JP2011089897A - 形状測定装置及び形状データの位置合わせ方法 - Google Patents

Abstract

【課題】段差部分のデータ欠損の影響を抑えて、安定した精度の高い測定結果を得る。
【解決手段】ワーク４の基準軸方向の各位置における高さを検出してワーク４の断面形状を測定する測定手段１〜８と、測定手段１〜８で同一のワーク４の断面形状を繰り返し測定して得られた複数の断面形状の測定データを合成する演算手段１０とを備える。演算手段１０は、断面形状の測定データの合成に際して、合成する測定データ間の基準軸及び高さ方向のずれ量を算出し、算出したずれ量に基づいて、合成する断面形状の測定データを基準軸方向及び高さ方法に位置合わせする。
【選択図】図１

Description

本発明は、形状測定機、画像測定機、三次元測定機等で得られた形状データ（プロファイルデータ）の位置合わせ方法及びその方法を使用した形状測定装置に関する。

従来、光学系を用いて非接触で被測定物の三次元形状を測定する種々の形状測定装置が知られている。例えば、マイクロマシンやＬＳＩ等の微細な段差を有する被測定物の三次元計測が可能な形状測定装置としては、白色干渉計等が知られている。この白色干渉計は、白色光源から被測定物に照射され、被測定物から反射された白色光と、白色光源から参照面に照射され、参照面から反射された白色光とを干渉させると共に、参照面を光軸方向に移動させて最も干渉光強度の大きい参照面位置を検出し、この参照面位置に基づいて被測定物の光軸方向の高さを計測するものである（特許文献１）。

国際公開２００６−０６８２１７号

しかしながら、上述した従来の形状測定装置では、ＩＣパッケージの線幅測定のように、段差のある被測定物を測定すると、段差部分のデータは欠損が生じやすいという問題がある。このようにデータ欠損が生じると、安定した精度の高い測定結果が得られない。

本発明は、このような点に鑑みなされたもので、段差部分のデータ欠損の影響を抑えて、安定した精度の高い測定結果を得ることができる形状測定装置を提供することを目的とする。

本発明に係る形状測定装置は、被測定物の基準軸方向の各位置における高さを検出して前記被測定物の断面形状を測定する測定手段と、前記測定手段で同一の被測定物の形状を繰り返し測定して得られた複数の形状測定データを合成して合成形状測定データを算出する演算手段とを備え、前記演算手段は、前記形状測定データの合成に際して、前記形状測定データの前記合成形状測定データに対する前記基準軸及び高さ方向のずれ量を算出し、算出したずれ量に基づいて前記形状測定データを前記基準軸方向及び高さ方法に位置合わせすることを特徴とする。

また、本発明に係る形状データの位置合わせ方法は、被測定物の基準軸方向の各位置における高さのデータからなる形状測定データＩ_Ｌと合成形状測定データＩ_Ｒとの間で、基準軸方向のピクセルのずらし量（整数）をｄ、基準軸方向のサブピクセルのずらし量（実数）をΔｄ、高さ方向のずらし量をΔｚとして、

を基本とする２次元線形連立方程式を解いてΔｄ及びΔｚを求める演算を、所定の収束条件を満たすまで繰り返し実行することにより、基準軸方向及び高さ方向のずれ量を算出し、算出された基準軸方向及び高さ方向のずれ量分だけ前記形状測定データをずらして前記合成測定データと位置合わせすることを特徴とする。

本発明によれば、段差部分のデータ欠損の影響を抑えて、安定した精度の高い測定結果を得ることができる。

本発明の第１実施形態に係る形状測定装置の構成を示すブロック図である。 同装置における演算処理部の動作を示すフローチャートである。 同装置における断面形状測定方法を説明するための図である。 同断面形状測定方法を説明するための図である。 同装置における断面形状の測定データ合成時の位置併せ処理を説明するためのフローチャートである。 同位置合わせ処理の結果を示す図である。

次に、本発明の一実施形態に係る形状測定装置及び形状測定方法について詳細に説明する。

図１は、本実施形態に係る形状測定装置である白色干渉計の構成を示す図である。なお、ここでは、マイケルソン型の干渉計を示すが、ミラウ型等、他の等光路干渉計を用いることもできる。また、画像測定装置等、他の光学測定装置と併用したものでも良い。

