JP4521660B2 - 照明補助装置及びこの照明補助装置を用いた検査装置 - Google Patents

Description

本発明は、固体撮像素子等の被検物の検査において照明光を効率よく集光照射する照明補助装置と、この照明補助装置を用いた検査装置に関する。

従来、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の固体撮像素子は、半導体ウェハ表面に半導体集積回路を積層形成して製造される。形成される固体撮像素子は光電変換素子であるフォトダイオード等からなる画素を格子状あるいは直線に配置したものである。これらのフォトダイオードは照射される光強度に応じた電荷が発生するが、このとき撮像素子の各画素における光応答特性は、製造過程における諸工程の変動によりばらつきを生じる。そのため、通常の製造工程においてはこの光応答特性のばらつきが所定の範囲内にあるもののみを検査により識別し、良品として出荷している。

この固体撮像素子の光応答特性の検査は、所定の照明装置により照明し、固体撮像素子からの電気信号を測定することで行われているが、この検査は対象となる固体撮像素子が実際に使用される条件と略同一な照明下において検査を行うこと、具体的には、その固体撮像素子が使用されるカメラ等の撮像レンズの射出瞳と撮像素子間の距離（以下、「瞳距離」と称する）、及び、撮像レンズの口径比に等しい照明条件を満たした光源による検査を行うことが望ましい。

そのため、このような撮像素子の検査装置においては、拡散板と開口絞りを有する照明補助装置を用いて、光源からの光線を拡散板で拡散させるとともに撮像レンズの口径比及び瞳距離となるように開口絞りを配設して固体撮像素子に照明光を照射するように構成されている（例えば、特許文献１参照）。このとき、撮像レンズの口径比をＡとし、瞳距離をＬとしたときと略同一条件となる照明補助装置における開口絞りの有効径Φは、次式（１）に示す関係で表される。

Φ ＝ Ｌ／Ａ （１）

近年のコンパクトデジタルカメラやカメラ付き携帯電話に用いられる固体撮像素子は、これらの機器の小型化に伴い小型化しており、その瞳距離Ｌも撮像レンズや固体撮像素子の大きさに応じて短くなる。そのため、式（１）より明らかなように照明補助装置に用いられている開口絞りの有効径Φもこの瞳距離に比例して小さくする必要がある。

実用新案登録第２５８２７３３号公報

しかしながら、照明補助装置の開口絞りの有効径Φを小さくすると、照明装置からの照明光の多くが開口絞りで遮られ、一部の光線だけが固体撮像素子の検査に用いられることとなる。そのため、固体撮像素子に対して強い光線を照射して検査を行う場合は、より強い光源を有する照明装置が必要となり効率的でない。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、開口絞りの有効径の大きさに拘わらず、照明装置から出射される光線を効率よく利用して、所定の口径比と瞳距離の条件にて固体撮像素子を照明する照明補助装置、及び、この照明補助装置を用いた検査装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明に係る照明補助装置はテレセントリック照明する照明装置と光電変換素子を有する被検物（例えば、実施形態における固体撮像素子４）との間の光路上に配設され、照明装置から出射される光線を被検物に照射するものであり、照明装置側から順に、照明装置から出射した光線を集光するレンズと、このレンズの焦点付近に配設されレンズにより集光された光線を拡散する拡散板と、拡散板の近傍の被検物側に配設された絞り（例えば、実施形態における開口絞り３３）とを有し、照明装置に対して一体的に挿脱可能に構成された照明補助装置において、
絞りの有効径をΦとし、照明装置の開口数をＮＡとし、レンズの焦点距離をｆ_aとしたとき、次式
Φ／（２・ＮＡ）＜ｆ_a＜２・Φ／ＮＡ
を満足するように構成される。

また、レンズは、非球面レンズ若しくはフレネルレンズで構成されることが好ましい。

一方、第１の本発明に係る検査装置（例えば、実施形態における撮像素子検査装置１）は、光電変換素子を有する被検物にテレセントリック照明する照明装置と、この照明装置から出射された光線を集光するレンズと、レンズの焦点近傍に配設されレンズにより集光された光線を拡散する拡散板と、拡散板の近傍の被検物側に配設された絞りと、絞りから出射した光線を、被検物に照射してこの被検物から出力される信号を検出する検出手段とから構成された検査装置において、
絞りの有効径をΦとし、照明装置の開口数をＮＡとし、レンズの焦点距離をｆ_aとしたとき、次式
Φ／（２・ＮＡ）＜ｆ_a＜２・Φ／ＮＡ
を満足するように構成される。

