KR101444048B1

KR101444048B1 - 공초점 스캐너 및 그것을 이용한 광학적 계측 장치

Info

Publication number: KR101444048B1
Application number: KR1020137021773A
Authority: KR
Inventors: 미쯔히로 이시하라
Original assignee: 가부시키가이샤 다카오카 세이사쿠쇼
Priority date: 2013-01-22
Filing date: 2013-03-14
Publication date: 2014-09-23
Also published as: TW201409073A; KR20140103833A; TWI444656B; WO2014115341A1; JP5376076B1; JP2014142183A; CN104067158B; CN104067158A

Abstract

1축의 이동 테이블에 공초점 개구 어레이와, 쐐기형의 공간을 내부에 갖는 이동 프리즘을 설치하고, 이동 테이블의 외부에 쐐기형의 꼭지각을 갖는 고정 프리즘을 설치한다. 이동 테이블의 이동에 의해 개구의 XY 주사가 실현되고, 또한 동시에, 이동 프리즘과 고정 프리즘의 페어에 의해 등가 평행 평면 기판의 두께가 변화하고, 초점 이동(Z 주사)도 동시에 실현된다.

Description

공초점 스캐너 및 그것을 이용한 광학적 계측 장치{CONFOCAL SCANNER AND OPTICAL MEASUREMENT APPARATUS USING THE SAME}

본 발명은, 광을 이용한 계측 장치에 관한 것이다. 특히, 공초점 광학계를 이용하여, 물체의 3차원 계측 혹은 표면 형상 계측을 행하는 장치의 고속화, 간소화에 관한 것이다.

공초점 광학계를 이용하여 화상을 촬상하면(이하에서는 공초점 광학계에 의한 화상을 공초점 화상이라 부르는 것으로 함), 핀트가 맞지 않아 흐려져 (불선명)확산된 광은 화상화되지 않고, 핀트가 맞은 부분의 광만이 화상화된다. 일반의 결상 광학계에서는 핀트가 맞지 않아 흐려진 광은 상면(像面) 상에 확산되어 화상을 열화시키지만, 공초점 광학계에서는 그와 같은 일은 없으므로(혹은 매우 적으므로), 콘트라스트가 높은 샤프한 화상이 얻어진다. 또한, 핀트가 맞은 부분의 광만이 화상화되는 특징을 이용하여 촬상 물체의 3차원 형상이 계측 가능한 것으로도 알려져 있고, 이와 같은 특징을 살려, 최근 그 산업계에의 적용이 확대되고 있다.

공초점 광학계(반사형)의 기본 구조를 도 7에 도시한다. 점 광원(701)으로부터 사출된 광은 대물 렌즈(703)에 의해 집광되고, 물체에 투영된다. 물체로부터 반사되어 다시 대물 렌즈(703)에 입사한 광은 하프 미러(702)를 통해 점 광원(701)과 광학적으로 동일한 위치에 있는 핀 홀(704)에 입사하고, 핀 홀(704)을 통과한 광의 양이 검출기(705)에 의해 검지된다. 이것이 공초점 광학계의 기본적인 구조이다.

이 광학계를 이용함으로써 다음과 같이 하여 물체 표면의 각 위치의 높이를 계측할 수 있다. 물체 표면이 점 광원(701)에 공액의 위치에 있는 경우, 반사광은 동일하게 공액의 위치인 핀 홀(704) 면에 수속되어 대부분의 반사광이 핀 홀(704)을 통과한다. 그러나 물체 표면이 점 광원(701)에 공액의 위치로부터 이격되면, 핀 홀(704)을 통과하는 광량은 급속하게 감소한다. 이것으로부터 물체와 대물 렌즈(703)와의 거리를 변화시켜 검출기(705)가 최대 출력을 나타내는 점을 발견하면 물체 표면의 높이를 알게 된다.

공초점 광학계는 기본적으로 점 검출의 광학계이므로, 공초점 화상을 얻기 위해서는 일반적으로 XY의 주사를 행할 필요가 있다. XY 주사의 방법으로서는 레이저 빔 주사 또는 나선 형상의 핀 홀 열을 다수 갖는 Nipkow disk로 불리는 회전 원반을 이용한 주사가 일반적이고, 이들 주사 방법을 이용하여 공초점 화상을 얻는 광학계는, 공초점 현미경으로서 알려져 있다.

공초점 현미경을 이용한 3차원 계측도, 기본적으로는 앞선 점 계측형의 공초점 광학계를 이용한 높이 계측과 동일하고, 물체와 대물 렌즈(703)와의 거리를 변화시켜 검출기(705)가 최대 출력을 나타내는 점을 발견하는 것이지만, 물체와 대물 렌즈(703)와의 거리를 변화시킬 때마다 얻어지는 데이터는 물체 표면 1점의 데이터는 아니고, 2차원적인 화상 데이터이며, 최대 출력 위치는 화상 데이터의 화소마다 구한다고 하는 점에서 상이하다.

