JP4150315B2

JP4150315B2 - レーザプローブ計測装置

Info

Publication number: JP4150315B2
Application number: JP2003319790A
Authority: JP
Inventors: 孝雄川平; 喜一土井; 親則真田
Original assignee: Tateyama Kagaku Kogyo Co Ltd
Current assignee: Tateyama Kagaku Kogyo Co Ltd
Priority date: 2003-09-11
Filing date: 2003-09-11
Publication date: 2008-09-17
Anticipated expiration: 2023-09-11
Also published as: JP2005084027A

Description

この発明は、半導体素子やその他各種電子部品、超精密機械、その他の部材の表面形状を、レーザ光を用いて非接触で超高精度に測定可能なレーザプローブ計測装置に関する。

従来、電子装置や超精密機械部品の製造分野、その他の測定分野においては、品質管理や工程管理等において、極めて微少な凹凸を計測しなければならない場合がある。

従来、これらの微少な凹凸の測定方法として、レーザ光等による光干渉を応用した非接触の計測方法が知られている。これらの計測方法のうち、レーザ光を計測用のプローブとして利用したレーザプローブ計測装置がある。従来のレーザプローブ計測装置は、レーザ光を探針として被測定対象物の表面に照射し、そのレーザ光の焦点位置を一定として被測定物を載置したステージまたはレーザプローブ自体を相対的に変位させ、反射光の強度が最大になるステージ位置座標を記録して、被測定物の表面の凹凸測定を行っている。このレーザプローブ計測装置における変位測定は、被測定物の表面位置そのものではなくステージの変位を機械的に計測している。
特開平５−１４１９３３号公報

上記従来のレーザプローブ計測装置は、被測定物表面の凹凸をステージの変位に置き換え、しかも機械的な計測装置で測定しているため、機械部品の取付誤差やがたつき等により、測定精度には限界があり、ナノメートルオーダーの計測を行うには、高精度で高価な光学的・機械的計測装置が必要であった。

また、レーザ光の被測定物表面からの反射光と参照光との干渉を利用した非接触の光学的測定装置もあるが、この場合、被測定物表面の反射率や表面状態により干渉光が不安定となり、計測できない場合や安定した計測ができない場合があり、測定対象が限られていた。

この発明は、上記従来の技術の問題点に鑑みて成されたもので、簡単な光学系でしかも測定精度も高く、価格的にも経済的なレーザプローブ計測装置を提供することを目的とする。

この発明は、レーザダイオード等のレーザ光源と、このレーザ光源からの光を分岐する第一のビームスプリッタと、この第一のビームスプリッタから分岐した一方のレーザ光を透過させる第二のビームスプリッタと、被測定物表面付近の所定位置で焦点を結ぶように上記第二のビームスプリッタからのレーザ光を所定位置に集光させる対物レンズと、この対物レンズと対向し被測定物が載置されるステージと、上記被測定物表面からの反射光を上記第二のビームスプリッタを介して検知するフォトダイオード等の対物用光センサと、上記第一のビームスプリッタで分岐した他方のレーザ光を分岐させる第三のビームスプリッタと、この第三のビームスプリッタからの一方の光を反射し上記第三のビームスプリッタとの相対的な位置が固定された第一のミラーと、上記第三のビームスプリッタからの他方のレーザ光を反射し上記被測定物が載置されたステージとの相対的な位置が固定された第二のミラーと、上記第一、第二のミラーからの反射光を上記第三のビームスプリッタを介して干渉させて受光するフォトダイオード等の干渉光用光センサと、上記ステージと上記対物レンズを含む光学系との位置を光軸方向に相対的に移動させる変位装置とを備えたレーザプローブ計測装置である。

