JPH09178452A - 表面観察光学系 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 レンズなどの表面の検査において、非被検面
からの反射光の影響を受けずに被検面を観察することが
できる表面観察光学系を提供する。 【解決手段】 点光源部５から出射された照明光３１を
検査対象である被検レンズ１に照射し、被検面１０にお
いて反射した第１反射光を観察面２０に入射させる。こ
のとき、被検面１０と観察面２０とを非共役な関係に配
置させることにより、観察面２０に被検面１０の魔鏡法
による像を形成させる。また、非被検面１１において反
射した第２反射光３２ｂを観察面２０の一点に集光させ
るように光学系４を設定し、第２反射光３２ｂが観察面
２０に形成された被検面１０の像に影響を与えないよう
にする。これにより、観察面２０に形成された像を観察
して、非被検面１１からの第２反射光３２ｂの影響を受
けることなく被検面１０上に存在する微小な凹凸や傷な
どを検出することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、レンズなどの被
検面および非被検面を対向して有する透明な被検物体に
点光源からの照明光を照射し、被検物体において反射し
た反射光を被検面と非共役に配置されたスクリーンやカ
メラの受光部などの観察面上で受けて被検面の像を観察
面に形成する表面観察光学系に関する。

【０００２】

【従来の技術】古来より、魔鏡と呼ばれる鏡に太陽光な
どを入射した場合、その鏡により反射された光が壁など
に導かれ、その壁面上で明暗の模様を有する像が観察さ
れることが知られている。この明暗の模様は、鏡の表面
に形成された微小な凹凸に対応したものである。

【０００３】魔鏡による現象を利用して半導体ウェハな
どの表面に存在する微小な凹凸や傷などを検出する方法
（以下、「魔鏡法」という。）は従来より知られてお
り、例えば、特公昭６３−１９００１号公報では、魔鏡
法を用いた表面の検査装置および表面の検査方法につい
て開示されている。この表面の検査装置および表面の検
査方法では、観察対象である平面状の被検面に平行光を
照射し、被検面からの平行光である反射光を集光レンズ
により観察面に導き、被検面の像を観察面に形成してい
る。ここで、被検面と観察面とを非共役な関係に配置す
ることにより、被検面上の微小な凹凸や傷などが観察面
に形成される被検面の像における明暗の模様に基づいて
検出可能となる。なぜならば、被検面上に存在する微小
な凹凸や傷などで反射した光は被検面からの反射光とは
平行ではなくなり、また、被検面と観察面とは非共役な
関係に配置されているため、被検面上に存在する微小な
凹凸や傷などで反射した光が観察面に形成される被検面
の像の反射位置に対応する部位に入射しないからであ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】魔鏡法を用いた表面観
察光学系では、以上説明してきたように、被検面上の微
小な凹凸や傷などを観察面に形成される像の明暗の模様
から検出している。しかし、この魔鏡法による表面観察
光学系をレンズなどの相互に対向した被検面と非被検面
とを有する透明な被検物体に応用しようとした場合、被
検物体に照射された照明光は被検面のみならず非被検面
においても反射するため、観察面には被検面からの反射
光以外に非被検面からの反射光も入射し、観察面に被検
面の像と非被検面の像とが重なって形成されることとな
る。その結果、観察面に形成された像の明暗の模様を観
察することにより被検面上の微小な凹凸や傷などを検出
することが困難となる。

【０００５】そこで、この発明の目的は、上記課題に鑑
み、非被検面からの反射光の影響を実質的に受けずに観
察面に形成された被検面の像を観察することができる表
面観察光学系を提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、透明
体からなり、その相互に対向する両面がそれぞれ被検面
および非被検面となっている被検物体に点光源からの照
明光を照射し、前記被検物体において反射した反射光を
前記被検面と非共役な観察面上で受けて前記被検面の像
を前記観察面に形成する表面観察光学系において、同一
の光軸に沿って、前記点光源からの照明光を前記被検物
体に導くとともに、前記被検面において反射した第１反
射光と、前記非被検面において反射した第２反射光とを
前記観察面に導く光学系を備え、前記第１反射光による
前記点光源の共役面を前記観察面から離れた位置に形成
する一方、前記第２反射光による前記点光源の共役面を
前記観察面に合致させる。

