JP5582267B1 - 連続走査型計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】製品交換による無駄な時間を実質的な意味でなくし、効率的で信頼性の高い連続走査型表面形状計測器を提供する。
【解決手段】計測対象物３、４の表面形状計測を行う連続走査型の光応用計測器１と、光応用計測器１を搭載して所定方向に連続走査させる一軸の計測器走査用ステージ２と、計測対象物３、４をそれぞれ着脱自在に載置する互いに独立に移動可能である２つの搬送ステージ５、６とを備えている。搬送ステージ５、６は、光応用計測器１による計測位置と計測対象物３、４の交換位置とのいずれか一方に独立に位置決めされるとともに、計測位置にありかつ計測中の計測対象物を載置した搬送ステージは連続走査中において固定され、光応用計測器１は、一方の搬送ステージが交換位置に位置決めされて計測が終了した計測対象物と次の計測対象物とが交換される間に、計測位置に位置決めされた他方の搬送ステージ上の計測対象物の計測を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、光を利用した計測・検査装置に関する。特に、計測対象物の表面形状計測・検査を行う装置の高速化に関する。

半導体製品に用いられる高密度配線基板（以下簡単に基板と称する）のパネルやトレー上に配列された個片基板（パネルから切り出された基板）、あるいはウェーハ等は、２００〜４００ｍｍ角程度の平面方向サイズを有する一方で、基板上に配列されたバンプと呼ばれる微小電極の高さが０．０２〜０．１ｍｍ程度しかなく、このバンプの高さ寸法検査が重要とされる。バンプの高さ検査のために必要とされる計測精度はμｍレベルであることから、大きい面積の対象物を高精度に計測することが求められていることになる。

また、半導体は大量生産品であるので高精度の計測が求められる以上に著しい高速性も要求される。

このように広い面積を有する対象物表面を高速・高精度に形状計測する方法として、エリア計測型の表面形状計測器を用いて対象物あるいは計測器をステップ移動して計測する方法（以下では簡単にステップ走査型と称する）と、リニア計測型の表面形状計測器を用いて対象物あるいは計測器を連続走査させて計測する方法（以下では簡単に連続走査型と称する）が実用化されている。

ステップ走査型は、エリア計測型の表面形状計測器を用いるので、エリアサイズすなわち視野サイズ内に対象物全体が収まるのであればステップ移動を必要としない。しかし計測器の有する視野サイズは、高精度の計測が必要な場合、光学系の制約や２次元検出器の分解能の制約により十分広くとることは難しく、一般に数ｍｍ角〜数十ｍｍ角であるため、ステップ移動により多数の視野の計測を行い繋ぎ合わせる必要がある。

ステップ移動する場合、高速計測のためには高速に移動し停止させる必要があるが、加減速時の振動は計測精度に影響するため、装置剛性を高める必要が生じ、装置の長大化・高コスト化を招いている。

一方連続走査型は、移動ステージに速度安定性や高い直線性が求められることになるが、加減速が少ないため移動に関する高速性は、長大化や高コスト化を招くことなく実現できる。そのため、広い面積を有する対象物を高速・高精度に形状計測する方法としては連続走査型が優位であるといえる。

連続走査型の表面形状計測手法としては光切断法が一般的に使用される。光切断法は、直線状のパターン光を対象物に投影し、パターン光の投影方向とは異なる方向から投影された直線光を画像により観測すると、対象物の起伏に応じて直線が歪んで見えることを利用し、歪み量を画像計測することで、起伏すなわち表面形状を計測する手法である。一枚の画像から直線パターン光上の一ライン分の表面形状が計測でき、移動ステージにより連続移動しながら連続的に画像を取得することでシームレスに対象物の表面形状を計測することが可能である。

しかしながら、走査方向については対象物全体について計測することが可能であるが、走査方向に直交する方向については画像の視野サイズに制限されることから、一回の走査が終了すると走査方向に直交する軸を有する移動ステージにより一視野分移動し、再び走査を行い、対象物全体の走査が終了するまでそれを繰り返すことになる。つまり、走査軸ステージおよび視野移動軸ステージの２軸のステージによる移動が必要となる。

一般の検査装置では、計測対象物をＸＹステージ上に搭載し、このＸＹステージを走査することで計測を行う。図７に典型的な検査装置の構成を示す。計測対象物７０４が半導体製品のような大量生産品の場合、大量の計測対象物７０４を計測する必要があることから、計測対象物７０４を次々と交換して計測する必要がある。そのため、ＸＹステージ７０２、７０３上の計測対象物７０４を交換するための搬送装置（ローダ７０５、アンローダ７０６）が用意される。典型的な動作を以下に説明する。

