KR20010101041A

KR20010101041A - 측정장치

Info

Publication number: KR20010101041A
Application number: KR1020017006369A
Authority: KR
Inventors: 시타미치유키나가
Original assignee: 기시모토 마사도시; 올림파스 고가꾸 고교 가부시키가이샤
Priority date: 1998-11-30
Filing date: 1999-11-29
Publication date: 2001-11-14
Also published as: AU1412000A; US20010043336A1; TW436608B; US6486964B2; WO2000033025A1

Abstract

레이저다이오드(105)로부터 레이저광에 의해 삼각측량의 원리에 의거한 피검체(101)표면의 높이측정을 실시하는 동시에 링상 조명(131) 및 광원(137)에 의해 피검체(101)의 암시야화상이나 명시야화상을 라인센서카메라(138)에서 촬상하고, 각각의 휘도화상정보를 제어장치(121)에 입력하여 피검체(101)의 위치측정이나 결함검사 등을 실시하며, 이것에 의해 고정밀도의 위치측정이나 높이측정 등을 실시할 수 있는 동시에 작업자에게 걸리는 부담을 경감할 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

측정장치{MEASURING INSTRUMENT}

근래 반도체부품은 더욱더 고집적화 및 대형화하는 경향이 있고, 이에 동반하여 베어칩(bare chip) 등을 실장하는 전기부품실장으로서 BGA패키지 등이 생각되고 있다. 이와 같은 BGA패키지에 대해서도, 최근은 베어칩 자신에 대하여 FC본딩에 의한 범프를 채용한 것이 있으며, 이와 같은 실장에 대해서는 더욱 정밀도가 높은 미소물체의 위치측정이나 높이측정 등이 요구되고 있다.

그래서 종래에는 이와 같은 범프를 채용한 전기부품실장에 대해서는 작업자가 1개씩 실태현미경을 이용하여 관찰하면서 위치측정과 함께 높이측정 등을 실시하도록 하고 있다.

그러나 이것으로는 1개의 전기부품실장의 외관검사를 실시하는 데 다대한 시간이 걸려 버려서 작업능률이 저하할 뿐만 아니라 작업자에게 다대한 부담을 건다는 문제가 있다.

또 피검체로부터 양질의 화상을 입력하는 데에는 광원인 레이저다이오드의 광량을 최적으로 조정할 필요가 있다.

그래서 종래 레이저다이오드의 레이저광의 광량을 제어하는 방법으로서, 레이저다이오드의 전원전압을 가변함으로써 레이저광의 광량을 제어하는 방법이나 투과량을 차례차례 변화시킨 ND필터를 레이저다이오드의 전면에 배치하고, 이 상태로부터 ND필터를 이동하여 레이저광에 대한 투과량을 변화시키는 것으로 광량을 제어하는 방법 등이 이용되고 있다.

그러나 레이저다이오드의 전원전압을 가변하면 레이저광의 파장이 안정되지 않게 되어 양질인 화상의 입력이 어려우며, 또 ND필터는 레이저광에 대한 투과량이 차례차례 변화하는 것이고 이에 대한 레이저광은 소정의 크기의 단면을 갖기 때문에 ND필터를 통과한 레이저광은 그 단면의 각 장소에 있어서 광량에 변형을 생기게 하여 균일한 광량이 얻어지지 않는다는 문제가 있다.

또 광빔의 광로중에 편광판을 설치하고 이것을 회전시킴으로써 편광판을 통과하는 광빔의 강도를 변화시키는 기술도 있지만, 피검체의 측정장소나 측정조건이 바뀌면 최적인 밝기도 변화하기 때문에 항상 양질의 화상을 안정되게 입력할 수 있도록 하는 것은 곤란하다는 문제가 있다.

따라서 본 발명의 목적은 정밀도가 높은 각종의 측정을 단시간에 실시할 수 있는 동시에 작업자에게 걸리는 부담을 경감할 수 있는 측정장치를 제공하는 데 있다.

또 본 발명의 다른 목적은 피검체의 측정장소나 측정조건이 바뀌어도 항상 최적인 밝기의 화상을 안정되게 입력할 수 있는 측정장치를 제공하는 것에 있다.

본 발명은 피검체의 높이위치 등의 측정을 실시하는 측정장치에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 한 실시형태의 개략구성을 나타내는 도면.

도 2는 한 실시형태에 이용되는 색선별거울의 특성을 설명하기 위한 도면.

도 3은 한 실시형태에 이용되는 색선별거울의 배치상태를 설명하기 위한 도면.

도 4는 한 실시형태에서의 삼각측량의 원리를 설명하기 위한 모식도.

도 5는 한 실시형태의 수광소자용의 조리개를 나타내는 평면도.

