JP2006242867A - 共焦点光学系を有した測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
従来の測定装置では、被検部位の高さ測定を行う場合、各Ｚ軸上の所定ステップ間隔ごとの走査画像を全て取り込こむことなる。これは、高さ測定を高精度に行えば行うほど、Ｚ軸方向の走査画像の取り込み間隔が狭まり、走査画像のデータが膨大な量となってしまう。その結果、測定装置に搭載する画像データ用のメモリも大規模となり、高さ測定や形状測定などの演算処理もそれに応じて遅くなってしまうという課題がある。
【解決手段】
本発明の測定装置は、共焦点光学系と、前記共焦点光学系の焦点面を被検物に対してその高さ方向に相対移動させながら異なる高さ位置ごとに、共焦点位置にある前記被検物の被検部位の画像データを取得する画像取得手段と、前記画像データを記憶する画像記憶手段とを備えたことを特徴とする。

【選択図】 図５

Description

本発明は、共焦点光学系を用いて被検部位を高精度に測定する測定装置に関する。

従来、微小な被検物の形状を高精度で測定できる装置として、共焦点光学系を用いた形状測定装置が知られている。共焦点光学系は、対物レンズの後ろ側焦点位置にピンホールを置くことにより、焦点面（ピントが合った面）以外から出る光を除去してコントラストの高い画像が得られるようにしたものであり、この共焦点光学系の焦点面を被検物に対してその高さ方向に一定量ずつ相対移動させて被検物の走査画像（画像データ）を取得すれば、被検物表面のうち焦点面と一致した部分だけが明るくなる画像が各高さごとに得られるので、これを３次元画像処理することにより、精度の高い形状測定結果が得られる。

また、このような共焦点光学系を用いた形状測定装置は、被検物表面上の任意の部位についての高さを求める高さ測定装置としても使用することができ、これにより得られた測定結果は大変精度の高いものとなる。この形状測定装置を用いた被検部位の高さ測定は、被検部位を含む高さ方向の走査画像を取得・保存した後、その走査画像を順に読み出して光量ピークを検出し、その光量ピークに対応する焦点面の位置（被検物が載置されるステージに対する位置）から被検部位の高さを求めるという手順による。
特開２００２−１３９１７号公報

しかしながら、上記被検部位の高さ測定を行う場合、各Ｚ軸上の所定間隔ごとの走査画像データを全て取り込むことなる。これは、高さ測定を高精度に行えば行うほど、Ｚ軸方向の走査画像取り込み間隔が狭まり、走査画像のデータが膨大な量となってしまう。その結果、測定装置に搭載する画像データ用のメモリも大規模となり、高さ測定や形状測定などの演算処理もそれに応じて遅くなってしまうという課題がある。

本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであり、被検物の画像データの記憶容量を抑え、形状測定などのデータ処理を高速化できる共焦点光学系を有した測定装置を提供することを目的としている。

このような目的を達成するため、本発明の測定装置は、共焦点光学系を備え、共焦点光学系の焦点面を被検物に対してその高さ方向に相対移動させながら異なる高さ位置ごとに、順次、前記被検物の画像データを取得し、画像データ同士を被検物の部位毎に比較して所望の画像データを抽出し、記憶することを特徴としており、その記憶した画像データに基づき被検物の形状などの測定が可能である。

本発明に係る測定装置によれば、被検物の焦点面位置ごとの全ての画像データを記憶することなく、必要最低限の被検物の画像データだけを記憶するようにしたので、記憶容量を抑え、形状測定などのデータ処理を高速化できる。

（測定装置１の全体構成）
以下、図1及び図２を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。図１は本発明の実施形態に係る高さ測定装置１の共焦点光学系の構成図を示している。図２は測定装置１の制御系のブロック図を示している。

この高さ測定装置１は、図１に示すように、被検物４０が載置される被検物保持手段としてのステージ３０と、このステージ３０の上方に設置された共焦点光学系１０とを有して構成されており、共焦点光学系１０は、光源１１、コレクタレンズ１２、ハーフミラー１３、ピンホールディスク（ニポーディスク）１４、直角ミラー１５、コーナーキューブ１６、対物レンズ１７、結像レンズ１８及び撮像素子１９を備えている。対物レンズ１７の光軸Ａ１は被検物４０の高さ方向（上下方向すなわち図１のｚ軸方向）に延びており、直角ミラー１５、ハーフミラー１３、結像レンズ１８及び撮像素子１９はこの光軸Ａ１上に、またピンホールディスク１４は光軸Ａ１中に介装されている。被検物４０は、例えばこの実施形態では半導体のＩＣパッケージである。光源１１は、この光源１１から射出される光の光軸Ａ２がハーフミラー１３により反射されたときに光軸Ａ１と一致する位置に配置されており、コーナーキューブ１６は直角プリズム１５の側方に配置されている。

