JPH10171974A - パターン読み取り装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 照明光の一部が対物レンズのレンズ面で反射
されてゴースト光となるため、このゴースト光が読み取
り対象であるパターンの結像位置に達した場合、パター
ン像のコントラストが低下して読み取り精度が悪くなる
という問題がある。 【解決手段】 照明部１０から発した光は対物レンズ２
０を透過することにより平行光となり、シリコンウェハ
ー１の表面１ａを斜め方向から照明する。表面１ａで反
射された光束は、再度対物レンズ２０を透過して検出部
３０側に向かう収束光となり、空間フィルター３１に達
する。表面１ａからの反射光のうち空間フィルター３１
を透過した散乱反射成分は、結像レンズ３２を介して撮
像素子３３上に表面１ａに刻印されたパターンの強調像
を形成する。対物レンズ２０は、その光軸に垂直な回動
軸Ｒｘ回りに回動調整可能であり、ゴースト光がパター
ン像に重ならないよう調整することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、対象面上に付さ
れたパターンを読み取るパターン読み取り装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】パターンが形成された対象面を照明し、
この対象面からの反射光によりパターンの像を形成する
タイプのパターン読み取り装置としては、従来から反射
型顕微鏡や反射型パターン投影装置が知られている。こ
れらの装置の光学系では、照明光を対物レンズを介して
対象物に入射させ、対象物からの反射光を再度対物レン
ズを介して像面に直接、あるいは結像レンズを介して導
く。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の反射型の光学装置では、照明光の一部が対物レ
ンズのレンズ面で反射されてゴースト光となるため、こ
のゴースト光が読み取り対象であるパターンの結像位置
に達した場合、パターン像のコントラストが低下して読
み取り精度が悪くなるという問題がある。また、対象面
に多少のうねり、ざらつきがある場合なども読み取りが
困難になる。

【０００４】この発明は、上述した従来技術の問題点に
鑑みてなされたものであり、照明光の一部が対物レンズ
のレンズ面で反射する場合、あるいは対象面に多少のう
ねりやざらつきがある場合にも、パターン像のコントラ
ストを低下させずに読み取りが可能なパターン読み取り
装置を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この発明にかかるパター
ン読み取り装置は、上記の目的を達成させるため、光源
から発した光束を対物レンズを介して読み取り対象であ
るパターンが付された対象面に入射させ、対象面で反射
された光を対物レンズを介して収束させると共に、結像
レンズによりパターンの像を形成して読み取るパターン
読み取り装置において、対物レンズをその光軸に対して
垂直な回動軸回りに回動可能に支持するティルト機構を
備えたことを特徴とする。

【０００６】光源としては、微少面積を有する光源を用
いることができる。また、光源と結像レンズとを対物レ
ンズの光軸を挟んで互いに異なる側に配置することがで
き、光源を、照明光を対象面に対して斜めに入射させる
位置に設けることができる。この場合、回動軸は、照明
光の主光線に対して垂直、かつ、結像レンズの光軸に対
して垂直であることが望ましい。

【０００７】所定のフィルタリング効果を得るために
は、対物レンズと結像レンズとの間の光路中に、光源の
像を形成する光束を遮光する遮光領域を有する空間フィ
ルタを配置することができる。対物レンズが球面収差を
持つ場合には、空間フィルターは、対物レンズを介して
形成される光源の近軸像点より対物レンズ側に配置する
ことが望ましい。なお、読み取ったイメージを加工し、
あいるは他の表示装置に表示させるためには、パターン
像の結像位置に、パターンを読み取る撮像素子を配置す
ればよい。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、この発明にかかるパターン
読み取り光学系の実施形態を説明する。ここでは、最初
に図１に基づいて発明の基本構成について説明し、続い
て、図２から図５に基づいてこの発明のパターン読み取
り光学系を反射型の対象物を読み取る装置に適用した実
施形態について説明し、さらに、図６から図１１に基づ
いて実施形態の光学系を適用した装置の機械的な構成例
について説明する。

【０００９】図１(Ａ)は、この発明の第１の態様の基本
構成を示す光学系の説明図である。図示せぬ光源からの
光束はピンホール板１２により微少面積を有する光源と
なり、対物レンズ２０を介して反射型の被検査物Ｏに対
して斜めに入射する。被検物Ｏで反射された光束は、対
物レンズ手段２０を介して収束され、結像レンズ３２に
より撮像面３３ａ上に被検物のパターン像を形成する。
対物レンズ２０は、その光軸Ａｘと垂直な回動軸Ｒｘを
回動中心として回動可能に支持されている。

【００１０】ピンホール板１２側から対物レンズ２０に
入射する照明光の一部は、対物レンズ２０のレンズ面で
表面反射して結像レンズ３２にゴースト光として入射す
る。このゴースト光がパターン像の位置に重なると、パ
ターン像のコントラストが低下して読み取りが困難とな
る。そこで、このような場合には、対物レンズ２０を回
動させてゴースト光の反射方向を変える。対物レンズ２
０の回動は、ゴースト光の反射方向の変化に関しては高
い感度を持つが、被検物Ｏからの正規の光束である透過
光の方向の変化に関しては感度が弱いため、パターン像
の位置をほとんど変化させることなくゴースト光が達す
る位置を変えることができる。

