(57)【要約】【課題】入射瞳位置が撮像面から有限の距離にある固体撮像素子を検査するような場合でも、固体撮像素子の各ピクセルを均一に近い光量で照射することのできる固体撮像素子照明装置を提供する。【解決手段】２次光源リレー光学系２０で、拡散板１１（２次光源）の像を結像位置１２に結像させる。そして、この結像位置に固体撮像素子８の入射瞳が位置するように固体撮像素子８を配置し、拡散板１１の像からの光で固体撮像素子８を照明する。正の球面収差がある場合は、開口数が大きな光線、すなわち、固体撮像素子８の外周を照明する光線ほど、中心側に引き寄せられて固体撮像素子８を照明することになる。よって、この作用により、ｃｏｓ４乗則が緩和され、固体撮像素子８が一様に照明されることになる。【選択図】　図１
2004061154.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源、光学系を備え、固体撮像素子を照明する装置であって、前記光学系と固体撮像素子の間に、２次光源生成手段、２次光源リレー光学系を挿脱可能に備え、当該リレー光学系は、前記２次光源の結像位置において正の球面収差を持つことを特徴とする固体撮像素子照明装置。
【請求項２】
請求項１に記載の固体撮像素子照明装置であって、前記２次光源生成手段より光源側に、光源からの光を前記２次光源生成手段上に集光する集光光学系を備えたことを特徴とする固体撮像素子照明装置。
【請求項３】
入射瞳が撮像面から有限な距離にある固体撮像素子に照明光を照射して固体撮像素子の検査を行う方法であって、請求項１又は請求項２に記載の固体撮像素子照明装置を用い、前記２次光源の結像位置を、前記固体撮像素子の入射瞳に一致させて、前記固体撮像素子照明光学系で前記固体撮像素子を照明し、検査を行うことを特徴とする固体撮像素子の検査方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像素子の製造過程においてウエハ上に形成された固体撮像素子を検査するため等に使用される固体撮像素子照明装置、及びこのような固体撮像素子の検査方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＣＤ等の固体撮像素子の製造にあたっては、これらの固体撮像素子がウエハ上に形成された段階で、個々の固体撮像素子の性能が検査される。このような検査に用いられる固体撮像素子照明装置の１例の概要図を図６に示す。
【０００３】
図６において、光源１からの光束をリレーレンズ２でインテグレータ４へリレーし、コンデンサレンズ５で検査用チャート６を均一でテレセントリックに照明する。そして、検査用チャート６の像を投影レンズ７により、固体撮像素子８の被検査面へテレセントリックに投影する。３は挿脱可能な複数の熱線カットフィルタやＮＤフィルタやカラーフィルタであり、必要に応じて系内に挿入されて使用される。
【０００４】
そして、検査用チャート６の像が正しく固体撮像素子８で認識されているかどうかを、固体撮像素子８の出力をチェックすることにより判定する。検査用チャート６として特別なパターンの形成されていない一様なものを使用すれば、固体撮像素子８をテレセントリックな一様光で照明することができ、ピクセル毎の感度等の検査を行うことができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来は、固体撮像素子はテレセントリックに入射する光を受光することを前提として製造されていることが多かった。すなわち、これらの固体撮像素子の入射瞳は無限遠にあった。しかしながら、ディジタルカメラに固体撮像素子が多用されるようになるに従い、光電変換面の前方にマイクロレンズアレイ等を設けることにより、入射瞳を撮像面の極近傍に設けた固体撮像素子が使用されるようになってきた。
【０００６】
すなわち、ディジタルカメラは、携帯電話にも搭載されるようになり、著しく小型化が進んでいる。そのため、ディジタルカメラに使用されるレンズ系を小型化する必要がある。このような目的に対応するために、撮像素子より小さな瞳を有するようなレンズ系を使用し、レンズ系の射出瞳位置（固体撮像素子の入射瞳位置に対応）を固体撮像素子の極近傍（数ｍｍ）に設けるようにしている。
【０００７】
このような瞳位置が撮像面の近傍に設けられた固体撮像素子を検査する場合、図６に示すような固体撮像素子照明装置を使用すると、照明装置の射出瞳（テレセン性があるため無限遠にある）と固体撮像素子の入射瞳との位置が違うため、周辺光量が大きく減少してしまうという問題点がある。
【０００８】