対物レンズ１７は両テレセントリックな光学系に設計されている。コーナーキューブ１６はコーナーキューブ駆動部２６により左右方向（図１のｘ軸方向）に移動させることができ、これによりピンホールディスク１４から対物レンズ１７までの光路長を任意に変化させることができるようになっている。ピンホールディスク１４は所定の間隔で螺旋状に並べられた多数のピンホール１４ａを有しており、光軸Ａ１に対して平行に延びた（すなわちｚ軸方向に延びる）回転軸を有するピンホールディスク駆動部２４により上下軸（ｚ軸）まわりに回転させることができるようになっている。

撮像素子１９は多数の画素を有したＣＣＤカメラからなる。この撮像素子１９により得られた画像データは、図１及び図２に示すように演算制御装置３１に入力される。また、コーナーキューブ１６のｘ軸方向位置は位置センサ１６ａにより検出され、その検出情報は演算制御装置３１（マイクロプロセッサー）に入力される。また、演算制御装置３１にはピンホールディスク駆動部２４、コーナーキューブ駆動部２６、記憶装置３２（半導体メモリやリムーブァブルメモリなど）、表示装置（液晶ディスプレイ）３３、キーボード３４及びポインティングデバイス（例えばマウス）３５が接続されており、ピンホールディスク駆動部２４及びコーナーキューブ駆動部２６に制御信号を出力してこれらを作動させるほか、撮像素子１９より送られてきた画像データを記憶装置３２に記憶させ（保存し）、表示装置３３に表示することができるようになっている。

このような構成の共焦点光学系１０において、ハロゲンランプ等の光源１１から出射された光はコレクタレンズ１２を通過し、ハーフミラー１３において下方に反射された後、ピンホールディスク１４に照射される。その照射範囲に含まれる多数のピンホール１４ａのいずれかを通過した光束は、それぞれ直角ミラー１５の上側の反射面により反射されてコーナーキューブ１６に入射する。そして、コーナーキューブ１６により反射されて直角ミラー１５に戻された後、直角ミラー１５の下側の反射面により下方に反射されて対物レンズ１７に上方から入射する。対物レンズ１７はこれら各ピンホール１４ａを通過してきた光束をそれぞれ集光して被検物４０上に照射する。図１では、多数のピンホール１４ａそれぞれを通過した光束のうち、光軸Ａ１上に位置するピンホール１４ａを通過した光束の光路のみを示しているが、その他のピンホール１４ａを通過した光束も同様に直角ミラー１５及びコーナーキューブ１６により反射された後、対物レンズ１７により集光されて被検物４０上に照射される。なお、これらピンホール１４ａを通って対物レンズ１７により集光された各光束は、各々、光軸Ａ１上と直交する同一の面上に焦点Ｆを有する。以下、この焦点Ｆの集合としての面を焦点面ＦＳと称する）。

各ピンホール１４ａを下方に通過して被検物４０に上方から入射した光は、それぞれ被検物４０において反射した後、対物レンズ１７を下方から通過し、直角ミラー１５の下側の反射面で反射される。そして、コーナーキューブ１６で反射して直角ミラー１５に戻された後、更に直角ミラー１５の上側の反射面で上方に反射され、ピンホールディスク１４に下方から入射する。ここで、被検物４０の表面において反射した光束のうち、その焦点Ｆが被検物４０の表面と一致したもの（被検物４０の表面と焦点面ＦＳとの交線上において反射したもの、すなわち共焦点光学系により形成された被検物４０の、共焦点位置にある被検部位の光像（共焦点像））は入射時と同一の光路を逆方向に戻り、被検物４０への入射時に通過したものと同一のピンホール１４ａに共役焦点を形成するので、その光束は光量の減少がほとんどないままピンホール１４ａを上方に通過する。一方、被検物４０の表面において反射した光束ではあっても、その焦点Ｆが被検物４０の表面と一致していなかったもの（非共焦点像）は入射時と同一の光路を戻らないので、被検物４０への入射時に通過したものと同一のピンホール１４ａに共役焦点を形成せず、その光量のほとんどはピンホールディスク１４に遮られて失われてしまう。よって、被検物４０へ入射した各光束のうち、その焦点Ｆが被検物４０の表面と一致した（共焦点光学系１０の焦点面ＦＳと被検物４０の表面との交線上において反射した）もののみが結像レンズ１８に進んで集光され、撮像素子１９の撮像面上に結像する。