구체적으로는, 높이 계측의 분해능을 a로 하면, 물체와 대물 렌즈(703)와의 거리를 a씩 변화시킬 때마다 공초점 화상을 취득, 보존하고, 광축 방향 계측 범위 전체를 주사[즉, 물체와 대물 렌즈(703)와의 거리를 변화]를 종료한 후, 화소마다 가장 검출기(705)의 출력이 큰 화상의 위치를 탐색함으로써, 화소마다 물체 표면의 위치를 구할 수 있어, 3차원적인 형상 계측 데이터가 얻어지게 된다. 특허문헌 1에는, 물체와 대물 렌즈의 거리를 광학적으로 변화시키는 방법이 개시되어 있다.

일본 특허 출원 공개 평8-304043

상기한 바와 같이, 공초점 광학계에 의한 3차원 계측에서는, 결국 XYZ의 3축 모두 주사를 행할 필요가 있다. 그 때문에 구조가 복잡·대규모로 되어 고비용화를 초래하고 있다. 또한, 계측 속도의 관점으로부터도 고속화가 요구되고 있다.

이와 같은 상황을 감안하여, 본 발명은 간소하고, 또한 고속의 공초점 3차원 계측 장치를 실현하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해, 적어도 1축의 이동축을 갖는 이동 테이블과, 상기 이동 테이블에 설치되어 이동하는 다수의 공초점 개구를 갖는 개구 어레이와, 상기 이동 테이블의 이동축에 대해 서로 역방향으로 동일한 각도로 경사진 대면하는 2개의 면을 갖고, 상기 이동 테이블에 설치되어 이동하는 이동 프리즘과, 상기 이동 테이블의 이동축에 대해 상기 이동 프리즘과 정확하게 동일한 각도로 서로 역방향으로 경사진 대면하는 2개의 면을 갖고, 상기 이동 테이블 외에 설치되어 이동하지 않는 고정 프리즘으로 구성되고, 상기 이동 프리즘과 상기 고정 프리즘을 조합함으로써 등가적인 평행 평면 기판으로 되고, 상기 이동 테이블의 이동에 수반하여 등가적인 평행 평면 기판의 두께가 변화하는 것을 특징으로 하는 공초점 스캐너를 구성한다.

혹은, 상기 이동 테이블에 설치되어 상기 이동 테이블과 함께 이동하는, 상기 개구 어레이에의 이물질 부착 방지를 위한 적어도 1매의 보호 투명판을 더 구비한 공초점 스캐너를 구성한다.

상기 개구 어레이는 핀 홀 어레이이며, 공초점 효과가 발휘되도록 각 핀 홀을 간격 P마다 설치하고, 이동 방향으로 인접하는 핀 홀은 이동 방향과 직교하는 방향으로 미소 거리 S 어긋나게 하고, 또한 P／S가 정수로 되도록 배치한다.

또한, 상기 개구 어레이는 핀 홀 어레이를 대체한 슬릿 어레이이며, 각 슬릿은 공초점 효과가 발휘되도록 이동 방향으로 일정 간격 P를 두고 배치한다.

상기 이동 프리즘 및 상기 고정 프리즘의 한쪽은, 서로 동등한 각도로 서로 역방향으로 상기 이동 테이블의 이동축에 대해 경사진 2개의 면을 갖는 프리즘이고, 상기 이동 프리즘 및 상기 고정 프리즘의 다른 쪽은, 직육면체 형상의 부재에 대해, 상기 한쪽의 프리즘이 삽발 가능한 개구부로서 서로 동등한 상기 각도로 서로 역방향으로 상기 이동 테이블의 이동축에 대해 경사진 2개의 면 사이에 있는 개구부가 형성된 형상을 갖는 프리즘이다.

상기 등가적인 평행 평면 기판은, 상기 이동 테이블의 이동에 수반하여 상기 한쪽의 프리즘이 상기 다른 쪽의 프리즘의 상기 개구부에 대해 삽발됨으로써 두께가 변화한다.

상기한 공초점 스캐너와, 상면 위치에 상기 개구 어레이가 배치된 대물 렌즈와, 상기 대물 렌즈의 유효 상면 전체를 조사하는 조명 광학계와, 계측 물체에서 반사되어 상기 대물 렌즈에 입사하고, 상기 개구 어레이를 통과한 물체 반사광을 상기 조명 광학계와는 상이한 방향으로 편향하는 편향 광학 소자와, 상기 편향 광학 소자에 의해 편향된 상기 물체 반사광을 수광하여 광전 변환하여 화상 신호로서 출력하는 2차원 검출기와, 상기 개구 어레이의 상을, 상기 편향 광학 소자를 통해 상기 2차원 검출기 상에 결상시키는 결상 광학계와, 상기 2차원 검출기의 출력을 디지털 신호로서 입력하고, 얻어진 일련의 초점 위치가 상이한 데이터를 이용하여, 최대값을 부여하는 초점 위치를 탐색하고, 탐색한 초점 위치가 그 점의 높이를 특정하는 화상 처리 장치에 의해 구성되고, 상기 개구 어레이 및 상기 이동 프리즘은 상기 이동 테이블에 의해 일정 속도로 이동되고, 이동 중에 복수회 상기 2차원 검출기에 의해 화상 취득되고, 상기 2차원 검출기의 1회의 노광 시간은, 상기 개구 어레이 이동 방향의 개구 배열 주기의 정수배의 이동 시간과 동일해지도록 설정하도록 한다.

