JP4650107B2 - 共焦点光学系を有した測定装置 - Google Patents

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。
特開２００２−１３９１７号公報

しかしながら、上記被検物の高さ測定を行う場合、すなわち被検物の外形形状を求める場合には、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。例えば、被検物が半導体チップのように保護樹脂（半透明部材）などで覆われているような物の場合には、Ｚ軸方向に複数の焦点面（ピーク光量画像）が検出されることになる。そうなると、形状測定装置では、半導体チップの外形形状を計測することはできるが、半導体チップの保護樹脂に隠れた被検部位の高さ測定をしようとしても、複数の光量ピークのうち最大値を示す画像データのみ（輪郭画像）が測定結果として取得されてしまい、所望の被検部位の高さを測定できないことがあった。

本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであり、半透明物質などに覆われた被検物であってもその内部の所望の被検部位の計測が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、前記被検物の光量データを取得し、記憶する装置であり、被検物の被検部位を指定すると共に、その指定した被検部位の高さ方向の光量データ分布グラフ上において、所望の測定範囲を任意に指定し、指定情報をティーチングデータとすることで、その記憶した光量データに基づき被検部位の高さ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、被検物の被検部位を指定することで、その被検部位の高さ方向の測定範囲を自由に設定できるので、所望の箇所の高さなどの測定ができる。また、ティーチングデータとしてその測定範囲を記憶することで、無駄のないスキャン範囲を設定でき、その範囲内で取得された光量データに基づき形状測定ができるので、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の処理装置１８のブロック図を示している。
図１は本発明に係る測定装置１を示しており、一度のスキャンで広視野の高さ測定を行う高さ測定光学系２と、ズーミングにより求めたい位置の２次元測定を高精度で行う２次元測定光学系３とから構成される。

高さ測定光学系２は、共焦点光学系を形成しており、被検物４０から光軸上に並んで、１／４λ板６、第１対物レンズ７、第２対物レンズ８、共焦点ディスク９、第１偏光ビームスプリッタ１１、第１リレーレンズ１２、ハーフプリズム１３及び高感度ＣＦカメラ１４を有しており、また、ハーフプリズム１３の側方に低感度ＣＦカメラ１５を有し、第１偏光ビームスプリッタ１１の側方に、第１コンデンサレンズ１７と第１照明用光源１６を有している。

この高さ測定光学系２において、第１照明用光源１６から出射された光線は第１コンデンサレンズ１７で平行光に変換され、第１偏光ビームスプリッタ１１に入射する。この第１偏光ビームスプリッタ１１は、入射した光線のうちＰ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射する性質を有しており、反射した光線（Ｓ偏光）が共焦点ディスク９の上面に照射される。

共焦点ディスク９は、薄い円板状に形成されており、板厚方向に貫通する共焦点ピンホール９ａが螺旋状に多数形成され（このような構成の共焦点ディスクはニッポウディスクとも呼ばれる）、第１偏光ビームスプリッタ１１で反射された光線（照明光）を遮るように、高さ測定光学系２の光軸に対して直交するように配置されている。この共焦点ディスク９は、モータ１０により所定の回転速度で回転されており、共焦点ピンホール９ａを通過した照明光は、第２対物レンズ８及び第１対物レンズ７でステージ上に載置されている被検物４０に共焦点ピンホール９ａの像として集光されて照射される。なお、図１においては２つの共焦点ピンホール９ａを図示している。

被検物４０に集光照射された共焦点ピンホール９ａの像は、被検物４０の表面（以下、「物体面Ｏ」と呼ぶ）で反射されて、再び第１対物レンズ７に入射し、この第１対物レンズ７及び第２対物レンズ８で集光されて共焦点ディスク９の下面に被検物４０の表面の像を結像し、さらに、共焦点ピンホール９ａを通過する。このとき、第１照明用光源１６から出射されて共焦点ピンホール９ａを通過した照明光（Ｓ偏光）は、第１対物レンズ７と被検物４０との間に配設された１／４λ板６を２回通過するため、Ｐ偏光に変換される。そのため、第１偏光ビームスプリッタ１１を透過することができ、この第１偏光ビームスプリッタ１１を通過した後、第１リレーレンズ１２で集光されてハーフプリズム１３を一部の光線が透過して高感度ＣＦカメラ１４の撮像面に共焦点ピンホール９ａの反射像として結像する。また、ハーフプリズム１３で残りの光線が反射し低感度ＣＦカメラ１５の撮像面に共焦点ピンホール９ａの反射像として結像する。なお、ハーフプリズム１３は約７０％の光線を反射し、約３０％の光線を透過するように構成されている。

