(57)【要約】【課題】  光学系中に設置した被検体測定面の高さ方向の差を検出し測定する。【解決手段】  レーザ光源１からの光をコリメータレンズ２で平行光束としポリゴンミラー３に向かわせる。ポリゴンミラー３で反射した光束をｆθレンズ４で被検体５の測定面６に集光すると共に、ポリゴンミラー３反射面を入射瞳として光センサ７に集光し、集光位置の変化で被検体測定面の高さ方向の差を検出する。被検体５と光センサ７間には被検体５測定面６の走査方向が稜線方向となるようにしたシリンドリカルレンズ８を設置し、被検体５測定面６の走査方向と直角方向が受光面長手方向となるようにして設置した前記光センサ７に光束を向かわせ集光する。光センサ７の検出結果は制御部９を経て表示部１０に表示する。   【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光源と、この光源からのレーザ光を平行光束とするコリメータレンズと、コリメータレンズからの平行光束を走査するポリゴンミラーと、ポリゴンミラーからの走査光を被検体測定面上に集光すると共に、ポリゴンミラー反射面を入射瞳として光センサの受光面に集光させるｆθレンズと、前記被検体測定面からの反射走査光の走査方向と同じ方向が稜線となるようにして被検体と光センサ間に設置したシリンドリカルレンズとを有し、シリンドリカルレンズの稜線方向と直角の方向がその受光面長手方向として設置した前記光センサに、被検体測定面からの走査光を集光するようにしたことを特徴とする高さ測定装置。
【請求項２】
光センサとシリンドリカルレンズ間に、この光センサ受光面長手方向が稜線方向となるようにした第２シリンドリカルレンズを設置し、この第２シリンドリカルレンズによって光センサに被検体測定面からの走査光を集光するようにしたことを特徴とする請求項１記載の高さ測定装置。
【請求項３】
コリメータレンズとポリゴンミラー間にポリゴンミラーの走査方向が稜線方向となるようにした第３のシリンドリカルレンズを設置し、ｆθレンズと被検体間にポリゴンミラーの走査方向が稜線方向がとなるようにした第４のシリンドリカルレンズを設置し、コリメータレンズからの平行光束を第３のシリンドリカルレンズでポリゴンミラーの走査方向に線状の光束としてその反射面上に集光し、その反射光をｆθレンズと第４のシリンドリカルレンズで被検体上に集光して、ポリゴンミラーの面倒れを補正するようにしたことを特徴とする請求項１記載の高さ測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光学的な高さ測定装置に関するもので、特に被検体測定面をレーザ光源からのレーザ光で走査して高さ方向の差を検出し測定するようにしたものである。
【背景技術】
【０００２】
金属やガラス、プラスチックなど各種材料を被検体とし、この被検体表面の高さ方向について測定することが多分野で行われている。例えばＩＣチッブの高さを測定することもその１つである。
ＩＣチップの高さを測定するための従来装置として特許文献１が知られている。この特許文献１によるものは半導体装置をアクリルのステージに載せてステージ下方から光源で照射し、ステージ全体からの拡散光でリードを照明して、そのシルエットを２つのＣＣＤカメラで捉え、制御部に伝えるようにしている。この制御部には正規のリード寸法が予め記憶されているから、２つのカメラで観測したリード寸法と比較することで変形量を算出する。このような測定装置では２つのカメラを必要とするだけでなく、半導体装置の種類に応じて正規のリード寸法を予め求めて記憶し、測定の都度に観測リード寸法と比較をしなければならない。さらにカメラ同士の固有誤差や半導体装置ごとの固有誤差についても考慮しなければならず、またアクリルのステージ全体を照明して拡散光によるシルエットを検出することになるから、測定するときの光量不足についても検討しなければならない。
【０００３】
