削装置２は、Ｘ軸移動テーブル８をＸ軸方向に沿って移動させるＸ軸方向移動機構を備える。Ｘ軸移動テーブル８は、Ｘ軸方向移動機構により被加工物が着脱される搬入出領域１０と、該被加工物が研削加工される加工領域１２と、の間で移動する。Ｘ軸移動テーブル８の上面には、被加工物を吸引保持するチャックテーブル６が設けられる。

チャックテーブル６は、上方に露出する多孔質部材と、該多孔質部材を凹部に収容する枠体と、を備える。枠体の内部には、該多孔質部材と、吸引源と、を連通する吸引路が形成されている。多孔質部材の上に被加工物を載せて該吸引源を作動させると、被加工物に負圧が作用し、該被加工物がチャックテーブル６に吸引保持される。すなわち、多孔質部材の上面は、保持面６ａとなる。

加工領域１２の上方には、被加工物を研削する研削ユニット１４が配設される。基台４の後方側には、Ｚ軸方向移動機構１６を介して研削ユニット１４を昇降可能に支持する支持部１８が立設されている。研削ユニット１４を昇降させるＺ軸方向移動機構１６は、支持部１８の前面に設けられたＺ軸方向に伸長する一対のＺ軸ガイドレール２０と、それぞれのＺ軸ガイドレール２０にスライド可能に取り付けられたＺ軸移動プレート２２と、を備える。

Ｚ軸移動プレート２２の裏面側（後面側）には、ナット部（不図示）が設けられており、このナット部には、Ｚ軸ガイドレール２０に平行なＺ軸ボールねじ２４が螺合されている。Ｚ軸ボールねじ２４の一端部には、Ｚ軸パルスモータ２６が連結されている。Ｚ軸移動プレート２２の前面側下部には、研削ユニット１４が固定されている。Ｚ軸パルスモータ２６でＺ軸ボールねじ２４を回転させると、研削ユニット１４が固定されたＺ軸移動プレート２２がＺ軸ガイドレール２０に沿ってＺ軸方向に移動する。

研削ユニット１４は、Ｚ軸方向の周りに回転するスピンドル３０と、スピンドル３０の上部を収容するスピンドルハウジング２８と、を有する。スピンドルハウジング２８の内部には、スピンドル３０を回転させるモータが収容されている。スピンドル３０の下端には、円盤状のホイールマウント３２が固定されており、ホイールマウント３２の下面には、スピンドル３０の回転に従って回転する研削ホイール３４が装着される。研削ホイール３４の下面には、環状に並ぶ研削砥石３６が固定されている。

チャックテーブル６で被加工物を保持し、チャックテーブル６を加工領域１２に移し、スピンドル３０を回転させ、研削ホイール３４を下降させ、円環軌道上を移動する研削砥石３６を被加工物に接触させると、被加工物が研削される。

研削装置２は、チャックテーブル６で保持された被加工物を被測定物としてその上面の高さを測定し被測定物の厚みを測定する本実施形態に係る計測装置３８をＸ軸移動テーブル８上に備える。すなわち、本実施形態に係る計測装置３８は、研削装置２に組み込まれて使用される。チャックテーブル６は、計測装置３８の保持テーブルとして機能し、被測定物を保持する。

研削装置２は、被加工物を被測定物として計測装置３８で上面の高さ、または、厚みを測定しつつ、研削ユニット１４で被加工物を研削する。そして、被加工物が所定の厚みになるまで該被加工物を研削する。

次に、本実施形態に係る計測装置が組み込まれて使用される加工装置の他の一例として、レーザー加工装置について説明する。図２は、レーザー加工装置４２を模式的に示す斜視図である。レーザー加工装置４２は、各構成要素を支持する基台４４を備える。

基台４４の上面の前部には、Ｘ軸方向に平行な一対のＸ軸ガイドレール５０が設けられており、Ｘ軸ガイドレール５０にはＸ軸移動プレート５２がスライド可能に取り付けられている。Ｘ軸移動プレート５２の下面側には、ナット部（不図示）が設けられており、このナット部には、Ｘ軸ガイドレール５０に平行なＸ軸ボールねじ５４が螺合されている。Ｘ軸ボールねじ５４の一端には、Ｘ軸パルスモータ５６が連結されている。

