JP5099704B2

JP5099704B2 - 高さを測定する方法及び高さ測定装置

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Publication number: JP5099704B2
Application number: JP2008203460A
Authority: JP
Inventors: 一文坂井
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2008-08-06
Filing date: 2008-08-06
Publication date: 2012-12-19
Anticipated expiration: 2028-08-06
Also published as: JP2010038788A

Description

本発明は、被検査物における高さを測定する方法及び高さ測定装置に関するものであり、特に製造工程における半導体素子の面上の凸部の高さや凹部の深さ、ＩＣのリードの浮きによる高さのような微小な高さを測定するのに適用される被検査物における高さを測定する方法及び高さ測定装置に関する。

携帯電話等の情報端末機器、可搬型の情報処理装置、ゲーム機等種々のデジタル機器において小型化、高機能化が急速に進行しており、これに伴って機器には高密度の実装技術が不可欠となっている。デジタル機器の中枢部であるＣＰＵ、メモリー等のＩＣにおいて、リードの形態はＳＯＰからＢＡＬＬへ、さらにＢＵＭＰへと改良されてきた。ミリメートル単位のリードから数百ミクロンのＢＵＭＰになり、それとともに寸法検査精度への要求が高まり、製造工程での接合においてＢＵＭＰの高さが特に重要になめため、高さを高精度で測定することが求められるようになっている。

また、半導体製造の後工程において、ＩＣの外観検査は、出荷直前の最終検査として重要な工程である。このような外観検査として、リード間の異物、印刷の良否の検査、パッケージの欠け等の２次元画像処理による検査と、リードの浮きやボール、バンプの高低差（コプラナリティ）の評価等の３次元検査がある。

ＢＵＭＰ等の高さの測定を行うのに、三角測量法、共焦点法、白色干渉法等が使用されている。このうち三角測量法は数ミクロン程度の測定精度であり、今後さらにＢＵＭＰが小さくなった場合には対応できない。さらに、光を斜入射する必要があるため、ケース（エンボス）内のＩＣやアスペクト比が高い製品の計測は難しい。共焦点法や白色干渉法は高い測定精度を有する方法であって研究上では有用であるが、製造工程において用いたとすると、スループットが低くなり実用的でなくなる。

ＩＣのような被検査体における高さの測定方法に関する技術として、次のような文献に記載されている。特許文献１には、共焦点顕微鏡の対物レンズの集光位置と試料との相対位置を変えて２枚の共焦点画像を撮像し、それぞれの共焦点画像の対応する画素ごとに光検出器の出力の差／和、または除算値を求めることにより試料の各点における高さを得るようにした高さ測定装置について記載されている。

特許文献２には、試料における異なる複数の高さ位置でそれぞれ共焦点画像を撮像し、画素ごとに光量がピークとなる高さ位置を求め、最も高いピーク高さ位置をその画素に対応する試料の表面情報とする三次元計測について記載されている。
特許文献３には、共焦点用微小開口を介して照明光を被検物に照射し共焦点用微小開口を通過した被検物からの反射光を焦点位置の異なる複数の位置において検出したデータを処理して高さや形状測定を行うことについて記載されている。

特許文献４には、計測ビームを被測定物の面上に集光させ、表面の凹凸情報を有する反射光と、これと周波数の異なる参照ビームとを干渉させて計測ビート信号を取り出し、その位相変化に基づいて表面の凹凸形状を測定する表面形状測定装置について記載されている。
特許文献５には、ＸＹテーブル上に保持された被検査基板の外観検査を行う実装基板外観検査装置における高さ測定回路について記載されている。
特許文献６には、波長の異なる２種類の光束が対象物に関して異なる集光位置をもつようにし合成して対象物に照射し、対象物からの反射光を分離して検出し、両反射光の強度の比率に基づいて対象物の高さを求めることについて記載されている。

特許文献１に記載のものにおいては、試料の各点における高さを得るために、試料の表面を挟む２つの高さ位置での共焦点画像を撮像する必要があり、２回の撮像を行うことが不可欠となる。高さを得るために２回の撮像が不可欠な点については、特許文献２の場合も同様であり、このようにして高さを求める手法では高さを求める過程に要する時間が長くなるため、実際の半導体素子の製造工程において適用する上ではスループットの低下を招くことになる。

