JPH11173823A - 光学式検査装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 受光面積の大きい受光器を用いることなく、
広範囲に亘って測定対象物を高精度に検査することので
きる簡易な光学式検査装置を提供する。 【解決手段】 光源から出力された光ビームを測定面に
照射する投光レンズと、測定対象物に照射された光ビー
ムの反射光を集光レンズを介して受光する受光器と、更
に前記光源から出力されて投光レンズに導かれる光ビー
ムの反射の向きを可変して該光ビームを所定の角度幅に
亘って偏向走査すると共に、前記集光レンズを介して集
光されて受光器により受光される反射光の受光の向きを
前記光ビームの偏向走査に同期して偏向する回転多面鏡
を備え、受光器が検出する反射光の検出位置が常に光ビ
ームが照射された位置となるようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体チップ等の
外観・形状検査やプリント基板における部品実装状態検
査等に用いられる光学式検査装置に関する。

【０００２】

【関連する背景技術】半導体チップ等の外観・形状を光
学的に検査する手法の１つに、三角測距法を用いる手法
がある。この三角測距法は、測定対象物を斜め方向から
視野する受光系において測定対象物の高さ位置が変化し
たとき、これに伴って該測定対象物の結像位置がその光
軸位置から変位することを利用して上記測定対象物の高
さの変化を検出するものである。

【０００３】このような三角測距法を利用した光学式検
査装置は、一般的には測定対象物に対して光ビーム（ス
ポット光またはスリット光）を垂直に照射する投光系
と、この投光系に対して光軸を傾けて設けられて前記測
定対象物による光ビームの反射光を受光する受光系とを
備えてなる。ちなみに投光系における光源としては、専
ら半導体レーザ（ＬＤ）が用いられ、また受光系に受光
素子としては、専らフォトダイオードアレイやＣＣＤ等
のラインセンサ（エリアセンサ）が用いられる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで半導体チップ
等の外観・形状、或いはプリント基板における部品実装
等の幅広い領域を検査する場合には、例えば上記投光系
と受光系とを備えた光センサ（光学式検査装置）を測定
対象物に対して走査する必要がある。或いは逆に測定対
象物を走査する必要がある。この為、従来では、光セン
サまたは測定対象物を２軸の走査ステージに搭載し、こ
れらを相対的に移動させることで上記２次元走査を実現
している。尚、光ビームを１方向に光学的に走査するこ
とで、上記走査ステージによる前記光センサまたは測定
対象物の走査方向を１軸だけとすることも行われてい
る。

【０００５】しかしながら光センサまたは測定対象物を
高精度に位置制御しながら移動させ得る走査ステージは
非常に大掛かりで高価である。また光ビームを光学的に
走査しながらその反射光を検出するには、その走査幅に
見合う受光面積を有する大型で高価な受光素子（ライン
センサやエリアセンサ）が必要となる。しかもこのよう
な広い受光面積を持つ受光素子を用いた場合には、その
受光面の全域を走査して反射光を検出する分、検出応答
遅れの問題が生じ易い。しかも光ビームの走査位置によ
っては、つまり受光系の光軸からの距離に起因する検出
精度の直線性の問題も生じ易い。

【０００６】本発明はこのような事情を考慮してなされ
たもので、その目的は、受光面積の大きい受光素子を用
いることなしに、半導体チップの外観・形状等を高精度
に検査することのできる簡易で、しかもコストパフォー
マンスに優れた光学式検査装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上述した目的を達成する
べく本発明に係る光学式検査装置は、光源から出力され
た光ビームを測定面に照射する投光レンズ（投光系）
と、測定対象物に照射された光ビームの反射光を集光レ
ンズを介して受光する受光器（受光系）とを備えてな
り、特に前記光源から出力されて投光レンズに導かれる
光ビームの反射角を可変して該光ビームを所定の角度幅
に亘って偏向走査すると共に、前記集光レンズを介して
集光されて受光器により受光される反射光の受光角度を
前記光ビームの偏向走査に同期して偏向する回転多面鏡
を設けたことを特徴としている。