光源１は、例えばハロゲンランプ、キセノンランプ、水銀ランプ、メタルハライドランプ、ＬＥＤ等の広帯域スペクトルを有する白色光源である。光源１から出射された白色光は、コリメータレンズ２でコリメートされ、ビームスプリッタ３で２方向に分割される。一方の分割光は、被測定対象であるワーク４の測定面に照射され、他方の分割光は、参照板５の参照面に照射される。測定面及び参照面からそれぞれ反射された白色光は、ビームスプリッタ３で合成され、その際の干渉光が結像レンズ７を介してＣＣＤカメラ８で撮像される。

参照板５は、ピエゾ素子のような駆動手段６によって光軸方向に移動走査され、各走査位置での干渉像がＣＣＤカメラ８によりサンプリングされ、画像メモリ９に記憶される。演算処理部１０は、ワーク４の測定面の各位置での干渉光の強度とエンコーダ１４から入力される参照板５の走査位置とに基づいて、ワーク４の測定面の形状測定データ（以下、「面データ」と呼ぶ。）を求め、この面データから断面データ（以下、「プロファイルデータ」と呼ぶ。）を抽出する。入力部１１は、演算処理部１０に計測に必要なデータを入力する。出力部１２は、演算処理部１０で求められた測定結果を出力する。また、表示部１３は、入力操作に必要な情報及び測定結果を表示する。

次に、この白色干渉計によるプロファイル測定方法について説明する。

図２は、演算処理部１０での測定処理を示すフローチャートである。演算処理部１０での処理は、ワーク４の測定面の評価対象領域の面データを計測する工程（Ｓ１）、計測された面データからプロファイルデータを抽出する工程（Ｓ２）、前回の測定までに得られたプロファイルデータに、今回の測定で得られたプロファイルデータを位置合わせする工程（Ｓ３）、及び前回の測定までに得られたプロファィルデータに、位置合わせした今回のプロファィルデータを合成する工程（Ｓ４）を、所定回数繰り返す処理である。以下、各工程について詳細に説明する。

（１）評価対象領域の面データ計測処理（Ｓ１）及びプロファイルデータの抽出処理（Ｓ２）
光源１からの白色光は、ワーク４の測定面と参照板５の参照面で反射され、ビームスプリッタ３で合成される。そのときの干渉強度は、参照板５をピエゾ素子６で光軸方向に移動走査することにより変化する。可干渉性の少ない白色光を使用することで、干渉縞の発生する範囲を狭くすることができる。これにより、例えば、図３に示すように、参照面の移動走査により発生する測定面の各位置での干渉光強度の変化は、測定面の高さ（Ｚ方向位置）に応じた位相で発生するので、測定面の各位置での干渉光強度の変化のピーク値が観測される参照面の走査位置を、測定面の対応する部位の高さとして求めることができる。

図４は、各位置での干渉光強度の変化から、そのピーク位置を求める処理の一例を説明するための図である。この処理では、参照面を移動走査して得られた干渉光強度列に対して、所定の幾何要素（例えば、直線又は曲線）Ａを当てはめる。或いは、求められた干渉光強度列に対して平滑化して幾何要素（例えば、直線又は曲線）Ａを得る。次に、得られた幾何要素Ａをそれぞれ強度軸のプラス方向とマイナス方向にシフトさせて、スレッショルドレベルＢ，Ｃを設定する。このスレッショルドレベルを超える干渉光強度をピーク位置候補点として求める。そして、ピーク位置候補点が最も密集している領域の重心をピーク位置Ｐとして求める。このような処理により、処理点数を削減して高速でピーク位置Ｐを求めることが出来る。上述のように求められたピーク位置Ｐがその測定点における高さ（Ｚ値）に相当する。測定面の各位置でのＺ値を求めることで、ワーク４の面データを求めることができる。この面データの任意方向のデータを抽出することで、ある断面におけるプロファイルデータを求めることができる（Ｓ２）。

（２）プロファイルデータの位置合わせ（Ｓ３）
ところで、ＩＣチップの線幅測定のような、段差のあるワーク４を白色干渉計で測定すると、段差部分のデータはデータの欠損が発生しやすい。そのため、線幅測定に十分なデータ点数を得られない、あるいは、繰り返し測定において安定した線幅値が得られないといった問題を起こす。

そこで、本実施形態においては、ある領域を評価対象領域とし、線幅測定に必要な断面データを複数取得し、合成することで、段差の欠損部分を減らし、繰り返し測定においても安定した線幅値が得られるようにすることとした（Ｓ４）。