特許文献３に記載のものは、共焦点光学系による観測において照明光源による照度の調整を容易にし観測を迅速に行えるようにするものではあるが、高さ、形状の測定のためには複数の位置での撮像を行うことが必要であって、その意味では特許文献１，２の場合と同様の難点を有していた。
特許文献４のような計測ビームと参照ビームの干渉によるものでは、測定精度を高くすることはできるが、そのための光学系や信号処理回路が複雑で大規模のものになり、やはりスループットを高くできない。

特許文献５に記載される実装基板外観検査装置においては、外観検査装置として真上と斜め方向との２つの撮像装置を備えるとともに、レーザ変位計による高さ測定装置を備えるものであり、高さ測定に際し測定ラインを複数本設定しこれをなぞるようにＸＹテーブルの移動制御を行うという動作制御が必要になり、構成上も煩雑なものになる。被検査体に対し前上の方向と斜め方向とに設置された２つの撮像装置を用いれば高さの測定が可能であるが、高さ測定装置としては複数の撮像装置を備えることにより煩雑な構成となる。
特許文献６に記載のものでは高い測定精度を得ることが期待されるが、それに応じて集光位置調整等に関する測定装置の各構成要素も精度高いものとすることが避けられず、測定の過程を合理的にし、簡易な構成のものとする上では実際的な利用可能性は少ないものとなる。

特開２００３−４２７２０号公報特開平９−１０５６１５号公報特開２００８−４６３６１号公報特開平２−８７００５号公報特開平４−５５７０８号公報特開２００８−３９７５０号公報

製造工程における半導体素子の面上の凹凸やＩＣユニットのリードの浮きのように、微小な高さを測定する際に、２つの異なる位置での共焦点画像を撮像する手法では、高さを求める過程において２回の撮像分の時間を少なくとも要し、ビームの干渉による手法では装置が大がかりになり、スループットを高めるのに有効ではなかった。また、レーザ変位計による高さ測定では動作制御機構が煩雑になり、２方向から同時の撮像する形態のものではやはり装置構成として複雑になり、かつ、ケース(エンボス)内のＩＣの検査が難しいという欠点があった。このような現状において、微小な高さを測定するために用いる測定装置の構成を簡易なものとし、繰り返し測定精度を高め、さらに測定に要する時間を短くしスループットを高められようにすることが求められていた。

本発明は前述した課題を解決すべくなしたものであり、請求項１に係る本発明による高さを測定する方法は、上下方向に移動調節可能な載置ステージ上に載置された対象物を撮像して得られた画像の処理を行うことにより該対象物における基準表面からの凸部の高さまたは凹部の深さを測定する方法であって、前記上下に移動可能な載置ステージ上に対象物を載置することと、光軸に関して対称的に配設された１対の窓部にそれぞれ異なる色のフィルターが設けられてなり該フィルター以外の部分が遮光性であるフィルター付マスクを含む撮像光学系と撮像素子とを備えた撮像装置を前記載置ステージに対して固定され上方から対象物を撮像可能な状態に配置することと、前記載置された対象物の基準表面に対して合焦するように前記撮像装置の撮像光学系を調節することと、前記対象物の基準表面に対して合焦した状態で対象物を撮像して得られた画像における対象物の凸部または凹部についての異なる色で分離した像の重心位置の間隔を算出するとともに撮像時の状態での撮影光学系に関して予め求められた前記分離した像の重心位置の間隔と凸部の高さまたは凹部の深さとの比例関係を表す換算係数と前記算出された分離した像の重心位置の間隔とから対象物の基準表面に対する凸部の高さまたは凹部の深さを算出することと、からなるものである。

請求項２に係る本発明による高さを測定する方法は、請求項１において、前記分離した像の重心位置の間隔と凸部の高さまたは凹部の深さとの比例関係を表す換算係数を求めるに際し、前記載置ステージ面上に識別部を付設しておき、配置された撮像装置により対象物を載置しない状態で載置ステージ面に焦点を合わせた状態で載置ステージを上下に移動させて載置ステージ面を撮像し、得られた画像における前記載置ステージ上の識別部についての異なる色で分離した像の重心位置の間隔と前記載置ステージの移動距離との関係を検量線として求めることにより換算係数を算出するようにしたものである。