【０００８】即ち、本発明は投光レンズを用いて測定対
象物に照射する光ビームを、回転多面鏡（ポリゴンミラ
ー）を用いて走査すると共に、集光レンズを介して受光
器が受光する反射光の受光角度を上記回転多面鏡を用い
て上記光ビームの走査に同期させて可変することで、該
受光器が検出する反射光の検出位置が常に光ビームが照
射された位置となるようにしたもので、これによって光
ビームの走査に拘わることなく一定位置にてその反射光
を検出し、受光系の簡素化とコストパフォーマンスの向
上を図ったことを特徴としている。

【０００９】特に好ましい態様として請求項２に記載す
るように、前記回転多面鏡を介する前記光源と投光レン
ズとの間の光路および受光器と集光レンズとの間をコリ
メータ光学系をなす光路とすることで、光ビームの偏向
走査および反射光の受光角度の変化に伴う光路長変化の
影響をなくし、直線性の高い計測を実現することを特徴
としている。

【００１０】また請求項３に記載するように、前記回転
多面鏡を前記光源および受光器が入出力する光ビームに
対してその回転軸を直交する向きに設定して設けること
で、全体的な構成の簡素化を図ったことを特徴としてい
る。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の一
実施形態に係る光学式検査装置について説明する。図１
はこの実施形態に係る光学式検査装置（光学センサ）１
の概略構成を示す斜視図である。この光学センサ１は、
例えば１軸式の走査ステージ２に支持されて移動自在に
設けられ、その下方の検査台（図示せず）上に載置され
た測定対象物３に光ビーム（例えばスポット光）を照射
し、その反射光を受光することで該測定対象物の形状を
光学的に計測する如く構成される。特に光学センサ１は
上記走査ステージ２による移動方向（機械的走査方向）
と直交する方向に前記光ビームを光学的に走査しなが
ら、測定対象物３の全域を２次元走査して検査するもの
となっている。

【００１２】即ち、光学センサ１は、基本的には光ビー
ムを出力する半導体レーザ（ＬＤ）等の光源１１と、測
定対象物３に対向配置されて前記光源１１から出力され
た光ビームを測定対象物３に対して垂直に照射する投光
レンズ（第１の対物レンズ）１２とからなる投光系を備
えている。また光学センサ１は、上記光ビームの光軸に
対して傾けて設けられて前記測定対象物３による前記光
ビームの反射光を斜め方向から集光する集光レンズ（第
１の対物レンズ）１３と、この集光レンズ１３を介して
集光された反射光を受光するフォトダイオードアレイ等
の受光器１４とからなる受光系を備えている。これらの
投光系と受光系とは前記走査ステージ２による機械的走
査方向に並べて設けられており、投光系から測定対象物
３に対して垂直に照射された光ビームの反射光を、上記
投光系の側方位置に設けられた受光系により検出するも
のとなっている。

【００１３】ここでこの装置が特徴とするところは、前
記光学センサ１に前記光ビームを光学的に偏向走査する
回転多面鏡（ポリゴンミラー）１５が組み込まれている
点にある。このポリゴンミラー１５は、例えば正８角形
の断面形状を有する柱状体からなり、その外周面を反射
鏡としたもので、前記走査ステージ２による機械的走査
方向と平行に回転軸を設定して回転自在に設けられてい
る。

【００１４】即ち、このポリゴンミラー１５は、図２
(ａ)(ｂ)にその光学系の正面図と側面図とを示すよう
に、該ポリゴンミラー１５の側方に位置して設けられた
光源１１から水平方向に出力される光ビームを、該ポリ
ゴンミラー１５の一面（反射面）が４５°の角度をなし
て位置付けられたときに垂直方向に反射して投光レンズ
１２の光学的中心位置に導くように設けられている。そ
してポリゴンミラー１５は、その回転に伴う前記反射面
の角度変化に応じて前記光ビームの反射の向きを変化さ
せ、これによって投光レンズ１２に対する光ビームの導
入位置（透過位置）を変化させることで、該投光レンズ
１２を介して測定対象物３に対して照射する光ビームの
照射位置を前記機械的走査方向（ポリゴンミラー１５の
回転軸方向）と直交する方向に光学的に繰り返し走査す
るものとなっている。

