(57)【要約】【課題】サンプリング位置に依存せずに、精度良く物体の高さを推定すること。【解決手段】共焦点光学系（１）と、前記物体の表面からの光を前記共焦点光学系を通して検出する光検出手段（２）と、前記共焦点光学系の焦点位置を前記物体に対し相対的に変化させる焦点位置変化手段（３）と、所定のしきい値より大きい前記光検出手段で検出された検出光量データとその時の焦点位置データを選択するデータ選択手段（７）と、真のピーク位置に対して前記データ選択手段で選択された最大の検出光量を含む少なくとも３つの検出光量及びその時の焦点位置とからなるＩＺデータのバランスを保つよう、疑似ＩＺデータを作成する疑似ＩＺデータ作成手段（８）と、前記データ選択手段で選択されたＩＺデータと前記疑似データ作成手段で作成された疑似ＩＺデータから前記検出光量が最大となるときの焦点位置を推定するピーク位置推定手段（９）と、を具備。【選択図】    図１
2005009877.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体の高さを光学的に測定する高さ測定装置において、
共焦点光学系と、
前記物体の表面からの光を前記共焦点光学系を通して検出する光検出手段と、
前記共焦点光学系の焦点位置を前記物体に対し相対的に変化させる焦点位置変化手段と、
所定のしきい値より大きい前記光検出手段で検出された検出光量データとその時の焦点位置データを選択するデータ選択手段と、
真のピーク位置に対して前記データ選択手段で選択された最大の検出光量を含む少なくとも３つの検出光量及びその時の焦点位置とからなるＩＺデータのバランスを保つよう、疑似ＩＺデータを作成する疑似ＩＺデータ作成手段と、
前記データ選択手段で選択されたＩＺデータと前記疑似ＩＺデータ作成手段で作成された疑似ＩＺデータから前記検出光量が最大となるときの焦点位置を推定するピーク位置推定手段と、
を具備したことを特徴とする高さ測定装置。
【請求項２】
前記疑似ＩＺデータ作成手段は、検出光量が前記所定のしきい値と同じになる焦点位置を前記データ選択手段で選択された複数のデータに基づき内挿補間することにより疑似ＩＺデータを作成することを特徴とする請求項１に記載の高さ測定装置。
【請求項３】
前記疑似ＩＺデータ作成手段は、前記データ選択手段により選択された検出光量が最大となるＩＺデータを中心にして左右のＩＺデータの各検出光量差が所定のしきい値以上である場合に、疑似ＩＺデータを作成することを特徴とする請求項１または２に記載の高さ測定装置。
【請求項４】
前記疑似ＩＺデータ作成手段は、前記データ選択手段により選択された検出光量が最大となるＩＺデータを中心にして左右のＩＺデータの各焦点位置と仮想ピーク位置との間の各距離同士の差が所定のしきい値以上である場合に、疑似ＩＺデータを作成することを特徴とする請求項１または２に記載の高さ測定装置。
【請求項５】
前記ピーク位置推定手段は、前記データ選択手段により選択された検出光量が最大となるＩＺデータを中心にして左右のＩＺデータの各検出光量差が所定のしきい値以上であるときに前記疑似ＩＺデータ作成手段に疑似ＩＺデータを作成させることを特徴とする請求項１に記載の高さ測定装置。
【請求項６】
前記ピーク位置推定手段は、前記データ選択手段により選択された検出光量が最大となるＩＺデータを中心にして左右のＩＺデータの各焦点位置と仮想ピーク位置との間の各距離同士の差が所定のしきい値以上であるときに前記疑似ＩＺデータ作成手段に疑似ＩＺデータを作成させることを特徴とする請求項１に記載の高さ測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、共焦点光学系を応用して測定対象物の高さを求める高さ測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、携帯電話等の小型化に伴い、ＬＳＩパッケージはますます高密度化・高集積化が進んでいる。ＬＳＩの実装方法も、以前のワイヤボンディングからバンプと呼ばれるハンダボールを使用した面実装へと移行しつつある。
【０００３】
面実装においては、バンプの高さが均一でないと、ショートやオープンの原因となる。そのため、バンプの高さを検査する必要があるが、バンプは非常に小さく、人が顕微鏡を覗いて検査するには非常に困難な状況になっている。そのためバンプの高さを自動で高速かつ高精度に求められる装置への要求が高まってきている。このような要求に対応するものとして、従来より走査型共焦点光学系を用いた高さ測定装置（以下、走査型共焦点高さ測定装置）が提案されている。
