JP2674244B2 - Surface profile measuring device - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は被測定物体（基板）上に形成された凹凸パタ
ーンの表面形状測定装置に関するものであり、特にサー
フェイスマウント型のプリント基板等に印刷された微小
なクリーム半田の断面形状を測定する装置に関するもの
である。TECHNICAL FIELD The present invention relates to a surface shape measuring apparatus for a concavo-convex pattern formed on an object to be measured (substrate), and particularly to printing on a surface mount type printed circuit board or the like. The present invention relates to a device for measuring the cross-sectional shape of a minute solder paste.
従来におけるこの種の装置は、例えば第４図に示すも
のが知られている。As this type of conventional device, for example, one shown in FIG. 4 is known.
レーザー光源40からの平行光束は、ビーム整形光学系
41によりスリット状に整形されて、不図示のステージに
載置された基板Baを斜入射する。The parallel light flux from the laser light source 40 is a beam shaping optical system.
The substrate Ba shaped into a slit by 41 and placed on a stage (not shown) is obliquely incident.
この基板Baは、所定のパターンが形成されたプリント
基板等であって、これを反射したスリット光は結像光学
系42により検出面43に達する。This substrate Ba is a printed circuit board or the like on which a predetermined pattern is formed, and the slit light reflected by this reaches the detection surface 43 by the imaging optical system 42.
ここで、この検出面43は、結像光学系42に関して基板
Baのスリット光の照射領域と共役となっており、この検
出面43には、スリット光が照射した領域内において基板
Baの表面上の凹凸形状に対応した凹凸の像が形成され
る。そして、この位置には不図示の２次元CCDカメラが
配置されており、この凹凸の像が２次元CCDカメラに写
し出され、この画像を解析することにより基板等の被検
物体表面の断面形状を計測することができる。Here, this detection surface 43 is a substrate for the imaging optical system 42.
It is conjugate with the slit light irradiation area of Ba, and this detection surface 43 has a substrate in the area irradiated with the slit light.
An uneven image corresponding to the uneven shape on the surface of Ba is formed. A two-dimensional CCD camera (not shown) is arranged at this position, and the image of the unevenness is projected on the two-dimensional CCD camera. It can be measured.
〔発明が解決しようとする課題〕 この検出面43において、Ｙ方向は基板BaのＹ方向の位
置に対応しており、このＹ方向に垂直な方向は試料の凹
凸の高さに対応している。[Problems to be Solved by the Invention] On the detection surface 43, the Y direction corresponds to the position of the substrate Ba in the Y direction, and the direction perpendicular to the Y direction corresponds to the height of the unevenness of the sample. .
さて、２次元CCDカメラの２次元CCDの分解能は、例え
ば500（縦）×500（横）程度の画素数を有しており、
今、100mm（縦）×100mm（横）の大きさの基板BaのＹ方
向の凹凸形状を一度に測定しようとすると、検出方向で
あるＹ方向の分解能は、100mm/500＝0.2mm程度しか得ら
れない事になる。Now, the resolution of the two-dimensional CCD of the two-dimensional CCD camera has, for example, the number of pixels of about 500 (vertical) × 500 (horizontal),
Now, when trying to measure the uneven shape in the Y direction of a substrate Ba having a size of 100 mm (length) x 100 mm (width) at one time, the resolution in the Y direction, which is the detection direction, is only about 100 mm / 500 = 0.2 mm. It will not be possible.
例えば、プリント基板上に印刷されたの微小なクリー
ム半田は、200μｍ（縦）×500μｍ（横）×200μｍ
（高さ）程度の大きさを有しているため、このクリーム
半田の断面形状の検出には、少なくとも20μｍ程度の分
解能が必要となる。For example, the minute cream solder printed on the printed circuit board has a size of 200 μm (length) × 500 μm (width) × 200 μm
Since it has a size of about (height), a resolution of at least about 20 μm is required to detect the cross-sectional shape of this cream solder.
このため、検出に必要な20μｍの分解能を確保するに
は、20μｍ（分解能）×500（画素数）＝10mm程度の検
出幅しか得られない。Therefore, in order to secure the resolution of 20 μm necessary for detection, only a detection width of 20 μm (resolution) × 500 (number of pixels) = 10 mm can be obtained.
よって、Ｙ方向における100mm幅の基板Baの断面形状
を検出するには、ステージを10mm毎に10回移動させなけ
ればならなく、さらに縦横ともに20μｍの分解能を維持
しながら、基板表面全体を２次元的に検出するには、上
記の動作を繰り返しながら、ステージをＸ方向へ20μｍ
毎に移動させなければならない。Therefore, in order to detect the cross-sectional shape of the substrate Ba having a width of 100 mm in the Y direction, the stage has to be moved 10 times every 10 mm, and the entire surface of the substrate is two-dimensionally maintained while maintaining the resolution of 20 μm in both length and width. To detect the target, repeat the above operation and move the stage to 20 μm in the X direction.
