JP6211523B2 - 高速オートフォーカスシステム - Google Patents

Description

本発明は、一般に電子部品の光学検査に関し、具体的には、このような光学検査で使用するオートフォーカスシステムに関する。

ウェハ、回路基板、フラットパネルディスプレイ、マルチチップモジュール及び高密度電子部品パッケージなどの電子部品の光学検査では、部品の小欠陥を検出するために高分解能の光学系を使用する必要がある。また、この高分解能光学系の焦点は、欠陥を調べるための検査中ずっと合わせたままにしておかなければならない。図１は、表面高さＺが走査方向１−２及び走査方向に対して直交する方向の両方向に変動する部品１−１の例である。埋め込みチップを有する新たに導入された回路基板はこのような部品の例であり、撮像する表面が、埋め込みチップ、又は基板層上及び基板層間に配置された回路によって生じる高さの変動、及び基板自体が反るという周知の特性の影響を受けやすいので、撮像するのが難しいと見なされている。

図１は、先行技術の装置によって様々な部品の欠陥を撮像する必要がある時に存在する問題を理解するのに有用である。先行技術では、部品の表面上をカメラ（図示せず）が走査方向１−２に走査する。この走査によって図１に示すような走査方向１−２に対して横向きの領域を撮像する際には、カメラによって撮影される画像に焦点が合っていなければならない。図１に示す部品は、矢印１−３で示す高さ変動範囲を有し、この範囲は、カメラの光学系の被写界深度内に収まっていなければならない。先行技術の撮像装置では、カメラに対して選択される特定の焦点が、任意に部品の頂部１−５となることも、又は底部１−６となることも、或いはいずれかの中間位置となることもある。この点を踏まえて、結像光学系の光学設計では、高さ変動範囲をカバーする深さを示す必要な被写界深度、好ましくは矢印１−７及び１−８で示すような、部品の頂部１−５と底部１−６の間の距離の２倍が設定される。しかしながら、周知のように、また以下でさらに詳述するように、光学系の被写界深度は画像の解像度も決定する。多くの場合、このような解像度によって画質が制限され、これにより部品の小欠陥の検出が妨げられるようになる。

部品の欠陥を検査するためには、多くの場合カメラを使用して、図２の連続ストリップＡ〜Ｅによって示すように部品を蛇行パターンで走査する。矩形２−１は、カメラの視野を示す。当業では、このような検査中に焦点を維持するための様々な技術が記載されている。Ｂｉｓｈｏｐに付与された「弱い光及び蛍光光の用途において信号対ノイズ比、解像度、又は焦点品質を犠牲にすることなく検査速度を最適化するための方法（Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇ Ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ Ｓｐｅｅｄ ｉｎ Ｌｏｗ， ａｎｄ Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔ Ｌｉｇｈｔ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｗｉｔｈｏｕｔ Ｓａｃｒｉｆｉｃｉｎｇ Ｓｉｇｎａｌ ｔｏ Ｎｏｉｓｅ Ｒａｔｉｏ， Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ， ｏｒ Ｆｏｃｕｓ Ｑｕａｌｉｔｙ）」という米国特許第７，０１５，４４５号には、部品を走査する際に三角測量センサを使用して結像光学系と部品の間に一定距離を維持することが記載されている。図３に、傾斜θの波状部品３−１、結像光学系３−２、及び撮像カメラ３−３を示す。部品を走査する際には、結像光学系３−２及び撮像カメラ３−３が、部品の表面を結像光学系の光学的被写界深度３−４内に保つユニットとして上昇及び下降する。概念的には、部品、光学系、又は光学系とカメラの組み合わせを動かして焦点を維持することができる。

図４には、光源４−１、照明ビーム４−２及び位置センサ４−３を有する三角測量センサの使用を示す。三角測量センサは、矢印４−４で示すようにカメラの前方で走査を行う。光ビーム４−５が位置センサに当たる位置によって部品４−６までの距離が示される。この図４では、撮像カメラの光学系が、被写界深度（ＤＯＦ）４−７を有する。この距離測定をフィードバックループの形で使用して、結像光学系又は部品を互いに対して機械的に動かして焦点を維持する。図５には、位置センサ５−１上に向かうビームの位置が部品までの距離に応じてどのように移動するかを示す。表面５−３、５−４及び５−５によって表す異なる距離にある３つの表面は、センサ５−１上の位置５−３’、５−４’及び５−５’にそれぞれ投影される。これらの距離測定をフィードバックループの形で使用して、測定された高さに応じて光学ヘッド又は部品を機械的に動かして焦点を維持する。