ピンホールディスク１４に形成された多数のピンホール１４ａは前述のようにピンホールディスク１４上を螺旋状に並んでいるので、演算制御装置３１によりピンホールディスク駆動部２４を作動させてピンホールディスク１４を回転させた場合、被検物４０の表面はその全体が光軸Ａ１を中心とする半径方向に繰り返し走査されることになる。また、演算制御装置３１によりコーナーキューブ駆動部２６を作動させてコーナーキューブ１６をｘ軸方向に移動させると、ピンホール１４ａから対物レンズ１７までの光路長が連続的に変化するため、焦点面ＦＳもこれに応じて被検物４０の高さ方向（ｚ軸方向）に移動する。

よって、本高さ測定装置１において、ピンホールディスク１４を回転させた状態で、コーナーキューブ１６をｘ軸方向に所定のステップ毎に（間隔毎に）移動させながらその都度撮像を行えば、共焦点光学系１０の焦点面ＦＳにより被検物４０を切断したときに得られる被検物４０の断面形状の画像（断面の輪郭部のみが明るくなった画像、すなわち被検物４０の共焦点像）が、その撮像が行われた焦点面ＦＳの高さ方向（ｚ軸方向）位置の情報と関連付けられた状態で得られる。なお、焦点面ＦＳの高さ位置（高さ方向位置）はコーナーキューブ１６のｘ軸方向位置と一対一で対応するので、演算制御装置３１は、位置センサ１６ａから出力されるコーナーキューブ１６のｘ軸方向位置の情報に基づいて焦点面ＦＳの高さ位置を把握することができる。ここで、焦点面ＦＳの高さ位置とは、焦点面ＦＳのステージ３０に対する高さ方向（被検物４０の高さ方向）の位置のことであり、焦点面ＦＳがステージ３０の上面３０ａに一致するときの焦点面ＦＳの高さ位置を零と設定すれば、焦点面ＦＳが被検物４０中の被検部位（高さを測定しようとしている被検物中の一部位）に一致した状態では、そのとき検出される焦点面ＦＳの高さ位置の値は、そのまま被検部位の高さ（ステージ３０の上面３０ａからの高さ）の値となる。以下、このようにステージ３０の上面３０ａを基準とした焦点面ＦＳの高さ位置（距離）を、焦点面位置ｚと称する。

なお、上記説明では、被検物４０と共焦点光学系１０との相対移動をコーナーキューブ１６をｘ軸方向の移動により実現しているが、これに限らず、ステージ３０をＺ軸方向に移動してもよいし、コーナーキューブ１６とステージ３０とを相対的に移動してもよい。

（形状、高さ測定を行う被検物４０の構造の説明）
本実施形態に係る被検物４０（ここではＩＣチップ）の構造を説明する。図３は、被検物４０であるＩＣパッケージの断面図を示す。図４は、ＩＣパッケージのワイヤ１４４の一部箇所の高さ測定の例を示し、縦軸にＺ軸方向の変位を、横軸に受光光量Ｉの変化を示す。

図３、図４に示すように、ＩＣチップである被検物４０は、非透明材料からなる基板１４１と、この基板１４１の上面１４１ａに載置された半導体チップ１４２と、半導体チップ１４２を覆うように形成された非透明材料からなる保護樹脂１４３とから構成されている。基板１４１と半導体チップ１４２とを導通するための複数のワイヤ１４４が、基板の複数の電極１４１ｂと半導体チップ１４２の複数の電極１４２ａとに接続されている。この複数のワイヤ１４４は、保護樹脂１４３により保護されている。

ここでは、本測定装置が、ＩＣチップの不良を判定するために使われる例を説明する。例えば、正常なＩＣチップであれば、保護樹脂１４３により全てのワイヤ１４４が保護樹脂１４３で覆われることになるが、ワイヤボンデリング装置に不具合があると、保護樹脂１４３からワイヤ１４４が飛び出てしまうことがある。このようなワイヤ１４４が存在するか否かを判定するために、本測定装置による高速測定が必要となってくる。そのために、半導体チップ１４２と基板１４１とに接続されたワイヤ１４１個々の最大高さ箇所を測定し、その各最大高さが保護樹脂１４３の高さ以内にあるか否かを判定すればよい。