本実施例に係るスキャン測定装置１において検査の対象とする被検物１０は、材質の違いにより物体面Ｏでの照明光の反射率が約２００倍程度の差が生じることがあるため、１台のカメラで共焦点ピンホール９ａの反射像を効率良く測定することは困難である。そのため、ハーフプリズム１３で透過光と反射光に分けて、被検物４０の材質（反射率）に応じてそれぞれ検出感度の異なる２台のＣＣＤカメラ（高感度ＣＦカメラ１４及び低感度ＣＦカメラ１５）を切り替えて検出するように構成されている。このカメラ１４，１５で検出された反射像の信号は、処理装置１８に渡される。

この処理装置１８は、図２に示すように、演算制御装置３１、記憶装置３２、表示装置３３、キーボード３４、ポインティングデバイス３５などの基本構成を備えており、詳細は後述する。

また、１／４λ板６でＳ偏光をＰ偏光に変換して第１偏光ビームスプリッタ１１を透過させるように構成することにより、第１偏光ビームスプリッタ１１よりも被検物側の光学部材の表面で反射するフレア光（このフレア光は、１／４λ板６を通過していないためＳ偏光である）を第１偏光ビームスプリッタ１１で遮断して、カメラ１４，１５に入射しないようにすることができ、高さ測定の精度を向上させることができる。

このように、共焦点ピンホール９ａが形成された共焦点ディスク９をモータ１０により所定の速度で高速回転させることにより、この共焦点ピンホール９ａを通過した照明光がスポット光として被検物４０の物体面Ｏをスキャンすることとなり、この共焦点ピンホール９ａ（スポット光）の反射像を高感度ＣＦカメラ１４若しくは低感度ＣＦカメラ１５で検出して処理装置１８で処理することにより、被検物４０の高さ情報を得ることができる。

カメラ１４，１５の撮像面に結像される共焦点ピンホール９ａ（スポット光）の反射像は、第１対物レンズ７の焦点面が物体面Ｏに一致しているときだけ明るく写り、物体面Ｏが光軸方向に焦点面からずれているときは暗く写る。そのため、本実施例に係るスキャン測定装置１では、第１対物レンズ７を光軸方向に移動させて反射像の光の強度変化をカメラ１４，１５で取得して高さ情報を求めるように構成されている。以下、具体的な方法について説明する。

第１対物レンズ７は、駆動部１９及び光軸方向の位置を検知する位置センサー（光学式エンコーダーなど）１９ａにより被検物４０に対して光軸に沿って上下に移動可能なように構成されている。そのため、第１対物レンズ７の焦点面付近に被検物４０の物体面Ｏが位置するようにしてこの第１対物レンズ７を上下に移動させると、第１対物レンズ７の光軸方向位置Ｚとカメラ１４，１５で検出される反射像の光の強度Ｉとの関係は、図４に示すように、第１対物レンズ７の焦点面と物体面Ｏとが一致する位置Ｚにおいて、光の強度Ｉが最も大きくなるような分布を示す。よって、処理装置１８で駆動部１９を制御して第１対物レンズ７を光軸方向に移動させて、カメラ１４，１５で検出された信号の光量ピーク値を求めることにより、そのときの第１対物レンズ７の光軸方向位置Ｚ（位置センサー１９ａから得た情報）から、被検物４０の高さ情報を得ることができる。このとき、第１対物レンズ７及び第２対物レンズ８からなる結像光学系を被検物４０側がテレセントリックとなるように構成することにより、第１対物レンズ７が移動してデフォーカスしてもこの結像光学系における倍率変動がないため、同一倍率で反射像を測定することができ、測定精度に影響を与えることがない。

