JPH07311025A - ３次元形状検査装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】被計測物体の形状検査にかかる時間を大幅に短
縮し得る高速の３次元形状検査装置を提供することを目
的とする。 【構成】この発明では、分散配置された複数の計測点で
得られた高さデータを用いて予め概ねの形状が既知の被
計測物体のピーク高さを検査する３次元形状検査装置に
おいて、被計測物体の計測対象領域を特定する領域特定
手段と、前記特定された領域に含まれる計測点の計測値
に基づき被計測物体のピーク高さを近似推定する近似推
定手段とを備えるようにしている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は共焦点光学系を応用し
た３次元形状検査装置に関し、特に被計測物体のおおよ
その表面形状が既知である、例えばＩＣ実装用ハンダバ
ンプなどの形状を高速に検査する３次元形状検査装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】近年、
エレクトロニクス分野等において、実装工程の高密度化
・集積化が進んでおり、小さな両面配線基板に球形状の
ハンダをアレイ状に配列した表面実装型ＬＳＩパッケー
ジ（プラスチックＢＧＡ(ball grid array)）が注目さ
れつつある。

【０００３】このプラスチックＢＧＡを採用するときの
最も大きな問題は検査であり、ハンダバンプやハンダペ
ーストの３次元形状を自動で高速に且つ高精度に検査す
る要求が高まってきている。特に、フリップチップ、Ｔ
ＣＰ（Tape Carrier Package）の実装においては、信頼
性の面からハンダバンプの形状、特に高さが均一でなけ
ればならず、チップ上に２次元配列された全てのバンプ
の高さを高速に検査する必要がある。

【０００４】このような立体の３次元形状を計測する技
術には種々のものがあるが、なかでも共焦点光学系を応
用した装置は光軸方向の分解能が高いという優れた特徴
を持っており、ＵＳＰ４８０６００４号、特開平４−２
６５９１８号公報等にその技術開示がなれている。

【０００５】これら各技術の共通構成を図２５に示す。

【０００６】図２５において、光源８０から発せられた
光はレンズ８１、８２によって拡大されてピンホールア
レイ８３に入射されることにより、アレイ状に配列され
た複数の光点から発せられる光となる。これらの光はハ
ーフミラー８４を介して対物レンズ８５に入射され、対
物レンズ８５によって被計測物体８６上に入射される。
被計測物体８６の表面で反射されたアレイ状の光はハー
フミラー８４によって反射され、ピンホールアレイ８７
を介して光検出器アレイ８８に入射される。

【０００７】かかる構成において、制御処理部９０によ
り共焦点光学系または被計測物体８６が載置されたステ
ージ８９を光軸方向（Ｚ方向）に移動させながら光検出
器アレイ８８上に焦点を結ばせて、その受光量が最大と
なる移動位置をもって、被計測物体８６の反射点の高さ
とする。このような処理を、光検出器アレイ８８に入射
された各光について行えば、被計測物体表面の各位置の
高さを検出することができる。

【０００８】すなわち、上記従来技術によれば、ピンホ
ールアレイ８３、８７によって共焦点光学系ユニットを
Ｘ−Ｙ平面上でマトリクス状に並設することにより、被
計測物体の各位置における高さを測定するようにしてい
る。

【０００９】ところで、共焦点光学系は、光検出器の前
に配設したピンホール等によってその開口を制限するこ
とにより、焦点が外れた位置からの反射光を除去するこ
とによって、光軸方向に高い分解能を得ている。従っ
て、アレイ状に配設した各共焦点光学系ユニットが光学
的な干渉を避け、上記特性を充分に活かすためには、ピ
ンホールアレイのピンホールの間隔は充分な距離が必要
となる。

【００１０】このように上記従来技術によれば、被計測
物体表面に照射される光点の分解能（ピッチ）には下限
があるので、一回の測定ではＸ−Ｙ方向に連続的なデー
タを得ることができない。

【００１１】このため、ＵＳＰ４８０６００４号では、
被計測物体又は共焦点光学系をＸ−Ｙ方向に走査する走
査手段を設け、該走査手段によってピンホールのピッチ
間隔より小さなピッチで被計測物体又は共焦点光学系を
走査しながら計測を行うことによってＸ−Ｙ方向の分解
能を上げるようにしている。

【００１２】しかし、上記のように被計測物体又は共焦
点光学系を走査することによってＸ−Ｙ方向の分解能を
上げる手法では、計測時間が非常に長くなるという問題
がある。また、Ｘ−Ｙ方向に極く短いピッチで走査を行
わなければならないので、走査手段の走査精度が重要に
なり、駆動系がコスト高になるという問題がある。

【００１３】ところで、ＩＣ実装用のハンダバンプの形
状検査などでは、被計測物体（ハンダバンプ）は、集積
化基板やウエハ上の限られた領域に位置しているので、
視野全領域での計測データは必要ない。

【００１４】しかし、上記従来技術では、視野内の全領
域の計測データを得るようにしているので、上記従来技
術をＩＣ実装用のハンダバンプの形状検査などの予めお
およその形状が既知である被計測物体の形状検査に適用
した場合は、時間が不必要にかかり過ぎるという問題が
ある。

【００１５】この発明はこのような実情に鑑みてなされ
たもので、被計測物体の形状検査にかかる時間を大幅に
短縮し得る高速の３次元形状検査装置を提供することを
目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】この発明では、分散配置
された複数の計測点で得られた高さデータを用いて予め
概ねの形状が既知の被計測物体のピーク高さを検査する
３次元形状検査装置において、被計測物体の計測対象領
域を特定する領域特定手段と、前記特定された領域に含
まれる計測点の計測値に基づき被計測物体のピーク高さ
を近似推定する近似推定手段とを備えるようにしてい
る。

【００１７】

【作用】かかる本発明によれば、被計測物体の全領域が
計測されるのではなく、領域特定手段によって特定され
た一部の領域が計測対象領域として選定される。

【００１８】さらに、該特定された領域に含まれる計測
点の計測値に基づく近似推定演算処理を行うことにより
被計測物体のピーク高さを得るようにしている。すなわ
ち、計測点のＸ−Ｙ方向の分解能の問題を、計測点を走
査することによってではなく、近似推定演算によって解
決するようにしている。

