JPH1183453A - 微小形状測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 被測定物全体の形状を高精度に早い速度で検
査できる装置を提供する事。 【解決手段】 被測定物にスリット光を照射し、照射さ
れたスリット光を結像レンズで検出部に結像させ、検出
部には短冊状のＰＳＤを平面状に配列し、個々のＰＳＤ
によって検出したスリット光の位置信号を信号処理部に
よって断面形状として検出するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば電子部品の
接続法として用いられるバンプ接合のためのバンプ部等
小形部品の外観検査装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図２は従来のレーザダイオードと一次元
センシティブデバイスを用いた小型部品検査装置の例を
示す。

【０００３】同図において、２１はレーザダイオ−ド、
２２は投光レンズ、２３はレーザビーム、２４はバン
プ、２５はレーザビームのスポット像、２６は受光側の
結像レンズ、２７は一次元センシティブデバイス（Ｐｏ
ｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｄｅｖｉｃｅ、以
下ＰＳＤと称す）、２８は走査方向を示す矢印、２９は
バンプ上に発生した「欠け」欠陥である。

【０００４】例えば、従来バンプ検査装置には、例えば
図２に示すようにレーザダイオード２１及び投光レンズ
２２によってレーザビーム２３を被測定物２４に照射
し、照射したレーザビームのスポット像２５を結像レン
ズ２６でＰＳＤ２７上に結像させるようなものがある。

【０００５】この場合、被測定物２４の高さによってＰ
ＳＤ２７上の結像位置が決まるのでＰＳＤ２７上の結像
位置を検出することにより、被測定物２４のスポット像
の高さを知ることができる。これは従来から知られてい
る、いわゆる３角測量方式レーザ変位計である。

【０００６】このようなＰＳＤによる変位計測に関して
は、例えば「先端レーザーテクノロジー」（レーザー学
会編，日経技術図書（株）、１９９２年１１月３０日発
行）ｐ２１１、２１２に記載されている。

【０００７】この３角測量方式レーザ変位計は、高精度
で位置測定ができ、また、その測定の応答も早いという
特長を持っているが、反面、測定できる位置は、レーザ
ビームスポット像２５が当っている一点でしかなく、こ
の為、測定にあたって、被測定物２４を矢印２８の方向
に走査し、被測定物２４の矢印２８の方向の断面形状を
測定するようにしている。

【０００８】しかし、この方法で測定できるのは、矢印
２８の方向の一断面でしかない為、例えばその断面上に
ない欠け２９があっても見逃がしてしまうという重大な
欠点があった。この欠点を避ける為には矢印２８の方向
の走査を狭いピッチで繰返すという方法も考えられる
が、これには測定時間が非常に長くなり、実際の測定装
置としては、測定効率上使用できなかった。

【０００９】また、他の方法として被測定部にスリット
光を照射し、照射したスリット像をＴＶカメラで撮像
し、撮像したスリット像の直線からのずれ量（凹凸量）
で被測定部の形状を測定する、いわゆる光切断法があっ
たが、通常のテレビカメラを用いた場合、この方法は１
画面撮像するのに３３ｍｓ必要とし、また、一視野毎に
停止して撮像する必要がある為、例えば、一基板上に、
一辺が８０μｍのバンプが１０万個程度ある被測定物で
は、測定時間が数時間以上もかかってしまうという欠点
があった。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】前述の従来技術は、レ
ーザビームの照射されている一点の移動して行く一断面
のみしか測定できない為、レーザビーム照射断面以外の
形状不良が検出できないという重大な欠点がある。

【００１１】本発明はこの欠点を除去し、被測定物全面
にわたる形状不良を高精度に、早く、短時間で検査でき
る装置を提供する事にある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は上記の目的を達
成する為に、被測定物にスリット光を照射し、照射され
たスリット光を結像レンズに検出部に結像させ、スリッ
ト光の検出には、短冊状のＰＳＤを平面状に配列し、個
々のＰＳＤによって検出したスリット光の位置信号を信
号処理によって断面形状として検出し、短時間で検査で
高精度に形状を認識できるようにしたものである。

