JP3300664B2 - 寸法計測装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、機械細部の穴径や
配線パターンの線幅など、微小な寸法を計測するための
寸法計測装置に関し、特に狭隘な個所内に存在する微小
な部位の寸法の計測に好適な寸法計測装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近時、マイクロマシーン、発光素子、各
種機器などにおける微小部材や狭隘な個所に存在する微
小部位の寸法を正確に計測するための寸法計測装置の開
発が要求されている。従来、微小部材や微小部位の寸法
の計測は、光学顕微鏡やファイバスコープなどにて行わ
れてきた。ところで光学顕微鏡は、被寸法計測対象から
の焦点距離が数ｍｍ程度と大きいために狭隘な個所内に
存在する部位に対しては焦点を合わし得ないので実用で
きない問題がある。先端にセルホックレンズを有する通
常のファイバスコープは、狭隘な個所内に挿入し得て内
部の観察や計測を行ううえで好適ではあるが、分解能が
２０μｍ（観察距離：１ｍｍ前後）と低い問題がある。

【０００３】ファイバスコープの分解能を高める方法と
して、セルホックレンズなどの対物レンズを有しないフ
ァイバスコープ（以下、該ファイバスコープをコンタク
トスコープと称する）を用い、これの先端の対物面を被
寸法計測対象に直接接触させる方法が周知である。この
直接接触法によれば、理論的には画素径（約４μｍ）程
度までの分解能が得られる。

【０００４】しかしながら上記の直接接触法は、コンタ
クトスコープの視野が極端に狭いので寸法計測のために
は被寸法計測対象とコンタクトスコープの対物面との相
対位置を少なくとも被計測寸法分だけ変位させる必要が
あって、コンタクトスコープの対物面を被寸法計測対象
に直接接触させているために、上記の相対位置の変位が
困難な問題がある。

【０００５】ところで、直接接触法が有する高分解能の
長所を活かす目的で行った本発明者の研究によれば、全
く予想外にもコンタクトスコープの対物面を被寸法計測
対象に直接接触させるよりも僅かに、例えば１μｍ程度
離した方が分解能が向上することが判明した。しかもコ
ンタクトスコープの対物面と被寸法計測対象とを離すこ
とにより、両者間の相対位置の変位が容易となって寸法
計測の作業を円滑に行うことができ、この作業の円滑さ
の故に計測値のバラツキも低減する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記した全
く予想外の新知見にもとづいて完成したものであって、
本発明が解決しようとする課題は、直接接触法が有する
高分解能の長所を活かしつつ且つ上記の相対位置の変位
の問題点を克服し得る新規な寸法計測装置を提供するこ
とにある。換言すると、コンタクトスコープを用いて狭
隘な個所内に存在する被寸法計測対象の微小な寸法を計
測し得る寸法計測装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の課題は、以下に示
す寸法計測装置にて解決される。 (1) コンタクトスコープ、コンタクトスコープの対物面
が被寸法計測対象に近接あるいは接触したことを感知し
得るセンサ、被寸法計測対象とコンタクトスコープとの
横方向の相対位置を変位させ得る横方向変位手段、およ
びコンタクトスコープの対物面と被寸法計測対象との縦
方向の相対位置を調節し得る縦方向位置調節手段とを有
することを特徴とする寸法計測装置。 (2) センサが、コンタクトスコープの対物面が被寸法計
測対象から０〜５μｍの範囲内に近接したことを感知し
得るものである上記(1) 記載の寸法計測装置。(3) 横方
向変位手段が、ＸステージまたはＸＹステージである上
記(1) または(2) 記載の寸法計測装置。 (4) 縦方向位置調節手段が、Ｚステージである上記(1)
または(2) 記載の寸法計測装置。 (5) 縦方向位置調節手段が、コンタクトスコープの対物
面と被寸法計測対象との間隔を０．２〜５μｍの範囲内
に調節設置し得るものである上記(1) 〜(4) のいずれか
に記載の寸法計測装置。

