JP3970334B2 - 光学的表面検査装置 - Google Patents

Description

従来の技術
本発明は、独立請求項の上位概念に記載の光学的表面検査装置に関する。ドイツ連邦共和国特許出願DE 32 32 904により公知のこの種の装置によれば、加工品の孔内部の被検査表面に向けてレーザビームが配向され、表面からはね返されたビームは表面の特性に依存して変化する。入射ビームは中央光導波体を介してミラーへ案内され、このミラーは入射ビームをほぼ９０°だけ偏向して孔の壁へ配向する。表面から反射したビームは、一方では中央光導体を介して、他方ではその中央光導体の周囲に同心円状に配置された別の光導体を介して、孔から取り出される。中央光導体と別の光導体との間に、光学的デッドゾーンが設けられている。このことで公知の装置によれば、表面からはね返されたビームについて明視野における測定も暗視野における測定も同時に行うことができる。
本発明の課題は、光学的表面検査装置において簡単に構成できるようにすることである。
この課題は、独立請求項に記載の特徴により解決される。
発明の利点
本発明による装置は、第１の表面と少なくとも第２の表面を同時に検査できるという利点をもっている。したがって測定結果を個別に求めるほかに両方の被検査表面の比較測定が可能となり、このために装置を移動させる必要がない。
本発明によれば、ビームスプリッタにより入射ビームから、第１の被検査表面に配向された第１の測定ビームと第２の被検査表面に配向された第２の測定ビームが出力結合される。表面から反射した測定ビームは、ビームスプリッタにおいて再び１つの出射ビームにまとめられ、これは測定装置へと案内されて、そこにおいて両方の測定ビームの別個の評価が行われる。本発明にとって重要であるのは、２つの測定ビームがそれぞれ違った特性をもっているということであり、これによって測定装置における別個の評価が可能となる。
本発明による装置はたとえば、孔殊に止まり孔内部の表面を検査するのに適している。本発明による装置の簡単な構造によって、孔直径の小さい孔の内部の表面を検査できるようになる。出射ビーム中に含まれる反射測定ビームの別個の評価により、たとえば孔の直線性または孔の丸みを求めることができる。また、２つの表面の測定結果が同時に存在しているので、たとえば孔のアライメントを求めることができる。
従属請求項には本発明による装置の有利な実施形態が示されている。
第１の実施形態によれば、測定ビームの特性として種々の偏光面が設けられている。
有利には、それぞれ異なる偏光面は、ビームスプリッタを偏光ビームスプリッタとして形成することにより達成される。入射ビームとして、たとえば偏光されていないまたは円偏光されたビームが適している。偏光ビームスプリッタの代わりに慣用のビームスプリッタも使用可能であり、これには両方の測定ビームのビーム路中にそれぞれ偏光フィルタが後置接続されている。
１つの実施形態によれば、入射ビームはすでに所定の偏光面で偏光されている。偏光面をたとえば偏光回転板によって変化させることにより、２つの表面を時間的にずらして検査することができる。この実施形態の場合には測定装置をきわめて簡単に実現することができる。それというのも、出射ビームは第１の反射測定ビームまたは第２の反射測定ビームに対応しているからである。偏光回転板を制御する信号は測定装置において、捕捉された信号とそのつど反射する測定ビームとの対応づけの役割を担う。
別の実施形態によれば、測定ビームのそれぞれ異なる特性がそれぞれ違った波長によってまえもって定められる。この場合、入射ビームは波長の異なる２つのビーム成分を有しており、その際、第１の測定ビームのビーム路と第２の測定ビームのビーム路中にそれぞれ波長選択性フィルタが配置されている。入射ビームが同時に２つのビーム成分を有していれば、対応する波長選択性フィルタを備えた測定装置において同時に各反射測定ビームを捕捉することができる。また、入射ビームが時間的に相前後してそれぞれ異なる波長を有しているならば、波長に依存することなく出射ビームを捕捉する測定装置で十分である。
１つの有利な実施形態によれば、ビームスプリッタは入射ビームの方向に対し少なくとも約９０％の角度で第１の測定ビームを出力結合し、さらに第２の測定ビームを実質的に方向を変化させることなく通過させる。
さらに別の有利な実施形態によれば、第２の測定ビームのビーム路中にビーム偏向器が配置されており、これは測定ビームの向きを別の方向へ変える。方向の変化が少なくとも約９０°であれば、２つの被検査表面を１つの平面内に存在させることができる。このようにして、１つの孔をそれぞれ異なる孔の深さについて同時に判定できるようになる。