請求項３に係る本発明による高さ測定装置は、上下方向に移動調節可能な載置ステージと、光軸に関して対称的に配設された１対の窓部にそれぞれ異なる色のフィルターが設けられてなり該フィルター以外の部分が遮光性であるフィルター付マスクを含む撮像光学系と撮像素子とを備え前記載置ステージに対して固定され上方から前記載置ステージ上に載置された対象物を撮像可能な状態に配置された撮像装置と、前記撮像装置により撮像された前記載置ステージ上に載置された対象物の画像について解析処理を行って対象物における凸部の高さまたは凹部の深さを算出する解析処理部と、を備えてなり、前記解析処理装置は前記載置ステージ上に載置された対象物の基準表面に対して合焦した状態で対象物を撮像して得られた画像における対象物の凸部または凹部についての異なる色で分離した像の重心位置の間隔を算出するとともに撮像時の状態での撮像光学系に関して予め求められた前記分離した像の重心位置の間隔と凸部の高さまたは凹部の深さとの比例関係を表す換算係数と前記算出された分離した像の重心位置の間隔とから対象物における基準表面からの凸部の高さまたは凹部の深さを算出するようにしたものである。

請求項４に係る本発明による高さ測定装置は、請求項３において、前記分離した像の重心位置の間隔と凸部の高さまたは凹部の深さとの比例関係を表す換算係数は、前記載置ステージ面上に識別部を付設しておき、配置された撮像装置により対象物を載置しない状態で載置ステージ面に焦点を合わせた状態で載置ステージを上下に移動させて載置ステージ面を撮像し、得られた画像における前記載置ステージ上の識別部についての異なる色で分離した像の重心位置の間隔と前記載置台の移動距離との関係を検量線として求めることにより算出されるようにしたものである。

本発明による高さの測定においては、光軸に対称的に配設された１対の窓部に異なる色を有するフィルターを有するフィルター付マスクを有する撮像光学系を対象物の基準表面に焦点合わせをして撮像した画像について解析処理を行うことにより、１回の撮像により対象物における高さを測定することができ、測定に要する時間を短くしてスループットを高め、ケース（エンボス）内のＩＣの検査を行うこともできる。また、繰り返し測定精度を高め、測定装置の構成を簡易なものとすることができる。

〔高さ測定の原理〕
初めに本発明による高さ測定の原理について説明する。本発明による高さの測定は概略的にはナイフエッジ法と三角測量法を組み合わせたものであり、写真撮影で自動合焦を行う際の位相差検出と同様の光学的手段を利用して高さの測定を行う。

図１、図２は本発明による高さ測定の原理を説明するものである。図１において、Ｌは結像用のレンズであり、物体平面ＯＰ内に位置する対象物の像を基準像平面ＩＰ上に形成する。像平面に撮像素子ＣＣＤを配置することにより対象物についての画像が得られる。レンズＬの焦点距離をｆとし、レンズＬの主面から物体平面ＯＰまでの距離をａ、レンズＬの主面から像平面ＩＰまでの距離をｂとすると、ａ，ｂ，ｆの間には

の関係がある。

本発明においては、レンズＬの直後の位置にフィルター付マスクＭを配置する。フィルター付マスクＭは光遮蔽性の材料で形成され、図３（ａ）の平面図に示すように、光軸に関して対称的な位置に１対の円形、同大の窓部が形成されており、これらの窓部にフィルターＦ１，Ｆ２がそれぞれ装着されている。フィルターＦ１とＦ２とは異なる色の光を透過するものであるが、図３（ａ）の例として、Ｆ１を赤色透過フィルター、Ｆ２を青色透過フィルターとして説明する。また、フィルターＦ１，Ｆ２の中心間距離をＤとする。