※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

3: 1/2파장판 3a: 기어

13: 모터 13a: 기어

101: 피검체(시료) 101’: 피검체면

102: 스테이지 103: 대물렌즈

104: 갈바노거울 105: 레이저다이오드

106: 콜리메이트렌즈 107: 편광빔스플리터

108: 1/4파장판 109: 제 1 결상렌즈

110: 1차상면 112: 동공릴레이렌즈

113a: 반투과거울면 113b: 반투과거울면

114: 제 1 조리개 115: 세퍼레이터렌즈

116: 광위치검출소자(PSD) 121; 제어장치

122: 높이연산부 124: 제 2 조리개

125: 분할수광소자 126: 측정가부판단부

131: 링상 조명 132: 광파이버

133: 광원 134: 색선별거울

135: 결상렌즈 136: 반투과거울

137: 광원 138: 라인센서카메라

139: 위치연산부 140: 필터

141: 필터 201: 반투과거울

203: 수광소자 205: 스테이지구동부

본 발명의 한 관점에 따르면, 레이저광원으로부터의 레이저광원에 의해 피검체상을 주사하여 해당 피검체로부터의 반사광으로부터 적어도 높이정보를 얻는 제 1 측정수단과, 조명광원으로부터의 조명광을 피검체상에 조사하여 해당 피검체로부터의 반사광 또는 산란광으로부터 2차원정보를 얻는 제 2 측정수단과, 상기 제 1 측정수단에 있어서의 레이저광과 상기 제 2 측정수단에 있어서의 조명광이 겹치는 광로중에 설치되는 대물렌즈를 구비한 측정장치가 제공된다.

상기 측정장치에 있어서, 상기 제 2 측정수단에 의해 얻어지는 2차원정보는 상기 피검체의 암(暗)시야화상 및 명(明)시야화상의 적어도 한쪽의 휘도화상정보를 포함하는 것이어도 좋다.

상기 측정장치에 있어서, 상기 제 2 측정수단에 의해 얻어지는 2차원정보는 상기 피검체의 암시야화상의 휘도화상정보 및 명시야화상의 휘도화상정보의 양쪽을 포함하는 것이어도 좋다.

상기 측정장치는 상기 피검체로부터의 반사광 또는 산란광을 상기 제 1 측정수단측과 상기 제 2 측정수단측으로 분리하는 색선별거울(dichroic mirror)을 추가로 구비한 것이어도 좋다.

상기 측정장치에 있어서, 상기 색선별거울의 면은 상기 대물렌즈의 광축에 직교하는 면에 대하여 45°보다 작은 각도로 설정되는 것이어도 좋다.

상기 측정장치에 있어서, 상기 제 1 측정수단은 레이저광을 반사하는 동시에 요동하여 상기 피검체상을 주사하는 반사거울을 갖는 것이어도 좋다.

상기 측정장치에 있어서, 상기 제 2 측정수단은 상기 피검체의 암시야상 또는 명시야상을 촬상하는 라인센서카메라를 갖는 것이어도 좋다.

상기 측정장치에 있어서, 상기 조명광원은 낙사(落射)조명광원을 갖는 것이어도 좋다.

상기 측정장치에 있어서, 상기 제 2 측정수단은 암시야화상용의 조명광을 발하는 광원과, 이 광원으로부터의 조명광을 단파장으로 변환하는 필터를 갖는 것이어도 좋다.

상기 측정장치에 있어서, 상기 제 1 측정수단은 상기 피검체의 2차원정보도 얻는 것이어도 좋다.

상기 측정장치는 상기 조명광의 반사광의 광량을 검출하는 수단과, 검출된 광량에 따라서 상기 조명광을 제어하는 수단을 추가로 구비한 것이어도 좋다.

상기 측정장치는 상기 레이저광의 광로중에 설치되어 회전 가능하게 배치된 파장판을 추가로 구비한 것이어도 좋다.

상기 측정장치는 상기 파장판을 회전구동하는 동시에 상기 레이저광에 대한 회전각도를 결정하는 회전구동수단을 추가로 구비한 것이어도 좋다.

상기 측정장치는 상기 레이저광의 반사광의 광량을 검출하는 수단과, 검출된 광량에 따라서 상기 회전구동수단을 구동함으로써 상기 레이저광을 제어하는 수단을 추가로 구비한 것이어도 좋다.

상기 측정장치에 있어서, 상기 파장판은 상기 레이저광원으로부터의 레이저광을 반사한 만큼의 빛이 해당 레이저광원에 닿지 않는 각도로 설정되어 있는 것이어도 좋다.

상기 측정장치에 있어서, 상기 파장판은 1/2파장판으로 이루어지는 것이어도 좋다.

이하 본 발명의 한 실시형태를 도면에 따라서 설명한다.

도 1은 본 발명이 적용되는 검출장치의 개략구성을 나타내고 있다. 도면에 있어서 101은 피검체(시료)이고, 이 피검체(101)는 스테이지(102)상에 재치된다.