しかし、ワーク４は水平に置かれているとは限らないので、複数断面の合成に先立ち、取り出した複数断面の位置あわせが不可欠となる。この場合、処理対象となる断面の数が多いほど、欠損部分が減るため望ましい。したがって、ワークによっては断面数が相当数になる可能性があり、位置合わせの処理にも工夫が必要になる。この種の位置合わせの手法としては、最短距離を使ったベストフィット処理が知られているが、この処理では、演算量が多いため、生産ラインでのリアルタイム処理を実現するにはやや困難である。そこで、ステレオマッチングの手法を拡張し、高速なプロファイルデータ間の位置合わせ処理を実現した。

以下、この位置合わせ処理について説明する。

［基本原理］
一般に２画像間のステレオマッチング処理では、1方のデータをＩ_Ｌ、もう1方のデータをＩ_Ｒとし、Ｉ_Ｌを移動してＩ_Ｒに合わせる場合、ｄをピクセルのずらし量（整数）とし、Δｄをサブピクセルのずらし量（実数）とすると、Taylor展開を使って、

(1)
と近似することができる。

ここで、評価量φを

(2)
と定義すれば、(1)式より、

(3)
であるから、

(4)
を満足するΔｄを求めればよい。

上記の方法では、Ｘ方向の位置あわせは可能であるが、Ｚ方向の位置あわせはできない。そこで上式おいて、Ｚ方向の値Ｉ_ＬをＩ_Ｌ＋ΔＺと置いて、Ｚ方向も同時に位置あわせすることを考える。この場合、

(5)
を満足するΔｄ、ΔＺを求めればよい。式(5)は、単純な２次元の線形連立方程式を解く問題に帰着されるので、計算負荷は非常に軽い。実際の問題に適応する場合には、 (5)を繰り返し解いて、移動量を更新しながら最終的な解を求めていけばよい。

［Ｘ方向の離散化（サンプリング）を考慮した実用的なアルゴリズム］
通常の測定においては、Ｘ方向に一定のサンプリング間隔でＺ値データをサンプリングするため、(5)式を解く際、Ｘ方向移動量をサンプリング間隔で除算した答えの整数分と余りの実数分を考慮しながら計算すると精度良く解が求められる。

図５は、実際のＸ方向移動量及びＺ方向移動量を求める処理を示すフローチャートである。

まず、繰り返し回数ｍに初期値である“１”を代入する（Ｓ１１）。

今、繰り返しｍ回目におけるＸ方向移動量、Ｚ方向移動量をそれぞれ、υ^（ｍ）、ν^（ｍ）と表現することにし、それらの初期値を設定する（Ｓ１２）。初期値は、例えば、２つのプロファイルデータの重心位置が一致するように設定しても良いし、ある特定のデータ点（例えばプロファイルデータのピーク値等）が一致するように設定するようにしても良い。また、それほどずれていない２つのデータを対象とする場合には、初期値＝０とすることで済ますことも可能である。

次に、Ｘ方向移動量υ^（ｍ）及びＺ方向移動量ν^（ｍ）の繰り返し演算の各演算サイクルにおける各軸方向移動量の修正量Δυ^{（ｍ＋１）}、Δν^{（ｍ＋１）}を次のように算出する（Ｓ１３）。

Ｘ方向移動量υ^（ｍ）をサンプリング間隔で除算した答えの整数分をυ^（ｍ） _ｄ、余りの実数分をυ^（ｍ） _Δｄとし、さらに、より一般的にデータ点の重みを、Ｉ_Ｌ側をｗ_Ｌ、Ｉ_Ｒ側をｗ_Ｒとして考慮すると(5)式は、

(6)
となるから、修正量Δυ^{（ｍ＋１）}、Δν^{（ｍ＋１）}は、

(7)
を解くことで求めることができる。なお、測定データに適用する場合、微分は差分に置換えて計算すればよい。修正量Δυ^{（ｍ＋１）}、Δν^{（ｍ＋１）}が求まったら、

(8)
により各軸方向移動量を更新し（Ｓ１５）、ｍ←ｍ＋１として（Ｓ１６）、Δυ^{（ｍ＋１）}、Δν^{（ｍ＋１）}が十分小さくなるまで、逐次更新していけば最終解にたどりつく（Ｓ１４，Ｓ１７）。