You have to move it every time.
ここで、２次元CCDが画像を取り出すために要する時
間は、通常16.7m sec程度の必要である。すると、２次
元CCDにおいて、検出方向の任意の１画素の位置で高さ
方向の500画素分の画像を得るために要する時間は、16.
7m sec/500（画素）＝33.3μsecとなる。そして、被検
出面のXY方向において、20μｍの分解能を維持しながら
画像処理には、ステージ等の移動時間を除いて、 の長い検出時間を要することになる。Here, the time required for the two-dimensional CCD to take out an image is usually about 16.7 msec. Then, in a two-dimensional CCD, the time required to obtain an image for 500 pixels in the height direction at an arbitrary position of one pixel in the detection direction is 16.
7m sec / 500 (pixel) = 33.3μsec. Then, in the XY direction of the surface to be detected, while maintaining the resolution of 20 μm, the image processing is performed with the exception of the movement time of the stage, Will require a long detection time.
このように、従来の装置では、大きな被検物体に対し
高分解能で被検物体表面の凹凸形状を計測するには、XY
方向でのビーム走査を複数回に分割するための機構が必
要であるのみならず、検出に要する時間が極めて長かっ
た。As described above, in the conventional device, in order to measure the uneven shape of the surface of the test object with high resolution for a large test object, XY
Not only a mechanism for dividing the beam scanning in the direction into multiple times is required, but also the time required for detection is extremely long.
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであ
り、極めて僅かな時間で被測定物体の表面形状を高い分
解能で測定できる高性能な断面形状測定装置を提供する
ことを目的としている。The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a high-performance cross-sectional shape measuring apparatus capable of measuring the surface shape of an object to be measured with high resolution in an extremely short time.
上記の目的を達成するために、本発明は、第1A図及び
第1B図に示す如く、被測定面Baに対し光束を斜入斜させ
て、この被測定面Baからの反射光を検出手段15によって
検出することにより、被測定面Baの凹凸形状を測定する
表面形状測定装置において、 平面光束供給手段（1,2）と、この平行光束供給手段
（1,2）からの平行光束を被測定面Baで集光して照射す
る照射対物レンズ（5,7）と、平行光束供給手段（1,2）
と該照射対物レンズ（5,7）との間に設けられて集光光
束を被測定面Baで主走査する主走査手段４と、被測定面
Baからの正反射光を集光して平行光束にする集光対物レ
ンズ（8,10）と、この集光対物レンズ（8,10）を通して
主走査方向と対応する方向と直交する方向に集光作用を
有して、集光対物レンズ（8,10）からの平行光束を集光
する集光光学系13とを有し、 検出手段15は、この集光対物レンズ（8,10）のほぼ瞳
位置もしくは瞳共役に設けられると共にこの集光光学系
13の焦点位置に設けられて集光光の変位量を検出するも
のである。In order to achieve the above-mentioned object, the present invention, as shown in FIGS. 1A and 1B, obliquely inclines a light beam with respect to the surface to be measured Ba, and detects the reflected light from the surface to be measured Ba. In the surface profile measuring device for measuring the uneven shape of the surface Ba to be measured by detecting the parallel beam from the plane beam supplying means (1, 2) and the parallel beam supplying means (1, 2). Irradiation objective lens (5, 7) that collects and irradiates the measurement surface Ba, and parallel light beam supply means (1, 2)
And a main scanning means 4 which is provided between the irradiation objective lens (5, 7) and main-scans the condensed light flux on the surface to be measured Ba, and the surface to be measured.
A condenser objective lens (8, 10) that condenses the specularly reflected light from Ba into a parallel light beam, and through this condenser objective lens (8, 10), collects in a direction orthogonal to the direction corresponding to the main scanning direction. It has a light condensing optical system 13 for condensing the parallel light flux from the condensing objective lens (8, 10), and the detecting means 15 has a condensing objective lens (8, 10). This condensing optical system is provided near the pupil position or conjugate to the pupil.
It is provided at 13 focal positions and detects the amount of displacement of the condensed light.
この上記の基本構成に基づいて、主走査手段４の振れ
角の原点は、前記照射対物レンズ（5,7）及び集光対物
レンズ（8,10）に関して、前記集光対物レンズの瞳とほ
ぼ共役に配されていることが望ましい。Based on the above basic configuration, the origin of the deflection angle of the main scanning means 4 is almost the pupil of the focusing objective lens with respect to the irradiation objective lens (5, 7) and the focusing objective lens (8, 10). It is desirable that they are conjugated.