이 스테이지(102)는 스테이지구동부(205)에 의해 이동할 수 있도록 되어 있으며, 필요에 따라서 도면에 나타낸 Z방향, X방향 및 Y방향(도면의 안길이방향)으로 각각 이동할 수 있도록 되어 있다.

스테이지(102)상의 피검체(101)에 대하여 대물렌즈(103)를 배치하고 있다. 이 대물렌즈(103)는 무한원설계의 물측 텔레센트릭렌즈(telecentric lens)를 이용하고 있다.

대물렌즈(103)와 스테이지(102)의 사이에 링상 조명(131)을 배치하고 있다. 이 링상 조명(131)은 광파이버(132)를 통하여 광원(133)을 접속하고 있으며, 이 광원(133)으로부터의 빛에 의해 대물렌즈(103) 주위로부터 피검체(101)를 향하여 조명광을 발하고, 피검체(101)의 암시야상을 취득하도록 하고 있다.

대물렌즈(103)와 후술하는 갈바노거울(galvano mirror)(104)의 사이에 색선별거울(134)을 배치하고, 이 색선별거울(134)의 반대광로에 반투과거울(136)을 배치하고 있다.

또 반투과거울(136)의 투과광로에 낙사조명용의 광원(137)을 배치하고 있다. 이 광원(137)은 반투과거울(136), 색선별거울(134) 및 대물렌즈(103)를 통과하여 피검체(101)를 향해 낙사조명광을 발하고, 피검체(101)의 명시야상을 취득하도록 하고 있다.

여기에서 색선별거울(134)은 도 2에 나타내는 바와 같이 상기한 링상 조명(131)에 의한 명시야상 및 광원(낙사조명용)(137)에 의한 명시야상의 각각의 관찰계의 파장영역에 대하여 낮은 투과량(고반사)을 나타내고, 또 후술하는 레이저다이오드(105)로부터의 측정광의 파장역에 대하여 높은 투과량을 나타내는 특성을 갖는 것이 이용된다.

그리고 이들 피검체(101)의 암시야상 또는 명시야상은 대물렌즈(103)를 통과하여 색선별거울(134)에서 반사하고, 또 반투과거울(136)에서 반사하여 결상렌즈(135)를 투과하고, 이 결상렌즈(135)의 집광위치에 배치한 라인센서카메라(138)에 입력되도록 되어 있다.

여기에서 라인센서카메라(138)는 색선별거울(134)의 반사광로로부터 결상렌즈(135)를 통하여 입력되는 피검체(101)의 암시야상 또는 명시야상을 촬상하는 것이다. 또 라인센서카메라(138)는 각 라인마다의 촬상위치를 후술하는 갈바노거울(104)의 주사위치와 비켜 놓아 레이저광의 영향을 없애서 암시야상 또는 명시야상을 양호하게 얻어지도록 하고 있다.

그리고 라인센서카메라(138)에 의해 촬상된 암시야화상은 휘도화상정보로서 제어장치(121)의 위치연산부(139)에 입력된다. 이 위치연산부(139)는 라인센서카메라(138)에서 입력된 2차원화상정보로부터 피검체(101)의 위치를 검출하는 동시에 조명이나 결함에 대응한 최적인 화상처리의 알고리즘이 실행되어 이물, 빠짐, 얼룩, 크기 등의 결함검사를 가능하게 하고 있다.

또 라인센서카메라(138)에 의해 촬상된 명시야화상도 휘도화상정보로서 제어장치(121)에 입력된다. 이 경우 제어장치(121)는 라인센서카메라(138)의 휘도화상정보로부터 조명이나 결함에 대응한 최적인 화상처리알고리즘을 실행하여 피검체(101)의 이물, 빠짐, 얼룩, 크기 등을 검출하는 기능도 갖고 있다.

그런데 색선별거울(134)과 반투과거울(136)의 사이의 광로중에 반투과거울(201)이 설치되어 있다. 이 거울(201)은 피검체(101)로부터의 암시야상 또는 명시야상의 광을 반사하고, 결상렌즈(135)를 통하여 수광소자(203)에 인도한다. 수광소자(203)의 출력은 제어장치(121)에 입력된다. 또한 도면에서는 반투과거울(201)을 색선별거울(134)과 반투과거울(136)의 사이의 광로중에 설치하는 경우를 나타내고 있는데, 대신에 반투과거울(136)과 결상렌즈(135)의 사이의 광로중에설치하도록 해도 상관없다.

제어장치(121)는 수광소자(203)의 출력에 의거하여 2차원측정이 가능한 밝기가 얻어지도록(광량이 미리 설정된 범위내(상한값과 하한값의 사이)에 수습되도록) 광원(133 또는 137)의 광량을 피드백제어한다.