計測器７０１により、ＸＹステージ７０２、７０３上の計測対象物７０４の計測が完了すると、計測対象物７０４が交換可能な、交換時に計測器と機械的に干渉しない位置まで長尺のＹ軸ステージ７０３が移動する。その後、搬送装置により計測済みの製品が取り除かれ、未計測の製品がＸＹステージ７０２、７０３上に配置・位置決め・固定される。Ｙ軸ステージ７０３により元の計測器下まで移動し再び計測が開始される。この動作が繰り返される。

特開２００５−３０７７４号公報 特開平６−２４２０１６号公報

大量生産品の検査は、高速性が強く求められる。そのため上記のように高速計測に有利な連続走査型の表面形状計測器が使用されるが、高速な計測が実現できたとしても、ＸＹステージ上の製品の交換に時間がかかるようであれば、トータルに考えて高速とは言えない。

製品交換の時間は、装置速度に影響を与えるだけでなく、その時間は計測器が動作していないことから、高価な計測器を十分に活用できていない不経済的な状況といえる。

また、連続走査型の表面形状計測手法として光切断法が用いられるが、光切断法は一枚の画像で一ライン分の表面形状計測結果しか得られないことから、実は決して効率の良い手法とは言えない。その効率の悪さを補うために撮像素子の撮像速度を高めかつ画像をコンピュータに転送することなく撮像素子近傍に専用の電子回路を配置し処理を行うなどの効率化がはかられているが、このような特殊な開発はできれば不要である方が良い。開発効率的な意味でも効率が悪いといえる。

さらに、光切断法の直線パターン光の中心位置検出は、原理的に対象物の表面状態に大きく影響を受けると考えられ、計測の信頼性が高いとは言えない。さらに直線パターン光として通常用いられるレーザ光は、撮像素子上の像に不自然な強度分布を生じさせるスペックルが発生することから中心位置検出の大きい誤差要因となる。

以上のような課題を鑑み本発明では、装置をトータルに効率化、高速化することができる連続走査型計測装置を提供することを目的とする。

さらに、基板上のバンプ検査においては、バンプの高さ計測のみならずバンプの径などの平面方向の寸法計測も要求されることが多いことから、連続走査型で表面形状を計測すると同時に、平面方向の寸法計測も可能な表面形状計測器を合わせて提供する。

上記課題を解決するために、本発明の一実施形態に係る連続走査型計測装置は、計測対象物の表面形状計測を行うための連続走査型の光応用計測器と、光応用計測器を搭載して所定方向に沿って連続走査させる一軸の計測器走査用ステージと、計測対象物をそれぞれ着脱自在に載置する２つの搬送ステージであって、互いに独立に移動可能である２つの搬送ステージとを備えたものである。２つの搬送ステージは、光応用計測器による計測位置と、計測対象物の交換位置と、のいずれか一方にそれぞれ独立に位置決めされるとともに、計測位置にありかつ表面形状計測中の計測対象物を載置した搬送ステージは連続走査中において固定され、光応用計測器は、一方の搬送ステージが交換位置に位置決めされて計測が終了した計測対象物と次の計測対象物とが交換される間に、計測位置に位置決めされた他方の搬送ステージ上の計測対象物の表面形状計測を行う。計測器走査用ステージは、所定方向に沿った１度の連続走査で光応用計測器が計測可能な所定方向に対する直交方向の計測幅が、計測対象物の直交方向の幅よりも小さいと、光応用計測器による所定方向に沿った連続走査を所定の待機時間を挟んで繰り返し実行させる。２つの搬送ステージのうち表面形状計測中の計測対象物を載置した搬送ステージは、連続走査が繰り返し実行される場合、連続走査中は固定される一方、所定の待機時間中は直交方向の計測幅以下の幅だけ直交方向に移動する。

以上のように連続走査型計測装置を構成することで、装置をトータルに効率化、高速化することができる。

さらに、連続走査型で表面形状を計測すると同時に、平面方向の寸法計測も可能となる。

本発明を具現化した装置を正面からみた図。 本発明を具現化した装置を上方からみた図。 格子パターンを説明するための図。 従来の格子パターン投影位相シフト法を説明するための図。 本発明の格子パターン投影位相シフト法を説明するための図。 同時に複数の計測を実現する方法を説明するための図。 従来技術を説明するための図。

以下では、本発明を具体的に実施するにあたり最良と思われる実施形態について述べる。

まず、本発明を具現化した実施形態の例を、主に図１を参照して説明する。

図１に示すように本発明の一実施形態に係る連続走査型計測装置１００は、光応用計測器１とその光応用計測器１を搭載する一軸の計測器走査用ステージ２と、計測対象物３、４をそれぞれ載せる一対の一軸の搬送ステージ５、６とから構成される。なお、連続走査型計測装置１００は、搬送ステージ５、６に加えて、さらに１または複数の搬送ステージを備えてもよい。

光応用計測器１は連続走査型の計測器であり、計測器走査用ステージ２により等速で移動しながら、搬送ステージ５、６上に搭載された計測対象物３、４を計測する。搬送ステージ５、６は、それぞれ同じ仕様の一軸ステージであり、光応用計測器１の走査方向（以下ではＸ方向と称する）とは直交する方向（以下ではＹ方向と称する）に沿って互いに独立に移動可能に構成される。