そして、この被測定面Baの主走査方向に対して垂直方
向に副走査するための副走査手段（20）を配置すること
によって、被測定面Baの凹凸形状を２次元に検出するこ
とができる。By arranging the sub-scanning means (20) for sub-scanning in the direction perpendicular to the main scanning direction of the measured surface Ba, the uneven shape of the measured surface Ba can be two-dimensionally detected. .
また、集光対物レンズ（8,10）と検出手段15との間
に、この集光対物レンズ（8,10）を通して主走査方向に
対応する方向と垂直な方向に母線を持つ円柱レンズを複
数有して構成されて、この集光対物レンズ（8,10）の瞳
をリレーするリレー光学系（12,14）を配置する。この
とき、集光光学系15は、リレー光学系（12,14）と前記
検出手段15との間もしくは前記リレー光学系内に配置さ
れて少なくとも１枚以上の円柱レンズで構成されること
がより好ましい。In addition, between the condenser objective lens (8, 10) and the detection means 15, a plurality of cylindrical lenses having a generatrix in a direction perpendicular to the main scanning direction through the condenser objective lens (8, 10) are provided. A relay optical system (12, 14) configured to have and relaying the pupil of the condenser objective lens (8, 10) is arranged. At this time, the condensing optical system 15 is arranged between the relay optical system (12, 14) and the detecting means 15 or in the relay optical system and is composed of at least one cylindrical lens. preferable.
本発明は、被検出面に照射する光束を所定の分解能と
なるように光束径を絞り込み、この絞り込まれた光束を
被検物体表面の所定の範囲で１次元的に主走査し、被検
物体表面からの正反射光を検出方向に集光させて、この
集光光の変位量を一次元的に検出するようにしたので、
被検物体の凹凸断面形状を高速かつ光分解能に計測でき
る。According to the present invention, the diameter of a light beam applied to a surface to be detected is narrowed so as to have a predetermined resolution, and the narrowed light beam is one-dimensionally main-scanned within a predetermined range on the surface of the object to be inspected, Since the specularly reflected light from the surface is condensed in the detection direction and the displacement amount of this condensed light is detected one-dimensionally,
The uneven cross-sectional shape of the test object can be measured at high speed and with optical resolution.
第1A図は本実施例の検出方向の概略的な構成を示す側
面図であり、第1B図は本実施例の走査方向の概略的な構
成を示す正面図である。FIG. 1A is a side view showing a schematic configuration in the detection direction of the present embodiment, and FIG. 1B is a front view showing a schematic configuration in the scanning direction of the present embodiment.
図示の如く、基板Baは、副走査手段として副走査する
XYステージ20上に載置されており、このXYステージ20は
モーター等を有するステージ駆動系21により、XY方向を
２次元的に移動可能である。そして、このXYステージ20
は、不図示ではあるが、各方向の位置を検出するための
干渉計，エンコーダ等のステージ位置検出系を有してい
る。As illustrated, the substrate Ba is sub-scanned as a sub-scanning unit.
The XY stage 20 is mounted on the XY stage 20, and the XY stage 20 can be two-dimensionally moved in the XY direction by a stage drive system 21 having a motor or the like. And this XY stage 20
Although not shown, has a stage position detection system such as an interferometer and an encoder for detecting the position in each direction.
そして、基板Baの左側上方には照射光学系が光束を所
定の入射角で斜入射させるように配置されており、基板
Baの右側上方には基板表面を正反射する光束を検出する
ための検出光学系が配置されている。An irradiation optical system is arranged above the left side of the substrate Ba so that the light beam is obliquely incident at a predetermined incident angle.
A detection optical system for detecting a light beam specularly reflected on the substrate surface is arranged above and to the right of Ba.
まず、照射光学系を説明すると、レーザー１から平行
光束は、ビームエクスパンダ２で所望のビーム径に拡大
され、反射ミラー３、主走査手段としてのガルバノミラ
ー（振動鏡）４を反射する。そして、第1A図に示す如
く、カルバノミラー（振動鏡）４からの光束を斜入射さ
せるための反射ミラー６を間に挟んで、照射対物レンズ
としての第１テレセントリックｆ・θ光学系（5,7）が
配置されており、これを介した光束は主光線が光軸と平
行となるように基板上でスポット状に集光される。First, the irradiation optical system will be described. The parallel light flux from the laser 1 is expanded to a desired beam diameter by the beam expander 2 and reflected by the reflection mirror 3 and the galvano mirror (vibration mirror) 4 as the main scanning means. Then, as shown in FIG. 1A, a reflecting mirror 6 for obliquely entering a light beam from a carbano mirror (vibrating mirror) 4 is sandwiched in between, and a first telecentric f / θ optical system (5, 7) as an irradiation objective lens is provided. ) Is arranged, and the light flux passing through this is condensed in a spot shape on the substrate so that the principal ray is parallel to the optical axis.
