JP7034803B2

JP7034803B2 - 測距ユニット及び光照射装置

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Publication number: JP7034803B2
Application number: JP2018067405A
Authority: JP
Inventors: 惇治奥間
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2018-03-30
Filing date: 2018-03-30
Publication date: 2022-03-14
Anticipated expiration: 2038-03-30
Also published as: TW201942543A; JP2019178923A; CN111936817A; US11428520B2; US20210010803A1; DE112018007421T5; KR20200135944A; CN111936817B; WO2019187422A1

Description

本発明は、測距ユニット及び光照射装置に関する。

対象物の表面の高さを測定するための測距ユニットとして、非点収差法を用いたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。非点収差法においては、光源から出射されたレーザ光が、対物レンズによって集光されて、対象物の表面に照射される。そして、対象物の表面で反射されたレーザ光の反射光が、対物レンズの光軸上を進行し、非点収差を与えられて、例えば４分割フォトダイオードによって検出される。

特許第５７４３１２３号公報

上述した非点収差法では、例えば、ウェハの表側主面の高さを測定する場合に、ウェハの表側主面で反射されたレーザ光の反射光に、ウェハの裏側主面で反射されたレーザ光の反射光が重畳され、その結果、ウェハの表側主面の高さを精度良く測定できないおそれがある。

本発明は、対象物の被測定面の高さを精度良く測定できる測距ユニット及び光照射装置を提供することを目的とする。

本発明の測距ユニットは、レーザ光である測距光を出力する測距光源と、測距光、及び、対象物の被測定面で反射された測距光の反射光を透過させる対物レンズと、反射光を透過させ、対物レンズによる測距光又は反射光の集光位置における像を結像位置に結像する結像レンズと、反射光の光路を調整する光路調整部と、反射光を検出する光検出部と、を備え、対物レンズは、測距光の光路が対物レンズの中心軸から離れた状態で、測距光を対象物側に透過させ、光路調整部は、光検出部に入射する反射光の入射方向に垂直な少なくとも一方向において結像される反射光の結像位置が、入射方向と交差する所定面に近付くように、反射光の光路を調整し、光検出部の受光面は、所定面に沿うように位置している。

この測距ユニットでは、測距光の光路が対物レンズの中心軸から離れた状態で、対物レンズが測距光を対象物側に透過させる。そのため、対象物の被測定面で反射された反射光が光検出部の受光面に入射する位置が、対象物の被測定面の高さに応じて変化する。したがって、光検出部の受光面における反射光の入射位置に基づいて、対象物の被測定面の高さを測定できる。このとき、対象物の他の面で測距光の一部が反射されたとしても、対象物の他の面で反射された反射光が、対象物の被測定面で反射された反射光から空間的に分離されるため、検出すべき反射光に不要な反射光が重畳するのを抑制できる。また、この測距ユニットでは、光検出部に入射する反射光の入射方向に垂直な少なくとも一方向において結像される反射光の結像位置が、入射方向と交差する所定面に近付くように、光路調整部が反射光の光路を調整し、当該所定面に沿うように光検出部の受光面が位置している。これにより、対象物の被測定面の高さを均一な状態で測定できる。仮に、光路調整部が設けられていないと、反射光が対物レンズ及び結像レンズのそれぞれを透過する位置が対象物の被測定面の高さに応じて変化するため、結像レンズによる反射光の結像位置が対象物の被測定面の高さに応じて大きく変化し、その結果、対象物の被測定面の高さによっては当該高さを精度良く測定できないおそれがある。以上により、この測距ユニットによれば、対象物の被測定面の高さを精度良く測定できる。

本発明の測距ユニットでは、光路調整部は、結像レンズと光検出部との間において反射光の光路を調整してもよい。これによれば、各構成を効率良く配置できる。

本発明の測距ユニットでは、光路調整部は、受光面に平行且つ一方向に垂直な方向に沿って延在する複数の溝を有する反射型グレーティングであってもよい。これによれば、光検出部に入射する反射光の入射方向に垂直な少なくとも一方向において結像される反射光の結像位置を、当該入射方向と交差する所定面に容易且つ確実に近付けられる。

本発明の測距ユニットでは、光検出部は、一方向に平行な方向に沿って配列された複数の光検出チャネルを有してもよい。これによれば、反射光がその入射方向に垂直な少なくとも一方向において結像されているため、反射光が入射した光検出チャネルの位置に基づいて、対象物の被測定面の高さを精度良く測定できる。

本発明の測距ユニットでは、対物レンズ及び結像レンズは、結像レンズから出射される反射光の光路の方向が一定となるように構成されていてもよい。これによれば、対象物の被測定面の高さと反射光が入射する光検出チャネルの位置との関係に線形性を持たせられる。

本発明の測距ユニットでは、受光面における反射光の像は、一方向に垂直な方向を長手方向とする長尺状を呈していてもよい。これによれば、反射光の像の長手方向への光検出部の受光面のずれを許容できるため、各構成の配置の精度を緩和しつつも、対象物の被測定面の高さを精度良く測定できる。

本発明の光照射装置は、対象物を支持する支持部と、照射光を出力する照射光源と、レーザ光である測距光を出力する測距光源と、照射光及び測距光の一方を透過させ、照射光及び測距光の他方を反射する光学素子と、照射光、測距光、及び、対象物の被測定面で反射された測距光の反射光を透過させる対物レンズと、反射光を透過させ、対物レンズによる測距光又は反射光の集光位置における像を結像位置に結像する結像レンズと、反射光の光路を調整する光路調整部と、反射光を検出する光検出部と、対物レンズをその中心軸に沿って移動させる駆動部と、光検出部から出力される電気信号に基づいて駆動部を駆動させる制御部と、を備え、対物レンズは、測距光の光路が対物レンズの中心軸から離れた状態で、測距光を対象物側に透過させ、光路調整部は、光検出部に入射する反射光の入射方向に垂直な少なくとも一方向において結像される反射光の結像位置が、入射方向と交差する所定面に近付くように、反射光の光路を調整し、光検出部の受光面は、所定面に沿うように位置している。