【０００８】

【作用】センサと縦方向位置調節手段とにより、コンタ
クトスコープの分解能が向上し得る間隔（コンタクトス
コープの対物面と被寸法計測対象との縦方向の相対位置
間隔）、例えば０．２〜５μｍ、に調節し設定すること
ができ、また横方向変位手段の横方向の変位から被寸法
計測対象の所望部分の寸法を計測することができる。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図面により詳細に
説明する。図１は、本発明の実施例の装置の概念的断面
図である。図２〜図４は、図１の実施例の装置による寸
法計測の方法を説明する説明図である。図５は、図３に
おけるコンタクトスコープの視野の説明図であり、図６
は、図４におけるコンタクトスコープの視野の説明図で
ある。図７は、コンタクトスコープの対物面例の拡大図
である。図８は、コンタクトスコープの他の対物面例の
拡大図である。図９は、本発明の他の実施例の装置によ
る寸法計測の方法を説明する説明図である。図１０は、
本発明の他の実施例の装置による寸法計測の方法を説明
する説明図である。

【００１０】図１〜図４および図７〜図１０において、
１はコンタクトスコープ、２は縦方向位置調節手段、３
はセンサの一実施態様としての接触センサ、５は横方向
変位手段である。

【００１１】コンタクトスコープ１としては、光ファイ
バ素線のバンドルにて形成されている通常のファイバス
コープを用い得る。バンドル中の各光ファイバ素線は、
石英ガラス、多成分ガラスなどのガラス製のもの、ある
いは合成樹脂製のものなどであってよい。また光ファイ
バ素線中の各コアの屈折率分布についても、ステップイ
デックス型、マルチモード型などであってもよい。バン
ドルの画素数は、特に制限はないが、２，０００〜１０
０，０００程度、特に５，０００〜５０，０００程度が
適当である。

【００１２】縦方向位置調節手段２としては、コンタク
トスコープ１の位置（高さ）を少なくとも０．５μｍ程
度、好ましくは少なくとも０．１μｍ程度の精度で調節
し設置し得るものが好ましく、例えば、通常の光学顕微
鏡に用いられているようなレンズ筒体の上下動手段と同
様の歯車作動機構、後記する横方向変位手段５用の各種
Ｘステージを縦方向用に組み立てたＺステージ、などを
例示し得る。

【００１３】接触センサ３は、本体部分３２と一定の高
さｈを有する触覚突起３３とからなり、コンタクトスコ
ープ１の先端の周囲に設けられて矢印Ａに示す上下方向
に移動し得て、触覚突起３３の先端面３１が他物に接触
して矢印Ａの上方向に移動した際には、その移動距離を
例えば図１０にて後記する可プログラム調節計ＰＣに伝
送する電気系統あるいは光学系統（図示せず）をコンタ
クトスコープ１内に有する。触覚突起３３は、常時はコ
ンタクトスコープ１の対物面１１より下に突き出ており
（図１参照）、その先端面３１が物体４の表面に押し当
てられると矢印Ａの上の方向に移動して対物面１１が物
体４の表面に直接接触し得る（図２参照）。よって、接
触センサ３の触覚突起３３の移動量を縦方向位置調節手
段２にて計測することにより、コンタクトスコープ１の
対物面１１が物体４の表面に高さｈの範囲内で近接した
こと、およびコンタクトスコープ１の対物面１１が物体
４の表面に直接接触したことを知ることができる。接触
センサ３の具体例としては、特開平６−１９００５０号
公報に記載されているものを例示することができる。な
お本発明において、センサとしては接触センサ３のよう
な接触型のもの以外にもレーザ光を利用した非接触型の
ものであってもよい。

【００１４】横方向変位手段５としては、マイクロメー
タ付きのＸステージやＸＹステージなど、ステッピング
モータ、ＤＣサーボモータ、ＡＣサーボモータなどを用
いた位置決め機能付きの自動Ｘステージや自動ＸＹステ
ージなどが例示される。就中、Ｘ方向あるいはＸ方向と
Ｙ方向への移動距離を少なくとも０．５μｍ程度、好ま
しくは少なくとも０．１μｍ程度の精度で計測し得るも
のが好ましい。

【００１５】つぎに図１〜図６により、横方向変位手段
５の上に置かれた物体４の表面に存在する円形穴４１の
直径、即ちａ−ｂ間距離（即ち、被寸法計測対象）の計
測方法について説明する。まず図１において、コンタク
トスコープ１の視野に円形穴４１の全体が略入るように
横方向変位手段５を操作し、つぎに縦方向位置調節手段
２を操作してコンタクトスコープ１の対物面１１を物体
４の表面に接近せしめ、接触センサ３の先端面３１が物
体４の表面に接触した後は、接触センサ３からの信号に
従ってコンタクトスコープ１を徐々に下げて対物面１１
を物体４の表面に一旦接触させる。図２は、対物面１１
が物体４の表面に接触した状態を示す。