【００１３】本発明の特徴の一つは前記光電変換手段と
して例えば短冊状のＰＳＤ等の一元センサを複数個並行
に配置した構成とした光検出器である。

【００１４】本発明の装置は、スリット光照射装置と、
一次元センサを測長方向に対し直角な方向に、かつ平面
を成すように、複数個以上並べたＰＳＤアレイと、前記
スリット光照射装置によって照射されたスリット光を前
記ＰＳＤアレイに結像させる結像レンズと、前記ＰＳＤ
アレイの個々のＰＳＤ素子の端子電極に発生する信号を
個々に増幅する増幅器と、該増幅器で増幅された個々の
ＰＳＤ素子の両端子からの信号を演算して、個々のＰＳ
Ｄの検出位置を算出する演算処理部と、該演算処理部か
ら出力される位置信号を一括処理して２次元装置を算出
する信号処理部とで構成される。

【００１５】前記ＰＳＤからの信号処理は、個々のＰＳ
Ｄ素子のから出力される少なくとも２つの出力信号を加
算する手段と、減算する手段と、該減算手段により得た
減算結果を前記加算手段で加算された加算信号で除する
除算手段とを有する。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下この発明の一実施例を図１に
より説明する。

【００１７】同図は、本発明をバンプ形状の検査装置に
実施した例を示すものである。はじめに参照符号の説明
をする。

【００１８】１はレーザダイオ−ド、２はレーザ光、３
はビーム成形レンズである。５は一辺が８０μｍ程度の
微細なバンプ等の被測定物、６は被測定物５上で反射す
るレーザ反射光、７は結像用のレンズである。８は本発
明の特徴となるＰＳＤアレーであり、一次元の光位置検
出素子である周知のＰＳＤ８１から８ｎを複数個（ｎ
個）並べて構成したのものである。各ＤＳＰ素子にはａ
とｂの１対の出力端子対を有する。ＤＳＰ素子８１のａ
側の出力端子を１０１、ｂ側出力端子を１１１、ＤＳＰ
素子８２のａ側の出力端子を１０２、ｂ側出力端子を１
１２とし、ＤＳＰ素子８ｎのａ側の出力端子を１０ｎ、
ｂ側出力端子を１１ｎとする。１２１、１２２…、１３
１、１３２…はＤＳＰアレー８の前記出力を任意のレベ
ルに増幅する増幅器である。この増幅器はＤＳＰ素子８
ｎのａ側、ｂ側の出力端子にそれぞれ接続されるが、図
面ではこれらの図示を省略している。９はＰＳＤアレー
上の像である。１４１、１４２…は減算器、１５１、１
５２…は加算器でこれらは前記増幅器に対応し、一つの
ＰＳＤ素子からら出力されるａ側出力と、ｂ側出力とを
それぞれ減算、加算するものである。１６１、１６２…
は除算器で減算器１４１、１４２…の出力を加算器１５
１、１５２…の出力で除残する。１７は信号処理回路で
被測定物の形状を２次元位置信号として得、更に３次元
処理により、被測定物の立体形状を得る。

【００１９】次にこの動作を説明する。

【００２０】レーザダイオード１は図示しない電源及び
制御部によって電源を供給されてレーザー光２を発光す
る。このレーザ光２はビーム成形レンズ３によりスリッ
ト光４に成形され、被測定物５に照射される。照射され
た被測定物５上で反射する反射光６は結像レンズ７によ
ってＰＳＤアレー８上に像９となって結像する。像９は
ＰＳＤアレー８を形成する個々のＰＳＤ８１，８２，…
にとっては、その両端子１０１と１１１及び１０２と１
１２及び…の間の一部に輝点が生ずることになる。従っ
て表面層がＰＮ結合を形成し光電効果を有する高抵抗シ
リコン半導体で作られたＰＳＤ８１，８２，…には、結
像した輝点の位置に応じて、端子１０１と１１１及び１
０２と１１２及び…の間に光電流が出力される。

【００２１】この信号をそれぞれアンプ１２１と１３１
及び１２２と１３２及び…で増幅しこれを減算回路１４
１及び１４２及で減算処理し、かつ、加算回路１５１及
び１５で加算処理する。除算回路１６１及び１６２でこ
の減算した信号を加算した信号で、除算する事により、
ＰＳＤ８１，８２上に結像した輝点の位置が検出でき
る。さらに個々のＰＳＤ８１，８２，…で検出した輝点
の位置信号を信号処理回路１７で信号処理する事によ
り、２次元位置信号として出力する事ができる。

【００２２】さらに被測定物を矢印１８の方向に移動さ
せ、その度毎に上に述べたように２次元形状を検出し、
これを図３に示す信号処理回路により３次元処理を行う
事により、被測定物の３次元形状を知る事ができる。