通常の結像用レンズ近辺に配置される絞りの場合には光軸を含む形状の開口になっているが、本発明によるフィルター付マスクの場合は光軸に関して対称的な１対の窓部の位置での絞り作用と異なる色のフィルター作用を行うようにしており、図３（ａ）では対象物からの光のうちフィルターＦ１，Ｆ２をそれぞれ通りフィルターで透過される色の光が基準像平面ＩＰ上に結像することになる。
フィルター付マスクＭの窓部におけるフィルターＦ１，Ｆ２の平面形状は図３（ｂ）で円形としているが、図３（ｂ）のように矩形としてもよく、あるいは同形、同大であれば他の形状でもよい。

図２は対称物の位置が物体平面ＯＰからΔａだけ高い位置にある場合に、ここからの光の結像状況を示しており、Δａだけ高い位置からの光が基準像平面ＩＰよりΔｂだけ先の位置に結像する。この場合には、

の関係になる。式（２）は

のように変形され、左辺の各項を近似第１項までとした近似式とすると、

のようになる。式（４）と式（１）とから、

となる。図２において、レンズＬを介して中心間距離ＤのフィルターＦ１，Ｆ２を通った光線が像平面ＩＰを通過する時の幅（撮像素子ＣＣＤ上での幅）をｄとすると、幅ｄ及び幅Ｄをそれぞれ底辺とする三角形の相似関係から、式（５）を用いて、

が得られる。式（６）において、Ｄは取り付けられたフィルター付きマスクＭに固有の値としての定数であるから、ａ，ｂが一定であるように設定した撮像装置に関して、Δａが小さい範囲、すなわち微小な高さを測定する場合に、ｄは高さΔａに比例すると言える。
例えば、ｆ＝５ｍｍで１倍の光学系とすると、ａ＝ｂ＝１０ｍｍとなり、Ｄ＝２ｍｍ、Δａ＝０．１ｍｍとすると、ｄ＝２０μｍとなる。撮像素子ＣＣＤの画素の幅を５μｍとすると、４画素分のずれに相当する。

図１，２においてフィルター付マスクＭはレンズＬに近い位置に配置され、レンズとフィルター付マスクとの間隔を０と近似している。図１，２においては１枚のレンズからなる撮像光学系としているが、複数枚のレンズで構成される撮像光学系の場合にはフィルター付マスクをレンズ系の２つの主面の間に配置する。それにより、式（６）の関係が得られ、ｄはΔａに比例する。

基準像平面ＩＰ上に配置された撮像素子で得られる画像においては、それぞれフィルターＦ１，Ｆ２を通った光が幅ｄの両端側に到達して像が形成される。図２における基準像平面ＩＰよりΔｂだけ先の合焦位置ではそれぞれフィルターＦ１，Ｆ２を通った光が同じ位置に結像し１つの画像となるのであるが、基準像平面ＩＰにおいては幅ｄの部分の両端側にずれた像として形成されることになる。すなわち、物体平面ＯＰ上の物点からの光はフィルターＦ１，Ｆ２に分かれて通過した後に基準像平面ＩＰ上の同じ位置に結像するが、物体平面ＯＰから上または下にずれた位置にある物点からの光は基準像平面ＩＰ上ではそれぞれフィルターＦ１，Ｆ２を通った光が幅ｄの部分の両端側にずれた形の像になる。このような結像位置からはずれた像は結像状態に比べるとぼけが生じるが、撮像された画面上での輝度確認がなされれば高さの測定はできる。概略的には焦点深度の３倍程度までは測定可能である。

本発明において高さを測定する対象物としては、撮像される対象物の面が基準となる平面を有し、その中に微少な大きさ、高さの凸部、凹部が散在するというようなものが典型的であり、リード、ボール、バンプ等が形成された半導体回路部品等がこれに類する。

〔高さ測定装置〕
図１，２に示す測定原理を用いて微小高さを測定するための高さ測定装置の構成は図４に示すようになる。図４において、１は基台であり、２は対象物としての試料Ｓを載置するステージであり、基台に備えられるステージ駆動手段３により上下に微細駆動されるようにしてある。ステージ駆動手段としては、パルスモータによるもの、あるいはピエゾ効果によるもの等が用いられる。