ＩＣチップである被検物４０は、複数のワイヤ１４４が存在し、各ワイヤ１４４の最大高さ箇所の高さを測定する例を示す。説明の都合上、図４は、ワイヤ１４４の一部の高さ測定の例を示し、縦軸に焦点面のＺ軸方向の変位を、横軸にワイヤ１４４の長手方向の位置と受光光量Ｉの変化を示している。

なお、走査画像の取得工程における焦点面ＦＳの走査方向（移動方向）は、ｚ軸に対する正方向（下から上へ向く方向）とする。また、高さ方向走査領域の始点は基板１４１の上面１４１ａより低い任意の位置（焦点面位置ｚ＝ｚs）とし、終点は保護樹脂１４３の上面１４３ａよりも高い任意の位置（焦点面位置ｚ＝ｚe）とする。

撮像素子１９を構成する一つの画素が受光する光の光量は高さ方向（ｚ軸方向）の走査の過程において変化し、その画素が撮像領域とする被検物４０上の部位に焦点面ＦＳが近づく過程では受光光量（輝度レベル）は増大していき、両者が一致したときに極大（光量ピーク）となる。そして、上記被検物４０上の部位から焦点面ＦＳが遠ざかる過程では、受光光量は減少していく。図４はこのような焦点面位置（走査方向）ｚと上記画素における受光光量Ｉとの関係を示している。このことから、被検物４０中のワイヤ１４４の被検部位について高さ測定を行う場合には、例えば、その被検部位を撮像領域に含む３画素（Ａ、Ｂ、Ｃ）に注目して説明すると、所定の高さ方向の分解能（ｚ１〜ｚ１５）で高さ方向領域についての走査画像（被検物４０の断面輪郭形状に相当する各高さごとの画像データの集まり）を読み出して光量ピーク（I12、Ｉ22、Ｉ32）を検出し、その光量ピークに対応する焦点面位置（ｚ４、ｚ８、ｚ１２）を求めれば、その焦点面位置ｚ（＝ｚi）がそのまま被検部位の高さとなる。

更に高精度に高さ測定をするためには、以下に述べるように内挿演算処理を用いれば良い。本高さ測定装置１において、共焦点光学系１０の焦点面ＦＳを被検物４０に対してその高さ方向（ｚ軸方向）に所定の分解能で（所定ステップｚi、i＝１〜１５）相対移動させながら（焦点面位置ｚを高さ方向に変化させながら）異なる高さ位置ごとに撮像素子１９による撮像を行っている。そのため、撮像素子１９が被検物４０の走査画像（画像データ）を取得した場合、焦点面ＦＳの高さ位置（焦点面位置ｚi）の変化に対する受光光量の変化のデータは離散的なものとしてしか得られないので、光量ピークに対応する分解能以下の焦点面位置ｚを直接検出することはできない。従って、光量ピークの焦点面位置（Ｚｐｉ、ｉ＝１〜３）を求めるために、良く知られた内挿演算処理により光量ピークの前後の焦点面位置（例えば、画素Ａの場合にはｚ３、ｚ４、ｚ５）を使い、所定分解能以下の焦点面位置を求めている。

（被検物の形状測定処理の説明）
以下、本実施形態に係る高さ測定装置によりＩＣパッケージである被検物４０の形状測定を行う具体的な手順について図５及び図６を用いて説明する。 図５は、測定装置の形状測定処理（画像処理）の概念図を示す。図６は、測定装置の形状測定処理（画像処理）のフローチャート図を示す。

形状測定処理の特徴的な構成は、図５に示すように演算制御装置３１のピーク検出部３１ａ、三次元（３Ｄ）画像構築部３１ｂ、積算処理部３１ｃ、エラー処理部３１ｄであり、これら処理を受けた走査画像データの取得、記憶にある。ここで言う走査画像データは、撮像装置１９（二次元ＣＣＤ素子）の画素単位の画像データを指している。すなわち、撮像装置１９は、被検物４０の３次元画像を取得するため、共焦点光学系の焦点面をｚ軸方向に所定分解能（所定間隔）ごとに移動させながら、走査画像データを記憶装置３２に出力するが、記憶装置３２は撮像装置１９から送られてきた走査画像データの全てを記憶するわけではない。撮像装置１９と記憶装置３２との間に介在する演算制御装置３１のピーク検出部３１ａにより不要な走査画像データ（画素単位の画像データ）が取り除かれ、記憶装置３２には被検物４０の輪郭像に相当する画像データ（輝度レベルのピーク値を持つ画像データに対応するｘｙｚ座標情報及び輝度レベル情報）、その他に欠陥画素の情報のみが記憶される。その原理は、撮像装置１９の画像データの中から、共焦点光学系により形成された被検物４０の、共焦点位置にある被検部位の光像（共焦点像）のみが抽出されことにある。そして、その共焦点像に対応する画像データのみがｘｙｚ座標情報と共に関連付けされた画像データとして記憶装置３２（３２ａ〜３２ｄ）に記憶される。

