JP6606159B2 - ピンホールアレイを使用した物体の共焦点イメージング - Google Patents

Description

本発明は、検査装置に関し、詳細には物体の表面をイメージングするための共焦点検査装置に関する。

電子パッケージング用途において、物体または加工物の検査は、最終製品の品質を確認するために一般的に必要とされる。かかる検査の場合に、共焦点イメージング技術は、高解像度二次元画像を生成することが可能である。さらにまた、高精度の三次元プロファイル検査が、ワイヤボンディングプロセス制御におけるボール厚さ測定などの電子パッケージングのための多数の検査用途にとって望ましい。

共焦点イメージングに対する1つのアプローチに関して、1つまたは複数のピンホールを備えるプレートの使用は、イメージングのために使用される光学系に進入する焦点外光線を除外するのに役立つため重要な進展である。しかし、かかるピンホールプレートは、より良好な品質のイメージングデータを取得するために共焦点システムによってキャプチャされる光を制限する。より高密度のエリア像を取得するためには、左右スキャニングがより良好な画像データの取得のために一般的に必要とされる。スキャニング速度の改善を考慮して、複数のピンホールを備える回転ディスクの使用がエリアイメージング共焦点システムにおいて広く採用される。

かかる回転ディスクは、図1に示すニプコー円板100を備え得る。ニプコー円板100は、観察すべき物体116を照明するための光源102と、回転軸108の周りを回転するマイクロレンズディスク106およびピンホールディスク110とを一般的に備える。マイクロレンズディスク106は、マイクロレンズ104を含み、ピンホール112を含むピンホールディスク110の前段に配置される。それぞれのピンホール112が、関連付けられたマイクロレンズ104を有する。各マイクロレンズ104は、広帯域の光をキャプチャし、各ピンホール112にこれを合焦させるように構成され、したがって各ピンホール112内に送られる光量を著しく増加させ、回転ピンホールディスク110により阻止される光量を減少させる。

光源102からの照明は、マイクロレンズディスク106とピンホールディスク110との間に位置決めされたビームスプリッタ122を通され、次いで対物レンズ114により物体116上に合焦される。物体116の像が、ビームスプリッタ122により集束レンズ118に向かって反射され、この集束レンズ118が、センサまたはカメラ120上に物体116の像を合焦する。ニプコー円板100は、そのピンホールディスク110が一定の角速度で回転しているときに像を継続的にキャプチャし得るエリアスキャニング共焦点システムにおいて最も一般的に採用される構成である。

ピンホールディスク110は、金属、プラスチック、またはボール紙などの任意の適した材料から作製することができ、相互に等距離で離間された均一直径のピンホール112のパターンを有する。ピンホール112は、円形または正方形であってもよい。これらのピンホール112は、ピンホールディスク110の外径点からスタートしピンホールディスク110の中心へと進む一巻き螺旋を実質的に形成するように位置決めされ得る。ピンホールディスク110が回転すると、ピンホール112は、円形リングパターンを描き、これらの円形リングパターンの内径および外径は、ピンホールディスク110上における各ピンホール112の位置と、各ピンホール112の直径に等しい太さとによって決まる。円形リングパターンは、ピンホールディスク110の構造精度に応じて部分的に重畳するまたはしない場合がある。対物レンズ114は、対物レンズ114の正面の物体116の像をピンホールディスク110上に直接的に投影する。

螺旋中の各ピンホール112は、カメラ120により明エリアおよび暗エリアのパターンとして捉えられる像の断片を描く。ピンホールディスク110を回転させているときに、例えばディスクの1/4角部分または1/8角部分（angular quarter or eighth）などピンホールディスク110の比較的小さな部分を通してピンホールディスク110を通して物体116を観察すると、物体116は、観察のために選択されたその部分に応じて、初めは長さ方向もしくは高さ方向またはさらには対角線方向に、ラインごとにスキャンされて見える。ピンホールディスク110を十分な速さで回転させることにより、物体116は、完全に見えるようになり、物体の全てのエリアをキャプチャすることが可能となる。再現される像のサイズは、ピンホールディスク110のサイズにより決定され、ディスクがより大きい程より大きな像が生成される。