また、第２の本発明に係る検査装置（例えば、実施形態における撮像素子検査装置１００）は、光電変換素子を有する被検物にテレセントリック照明する照明装置と、照明装置から出射される光線を集光するレンズ、このレンズの焦点近傍に配設されレンズにより集光された光線を拡散する拡散板、及び、拡散板の近傍の被検物側に配設された絞りとからなる少なくとも２組以上の照明補助装置と、絞りから出射した光線の各々を被検物の少なくとも２箇所以上に形成された光電変換領域（例えば、実施形態における撮像面１０４ａ）に照射して光電変換領域から出力される各々の信号を検出する検出手段とから構成される検査装置において、
絞りの有効径をΦとし、照明装置の開口数をＮＡとし、レンズの焦点距離をｆ_aとしたとき、次式
Φ／（２・ＮＡ）＜ｆ_a＜２・Φ／ＮＡ
を満足するように構成される。

この第１及び第２の本発明に係る検査装置において、絞りから出射される光線の口径比をＡとし、絞りから被検物までの光軸上の距離をＬとしたとき、絞りの有効径Φが次式
Φ ＝ Ｌ／Ａ
を満足するように構成されることが好ましい。

さらに、この第１及び第２の本発明に係る検査装置を構成するレンズは、非球面レンズ若しくはフレネルレンズで構成されることが好ましい。

本発明に係る照明補助装置を以上のように構成すると、絞りの有効径の大きさに拘わらず、照明装置からの照明光をレンズで集光して拡散板及び絞りを通過させて被検物に照射することができるため、照明装置の照明光を効率良く利用することができる。このとき、所定の焦点距離を有するレンズを用いることにより、さらに効率よく照明装置の照明光を被検物に照射することができる。また、レンズを非球面レンズ若しくはフレネルレンズとすることにより、このレンズでの収差の発生を抑え被検物に対して均等な照明光を照射することができる。

第１及び第２の本発明に係る検査装置を以上のように構成すると、絞りの有効径の大きさに拘わらず、照明装置からの照明光をレンズで集光して拡散板及び絞りを通過させて被検物に照射することができるため、照明装置の照明光を効率良く利用することができる。また、第２の本発明に係る検査装置のように２組以上の照明補助装置を有するように構成することにより、一度に複数の被検物（光電変換領域）に照明光を照射して検査を行うことができるため、検査装置のスループットを向上させることができる。

なお、この第１及び第２の本発明に係る検査装置において、絞りから出射される口径比と絞りから被検物までの光軸上の距離（瞳距離）から絞りの有効径を定めることにより、実際にその被検物が使用される光学機器と同一条件の照明光を照射して被検物を検査することができる。

さらに、上述の本発明に係る照明補助装置と同様に、所定の焦点距離を有するレンズを用いることにより、効率よく照明装置の照明光を被検物に照射することができ、また、レンズを非球面レンズ若しくはフレネルレンズとすることにより、このレンズでの収差の発生を抑え被検物に対して均等な照明光を照射することができる。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。まず、図２を用いて本発明に係る照明補助装置が用いられる撮像素子検査装置１について説明する。撮像素子検査装置１は、照明装置２と、照明補助装置３及び検査対象となる被検物（固体撮像素子）４とから構成される。照明装置２は、光軸上に順に光源５と、コレクタレンズ６と、濃度フィルタ７と、フィルタ群８と、インプットレンズ９と、インテグレータロッド１０と、フライアイレンズ１１と、光量モニタ１２とから構成される。

この照明装置２のうち、撮像素子４を検査する際の照明条件の設定に関わる構成要素は、濃度フィルタ７、フィルタ群８である。濃度フィルタ７は、円盤形状をし、その回転方向に段階的または濃度勾配のある調整のフィルタディスク７ａとこのフィルタディスク７ａを回転させるモータ７ｂとから構成され、フィルタディスク７の一部（円周側）が照明装置２の光軸と直交するように配設されている。そのため、濃度フィルタ７の回転により、固体撮像素子４の被照射面４ａにおける光量（照度）を調整することができる。