搬送ステージ５、６は、Ｙ方向に移動することにより、光応用計測器１による計測位置と、計測対象物３、４の交換位置（対象物交換位置）と、のいずれか一方にそれぞれ位置決めされる。また、搬送ステージ５、６が位置決めされる計測位置は、Ｙ方向に計測対象物３、４の３、４Ｙ方向の幅以上の幅を有するものとする。

すなわち、搬送ステージ５、６は、光応用計測器１が一回の走査で計測対象物３、４を計測できない場合に、Ｙ方向に計測位置のＹ方向の幅内で一視野分（光応用計測器１が１度の連続走査で計測可能なＹ方向の計測幅）以下の幅ずつ（たとえばちょうど一視野分ずつ）移動することで、光応用計測器１にＸ方向に沿った連続操作を繰り返し実行させて計測対象物３、４全面を計測できるようにする役割と、計測対象物３、４を交換する際に、光応用計測器１が機械的に干渉することのない対象物交換位置まで計測対象物３、４を移動させる役割を有している。

なお、搬送ステージ５、６が位置決めされる計測位置は、同一の位置を互いに共用してもよいし、互いに異なる位置であってもよい。同一の位置を互いに共用する場合は、互いに異なる位置である場合に比べ、光応用計測器１のＸ方向の走査範囲を狭くすることができる。以下の説明では、搬送ステージ５、６の一方に載置された計測対象物の交換の間にも他方に載置された計測対象物の走査が容易に可能となるよう、搬送ステージ５、６が位置決めされる計測位置が、互いに異なる位置であって、互いにＸ方向に沿った位置であり、かつＸ方向において光応用計測器１の走査範囲内の位置とする場合の例について示す。

また、搬送ステージ５、６が位置決めされる交換位置は、光応用計測器１が機械的に干渉することのない位置であればよい。たとえば、交換位置は、計測位置に対してＸ方向に交差する方向（Ｙ方向およびＺ方向を含む）に沿った位置であってもよい。また、交換位置は、計測位置に対してＸ軸方向に沿い、かつ光応用計測器１の移動範囲外の位置であってもよい。

また、搬送ステージ５、６の移動軸は一軸でなくてもよく、交換位置と計測位置との間で移動する際には直線的に移動をしてもよいし、直線的な移動を組合せて移動してもよいし、曲線的に移動してもよい。また、複数の交換位置を用意し、交換位置としてこれらの位置の１つを適宜選択してもよい。複数の交換位置を用意する場合、各位置にローダ７０５およびアンローダ７０６を設置しておいてもよい。

以下の説明では、交換位置が計測位置に対してＹ方向に沿った位置である場合の例について示す。

全体の動作を、図１を上方からみた図である図２を用いて説明する。

計測対象物３、４はＸ方向に長く、Ｙ方向には光応用計測器１の２視野分以下の幅を有するものとする。つまり光応用計測器１により２回の走査で全面計測が完了するサイズの対象物である。半導体のパッケージ基板においては、このような細長い基板はストリップ基板と呼ばれ、近年モバイル機器のＩＣパッケージ基板として普及してきている。

２台の搬送ステージ５、６の中間位置に光応用計測器１があり計測対象物４方向へ移動しており、搬送ステージ６が計測位置に位置決めされた状態を計測スタート状態と考える。なお、計測対象物３、４のＹ方向の幅が光応用計測器１の一視野分（計測幅）より広い場合、搬送ステージ５、６が位置決めされる計測位置の初期位置は、計測対象物３、４のＹ方向の端部から一視野分が計測可能な位置とするとよい。

光応用計測器１はＸ方向に沿って移動しながら計測対象物４のＹ方向半分の計測を行い計測対象物４の端に到達し、所定の待機時間だけ停止する。Ｘ方向の連続走査の間、搬送ステージ６は固定される。次に、表面形状計測中の計測対象物４を載置した搬送ステージ６が現在の計測位置からＹ方向にたとえば一視野分移動することにより、もう一方のＹ方向半分の位置に計測対象物４が位置すると、光応用計測器１はＸ方向に沿って逆向きに走査を開始して計測対象物４の残り半分の計測を行う。計測対象物４のＹ方向の幅がさらに広い場合には、所定の待機時間中に搬送ステージ６が現在の計測位置からＹ方向にたとえば一視野分移動してからＸ方向に連続走査することを繰り返せばよい。

光応用計測器１が元の搬送ステージ５、６の中間位置に達すると、計測対象物４は計測が完了したことになるので、搬送ステージ６は計測対象物交換位置までＹ方向に移動して次の計測対象物４と交換を行い、新しい計測対象物４を載せた状態で元の計測位置まで戻る動作を実施する。