【０００７】請求項２の発明は、透明体からなり、その
相互に対向する両面がそれぞれ被検面および非被検面と
なっている被検物体に点光源からの照明光を照射し、前
記被検物体において反射した反射光を前記被検面と非共
役な観察面上で受けて前記被検面の像を前記観察面に形
成する表面観察光学系において、同一の光軸に沿って、
前記点光源からの照明光を前記被検物体に導くととも
に、前記被検面において反射した第１反射光と、前記非
被検面において反射した第２反射光とを前記観察面に導
く光学系を備え、前記第１および第２反射光による前記
点光源の共役面をそれぞれ前記観察面から離れた位置に
形成し、しかも、前記第１反射光により前記観察面に形
成される前記被検面の像と当該像に対応する前記被検面
の部位との大きさの比をＭとし、前記第２反射光により
前記観察面に形成される前記非被検面の像と当該像に対
応する前記非被検面の部位との大きさの比をＲとしたと
き、次の不等式、 ｜Ｒ｜＞｜Ｍ｜ を満足する。

【０００８】請求項３の発明は、請求項２の表面観察光
学系において、次の不等式、 ｜Ｒ／Ｍ｜≧２．５ を満足する。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態につ
いて図面を参照しながら説明する。

【００１０】図１および図２はこの発明に係る表面観察
光学系の第１の実施の形態を示す図である。この表面観
察光学系は、凸形状の被検面１０と平面形状の非被検面
１１とを相互に対向して有する透明な被検物体である被
検レンズ１において、被検面１０上に存在する微小な凹
凸や傷などを検出するものであり、点光源部５と光学系
４と観察面２０とから構成される。

【００１１】点光源部５は２０Ｗのハロゲンランプであ
る光源５０と、レンズ５１と、直径０．０６mmのピンホ
ール５３が形成されたピンホール板５２とで構成されて
いる。また、この点光源部５では、光源５０とピンホー
ル板５２とは光学的に共役な位置に配置されており、光
源５０より出射された光はレンズ５１を介してピンホー
ル５３上に光源５０の１／１０の像（点光源）を形成す
る。こうして点光源が形成され、点光源からの照明光、
つまりピンホール５３から出射される光が光学系４を介
して被検レンズ１に照射される。この光学系４は焦点距
離１２０mmで口径４０mmのレンズ４０と、ハーフミラー
４１と、焦点距離１６０mmで口径４０mmのレンズ４２
と、焦点距離６０mmで口径４０mmのレンズ４３とで構成
されている。この光学系４により、点光源部５からの光
はレンズ４０により平行光となってハーフミラー４１に
入射し、ハーフミラー４１において反射した光束はレン
ズ４２により集光され、光軸ＯＡに沿って被検レンズ１
に開口数０．００１の集光角で照明光３１として入射
し、被検面１０での照明範囲はφ７．６ｍｍとなってい
る。また、被検レンズ１において反射した反射光は光軸
ＯＡに沿ってレンズ４２、ハーフミラー４１を通過した
後、レンズ４３を介して観察面２０に導びかれる。この
ように当該実施の形態では、同一の光軸ＯＡに沿って、
点光源部５からの照明光を被検レンズ１に導くとともに
被検レンズ１からの反射光を観察面２０に導く落射照明
光学系を構成している。なお、反射光には被検面１０に
おいて反射した反射光（以下、「第１反射光」という）
３２ａと、非被検面１１において反射した反射光（以
下、「第２反射光」という）３２ｂとが含まれるが、こ
れらについては後で分けて詳述する。この実施の形態で
は、観察面２０はカメラ２２の受光部２１に設定されて
おり、被検レンズ１からの反射光により観察面２０に形
成される像はモニタ２３に映し出されるようになってい
る。なお、観察面２０はレンズ４３より７２mmの位置に
配置する。このとき、被検面１０と観察面２０とは非共
役な関係の配置となり、ピンホール５３より非被検面１
１を経由して観察面２０に至る光路においてピンホール
５３と観察面２０とは共役な関係の配置となり、ピンホ
ール５３より被検面１０を経由して観察面２０に至る光
路においてピンホール５３と観察面１０とは非共役な関
係の配置となる。

