JP5083678B2 - 光学的測長装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体や液晶表示装置の検査過程において使用する光学的測長装置に関するものであり、詳しくは、上方から下方に向かって所定の温度の清浄な空気が吹き出すようになっている恒温槽内に設置される、ＣＣＤカメラなどの発熱部を有する光学的測長装置に関するものである。

半導体や液晶表示装置の検査過程において使用する光学的測長装置の測定精度は、サブμｍオーダの精度が要求されるため、光学的測長機本体は常時上方から下方に向かって所定の温度の清浄な空気が吹き出すようになっている恒温槽内に設置され、該恒温槽内の温度差は、例えば、±０．１℃に保持される。
しかし、この光学的測長機にはＣＣＤカメラや照明手段等の発熱部があるために、前記恒温槽内に温度ムラが生じやすく、この温度ムラによって、被測定物の温度が不均一になることや、光学的測長機の測定手段として用いられるレーザ変位計のレーザ光路の空気温度の変動によって、測定に誤差を生じるという問題がある。

そこで、従来は、発熱部分を分散させて、前記恒温槽内の温度むらを生じさせないようにしたり（例えば、特許文献１）、恒温槽内の光学的測長機の被測定物とレーザ変位計部分を更にカバーで覆い、そのカバー内を一定温度に保つ方法（例えば、特許文献２）が開示されている。

しかし、従来例（前者）のように発熱部分を分散させても、発熱部分によって温められた一部の空気が、前記恒温槽の上方から下方に向かって吹き出される空気流（以下、「下降空気流」という）によって、レーザ干渉計のレーザ光路に吹き降ろされ、レーザ光路の空気温度に変動を生じ、レーザ干渉計に測定値が安定しない問題点がある。
また、従来例（後者）のように被測定物とレーザ変位計部分を更にカバーで覆う方式では、装置全体が複雑になり、被測定物側を二次元で移動させねばならず、装置の設置面積が大きくなってしまうなどの問題点があった。
特開２００４−２０５４４１号公報 特開２００３−１５１８９２号公報

そこで、本発明は上記事情を鑑みてなされたものであって、レーザ干渉計のレーザ光路への温度影響を低減させることにより、構造が簡単で、安定した光学的測長装置を供給するものである。

本発明は、前記課題を解決するために、以下の点を特徴としている。
即ち、請求項１に係る光学的測長装置は、上方から下方に向かって所定の温度の清浄な空気が吹き出すようになっている恒温槽（以下、「サーマルクリーンチャンバー」という）内に設置される、発熱部を有する光学的測長装置であって、該光学的測長装置の発熱部を収納し、下端部が開口するカバーと、該カバーの上部から該カバー内の空気を排出する排気手段と、前記カバー内の前記発熱部の下側近傍から該発熱部に向かって、冷却用空気を断熱膨張させて噴射する冷却ノズルと、該冷却ノズルに冷却用空気を供給する空気供給手段と、を有することを特徴としている。

請求項２に係る光学的測長装置は、請求項１に記載の光学的測長装置であって、前記冷却用空気を断熱膨張させて噴射する冷却ノズルが、前記発熱部に向かって上下二段に配設されていることを特徴としている。

請求項３に係る光学的測長装置は、請求項２に記載の光学的測長装置であって、前記冷却ノズルに供給される冷却用空気流量が、前記排気手段によって前記カバー内から排出される空気流量以下の流量であることを特徴としている。

本発明は以下の優れた効果を奏する。
請求項１に係る発明によれば、前記冷却用空気が前記冷却ノズルから噴出する際に、断熱膨張によって該冷却用空気の温度降下を生ずるため、前記発熱部の冷却がより効果的に行える。そして、前記発熱部を収納する前記カバーの上端部から該カバー内の空気が、前記排出手段によって前記カバー内から排出されるため、該カバーの下端部の開口部から該カバー内に向かって前記サーマルクリーンチャンバ内の空気の一部が該カバー内に流入し、該カバー内に空気の流れが形成され、該発熱部によって加熱された前記冷却用空気が、前記排出手段によって、該レーザ光路の空気温度に影響を与えることなく、前記カバー外に排出されるため、該レーザ光路の空気温度を所定の温度に維持できる。