【００１１】図１(Ｂ)は、この発明の第２の態様の基本
構成を示す光学系の説明図である。この例では、ピンホ
ール板１２からの光束が対物レンズ２０を介して被検物
Ｏに対して垂直に入射するよう構成されると共に、被検
物Ｏからの反射光の一部は対物レンズ２０を透過し、ハ
ーフミラー４０により反射されて結像レンズ３２に入射
する。この例でも、図１(Ａ)の場合と同様に対物レンズ
２０が回動軸Ｒｘ回りに回動可能であり、ゴースト光が
撮像面３３ａ上でパターン像と重ならないよう調整する
ことが可能である。

【００１２】なお、この種のパターン読み取り装置の光
学系を空間フィルターを利用したフィルタリング光学系
として構成した場合、対物レンズを回動させることによ
る効果は、上記のゴースト光の方向のコントロールの他
に、空間フィルター上に形成される光源の像のコントロ
ールにも利用することができる。図１(Ｃ),(Ｄ)は、こ
の発明の第３の態様の基本構成を示すフィルタリング光
学系の説明図である。図示せぬ光源からの光束はピンホ
ール板１２により微少面積を有する光源となり、第１の
レンズ手段２１を介して透過型の被検査物Ｏに入射す
る。被検物Ｏを透過した光束は、第２のレンズ手段２２
を介して空間フィルター３１に入射し、これを透過して
結像レンズ３２により撮像面３３ａ上に被検物の強調像
を形成する。空間フィルター３１は、光源の像を形成す
る光束を遮光する遮光領域を有するフィルタであり、光
源の近軸像面ＩＭより第２のレンズ手段２２側に配置さ
れている。第２のレンズ手段２２は、図中の矢印で示し
たように光軸と直交する回動軸Ｒｘ回りに回動調整可能
に支持されている。

【００１３】図１(Ｃ)は、被検物Ｏの表面が均質でない
場合を示している。この場合には、光源の像の形状がピ
ンホールの形状に一致せずに変形し、空間フィルター３
１の遮光領域に一致しない可能性がある。ここで、第２
レンズ群２２を回動させると、コマ収差が変化するため
に光源の像の形状が変化し、回動角度によって光源の像
が遮光領域に一致する場合がある。

【００１４】図１(Ｄ)は、被検物Ｏがプリズム作用を持
つ場合を示している。この場合には、被検物Ｏを射出す
る光束が図中上側に偏向されるため、光源の像が図中上
側に移動し、空間フィルター３１の遮光領域により遮る
ことができない可能性がある。そこで、この例では、第
２のレンズ手段２２をレンズの中心を軸として図中反時
計回りに所定の鋭角回動させる。この第２のレンズ手段
２２の回動により被検物Ｏのプリズム作用による光源の
像位置の移動を相殺することができ、光源の像を形成す
る光束はプリズム作用がない場合と同様に空間フィルタ
ー３１により遮光される。

【００１５】なお、図１(Ｃ),(Ｄ)の例では、第２のレ
ンズ手段２２が有する球面収差、そして、軸外光により
生じるコマ収差、像面湾曲による影響を考慮し、光源の
像の広がりが近軸像点における広がりより小さくなる位
置に空間フィルター３１が配置されている。これによ
り、従来より小さい遮光領域で被検物表面で散乱されず
に被検物を透過した光線を遮ると共に、被検物Ｏからの
散乱成分を透過させることができる。具体的には、第２
のレンズ手段２２の最終面から空間フィルター３１まで
の距離Ｌが、第２のレンズ手段２２の焦点距離ｆoに対
して、０．６０ｆo＜ Ｌ ＜ ０．９５ｆoの条件を満た
す位置に配置される。この範囲では、光源像の広がりが
近軸像点における広がりより小さくなるため、遮光領域
を従来より小さくすることができる。実際の光学系に適
用する場合には、光線追跡により光源の像の大きさが最
小となる位置を求め、その位置に配置することが望まし
い。

【００１６】図２は、この発明を反射型の対象物の読み
取り光学系に適用した実施形態にかかるパターン読み取
り光学系の構成を示す概略図である。ここでは、シリコ
ンウェハーを読み取り対象としている。

【００１７】半導体部品の製造工程では、シリコンウェ
ハー等の半導体基板にエッチングや蒸着等のプロセスを
繰り返すことにより半導体層を積層する。シリコンウェ
ハーには、一般に部品生成プロセスの前段階でシリアル
番号がレーザーエッチングにより付され、以下の工程は
このシリアル番号により管理される。シリコンウェハー
は鏡面加工されており、シリアル番号を読み取る際には
ウェハーを光にかざして斜めから見る等の方法によらな
ければ十分に認識することができず、また、エッチング
や蒸着等のプロセスが進むにしたがって文字品質が劣化
するため、最終プロセスに近いウェハーのシリアル番号
は特に判読が困難になる。

