(57)【要約】【課題】　短波長でかつ出力パワーの小さい半導体レーザを用いて所望のパワーを得ることのできるレーザー光源装置を提供する。【解決手段】　 レーザ光源装置２は、一の半導体レーザ１２から出射されたレーザ光を集光する一の集光レンズ１４と、他の半導体レーザ１３から出射されたレーザ光を集光する他の集光レンズ１５と、一の集光レンズにより集光されたレーザ光と他の集光レンズにより集光されたレーザ光とを１個の導光手段１６の入射端面１６ａに集束入射させる集束レンズ１７とから光源ユニット１１が構成されている。【選択図】　図２
2004138603.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
　一の半導体レーザから出射されたレーザ光を集光する一の集光光学系と、他の半導体レーザから出射されたレーザ光を集光する他の集光光学系と、一の集光光学系により集光されたレーザ光と他の集光光学系により集光されたレーザ光とを１個の導光手段の入射端面に集束入射させる集束光学系とから光源ユニットが構成されているレーザ光源装置。
【請求項２】
　 複数個の光源ユニットのうちの一の光学ユニットの導光手段の出射端面から出射されたレーザ光を集光する一の集光光学系と、他の光学ユニットの導光手段の出射端面から出射されたレーザ光を集光する他の集光光学系と、一の集光光学系により集光されたレーザ光と他の導光手段により集光されたレーザ光とを１個の導光手段の入射端面に集束入射させる集束光学系とから集束ユニットが構成されている請求項１に記載のレーザ光源装置。
【請求項３】
　前記集束ユニットが複数個設けられ、該複数個の集束ユニットの各導光手段の各出射端面から出射されたレーザ光をそれぞれ集光する集光光学系と、該各集光光学系により集光されたレーザ光を集束させて１個の導光手段の入射端面に集束入射させる集束光学系とを備えている請求項２に記載のレーザ光源装置。
【請求項４】
　　前記集光光学系がコリメートレンズ系である請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のレーザ光源装置。
【請求項５】
　　前記一の集光光学系と前記他の集光光学系とは前記集束光学系の光軸を中心として略対称位置に設けられている請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のレーザ光源装置。
【請求項６】
　　前記導光手段が光ファイバーであり、該光ファイバーの入射端面が前記集束光学系の焦点位置に設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のレーザ光源装置。
【請求項７】
　前記光源ユニットと前記集束ユニットとが逆カスケード的に光学接続されていることを特徴とする請求項３に記載のレーザ光源装置。
【請求項８】
　前記光源ユニット内に配設されている半導体レーザーが発生するレーザー光の波長がそれぞれ異なっていることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載のレーザー光源装置。
【請求項９】
　前記光源ユニット内に配設されている半導体レーザーが個別に制御されることを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載のレーザー光源装置。
【請求項１０】
　請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載のレーザ光源装置を用いた表面検査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　本発明は、短波長でかつ出力パワーの低いレーザダイオードを使用して所望のパワーに高めることのできるレーザ光源装置、そのレーザ光源装置を用いた表面検査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
　従来から、表面検査装置には、レーザを光源装置の光源に使用しているものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