この光照射装置では、上述したように、対象物の被測定面の高さを精度良く測定できる。加えて、対象物の被測定面の高さに応じて対物レンズをその中心軸に沿って移動させることで、照射光の集光点を対象物における所望の位置に合わせられる。しかも、対物レンズによる測距光の集光点が対象物の被測定面上に位置している状態に限定されずに、対象物の被測定面の高さの測定、及び対象物に対する照射光の集光点の位置合せを実施できる。

本発明によれば、対象物の被測定面の高さを精度良く測定できる測距ユニット及び光照射装置を提供することが可能となる。

一実施形態の光照射装置であるレーザ加工装置の構成図である。図１に示されるレーザ加工装置に設けられた測距ユニットの構成図である。図２に示される測距ユニットの一部分の構成図である。比較例の測距ユニットの構成図である。比較例の測距ユニットの一部分の構成図である。図２に示される測距ユニットにおける測距光の光路を説明するための図である。変形例の測距ユニットにおける測距光の光路を説明するための図である。変形例の測距ユニットにおける測距光の光路を説明するための図である。変形例の測距ユニットにおける測距光の光路を説明するための図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
［レーザ加工装置の構成］

図１に示されるように、レーザ加工装置２００は、加工対象物（対象物）１の内部に集光点Ｐを合わせて切断予定ライン５に沿ってレーザ光（照射光）ＩＬを照射することで、切断予定ライン５に沿って加工対象物１に改質領域７を形成する光照射装置である。加工対象物１は、例えば、複数の機能素子がマトリックス状に形成された半導体ウェハである。その場合、切断予定ライン５は、隣り合う機能素子間を通るように格子状に設定される。改質領域７は、密度、屈折率、機械的強度等の物理的特性が周囲とは異なる領域である。

切断予定ライン５に沿って加工対象物１に改質領域７を形成することで、改質領域７から加工対象物１の厚さ方向に亀裂を伸展させて、切断予定ライン５に沿って加工対象物１を切断できる。なお、加工対象物１の内部に改質領域７を形成するためには、レーザ光ＩＬが加工対象物１の表面（被測定面）３を透過して集光点Ｐの近傍で特に吸収される条件でレーザ光ＩＬを照射すればよい。

レーザ加工装置２００は、ステージ（支持部）２０１と、レーザ光源（照射光源）２０２と、反射型空間光変調器２０３と、４ｆ光学系２０４と、対物レンズ２０５と、を備えている。以下の説明では、水平方向の一方向をＸ軸方向といい、Ｘ軸方向に垂直な水平方向の一方向をＹ軸方向といい、鉛直方向をＺ軸方向という。

ステージ２０１は、加工対象物１を支持する。ステージ２０１は、加工対象物１を保持した状態で、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向のそれぞれの方向に移動可能である。レーザ光源２０２は、レーザ光ＩＬを出力する。レーザ光源２０２は、筐体２０６の天板に取り付けられている。レーザ光源２０２は、例えば、ファイバレーザである。ここでは、レーザ光源２０２は、Ｘ軸方向に沿って一方の側にレーザ光ＩＬを出射する。

反射型空間光変調器２０３は、レーザ光源２０２から出力されたレーザ光ＩＬを変調する。反射型空間光変調器２０３は、筐体２０６内に設けられている。反射型空間光変調器２０３は、例えば、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon）－ＳＬＭ（Spatial Light Modulator）である。ここでは、反射型空間光変調器２０３は、Ｘ軸方向に沿って入射するレーザ光ＩＬを斜め上側に反射する。

４ｆ光学系２０４は、反射型空間光変調器２０３によって変調されたレーザ光ＩＬの波面形状が空間伝播によって変化するのを抑制する。４ｆ光学系２０４は、筐体２０６内に設けられている。

４ｆ光学系２０４は、第１レンズ２０４ａ及び第２レンズ２０４ｂを有している。４ｆ光学系２０４では、反射型空間光変調器２０３と第１レンズ２０４ａとの間の光路長が第１レンズ２０４ａの焦点距離となり、対物レンズ２０５と第２レンズ２０４ｂとの間の光路長が第２レンズ２０４ｂの焦点距離となり、第１レンズ２０４ａと第２レンズ２０４ｂとの間の光路長が第１レンズ２０４ａの焦点距離と第２レンズ２０４ｂの焦点距離との和となり、更に、第１レンズ２０４ａ及び第２レンズ２０４ｂが両側テレセントリック光学系となっている。

対物レンズ２０５は、反射型空間光変調器２０３によって変調されたレーザ光ＩＬを集光する。対物レンズ２０５は、複数のレンズによって構成されている。対物レンズ２０５は、圧電素子等を含む駆動部２０７を介して、筐体２０６の底板に取り付けられている。駆動部２０７は、対物レンズ２０５をその中心軸（ここでは、Ｚ軸方向）に沿って移動させる。なお、対物レンズ２０５は、１つのレンズによって構成されていてもよい。

レーザ加工装置２００では、レーザ光源２０２から出力されたレーザ光ＩＬは、ミラー２０８によってＺ軸方向に沿って下側に反射され、筐体２０６内に進入する。筐体２０６内に進入したレーザ光ＩＬは、アッテネータ２０９によって強度が調整され、ミラー２１１によってＸ軸方向に沿って他方の側に反射される。ミラー２１１によって反射されたレーザ光ＩＬは、ビームエキスパンダ２１２によってビーム径が拡大され、反射型空間光変調器２０３によって変調されると共に反射される。

