JP4591658B2 - 撮像素子検査用照明装置、撮像素子検査装置、撮像素子の検査方法、及び撮像素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＣＣＤ等の撮像素子に照明光を照射して、得られる出力信号から前記撮像素子の良否を判定する検査に用いられる撮像素子検査用照明装置、この撮像素子検査用照明装置を使用した撮像素子の検査装置及び方法、さらには、撮像素子の製造方法に関するものである。

ＣＣＤ等の撮像素子の製造工程おいては、リソグラフィ工程によってウエハ上に形成され、まだ個々に分離されないままの撮像素子に光を照射し、その出力端子からの出力を取り出して、それが正常かどうかを検査することが行われている。

その際、ウエハはプローバ装置と呼ばれる装置に入れられて、その中にあるプローブピンと呼ばれるピンに出力端子が接触するように固定される。そして、照明装置によりプローバ装置内のウエハに照明光を照射し、その出力をプローブピンを介して取り出すようになっている。

従来、撮像素子の検査においては、撮像素子のそれぞれの画素に対してほぼ垂直に照明光が照射するように、いわゆるテレセントリックな照明光を用いて照明して検査を行っていた。これは、もともとＣＣＤなどの撮像素子は受光素子の各位置に入射する主光線が撮像素子面に対して垂直になるような結像光学系を用いていたためである。

なお、ある光学系からある面上のある点に入射する光の光束を、光軸方向の種々の場所で光軸に垂直な断面で切断したみた場合、その光束の分布する範囲は変化する。そして、前記ある面の点の位置をいろいろ変えた場合に、どの点に入射する光の光束の分布する範囲も同一になる光軸方向の場所をその光学系の出射瞳と呼んでいる。すなわち、受光側からみた場合に、出射瞳位置から光が出射しているように見える。なお、出射瞳の中心を通る光線を主光線と呼んでいる。

一方、受光素子の面上のある点に入射する光束のうち有効な光束の中心となる光線をその点に入射する光束の主光線とよび、受光素子の面上の各点における主光線が交わる光軸方向の場所を入射瞳と呼んでいる。光源又は疑似光源が入射瞳位置にあるとき、その受光素子は、cos４乗則によるものを除いて一様に照明される。

上述のようなテレセントリックな照明装置は、撮像素子の入射瞳が無限遠にあることを前提としており、照明装置の射出瞳の位置も撮像素子面から無限遠にある。そのため、入射瞳が無限遠にある（入射する主光線が受光面に垂直であるように設計されている）撮像素子を検査する場合には問題が発生しない。

しかしながら、デジタルカメラの小型化が進んでくると、入射瞳の位置を受光面の極近傍に位置させるような結像レンズが使用されるようになってきた。すなわち、受光素子に入射する光束の中心線が撮像素子面に対して大きく傾くような結像光学系を用いるようになってきた。そのため、有限距離の瞳位置からの光束に対し、受光面の開口効率を大きくとるために受光素子の周辺のマイクロレンズと受光部がオフセットして設けられるようになってきた。

このように、入射瞳の位置が受光面の極近傍に位置するような撮像素子を、従来のようなテレセトリックな照明光を照射して検査しようとすると、撮像素子の入射瞳位置と照明装置の射出瞳位置の違いのために光線のケラレや周辺減光が発生し、正しい検査ができない。又、固体撮像素子の入射瞳の位置やＦ値は、各撮像素子の設計仕様によってまちまちであり、それに合わせて検査装置を作ることは経済的でない。

このような問題に対処するために、従来は、例えば特開２００３−１５６４０６号公報に記載されているように、テレセトリックな照明装置と被検査体である撮像素子の間に、図３に示すように拡散板３１と絞り３２を挿入して疑似光源を作り出し、この絞り３２の位置を撮像素子３３の入射瞳の位置に一致させ、かつ絞り径を所定のものとすることにより、所定の瞳位置と開口の条件で検査するようにしていた。