Ｘ軸移動プレート５２の上には、チャックテーブル４６を支持する支持台５８が配設され、該支持台５８上にはチャックテーブル４６が配設される。チャックテーブル４６は、上述の研削装置２のチャックテーブル６と同様に構成され、上面が保持面４６ａとなる。

ところで、レーザー加工装置４２に搬入される被加工物は、予め環状のフレームに開口部を塞ぐように貼られたテープに貼り付けられる。すなわち、被加工物と、テープと、環状のフレームと、が予め一体化されてフレームユニットが形成される。そして、チャックテーブル４６の周囲には、テープを介して被加工物を保持する環状のフレームを固定するクランプ４６ｂが設けられている。

Ｘ軸パルスモータ５６でＸ軸ボールねじ５４を回転させると、Ｘ軸移動プレート５２はＸ軸ガイドレール５０に沿ってＸ軸方向に移動する。一対のＸ軸ガイドレール５０と、Ｘ軸移動プレート５２と、Ｘ軸ボールねじ５４と、Ｘ軸パルスモータ５６と、は、チャックテーブル４６に保持される被加工物をＸ軸方向に移動させるＸ軸方向移動機構として機能する。

レーザー加工装置４２の基台４４の上面の後部には、Ｘ軸方向に垂直なＹ軸方向に沿った一対のＹ軸ガイドレール６０が設けられている。Ｙ軸ガイドレール６０には、支持体６２がスライド可能に取り付けられている。支持体６２は、Ｙ軸ガイドレール６０に取り付けられた基部６２ａと、該基部６２ａに立設する壁部６２ｂと、を備える。

支持体６２の基部６２ａの下面側には、ナット部（不図示）が設けられており、このナット部には、Ｙ軸ガイドレール６０に平行なＹ軸ボールねじ６４が螺合されている。Ｙ軸ボールねじ６４の一端には、Ｙ軸パルスモータ６６が連結されている。

Ｙ軸パルスモータ６６でＹ軸ボールねじ６４を回転させると、支持体６２はＹ軸ガイドレール６０に沿ってＹ軸方向に移動する。一対のＹ軸ガイドレール６０と、Ｙ軸ボールねじ６４と、Ｙ軸パルスモータ６６と、は、後述のレーザー加工ユニット４８をＹ軸方向に移動させるＹ軸方向移動機構として機能する。

支持体６２の壁部６２ｂの後面側には、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に対して垂直なＺ軸方向に沿った一対のＺ軸ガイドレール６８が配設されている。Ｚ軸ガイドレール６８には、ユニットホルダ７０がスライド可能に取り付けられている。ユニットホルダ７０の壁部６２ｂに向く面にはナット部（不図示）が設けられており、このナット部には、Ｚ軸ガイドレール６８に平行なＺ軸ボールねじ（不図示）が螺合されている。Ｚ軸ボールねじの一端には、Ｚ軸パルスモータ７２が連結されている。

Ｚ軸パルスモータ７２でＺ軸ボールねじを回転させると、ユニットホルダ７０はＺ軸ガイドレール６８に沿ってＺ軸方向に移動する。一対のＺ軸ガイドレール６８と、Ｚ軸ボールねじと、Ｚ軸パルスモータ７２と、は、レーザー加工ユニット４８をＺ軸方向に昇降させる昇降ユニットとして機能する。

ユニットホルダ７０には、レーザー加工ユニット４８の一部の構成要素が固定されている。レーザー加工ユニット４８は、チャックテーブル４６の保持面４６ａ上に保持された被加工物に対してレーザービームを照射し、被加工物をレーザー加工する機能を有する。

レーザー加工ユニット４８は、例えば、Ｎｄ；ＹＡＧやＮｄ；ＹＶＯ_４等の媒質を備え、レーザービームを発するレーザー発振器を備える。レーザー加工ユニット４８は、被加工物を透過する波長（被加工物に透過性を有する波長）のレーザービームを被加工物に照射できる。

レーザー加工ユニット４８は、チャックテーブル４６の上方に位置する加工ヘッド７４と、該加工ヘッド７４に隣接する撮像ユニット７６と、を備える。撮像ユニット７６は、チャックテーブル４６に保持された被加工物の表面を撮像でき、分割予定ラインに沿って被加工物にレーザービームを照射できるようにアライメントを実施する際に用いられる。また、レーザー加工ユニット４８には本実施形態に係る計測装置が組み込まれており、該計測装置は一部の光学系をレーザー加工ユニット４８と共有する。