撮像装置１９は、共焦点光学系１０の焦点面を被検物４０に対してその高さ方向に相対移動させながら異なる高さ位置（ｚ軸方向の所定分解能）ごとに、順次、被検物４０の画像データを撮像装置１９の画素毎に取得し、異なる高さ位置に取得した画像データを順次、ピーク検出部３１ａへ出力する。

ピーク検出部３１ａは、高さ位置毎に取得された画素単位の画像データの輝度レベル同士を比較し、最終的には各画素における輝度レベルのピーク値を示す画像データを抽出する（チャンピオンデータの抽出）。その際に、高さ位置毎の分解能より高精度に高さ位置を求める場合には内挿処理演算のために、ピーク値を示す画像データとその前後の画像データを抽出する。これら単位画素毎の画像データは、輝度レベル情報（Ｉk-1、Iｋ、Ik+1）と、ｘｙｚ座標情報（Zk-1、Zｋ、Zk+1）とから構成され、画像データ記憶部３２ｄに記憶される。ｘｙｚ座標情報は、三次元（３Ｄ）画像構築部３１ｂに送られ、輝度レベル情報は、積算処理部３１ｃに送られる。

三次元（３Ｄ）画像構築部３１ｂは、各画素にピーク値を示す画像データのｘｙｚ座標情報（Zk-1、Zｋ、Zk+1）に基づき、被検物の各部位の高さを求める。この被検物の各部位の高さデータは、３Ｄ画像記憶部３２ｂに出力され、格納される。この３Ｄ画像は、被検物４０の高さデータに基づき、例えば擬似カラー情報で表されて表示装置３３に表示される。これにより、表示装置３３のモニターを見ると被検物４０の各被検部位毎の高さが色により識別できる。

積算処理部３１ｃは、異なる高さ毎の画像データの輝度レベル情報（Ｉk-1、Iｋ、Ik+1）に基づき、それらを積算することで積算画像（合成画像）を生成するものである。この積算画像データは、被検物４０の例えば、ピーク値を示す画像データの輝度レベル情報とその前後の画像データの輝度レベル情報とを積算処理したものである（被見物４０から反射光に基づく画像データである）。この積算画像データは、積算画像記憶部３２ｃに出力され、格納される。

エラー処理部３１ｄは、撮像装置１９で取得された各画素毎の画像データから欠陥画素を特定するものである。各画素毎に取得された画像データの輝度レベル情報を監視することで、例えばその輝度レベルと、予め決められた上限或いは下限輝度レベルとを比較し、その上限或いは下限輝度レベルの適正輝度範囲から逸脱する画素を欠陥画素として特定することができる。この結果、撮像装置１９の撮像面の欠陥画素に対応するアドレス情報をエラー画像記憶部３２ｄに出力し、格納する。

これら記憶装置３２に格納されたデータは、イーサネット（登録商標）などの転送経路を通じて外部装置例えばＰＣなどに転送できる。

次に、本測定装置の演算制御装置３１の処理手順を図６に基づき説明する。

図６において、記憶装置３２に格納されている実行プログラムの内容を示すフローチャートであり、演算制御装置３１は、この実行プログラムを図示しない実行プログラム記憶装置から図示しない内部メモリに取り込んで実行する。

ＩＣチップの被検物４０の形状測定を行う際に、保護樹脂１４３を充填する前の被検物４０のワイヤ１４４を測定することになる。例えば、ＩＣチップに形成された多数のワイヤ１４４のそれぞれの最大高さを測定することで、保護樹脂１４３を充填した際に各ワイヤ１４４が外に飛び出す不良がないか否かを事前に検査できる。そこで、以下にワイヤ１４４の形状測定につき具体的に説明する。