特開２００３−１５６４０６号公報

しかしながら、デジタルカメラが小型化し、さらにズームレンズを搭載するようになり多様化が進んでくると、前述のように瞳の位置に拡散板と瞳の大きさに合わせた開口を持つ絞りを作らなければならない上に、ひとつの撮像素子の検査を行うために多くの拡散板と絞りを高速に切り換える必要がある。さらに、デジタルカメラが小型化しているために検査をする際に電力供給や信号の取り出しを行うプローブピンが密集してしまい、切り換え機構を組み込むスペースがなくなってきている。

また、カメラレンズにおいてはさまざまな絞り値で用いられる。カメラレンズの絞りを絞ることにより撮像素子に入射する光束の角度範囲が変化するため、いくつかの絞り値で検査する必要がある。従来までの方法では拡散板の下に入れる絞りの径を変えることにより絞り値を変化させていたが、瞳位置のずれや絞り径を一様にするために拡散板と絞りの間隔を極力狭くする必要があり、現実的には拡散板の下に絞りを貼り付けたものが用いられていた。しかしながら検査する絞り値の設定ごとに拡散板と絞りの組み合わせが増えるために、さらに切り換えの数が増えてしまうという問題がある。

この切り換え機構が大きくなってしまうので複数の素子を同時に検査するためには、もともとの光学系により広い視野が必要となり、設計製造が難しくなってしまっている。さらに、広い視野を照明するために照度が低下してしまうという問題点もある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、照明視野を確保したまま、照明光の瞳位置及び瞳の大きさ（Ｆ値）を可変にできるような撮像素子検査用照明装置、この撮像素子検査用照明装置を使用した撮像素子の検査装置及び方法、さらには、撮像素子の製造方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するための第１の手段は、被検物体である撮像素子に光源からの照明光を照射して、得られる出力信号から前記撮像素子の良否を判定する検査に用いられる撮像素子検査用照明装置であって、披検物体側より前記光源側に向かって、第1のレンズ群と、変倍リレー光学系とが配置され、前記変倍リレー光学系は、前記光源と一体となって光軸方向に移動可能とされており、前記変倍リレー光学系は、前記被検物体側から前記光源側に向かって、第2レンズ群からなる結像部と、変倍部が配置され、前記変倍部は、前記被検物体側より前記光源側に向かって順に、第3レンズ群と第4レンズ群を有し、前記第3レンズ群および前記第4レンズ群の距離を変化可能としていることを特徴とする撮像素子検査用照明装置（請求項１）である。

後に発明の実施の形態で詳しく説明するように、本手段においては、撮像素子検査用照明装置の射出瞳の位置は、第１のレンズ群の焦点距離と、リレー光学系により形成される光源像の距離とで決まる。光源像の位置は、リレー光学系と光源を一体に光軸方向に移動させれば、その移動量だけ移動する。よって、簡単な操作により、撮像素子検査用照明装置の射出瞳の位置を撮像素子の入射瞳の位置に合わせて照明し、検査を行うことができる。
前記課題を解決するための第２の手段は、請求項１に記載の撮像素子検査用照明装置であって、
前記変倍リレー光学系は、前記結像部と前記変倍部の間に視野絞りを有し、前記変倍リレー光学系による前記光源の像と第1レンズ群までの距離e1、前記視野絞りと前記第3レンズ群までの距離e2、前記第3レンズ群と前記第4レンズ群までの距離e3、前記第4レンズ群と前記光源までの距離をe4とし、前記光源の有効径をΦとしたとき、前記被検物体である撮像素子の射出瞳までの距離Ｌと、前記距離Ｌを前記撮像素子のＦ値に応じて、以下の関係を有することを特徴とする撮像素子検査用照明装置。

なお、ｆ１は第1レンズ群の焦点距離、ｆ２は第2レンズ群の焦点距離、ｆ３は第3レンズ群の焦点距離、ｆ４は第4レンズ群の焦点距離である。

第１の参考形態は、前記第１の手段であって、前記リレー光学系は複数のレンズ群より構成され、前記リレー光学系の前側焦点位置、又は前記リレー光学系を構成する所定のレンズ群の前側焦点位置に、視野絞りが設けられていることを特徴とするものである。