反射型空間光変調器２０３によって変調されると共に反射されたレーザ光ＩＬは、ミラー２１３によってＺ軸方向に沿って上側に反射され、λ／２波長板２１４によって偏光方向が調整される。偏光方向が調整されたレーザ光ＩＬは、ミラー２１５によってＸ軸方向に沿って一方の側に反射されて、４ｆ光学系２０４の第１レンズ２０４ａを透過し、ミラー２１６によってＺ軸方向に沿って下側に反射される。ミラー２１６によって反射されたレーザ光ＩＬは、４ｆ光学系２０４の第２レンズ２０４ｂを透過し、対物レンズ２０５に入射する。

レーザ加工装置２００では、可視光源２２１、光検出部２２２、ミラー２２３、ダイクロイックミラー２２４、ダイクロイックミラー２２５及び対物レンズ２０５によって、加工対象物１の表面３を観察するための観察ユニット２２０が構成されている。可視光源２２１、光検出部２２２、ミラー２２３、ダイクロイックミラー２２４及びダイクロイックミラー２２５は、筐体２０６内に設けられている。

可視光源２２１から出力された可視光ＶＬ１は、ミラー２２３、ダイクロイックミラー２２４及びダイクロイックミラー２２５によって順次に反射され、対物レンズ２０５に入射する。対物レンズ２０５に入射した可視光ＶＬ１は、対物レンズ２０５によって集光され、加工対象物１の表面３に照射される。加工対象物１の表面３で反射された可視光ＶＬ１の反射光ＶＬ２は、対物レンズ２０５を透過し、ダイクロイックミラー２２５によって反射される。ダイクロイックミラー２２５によって反射された反射光ＶＬ２は、ダイクロイックミラー２２４を透過し、光検出部２２２に入射して光検出部２２２によって検出される。なお、ダイクロイックミラー２２５は、４ｆ光学系２０４の第２レンズ２０４ｂと対物レンズ２０５との間に配置されており、レーザ光ＩＬを透過させる。

レーザ加工装置２００では、測距ユニット１００が構成されている（詳細については後述する）。測距ユニット１００は、ステージ２０１に支持された加工対象物１の表面３の高さを測定する。加工対象物１の表面３の高さとは、対物レンズ２０５の中心軸に平行な方向（ここでは、Ｚ軸方向）における加工対象物１の表面３の位置であり、例えば、対物レンズ２０５と加工対象物１の表面３との距離に対応する。

レーザ加工装置２００は、制御部２３０を備えている。制御部２３０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）等を含むコンピュータによって構成されている。制御部２３０は、コンピュータにおいて所定のプログラムを実行することにより、種々の制御を実行する。

一例として、制御部２３０は、レーザ光源２０２から出力されるレーザ光ＩＬのパルス幅等が所定値となるようにレーザ光源２０２を制御する。また、制御部２３０は、改質領域７を形成する際に、レーザ光ＩＬの集光点Ｐが加工対象物１の表面３から所定距離だけ内側に位置し且つレーザ光ＩＬの集光点Ｐが切断予定ライン５に沿って相対的に移動するようにステージ２０１を制御する。また、制御部２３０は、レーザ光ＩＬの波面形状が所定形状となるように反射型空間光変調器２０３を制御する。

更に、制御部２３０は、改質領域７を形成する際に、測距ユニット１００によって測定された加工対象物１の表面３の高さに基づいて（すなわち、後述する光検出部１０７（図２参照）から出力される電気信号に基づいて）、レーザ光ＩＬの集光点Ｐが加工対象物１の表面３から所定距離だけ内側に位置するように駆動部２０７を制御し、対物レンズ２０５をその中心軸に沿って移動させる。これにより、切断予定ライン５に沿って加工対象物１の表面３の高さが変化したとしても、加工対象物１の表面３から所定距離だけ内側に改質領域７を形成できる。
［測距ユニットの構成］

図２に示されるように、測距ユニット１００は、測距光源１０１、コリメートレンズ１０２、ハーフミラー１０３、ダイクロイックミラー（光学素子）１０４、結像レンズ１０５、反射型グレーティング（光路調整部）１０６、光検出部１０７及び対物レンズ２０５によって、構成されている。測距光源１０１、コリメートレンズ１０２、ハーフミラー１０３、ダイクロイックミラー１０４、結像レンズ１０５、反射型グレーティング１０６及び光検出部１０７は、筐体２０６内に設けられている。

測距光源１０１は、レーザ光である測距光ＲＬ１を出力する。測距光源１０１は、例えば、レーザダイオードである。ここでは、測距光源１０１は、Ｚ軸方向に沿って下側に測距光ＲＬ１を出射する。コリメートレンズ１０２は、測距光源１０１から出力された測距光ＲＬ１をコリメートする。

ハーフミラー１０３は、コリメートレンズ１０２によってコリメートされた測距光ＲＬ１をダイクロイックミラー１０４側に反射する。また、ハーフミラー１０３は、後述する反射光ＲＬ２をダイクロイックミラー１０４側から結像レンズ１０５側に透過させる。ここでは、ハーフミラー１０３は、Ｚ軸方向に沿って上側から入射した測距光ＲＬ１をＸ軸方向に沿って一方の側に反射し、反射光ＲＬ２をＸ軸方向に沿って一方の側から他方の側に透過させる。

ダイクロイックミラー１０４は、ハーフミラー１０３によって反射された測距光ＲＬ１を対物レンズ２０５側に反射する。また、ダイクロイックミラー１０４は、対物レンズ２０５側から入射した反射光ＲＬ２をハーフミラー１０３側に反射する。ここでは、ダイクロイックミラー１０４は、Ｘ軸方向に沿って他方の側から入射した測距光ＲＬ１をＺ軸方向に沿って下側に反射し、Ｚ軸方向に沿って下側から入射した反射光ＲＬ２をＸ軸方向に沿って他方の側に反射する。なお、ダイクロイックミラー１０４は、観察ユニット２２０のダイクロイックミラー２２５と対物レンズ２０５との間に配置されており（図１参照）、レーザ光ＩＬ、並びに、可視光ＶＬ１及びその反射光ＶＬ２を透過させる。