ニプコー円板100の設計は、ピンホールディスク110の回転を必要とし、その利点は、ピンホールディスク110が一定の角速度で回転している場合にかかる検査システムが像を継続的にキャプチャし得る点である。しかし、ニプコー円板100は、ピンホールパターンがピンホールディスク110の回転軸108の周りを移動または回転することが必要であるため、イメージングされているエリアに対して非常に大きな直径を有するピンホールディスク110を必要とする。さらに、ピンホール112は、ピンホールディスク110中に分散し、回転軸108からそれぞれ異なる距離に位置するため、各ピンホール112の速度がその角速度とその回転軸108からの径との積であることによりそれぞれ異なる速度で移動している。そのため、ピンホール112は、イメージングセンサまたはカメラ120上にそれぞれ異なる露光時間を効果的に与える。なぜならば、露光は、ピンホール112の速度に反比例するからである。良好な均一性が得られるとすれば、それは、角度開口が非常に狭く、それにより回転ピンホールディスク110の寸法に対して制約が課される場合にのみ実現され得る。

したがって、回転ディスクアプローチは、検査システム、特に種々の解像度、視野、および被写界深度を有する光学構成要素を備える検査システムにとって望ましくない。かかる検査システムは、高解像度光学系を使用したボールボンドと、より低い解像度のみが可能なより高い被写界深度光学系を使用したボールボンドに装着されたボンディングワイヤとの両方の検査を必要とするワイヤボンディングボールボンド検査などの用途において必要とされる。

したがって、本発明の目的は、前述の先行技術の欠点の少なくともいくつかを回避する比較的コンパクトな検査装置の提供を追求することである。

本発明の第1の態様によれば、物体を検査するための共焦点イメージング装置が提供される。この装置は、物体を照明するために光を投影するように作動する光源と、物体とイメージングデバイスとの間に位置する光路に沿って物体から反射された光を受けるためのイメージングデバイスと、物体から反射された光が通されるように光路に沿って位置決めされた複数のピンホールを備えるピンホールアレイと、物体の実質的に連続するエリアに対応する像をイメージングデバイスに伝達するために光路を横切る直線方向に単軸に沿ってピンホールアレイを移動させるための機構とを備える。

本発明の第2の態様によれば、共焦点イメージング装置を使用して物体を検査するための方法が提供される。この方法は、物体上に光源からの光を投影することにより物体を照明するステップと、物体とイメージングデバイスとの間に位置する光路に沿って物体から反射された光をイメージングデバイスを用いて受けるステップであって、物体から反射された光は、光路に沿って位置決めされた複数のピンホールを備えるピンホールアレイを通される、ステップと、物体の検査のために物体の実質的に連続するエリアに対応する像をイメージングデバイスに伝達するために、光路を横切る直線方向に単軸に沿ってピンホールアレイを移動させるステップとを含む。

以下、本発明の特定の好ましい実施形態を示す添付の図面を参照として本発明をさらに詳細に説明することが好都合であろう。図面および関連する説明の特殊性は、特許請求の範囲により定義されるような本発明の広範的な特定の普遍性に代わるものとして理解されるべきではない。

以下、本発明による共焦点検査装置の一例が、添付の図面を参照として説明される。

物体表面をスキャンするために使用される従来技術のニプコー円板の等角図である。 本発明の好ましい実施形態による共焦点検査装置の等角図である。 図2に示す共焦点検査装置と共に使用可能であるピンホールアレイの平面図である。 ピンホールアレイの使用に関連する例示の像キャプチャシーケンスを示すグラフである。 本発明の好ましい実施形態による共焦点検査装置により取得された固定式ピンホールアレイの画像を示す図である。 本発明の好ましい実施形態による共焦点検査装置により取得された共焦点像の画像を示す図である。

図2は、本発明の好ましい実施形態による共焦点イメージング原理を利用した共焦点検査装置10の等角図である。共焦点検査装置10は、物体36を照明するために光を投影するように作動する光源12を備える。光源12は、集光レンズ14を通過しその後フレネルレンズ16を通る光線を発生する。この光線は、次いで第1のミラー18により偏光ビームスプリッタ20に向かって反射される。

偏光ビームスプリッタ20は、ピンホールアレイ22（複数のピンホール24を有するピンホールプレートを備える）およびチューブレンズ26を通り第2のミラー28上へと光路に沿って光線を送る。第2のミラー28は、光線を反射して有色素子30、1／4波長板32、および対物レンズ34に通過させ、この対物レンズ34が、検査対象の物体36上で光線を合焦させる。共焦点検査装置10は、単一のピンホールの代わりにピンホールアレイパターンがピンホールプレート上に作製される点で、従来の有色共焦点システムとは異なる。偏光ビームスプリッタ20および1／4波長板32は、様々なレンズの表面上での内部迷光線を抑制するように機能する。