これを解決するためには、固体撮像素子の入射瞳位置に光源の像ができるような照明光学系を使用すれば、周辺光量の減少は抑えられる。しかしながら、このような方法をとった場合には、瞳から見た固体撮像素子の開口角が大きいことに起因して、周辺減光が発生するという別の問題が発生する。
【０００９】
開口角と周辺減光の関係は、ｃｏｓ４乗則として周知である。すなわち、瞳から見た開口角がθである点の光量は、ｃｏｓ４θに比例する。一例として、照明光学系の射出瞳位置が固体撮像素子から７ｍｍで、固体撮像素子サイズが対角５ｍｍである場合、頂点においては、光軸上の点に対して
ｃｏｓ４（ｔａｎ−１（２．５／７））＝０．７９
となり、２１％の周辺減光が発生する。
【００１０】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、入射瞳位置が撮像面から有限の距離にある固体撮像素子を検査するような場合でも、固体撮像素子の各ピクセルを均一に近い光量で照射することのできる固体撮像素子照明装置、及びこの固体撮像素子照明装置を使用した固体撮像素子の検査方法を提供することを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための第１の手段は、光源、光学系を備え、固体撮像素子を照明する装置であって、前記光学系と固体撮像素子の間に、２次光源生成手段、２次光源リレー光学系を挿脱可能に備え、当該リレー光学系は、前記２次光源の結像位置において正の球面収差を持つことを特徴とする固体撮像素子照明装置（請求項１）である。
【００１２】
本手段においては、テレセン性を有する固体撮像素子の検査等を行うときは、２次光源生成手段、２次光源リレー光学系を系外に外し、光源と光学系により固体撮像素子を、従来と同様の方法で照明する。
【００１３】
入射瞳が撮像面から有限な距離にある固体撮像素子の検査等を行う場合には、２次光源生成手段、２次光源リレー光学系を系内に入れる。そして、光源と光学系により２次光源生成手段を照明し、２次光源を発生させる。２次光源リレー光学系により、この２次光源の像が、２次光源と共約な位置に形成されるので、この結像位置に、検査される固体撮像素子の入射瞳を合わせる。
【００１４】
すると、リレー光学系は、前記２次光源の結像位置において正の球面収差を持つように形成されているので、この球面収差が固体素子上で負の歪曲収差となり、光線が外に広がらずに内側に収束する。歪曲収差の大きさはリレー光学系において開口角が大きくなるほど大きくなるので、固体撮像素子においては、光軸に近い点では歪曲収差は小さく、開口角が大きな周辺行くほど歪曲収差が大きくなる。このため、周辺に行くほど照射光が集光される度合いが大きくなる。よって、固体撮像素子の撮像面が均一に照明されるようになる。
【００１５】
前記課題を解決するための第２の手段は、前記第１の手段であって、前記２次光源生成手段より光源側に、光源からの光を前記２次光源生成手段上に集光する集光光学系を備えたことを特徴とするもの（請求項２）である。
【００１６】
通常、２次光源生成手段には、拡散板等、開口数を大きくするものが使用される。しかし、光源、光学系により形成される光線はテレセン性を有するものが多いので、このような開口数の小さい光源の開口数を２次光源生成手段で大きくしようとしても限度がある場合が多い。
【００１７】
２次光源生成手段からの出射開口数がリレー光学系の入射開口数よりも小さいと、リレー光学系の開口数の大きさを十分生かせず、その結果、リレー光学系の出射開口数が実質的に小さくなり、固体撮像素子の撮像面において周辺減光を発生させる場合がある。
【００１８】
本手段においては、２次光源生成手段より光源側に、光源からの光を２次光源生成手段上に集光する集光光学系を備えているので、２次光源の出射開口数を大きくすることができ、前述のような固体撮像素子の撮像面での周辺減光の発生を小さくすることができる。なお、「光源からの光を前記２次光源生成手段上に集光する」とは、必ずしも光源からの光を点として結像させることを意味せず、絞るような形で照射させるようにする場合を全て含むものである。
【００１９】
前記課題を解決するための第３の手段は、入射瞳が撮像面から有限な距離にある固体撮像素子に照明光を照射して固体撮像素子の検査を行う方法であって、前記第１の手段又は第２の手段である固体撮像素子照明装置を用い、前記２次光源の結像位置を、前記固体撮像素子の入射瞳に一致させて、前記固体撮像素子照明光学系で前記固体撮像素子を照明し、検査を行うことを特徴とする固体撮像素子の検査方法（請求項３）である。