対物レンズ２０５は、ダイクロイックミラー１０４によって反射された測距光ＲＬ１を集光しつつ加工対象物１側に透過させる。また、対物レンズ２０５は、加工対象物１の表面３で反射された測距光ＲＬ１の反射光ＲＬ２をダイクロイックミラー１０４側に透過させる。ここでは、対物レンズ２０５は、測距光ＲＬ１をＺ軸方向に沿って上側から下側に透過させ、反射光ＲＬ２をＺ軸方向に沿って下側から上側に透過させる。

結像レンズ１０５は、ダイクロイックミラー１０４によって反射されてハーフミラー１０３を透過した反射光ＲＬ２を反射型グレーティング１０６側に透過させる。ここでは、結像レンズ１０５は、反射光ＲＬ２をＸ軸方向に沿って一方の側から他方の側に透過させる。結像レンズ１０５は、対物レンズ２０５による測距光ＲＬ１又は反射光ＲＬ２の集光位置における像を結像位置に結像する。測距光ＲＬ１が対物レンズ２０５によって空気中に集光される場合の集光点に対して対物レンズ２０５とは反対側に加工対象物１の表面３が位置している場合には、当該集光位置が測距光ＲＬ１に現れる。測距光ＲＬ１が対物レンズ２０５によって空気中に集光される場合の集光点上に加工対象物１の表面３が位置している場合には、当該集光位置が測距光ＲＬ１と反射光ＲＬ２との境界部に現れる。測距光ＲＬ１が対物レンズ２０５によって空気中に集光される場合の集光点に対して対物レンズ２０５側に加工対象物１の表面３が位置している場合には、当該集光位置が反射光ＲＬ２に現れる。なお、結像レンズ１０５は、１つのレンズによって構成されていてもよいし、複数のレンズによって構成されていてもよい。

反射型グレーティング１０６は、結像レンズ１０５を透過した反射光ＲＬ２を光検出部１０７側に反射する。反射型グレーティング１０６は、例えば、ブレーズドグレーティングである。ここでは、反射型グレーティング１０６は、Ｘ軸方向に沿って一方の側から入射した反射光ＲＬ２をＺ軸方向に沿って上側に反射する。反射型グレーティング１０６は、結像レンズ１０５と光検出部１０７との間において反射光ＲＬ２の光路を調整する（詳細については後述する）。

光検出部１０７は、反射型グレーティング１０６によって反射された反射光ＲＬ２を検出する。光検出部１０７は、例えば、Ｘ軸方向に沿って配列された複数の光検出チャネルを有する１次元のフォトダイオードアレイである。光検出部１０７の受光面１０７ａは、反射型グレーティング１０６側に向いており、所定面Ｓ上に位置している。ここでは、受光面１０７ａは、下側に向いており、Ｚ軸方向に垂直な所定面Ｓ上に位置している。なお、光検出部１０７は、Ｘ軸方向に沿って配列された複数の光検出チャネルを有するものであれば、２次元のフォトダイオードアレイ等であってもよい。

図３に示されるように、対物レンズ２０５は、測距光ＲＬ１の光路Ａ２が対物レンズ２０５の中心軸Ａ１から離れた状態で、測距光ＲＬ１を加工対象物１側に透過させる。対物レンズ２０５に入射する測距光ＲＬ１の光路Ａ２は、対物レンズ２０５の中心軸Ａ１に平行である。対物レンズ２０５から出射した測距光ＲＬ１の光路Ａ２は、対物レンズ２０５によって集光された測距光ＲＬ１の集光点Ｐ１が対物レンズ２０５の中心軸Ａ１上に位置するように傾斜している。ここでは、対物レンズ２０５に入射する測距光ＲＬ１の光路Ａ２は、対物レンズ２０５の中心軸Ａ１からＸ軸方向における一方の側に離れている。

これにより、図２及び図３に示されるように、加工対象物１の表面３の高さに応じて、対物レンズ２０５を透過する反射光ＲＬ２の光路が変化し、その結果、加工対象物１の表面３の高さに応じて、光検出部１０７の受光面１０７ａにおける反射光ＲＬ２の入射位置が変化する。したがって、光検出部１０７の受光面１０７ａにおける反射光ＲＬ２の入射位置に基づいて（すなわち、反射光ＲＬ２が入射した光検出チャネルの位置に基づいて）、加工対象物１の表面３の高さを測定できる。

例えば、加工対象物１の表面３が測距光ＲＬ１の集光点Ｐ１（測距光ＲＬ１が対物レンズ２０５によって空気中に集光される場合の集光点）と一致している状態では、反射光ＲＬ２_Ｌの光路は、対物レンズ２０５の中心軸Ａ１に関して測距光ＲＬ１の光路と対称の関係を有するものとなる。加工対象物１の表面３が測距光ＲＬ１の集光点Ｐ１よりも対物レンズ２０５側に位置している状態では、反射光ＲＬ２_Ｍの光路は、反射光ＲＬ２_ＬよりもＸ軸方向における一方の側で反射されたものとなる。加工対象物１の表面３が測距光ＲＬ１の集光点Ｐ１よりも更に対物レンズ２０５側に位置している状態では、反射光ＲＬ２_Ｈの光路は、反射光ＲＬ２_ＭよりもＸ軸方向における一方の側で反射されたものとなる。