이상과 같이 구성함으로써, 1축의 주사만으로 XYZ의 3축분의 주사가 가능해져 간소하고 저코스트, 그리고 고속의 공초점 3차원 계측 장치를 실현할 수 있다.

도 1은 본 발명의 공초점 스캐너의 실시예를 도시한 도면이다.
도 2는 핀 홀 타입의 개구 어레이를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 평행 평면 기판에 의한 초점 이동을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 슬릿 타입의 개구 어레이를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 공초점 스캐너를 사용한 계측 장치의 실시예를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 노광 시간 중의 초점 위치 변동을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 종래 기술을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 쐐기형을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 쐐기형 프리즘 페어를 설명하기 위한 도면이다.

이하에서는, 본 발명을 구체적으로 실시하는 데 있어서 최선으로 생각되는 실시 형태에 대해 서술한다.

우선, 본 발명의 공초점 스캐너를 구현화한 실시 형태의 예를, 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명한다.

도 1에 도시한 바와 같이 본 발명의 공초점 스캐너는, 1축의 이동 테이블(101)과, 그 이동 테이블(101) 상에 설치된 브래킷(102)에 개구 어레이(103)와 이동 프리즘(104)과, 이동 테이블(101)과는 독립적으로 설치되는 고정 프리즘(105)으로 구성된다.

개구 어레이(103)는, 도 2에 도시한 바와 같이 핀 홀 어레이로 되어 있고 각 핀 홀 상호간의 간격 P는, 공초점의 효과가 나오도록 핀 홀 직경의 수배 정도로 설정된다. 도 2에 도시한 바와 같이 이동축 방향으로 인접하는 핀 홀은, 이동축에 수직한 방향으로 미소 거리 S 어긋나게 하여 배치된다.

거리 P와 어긋남량 S를, P／S가 정수로 되도록 설정함으로써, 이동 방향으로 P／S개분, 즉 P×(P／S)마다의 주기 구조로 된다.

어긋남량 S는 가능한 한 작은 편이 이동에 직교하는 방향의 주사가 세밀해지지만, 대물 렌즈의 분해능으로부터 생각하여 불필요하게 세밀하게 할 필요는 없고, 핀 홀의 반경분 정도로 P／S가 정수로 되는 양으로 설정하는 것이 좋다.

개구 어레이(103)는 그 상태로는 비개구 부분의 투과광(정보)이 얻어지지 않게 되지만, 상기한 주기 P×(P／S)만큼 이동함으로써 개구 어레이(103) 전체면이 빠짐없이 주사되어, 전체면의 정보를 얻을 수 있다.

여기서, 이동 테이블(101)을 일정 속도 v로 이동시키면, 임의의 타이밍의 (P×P／S)／v 시간에서 상기 전체면 주사가 행해지게 된다. 이것으로 XY 주사가 1축에 의해 실현될 수 있게 된다.

또한, 개구 어레이(103)와 함께 이동하는 이동 프리즘(104)은, 예를 들면 도 1에 도시한 바와 같이, 2개의 쐐기형의 프리즘을 서로 경사면이 마주 보도록 조합한 형상을 갖고, 경사면 사이에 V자형의 공간을 갖는다. 한편, 이동 테이블(101)과는 독립적으로 설치되어 물체에 대해 이동하지 않는 고정 프리즘(105)은, 이동 프리즘(104)의 경사면끼리가 이루는 V자의 각도와 동일한 각도의 꼭지각을 갖는 쐐기형의 형상을 갖는다. 이동 프리즘(104)과 고정 프리즘(105)을 조합하여 사용함으로써 등가적인 평행 평면 기판이 형성된다. 이 등가 평행 평면 기판은 이동 프리즘(104)의 이동에 수반하여, 두께가 변화되게 된다. 또한, 이동 프리즘(104)의 경사면끼리가 이루는 V자의 꼭지각의 이등분면과 고정 프리즘(105)의 꼭지각의 이등분면은 일치시켜 두는 것이 바람직하다.

여기서 말하는 쐐기형이라 함은, 도 8의 (A)에 도시한 바와 같은 단면 형상을 갖는 삼각 기둥 혹은 도 8의 (B)에 도시한 바와 같이 대면하는 긴 변이 평행하지 않은 단면 형상을 갖는 사각 기둥을 주로 의미하고 있지만, 중요한 것은 대면하는 긴 변이 평행하지 않은 단면 형상으로 하는 것이며, 도 8의 (C)에 도시한 바와 같이 짧은 변 부분의 형상은 한정되지 않는다.