さらに、レーザー加工装置４２は、該レーザー加工装置４２の各構成要素を制御する制御ユニット（不図示）を備える。制御ユニットは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等の処理装置と、ＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）等の主記憶装置と、フラッシュメモリ等の補助記憶装置と、を含むコンピュータによって構成される。補助記憶装置に記憶されるソフトウェアに従い処理装置等を動作させることによって、制御ユニットは、ソフトウェアと処理装置（ハードウェア資源）とが協働した具体的手段として機能する。

レーザー加工ユニット４８は、チャックテーブル４６で保持された被加工物の内部の所定の高さ位置にレーザービームを集光する。レーザー加工装置４２は、レーザービームの集光点を所定の高さ位置に位置づけるために、チャックテーブル４６で保持された被加工物の上面の高さ位置、または、厚みを計測装置で測定する。

分割予定ラインと重なる位置で被加工物の内部に集光点を位置づけて、レーザービームを該集光点に集光させつつチャックテーブル４６と、レーザー加工ユニット４８と、を保持面４６ａに平行な方向（Ｘ軸方向、または、Ｙ軸方向）に相対的に移動させる。すると、レーザービームが分割予定ラインに沿って被加工物に照射され、分割予定ラインに沿って被加工物がレーザー加工される。

このように、研削装置２やレーザー加工装置４２等の加工装置では、計測装置が使用される。次に、本実施形態に係る計測装置について説明する。計測装置は、保持テーブルに保持された被測定物の上面の高さ、または、厚みを計測する計測ユニットを含む。計測ユニットは、光源ユニットが発した光を導く光ファイバーと、該光ファイバーによって導かれた光を被測定物に集光する集光器と、を含む。

計測装置では、光源ユニットが発した光を集光して光ファイバーの一端に入射させる。そして、光ファイバーの他端は保持テーブルで保持された被測定物の上面に向けられており、該他端から出た光が集光器により被測定物に照射される。計測装置は、該光の反射光を分光器で分光することで被測定物の上面の高さ等を特定する。

計測装置の測定精度を高めるには、測定に高出力のプローブ光を使用するとよい。例えば、光源に青色や紫色のＬＤ等の高出力な励起光源を用い、励起光源から発せられた光を励起光として蛍光体に照射させ、発生した蛍光と励起光を合成することで白色のような色の光を生じさせることが考えられる。

さらに、光源には、シングルモードＬＤよりも高出力なマルチモードＬＤを使用することが考えられる。より詳細には、シングルモードＬＤは、出力が０．５Ｗ以下程度となる一方で、マルチモードＬＤは、出力を５Ｗ以下程度まで大きくできる。しかしながら、シングルモードＬＤのエミッタサイズは数μｍ×数μｍとなるが、マルチモードＬＤのエミッタサイズは数μ×数１０μｍとなり、出射される光のエミッタサイズが大きくなり断面形状が楕円形状となりやすい。

エミッタサイズが大きくかつ断面形状が楕円形状の励起光を蛍光体に集光することで生じる蛍光は、光ファイバーの一端に高効率に集光しにくい。そこで、本実施形態に係る計測装置では、励起光源から発せられた励起光の断面形状を変化させる。以下、本実施形態に係る計測装置について説明する。

図３は、本実施形態に係る計測装置７８の基本構成を模式的に示す側面図である。各光学部品の構成及び配置は、適宜変更可能である。計測装置７８は、被測定物１を保持する保持テーブル８０を有する。計測装置７８が図１に示す研削装置２に組み込まれて使用される場合、チャックテーブル６が計測装置７８の保持テーブル８０となる。また、計測装置７８が図２に示すレーザー加工装置４２に組み込まれて使用される場合、チャックテーブル４６が計測装置７８の保持テーブル８０となる。

計測装置７８は、保持テーブル８０に保持された被測定物１の上面の高さ、または、厚みを計測する計測ユニット８２を含む。計測ユニット８２は、光源ユニット８４と、該光源ユニット８４が発した光を導く光ファイバー８６と、該光ファイバー８６によって導かれた光を被測定物に集光する集光器８８と、を含む。