【００１８】実施形態の光学系は、このようなシリコン
ウェハー上に形成されたシリアル番号等の不鮮明なパタ
ーン、特にエッチングや蒸着等のプロセスを経て劣化し
たパターンを読み取ることができるよう構成されてい
る。

【００１９】図中の符号１はシリコンウェハーであり、
その鏡面加工された表面１ａには読み取り対象となるパ
ターンとしてシリアル番号がレーザーエッチングにより
刻印されている。装置の光学系は、照明部１０、対物レ
ンズ２０、検出部３０から構成されている。対物レンズ
２０は、基準状態でその光軸Ａｘが反射面である表面１
ａに対して垂直となるよう配置されており、対物レンズ
２０の光軸に対して垂直な回動軸Ｒｘを回動中心として
図中矢印で示したように回動可能とされている。照明部
１０と検出部３０とは、基準状態での対物レンズ２０の
光軸Ａｘを挟んでほぼ対称に配置されている。

【００２０】照明部１０は、ハロゲンランプ等を用いた
光源１１と、この光源からの光の一部を透過させるピン
ホール１２ａが形成されたピンホール板１２とを備え、
微少面積を有する光源を構成している。光源１１とピン
ホール板１２との間には、ランプのフィラメントの像の
影響をなくすため、拡散板１３が配置されている。検出
部３０は、空間フィルター３１と、結像レンズ３２、そ
して、ＣＣＤイメージセンサ等の撮像素子３３とから構
成されている。図２の例では、検出部３０が表面１ａか
らの正反射成分の反射方向の延長上に配置されている。

【００２１】この例では、回動軸Ｒｘは、照明光の主光
線Ａｘ1に対して垂直な平面と、結像レンズ３２の光軸
Ａｘ2に対して垂直な平面との交線に対して平行であ
る。対物レンズ２０の回動範囲は、基準状態を中心とし
て±４５度程度を確保すれば十分である。

【００２２】光源から発して対物レンズ２０を介して表
面１ａに達した光束は、表面１ａで反射されて対物レン
ズ２０を再度透過して空間フィルター３１に入射する。
この例では、シリコンウェハー１に対して照明光を平行
光として入射させるように、微少面積を有する光源とな
るピンホール１２ａが対物レンズ２０の前側焦点位置に
配置されている。光源から発した光は対物レンズ２０を
透過して平行光となり、シリコンウェハー１の表面１ａ
を斜め方向から照明する。表面１ａに達した照明光は、
刻印されたパターン部分では散乱反射され、それ以外の
部分では正反射する。

【００２３】表面１ａで反射された光束は、再度対物レ
ンズ２０を透過して検出部３０側に向かう収束光とな
り、空間フィルター３１に達する。空間フィルター３１
は、結像レンズ３２と対物レンズ２０との間の光路中
で、対物レンズ２０により形成される光源の像より対物
レンズ２０側に配置されている。空間フィルター３１
は、図３に示されるように結像レンズ３２の瞳の中心部
を覆う遮光領域３１ｂを有する。微少面積を有する光源
である照明部１０から発した照明光のうちの表面１ａで
正反射した成分は、空間フィルター３１上で遮光領域３
１ｂにほぼ収束して遮られる。

【００２４】表面１ａからの反射光のうち空間フィルタ
ー３１を透過した散乱反射成分は、結像レンズ３２に入
射する。結像レンズ３２は、シリコンウェハー１の表面
１ａと撮像素子３３とを共役にするパワーを有してお
り、撮像素子３３上には、空間フィルター３１を透過し
た散乱反射成分により表面１ａに刻印されたパターンの
像が形成される。撮像素子３３は、形成されたパターン
の像の情報を電気信号に変換して出力し、図示せぬ画像
処理装置に入力させる。画像処理装置は、入力された画
像信号に基づいてパターンの像をディスプレイ画面上に
表示したり、文字認識のアルゴリズムを用いてパターン
の内容を解析する。

【００２５】なお、光源部１０は、光源の像の位置を空
間フィルター３１の遮光領域３１ｂに対して調整するた
め、照明光の主光線Ａｘ1と交差する面内、この例では
対物レンズの基準時の光軸Ａｘに対して垂直な面内で光
軸Ａｘに対して離反し、あるいは接近する方向に調整可
能である。

【００２６】さらに、結像レンズ３２と撮像素子３３と
は、結像倍率を変化させるために結像レンズの光軸Ａｘ
2に沿って移動できるよう構成されている。また、この
結像レンズの移動による倍率変更を可能とするため、対
物レンズと対象面である表面１ａとの距離Ｘが０＜Ｘ＜
０．７ｆoの条件を満たすよう設定されている。すなわ
ち、前述した図１(Ａ)の構成では、Ｘ＝ｆoであり、破
線で示す被検物の一点から出た光線が平行光となるた
め、結像レンズ３２を移動させても倍率を変えることは
できないが、上記の条件を満たすことにより被検物の一
点から出た光線が非平行となり、結像レンズ３２を光軸
方向に移動させることにより結像倍率を変化させること
ができるようになる。

