JP2008175682A - 微細形状高さ測定装置及び測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】使用するレンズの収差による測定誤差が発生しないようにしつつ、被検査体の２次元情報および３次元情報を得ることができる測定装置および測定方法を提供する。
【解決手段】基板表面上の凹凸形状や異物の高さを測定する測定装置であって、平板状の基板の表面上に凹凸が形成されている被検査品および、被検査品と同一かつその形状が既知である形状既知品を並べて載せて水平に搬送するステージと、被検査品と形状既知品に照明光をそれぞれ照射する光源と、形状既知品と被検査品の表面に対してその光軸を４５°傾けた状態で設置したラインセンサカメラを用いた撮像手段と、形状既知品と被検査品からのそれぞれの反射光の光路を一つに統合する光分配素子と、前記光分配素子と被検査品および形状既知品の間にそれぞれ設置されるシャッター手段と、前記撮像手段が撮像した画像データを記憶し画像処理する手段とを備える形状測定装置および方法。
【選択図】図２

Description

被検査品上の微小な異物や欠陥など、被検査品の面内の高さの情報を、精密かつ高速に計測をするための方法及び装置に関するものである。

近年、テレビを初めとする各種電子機器の大型化が著しい。例えば液晶テレビを例に挙げると、市場で競争が激しい３２型でもパネルサイズは７００ｘ４００ｍｍ，最も大きい６５型ともなると１４３０ｘ８００ｍｍにもなる。

これらのパネル中は１００万個以上のセルで構成されており、セル１つの大きさは数百μｍである。この数百μｍの大きさのセルは数十μｍの大きさのごみや欠陥がないように管理されている。

しかし例えば携帯電話で使われている液晶画面の画面サイズは、２．２〜４インチのＱＶＧＡが主流で、その１セルの大きさは１００μｍ程度である。今後は２インチでＶＧＡに移行するといわれており、そうなるとセルの大きさは数十μｍ程度の大きさとなり、欠陥などの検出精度は今までのレベルでは到底不十分となる。

また、パネルの薄型化に伴い異物原因でのショートが生じやすくなり、異物の高さ自体が欠陥要因となってきている。携帯電話で使われている液晶画面の検査で、必要な検出精度は１０μｍ以下とされている。

現在、このような検査に使われている方法は、ラインセンサカメラで被検査体を撮像して、被検査体の画像を取得し、その画像に何らかの画像処理を行って異物や欠陥を検出するというものである。このような検査で使われる装置の構成は、画像取得系であるカメラおよびレンズ、被検査体を移動させるステージ、照射用光源である。

カメラは主にラインセンサカメラを使用し、これに所望の分解能を実現するような仕様のレンズを組み合わせて撮像を行う。カメラで取得した画像データは、画像処理ボードを介して、パソコンなどの画像処理および記憶手段に取り込まれ、記録および所定の処理が行われる。

ラインセンサカメラは１次元系の画像取得装置なので、単体では２次元の画像データを得ることはできない。そこで被検査体、もしくはカメラ自身を動かすことによって２次元の画像データを得るようにする。

このようにラインカメラは２次元情報を得ることは可能であるが、カメラで単に撮像する手法では２次元情報が得られるだけで３次元情報を得ることはできない。

異物の高さや、製品形状のうち高さの異常を検査したい場合には、２次元情報だけなく３次元情報を得ることが必要となる。

例えば、特許文献１に係る測定装置では、ラインセンサカメラにより被検査体の２次元的な画像を取得しつつ、レーザー光と光位置検出素子により被検査体の各点の高さの情報を取得することを特徴としている。

特許第３３７９９２８号

しかしながら特許文献１に係る測定装置では、ラインセンサカメラと光位置検出素子は対物レンズが同一ではあるものの、対物レンズ以外のレンズはそれぞれ個別のものを使用している。そのため、対物レンズ以外のレンズの収差が異なることにより、測定誤差が発生することがあるという問題点があった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、使用するレンズの収差による測定誤差が発生しないようにしつつ、被検査体の２次元情報および３次元情報を得ることができる測定装置および測定方法を提供することを目的とする。