光源ユニット８４は、励起光源９０と、励起光源９０が発した励起光９２を受けると蛍光を発する蛍光体９４と、励起光源９０が発した励起光９２の断面形状を変化させ励起光９２を蛍光体９４に集光するビーム成形ユニット１００を備える。励起光源９０には、青色や紫色等の短波長の光を生じるマルチモードＬＤが使用される。

マルチモードＬＤを使用する励起光源９０から発せられた励起光９２は、進行方向に垂直な面における断面形状が楕円形状となる傾向にある。ビーム成形ユニット１００は、励起光９２の断面形状を円形に近づくように変形させる。なお、ビーム成形ユニット１００の詳細な構成例、機能及び作用については、後述する。

励起光９２が集光される蛍光体９４は、可視光領域の波長帯域の光を透過できる支持プレート９６の一方の面に設けられる。蛍光体９４には、励起光源９０が発する励起光９２を受け、励起光９２の波長とは異なり該励起光９２よりも長波長の波長帯域の蛍光を発することのできる材料が使用される。より詳細には、青色や紫色等の短波長の励起光９２を受けて緑色、黄色、または、赤色等の長波長の蛍光を生じる材料を使用できる。

より詳細には、蛍光体９４には、イットリウムアルミニウムオキサイド：セリウム（Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ）やイットリウムガドリニウムアルミニウム酸化物：セリウム（(Ｙ，Ｇｄ)_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ）等の材料を使用できる。ただし、蛍光体９４の材料はこれに限定されない。

光源ユニット８４は、蛍光体９４が発した光を光ファイバー８６の端面に向けて集光する第１の集光レンズ１０２を有する。励起光９２が蛍光体９４に照射されると、蛍光が発生する。そして、この蛍光を含むプローブ光９８が支持プレート９６を透過する。第１の集光レンズ１０２は、このプローブ光９８を光ファイバー８６の端面に向けて集光する機能を有する。この光ファイバー８６の該端面とは反対側の端面には、集光器８８が接続されている。

以下、プローブ光９８を利用した被測定物１の厚みの測定が共焦点式の厚み測定により実施される場合を例に説明する。ただし、プローブ光９８を利用した被測定物１の厚み等の測定は、他の方法により実施されてもよい。例えば、分光干渉式の厚み測定にプローブ光９８が利用されてもよい。

集光器８８は、色収差レンズ（不図示）を有する。色収差レンズは、色（波長）により屈折率の異なるレンズであり、光の進行方向の前後方向における集光位置が色（波長）によって異なる。

光ファイバー８６を通じて集光器８８に到達するプローブ光９８は、蛍光体９４が発する蛍光の波長に強度を有する。すなわち、プローブ光９８は非単色光であり、複数の波長成分を有する。プローブ光９８には、該蛍光とともに一部の励起光９２が含まれていてもよい。そして、集光器８８から出射されたプローブ光９８は、被測定物１に照射される。

プローブ光９８に含まれる複数の波長成分のうち、集光器８８の色収差レンズの集光位置が被測定物１の上面と一致する波長成分は、被測定物１の上面で反射されて再び集光器８８の色収差レンズに到達し、光ファイバー８６の端面に集光される。その一方で、集光器８８の色収差レンズの集光点位置が被測定物１の上面と一致しない波長成分は、被測定物１の上面で反射されて再び集光器８８の色収差レンズに到達しても、光ファイバー８６の端面には集光されない。

光ファイバー８６は分岐を有し、計測装置７８は光ファイバー８６の端面に集光された反射光１０４が光ファイバー８６を通じて到達する分光器１０６を含む。分光器１０６では、該分光器１０６に到達した反射光１０４を分光し、各波長における反射光１０４の強度を測定する。すなわち、分光器１０６では、反射光１０４の色（波長）を特定する。

集光器８８の色収差レンズでは、各色（波長）それぞれの固有の集光点位置がある。そのため、分光器１０６で特定された反射光１０４の色（波長）から、被測定物１の上面の集光器８８からの距離を特定できる。すなわち、計測装置７８では、被測定物１の上面の高さを導出でき、保持テーブル８０の上面と、被測定物１の上面と、の高さの差から被測定物１の厚みを特定できる。

ここで、上述の計測装置７８の測定原理から理解される通り、計測装置７８で被測定物１の上面の高さ位置等を高精度に特定するには、プローブ光９８は、波長帯域の広い白色光のような光であることが望ましい。ただし、プローブ光９８は、定義に厳密に従った白色光である必要はなく、プローブ光９８にすべての波長の光が均等な強度分布や特定の強度分布で含まれている必要もない。