第２の参考形態は、披検物体である撮像素子に照明光を照射して、得られる出力信号から前記撮像素子の良否を判定する検査に用いられる撮像素子検査用照明装置であって、披検物体側より光源側に向かって、第1のレンズ群およびリレー光学系を有して構成され、前記リレー光学系は複数のレンズ群より構成され、前記リレー光学系を構成する各レンズ群および前記光源は光軸方向に移動可能に構成されており、その移動に伴って、当該リレー光学系が形成する前記光源の像の光軸方向位置は光軸方向に移動可能とされていると共に、照明光のF値が可変とされていることを特徴とする撮像素子検査用照明装置である。

本参考形態においては、前記第１の手段の作用効果に加えて、照明光のＦ値を変えることができるので、簡単な操作により、撮像素子検査用照明装置の射出瞳の位置を撮像素子の入射瞳の位置に合わせると共に、照明光のＦ値を撮像素子に要求されるＦ値に合わせて照明し、検査を行うことができる。又、射出瞳位置とＦ値とが独立した光学系により決まるので、互いの干渉が無く、容易に調整を行うことができる。

第３の参考形態は、前記第２の参考形態であって、前記リレー光学系は結像部と変倍部を有し、前記第1レンズ群側より順に、結像部を構成する第2レンズ群、変倍部を構成する第3および第4レンズ群が配置され、前記変倍部は前記リレー光学系中に設けられた視野絞りを、光源からの光により、ケーラー照明すると共に、前記第3レンズ群と前記第4レンズ群との間の距離を変えることによって光源の結像倍率を変化させ、前記結像部は、その前側焦点位置が前記視野絞りの位置であり、その後側焦点位置に前記光源の像が形成されるように配置されていることを特徴とするものである。

本参考形態においては、第３のレンズ群と第４のレンズ群の距離を変えることによって光源の結像倍率を変化させ、これにより照明光のＦ値を変化させる。又、撮像素子面に結像するのは視野絞りの像であり、前述のように視野絞りはケーラー照明されているので、光源のムラが撮像素子面には現れない。又、結像部によって形成される光源像は、テレセントリックとなっているので、Ｆ値を変えても照明ムラが変化することがない。

前記課題を解決するための第３の手段は、前記第１の手段又は第２の手段であって、前記光源が光ファイバー端面、又は光ファイバー端面に拡散板を取り付けたものであることを特徴とするもの（請求項３）である。

光源から光ファイバーに光を入射させ、光ファイバーの他の端面を２次光源として使用することにより、この２次光源を光軸方向に移動させるのが容易となる。又、光ファイバー端面からでる光の拡散性が不十分である場合には、端面に拡散板を取り付けることが好ましい。

前記課題を解決するための第４の手段は、前記第１の手段から第３の手段のうちいずれかの撮像素子検査用照明装置を構成要素の一部として有することを特徴とする撮像素子検査装置（請求項４）である。

本手段においては、レンズ、光源の移動という簡単な手段により、種々の入射瞳距離、さらにはこれに加えて種々のＦ値を有する撮像素子の検査に対応することが可能となる。

前記課題を解決するための第５の手段は、前記第１乃至第３の手段のいずれかである撮像素子検査用照明装置を用いて、被検査対象物である撮像素子の入射瞳位置と、前記撮像素子検査用照明装置の射出瞳位置を一致させ、かつ前記照明光のＦ値を調整して前記撮像素子のＦ値に一致した状態で前記撮像素子を照明し、検査を行うことを特徴とする撮像素子の検査方法（請求項５）である。

前記課題を解決するための第６の手段は、ウエハ上に形成された撮像素子を、前記第５の手段である撮像素子の検査方法を使用して検査する工程を有することを特徴とする撮像素子の製造方法（請求項６）である。