４は基台に固設された支柱であり、支柱４には横方向に向かって延びる腕部５が取り付けられている。腕部はピニオン・ラック機構等により支柱４に対し上下方向に移動可能に設けられている。５ａはロック用ノブであり、腕部５を上下移動できるようにロックを解除し、上下移動により調節を行った位置で腕部５をロックし固定できるようにする。腕部５にはＣＣＤ等の撮像素子、撮像制御手段を備えた撮像部６が下向きに取り付けられる。

撮像部６には交換可能なレンズ鏡胴７が接続されるか、一体的に設けられている。レンズ鏡胴７は撮像用レンズ８と、レンズに近接して配設されたフィルター付マスク９が備えられる。さらに、試料面の撮像のために、ストロボ発光装置等の試料面照射手段（図示せず）が備えられる。

１０は解析処理部であり、撮像部５により撮像された試料についての画像を解析し、高さを求める演算処理を行うものである。解析処理部１０にはデータ解析のプロセス、結果を表示するためのモニターが備えられる。ステージ２の高さの調整はノブ、アップダウン・キー等の操作により高さの調整を行えるようにし、またステージの移動調節量を確認できるように表示手段を備えるのがよい。

基準像平面上での異なる色で分離した像のずれについて、具体的な画像の例に関して説明する。図５（ａ）は電子部品表面の一部の２〜３ｍｍ程度の範囲を示し、表面においてある高さをもつ凸部が配列されたものとなっている。このような試料について基準平面となる背景部分に焦点が合うようにフィルター付マスクを備えた撮像装置の撮像光学系を調節して撮像すると、図５（ｂ）のように高さをもつ凸部についてはそれぞれフィルターＦ１，Ｆ２を通った光が左右にずれた像になる。Ｆ１が赤色を透過するフィルター、Ｆ２が青色を透過するフィルターとすると、図５（ｂ）において実線が赤色の像、点線が青色の像となり、両者の像の重心位置はｄだけずれたものになる。前述の式（６）によりこのｄは凸部の高さに比例したものである。

図６（ａ）はバンプが配列された部品の２〜３ｍｍの範囲の表面を示すものであり、バンプは球面状に突出した部分であるが、それに比してリードの部分は薄くなっており高さは低くなっている。このような部分を図３の場合と同様のフィルター付マスクを備えた撮像装置で撮像すると、図６（ｂ）のようにバンプの部分については赤色の像（実線）と青色の像（点線）とにずれたものになるが、低いリードの部分は実質的に合焦した像となり、ずれて分離した像にはならない。この場合に、バンプの部分については左右の像の重心位置のずれがバンプの高さに応じたものになる。

図５（ｂ）、図６（ｂ）のような画像中での赤色の像と青色の像との重心位置のずれｄはそれらの像で表される試料中の箇所の高さに応じたものであり、この高さは式（６）に示されるように、ａ，ｂ，Ｄが一定であるとした場合にｄに比例した値となる。Ｄは図４のように構成された高さ測定装置の鏡胴７に備えられるフィルター付マスク９におけるフィルターの設けられる窓部の形状、配置に応じて定まる値であり、ａ，ｂは撮像部６を取り付けた腕部５を上下に移動調節した後にロック用ノブ５ａにより固定した状態で値が定まる。

ａ，ｂの値は鏡胴におけるレンズの構成、撮像部６を含めた寸法構成から求められ、ａ，ｂ，Ｄの値からｄとΔａとの比例関係を示す換算係数を求めることができるとは言えるが、後述するように、撮像部の位置を整定した後に載置ステージに対象物を載置せずに載置ステージの高さを変えて載置ステージ面の撮像を行い載置ステージの移動量と赤青に分離した像の間隔との関係を表す検量線として換算係数を求めるのが便宜的である。このように、撮像部で得られた異なる色で分離した像の間隔ｄから高さΔａを求める際の換算係数は、用いる高さ測定装置におけるフィルター付マスクを備えたレンズ鏡胴を取り付けた撮像部の形態、撮像部の設置により規定される対象物との位置関係に応じて定まるものである。
レンズが固定焦点距離のものであっても、撮像部の設置位置を変えて対象物との位置関係が変われば、撮像倍率が変化しａ，ｂの値が変わってくるので、換算係数としては異なってくる。