【００２３】従って被測定物５の一部に従来は検出が困
難であった欠け１９が有っても本実施例ではこれを確実
に検出する事ができる。

【００２４】図３は本発明の実施例の信号処理に関する
部分のブロック図である。

【００２５】この信号処理部は前に説明した減算処理か
ら信号処理（１４１，１５１，１６１，１７）の一連の
動作をディジタル的に行なうようにした場合の一実施例
を示すものである。この実施例ではＰＳＤ８の素子数を
１２８素子とする。

【００２６】被測定物５は、Ｘ、Ｙ平面上に配列されて
いるものとし、所定のＹ値に対してＸ方向、すなわち、
図１の矢印１８の方向に所定長連続的に走査した後、Ｙ
を変えて次々と一筆書的に平面走査しながら高さＺを測
定する。このときＰＳＤアレイ８の出力信号１〜１２８
はＰＳＤ素子の位置に対応し、したがって測定平面上の
Ｙ座標に対応している。添字ａ、ｂはＰＳＤアレイ８
（図１参照）上の同じ側に属する位置信号出力端子であ
ることを示す。

【００２７】本発明においては、Ｙ方向に長いスリット
光を照射する故に、ＰＳＤアレイ８のＰＳＤ素子８１〜
ｎの出力端子１０１−１０ｎ、１１１〜１１ｎには同時
に出力が発生している。これを同時並列処理することに
よって、複数のＹ走査線上の高さデータ列を一回のＸ走
査によって瞬時に得ることができる。これが、本発明の
一つの大きな効果である。本実施例では信号処理の多く
の部分をディジタル的に行う。

【００２８】以下その動作を図３に添って説明する。

【００２９】同図において、１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂ〜
１２８ａ、１２８ｂはＰＳＤアレーからの出力信号で、
１ａは出力端子１０１の出力信号、１ｂは出力端子１１
１の出力信号、２ａは出力端子１０２の出力信号、２ｂ
は出力端子１１２の出力信号をそれぞれ示し、図３の実
施例の場合ｎは１２８となる。

【００３０】ＰＳＤアレイ８の出力はＡＤ変換部２０１
でディジタル化される。このＡＤ変換部は同じ素子の出
力端子対例えば１ａと１ｂに対して同じサンプリングタ
イミングでサンプルする手段の対を含む。図３では、４
チャンネルマルチプレクサとＡＤ変換器を含む３２対の
要素でＡＤ変換部２０１が構成されている。

【００３１】各要素は例えば２５６ｋＨｚの出力レート
で動作し、従ってＰＳＤ素子毎のサンプリング周波数は
６４ｋＨｚである。

【００３２】ＤＳＰ２０２は、ＡＤ変換部２０１の出力
Ｄａ、Ｄｂを高さデータに変換するディジタル演算を行
なう。図４のフローチャートにこれを示す。ＤＳＰ２０
２の演算内容は以下の演算ステップを含む。

【００３３】（１）同一時刻の各ＰＳＤ素子からのａ，
ｂ出力の和、Ｄａ＋Ｄｂを求める。

【００３４】（２）同一時刻のＤａ＋Ｄｂが所定の範囲
内であるか（＝ＹＥＳ）ないか（＝ＮＯ）の判定する。

【００３５】（３）（２）の判定がＮＯならば、出力を
位置検出不可を示す所定のコードとする。

【００３６】（４）（２）の判定がＹＥＳならば、あら
かじめ記憶されているＰＳＤアレイとスリット光のアラ
イメント誤差、アナログ信号処理部のゲイン、オフセッ
ト、背景光によるセットアップ等の補正、によりデータ
を補正し、補正データ、Ｅａ，Ｅｂを得る。そして、こ
れを用いたＥａ／（Ｅａ＋Ｅｂ）の演算を行う。

【００３７】演算の速さがデータ入力速度以上であれば
入力データを記憶するメモリ２０３は比較的少容量で、
一時バッファを行えば済むことになる。このためＤＳＰ
２０２、メモリ２０３は対応ＡＤＣ部に応じて複数設け
ても良い。

【００３８】ＤＳＰ２０２の出力は、Ｘ位置検出器２１
１、Ｙ位置検出器２１２の出力と関連づけられてＲＡＭ
２０５に配列される。このＸ位置検出器２１１、Ｙ位置
検出器２１２は被検出物の座標を検出する。

【００３９】ＭＰＵ２０４は、プログラムおよびシステ
ムの校正データを保持する。

【００４０】本実施例の応用として、ＭＰＵ２０４は、
予め設定した領域（この領域は例えば個々のバンプ）毎
に最大高さ等の着目値にまとめ処理を行い、全体の出力
データレートを下げ、パーソナルコンピュータにインタ
ーフェースして、グラフィック表示等の２次出力処理を
行わせても良い。