これらの焦点法には２つの制約ある。第１に、図４の照射ビーム４−２が部品の材料境界に当たった場合、距離測定が不正確になることがある。図６、特に図６Ａを参照すると、三角測量センサからの光ビーム６−１が高反射性材料６−２に当たった場合には、照明スポット６−３全体が材料６−２上に存在する。このスポットの画像により、センサ６−５上に対称なビーム６−４が形成される。ここで、図６Ｂの６−６によって表す反射率の低い材料に対して部品が走査されるようにセンサの下方の材料が変化した場合、センサ６−５上には、６−７によって表す強度の低い空間的に対称なスポットが投影される。投影されるスポット６−７及び６−４が空間的に対称である限り、部品までの距離を表すスポットの質量中心は同じになり、正しい焦点距離が計算される。しかしながら、図６Ｃに示すように、照明スポット６−３が材料境界に当たった場合、この照明スポットは、高反射性材料６−２と低反射性材料６−３の間で分散する。この場合、センサ上に投影されるスポットは対称ではなくなり、このスポットの質量中心は、もはや部品までの正しい距離を表していないので、部品までの正しい距離が６−７であるはずの時に、６−８として誤って計算されるようになる。

第２に、図７では、結像光学系７−２を有する撮像カメラ７−１が、部品７−４の表面までの一定距離を維持するようにＺ軸７−３に沿って焦点方向に移動すると同時に、部品がＹ方向に走査される際には焦点距離が動的に調整される。撮像カメラ全体の焦点距離は、走査方向の細線に沿った一連の一点測定に基づく。走査方向に対して垂直には測定が行われない。このことは、カメラの幅、又は図２に示す各走査されるストリップＡ〜Ｅの幅全体にわたり、表面上の全ての特徴部が、図３の矢印３−４によって示す結像光学系の光学的被写界深度内に存在しなければならないことを意味する。明らかなように、被写界深度内に存在しない特徴部は全て焦点外れになる。

部品を走査する際には、焦点測定ユニットは、部品の高い特徴部を通過することも、又は低い特徴部を通過することもある。高い特徴部までの距離に基づいて計算される焦点距離もあれば、低い特徴部までの距離に基づいて計算される焦点距離もある。このことは、焦点測定値を計算した時点で焦点測定ユニットの下方に存在したのが高い特徴部であったか、それとも低い特徴部であったかに関わらず、結像光学系の光学的被写界深度は、正しい焦点を保証できるだけ十分に大きくなければならないことを意味する。走査方向の線に沿った測定値のみに基づいて焦点を計算した場合、どれほど多くの測定値を取得するか、どれほどの速さで計算が行われるか、特定の測定方法、又は測定装置のタイプに関わらずこの制約が生じるようになる。好ましい装置は一点三角測量センサであり、検査装置がもたらす性能基準に応じて、一点共焦点センサ、一点容量センサ及びその他のセンサを代用とすることもできる。

現在の焦点追跡技術が正しく機能するには、図８に矢印８−１で示す結像光学系の焦点深度が、焦点距離を計算するために使用される可能性のある全ての考えられる特徴部の高さに対して焦点を保証するほど十分に大きくなければならない。重要なこととして、図８には、機械走査の方向に垂直なＸ軸における部品の表面を表している。図８には、図２のブロック２−１によって表されるような線形ＣＣＤ走査カメラの長軸上に投影される画像も表している。残念なことに、この大きな被写界深度が必要な場合、検査システムの空間分解能及び欠陥検出能力は著しく制限される。具体的には、光学焦点深度（ＤＯＦ）は、以下の方程式によって与えられ、

分解能は、以下の方程式によって与えられ、

式中、
λ＝カメラ上に結像された光の波長であり、
ＮＡ＝結像光学系の開口数である。

周知のように、また上記の関係によって明らかなように、大きな焦点深度（ＤＯＦ）のためには小さな開口数（ＮＡ）が必要であり、高分解能のためには大きな開口数が必要である。（ＮＡ）が小さくなるほど撮像カメラに到達する光レベルも減少し、これにより最終的な画像のコントラストに影響が及ぶ。これらの基準により、部品の検査には、大きな焦点深度と高分解能の両方を兼ね備えた結像光学系の構築を妨げ得る制約が課される。明らかなように、検査する部品に焦点を合わせたままでなければならない場合、現在の検査システムでは、結像光学系の分解能が犠牲になり、これにより小欠陥を検出する能力が本質的に制限される。

表１は、Ｚｅｉｓｓ社製の市販のレンズのリストである。この表では、各レンズについて焦点深度、開口数、解像力、集光係数、集光円錐角、作動距離、倍率及び部品番号を一覧にしている。

ＮＡが０．０３５の１．２５×のレンズは、２２９ミクロンの焦点深度を有しているのに対し、ＮＡが０．５０の２０×のレンズは、１．１ミクロンの焦点深度しか有していない。残念ながら、０．５ＮＡの２０×のレンズは、検査カメラの視野内にある全ての特徴部の高さが１．１ミクロン未満で変動しない限り部品の検査に使用することができない。従って、多くの検査システムは、焦点を維持するために低ＮＡの光学系を使用せざるを得ず、高倍率及び高分解能を必要とする非常に小さな特徴部を検査することができない。

米国特許第７，０１５，４４５号明細書

従って、本発明は、部品上の特徴部をその高さに基づいて識別し、その検査中に焦点が合うようにする高速オートフォーカスを実現するための方法及び装置を提供することを目的とする。

また、本発明は、部品上の小さな特徴部及び欠陥を検出できるほど十分に高い分解能及び被写界深度をもたらす結像光学系を用いて、部品上の特徴部をその高さに基づいて識別し、その検査中に焦点が合うようにする高速オートフォーカスを提供することを別の目的とする。