ＣＣＤカメラのような部材を使用することなく、レーザ光源からのレーザ光を投光レンズで半導体装置のリードに集光し、その反射光を受光レンズで一次元光点位置検出器に結像させ、結像した光点の位置によってリードの高さ変化を求めるようにしたものとして特許文献２が知られている。この特許文献２によればリードを直接レーザ光で走査してその反射光を光点位置検出器に送り出し、リードの高さ変化を検出するようにしているので、ＣＣＤカメラやアクリル製ステージのような余分に部材を省き、測定する光に無駄が生じるのを防ぐことが出来る。しかしこの特許文献２ではレーザ光をリード面に投光レンズで集光し、その反射光を受光レンズで光点位置検出器に集光するというようにしてはいるが、光点位置検出器に集光させるための効率的方法や、測定するリード面全域から光点位置検出器に向かわせる反射光量の均一化、投光レンズによるリード上の集光点を相対的に移動させる移動機構の移動範囲、つまり測定範囲が狭い場合も広い場合も一定の結果が得られるようにする方法等については何も開示されていない。
【特許文献１】特開平０９−０５５４１３号公報
【特許文献２】特開平０５−１０９８４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従って本発明の課題は上記問題を解決して、被検体測定面高さ方向の差を測定するため、被検体測定面からの反射光を有効に光センサに集光し、測定範囲全域を測定しやすくする光学系とした高さ測定装置を得ることである。また測定面上の集光点を相対的に移動させる移動機構として光学系中に設置するポリゴンミラーからの走査光が効率的に光センサに集光し、しかもその走査光は全域にわたって均一で一定なものが得られるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するため本発明は、レーザ光源と、この光源からのレーザ光を平行光束とするコリメータレンズと、コリメータレンズからの平行光束を走査するポリゴンミラーと、ポリゴンミラーからの走査光を被検体測定面上に集光すると共に、ポリゴンミラー反射面を入射瞳として光センサの受光面に集光させるｆθレンズと、前記被検体測定面からの反射走査光の走査方向と同じ方向が稜線となるようにして被検体と光センサ間に設置したシリンドリカルレンズとを有し、シリンドリカルレンズの稜線方向と直角の方向がその受光面長手方向として設置した前記光センサに、被検体測定面からの走査光を集光するようにしたことを特徴とする。
請求項２の発明によるものは請求項1記載の高さ測定装置において、光センサとシリンドリカルレンズ間に、この光センサ受光面長手方向が稜線方向となるようにした第２シリンドリカルレンズを設置し、この第２シリンドリカルレンズによって光センサに被検体測定面からの走査光を集光するようにしたことを特徴とする。
請求項３の発明によるものは請求項1記載の高さ測定装置において、コリメータレンズとポリゴンミラー間にポリゴンミラーの走査方向が稜線方向となるようにした第３のシリンドリカルレンズを設置し、ｆθレンズと被検体間にポリゴンミラーの走査方向が稜線方向がとなるようにした第４のシリンドリカルレンズを設置し、コリメータレンズからの平行光束を第３のシリンドリカルレンズでポリゴンミラーの走査方向に線状の光束としてその反射面上に集光し、その反射光をｆθレンズと第４のシリンドリカルレンズで被検体上に集光して、ポリゴンミラーの面倒れを補正するようにしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明はレーザ光源からのレーザ光をコリメータレンズで平行光束とし、ポリゴンミラー経由でｆθレンズに向かわせ被検体測定面上に集光する。そしてｆθレンズをポリゴンミラーの反射面を入射瞳として光センサの受光面に集光させるようにして、被検体測定面全域を均一で効率的な走査光が受けられるようにしたことを特徴とする。それによって測定面の中心部に位置する部分から光センサに向かう光束も、測定面の周辺部に位置する部分から光センサに向かう光束も同じ条件とすることができる。従がって光センサは被検体測定面全域の高さ検出を一定の条件下でムラなく実施することができ、被検体測定面上の集光点を相対的に移動させるポリゴンミラーなどの移動機構を測定装置の光学系中に採用することを可能とする。そしてこのことは移動機構を採用しても被検体測定面の測定（走査）範囲が狭い場合も、広い場合も測定範囲全域が測定しやすくなって同じ精度の結果を得ることが出来る。それによってこれまで捉えることの困難であった測定範囲周辺部での高さ測定を可能とし、測定結果を信頼性の高いものとする。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下にこの発明による高さ測定装置について添付図面に基づいて説明する。