【００１９】

【実施例】以下、この発明を添付図面に示す実施例に従
って詳細に説明する。

【００２０】図１にこの発明の第１実施例を示す。

【００２１】この実施例装置は、被計測物体が形成され
たワークＷ（例えばウエハ上に配列されたＩＣチップ、
基板上にマトリクス状に形成されたハンダバンプなど）
の全体又は一部を撮像する２次元撮像装置１、共焦点光
学系を利用した３次元形状計測装置２、載置したワーク
ＷをＸ−Ｙ方向に移動するＸ−Ｙ移動ステージ３、およ
び制御処理装置４を有している。

【００２２】２次元撮像装置１は、ワークＷ上の被計測
物体の領域の特定を行うためのもので、その詳細構成例
を図２(a)〜(c)に示す。

【００２３】図２(a)において、タングステンランプな
どの光源１０から発せられた光はレンズ１１で拡大され
た後、ハーフミラー１２、レンズ１３を経由してワーク
Ｗに照射される。ワークＷからの反射光はレンズ１３、
ハーフミラー１２を経由して撮像素子１４上に結像され
る。撮像素子１４は、例えばＣＣＤ型のエリアセンサ
で、その映像出力は制御処理装置４に送られる。

【００２４】また、図２(b)は、円管型の照明１０を用
いたものであり、照明１０から発射された光はワークＷ
に照射され、その反射光がレンズ１３によって撮像素子
１４に結像されるようになっている。

【００２５】図２(c)は、ワーク透過型の例であり、光
源１０から発射された光はワークＷに照射され、その透
過光がレンズ１３によって撮像素子１４に結像されるよ
うになっている。

【００２６】３次元形状計測装置２は、先の図２５に示
したものと同様の共焦点光学系型の構成であり、光軸方
向（Ｚ方向）の移動手段として共焦点光学系全体または
図２５の対物レンズ８５をＺ方向に移動するＺ移動ステ
ージ（図示せず）を有している。この場合、３次元形状
計測装置２はワークＷ上に置かれた被計測物体のピーク
高さを判定するものとする。

【００２７】制御処理装置４は、２次元撮像装置１の映
像データを画像処理し、ワークＷの姿勢位置決め及びワ
ークＷ上の被計測物体の領域の特定処理を行い、その特
定結果に基づいてＸ−Ｙ移動ステージ３を移動制御する
ことにより、ワークＷを３次元形状計測装置２の計測視
野内に移動する。また、３次元形状計測装置２によって
求めた形状データに基づいて被計測物体の高さを判定す
る。

【００２８】図３は、制御処理装置４の詳細を示すもの
で、２次元撮像装置１の映像信号はＡ／Ｄ変換器２０で
デジタルデータに変換された後、フレームメモリ２１に
記憶される。フレームメモリ２１は、第１のフィールド
メモリに映像信号をストアしている間に、第２のフィー
ルドメモリにストアしているデータを出力するというよ
うに、フィールド毎にアクセスを切り換える方式を採用
すると有利である。

【００２９】また、３次元形状計測装置２で得られた形
状データはデジタルＩ／Ｏ２２を介してデータバス２３
に送られ、メインメモリ２４に記憶される。

【００３０】フレームメモリ２１に記憶された２次元撮
像装置の映像信号やメインメモリ２４に記憶された形状
データはＣＰＵ２５によってアクセスされ、後述する各
種の処理が実行される。

【００３１】また、Ｘ−Ｙ移動ステージ３はデジタルＩ
／Ｏ２６を介してデータバス２３に接続され、ＣＰＵ２
５によってアクセス制御される。

【００３２】なお、２７はモニタディスプレイ、２８は
キーボード，マウスなどの入力装置である。

【００３３】上記構成において、２次元撮像装置１は少
なくとも３次元形状測定装置２と同程度あるいはこれよ
り広い視野を持つとともに、３次元形状測定装置２と同
程度あるいはこれより高精細な撮像分解能を有している
事が望ましい。

【００３４】つぎに、上記構成による被計測物体の高さ
検査の処理手順の概要について図４のフローチャートを
参照して説明する。

【００３５】(1)ステップ１００…ワークの姿勢位置の
検出 Ｘ−Ｙステージ３上に載置されたワークＷを２次元撮像
装置１で撮像し、その撮像データに基づいてワークの姿
勢、位置を検出する。検出されたワークの姿勢、位置デ
ータは制御処理装置４に転送され記憶される。

【００３６】(2)ステップ１１０…被計測物体領域の位
置の特定 姿勢、位置が検出されたワークをワークの設計寸法（ワ
ーク上の被計測物体の位置や寸法など）と比較すること
によりワーク上の被計測物体の存在する領域の位置を特
定する。特定した領域の位置データは制御処理装置４へ
転送され、記憶される。

【００３７】(3)ステップ１２０…ワークまたは視野の
移動 位置を特定された被計測物体を３次元形状測定装置２の
最初の視野に置くために、必要なワークの移動量をワー
クの姿勢、座標データから計算し、その計算データに基
づいてＸ−Ｙ移動ステージ３を駆動する。この移動の
際、２次元撮像装置１と３次元形状測定装置２の位置関
係は予め求めておき、ワーク移動量の計算時に参酌す
る。

【００３８】(4)ステップ１３０…３次元形状（高さ）
計測 ３次元形状測定装置２において、共焦点光学系全体また
は対物レンズのみまたはワークをＺ方向に移動させなが
ら、受光部で感知する受光量が最大となる移動位置をそ
の受光点における被計測物体の高さ位置とする。このよ
うな処理を、アレイ状に配列された各受光部に関して各
別に実行する。１視野で被計測物体表面全体を計測でき
ない場合は、視野を切り換えて同様の処理を実行する。