また、フィルタ群８は、カラーフィルタや色温度変換フィルタなどを含み、図示しない機構により検査内容に応じて切り換え可能である。フィルタ群８の切り換えにより、被照射面４ａにおける分光スペクトルを調整することができる。なお、インテグレータロッド１０の内部には一部の光を側方に反射し、残りの光を透過するハーフミラー１３が形成されており、このハーフミラー１３で反射された光を光電検出器１４で検出して光量をモニタするように構成されている。

ハロゲンランプやキセノンランプなどの光源５から放射された光線は、コレクタレンズ６で集光され、ほぼ平行光となって濃度フィルタ７とフィルタ群８を通過し、インプットレンズ９でインテグレータロッド１０の光入射面１０ａに集光され、この光入射面１０ａに光源５の像が形成される。インテグレータロッド１０は、棒状のガラス材料（その断面は矩形状）からなり、ロッドレンズまたはロット型オプティカルインテグレータとも呼ばれる。インテグレータロッド１０の光出射面１０ｂは、撮像素子検査装置１の被照射面４ａ（すなわち、撮像素子検査装置１に載置された固体撮像素子４の撮像面）と共役な面に配置されている。

インテグレータロッド１０の内部では、光入射面１０ａから入射した光線が、その入射角度に応じた回数で内面反射を繰り返し、光出射面１０ｂに向けて伝搬する。そして光出射面１０ｂでは、反射回数の異なる光が重なり、光量分布が均一化される。つまり、上記の光源５、コレクタレンズ６、インプットレンズ９及びインテグレータロッド１０によって、光出射面１０ｂ（すなわち、被照射面４ａに共役な面）内で光量分布が均一化された構造を生成することができる。

インテグレータドット１０を出射した光束は、フライアイレンズ１１で複数の光束に分割されて出射してテレセントリック光として照明補助装置３に入射する（照明補助装置３の構成については後述する）。そして、照明補助装置３から出射した光線は固体撮像素子４の撮像面（被照射面４ａ）に照射される。なお、この固体撮像素子４の出力端子には信号処理装置１６から延びるプローブ１５が電気的に接続されており、照明装置２及び照明補助装置３により照射された照明光により固体撮像素子４が出力する信号を検出して検査が行われる。

それでは、図１を用いて、本実施例に係る照明補助装置３の構成について説明する。照明補助装置３は、レンズ３１と、このレンズ３１の焦点近傍に配置された拡散板３２及び開口絞り３３とから構成されており、照明装置２から出射されたテレセントリック光をレンズ３１で集光して拡散板３２に照射し、この拡散板３２で拡散した光線を開口絞り３３を通して固体撮像素子４の撮像面４ａに照射するものである。なお、拡散板３２と開口絞り３３とは密接するように構成しても良いし、間隙を有するように構成することも可能である。

ここで、開口絞り３３と固体撮像素子４との距離Ｌは、検査対象となる固体撮像素子４が用いられる光学機器（上述のコンパクトデジタルカメラやカメラ付き携帯電話等）の瞳距離と等しくなるように配設されており、また、開口絞り３３の有効径Φは、その利用対象の光学機器の撮像レンズと同等の口径比Ａとなるように、この口径比Ａと瞳距離Ｌから式（１）により求められる大きさに構成されている。そのため、開口絞り３３により拡散板３２において拡散された光線の射出範囲が限定され、これにより開口絞り３３から固体撮像素子４までの距離Ｌを瞳距離とし、瞳距離と開口絞り３３の有効径Φで決まる口径比Ａを有する２次光源として機能し、固体撮像素子４の撮像面４ａを照射する。

例えば、本実施例において、照明装置２が、照明補助装置３を用いない状態では固体撮像素子４を開口数０．０５（口径比ＡがＦ／１０相当）の光束でテレセントリックに照明するように構成されている場合、照明補助装置３が、口径比ＡがＦ／８、瞳距離Ｌが１６ｍｍのカメラレンズで撮像するのと同等の条件で被検物（固体撮像素子）４を照明させる場合には、式（１）より開口絞り３３の有効径Φは２ｍｍとなる。

上述のように照明装置２からのテレセントリックな照明光は、レンズ３１により拡散板３２上に集光される。このとき、拡散板３２はレンズ３１の焦点近傍に配置されていることから、この拡散板３２上に形成される照明光の集光スポットの径Φ₂は、照明装置２の開口数をＮＡとし、レンズ３１の焦点距離をｆ_aとしたとき、次の式（２）で表される。