さらにこの発明は、直線偏光したレーザダイオード等のレーザ光源と、このレーザ光源からの光を円偏光する１／４波長板と、この１／４波長板を透過した円偏光レーザ光を透過及び反射して分岐する第一のビームスプリッタと、この第一のビームスプリッタから分岐した一方のレーザ光を透過させる第二のビームスプリッタと、被測定物表面付近の所定位置で焦点を結ぶように上記第二のビームスプリッタからのレーザ光を集光させる対物レンズと、この対物レンズと対向し被測定物が載置されるステージと、上記被測定物表面からの反射光を上記第二のビームスプリッタで反射させて検知するフォトダイオード等の対物用光センサと、上記被測定物表面からの反射光を上記第一のビームスプリッタを透過させて撮像する撮像装置と、上記第一のビームスプリッタを透過した他方のレーザ光を透過及び反射して分岐させる第三のビームスプリッタと、この第三のビームスプリッタを透過した一方の光を反射するとともに上記第三のビームスプリッタとの相対的な位置が固定された第一のミラーと、上記第三のビームスプリッタにより反射した他方のレーザ光を反射するとともに上記被測定物が載置されたステージとの相対的な位置が固定された第二のミラーと、上記第一、第二のミラーからの反射光を上記第三のビームスプリッタにより反射または透過させ同じ光軸上で干渉させて受光するフォトダイオード等の干渉光用光センサと、上記ステージと上記対物レンズを含む光学系との位置を光軸方向に相対的に移動させる変位装置とを備えたレーザプローブ計測装置である。

上記レーザ光源と１／４波長板との間には、上記レーザ光源からの直線偏光した光を透過するとともに、上記被測定物表面で反射した光が上記第二、第一のビームスプリッタを経由して、上記１／４波長板によって偏光面が９０°回転した直線偏光を反射する偏光ビームスプリッタを備える。そして、上記偏光ビームスプリッタにより、上記被測定物からの反射光は、光学的にはレーザ光源に影響しない方向に導かれる。

上記撮像装置は、結像レンズと上記レーザ光の波長の光を減衰させるカラーフィルタと、ＣＣＤ等の半導体撮像素子を備えるものである。

この発明のレーザプローブ計測装置は、レーザ光を被測定物表面に照射してその凹凸に追随させ、被測定物が載置されたステージを相対的に移動させ、その凹凸の変位をレーザ光の干渉により検知しているので、非接触で極めて精密に被測定物表面の凹凸を計測することができる。しかも、被測定物表面に照射するプローブ用レーザ光と、計測用に干渉させる干渉用レーザ光とを同じレーザ光源のレーザ光を利用することができ、かつプローブ用レーザ光と干渉用レーザ光とは互いに影響し合うことがない。また、偏光ビームスプリッタと１／４波長板を用いることにより、被測定物表面からの反射光がレーザ光源に戻ることがなく、光源が安定するものである。

以下、この発明の実施形態について図面に基づいて説明する。図１は、この発明のレーザプローブ計測装置の一実施形態を示すもので、この実施形態のレーザプローブ計測装置１０は、直線偏光したレーザ光の光源であるレーザダイオード１２と、このレーザダイオード１２からの光を透過する偏光ビームスプリッタ１４と、直線偏光したレーザ光を円偏光させる１／４波長板１６とを備える。レーザ光は、直進方向に対して直線偏光の偏光面が所定の向きに一致するように、レーザダイオード１２を回転させて調整する。レーザ光の波長は適宜選択し得るが、例えば、ＨｅＮｅレーザに近い比較的安価なレーザダイオード（波長：６３５ｎｍ）を使用しても、高い測定精度を得ることが出来る。

レーザダイオード１２から出射したレーザ光の光路上には、１／４波長板１６を透過した円偏光レーザ光を透過及び反射して分岐する第一のビームスプリッタ１８と、第一のビームスプリッタ１８で反射され分岐した一方のレーザ光を透過させる第二のビームスプリッタ２０とを備える。そして、所定位置での被測定物３０の表面３０ａでレーザ光の焦点を結ぶように、第二のビームスプリッタ２０からのレーザ光を集光させる対物レンズ２２と、被測定物表面３０ａからの反射光を、第二のビームスプリッタ２０で反射させ、その反射光を検知するフォトダイオード２４を備える。フォトダイオード２４と第二のビームスプリッタ２０との間には、集光レンズ２６とピンホール２８が設けられ、被測定物表面３０ａからの反射光が集光レンズ２６で集光され、ピンホール２８を透過してフォトダイオード２４の検知面に照射される。そして、レーザダイオード１２から第二のビームスプリッタ２０及びフォトダイオード２４までの光学系が、共焦点ユニット２５を構成する。