すなわち、プローブ光９８は、少なくとも特定の波長成分のみからなる単色光ではない非単色光であることが必要であり、好ましくは、強度分布を問わず複数の波長成分を有する光である。ここで、強度分布を問わず複数の波長成分を有する光について、波長帯域を有する光と呼ぶこともできる。蛍光体９４は、励起光源９０が発した励起光９２を受けることで波長帯域を有する光を発する。そして、プローブ光９８は、この波長帯域を有する光を含む光であり、励起光９２とは異なる光である。

次に、ビーム成形ユニット１００について説明する。ビーム成形ユニット１００は、励起光源９０が発したエミッタサイズの大きい励起光９２の断面形状を変形させて蛍光体９４に集光する機能を有する。ここで、励起光源９０が発した励起光９２は、進行方向に垂直な第１の方向と、該進行方向及び該第１の方向に垂直な第２の方向と、で大きさが異なる楕円形状となる。ここで、励起光９２の進行方向をＺ_１とし、この楕円形状の長手方向を第１の方向Ｘ_１とし、短手方向を第２の方向Ｙ_１とする。

ビーム成形ユニット１００は、励起光源９０が発した励起光９２の進行方向Ｚ_１に垂直な第１の方向Ｘ_１と、進行方向Ｚ_１及び第１の方向Ｘ_１に垂直な第２の方向Ｙ_１と、で異なる倍率で励起光９２の断面形状を変化させて該励起光９２を蛍光体９４に集光する。

ビーム成形ユニット１００の第１の構成例について説明する。図４（Ａ）及び図４（Ｂ）は、第１の構成例に係るビーム成形ユニット１００ａを含む光源ユニット８４を模式的に示す側面図である。図４（Ａ）は、励起光９２の進行方向Ｚ_１に垂直な第２の方向Ｙ_１から見た光源ユニット８４を見た側面図であり、図４（Ｂ）は、進行方向Ｚ_１及び第２の方向Ｙ_１に垂直な第１の方向Ｘ_１から光源ユニット８４を見た側面図である。

図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示す通り、第１の構成例に係るビーム成形ユニット１００ａは、コリメートレンズ１０８と、アナモルフィックプリズムペア１１０と、第２の集光レンズ１１４と、を含む。励起光源９０が発した励起光９２の断面形状は、第１の方向Ｘ_１に長手方向を有し、第２の方向Ｙ_１に短手方向を有する楕円形状である。

コリメートレンズ１０８は、励起光源９０が発した励起光９２を平行光にする。励起光源９０がマルチモードＬＤである場合、発せられた光は拡散する傾向にある。そこで、コリメートレンズ１０８を使用して励起光９２を平行光に変換する。すなわち、アナモルフィックプリズムペア１１０には平行光に変換された励起光９２が進行する。

アナモルフィックプリズムペア１１０は、２つのプリズム１１２ａ，１１２ｂを備え、主に、励起光９２の断面形状の短手方向（第２の方向Ｙ_１）を拡大し、長手方向（第１の方向Ｘ_１）の大きさに近づける。２つのプリズム１１２ａ，１１２ｂは、これを実現できるように配置される。

例えば、２つのプリズム１１２ａ，１１２ｂの入射面及び出射面は、第１の方向Ｘ_１に平行である。また、２つのプリズム１１２ａ，１１２ｂの入射面及び出射面の４つの面のうち２つ以上は、第２の方向Ｙ_１及び励起光９２の進行方向Ｚ_１から傾いている。

アナモルフィックプリズムペア１１０では、２つのプリズム１１２ａ，１１２ｂの角度を調整することで励起光９２の断面形状の短手方向の拡大率を変更できる。そして、アナモルフィックプリズムペア１１０から出る励起光９２がアナモルフィックプリズムペア１１０に進行してきたときと比べて断面形状が円形に近づくように２つのプリズム１１２ａ，１１２ｂの配置が決定される。

第２の集光レンズ１１４は、アナモルフィックプリズムペア１１０によって断面形状の短手方向が拡大された励起光９２を蛍光体９４に集光する。ここで、第２の集光レンズ１１４に進行する励起光９２は、断面形状の短手方向が拡大された結果、該断面形状が円形に近づいている。