또 링상 조명(131)의 광원(133)의 전면에는 필터(140)를 배치하고 있다. 이 필터(140)는 광원(133)으로부터의 빛을 단파장으로 변환하고 피검체(101)의 암시야상을 효율 좋게 색선별거울(134)로 반사시켜서 라인센서카메라(138)에 입력할 수 있도록 하고 있다. 또 라인센서카메라(138)의 촬상면에는 필터(141)를 배치하고 있다. 이 필터(141)는 후술하는 레이저다이오드(105)로부터의 레이저광이 피검체(101)면에서 반사되었을 때의 일부가 또한 색선별거울(134)에서 반사되어 라인센서카메라(138)에 침입하는 것을 방지하기 위한 것이다.

한편 대물렌즈(103)의 동공면(103’)에 색선별거울(134)을 통하여 주사수사단으로서의 갈바노거울(104)이 배치되어 있다. 이 갈바노거울(104)은 거울구동부(120)에 의해 동공면(103’)의 동공중심부근을 축으로 하여 요동구동되는 것이며, 측정광을 반사하여 피검체(101)면을 도면에 나타낸 X방향 및 Y방향(도면의 안길이방향)으로 각각 주사할 수 있도록 되어 있다.

또한 여기에서는 X방향 및 Y방향의 양쪽의 주사를 갈바노거울(104)의 요동에 의해 실현하고 있지만, 대신에 X방향의 주사를 갈바노거울(104)의 요동에 의해 실현하고, Y방향의 주사를 스테이지의 이동에 의해 실현하도록 해도 좋다. 또 X방향의 주사를 스테이지의 이동에 의해 실현하고, Y방향의 주사를 갈바노거울(104)의요동에 의해 실현하도록 해도 좋다.

105는 레이저다이오드이고, 이 레이저다이오드(105)의 전방에 콜리메이트렌즈(106), 1/2파장판(3), 편광빔스필리터(107), 1/4파장판(108)을 통하여 상기한 갈바노거울(104)을 배치하고, 레이저다이오드(105)로부터의 레이저광을 콜리메이트렌즈(106)에서 평행광으로 하여 1/2파장판(3), 편광빔스플리터(107), 1/4파장판(108)을 투과하여 갈바노거울(104)에 입사시키고, 이 갈바노거울(104)에서의 반사광을 측정광으로서 색선별거울(134), 대물렌즈(103)를 통과시켜서 피검체(101)면에 집광하도록 하고 있다.

1/2파장판(3)은 레이저다이오드(105)로부터의 레이저광의 광축에 대하여 대략 직교하여 배치되어 있다. 이 경우 1/2파장판93)은 레이저광의 광축에 대하여 직각(90도)이 아니고 이로부터 0∼10도의 범위로 경사시킨 상태로 해두는 것이 바람직하다. 이것은 1/2파장판(3)에 의해 반사된 만큼의 레이저광이 레이저다이오드(105)의 발광부에 조사되어 버린다는 폐해를 방지하기 위함이다. 1/2파장판(3)은 원형을 이루고 있으며, 그 둘레틀부를 따라서 기어(3a)를 형성하고, 이 기어(3a)를 모터(13)의 회전축의 기어(13a)에 맞물려지며, 이 모터(13)를 구동원으로 하여 회전 가능하게 되어 있다. 모터(13)는 제어장치(121)에 접속되어 있으며, 제어장치(121)로부터의 제어신호에 의해 1/2파장판(3)의 회전각도를 설정하고, 이 회전각도에 따라서 레이저광의 투과량을 가변 가능하게 하고 있다.

색선별거울(134)은 도 3에 나타내는 바와 같이 갈바노거울(104)에서 반사되어 피검체(101)면에 측정광을 도광하는 대물렌즈(103)의 광축에 직교하는 면에 대하여 45°보다 작은 각도로 설정하는 것이 바람직하고, 여기에서는 실선으로 나타내는 35°로 설정하고 있다. 즉 측정광에 대하여 입사각도를 45°보다 작게 설정함으로써 색선별거울(134)에서의 측정광의 손실을 최소한으로 하고 있다.

피검체(101)상의 측정광은 대물렌즈(103)의 동공직경과 초점거리에서 결정되는 NA의 수렴광으로서 피검체(101)상의 임의의 위치에 텔레센트릭하게 집광된다.

또 피검체(101)면에서 반사된 측정광을 대물렌즈(103) 및 색선별거울(134)을 통과시키고, 갈바노거울(104)에서 반사시킨 후 1/4파장판(108)을 통과시켜서 편광빔스플리터(107)에 입사시키고, 이 편광빔스플리터(107)에서 반사시키도록 하고 있다. 그리고 편광빔스플리터(107)에서 반사한 측정광의 광속은 제 1 결상렌즈(109)에 의하여 1차상면(110)에 집광된다.

