JPH03180708A - 表面形状測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は被測定物体（基板）上に形成された凹凸パター
ンの表面形状測定装置に関するものであり、特にサーフ
ェイスマウント型のプリント基板等に印刷された微小な
りリーム半田の断面形状を測定する装置に関するもので
ある。

〔従来の技術〕

従来におけるこの種の装置は、例えば第４図に示すもの
が知られている。

レーザー光源４０からの平行光束は、ビーム整形光学系
４１によりスリット状に整形されて、不図示のステージ
に載置された基板Ｂａを斜入射する。

この基板Ｂａは、所定のパターンが形成されたプリント
基板等であって、これを反射したスリット光は結像光学
系４２により検出面４３に達する。

ここで、この検出面４３は、結像光学系４２に関して基
板Ｂａのスリット光の照射領域と共役となっており、こ
の検出面４３には、スリット光が照射した領域内におい
て基板Ｂａの表面上の凹凸形状に対応した凹凸の像が形
成される。そして、この位置には不図示の２次元ＣＣＤ
カメラが配置されており、この凹凸の像が２次元ＣＣＤ
カメラに写し出され、この画像を解析することにより基
板等の被検物体表面の断面形状を計測することができる
。

〔発明が解決１．ようとする課題〕 この検出面４３において、Ｙ方向は基板ＢａのＹ方向の
位置に対応しており、このＹ方向に垂直な方向は試料の
凹凸の高さに対応している。

さて、２次元ＣＣＤカメラの２次元ＣＣＤの分解能は、
例えば５００（縦）　Ｘ５００（横）程度の画素数を有
しており、今、１００ｍｍ（縦）　ｘｌｏｏｍｍ（横）
の大きさの基板ＢａのＹ方向の凹凸形状を一度に測定し
ようとすると、検出方向であるＹ方向の分解能は、１０
０ｍｍ　１５００　＝０．２＋ｎｍ程度しか得られない
事になる。

例えば、プリント基板上に印刷されたの微小なりリーム
半田は、２００μｍ（縦）Ｘ５００μｍ（横）　Ｘ２０
０μｍ（高さ）程度の大きさを有しているため、このク
リーム半田の断面形状の検出には、少なくとも２０μｍ
程度の分解能が必要となる。

このため、検出に必要な２０μｍの分解能を確保するに
は、２０μｍ（分解能）Ｘ５００（画素数）＝ｌＯｍｍ
程度の検出幅しか得られない。

よって、Ｙ方向における１００ｍｍ幅の基板Ｂａの断面
形状を検出するには、ステージを１０ｍｍ毎に１０回移
動させなければならなく、さらに縦横ともに２０μｍの
分解能を維持しながら、基板表面全体を２次元的に検出
するには、上記の動作を繰り返しながら、ステージをＸ
方向へ２０μｍ毎に移動させなければならない。

ここで、２次元ＣＣＤが画像を取り出すために要する時
間は、通常１６．７ｍ５ｅｃ程度の必要である。

すると、２次元ＣＣＤにおいて、検出方向の任意の１画
素の位置で高さ方向の５００画素分の画像を得るために
要する時間は、１６．７ｍ５ｅｃ／　５００（画素）＝
　３３．３μｓｅｃとなる。そして、被検出面のＸＹ方
向において、２０μｍの分解能を維持しながら画像処理
には、ステージ等の移動時間を除いて、２０μｍＸ２０
μｍ の長い検出時間を要することになる。