【００３９】なお、視野の切換の際、被計測物体領域の
位置の特定処理によって得られた被計測物体の位置デー
タが参照され、ワーク全体ではなく被計測物体領域のみ
を走査するべく最小限度の視野の切換えが行われる。

【００４０】計測された各高さデータは制御処理装置４
へ転送され、記憶される。ただし、この計測処理で得ら
れる高さデータは共焦点光学系のピンホール間隔に対応
するピッチで得られる。

【００４１】(5)ステップ１４０…特定領域のデータを
選択 ステップ１１０の被計測物体領域の特定処理によって得
られた被計測物体の座標データに基づき、先の処理で得
られた全ての高さデータから被計測物体のピーク位置近
傍のデータを選択する。

【００４２】(6)ステップ１５０…ピーク高さの推定 上記選択した高さデータに基づいて被計測物体のピーク
高さを推定する。

【００４３】(7)ステップ１６０…高さの合否判定 上記得られたピーク高さを予め設定された下限値及び上
限値と比較し、これら下限値及び上限値の範囲内に入っ
ているか否かでワークの合否を判定する。

【００４４】(8)ステップ１７０…終了 合否判定の出たワークは、ステージから降ろされ、必要
に応じて分類される。次に、上記各ステップにおける処
理の詳細について説明する。

【００４５】(1)ワークの姿勢位置検出処理 まず、図４ステップ１００のワークの姿勢位置検出処理
について説明する。

【００４６】ワークの姿勢位置の検出手法として、(a)
２点の位置を求める方法、(b)回転モデルのマッチング
による方法、(c)治具による方法などがある。

【００４７】(a)２点の位置を求める方法 この手法は、ワークの少なくとも２点の位置を特定する
ことにより、ワークの姿勢、位置を決定するものであ
り、２点は(イ)ワーク上の特定パターンとする手法、(ロ)
ワークのエッジ部分とする手法がある。

【００４８】(イ)ワーク上の特定パターンを２点とする
方法 図５(a)〜(c)に示されるような、ワーク上に特別に作り
込まれたパターン（アライメントマーク）をに対応する
２値パターンをモデル登録し、２次元撮像装置１の撮像
データと前記モデル登録パターンをパターンマッチング
することにより２点の位置を特定する。２値パターンで
はなくグレイスケールパターンをモデル登録し、正規化
相関によるマッチングを行ってもよい。

【００４９】また、図６はＩＣチップ３１が形成された
ウエハ３０を示すものであるが、上記アライメントマー
クの代わりに、図示３２で示す領域の画像パターンを用
いるようにしてもよい。すなわち、図６の場合は、ワー
ク上の回路パターン自身がアラーメントマークとして利
用されている。なお、図５(a)(b)で示すアライメントマ
ークはワークの回転に強いものである。

【００５０】(ロ)ワークのエッジ部分を２点とする方法 図７に示すように、直交する２つのラインＡ、Ｂ上の画
像の微分をとることにより、それぞれのライン上のワー
クのエッジの位置を特定する。この場合、分解能の高い
ラインセンサカメラを直交するように設け、それぞれの
ラインの画像を撮像するようにしても良いし、２次元撮
像装置１による水平／垂直ラインのデータを評価するよ
うにしても良い。特に、先の図２(c)に示した透過照明
はこの手法に適しており、画像データを２値化すること
により容易にエッジの位置を特定できる。

【００５１】また、図７のエッジ部分３３、３４に対応
するグレイスケールパターンをモデル登録し、正規化相
関によるマッチングをするようにしてもよい。この場合
各ラインＡ，Ｂ上をそれぞれの登録パターンでサーチす
る。

【００５２】(b)回転モデルのマッチングによる方法、 ワークが回転した状態に対応する回転モデルを、例えば
１度ステップで±３０度分登録し、正規化相関などによ
るマッチングを行い、最も相関度が高い位置と回転モデ
ルを求め、それをワークの位置、姿勢とする。

【００５３】この回転モデルの例を図８に示す。図８に
よれば、ワークＷの角部分に正方形状の回転モデル領域
Ｍを設定し、ワークＷの回転角θに応じて複数の回転モ
デルを登録している。

【００５４】(c)治具による方法 ワークの製作精度が高く、治具を作ることでワークを所
定の姿勢、位置に所望の精度で固定することが可能な場
合は、Ｘ−Ｙ移動ステージ３上に治具を設け、該治具に
よってワークをセットするようにすればよい。この場
合、２次元撮像手段１の撮像データは、ワークの姿勢、
位置の特定処理には用いられないが、ワークが所望の精
度で固定されているかのチェックに利用することができ
る。

【００５５】(2)ワーク上の被計測物体の領域特定（図
４ステップ１１０） 次に、図４ステップ１１０の被計測物体の領域特定処理
について説明する。

【００５６】ワーク上における被計測物体の設計値（位
置、寸法、ピッチなど）は既知であるので、ステップ１
００の手順でワークの位置姿勢が検出されると、上記設
計値を用いて被計測物体の領域位置を特定する。なお、
ワーク設計寸法と実際のワークの設計寸法が合わない場
合、例えば熱工程におけるワークの熱膨張によるピッチ
ズレなどがある場合は、被検査物体のモデルを登録し、
２次元撮像装置１によって得られた画像データと上記登
録モデルを用いて正規化相関によるマッチングを行い、
相関度の高い位置を被検査物体の位置とするようにすれ
ばよい。

【００５７】(6)ステップ１５０…ピーク高さの推定 次に、図４ステップ１５０のピーク高さの推定処理につ
いて詳述する。

【００５８】以下の説明においては、基板上に半球状の
ハンダバンプがアレイ配列されたプラスチックＢＧＡを
検査する場合を想定している。

【００５９】被計測物体のピーク高さを推定する手法と
しては、 (a)ΔＨ−ΔＺの関係による近似手法 (b)ΔＨ−ｒの関係による近似手法 (c)最小２乗法による手法 (d)正規分布関数の近似による手法 などがあり、これら各手法を順に説明する。