請求項２に係る発明によれば、前記冷却ノズルが上下二段に配設されているため、前記カバー内の空気の流れに偏りが少なく、カバー内局部に空気が滞留しにくく、冷却用空気自体の温度が低下していることから、カバー外面の一部の温度が周囲の空気温度より高くなることが少ない。その結果、サーマルクリーンチャンバの降下空気流が加熱されず、レーザ光路周囲の温度変動を少なくできる。

請求項３に係る発明によれば、前記冷却ノズルから前記カバー内の前記発熱部に吹き付けられる空気流量が前記排気手段によって、前記カバーの上部から該カバー外に排気される空気流量にほぼ等しいため、前記カバーの下端部の開口部から前記サーマルクリーンチャンバ内に前記冷却用空気が逆流することがなく、該サーマルクリーンチャンバ内の下降空気流に乱れが生じないため、該レーザ光路の温度がより安定に維持できる。

以下、本発明の一実施の形態に係る光学的測長装置について、図１から図６を参照しながら説明する。図１から図３に示すように、光学的測長装置１は、基台２と、基台２上に平行に配置された一対のＹ軸のガイド３、３と、ガイド３、３に沿ってＹ軸方向に移動するＹ軸テーブル４と、基台２上に立設された一対の支柱５、５と、支柱５、５に支えられＹ軸テーブル４の上方をＹ軸ガイド３に対して直交するように配置された梁体６と、梁体６側面に平行に配置された一対のＸ軸ガイド７、７と、Ｘ軸ガイド７、７に沿ってＸ軸方向に移動するＸ軸テーブル８と、Ｘ軸テーブル８の側面上に平行に配置された一対のＺ軸ガイド９、９と、Ｚ軸ガイド９、９に沿ってＺ軸方向に移動するＺ軸テーブル１０とを備えており、図示しないサーマルクリーンチャンバ内に設置されている。
そして該サーマルクリーンチャンバ内には、下降空気流イが光学的測長装置１の上方から光学的測長装置１に向かって下側に吹き付けられている。

Ｚ軸テーブル１０上には、ガラス基板（被検査体）Ｐに対向して、顕微鏡１２と、顕微鏡１２に光学的に接続されたＣＣＤカメラ（発熱部）１３と、顕微鏡１２とＣＣＤカメラ１３とを収納し、下端部が下方に向かって開口するカバー１１と、カバー１１の上部に排気チューブ１６を介して接続する排気手段１７と、カバー１１を貫通し、ＣＣＤカメラ（発熱部）１３に冷却用空気を吹き付ける冷却ノズル１４および１５と、が一体的に取り付けられている。
また、ＣＣＤカメラ１３には画像信号を処理する画像処理部３４とその画像処理された画像を表示する画像表示部３５が電気的に接続されている。

冷却ノズル１４、１５は、上下（Ｘ軸方向）２段で、Ｙ軸方向にずれて配置され、それぞれが給気チューブ１８を介して、冷却ノズル１４、１５の夫々に、冷却用空気を供給する空気供給手段たる給気装置１９が接続されている。
そして、冷却ノズル１４、１５の空気噴出口は小径になっており、冷却用空気が、該空気噴出口から噴出される際に、断熱膨張することによって、冷却用空気自体が低温になるようになっている。
また、カバー１１の上端部開口部には、排気チューブ１６を介して、カバー１１内の空気を前記サーマルクリーンチャンバ外に排出する、排気手段としての排気装置１７に接続されている。
さらに、冷却ノズル１４、１５からカバー１１内に噴出される空気量より、排気チューブ１６を経て排気装置１７によって排出される空気量の方が多くなるようになっている。
具体的には、ＣＣＤカメラ１３からの放熱量に基づき、冷却用空気の流量および温度、冷却用ノズル１４、１５の空気噴射口の口径、冷却用ノズル１４、１５に供給される冷却用空気の圧力および温度、カバー１１の上部開口部（排気チューブ１６に接続される部分）の口径が最適になるように設定される。

Ｙ軸テーブル４、Ｘ軸テーブル８、Ｚ軸テーブル１０は、それぞれ図示しない、駆動手段（例えば、ボールスクリューおよびボールナット、サーボモータとモータドライバ）によってそれぞれ駆動されるようになっている。