このように、従来の装置では、大きな被検物体に対し高
分解能で被検物体表面の凹凸形状を計測するには、ＸＹ
方向でのビーム走査を複数回に分割するための機構が必
要であるのみならず、検出に要する時間が極めて長かっ
た。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、
極めて僅かな時間で被測定物体の表面形状を高い分解能
で測定できる高性能な断面形状測定装置を提供すること
を目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成するために、本発明は、第１Ａ図及び
第１Ｂ図に示す如く、被測定面Ｂ’ａに対し光束を斜入
射させて、この被測定面Ｂａからの反射光を検出手段１
．５によって検出することにょリ、被測定面Ｂａの凹凸
形状を測定する表面形状測定装置において、 平行光束供給手段（１，２）と、この平行光束供給手段
（１，２）からの平行光束を被測定面Ｂａで集光して照
射する照射対物レンズ（５，７）と、平行光束供給手段
（Ｌ　　２）と該照射対物レンズ（５，７）との間に設
けられて集光光束を被測定面Ｂａで主走査する主走査手
段４と、被測定面Ｂａからの正反射光を集光して平行光
束にする集光対物レンズ（８，１０）と、この集光対物
レンズ（８，１０）を通して主走査方向と対応する方向
と直交する方向に集光作用を有して、集光対物レンズ（
８，１０）からの平行光束を集光する集光光学系１３と
を有し、 検出手段１５は、この集光対物レンズ（８，ｌＯ）のほ
ぼ瞳位置もしくは瞳共役に設けられると共にこの集光光
学系１３の焦点位置に設けられて集光光の変位量を検出
するものである。

この上記の基本構成に基づいて、主走査手段４の振れ角
の原点は、前記照射対物レンズ（５，７）及び集光対物
レンズ（８，ｔｏ）に関して、前記集光対物レンズの瞳
とほぼ共役に配されていることが望ましい。

そして、この被測定面Ｂａの主走査方向に対して垂直方
向に副走査するための副走査手段（２０）を配置するこ
とによって、被測定面Ｂａの凹凸形状を２次元に検出す
ることができる。

また、集光対物レンズ（８，１０）と検出手段Ｉ５との
間に、この集光対物レンズ（８，１０）を通して主走査
方向に対応する方向と垂直な方向に母線を持つ円柱レン
ズを複数有して構成されて、この集光対物レンズ（８，
１０）の瞳をリレーするリレー光学系（１２，１４）を
配置する。このとき、集光光学系１５は、リレー光学系
（１２１４）と前記検出手段１５との間もしくは前記リ
レー光学系内に配置されて少なくとも１枚以上の円柱レ
ンズで構成されることがより好ましい。

〔作　用〕

本発明は、被検出面に照射する光束を所定の分解能とな
るように光束径を絞り込み、この絞り込まれた光束を被
検物体表面の所定の範囲で１次元的に主走査し、被検物
体表面からの正反射光を検出方向に集光させて、この集
光光の変位量を一次元的に検出するようにしたので、被
検物体の凹凸断面形状を高速かつ高分解能に計測できる
。

〔実施例〕

第１Ａ図は本実施例の検出方向の概略的な構成を示す側
面図であり、第１Ｂ図は本実施例の走査方向の概略的な
構成を示す正面図である。

図示の如く、基板Ｂａは、副走査手段として副走査する
ＸＹステージ２０上に載置されており、このＸＹステー
ジ２０はモーター等を有するステージ駆動系２１により
、ＸＹ方向を２次元的に移動可能である。そして、この
ＸＹステージ２０は、不図示ではあるが、各方向の位置
を検出するための干渉計、エンコーダ等のステージ位置
検出系を有している。

そして、基板Ｂａの左側上方には照射光学系が光束を所
定の入射角で斜入射させるように配置されており、基板
Ｂａの右側上方には基板表面を正反射する光束を検出す
るための検出光学系が配置されている。

まず、照射光学系を説明すると、レーザーｌからの平行
光束は、ビームエクスパンダ２で所望のビーム径に拡大
され、反射ミラー３、主走査手段としてのガルバノミラ
−（振動鏡）４を反射する。そして、第１Ａ図に示す如
く、ガルバノミラ−（振動鏡）４からの光束を斜入射さ
せるための反射ミラー６を間に挟んで、照射対物レンズ
としての第１テレセントリツクｆ・θ光学系（５，７）
が配置されており、これを介した光束は主光線が光軸と
平行となるように基板上でスポット状に集光される。