【００２７】図２の例では、前述したように検出部３０
が表面１ａからの正反射成分の反射方向の延長上に配置
されているため、空間フィルター３１が設けられていな
い場合には、正反射成分が結像レンズに入射する。しか
しながら、正反射成分はパターンの情報をほとんど持た
ない成分であり、かつ、強度が大きいため、正反射成分
が撮像素子に取り込まれるとパターンに関する情報のＳ
／Ｎ比が低下してパターンの検出が困難となる。そこ
で、この例では空間フィルター３１を用いて正反射成分
を除去し、散乱反射成分のみが撮像素子に取り込まれる
ようにすることにより、パターンに関する情報のＳ／Ｎ
比を向上させ、パターンの認識、識別が容易になるよう
構成している。撮像素子上に形成される強調像は、スペ
クトルの低周波成分が抑えられて主として高周波成分に
より形成される像であり、実際にはパターンの部分が強
調された像となる。

【００２８】光源１１からの照明光が対物レンズ２０の
表面で反射されて発生したゴースト光が結像レンズ３２
に入射した場合、撮像素子３３上のパターン像の位置と
ゴースト光とが重なると、パターン像のコントラストが
低下して読み取りが困難となる。このような場合には、
対物レンズ２０を回動させてゴースト光がパターン像に
重ならないよう調整することにより、コントラストの低
下を防止し、パターンの正確な読み取りが可能となる。

【００２９】表面１ａでの散乱反射光の分布に偏りがあ
る場合には、光源の像の形状が変化して空間フィルター
３１の遮光領域３１ｂから外れる可能性がある。このよ
うな場合にも、対物レンズ２０を回動させることにより
コマ収差をコントロールして光源の像の形状を変化させ
ることができる。また、表面１ａが傾きを持つ場合に
は、光源部１０の位置を調整して光源の像の位置を調整
することにより、光源の像のできる位置を遮光領域３１
ｂに一致させることができる。

【００３０】図４は、図２の光学系を展開して示す光路
図である。ピンホール板１２から射出された光束が対物
レンズ２０により平行光となり、表面１ａで反射(図中
では透過)されて再度対物レンズ２０に入射し、収束光
として空間フィルター３１を透過し、結像レンズ３２を
介して撮像素子３３上にパターンの像を形成する。図２
の光学系は、図４の光学系の表面１ａを境とする一方側
を折り返すことにより構成されるものである。この例で
は、表面１ａは対物レンズ２０の焦点位置より対物レン
ズに近接しており、表面１ａの一点からの反射光線は、
図１に示すような平行光ではなく発散光として結像レン
ズ３２に入射する。

【００３１】なお、結像レンズ３２の焦点距離は、読み
取り対象であるシリアル番号の文字列の長さと撮像素子
の撮像面のサイズとにより決定される画角と撮影倍率、
全体の大きさ(移動量)等から求められる。一方、対物レ
ンズ２０の焦点距離は、結像レンズ３２の焦点距離と結
像倍率により決定される表面１ａと結像レンズ３２との
距離に基づいて決定される。

【００３２】図５は、文字列の長さを２ｃｍ、撮像素子
の撮像面のサイズを対角１／２インチであると想定した
場合の設計例を示す光学系の説明図である。この例で
は、結像レンズ３２の焦点距離は５０ｍｍ、対物レンズ
２０の焦点距離ｆoは２２０ｍｍである。また、ピンホ
ール１２ａからシリコンウェハー１の表面１ａまでの距
離ａは約２７０ｍｍ、対物レンズ２０から表面１ａまで
の距離ｂは約５０ｍｍ、対物レンズ２０の最終面から空
間フィルター３１までの距離Ｌは約１９０ｍｍとなる。
したがってこの例では、対物レンズ２０の最も空間フィ
ルター側の面と空間フィルターとの距離Ｌを定める条件
０．６０ｆo ＜ Ｌ ＜ ０．９５ｆoは、おおよそ１３０
ｍｍ＜Ｌ＜２１０ｍｍとなる。また、対物レンズと対象
面である表面１ａとの距離Ｘを定める条件０＜Ｘ＜０．
７ｆo は、０＜Ｘ＜１５４ｍｍとなる。

【００３３】次に、上述した光学系を組み込んだ装置の
具体的な機械的構成について図６、図７を参照して説明
する。なお、説明のため、図中対物レンズの基準状態で
の光軸と平行なｘ方向、ｘ方向と垂直な面内で互いに直
交するｙ方向とｚ方向とを定義する。照明光の主光線Ａ
ｘ1と結像レンズの光軸Ａｘ2とは、ｘ−ｚ平面に含まれ
る。