本発明の１つの態様によれば、部品検査方法が、一定の分解能及び被写界深度の結像光学系を有する撮像カメラを用いて部品の異なる画像フィールドの複数の画像を撮影する。部品の表面は、所与の画像フィールド内で高さが変動すること、及びいずれかの点に焦点を合わせると対応する画像全体に焦点が合うことが保証されないような結像光学系の被写界深度を特徴とする。部品表面の高さを、所与の画像フィールド内の複数の位置において、画像フィールド内の表面の高さの変動範囲を特定できるほど十分に小さな間隔でサンプリングする。所与の画像フィールドに関するサンプリングした高さに基づいて、各画像に対する結像光学系又は撮像カメラの焦点位置を、画像フィールド内の全ての関心表面が結像光学系の被写界深度内に収まるように決定する。結像光学系を所与の画像フィールドの焦点位置に動かすことにより、画像フィールド全体にわたって画像に焦点が合うようにする。

添付の特許請求の範囲では、特に本発明の主題を指摘して明確に主張する。同じ数字が同じ部分を示す添付図面と共に以下の詳細な説明を読めば、本発明の様々な目的、利点及び新規の特徴がより完全に明らかになるであろう。

表面の高さが変動する検査用の部品の一部を示す図である。 先行技術のオートフォーカス法を示す図である。 傾斜した波状部分を含む部品を示す図である。 三角測量を組み込んだ先行技術の光学検査システムを示す図である。 本発明を理解するのに有用な図である。 先行技術の光学検査システムの制約を理解するのに有用な図である。 先行技術の光学検査システムの制約を理解するのに有用な図である。 先行技術の光学検査システムの制約を理解するのに有用な図である。 先行技術の光学検査システムの別の制約を理解するのに有用な図である。 本発明を理解するのに有用な図である。 本発明を理解するのに有用な図である。 本発明を理解するのに有用な図である。 本発明を理解するのに有用な図である。 本発明の実施形態のブロック図である。 本発明の実施形態のブロック図である。 図１２Ａの装置の第１の実施形態の動作を理解するのに有用な図である。 図１２Ａの装置の第１の実施形態の動作を理解するのに有用な図である。 図１２Ｂの装置の第２の実施形態の動作を理解するのに有用な図である。 先行技術の装置及び本発明の装置によって撮影した検査画像の写真である。

本発明による知的オートフォーカスシステムは、部品を走査する際に部品内の特徴部の表面の高さをリアルタイムで分析して、部品内の所望の特徴部の検査にとって最適な焦点画像を作成する。このシステムは、検査カメラの前方に配置された、又はリアルタイムスルーザレンズ検査システムに組み込まれた独立ユニットとして実現することができる。

本発明の１つの特徴は、部品の検査中に所与の結像光学系にとって最適な焦点面を動的に計算して機械的に追跡する能力である。一例として、矢印９−１で示す被写界深度を有する結像光学系を示す図９を検討する。先行技術を使用すると、この結像光学系は、下面９−２又は上面９−３のいずれかに合焦する。結像光学系が下面９−２に合焦した場合、頂面９−３は焦点外れになる。同様に、結像光学系が頂面９−３に合焦した場合、下面は焦点外れになる。部品を走査する際には、先行技術の集束系の下方にこれらの両面が現れることがある。ある位置では頂面に焦点が合わせられ、他の位置では下面に焦点が合わせられることがあり、従って部品を走査する際に所与の時点でいずれの表面に焦点が合っているかを知ることはできない。このことが、高分解能検査をほぼ不可能にしている。本発明の１つの特徴は、両面の高さを知的に識別して、部品の検査中に両面が所与の対物レンズの光学的被写界深度内に留まるようにする、位置９−４で示す２つの面の間で離間した最適な焦点面を決定する方法を提供することである。

多くの用途では、検査に必要とされる分解能が非常に高くて被写界深度が非常に低く、或いは特徴部間の高さの差が非常に大きいため、部品を検査する際に全ての表面に同時に焦点を合わせたままにすることが不可能である。このことを図１０に示しており、この図には、中間分解能レンズ１０−１、及び低被写界深度の高分解能レンズ１０−２を示している。図１１を参照して分かるように、高分解能で低被写界深度の光学系１１−１を用いてこのような部品を検査する場合、特定の走査において下面１１−２を検査するか、それとも上面１１−３を検査するかを部品の走査前に決定しなければならない。ウェハ、高密度相互接続モジュール及びプリント回路基板などの用途では、このような部品が、基板上に配置された金属導体から成る。頂面を形成する金属導体は、欠陥を検査する関心対象となる主な特徴部である。本発明は、金属上面１１−３の高さを動的に計算して、部品を走査する際にこの金属上面に焦点を合わせたままにする手段を提供する。