ステップ１及び２： 演算制御装置３１は先ず、図６に示すように、コーナーキューブ駆動部２６を作動させて、共焦点光学系１０の焦点Ｆを高さ方向走査領域の始点（図４のｚ１）に一致させた後（ステップＳ１）、ピンホールディスク駆動部２４を作動させて、ピンホールディスク１４の回転を開始する（ステップＳ２）。これにより撮像素子１９には、現在の焦点面位置ｚｉ＝ｚ１（高さ方向走査領域の始点）に応じた画像（基板１４１の表面１４１ａの画像）が表示装置３３に映し出される。

ステップ３： 演算制御装置３１は、撮像素子１９から焦点面位置ｚｉにおける走査画像データ（輝度レベル情報及びｘｙｚ座標情報）を取得し、画像データファイルに一時記憶する。この画像データファイルには、所定枚数分の画像データが格納され、各画像データとして画素単位毎に、輝度データ情報とｘｙｚ座標情報が記憶されている。

この画像データは順次、ピーク検出処理部３１ａ（ステップ４）とエラー処理部３１ｄに送られる。
エラー処理部３１ｄでは既に説明したように順次送られてきた画像データから欠陥画素を特定する。特定された欠陥画素は、そのアドレスデータがエラー画像記憶部３２ｄに記憶される。

ステップ４： ピーク検出処理を実行する。演算制御装置３１は、画像データファイルを開いて画像データを順次、読み出す。その読み出した画像データから、被検物４０の被検部位に相当する画像内領域についての輝度レベル情報を検出し、今回読み出した画像データにおける輝度レベル情報と前回読み出した画像データにおける輝度レベル情報とを比較する。そして、今回読み出した画像データの輝度レベル情報の方が前回読み出した画像データの輝度レベル情報よりも大きくなっている状態から、今回読み出した画像データの輝度レベル情報の方が前回読み出した画像データの輝度レベル情報よりも小さくなる状態に切り換わったとき、その間にその画像内領域についての光量ピークが存在しているものと判断する（光量ピークの検出）。例えば、Ｎを或る整数とした場合、Ｎ番目の画像データの輝度レベル情報ＩN（焦点面位置はｚNとする）とＮ−１番目の画像データの輝度レベル情報ＩN-1（焦点面位置はｚN-1とする）との関係ではＩN＞ＩN-1であったものが、Ｎ＋１番目の画像データの輝度レベル情報ＩN+1（焦点面位置はｚN+1とする）とＮ番目の画像データの輝度レベル情報ＩNとの関係ではＩN+1＜ＩNとなった場合には、輝度レベル情報ＩN+1と輝度レベル情報ＩN-1との間に上記画像内領域についての光量ピークが存在していることが分かる。

例えば、図４においてワイヤ１４４の被検部位Ａ点の部分では、輝度レベル分布ＩＡに基づきピーク値Ｉ12が検出される。ワイヤ１４４の被検部位Ｂ点及びＣ点も同様に、輝度レベル分布ＩB、ＩCに基づきピーク値Ｉ32、Ｉ22が検出される。このピーク検出を行うために、内挿処理を行う場合には、ピーク値を示す画像データの前後の画像データの輝度レベル情報（Ａ点に対応する画素ＡではＩ11、Ｉ13が検出され、Ｂ点に対応する画素ＢではＩ11、Ｉ13が検出され、Ｃ点に対応する画素ＣではＩ21、Ｉ23が検出される）も検出する。

ステップ５： ３Ｄ画像構築処理を実行する。ステップ４でピーク検出された光量ピークを持つ画像データ（図４の輝度レベルＩ12、Ｉ22、Ｉ32）に関連するｘｙｚ座標データを取得する。図４では、ワイヤ１４４のＡ点では、輝度レベル情報（Ｉ11〜Ｉ13）に関連するｘｙｚ座標情報（ｚ３〜ｚ５）を取得する。また、Ｂ点では、輝度レベル情報（Ｉ31〜Ｉ33）に関連するｘｙｚ座標情報（ｚ11〜ｚ13）を取得する。また、Ｃ点では、輝度レベル情報（Ｉ21〜Ｉ23）に関連するｘｙｚ座標情報（ｚ7〜ｚ9）を取得する。このｘｙｚ座標情報に基づき、ワイヤ１４４の高さ情報（ｚ情報）からワイヤ１４４の形状を３次元的に構築する。例えば、高さ情報を擬似カラー化することで、色によりワイヤ１４４の３次元画像を構築する。あるいは、高さ情報を明るさ表示することで、明暗によりワイヤ１４４の３次元画像を構築する。