なお、上述のように、共焦点ディスク９を所定の速度で高速に回転させて被検物４０をスキャンしているため、被検物４０（物体面Ｏ）上の多数のポイントに対する高さ情報を同時に測定することができる。このとき、物体面Ｏ上の測定範囲は、カメラ１４，１５の撮像面の撮像視野に対応し、被検物４０の高さ情報の測定範囲は、第１対物レンズ７の光軸方向の移動範囲に対応する。また、物体面Ｏが高さ測定光学系２の光軸に対して傾きがあると、この物体面Ｏで反射した反射光（共焦点ピンホール９ａの反射像）が第１対物レンズ７に入射せず測定できない。そのため、高さ情報の測定可能な物体面Ｏの傾きの範囲は、第１対物レンズ７の開口数により決定される。

次に、２次元測定光学系３について説明する。この２次元測定光学系３は、明視野光学系を形成しており、高さ測定光学系２の光軸上で第２対物レンズ８と共焦点ディスク９との間に第１ミラー２０を挿抜することにより、２次元測定光学系３で被検物４０の測定が可能なように構成されている。そのため、２次元測定光学系３は、被検物４０から順に、第１対物レンズ７、第２対物レンズ８、第１ミラー２０、この第１ミラー２０の側方に配設されて第１ミラー２０と対向する第２ミラー２１、第２ミラー２１の上方に配設された第２偏光ビームスプリッタ２２、第２リレーレンズ２３、第２リレーレンズ２３を構成する２枚のレンズの間に配設されたズーム光学系２４及び明視野カメラ２５とから構成される。また、第２偏光ビームスプリッタ２２の側方には、第２コンデンサレンズ２７及び第２照明用光源２６を有している。なお、第１対物レンズ７と第２対物レンズ８は、高さ測定光学系２と共用されている。

この２次元測定光学系３において、第２照明用光源２６から出射された光線は第２コンデンサレンズ２７で平行光に変換され第２偏光ビームスプリッタ２２に入射する。この第２偏光ビームスプリッタ２２も、入射した光線のうちＰ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射する性質を有しており、反射した光線（Ｓ偏光）が第２ミラー２１に入射する。そして、第２ミラー２１で側方に反射された光線はさらに第１ミラー２０で下方に反射されて第２対物レンズ８及び第１対物レンズ７で集光されて被検物４０に照射される。被検物４０で反射した光線は、第１対物レンズ７及び第２対物レンズ８により集光され第１ミラー２０及び第２ミラー２１で反射されて上方に出射して第２偏光ビームスプリッタ２２に入射する。

この２次元測定光学系３においても、第２偏光ビームスプリッタ２２で反射されたＳ偏光の光線は、１／４λ板６を２回透過してＰ偏光の光線に変換されているため、被検物４０で反射された照明光は第２偏光ビームスプリッタ２２を透過することができる。そのため、第２偏光ビームスプリッタ２２よりも被検面側の光学部材の表面で発生したフレア光は第２偏光ビームスプリッタ２２で遮断されるため、被検物４０のクリアな画像を取得することができる。この第２偏光ビームスプリッタ２２を透過した光線は、第２リレーレンズ２３及びズーム光学系２４により変倍されて明視野カメラ２５の撮像面に被検物４０の反射像として結像される。明視野カメラ２５で検出された信号は処理装置１８に渡される。

これらカメラ１４、１５、２５により得られた画像データは、図２に示すように演算制御装置３１に入力される。また、駆動部１９のＺ軸方向位置は位置センサー１９ａ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１０、駆動部１９、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１０及び駆動部１９に制御信号を出力してこれらを作動させるほか、カメラ１４，１５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。また、記憶装置３２は、明視野カメラ２５の画像データも記憶している。

よって、本高さ測定装置１において、ピンホールディスク９を回転させた状態で、対物レンズ７をＺ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２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）は対物レンズ７のＺ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１９ａから出力される対物レンズ７のＺ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２との相対移動を対物レンズ７をＺ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、対物レンズ７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。

ＣＣＤカメラ１４，１５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（光量データ）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２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ＣＣＤカメラ１４，１５による撮像を行っている。そのため、ＣＣＤカメラ１４，１５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〜図１１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。図７及び図１０は、表示装置３３が測定装置１の所定撮影倍率で被検物４０を表示した表示例を示す。図８は、表示装置３３に表示された被検物４０の断面を概略説明するための図である。図９及び図１１は、表示装置３３に表示される被検物４０の画像データの光量分布データのグラフを示す。