도 3에 도시한 바와 같이 일반적으로 결상 렌즈의 초점 위치는, 결상 렌즈의 광로 중에 삽입된 평행 평면 기판의 두께에 의해 변화시킬 수 있다. 즉, 평행 평면 기판의 두께 변화에 의해 초점 이동＝Z 주사를 할 수 있다. 평행 평면 기판의 두께 변화는, 쐐기형 프리즘을 조합하여 사용함으로써 실현할 수 있다. 쐐기형 프리즘을 하나만 사용해도 초점 변화는 가능하지만, 결상 광학계에 대해 치명적인 수차를 부여하게 된다. 도 9에 도시한 바와 같이 2개의 쐐기형 프리즘을 조합하여 평행 평면 기판으로 하여 사용하면 수차는 작게 억제할 수 있지만, 이동 테이블(101)의 이동에 수반하여 프리즘간의 공간의 거리가 변화되는 점에서, 광선이 시프트되어 버린다. 도 1에 도시하는 이동 프리즘(104)과 고정 프리즘(105)의 조합에서는, 도 9의 쐐기형 프리즘 페어가 반대 방향으로 2단 조합된 것과 동등한 구조로 되어 있고, 프리즘간의 공간의 거리의 변화에 의한 광선의 시프트가 다시 원래대로 되돌려져 보상되는 구조로 되어 있다.

당연히, 이동 프리즘(104)과 고정 프리즘(105)은 조합되어 등가 평행 평면 기판을 구성하면 되므로, 반대라도 상관없다. 즉, 쐐기형의 꼭지각을 갖는 프리즘이 이동 프리즘(104)이며, V자형의 공간을 갖는 프리즘이 고정 프리즘(105)이어도 된다. 즉, 이동 프리즘(104) 및 고정 프리즘(105)의 한쪽이, 서로 동등한 각도로 서로 역방향으로 이동 테이블(101)의 이동축에 대해 경사진 대향하는 2개의 면을 갖도록 구성되고, 또한, 다른 쪽이, 이 프리즘이 삽발(揷拔) 가능한 개구부(개구 공간)가 직육면체 형상의 부재에 대해 형성된 형상을 갖도록 구성되어 있으면 된다. 이때, 직육면체 형상의 부재에 형성된 공간은, 공간에 삽발되는 프리즘이 갖는 2개의 대향면과 동일한 서로 동등한 각도로 서로 역방향으로 이동 테이블(101)의 이동축에 대해 경사진 2개의 면 사이에 있는 공간으로 하면 된다. 예를 들면, 이 공간의 형상은, 공간에 삽발되는 프리즘과 상사형을 이루면 된다. 또한, 당해 공간은 직육면체 형상의 부재를 분단하도록 형성해도 되고, 이 경우, 직육면체 형상의 부재는 2개의 프리즘으로 나뉜다. 이때, 2개의 프리즘의 각각은, 삽발되는 프리즘과 대향하는 면의 반대면이 이동 테이블(101)의 이동축에 대해 평행해지도록 형성되면 된다. 이와 같이 구성된 이동 프리즘(104) 및 고정 프리즘(105)이 이루는 등가적인 평행 평면 기판은, 이동 테이블(101)의 이동에 수반하여, 한쪽의 쐐기형의 프리즘이 다른 쪽의 끼워 맞춤 가능한 공간에 삽발되게 되고, 그 등가적인 두께가 변화되게 된다.

또한, 여기서는 이동 프리즘(104)과 고정 프리즘(105)의 2개의 프리즘으로 하고 있지만, 상기한 바와 같이 도 9의 쐐기형 프리즘 페어를 2단으로 겹쳐 4개의 프리즘으로 구성해도 된다.

이상의 점에서, 이동 테이블(101)을 일정 속도로 이동시키면, XY 방향의 주사와 Z 방향의 주사를 동시에 행할 수 있게 된다.

또한, 개구 어레이(103)는, 예를 들면 도 4와 같은 슬릿 어레이로 할 수도 있다. 슬릿 어레이에서는 이동 방향에 수직한 방향으로는 주사를 할 필요가 없으므로, 슬릿 피치 P가 그대로 주기가 된다.

또한, 개구 어레이(103)는 먼지 등의 이물질의 부착이 있으면 치명적이므로, 이물질이 부착되지 않도록 하는 대책이 불가결하다. 그 때문에, 도 1에 도시한 바와 같이 이동 테이블(101) 상에 보호 투명판(106)을 설치할 필요가 있다. 보호 투명판(106) 상에, 예를 들면 크롬의 불투명막이 증착되어 있어, 리소그래피의 기술에 의해 개구 어레이(103)를 패터닝하고 있는 경우에는 개구 어레이(103)의 한쪽측에 관해서는 굳이 보호 투명판(106)을 설치할 필요는 없다. 또한, 이미 한쪽측의 보호는, 이동 프리즘(104)에 그 역할을 담당시키는 것도 가능하다.