そして、このワイヤ１４４の光量ピークを持つ画像データのｘｙｚ座標情報のみを記憶装置３２の３Ｄ画像記憶部３２ｂに記憶する。
すなわち、図４に示すワイヤ１４４のＡ点の部位に相当する撮像装置１９の画素に着目して説明すると、Ａ点の画像データとしてはＺ１〜Ｚ１５の１５枚の画像データが存在することになる。しかし、本実施形態の装置ではＡ点の部位に相当する撮像装置１９の画素の１５枚の画像データ全てを記憶装置３２に記憶することはなく、Ｚ３〜Ｚ５の３枚の画像データのみを記憶することなる。このように、本実施形態では、画像データの記憶容量を抑制でき、ワイヤ１４４の形状測定処理を高速に実行可能である。撮像装置１９の各画素に関連して、上記と同様な処理を行こなっていることで、画像データの記憶容量を大幅に削減することが可能となっている。

ステップ６： 積算画像処理を実行する。ステップ４でピーク検出された光量ピークを持つ画像データから、輝度レベル情報のみを取得する。図４では、ワイヤ１４４のＡ点では、輝度レベル情報（Ｉ11〜Ｉ13）を取得する。また、Ｂ点では、輝度レベル情報（Ｉ31〜Ｉ33）を取得する。また、Ｃ点では、輝度レベル情報（Ｉ21〜Ｉ23）を取得する。そして、このワイヤ１４４のＡ点の積算画像は、輝度レベル情報（Ｉ11〜Ｉ13）を積算することで作成される。同様に、Ｂ点及びＣ点においても３つの輝度レベル情報を積算することで作成される。この結果、ワイヤ１４４は、明るさの情報によって形状が形作られる。

そして、ワイヤ１４４の光量ピークを持つ画像データの輝度レベル情報のみが記憶装置３２の積算画像記憶部３２ｃに記憶される。その他の画像データを記憶することはない。
すなわち、図４に示すワイヤ１４４のＡ点の部位に相当する撮像装置１９の画素に着目して説明すると、Ａ点の画像データとしてはＺ１〜Ｚ１５の１５枚の画像データが存在することになる。しかし、本実施形態の装置ではＡ点の部位に相当する撮像装置１９の画素の１５枚の画像データ全てを記憶装置３２に記憶することはなく、Ｚ３〜Ｚ５の３枚の画像データのみを記憶することなる。このように、本実施形態では、画像データの記憶容量を抑制でき、ワイヤ１４４の形状測定処理を高速に実行可能である。撮像装置１９の各画素に関連して、上記と同様な処理を行こなっていることで、画像データの記憶容量を大幅に削減することが可能となっている。

ステップ７： 共焦点光学系の焦点面位置をＺ軸方向に一定量移動ｚｉ(ｉ=1〜15)する。この一定量移動毎に、上述したステップ４のように光量ピークを持つ画像データをサーチしている。

ステップ８： 共焦点光学系の焦点面位置をＺ軸方向に走査（ｚ１５となるまで）が終了するまでステップ３〜ステップ７を繰り返す。これにより、被検物４０の画像データを効率よく取得でき、記憶装置３２の記憶容量も抑制でき、被検物４０の形状測定を高速化できる。

ステップ９： 被検物４０の画像表示ルーチンでは、表示装置３３のモニター画面上に被検物４０の３Ｄ画像や積算画像を表示できる。その際に、ユーザーはキーボード３４により、欠陥画素データの読み出しの有無を選択できる。ユーザーは、欠陥画素のアドレスデータから、エラー情報を読み出して、欠陥画素から得られた画像データが信頼性の低いことを表示することができる。例えば、欠陥画素に相当する画像データに特定の色を付すことで、モニター表示上、正常な画素と識別ができる。このように、欠陥画素が特定できれば、高さ算出した結果の信頼性も同時に情報として得ることができる。

また、高さ算出のサブルーチンでは、先ず記憶装置３２の３Ｄ画像記憶部３２ｂに記憶されたｘｙｚ座標データを読み出し、そのｚ軸情報すなわち高さ情報から被検物４０の所望部位の高さを算出する。具体的には、オペレータが所望する被検物４０の高さ測定箇所を表示装置３３上でポインティングすることで、被検物４０の底部からの高さ測定が行われる。