【００３４】実施形態のパターン読み取り装置は、検査
対象であるシリコンウェハーが一点鎖線で示した基準位
置Ｔに載置されるベースフレーム１００と、このベース
フレーム１００上にベアリング１１０を介して設けら
れ、ベースフレーム１００に対して図中ｙ方向にスライ
ド可能に設けられた可動フレーム２００とを備える。

【００３５】可動フレーム２００の移動は、図７に示す
ボールネジを用いたフレーム駆動機構２１０により実現
される。フレーム駆動機構２１０は、ベースフレーム１
００に固定されたネジ支持部１０２に回転調整可能に配
置されたボールネジ２１１と、可動フレーム２００の水
平保持板２０１(ｙ−ｚ平面に平行)に固定された螺合部
材２１２とから構成されている。ボールネジ２１１は、
ベース側に形成された検査者が操作する操作つまみ２１
１ａと、可動フレーム側に突出する部分に形成されたネ
ジ部２１１ｂとを備えている。ボールネジ２１１のネジ
部２１１ｂは、螺合部材２１２に形成されたネジ孔に螺
合しており、ベースフレーム１００側の操作つまみ２１
１ａを持ってボールネジ２１１を回転させると、可動フ
レーム２００が図中ｙ方向にスライドする。

【００３６】可動フレーム２００の水平保持板２０１に
は、対物レンズ２０を回動可能に保持するティルト機構
２２０が配置されると共に、この水平支持板２０１から
鉛直に立ち上げられた支柱２０２には垂直保持板２０３
(ｘ−ｚ平面に平行)が固定されている。垂直保持板２０
３には、微少面積を持つ光源を構成する光ファイバー１
１ｄ及びピンホール板１２と、結像レンズ３２が内蔵さ
れた鏡筒３２Ａと撮像素子３３が内部に設けられたＣＣ
Ｄユニット３３Ａから構成される撮像ユニット３２０と
が固定されている。可動フレーム２００の水平保持板２
０１、ベースフレーム１００、ティルト機構２２０の基
板２２１には、光源１１からのシリコンウェハーに導
き、また、シリコンウェハーからの反射光を撮像ユニッ
ト３２０に導くための光路孔１００ａ,２０１ａ,２２１
ａがそれぞれ一致した位置に形成されている。

【００３７】ティルト機構２２０は、支柱２０２、およ
びこれと平行に水平保持板２０１に立設された支持部材
２０４(図６参照)との間に架設された基板２２１と、こ
の基板２２１の下方に延設された軸受け部２２２(図７
参照)とを備えている。対物レンズ２０は、ｚ方向の回
動軸２２３ａを持つレンズ枠２２３に収納されており、
このレンズ枠２２３は、回動軸２２３ａにより軸受け部
２２２に回動可能に取り付けられている。レンズ枠２２
３の回動軸の両端は、軸受け部２２２から突出してお
り、フレーム駆動機構２１０側に突出した端部には従動
プーリー２２４が固着され、他方側に突出した端部には
エンコーダ用の回転板２２５が固着されている。

【００３８】レンズ支持機構２２０の基板２２１上に
は、レンズ駆動用モータ２２６が取り付けられており、
このモータ２２６の回転軸に固定された駆動プーリー２
２６ａと従動プーリー２２４との間にはタイミングベル
ト２２７が掛け渡されている。エンコーダは、回動軸に
取り付けられた回転板２２５と、この回転板２２５を挟
んで発光素子と受光素子とを配置して構成されるフォト
インタラプタ２２８とから構成されている。回転板２２
５には、周方向の一カ所にスリットが形成されており、
対物レンズ２０が初期位置に設定された際に発光素子か
ら発した光束がスリットを介して受光素子により検出さ
れるよう調整されている。対物レンズ２０の初期位置
は、この例では対物レンズ２０の光軸Ａｘが理想的な対
象面(傾きのない平面)に対して垂直となる位置である。

【００３９】光源１１は、ハロゲンランプ１１ａ、ハロ
ゲンランプ１１ａから発する収束光の熱線をカットする
赤外線カットフィルター１１ｂ、フィルターを透過した
収束光をほぼ平行光にする負レンズ１１ｃ、そして、こ
の負レンズを介して光が入射する光ファイバー１１ｄか
ら構成されている。ピンホール板１２は、光ファイバー
の射出側の端部を保持する保持部１２１が一体に形成さ
れたピンホールユニット１２０として構成され、このユ
ニットにピンホール板１２に対して垂直に形成された取
り付け板部１２２を介して垂直保持板２０３にボルト１
２３,１２３により取り付けられている。取り付け板部
１２２に形成された固定用の長孔１２４,１２４は、照
明光の主光線Ａｘ1に対して垂直な面内に延びており、
ボルト１２３を緩めることにより、この面内でユニット
１２０が一体として撮像ユニット３２０に接近し、ある
いは離反する方向に移動できるよう構成されている。