さらに、被測定物表面３０ａからの反射光を、第二のビームスプリッタ２０及び第一のビームスプリッタ１８を透過させて撮像する撮像装置３２を有する。撮像装置３２は、結像レンズ３４と、レーザ光の波長の光を減衰させるシアンフィルタ等のカラーフィルタ３６と、ＣＣＤ等の半導体撮像素子３８から成る。また、撮像光学系に可視光ビームを照射するライトガイド用光源１７が設けられている。ライトガイド用光源１７からの光は、偏光ビームスプリッタ１４により反射され、偏光ビームスプリッタ１４を透過したレーザ光と同軸に進む。ライドガイド１８とその集光レンズ１９、及び撮像装置３２が、撮像ユニット３５を形成する。

また、第一のビームスプリッタ１８を透過した他方のレーザ光の光路上には、透過及び反射して分岐させる第三のビームスプリッタ４０と、第三のビームスプリッタ４０を透過した一方の光を反射するとともに第三のビームスプリッタ４０との相対的な位置が固定された第一のミラー４２を有している。また、第三のビームスプリッタ４０により反射される光の光路上には、被測定物３０が載置されたステージ４４と一体的に、ステージ４４の平面方向と直角方向であるｚ軸方向に移動可能に設けられた第二のミラー４６を備える。そして、第一、第二のミラー４２，４６からの反射光を第三のビームスプリッタ４０により反射または透過させ同じ光軸上で干渉させて受光するフォトダイオード４８が、第三のビームスプリッタ４０に近接して設けられている。この第三のビームスプリッタ４０、第一、第二のミラー４２，４６及びフォトダイオード４８が位置検出ユニット５０を構成する。

ステージ４４と第二のミラー４６との間には、連動機構４５が設けられ、ステージ４４と第二のミラー４６とが一体に連動可能に形成されている。そして、ステージ４４は、ステージ４４を対物レンズ２２の光軸方向に微小変位させるステージ変位装置５２に支持されている。これ対して、対物レンズ２２、共焦点ユニット２５、撮像ユニット３５、及び位置検出ユニット５０は、取付部５４により所定のフレーム５６の固定されている。

この実施形態のレーザプローブ計測装置の動作は、レーザダイオード１２から出射され直線偏光したレーザ光が、偏光ビームスプリッタ１４を透過し、１／４波長板１６により円偏光にされ、第一のビームスプリッタ１８で反射光と透過光に分岐される。第一のビームスプリッタ１８で反射された一方のレーザ光は、第二のビームスプリッタ２０を透過して対物レンズ２２に入射し、被測定物表面３０ａ付近の所定の位置で合焦してビームスポットを形成する。被測定物表面３０ａで反射した光は、第二のビームスプリッタ２０により反射されて、集光レンズ２６により集光されてピンホール２８を透過し、フォトダイオード２４の受光面に入射する。この入射光は、対物レンズの２２の焦点位置は固定であるので、後述するように、ステージ４４のｚ軸方向の移動により光の強度が変化し、対物レンズ２２の焦点位置に被測定物表面３０ａが一致した時がピンホール２８を透過する光の強度が最も強いものとなり、フォトダイオード２４の出力も最大となる。

また、第一のビームスプリッタ１８を透過した他方のレーザ光は、第三のビームスプリッタ４０で一部が透過し、第一のミラー４２に照射されて反射し、第三のビームスプリッタ４０で反射してフォトダイオード４８の受光面に入射する。さらに、第三のビームスプリッタ４０で反射されたレーザ光は、第二のミラー４６に照射されて反射し、第三のビームスプリッタ４０を透過し、第一のミラー４２からの光と共にフォトダイオード４８の受光面に入射する。第三のビームスプリッタ４０により反射または透過し、同じ光軸上に位置したレーザ光は、互いに干渉を起こし、干渉光としてフォトダイオード４８に受光される。