以上説明したように、本発明によれば、照明視野を確保したまま、照明光の瞳位置及び瞳の大きさ（Ｆ値）を可変にできるような撮像素子検査用照明装置、この撮像素子検査用照明装置を使用した撮像素子の検査装置及び方法、さらには、撮像素子の製造方法を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態の例を、図を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態である撮像素子検査用照明装置の光学系の概要を示す図である。光ファイバーの出射端７に拡散板６をつけた２次光源８から放出された照明光は、レンズ群５、レンズ群４およびレンズ群２からなるリレー光学系で前記２次光源の像をＰ’面に形成する。

リレー光学系はレンズ群５とレンズ群４とからなる変倍部と、レンズ群２からなる結像部とからなる。変倍部ではレンズ群５とレンズ群４との距離ｅ_３を変化させることにより、光源像の投影倍率を変化させることができる。２次光源８からレンズ群５までの距離ｅ_４とレンズ群４から視野絞り３までの距離ｅ_２を、レンズ群５とレンズ群４との距離ｅ_３に応じて変えることにより視野絞り３をケーラー照明で照明するようにしている。

視野絞り３は、変倍部の焦点位置であり、かつ、レンズ群２から光源側にレンズ群２の焦点距離だけ離れた位置に配置されている。視野絞り３上の一点を通る光線はレンズ群２でほぼ平行となり、被検物体面から焦点距離だけ離れた位置に配置されたレンズ群１で集光されて被検物体面ＦＤ（撮像素子）上の一点に集光される。レンズ群２とレンズ群１との間隔が変わっても、視野絞り３が撮像素子面ＦＤ上に投影される大きさは変化しない。視野絞り３の位置に、検査用チャート等、投影するパターンを配置できるようにして、パターンを投影したときの画像信号の検査を行うことができるようにしてもよい。

このとき２次光源８の像はレンズ群２の被検物体側焦点位置Ｐ’に形成される。この光源像Ｐ’とレンズ群１との間隔ｅ_１を後述のように設定することにより、被検面に照射する光束の中心線が光軸と交差する点（照明光学系の射出瞳位置）を決め、これを撮像素子の入射瞳位置と一致させることができる。

撮像素子ＦＤから見た照明光の主光線が光軸と交差する位置を射出瞳Ｐとして、撮像素子ＦＤからの距離をＬとすると、結像の式から次のような関係が導き出せる。

撮像素子ＦＤを照明する照明光の入射角度範囲を示す指標として、撮像素子ＦＤから射出瞳Ｐまでの距離Ｌを射出瞳の直径φで割ったＦ値と呼ばれる値を用いる。射出瞳はレンズ群１による光源像Ｐ’の虚像であるともいえる。射出瞳の径をφ、面Ｐ’に形成されている光源像の径をφ’とすると次のような関係となる。

２次光源８の光源の有効径をΦとすると、リレー光学系２〜５によって投影される倍率βは以下のように表される。

以上の関係から、撮像素子ＦＤ面から射出瞳Ｐまでの距離ＬとＦ値が決まると、間隔ｅ_１，ｅ_２，ｅ_３，ｅ_４の値が、以下のように一意に決まる。

ここで（１）式を見ると、瞳像の位置Ｐ’はレンズ群１の焦点距離ｆ_１と射出瞳Ｐまでの距離Ｌだけで決まることがわかる。また、（２）式から（４）式では、射出瞳Ｐ’までの距離Ｌは式に含まれていない。つまり、射出瞳Ｐの位置はＦ値とは独立に設定することが可能であり、光源像のできる位置が変化しないように光源像を投影する倍率を視野絞り３とレンズ群４との間隔ｅ_２，レンズ群４とレンズ群５との間隔ｅ_３，レンズ群５と２次光源８との間隔ｅ_４を変えてやることにより、撮像素子ＦＤを照明する光束の射出瞳位置を変化させることなくＦ値を変えることができる。