다음에, 상기한 공초점 스캐너를 이용한 공초점 3차원 계측 장치의 일례를 나타낸다. 도 5를 이용하여 설명한다.

광원(501)으로부터의 광은, 조명 광학계(502)에 의해 최적의 상태에서 개구 어레이(103)를 조명한다. 광원(501)은, 레이저와 같은 코히런트한 광원이어도 사용 가능하고, 인코히런트한 열 광원이어도 된다. 단, 각각 최적의 광학계는 상이하다. 조명광의 코히런트성은 공초점 광학계에 있어서는 불필요하므로, 레이저를 사용하는 경우는 인코히런트화하는 기구가 조명 광학계(502) 내부에 설치되게 된다.

개구 어레이(103)를 투과한 조명광은, 공초점 스캐너의 이동 프리즘(104)을 통과하고, 또한 고정 프리즘(105)을 통과한 후, 다시 이동 프리즘(104)을 통과하여 대물 렌즈(503)에 입사한다. 대물 렌즈(503)의 결상 작용에 의해 조명광은 개구 어레이(103)의 상으로 되어 물체(504)를 조명한다. 물체(504)에서 반사된 조명광은 반사광으로 되어 대물 렌즈(503)에 입사하고 다시 대물 렌즈(503)의 결상 작용에 의해 상 공간에서 결상하고, 일부 혹은 그 대략 전부가 개구 어레이(103)의 개구를 통과하게 된다.

개구 어레이(103)를 통과한 반사광은, 조명 광학계(502)의 내부 또는 조명 광학계(502)와 개구 어레이(103)와의 사이에 설치된 편향 광학 소자(505)에 의해 편향되고, 결상 광학계(506)를 통해 2차원 검출기(507)에 도달한다. 결상 광학계(506)는 개구 어레이(103)의 상을 2차원 검출기(507) 상에 결상하도록 배치되어 있다.

2차원 검출기(507)에 의해 검출된 물체(504)로부터의 반사광은, 광전 변환되어 화상 데이터(2차원 데이터)로서 출력되어 화상 처리 장치(508)에 저장되고, 그 후, 연산에 의해 물체의 3차원 정보로 변환된다.

통상은, 개구 어레이(103)에서 반사된 조명광이 2차원 검출기(507) 쪽으로 가는 것을 방지하기 위해 편향 광학 소자(505)로서 편광 빔 스플리터를 사용하고, 또한, 대물 렌즈(503) 내부 혹은 대물 렌즈(503)와 물체(504)의 사이에 λ／4 위상차판(509)을 삽입하는 것이 일반적이다.

개구 어레이(103)에서 반사된 조명광은 완전한 불필요광이며, 한편 물체(504)로부터의 신호광인 반사광은 반드시 강도적으로 큰 것은 아닌 점에서, 가능한 한 완전하게 제거할 필요가 있다. 상기한 바와 같은 구성으로 하면, 조명광은 편광 빔 스플리터인 편향 광학 소자(505)에 의해 직선 편광으로 되어 개구 어레이(103)에서 반사되어도 편향 광학 소자(505)에 의해 편향되는 일 없이 그대로 직진 투과하여 2차원 검출기(507) 쪽으로 가는 경우는 없다. 한편, 개구 어레이(103)를 통과한 직선 편광 조명광은, λ／4 위상차판(509)을 한번 통과한 시점에서 원편광으로 되고, 물체(504)에서 반사되어 다시 λ／4 위상차판(509)을 통과하면 조명광과 직교하는 방향의 직선 편광으로 변환되고, 편향 광학 소자(505)에 의해 편향되어 2차원 검출기(507)에 도달할 수 있다.

또한, 보다 완전하게 개구 어레이(103)에서 반사된 조명광을 제거하기 위해, 편광 빔 스플리터인 편향 광학 소자(505)와는 별도로, 조명 광학계(502) 내에 편광판을 설치하고, 또한 결상 광학계(506) 내에 검광자를 설치하는 경우도 있을 수 있다.

최근에는, 광학 소자 표면의 반사를 거의 완전하게 없애는 것이 가능한 무반사 표면 처리 등도 개발되고 있으므로, 이와 같은 편광 소자를 사용한 대책은 반드시 필요한 것은 아니다.

이상의 구성에서, 실제의 측량시에 어떻게 동작하는지를 이하에 서술해 간다.

계측 동작의 시작은, 공초점 스캐너의 이동 테이블(101)의 이동 개시로 시작된다. 이동 테이블(101)이 가속되어 소정의 속도에 도달하여 안정되면 화상 데이터 취득이 개시된다.

화상 데이터 취득은, 소위 비디오 카메라인 2차원 검출기(507)의 각 센서 화소가 노광되고, 노광에 의해 광전 변환된 전하량에 따른 화소마다의 전기 신호가 화상 데이터로서 출력되어 화상 처리 장치(508)에 저장되는 것을 의미하고 있다.