搬送ステージ６が、次の計測対象物４との交換動作を行っている間、光応用計測器１は、搬送ステージ５、６の中間位置で停止することなく、連続移動を続けてそのまま計測対象物３の計測を行う。計測対象物４の時と同様に、Ｘ方向に沿った往復動作で計測対象物３全面を計測して搬送ステージ５、６の中間位置に到達する。

この時点で、搬送ステージ６による計測対象物４の交換作業が完了して計測位置に戻っていれば、光応用計測器１は停止することなくそのままＸ方向に沿って移動を続けて新しい計測対象物４の計測を行うことができる。

新しい計測対象物４の計測がなされている間に、搬送ステージ５は、まずＹ方向に沿った移動により交換位置に位置決めされ、計測が完了した計測対象物３と次の新しい計測対象物３との交換作業を受けて、再びＹ方向に沿った移動により元の計測位置に戻る動作を実施する。

以上のように、一方の計測対象物を往復計測している時間より、計測対象物交換の時間が短いならば、光応用計測器１は、２つの計測対象物のＸ方向サイズ＋αの距離の単純な往復動作を休むことなく続けることで、計測対象物３、４の計測を行うことができる。

光応用計測器１を休むことなく稼働させることができ効率的であり、計測対象物交換の時間は実質的に無視することができることから装置タクトタイムを短縮できる高速な手法といえる。

計測対象物の交換時間が往復計測時間よりかかってしまう場合、たとえば、計測対象物３、４のサイズが非常に小さい場合、計測器走査用ステージ２の速度を調整し往復計測時間を増やすような対策が必要となり、計測器の能力を有効に使えないことになる。しかし本発明の目的は、もともと広い面積を有する計測対象物の計測なので、このような場合は対象外といえる。

上記の動作の例では、光応用計測器１の往復動作一回、つまり２回の走査で計測対象物全体を計測することを前提としていたが、１往復に限定されるものではなく何往復でもよい。ただ、効率的な無駄のない計測のためには偶数２Ｎ走査（Ｎ往復）である必要がある。たとえば、３視野（３走査）で計測可能なＹサイズの計測対象物の場合は、１走査分無駄な時間が発生してしまう。

光応用計測器１は、連続走査型の計測器あるいは検査器であればよく、次に示すような表面形状計測器に限定されるものではない。たとえば画像検査器は、シャッターあるいはストロボを使って瞬時露光することで連続走査しながらの画像取得・解析が可能である。その他多くの非接触計測器、検査器が本発明の光応用計測器１の対象となりうる。

次に、光応用計測器１が連続走査型の表面形状計測器の例を示す。従来技術で述べたように連続計測型の表面形状計測器としては光切断法を用いた計測器が一般的であるが、光切断法は表面形状計測器として効率性の面でも信頼性の面でも優れているとは言えない。

本発明の光応用計測器１の実施形態を図１〜５を用いて説明する。

本光応用計測器１は格子パターン投影位相シフト法による表面形状計測器であり、図３に示すようなマルチスリット型の正弦格子パターンが格子パターン投影手段７より計測対象物３に投影されるようになっている。格子パターン投影手段７はテレセントリック光学系であり、計測対象物３のＺ方向の位置が変化しても投影される格子の間隔が変わらないようになっている。

なお、以下の説明では計測対象物３、４がそれぞれ搬送ステージ５、６に載置される場合の例について示すが、光応用計測器１が連続走査型の格子パターン投影型表面形状計測器であり、かつ光応用計測器１が移動することにより連続走査を実現する場合には、搬送ステージに代えて一般的な計測対象物載置用の固定ステージを用いてもよい。固定ステージを用いる場合であっても、格子パターン投影型表面形状計測器である光応用計測器１が移動することにより連続走査を行うことで、光切断法を用いた計測を行う場合に比べて十分に装置をトータルに効率化、高速化することができる。

投影された格子パターンは、格子パターン投影手段７とは異なる角度の光軸を持つ撮像手段８により撮影される。撮像手段８には電磁波を電気信号に変換する電磁波電気変換素子を２次元状に配置した２次元撮像素子、例えばＣＭＯＳエリアセンサ９と、計測対象物３の像をＣＭＯＳエリアセンサ９上に結像させる結像手段である結像レンズ１０とが含まれている。結像レンズ１０もテレセントリックレンズである。

図１では、撮像手段８の光軸は搬送ステージ５の載物面に対して垂直な配置となっているが、計測対象物３が表面粗さの小さい、散乱が小さい表面性状である場合は、撮像手段８に計測対象物３からの反射光が入射しなくなる可能性がある。そのような場合は、格子パターン投影手段７の光軸と撮像手段８の光軸とが計測対象物３の計測面の法線に対して、対称の角度に近い配置として、整反射光に近い光により撮像するようにした方がよい。