ここで、第１テレセントリックｆ・θ光学系（5,7）
により形成されるスポット光の径ωは、第１テレセント
リックｆ・θ光学系（5,7）の焦点距離fT1、この１テレ
セントリック光学系（5,7）に入射する平行光束径φ、
レーザー光の波長λで決定され、 となる。そして、このビーム径ωが走査位置の分解能と
対応することになる。Here, the first telecentric f / θ optical system (5,7)
The diameter ω of the spot light formed by is the focal length f T1 of the first telecentric f · θ optical system (5,7), the parallel light beam diameter φ incident on this one telecentric optical system (5,7),
Determined by the wavelength λ of the laser light, Becomes Then, the beam diameter ω corresponds to the resolution of the scanning position.
さて、ガルバノミラー４は、第１テレセントリックｆ
・θ光学系（5,7）の瞳位置（5,7）の瞳位置（前側焦点
位置）に設けられ、振動駆動系22からの駆動信号（駆動
のフイートバック信号）によってこの振角の原点Ｏが矢
印方向に振動することにより、基板上のスポット光は、
矢印で示す如く、所定の範囲を１次元的にＹ方向に主走
査される。By the way, the galvano mirror 4 is the first telecentric f
・ The origin of this swing angle is provided at the pupil position (front focus position) of the pupil position (5,7) of the θ optical system (5,7), and is driven by the drive signal (drive feedback signal) from the vibration drive system 22. As O oscillates in the direction of the arrow, the spot light on the substrate becomes
As indicated by the arrow, a predetermined range is one-dimensionally main-scanned in the Y direction.
このようにして照射系からの照射光は、基板Baを正反
射して検出光学系に導かれる。In this way, the irradiation light from the irradiation system is specularly reflected on the substrate Ba and guided to the detection optical system.
次に、検出光学系について説明する。 Next, the detection optical system will be described.
反射ミラー９を間に挟んで集光対物レンズとしての第
２テレセントリックｆ・θ光学系（8,10）が配置されて
いる。そして、これにより集光作用を受けて再び平行光
束となり、この光学系（8,10）の瞳位置（後側焦点位
置）に配置された絞り11を通過する。A second telecentric f.theta. Optical system (8, 10) as a condenser objective lens is arranged with the reflection mirror 9 interposed therebetween. Then, by this, it is subjected to a condensing effect to become a parallel light flux again, and passes through the diaphragm 11 arranged at the pupil position (rear focus position) of this optical system (8, 10).
この絞り11は、基板Ba上から発生するノイズ光（回折
光，散乱光等）を遮光する機能を有している。The diaphragm 11 has a function of blocking noise light (diffracted light, scattered light, etc.) generated on the substrate Ba.
尚、第２テレセントリックｆ・θ光学系の瞳位置は第
１テレセントリックｆ・θ光学系（5,7）と第２テレセ
ントリックｆ・θ光学系（8,10）とに関してガルバノミ
ラー４と共役になっている。The pupil position of the second telecentric f / θ optical system is conjugated with the galvano mirror 4 with respect to the first telecentric f / θ optical system (5,7) and the second telecentric f / θ optical system (8,10). ing.
また、基板Baの表面は、第１テレセントリックｆ・θ
光学系（5,7）の後側焦点位置に配置されると共に、第
２テレセントリックｆ・θ光学系（8,10）の前側焦点位
置に配置されている。Further, the surface of the substrate Ba is the first telecentric f · θ.
The optical system (5, 7) is arranged at the rear focal position and the second telecentric f.theta. Optical system (8, 10) is arranged at the front focal position.
さて、第1B図に示す如く、ガルバノミラー４の主走査
により平行光束が移動する紙面方向のＹ方向（第２テレ
セントリックｆ・θ光学系を通して主走査方向に対応す
る方向）に屈折力を持つ円柱レンズ（シリンドリカルレ
ンズ）で構成されるリレー光学系（12,14）が配置され
ている。そして、このリレー光学系（12,14）により、
紙面方向における第２テレセントリックｆ・θ光学系
（8,10）の瞳がリレーされ、この位置に検出手段として
の検出器15が配置されている。Now, as shown in FIG. 1B, a cylinder having a refracting power in the Y direction (direction corresponding to the main scanning direction through the second telecentric f / θ optical system) of the paper surface direction in which the parallel light flux moves by the main scanning of the galvano mirror 4. A relay optical system (12, 14) composed of lenses (cylindrical lenses) is arranged. And with this relay optical system (12,14),
The pupil of the second telecentric f.theta. Optical system (8, 10) in the direction of the paper surface is relayed, and the detector 15 as a detecting means is arranged at this position.