この干渉光は、第一のミラー４２及び第二のミラー４６からの各光の光路長の違い（光路差）によって強さが変化する。この時、第一のミラー４２からの光路長は固定であるから、光路差は第二のミラー４６からの光の光路長変位によって変化する。即ち、干渉光は第二のミラー４６に連動したｚ軸方向のステージ４４の変位と同期して変化することとなる。従って、干渉光の変化からステージ４４の変位を逆に求めることが出来る。実際には、光路差がレーザ光の１／２波長で変化する干渉光を基本に、これをｎ分周（ｎ≧４０）した精度で計測することが出来る。

ところで、ステージ４４のｚ軸方向の変位に対して計測すべき位置は、フォトダイオード２４で検知される対物レンズ２２から被測定物表面３０ａに照射されたレーザ光の強度が、最大になるｚ軸方向の位置である。この共焦点機構では、レーザ光の焦点位置は一定となるので、その焦点位置に被測定物表面３０ａが一致した時のステージ４４の変位位置を、位置検出ユニット５０によりレーザ光の干渉を利用して精密に測定する。これによって、被測定物３０の表面の凹凸を、ステージ４４の駆動誤差に左右されること無く精密に測定することが出来る。

フォトダイオード２４，４８の信号処理及びその他計測処理・制御は、図示しない信号処理装置及びコンピュータを用いて行われ、図示しないモニタに表示される。また、撮像装置３２によりとらえた画像も、図示しないコンピュータにより所定の処理が施されてモニタにより表示される。

また、ライトガイド用光源１７からの可視光は、偏光ビームスプリッタ１４により反射されて、レーザ光と同じ光路を経て被測定物表面３０ａに照射され、被測定物表面３０ａからの反射光は、第一のビームスプリッタ１８を透過して結像レンズ３４により半導体撮像素子３８の撮像面で結像する。このとき、被測定物表面３０ａで反射したレーザダイオード１２からのレーザ光も、一部は第二のビームスプリッタ２０及び第一のビームスプリッタ１８を透過して、撮像装置３２に向かうが、カラーフィルタ３６を通過することにより、レーザ光は減衰され、主にライトガイド用光源１７からの光により像を形成する。

一方、第一のビームスプリッタ１８で反射された被測定物表面３０ａからの光のうちレーザ光は、１／４波長板１６により直線偏光され、偏光ビームスプリッタ１４により反射され、ライトガイド用光源１７側に向かう。これにより、被測定物表面３０ａで反射したレーザ光や、第一、第二のミラー４２，４６からの反射レーザ光が、レーザダイオード１２に戻ることはない。

この実施形態のレーザプローブ計測装置によれば、一つのレーザダイオード１２を用いて、レーザプローブによる表面位置検知と、レーザ光の干渉を利用した計測とを簡単な光学系により行うことができ、しかも各光学系は独立しており、互いに影響し合うことはない。また、被測定物表面３０ａに照射されるレーザ光は円偏光であるため、対物レンズ２２や集光レンズ２６での集光効率が良く、より効率の良い検知が可能となる。さらに、被測定物表面３０ａの反射率や凹凸の状態にかかわらず安定に正確な計測が可能である。さらに、凹凸の計測を被測定物表面３０ａからの反射光ではなく、ステージ４４と連動する第二のミラー４６の反射光により、干渉させて計測しているので、より安定した計測が可能となる。

なお、この発明のレーザプローブ計測装置は、上記実施形態に限定されるものではなく、図２に示すように、ステージ４４を固定とし、対物レンズ２２、共焦点ユニット２５、撮像ユニット３５、及び位置検出ユニット５０を一体とし、鏡筒変位装置５８によりｚ軸方向に変位可能としても良い。この場合、第二のミラー４６は、保持部材６０を介して、ステージ４４に対して相対的に位置が固定され、位置検出ユニット５０が鏡筒変位装置５８によりｚ軸方向に変位することによって、相対的に第二のミラー４６反射光の光路長が変わり、上記実施形態と同様に被測定物表面３０ａの凹凸の計測を可能としている。これによっても上記実施形態と同様の効果を得ることができるものであり、移動させづらい被測定物表面の計測に適している。