【０００４】
走査型共焦点高さ測定装置は、物体に対し光学系の焦点が合っている部分は明るく、合っていない部分は暗くなる画像（これを共焦点画像と呼ぶ）を撮像することができる。そして、この共焦点画像を光学系の焦点位置を変えながら複数枚撮像することによって、各画素の輝度値の変化（これをＩＺ曲線と呼び、後述する図４の（ａ）（ｂ）に示すようなグラフになる）から物体の高さを求めることができる。つまり、各画素毎に輝度値が最大となる時の焦点位置を求めることで、物体の高さを求めることができる。
【０００５】
例えば、特許文献１に記載された装置では、さらに内挿処理を用いて輝度値が最大となるときの焦点位置を求めることで、物体の高さを共焦点画像の焦点位置間隔を超える精度で推定している。
【０００６】
【特許文献１】
特開平９−５０４６号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上述した特許文献１では、測定対象の物体を複数回測定したときの再現性が悪くなってしまうという問題がある。この問題は、内挿処理により推定した高さの値が、各共焦点画像の焦点位置の選び方、つまりサンプリング位置に依存してしまうことに原因がある。
【０００８】
図４の（ａ）（ｂ）は、焦点位置と輝度値の関係をグラフ化した図である。図４の（ａ）（ｂ）は、同一物体を同じサンプリング間隔（焦点位置間隔）で３回測定したときの、焦点位置と輝度値の関係をそれぞれグラフ化したものであり、図中の黒丸●が測定値を表している。図中に示されているデータを使用して内挿処理により輝度値のピーク位置を推定すると、矢印で示すように、（ａ）の場合には真値よりも右に偏った値が得られ、（ｂ）の場合には左に偏った値が得られてしまう。
【０００９】
つまり、左右のバランスが悪いと、どちらか一方の測定値に偏った値が得られてしまうという問題がある。
【００１０】
本発明の目的は、サンプリング位置に依存せずに、精度良く物体の高さを推定することが可能な高さ測定装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
課題を解決し目的を達成するために、本発明の高さ測定装置は以下の如く構成されている。
【００１２】
本発明の高さ測定装置は、物体の高さを光学的に測定する高さ測定装置において、共焦点光学系と、前記物体の表面からの光を前記共焦点光学系を通して検出する光検出手段と、前記共焦点光学系の焦点位置を前記物体に対し相対的に変化させる焦点位置変化手段と、所定のしきい値より大きい前記光検出手段で検出された検出光量データとその時の焦点位置データを選択するデータ選択手段と、真のピーク位置に対して前記データ選択手段で選択された最大の検出光量を含む少なくとも３つの検出光量及びその時の焦点位置とからなるＩＺデータのバランスを保つよう、疑似ＩＺデータを作成する疑似ＩＺデータ作成手段と、前記データ選択手段で選択されたＩＺデータと前記疑似データ作成手段で作成された疑似ＩＺデータから前記検出光量が最大となるときの焦点位置を推定するピーク位置推定手段と、から構成されている。
【００１３】
上記手段を講じた結果、以下のような作用を奏する。
【００１４】
本発明の高さ測定装置によれば、最大となる検出光量を含む少なくとも３つの実測ＩＺデータのバランスを改善し、データのサンプリング位置に依存することなく、真の焦点位置を精度良く推定することが可能になる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００１６】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る高さ測定装置の構成を示す図である。測定対象である物体４は、ステージ５上に載置されている。ステージ５の上方には、共焦点光学系１と光検出器２が配置されている。ステージ５は、焦点位置変化部３によって共焦点光学系１の光軸方向（Ｚ軸方向）に移動可能である。このため、物体４に対する共焦点光学系１の焦点位置を相対的に変化させることができる。光検出器２と焦点位置変化部３は、メモリ６に接続されている。メモリ６は、ＩＺデータ選択部７と疑似ＩＺデータ作成部８に接続され、さらにＩＺデータ選択部７と疑似ＩＺデータ作成部８はピーク位置推定部９に接続されている。