1차상면(110)을 통과한 광속은 무한계로 설계된 제 2 대물렌즈로서의 동공일레이렌즈(112)를 통과하여 반투과거울면(113a)을 갖는 프리즘(113)에 입사하고 반사하는 광속(L1)과 투과하는 광속(L2)으로 분할된다.

프리즘(113)의 반투과거울면(113a)에서 반사한 광속(L1)은 거울(113), 제 1 조리개(114)를 거쳐서 제 2 결상렌즈인 세퍼레이터렌즈(115)에 의해 광위치검출소자(이하 PSD(Position Sencing Device)라고 칭한다)(116)상에 집광된다.

이 PSD(116)는 측광위치(스폿위치)(S)에 의하여 변화하는 전류신호를 출력하는 것이다. 스폿위치(S)는 피검체(101))의 높이변화에 비례한 양만큼 좌우로 이동한다. 이것은 나중에 자세히 설명하는 삼각측량의 원리에 의거하는 것이다.

그리고 PSD(116)로부터의 출력은 피검체(101)의 명시야화상의 휘도화상정보로서 제어장치(121)에 입력되는 동시에 높이연산부(122)에 입력된다. 높이연산부(122)는 갈바노거울(104)의 요동각도에 따른 피검체(101)면에서의 측정위치좌표(x, y)(X방향, Y방향의 위치좌표)와, PSD(116)로부터 얻어진 스폿위치신호에 의거하여 피검체(101)표면에서의 높이(z)를 연산하는 것이다.

그런데 피검체(101)의 표면에 요철이 존재하는 경우 PSD(116)상의 스폿은 일정한 넓어짐을 가져 버려서 정확한 검출을 실시할 수 없는 일이 있다. 이 경우 PSD(116)에서는 광스폿의 주변부분밖에 검출할 수 없다는 것이 되어 적지 않은 검출오차가 생기게 된다.

따라서 이와 같은 경우에는 피검체(101)의 높이검출은 불가능하다고 하여 검출결과를 파기하는 것이 타당하다. 이 실시형태에서는 측정의 가부를 판단하기 위해 상기 프리즘(113)의 반투과거울면(113a)을 투과한 광속(L2)을 상기 프리즘(113)의 후단측에 설치된 거울면(113b), 제 2 조리개(124)를 통하여 분할수광소자(125)에 인도한다.

그리고 이 분할수광소자(125)의 출력(광량)은 측정가부판단부(126)에 입력된다. 측정가부판단부(126)는 분할수광소자(125)의 출력에 의거하여 높이측정이 가능한 밝기로 되어 있는지 아닌지를 판단한다. 구체적으로는 측정 가능한 범위(하한값, 상한값)를 설정하여 두고 광량이 그 범위내에 수습되어 있는지 아닌지를 판단한다.

또 제어장치(121)는 분할수광소자(125)의 출력에 의거하여 높이측정이 가능한 밝기가 얻어지도록(광량이 미리 설정된 범위내(상한값과 하한값의 사이)에 수습되도록) 레이저다이오드(105)의 레이저광의 광량을 피드백제어한다.

구체적으로는 제어장치(121)는 제어신호를 보냄으로써 모터(13)를 기동하고 1/2파장판(3)을 회전시킨다. 즉 레이저광에 대하여 대략 직교하여 배치되는 1/2파장판(3)은 제어장치(121)로부터의 제어신호에 의해 설정되는 회전각도만큼 회전되고, 이 때의 회전각도에 따라서 레이저광의 투과량이 설정된다. 이것에 의해 1/2파장판(3)을 투과한 후 스테이지(102)상의 피검체(101)상에 스폿광으로서 조사되는 레이저광은 소망하는 최적인 광량으로 설정되게 된다. 이에 따라 제어장치(121)의 측에서는 최적인 밝기로 측정된 피검체(101)의 화상이 얻어지게 된다.

그런데 제 1 결상렌즈(109)의 전측초점면은 제 1 대물렌즈(103)의 동공면 또는 그 공액면(103’)에 놓여져 있다. 한편 세퍼레이터렌즈(115)는 제 2 대물렌즈인 동공릴레이렌즈(112)의 후측초점면에 배치되어 있다. 따라서 세퍼레이터렌즈(115)는 제 1 대물렌즈(103)의 동공면(103’)과 공액의 위치에 있게 된다. 이 때문에 세퍼레이터렌즈(115)는 모든 측정점으로부터 반사된 측정광 중 대물동공면(103’)의 동일 부분을 통과한 광속에 의하여 측정스폿을 PSD(116)상에 형성하게 된다.

또 상기 제 1 조리개(114)는 도 5에 나타내는 바와 같이 동공의 틀부(중심부로부터 일정 거리(h) 이간한 위치)에 배치되어 있다. 이와 같이 하면 피검체(101)의 요철에 의하여 PSD(116)에 입사하는 스폿의 위치는 삼각측량의 원리에 의거하여 소망의 방향으로 이동한다.