【００２０】
本手段においては、前記第１の手段の説明で述べたような理由により、入射瞳が撮像面から有限な距離にある固体撮像素子の各ピクセルを照度ムラが小さい状態で照明して検査をすることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の例を、図を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態の１例である固体撮像素子照明装置の光学系の概要を示す図である。
【００２２】
光源１からの光束をリレーレンズ２でインテグレータ４へリレーし、コンデンサレンズ５で検査用チャート６を均一でテレセントリックに照明する。そして、検査用チャート６の像を投影レンズ７により、固体撮像素子８の被検査面へテレセントリックに投影する。３は挿脱可能な複数の熱線カットフィルタやＮＤフィルタやカラーフィルタであり、必要に応じて系内に挿入されて使用される。
【００２３】
そして、検査用チャート６の像が正しく固体撮像素子８で認識されているかどうかを、固体撮像素子８の出力をチェックすることにより判定する。検査用チャート６として特別なパターンの形成されていない一様なものを使用すれば、固体撮像素子８をテレセントリックな一様光で照明することができ、各ピクセル毎の感度等の検査を行うことができる。この機能は図６に示した従来の固体撮像素子照明装置と同じである。
【００２４】
図１に示す実施の形態においては、アダプタ部９が挿脱可能に設けられている点が、図６に示した従来の装置と異なっている。従来と同じ使用方法を行うときは、アダプタ部９は系外に外されている。
【００２５】
入射瞳が撮像面から有限な距離にある固体撮像素子を照明するときには、検査用チャート６を系外に外し、アダプタ部９を系内に挿入する。アダプタ９内には、集光レンズ１０、拡散板１１、２次光源リレー光学系２０が設けられている。そのとき、投影レンズ７よりテレセントリックに射出される光束から、集光レンズ１０で収束光が形成され、拡散板１１を大きなＮＡで照明する。拡散板１１は２次光源となる。２次光源リレー光学系２０で、拡散板１１（２次光源）の像を結像位置１２に結像させる。そして、この結像位置に固体撮像素子８の入射瞳が位置するように固体撮像素子８を配置し、拡散板１１の像からの光で固体撮像素子８を照明する。
【００２６】
２次光源リレー光学系２０の構成の例を、図２を用いて詳しく説明する。拡散板１０には絞り１３がついている。この絞り１３からの光を２次光源リレー光学系２０でリレーして結像位置１２に結像させる。そして、この光で固体撮像素子８を照明する。絞り１３の大きさ、あるいは２次光源リレー光学系２０のリレー倍率を適当に選ぶと、結像位置１２に結像する絞り１３の像の直径φを設定でき、結像位置１２から固体撮像素子６までの距離をＬとすると、
Ｆ＝Ｌ／φ
なるＦ値で固体撮像素子８を照明し、検査が行える。
【００２７】
この実施の形態では、レンズＬ１〜Ｌ６と絞り１４（開口絞り）で２次光源リレー光学系２０を構成しているが、Ｌ１〜Ｌ３、Ｌ４〜Ｌ６をそれぞれ１組のレンズ群とし、かつ、Ｌ１とＬ６、Ｌ２とＬ５、Ｌ３とＬ４に同じレンズを用いている。そして、Ｌ１〜Ｌ３のレンズ群の前側焦点位置に絞り１３を、後側焦点位置に絞り１４を配置し、Ｌ４〜Ｌ６のレンズ群の前側焦点位置に絞り１４を配置している。よって、結像点１２は、Ｌ４〜Ｌ６のレンズ群の後側焦点位置となり、２次光源リレー光学系２０は前後にテレセン性を有する等倍のリレー光学系となる。
【００２８】
レンズ群Ｌ４〜Ｌ６の焦点距離と絞り１４の径で、２次光源リレー光学系２０のＮＡが決定され、これは固体撮像素子８の入射瞳から入射する光のＮＡと等しくなる。よって、固体撮像素子８の入射瞳と撮像面との距離をＬとした場合、
ｒ＝Ｌ・ｔａｎ（ｓｉｎ−１（ＮＡ））
なる半径の円で固体撮像素子８を照明できる。また、このとき、口径食があると入射瞳上での大きなＮＡの軸外光がカットされるため、固体撮像素子８を照明する周辺光量が低下するので、口径食がないようにしておく。
【００２９】
表１に２次光源９から射出瞳１１までのレンズデータを示す。ｒは面の半径（ｍｍ）、ｄは面間の距離（ｍｍ）、ｎｄは屈折率、νｄは分散である。図３にこのレンズ系で得られた結像面１２上での球面収差を示す。図３を見ると分かるように、球面収差は、ＮＡが大きくなるに従って、すなわち、光軸となす角が大きくなるに従って、ほぼＮＡの２乗に比例して大きくなっている。
【００３０】
【表１】
2004061154.tif 000003
【００３１】