【００４０】なお、この例では、ファイバー１１ｄは一
般に市販されている直径５ｍｍ程度の光ファイバーであ
り、これを微少面積を有する光源とするためのピンホー
ルを用いているが、ファイバーの直径が１ｍｍ〜２ｍｍ
であれば、ピンホールは不要である。また、ファイバー
１１ｄの端面から射出する光束の密度に偏りがある場合
には、ファイバー端面とピンホールとの間に拡散板を配
置することが望ましい。

【００４１】空間フィルター３１は、この例では垂直保
持板２０３に固定されたフィルターホルダー１３０を介
して固定して設けられている。なお、対物レンズ２０が
実施形態のような球面単レンズである場合、球面収差が
必ず残存する。また、レンズに対して光束が斜めに入射
するため、コマ収差と像面湾曲とも発生する。そしてこ
れらの収差の影響により、光源の像を形成する光線が一
点に集まらずに拡散し、その拡散の度合いは光源の近軸
像点ではかなり大きくなる。したがって、空間フィルタ
ー３１がこの近軸像点に配置されている場合には、確実
なフィルタリングのために遮光領域を大きく確保する必
要があり、像の光量が低下する。そこで、実施形態の装
置では、空間フィルター３１が近軸像点より対物レンズ
２０側であって、対物レンズ２０により形成される光源
の像の広がりが最小となる位置に配置されている。

【００４２】撮像ユニット３２０は、垂直保持板２０３
に結像レンズ３２の光軸Ａｘ2方向に沿って形成された
長孔２０５を介してボルト３２１により垂直保持板２０
３に取り付けられており、ボルト３２１を緩めることに
より光軸Ａｘ2方向に沿ってスライド調整可能である。
すなわち、図７に示すように、長孔２０５は幅広の第１
段部２０５ａが撮像ユニット３２０側に板厚のほぼ半分
の深さで形成されると共に、この第１段部２０５ａの幅
方向の中央に、第１段部から垂直保持板２０３を貫通し
て幅狭の第２段部２０５ｂが形成されて構成されてい
る。撮像ユニット３２０には、取り付け用の２つのアー
ム３２２が形成されており、それぞれのアーム３２２の
先端に第１段部２０５ａより小径で第２段部より大径の
ワッシャー３２３を介在させてボルト３２１が垂直保持
板２０３の反対側から螺合している。上記の構成によ
り、撮像ユニット３２０は、一体として結像レンズ３２
の光軸Ａｘ2方向に移動可能であり、かつ、結像レンズ
３２は図示せぬ鏡筒の調整機構により光軸方向に調整可
能である。上記の２つの調整により、結像倍率を変化さ
せることが可能となる。

【００４３】実施形態の装置では、結像レンズ２０の焦
点より手前にシリコンウェハーが位置するよう位置Ｔが
定められており、シリコンウェハーの表面の一点からの
反射光線は、発散光として結像レンズ３２に入射する。
このため、実施形態の構成によれば結像レンズ３２を光
軸方向に移動させることにより、結像倍率を変化させる
ことができる。なお、倍率を変化させるために結像レン
ズを移動させると、撮像素子３３に対するパターンの合
焦状態も変化することとなる。

【００４４】そこで、パターンの合焦状態を維持しつつ
倍率を変化させるため、結像レンズ３２と撮像素子３３
とが図８に示す軌跡に沿って移動するようそれぞれの位
置を調整する。図８は、図中の上方向から下方向に向け
て倍率が漸次高くなる位置を示し、物体面であるシリコ
ンウェハーの表面を不動として、結像レンズ３２と撮像
素子３３とが設定されるべき位置を示している。すなわ
ち、任意の水平方向の直線が各軌跡線と交差する位置に
結像レンズ３２と撮像素子３３とがそれぞれ位置すると
きに、その倍率でピントの合うパターン像が撮像素子３
３上に形成されることを意味している。

【００４５】パターンを読み取る際には、シリコンウェ
ハーを図６及び図７の一点鎖線で示した基準位置Ｔに配
置し、ハロゲンランプ１１ａを点灯させて撮像素子３３
を駆動して画像信号を読み取る。光ファイバー１１ｄの
射出側の端面から射出した光は、ピンホール板１２の中
央に形成されたピンホール１２ａを通って照明光として
対物レンズ２０に斜めに入射し、対物レンズを透過して
対象面であるシリコンウェハーに達する。シリコンウェ
ハーには、文字、記号等のパターンが形成されている
が、装置にセットする際には、パターン配列の長手方向
がｙ方向に一致するように位置決めする。

【００４６】シリコンウェハーの表面で反射された光束
は、再度対物レンズ２０を透過して撮像ユニット３２０
側に向かう。空間フィルター３１の位置で光束中の軸上
領域を通る光線は空間フィルター３１の遮光部３１ｂに
より遮断され、周囲の部分のみが撮像ユニット３２０に
入射する。撮像ユニット３２０の撮像素子３３上には、
軸外光によりパターンの強調像が形成される。対物レン
ズ２０の表面反射によるゴースト光がパターン像に重な
る場合には、レンズ駆動モータ２２６を制御して対物レ
ンズ２０の傾きを変化させる。