次に、ビーム成形ユニット１００の第２の構成例について説明する。図５（Ａ）及び図５（Ｂ）は、第２の構成例に係るビーム成形ユニット１００ｂを含む光源ユニット８４を模式的に示す側面図である。図５（Ａ）は、励起光９２の進行方向Ｚ_１に垂直な第２の方向Ｙ_１から見た光源ユニット８４を見た側面図であり、図５（Ｂ）は、進行方向Ｚ_１及び第２の方向Ｙ_１に垂直な第１の方向Ｘ_１から光源ユニット８４を見た側面図である。

図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示す通り、第２の構成例に係るビーム成形ユニット１００ｂは、コリメートレンズ１０８と、一つ以上のシリンドリカルレンズ１１６，１１８と、第２の集光レンズ１１４と、を含む。励起光源９０が発した励起光９２の断面形状は、第１の方向Ｘ_１に長手方向を有し、第２の方向Ｙ_１に短手方向を有する楕円形状である。コリメートレンズ１０８及び第２の集光レンズ１１４は、第１の構成例に係るビーム成形ユニット１００ａと同様であるため、説明を省略する。

図５（Ａ）及び図５（Ｂ）では、ビーム成形ユニット１００ｂが２つのシリンドリカルレンズ１１６，１１８を含む場合が示されているが、シリンドリカルレンズ１１６，１１８の数はこれに限定されない。一つのシリンドリカルレンズにより、または、複数のシリンドリカルレンズが協働することにより、コリメートレンズ１０８により平行光になった励起光９２の断面形状の短手方向を拡大する。以下、ビーム成形ユニット１００ｂが２つのシリンドリカルレンズ１１６，１１８を含む場合を例に説明する。

２つのシリンドリカルレンズ１１６，１１８の入射面及び出射面は、第１の方向Ｘ_１に平行である。また、第１のシリンドリカルレンズ１１６の励起光９２の入射面と、第２のシリンドリカルレンズ１１８の励起光９２の出射面と、は、第２の方向Ｙ_１に沿って湾曲しており進行方向Ｚ_１の手前側に中心を有する円弧状とされる。これにより、主に、励起光９２の断面形状の短手方向（第２の方向Ｙ_１）を拡大し、長手方向（第１の方向Ｘ_１）の大きさに近づける。

ビーム成形ユニット１００ｂでは、例えば、曲面の曲率の異なる別のシリンドリカルレンズを使用することで励起光９２の断面形状の短手方向の拡大率を変更できる。そして、シリンドリカルレンズ１１８から出る励起光９２がシリンドリカルレンズ１１６に進行してきたときと比べて断面形状が円形に近づくように各シリンドリカルレンズ１１６，１１８の配置が決定される。

さらに、ビーム成形ユニット１００の第３の構成例について説明する。図６（Ａ）及び図６（Ｂ）は、第３の構成例に係るビーム成形ユニット１００ｃを含む光源ユニット８４を模式的に示す側面図である。図６（Ａ）は、励起光９２の進行方向Ｚ_１に垂直な第２の方向Ｙ_１から見た光源ユニット８４を見た側面図であり、図６（Ｂ）は、進行方向Ｚ_１及び第２の方向Ｙ_１に垂直な第１の方向Ｘ_１から光源ユニット８４を見た側面図である。

図６（Ａ）及び図６（Ｂ）に示す通り、第３の構成例に係るビーム成形ユニット１００ｃは、一つ以上のトーリックレンズ１２０を含む。励起光源９０が発した励起光９２の断面形状は、第１の方向Ｘ_１に長手方向を有し、第２の方向Ｙ_１に短手方向を有する楕円形状である。

図６（Ａ）及び図６（Ｂ）では、ビーム成形ユニット１００ｃが一つのトーリックレンズ１２０を含む場合が示されているが、トーリックレンズ１２０の数はこれに限定されない。一つのトーリックレンズにより、または、複数のトーリックレンズが協働することにより、励起光９２の断面形状の短手方向を拡大する。以下、ビーム成形ユニット１００ｃが１つのトーリックレンズ１２０を含む場合を例に説明する。