그리고 이 제 1 조리개(114)와 분할수광소자(125)에 대향하는 제 2조리개(124)는 공액인 위치에 설치되어 있다. 이와 같이 함으로써 분할수광소자(125)상에 촬영되는 광속은 PSD(116)상에 촬영되는 광속과 대물동공면(103’)의 동일 부분을 통과한 광속이 된다.

다음에 이와 같이 구성한 실시형태의 동작을 설명한다.

우선 링상 조명(131)보다 대물렌즈(103)주위로부터 피검체(101)를 향하여 조명광이 발해지게 되는 경우 피검체(101)에서 반사한 빛은 암시야상으로서 대물렌즈(103)를 통과하여 색선별거울(134)에서 반사하고, 또한 반투과거울(136)에서 반사하여 결상렌즈(135)를 투과하고, 이 결상렌즈(135)의 집광위치에 배치한 라인센서카메라(138)에서 촬상된다. 그리고 이 라인센서카메라(138)에서 촬상된 암시야화상은 휘도화상정보로서 제어장치(121)의 위치연산부(139)에 입력되고, 위치연산부(139)에 의해 피검체(101)의 위치가 산출되는 등 하여 위치측정이 실시된다.

다음에 광원(137)으로부터 조명광이 발해지는 경우 이 빛은 반투과거울(136), 결상렌즈(135), 색선별거울(134) 및 대물렌즈(103)를 통과하여 피검체(101)를 향하여 조사된다. 그러면 이번은 피검체(101)에서 반사한 빛은 명시야상으로서 대물렌즈(103)를 통과하여 색선별거울(134)에서 반사하고, 또한 반투과거울(136)에서 반사하여 결상렌즈(135)를 투과하고, 이 결상렌즈(135)의 집광위치에 배치한 라인센서카메라(138)에서 촬상된다. 그리고 이 라인센서카메라(138)에서 촬상된 명시야화상은 휘도화상정보로서 제어장치(121)에 입력되고, 피검체(101)의 각종 결함에 대응한 최적인 알고리즘이 선택되어 결함검출이 실시된다.

이와 같이 하면 이들 링상 조명(131) 및 광원(137)을 선택적으로 점등하고, 피검체(101)의 암시야화상 또는 명시야화상의 휘도화상정보를 제어장치(121)에 입력함으로써 피검체(101)의 위치측정이나 각종 결함의 검사정밀도를 높여서 오검출을 저감할 수 있다. 또 이들 링상 조명(131) 및 광원(137)을 동시에 점등하고 피검체(101)의 명시야화상을 서로 겹친 휘도화상정보를 제어장치(121)에 입력하는 것에 의해서도 이 때의 휘도화상정보의 다양한 알고리즘처리에 의해 피검체(101)의 각종 측정을 실시할 수 있다.

다음에 레이저다이오드(105)로부터 레이저광이 발해지면 레이저광은 콜리메이트렌즈(106), 편광빔스플리터(107), 1/4파장판(108)을 통하여 갈바노거울(104)에 입사되고, 갈바노거울(104)에서의 반사광이 측정광으로서 색선별거울(134), 대물렌즈(103)를 통과시켜서 피검체(101)면에 집광된다. 또 피검체(101)면에서 반사된 측정광은 대물렌즈(103) 및 색선별거울(134)을 통과하야 갈바노거울(104)에서 반사되고 1/4파장판(108)을 통과시켜서 편광빔스플리터(107)에서 반사되고 제 1 결상렌즈(109)에 의하여 1차상면(110)에 집광된다. 또 1차상면(110)을 통과한 광속은 동공릴레이렌즈(112)를 통과하여 반투과거울면(113a)을 갖는 프리즘(113)에 입사되고, 반투과거울면(113a)에서 반사한 광속(L1)은 거울(113), 제 1 조리개(114)를 거쳐서 세퍼레이터렌즈(115)를 통하여 PSD(116)상에 집광된다.

그리고 이 PSD(116)로부터의 출력은 피검체(101)의 명시야화상의 휘도정보로서 제어장치(121)에 입력되는 동시에 높이연산부(122)에 입력된다.

제어장치(121)에서는 피검체(101)의 명시야화상의 휘도정보에 의거하여 피검체(101)에 걸리는 각종 검사를 실행하고, 또 높이연산부(122)에 의해 갈바노거울(104)의 요동각도에 따른 피검체(101)면에서의 측정위치좌표(x, y)와 PSD(116)로부터 얻어진 스폿위치신호에 의거하여 피검체(101)표면에서의 높이(z)를 연산한다.

또한 이와 같은 높이측정은 단독으로 실시해도 상기한 피검체(101)의 암시야화상이나 명시야화상의 휘도화상정보의 취득과 동시에 실시하도록 해도 좋다.

다음에 높이연산부(122)에서의 동작을 자세하게 설명한다.