【００４７】また、シリコンウェハーの表面に傾きがあ
る場合には、傾きがない場合と比較して反射の方向が変
化するため、光源の像が空間フィルター３１の遮光領域
３１ｂに一致しない可能性がある。このような場合に
は、シリコンウェハーの表面からの鏡面反射成分が撮像
素子３３に達するため、正確な強調像を形成できず、パ
ターンの読み取りが困難になる可能性がある。このよう
な場合には、ピンホールユニット１２０を調整すること
により誤差による影響を補償することができる。すなわ
ち、この例では、ピンホールユニット１２０が照明光の
主光線Ａｘ1と垂直な面内で撮像ユニット３２０に対し
て離反、接近可能であるため、このピンホールユニット
１２０の位置を適宜調整することにより、光源の位置を
調整し、遮光領域３１ｂ上に光源の像ができるようにす
ることができる。

【００４８】なお、光源の像の位置を調整するために
は、シリコンウェハー自体の傾きを調整するようにして
もよいが、逐次交換されて検査される対象物側に傾き機
構を設けるのは機構の複雑化を招くこと、そして、反射
面の傾きを調整することによる光束の反射方向の制御は
調整の感度が高すぎて微少な調整が困難であることの理
由から、実施形態の装置ではピンホールユニット１２０
を調整する構成を採用している。

【００４９】図９は、ピンホールユニットを調整するた
めの他の構成例を示す説明図である。この例では、ｚ方
向に延びるガイド溝１２５ａが形成されたレール部材１
２５が可動フレーム(図示せず)に固定されており、ピン
ホール板１２とファイバー１１ｄの射出側の端部とが固
定されたピンホールユニット１２０ａが、このガイド溝
１２５ａに沿ってｚ方向に移動できるよう取り付けられ
ている。ピンホールユニットは、図６の例のように照明
光の主光線Ａｘ1に対して垂直な面内で移動できるよう
にしてもよいし、この例のように対物レンズ２０の光軸
Ａｘに対して垂直な面内で移動できるようにしてもよ
い。

【００５０】光源の調整は、光源の像と空間フィルター
３１の遮光領域３１ｂとの相互の位置関係の調整を目的
とするため、光源側のみでなく、空間フィルター３１の
位置を調整するようにしてもよい。空間フィルター３１
の位置を調整可能とするための機構の一例を図１０およ
び図１１に示す。図１０(Ａ)は可動枠の平面図、(Ｂ)は
そのＢ−Ｂ線に沿う断面図であり、図１１は可動枠を固
定レールに組み付けた様子を示す平面図である。図示さ
れるように、所定の距離をおいて開口を互いに内側に向
けて平行に配置された断面「コ」字状の２本のレール部
材１３１ａ,１３１ｂと、これらのレール部材の間に両
端近くで渡された２本の梁部材１３２ａ,１３２ｂとか
ら矩形の可動枠を形成し、空間フィルター３１をレール
部材１３１ａ,１３１ｂのコ字状の開口に挿入してし抑
えネジ１３３で固定する。可動枠には、四方の端部にガ
イドピン１３４が設けられており、これらのガイドピン
１３４をそれぞれガイド溝１３６ａ,１３６ｂが形成さ
れた２本の固定レール１３５ａ,１３５ｂに係合させて
取り付ける。

【００５１】図１０の構成によれば、可動枠にはめ込ま
れた空間フィルター３１は可動枠に対して図中のＹ方向
に移動可能であり、この可動枠はさらに固定レールに取
り付けられてＺ方向に移動可能である。したがって、こ
れらの機能をあわせることにより、空間フィルターはＹ
−Ｚ平面内で位置調整が可能となる。この調整により、
空間フィルター３１の遮光領域３１ｂの位置を調整し、
遮光領域３１ｂ上に光源の像ができるようにすることが
できる。

【００５２】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、対物レンズでの表面反射が観察の妨げとなる場合、
対象物がプリズム作用を持つ場合、あるいは反射型の対
象物の反射面が傾いている場合には、対物レンズをその
光軸に対して垂直な回動軸回りに所定角度傾けることに
より、像の形成位置を変更して所望のフィルタリング出
力像を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の基本構成を示す光学系の説明図で
ある。