ここで、第１テレセントリツクｆ・θ光学系（５，７）
により形成されるスポット光の径ωは、第１テレセント
リツクｆ・θ光学系（５，７）の焦点距離ｆＴｌ、この
第１テレセントリツク光学系（５，７）に入射する平行
光束径φ、レーザー光の波長λで決定され、 πφ となる。そして、このビーム径ωが走査位置の分解能と
対応することになる。

さて、ガルバノミラ−４は、第１テレセントリツクｆ・
θ光学系（５，７）の瞳位置（前側焦点位置）に設けら
れ、振動駆動系２２からの駆動信号（駆動のフィードバ
ック信号）によってこの捩角の原点Ｏが矢印方向に振動
することにより、基板上のスポット光は、矢印で示す如
く、所定の範囲を１次元的にＹ方向に主走査される。

このように照射系からの照射光は、基板Ｂａを正反射し
て検出光学系に導かれる。

次に、検出光学系について説明する。

反射ミラー９を間に挟んで集光対物レンズとしての第２
テレセントリツクｆ・θ光学系（８，ｌＯ）が配置され
ている。そして、これにより集光作用を受けて再び平行
光束となり、この光学系（８，１０）の瞳位置（後側焦
点位置）に配置された絞り１１を通過する。

この絞り１１は、基板Ｂａ上から発生するノイズ光（回
折光、散乱光等）を遮光する機能を有している。

尚、第２テレセントリツクｆ・θ光学系の瞳位置は第１
テレセントリツクｆ・θ光学系（５，７）と第２テレセ
ントリツクｆ・θ光学系（８，ｌＯ）とに関してガルバ
ノミラ−４と共役になっている。

また、基板Ｂａの表面は、第１テレセントリツクｆ・θ
光学系（５，７）の後側焦点位置に配置されると共に、
第２テレセントリツクｆ・θ光学系（８，１０）の前側
焦点位置に配置されている。

さて、第１Ｂ図に示す如く、ガルバノミラ−４の主走査
により平行光束が移動する紙面方向のＹ方向（第２テレ
セントリツクｆ・θ光学系を通して主走査方向に対応す
る方向）に屈折力を持つ円柱レンズ（シリンドリカルレ
ンズ）で構成されるリレー光学系（１２，１４）が配置
されている。

そして、このリレー光学系（１２，１４）により、紙面
方向における第２テレセントリツクｆ・θ光学系（８，
１０）の瞳がリレーされ、この位置に検出手段としての
検出器１５が配置されている。

一方、第１Ａ図に示す如く、このリレー光学系（１２，
１４）の間に、ガルバノミラ−４の主走査により平行光
束が移動するＹ方向に対し垂直なＺ方向（第２テレセン
トリツクｆ・θ光学系を通して主走査方向に対応する方
向と直交する方向）に、集光作用を有する集光光学系と
しての円柱レンズ１３が配置されている。

この円柱レンズ１３は、リレー光学系（１３゜１５）に
関して第２テレセントリツクｆ・θ光学系（８，１０）
の瞳（後側焦点位置）と共役となる位置に配置された検
出器１５に紙面方向の平行光束を集光させている。

よって、基板Ｂａの表面が平坦であれば、ガルバノミラ
−４の主走査に伴って検出器１５には、入射角が変化す
るスリット状の光束が達する。

尚、リレー光学系及び集光光学系を構成する円柱レンズ
は、集光作用を持つ方向と直交した方向に母線を有して
いる。

ところで、今、基板表面に凹凸のパターンが形成されて
いると、第２図に示す如く、ガルバノミラ−４により主
走査される光束が基板に入射する入射平面内において、
この凹凸の形状に応じて基板を正反射する主光線の射出
方向が、点線で示す方向から実線で示す方向へ平行に変
位する。このため、第１Ａ図に示した如く、この変位に
伴い検出器１５上での集光位置がＺ方向に１次元的に変
位する。