その場合は、撮像手段８により得られる像が歪むあるいは焦点が手前と向こうで異なるなどの問題が発生する可能性があることから、ＣＭＯＳエリアセンサ９を光軸に対して傾けて配置（あおり構造）する。格子パターン投影手段７も実格子１１を結像させる図１に示すような方式の場合、同様にあおる必要がある。

ＣＭＯＳエリアセンサ９により得られた映像信号は画像処理装置１２に送られ、画素毎に後に示す演算が実行される。

結像レンズ１０の光軸と格子パターン投影手段７の光軸とを含む面は、計測器走査用ステージ２の移動軸に平行となるよう配置されている。また、計測器走査用ステージ２には、移動時の位置を高速かつ正確に把握できるようリニアエンコーダ１３が装着されている。リニアモータとリニアエンコーダ１３を用いてフィードバック制御することにより等速性の高い走査ステージを構成することが可能である。

もちろん計測器走査用ステージ２の位置が高速かつ正確に把握できるのであれば他のエンコーダでもよく、極端な場合このようなエンコーダを用いないということもあり得る。例えば、何らかの手段で正確な速度制御ができるのであれば移動時間からステージ位置が正確に把握できることになり前記エンコーダは不要である。

以上のような構成の装置を用いてＸ軸方向に連続移動しながら格子パターン投影位相シフト法計測を実現する方法を以下詳細に述べる。以下では、最も単純な３ステップ位相シフト法（３枚の画像を使う手法）を例として説明するが、３ステップ以上であれば何ステップであっても適用可能である。

はじめに一般的な（従来型の）格子パターン投影位相シフト法について簡単に述べる。図４は投影格子の数が一視野（ＣＭＯＳエリアセンサ９の一回の撮像エリア）に４本投影されている例である。白黒の２値格子パターンとして描かれているが、図３と同様に実際は正弦波的に明暗が変化する正弦パターンであるとする。計測対象物３が平坦でない場合は、格子パターンには歪みが発生し、その歪みがまさに高さを示しているわけであるが、ここでは便宜的に歪みのないパターンで表示している。以下の議論は当然ながら歪みのあるなしつまり計測対象物３の起伏のありなしに影響されることはない。図４のI1，I2，I3はそれぞれ格子の位相を２π／３ずつシフトして投影された画像を表している。このとき各画像の同一座標(x,y)の値I1(x,y)，I2(x,y)，I3(x,y)は正弦波上で２π／３ずつ異なる点を表しており、以下のようにその正弦波の初期位相φを求めることができる。
φ(x,y)=arctan[√3・(I1(x,y)-I3(x,y))／(2×I2(x,y)-I1(x,y)-I3(x,y))]

より一般的に、Ｎステップ位相シフト法で位相シフト量がψ＝２π／Ｎの場合、初期位相φは、
φ(x,y)=arctan[-ΣIi(x,y)sin(iψ)／ΣIi(x,y)cos(iψ)] (i=0,1,…,N-1)
と求めることができる。

画像内のすべての座標(x,y)で同様の演算を行うことで、全画素毎に初期位相を求めることができる。たとえば計測対象物が平坦であると、初期位相が同じである点をつなぐと一本の直線（以下では等位相線と称する）となる。等位相線は、計測対象物に起伏がある場合は変形して歪み、起伏の情報を持つことになるので高さ計測が可能となる。これは、光切断法と全く原理である。つまり、初期位相の等位相線は、光切断法の直線パターン光の中心線と同じものと考えられる。光切断法では、一枚の画像から直線パターン光中心線1本分の高さ計測データしか得られなかったわけであるが、格子パターン投影位相シフト法では、画像内全点の初期位相を求めることができ、初期位相は高さ計測を可能とするから、結局最低３枚の画像から画像内すべての高さ計測データが得られることになる。以上のことを踏まえて、本発明による格子パターン投影位相シフト法を、図５を用いて以下に説明する。

計測器走査用ステージ２が等速で動いているとして、あるタイミングでＣＭＯＳエリアセンサ９のシャッターを切ることにより図５のI1の画像が得られたとする。これは図４のI1と同等である。次に、格子間隔の４／３＝１＋１／３本分（位相で表すと８π／３）移動した後に再びシャッターにより画像を得ると図５のI2のように撮像される。さらに、同一時間後（すなわち、さらに格子間隔の４／３移動した後）シャッター露光により画像を取得すると図５のI3が得られる。その後も同一時間間隔でシャッター露光し画像を次々と取得していく。

得られた画像を格子間隔の４／３毎に短冊に区切り、ｊ番目の画像のｋ番目の短冊をIjk呼ぶことにすると、一枚目の画像I1はそれぞれI11、I12、I13の短冊に分けられ、次の画像はI21、I22、I23、以下Ij1、Ij2、Ij3と表される。ここで短冊I(j-2)3と短冊I(j-1)2と短冊Ij1とを考えてみると、これらの画像は計測対象物３の同一部分を撮像していて、かつその上に投影されている格子パターンはそれぞれ２π／３ずつ位相が異なっている。