実際には、射出瞳Ｐまでの距離Ｌを、検査される撮像素子ＦＤの入射瞳距離に一致するように決めると共に、検査される撮像素子ＦＤの特性から要求される照明Ｆ値を決定すると、光学系によって決まる各レンズ群１〜４の焦点距離ｆ_１〜ｆ_４及び２次光源８の有効径Φから、（１）〜（４）式によってｅ_１〜ｅ_４が求まるので、各レンズ群２〜４、視野絞り４、２次光源８の位置を移動させればよい。Ｆ値を変えず、射出瞳Ｐの位置のみを変化させる場合は、ｅ_１のみが変化してｅ_２〜ｅ_４は変化しないので、レンズ群１を除いた光学系を一体として移動させればよい。

ここで、上記のレンズ群とレンズ群間隔の一例を示す。第１のレンズ群１の焦点距離ｆ_１を１２ｍｍとしたとき、検査面からの瞳位置Ｌと第１のレンズ群と瞳共役位置との間隔ｅ_１との関係は以下の表のようになる。

この第１のレンズ群で瞳位置Ｌを決めると、照明したいＦ値に応じて２次光源８の結像倍率を決めることができる。ここで、２次光源の出射径（有効径）Φを2.5ｍｍφとして、第２レンズ群２の焦点距離ｆ_２を２０ｍｍ、第３レンズ群４の焦点距離ｆ_３を−２０ｍｍ、第４レンズ群５の焦点距離ｆ_４を１５ｍｍとすると、設定するＦ値に対して各レンズ間間隔ｅ_２，ｅ_３，ｅ_４は次のような数値となる。

この表で倍率と記しているのは、２次光源８の出射端面から瞳共役面Ｐ’までの倍率を示している。前述の通り瞳距離Ｌと照明光のＦ値とが独立に選ぶことができるので、以上の二つの表を任意に組み合わせて、所望の照明条件を設定することができる。

しかしながら、Ｆ値の変化量を大きく取りたい場合にはリレー光学系の収差の影響があるため十分な照度均一性が得られなくなる可能性がある。この場合には２次光源８の出射部またはその共役面Ｐ’に金物絞りを出し入れする機構を設けたり、虹彩絞りを取り付けてＦ値を変化させたりしてもよい。

各レンズ群の駆動には、あらかじめ検査する条件に適合する位置にレンズが移動するようにカム駆動にしてもよいが、撮像素子の多様化に対応するためには各レンズ群、光源、視野絞りの位置を光軸に沿って独立に移動させるようにして、検査時のレンズ位置を制御プログラムで制御するようにしておくことが望ましい。このような実施の形態によれば、簡単な構成で照明光の射出瞳距離およびＦ値をすばやく変化させて検査を行うことが可能となる。

さらに、レンズ群１のレンズの有効径が十分にあれば第１レンズ群の主平面と瞳像Ｐ’との間隔ｅ_１を第１レンズ群の焦点距離ｆ_１よりも大きくとることができる。この場合には光学系の射出瞳の位置Ｐが撮像素子ＦＤより光源から離れた方向にでき、いわゆるハイパーテレセントリックな状態となる。このような状況は全長を短く抑えたズームレンズでおきる現象であるが、本発明を用いることによりこの状況も実現することができる。

また、小さい撮像素子を大量生産するような場合には、本発明の光学系を多数並列に並べて同時検査を行うことも可能である。この場合、それぞれの光学系ごとに光源部を設けて独立に制御することによりそれぞれの光学系のばらつきの影響を抑えることが可能である。

なお、図１に示した実施の形態では、光源として２次光源を用いているが、光源そのもの、又はその像を用いてもよいことは言うまでもない。

図２に、図１に示す光ファイバー７に光を入射させる光学系の例を示す。ハロゲンランプやXeランプなどの光源１１からの光はコンデンサレンズ１２で集光され、フィルタ１３およびＮＤフィルタ１４を介してコレクタレンズ１５で光ファイバー７に導入され、図１の光ファイバー７の出射端に導かれ照明光となる。フィルタ１３はモータ１６の軸を回転中心に回転可能なフィルタホルダ１３ａに取り付けられていて、モータ１６を回転させることにより切り替え可能になっている。