物体36から反射された光線は、対物レンズ34、1／4波長板32、有色素子30、第2のミラー28、チューブレンズ26、およびピンホールアレイ22を通り偏光ビームスプリッタ20に向かって光路に沿って送り戻される。したがって、光源12から投影される光は、物体36を照明する前および物体36から反射された後の両方においてピンホールアレイ22を通過する。かように受けられた光線は、偏光ビームスプリッタ20を通り結像レンズ38上に送られ、結果として得られる像は、CCDカメラ40などのイメージングデバイスによりイメージングされる。

図3は、図2に示す共焦点検査装置10と共に使用可能なピンホールアレイ22の平面図である。ピンホールアレイ22を使用することにより、ピンホール24のアレイを組み込んだ全エリアが、単軸に沿ったピンホールアレイ22の移動によって共焦点像の取得のために効果的に使用され得る。したがって、最終システムは、サイズが小型になるように構成され得る。

ピンホールアレイ22の構成では、ピンホール24はそれぞれ、直径Dを有し、規則的なマトリクスパターンまたはマトリクス構成で配置され、各ピンホール24は、方向xにおいては幅Xだけ、および方向yにおいては高さYだけ別のピンホールから離間される。換言すれば、伝達比Tは、以下の通りである。
T=πD²/(4XY) (1)

ピンホール24は、図3に示すように、マトリクスパターンがピンホールアレイ22により移動される直線方向に対して特定の角度θにて傾斜される場合に移動されるべきであり、それにより、像の視野は、ピンホールアレイ22の単軸移動によって完全に網羅され得る。θの計算方法は以下の通りである。
1. 方向xにおける2つの隣接し合うピンホールAおよびBにより生成される2つのスキャンライン間の距離をX・sinθとする。
2. 方向yにおける2つの隣接し合うピンホールAおよびCにより生成される2つのスキャンライン間の距離をY・cosθとする。

均一に分布したスキャンラインを得るためには、Y・cosθは、X・sinθの整数倍であるべきであり、すなわち
Y・cosθ=N・X・sinθ
であり、これにより以下が得られる。
θ=tan^-1(Y/(N・X)) (2)

値Nは、ピンホールスキャンラインが所望の視野の全てを完全に網羅し得るように選択されるべきである。また、N・Xの値は、Y・cosθよりも大きくなければならない。例えば、2つの隣接し合うスキャンラインが、幅の半分だけ重畳し合う場合には、
N・X≒2Y・cosθ
が必要となる。

θが小さい場合には、cosθ≒1であり、したがって以下となる。
N=[2Y/D] (3)

重畳量は、スキャンライン42に対して直角な方向における像の強度均一性に影響し得ることが見受けられる。しかし、強度パターンが一定であるため、均一性のかかる変動は較正により補償され得る。

選択されたエリアの完全スキャンを実現するためには、ピンホール24の移動距離T_dは、以下の通りであるべきことが分かる。
T_d=K・(N・X・cosθ+Y・sinθ)-D (4)
ここで、Kは正の整数である。

例えば、10μmの直径をそれぞれ有する円形ピンホール24を備えるピンホールマトリクスが、約1/40の目標伝達比を有し得る。隣接し合うピンホール24は、相互に影響し合い、アーチファクトを発生させる場合があるため、伝達比の値は、大きすぎるべきではない点に留意されたい。一般的に、方向xに隣接し合うピンホール24間の離間距離(X)は、方向xに対して直角な方向yに隣接し合うピンホール24間の離間距離(Y)と等しいべきであり、それによってピンホール24間のクロストークは、方向xおよび方向yの両方に沿って等位的になる。したがって、等式(1)から以下のようになる。
X=Y=(40×π×10²/4)^1/2
=56μm
また、等式(3)から以下のようになる。
N=[2×56/10]
=11

等式(2)によれば、線形移動軸に対するピンホールアレイ22の傾斜角度は、以下の通りであるべきである。
θ=tan^-1(Y/(N・X))
= tan^-1(1/11)=5.19°

等式(4)においてk=1である場合には、ピンホールアレイ22についてのスキャン距離は、以下の通りである。
T_d>(11・56・cos(5.19°)+56・sin(5.19°)-10)=608.5μm