【００１２】次に、上記のように構成された表面観察光
学系において被検レンズ１の被検面１０および非被検面
１１の像がそれぞれどのようにして観察面２０に形成さ
れるかについて、被検面１０の像と非被検面１１の像に
分けて説明する。

【００１３】図１は被検面１０において反射した第１反
射光３２ａが観察面２０に導かれる様子を示した図であ
る。点光源部５からの照明光３１が被検レンズ１に照射
されると、照明光３１の一部は被検レンズ１の被検面１
０において反射し、第１反射光３２ａとなって再び光軸
ＯＡに沿ってレンズ４２、ハーフミラー４１およびレン
ズ４３を介して観察面２０にφ６mmで入射し、観察面２
０に被検面１０の像を形成する。こうして形成された被
検面１０の像の一例を図３に示す（ただし、７０で示さ
れるスポットは後述するようにして非被検面１１からの
第２反射光３２ｂにより形成されるものである）。

【００１４】ここで、被検面１０の像が観察面２０に形
成される理由は、被検面１０上に微小な凹凸や傷などが
存在する場合、その領域において反射した反射光は、一
様に発散あるいは集束する第１反射光３２ａの規則性を
乱すからである。また、被検面１０と観察面２０とは非
共役な関係に配置されているため、被検面１０上の微小
な凹凸や傷などで反射した反射光は観察面２０に形成さ
れる被検面１０の像の反射位置に対応する部位に入射し
ない。その結果、被検面１０上の微小な凹凸や傷などは
観察面２０に形成される被検面１０の像に明暗の模様と
して観察されることとなる。例えば、図３に示す被検面
１０の像の一例では、６０、６１、６２および６３がそ
れぞれ被検面１０上の傷、塵、泡および研磨痕に対応し
た明暗の模様として観察される。

【００１５】図２は非被検面１１において反射した第２
反射光３２ｂが観察面２０に導かれる様子を示した図で
ある。光軸ＯＡに沿って透明な被検レンズ１に入射する
照明光３１のうち被検面１０を通過した光は被検レンズ
１内部に入射し、その一部が非被検面１１において反射
して第２反射光３２ｂとなる。そして、第２反射光３２
ｂは第１反射光３２ａと同様に光軸ＯＡと同一の光軸に
沿ってレンズ４２、ハーフミラー４１およびレンズ４３
を介して観察面２０に入射する。この実施の形態では、
点光源とみなされるピンホール５３はピンホール５３よ
り非被検面１１を経由して観察面２０に至る光路におい
て観察面２０と共役な関係に配置されているため、第２
反射光３２ｂは観察面２０の一点に集光し、ピンホール
５３の像を形成することとなる。図３に示される観察面
２０の像の一例においては、明るいスポット７０として
第２反射光３２ｂが一点に集光して形成するピンホール
５３の像が示されている。

【００１６】以上、図１および図２を用いて第１および
第２反射光が観察面２０に入射する様子をそれぞれ説明
したが、このように第１および第２反射光を観察面２０
に入射させるように光学系４を設定することにより次の
ような効果が得られる。第１および第２反射光はともに
観察面２０に入射するが、第２反射光３２ｂは一点のみ
に集光するため、第１反射光３２ａにより観察面２０に
形成された被検面１０の像には一点を除いて第２反射光
３２ｂは影響しない。したがって、観察面２０の一点以
外の領域には被検面１０の像のみが鮮明に形成され、こ
の一点を除いて観察面２０に形成された像を観察するこ
とにより被検面１０上に存在する微小な凹凸や傷などを
検出することが可能となる。また、照明光３１と第１反
射光３２ａとを同一の光軸ＯＡに沿って導くため、被検
面１０上に存在する微小な凹凸や傷などの方向による見
え方の違いを最小限に抑えることができる。