【００４１】また、更に高さ測定に先立って、測定対象
の一部に於いて、ＰＳＤアレイの出力レベルを測定し、
照射光量を最適化したり、補正データの取得ステップを
設けても良い。また、ＤＳＰ２０２または、ＭＰＵ２０
４はチップ毎にバンプ頂点の最小２乗近似平面を求める
演算等に用いても良い。

【００４２】一例として、例えば本実施例では幅５μ
ｍ、長さ６００μｍのスリット光を被測定部に照射し、
照射したスリット像をＰＳＤ素子寸法幅５０μｍ長さ１
０ｍｍ、ＰＳＤ素子数１２８個から成るＰＳＤアレイ上
に結像させる。

【００４３】この時の測定幅方向の分解能は５μｍであ
り、被測定部に一辺８０μｍのバンプが列が３００μｍ
ピッチで並んでいるときは、バンプ列２列の形状を一走
査で一挙に測定することができる。この走査速度は２０
ｍｍ／ｓであり、測定の速さは、バンプ個数１０万個の
被測定物を１０分程度で測定することができる。

【００４４】以上説明した実施例はバンプ接合部の検査
装置であったが、バンプ検査以外の電子部品や小形精密
部品等の各種小型形状寸法測定に応用できることはもち
ろんである。

【００４５】２０２をＤＳＰとしたがこれはマイクロコ
ンピュータでもよく、また、ＤＳＰとＭＰＵを一つのコ
ンピュータで構成してもよい。

【００４６】

【発明の効果】以上述べた如く本発明によれば、高精
度、高速測定ができるＰＳＤを用いた３角測量方式のレ
ーザ変位計の特徴を生かしながら、スリット光を照射し
た被測定物の断面を一挙に検査することができ、さらに
被測定物をスリット光と相対移動させる事により被測定
物の３次元形状を測定する事ができる。

【００４７】また、本発明では単にテレビカメラにより
得た映像から形状を判定するのではないため、正確に形
状寸法まで把握できる。このため、正確な３次元形状を
測定することができる。

【００４８】先の実施例でも説明したように、本発明に
よれば、従来は数時間以上かかってしまうような通常の
バンプ１０万個を１０分程度で測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の全体構成を示す図。

【図２】従来装置の構成を示す図。

【図３】本発明の一実施例の処理回路を示すブロック
図。

【図４】本発明の一実施例の処理回路の動作を示すフロ
ーチャート。

【符号の説明】

１：レーザダイオード、３：ビーム成形レンズ、７：結
像レンズ、８：ＰＳＤアレー、８１，８２，…：ＰＳ
Ｄ、１２１，１３１，…：アンプ、１４１，１４２，
…：減算回路、１５１，１５２，…：加算回路、１６
１，１６２，…：除算回路、１７：信号処理回路。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定物に対してスリット光を照射する
   スリット光照射手段と、前記被測定物から反射するスリ
   ット光を受光し電気信号に変換する光電変換手段と、該
   光電変換手段により変換された電気信号により被測定物
   の形状を検査する微小形状測定装置において、 前記光電変換手段は一次元センサを複数個並行に配置し
   た構成としたことを特徴とする微小形状測定装置。
2. 【請求項２】 スリット光照射装置と、該スリット光照
   射装置から照射されるスリット光に対し直角な方向に、
   一次元センシティブデバイス（以下ＰＳＤと記す）、複
   数個以上並べたＰＳＤアレイと、前記スリット光照射装
   置によって照射されたスリット光を前記ＰＳＤアレイに
   結像させる結像レンズと、前記ＰＳＤアレイの個々のＰ
   ＳＤ素子の端子電極に発生する信号を個々に増幅する増
   幅器と、該増幅器で増幅された個々のＰＳＤ素子の両端
   子からの信号を演算して、個々のＰＳＤの検出位置を算
   出する演算処理部と、該演算処理部から出力される位置
   信号を一括処理して２次元装置を算出する信号処理部と
   で構成されることを特徴とする２次元測定装置。
3. 【請求項３】 特許請求項１に述べた演算処理部が、個
   々のＰＳＤ素子の両端子から出力され、増幅された信号
   を加算する加算回路と、減算する減算回路と、該減算回
   路で減算された減算信号を、前記加算回路で加算された
   加算信号で除する除算回路とで構成されることを特徴と
   する２次元測定装置。