上記で説明したように、角度θは、物体の実質的に連続したエリアの全てが直線方向のみへのピンホールアレイ22の移動を利用してCCDカメラ40に伝達可能であるように選択される。さらに、角度θは、物体36の実質的に連続するエリアの像の視野が直線方向へのピンホールアレイ22の移動により完全に網羅されるように選択される。

二方向周期移動が実施されることが、ピンホールアレイ22のこの構成の下においては好ましい。これは、ピンホール24を備えるピンホールプレートが、各スキャンオペレーションのたびに実質的に一定の速度にて光路に対して直線方向に前後に交互に移動されることを意味する。

図4は、ピンホールアレイ22の使用に関連して例示の像キャプチャシーケンスを示すグラフである。像キャプチャシーケンスは、一般的に3つのステージを含む。

第1のステージの最中に、ピンホールアレイ22は、指定速度までスキャン方向42に沿って加速される。CCDカメラ40の第1の像露光が開始され44、その間にピンホールアレイ22の速度は前方方向46へと一定に維持される。

第2のステージの最中に、ピンホールアレイ22が一定速度で移動しているときに、カメラ露光は、作動し、ピンホールアレイ22が所定の移動距離に到達するまで継続される。その時点にて、第1の像のカメラ露光が終了し（48）、CCDカメラ40からのデータが処理のためにプロセッサに転送される。

第3のステージの最中に、ピンホールアレイ22は、完全に停止するまで減速される。特定の時間量が、ピンホールアレイ22の移動方向を後方へと逆転するために必要とされる。かかる時間間隔は、視野の切替えまたは鉛直方向スキャンのためのカメラの高さの変更などの他の同期的移動のために使用され得る（50）。

その後、ピンホールアレイ22は、指定された一定の速度まで後方に加速され、CCDカメラ40の第2の像露光が開始される（52）。ピンホールアレイ22が、後方方向に一定速度にて移動している（54）ときに、カメラ露光は、ピンホールアレイ22が所定の移動距離に到達するまで継続される。その時点にて、第2の像のカメラ露光が終了し（56）、ピンホールアレイ22は完全に停止するまで減速される。

前述のサイクルは、物体36の所望の像の全てがキャプチャされるまで継続する。

図5Aおよび図5Bは、本発明の好ましい実施形態による共焦点検査装置によってそれぞれ取得された固定式ピンホールアレイおよび共焦点像の画像である。図5Aでは、画像60は、ピンホール24の傾斜マトリクスを示す。図5Bでは、キャプチャ画像62は、ピンホールアレイ22が像キャプチャプロセスの最中にスキャン方向42に沿って移動された後の、検査対象のエリア全体を含む視野を示す。

本発明の好ましい実施形態による共焦点検査装置10は、ピンホールアレイ22のサイズを大幅に縮小可能にし、したがって共焦点検査装置10の全体サイズを縮小可能にする単軸移動システムを使用したピンホールスキャン構成を実現する点を理解されたい。ピンホールアレイ22のエリアは、効果的に利用され得る。特に、従来技術で使用される回転移動システムと比較した場合に、線形移動システムのサイズは、はるかによりコンパクトになるように構成され得る。結果として、共焦点光学系の全体サイズが縮小可能になる。さらに、ピンホールパターンは、規則的なグリッドのパターンなどの単純な分布を備えることも可能になる。

さらに、図示する共焦点検査装置10は、検査対象の視野全体に対して良好な強度均一性が実現され得るように設計されたピンホールパターンを有する。

本明細書で説明される本発明は、具体的に説明したもの以外の変形、修正、および/または追加を受け得るものであり、本発明は、上記の説明の主旨および範囲内に含まれる全てのかかる変形、修正、および/または追加を含む点を理解されたい。

100 ニプコー円板
102 光源
104 マイクロレンズ
106 マイクロレンズディスク
108 回転軸
110 ピンホールディスク
112 ピンホール
114 対物レンズ
116 物体
118 集束レンズ
120 センサまたはカメラ
122 ビームスプリッタ
10 共焦点検査装置
12 光源
14 集光レンズ
16 フレネルレンズ
18 第1のミラー
20 偏光ビームスプリッタ
22 ピンホールアレイ
24 ピンホール
26 チューブレンズ
28 第2のミラー
30 有色素子
32 1／4波長板
34 対物レンズ
36 物体
38 結像レンズ
40 CCDカメラ
42 スキャンライン

Claims (15)