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（光量データのピーク値を持つ画像データに対応するｘｙｚ座標情報及び光量データ情報）、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２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光量データ同士を比較し、最終的には各画素における光量データ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、光量データ情報（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、光量データ情報は、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光量データ情報（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光量データ情報とその前後の画像データの光量データ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光量データ情報を監視することで、例えばその光量データと、予め決められた上限或いは下限光量データとを比較し、その上限或いは下限光量データ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〜図１１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である完成品の形状測定を行う際に、保護樹脂１４３の高さ及び、被検物４０のワイヤ１４４の高さを測定することになる。例えば、図７の表示装置３３に示されるように、被検物４０が測定装置１の所定撮影倍率で拡大表示され、測定箇所の指定マーク５０により指示された所が測定されることになる。図８は、説明の都合上、図７に表示された被検物４０の断面を概略説明するための図である。

図７に示された被検物４０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から各ワイヤ１４４が外に飛び出す不良がないか否かを検査（保護樹脂１４３とワイヤ１４４との間隔を求める）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。

まず、ステップ１からステップ８において、図７の表示装置３３で表示された被検物４０の画像取得領域（矩形領域）の画像データを取得し、すなわち、被検物４０の基礎的な画像データを取得する。

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、駆動部１９を作動させて、共焦点光学系２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ＣＣＤカメラ１４，１５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、ＣＣＤカメラ１４，１５から焦点面位置ｚｉにおける走査画像データ（光量データ情報及び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光量データ情報を検出し、今回読み出した画像データにおける光量データ情報と前回読み出した画像データにおける光量データ情報とを比較する。そして、今回読み出した画像データの光量データ情報の方が前回読み出した画像データの光量データ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光量データ情報の方が前回読み出した画像データの光量データ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光量データ情報ＩN（焦点面位置はｚNとする）とＮ−１番目の画像データの光量データ情報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光量データ情報ＩN+1（焦点面位置はｚN+1とする）とＮ番目の画像データの光量データ情報ＩNとの関係ではＩN+1＜ＩNとなった場合には、光量データ情報ＩN+1と光量データ情報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、光量データ分布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、光量データ分布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光量データ情報（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の光量データ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、光量データ情報（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、光量データ情報（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、光量データ情報（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、光量データ情報のみを取得する。図４では、ワイヤ１４４のＡ点では、光量データ情報（Ｉ11〜Ｉ13）を取得する。また、Ｂ点では、光量データ情報（Ｉ31〜Ｉ33）を取得する。また、Ｃ点では、光量データ情報（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、光量データ情報（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つの光量データ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光量データ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、ステップ９の高さ/段差算出のサブルーチンでは、後述するように、オペレータの所望する被検物の被検部位の高さ/段差情報を、効率よく取得する。
ステップ１０のティーチング処理では、後述するように、ステップ９で設定されたオペレータの所望する被検物の被検部位を記憶するとともに、その高さ/段差の情報の取得方法を記憶装置３２に記憶する。

それでは、次にステップ９及びステップ１０の処理について図７から図１１を用いて詳細に説明する。
図７に示すように、オペレータは、表示装置３３に表示された被検物４０の一部拡大像（測定装置１の撮影倍率による画像）に基づき、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（指定マーク５０で指定）する。その指定マーク５０で指定された箇所（被検物４０の所望する箇所）の高さ測定が行われる。この高さ測定処理は、既に述べたように、演算制御装置３１により積算画像すなわち光量ピークデータに基づき座標Ｚを内挿或いは非内挿処理して求めたり、また３Ｄ画像の画像データに基づき座標Ｚを内挿或いは非内挿処理して求めることができる。

図７に示される表示装置３３に表示される被検物４０の画像は、ＣＣＤカメラ２５による明視野画像でも良く、或いはＣＣＤカメラ１４，１５による積算画像（或いは３Ｄ画像）でも良い。

なお、表示装置３３上に表示された画像がＣＣＤカメラ２５による明視野画像であった場合には、指定マーク５０で指定された箇所（画素）のみが、既に図５で説明した画像処理が実行され、記憶装置３２に籍算画像、３Ｄ画像の画像データが記憶される。