【００１７】図４および図５はこの発明に係る表面観察
光学系の第２の実施の形態を示す図である。この表面観
察光学系は、平面形状の被検面１０と凸形状の非被検面
１１とを相互に対向して有する透明な被検物体である被
検レンズ１において、被検面１０上に存在する微小な凹
凸や傷などを検出するものであり、点光源部５と光学系
４と観察面２０とから構成される。

【００１８】点光源部５は２０Ｗのハロゲンランプであ
る光源５０と、レンズ５１と、直径０．０６mmのピンホ
ール５３が形成されたピンホール板５２とからなり、第
１の実施の形態と同様に、光源５０とピンホール板５２
とを光学的に共役な位置に配置することで点光源を形成
し、ピンホール５３からの光を光学系４を介して被検レ
ンズ１に照射している。この光学系は焦点距離１２０mm
で口径４０mmのレンズ４０と、ハーフミラー４１と、焦
点距離１６０mmで口径４０mmのレンズ４２と、焦点距離
８０mmで口径４０mmのレンズ４３とで構成されている。
この光学系４により、点光源部５０からの光は、第１の
実施の形態と同様に、レンズ４０、ハーフミラー４１お
よびレンズ４２を介して光軸ＯＡに沿って被検レンズ１
に入射し、被検面１０での照明範囲はφ８．０ｍｍとな
っている。また、被検レンズ１において反射した（第１
および第２反射光３２ａ，３２ｂ）は光軸ＯＡに沿って
レンズ４３、ハーフミラー４１およびレンズ４３を介し
て観察面２０に導びかれる。

【００１９】観察面２０はレンズ４３から５０ｍｍの位
置に配置されており、第１の実施の形態と同様に、カメ
ラ２２の受光部２１に設定されている。そして、被検レ
ンズ１からの反射光により観察面２０に形成される像は
モニタ２３に映し出されるようになっている。このよう
に構成された表面観察光学系では、被検面１０と観察面
２０とは非共役な関係の配置となり、ピンホール５３よ
り非被検面１１を経由して観察面２０に至る光路におい
てピンホール５３と観察面２０とは非共役な関係の配置
となり、またピンホール５３より被検面１０を経由して
観察面２０に至る光路においてもピンホール５３と被検
面１０とは非共役な関係の配置となる。

【００２０】次に、上記のように構成された表面観察光
学系において被検レンズ１の被検面１０および非被検面
１１の像がそれぞれどのようにして観察面２０に形成さ
れるかについて、被検面１０の像と非被検面１１の像に
分けて説明する。

【００２１】図４は被検面１０において反射した第１反
射光３２ａが観察面２０に導かれる様子を示した図であ
る。点光源部５からの照明光が被検レンズ１に照射され
ると、第１の実施の形態と同様に、照明光３１の一部は
被検レンズ１の被検面１０において反射して第１反射光
３２ａとなり、照明光３１が導かれた光軸ＯＡと同一の
光軸に沿ってレンズ４２、ハーフミラー４１およびレン
ズ４３を介して観察面２０にφ６mmで入射し、観察面２
０に被検面１０の像を形成する。こうして形成された被
検面１０の像の一例を図６に示す（ただし、第２反射光
３２ｂの影響については後述する）。

【００２２】ここで、被検面１０上に微小な凹凸や傷な
どが存在する場合、被検面１０と観察面２０とは非共役
な関係に配置されているため、第１の実施の形態と同様
の理由により、被検面１０の像に明暗の模様が観察され
ることとなる。例えば、図６に示す被検面１０の像の一
例では、６０、６１、６２および６３がそれぞれ被検面
１０上の傷、塵、泡および研磨痕に対応した明暗の模様
として観察されている。

【００２３】図５は非被検面１１において反射した第２
反射光３２ｂが観察面２０に導かれる様子を示した図で
ある。透明な被検レンズ１を照明する照明光３１のうち
第１反射光３２ａを通過した光は被検レンズ１内部に入
射し、非被検面１１において反射して第２反射光３２ｂ
となる。第２反射光３２ｂは第１反射光３２ａと同様に
照明光３１が導かれた光軸ＯＡに沿ってレンズ４２、ハ
ーフミラー４１およびレンズ４３を介して観察面２０に
φ１８mmで入射する。