【００１５】またこのポリゴンミラー１５は、上記投光
系における光ビームの偏向走査に同期して前記受光系に
対しても同様に作用するようになっている。即ち、受光
系の受光器１４はポリゴンミラー１５の側方に位置して
設けられ、該ポリゴンミラー１５の一面（反射面）が４
５°の角度をなして位置付けられたとき、該反射面を介
して垂直方向の下面側を視野するように設けられてい
る。特にこのポリゴンミラー１５と前記集光レンズ１３
との間には、斜め方向に光軸が設定された集光レンズ１
３を介して集光される反射光の向きを変更してポリゴミ
ラー１５の反射面に対して垂直に方向から導くための反
射鏡１６が固定的に設けられている。従って受光器１４
は、ポリゴンミラー１５から反射鏡１６，更には集光レ
ンズ１３を介して測定対象物３を視野し、該測定対象物
３における前記光ビームの反射光を受光するようになっ
ている。

【００１６】しかしてこの受光系における反射光の前記
ポリゴンミラー１５を介する受光角度は、前記ポリゴン
ミラー１５の回転に伴う前記反射面の角度変化に応じて
変化し、その受光方向が集光レンズ１３の径方向に走査
されるようになっている。このような受光角度の変更に
より、集光レンズ１３を介して集光される測定対象物３
からの反射光の検出部位が、前記機械的走査方向（ポリ
ゴンミラー１５の回転軸方向）と直交する方向に光学的
に走査されるようになっている。特にこの受光系の走査
は、前記光ビームを偏向走査するポリゴンミラー１５に
より、同一の反射面を用いてなされるようになってい
る。この結果、光ビームの偏向走査と、その反射光の受
光領域の走査とが完全に同期してなされ、光ビームの照
射位置における測定対象物による反射光が前記受光器１
４により常に確実に検出されるようになっている。

【００１７】尚、前記投光系および受光系は、実際的に
は図３(ａ)(ｂ)に示すように、ポリゴンミラー１５を介
して結合される光源１１と投光レンズ（第１の対物レン
ズ）１２との間の光路、および受光器１４と集光レンズ
（第２の対物レンズ）１３との間の光路をそれぞれコリ
メータ系をなして構築される。即ち、光源１１は光ビー
ムの出力部にコリメータレンズ１１ａを備え、ポリゴン
ミラー１５を介して投光レンズ１２に照射する光ビーム
を平行光としている。そして投光レンズ１２はポリゴン
ミラー１５によって偏向走査される光ビームの透過位置
の変位に拘わらず、その光ビームを測定対象物３に対し
て垂直に、且つ測定対象物３上に焦点を結ぶように照射
する。

【００１８】また受光系の集光レンズ１３もまた測定対
象物からの反射光を集光してコリメータ系をなしてポリ
ゴンミラー１５に導くようになっており、受光器１４は
このコリメータ系をなして導かれた反射光を結像レンズ
１４ａを介してその受光面上に結像するものとなってい
る。この結果、受光器１４は反射光の検出部位の走査に
拘わらず、常に一定の条件で、具体的には実質的な受光
光路長を一定に保ちながら光ビームの走査位置からの反
射光を受光するものとなっている。

【００１９】かくして上述した如く構成された光学式検
査装置によれば、ポリゴンミラー１５を用いて光ビーム
を光学的に走査するのに同期して、同じポリゴンミラー
１５を用いて受光器１４により受光する反射光の検出位
置を走査し、前記光ビームの照射位置おける反射光を受
光することになる。つまり受光器１４としては、光ビー
ムの照射位置における反射光を常に同一位置にて受光す
ることになるので、仮にその受光位置がずれた場合、そ
のずれ量から測定対象物３の高さ位置の変化を三角測距
の原理に基づいて速やかに検出することが可能となる。
従って受光器１４としては、光ビームの走査幅に相当す
る幅広い受光面を持つ必要がなくなり、高さの変位に伴
う反射光の受光位置の変位を検出し得る程度の比較的簡
単で安価な受光素子を用いることが可能となる。しかも
従来のように、光ビームの走査に伴って変化する基準高
さでの反射光の検出位置を常に監視する必要がなくな
り、高さ検出自体を簡易化して、その検出精度を高める
ことが可能となる。