　また、複数のレーザを光源として用い、照明むらを除去するために、スポット光の一部を重なり合わせるようにしたものも知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
　更に、光源からの光を光ファイバー（導光手段）の入射端面に入射させ、他端面から出射させて、被検査面を照明するようにしたものも知られている（例えば、特許文献３参照）。
【特許文献１】特開２００１−２３５４２９号公報参照
【特許文献２】特開平７−２４３９８８号公報参照
【特許文献３】特開平４−２５９８５０号公報参照
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
　ところで、近年、低消費電力、省スペース化、メンテナンスの容易性の観点から、半導体レーザ（レーザダイオード）ＬＤがレーザ光源装置の光源として用いられつつある。また、表面検査装置の分解能を向上させる観点から、短波長の半導体レーザＬＤを用いることが望まれている。
【０００６】
　例えば、従来の表面検査装置では、波長５１５ｎｍ、出力パワー７５ｍＷで直径５５ｎｍの異物（粒子）の検出が可能である。
【０００７】
　光源以外の光学系をそのままとする条件下で、これよりも直径の小さい異物(例えば、直径３０ｎｍの異物)を検査するものとする。
【０００８】
　一般に、散乱光の強度は粒子サイズの６乗に比例しかつ波長の４乗に反比例し、しかも入射パワーに比例する。
【０００９】
　従って、入射可能なレーザの波長と出力パワーとの関係を予想すると、波長４８８ｎｍで必要とする出力パワーは２２９６ｍＷ（ミリワット）、波長４０５ｎｍで必要とする出力パワーは１０８９ｍＷ（ミリワット）、波長３５５ｎｍで必要とする出力パワーは６４３ｍＷ（ミリワット）、波長３２５ｎｍで必要とする出力パワーは４５２ｍＷ（ミリワット）、波長２６６ｎｍで必要とする出力パワーは２０３ｍＷ（ミリワット）、波長２５７ｎｍで必要とする出力パワーは１７７ｍＷ（ミリワット）である。
【００１０】
　このように、レーザの波長が短くなると、要求される出力パワーも小さなものとなる。　　　
【００１１】
　しかしながら、極端に波長の短いレーザを用いるものとすると、表面検査装置の光源装置に使用する光学材料を大幅に変更しなければならない。この光学材料を変更せず、消費電力を抑えるものとして、波長４０５ｎｍの半導体レーザが有用であるが、この半導体レーザの出力パワーは３０ｍＷしかない。
【００１２】
　本発明は、上記の事情に鑑みて為されたもので、その目的とするところは、短波長でかつ出力パワーの小さい半導体レーザを用いた場合でも所望の大きいパワーを得ることのできる光源装置及びその光源装置を用いた表面検査装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
　本発明に係るレーザ光源装置は、一の半導体レーザから出射されたレーザ光を集光する一の集光光学系と、他の半導体レーザから出射されたレーザ光を集光する他の集光光学系と、一の集光光学系により集光されたレーザ光と他の集光光学系により集光されたレーザ光とを１個の導光手段の入射端面に集束入射させる集束光学系とから光源ユニットが構成されている。
【００１４】
　そのレーザ光源装置は、複数個の光源ユニットのうちの一の光源ユニットの導光手段の出射端面から出射されたレーザ光を集光する一の集光光学系と、他の導光手段の出射端面から出射されたレーザ光を集光する他の集光光学系と、一の集光光学系により集光されたレーザ光と他の集光光学系により集光されたレーザー光とを１個の導光手段の入射端面に集束入射させる集束光学系とから集束ユニットを備えるのが望ましい。
【００１５】
　その集束ユニットは複数個設けられ、該複数個の集束ユニットの各導光手段の各出射端面から出射されたレーザ光をそれぞれ集光する集光光学系と、該各集光光学系により集光されたレーザ光を集束させて１個の導光手段の入射端面に集束入射させる集束光学系とを備えているのがなお一層望ましい。
【００１６】