従属請求項ならびに以下の説明には、本発明による装置の他の有利な実施形態が示されている。
図面
２つの図面には、表面検査装置のそれぞれ異なる実施形態が描かれている。
図１にはビーム源１０が示されており、これは入射ビームＡをビームスプリッタ１１の方向へ送出する。ビーム源１０とビームスプリッタとの間のビーム路中に偏光回転板１２、第１のハーフミラー１３ならびに第１のレンズ１４が配置されている。ビームスプリッタ１１は入射ビームＡから、第１の測定ビームＢおよび第２の測定ビームＣを出力結合する。第１の測定ビームＢのビーム路中に第１の偏光子１５が配置されており、第２の測定ビームＣのビーム路中に第２の偏光子１６が配置されている。第１の測定ビームＢは第１の被検査表面１７へ投射され、第２の測定ビームＣは第２の被検査表面１８へ投射される。さらに第２の測定ビームＣのビーム路中には、第２のレンズ１９ならびにブーム偏向器２０が配置されている。被検査表面１７，１８は図示の実施例の場合、加工品２２における孔２１の表面部分である。被検査表面１７，１８からはね返った測定ビームＢ′，Ｃ′は、ビームスプリッタ１１によりまとめられて１つの出射ビームＤが形成され、第１のハーフミラー１３はこの出射ビームＤを受光装置２３へ向けて出力結合する。
受光装置２３は第２のハーフミラー２４を有しており、これは出射ビームＤから、反射した第１の測定ビームＢ′と反射した第２の測定ビームＣ′を出力結合する。反射した第１の測定ビームＢ′は第３の偏光子２５を通過し、これは第１のビーム受光器２６に当射する。また、反射した第２の測定ビームＣ′は第４の偏光子２７を通過した後、第２のビーム受光器２８に当射する。
図１に示した本発明による装置は以下のように動作する。
ビームスプリッタ１１はビーム源１０から供給された入射ビームＡから、第１の測定ビームＢと第２の測定ビームＣを出力結合する。これら２つの測定ビームＢ，Ｃは、図１に示した実施形態によれば異なる偏光面をもつそれぞれ違った特性を有している。ビームスプリッタ１１に使用される材料の屈折率と角度関係に依存して、特別な措置をとらなくても偏光が発生する。完全な偏光は、ビームスプリッタ１１を偏光ビームスプリッタとして実現することによって達成される。別のやり方によれば、両方の測定ビームＢ，Ｃのビーム路中に偏光子１５，１６が配置されている。
入射ビームＡのビーム路中に配置されている第１のレンズ１４によって、第１の測定ビームＢを第１の被検査表面１７上へフォーカシングさせることができる。また、第２の測定ビームＣのビーム路中に配置されている第２のレンズ１９によって、第２の測定ビームＣを第２の被検査表面１８へフォーカシングさせることができる。
図示の実施例の場合、ビームスプリッタ１１により入射ビームＡから第１の測定ビームＢが、入射ビームＡの方向に関して少なくとも約９０°の角度で出力結合される一方、第２の測定ビームＣは入射ビームＡの方向におかれる。さらにビーム偏向器２０によって第２の測定ビームＣの向きをさらに変えることができ、この場合も少なくともほぼ９０°偏向させることができ、その結果、両方の測定ビームＢ，Ｃは互いにほぼ平行して延在するようになる。このように構成することで、被検査表面１７，１８が孔の方向において互いに隔てられ、かつ同じ平面内に位置させることができ、したがってたとえば孔のアライメントを測定することができる。図示の実施例の場合には、ビーム偏向器２０によって第２の測定ビームＣの向きが約４５°変えられており、それによって１つの平面内に配置していない表面を検査できるようにしている。
検査すべき表面１７，１８に当射する測定ビームＢ，Ｃは、表面特性に依存して一部は反射し一部は散乱する。その際、反射測定ビームＢ′，Ｃ′において、入射測定ビームＢ，Ｃとは逆方向の成分が常に発生する。反射測定ビームＢ′，Ｃ′はビームスプリッタ１１によりまとめられ、出射ビームＤが形成される。