【００６０】(a)ΔＨ−ΔＺの関係による近似手法 アレイ状に形成されたハンダバンプの１個の形状が、図
９に示すような半球状であるとし、まず、この図におけ
るピーク点Ｐ0のピーク高さＺ0を求めるものとする。

【００６１】図９において、ハンダバンプのピーク点Ｐ
0を含んでかつ底面に垂直な断面は２次曲線Ｍを稜線と
する半円球状であり、直線Ｌはバンプの底に対応する。

【００６２】３次元計測装置２の隣接する２つの計測点
をＡ，Ｂとし、これら２点Ａ，Ｂのピッチ間隔Ｐを Ｐ＝ｎ・ｈ …（１） とする。

【００６３】ここで、ｎは偶数、すなわち ｎ＝２ｍ ｍ＝1,2,… とする。

【００６４】また、図９に示すように、２次曲線Ｍ上に
間隔ｈをもって、ｎ個の近似点Ｐ1、Ｐ2、Ｐ3、……、
Ｐnを設定し、さらにピーク点Ｐ0と各近似点Ｐ1、Ｐ2、
Ｐ3、……、Ｐnとの高さの差をそれぞれＶ1、Ｖ2、…
…、Ｖnとすると、図１０に示すような関係が成立す
る。

【００６５】ここで、図９に示すように、計測点Ａ，Ｂ
の計測値がそれぞれＺ1，Ｚ2であるし、それらの差の絶
対値をΔＺ（＝｜Ｚ1−Ｚ2｜）とすると、ΔＺ＝０のと
き、計測点Ａ，Ｂはピーク位置Ｐ0から等しい距離に位
置する。

【００６６】そして、この位置から計測点Ａ，ＢがＺ1
＜Ｚ2となる方向にピッチ間隔Ｐを保ちながらｈ／２の
間隔でずれた事を想定し、ｈ／２間隔で毎に領域Ｒ1〜
Ｒiを設定するとする。

【００６７】また、計測点Ａ，Ｂにおける計測値の高い
ほうの高さ（Ｚ1またはＺ2）とピーク位置の高さＺ0と
の差をΔＨとする。

【００６８】ここで、先の図１０に示した関係、すなわ
ちＰ1〜ＰnとＶ1〜Ｖnとの関係は実験などによって予め
求めておく。

【００６９】そして、例えば、計測点Ａが領域Ｒ1に位
置した場合は計測点Ａが計測点Ｐ1に位置したと近似
し、計測点Ａが領域Ｒ2に位置した場合は計測点Ａが計
測点Ｐ2に位置したと近似する。

【００７０】すると、各位置Ｐ1〜Ｐnにおけるピーク位
置からの高さ方向距離Ｖ1〜Ｖnが予め求められているの
で、この場合のピーク高さＺ0は、計測点Ａの計測値Ｚ1
に上記高さ方向距離Ｖ1〜Ｖnの対応するものを加算した
値として近似することができる。

【００７１】以上が本手法の原理であるが、この実施例
では、ΔＺ（計測値Ｚ1とＺ2の差）と、ΔＨ（計測点
Ａ，Ｂにおける計測値の高いほうの高さ（Ｚ1またはＺ
2）とピーク位置の高さＺ0との差の近似値）の関係を予
めメモリテーブルなどのモデル登録しておく。図１１及
び図１２は該登録モデルの例を示すもので、図１１はそ
の内容を一般式で示しており、ｍに実際に値を代入する
と図１２に示すようになる。

【００７２】そして、実際に得られた２つの計測値の差
に対応するΔＨを上記メモリテーブルから求め、該求め
られたΔＨを実際に得られた高いほうの計測値に加算す
ることにより、２つの計測点を結ぶ稜線のピーク高さを
検出する。

【００７３】例えば、ｍ＝２のとき、Ｐ＝４ｈであり、
図９に示すように、点Ａが領域Ｒ5に位置しているとす
ると、ΔＺは図１２の太線枠Ｗで囲んだ範囲となり、図
１２からΔＨ＝Ｖ1であると求められる。従って、この
場合のピーク高さＺ0は、 Ｚ0＝Ｚ2＋Ｖ1 となる。

【００７４】このようにこの手法では、隣接した２つの
計測点の計測値の差ΔＺと、２つの計測点を結ぶ稜線に
おけるピーク高さ位置と２つの計測値のうちの高いほう
の計測値との差ΔＨとの関係を予めメモリテーブルに設
定しておき、実際に得られた２つの計測値の差に対応す
るΔＨをメモリテーブルから求め、該求められたΔＨを
実際に得られた高いほうの計測値に加算することによ
り、２つの計測点を結ぶ稜線のピーク高さを検出するよ
うにしている。。

【００７５】以上により、半円球形状であるハンダバン
プの１つの稜線におけるピーク高さが測定できた。

【００７６】次に、半円球形状であるハンダバンプの真
の頂点のピーク高さを求める手法について説明する。

【００７７】図１３は、１つのハンダバンプ４０を上方
からの平面図である。図中の格子間隔は３次元形状計測
装置２の計測ピッチＰに対応し、格子の各交点が各計測
点に対応する。また、図中の太線枠Ｇで囲まれた領域が
先に説明した図４のステップ１１０で特定された被計測
物体の検査領域であるとする。すると、この場合には、
検査領域内にはｃ1〜ｃ9の９個の計測点を含み、かつ４
個の基本検査ブロックＤ1〜Ｄ4を有する。

【００７８】ここでは、まず、４個の基本検査ブロック
Ｄ1〜Ｄ4の何れに頂点ＰＫが存在するかを以下の手法で
判定する。すなわち、各基本検査ブロックＤ1〜Ｄ4に含
まれる４つの計測点の計測値の平均値を各基本検査ブロ
ック毎に求め、その平均値が最大となった基本検査ブロ
ックに頂点が存在すると、判定する。例えば、基本検査
ブロックＤ1については、計測点ｃ1，ｃ2，ｃ4，ｃ5の
各計測値の平均値を求める。図１３の場合は、ハッチン
グを付した基本検査ブロックＤ4に頂点ＰＫが存在する
と判定されたことになっている。