このフィルタ１３では検査に用いる所定の色温度の光、たとえば昼の太陽光の5600Ｋ、電球による照明の3000Ｋ、蛍光灯などのように特定の波長にピークのある照明光を得ることができるようなフィルタが用意されている。ＮＤフィルタ１４はモータ１７の回転軸を中心に回転可能な円盤に、回転角度に応じて透過光量が変化するようにクロムやインコーネルなどの蒸着物質を蒸着したものである。

光ファイバー７には多数のファイバーをランダムに束ねたバンドルファイバーを用いることにより光ファイバー出射端での照度均一性を高める効果を持たせている。さらに、図１に示すように拡散板６を使うことによりファイバーの出射角度特性の影響を受けないようにしている。

本発明の実施の形態である撮像素子検査用照明装置の光学系の概要を示す図である。 図１に示す光ファイバーに光を入射させる光学系の例を示す図である。 従来の拡散板と絞りを用いた疑似光源の例を示す図である。

符号の説明

１…第１レンズ群、２…第２レンズ群、３…視野絞り、４…第３レンズ群、５…第４レンズ群、６…拡散板、７…光ファイバー、８…２次光源、１１…光源、１２…コンデンサレンズ、１３…フィルタ、１３ａ…フィルタホルダ、１４…ＮＤフィルタ、１５…コレクタレンズ、１６…モータ、１７…モータ

Claims (6)

1. 被検物体である撮像素子に光源からの照明光を照射して、得られる出力信号から前記撮像素子の良否を判定する検査に用いられる撮像素子検査用照明装置であって、
   前記被検物体側より前記光源側に向かって、第1のレンズ群と、変倍リレー光学系とが配置され、
   前記変倍リレー光学系は、前記光源と一体となって光軸方向に移動可能とされており、
   前記変倍リレー光学系は、前記被検物体側から前記光源側に向かって、第2レンズ群からなる結像部と、変倍部が配置され、
   前記変倍部は、前記被検物体側より前記光源側に向かって順に、第3レンズ群と第4レンズ群を有し、前記第3レンズ群および前記第4レンズ群の距離を変化可能としていることを特徴とする撮像素子検査用照明装置。
2. 請求項１に記載の撮像素子検査用照明装置であって、
   前記変倍リレー光学系は、前記結像部と前記変倍部の間に視野絞りを有し、
   前記変倍リレー光学系による前記光源の像と前記第1レンズ群までの距離e1、前記視野絞りと前記第3レンズ群までの距離e2、前記第3レンズ群と前記第4レンズ群までの距離e3、前記第4レンズ群と前記光源までの距離をe4とし、前記光源の有効径をΦとしたとき、前記被検物体である撮像素子の射出瞳までの距離Ｌと、前記距離Ｌを前記撮像素子のＦ値に応じて、以下の関係を有することを特徴とする撮像素子検査用照明装置。
   

   

   なお、ｆ１は第1レンズ群の焦点距離、ｆ２は第2レンズ群の焦点距離、ｆ３は第3レンズ群の焦点距離、ｆ４は第4レンズ群の焦点距離である。
3. 前記光源が光ファイバー端面、又は光ファイバー端面に拡散板を取り付けたものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の撮像素子検査用照明装置。
4. 請求項１から請求項３うちいずれか１項に記載の撮像素子検査用照明装置を構成要素の一部として有することを特徴とする撮像素子検査装置。
5. 請求項１乃至請求項３のうちいずれか１項に記載の撮像素子検査用照明装置を用いて、前記撮像素子の入射瞳位置と、前記撮像素子検査用照明装置の射出瞳位置を一致させ、かつ前記照明光のＦ値を調整して前記撮像素子のＦ値に一致した状態で前記撮像素子を照明し、検査を行うことを特徴とする撮像素子の検査方法。
6. ウエハ上に形成された撮像素子を、請求項５に記載の撮像素子の検査方法を使用して検査する工程を有することを特徴とする撮像素子の製造方法。

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