一方、第1A図に示す如く、このリレー光学系（12,1
4）の間に、ガルバノミラー４の主走査により平行光束
が移動するＹ方向に対し垂直なＺ方向（第２テレセント
リックｆ・θ光学系を通して主走査方向に対応する方向
と直交する方向）に、集光作用を有する集光光学系とし
ての円柱レンズ13が配置されている。On the other hand, as shown in FIG. 1A, this relay optical system (12,1
During 4), in the Z direction (direction orthogonal to the direction corresponding to the main scanning direction through the second telecentric f / θ optical system) perpendicular to the Y direction in which the parallel light flux moves by the main scanning of the galvano mirror 4, A cylindrical lens 13 is arranged as a condensing optical system having a condensing function.
この円柱レンズ13は、リレー光学系（13,15）に関し
て第２テレセントリックｆ・θ光学系（8,10）の瞳（後
側焦点位置）と共役となる位置に配置された検出器15に
紙面方向の平行光束を集光させている。This cylindrical lens 13 is on the surface of the detector 15 which is arranged at a position which is conjugate with the pupil (rear focus position) of the second telecentric f / θ optical system (8,10) with respect to the relay optical system (13,15). The parallel light flux of the direction is condensed.
よって、基板Baの表面が平坦であれば、ガルバノミラ
ー４の主走査に伴って検出器15には、入射角が変化する
スリット状の光束が達する。Therefore, if the surface of the substrate Ba is flat, a slit-shaped light beam having an incident angle that changes with the main scanning of the galvanometer mirror 4 reaches the detector 15.
尚、リレー光学系及び集光光学系を構成する円柱レン
ズは、集光作用を持つ方向と直交した方向に母線を有し
ている。The cylindrical lenses forming the relay optical system and the condensing optical system have a generatrix in the direction orthogonal to the direction having the condensing effect.
ところで、今、基板表面に凹凸のパターンが形成され
ていると、第２図に示す如く、ガルバノミラー４により
主走査される光束が基板に入射する入射平面内におい
て、この凹凸の形状に応じて基板を正反射する主光線の
射出方向が、点線で示す方向から実線で示す方向へ平行
に変位する。このため、第1A図に示した如く、この変位
に伴い検出器15上での集光位置がＺ方向に１次元的に変
位する。By the way, when the pattern of the unevenness is formed on the surface of the substrate, as shown in FIG. The emission direction of the principal ray that is specularly reflected on the substrate is displaced in parallel from the direction indicated by the dotted line to the direction indicated by the solid line. Therefore, as shown in FIG. 1A, the focal position on the detector 15 is one-dimensionally displaced in the Z direction with this displacement.
ここで、基板Baに対する入射角をθ１、基板Baに対す
る反射角をθ２とすると、反射の法則により、θ１＝θ
２となる。そして、基板Baの凸部の高さをｈ、基板Baに
対する入射角θ１と基板に対する反射角θ２をθとし、
検出光学系の結像倍率をβとするとき、検出光の集光位
置の変化量Δｚは次式にて与えられる。Here, if the incident angle with respect to the substrate Ba is θ 1 and the reflection angle with respect to the substrate Ba is θ 2 , then according to the law of reflection, θ 1 = θ
It becomes 2 . Then, the height of the convex portion of the substrate Ba is h, the incident angle θ 1 with respect to the substrate Ba and the reflection angle θ 2 with respect to the substrate are θ,
When the imaging magnification of the detection optical system is β, the change amount Δz of the focus position of the detection light is given by the following equation.
Δｚ＝2hβSinθ ……（２） そして、この検出光学系の結像倍率βは、第２テレセ
ントリック光学系（8,10）の焦点距離をfT2、円柱レン
ズ13の焦点距離をfCとするとき、 β＝fC/fT2 ……（３） となる。Δz = 2hβSinθ (2) Then, the imaging magnification β of this detection optical system is f T2 when the focal length of the second telecentric optical system (8, 10) is f C, and f C is the focal length of the cylindrical lens 13. , Β = f C / f T2 (3).
よって、この（２）式より（３）式は、 となり、この検出光の集光位置の変位量Δｚを検出器15
により検出すれば、基板の凹凸の形状の高さｈを定量的
に検出することができる。Therefore, from equation (2), equation (3) is Therefore, the displacement amount Δz of the condensing position of this detection light is detected by the detector 15
The height h of the uneven shape of the substrate can be quantitatively detected by the method described above.