　また、集光光学系はコリメートレンズ系であることが望ましい。
【００１７】
　前記一の集光光学系と前記他の集光光学系とは前記集束光学系の光軸を中心として略対称位置に設けられているのが更に望ましい。
【００１８】
　前記導光手段が光ファイバーであり、該光ファイバーの入射端面が前記集束光学系の焦点位置に設けられているのが望ましい。
【００１９】
　更に、光源ユニットと集束ユニットとは逆カスケード的に光学接続されているのが望ましい。
【００２０】
　光源ユニット内に配設されている半導体レーザーが発生するレーザー光の波長はそれぞれ異なっていても良い。また、光源ユニット内に配設されている半導体レーザーを個別に制御する構成としても良い。
【００２１】
　本発明に係る表面検査装置はこれらの発明に係るレーザ光源装置を用いる。
【発明の効果】
【００２２】
　請求項１ないし請求項７に記載の発明によれば、波長が短くかつパワーの小さい半導体レーザを用いてその出力パワーを大きくすることが可能なレーザ光源装置を得ることができる。
【００２３】
　特に、要求されるパワーを光源ユニットの個数により調整できる。また、光源ユニットが故障したとき、その光源ユニットのみを交換することにより復旧できるので、修理の容易化、保守の容易化を図ることができる。
【００２４】
　更に、光ファイバーを束ねた場合と異なり、単に出力パワーを増大させるのみならず、１本の同軸なレーザービームを得ることができ、従って、任意に成形が可能なレーザビームを得ることができる。
【００２５】
　請求項８、請求項９に記載の発明によれば、更に、簡単な構成により、多様な波長の光を発生させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
　以下に、図面を参照しつつ本発明を説明する。
【実施例】
【００２７】
　図１は本発明に係わるレーザ光源装置を用いた表面検査装置の光学系の概要図である。この図１において、１は表面検査装置である。この表面検査装置１は、レーザ光源装置２と、このレーザ光源装置２から出射されたレーザ光を被検査対象としての半導体ウエハ３に照射する照射光学系４と、半導体ウエハ３の表面の検査点Ｐからの照射光学系４により照射されたレーザ光の散乱光を第１散乱方向から受光する第１受光系５と、第１散乱方向とは異なる第２散乱方向から第２受光系６と、半導体ウエハ３を照射光学系４から出射されたレーザ光に対して相対的に直線・回転変位させる変位装置７とを有する。
【００２８】
　照射光学系４は、第１ミラー８、第１照射レンズ群９、第２ミラー１０を有し、これらの光学系を介して検査点Ｐに所定の照射角度θで照射される。
【００２９】
　検査点Ｐに異物が存在するとき、レーザ光が所定の指向性に従って散乱される。第１受光系５は検査点Ｐからの散乱光を第１散乱方向から受光する。第２受光系６は検査点Ｐからの散乱光を第２散乱方向から受光する。第１受光系５、第２受光系６からの受光出力は、図示を略す中央演算処理システムに取り込まれ、異物の大きさ、形状、位置等が測定される。
【００３０】
　レーザ光源装置２は、図２に示すように、複数個の光源ユニット１１を有する。各光源ユニット１１は、図３に拡大して示すように、一の半導体レーザ１２から出射されたレーザ光Ｐ１を集光する一の集光レンズ１４と、他の半導体レーザ１３から出射されたレーザ光Ｐ２を集光する他の集光レンズ１５と、一の集光レンズ１４により集光されたレーザ光Ｐ１と他の集光レンズ１５により集光されたレーザ光Ｐ２とを１個の導光手段としての光ファイバ１６の入射端面１６ａに集束入射させる集束レンズ（コンデンサレンズ）１７とから構成されている。これら半導体レーザ１２、１３、集光レンズ１３、１４、集束レンズ１７は筐体１１Ａの内部にセットされる。
【００３１】
　その半導体レーザ１２と半導体レーザ１３とは短波長のレーザ光、例えば、紫色のレーザ光（波長４０５ｎｍ）を出射するものが用いられ、その波長及び出力パワーは大略同一である。
【００３２】
　この発明の実施の形態では、集光レンズ１４、１５は半導体レーザ１２、１３から出射されたレーザ光Ｐ１、Ｐ２をコリメートする役割を果たし、半導体レーザ１２、１３の発光点はその集光レンズ１４、１５の焦点位置ｆ１に設けられている。