ここで、基板Ｂａに対する入射角をθ１、基板Ｂａに対
する反射角をθ２とすると、反射の法則により、θ、＝
θ、となる。そして、基板Ｂａの凸部の高さをｈ１基板
Ｂａに対する入射角θ１と基板に対する反射角θ２をθ
とし、検出光学系の結像倍率をβとするとき、検出光の
集光位置の変位量Δ２は次式にて与えられる。

Δｚ＝２ｈβＳｉｎθ　−−−−−−（２１そして、こ
の検出光学系の結像倍率βは、第２テレセントリツク光
学系（８，１０）の焦点距離をｆＴ２、円柱レンズ１３
の焦点距離をｆ。

とき、 β＝　ｆ　ｃ　／　ｆ□２　　・・・・・・（３）とな
る。

よって、この（２）式より（３）式は、とする となり、この検出光の集光位置の変位量Δ２を検出器１
５により検出すれば、基板の凹凸の形状の高さｈを定量
的に検出することができる。

尚、基板面の凹凸形状等により正反射光が遮られる場合
や検出方向での所望の分解能が得られない場合があるた
め、基板面に対するスポット光の入射角を適切に設定し
なければならない。

本発明の構成は、基板面に対して斜入射するスポット光
を照射する第１テレセントリツクｆ・θ光学系と、この
基板面から反射する正反射光を集光する第２テレセント
リツクｆ・θ光学系とを有しているため、スポット光が
基板面に入射する入射角の調整は、基板面に対する両光
学系の光軸の傾きを変えることにより容易に達成される
。

さて、第２図に示す如く、信号処理手段３０により、検
出器１５により光電検出される集光光の位置信号Ｓ１は
、ガルバノミラ−４による主走査及びステージ２０によ
る副走査に同期して取り込まれる。

すなわち、この検出器１５により得られた集光光の位置
信号Ｓ１と、ガルバノミラ−４からの角度信号Ｓ２と、
ステージ２０からのステージの位置信号Ｓ、とは信号処
理手段３０中の演算部３１に同期入力される。

そして、この演算部３１は、この検出器１５により得ら
れた集光光の位置の信号Ｓ１と、ガルバノミラ−４の角
度（基板面でのＸ方向のスポット光の走査位置）の信号
Ｓ２と、ステージの位置信号Ｓ、とに基づいて、スポッ
ト光の走査毎に逐次、スポット光の反射位置の３次元的
な座標を検出したり、あるいはスポット光の走査位置毎
にこのスポット光の反射位置を逐次積分をして基板表面
の凹凸の体積を算出したりする。そして、この検出信号
は画像処理部３２中の記憶部に格納されて、画像処理部
３２は、この格納された計測情報をに基づいて画像処理
を実行し、基板表面の凹凸形状の計測結果をＣＲＴモニ
ター等の表示部３３を通して画像表示させることかでき
る。

尚、信号処理系に欠陥検出部を設け、この欠陥検出部に
、参照データを予め記憶されておき、演算部３２から出
力された基板の３次元的な座標情報及び体積情報と、こ
の参照データとを比較して、基板Ｂａの欠陥を検出して
、画像処理部３４へ出力するような構成にしても良い。

さて、本発明による基板表面の凹凸形状の検出時間は、
円柱レンズ１３によりＺ方向に１次元的に集光される光
重心の変位量Δ２を検出する検出器１５の応答時間に主
に依存することになる。

本発明の１次検出器１５としては、半導体検出素子（Ｐ
ＳＤ）、１次元ＣＣＤアレイ等が適用されていおり、こ
のＰＳＤは２　Ｍ　Ｈｚ程度の応答性を有している。そ
して、１次元ＣＣＤアレイは１画素当たり２０ＭＨｚ程
度の応答性を有しており、今基板Ｂａの高さ方向に対応
するＺ方向に１００個の素子が配列されているとすると
、１素子当たり２０ＭＨＺ　／１００画素＝０．２ＭＨ
ｚの応答時間を要する。