そして、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。
オペレータが（マウスによって）ポインティングした箇所（指定マーク５０）上の画素Ｂに相当する画像データは、記憶装置３２から読み出される。読み出された画像データの輝度に関連する光量データ分布は、図９に示すように表示装置３３に表示される。表示装置３３には、図７の被検物４０の積算画像（或いは３Ｄ画像或いはＣＣＤカメラ２５で取得された明視野画像）による表示と、図９の指定マーク５０上の光量データ分布のグラフ表示とが分割表示されても良い。

図９（Ａ），（Ｂ）を用いて、オペレータが高さ測定する箇所をマニュアル設定する２つの方法について説明する。図８に概念的に示されるように、指定マーク５０のＺ軸方向の光量データ分布は、Ｚ１位置において保護樹脂１４３の表面において光量ピークＰ１が発生し、また、Ｚ２位置においてワイヤ１４４の表面において光量ピークＰ２が発生し、また、Ｚ３位置において基板表面１４１ａの表面において光量ピークＰ３が発生している。

まず、第一のマニュアル設定の方法について説明する。
図７に示すように、オペレータは表示装置３３に表示された画像に対して、所望する測定箇所（被検物の被検部位）を指定マーク５０で指定する。指定マーク５０で指定された箇所の光量データ分布グラフが図９（Ａ）に示すように表示される。オペレータは、図９（Ａ）の光量データ分布グラフを見ながら所望の高さ、段差などの計測したい高さ方向の測定箇所を計測ライン５１Ａにより指定する。

計測ライン５１Ａは、ポインティングデバイ３５を用いて、表示画面上で高さ方向（Ｚ方向）に左右に移動でき、オペレータは、表示画面の計測値表示部３３ａを確認しながら高さ方向の測定箇所を決定する。計測値表示部３３ａは、計測ライン５１Ａと光量データ分布グラフとの交点のＺ方向位置を数値表示するものである。

具体的には、オペレータは、指定マーク５０で指定したワイヤ１４４の高さ位置と、保護樹脂１４３の表面からワイヤ１４４までの段差とを測定したいと考えている場合には次のような設定動作となる。

まず、オペレータは、指定マーク５０を図７の表示画面上でワイヤ１４４の所望する箇所に設定する。表示装置３３には、指定マーク５０で指定された箇所の光量データ分布グラフが図９（Ａ）のように表示される。オペレータは、図９（Ａ）の表示画面上にある計測ライン５１Ａをマウスでクリックして、第２番目の光量ピークＰ２付近に移動させる。計測ライン５１Ａの移動に伴い、計測値表示部３３ａには数値表示が表示されるので、オペレータはその数値表示を見ながら、ワイヤ１４４の頂点を探すことができ、Ｚ方向位置を決定できる。

その後、オペレータは、ステップ１０のティーチングデータ記憶処理を実行するため、不図示のティーチングスイッチをオンすると、先ほど設定した指定マーク５０のＸＹ座標位置データと、計測ライン５１Ａの高さ方向のＺ座標位置データとが記憶装置３２に記憶され、次回の測定から、オペレータが記憶装置３２からティーチングデータを読み出し、自動測定動作を実行することができる。

次に、第二のマニュアル設定の方法について説明する。
図７に示すように、オペレータは表示装置３３に表示された画像に対して、所望する測定箇所（被検物の被検部位）を指定マーク５０で指定する。指定マーク５０で指定された箇所の光量データ分布グラフが図９（Ｂ）に示すように表示される。図９（Ｂ）に示すように、オペレータは、光量データ分布グラフを見ながら所望の高さ、段差などの計測したい測定演算範囲を計測ライン５１Ａと計測ライン５１Ｂとを使い設定できる。この一対の計測ライン５１Ａと５１Ｂは、図９（Ｂ）の表示画面において自由にＺ方向に移動ができ、一対の計測ラインによって挟まれた領域が高さ/段差測定演算される範囲となる。ティーチングデータとして、この計測ラインを設定することで、無駄な測定演算処理をすることない。

次に、このティーチングデータの記憶動作について説明する（ステップ１０）。
オペレータが設定した指定マーク５０及び計測ライン５１Ａ，５１Ｂは、不図示の記憶スイッチを操作することで既に説明したように記憶装置３２にティーチングデータとして記憶され、以降の自動測定動作がこのティーチングデータに基づき処理できるようになる。