【００７９】つぎに、このようにして選択された基本検
査ブロックＤ4内で頂点ＰＫの高さを検出する手順につ
いて説明する。

【００８０】図１４は、上記選択された基本検査ブロッ
クＤ4に含まれる４つの計測点ｃ5，ｃ6，ｃ8，ｃ9をハ
ンダバンプ上で示したものであり、この図において頂点
ＰＫを含んで底面４１に垂直な平面Ｓ3と、計測点ｃ5，
ｃ8を含んで平面Ｓ3に平行な平面Ｓ1と、計測点ｃ6，ｃ
9を含んで平面Ｓ3に平行な平面Ｓ2とを考える。この図
からも判るように、実際の計測では、平面Ｓ1およびＳ2
の何れもが平面Ｓ3と一致することはまれであり、各稜
線Ｍ1、Ｍ2、Ｍ3も全て異なる曲線である。

【００８１】ここで、先の図９の２次曲線Ｍは、そのピ
ークＰ0が真のピークＰＫに一致するとして、メモリテ
ーブルに登録されているＶ1〜Ｖnの値を設定している。

【００８２】したがって、先の図９を用いて説明した手
法を曲線Ｍ1やＭ2に適用した場合、そのＶ1〜Ｖnの値は
必ずしも正確な値ではない。しかし、ハンダバンプにお
いては、前記平面Ｓ1，Ｓ2，Ｓ3はかなり接近した位置
関係にあることから、前記設定した各値を用いてもその
誤差は実際上問題にはならない。

【００８３】よって、まず基本検査ブロックＤ4に含ま
れる４つの計測点ｃ5，ｃ6，ｃ8，ｃ9のうちの例えば、
計測点ｃ5，ｃ8を先の図９の計測点Ａ、Ｂに対応させ、
前述した手法を用いて稜線Ｍ1のピーク点ＰＫ1の高さＺ
aを算出する。また同様にして計測点ｃ6，ｃ9を先の図
９の計測点Ａ、Ｂに対応させ、前述した手法を用いて稜
線Ｍ2のピーク点ＰＫ2の高さＺbを算出する。

【００８４】つぎに、これら算出した２つのピーク点Ｐ
Ｋ1，ＰＫ2を含む平面Ｓ0（稜線Ｍ0）を想定し、これら
２つのピーク点ＰＫ1，ＰＫ2を先の図９の計測点Ａ、Ｂ
に対応させ、前述した手法を用いて稜線Ｍ0のピーク点
ＰＫの高さＺpを算出する。このようにして、ハンダパ
ンプの真の頂点ＰＫの高さＺpを算出する。

【００８５】なお、以上のようにして求めたピーク高さ
をハンダバンプの高さの最終判定値として用いてもよい
し、次のような手順を経た後最終判定値を決定するよう
にしてもよい。

【００８６】すなわち、上記手順を終了したら、今度は
ｃ5，ｃ6を含む稜線のピーク高さおよびｃ8，ｃ9を含む
稜線のピーク高さをそれぞれ算出し、これら２つのピー
ク高さを用いてハンダバンプの頂点ＰＫの高さＺp´を
算出し、求められた２つのピーク高さＺp，Ｚp´の平均
値又は大きな方の値を最終ピーク高さとする。

【００８７】以上説明した手法の手順をまとめたものが
図１５のフローチャートであり、以下このフローチャー
トに従ってその手順を説明する。

【００８８】まず、前記図４のステップ１１０の被計測
物体領域の特定処理や各基本検査ブロックに含まれる４
計測点の計測値の比較処理（図１３参照）によって、ハ
ンダバンプの頂点を含む基本検査ブロックが１つに特定
されたとする（ステップ２００）。

【００８９】まず、計測点４点のうちの隣合った２つの
計測点の計測データの差ΔＺを求め（ステップ２１
０）、メモリテーブルから該ΔＺに対応する高さ加算値
ΔＨを求める（ステップ２２０）。

【００９０】つぎに、このようにして求められたΔＨを
２つの計測点の計測データのうちの高い方のデータに加
算して当該２つの計測点を通る稜線のピーク高さＺaを
算出する（ステップ２３０）。

【００９１】同様にして、上記２つの計測点とは異なる
２つの計測点に関し、同様の処理を行って該２つの計測
点を通る稜線のピーク高さＺbを算出する（ステップ２
４０）。

【００９２】次に、このようにして求めた２つのピーク
点の高さの差Δｚ´（＝Ｚa−Ｚb）を算出し（ステップ
２５０）、同様にして該Δｚ´に対応する高さ加算値Δ
Ｈ´を求める（ステップ２６０）。

【００９３】そして、このようにして求められたΔＨ´
を前記２つのピーク点の高さのうちの高い方のデータに
加算して最終ピーク高さＺpを算出する（ステップ２７
０、２９０）。

【００９４】なお、前述したように、他の計測点の組み
合せによる順番でピーク高さＺp´を算出し、これらの
平均値又は大きな方の値を最終ピーク高さとするように
してもよい（ステップ２８０、２９０）。

【００９５】なお、上記図９を用いて説明した手法にお
いて、推定精度を高めたい場合は、先の（１）式のｎ、
すなわち計測ピッチの分割数を増加するようにすれば良
い。この際、被計測物体の形状（寸法、曲率、バラツ
キ）や３次元形状計測装置２の性能（計測ピッチＰ，Ｚ
方向分解能）、さらには検査所要時間等の要因を考慮し
て、要求される推定高さの精度に見合うようにすること
が重要である。また、上記実施例では、便宜上ｎを偶数
としたが、奇数としても何の問題もない。

【００９６】また、上記近似推定方法によれば、被計測
物体に照射される光源からの光の死角または誤検出によ
り、選択した基本検査ブロックの４点のデータの一部が
欠落して無効な場合でも、その値を例えばゼロとして計
算しても、ほぼ前述と同精度で高さを推定する事ができ
る。