Φ₂ ＝ ２・ＮＡ・ｆ_a （２）

固体撮像素子４（撮像面４ａ）を照明する光の口径比Ａが開口絞り３３の有効径Φにより制限されるためには、集光スポットの径Φ₂は開口絞り３３の有効径Φより大きくなければならない。一方、集光スポットの径Φ₂が開口絞り３３の有効径Φに比べて著しく大きい場合は、レンズ３１による集光の効果が少なく開口絞り３３に遮断される光線が多くなり照明光の利用効率が低下する。そのため、集光スポットの径Φ₂は開口絞り３３の有効径Φの４倍程度以下であることが望ましい。この関係は次に示す式（３）のようになる。

Φ ＜ Φ₂ ＜ ４・Φ （３）

以上より、式（２）及び式（３）から、本実施例に係る照明補助装置３は、次に示す式（４）に示される条件を満たすような焦点距離ｆ_aを有するレンズ３１を用いることで、所定の口径比Ａ及び瞳距離Ｌで効率的に固体撮像素子４を照明することができる。

Φ／（２・ＮＡ） ＜ ｆ_a ＜ ２・Φ／ＮＡ （４）

例えば、上述の条件の照明装置２及びカメラレンズの場合、集光スポットの径Φ₂を開口絞り３３の有効径Φの２倍程度、すなわち、式（２）よりレンズ３１の焦点距離ｆ_aを４０ｍｍ程度とすることで固体撮像素子４を効率的に照明することが可能となる。

このような照明補助装置３において、レンズ３１はその有効径が大きいほど拡散板３２上の集光スポットに集光される光束が大きくなり照明の効率が向上するが、有効径が大きくなるにつれて球面収差も増大して、拡散板３２上での集光スポットがボケて、スポット径が広がるので、式（２）で見積もった集光スポットの径Φ₂の値に対してずれが生じ、設計値よりも照明効率を下げてしまう。この球面収差を抑えるために、レンズ３１のレンズ面を非球面形状に形成した非球面レンズを用いることが好ましい。また、同様の理由からレンズ３１をフレネルレンズとしても良い。

なお、照明補助装置３は照明装置２と一体化しても良いが、その場合、瞳距離等の仕様の異なる別の固体撮像素子を検査するためには、この仕様に合わせて設計を行った別の撮像素子検査装置を必要とする。本実施形態においては、照明装置２に、照明補助装置３を一体的に挿脱可能に構成しているので、固体撮像素子の瞳距離や照明領域に応じて設計した照明補助装置３を用意することによって、照明装置２を共用しつつ、多種多様な固体撮像素子の検査を行うことができる。また、この場合、照明補助装置３を取り外せば、テレセントリック照明による検査を行うことができる。

また、レンズ３１が球面レンズであって、その球面収差量が大きい場合には、式（２）で見積もった集光スポットの径Φ₂よりも大きくなってしまうことは上述の通りであるが、この場合であっても、球面収差を考慮した集光スポット径Φ₂を、式（１）を満足する有効径Φの値に対して式（３）を満足するように設計することによって照明効率を落とさずに設計することができる。

以上より、検査対象となる固体撮像レンズ４が使用される光学機器の瞳距離Ｌとなるように固体撮像レンズ４と照明補助装置３（開口絞り３３）との距離を設定し、この光学機器の口径比Ａと瞳距離Ｌから式（１）を用いて開口絞り３３の有効径Φを決定し、さらに、照明装置２の開口数ＮＡから式（４）を用いて焦点距離ｆ_aを求めてレンズ３１を決定することにより、撮像素子検査装置１の各要素の好ましい構成を求めることが可能である。