【００３３】
　半導体レーザ１２、集光レンズ１４と半導体レーザ１３、集光レンズ１５とは集束レンズ１７の光軸Ｏ１を中心として略点対称位置に設けられている。この図では、光軸Ｏ１を挟んで対称位置に設けられている。光ファイバ１６の入射端面１６ａは、集束レンズ１７の焦点位置ｆ２に設けられている。
【００３４】
　各光源ユニット１１の各光ファイバ１６は集束ユニット１９に導かれている。集束ユニット１９の筐体１９Ａの内部には一の光ファイバ１６の出射端面１６ｂから出射されたレーザ光Ｐ３を集光する一の集光レンズ２０と、他の光ファイバ１６の出射端面１６ｂから出射されたレーザ光Ｐ４を集光する他の集光レンズ２１と、一の集光レンズ２０により集光されたレーザ光Ｐ３と他の集光レンズ２１により集光されたレーザ光Ｐ４を１個の光ファイバ２２の入射端面２２ａに集束入射させる集束レンズ２３とが設けられている。
【００３５】
　一の集光レンズ２０と他の集光レンズ２１とは集束レンズ２３の光軸Ｏ２を中心として略点対称位置に設けられている。これらの集束ユニット１９は複数個設けられている。各集束ユニット１９の各光ファイバ２２は集束ユニット１９’に導かれている。この集束ユニット１９’は複数個の集束ユニット１９の光ファイバ２２の各出射端面２２ｂから出射されたレーザ光をそれぞれ集光する集光レンズ２４と、各集光レンズ２４により集光されたレーザ光Ｐ５を集束させて１個の光ファイバ２５の入射端面２５ａに集束入射させる集束レンズ２６とから構成されている。その集光レンズ２４、集束レンズ２６は集束ユニット１９’の筐体１９’Ａの内部に設けられる。この光ファイバ２５に入射されたレーザ光は図４に示すように光ファイバ２５の出射端面２５ｂから出射される。この出射端面２５ｂから出射されたレーザ光が検査光として照射光学系４に導かれる。
【００３６】
　その照射光学系４には、光ファイバ２５から出射されるレーザ光が楕円偏光を呈しているので、直線偏光に変換する光学素子を設けると良い。すなわち、光ファイバ２５の出射端面２５ｂの先方にコリメートレンズ（図示を略す）を設ける。このコリメートレンズは出射端面２５ｂから出射されたレーザ光をコリメートレンズにより平行光束に変換する。そのコリメートレンズの先方に、偏光ビームスプリッタ（図示を略す）を設ける。この平行光束はその偏光ビームスプリッタ（図示を略す）によってＰ偏光成分とＳ偏光成分とに分解される。そして、一方の偏光成分の平行光束の途中に１／２波長板（図示を略す）を設ける。この１／２波長板によりその偏光成分の偏光方向が９０度回転される。この偏光方向が９０度回転された平行光束と他方の偏光成分の平行光束とを集光レンズにより合成し、直線偏光の光として半導体ウエハ３に収束照射させる構成とする。
【００３７】
　このようにレーザ光源装置２は、光源ユニット１１、集束ユニット１９、１９’が逆カスケード的に光学接続されて、レーザ光のパワーが高められるようになっている。
（具体的実施例）
【００３８】
　ここでは、図５に示すように、１個の光源ユニット１１には４個の半導体レーザ１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂが用いられている。各半導体レーザ１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂは光軸Ｏ１を挟んで対称位置に設けられている。各光源ユニット１１は図７に示すように４個の収束ユニット１９にそれぞれ光学接続される。その各半導体レーザ１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂの出力パワーは約３０ｍＷ（ミリワット）である。これに対して、半導体ウエハ３の表面検査に必要とする出力パワーは、粒子径が３０ｎｍのものを検出するものとすると、約１Ｗである。
【００３９】