【００９７】ところで、図１１のΔＺと計測点の近似位
置Ｐjの関係により、ピークＰ0の座標（Ｘ，Ｙ）を求め
ることもできる。すなわち、２個の計測点の差ΔＺか
ら、計測点が存在する近似位置Ｐjが求められ、各計測
点Ａ，Ｂからピーク位置までの距離の比が判るので、既
知である計測点の座標を用いてピークＰ0の座標を求め
ることができる。

【００９８】例えば、図９の計測点Ａ、Ｂの座標がそれ
ぞれ（Ｘa，Ｙa）（Ｘb，Ｙb）で、その間隔が４ｈで、
点Ａが領域Ｒ5に入っている場合は、ΔＺは図１２の太
線枠Ｗの範囲内であり、点Ａの近似位置はＰ3となる。
したがって、計測点Ａと頂点Ｐ0の水平距離と、計測点
Ｂと頂点Ｐ0の水平距離との比は約３ｈ：ｈとなる。

【００９９】よって、 Ｘ＝（３ｈ・Ｘb＋ｈ・Ｘa）／（３ｈ＋ｈ） Ｙ＝（３ｈ・Ｙb＋ｈ・Ｙa）／（３ｈ＋ｈ） となる。ただし、Ｚ1＞Ｚ2の場合は、計測点Ａ，Ｂが入
れ替わるので、 Ｘ＝（３ｈ・Ｘa＋ｈ・Ｘb）／（３ｈ＋ｈ） Ｙ＝（３ｈ・Ｙa＋ｈ・Ｙb）／（３ｈ＋ｈ） となる。

【０１００】(b)ΔＨ−ｒの関係による近似手法 この手法では、１つの計測点Ｃのピーク位置からの水平
距離ｒと、計測点Ｃの高さとピーク位置の高さとの差Δ
Ｈとの関係を予め登録しておき、計測の際には、計測点
とピーク位置との水平距離ｒを実際に求め、該求めた水
平距離ｒに対応するΔＨを前記登録関係から求め、該求
めたΔＨを計測点の計測値に加算し、この加算結果をも
ってピーク高さとするようにしている。

【０１０１】図１６は、ハンダバンプの断面において、
ピーク位置Ｐ0、ピーク高さＺ0、計測点Ｃ、計測点の高
さＺ1、計測点Ｃとピーク点Ｐ0との水平距離ｒ、計測点
Ｃの高さとピーク位置の高さとの差ΔＨを示している。

【０１０２】ここで、ハンダバンプの形状を、図１７で
示すように、(i)半円、あるいは(ii)２次曲線で近似す
ると、 (i)半円の場合は ΔＨ＝Ｚ0−ＳＱＲＴ（Ｚ0^2−ｒ^2） (ii)２次曲線の場合は ΔＨ＝Ｋ・ｒ^2 Ｋ：定数 となる。なお、ＳＱＲＴ（）はルートを示し、^2は２乗
を示している。

【０１０３】また、上記のように式ではなく、(iii)図
１８に示すように、実際にｒの範囲毎にΔＨの値を予め
求めておき、これら求めた関係を図１９に示すようにメ
モリテーブルに記憶するようにしてもよい。

【０１０４】以上のように、(i)(ii)(iii)の何れかの手
法によってΔＨとｒとの関係を登録しておく。

【０１０５】次に、ハンダバンプのピーク位置（Ｘp，
Ｙp）を,２次元撮像データ或いは３次元計測データを正
規化相関やＨｏｕｇｈ変換などのマッチング処理をする
ことにより求める。また計測点Ｃの位置（Ｘc，Ｙc）は
制御処理装置４では既知であるので、距離ｒは下式によ
って求めることができる。

【０１０６】 ｒ＝ＳＱＲＴ（(Ｘp−Ｘc)^2＋(Ｙp−Ｙc)^2） したがって、上記求められた距離ｒに対応するΔＨを先
の(i)(ii)(iii)の何れかの登録関係によって求め、この
ΔＨを計測点Ｃの計測値Ｚ1に加算することによりピー
ク高さＺ0を求めることができる。

【０１０７】Ｚ0＝ΔＨ＋Ｚ1 なお、上記によるピーク高さの推定を被計測物体のピー
ク近傍の複数の計測点について行い、それら推定ピーク
値の平均或いは最大値を最終ピーク高さとするようにし
てもよい。

【０１０８】また、正規化相関やＨｏｕｇｈ変換などの
マッチング処理によってピーク位置（Ｘp，Ｙp）を求め
る際に、２次元撮像データを用いる場合は、被計測物体
の２次元画像データをモデル登録しておき、このモデル
を用いてマッチングを行うようにすればよい。したがっ
て、先の図４のステップ１１０の領域特定処理中に、
（Ｘp，Ｙp）を求めておくようにすれば、本推定処理中
に（Ｘp，Ｙp）を改めて求める必要がなくなる。

【０１０９】同様に、正規化相関やＨｏｕｇｈ変換など
のマッチング処理によってピーク位置（Ｘp，Ｙp）を求
める際に、３次元計測データを用いる場合は、被計測物
体の３次元形状データをモデル登録しておき、このモデ
ルを用いてマッチングを行うようにすればよい。

【０１１０】(c)最小２乗法による手法 予め、被計測物体の形状に応じて、あてはめる関数を想
定する。ハンダバンプの例では、２次曲面を仮定し、あ
てはめる関数を、例えば Ｚ＝Ａ（Ｘ^2＋Ｙ^2）＋Ｂ・Ｘ＋Ｃ・Ｙ＋Ｄ とする。形状計測値と上記関数により計算された値との
差の２乗和を最小にするように関数の係数Ａ、Ｂ、Ｃ、
Ｄを求め、決定した関数からピークの位置、ピーク高さ
を推定する。実際には、領域特定によりハンダバンプの
ピークがあると予測される近傍の計測点の座標と、その
高さ計測値をデータとして計算する。