우선 높이연산부(122)에 의한 높이연산의 원리 및 그 구체적 방법에 대하여 자세히 설명한다.

도 4는 도 1의 1차상면(110)으로부터 뒤의 부분만을 나타낸 것이며, 1차상면(110)의 피검체상을 새롭게 피검체면(101’)으로서 생각하고 있다.

시스템패러미터로서 동공릴레이렌즈(제 2 대물렌즈)(112)의초점거리를 fp, 세퍼레이터렌즈(115)의 초점거리를 fs, 1차상의 결상배율을 M, 광축으로부터 세퍼레이터렌즈(115)의 중심까지의 높이를 h, 동공릴레이렌즈(112)와 세퍼레이터렌즈(115)의 거리를 D, 제 1 결상렌즈(109)의 NA를 NA_OB로 한다.

1차상의 디포커스량(높이)(Z’)은 피검체의 높이를 Z로 하면 ZM²이고, PSD(116)에는 중심으로부터 δ의 위치에 광스폿이 형성된다. 이 때 δ는 도면에서,

δ＝fs·tanα …(1)

tanα＝h/(b－D) …(2)

로 된다.

따라서 다음 식이 인도된다.

δ＝fs·h/(b－D) …(3)

h＝fp·NA_OB/MP …(4)

여기에서 P는 도 3에 나타내는 바와 같이 결상렌즈(109)의 동공상에서 산출한 조리개중심과 동공의 반직경의 비 P＝Φ/h이다.

다음에 b를 계산하면,

1/b＝(1/fp)－(1/(fp＋M²Z)) …(5)

이기 때문에,

b＝fp(fp＋M²Z)/M²Z …(6)

으로 된다. 이들의 식을 정리하면,

δ＝fs·(fpNA_OBM/P)· Z·{1/(fp(fP＋M²Z)－DM²Z)} …(7)

로 된다. 또한 상기한 바와 같이 세퍼레이터렌즈(115)와 동공릴레이렌즈(112)의 거리(D)는 fp이므로,

δ＝(fs/fp)·(NA_OBM/P)·Z …(8)

로 되고, δ와 Z는 완전히 선형의 관계로 된다.

실제의 측정량은 δ이다. 따라서 다음 식 (8)을 변형하여

Z＝{fpP/(fsNA_OBM)}·δ …(9)

로 된다.

다음에 이와 같은 원리에 의거하여 피검체(101)의 높이(Z)를 구체적으로 산출하기 위해 상기 제어장치(121)에 설치된 높이연산부(122)는 상기 PSD(116)로부터 스폿위치신호(δ)를 받아들인다. 그리고 이 높이연산부(122)는 이 스폿위치신호(δ), 상기 시스템패러미터(f, β, θ) 및 상기 거울구동부(120)로부터 차례차례 입력되는 측정위치정보(x, y)를 이용하여 각 측정위치의 높이(Z)를 연속적으로 출력한다.

이것에 따르면 각 광학계나 피검체(101)를 상하시키지 않아도 넓은 측정영역과 넓은 다이나믹레인지를 가진 높이측정을 극히 고속으로 실시할 수 있다.

따라서 이와 같이 하면 레이저다이오드(105)로부터 측정광에 의한 삼각측량의 원리에 의거한 피검체(101)표면의 높이측정을 고속으로 실시할 수 있는 동시에 링상 조명(131) 및 광원(137)에 의해 피검체(101)의 암시야화상 또는 명시야화상을 라인센서카메라(138)에서 촬상하고, 각각의 휘도화상정보를 취득함으로써 결함에 대응한 최적인 조건으로 피검체(101)의 위치측정이나 결함검사 등을 실시할 수도 있으므로, 이들 높이측정이나 위치측정 등의 각종의 측정을 정밀도 좋게, 또한 단시간에 효율 좋게 실시할 수 있다. 또 암시야화상 또는 명시야화상 등의 2차원화상정보를 얻는 2차원측정수단과 삼각측량 등에 의한 3차원측정수단(적어도 높이를 측정하는 측정수단)을 동일 대물렌즈(103)에 의해 입력함으로써 피검체(101)를 움직이는 일 없이 복수의 측정수단을 실행할 수 있기 때문에 측정수단의 전환에는 피검체(101)의 위치어긋남이 생기는 일이 없고, 작업자에게 걸리는 부담을 대폭으로 경감할 수 있는 동시에 귀찮은 조정기구도 없앨 수 있다.