第１のハーフミラー１３は出射ビームＤを出力結合し、それを受光装置２３へと導く。最も簡単な実施形態の場合、受光装置２３は、出射ビームＤを捕捉する第１のビーム受光器２６だけを有する。２つの測定ビームＢ，Ｃが時間的に相前後してそれぞれ異なる特性をもつような場合であれば、このような簡単な受光装置２３の構成を実現できる。そしてこのような実現形態は、ビーム源１０から送出されたビームを偏光回転板１２により任意の面に偏光することによって可能となる。入射ビームＡはすでに偏光されているので、ビームスプリッタ１１は、すでに適正な偏光をもっている測定ビームＢ，Ｃだけをそのつど出力結合すればよい。偏光面の回転により、もっぱら第１の測定ビームＢだけを、あるいはもっぱら第２の測定ビームＣだけを供給することができる。しかし偏光面を回転させることで、測定ビームＢ，Ｃを任意の比で同時に発生させることもできる。入射ビームＡの偏光に関する情報が既知であれば、個々のビーム受光器が出す信号を、検査すべき表面１７，１８に一義的に対応づけることができる。
図１に示した光学測定装置２３の実施形態によれば、反射した測定ビームＢ′，Ｃ′を同時に捕捉することができる。その際、第２のハーフミラー２４により出射ビームＤが２つのビームに分割される。それら両方の部分ビームに偏光子２５，２７が配置されており、これらの偏光子は出射ビームＤから所望の反射測定ビームＢ′，Ｃ′を出力結合する。なお、ハーフミラー２４と両方の偏光子２５，２７を、１つの偏光ビームスプリッタに置き換えてもよい。反射した測定ビームＢ′，Ｃ′は、第１のビーム受光器２６と第２のビーム受光器２８によって別個に受け取られ、出力信号として供給される。これら両方のビーム受光器２６，２８から供給される信号は、図示されていない別の評価回路へ導かれ、その回路は個々の信号から、あるいは両方の信号の結合から測定結果を形成し、それによって検査すべき表面１７，１８の特性を推定することができる。表面に関してどのような情報が得られるかについての詳しい説明は、冒頭で挙げた従来技術に示されている。
図２には、本発明による表面検査装置の別の実施例が示されている。
図２中、図１に示した部材と一致する部材については同じ参照符号が付されている。
この場合、ビームスプリッタ４１は、ビーム源４０によって供給される入射ビームＥから、第１の測定ビームＦと第２の測定ビームＧを出力結合する。第１の測定ビームＦのビーム路中に第１の波長選択性フィルタ４２が配置されており、第２の測定ビームＧのビーム路中には第２の波長選択性フィルタ４３が配置されている。
さらにビームスプリッタ４１により、検査すべき表面１７，１８から反射した測定ビームＦ′，Ｇ′が１つにまとめられて、出射ビームＨが形成される。
受光装置２３は第２のハーフミラー２４を有しており、これによって出射ビームＨが２つの部分ビームに分割される。その際、第１の部分ビームにおいて第１の反射測定ビームＦ′を発生させるようにし、これは第３の波長選択性フィルタ４４によるフィルタリングによって出射ビームＨから取り出される。さらに他方のビーム路において第２の反射測定ビームＧ′を発生させるようにし、これは第４の波長選択性フィルタ４５によるフィルタリングによって出射ビームＨから取り出される。
入射ビームＥのビーム路中には選択性フィルタバンク４６が配置されている。
図２に示した装置は以下のように動作する。
図２に示した本発明による装置の実施例と図１のものとの基本的な相違点は、ここでは偏光面によって２つの測定ビームＢ，Ｃについて異なる特性が定められるのではなく、２つの測定ビームＦ，Ｇの波長が異なることでそれぞれ違った特性が定められていることである。図１に示したビームスプリッタ１１の偏光特性について、図２に示したビームスプリッタ４１の場合には問題にはならない。ここではビームスプリッタ４１は、入射ビームＥから各ビーム成分を出力結合する役割しかもっていない。
波長の選択は、第１の測定ビームＦの場合には第１の波長選択性フィルタ４２により行われ、第２の測定ビームＧの場合にはそこに配置された第２の波長選択性フィルタ４３により行われる。図１に基づき説明した本発明による装置の構成の場合と同様、図２による構成の場合にもビーム源４０は、２つの測定ビームＦ，Ｇについてそれぞれ異なる２つの特性が同時に得られるように入射ビームＥを供給することができる。このような場合、入射ビームＥには２つの波長をもつビーム成分が含まれ、それらの波長に合わせて両方の波長選択性フィルタ４２，４３が整合されている。さらにここでも、入射ビームＥが時間的に順を追ってそれぞれ異なる特性をもつようにしてもよい。これを実現する目的で、たとえば図２に示されているように選択性フィルタバンク４６が設けられており、これは切り替えによって、入射ビームＥがそのつどまえもって定められた波長だけしかもたないようにするものである。