【００２４】以上、図４および図５を用いて第１および
第２反射光が観察面２０に入射する様子を説明したが、
このとき、図４および図５に示されるように第２反射光
３２ｂが第１反射光３２ａに比べ発散した状態で観察面
２０に入射するように光学系を設定すると次のような効
果が得られる。第１反射光３２ａにより観察面２０に形
成される被検面１０の像とこの像に対応する被検面１０
の部位との大きさの比をＭ（以下、「被検面拡大率Ｍ」
という。）とし、第２反射光３２ｂにより観察面２０に
形成される非被検面１１の像とこの像に対応する非被検
面１１の部位との大きさの比をＲ（以下、「非被検面拡
大率Ｒ」という。）とした場合、被検面拡大率Ｍおよび
非被検面拡大率Ｒの値が大きければ大きい程それぞれ第
１および第２反射光は観察面２０に発散した状態で入射
する。したがって、非被検面拡大率Ｒを被検面拡大率Ｍ
に比べ大きくすることにより、第２反射光３２ｂは第１
反射光３２ａに比べ発散した状態で観察面２０に入射
し、その結果、観察面２０に形成される非被検面１１の
像を被検面１０の像に比べ暗くすることが可能である。
図６の例では、６０、６１、６２および６３がそれぞれ
被検面１０上の傷、塵、泡および研磨痕に対応した明暗
の模様として第２反射光３２ｂの影響を受けることなく
観察される。

【００２５】以上、第１および第２の実施の形態につい
て説明したが、この発明は、上記実施の形態に限定され
るものではない。例えば、上記実施の形態において被検
物体として平凸レンズの場合を示したが、平凹レンズ、
両凸レンズ、両凹レンズ、同心でないメニスカスレン
ズ、厚い平行平面板などであっても検査が可能である。
ただし、薄い平行平面板や同心のメニスカスレンズなど
のように被検面の曲率中心と非被検面の曲率中心とが一
致する被検物体においては、この発明は利用不可能であ
る。なお、平行平板の被検面の曲率中心と非被検面の曲
率中心とは無限遠方において一致しているものとみな
す。

【００２６】また、被検物体がシリンドリカルレンズや
トロイダルレンズなどであってもこの発明は利用可能で
ある。この場合、第１および第２の実施の形態において
レンズ４２およびレンズ４３にシリンドリカルレンズあ
るいはトロイダルレンズを用いて被検物体からの反射光
の発散および集束状態を調整することにより検査が可能
となる。

【００２７】また上記第２の実施の形態では、被検面拡
大率Ｍおよび非被検面拡大率Ｒをそれぞれ０．０７５，
２．２５に設定しているが、｜Ｒ｜＞｜Ｍ｜が満足され
る限りにおいて上記第２の実施の形態と同様の効果が得
られる。また、種々の実験の結果、｜Ｒ／Ｍ｜≧２．５
に設定するのは望ましいことがわかった。

【００２８】また、第１および第２の実施の形態におい
ては被検面１０を非被検面１１より光学系４に近い位置
に配置しているが、非被検面１１を被検面１０より光学
系４に近い配置にすることも可能である。この場合、被
検面１０における第１反射光３２ａは非被検面１１にお
いて屈折や散乱の影響を受けるが、被検物体内部の泡や
脈理などを観察面において被検面１０の像に重ねて観察
できるという利点がある。

【００２９】さらに、第１および第２の実施の形態にお
いては光学系４を固定しているが、被検物体（被検レン
ズ１）や観察面２０を光軸に沿って移動可能にしてもよ
い。この場合、被検物体の形状の許容範囲が広がるとと
もに、観察面２０に形成される像の大きさの調整ができ
るようなる。