이때, 노광의 시간을 개구 어레이(103)의 주기 구조의 1주기분 혹은 그 배수분으로 이동 테이블(101)이 이동하는 시간으로 설정하면, XY가 완전하게 주사된 공초점 화상을 얻을 수 있다. 이하 구체적으로 나타낸다.

개구 어레이(103)를 도 2에서 도시한 핀 홀 어레이 타입으로 하면 1주기는 P×P／S이므로, 이동 테이블의 정속시의 속도를 v로 하면 노광 시간 T는 (P×P／S)／v로 설정한다. 혹은 그 배수 N×(P×P／S)／v로 설정한다. N은 자연수이다. 이와 같이 설정하면 개구 어레이(103)의 핀 홀이, 이동 방향의 모든 위치에서 균등한 시간 존재하게 되고, 또한, 이동 방향에 직교하는 방향에 관해서도 핀 홀 간격 P의 사이를 P／S 라인분 주사하게 되어, 완전한 XY 주사를 실현할 수 있다. 이동 테이블(101)이 정속으로 이동 중이면 임의의 타이밍에서 XY 주사된 공초점 화상을 취득할 수 있다. 조건은 노광 시간을 T로 하는 것뿐이다.

한편, 이동 프리즘(104)과 고정 프리즘(105)은, 그것들을 통과하는 결상 광속에 대해, 등가적으로 평행 평면 기판으로 간주할 수 있다. 여기서 이동 테이블(101)이 이동하면 그에 수반하여 평행 평면 기판의 두께가 연속적으로 변화되게 된다. 상기한 바와 같이, 결상 렌즈의 광로 중에서 평행 평면 기판의 두께가 변화되면, 초점 위치가 이동하게 되므로, 이 장치에 있어서는 대물 렌즈(503)의 초점 위치가 이동하고 Z 주사가 실현된다. 이동 테이블(101)의 속도가 일정하면 시간에 비례하여 두께가 변화되게 되어, 초점 위치가 등속으로 변화되게 된다.

이상의 점에서, 이동 테이블(101)이 스타트하여 가속 후 정속 상태로 된 후, 등시간 간격으로 화상을 복수매 취득하면, 초점 위치가 일정 간격으로 변화된 일련의 공초점 화상을 얻을 수 있게 되어, 1축의 이동만으로 XYZ 3축의 주사를 실현할 수 있게 된다. 화상 취득 후에는, 화상 처리 장치(508)에 의해 3차원 계측 연산이 가능해진다.

3차원 계측 연산은, 초점 위치가 일정 간격으로 변화된 일련의 공초점 화상을 이용하여, 화소마다 최대값으로 되는 공초점 화상을 탐색 처리함으로써 실현된다. 최대값을 부여하는 공초점 화상이 얻어진 초점 위치에 물체 표면(혹은 계면)이 존재하게 되므로, Z 방향의 위치, 즉 높이를 특정할 수 있다.

일정 간격으로 초점 위치를 바꾼 공초점 화상을 얻는 경우에, 반드시 필요 계측 정밀도 간격으로 화상을 취득할 필요는 없다. 비교적 개략적인 초점 위치 변화 간격이어도 내삽 처리에 의해, 간격을 초과하는 정밀도로 물체의 표면(혹은 계면)의 위치를 특정하는 것은 가능하다.

또한, 이해하기 쉽게 초점 위치 간격을 일정하다고 상기에서는 나타내었지만, 이것은 절대 요건은 아니다. 간격이 제각기 달라도 물체의 표면(혹은 계면)의 위치를 특정하는 것은 가능하다.

이상과 같이, 1축의 이동만으로 XYZ 3축의 주사를 실현할 수 있었지만, Z의 이동은 연속적인 점에서, 2차원 검출기(507)의 노광 시간 중에도 초점 위치가 변화하고 있다고 생각된다. 그 때문에, 얻어지는 공초점 화상에는 노광 시간분 초점 위치가 상이한 데이터가 포함되게 된다. 예를 들면, Z 이동, 즉 초점 이동이 1㎜／s인 경우 노광 시간이 1ms라고 하면 1㎛ 정도 초점 위치가 이동하고 있는 것으로 되어 공초점 화상 중에 1㎛ 정도 초점 위치가 상이한 데이터가 혼재되어 있는 상태로 된다.

도 6에 도시한 바와 같이, 핀 홀에 둘러싸인 P×P 영역을 생각해 본다. 노광 시간 중에, 이 P×P 영역은 P／S개의 라인에 의해 주사되게 되지만, 각각의 라인에서 그 위치를 통과하는 타이밍은 상이하다. L1의 라인이 이 위치를 통과하는 것은 노광 시간의 개시 무렵이며, 라인 L10이 통과하는 것은 노광 시간의 종료 무렵이 된다.