（３）プロファイルデータの合成（Ｓ４）
プロファイルデータの合成処理（Ｓ４）では、新たに求められたプロファイルデータを、上記の処理により求められたＸ方向移動量υ^（ｍ）及びＺ方向移動量ν^（ｍ）だけＸ方向及びＺ方向にずらして、その前に合成されているプロファイルデータと合成する。

図６（ａ）は、元のプロファイルデータＤに対して、新たに求められたプロファイルデータＥがＸ方向及びＺ方向にずれている状態を示し、図６（ｂ）は、上記方法によりプロファイルデータＥをＥ′のようにＸ方向及びＺ方向にずらして元のプロファイルデータＤに重ねた様子を示している。

この図のように、上記のステレオマッチング処理によって、高速に且つ精度良くプロファイルデータを重ねることができるので、段差部分のデータ欠損の影響を抑えて、安定した精度の高い測定結果を得ることができる。

この点を更に詳細に説明する。プロファイルデータのマッチングとして、従来、最短距離等を求めるベストフィット処理が知られているが、ベストフィット処理では、例えば設計値と該当箇所の測定データ、又は同じ位置を測定した測定データ間というように、本質的に同一のものを比較・位置あわせしようとするため、設計値との最短距離計算やデータ間の対応付けなど、複雑で高度な処理を必要とした。

一方、ステレオマッチングを利用したプロファイルデータ間のデータ位置合わせは、基本的には被測定物が同一である画像計測データを対象とし、ピクセルのＸ方向のみを対象とした処理であった（参考文献：奥富、金出、統計的モデルに基づく適応型ウィンドウによるステレオマッチング−1次元信号を用いた解析と実験、電子情報通信学会誌 D-11,Vol.J74-D-11,No.6,pp669-677,1991）。そのため、限定された目的においてのみ使用されている。

本実施形態では、画像計測データに限らず、同じピッチで測定された２つのプロファイルデータ間の位置合わせを、Ｘ方向及びＺ方向の両方向を対象とするよう理論的拡張を試み、簡便で高速な処理を可能とした。

なお、以上の実施形態では、白色干渉計に本発明を適用した例について説明したが、画像計測装置、レーザー変位計等、他の形状測定装置にも適用可能であることは言うまでもない。

１…光源、２…コリメータレンズ、３…ビームスプリッタ、４…ワーク、５…参照板、６…駆動手段、７…結像レンズ、８…ＣＣＤカメラ、９…画像メモリ、１０…演算処理部、１１…入力部、１２…出力部、１３…表示部、１４…エンコーダ。

Claims (3)

1. 被測定物の基準軸方向の各位置における高さを検出して前記被測定物の断面形状を測定する測定手段と、
   前記測定手段で同一の被測定物の形状を繰り返し測定して得られた複数の形状測定データを合成して合成形状測定データを算出する演算手段とを備え、
   前記演算手段は、前記形状測定データの合成に際して、前記形状測定データの前記合成形状測定データに対する前記基準軸及び高さ方向のずれ量を算出し、算出したずれ量に基づいて前記形状測定データを前記基準軸方向及び高さ方法に位置合わせする
   ことを特徴とする形状測定装置。
2. 前記演算手段は、
   形状測定データＩ_Ｌと合成形状測定データＩ_Ｒとの間で、基準軸方向のピクセルのずらし量（整数）をｄ、基準軸方向のサブピクセルのずらし量（実数）をΔｄ、高さ方向のずらし量をΔｚとして、
   
   を基本とする２次元線形連立方程式を解いてΔｄ及びΔｚを求める演算を、所定の収束条件を満たすまで繰り返し実行することにより、基準軸方向及び高さ方向のずれ量を算出する
   ことを特徴とする請求項１記載の形状測定装置。
3. 被測定物の基準軸方向の各位置における高さのデータからなる形状測定データＩ_Ｌと合成形状測定データＩ_Ｒとの間で、基準軸方向のピクセルのずらし量（整数）をｄ、基準軸方向のサブピクセルのずらし量（実数）をΔｄ、高さ方向のずらし量をΔｚとして、
   
   を基本とする２次元線形連立方程式を解いてΔｄ及びΔｚを求める演算を、所定の収束条件を満たすまで繰り返し実行することにより、基準軸方向及び高さ方向のずれ量を算出し、
   算出された基準軸方向及び高さ方向のずれ量分だけ前記形状測定データをずらして前記合成測定データと位置合わせする
   ことを特徴とする形状データの位置合わせ方法。