請求項１に対応する発明は、平板状の基板の表面上の凹凸形状および異物の高さを測定する測定装置であって、
平板状の基板の表面上に凹凸が形成されている被検査品および、被検査品と同一品でその表面の形状が既知である形状既知品を並べて載せて水平に搬送する搬送ステージと、
被検査品に照明光を照射する第１の照明光源と、
形状既知品に照明光を照射する第２の照明光源と、
形状既知品および被検査品の表面に対してその光軸を４５°傾けた状態で設置した、ラインセンサカメラおよびレンズを備えた撮像手段と、
前記撮像手段と搬送ステージとの間に設置され、形状既知品および被検査品からのそれぞれの反射光の光路を一つに統合する光分配素子と、
前記光分配素子と被検査品の間に設置される第１のシャッター手段と、
前記光分配素子と形状既知品の間に設置される第２のシャッター手段と、
前記撮像手段が撮像した画像データを、記憶および画像処理する手段と、
を備えることを特徴とする形状測定装置である。

請求項２に対応する発明は、平板状の基板の表面上の凹凸形状および異物の高さを測定する測定方法であって、
平板状の基板の表面上に凹凸が形成されている被検査品および、被検査品と同一品でその表面の形状が既知である形状既知品を並べて載せて水平に搬送する搬送段階と、
被検査品に照明光を照射する第１の照明段階と、
形状既知品に照明光を照射する第２の照明段階と、
形状既知品および被検査品の表面に対してその光軸を４５°傾けた状態で設置した、ラインセンサカメラおよびレンズを備えた撮像手段による撮像段階と、
前記撮像手段と搬送ステージとの間に設置された光分配素子により、形状既知品および被検査品からのそれぞれの反射光の光路を一つに統合する光路統合段階と、
前記光分配素子と被検査品の間に設置される第１のシャッター手段、および前記光分配素子と形状既知品の間に設置される第２のシャッター手段により、撮像対象を選ぶ撮像対象選択段階と、
前記撮像手段が撮像した画像データを、記憶および画像処理する段階と、
を備えることを特徴とする形状測定方法である。

以上のような手段を講じたことにより、形状既知品と被検査品をカメラに対して相対位置が全く同じように設置し、真上方向から照明して斜めから形状既知品と被検査品のそれぞれの画像を取得できる光学系が形成される。撮像は、１台のカメラと２台のシャッターを連動し、既知品、被検査品を交互に連続的に行う。カメラと既知品、被検査品の位置関係から２種類の画像を合成し、同一位置の画素の差分値を解析することによって被検査品の形状情報を得ることが可能になる。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、本実施形態で撮像対象とする形状既知品９の一例を模式的に示した図である。
平板状の基板３上に、一辺の長さｐの正方形を底面とし高さがｈである四角柱２が複数個、間隔ｓをもって２次元的に配列しているものである。

この形状既知品９は、検査対象となる製品のなかで高さ形状を含め、寸法的に正常とあらかじめわかっているものとする。つまり、同ロット内の製品検査のマスター品となるものである。本実施形態では、高さｈが規格値に入っているかどうかの検査を行うものとする。

図２は本発明の一実施形態に係わる測定部の概略構成を示す図である。
形状既知品９と被検査品１０は水平なステージ１２上に置かれ、照明灯１１によりそれぞれ真上から照明される。照明灯１１は、形状既知品９および被検査品１０に対して同等の照度の照明を与えるものであり、蛍光灯、ＬＥＤ、ハロゲン光源、メタルハライド光源などを使用することが出来る。