この３つの画像は図４で示した通常の格子パターン投影位相シフト法の画像とＸ方向の幅を除いては全く同じものである。つまり、これらの画像により１短冊幅分の格子パターン投影位相シフト法演算が可能になる。そして、画像が一枚入力される、すなわち計測器走査用ステージ２が格子間隔の４／３移動する毎に一短冊分の格子パターン投影位相シフト法が次々と演算できていくことになる。結局必要なサイズ分（＋α）テーブル移動を続ければ、所望のサイズの計測結果を、ステップアンドリピート移動することなく得ることができることになる。上記で＋αとしたのはｊ＝１〜２は演算が不可能であることや、計測器走査用ステージ２の始動、停止時の加減速のための移動分を表している。

上記の移動間隔である、格子間隔の４／３＝１＋１／３は、１／３が重要でありこの部分が位相シフト量ψ＝２π×１／３＝２π／３を示している。１の部分は他の正の整数値ｎでもよい。ただし、３ステップ法の場合、一視野内で少なくとも３短冊は必要であるので（ｎ＋１／３）×３が視野の全体の格子数Ｐ本以下である必要がある。つまり、０＜＝ｎ＜＝（Ｐ−１）／３を満たす整数を選択する。一般的にＮステップ法の場合は、移動間隔ｎ＋１／Ｎ（０＜＝ｎ＜＝（Ｐ−１）／Ｎ）となる。１／Ｎの部分は基本的に正弦波の初期位相が求められればよいので必ずしも１／Ｎである必要はないが、１／Ｎが一般的であろう。

ステップ数Ｎは大きいほど精度が高い。しかし、高速性が重視される実際の検査装置においては、格子パターン投影位相シフト法の特長である高速性・効率を活かすために、３ステップないし４ステップが用いられる。４ステップは計算も簡単で３ステップに比べ精度もよいためもっとも用いられる。

しかし本発明においてはステップ数が大きいことが必ずしも速度的な低下を招くわけではない。本発明においては、ＣＭＯＳエリアセンサ９の露光時間内も計測器走査用ステージ２は移動しているため、得られる画像にボケが生じてしまう。そのため計測器走査用ステージ２の速度は、許容できるボケ量（露光時間内の移動量）と必要な光量によりほぼ決定される。たとえば、露光時間を小さくすれば計測器走査用ステージ２の速度を上げることができるが、露光時間を小さくしすぎれば光量的に足りなくなってしまう。つまり光量的に満足できる最も小さい露光時間で、許容可能なボケ量から速度が決定されることになる。

上記のように計測器走査用ステージ２の速度が決定されると、ＣＭＯＳエリアセンサ９の最小撮像間隔から短冊の最小幅が決まる。たとえば、露光時間０．１ｍｓ、ボケ許容量１画素以下の時、ＣＭＯＳエリアセンサ９の最小撮像間隔が１０ｍｓ（１００ｆｐｓ）であれば、短冊幅は高々１００画素にしかならない。８ステップとしても８００画素であり、昨今の高速高解像度カメラであれば十分一視野に収まる。速度は４ステップであっても６ステップであっても変わらない。このことから、本発明では、多ステップ位相シフトを用いて精度を高める使い方が合理的といえる。

この手法の成否に重要な要素は画像取得のタイミングである。一般的な格子パターン投影位相シフト法においては、図４に示したように計測対象物３は移動せず格子パターンが移動するため、得られた複数の画像の各座標が示している計測対象物３上の位置は完全に一致しているが、本発明においては明らかに異なっている。図５に示す複数の画像の対応する画素同士が計測対象物３上の同一の位置を正確に示していない限り誤差が発生してしまう。正確に狙った位置で画像を取得する必要がある。そのために本実施形態では計測器走査用ステージ２にリニアエンコーダ１３を設けている。画像の画素分解能（視野Ｘ方向寸法／Ｘ方向画素数）に対し十分に高分解能のリニアエンコーダ１３を用い、エンコーダ信号をリアルタイムでカウントし、狙ったカウント値でＣＭＯＳエリアセンサ９へのトリガー信号を出力するように電子回路を構成することで狙った位置で画像を得ることが可能である。

もちろん狙った位置で正確に画像が取れるのであれば他の手法でもよい。計測器走査用ステージ２が正確に等速運動できるように制御できるのであれば、エンコーダに頼ることなく正確なタイマーを用意しておくことで実現できる。

また、結像レンズ１０の性能も問題となる。結像レンズ１０に歪曲収差があれば、画素の正しい一致が得られないだろう。また、視野内で結像性能ができる限り均一であることが求められる。