즉, 이 영역 중에는 노광 개시시부터 종료시까지의 모든 타이밍이 맞추어져 있다. 이 조건은 화상 내의 임의의 위치에서 동일하고, 임의의 위치인 P×P의 영역에는 노광 시간의 모든 타이밍이 포함되어 있다. 미소 영역인 P×P 영역 내에서 물체(504)의 높이는 균일하다고 가정하면, 화소 사이즈를 P×P로 설정함으로써, 각 화소는 단순히 노광 시간 T 동안의 높이 변화를 적분하고 있는 것만으로 되고, 평균인 노광 개시 후 T／2에서의 초점 위치의 데이터를 나타내고 있다고 생각해도 지장이 없다. P×P의 배수라도 마찬가지이다.

반드시 화소 사이즈를 P×P에 맞추지 않아도, 광학적으로 직경 P 상당 이상의 평활화가 되어 있는, 즉 흐려져 있는 상태이면 화상 중의 임의의 점이 노광 시간 중의 평균 위치를 나타내고 있는 상태라고 간주할 수 있게 되어, 동일한 효과가 얻어진다.

즉, 공초점 화상에 핀 홀 간격 P레벨 이상의 높은 횡(橫)분해능을 요구하지 않는 계측이라면 이 문제는 큰 문제로는 되지 않는다고 할 수 있다.

핀 홀 간격 P레벨보다 높은 분해능에서의 계측이 필요한 경우에는, 노광 시간 T를 짧게 하는, 혹은 Z 방향의 주사 속도를 작게 하는 등으로 하여, 노광 시간 중의 초점 위치 변화가 필요 계측 정밀도에 있어서 문제로 되지 않을 정도로 설정할 필요가 있다.

이상, 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 이것은 본 발명의 일례에 지나지 않는다. 개구 어레이(103)의 패턴은 동일한 효과를 올리는 것이 가능한 다른 패턴은 있을 수 있고, 또한, 개구 어레이(103)가 핀 홀마다 마이크로 렌즈를 수반하고 있는, 즉 개구 어레이와 마이크로 렌즈 어레이가 조합된 구조로 되어 있는 경우도 생각될 수 있다. 이들도, 본 발명에 포함된다.

본 발명에 의해, 1축의 주사만으로 XYZ의 3축분의 주사가 가능해져 간소하고 저코스트, 그리고 고속의 공초점 3차원 계측 장치를 실현할 수 있다. 이에 의해 광에 의한 고속, 또한 고정밀도의 계측이 필요한 부품이 수많이 존재하는 반도체 산업에 있어서 특히 큰 수요가 있을 것으로 생각된다.