なお、以上の実施例においては、固体撮像素子４を１個ずつ検査するように構成した場合について説明したが、図３に示すように、１シークエンスに２個のチップを形成して、同時に照明光を照射して検査を行い、この撮像素子検査装置１００のスループットを向上させることもできる。この場合、被検物（固体撮像素子）１０４上の複数の撮像面（素子形成領域）１０４ａ，１０４ａに対して、照明補助装置１０３は、それぞれレンズ１３１、拡散板１３２、開口絞り１３３を設けて、所定の照明条件にして照明することができる。このとき、各撮像面１０４ａに対応する開口絞りの有効径Φや、それぞれに対応するレンズ１３１の焦点距離ｆ_aは上述の式（１）及び式（４）で求めることができる。また、拡散板１３２や開口絞り１３３は図３に示すようにそれぞれ一体の部材で構成することも可能であるし、個別の部材として構成することも可能である。図３においては、２つのチップに対して一度に検査をする構成について説明したが、レンズ１３１、拡散板１３２及び開口絞り１３３の組み合わせを３組以上有するように照明補助装置１０３を構成して、３個以上のチップを一度に検査するように構成することも可能である。また、図３においては図示していないが、固体撮像素子１０４のそれぞれのチップ１０４ａに対して、図２で示すプローブ１５を接続して信号処理装置１６でその出力信号を処理して撮像素子検査装置１００で検査される。

本発明に係る照明補助装置を示すレンズ構成図である。 第１の本発明に係る撮像素子検査装置を示すレンズ構成図である。 第２の本発明に係る撮像素子検査装置を示すレンズ構成図である。

符号の説明

１ 撮像素子検査装置
２ 照明装置
３ 照明補助装置
４，１０４ 固体撮像素子（被検物）
１０４ａ 撮像面
１６ 信号処理装置
３１ レンズ
３２ 拡散板
３３ 開口絞り（絞り）

Claims (8)

1. テレセントリック照明する照明装置と光電変換素子を有する被検物との間の光路上に配設され、前記照明装置から出射される光線を前記被検物に照射する照明補助装置であって、
   前記照明装置側から順に、前記照明装置から出射した光線を集光するレンズと、
   前記レンズの焦点近傍に配設され前記レンズにより集光された光線を拡散する拡散板と、
   前記拡散板の近傍の前記被検物側に配設された絞りとを有し、前記照明装置に対して一体的に挿脱可能に構成された照明補助装置において、
   前記絞りの有効径をΦとし、前記照明装置の開口数をＮＡとし、前記レンズの焦点距離をｆ_aとしたとき、次式
   Φ／（２・ＮＡ）＜ｆ_a＜２・Φ／ＮＡ
   を満足するように構成されたことを特徴とする照明補助装置。
2. 前記レンズが、非球面レンズで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の照明補助装置。
3. 前記レンズが、フレネルレンズで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の照明補助装置。
4. 光電変換素子を有する被検物にテレセントリック照明する照明装置と、
   前記照明装置から出射された光線を集光するレンズと、
   前記レンズの焦点近傍に配設され前記レンズにより集光された光線を拡散する拡散板と、
   前記拡散板の近傍の前記被検物側に配設された絞りと、
   前記絞りから出射した光線を、前記被検物に照射して前記被検物から出力される信号を検出する検出手段とから構成された検査装置において、
   前記絞りの有効径をΦとし、前記照明装置の開口数をＮＡとし、前記レンズの焦点距離をｆ_aとしたとき、次式
   Φ／（２・ＮＡ）＜ｆ_a＜２・Φ／ＮＡ
   を満足するように構成されたことを特徴とする検査装置。
5. 光電変換素子を有する被検物にテレセントリック照明する照明装置と、
   前記照明装置から出射された光線を集光するレンズ、前記レンズの焦点近傍に配設され前記レンズにより集光された光線を拡散する拡散板、及び、前記拡散板の近傍の前記被検物側に配設された絞りとからなる少なくとも２組以上の照明補助装置と、
   前記絞りから出射した光線の各々を前記被検物の少なくとも２箇所以上に形成された光電変換領域に照射して前記光電変換領域から出力される各々の信号を検出する検出手段とから構成する検査装置において、
   前記絞りの有効径をΦとし、前記照明装置の開口数をＮＡとし、前記レンズの焦点距離をｆ_aとしたとき、次式
   Φ／（２・ＮＡ）＜ｆ_a＜２・Φ／ＮＡ
   を満足するように構成されたことを特徴とする検査装置。
6. 前記絞りから出射される光線の口径比をＡとし、前記絞りから前記被検物までの光軸上の距離をＬとしたとき、前記絞りの有効径Φが次式
   Φ＝Ｌ／Ａ
   を満足するように構成されたことを特徴とする請求項４または５に記載の検査装置。
7. 前記レンズが、非球面レンズで構成されていることを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載の検査装置。
8. 前記レンズが、フレネルレンズで構成されていることを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載の検査装置。

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