また、基台２には、図１および図４に示すように、Ｙ軸テーブル４のＹ軸方向の位置およびＸ軸テーブル８のＸ軸方向の位置の測定に用いられるレーザ干渉測長装置２０が備えられている。
レーザ干渉測長装置２０は、基台２の側面に設けられた支持台２１上に配置されたレーザヘッド２２と、レーザヘッド２２からのレーザ光をＸ軸方向およびＹ軸方向に分岐するビームスプリッタ２３と、基台２の側面に設けられた支持台２５上に設けられたビームベンダ２６と、支柱５の側面に設けられた支持台２７Ｘ上に設けられた、干渉ユニット２８Ｘと、基台２上の支持台２７Ｙ上に設けられた干渉ユニット２８Ｙと、Ｘ軸テーブル８に設けられたミラー２９Ｘと、Ｙ軸テーブル４に設けられたミラー２９Ｙとから構成されている。

レーザヘッド２２には、２周波Ｈｅ−Ｎｅレーザ光を発振するレーザ発振部２２Ａと、該レーザ光を測長用レーザＬ１とリファレンス用レーザＬ２とを分離するレーザスプリッタ２２Ｂと、リファレンス用レーザＬ２の周波数を検知するフォトディテクタ２２Ｃと、が備えられている。
干渉ユニット２８Ｘ、２８Ｙには、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に分岐された測長用レーザＬ１からレファレンス用レーザＬ３を分離するビームスプリッタ２８Ａと、分離されたレファレンス用レーザＬ３をビームスプリッタ２８Ａへ反射するリファレンスプリズム２８Ｂと、該反射レーザとレファレンス用レーザＬ３との干渉光の周波数を検知するフォトディテクタ２８Ｃとが、それぞれ備えられている。

フォトディテクタ２８Ｃから前記干渉の程度に応じた信号が、パルスコンバータ３０とカウンタ３１で構成される演算処理器３２に送信され、演算処理器３２によって、Ｙ軸テーブル４のＹ軸方向移動距離と、Ｘ軸テーブル８のＸ軸方向移動距離が検出できるようになっている。
そして、図５に示すように、換算処理器３２は、制御装置３３に接続される。また、制御装置３３には図示しないインターフェースを介して、Ｙ軸テーブル４およびＸ軸テーブル８の駆動手段、Ｚ軸テーブル１０の駆動手段、給気装置１９、排気装置１７、ＣＣＤカメラ１３、画像処理部３４、画像表示部３５が接続されている。

上記の構成からなる光学的測長装置１においてガラス基板Ｐを測定する時には、まず、図１に示すように、ガラス基板Ｐをテーブル４上に保持した後、排気装置１７を作動させてから、給気装置１９を作動させる。これによって、前記冷却用ノズル１４、１５の噴出口から冷却用空気（噴出時に断熱膨張により温度降下した状態の冷却用空気）を、ＣＣＤカメラ１３に向かって上方に吹き付け、ＣＣＤカメラ１３を冷却するとともに、ＣＣＤカメラ１３の冷却に使用されて温度上昇した前記冷却用空気を排気装置９によって、前記サーマルクリーンチャンバ外に排気しながら、該サーマルクリーンチャンバ内の下降空気流の空気温度を局部的に上昇させることなく、ガラス基板Ｐに設けられた複数の測定ポイントを測定する。
制御装置３３には、ガラス基板Ｐ上の各測定ポイントの設計寸法値が入力してあり、この設計寸法値に基づいてＹ軸テーブル４およびＸ軸テーブル８の位置決め制御を行う。

制御装置３３からＹ軸テーブル４およびＸ軸テーブル８の駆動手段、Ｚ軸テーブル１０の駆動手段に駆動信号を出力し、各駆動手段を駆動して顕微鏡１２およびＣＣＤカメラ１３を、第１測定ポイントの設計配置位置上方にレーザ干渉測長装置２０を用いてμｍ単位で測定しながら移動させる。