換算係数を求める実際の例について説明する。換算係数を求める簡便な手法として、載置ステージ２に対象物を載置しない状態で高さを測定するように光学系を調節した撮像装置により載置ステージ面を撮像して得られた画像について解析処理を行うことにより換算係数が求められる。このように、換算係数は載置ステージと撮像装置との位置関係、撮像装置の光学系の特性に応じて定まるものである。

載置ステージに関係することとしては、上下方向への移動調節量がある。非常に微細な高さ（数十〜数百ｎｍ程度）を測定する場合には、載置ステージの移動調節手段としてピエゾ効果によるピエゾステージを用いるのがよい。それよりは粗い程度の微細な高さ（数十〜数百μｍ程度）を測定する場合には、載置ステージの移動調節手段としてパルスモータによるパルスステージを用いるのがよい。

図７は非常に微細な高さを測定する際にピエゾステージを用いた場合において実測したステージ移動量と計測値との関係を示すグラフである。ステージ面には対象物を載置せずにフィルター付きマスクを備えた撮像光学系を有する撮像装置によりステージ面を撮像し測定値を得る必要があるので、ステージ面が無地で平坦均一なものでは合焦が容易でなく、測定に適切ではないことになる。このような場合には載置ステージにおいてマーク等の識別部を付設しておくのがよい。このような識別部としては撮像光学系における異なる色のフィルターにより分離した画像が識別し易い色のものとするのがよい。

撮像装置の撮像光学系の調節により識別部を付設した載置ステージの面に合焦させ、その状態で載置ステージを上下に移動調節する。ある距離だけ載置ステージを移動させた時に撮像装置により撮像を行うと、画像中に載置ステージ面に付設された識別部についての異なる色で分離した像が得られる。この異なる色で分離した像の重心位置の間隔を画像解析により求め、この重心位置の間隔と載置ステージの移動量とをデータとして取得する。載置ステージの移動量を逐次変えて、同様に分離した像の重心位置の間隔と載置ステージの移動量との関係を示すデータを取得しプロットし、グラフとして示された点を代表する直線を検量線として、検量線の傾きが換算係数となる。図７はこのようなプロットされた点及び検量線を示している。

図７のグラフの横座標はピエゾステージの移動量（ｎｍ）であり、縦座標は撮像された画像における座標を表している。縦座標は異なる色で分離した像の重心位置の間隔を撮像素子の画素間隔に応じた量として表したもので、単位は任意として示している。式（６）では言えば分離した像の重心位置の間隔ｄと高さΔａとの比例関係を表すものとして換算係数ｋを考えたが、実際の測定では撮像装置の特性に応じた量をもとにした方が便宜的であるので、図７の縦座標に示される撮像装置で読み取られた量を分離した像の重心位置の間隔とし、それとピエゾステージの移動量との比例関係を換算係数として考えるのがよい。

図８は、微細さにおいてはより程度の低い高さを測定するための移動調節手段としてパルスモータを用いたパルスステージの場合について、同様にステージを移動調節して実測したステージ移動量と計測値との関係を示すグラフである。この場合の測定手順に関してはピエゾステージの場合と同様であり、また、実際に撮像素子で読み取られた任意単位として示される縦軸における分離した像の重心位置の間隔とパルスステージ移動量との比例関係を換算係数として用いることも同様である。

図７、図８に示されるように、ステージの基準位置においてステージの面に撮像装置の焦点合わせを行った上で、ステージを上下方向に移動調節した時におけるステージ面の識別部についての異なる色で分離した像の間隔とステージの移動量との換算係数を求めておくことにより、ステージに載置された試料の基準面を基準位置として撮像装置の焦点合わせを行った時に撮像装置での撮像により得られた画像における凸部または凹部について異なる色で分離した画像の重心位置の間隔を求め、これと換算係数とから凸部の高さまたは凹部の深さを算出することができる。

以上は、対象物の基準表面に対して高さを有する凸部の場合について述べたのであるが、対象物が基準表面より低い凹部を有するものである場合にも、同様の手順により凹部の深さが測定される。凹部の場合、撮像光学系による対象物についての結像状態は図２の場合と異なって、物体平面ＯＰより下側の位置の物点が基準像平面ＩＰより手前側の位置に結像するようになり、フィルターＦ１，Ｆ２を通った光線の基準像平面ＩＰ上での位置関係は凸部の場合と逆になった形で基準像平面ＩＰに配置された撮像素子により異なる色で分立した像が得られる。