図１２Ａを参照して分かるように、矢印１２−１で示すような可視光（３５０ｎｍ〜７００ｎｍ）で部品を走査して検査する際には、光学系に赤外線ビーム１２−２（例えば、７８０ｎｍ）を通過させ、これを用いて焦点を維持する。レーザダイオード、固体ＬＥＤ、又はその他のいずれかの発光素子を含む焦点照明光源１２−３からの赤外線ビームは、レンズ１２−４によって平行にされる。この平行光は、円柱レンズ１２−５及びビームスプリッタ１２−６を通過してダイクロイックミラー１２−７から反射され、レンズ１２−８を通過して部品１２−１１上に線１２−９を投影する。この集束ビームは、光場の半分しか照明しないように軸外に位置決めされる。従って、赤外線ビームは、図１２Ａに示すように、部品の表面に対して角度θで部品上に結像される。部品内の表面が異なる高さに存在するので、片方の光線は、Ｘ内の所与の位置において上面１２−１０上に投影され、もう片方の光線は、Ｘ内の異なる位置において下面１２−１１上に投影される。その後、これらの表面上に投影された線画像からの光線は、レンズ１２−８を逆方向に通過し、ダイクロイックミラー１２−７及びビームスプリッタ１２−６から反射された後、レンズ１２−１２によって位置又は高さ測定カメラ１２−１３上に集束される。

１つの実施形態では、焦点経路全体が赤外線波長（一例として７８０ｎｍ）で動作し、従ってこの集束光が、（３５０〜７００）ｎｍの範囲で動作する可視光検査経路を妨げることはない。可視光経路は、照明光源１２−１４から成り、この光源１２−１４からの光は、ビームスプリッタ１２−１５から反射し、可視光を通して赤外光を反射するダイクロイックフィルタ１２−７を通過する。その後、この可視ビームは、可視光及び近赤外光を両方とも通す広帯域結像レンズ１２−８を通過する。その後、反射された可視光画像は、レンズ１２−８を通過して戻り、ダイクロイックフィルタ１２−７及びビームスプリッタ１２−１５を通過し、レンズ１２−１６によって検査カメラ１２−１７上に結像される。他の手段を使用して、検査カメラ１２−１７が使用する光１２−１４を生成することもできる。例えば、検査対象の部品の中には、有機単一層、有機非透明層、又は金属頂面のみを検査する必要がある非常に不透明な有機材料を有するものもがある。このような場合、オートフォーカス装置を混乱させる可能性のある、下位層画像から生じる干渉又は画像アーチファクトが存在しない。このような用途では、光源１２−３に代えて適当なレーザを使用することにより、頂面が蛍光を発光するようにすることができる。ビームスプリッタ１２−１５をダイクロイックミラーに置き換えてレーザを反射し、部品から戻る蛍光が検査カメラ１２−１７に到達するようにする。カメラ１２−１７の前には、戻ってくる蛍光光線のみを許可し、あらゆるレーザ照明光が検査カメラ１２−１７に到達するのを妨げるレーザブロッキングフィルタ１２−２６も配置する。この蛍光画像は、有機表面上の導体のより良好なコントラストを生成することができる。

図１３を参照しながら、及びオートフォーカスシステムがどのように動作するかをより詳細に説明するために、図１３に示すように部品の表面に対して角度θで部品を照明する光学レンズ１３−２から発せられる線形ビーム１３−１について検討する。この線が頂面１３−３及び１３−４に当たる位置は、この線が下面１３−５に当たる位置からＹ方向に距離ｄだけオフセットされ、従って以下のようになる。

式中、
ｈ＝両面間の高さの差であり、
θ＝表面に対して垂直な線に対する照明ビームの角度である。

図１３のレンズ１３−２は、図１２のレンズ１２−８に対応する。投影された線パターンの画像は、図１２の高さ測定カメラ１２−１３に対応するカメラ１３−６上に投影される。線１３−３、１３−４及び１３−５は、それぞれ線１３−３’、１３−４’及び１３−５’としてカメラ１３−６上に結像される。

カメラの画素は、行Ｒ及び列Ｃの形に体系化されている。矢印１３−７は、カメラ１３−６内の最も左の列を示す。カメラ１３−６上のデータの行Ｒの位置は、部品上の異なる表面の高さを示す。画像を、具体的にはデータの行Ｒの位置を知的に分析することにより、頂面及び底面の位置を特定し、集束レンズ、カメラ及び光学系を、所望の表面を追跡するように機械的に駆動することができる。

一例として、対応する浅い被写界深度１４−２を有する図１４の高分解能、高ＮＡの光学レンズ１４−１について検討する。投影された線パターンの画像は、カメラ１４−３上に結像される。カメラフィールドは、上部領域１４−４及び下部領域１４−５に分割することができる。上部領域１４−４内の情報の行位置Ｒは、部品上の上面の高さに対応する。下部領域１４−５内の情報の行位置Ｒは、部品上の下面の高さに対応する。

頂面に焦点を合わせたままにすることを目的とする場合、上部領域１４−４内のデータのみを分析して、領域１４−４内のデータの最も高い行位置及び最も低い行位置を特定する。この位置は、カメラ１４−３の幅全体にわたる機械走査の方向に垂直な、部品の頂面の高さの変動に対応する。この高さの変動の中間点を計算し、この点が、カメラ画像内の高さ位置１４−６及び光学的被写界深度画像内の高さ位置１４−７に対応する。位置１４−７は、矢印１４−２で示す光学的被写界深度の中間点に対応する。