또 상기 실시형태에서는 레이저광을 발생하는 레이저다이오드(105)의 전면에 레이저광에 대하여 대략 직교로, 또한 회전 가능하게 1/2파장판(3)을 배치하고, 제어장치(121)의 제어신호에 의해 설정되는 회전각도만큼 모터(13)에 의해 1/2파장판(3)을 회전시키며, 이 때의 회전각도에 따라서 레이저광의 투과량을 설정하도록 했으므로, 종래의 레이저다이오드의 전원전압을 가변하는 것과 비교하여 레이저광의 파장에 변동을 생기게 하는 일이 없어서 양질의 화상의 입력이 가능하게 되고, 또 종래의 ND필터를 이용한 것과 비교해도 레이저광의 단면의 각 장소에 있어서 광량에 변형을 생기게 하는 일이 없어서 균일한 광량의 레이저광을 연속적으로 얻을 수 있어 안정된 레이저광의 조광제어를 실현할 수 있다.

이상 서술한 바와 같이 본 발명에 따르면 정밀도가 높은 각종의 측정을 단시간에 실시할 수 있는 동시에 작업자에게 걸리는 부담을 경감할 수 있는 측정장치가 제공된다. 또 피검체의 측정장소나 측정조건이 바뀌어도 항상 최적인 밝기의 화상을 안정되게 입력할 수 있는 측정장치가 제공된다.

Claims

레이저광원(105)으로부터의 레이저광에 의해 피검체상을 주사하여 해당 피검체로부터의 반사광으로부터 적어도 높이정보를 얻는 제 1 측정수단과,

조명광원(137 또는 133)으로부터의 조명광을 피검체상에 조사하여 해당 피검체로부터의 반사광 또는 산란광으로부터 2차원정보를 얻는 제 2 측정수단과,

상기 제 1 측정수단에 있어서의 레이저광과 상기 제 2 측정수단에 있어서의 조명광이 겹치는 광로중에 설치되는 대물렌즈(103)를 구비한 것을 특징으로 하는 측정장치.
제 1 항에 있어서,

상기 제 2 측정수단에 의해 얻어지는 2차원정보는 상기 피검체의 암시야화상 및 명시야화상의 적어도 한쪽의 휘도화상정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 측정장치.
제 1 항에 있어서,

상기 제 2 측정수단에 의해 얻어지는 2차원정보는 상기 피검체의 암시야화상의 휘도화상정보 및 명시야화상의 휘도화상정보의 양쪽을 포함하는 것을 특징으로 하는 측정장치.
제 1 항에 있어서,

상기 피검체로부터의 반사광 또는 산란광을 상기 제 1 측정수단측과 상기 제 2 측정수단측으로 분리하는 색선별거울(134)을 추가로 구비한 것을 특징으로 하는 측정장치.
제 4 항에 있어서,

상기 색선별거울(134)의 면은 상기 대물렌즈(103)의 광축에 직교하는 면에 대하여 45°보다 작은 각도로 설정되는 것을 특징으로 하는 측정장치.
제 1 항에 있어서,

상기 제 1 측정수단은 레이저광을 반사하는 동시에 요동하여 상기 피검체상을 주사하는 반사거울(104)을 갖는 것을 특징으로 하는 측정장치.
제 1 항에 있어서,

상기 제 2 측정수단은 상기 피검체의 암시야상 또는 명시야상을 촬상하는 라인센서카메라(138)를 갖는 것을 특징으로 하는 측정장치.
제 1 항에 있어서,

상기 조명광원은 낙사조명광원(137)을 갖는 것을 특징으로 하는 측정장치.
제 1 항에 있어서,

상기 제 2 측정수단은 암시야화상용의 조명광을 발하는 광원(133)과, 이 광원으로부터의 조명광을 단파장으로 변환하는 필터(140)를 갖는 것을 특징으로 하는 측정장치.
제 1 항에 있어서,

상기 제 1 측정수단은 상기 피검체의 2차원정보도 얻는 것을 특징으로 하는 측정장치.
제 1 항에 있어서,

상기 조명광의 반사광의 광량을 검출하는 수단(203)과, 검출된 광량에 따라서 상기 조명광을 제어하는 수단(121)을 추가로 구비한 것을 특징으로 하는 측정장치.
제 1 항에 있어서,

상기 레이저광의 광로중에 설치되어 회전 가능하게 배치된 파장판(3)을 추가로 구비한 것을 특징으로 하는 측정장치.
제 12 항에 있어서,

상기 파장판을 회전구동하는 동시에 상기 레이저광에 대한 회전각도를 결정하는 회전구동수단(13)을 추가로 구비한 것을 특징으로 하는 측정장치.
제 13 항에 있어서,

상기 레이저광의 반사광의 광량을 검출하는 수단(125)과, 검출된 광량에 따라서 상기 회전구동수단을 구동함으로써 상기 레이저광을 제어하는 수단(121)을 추가로 구비한 것을 특징으로 하는 측정장치.
제 12 항에 있어서,

상기 파장판(3)은 상기 레이저광원(105)으로부터의 레이저광을 반사한 만큼의 빛이 해당 레이저광원에 닿지 않는 각도로 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 측정장치.
제 12 항에 있어서,

상기 파장판(3)은 1/2파장판으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 측정장치.