【実施例１】
【０００８】
図１は本発明による高さ測定装置の全体構成を示した説明用の概略図で、ＩＣチップなどを被検体として測定するときの例となっている。図においてレーザ光源１からのレーザ光はコリメータレンズ２によって平行光束となり、ポリゴンミラー３によって走査される。この走査光はｆθレンズ４によって被検体５の測定面６ａ、６ｂ上にレーザスポットとして集光する。ｆθレンズ４はポリゴンミラー３の反射面を入射瞳とし、光センサ７の受光面を集光点とするよう用意され配置される。被検体５の測定面６上に集光したレーザスポット光は反射して、ポリゴンミラー３による走査方向と同じ方向が稜線となるようにして設置されたシリンドリカルレンズ８を通過する。シリンドリカルレンズ８を通過した光はシリンドリカルレンズ８の稜線方向と直角の方向がその受光面長手方向となるように設置された前記光センサ７の受光面にシリンドリカルレンズ８の作用によって集光する。こうして高さに不揃いのある測定面６からの反射光は、ポリゴンミラー３の反射面を入射瞳とするｆθレンズ４によって光センサ７に集光され、制御部９に伝えられて高さ検出信号となり、表示部１０に表示される。被検体５は高さ方向に不揃いの面があり、図ではこれを２つの面６ａ、６ｂとして例示してある。面６ａに集光したレーザスポット光は反射してシリンドリカルレンズ８を通過し、光センサ７の位置７ａに集光する。面６ａに対して高さ方向に差のある面６ｂに集光したレーザスポット光は反射してシリンドリカルレンズ８を通過し、光センサ７の位置７ｂに集光する。
【０００９】
図２は図１の光学系を簡略化して平面図として示した説明図である。レーザ光源１からのレーザ光はコリメータレンズ２を経て平行光束となりポリゴンミラー３に向かう。ポリゴンミラー３が矢印１１方向に回転するとレーザ光はその反射面角度の変化により、光束１２ａ、１２ｂ、１２ｃのように連続した走査光となり、それはｆθレンズ４を経て被検体５の測定面６上に一旦集光する。例えば最外周の走査光となる光束１２ａはｆθレンズ４によって測定面６の位置ｐａに集光し、中心部の走査光となる光束１２ｂは測定面６の位置ｐｂに集光し、最外周となる走査光束１２ｃは測定面６の位置ｐｃに集光する。位置ｐａから位置ｐｃまでを最大走査可能範囲とすれば、この走査可能範囲内の測定面６の高さが測定対象となる。ｆθレンズ４はコリメータレンズ２からの平行光束を測定面６に集光すると同時に、ポリゴンミラー３のレーザ光反射面１３を入射瞳１３ａとしてその反射光を光センサ７の受光面に集光する。それによって測定面６の走査可能範囲周辺部の位置ｐａ、ｐｃからの光束１２ａ、１２ｃも、中心部の位置ｐｂからの光束１２ｂも、光量差のない同じ条件で光センサ７に集光する。光センサ７はｆθレンズ４からの光を受けた位置にシリンドリカルレンズ８の作用によって測定面６の高さ変化を検出する。図では被検体測定面６を高さ方向に差のない１つの面として示してあり、ｆθレンズ４からのレーザ光はこの測定面６を通過して光センサ７に向かうようになっているが、正しくは図１のように高さ方向に差のある測定面６ａ、６ｂからの反射光が光センサ７に向かうようになっている。
【００１０】
図３は光センサ７の高さ変化検出を説明する図である。ｆθレンズ４通過した光束が被検体５を走査するとき、図２の周辺部の光束１２ａが測定面６ａを走査し、中心部の光束１２ｂが測定面６ｂを走査すると仮定する。そして各測定面６ａ、６ｂが高さ方向に任意量の差を持っているとすれば、測定面６ｂの集光点ｐｂ（図２）からの反射光はシリンドリカルレンズ８を経て光センサ７受光面の位置７ｂに集光する。同じように測定面６ａの集光点ｐａ（図２）からの反射光はシリンドリカルレンズ８を経て光センサ７の位置７ａに集光する。光センサ７の位置７ｂに対する位置７ａの変化量は、測定面６ｂと６ａ間の高さ方向の差に相当し、図ではｄとして示してある。こうして光センサ７の受光面に寸法ｄの差を持って集光した光は、制御部９に伝えられて寸法ｄに相当する高さ変化が算出されて表示部１０に送られて表示される。