ここで、図３に示されるように、反射光ＲＬ２の収束及び発散状態も、加工対象物１の表面３の高さに応じて変化することから、結像レンズ１０５による反射光ＲＬ２の結像位置も、加工対象物１の表面３の高さに応じて変化する。そのため、図４に示されるように、反射光ＲＬ２の光路を調整する反射型グレーティング１０６が測距ユニット１００に設けられていないと、光検出部１０７の受光面１０７ａにおける反射光ＲＬ２のスポットサイズが、加工対象物１の表面３の高さに応じて大きく変化し、その結果、加工対象物１の表面３の高さの測定精度が劣化するおそれがある。また、図５に示されるように、光検出部１０７の受光面１０７ａが、結像レンズ１０５による反射光ＲＬ２の結像位置に合うように傾斜させられても、受光面１０７ａに対する反射光ＲＬ２の入射角が大きくなって、受光面１０７ａで反射光ＲＬ２の一部が反射されたり、受光面１０７ａにおける反射光ＲＬ２のスポットサイズが大きくなったりし、その結果、加工対象物１の表面３の高さの測定精度が劣化するおそれがある。

例えば、対物レンズ２０５の焦点距離をｆ１とし、結像レンズ１０５の焦点距離をｆ２とし、対物レンズ２０５の中心軸Ａ１に平行な方向における加工対象物１の表面３の高さの差をΔＺとし、結像レンズ１０５の中心軸に平行な方向における反射光ＲＬ２の結像位置の差をΔＸとすると、反射型グレーティング１０６が測距ユニット１００に設けられていない場合には、ΔＸ／ΔＺ＝４（ｆ２／ｆ１）^２の関係が成立する。つまり、対物レンズ２０５の焦点距離ｆ１が小さくなると、反射光ＲＬ２の結像位置の差ΔＸが大きくなり、受光面１０７ａにおける反射光ＲＬ２のスポットサイズが大きくなる。上述したレーザ加工装置２００のように、加工対象物１の内部に改質領域７を形成する場合には、対物レンズ２０５の開口数が大きくなり、対物レンズ２０５の焦点距離ｆ１が小さくなるから、加工対象物１の表面３の高さの測定精度が劣化するのを抑制するための対策を実施することが特に重要である。

その対策として、図２に示されるように、反射光ＲＬ２の光路を調整する反射型グレーティング１０６が測距ユニット１００に設けられている。反射型グレーティング１０６は、反射型グレーティング１０６への反射光ＲＬ２の入射位置に応じた光路長を反射光ＲＬ２に発生させることで、反射光ＲＬ２の光路を調整する。

また、結像レンズ１０５を透過した反射光ＲＬ２の光路（反射光ＲＬ２の主光線の光路）は、加工対象物１の表面３の高さに応じて所定平面（ここでは、Ｙ軸方向に垂直な平面）に沿って変化する。そこで、反射型グレーティング１０６は、複数の溝が当該所定平面に垂直な方向（ここでは、Ｙ軸方向）に沿って延在するように、配置されている。更に、反射型グレーティング１０６は、結像レンズ１０５から結像位置までの光路長が長い反射光ＲＬ２ほど、結像レンズ１０５から離れた位置で反射型グレーティング１０６によって反射されるように、配置されている。

これにより、結像レンズ１０５から結像位置までの光路長が長い反射光ＲＬ２ほど、結像レンズ１０５から光検出部１０７の受光面１０７ａに至る反射光ＲＬ２の光路長が長くなる。例えば、結像レンズ１０５から光検出部１０７の受光面１０７ａに至る反射光ＲＬ２_Ｍの光路長は、結像レンズ１０５から光検出部１０７の受光面１０７ａに至る反射光ＲＬ２_Ｌの光路長よりも長い。結像レンズ１０５から光検出部１０７の受光面１０７ａに至る反射光ＲＬ２_Ｈの光路長は、結像レンズ１０５から光検出部１０７の受光面１０７ａに至る反射光ＲＬ２_Ｍの光路長よりも長い。

ただし、結像レンズ１０５によって結像されて反射型グレーティング１０６によって反射された反射光ＲＬ２には、非点収差が生じる。具体的には、Ｙ軸方向において結像される反射光ＲＬ２の結像位置は、Ｘ軸方向において結像される反射光ＲＬ２の結像位置よりも、光検出部１０７の受光面１０７ａが位置する所定面Ｓから離れる。測距ユニット１００では、Ｘ軸方向において結像される反射光ＲＬ２の結像位置が、光検出部１０７の受光面１０７ａが位置する所定面Ｓに近付くように、反射型グレーティング１０６が反射光ＲＬ２の光路を調整する。

このように、反射型グレーティング１０６は、光検出部１０７に入射する反射光ＲＬ２の入射方向（ここでは、Ｚ軸方向）に垂直な少なくとも一方向（ここでは、Ｘ軸方向）において結像される反射光ＲＬ２の結像位置が、当該入射方向に垂直な所定面Ｓに近付くように、反射光ＲＬ２の光路を調整する。なお、反射型グレーティング１０６は、光検出部１０７の受光面１０７ａに平行且つ上述した一方向（ここでは、Ｘ軸方向）に垂直な方向（ここでは、Ｙ軸方向）に沿って延在する複数の溝を有している。また、光検出部１０７は、上述した一方向（ここでは、Ｘ軸方向）に平行な方向に沿って配列された複数の光検出チャネルを有している。

ここで、「光検出部１０７に入射する反射光ＲＬ２の入射方向」とは、基準となる反射光ＲＬ２（例えば、反射光ＲＬ２_Ｌ）の入射方向を意味する。また、「反射光ＲＬ２の結像位置が、光検出部１０７に入射する反射光ＲＬ２の入射方向に垂直な所定面Ｓに近付くように」とは、反射型グレーティング１０６が測距ユニット１００に設けられていない場合に比べて、反射光ＲＬ２の結像位置が所定面Ｓに近付くことを意味する。つまり、光検出部１０７に入射する反射光ＲＬ２の入射方向における反射光ＲＬ２の結像位置の差が、所定面Ｓを含む領域で、上述したΔＸ未満（好ましくは、ΔＸの１０％未満）となることを意味する。