尚、基板面の凹凸形状等により正反射光が遮られる場
合や検出方向での所望の分解能が得られない場合がある
ため、基板面に対するスポット光の入射角を適切に設定
しなければならない。Since the specularly reflected light may be blocked by the uneven shape of the substrate surface or the desired resolution in the detection direction may not be obtained, the incident angle of the spot light with respect to the substrate surface must be set appropriately.
本発明の構成は、基板面に対して斜入射するスポット
光を照射する第１テレセントリックｆ・θ光学系と、こ
の基板面から反射する正反射光を集光する第２テレセン
トリックｆ・θ光学系とを有しているため、スポット光
が基板面に入射する入射角の調整は、基板面に対する両
光学系の光軸の傾きを変えることにより容易に達成され
る。The configuration of the present invention includes a first telecentric f.theta. Optical system for irradiating a spot light obliquely incident on the substrate surface, and a second telecentric f.theta. Optical system for collecting specularly reflected light reflected from the substrate surface. Since it has, the adjustment of the incident angle at which the spot light is incident on the substrate surface can be easily achieved by changing the inclination of the optical axes of both optical systems with respect to the substrate surface.
さて、第２図に示す如く、信号処理手段30により、検
出器15により光電検出される集光光の位置信号S1は、ガ
ルバノミラー４による主走査及びステージ20による副走
査に同期して取り込まれる。Now, as shown in FIG. 2, the position signal S 1 of the condensed light photoelectrically detected by the detector 15 by the signal processing means 30 is taken in in synchronization with the main scanning by the galvano mirror 4 and the sub scanning by the stage 20. Be done.
すなわち、この検出器15により得られた集光光の位置
信号S1と、ガルバノミラー４からの角度信号S2と、ステ
ージ20からのステージの位置信号S3とは信号処理手段30
中の演算部31に同期入力される。That is, the position signal S 1 of the condensed light obtained by the detector 15, the angle signal S 2 from the galvanometer mirror 4, and the stage position signal S 3 from the stage 20 are the signal processing means 30.
It is synchronously input to the arithmetic unit 31 inside.
そして、この演算部31は、この検出器15により得られ
た集光光の位置の信号S1と、ガルバノミラー４の角度
（基板面でのＸ方向のスポット光の走査位置）の信号S2
と、ステージの位置信号S3とに基づいて、スポット光の
走査毎に逐次、スポット光の反射位置の３次元的な座標
を検出したり、あるいはスポット光の走査位置毎にこの
スポット光の反射位置を逐次積分をして基板表面の凹凸
の体積を算出したりする。そして、この検出信号は画像
処理部32中の記憶部に格納されて、画像処理部32は、こ
の格納された計測情報をに基づいて画像処理を実行し、
基板表面の凹凸形状の計測結果をCRTモニター等の表示
部33を通して画像表示させることができる。Then, the arithmetic unit 31, the detector and the signals S 1 position of the resulting condensed light by 15, the signal S 2 of the angle of the galvanometer mirror 4 (the scanning position of the X direction of the spot light on the substrate surface)
And the position signal S 3 of the stage, the three-dimensional coordinates of the reflection position of the spot light are sequentially detected every time the spot light is scanned, or the reflection of the spot light is performed at each spot light scanning position. The position is successively integrated to calculate the volume of irregularities on the substrate surface. Then, the detection signal is stored in the storage unit in the image processing unit 32, the image processing unit 32 performs image processing based on the stored measurement information,
The measurement result of the uneven shape of the substrate surface can be displayed as an image through the display unit 33 such as a CRT monitor.
尚、信号処理系に欠陥検出部を設け、この欠陥検出部
に、参照データを予め記憶されておき、演算部32から出
力された基板の３次元的な座標情報及び体積情報と、こ
の参照データとを比較して、基板Baの欠陥を検出して、
画像処理部34へ出力するような構成にしても良い。A defect detection unit is provided in the signal processing system, reference data is stored in advance in the defect detection unit, and three-dimensional coordinate information and volume information of the substrate output from the calculation unit 32 and the reference data are stored. To detect defects in the substrate Ba,
It may be configured to output to the image processing unit 34.
さて、本発明による基板表面の凹凸形状の検出時間
は、円柱レンズ13によりＺ方向に１次元的に集光される
光重心の変位量Δｚを検出する検出器15の応答時間に主
に依存することになる。Now, the detection time of the unevenness of the substrate surface according to the present invention mainly depends on the response time of the detector 15 which detects the displacement amount Δz of the optical center of gravity which is one-dimensionally condensed in the Z direction by the cylindrical lens 13. It will be.