同じことは受光装置２３についてもあてはまり、これは出射ビームＨにおいてそれぞれ異なる波長が時間的に順を追って生じる場合には、１つのビーム受光器だけを有していればよく、このとき波長選択性フィルタは不要である。両方の反射測定ビームＦ′，Ｇ′を同時に評価する必要があるときには、それぞれ異なる波長に従って分離を行う必要がある。その場合、受光装置２３内に含まれている第３の波長選択性フィルタ４４により第１の反射測定ビームＦ′が出力結合され、第４の波長選択性フィルタ４５により第２の反射測定ビームＧが出力結合される。
両方の反射測定ビームＦ′，Ｇ′は、２つのビーム受光器２６，２８により信号に変換され、それらの信号は既述のようにして引き続き処理される。

Claims (14)

1. 表面（１７，１８）を検査する装置において、
   ビームスプリッタ（１１，４１）により、入射ビーム（Ａ，Ｅ）が第１の測定ビーム（Ｂ，Ｆ）と第２の測定ビーム（Ｃ，Ｇ）に分離され、
   前記第１の測定ビーム（Ｂ，Ｆ）は、第１の被検査表面（１７）に向けて配向され、
   前記第２の測定ビーム（Ｃ，Ｇ）は、前記第１の表面（１７）とは異なる第２の表面（１８）に向けて配向され、
   各表面（１７，１８）に配向された測定ビーム（Ｂ，Ｆ；Ｃ，Ｇ）はそれぞれ異なる特性を有しており、
   ビームスプリッタ（１１，４１）は、前記第１の表面（１７）から反射した測定ビーム（Ｂ′，Ｆ′）と、前記第２の表面（１８）から反射した測定ビーム（Ｃ′，Ｇ′）をまとめて１つの出射ビーム（Ｄ，Ｈ）を形成し、該出射ビームは光学測定装置（２３）へ導かれ、
   該光学測定装置（２３）は、前記第１の反射ビーム（Ｂ′，Ｆ′）を第１のビーム受光器（２６）へ配向し、前記第２の反射ビーム（Ｃ′，Ｇ′）を第２のビーム受光器（２８）へ配向することを特徴とする、
   表面を検査する装置。
2. 前記の２つの測定ビーム（Ｂ，Ｃ）のそれぞれ異なる特性はそれぞれ違った偏光面によって作られている、請求項１記載の装置。
3. 前記ビームスプリッタ（１１）は偏光ビームスプリッタとして形成されている、請求項２記載の装置。
4. ビームスプリッタ（１１）と第１の被検査表面（１７）との間に第１の偏光フィルタ（１５）が配置されており、ビームスプリッタ（１１）と第２の被検査表面（１８）との間に第２の偏光フィルタ（１６）が配置されている、請求項２記載の装置。
5. 入射ビーム（Ａ）は偏光されている、請求項１〜４のいずれか１項記載の装置。
6. 前記入射ビームから形成された前記第１の測定ビームは第１の波長を有しており、前記入射ビームから形成された前記第２の測定ビームは第２の波長を有しており、前記第１の波長と前記第２の波長はそれぞれ異なる長さである、請求項１記載の装置。
7. 前記ビームスプリッタ（１１，４１）は、第１の測定ビーム（Ｂ，Ｆ）を入射ビーム（Ａ，Ｅ）に対し少なくとも約９０°の角度で出力結合し、第２の測定ビーム（Ｃ，Ｇ）を実質的に入射ビーム（Ａ，Ｅ）の方向でさらに案内する、請求項１〜６のいずれか１項記載の装置。
8. 前記第２の測定ビーム（Ｃ，Ｇ）のビーム路中にビーム偏向器（２０）が配置されている、請求項１〜７のいずれか１項記載の装置。
9. 前記ビーム偏向器（２０）は第２の測定ビーム（Ｃ，Ｇ）を少なくとも約９０°の角度で偏向する、請求項８記載の装置。
10. 前記入射ビーム（Ａ，Ｅ）のビーム路中に第１のレンズ（１４）が配置されており、前記第２の測定ビーム（Ｃ，Ｇ）のビーム路中に第２のレンズ（１９）が配置されている、請求項１〜９のいずれか１項記載の装置。
11. 前記光学測定装置（２３）内に、第１の反射ビームと第２の反射測定ビームの両方を出射ビーム（Ｄ）から出力結合する偏光ビームスプリッタが設けられている、請求項１〜５のいずれか１項記載の装置。
12. 前記光学測定装置（２３）内に、出射ビーム（Ｄ）から第１の反射測定ビーム（Ｂ′）を出力結合する偏光子（２５）と、出射ビーム（Ｄ）から第２の反射測定ビーム（Ｃ′）を出力結合する偏光子（２７）が設けられている、請求項１〜５のいずれか１項記載の装置。
13. 前記光学測定装置（２３）内に、出射ビーム（Ｈ）から第１の反射測定ビーム（Ｆ′）を出力結合する波長選択性フィルタ（４４）と、出射ビーム（Ｈ）から第２の反射測定ビーム（Ｇ′）を出力結合する波長選択性フィルタ（４５）が設けられている、請求項６記載の装置。
14. 孔の内部の表面（１７，１８）を検査するために使用する、請求項１〜１３のいずれか１項記載の装置の使用。

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