顕微鏡１２およびＣＣＤカメラ１３が、図６に示すように、第１測定ポイントの設計配置位置上方に移動すると、第１測定ポイントはＣＣＤカメラ１３の視野に入り、第１測定ポイントを顕微鏡１２で拡大してＣＣＤカメラ１３に取り込む。その取り込んだ画像の中心（すなわち、視野内座標系の中心）から第１測定ポイントの中心までの距離（ｘ１、ｙ１）を、ＣＣＤ画素数をカウントしてμｍ単位で求める。このとき同時に、Ｙ軸テーブル４およびＸ軸テーブル８の位置（すなわち、テーブル座標系における視野内座標系中心の位置）（Ｘ１、Ｙ１）を、レーザ干渉測長装置２０用いてμｍ単位で測定する。

次に、制御装置３３から駆動信号を出力し、Ｙ軸テーブル４およびＸ軸テーブル８の駆動手段、Ｚ軸テーブル１０を駆動して顕微鏡１２およびＣＣＤカメラ１３を、第２測定ポイントの設計配置位置上方に移動させる。移動の際は、前述したように、レーザ干渉測長装置２０で検知した情報をフィードバックして位置制御する。

顕微鏡１２およびＣＣＤカメラ１３が、第２測定ポイントの設計配置位置上方に移動すると、第１測定ポイントの測定時と同様に、視野内座標系中心から第２測定ポイントの中心までの距離（ｘ２、ｙ２）と、その時のテーブル座標系における視野内座標系中心の位置（Ｘ２、Ｙ２）をμｍ単位で測定する。

これら測定した視野内座標系と第１測定ポイントおよび第２測定ポイントとの位置関係が、例えば図６に示す位置関係であるとすると、第１測定ポイントのテーブル座標系における位置は（Ｘ１＋ｘ１，Ｙ１＋ｙ１）となり、第２測定ポイントのテーブル座標系における位置は（Ｘ２−ｘ２,Ｙ２−ｙ２）となる。
したがって、第１測定ポイントと第２測定ポイントとの相対位置は、ＸＹ座標系において（（Ｘ２−ｘ２）−（Ｘ１＋ｘ１），（Ｙ２−ｙ２）−（Ｙ１＋ｙ１））と表せる。

尚、本実施形態で使用したレーザ干渉測長装置２０は、２周波式へテロダインレーザ干渉計と呼ばれるものであり、図４を用いて、Ｙ軸テーブル４の移動距離の測長の場合について説明する。
レーザ発振器２２Ａにおいて発振した２つの周波数（Ｆ１およびＦ２）のＨｅ−Ｎｅレーザは、ビームスプリッタ２２Ｂにおいて測長用レーザＬ１とリファレンス用レーザＬ２とに分岐される。リファレンス用レーザＬ２は、フォトディテクタ２２Ｃに入射し、その周波数差（Ｌ１−Ｌ２）がリファレンス信号としてパルスコンバータ３０へ出力される。

測長レーザＬ１は、レーザスプリッタ２８Ａにおいてリファレンス用レーザＬ３（周波数Ｆ２）が分離してリファレンスプリズム２８Ｂに向かい、残りの測長用レーザＬ１（周波数Ｆ１）がミラー２９Ｙに向かう。ミラー２９Ｙは、Ｙ軸テーブル４の移動に伴いＹ軸方向に移動するので、ミラー２９Ｙで反射する測長レーザＬ１の周波数はドップラ効果により△Ｄだけ変化する（Ｆ１±△Ｄ）。
反射した測長用レーザＬ１とリファレンス用レーザＬ２とは、レーザスプリッタ２８Ａにおいて干渉して、フォトディテクタ２８Ｃに入射し、その周波数差（Ｆ１−Ｆ２±△Ｄ）が干渉信号としてパルスコンバータ３０に出力される。

パルスコンバータ３０では、リファレンス信号（Ｆ１−Ｆ２）と干渉信号（Ｆ１−Ｆ２±△Ｄ）とを信号処理してドップラ効果による周波数信号差（±△Ｄ）をカウンタ３１にカウントし、これらの情報を位置情報として制御装置３３に出力して正確な位置を測定する。