【００１７】
共焦点光学系１から出射した光は、物体４を照射し、物体４で反射した光は共焦点光学系１を通って、光検出器２によって検出される。光検出器２により検出される光量は、共焦点光学系１による物体４側の焦点位置が物体４の表面に合っているときに最大となるが、表面からずれると急激に少なくなる。つまり、検出される光量が最大となるときの焦点位置を求めることで、物体４の高さ情報を求めることが可能となる。
【００１８】
このため上記高さ測定装置では、焦点位置変化部３により、物体４に対する共焦点光学系１の焦点位置を光軸方向に所定のサンプリング間隔でずらして、そのサンプリング間隔毎に光検出器２で検出（実測）した検出光量Ｉと焦点位置Ｚをメモリ６に蓄積する。この検出光量Ｉと焦点位置Ｚとの組のデータを、以下ＩＺデータと呼ぶ。
【００１９】
図２は、メモリ６に蓄積されたＩＺデータをグラフ上にプロットして示した図であり、図３は、図２のピーク付近を拡大して示した図で、（Ｉ１，Ｚ１）から（Ｉ５，Ｚ５）までが表示されている。
【００２０】
以上のようにして得られた複数のＩＺデータから、真のピーク位置（Ｉ０，Ｚ０）をピーク位置推定部９により推定する。しかしながら、実測した全てのＩＺデータを用いてピーク位置推定を行うと、推定に時間がかかるので、ＩＺデータ選択部７により検出光量Ｉが所定のしきい値以上のデータのみを選択してピーク位置推定部９に与える。例えば、ＩＺデータ選択部７は、図３の波線で示すしきい値Ｉｔｈ以上の少なくとも最大となる検出光量を含むデータ（Ｉ２，Ｚ２）、（Ｉ３，Ｚ３）、（Ｉ４，Ｚ４）の３つを選択し、ピーク位置推定部９に与える。
【００２１】
しかしながら、こうして選択されたＩＺデータは、図４の（ａ）、（ｂ）で説明したように、真のピーク位置に対しバランスの悪いデータである可能性がある。そこで、疑似ＩＺデータ作成部８により疑似ＩＺデータを作成して、ピーク位置推定部９に与えるＩＺデータに疑似ＩＺデータを補充し、真のピーク位置に対して左右のデータバランスを改善する。疑似ＩＺデータは、例えば図３に白丸○で示す２つのデータ（Ｉｔｈ，Ｚ’）と（Ｉｔｈ，Ｚ”）のようになる。この２つのデータは、それぞれ（Ｉ１，Ｚ１）と（Ｉ２，Ｚ２）、（Ｉ４，Ｚ４）と（Ｉ５，Ｚ５）の間の線形補間（内挿補間）により作成することができる。ピーク位置推定部９は、ＩＺデータ選択部７から送られるＩＺデータ（Ｉ２，Ｚ２）、（Ｉ３，Ｚ３）、（Ｉ４，Ｚ４）と疑似ＩＺデータ作成部８から送られる疑似ＩＺデータ（Ｉｔｈ，Ｚ’）、（Ｉｔｈ，Ｚ”）の線形補間処理を行なってピーク位置を推定する。
【００２２】
このように本第１の実施の形態では、ＩＺデータ選択部７により選択されたＩＺデータに、疑似ＩＺデータ作成部８により作成された疑似ＩＺデータ（Ｉｔｈ，Ｚ’）、（Ｉｔｈ，Ｚ”）を加えてピーク位置推定部９に与えることにより、真のピーク位置に対して左右のデータのバランスを改善することができる。なお、ＩＺデータと疑似ＩＺデータが近似している場合には、例えば図３中のＩＺデータ（Ｉ２，Ｚ２）を疑似ＩＺデータ（Ｉｔｈ，Ｚ’）に置き替えることも可能である。これにより、実測されたＩＺデータのサンプリング位置に依存されることなく、常にＩＺデータと疑似ＩＺデータにより真のピーク位置を精度良く推定することが可能になる。
【００２３】
（第２の実施の形態）
第１の実施の形態では、常に検出光量のしきい値Ｉｔｈに対応する疑似ＩＺデータを作成し、真のピーク位置に対して左右データのバランスを改善した。この場合、実測したデータが真のピーク位置に対しバランスが良いときにも疑似ＩＺデータを作成してデータを補充することになる。そこで第２の実施の形態では、実測したＩＺデータが真のピーク位置に対して左右のバランスが悪いときのみ、疑似ＩＺデータを作成してデータの補充を行なう。
【００２４】
ＩＺデータ選択部７は、第１の実施の形態と同様に、検出光量Ｉが第１のしきい値以上の実測データのみを選択してピーク位置推定部９に与える。ＩＺデータ選択部７は、図３の波線で示すしきい値Ｉｔｈ以上の少なくとも最大となる検出光量を含むデータ（Ｉ２，Ｚ２）、（Ｉ３，Ｚ３）、（Ｉ４，Ｚ４）の３つを選択し、ピーク位置推定部９に与える。また、疑似ＩＺデータ作成部８は疑似ＩＺデータを作成する。この疑似ＩＺデータは、例えば図３に白丸○で示す２つのデータ（Ｉｔｈ，Ｚ’）と（Ｉｔｈ，Ｚ”）のようになる。
【００２５】