上記のように、格子パターン投影位相シフト法は光切断法に比べ、装置をトータルに効率化、高速化することができる。つまりより少ない画像枚数で多くのデータを得ることが可能である。また初期位相演算は、ある座標値単独のデータのみから演算できる（隣接画素の情報を必要としない）ため、対象物表面の局所的な反射率や起伏の違いなどが演算に（原理的に）影響を与えないことから、信頼性がより高いといえる。また、連続走査中において計測対象物は固定されているため、計測対象物を載置するためのステージの移動機構は高精細な動作を要求されることはなく、また連続走査中の計測対象物の微動を考慮する必要もない。したがって、計測対象物を載置するためのステージを簡略に構成することができるとともに、計測対象物の交換もローダ７０５、アンローダ７０６等を使って容易かつ簡便に行うことができる。

初期位相の演算方法については上記に示しているが、本発明はこの手法に限定されるものではない。上記の演算式以外にも初期位相を求める演算は存在するし、格子パターンとして正弦波パターを想定したが、他の周期性パターンでも良い。たとえば、不完全な正弦波パターン（例えば２値の格子パターンがボケたもの）であっても、正確に周期性を有しているのであれば、たとえばＬＵＴ（ルックアップテーブル）を用いて位相と強度部分布の関係を記述しておくことで初期位相を求めることは可能である。いずれにしても周期性パターンの初期位相に相当する量を求めることができれば本発明の対象範囲である。

次に、いくつかの異なる計測・検査を同時に実施することを実現する本発明の実施形態を、図６を用いて述べる。

先に述べたように、ＣＭＯＳエリアセンサ９のような２次元撮像素子を用いた連続走査型計測器においては、その計測速度は主に光量や露光時間によって制約されるものであり、高速（高フレームレート）ＣＭＯＳエリアセンサ９を用いた場合、速度的に余裕が出る（最高速のフレームレートが必要ない）可能性が高い。この余裕を利用して他の計測を同時に実施することが可能である。

図６は格子パターン投影位相シフト法の表面形状計測器にリング照明６０１とＴＴＬ（Through The Lens）方式の垂直落斜照明６０２を追加したものである。これらの照明は、瞬時発光可能な、いわゆるストロボ照明器である。

ＣＭＯＳエリアセンサ９の最高フレームレートがＰｆｐｓ（frame par second）であり、格子パターン投影位相シフト法で必要なフレームレートがＰ／２ｆｐｓであるとすると、格子パターン投影位相シフト法で画像を取得する合間に、格子パターン投影位相シフト法とは関係のない画像を取得することが可能である。

格子パターン投影位相シフト法は、１視野分のデータを得るのに３回以上の撮像が必要となるが、たとえば対象物の平面方向の寸法計測や文字読み取り、欠陥検査などは必ずしも１視野に対して複数枚の画像を必要としない。つまり、このような計測・検査では格子パターン投影位相シフト法で（例えば）３枚の画像を取得する間に１度だけ画像を取得すればよい。

ＣＭＯＳエリアセンサ９の最高フレームレートが上記のように格子パターン投影位相シフト法の倍速であるとすれば、格子パターン投影位相シフト法の１視野分の画像を取る間に、その倍の画像を取得することが可能であるから、たとえば３ステップの位相シフト法であれば、その合間にリング照明６０１の画像、垂直落斜照明６０２の画像、両方の照明による画像などを取得することが可能である。したがって、リング照明６０１や垂直落斜照明６０２によれば、装置をさらにトータルに効率化、高速化することができる。

本発明により、光切断法に勝る効率的で信頼性の高い連続走査型表面形状計測が実現でき、かつ計測器が動作していない製品交換による無駄な時間を実質的な意味でなくすことが可能となり、装置をトータルに効率化、高速化することができる。これにより高速かつ高精度、複雑な計測・検査が必要とされる半導体産業において特に大きな需要があるものと考えられる。

１ 光応用計測器
２ 計測器走査用ステージ
３、４ 計測対象物
５、６ 搬送ステージ
７ 格子パターン投影手段
８ 撮像手段
９ ＣＭＯＳエリアセンサ
１０ 結像レンズ
１１ 実格子
１２ 画像処理装置
１３ リニアエンコーダ
１００ 連続走査型計測装置
６０１ リング照明
６０２ 垂直落斜照明
７０１ 計測器
７０２ Ｘ軸ステージ
７０３ Ｙ軸ステージ
７０４ 計測対象物
７０５ ローダ
７０６ アンローダ

Claims (6)