この場合にも、撮像素子で得られる異なる色で分離した対象物の凹部についての像の重心位置の間隔が凹部の深さに比例することは、凸部の場合と同様に導かれる。ただし、実際に深さを測定するためには、深さの場合についての換算係数を求めるのがよい。深さの場合についての換算係数を求めるには、ステージを基準平面より下降させて撮像装置により撮像するという手順になり、その他は凸部の高さの場合と同様である。対象物の照明装置について言えば、凹部の場合に指向性の強い光では影が生じ、測定上不利な面があるので、指向性の強くない照明光源を用いるか、拡散板を介して照明するというような形、あるいは対称位置からの複数の照明光源での照明、リング状照明光源を用いるというような照明手段にするのがよい。

以上のように、設定された撮像装置に対しての換算係数を求めた上で、載置ステージ上に載置された対象物の基準表面に焦点合わせを行って撮像し、凸部または凹部についての異なる色で分離した像の重心位置の間隔を求め、その重心位置の間隔と換算係数とから凸部の高さまたは凹部の深さを求めることができる。図９はこのように凸部の高さまたは凹部の深さを求める過程をフロー図として示すものである。

撮像装置の撮像光学系の調節による焦点合わせとしては、手動的な調節によるものが基本となる。対象物の表面に凹凸が密に存在するものでは自動的合焦がなされない場合がある。また、測定対象となる範囲において対象物の表面に凹凸が密に存在し、基準表面に対して焦点合わせを行うのが難しい場合に、基準表面における他の箇所において焦点合わせを行った後に対象物と撮像装置との水平方向（光軸に垂直の方向）の位置関係をずらして測定を行うというようにしてもよい。そのためには、載置ステージと撮像装置とを相対的に水平方向に変位調節可能に設けるようにする。また、レンズに収差がある場合、同じ高さでも、画像の位置によっては重心位置の間隔が異なるため、予め収差の影響を測定し、画像処理で重心位置の間隔に反映するようにする。

撮像装置の撮像素子としては、ＣＣＤによるもののほか、ＣＭＯＳによるものとしてもよい。撮像光学系としては近接撮像光学系、顕微鏡光学系のようなレンズ系を用いることができ、複数枚のレンズからなるレンズ系の場合に、光軸に関して対称的な形状、大きさの１対の窓部を有しそれぞれの窓部に異なる色のフィルターが付設されたフィルター付マスクが主面の間に配設される。

フィルターとしては異なる色を透過するものとして種々の組み合わせが考えられるが、通常撮像素子がＲ、Ｇ、Ｂに色分解して処理すること、色収差を考慮した場合に、赤と緑、あるいは緑と青の組み合わせがよいと言える。フィルターを付設する窓部の間隔は長い方が分離した像の重心位置の間隔が大きくなるという意味で効果的ではあるが、光強度が弱くなることでは不利である。そのため、レンズ径の半分程度が最適である。窓部の寸法はレンズ径の１／４程度がよい。

本発明による高さ測定の原理を説明するための図である。本発明による高さ測定の原理を説明するための図である。（ａ）フィルター付マスクの例を示す平面図である。（ｂ）フィルター付マスクの他の例を示す平面図である。本発明による高さ測定装置の構成を概略的に示す図である。（ａ）高さ測定についての対象物の例として電子部品の表面を通常の撮像装置で撮像した際の状態を示す図である。（ｂ）（ａ）で表される対象物について本発明の高さ測定によるフィルター付マスクを備えた撮像光学系を有する撮像装置で撮像した場合の状態を示す図である。（ａ）高さ測定についての対象物の他の例として電子部品の表面を通常の撮像装置で撮像した際の状態を示す図である。（ｂ）（ａ）で表される対象物について本発明の高さ測定によるフィルター付マスクを備えた撮像光学系を有する撮像装置で撮像した場合の状態を示す図である。対象物載置用にピエゾステージを用いた場合のステージ移動量と撮像された画像中の異なる色で分離した像の重心位置の間隔との関係についての実測値を示すグラフである。対象物載置用にパルスステージを用いた場合のステージ移動量と撮像された画像中の異なる色で分離した像の重心位置の間隔との関係についての実測値を示すグラフである。本発明による高さの測定における過程を示すフロー図である。