一般に、最適な焦点は、いずれも検査走査を行う前に分かっている光学系の被写界深度及び関心検査面の関数として計算される。上述したように、このシステムは、被写界深度が、図９の位置９−４で示すように頂面及び底面に同時に焦点を合わせたままにするのに十分なものである場合、頂面、底面、又はこれらの面の中間点を追跡するようにプログラムすることができる。

要約すると、部品をＹ軸方向に走査する際には、焦点カメラ１４−３は、図２の検査カメラ２−１の幅軸に対応するＸ方向にデータを収集する。このデータを焦点カメラ全体にわたって分析し、走査するＹ軸に沿った異なる位置毎に一意の単一の最適な焦点を決定する。

このような部品の素早い検査には、高速オートフォーカス追跡が不可欠である。リアルタイムスルーザレンズフォーカスを実現するには、高速な焦点計算及び機械的応答がさらに不可欠である。このような高速動作を行うには、全ての画素を記憶装置に読み出した後で関心のある画素を読み出す必要があるものよりも、カメラの画素を選択的に選んでカメラから呼び出せるカメラを図１２Ａの焦点カメラ１２−１３として使用することが有利である。これにより多くの時間が節約される。例えば、焦点カメラが合計１０００×１０００画素（合計１０⁶画素）を有している場合、カメラの上半分において水平のカメラ画素を５つ置きに、垂直画素を１つ置きにサブサンプリングすることにより、部品の頂面の位置を特定することができる。これにより、データ量が２０分の１になる。カメラ画像内の水平画素を５つ置き又はＮ個置きに選択すると、特定のデータ列が形成される。このような列の間隔を、図１４の矢印１４−８によって示している。従って、焦点カメラの視野内の、例えばボックス１４−４などの特定の関心領域を選択的に選び、この領域内の画素を選択的に選ぶこと又はサブサンプリングすることにより、最適な焦点位置を計算するために必要な時間が大幅に減少する。

図１２Ａのカメラブロック１２−１３を実装するために、Ｐｈｏｔｏｎ Ｆｏｃｕｓ社製のモデルＭＶ Ｄ１０２４Ｅ ８０ Ｃ１というこのようなカメラ、又はＢａｓｌｅｒ社製のモデルａｃＡ２０００−３４０ｋｍという画素数の多いより高速なカメラを使用した。このＰｈｏｔｏｎ Ｆｏｃｕｓ社製のカメラは、１０２４×１０２４画素を含み、近赤外帯域で動作できる３５０〜１０００ｎｍのスペクトル応答を有し、カメラ内の選択領域及び選択画素からの読み出しを可能にする。本発明において説明した焦点計算を実行するために、このカメラから毎秒１０００フレームの速度で４０，０００画素を呼び出した。Ｂａｓｌｅｒ製のカメラは、２０４８列×１０００行を含み、近赤外帯域で動作できる３５０〜１０００ｎｍのスペクトル応答も有し、カメラ内の選択領域及び選択画素からの読み出しを可能にする。本発明において説明した焦点計算を実行するために、このカメラから毎秒５０００フレームの速度で９６，０００画素を呼び出した。両焦点カメラの利得はプログラム可能でもあり、これにより幅広い反射材料及び反射面の撮像をサポートする。図１２Ａにブロック１２−１９として示す高速焦点プロセッサは、線１２−２０を介して焦点カメラのパラメータをプログラムし、線１２−２１を介してカメラの画素データを読み出す。焦点プロセッサ１２−１９は、Ａｌｔｅｒａ社製のＳｔｒａｔｉｘプログラマブル論理デバイス（ＰＬＤ）を使用して実装した。また、焦点プロセッサ１２−１９は、初期オペレータセットアップ及び制御を可能にするオペレーティングシステムとしてウィンドウズ（登録商標）ＸＰを実行するＩｎｔｅｌ Ｘｅｎｏｎベースのコンピュータなどの汎用コンピュータ１２−２５との通信も行う。

焦点プロセッサ１２−１９及び／又はコンピュータ１２−２５は、焦点計算のセットアップ動作中に、線１２−２０を介して焦点カメラの利得を調整するとともに、線１２−２２を介して赤外線光源１２−３の光強度を調整することができる。これらの両変数を制御する能力により、非常に不鮮明な又は非常に明るい材料又は表面に焦点を合わせるための考えられる最大のダイナミックレンジが得られる。