　その半導体レーザ１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂの開き角ＮＡ１（図６参照）は０．４５であり、集光レンズ１４ａ、１４ｂ、１５ａ、１５ｂの焦点距離ｆ１は６．５ｍｍ、各集光レンズ１４ａ、１４ｂ、１５ａ、１５ｂから出射されたレーザ光のビーム径ｓは５．８５ｍｍ、主光線間隔Ｈは９．１ｍｍ、集束レンズ１７の光束径Φは１４．９５ｍｍ、集束レンズ１７の焦点距離ｆ２は４１．５ｍｍ、集束レンズ１７の倍率は６．３９、各ビームの集光角θ１は０．０７、主光線の開き角ＮＡ２は０．１１、集束レンズ１７の全集光開き角ＮＡ３は０．１８、光ファイバ１６の入射端面１６ａにおける集光ビーム径φ’は１０．９８μである。
【００４０】
　各光ファイバ１６にはコア径５０μｍ、クラッド径１４０μｍのＧＩ型光ファイバ（グレテッドインデックス型光ファイバ）が用いられる。その光ファイバ１６の開口数ＮＡ４は約０．２である。この開口数ＮＡ４は全集光開き角ＮＡ３よりも大きければ良い。
【００４１】
　紫色の波長の光に対するこの型式の光ファイバ１６の透過率は約８０％であるので、１個の光源ユニット１１の光ファイバ１６の出射端面１６ｂから出射されるレーザ光の出力パワーは約９６（３０×４×０．８）ｍＷである。
【００４２】
　この光源ユニット１１を４個用いてこの光源ユニット１１の光ファイバ１６から出射されたレーザ光を１個の集束ユニット１９の光ファイバ２２の入射端面２２ａにまとめて入射させる。
【００４３】
　このように構成すると、その１個の集束ユニット１９の光ファイバ２２の出射端面２２ｂから出射されるレーザ光の出力パワーは約３０７ｍＷとなる。従って、この集束ユニット１９を４個用いて集束ユニット１９’の１個の光ファイバ２５の入射端面２５ａに入射させ、この光ファイバ２５によりレーザ光を照射光学系１４に導光することにすれば、光ファイバ２５の出射端面２５ｂから出射されるレーザ光の出力パワーは９８２ｍＷとなり、約１Ｗの出力パワーを得ることができる。
【００４４】
　この具体的実施例では、光源ユニット１１が収容する半導体レーザの個数を４個としたが、光源ユニット１１に収容する半導体レーザの個数は４に限るものではなく、２個でも３個でも良く、表面検査装置１の空間的余裕に対応させて適宜個数とすることができる。また、集束ユニット１９に光学接続する光源ユニット１１の個数も４個に限られるものではない。
【００４５】
　例えば、図８に示すように、２個の半導体レーザ１２、１３を有する４個の光源ユニット１１に対して、１個の収束ユニット１９を対応させる構成としても良い。なお、その図８において、符号２３’はコリメートレンズである。
【００４６】
　この発明の実施の形態では、各光源ユニット１１を共に同一波長を有するものとして説明したが、一の光源ユニットから出射されるレーザ光の波長と他の光源ユニットから出射されるレーザ光の波長とを異ならせる構成とすることもできる。
【００４７】
　このように構成すると、異なる波長のレーザ光を用いて異物の検査を行うことができる。
【００４８】
　複数の光源ユニットを集束ユニットに光学的に接続して用いる場合、各光源ユニット１１内に配設される半導体レーザー１２ａ、１２ｂと半導体レーザー１３ａ、１３ｂとはそれぞれレーザー光の波長が異なるものであっても良い。
【００４９】
　これらの半導体レーザー１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂを公知の独立の駆動制御回路（図示を略す）により駆動制御する構成とすれば、この光源ユニット１１内の半導体レーザー１２ａ、１２ｂ又は１３ａ、１３ｂのみを駆動することにより異なる短波長のレーザー光を発生する光源として用いることができる。
【００５０】
　また、これらの半導体レーザー１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂを同時に駆動させれば、異なる波長のレーザー光が混合されたレーザー光を発生する光源として用いることができる。なお、多チャンネル制御可能な駆動回路により各半導体レーザー１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂを一括制御しても良い。これらの駆動制御回路は、このレーザ光源装置の大きさや測定対象により定まるレーザービームの波長を考慮して選択する。