【００１６】つぎに、縦方向位置調節手段２によりコン
タクトスコープ１を僅かに上方に移動して止める。その
止めた状態での対物面１１と物体４の表面との間隔をＸ
とすると、間隔Ｘは０でもよいがコンタクトスコープ１
の分解能を改善する観点から０．２〜５μｍ程度、特に
０．５〜２μｍ程度とすることが好ましい。つぎに間隔
Ｘを前記の範囲内に保持した状態で、コンタクトスコー
プ１の視野を観察しながら横方向変位手段５を精密に操
作してコンタクトスコープ１の対物面１１上に付刻した
十字型の標識１２の縦線１２２に円形穴４１の周縁４２
の左側（ａ点側）の円弧が接し、且つ標識１２の横線１
２１に円形穴４１の周縁４２の上側の円弧が接するよう
にする。かくするとａ点上に縦線１２２が来て、ａ点の
正確な座標位置は縦線１２２にて決定される。図３およ
び図５は、その状態を示す。

【００１７】つぎに、間隔Ｘを前記の範囲内に保持した
状態で、コンタクトスコープ１の視野を観察しながら横
方向変位手段５を上記と同様に操作して標識１２の縦線
１２２に円形穴４１の周縁４２の右側（ｂ点側）の円弧
が接し、且つ横線１２１に周縁４２の上側の円弧が接す
るようにする。かくするとｂ点上に縦線１２２が来て、
ｂ点の正確な座標位置は縦線１２２にて決定される。図
４および図６は、その状態を示す。かくして横方向変位
手段５のＸ方向の移動距離からａ−ｂ間距離を正確に計
測することができる。

【００１８】なお図５〜図６に示す例のように、被寸法
計測対象たる円形穴４１が小さくてその全体がコンタク
トスコープ１の視野内に納まる場合には、ａ点とｂ点の
座標位置の決定の際に、共に横線１２１と周縁４２の上
側の円弧とが接するようにすることによって周縁４２の
円の中心を経由するａ−ｂ間距離が、しかして正しい円
の直径が計測できる。これに対して被寸法計測対象たる
円形穴がコンタクトスコープ１の視野より大きい場合に
は、標識１２の横線１２１が該円形穴の中心を通過する
ように横方向変位手段５を先ず設置し、ついで上記ａ点
に対応するその円形穴の点に横線１２１と縦線１２２の
交点を合わせ、ついで横方向変位手段５を移動して上記
ｂ点に対応するその円形穴の点に横線１２１と縦線１２
２の交点を合わせて、その間の移動距離を計測すればよ
い。

【００１９】図１〜図４は、コンタクトスコープ１の縦
方向位置調節手段２および横方向変位手段５の操作の一
例であって、要は任意の方法あるいは手順にてコンタク
トスコープ１の対物面１１と物体４の円形穴４１などの
被寸法計測対象との間隔を上記した微細な間隔Ｘ（図３
および図４の状態）にもたらして、必要な計測を行えば
よい。

【００２０】図１および図２に示す手順、あるいはその
他の手順を経て図３および図４の状態にもたらす場合、
前記した間隔Ｘがサブミクロン〜ミクロンの微小オーダ
ーであるので接触センサ３などのセンサなくしては実際
上は困難である。その理由はつぎの通りである。

【００２１】間隔Ｘの設定には、対物面１１を被寸法計
測対象に近接した場合の近接の度合い、あるいは直接接
触した状態（Ｘ＝０）を認知する必要があり、実際上、
近接の度合や直接接触の状態を縦方向位置調節手段２に
知らしめ、あるいは縦方向位置調節手段２から知る必要
があることによる。接触センサ３として、既知の高さｈ
を有する触覚突起３３を有するものを用いると、触覚突
起３３の矢印Ａの上方向（図１参照）への移動量から間
隔Ｘをサブミクロン〜ミクロンのオーダーで正確に計測
することができる。

【００２２】なお上記した対物面１１と被寸法計測対象
との間隔Ｘに関して、対物面１１の形状は人為的に形成
し制御し得るが、被寸法計測対象の各部分は必ずしも対
物面１１の特定面（例えば、対物面１１の中央面）に対
して厳密には並行ではない場合が多い。よって本発明で
は、かかる場合、被寸法計測対象の各部分毎の対物面１
１の特定面（例えば、対物面１１の中央面）との間隔の
平均値をとればよい。あるいは被寸法計測対象の各部分
のレベル差が大きい場合には、各部分毎にその間隔Ｘを
上記した範囲にもたらしてもよい。