このため、Ｘ方向に副走査するステージ２０の移動時間
等の除いて、１００ｍｍ（縦）　Ｘ１００ｍｍ（横）の
大きさの基板Ｂａを２０μｍの分解能で基板表面の凹凸
形状検出を行うと、ＰＳＤでは、 １次元ＣＣＤアレイでは、 程度の検出時間で基板表面の凹凸形状を検出することが
可能となる。

よって、第４図で示した従来の装置の検出時間と比較し
て、本発明は１　／６．７〜１７６６、７程度となり、
大幅に検出時間の短縮を達成することができ、基板の断
面形状を高速で測定することができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、比較的に大きな基板であっても、この
基板表面の凹凸形状を、３次元的に高分解能かつ高速に
計測できるため極めて有効である。

尚、主走査手段としてはガルバノミラ−に限ることなく
、ポリゴンミラー（回転多面鏡）等を適用しても良い。

また、本発明の実施例ではステージ２０を副走査手段と
しているが、ビームエクスパンダ２と第１テレセントリ
ツク光学系との間に、こ主走査手段が設けられる第１テ
レセントリツク光学系の瞳位置をリレーするリレー光学
系を配置し、このリレー光学系に関し主走査手段と共役
となるように副走査手段を配置しても良い。このとき、
副走査手段として、ガルバノミラ−、ポリゴンミラー等
を適用しても良いことは言うまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図は本実施例の概略的な構成を示す側面図であり
、第１Ｂ図は本実施例の概略的な構成を示す正面図であ
る。第２図は本実施例のブロック図である。第３図は凹
凸表面を有する基板に光束を照射することにより、正反
射光が変位する様子を示す図である。第４図は従来の装
置の概略的な構成を示す斜視図である。 〔主要部分の符号の説明〕 ４・・・ガルバノミラ−（主走査手段）５．７・・・第
１テレセントリツクｆ・θ光学系（照射対物レンズ） ９、１１・・・第２テレセントリツクｒ・θ光学系（集
光対物レンズ） １３、　１５・・・円柱レンズ（リレー光学系）１４・
・・円柱レンズ（集光光学系） １６・・・検出器（検出手段）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）被測定面に対し光束を斜入射させて、前記被測定面
   からの反射光を検出手段によって検出することにより、
   前記被測定面の凹凸形状を測定する表面形状測定装置に
   おいて、 平行光束供給手段と、該平行光束供給手段からの平行光
   束を前記被測定面で集光して照射する照射対物レンズと
   、前記平行光束供給手段と該照射対物レンズとの間に設
   けられて前記集光光束を前記被測定面で主走査する主走
   査手段と、前記被測定面からの正反射光を集光して平行
   光束にする集光対物レンズと、該集光対物レンズを通し
   て主走査方向に対応する方向と垂直な方向に集光作用を
   有して前記集光対物レンズからの平行光束を集光する集
   光光学系とを有し、 前記検出手段は、前記集光対物レンズのほぼ瞳位置もし
   くはほぼ略瞳共役に設けられると共に該集光光学系の焦
   点位置に設けられて前記集光光の変位量を検出すること
   を特徴とする表面形状測定装置。 ２）前記主走査手段の振れ角の原点は、前記照射対物レ
   ンズ及び集光対物レンズに関して、前記集光対物レンズ
   の瞳とほぼ共役であることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の断面形状測定装置。 ３）前記被測定面の前記主走査方向に対して垂直方向に
   副走査するための副走査手段とを有することを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項または第２項記載の断面形状測
   定装置。 ４）前記集光対物レンズと前記検出手段との間に、前記
   集光対物レンズを通して主走査方向に対応する方向と垂
   直な方向に母線を有する円柱レンズを複数有して構成さ
   れて前記集光対物レンズの瞳をリレーするリレー光学系
   を配置し、 前記集光光学系は、前記リレー光学系と前記検出手段と
   の間もしくは前記リレー光学系内に配置されて少なくと
   も１枚以上の円柱レンズで構成されることを特徴とする
   特許請求の範囲第３項記載の断面形状測定装置。