【００５１】
　この光源ユニット１１によれば、波長の切り替えや波長の混合を行う場合に、専用の光学系を追加する必要も、機械的な切り替えを行う必要もない。
【００５２】
　従って、信頼性が高い複数波長の発生用の光源ユニット１１を提供できる。この光源ユニット１１の制御には、公知の駆動制御回路を用いることができるので、その制御も容易である。
【００５３】
　半導体レーザー（レーザーダイオード）１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂの各出力が要求されるレーザー光の強度を満たす場合には、１個の光源ユニット１１のみで、波長の切り替え、混合が可能な光源を構成することができる。
【００５４】
　また、この発明の実施の形態では、ＧＩ型光ファイバを用いるものとして説明したが、マルチモード光ファイバであるＳＩ型光ファイバを用いても良く、シングルモード型光ファイバを用いても良い。このシングルモード型光ファイバを用いる場合には、半導体レーザとこの光ファイバとを一対一に対応させる必要がある。また、ここでは、光ファイバのコア径を５０μｍとして説明したが、６２．５μｍ、１００μｍのものを用いても良く、光ファイバのコア径、モードはこれに限られるものではない。
【００５５】
　なお、発明の実施の形態では、集光レンズ、集束レンズを用いて説明したが、レンズは一枚構成に限らず、例えば、３枚構成でも良く、この意味で、特許請求の範囲には、集光光学系、集束光学系という用語を用いた。
【００５６】
　本発明に係るレーザ光源装置によれば、波長が短くかつパワーの小さい半導体レーザを用いてその出力パワーを大きくすることが可能なレーザ光源装置を得ることができる。
【００５７】
　特に、要求されるパワーを光源ユニットの個数により調整できる。また、光源ユニットが故障したとき、その光源ユニットのみを交換することにより復旧できるので、修理の容易化、保守の容易化を図ることができる。
【００５８】
　更に、本発明によれば、光ファイバーを束ねた場合と異なり、単に出力パワーを増大させるのみならず、１本の同軸なレーザービームを得ることができ、従って、得られたレーザービームは任意に成形が可能になる。
【００５９】
　本発明に係るレーザ光源装置を用いた表面検査装置によれば、分解能の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明に係わる光源装置を用いた表面検査装置の光学系の概要を示す図である。
【図２】本発明に係わる光源装置の逆カスケード的光学的接続状態を示す図である。
【図３】図２に示す光源ユニットの拡大図である。
【図４】図２に示す最終段の集束ユニットの拡大図である。
【図５】本発明に係わる光源装置の光源ユニットの具体的構成例を示す説明図であって、図６の光源ユニットを矢印Ｘ方向から目視した図である。
【図６】本発明に係わる光源装置の光源ユニットの具体的構成例を示す説明図であって、図５の光源ユニットを矢印Ｙ方向から目視した図である。
【図７】４個の半導体レーザを含む光源ユニットを４個一組として４個一組の各集束ユニットにそれぞれ光学接続した状態を示す概念図である。
【図８】２個の半導体レーザを含む光源ユニットを４個一組として１個の集束ユニットに光学接続した状態を示す平面図である。
【符号の説明】
【００６１】
２…レーザ光源装置
１２…一の半導体レーザ
１３…他の半導体レーザ
１４…一の集光レンズ
１５…他の集光レンズ
１６…光ファイバ（導光手段）
１７…集束レンズ
【図１】
2004138603.tif 000003
【図２】
2004138603.tif 000004
【図３】
2004138603.tif 000005
【図４】
2004138603.tif 000006
【図５】
2004138603.tif 000007
【図６】
2004138603.tif 000008
【図７】
2004138603.tif 000009
【図８】
2004138603.tif 000010