【００２３】間隔Ｘを０μｍとするよりも上記した通り
に僅かに開けると、コンタクトスコープ１の視野におけ
る照明が良好となって被寸法計測対象部の像が鮮明化
し、換言すると、コンタクトスコープ１の分解能が向上
し、この結果コンタクトスコープ１の対物面１１上に付
刻した十字型の標識１２を被寸法計測対象の計測点（図
３のａ点など）に正確に合致せしめることができ、しか
して一層正確な寸法計測が達成される。間隔Ｘが０μｍ
の場合におけるＭＴＦ（変調伝達関数）値をいま１とす
ると、間隔Ｘが例えば１μｍの場合のそれは１．５程度
となる。

【００２４】コンタクトスコープ１における照明手段と
しては、斯界で慣用のものであってよく、例えば、ファ
イバ素線のバンドルの外周に照明用ファイバを複数本設
ける態様、バンドルを構成する個々の光ファイバ素線の
コアやクラッド層の一部または全部を照明用光の伝送路
としても利用する態様、バンドルを構成する個々の光フ
ァイバ素線として照明用光の伝送層を有するものを用い
る態様、あるいはその他の態様であってもよい。

【００２５】上記の照明手段のうち、バンドルを構成す
る個々の光ファイバ素線のコアやクラッド層の一部また
は全部を照明用光の伝送路としても利用する態様、バン
ドルを構成する個々の光ファイバ素線として照明用光の
伝送層を有するものを用いる態様などは、コンタクトス
コープ１の対物面１１の全面から照明用光が放射される
ので計測時における照明が一層効果的である。一方、フ
ァイバ素線のバンドルの外周に照明用ファイバを複数本
設ける態様は、対物面１１が平坦であると対物面１１の
中央部の照明が不足勝ちとなるので、その場合には図７
に示すように対物面１１を凸面として、あるいは図８に
示すように対物面１１を凹面として、それらの図に示す
照明用光の成分Ｌにて物体４の円形穴４１を照らすよう
にすることが好ましい。

【００２６】図９においては、物体４は被寸法計測対象
たる配線パターン４３をその表面に有し、物体４の全体
が穴あきのパッケージ６内に収納されている。６１は、
パッケージ６の上壁に設けられた一辺ｄの略正方形の小
穴である。配線パターン４３の各線幅Ｗの計測を通常の
光学顕微鏡にて行うことは、パッケージ６の上壁の存在
のために光学顕微鏡の対物レンズを配線パターン４３に
接近し得ないので不可能であるが、本発明によれば線幅
Ｗの計測が可能である。その場合、コンタクトスコープ
１を上記の***６１よりパッケージ６内に挿入してその
対物面１１を配線パターン４３の上に保持し、一方、物
体４をパッケージ６ごと横方向変位手段５に載せて左右
に移動せしめる。但し、この左右の移動距離は、配線パ
ターン４３の線幅Ｗと同程度あるいはそれより多少広い
程度で十分であって、それはパッケージ６の***６１の
一辺ｄより通常は格段に小さい。よってコンタクトスコ
ープ１は、***６１に挿入し縦方向位置調節手段２にて
上下方向に移動できさえすればよい。かかる状態にてパ
ッケージ６を横方向変位手段５にて左右に移動せしめる
と、コンタクトスコープ１は***６１内を相対的に左右
に変位し得て線幅Ｗの計測が可能となる。

【００２７】図１０は、縦方向位置調節手段および横方
向位置調節手段の例として共に自動ステージを使用した
自動寸法計測装置の例である。同図において、１はコン
タクトスコープ、２は自動Ｚステージ、４は被寸法計測
対象（図示せず）を表面に有する物体、５は自動ＸＹス
テージ、Ｓはコントローラ、ＰＣは可プログラム調節
計、ＣＮは接触測定装置、Ｊはコンタクトスコープ１の
一端に設けられたジョンイト、ＬＳは光源、ＣはＣＣＤ
カメラ、Ｍはモニターである。コンタクトスコープ１に
は、光源ＬＳからの照明光がジョンイトＪを経由して伝
送されており、伝送光は対物面１１から放射されて物体
４の被寸法計測対象を照明する。コンタクトスコープ１
の対物面１１上に設けられた接触センサ（図示せず）の
被寸法計測対象との接触の有無は、コンタクトスコープ
１内に設けた電気系統あるいは光学系統（図示せず）を
介して接触測定装置ＣＮに、ついで可プログラム調節計
ＰＣに伝送される。