【０１１１】(d)正規分布関数の近似による手法 被計測物体の形状によっては、正規分布関数の近似を用
いてピークの位置と高さを推定する。

【０１１２】以上が第１実施例に関する説明である。

【０１１３】次に、図２０にこの発明のシステム構成に
関する第２実施例を示す。

【０１１４】この第２実施例では、先の第１実施例のよ
うにワークＷをＸ−Ｙ方向に移動させるのではなく、３
次元形状計測装置２をＸ−Ｙ方向に移動させる移動装置
５を設けるようにしている。

【０１１５】また、ワークＷを照射する照明６を設けて
いる。照明６は、３次元形状計測装置２の計測に影響を
与えないように、２次元撮像中は点灯し、３次元計測中
は消灯する。同様に、３次元形状計測装置２の投光が２
次元撮像に影響を与えないように、２次元撮像中は３次
元形状計測装置２の光源を消灯するか、あるいは光路中
に液晶シャッタなどの遮光手段を設けて遮光するように
する。

【０１１６】図２１にこの発明のシステム構成に関する
第３実施例を示す。

【０１１７】この図２１の実施例では、２次元撮像装置
１と３次元形状計測装置２とを一体化するようにしてい
る。

【０１１８】すなわち、先の図２５に示した、光源８
０、レンズ８１，８２、ピンホールアレイ８３、ハーフ
ミラー８４、レンズ８５ａ，８５ｂ、ピンホールアレイ
８７および光検出器アレイ８８から成る共焦点構造の３
次元形状計測装置に対し、ハーフミラー５０、ＣＣＤカ
メラなどの撮像素子５１、照明５２およびハーフミラー
５３を設けるようにしている。そして、ハーフミラー５
０を介して被計測物体からの反射光を撮像素子５１に導
くと共に、照明５２の照明光をハーフミラー５３を介し
て被計測物体８６上に照射するようにしている。

【０１１９】８９はＸ−Ｙ移動ステージ。９０は制御処
理装置である。

【０１２０】照明５２は、前述したように２次元撮像の
ときにのみ用い、光源８０は３次元形状計測のときにの
み用いる。共焦点光学系の光学系全体または対物レンズ
８５ｂまたはＸ−Ｙ移動ステージ８９は、Ｚ方向に移動
可能である。

【０１２１】なお、上記図２１の実施例において、照明
５２および３次元形状計測装置２の光源８０にレーザや
発光ダイオードなどの単色光、準単色光を使うことによ
り光の波長スペクトルを選択したり、あるいはスペクト
ル幅を持つハロゲンランプ等の光を波長選択フィルタを
介して制限することにより、それぞれを異なる波長領域
の光にしてワーク８６に照射し、３次元形状計測装置の
光検出器アレイ８８の前に照明５２に対応する波長領域
の光を遮断する波長フィルタを設け、２次元撮像素子５
１の前に光源８０に対応する波長領域の光を遮断する波
長フィルタを設けるようにすれば、照明５２および光源
８０を同時に点灯することができ、２次元撮像と３次元
形状計測の双方を同時に行うことができる。

【０１２２】また、上記実施例において、ハーフミラー
５０、５３を特定の波長の光のみを反射する、例えばダ
イクロックミラーとすることでも、２次元撮像と３次元
形状計測を同時に行うことができる。具体的には、特定
の波長の光を２次元撮像用に用い、この波長とは異なる
波長の光源を３次元形状計測用に用いるようにすればよ
い。

【０１２３】図２２にこの発明のシステム構成に関する
第４実施例を示す。

【０１２４】この第４実施例において、２次元撮像装置
１と３次元形状計測装置２とを一体化する点に関しては
先の第３実施例と同様であるが、この第４実施例ではそ
の装置構成を更に簡単化するようにしている。

【０１２５】すなわち、光源８０、レンズ８１，８２、
ピンホールアレイ８３、ハーフミラー８４、レンズ８５
およびピンホールアレイ８７による共焦点光学系部分に
対し、照明５２および光センサ５４を設けるようにして
おり、光センサ５４に、２次元撮像用のセンサ部分と３
次元形状計測用のセンサ部分の双方を搭載するようにし
ている。

【０１２６】図２３は、該光センサ５４の視野部分を示
すもので、その開口が密に配設された２次元撮像用セン
サ部分５５とそのピッチが２次元センサよりは粗に配設
された３次元形状計測用のセンサ部分５６を有してい
る。これら各センサの信号は２次元用と３次元用とをマ
ルチプレクサによって別々に読み出してもよいし、共通
に読み出してもよい。また、この場合、照明５２は、被
計測物体８６を直接照射するようにしている。

【０１２７】なお、この実施例において、２次元撮像と
３次元形状計測を同時に行う場合は、２次元撮像用セン
サ部分５５の前に光源８０に対応する波長領域の光を遮
断する波長フィルタを設け、３次元形状計測用センサ部
分５６の前に照明５２に対応する波長領域の光を遮断す
る波長フィルタを設けるようにすればよい。

【０１２８】図２４この発明のシステム構成に関する第
５実施例を示す。

【０１２９】この実施例では、２次元撮像装置を省略
し、３次元形状撮像装置２のみで２次元形状の撮像及び
３次元形状の測定を行うようにしている。

【０１３０】ところで、上記第２〜第４実施例では、３
次元形状計測装置の視野が２次元撮像装置の視野に含ま
れるかまたはほぼ同じであるため、ワーク走査のために
ステージ移動量が少なくて済むか、あるいは視野の切換
えだけで済み、検査の高速化がより図れる。さらに、第
３、第４実施例では、２次元撮像装置と３次元形状計測
装置の光学系が同軸にあるため、組立調整が容易とな
り、コストの低減、装置の小型化が図れる。