また、対物レンズ２０５及び結像レンズ１０５は、結像レンズ１０５から出射される反射光ＲＬ２の光路（反射光ＲＬ２の主光線の光路）の方向が一定となるように構成されている。ここでは、図６の（ａ）に示されるように、対物レンズ２０５と結像レンズ１０５との間の光路長が、対物レンズ２０５の焦点距離ｆ１と結像レンズ１０５の焦点距離ｆ２との和となっている。つまり、対物レンズ２０５の結像レンズ１０５側の焦点位置と結像レンズ１０５の対物レンズ２０５側の焦点位置とが一致している。これにより、加工対象物１の表面３の高さが変化しても、結像レンズ１０５から出射される反射光ＲＬ２の光路の方向が一定となり、その結果、図６の（ｂ）に示されるように、加工対象物１の表面３の高さと、光検出部１０７において反射光ＲＬ２が入射する光検出チャネルの位置とが、線形な関係となる。なお、図６の（ａ）では、測距光源１０１、コリメートレンズ１０２、ハーフミラー１０３及びダイクロイックミラー１０４等の図示が省略され、測距ユニット１００の構成が簡略化されている。

これに対し、図７の（ａ）に示されるように、対物レンズ２０５と結像レンズ１０５との間の光路長が、対物レンズ２０５の焦点距離ｆ１と結像レンズ１０５の焦点距離ｆ２との和よりも大きいと（又は小さいと）、加工対象物１の表面３の高さに応じて、結像レンズ１０５から出射される反射光ＲＬ２の光路の方向が変化し、その結果、図７の（ｂ）に示されるように、加工対象物１の表面３の高さと、光検出部１０７において反射光ＲＬ２が入射する光検出チャネルの位置とが、非線形な関係となる。ただし、この場合にも、例えば、制御部２３０が加工対象物１の表面３と光検出チャンネルの位置との関係を予め保持しておき、制御部２３０が当該関係を参照することで、加工対象物１の表面３の高さを十分に精度良く測定できる。なお、図７の（ａ）では、測距光源１０１、コリメートレンズ１０２、ハーフミラー１０３及びダイクロイックミラー１０４等の図示が省略され、測距ユニット１００の構成が簡略化されている。

また、図６の（ｂ）に示されるように、光検出部１０７の受光面１０７ａにおける反射光ＲＬ２の像は、上述した一方向（所定面Ｓに近付くように反射光ＲＬ２を結像する一方向）に垂直な方向（ここでは、Ｙ軸方向）を長手方向とする長尺状（ここでは、楕円形状）を呈している。これにより、反射光ＲＬ２の像の長手方向への光検出部１０７の受光面１０７ａのずれが許容され、各構成の配置の精度が緩和される。なお、光検出部１０７の受光面１０７ａにおける反射光ＲＬ２の像が、上述した一方向に垂直な方向を長手方向とする長尺状を呈するのは、上述したように、結像レンズ１０５によって結像されて反射型グレーティング１０６によって反射された反射光ＲＬ２に非点収差が生じるからである。

これに対し、例えば、図８の（ａ）に示されるように、結像レンズ１０５と反射型グレーティング１０６との間の光路長を長くし、反射型グレーティング１０６と光検出部１０７との間の光路長を短くすると、図８の（ｂ）に示されるように、光検出部１０７の受光面１０７ａにおける反射光ＲＬ２の像は、ドット状になる。ただし、この場合にも、加工対象物１の表面３の高さを十分に精度良く測定できる。このように、結像レンズ１０５と反射型グレーティング１０６との間の光路長、及び、反射型グレーティング１０６と光検出部１０７との間の光路長の少なくとも１つを調整することで、光検出部１０７の受光面１０７ａにおける反射光ＲＬ２の像の形状を調整できる。なお、図８の（ａ）では、測距光源１０１、コリメートレンズ１０２、ハーフミラー１０３及びダイクロイックミラー１０４等の図示が省略され、測距ユニット１００の構成が簡略化されている。

以上のように構成された測距ユニット１００では、次のように、反射光ＲＬ２が検出される。図２に示されるように、測距光源１０１から出力された測距光ＲＬ１は、コリメートレンズ１０２によってコリメートされる。コリメートされた測距光ＲＬ１は、ハーフミラー１０３及びダイクロイックミラー１０４によって順次に反射され、対物レンズ２０５に入射する。対物レンズ２０５に入射した測距光ＲＬ１は、対物レンズ２０５によって集光され、加工対象物１の表面３に照射される。加工対象物１の表面３で反射された測距光ＲＬ１の反射光ＲＬ２は、対物レンズ２０５を透過し、ダイクロイックミラー１０４によって反射される。ダイクロイックミラー１０４によって反射された反射光ＲＬ２は、ハーフミラー１０３を透過し、結像レンズ１０５によって結像されると共に、反射型グレーティング１０６によって反射される。反射型グレーティング１０６によって反射された反射光ＲＬ２は、光検出部１０７に入射して光検出部１０７によって検出される。
［作用及び効果］