図４を用いて結像面１２、すなわち撮像素子の入射瞳上での球面収差と歪曲収差の関係を説明する。図において３１は光軸、３２は球面収差が無い場合の光線、３３は球面収差を持った実際の光線を示す。３２、３３はいずれも２次光源の光軸上の点から光軸と角度を有して出射した光線である。球面収差がない場合は、結像面１２に結像するあらゆる方向からの光線は光線３２が示すように、結像面１２上で光軸３１と交わるが、球面収差があるので、実際の光線は結像面１２よりＳＡだけ遠くで光軸と交わる（正の球面収差の場合）。
【００３２】
よって、球面収差が無い場合は、光線３２は固体撮像素子８のＡ点を照明するが、球面収差がある場合は、それより内側のＢ点を照明することになる（すなわち、負の歪曲収差を持つことになる）。そして、前述のように、球面収差の程度は、開口数の２乗に比例して大きくなるので、開口数が大きな光線、すなわち、固体撮像素子８の外周を照明する光線ほど、中心側に引き寄せられて固体撮像素子８を照明することになる。よって、この作用により、ｃｏｓ４乗則が緩和され、固体撮像素子８が一様に照明されることになる。
【００３３】
図５に、図２に示した光学系で、固体撮像素子を照明した場合に、各ピクセルが受ける受光量（照明強度）をシミュレーションした結果を示す。固体撮像素子は、画角が対角で５ｍｍであり、入射瞳が撮像面から７ｍｍであると仮定した。また、最近の固体撮像素子には、マイクロレンズがついており、ｃｏｓ４乗効果のうち受光面と光線のなす角に基づく効果を補正しているので、このようなマイクロレンズが付属しているものとしてシミュレーションを行った。
【００３４】
図５の実線は、比較例であり、２次光源リレー光学系が、結像面において球面収差を持たないと仮定したときのものである。前述のようなマイクロレンズの補正により、ｃｏｓの一つが補正されているので、各ピクセルが受ける受光量は、入射瞳からの出射角をθとするとｃｏｓ３θに比例したものとなる。これが実線で表されるグラフであり、広い範囲を照明しているが光軸から遠ざかるに従って照明強度が低下している。
【００３５】
それに対し、破線は図２に示した光学系で照明を行った結果のシミュレーションデータであり、この場合には２次光源リレー光学系は図３に示すような正の球面収差を有している。図から見ると分かるように、比較例に対して照射範囲は狭まっているが、照射されている範囲の照明強度はほぼ均一になっている。これは、前述のように、周辺の光が、球面収差に伴う歪曲収差によって、中心側に引き寄せられたためである。また、ほぼ均一に照明されている範囲は半径が２．７ｍｍの範囲であり、画角が対角で５ｍｍの固体撮像素子であれば、全面をほぼ均一に照明できていることを示している。
【００３６】
なお、以上の実施の形態では、２次光源リレー光学系２０の倍率は等倍であり、前後にテレセン性を有するものを示したが、必ずしも等倍でなく、かつ、テレセン性を有しなくてもよい。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、入射瞳位置が撮像面から有限の距離にある固体撮像素子を検査するような場合でも、固体撮像素子の各ピクセルを均一に近い光量で照射することのできる固体撮像素子照明装置、及びこの固体撮像素子照明装置を使用した固体撮像素子の検査方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の１例である固体撮像素子照明装置の光学系の概要を示す図である。
【図２】２次光源リレー光学系の構成の例を示す図である。
【図３】シミュレーションの結果得られた結像面での球面収差の例を示す図である。
【図４】撮像素子の入射瞳上での球面収差と歪曲収差の関係を説明するための図である。
【図５】シミュレーションの結果得られた本発明と比較例の照明強度の分布を示す図である。
【図６】従来用いられている固体撮像素子照明装置の光学系の概要を示す図である。
【符号の説明】
１：ランプ
２：リレーレンズ
３：フィルタ類
４：インテグレータ
５：コンデンサレンズ
６：検査用チャート
７：投影レンズ
８：固体撮像素子
９：アダプタ部
１０：集光レンズ
１１：拡散板
１２：結像位置（結像面）
１３：絞り
１４：絞り（開口絞り）
２０：２次光源リレー光学系
Ｌ１〜Ｌ６：レンズ
【図１】
2004061154.tif 000004
【図２】
2004061154.tif 000005
【図３】
2004061154.tif 000006
【図４】
2004061154.tif 000007
【図５】
2004061154.tif 000008
【図６】
2004061154.tif 000009