本発明の１次検出器15としては、半導体検出素子（PS
D）,1次元CCDアレイ等が適用されていおり、このPSDは2
MHz程度の応答性を有している。そして、１次元CCDアレ
イは１画素当たり20MHz程度の応答性を有しており、今
基板Baの高さ方向に対応するＺ方向に100個の素子が配
列されているとすると、１素子当たり20MHz/100画素＝
0.2MHzの応答時間を要する。As the primary detector 15 of the present invention, a semiconductor detection element (PS
D), one-dimensional CCD array, etc. are applied, and this PSD is 2
It has a response of about MHz. The one-dimensional CCD array has a response of about 20 MHz per pixel, and if 100 elements are arrayed in the Z direction corresponding to the height direction of the substrate Ba, 20 MHz per element is assumed. / 100 pixels =
It requires a response time of 0.2MHz.
このため、Ｘ方向に副走査するステージ20の移動時間
等の除いて、100mm（縦）×100mm（横）の大きさの基板
Baを20μｍの分解能で基板表面の凹凸形状検出を行う
と、PSDでは、 １次元CCDアレイでは、 程度の検出時間で基板表面の凹凸形状を検出することが
可能となる。For this reason, the substrate having a size of 100 mm (vertical) × 100 mm (horizontal) is excluded, excluding the movement time of the stage 20 which is sub-scanned in the X direction
When Ba is used to detect irregularities on the substrate surface with a resolution of 20 μm, PSD In a one-dimensional CCD array, It becomes possible to detect the uneven shape of the substrate surface within a detection time of a certain degree.
よって、第４図で示した従来の装置の検出時間と比較
して、本発明は1/6.7〜1/66.7程度となり、大幅に検出
時間の短縮を達成することができ、基板の断面形状を高
速で測定することができる。Therefore, compared with the detection time of the conventional apparatus shown in FIG. 4, the present invention is about 1 / 6.7 to 1 / 66.7, and the detection time can be significantly shortened, and the cross-sectional shape of the substrate can be reduced. It can be measured at high speed.
本発明によれば、比較的に大きな基板であっても、こ
の基板表面の凹凸形状を、３次元的に高分解能かつ高速
に計測できるため極めて有効である。According to the present invention, even with a relatively large substrate, the uneven shape of the substrate surface can be measured three-dimensionally with high resolution and high speed, which is extremely effective.
尚、主走査手段としてはガルバノミラーに限ることな
く、ポリゴンミラー（回転多面鏡）等を適用しても良
い。The main scanning means is not limited to a galvanometer mirror, and a polygon mirror (rotating polygon mirror) or the like may be applied.
また、本発明の実施例ではステージ20を副走査手段と
しているが、ビームエクスパンダ２と第１テレセントリ
ック光学系との間に、こ主走査手段が設けられる第１テ
レセントリック光学系の瞳位置をリレーするリレー光学
系を配置し、このリレー光学系に関し主走査手段と共役
となるように副走査手段を配置しても良い。このとき、
副走査手段として、ガルバノミラー，ポリゴンミラー等
を適用しても良いことは言うまでもない。Further, although the stage 20 is used as the sub-scanning means in the embodiment of the present invention, the pupil position of the first telecentric optical system in which the main scanning means is provided between the beam expander 2 and the first telecentric optical system is relayed. It is also possible to arrange a relay optical system for the relay optical system, and to arrange the sub-scanning means so as to be conjugate with the main scanning means with respect to this relay optical system. At this time,
It goes without saying that a galvano mirror, a polygon mirror or the like may be applied as the sub-scanning means.
第1A図は本実施例の概略的な構成を示す側面図であり、
第1B図は本実施例の概略的な構成を示す正面図である。
第２図は本実施例のプロック図である。第３図は凹凸表
面を有する基板に光束を照射することにより、正反射光
が変位する様子を示す図である。第４図は従来の装置の
概略的な構成を示す斜視図である。 〔主要部分の符号の説明〕 １……レーザー（光源）（平行光束供給手段） ２……ビームエクスパンダ（平行光束供給手段） ４……ガルバノミラー（主走査手段） 5,7……第１テレセントリックｆ・θ光学系（照射対物
レンズ） 9,11……第２テレセントリックｆ・θ光学系（集光対物
レンズ） 13,15……円柱レンズ（リレー光学系） 14……円柱レンズ（集光光学系） 16……検出器（検出手段）FIG. 1A is a side view showing a schematic configuration of this embodiment,
FIG. 1B is a front view showing a schematic configuration of this embodiment.