測距ユニット１００では、測距光ＲＬ１の光路Ａ２が対物レンズ２０５の中心軸Ａ１から離れた状態で、対物レンズ２０５が測距光ＲＬ１を加工対象物１側に透過させる。そのため、加工対象物１の表面３で反射された反射光ＲＬ２が光検出部１０７の受光面１０７ａに入射する位置が、加工対象物１の表面３の高さに応じて変化する。したがって、光検出部１０７の受光面１０７ａにおける反射光ＲＬ２の入射位置に基づいて、加工対象物１の表面３の高さを測定できる。このとき、加工対象物１の他の面（加工対象物１における光出射側の表面等）で測距光ＲＬ１の一部が反射されたとしても、加工対象物１の他の面で反射された反射光が、加工対象物１の表面３で反射された反射光ＲＬ２から空間的に分離されるため、検出すべき反射光ＲＬ２に不要な反射光が重畳するのを抑制できる。また、測距ユニット１００では、光検出部１０７に入射する反射光ＲＬ２の入射方向に垂直な一方向（ここでは、Ｘ軸方向）において結像される反射光ＲＬ２の結像位置が、当該入射方向に垂直な所定面Ｓに近付くように、反射型グレーティング１０６が反射光ＲＬ２の光路を調整し、当該所定面Ｓ上に光検出部１０７の受光面１０７ａが位置している。これにより、加工対象物１の表面３の高さを均一な状態で測定できる。仮に、反射型グレーティング１０６が設けられていないと、反射光ＲＬ２が対物レンズ２０５及び結像レンズ１０５のそれぞれを透過する位置が加工対象物１の表面３の高さに応じて変化するため、結像レンズ１０５による反射光ＲＬ２の結像位置が加工対象物１の表面３の高さに応じて大きく変化し、その結果、加工対象物１の表面３の高さによっては当該高さを精度良く測定できないおそれがある。以上により、測距ユニット１００によれば、加工対象物１の表面３の高さを精度良く測定できる。

また、測距ユニット１００では、反射型グレーティング１０６が、結像レンズ１０５と光検出部１０７との間において反射光ＲＬ２の光路を調整する。これにより、各構成を効率良く配置できる。

また、測距ユニット１００では、反射型グレーティング１０６が、光検出部１０７の受光面１０７ａに平行且つ一方向（所定面Ｓに近付くように反射光ＲＬ２を結像する一方向）に垂直な方向に沿って延在する複数の溝を有している。これにより、光検出部１０７に入射する反射光ＲＬ２の入射方向に垂直な少なくとも一方向において結像される反射光ＲＬ２の結像位置を、当該入射方向に垂直な所定面Ｓに容易且つ確実に近付けられる。

また、測距ユニット１００では、光検出部１０７が、一方向（所定面Ｓに近付くように反射光ＲＬ２を結像する一方向）に平行な方向に沿って配列された複数の光検出チャネルを有している。これにより、反射光ＲＬ２がその入射方向に垂直な一方向において結像されているため、反射光ＲＬ２が入射した光検出チャネルの位置に基づいて、加工対象物１の表面３の高さを精度良く測定できる。

また、測距ユニット１００では、対物レンズ２０５及び結像レンズ１０５が、結像レンズ１０５から出射される反射光ＲＬ２の光路の方向が一定となるように構成されている。これにより、加工対象物１の表面３の高さと、光検出部１０７において反射光ＲＬ２が入射する光検出チャネルの位置との関係に線形性を持たせられる。

また、測距ユニット１００では、光検出部１０７の受光面１０７ａにおける反射光ＲＬ２の像が、一方向（所定面Ｓに近付くように反射光ＲＬ２を結像する一方向）に垂直な方向を長手方向とする長尺状を呈していている。これにより、反射光ＲＬ２の像の長手方向への光検出部１０７の受光面１０７ａのずれを許容できるため、各構成の配置の精度を緩和しつつも、加工対象物１の表面３の高さを精度良く測定できる。

また、レーザ加工装置２００では、上述したように、加工対象物１の表面３の高さを精度良く測定できる。加えて、加工対象物１の表面３の高さに応じて対物レンズ２０５をその中心軸Ａ１に沿って移動させることで、レーザ光ＩＬの集光点Ｐを加工対象物１における所望の位置に合わせられる。しかも、対物レンズ２０５による測距光ＲＬ１の集光点Ｐ１が加工対象物１の表面３上に位置している状態に限定されずに、加工対象物１の表面３の高さの測定、及び加工対象物１に対するレーザ光ＩＬの集光点Ｐの位置合せを実施できる。
［変形例］

本発明は、上述した実施形態に限定されない。例えば、上記実施形態では、ダイクロイックミラー１０４が、レーザ光ＩＬを透過させ且つ測距光ＲＬ１（その反射光ＲＬ２を含む）を反射したが、ダイクロイックミラー１０４に代えて、レーザ光ＩＬ及び測距光ＲＬ１の一方を透過させ且つレーザ光ＩＬ及び測距光ＲＬ１の他方を反射する光学素子が用いられてもよい。

また、上記実施形態では、反射光ＲＬ２の光路を調整する光路調整部として、結像レンズ１０５と光検出部１０７との間に配置された反射型グレーティング１０６が用いられたが、反射光ＲＬ２の結像位置が所定面Ｓに近付くように反射光ＲＬ２の光路を調整できるものであれば、他の構成であってもよい。そのような構成の例としては、空間光変調器、デジタルミラーデバイス、透過型グレーティング、プリズム等がある。光検出部１０７の受光面１０７ａにおける反射光ＲＬ２の像が、一方向（所定面Ｓに近付くように反射光ＲＬ２を結像する一方向）に垂直な方向を長手方向とする長尺状を呈するように、シリンドリカルレンズが設けられてもよい。

また、図９に示されるように、対物レンズ２０５と結像レンズ１０５との間の光路上にリレーレンズ１０８が配置されることで、対物レンズ２０５及び結像レンズ１０５が、結像レンズ１０５から出射される反射光ＲＬ２の光路（反射光ＲＬ２の主光線の光路）の方向が一定となるように構成されていてもよい。この場合、リレーレンズ１０８及び結像レンズ１０５によって結像レンズが構成されていると捉えることもできる。リレーレンズ１０８は、１つのレンズによって構成されていてもよいし、複数のレンズによって構成されていてもよい。なお、図９では、測距光源１０１、コリメートレンズ１０２、ハーフミラー１０３及びダイクロイックミラー１０４等の図示が省略され、測距ユニット１００の構成が簡略化されている。