カメラ４は、キュービック型ハーフミラー７を通して、形状既知品９および被検査品１０を撮像できるように設置されている。光分配素子であるキュービック型ハーフミラー７は、一般的には同じ形状の直角二等辺三角柱を２個接合してなる立方体であり、その接合面で光は分配される。したがって、カメラ４と形状既知品９および被検査品１０の間の光路長を等しくするためには、カメラ４の光軸と水平面との角度は４５°となる。

カメラ４のレンズ５としては、コントラストが得られ、かつ平行光だけを受光できるようにテレセントリックレンズなどを用いることが好ましい。また撮像対象からの受光量を調整できるように、レンズ５の前にＮＤフィルター６を配置しても良い。

カメラ４は、カメラ４に対して光学的に同一の位置に配置された形状既知品９および被検査品１０を撮像する。このとき交互に連続して撮像するため、シャッター機構８ａおよび８ｂを、キュービック型ハーフミラー７と被検査品９および形状既知品１０との間にそれぞれ配置する。シャッター機構８ａおよび８ｂは、カメラ４と同期し、既知品９を撮像する場合はシャッター８ｂが開き、シャッター８ａが閉じる。また、被検査品１０を撮像する場合はシャッター８ａが開き、シャッター８ｂが閉じる。

またカメラ４はラインセンサカメラであり、１列ごとに画像データを撮像する。なおカメラ４のラインセンサ素子上に、形状既知品９および被検査品１０の輝度値比較領域１の像が結像するように、レンズ５を調節するか、カメラ４とステージ１２の間の距離を調節しておく必要がある。ステージ１２は、カメラ４の撮像時には静止し、撮像していない間に所定距離を移動する。

この繰り返しによりカメラ４は、形状既知品９および被検査品１０を交互に撮像して、それぞれの画像データを取得する。これらの２つの画像データは画像ボードを介してパソコンなどの画像処理および記憶手段に取り込まれ記録される。

画像データのノイズを削除するような前処理が行われた後、２つの画像データ中の同一位置の画素の輝度値を比較することにより、被検査品の高さ情報を解析することが可能となる。

以下、被検査品１０の高さ情報の解析の一例を示す。
まず図３に示したように、被検査品１０の画像データ中から複数個の特徴点１３を抽出する。その特徴点１３の座標位置から、カメラ４のラインセンサ素子の画素配列の方向と、四角柱２の配列方向とがなす角度θを算出する。それから図４に示すようなアフィン変換を行い、被検査品１０の画像データを矩形座標に変換する。

なお、図３および図４には説明のため、カメラ４のラインセンサ素子の画素配列の方向（図４のＸ方向）と、四角柱２の配列方向のうちの一方がなす角度がθ（θ≠９０°）で、もう一方がなす角度が０°（図４のＸ方向と同一）の場合について模式的に示している。実際には０°以外の値をとる場合もあるが、その場合でもアフィン変換は可能である。

形状既知品９の画像についても同様の処理を行い、矩形座標に変換しておく。この処理で得られた画像データを、以下ではアフィン変換画像と呼ぶことにする。

次に既知品９と被検査品１０のアフィン変換画像において、図１の輝度値比較領域１の形状を抽出する。それぞれの四角柱２の輝度値比較領域１の端部の座標値を算出することにより、その形状を知ることができる。その際、既知品９と被検査品１０との間で、対応する四角柱２の像は、ラベリング処理によりラベルを付し認識しておく。

形状既知品９は寸法が既知なので、形状既知品９の各四角柱２の高さ情報が得られる点１４のアフィン変換画像中の座標値と、被検査品１０の各四角柱２の高さ情報が得られる点１４のアフィン変換画像中の座標値を比較することによって、被検査品１０の寸法が得られる。

輝度値比較領域１面内の高さ分布は、輝度値比較領域１の画素毎の輝度値から見積もることが出来る。輝度値比較領域１の部分の画素の輝度値を、形状既知品９、被検査品１０で比較するため、被検査品１０の輝度値から、形状既知品９の輝度値を引き算する。この値を差分値とする。