ティーチングデータに基づき形状測定処理が行われる際には、この計測ライン５１Ａと５１Ｂとの測定範囲は、駆動部（図１の１０，１９など）による共焦点光学系２の焦点面と被検物４０との相対移動を行うスキャン範囲となると共に、演算制御装置３１による光量データに基づく高さ測定などための演算範囲となる。すなわち、この場合には、スキャン範囲と演算範囲とが一対の計測ラインで設定された測定範囲と一致する。

次に、図１０及び図１１にもとづき、上述の形状測定処理よりも高度な形状測定処理について説明する。
図１０に示すように、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（指定マーク６０Ａ〜６０Ｃで指定）することで、被検物４０の所望する３か箇所の高さ測定が行われる。そして、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。

オペレータが（マウスによって）ポインティングした箇所（指定マーク６０Ａ〜６０Ｃ）上の画素に相当する画像データ（Ｚ方向の画像データ）は、記憶装置３２から読み出だされる。読み出された画像データの輝度に関連する光量データ分布は、図１１（Ｄ）に示すように表示装置３３に合成表示される。

表示装置３３には、図７の被検物４０の積算画像（或いは３Ｄ画像或いは明視野画像）による表示と、図１０の指定マーク６０Ａ〜６０Ｃ上の光量データ分布のグラフ表示とが分割表示されても良い。図１１（Ｄ）を概念的に説明すると、図１１（Ａ）〜（Ｃ）は、それぞれ指定マーク６０Ａ〜６０ＣのＺ軸方向の光量データ分布に対応している。図１１（Ａ）は、指定マーク６０Ａの画素において保護樹脂１４３の表面とワイヤ１４４の表面の光量ピークが発生している状態をグラフ化している。また、図１１（Ｂ）は、指定マーク６０Ｂの画素において保護樹脂１４３の表面と半導体チップ１４２の表面の光量ピークが発生している状態をグラフ化している。図１１（Ｃ）は、指定マーク６０Ｃの画素において保護樹脂１４３の表面と基板表面１４１ａの表面の光量ピークが発生している状態をグラフ化している。そして、これら図１１（Ａ）〜（Ｃ）を、１つのグラフに示すと図１１（Ｄ）のような光量データの分布グラフとなり、表示装置３３には図１１（Ｄ）が最終表示される。なお、オペレータの使用勝手によるが、表示装置３３には図（Ａ）から（Ｃ）も同時表示する構成でも良い。

オペレータは、図１１（Ｄ）を見ながら所望の高さ、段差などの計測したい測定演算範囲を計測ライン６１Ａと計測ライン６１Ｂとを使い設定できる。この一対の計測ライン６１Ａと６１Ｂは、図１１（Ｄ）の表示画面において自由にＺ方向に移動ができ、一対の計測ラインによって挟まれた領域が測定演算される範囲となる。この場合には基板１４１表面からの半導体チップ１４２の高さ、又はワイヤ１４４の高さを求めている。

そして、計測ライン６１Ａと６１Ｂとで挟まれた測定範囲の中で、実際に測定演算に使用される光量データを必要最小限に設定すると演算範囲７１Ａ、７１Ｂ、７１Ｃのようになる。この演算範囲７１Ａ〜７１Ｃは、光量データ分布グラフの３つの光量ピーク値から自動的に設定される。すなわち、演算制御装置３１は、光量データの分布グラフから所定値以上の光量ピーク値を自動的に抽出し、抽出された光量ピークを中心に前後方向に所定範囲を演算範囲７１Ａ〜７１Ｃとして設定する。従って、この場合には、計測ライン６１Ａと６１Ｂで挟まれた範囲６１がスキャン範囲に設定され、そのスキャン範囲内で測定演算処理をする範囲として、演算範囲７１Ａ〜７１Ｃが設定される。これらの範囲をティーチングデータとして、記憶装置３２に記憶することで、以降の測定演算処理が効率よく実行されることになる。

また、スキャン範囲の設定方法として、別のやり方として次の方法がある。すなわち、図１１（Ｄ）に示す場合には、隣り合う演算範囲７１Ａと７１Ｂとの間隔は所定距離以上離れており、演算範囲７１Ｂと７１Ｃとの間隔は所定距離以内にあることから、演算制御装置３１は、スキャン範囲として、演算範囲７１Ａを含む最小限のスキャン範囲を設定すると共に、演算範囲７１Ｂと７１Ｃとの両方を包含する最小限のスキャン範囲を別に自動設定する。こうすれば、スキャン動作をより効率化できる。