最適な焦点位置を計算し終えると、矢印１２−１８で示す光学ヘッド全体が機械的に移動し、又は結像レンズ１２−８のみが機械的に移動し、或いはこれらの両方が何らかの組み合わせで移動して焦点を維持する。結像レンズ１２−８は、図１に示すような急激な高さの変化（すなわち、高周波変化）に起因するＺ焦点軸内の急速な動きを可能にするために、精密Ｚ軸モータ１２−２４に取り付けることができる。光学ヘッド１２−１８は、低周波変化に応答したＺ軸内における部品と光学ヘッドの間の相対的な動きを可能にするために、その全体を精密モータに取り付けることも、又は基板用ホルダに取り付けることもできる。この低周波変化は、より低い周波数による反りに起因して部品の基板が変化したときに生じることがある。両モータは、焦点プロセッサ１２−１９によって制御することができる。このシステムは、光学ヘッド１２−１８全体を移動させるＰｒｉｍａｔｉｃｓ社製の精密線形モータ１２−２３を使用して実装した。このような急激な動きを生み出すように光学ヘッド及び部品に対して結像光学系を調整する精密Ｚ軸モータ１２−２４としては、ＰＩ（Ｐｈｙｓｉｋ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｅ）Ｌ．Ｐ．社製のモデルＰ−７２５ ＰＩＦＯＣという圧電ユニットがある。この圧電ユニットは、結像光学系を５０ミリ秒の間に±２００ミクロン動かすことができる。スルーザレンズの実装の別の利点は、焦点精度、及び焦点線パターンが焦点カメラ上を移動する空間距離によって結像光学系の光学的被写界深度が追跡される点である。被写界深度が減少して分解能が増加するにつれ、結像光学系のｚ高さ位置の所与の変化に関して焦点線が焦点カメラ上を移動する距離は大きくなる。一例として、本明細書で説明した方法及び技術を使用すると、焦点は、部品の頂面を検査するために使用した結像光学系の±２５ミクロンの光学的被写界深度内に十分に維持され、部品のサイズを埋め込みチップ用途のサイズとほぼ同程度の最大５００ｍｍ×５００ｍｍとした場合のカメラ画像内の高さ変動も±２５ミクロンに等しかった。検査全体にわたり、部品全体に焦点が合っていた。

図１５には、図１２Ａの装置により生成される焦点線１２−９に対応する焦点線１５−１と、撮像カメラ１２−１７の視野１５−２との関係を示しており、焦点線１５−１は視野１５−２内に存在する。システムが視野１５−１内にこのような単一の焦点線１５−２を含む場合、用途によっては、新たに計算された高さにシステムが移動できる時点までに相対位置が変化してしまい、光学ヘッドが測定を試みて同時に同じ場所に移動するので追従誤差を生じる可能性がある。

別の方法では、検査カメラの両側に２つの焦点線が生成される。図１２Ｂに、図１２Ａに示す装置と同様のものではあるが第２の照明光源を加えたこのような２焦点線装置を示す。この実装では、元々の高さ測定ビーム１２−２の経路内にある光学系は、このビーム１２−２を、図１５の検査カメラ視野の左側に走査焦点線１５−３として反射されるように再配置する。第２の光路１２−３０は、第２の照明光源１２−３１、コリメートレンズ１２−３２、及び円柱レンズ１２−３３を含む。円柱レンズ１２−３３から出てきた光は、ダイクロイックミラー１２−７に到達し、異なる経路に沿って反射して、撮像カメラ視野１５−１の反対側の焦点線１５−４として現れる。

ここで明らかなように、図１２Ｂの装置の走査方向が、図２にストリップＡとして示すように左から右である場合には、焦点ビーム経路１２−３０が、撮像カメラの視野１５−１を「導く」焦点線１５−４を生成する。図１２Ｂの装置の走査方向が、図２にストリップＢとして示すように右から左である場合には、焦点ビーム経路１２−３１が、撮像カメラ視野１５−１を「導く」焦点線１５−５を生成する。検査カメラの視野は領域１５−１内に存在するのに対し、焦点カメラの視野は、両焦点線１５−４及び１５−５を焦点カメラによって確認できるように十分に大きい。一方の移動方向では、焦点線１２−３０からの情報を含むデータの行のみがカメラから読み出される。他方の走査方向では、焦点線１２−３１からの情報を含むデータの行のみが焦点カメラから読み出される。焦点カメラの信号対ノイズ比を増大させて、１５−１に位置する撮像カメラが到着する前にさらに良好な高さ変動の推定を得るために、検査カメラの位置１５−１と焦点線の場所との間に存在する連続する走査データの行を取得して処理することができる。このような処理では、予め設定した数の行の各高さ測定位置の平均を取得してフィルタ処理された値を取得し、その後これらの値を使用して検査カメラ１２−１７の結像光学系を位置決めすることができる。従って、本発明によれば、結像レンズの位置データを取得するための様々な方法が提供される。