符号の説明

１基台
２載置ステージ
３ステージ駆動手段
４支柱
５腕部
５ａロック用ノブ
６撮像部
７レンズ鏡胴
８，Ｌ撮像用レンズ
９フィルター付マスク
１０解析処理部
Ｍフィルター付マスク
Ｆ１フィルター
Ｆ２フィルター
Ｓ試料（対象物）

Claims

上下方向に移動調節可能な載置ステージ上に載置された対象物を撮像して得られた画像の処理を行うことにより該対象物における基準表面からの凸部の高さまたは凹部の深さを測定する方法であって、
前記上下に移動可能な載置ステージ上に対象物を載置することと、
光軸に関して対称的に配設された１対の窓部にそれぞれ異なる色のフィルターが設けられてなり該フィルター以外の部分が遮光性であるフィルター付マスクを含む撮像光学系と撮像素子とを備えた撮像装置を前記載置ステージに対して固定され上方から対象物を撮像可能な状態に配置することと、
前記載置された対象物の基準表面に対して合焦するように前記撮像装置の撮像光学系を調節することと、
前記対象物の基準表面に対して合焦した状態で対象物を撮像して得られた画像における対象物の凸部または凹部についての異なる色で分離した像の重心位置の間隔を算出するとともに撮像時の状態での撮影光学系に関して予め求められた前記分離した像の重心位置の間隔と凸部の高さまたは凹部の深さとの比例関係を表す換算係数と前記算出された分離した像の重心位置の間隔とから対象物の基準表面に対する凸部の高さまたは凹部の深さを算出することと、
からなることを特徴とする高さを測定する方法。
前記分離した像の重心位置の間隔と凸部の高さまたは凹部の深さとの比例関係を表す換算係数を求めるに際し、前記載置ステージ面上に識別部を付設しておき、配置された撮像装置により対象物を載置しない状態で載置ステージ面に焦点を合わせた状態で載置ステージを上下に移動させて載置ステージ面を撮像し、得られた画像における前記載置ステージ上の識別部についての異なる色で分離した像の重心位置の間隔と前記載置ステージの移動距離との関係を検量線として求めることにより換算係数を算出するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の高さを測定する方法。
上下方向に移動調節可能な載置ステージと、
光軸に関して対称的に配設された１対の窓部にそれぞれ異なる色のフィルターが設けられてなり該フィルター以外の部分が遮光性であるフィルター付マスクを含む撮像光学系と撮像素子とを備え前記載置ステージに対して固定され上方から前記載置ステージ上に載置された対象物を撮像可能な状態に配置された撮像装置と、
前記撮像装置により撮像された前記載置ステージ上に載置された対象物の画像について解析処理を行って対象物における凸部の高さまたは凹部の深さを算出する解析処理部と、
を備えてなり、前記解析処理装置は前記載置ステージ上に載置された対象物の基準表面に対して合焦した状態で対象物を撮像して得られた画像における対象物の凸部または凹部についての異なる色で分離した像の重心位置の間隔を算出するとともに撮像時の状態での撮像光学系に関して予め求められた前記分離した像の重心位置の間隔と凸部の高さまたは凹部の深さとの比例関係を表す換算係数と前記算出された分離した像の重心位置の間隔とから対象物における基準表面からの凸部の高さまたは凹部の深さを算出するようにしたことを特徴とする高さ測定装置。
前記分離した像の重心位置の間隔と凸部の高さまたは凹部の深さとの比例関係を表す換算係数は、前記載置ステージ面上に識別部を付設しておき、配置された撮像装置により対象物を載置しない状態で載置ステージ面に焦点を合わせた状態で載置ステージを上下に移動させて載置ステージ面を撮像し、得られた画像における前記載置ステージ上の識別部についての異なる色で分離した像の重心位置の間隔と前記載置台の移動距離との関係を検量線として求めることにより算出されたものであることを特徴とする請求項３に記載の高さ測定装置。