その他、レーザ光の波長や光学素子は適宜選択可能なものであり、光学系の配置も適宜設定可能なものである。

この発明の一実施形態のレーザプローブ計測装置の概略を示す配置図である。この発明の他の実施形態のレーザプローブ計測装置の概略を示す配置図である。

符号の説明

１０レーザプローブ計測装置
１２レーザダイオード
１４偏光ビームスプリッタ
１６１／４波長板
１８第一のビームスプリッタ
２０第二のビームスプリッタ
２２対物レンズ
２４，４８フォトダイオード
２５共焦点ユニット
３０被測定物
３０ａ被測定物表面
３２撮像装置
３５撮像ユニット
４０第三のビームスプリッタ
４２第一のミラー
４４ステージ
４６第二のミラー
５０位置検出ユニット
５２ステージ変位装置

Claims

レーザ光源と、このレーザ光源からの光を分岐する第一のビームスプリッタと、この第一のビームスプリッタから分岐した一方のレーザ光を透過させる第二のビームスプリッタと、所定位置で焦点を結ぶように上記第二のビームスプリッタからのレーザ光を所定位置に集光させる対物レンズと、この対物レンズと対向し被測定物が載置されるステージと、上記被測定物表面からの反射光を上記第二のビームスプリッタを介して検知する対物用光センサと、上記第一のビームスプリッタで分岐した他方のレーザ光を分岐させる第三のビームスプリッタと、この第三のビームスプリッタからの一方の光を反射し上記第三のビームスプリッタとの相対的な位置が固定された第一のミラーと、上記第三のビームスプリッタからの他方のレーザ光を反射し上記被測定物が載置されたステージとの相対的な位置が固定された第二のミラーと、上記第一、第二のミラーからの反射光を上記第三のビームスプリッタを介して干渉させて受光する干渉光用光センサと、上記ステージと上記対物レンズを含む光学系との位置を光軸方向に相対的に移動させる変位装置とを備えたことを特徴とするレーザプローブ計測装置。
直線偏光したレーザ光源と、このレーザ光源からの光を円偏光する１／４波長板と、この１／４波長板を透過した円偏光レーザ光を透過及び反射して分岐する第一のビームスプリッタと、この第一のビームスプリッタから分岐した一方のレーザ光を透過させる第二のビームスプリッタと、所定位置で焦点を結ぶように上記第二のビームスプリッタからのレーザ光を集光させる対物レンズと、この対物レンズと対向し被測定物が載置されるステージと、上記被測定物表面からの反射光を上記第二のビームスプリッタで反射させて検知する対物用光センサと、上記被測定物表面からの反射光を上記第一のビームスプリッタを透過させて撮像する撮像装置と、上記第一のビームスプリッタを透過した他方のレーザ光を透過及び反射して分岐させる第三のビームスプリッタと、この第三のビームスプリッタを透過した一方の光を反射するとともに上記第三のビームスプリッタとの相対的な位置が固定された第一のミラーと、上記第三のビームスプリッタにより反射した他方のレーザ光を反射するとともに上記被測定物が載置されたステージとの相対的な位置が固定された第二のミラーと、上記第一、第二のミラーからの反射光を上記第三のビームスプリッタにより反射または透過させ同じ光軸上で干渉させて受光する干渉光用光センサと、上記ステージと上記対物レンズを含む光学系との位置を光軸方向に相対的に移動させる変位装置とを備えたことを特徴とするレーザプローブ計測装置。
上記レーザ光源と１／４波長板との間には、上記レーザ光源からの直線偏光した光を透過するとともに、上記被測定物表面で反射した光が上記第二、第一のビームスプリッタを経由して上記１／４波長板により偏光面が９０°回転した直線偏光を反射する偏光ビームスプリッタを備えることを特徴とする請求項２記載のレーザプローブ計測装置。