図１は、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。 図２は、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。 図３は、被検物の一例であるＩＣパッケージを示す側面図である。 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。 図７は、表示装置３３が形状測定装置の所定撮影倍率で被検物４０を表示した表示例を示す。 図８は、表示装置３３に表示された被検物４０の断面と光量データ分布との関係を概略説明するための図である。 図９は、表示装置３３に表示される被検物４０の指定マーク上の光量データ分布のグラフを示す。 図１０は表示装置３３が形状測定装置の所定撮影倍率で被検物４０を表示した表示例を示す。 図１１は表示装置３３に表示される被検物４０の３つの指定マーク上の光量データ分布のグラフを示す。

符号の説明

１ 高さ測定装置
２ 共焦点光学系
７ 対物レンズ
１６ 光源
１４、１５、２５ ＣＣＤカメラ
１９ 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

Claims (6)

1. 共焦点光学系と、
   前記共焦点光学系の焦点面と被検物とをその高さ方向に相対移動させる駆動手段と、
   前記共焦点光学系を介して前記被検物の像を受光し、前記駆動手段により相対移動された前記共焦点光学系の焦点面の高さ位置ごとに、順次、前記被検物の光量データを取得する光電変換手段とを備えた共焦点光学系を有した測定装置において、
   前記被検物の形状を表示する表示手段と、
   前記表示手段により表示された被検物画像上において、測定したい所望の被検部位の位置を指定する第一指定手段と、
   前記第一指定手段で指定された前記被検部位における、前記光電変換手段で取得した前記高さ方向の前記光量データの分布グラフを表示するグラフ表示手段と、
   前記グラフ表示手段により表示された前記光量データの分布グラフ上において、測定したい所望の前記高さ方向の位置を指定する第二指定手段と、
   前記第二指定手段により指定された前記高さ方向の位置の前記光量データに基づき、前記被検物の形状を測定する測定演算手段と、
   前記第一及び第二指定手段により指定した指定情報をティーチングデータとして記憶するティーチングデータ記憶手段と
   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に記載の共焦点光学系を有した測定装置において、
   前記第二指定手段は、前記グラフ表示手段の前記分布グラフ上を前記高さ方向に移動する１つの計測ラインを表示し、前記計測ラインにより前記分布グラフの所望の箇所を指定し、
   前記測定演算手段は、前記計測ラインと前記分布グラフとの交点における前記高さ方向の高さを演算する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に記載の共焦点光学系を有した測定装置において、
   前記二指定手段は、前記グラフ表示手段により表示された前記分布グラフ上に、所望の測定範囲を設定するための一対の計測ラインを表示し、前記一対の計測ラインにより前記分布グラフを挟むことで指定し、
   前記測定演算手段は、前記一対の計測ラインで挟まれた前記分布グラフに相当する前記光量データに基づき前記高さ方向の高さを演算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から請求項３のいずれか１項に記載の共焦点光学系を有した測定装置において、
   前記ティーチングデータ記憶手段により記憶された前記第二指定手段により設定された測定範囲は、前記駆動手段によるスキャン範囲であり、かつ前記測定演算手段による演算範囲であ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１から請求項３のいずれか１項に記載の共焦点光学系を有した測定装置において、
   前記測定演算手段は、前記光量データの分布グラフからピーク光量位置を検出し、前記測定範囲のうち前記ピーク光量位置を含む所定範囲を演算範囲に再設定し、
   前記駆動手段は、前記測定範囲をスキャン範囲に設定し、
   前記ティーチングデータ記憶手段は、前記測定演算手段の前記演算範囲と前記駆動手段の前記スキャン範囲とをティーチングデータとして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。
6. 請求項５に記載の共焦点光学系を有した測定装置において、
   前記演算範囲が複数個存在する際に、隣同士の前記演算範囲が所定距離以内であればそれら前記演算範囲を全て包含する１つの前記スキャン範囲を設定し、逆に前記演算範囲が所定距離以上離れている場合には前記スキャン範囲を分割して設定する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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