トーリックレンズ１２０の励起光９２が入射する入射面１２０ａは、トーリック面である。すなわち、入射面１２０ａは、第１の方向Ｘ_１に沿った曲率半径と、第２の方向Ｙ_１に沿った曲率半径と、が異なる曲面である。これにより、励起光９２がトーリックレンズ１２０に入射する際に、入射面１２０ａでは励起光９２が第１の方向Ｘ_１と第２の方向Ｙ_１とで異なる屈折角で屈折する。より詳細には、主に、励起光９２の断面形状の短手方向（第２の方向Ｙ_１）を拡大し、長手方向（第１の方向Ｘ_１）の大きさに近づける。

そして、トーリックレンズ１２０を進行して出射面１２０ｂから外部に出る励起光９２は、蛍光体９４に集光される。例えば、出射面１２０ｂは、第１の方向Ｘ_１に沿った曲率半径と、第２の方向Ｙ_１に沿った曲率半径と、が一致する。ただし、出射面１２０ｂはこれに限定されず、両曲率半径が異なっていてもよい。いずれにせよ、蛍光体９４に到達する際の励起光９２の断面形状は、励起光源９０から出射された際の断面形状よりも円形に近づけられる。

以上に説明する通り、本実施形態に係る計測装置７８では、光源ユニット８４のビーム成形ユニット１００は、励起光源９０が発した励起光９２の断面形状を変形させて蛍光体９４に集光する。特に、励起光源９０から出射された際の断面形状が楕円形である場合、ビーム成形ユニット１００は、該断面形状がより円形に近づくように励起光９２を変形させる。

この場合、蛍光体９４で生じた蛍光の断面形状も励起光９２の断面形状を反映して円形に近づけられるため、第１の集光レンズ１０２（図３等参照）によりプローブ光９８が光ファイバー８６の一端に集光されやすい。本実施形態に係る計測装置７８では、高効率に光ファイバー８６に集光されたプローブ光９８が該光ファイバー８６を通して被測定物１に照射されるため、被測定物１の上面の高さ位置や被測定物１の厚みを高精度に検出できる。

なお、本発明は上記実施形態の記載に限定されず、種々変更して実施可能である。例えば、上記実施形態では、光源ユニット８４が備える蛍光体９４がプローブ光９８を透過する支持プレート９６に支持される場合について説明したが、本発明の一態様はこれに限定されない。

図７は、変形例に係る計測装置７８ａの構成を模式的に示す側面図である。図７では、計測装置７８ａの光ファイバー８６の一部と、保持テーブル８０と、集光器８８と、分光器１０６と、を省略している。また、図７には、計測装置７８ａが２つのシリンドリカルレンズ１１６，１１８を含む光源ユニット８４ａを備える場合が示されているが、光源ユニット８４ａはこれに限定されない。

光源ユニット８４ａは、励起光源９０と、コリメートレンズ１０８と、２つのシリンドリカルレンズ１１６，１１８と、第２の集光レンズ１１４ａと、第１の集光レンズ１０２ａと、蛍光体９４と、を備える。ここで、蛍光体９４は、光を反射する支持プレート９６ａに支持されている。

計測装置７８ａでは、励起光源９０を作動させて生じた励起光９２がコリメートレンズ１０８で平行光に変換され、２つのシリンドリカルレンズ１１６，１１８で断面形状が変化する。光源ユニット８４ａは、ダイクロイックミラー１２２をさらに備える。そして、断面形状が変化した励起光９２は、ダイクロイックミラー１２２により第２の集光レンズ１１４ａ及び蛍光体９４に向けて反射される。

そして、励起光９２は第２の集光レンズ１１４ａにより蛍光体９４に集光される。蛍光体９４に励起光９２が集光されると、蛍光が生じる。そして、この蛍光を含むプローブ光９８が、最終的に被測定物１に照射される。プローブ光９８は、第２の集光レンズ１１４ａで平行光にされてダイクロイックミラー１２２に進行する。プローブ光９８は、ダイクロイックミラー１２２を透過し、第１の集光レンズ１０２ａにより光ファイバー８６の端面に集光される。

このように、変形例に係る計測装置７８ａにおいても励起光９２の断面形状が変形されて蛍光体９４に集光される。そのため、蛍光体９４で生じる蛍光が円形に近づけられ、第１の集光レンズ１０２ａにより光ファイバー８６の端面に効率的に集光できる。そして、光ファイバー８６を通して被測定物１にプローブ光９８が照射されるため被測定物１の上面の高さ位置等を高精度に検出できる。