Claims

적어도 1축의 이동축을 갖는 이동 테이블과,
상기 이동 테이블에 설치되어 상기 이동 테이블과 함께 이동하는 다수의 공초점 개구를 갖는 개구 어레이와,
상기 이동 테이블에 설치되어 상기 이동 테이블과 함께 이동하는 이동 프리즘과,
상기 이동 프리즘과 조합함으로써 등가적인 평행 평면 기판을 구성하도록 상기 이동 테이블 외에 설치된 고정 프리즘으로 구성되고, 상기 이동 테이블의 이동에 수반하여 상기 등가적인 평행 평면 기판의 두께가 변화하는 것을 특징으로 하는 공초점 스캐너.
제1항에 있어서,
상기 이동 테이블에 설치되어 상기 이동 테이블과 함께 이동하는, 상기 개구 어레이에의 이물질 부착 방지를 위한 적어도 1매의 보호 투명판을 더 구비한 것을 특징으로 하는 공초점 스캐너.
제1항에 있어서,
상기 개구 어레이는 핀 홀 어레이이며, 공초점 효과가 발휘되도록 각 핀 홀을 간격 P마다 설치하고, 이동 방향으로 인접하는 핀 홀은 이동 방향에 직교하는 방향으로 미소 거리 S 어긋나게 하고, 또한 P／S가 정수로 되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 공초점 스캐너.
제1항에 있어서,
상기 개구 어레이는 슬릿 어레이이며, 각 슬릿간은 공초점 효과가 발휘되도록 이동 방향으로 일정 간격 P를 두고 배치되는 것을 특징으로 하는 공초점 스캐너.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 이동 프리즘 및 상기 고정 프리즘의 한쪽은,
서로 동등한 각도로 서로 역방향으로 상기 이동 테이블의 이동축에 대해 경사진 2개의 면을 갖는 프리즘이고,
상기 이동 프리즘 및 상기 고정 프리즘의 다른 쪽은,
직육면체 형상의 부재에 대해, 상기 한쪽의 프리즘이 삽발 가능한 개구부로서 서로 동등한 상기 각도로 서로 역방향으로 상기 이동 테이블의 이동축에 대해 경사진 2개의 면 사이에 있는 개구부가 형성된 형상을 갖는 프리즘인 것을 특징으로 하는 공초점 스캐너.
제5항에 있어서,
상기 등가적인 평행 평면 기판은,
상기 이동 테이블의 이동에 수반하여 상기 한쪽의 프리즘이 상기 다른 쪽의 프리즘의 상기 개구부에 대해 삽발됨으로써 두께가 변화하는 것을 특징으로 하는 공초점 스캐너.
광을 이용한 계측 장치에 있어서,
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 공초점 스캐너와,
상면(像面) 위치에 상기 개구 어레이가 배치된 대물 렌즈와,
상기 대물 렌즈의 유효 상면 전체를 조사하는 조명 광학계와,
계측 물체에서 반사되어 상기 대물 렌즈에 입사하고, 상기 개구 어레이를 통과한 물체 반사광을 상기 조명 광학계와는 상이한 방향으로 편향하는 편향 광학 소자와,
상기 편향 광학 소자에 의해 편향된 상기 물체 반사광을 수광하여 광전 변환하여 화상 신호로서 출력하는 2차원 검출기와,
상기 개구 어레이의 상을, 상기 편향 광학 소자를 통해 상기 2차원 검출기 상에 결상시키는 결상 광학계와,
상기 2차원 검출기의 출력을 디지털 신호로서 입력하고, 얻어진 일련의 초점 위치가 상이한 데이터를 이용하여, 최대값을 부여하는 초점 위치를 탐색하고, 탐색한 초점 위치로부터 그 점의 높이를 특정하는 화상 처리 장치에 의해 구성되고,
상기 개구 어레이 및 상기 이동 프리즘은 상기 이동 테이블에 의해 일정 속도로 이동되고, 이동 중에 복수회 상기 2차원 검출기에 의해 화상 취득되고, 상기 2차원 검출기의 1회의 노광 시간은, 상기 개구 어레이 이동 방향의 개구 배열 주기의 정수배의 이동 시간과 동일해지도록 설정하는 것을 특징으로 하는 광학적 계측 장치.
광을 이용한 계측 장치에 있어서,
제5항에 기재된 공초점 스캐너와,
상면(像面) 위치에 상기 개구 어레이가 배치된 대물 렌즈와,
상기 대물 렌즈의 유효 상면 전체를 조사하는 조명 광학계와,
계측 물체에서 반사되어 상기 대물 렌즈에 입사하고, 상기 개구 어레이를 통과한 물체 반사광을 상기 조명 광학계와는 상이한 방향으로 편향하는 편향 광학 소자와,
상기 편향 광학 소자에 의해 편향된 상기 물체 반사광을 수광하여 광전 변환하여 화상 신호로서 출력하는 2차원 검출기와,
상기 개구 어레이의 상을, 상기 편향 광학 소자를 통해 상기 2차원 검출기 상에 결상시키는 결상 광학계와,
상기 2차원 검출기의 출력을 디지털 신호로서 입력하고, 얻어진 일련의 초점 위치가 상이한 데이터를 이용하여, 최대값을 부여하는 초점 위치를 탐색하고, 탐색한 초점 위치로부터 그 점의 높이를 특정하는 화상 처리 장치에 의해 구성되고,
상기 개구 어레이 및 상기 이동 프리즘은 상기 이동 테이블에 의해 일정 속도로 이동되고, 이동 중에 복수회 상기 2차원 검출기에 의해 화상 취득되고, 상기 2차원 검출기의 1회의 노광 시간은, 상기 개구 어레이 이동 방향의 개구 배열 주기의 정수배의 이동 시간과 동일해지도록 설정하는 것을 특징으로 하는 광학적 계측 장치.
광을 이용한 계측 장치에 있어서,
제6항에 기재된 공초점 스캐너와,
상면(像面) 위치에 상기 개구 어레이가 배치된 대물 렌즈와,
상기 대물 렌즈의 유효 상면 전체를 조사하는 조명 광학계와,
계측 물체에서 반사되어 상기 대물 렌즈에 입사하고, 상기 개구 어레이를 통과한 물체 반사광을 상기 조명 광학계와는 상이한 방향으로 편향하는 편향 광학 소자와,
상기 편향 광학 소자에 의해 편향된 상기 물체 반사광을 수광하여 광전 변환하여 화상 신호로서 출력하는 2차원 검출기와,
상기 개구 어레이의 상을, 상기 편향 광학 소자를 통해 상기 2차원 검출기 상에 결상시키는 결상 광학계와,
상기 2차원 검출기의 출력을 디지털 신호로서 입력하고, 얻어진 일련의 초점 위치가 상이한 데이터를 이용하여, 최대값을 부여하는 초점 위치를 탐색하고, 탐색한 초점 위치로부터 그 점의 높이를 특정하는 화상 처리 장치에 의해 구성되고,
상기 개구 어레이 및 상기 이동 프리즘은 상기 이동 테이블에 의해 일정 속도로 이동되고, 이동 중에 복수회 상기 2차원 검출기에 의해 화상 취득되고, 상기 2차원 검출기의 1회의 노광 시간은, 상기 개구 어레이 이동 방향의 개구 배열 주기의 정수배의 이동 시간과 동일해지도록 설정하는 것을 특징으로 하는 광학적 계측 장치.