次に、オペレータが層厚さ算出（段差算出）を行う選択していたら、高さ測定と同様に、被検物の検出部位の厚さをＸＹＺ座標データから算出する。

本発明の実施形態に係る形状測定装置の共焦点光学系を示す図である。 上記第１実施形態に係る形状測定装置のブロック図である。 被検物の一例であるＩＣパッケージを示す側面図である。 ＩＣパッケージのワイヤ１４４の一部箇所の高さ測定の例を示し、縦軸にＺ軸方向の変位を、横軸に受光光量Ｉの変化を示す。 測定装置の形状測定処理（画像処理）の概念図を示す。 測定装置の形状測定処理（画像処理）のフローチャート図を示す。

符号の説明

１ 高さ測定装置
１０ 共焦点光学系
１１ 光源
１７ 対物レンズ
１９ 撮像素子
２６ コーナーキューブ駆動部
３０ ステージ
３１ 演算制御装置
３２ 記憶装置
３４ キーボード
４０ 被検物
Ａ１ 共焦点光学系の光軸
ＦＳ 共焦点光学系の焦点面

Claims (9)

1. 共焦点光学系と、
   前記共焦点光学系の焦点面を被検物に対してその高さ方向に相対移動させながら異なる高さ位置ごとに、順次、前記被検物の画像データを取得する画像取得手段と、
   前記相対移動により取得した前記画像データ同士を前記被検物の部位毎に比較して所望の前記画像データを抽出する画像データ比較手段と、
   前記画像データ比較手段により得られた前記画像データを記憶する画像データ記憶手段と
   を備えたことを特徴とする共焦点光学系を有した測定装置。
   
2. 請求項１の共焦点光学系を有した測定装置において、
   前記画像取得手段により初期に取得された画像データを一次記憶し、前記画像データ比較手段により抽出された前記画像データを前記一次記憶された画像データと置き代えて記憶する前記画像データ記憶手段と、
   前記画像データ記憶手段に記憶された前記画像データから前記被検物の形状を生成する画像生成手段と
   を備えたことを特徴とする共焦点光学系を有した測定装置。
   
3. 請求項１の共焦点光学系を有した測定装置において、
   前記画像データ記憶手段は、前記記憶した画像データの取得時の焦点面位置情報を記憶することを特徴とする共焦点光学系を有した測定装置。
   
4. 請求項１の共焦点光学系を有した測定装置において、
   前記画像データ比較手段は、前記被検物の部位における前記画像データの輝度レベルがピーク値を示したものを抽出し、前記画像データ記憶手段は、前記ピーク値を示す前記画像データを記憶することを特徴とする共焦点光学系を有した測定装置。
5. 請求項４の共焦点光学系を有した測定装置において、
   前記ピーク値を示す前記画像データと、その前後の画像データとを記憶する前記画像データ記憶手段と、
   前記画像データ記憶手段から前記ピーク値を示す前記画像データと、その前後の前記画像データとを読み出し、それら前記画像データを画像合成して前記被検物の形状を生成する画像生成手段と
   を備えたことを特徴とする共焦点光学系を有した測定装置。
   
6. 請求項４の共焦点光学系を有した測定装置において、
   前記ピーク値を示す前記画像データと、その前後の画像データとを記憶すると共に、前記記憶されたそれら画像データの焦点面位置を記憶する前記画像データ記憶手段と、
   前記画像データ記憶手段から前記画像データの焦点面位置を読み出し、前記焦点面位置に基づき内挿処理して前記被検部位の高さを算出する高さ算出手段と、
   を備えたことを特徴とする共焦点光学系を有した測定装置。
   
7. 請求項１乃至請求項６の共焦点光学系を有した測定装置において、
   前記画像取得手段は、複数の画素を有する二次元撮像素子であり、
   前記画像データ比較手段は、前記画素毎の画像データの比較が行われることを特徴とする共焦点光学系を有した測定装置。
   
8. 請求項２の共焦点光学系を有した測定装置において、
   前記画像取得手段により取得された画像データに基づき前記画像取得手段の画素の欠陥を検出する欠陥画素検出手段と、
   前記欠陥画素検出手段により検出された欠陥画素のアドレス情報を記憶する記憶手段と、
   を備えたことを特徴とする共焦点光学系を有した測定装置。
   
9. 請求項８の共焦点光学系を有した測定装置において、
   前記画像生成手段は、前記欠陥画素の画像データを使用して画像生成を実行するか否かを選択できる選択手段を備えたことを特徴とする共焦点光学系を有した測定装置
   

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