光センサ７は前記のようにポリゴンミラー３による走査方向に対して直角の方向がその受光面長手方向となるよう設置されるが、受光面に達する光はｆθレンズ４の作用によって全てムラのない均一光量として集光する。そのため測定面が粗面になっているような場合でも測定範囲内の中心部と周辺部の測定条件は変化することなく同じとなるから、あたかも周辺部での検出感度を向上したかのようになり、被検体の測定対象を拡げることになる。
【００１１】
図４は図２などで説明した光学系の変形例で、図Ａは斜視略図、図Ｂは図Ａの一部を平面図として示してある。この光学系は光センサ７とシリンドリカルレンズ８間に第２のシリンドリカルレンズ１４を設置したもので、第２のシリンドリカルレンズ１４は光センサ７受光面の長手方向が稜線方向となるように設置される。それによってｆθレンズ４を通過して被検体５上に集光し、第１シリンドリカルレンズ８を通過した走査光は第２のシリンドリカルレンズ１４の作用によって光センサ７に集光する。それによって被検体５の高さ方向の差は光センサ７によって正しく検出される。
【実施例２】
【００１２】
次に実施例２について図５と図６を用いて説明する。この実施例はポリゴンミラー３の面倒れについても解消するようにしたもので、コリメータレンズ２とポリゴンミラー３間に第３のシリンドリカルレンズ１５を、ｆθレンズ４と被検体５間に第４のシリンドリカルレンズ１６を設置した光学系としてある。ポリゴンミラー３は良く知られているように面倒れの問題がある。この問題をクリアするため第３のシリンドリカルレンズ１５をコリメータレンズ２とポリゴンミラー３間に、ポリゴンミラー３の走査方向が稜線方向となるようにして設置する。さらにｆθレンズ４と被検体５間にポリゴンミラー３の走査方向が稜線方向となるようにして第４のシリンドリカルレンズ１６を設置する。
これでコリメータレンズ２からの平行光束は第３シリンドリカルレンズ１５の作用によって、ポリゴンミラー３の反射面上に、ポリゴンミラー３の走査方向が線状となる光束として結像する。さらにこの線状に結像した光束の反射光をｆθレンズ４と第４シリンドリカルレンズ１６の作用によって被検体５上に集光する。このように第３と第４のシリンドリカルレンズ１５、１６を設置することによって実施例１で説明した機能を維持したままポリゴンミラー３の面倒れを補正することが出来る。
【００１３】
以上、被検体５をＩＣチッブとした例について説明してきたが、被検体５やその測定面６はこれだけにこだわらず、同様の各種のものに適用することができる。また図１などで説明した制御部９や表示部１０は一般のパソコンに置き換えることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】高さ測定装置の全体構成を示した説明用の概略図。
【図２】図１の光学系を簡略化して平面図として示した説明図。
【図３】光センサの高さ変化検出を説明する図。
【図４】光学系中に第２シリンドリカルレンズを設置したときの説明図。
【図５】実施例２を説明するための概略図。
【図６】図５の光学系を簡略化して示した説明用の正面図と平面図。
【符号の説明】
【００１５】
１・・・レーザ光源      ２・・・コリメータレンズ      ３・・・ポリゴンミラー    ４・・・ｆθレンズ      ５・・・被検体      ６・・・測定面      ７・・・光センサ    ８・・・シリンドリカルレンズ      ９・・・制御部      １０・・・表示部      １３・・・反射面      １４・・・第２シリンドリカルレンズ      １５・・・第３シリンドリカルレンズ      １６・・・第４シリンドリカルレンズ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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