【０１３１】なお、以上の実施例では、３次元形状計測
装置に共焦点光学系を用いるようにしているが、他の３
次元計測技術を用いるようにしてもよい。

【０１３２】また、共焦点光学系の光検出器アレイの受
光開口を点状のマトリクス状にすることによりピンホー
ルアレイを省略することができる。また、ワークをＸ−
Ｙ走査するＸ−Ｙステージに回転機能を付加するように
してもよい。また、図１の実施例において、Ｘ−Ｙ移動
ステージ３として、２次元撮像用と３次元形状計測用の
別々のものを用意し、第１のステージ上でワークを２次
元撮像し、その映像データに基づいてワーク上の被計測
物体の領域の特定処理を行った後、ワークを３次元計測
用の第２の移動ステージ上に移載し、前記特定処理によ
って得られたデータに基づいてワーク位置決めを行うよ
うにしてもよい。

【０１３３】

【発明の効果】以上説明したようにこの発明によれば、
被計測物体の全領域が計測されるのではなく、領域特定
手段によって特定された一部の領域が計測対象領域とし
て選定され、該選定された計測領域のみの高さを計測す
るようにしているので、データ処理に要する時間が大幅
に短縮される。さらに、この発明では、前記特定された
領域に含まれる計測点の計測値に基づく近似推定演算処
理を行うことにより被計測物体のピーク高さを得るよう
にしているので、計測点を走査することにより計測点の
Ｘ−Ｙ方向の分解能を上げる方式に比べ、その形状検査
にかかる時間を大幅に短縮し得る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明のシステム構成に関する第１実施例を
示す図。

【図２】２次元撮像装置の具体例を示す図。

【図３】制御処理装置の内部構成を示すブロック図。

【図４】３次元形状測定に関する手順の概略を示すフロ
ーチャート。

【図５】アライメントマークを例示する図。

【図６】回路パターンをアライメントマークとした場合
の説明図。

【図７】ワークのエッジ部分で位置姿勢検出を行う場合
の説明図。

【図８】回転モデルのマッチングにより位置姿勢検出を
行う場合の説明図。

【図９】ハンダバンプの稜線のピークを演算する手法を
示す説明図。

【図１０】２次元曲線上の位置とピークからの高さの差
との関係を示す図。

【図１１】ΔＺとΔＨの関係を示す図。

【図１２】ΔＺとΔＨの関係を示す図。

【図１３】ハンダバンプの頂点を含む基本検査ブロック
を選択するための手法の説明図。

【図１４】半球状ハンダバンプの近似平面を示す図。

【図１５】ピーク高さを推定するための手順を示すフロ
ーチャート。

【図１６】ΔＨ−ｒの関係による近似手法を説明するた
めの図。

【図１７】ｒとΔＨとの近似曲線を示すグラフ。

【図１８】ΔＨ−ｒの関係による近似手法の一例を説明
するための図。

【図１９】ｒとΔＨの関係を記憶したメモリテーブルの
内容を示す図。

【図２０】この発明のシステム構成に係る第２実施例を
示す図。

【図２１】この発明のシステム構成に係る第３実施例を
示す図。

【図２２】この発明のシステム構成に係る第４実施例を
示す図。

【図２３】第４実施例の光検出器５４を示す図。

【図２４】この発明のシステム構成に係る第５実施例を
示す図。

【図２５】共焦点光学系の一般的な構成を示す図。

【符号の説明】

１…２次元撮像装置 ２…３次元形状計測装置 ３…Ｘ−Ｙ移動ステージ ４…制御処理装置 ６…照明

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｇ０６Ｔ 7/00 Ｈ０５Ｋ 3/34 ５１２ Ｂ 8718−4Ｅ (72)発明者 守屋 正人 神奈川県平塚市万田1200 株式会社小松製 作所研究所内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】分散配置された複数の計測点で得られた高
   さデータを用いて予め概ねの形状が既知の被計測物体の
   ピーク高さを検査する３次元形状検査装置において、 被計測物体の計測対象領域を特定する領域特定手段と、 前記特定された領域に含まれる計測点の計測値に基づき
   被計測物体のピーク高さを近似推定する近似推定手段
   と、 を備えるようにした３次元形状検査装置。
2. 【請求項２】前記領域特定手段は、 前記被計測物体を撮像する２次元撮像手段と、 該２次元撮像手段の撮像データに基づいて被計測物体の
   計測対象領域を特定する特定手段と、 を有し、 前記近似推定手段は、 共焦点光学系を用いた３次元形状計測装置から出力され
   る高さデータを計測値とすることを特徴とする請求項１
   記載の３次元形状検査装置。
3. 【請求項３】前記２次元撮像手段の光学系および３次元
   形状計測装置の光学系は同軸上に配置されている請求項
   ２記載の３次元形状検査装置
4. 【請求項４】前記近似推定手段は、 隣接する２つの計測点の計測値の差ΔＺと、該計測値の
   うちの高さが高いほうの計測値と被計測物体のピーク高
   さの差ΔＨとの近似関係が予め記憶される記憶手段と、 隣接する２つの計測点の計測値の差ΔＺ´を求め、該差
   ΔＺ´に対応する前記差ΔＨ´を前記記憶内容から求め
   る第１の演算手段と、 ２つの計測値のうちの高さが高いほうの計測値に、前記
   第１の演算手段の出力ΔＨ´を加算し、該加算結果をも
   って被計測物体のピーク高さとする第２の演算手段と、 を有する請求項１記載の３次元形状検査装置。
5. 【請求項５】前記近似推定手段は、 計測点のピーク位置からの距離ｒと、計測点の高さとピ
   ーク位置の高さとの差ΔＨとの近似関係が予め記憶され
   る記憶手段と、 計測点とピーク位置との水平距離ｒを求め、該求めた水
   平距離ｒに対応するΔＨ´を前記記憶内容から求める第
   １の演算手段と、、計測点の計測値に前記第１の演算手
   段の出力ΔＨ´を加算し、この加算結果をもって被計測
   物体のピーク高さとする第２の演算手段と、 を有する請求項１記載の３次元形状検査装置。
6. 【請求項６】前記近似推定手段は、 被計測物体の高さピーク近傍の複数の計測点の計測値に
   対し、最小２乗法による２次元曲面関数または正規分布
   関数をあてはめ、得られた関数に基づいて被計測物体の
   ピーク高さを推定する手段を有することを特徴とする請
   求項１記載の３次元形状検査装置。