【００３０】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、非被検面
において反射した第２反射光による点光源の共役面を観
察面に合致させているので、非被検面からの第２反射光
は観察面の一点のみに入射する。その結果、観察面のそ
の他の領域には非被検面からの第２反射光は全く入射し
ない。これにより、非被検面からの第２反射光の影響を
実質的に受けずに被検面からの第１反射光により観察面
に形成された被検面の像を観察することができる。

【００３１】請求項２記載の発明によれば、非被検面拡
大率Ｒと被検面拡大率Ｍとの関係を｜Ｒ｜＞｜Ｍ｜とし
ているので、非被検面からの第２反射光は被検面からの
第１反射光に比べ発散した状態で観察面に入射する。そ
の結果、観察面に形成される非被検面の像は被検面の像
に比べ暗くなる。これにより、非被検面からの第２の反
射光の影響を実質的に受けずに観察面に形成された被検
面の像を観察することができる。

【００３２】請求項３記載の発明によれば、非被検面拡
大率Ｒと被検面拡大率Ｍとの関係を｜Ｒ／Ｍ｜≧２．５
としているので、請求項２記載の発明と同様の理由から
非被検面からの反射光の影響を実質的に受けずに観察面
に形成された被検面の像を観察することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明にかかる表面観察光学系の第１の実施
の形態を示す図である。

【図２】この発明にかかる表面観察光学系の第１の実施
の形態を示す図である。

【図３】この発明にかかる表面観察光学系の第１の実施
の形態において観察面に形成される像を示す図である。

【図４】この発明にかかる表面観察光学系の第２の実施
の形態を示す図である。

【図５】この発明にかかる表面観察光学系の第２の実施
の形態を示す図である。

【図６】この発明にかかる表面観察光学系の第２の実施
の形態において観察面に形成される像を示す図である。

【符号の説明】

１ 被検レンズ（被検物体） ４ 光学系 ５ 点光源部 １０ 被検面 １１ 非被検面 ２０ 観察面 ３１ 照明光 ３２ａ 第１反射光 ３２ｂ 第２反射光 ４１ ハーフミラー ５０ 光源 ５２ ピンホール板 ＯＡ 光軸

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 透明体からなり、その相互に対向する両
   面がそれぞれ被検面および非被検面となっている被検物
   体に点光源からの照明光を照射し、前記被検物体におい
   て反射した反射光を前記被検面と非共役な観察面上で受
   けて前記被検面の像を前記観察面に形成する表面観察光
   学系において、 同一の光軸に沿って、前記点光源からの照明光を前記被
   検物体に導くとともに、前記被検面において反射した第
   １反射光と、前記非被検面において反射した第２反射光
   とを前記観察面に導く光学系を備え、 前記第１反射光による前記点光源の共役面を前記観察面
   から離れた位置に形成する一方、前記第２反射光による
   前記点光源の共役面を前記観察面に合致させることを特
   徴とする表面観察光学系。
2. 【請求項２】 透明体からなり、その相互に対向する両
   面がそれぞれ被検面および非被検面となっている被検物
   体に点光源からの照明光を照射し、前記被検物体におい
   て反射した反射光を前記被検面と非共役な観察面上で受
   けて前記被検面の像を前記観察面に形成する表面観察光
   学系において、 同一の光軸に沿って、前記点光源からの照明光を前記被
   検物体に導くとともに、前記被検面において反射した第
   １反射光と、前記非被検面において反射した第２反射光
   とを前記観察面に導く光学系を備え、 前記第１および第２反射光による前記点光源の共役面を
   それぞれ前記観察面から離れた位置に形成し、しかも、 前記第１反射光により前記観察面に形成される前記被検
   面の像と当該像に対応する前記被検面の部位との大きさ
   の比をＭとし、前記第２反射光により前記観察面に形成
   される前記非被検面の像と当該像に対応する前記非被検
   面の部位との大きさの比をＲとしたとき、次の不等式、 ｜Ｒ｜＞｜Ｍ｜ が満足されていることを特徴とする表面観察光学系。
3. 【請求項３】 請求項２において、次の不等式、 ｜Ｒ／Ｍ｜≧２．５ が満足されていることを特徴とする表面観察光学系。