そして、以上説明したように、冷却ノズル１４、１５が上下（Ｘ軸方向）２段で、Ｙ軸方向にずれて配置されていることにより、カバー１１内の空気の流れ偏りが少なく、カバー１１内局部に空気が滞留しにくい。
さらに、カバー１１内局部に空気が滞留しにくいことと、前述のごとく、冷却用空気が断熱膨張することによって、冷却用空気自体の温度が低温になっていることにより、カバー１１外面の一部の温度が、周囲の空気温度より高くなることが少なく、カバー１１の外面周囲のサーマルクリーンチャンバの下降空気流が加熱されにくい。
その結果、レーザ干渉測長装置のレーザ光路周囲の空気の温度変動が少なく、レーザ干渉測長装置の精度が一定に保持できる。
尚、上記実施形態においては、カバー１１内の空気を排気装置１７によって、前記サーマルクリーンチャンバ外に排気するようにしているが、該サーマルクリーンチャンバ内で処理し、前記サーマルクリーンチャンバの下降空気流イへ循環してもよい。

上記の構成によれば、レーザ干渉測長装置を測定に用いているので、μｍ単位でＹ軸テーブル４およびＸ軸テーブル８の位置、つまりテーブル座標系における視野内座標系中心の位置を測定することができる。その結果、高い精度で測定ポイントの位置を測定することができ、各測定ポイントの相対位置関係を高い精度で求めることができる。
さらに、前記サーマルクリーンチャンバ内の温度にむらが生じにくいため、レーザ干渉測長装置以外にガラススケール等を用いる場合においても、熱膨張による誤差が生じにくく、各測定ポイントの相対位置関係を高い精度で求めることができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
特に、上記の実施の形態においては、発熱部分であるＣＣＤカメラ１３が１つ場合を示しているが、これに限らず、複数のＣＣＤカメラをカバー１１内に内蔵するようにしてもよい。
その場合は、各ＣＣＤカメラの個数に合わせて複数の冷却ノズルを各ＣＣＤカメラの近傍に複数配置するとともに、各冷却ノズルを上下方向及びＹ軸方向に離間させて配置させることによって、カバー１１内の空気の流れがカバー１１内全体に保持されるため、カバー１１内局部に空気が滞留しにくいため、カバー１１外面の一部の温度が高くなることが少なく、カバー１１の外面周囲の下降空気流が加熱されることが防止される。
また、本発明の技術範囲は上記実施形態におけるＹ軸テーブル４およびＸ軸テーブル８の駆動には、前記ボールネジ機構の他、リニアモータを用いた駆動手段に適応することができるものである。

本発明による光学的測長装置の一実施形態を示す上面図である。 図１におけるカバー部分の概念図であり、（ａ）は正面図（図１のα矢視図）、（ｂ）は側面図（図１のβ矢視図）である。 カバー部分の断面図であって（ａ）は図２のＡ−Ａ断面を表す概念図、（ｂ）は図２のＢ−Ｂ断面を示す概念図である。 レーザ測長装置の構成を示す概念図である。 本発明による光学的測長装置の一実施形態における制御ブロック線図である。 本発明による光学的測長装置の一実施形態におけるテーブル座標系と視野内座標系との関係を示す説明図ある。

符号の説明

１ 光学的測長装置
２ 基台
４ テーブル
５ 梁体
１２ 顕微鏡
１３ ＣＣＤカメラ
１４、１５ 冷却ノズル
２０ レーザ干渉測長装置
Ｐ ガラス基板（被検査体）

Claims (3)

1. 上方から下方に向かって所定の温度の清浄な空気が吹き出すようになっている恒温槽内に設置される、発熱部を有する光学的測長装置であって、
   該光学的測長装置の発熱部を収納し、下端部が開口するカバーと、該カバーの上部から該カバー内の空気を排出する排気手段と、
   前記カバー内の前記発熱部の下側近傍から該発熱部に向かって、冷却用空気を断熱膨張させて噴射する冷却ノズルと、該冷却ノズルに冷却用空気を供給する空気供給手段と、を有することを特徴とする光学的測長装置。
2. 冷却用空気を断熱膨張させて噴射する前記冷却ノズルが、前記発熱部に向かって上下二段に配設されていることを特徴とする請求項１記載の光学的測長装置。
3. 前記冷却ノズルに供給される冷却用空気流量が、前記排気手段によって前記カバー内から排出される空気流量以下の流量であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の光学的測長装置。