FIG. 2 is a block diagram of this embodiment. FIG. 3 is a diagram showing how specular reflected light is displaced by irradiating a substrate having an uneven surface with a light beam. FIG. 4 is a perspective view showing a schematic configuration of a conventional device. [Explanation of symbols of main parts] 1 ... Laser (light source) (parallel light beam supplying means) 2 ... Beam expander (parallel light beam supplying means) 4 ... Galvano mirror (main scanning means) 5, 7 ... 1st Telecentric f / θ optical system (irradiation objective lens) 9,11 …… Second telecentric f ・ θ optical system (focusing objective lens) 13,15 …… Cylindrical lens (relay optical system) 14 …… Cylindrical lens (focusing) Optical system) 16 ... Detector (detection means)
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−259503（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−201208（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−197751（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−254809（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−230048（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−124784（ＪＰ，Ａ) ─────────────────────────────────────────────────── --- Continuation of the front page (56) References JP-A-2-259503 (JP, A) JP-A-2-201208 (JP, A) JP-A 62-197751 (JP, A) JP-A 61- 254809 (JP, A) JP 61-230048 (JP, A) JP 54-124784 (JP, A)
Claims (4)
被測定面からの反射光を検出手段によって検出すること
により、前記被測定面の凹凸形状を測定する表面形状測
定装置において、 平行光束供給手段と、該平行光束供給手段からの平行光
束を前記被測定面で集光して照射する照射対物レンズ
と、前記平行光束供給手段と該照射対物レンズとの間に
設けられて前記集光光束を前記被測定面で主走査する主
走査手段と、前記被測定面からの正反射光を集光して平
行光束にする集光対物レンズと、該集光対物レンズを通
して主走査方向に対応する方向と垂直な方向に集光作用
を有して前記集光対物レンズからの平行光束を集光する
集光光学系とを有し、 前記検出手段は、前記集光対物レンズのほぼ瞳位置もし
くはほぼ略瞳共役に設けられると共に該集光光学系の焦
点位置に設けられて前記集光光の変位量を検出すること
を特徴とする表面形状測定装置。1. A surface shape measuring apparatus for measuring the uneven shape of the surface to be measured by causing a light beam to be obliquely incident on the surface to be measured and detecting reflected light from the surface to be measured by a detection means. A parallel light beam supplying means, an irradiation objective lens for collecting and irradiating the parallel light beam from the parallel light beam supplying means on the surface to be measured, and a parallel light beam supplying means provided between the parallel light beam supplying means and the irradiation objective lens. Main scanning means for main scanning a condensed light beam on the surface to be measured, a condenser objective lens for converging specularly reflected light from the surface to be measured into a parallel light beam, and a main scanning direction through the condenser objective lens. And a condensing optical system that condenses the parallel light flux from the condensing objective lens by having a condensing action in a direction perpendicular to the direction corresponding to When it is provided at the pupil position or almost at the pupil conjugate Surface profile measuring apparatus characterized by being provided at the focal position of the condenser optical system for detecting the displacement amount of the condensing light.
射対物レンズ及び集光対物レンズに関して、前記集光対
物レンズの瞳とほぼ共役であることを特徴とする特許請
求の範囲第１項記載の断面形状測定装置。2. The origin of the deflection angle of the main scanning means is substantially conjugate with the pupil of the condenser objective lens with respect to the irradiation objective lens and the condenser objective lens. Sectional shape measuring device described in the paragraph.
直方向に副走査するための副走査手段とを有することを
特徴とする特許請求の範囲第１項または第２項記載の断
面形状測定装置。3. The cross section according to claim 1, further comprising a sub-scanning unit for sub-scanning the surface to be measured in a direction perpendicular to the main scanning direction. Shape measuring device.
に、前記集光対物レンズを通して主走査方向に対応する
方向と垂直な方向に母線を有する円柱レンズを複数有し
て構成されて前記集光対物レンズの瞳をリレーするリレ
ー光学系を配置し、 前記集光光学系は、前記リレー光学系と前記検出手段と
の間もしくは前記リレー光学系内に配置されて少なくと
も１枚以上の円柱レンズで構成されることを特徴とする
特許請求の範囲第３項記載の断面形状測定装置。4. A cylindrical lens having a generatrix in a direction perpendicular to the direction corresponding to the main scanning direction through the condenser objective lens is provided between the condenser objective lens and the detection means. A relay optical system for relaying the pupil of the condensing objective lens is arranged, and the condensing optical system is arranged between the relay optical system and the detecting means or in the relay optical system and at least one or more sheets are arranged. The cross-sectional shape measuring device according to claim 3, wherein the cross-sectional shape measuring device comprises a cylindrical lens.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP31984389A JP2674244B2 (en) | 1989-12-08 | 1989-12-08 | Surface profile measuring device |
Applications Claiming Priority (1)
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| JP31984389A JP2674244B2 (en) | 1989-12-08 | 1989-12-08 | Surface profile measuring device |
Publications (2)
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|---|---|
| JPH03180708A JPH03180708A (en) | 1991-08-06 |
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