図１２Ａ及び図１２Ｂの実施形態の各々では、焦点照明光源１２−３及び１２−３１は赤外線で動作する。上述した実施形態では、撮像照明光源１２−１４は、撮像カメラ１２−１７に対して部品を照射するための光を可視スペクトル（すなわち、白色光）で生成する。図１６Ａに、複数の間隔を置いた平行な銅伝導体１６−２を有する不透明有機基板１６−１を含む部品を撮像するために、本発明のオートフォーカスシステムと白色光の組み合わせを使用して取得した画像を示す。図２Ａ及び図１２Ｂの撮像カメラ１２−１７は散乱放射線の反射を受光するので、この画像は低コントラスト画像である。図１６Ｂには、撮像カメラの光源１２−１４が、基板１６−１に蛍光を発光させる周波数のレーザを含む場合の同じ部品を示している。この構成では、レーザを反射して、戻ってくる蛍光光を検査カメラ１２−１７に到達させるように、ビームスプリッタ１２−５がダイクロイックフィルタに置き換わっている。また、あらゆる反射レーザ光が撮像カメラ１２−１７に到達するのを防ぎ、有機表面から放出される蛍光光のみが撮像カメラ１２−１７に到達することを保証するために、レンズ１２−１６の手前にブロッキングフィルタ１２−２６を挿入する。基板１６−１は不透明でありかつ損傷を受けていないので、下層からの蛍光は全く受光されない。図１６Ｂには、明るい基板１６−１及び暗い導体１６−２を用いて結果的に得られた蛍光画像を示している。この改善されたハイコントラスト画像では、欠陥１６−３、１６−４及び１６−５などの欠陥を容易に識別することができる。しかしながら、オートフォーカス装置では、赤外線で測定した全ての高さ変動が有機基板の頂面上の高さ変動によって生じたものであると仮定するので、このような装置における蛍光の使用は、不透明有機基板の表面上の非蛍光性導体の検査に限定されることが明らかであろう。仮にオートフォーカス装置を透明層上で使用した場合、焦点装置は、いずれの特徴部が最上層上に存在するかを判断できず、誤った層に焦点を合わせる可能性があると思われる。また、重要なこととして、集束源の波長が、検査カメラ１２−１７により撮像される波長の範囲から除外されるのであれば、赤外帯域内に存在しない集束波長を使用することもできる。ここで明らかなように、本明細書に開示したオートフォーカス装置は、撮像カメラの視野内にある画像全体に焦点が合うことを確実にする、撮像カメラの正確な焦点位置を実現するという目的を達成する。さらに、本発明の開示した実施形態及びその他の実施形態は、本発明の思想及び範囲から逸脱することなく実現できるとともに、本発明の利点の一部又は全部を実現することができる。従って、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の思想及び範囲に含まれるこのような全ての変形形態を含むことが意図されている。

１２−１ 可視光
１２−２ 赤外線ビーム
１２−３ 焦点照明光源
１２−４ レンズ
１２−５ 円柱レンズ
１２−６ ビームスプリッタ
１２−７ ダイクロイックミラー
１２−８ 結像レンズ
１２−９ 焦点線
１２−１０Ｆ 上面
１２−１０Ｒ 上面
１２−１１ 部品
１２−１２ レンズ
１２−１３ 高さ測定カメラ
１２−１４ 照明光源
１２−１５ ビームスプリッタ
１２−１６ レンズ
１２−１７ 検査カメラ
１２−１８ 光学ヘッド
１２−１９ 焦点プロセッサ
１２−２０ 線
１２−２１ 線
１２−２３ 精密線形モータ
１２−２４ 精密Ｚ軸モータ
１２−２５ 汎用コンピュータ
１２−２６ レーザブロッキングフィルタ

Claims (24)