【図２】 実施形態にかかるパターン読み取り装置の光
学系を概念的に示す説明図である。

【図３】 空間フィルターの例を示す平面図である。

【図４】 図２の光学系を反射面で展開して示す光路図
である。

【図５】 実施形態の光学系の設計例を示す説明図であ
る。

【図６】 図５の光学系を適用したパターン読み取り装
置の具体的な機械系の構成を示す正面図である。

【図７】 図６の装置を９０度異なる方向から見た側面
図である。

【図８】 倍率を調整するための結像レンズと撮像素子
との移動軌跡を示す説明図である。

【図９】 ピンホールユニットを調整するための他の構
成例を示す説明図である

【図１０】 空間フィルターの取り付け部分の他の構成
例を示す説明図であり、(Ａ)は可動枠の平面図、(Ｂ)は
そのＢ−Ｂ線に沿う断面図である。

【図１１】 図１０の空間フィルターの取り付け部分の
全体を示す平面図である。

【符号の説明】

１１ 光源 １２ ピンホール板 １２ａ ピンホール ２０ 対物レンズ Ｒｘ 回動軸 ３１ 空間フィルター ３２ 結像レンズ ３３ 撮像素子

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源から発した光束を対物レンズを介し
   て読み取り対象であるパターンが付された対象面に入射
   させ、前記対象面で反射された光を対物レンズを介して
   収束させると共に、結像レンズにより前記パターンの像
   を形成して読み取るパターン読み取り装置において、前
   記対物レンズを、前記対物レンズの光軸に対して垂直な
   回動軸回りに回動可能に支持するティルト機構を備える
   ことを特徴とするパターン読み取り装置。
2. 【請求項２】 前記光源は、微少面積を有する光源であ
   ることを特徴とする請求項１に記載のパターン読み取り
   装置。
3. 【請求項３】 前記光源と前記結像レンズとは前記対物
   レンズの光軸を挟んで互いに反対側に配置されており、
   前記光源は、前記照明光を前記対象面に対して斜めに入
   射させる位置に設けられていることを特徴とする請求項
   １に記載のパターン読み取り装置。
4. 【請求項４】 前記対物レンズは、前記光源から発した
   光束をほぼ平行光として前記対象面に入射させることを
   特徴とする請求項１に記載のパターン読み取り装置。
5. 【請求項５】 前記回動軸は、前記照明光の主光線に対
   して垂直、かつ、前記結像レンズの光軸に対して垂直で
   あることを特徴とする請求項１に記載のパターン読み取
   り装置。
6. 【請求項６】 前記ティルト機構は、前記対物レンズを
   少なくとも±４５度の範囲で回動可能とすることを特徴
   とする請求項１に記載のパターン読み取り装置。
7. 【請求項７】 前記ティルト機構は、前記第２のレンズ
   手段を回動させるレンズ駆動モータを備えることを特徴
   とする請求項１に記載のパターン読み取り装置。
8. 【請求項８】 前記対物レンズと前記結像レンズとの間
   の光路中に、前記光源の像を形成する光束を遮光する遮
   光領域を有する空間フィルタが配置されていることを特
   徴とする請求項１に記載のパターン読み取り装置。
9. 【請求項９】 前記空間フィルターは、前記対物レンズ
   を介して形成される前記光源の近軸像点より前記対物レ
   ンズ側に配置されていることを特徴とする請求項８に記
   載のパターン読み取り装置。
10. 【請求項１０】 前記パターン像の結像位置に配置さ
    れ、前記パターンを読み取る撮像素子を備えることを特
    徴とする請求項１〜９のいずれかに記載のパターン読み
    取り装置。
11. 【請求項１１】 微少面積を有する光源と、該光源から
    の照明光を読み取り対象であるパターンが付された対象
    面に入射させ、前記対象面で反射された光を収束させる
    対物レンズと、前記対物レンズを透過した反射光束中の
    散乱反射成分を取り出す空間フィルターと、該空間フィ
    ルターを透過した成分により前記パターンの像を結像さ
    せる結像レンズと、前記パターン像の結像位置に配置さ
    れ、前記パターンを読み取る撮像素子と、前記対物レン
    ズを該対物レンズの光軸に対して垂直な回動軸回りに回
    動可能に支持するティルト機構とを備えることを特徴と
    するパターン読み取り装置。
12. 【請求項１２】 前記光源と前記結像レンズとは前記対
    物レンズの光軸を挟んで互いに反対側に配置されてお
    り、前記光源は、前記照明光を前記対象面に対して斜め
    に入射させる位置に設けられていることを特徴とする請
    求項１１に記載のパターン読み取り装置。
13. 【請求項１３】 前記回動軸は、前記照明光の主光線に
    対して垂直、かつ、前記結像レンズの光軸に対して垂直
    であることを特徴とする請求項１２に記載のパターン読
    み取り装置。
14. 【請求項１４】 前記空間フィルターは、前記対物レン
    ズを介して形成される前記光源の近軸像点より前記対物
    レンズ側に配置されていることを特徴とする請求項１１
    に記載のパターン読み取り装置。
15. 【請求項１５】 微少面積を有する光源から発した照明
    光を第１のレンズ手段を介して読み取り対象であるパタ
    ーンが付された対象面に入射させ、前記パターンの情報
    を持つ光束を第２のレンズ手段により収束させて結像レ
    ンズに入射させ、該結像レンズにより前記パターンの像
    を形成して読み取るパターン読み取り装置において、 前記第２のレンズ手段を、該第２のレンズ手段の光軸に
    対して垂直な回動軸回りに回動可能に支持するティルト
    機構を備えることを特徴とするパターン読み取り装置。