【００２０】従って受光面の狭い安価な受光器１４を用
いても十分に高い検出精度を確保することが可能となる
上、その受光面における反射光の検出応答性も十分に高
くすることが可能となる。その上、光ビームを光学的に
偏向走査するポリゴンミラー１５をそのまま用いて受光
系における反射光の受光位置を偏向するので、多少長目
のポリゴンミラー１５を必要とする雖も上記投光系およ
び受光系での走査を常に確実に同期させることができ、
全体的な装置構成の簡素化を図り得る等の効果が奏せら
れる。また上述した如く光ビームによる測定対象物３の
検査領域を、該光ビームの光学的な走査によって実現す
るので、一般的には機械的な走査ステージ２として１軸
走査形のものを準備すれば十分であり、この点でも装置
構成の簡素化を図ることができる。

【００２１】尚、本発明は上述した実施形態に限定され
るものではない。例えば光ビームの偏向走査幅は検査仕
様に応じて定めれば良く、その仕様に応じてポリゴンミ
ラーの面幅や面数、更にはレンズ系における焦点距離に
有効瞳径等の設定を行うようにすれば良い。特に多面反
射鏡の面数や面幅は、光ビームの偏向角度幅やその走査
幅、走査の繰り返し周期等に応じて定めれば良い。更に
は投光系用と受光系用の多面反射鏡をそれぞれ準備し、
これらを互いに同期させて回転駆動するようにしても良
い。また本装置は、半導体チップ等の外観・形状検査に
好適なことは勿論のこと、プリント基板における部品実
装状態の検査等に用いることができることは言うまでも
ない。特にプリント基板における部品実装状態の検査に
用いる場合、光ビームの光学的走査幅を容易に広く設定
することができるので、その検査工程におけるタクト時
間を短くすることができる等の利点がある。その他、本
発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施す
ることができる。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、多
面反射鏡を用いて光ビームを光学的に走査すると共に、
上記多面反射鏡を用いて受光器による反射光の検出領域
を上記光ビームの走査に同期させて走査するので、受光
面の狭い受光器を用いた場合であっても光ビームの照射
位置における反射光を常に確実に高感度に検出すること
ができる。従って簡易な構成であるながら、その検出精
度を十分に高めることができ、検出領域が広範囲に及ぶ
測定対象物に対しても、光ビームによる走査幅を広く設
定するだけで容易に対処することかできる等の効果が奏
せられる。

【００２３】特に請求項２に記載するようにポリゴンミ
ラーを介する光路をコリメータ系をなして構築すること
で、全体的な光学設計の簡易化を図り、装置構成の簡素
化を図り得る等の実用上多大なる効果が奏せられる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る光学式検査装置の概
略的な構成を示す斜視図。

【図２】図１に示す装置における投光系および受光系の
光路を模式的に示す図。

【図３】図１に示す装置におけるコリメータ系の構成例
を示す図。

【符号の説明】

１ 光学センサ ２ 走査ユニット ３ 測定対象物 １１ 光源 １２ 投光レンズ（第１の対物レンズ） １３ 集光レンズ（第２の対物レンズ） １４ 受光器 １５ ポリゴンミラー（多面反射鏡） １６ 反射鏡

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光ビームを出力する光源と、上記光ビー
   ムを測定面に照射する投光レンズと、該測定面に照射さ
   れた光ビームの反射光を集光する集光レンズと、この集
   光レンズを介して集光された反射光を受光する受光器
   と、前記光源から出力されて前記投光レンズに導かれる
   光ビームの反射角を可変して該光ビームを所定の角度幅
   に亘って偏向走査すると共に、前記集光レンズを介して
   集光されて受光器により受光される反射光の受光角度を
   前記光ビームの偏向走査に同期して偏向する回転多面鏡
   とを具備したことを特徴とする光学式検査装置。
2. 【請求項２】 前記回転多面鏡を介する前記光源と投光
   レンズとの間の光路および受光器と集光レンズとの間の
   光路は、コリメータ光学系をなすことを特徴とする請求
   項１に記載の光学式検査装置。
3. 【請求項３】 前記回転多面鏡は、前記光源および受光
   器が入出力する光ビームに対してその回転軸を直交する
   向きに設定して設けられることを特徴とする請求項１に
   記載の光学式検査装置。