【００２８】図１０の自動寸法計測装置による寸法計測
の原理および操作手順は、前記した図１〜図６で説明し
た方法と基本的に同じであって、コントローラＳ、可プ
ログラム調節計ＰＣ、およびＣＣＤカメラＣにより自動
的に行うに過ぎない。よって以下においては、図１〜図
６の説明を利用して説明する。また被寸法計測対象は、
物体４の表面の円形穴４１のａ−ｂ点間距離とする。

【００２９】まず、接触測定装置ＣＮからの信号並びに
ＣＣＤカメラＣとモニターＭとからの信号を受けて可プ
ログラム調節計ＰＣが自動Ｚステージ２を作動せしめ、
コンタクトスコープ１を図２の状態にもたらす。このと
き可プログラム調節計ＰＣが、接触測定装置ＣＮを介し
てコンタクトスコープ１の対物面１１が物体４の表面に
接触したことを検知し、ついで自動Ｚステージ２を作動
せしめてコンタクトスコープ１を図３の状態にもたら
す。この状態で可プログラム調節計ＰＣは、コントロー
ラＳを介して自動ＸＹステージ５を作動せしめて図３ま
たは図５に示すようにモニターＭ上で標識１２を円形穴
４１の端部に位置合わせする。ついで可プログラム調節
計ＰＣは、コントローラＳを介して自動ＸＹステージ５
を作動せしめてコンタクトスコープ１を図４および図６
の状態にもたらす。かくしてａ−ｂ点間の寸法が自動計
測される。

【００３０】

【発明の効果】接触センサなどのセンサとＺステージな
どの縦方向位置調節手段を用いることによりコンタクト
スコープの対物面を被寸法計測対象から僅かに離して設
置し得て、この結果コンタクトスコープの分解能が向上
する。また該両者をかく離すことにより、Ｘステージや
ＸＹステージなどの横方向変位手段の使用にてコンタク
トスコープの対物面と被寸法計測対象との横方向の相対
位置を容易に変位させ得、延いては被寸法計測対象の寸
法を一層正確に計測することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の装置の概念的断面図である。

【図２】図１の実施例の装置による寸法計測の方法を説
明する説明図である。

【図３】図１の実施例の装置による寸法計測の方法を説
明する説明図である。

【図４】図１の実施例の装置による寸法計測の方法を説
明する説明図である。

【図５】図３におけるコンタクトスコープの視野の説明
図である。

【図６】図４におけるコンタクトスコープの視野の説明
図である。

【図７】コンタクトスコープの対物面例の拡大図であ
る。

【図８】コンタクトスコープの他の対物面例の拡大図で
ある。

【図９】本発明の他の実施例の装置による寸法計測の方
法を説明する説明図である。

【図１０】本発明の他の実施例の装置による寸法計測の
方法を説明する説明図である。

【符号の説明】

１ コンタクトスコープ ２ 縦方向位置調節手段 ３ 接触センサ ４ 物体、 ４１ 物体４に設けられ且つ被寸法計測対象た
る円形穴 ５ 横方向変位手段

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 コンタクトスコープ、コンタクトスコー
   プの対物面が被寸法計測対象に近接あるいは接触したこ
   とを感知し得るセンサ、被寸法計測対象とコンタクトス
   コープとの横方向の相対位置を変位させ得る横方向変位
   手段、およびコンタクトスコープの対物面と被寸法計測
   対象との縦方向の相対位置を調節し得る縦方向位置調節
   手段とを有することを特徴とする寸法計測装置。
2. 【請求項２】 センサが、コンタクトスコープの対物面
   が被寸法計測対象から０〜５μｍの範囲内に近接したこ
   とを感知し得るものである請求項１記載の寸法計測装
   置。
3. 【請求項３】 横方向変位手段が、ＸステージまたはＸ
   Ｙステージである請求項１または２記載の寸法計測装
   置。
4. 【請求項４】 縦方向位置調節手段が、Ｚステージであ
   る請求項１または２記載の寸法計測装置。
5. 【請求項５】 縦方向位置調節手段が、コンタクトスコ
   ープの対物面と被寸法計測対象との間隔を０．２〜５μ
   ｍの範囲内に調節設置し得るものである請求項１〜４の
   いずれかに記載の寸法計測装置。