また、上述の実施形態においては、計測装置７８が研削装置２やレーザー加工装置４２等の加工装置に組み込まれて使用される場合について説明したが、本発明の一態様はこれに限定されない。すなわち、本発明の一態様に係る計測装置７８は、加工装置等から独立して使用されてもよい。

その他、上記実施形態に係る構造、方法等は、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施できる。

１ 被測定物
２ 研削装置
４，４４ 基台
４ａ 開口
６，４６ チャックテーブル
６ａ，４６ａ 保持面
８ Ｘ軸移動テーブル
１０ 搬入出領域
１２ 加工領域
１４ 研削ユニット
１６ Ｚ軸方向移動機構
１８ 支持部
２０ Ｚ軸ガイドレール
２２ Ｚ軸移動プレート
２４ Ｚ軸ボールねじ
２６ Ｚ軸パルスモータ
２８ スピンドルハウジング
３０ スピンドル
３２ ホイールマウント
３４ 研削ホイール
３６ 研削砥石
３８ 計測装置
４２ レーザー加工装置
４６ｂ クランプ
４８ レーザー加工ユニット
５０，６０，６８ ガイドレール
５２ 移動プレート
５４，６４ ボールねじ
５６，６６，７２ パルスモータ
５８ 支持台
６２ 支持体
６２ａ 基部
６２ｂ 壁部
７０ ユニットホルダ
７４ 加工ヘッド
７６ 撮像ユニット
７８，７８ａ 計測装置
８０ 保持テーブル
８２ 計測ユニット
８４，８４ａ 光源ユニット
８６ 光ファイバー
８８ 集光器
９０ 励起光源
９２ 励起光
９４ 蛍光体
９６，９６ａ 支持プレート
９８ プローブ光
１００，１００ａ，１００ｂ，１００ｃ
１０２，１０２ａ，１１４，１１４ａ 集光レンズ
１０４ 反射光
１０６ 分光器
１０８ コリメートレンズ
１１０ アナモルフィックプリズムペア
１１２ａ，１１２ｂ プリズム
１１６，１１８ シリンドリカルレンズ
１２０ トーリックレンズ
１２０ａ 入射面
１２０ｂ 出射面
１２２ ダイクロイックミラー

Claims (4)

1. 被測定物を保持する保持テーブルと、
   該保持テーブルに保持された被測定物の上面の高さ、または、厚みを計測する計測ユニットと、を含む計測装置であって、
   該計測ユニットは、光源ユニットと、該光源ユニットが発した光を導く光ファイバーと、該光ファイバーによって導かれた光を被測定物に集光する集光器と、を含み、
   該光源ユニットは、
   励起光源と、
   該励起光源が発した励起光を受けると該励起光とは波長の異なる蛍光を発する蛍光体と、
   該励起光源が発した該励起光の断面形状を変化させ該励起光を該蛍光体に集光するビーム成形ユニットと、
   該蛍光体が発した該蛍光を含むプローブ光を該光ファイバーの端面に向けて集光する第１の集光レンズと、を有し、
   該ビーム成形ユニットは、該励起光源が発した該励起光の進行方向に垂直な第１の方向と、該進行方向及び該第１の方向に垂直な第２の方向と、で異なる倍率で該励起光の該断面形状を変化させることを特徴とする計測装置。
2. 該ビーム成形ユニットは、
   該励起光源が発した該断面形状が楕円形状の該励起光を平行光にするコリメートレンズと、
   該コリメートレンズにより平行光になった該励起光の該断面形状の短手方向を拡大するアナモルフィックプリズムペアと、
   該アナモルフィックプリズムペアによって該断面形状の該短手方向が拡大された該励起光を該蛍光体に集光する第２の集光レンズと、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
3. 該ビーム成形ユニットは、
   該励起光源が発した該断面形状が楕円形状の該励起光を平行光にするコリメートレンズと、
   該コリメートレンズにより平行光になった該励起光の該断面形状の短手方向を拡大する一つ以上のシリンドリカルレンズと、
   該シリンドリカルレンズによって該断面形状の該短手方向が拡大された該励起光を該蛍光体に集光する第２の集光レンズと、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
4. 該ビーム成形ユニットは、該励起光源が発した該断面形状が楕円形状の該励起光の短手方向を拡大し、その後に該励起光を該蛍光体に集光する一つ以上のトーリックレンズを含むことを特徴とする請求項１に記載の計測装置。

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