1. 計測対象物の表面形状計測を行うための連続走査型の光応用計測器と、
   前記光応用計測器を搭載して所定方向に沿って連続走査させる一軸の計測器走査用ステージと、
   計測対象物をそれぞれ着脱自在に載置する２つの搬送ステージであって、互いに独立に移動可能である２つの搬送ステージとにより構成され、
   前記２つの搬送ステージは、
   前記光応用計測器による計測位置と、計測対象物の交換位置と、のいずれか一方にそれぞれ独立に位置決めされるとともに、前記計測位置にありかつ前記表面形状計測中の計測対象物を載置した搬送ステージは連続走査中において固定され、
   前記光応用計測器は、
   一方の搬送ステージが前記交換位置に位置決めされて計測が終了した計測対象物と次の計測対象物とが交換される間に、前記計測位置に位置決めされた他方の搬送ステージ上の計測対象物の前記表面形状計測を行い、
   前記計測器走査用ステージは、
   前記所定方向に沿った１度の連続走査で前記光応用計測器が計測可能な前記所定方向に対する直交方向の計測幅が、計測対象物の前記直交方向の幅よりも小さいと、前記光応用計測器による前記所定方向に沿った連続走査を所定の待機時間を挟んで繰り返し実行させ、
   前記２つの搬送ステージのうち前記表面形状計測中の計測対象物を載置した搬送ステージは、
   連続走査が繰り返し実行される場合、連続走査中は固定される一方、前記所定の待機時間中は前記直交方向の前記計測幅以下の幅だけ前記直交方向に移動する、
   連続走査型計測装置。
2. 前記計測器走査用ステージは、
   前記所定方向に沿った所定向きに前記光応用計測器に連続走査させた後、前記所定の待機時間を挟んで、前記所定向きの反対向きに前記光応用計測器に連続走査させる、
   請求項１記載の連続走査型計測装置。
3. 計測対象物の表面形状計測を行うための連続走査型の光応用計測器と、
   前記光応用計測器を搭載して所定方向に沿って連続走査させる一軸の計測器走査用ステージと、
   計測対象物をそれぞれ着脱自在に載置する２つの搬送ステージであって、互いに独立に移動可能である２つの搬送ステージとにより構成され、
   前記２つの搬送ステージは、
   前記光応用計測器による計測位置と、計測対象物の交換位置と、のいずれか一方にそれぞれ独立に位置決めされるとともに、前記計測位置にありかつ前記表面形状計測中の計測対象物を載置した搬送ステージは連続走査中において固定され、
   前記光応用計測器は、
   一方の搬送ステージが前記交換位置に位置決めされて計測が終了した計測対象物と次の計測対象物とが交換される間に、前記計測位置に位置決めされた他方の搬送ステージ上の計測対象物の前記表面形状計測を行い、
   前記２つの搬送ステージは、
   それぞれ互いに異なる計測位置に位置決めされ、それぞれの計測位置は互いに前記所定方向に沿った位置であるとともに前記所定方向において前記光応用計測器の走査範囲内の位置であり、
   前記２つの搬送ステージの一方の搬送ステージは、
   他方の搬送ステージに載置された計測対象物の前記表面形状計測が終了する前に、交換後の新たな計測対象物を載置されるとともに前記交換位置から前記計測位置に移動して位置決めされ、
   前記計測器走査用ステージは、
   前記他方の搬送ステージに載置された計測対象物の前記表面形状計測が終了すると、前記他方の搬送ステージの前記計測位置から前記一方の搬送ステージの前記計測位置まで前記所定方向に沿って移動し、停止することなく前記光応用計測器に前記一方の搬送ステージに載置された計測対象物の前記表面形状計測を開始させる、
   連続走査型計測装置。
4. 前記光応用計測器は、
   電磁波を電気信号に変換する電磁波電気変換素子を２次元状に配置した２次元撮像素子と、
   前記２次元撮像素子の変換面上に計測対象物の像を結像させる結像手段とよりなる撮像手段と、
   前記撮像手段の撮像方向とは異なる角度から計測対象物に格子状の陰影パターンを投影する格子パターン投影手段とよりなる画像入力系と、
   前記画像入力系からの画像信号を処理する画像処理装置とから構成される格子パターン投影型表面形状計測器であり、
   この格子パターン投影型表面形状計測器は、前記格子パターン投影手段の光軸と前記撮像手段の光軸とを含む平面に平行な前記所定方向に移動する前記計測器走査用ステージに搭載され、
   前記計測器走査用ステージが定間隔移動する毎に、前記計測器走査用ステージを停止させることなく画像を取得し、連続する少なくとも３枚画像を用いて、それらの画像に共通して撮像されている対象物の領域部分に対して、その領域内の画素毎に格子パターンの初期位相を求めることで計測対象物の前記表面形状計測を行うことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の連続走査型計測装置。
5. 前記格子パターン投影型表面形状計測器は、
   前記結像手段の先端にリング状の瞬時照射照明器を有し、
   前記表面形状計測のために定間隔で画像を取得する合間に、
   瞬時的に計測対象物を照射・露光し画像を取得する機能を有することを特徴とする請求項４記載の連続走査型計測装置。
6. 前記格子パターン投影型表面形状計測器は、
   前記結像手段の光軸方向から瞬時照射可能な同軸落斜照明器を有し、
   前記表面形状計測のために定間隔で画像を取得する合間に、
   瞬時的に計測対象物を照射・露光し画像を取得する機能を有することを特徴とする請求項４または請求項５に記載の連続走査型計測装置。

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