ピーク位置推定部９は、ＩＺデータ選択部７から与えられたデータのうち検出光量が最大となるＩＺデータ（Ｉ３，Ｚ３）を中心にして左右のデータ（Ｉ２，Ｚ２）と（Ｉ４，Ｚ４）の各検出光量差を求める。ピーク位置推定部９は、その光量差が第２のしきい値以上である場合に左右のＩＺデータのバランスが悪いと判断し、ＩＺデータ選択部７により選択されたＩＺデータに、疑似ＩＺデータ作成部８により作成された疑似ＩＺデータを加え、線形補間処理を行なう。ピーク位置推定部９は、左右のＩＺデータのバランスが悪いと判断したときに、疑似ＩＺデータ作成部８に疑似ＩＺデータを作成させる指令を与えてもよい。
【００２６】
このように本第２の実施の形態では、左右のＩＺデータのバランスが悪いときのみに疑似ＩＺデータを作成することで、真のピーク位置に対して左右のデータバランスを改善することができ、バランスが良いときには疑似ＩＺデータを作成することなく、不必要な補間処理を行なわずに済む。
【００２７】
（第３の実施の形態）
第３の実施の形態では、第２の実施の形態と同様に、実測されたＩＺデータが真のピーク位置に対して左右のバランスが悪いときのみ、補間処理を行なう。
【００２８】
ＩＺデータ選択部７は、第２の実施の形態と同様に、検出光量Ｉが第１のしきい値以上の実測データのみを選択してピーク位置推定部９に与える。ＩＺデータ選択部７は、図３の波線で示すしきい値Ｉｔｈ以上のデータ（Ｉ２，Ｚ２）、（Ｉ３，Ｚ３）、（Ｉ４，Ｚ４）の３つを選択し、ピーク位置推定部９に与える。また、疑似ＩＺデータ作成部８は疑似ＩＺデータを作成する。この疑似ＩＺデータは、例えば図３に白丸○で示す２つのデータ（Ｉｔｈ，Ｚ’）と（Ｉｔｈ，Ｚ”）のようになる。
【００２９】
ピーク位置推定部９は、ＩＺデータ選択部７から与えられたデータのうち左右両端のデータの各焦点位置、例えば図３ではデータ（Ｉ２，Ｚ２）及び（Ｉ４，Ｚ４）の各焦点位置Ｚ２及びＺ４と、経験的に求められた仮想ピーク位置Ｚｉ（実験値等）との間の各距離（｜Ｚｉ−Ｚ２｜，｜Ｚｉ−Ｚ４｜）を求める。さらにピーク位置推定部９は、これら各距離同士の差（｜｜Ｚｉ−Ｚ２｜−｜Ｚｉ−Ｚ４｜｜）を求める。ピーク位置推定部９は、その距離差が第３のしきい値以上である場合に左右のＩＺデータのバランスが悪いと判断し、ＩＺデータ選択部７により選択されたＩＺデータに、疑似ＩＺデータ作成部８により作成された疑似ＩＺデータを加え、線形補間処理を行なう。
【００３０】
このように本第３の実施の形態では、第２の実施の形態と同様、ピーク位置推定部９は、左右のＩＺデータのバランスが悪いと判断したときに疑似ＩＺデータ作成部８に疑似ＩＺデータを作成させる指令を与えてもよい。真のピーク位置に対し左右のＩＺデータのバランスが悪いときのみ疑似データを作成することで、真のピーク位置に対して左右のデータバランスを改善することができ、バランスが良いときに疑似ＩＺデータを作成することなく、不必要な補間処理を行なわずに済む。
【００３１】
なお、本発明は上記各実施の形態のみに限定されず、要旨を変更しない範囲で適宜変形して実施できる。上記各実施の形態では、物体４上のある１点のみの高さ推定について説明したが、共焦点光学系１を走査型共焦点光学系に変更し、さらに光検出器２をＣＣＤなどの撮像素子に変更し、物体４の各点毎に本実施の形態を適用することで、物体表面の高さ分布を精度良く求めることが可能になる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、サンプリング位置に依存せずに、精度良く物体の高さを推定することが可能な高さ測定装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る高さ測定装置の構成を示す図。
【図２】本発明の実施の形態に係るＩＺデータをグラフ上にプロットして示した図。
【図３】本発明の実施の形態に係る図２のピーク付近を拡大して示した図。
【図４】従来例に係る焦点位置と輝度値の関係をグラフ化した図。
【符号の説明】
１…共焦点光学系
２…光検出器
３…焦点位置変化部
４…物体
５…ステージ
６…メモリ
７…ＩＺデータ選択部
８…疑似ＩＺデータ作成部
９…ピーク位置推定部
【図１】
2005009877.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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