真上から照明したものを斜め方向から撮像した場合、形状既知品９に対して被検査品１０が高い場合は、差分値は正の値をとり、低い場合は負の値をとる。従って、欠陥となるのは、差分値が正の値をとる場合とすればよい。

輝度値比較領域に対して画素のサイズが小さいときには、より形状分布を詳細に知ることが出来る。この差分値は実際の寸法のディメンジョンとは異なるが、実際の高さ情報と相関をとり予測・決定することが望ましい。

基板面からの高さ形状情報を求めるには、高さ情報が得られる点１４の座標値と差分値から得られる高さ情報を合計した形で求めればよい。基板面からの高さ形状情報に対してスレッシュホールドを設けることにより、被検査品の合否判定が可能になる。

以上説明したように本発明によれば、例えば電子部品の検査において、微小異物の高さ情報が電気的にショートなどを引き起こす欠陥となりうる場合、あらかじめ高さ情報がわかっている既知品と被検査品を光学的に同一の位置で撮像、比較処理を行うことにより、レンズの収差による精度劣化の影響をあまり受けずに精度よく高さ情報を得ることが可能となる。

本発明の一実施形態に係る形状既知品の模式図。 本発明の一実施形態に係る測定部の概略構成を示す模式図。 被検査品を撮像した斜め画像において、高さ情報が得られる点を示す模式図。 斜め画像の座標変換を模式的に示す説明図。

符号の説明

１…輝度値比較領域
２…四角柱
３…製品の基板
４…ラインセンサカメラ
５…レンズ
６…ＮＤフィルター
７…光分配素子（キュービック型ハーフミラー）
８ａ…シャッター機構
８ｂ…シャッター機構
９…形状既知品
１０…被検査品
１１…照明光源
１２…搬送ステージ
ｐ…四角柱の底面の１辺の長さ
ｓ…隣り合う四角柱の間の距離
ｈ…四角柱の高さ

Claims (2)

1. 平板状の基板の表面上の凹凸形状および異物の高さを測定する測定装置であって、
   平板状の基板の表面上に凹凸が形成されている被検査品および、被検査品と同一品でその表面の形状が既知である形状既知品を並べて載せて水平に搬送する搬送ステージと、
   被検査品に照明光を照射する第１の照明光源と、
   形状既知品に照明光を照射する第２の照明光源と、
   形状既知品および被検査品の表面に対してその光軸を４５°傾けた状態で設置した、ラインセンサカメラおよびレンズを備えた撮像手段と、
   前記撮像手段と搬送ステージとの間に設置され、形状既知品および被検査品からのそれぞれの反射光の光路を一つに統合する光分配素子と、
   前記光分配素子と被検査品の間に設置される第１のシャッター手段と、
   前記光分配素子と形状既知品の間に設置される第２のシャッター手段と、
   前記撮像手段が撮像した画像データを、記憶および画像処理する手段と、
   を備えることを特徴とする形状測定装置。
   
2. 平板状の基板の表面上の凹凸形状および異物の高さを測定する測定方法であって、
   平板状の基板の表面上に凹凸が形成されている被検査品および、被検査品と同一品でその表面の形状が既知である形状既知品を並べて載せて水平に搬送する搬送段階と、
   被検査品に照明光を照射する第１の照明段階と、
   形状既知品に照明光を照射する第２の照明段階と、
   形状既知品および被検査品の表面に対してその光軸を４５°傾けた状態で設置した、ラインセンサカメラおよびレンズを備えた撮像手段による撮像段階と、
   前記撮像手段と搬送ステージとの間に設置された光分配素子により、形状既知品および被検査品からのそれぞれの反射光の光路を一つに統合する光路統合段階と、
   前記光分配素子と被検査品の間に設置される第１のシャッター手段、および前記光分配素子と形状既知品の間に設置される第２のシャッター手段により、撮像対象を選ぶ撮像対象選択段階と、
   前記撮像手段が撮像した画像データを、記憶および画像処理する段階と、
   を備えることを特徴とする形状測定方法。