また、測距光ＲＬ１が対物レンズ２０５を透過する際に、測距光ＲＬ１の光路Ａ２が対物レンズ２０５の中心軸Ａ１から離れる距離は、調整可能であってもよい。一例として、図２に示されるハーフミラー１０３の位置を調整することで、測距光ＲＬ１の光路Ａ２が対物レンズ２０５の中心軸Ａ１から離れる距離を調整できる。当該距離を調整することで、加工対象物１の表面３の高さの測定レンジ、及び、光検出部１０７における検出感度を調整できる。

また、上記実施形態では、光照射装置及び対象物が、それぞれ、レーザ加工装置２００及び加工対象物１であり、照射光を出力する照射光源が、レーザ光ＩＬを出力するレーザ光源２０２であった。ただし、光照射装置がレーザ加工装置である場合、内部加工を実施するものに限定されず、表面加工等を実施するものであってもよい。また、光照射装置及び対象物は、それぞれ、観察装置（顕微鏡等）及び観察対象物であってもよい。その場合、照射光を出力する照射光源は、観察光を出力する観察光源であってもよい。

また、上記実施形態では、光検出部１０７の受光面１０７ａが所定面Ｓ上に位置していたが、光検出部１０７の受光面１０７ａは、所定面Ｓに沿うように位置していればよい。例えば、光検出部１０７の受光面１０７ａと所定面Ｓとが角度を成していても、当該角度が５°未満であれば、加工対象物１の表面３の高さを十分に精度良く測定できる。

また、上記実施形態では、加工対象物１の表面３の高さを測定したが、加工対象物１の裏面等の高さを測定することも可能である。つまり、本発明によれば、対象物における測距光の入射側の表面に限定されず、対象物の様々な面を被測定面とすることが可能である。各面で反射された反射光が互いに空間的に分離されるためである。

また、上記実施形態では、所定面Ｓが、光検出部１０７に入射する反射光ＲＬ２の入射方向に垂直な面であったが、所定面Ｓは、当該入射方向に対して例えば３０°以下の角度で傾斜する等、当該入射方向と交差する面であればよい。

１…加工対象物（対象物）、３…表面（被測定面）、１００…測距ユニット、１０１…測距光源、１０４…ダイクロイックミラー（光学素子）、１０５…結像レンズ、１０６…反射型グレーティング（光路調整部）、１０７…光検出部、１０７ａ…受光面、２００…レーザ加工装置（光照射装置）、２０１…ステージ（支持部）、２０２…レーザ光源（照射光源）、２０５…対物レンズ、２０７…駆動部、２３０…制御部、ＩＬ…レーザ光（照射光）、ＲＬ１…測距光、ＲＬ２…反射光。

Claims

レーザ光である測距光を出力する測距光源と、
前記測距光、及び、対象物の被測定面で反射された前記測距光の反射光を透過させる対物レンズと、
前記反射光を透過させ、前記対物レンズによる前記測距光又は前記反射光の集光位置における像を結像位置に結像する結像レンズと、
前記反射光の光路を調整する光路調整部と、
前記反射光を検出する光検出部と、を備え、
前記対物レンズは、前記測距光の光路が前記対物レンズの中心軸から離れた状態で、前記測距光を前記対象物側に透過させ、
前記光路調整部は、前記光検出部に入射する前記反射光の入射方向に垂直な少なくとも一方向において結像される前記反射光の前記結像位置が、前記入射方向と交差する所定面に近付くように、前記反射光の前記光路を調整し、
前記光検出部の受光面は、前記所定面に沿うように位置している、測距ユニット。
前記光路調整部は、前記結像レンズと前記光検出部との間において前記反射光の前記光路を調整する、請求項１に記載の測距ユニット。
前記光路調整部は、前記受光面に平行且つ前記一方向に垂直な方向に沿って延在する複数の溝を有する反射型グレーティングである、請求項２に記載の測距ユニット。
前記光検出部は、前記一方向に平行な方向に沿って配列された複数の光検出チャネルを有する、請求項３に記載の測距ユニット。
前記対物レンズ及び前記結像レンズは、前記結像レンズから出射される前記反射光の光路の方向が一定となるように構成されている、請求項３又は４に記載の測距ユニット。
前記受光面における前記反射光の像は、前記一方向に垂直な方向を長手方向とする長尺状を呈している、請求項３～５のいずれか一項に記載の測距ユニット。
対象物を支持する支持部と、
照射光を出力する照射光源と、
レーザ光である測距光を出力する測距光源と、
前記照射光及び前記測距光の一方を透過させ、前記照射光及び前記測距光の他方を反射する光学素子と、
前記照射光、前記測距光、及び、前記対象物の被測定面で反射された前記測距光の反射光を透過させる対物レンズと、
前記反射光を透過させ、前記対物レンズによる前記測距光又は前記反射光の集光位置における像を結像位置に結像する結像レンズと、
前記反射光の光路を調整する光路調整部と、
前記反射光を検出する光検出部と、
前記対物レンズをその中心軸に沿って移動させる駆動部と、
前記光検出部から出力される電気信号に基づいて前記駆動部を駆動させる制御部と、を備え、
前記対物レンズは、前記測距光の光路が前記対物レンズの前記中心軸から離れた状態で、前記測距光を前記対象物側に透過させ、
前記光路調整部は、前記光検出部に入射する前記反射光の入射方向に垂直な少なくとも一方向において結像される前記反射光の前記結像位置が、前記入射方向と交差する所定面に近付くように、前記反射光の前記光路を調整し、
前記光検出部の受光面は、前記所定面に沿うように位置している、光照射装置。