1. 物体を検査するための共焦点イメージング装置であって、
   前記物体を照明するために光を投影するように作動する光源と、
   前記物体とイメージングデバイスとの間に位置する光路に沿って前記物体から反射された光を受けるためのイメージングデバイスと、
   前記物体から反射された光がピンホールアレイを通されるように前記光路に沿って位置決めされた複数のピンホールを備えるピンホールアレイと、
   前記物体の実質的に連続するエリアに対応する像を前記イメージングデバイスに伝達するために前記光路を横切る直線方向へと単軸に沿って前記ピンホールアレイを移動させるための機構と、
   を備え、
   前記ピンホールアレイは、矩形状のマトリクス構成に分布した複数のピンホールを有するピンホールプレートを備え、
   前記矩形状のマトリクス構成は、前記ピンホールアレイが移動する直線方向に対してある角度で傾斜される、共焦点イメージング装置。
2. 前記ピンホールアレイは、前記光源から投影された光が前記物体を照明する前に前記ピンホールアレイを通されるように位置決めされる、請求項１に記載の共焦点イメージング装置。
3. 前記角度は、前記物体の実質的に連続するエリアの全体が、前記直線方向のみへの前記ピンホールアレイの移動を利用して前記イメージングデバイスに伝達可能となるように選択される、請求項１に記載の共焦点イメージング装置。
4. 前記角度は、前記物体の実質的に連続するエリアの像の視野が、前記直線方向への前記ピンホールアレイの移動により完全に網羅されるように選択される、請求項１に記載の共焦点イメージング装置。
5. 前記マトリクス構成の第１の方向（Ｘ）において隣接し合うピンホール間の離間距離が、前記第１の方向に対して直角な第２の方向（Ｙ）において隣接し合うピンホール間の離間距離に等しい、請求項１に記載の共焦点イメージング装置。
6. 前記ピンホールアレイは、各検査オペレーションのたびに実質的に一定の速度にて前記光路に対して前記直線方向に前後に交互に移動されるように構成される、請求項１に記載の共焦点イメージング装置。
7. 前記イメージングデバイスの像露光は、前記ピンホールアレイが所定の移動距離に到達するまで、前記実質的に一定の速度での前記ピンホールアレイの移動中に作動する、請求項６に記載の共焦点イメージング装置。
8. 前記ピンホールアレイと前記物体との間の光路に沿って位置決めされた有色素子および１／４波長板をさらに備える、請求項１に記載の共焦点イメージング装置。
9. 前記イメージングデバイスは、ＣＣＤカメラを備える、請求項１に記載の共焦点イメージング装置。
10. 共焦点イメージング装置を使用して物体を検査するための方法であって、
    前記物体に光源からの光を投影することにより前記物体を照明するステップと、
    前記物体とイメージングデバイスとの間に位置する光路に沿って前記物体から反射された光を前記イメージングデバイスを用いて受けるステップであって、前記物体から反射された光は、前記光路に沿って位置決めされた複数のピンホールを備えるピンホールアレイを通される、ステップと、
    前記物体の検査のために前記物体の実質的に連続するエリアに対応する像を前記イメージングデバイスに伝達するために、前記光路を横切る直線方向に単軸に沿って前記ピンホールアレイを移動させるステップと、
    を含み、
    前記ピンホールアレイは、矩形状のマトリクス構成に分布した複数のピンホールを有するピンホールプレートを備え、
    前記矩形状のマトリクス構成は、前記ピンホールアレイが移動する直線方向に対してある角度で傾斜される、方法。
11. 前記ピンホールアレイは、前記光源から投影される光が前記物体を照明する前に前記ピンホールアレイを通されるように位置決めされる、請求項１０に記載の方法。
12. 前記角度は、前記物体の実質的に連続するエリアの全体が、前記直線方向のみへのピンホールアレイの移動を利用して前記イメージングデバイスに伝達可能となるように選択される、請求項１０に記載の方法。
13. 第１の検査オペレーションにおいて前記直線方向に前方へと前記ピンホールアレイを移動させるステップと、その後、第２の検査オペレーションにおいて実質的に一定の速度にて前記光路に対して前記直線方向に後方へと前記ピンホールアレイを移動させるステップと、をさらに含む、請求項１０に記載の方法。
14. 前記ピンホールアレイが所定の移動距離に到達するまで、前記実質的に一定の速度での前記ピンホールアレイの移動中に前記イメージングデバイスの像露光を作動させるステップをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
15. 前記イメージングデバイスは、ＣＣＤカメラを備える、請求項１０に記載の方法。