1. 一定の分解能及び被写界深度の結像光学系を有する撮像カメラを用いて部品の異なる画像フィールドの複数の画像を撮影することにより前記部品を検査する方法であって、前記部品の表面は、所与の画像フィールド内で高さが変動することを特徴とし、前記方法は、
   Ａ）前記部品が前記結像光学系に対する第１の位置から前記結像光学系に対する第２の位置への走査軸に沿って走査される走査中に、及び第１の周波数に干渉しない第２の周波数で照明に応答する前記撮像カメラの動作中に、焦点カメラを用いて所与の画像フィールドに関して前記第１の周波数で受信された照明から前記部品の表面の高さの変動の画像データを取得するステップと、
   Ｂ）前記部品の表面の前記画像データから前記高さの変動を、前記所与の画像フィールドの複数の位置においてサンプリングするステップであって、該サンプリングは該所与の画像フィールド内の前記表面の高さの変動範囲を特定するために該所与の画像フィールドの特定の領域内で行われる、サンプリングするステップと、
   Ｃ）前記高さの変動範囲に基づいて、各画像に対する前記結像光学系の焦点位置を、前記所与の画像フィールド内の前記高さの変動範囲内の表面が前記結像光学系の前記被写界深度内に収まるように決定するステップと、
   Ｄ）前記結像光学系を前記所与の画像フィールドの前記焦点位置に動かすことにより、前記焦点カメラが前記走査中に次の画像フィールドの前記部品の高さの変動の画像データを取得する間、前記所与の画像フィールド全体にわたって前記撮像カメラにより取得された画像に焦点が合うようにするステップと、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前記撮像カメラは、前記部品の前記表面を走査方向に走査し、前記画像のサイズが、前記画像内の前記高さの変動範囲が前記結像光学系の前記被写界深度内に収まるように調整される、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記撮像カメラは、隣接する最大幅の平行ストリップに沿って前記電子部品を走査し、前記サンプリングするステップは、前記撮像カメラによって取得される前記画像の幅を、前記ストリップ内の前記高さの変動範囲が前記結像光学系の前記被写界深度内に収まるように変えるサイズ低減プロセスを使用するステップを含む、ことを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記撮像カメラは、線形電荷結合素子を含む、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前記撮像カメラは、遅延積算型電荷結合素子を含む、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 前記第１の周波数は、赤外帯域内に存在する、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
7. 前記第２の周波数は、可視光帯域内に存在する、ことを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 前記部品は、不透明材料の基板を含み、前記第２の周波数は、前記不透明材料に蛍光を発光させる帯域内に存在する、ことを特徴とする請求項６に記載の方法。
9. 前記サンプリングするステップは、前記撮像カメラの視野内で撮影した高さの測定値を記録するステップを含む、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
10. 前記サンプリングするステップは、走査中に前記撮像カメラの視野に先んじて高さの測定値を記録するステップを含む、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
11. 前記画像は、走査軸に沿った走査中に撮影され、前記サンプリングするステップは、前記走査軸に沿った連続する位置の各々における前記走査方向に垂直な高さの測定値の組を記録するステップを含み、前記焦点位置の決定は、少なくとも１組の前記記録した高さの測定値を処理するステップを含む、ことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 前記画像は、走査軸に沿った走査中に撮影され、前記サンプリングするステップは、前記走査軸に沿った連続する位置の各々における前記走査方向に垂直な高さの測定値の組を記録するステップを含み、前記焦点位置の決定は、複数の隣接する前記記録した高さの測定値の組からの前記高さの測定値を処理するステップを含む、ことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
13. 一定の分解能及び被写界深度の結像光学系を有する撮像カメラを用いて部品の異なる画像フィールドの複数の画像を撮影することにより前記部品を検査するための装置であって、前記部品の表面は、所与の画像フィールド内で高さが変動することを特徴とし、前記装置は、
    Ａ）前記部品が前記結像光学系に対する第１の位置から前記結像光学系に対する第２の位置への走査軸に沿って走査される走査中に、所与の画像フィールドに関して第１の周波数で受信された照明から前記部品の表面の高さの変動の画像データを取得する焦点カメラと、
    Ｂ）前記走査中に前記第１の周波数に干渉しない第２の周波数で照明に応答する撮像カメラと、
    Ｃ）前記部品の表面の高さを、前記所与の画像フィールドの複数の位置においてサンプリングするサンプリングプロセッサであって、該所与の画像フィールド内の前記表面の高さの変動範囲を特定するために前記画像データサンプルからの変動が選択される、サンプリングプロセッサと、
    Ｄ）前記高さの変動範囲に基づいて、各画像に対する前記結像光学系の焦点位置を、前記所与の画像フィールド内の前記高さの変動範囲内の表面が前記結像光学系の前記被写界深度内に収まるように決定する焦点プロセッサと、
    Ｅ）前記結像光学系を前記所与の画像フィールドの前記焦点位置に動かすことにより、前記焦点カメラが次の画像フィールドの前記部品の高さの変動の画像データを取得する間、前記所与の画像フィールド全体にわたって前記撮像カメラにより取得された画像に焦点が合うようにするアクチュエータと、
    を備えることを特徴とする装置。
14. 前記撮像カメラは、前記部品の前記表面を走査方向に走査し、前記サンプリングプロセッサは、前記画像のサイズを、前記画像内の前記高さの変動範囲が前記結像光学系の前記被写界深度内に収まるように調整するために視野の一部のみを更に選択する、ことを特徴とする請求項１３に記載の装置。
15. 前記撮像カメラは、隣接する最大幅の平行ストリップに沿って前記電子部品を走査し、前記サンプリングプロセッサは、前記撮像カメラによって取得される前記画像の幅を、前記ストリップ内の前記高さの変動範囲が前記結像光学系の前記被写界深度内に収まるように変化させる、ことを特徴とする請求項１４に記載の装置。
16. 前記撮像カメラは、線形電荷結合素子を含む、ことを特徴とする請求項１３に記載の装置。
17. 前記撮像カメラは、遅延積算型電荷結合素子を含む、ことを特徴とする請求項１３に記載の装置。
18. 前記第１の周波数は、赤外帯域内に存在する、ことを特徴とする請求項１３に記載の装置。
19. 前記第２の周波数は、可視光帯域内に存在する、ことを特徴とする請求項１８に記載の装置。
20. 前記部品は、不透明材料の基板を含み、前記第２の周波数は、前記不透明材料に蛍光を発光させる帯域内に存在する、ことを特徴とする請求項１３に記載の装置。
21. 前記サンプリングプロセッサは、前記撮像カメラの視野内で取得した高さの測定値を更に記録する、ことを特徴とする請求項１３に記載の装置。
22. 前記サンプリングプロセッサは、走査中に前記撮像カメラの視野に先んじて高さの測定値を更に記録する、ことを特徴とする請求項１３に記載の装置。
23. 前記画像は、走査軸に沿った前記走査中に撮影され、前記サンプリングプロセッサは、前記走査軸に沿った連続する位置の各々における前記走査方向に垂直な高さの測定値の組を記録し、前記焦点プロセッサは、少なくとも１組の前記記録した高さの測定値を処理する、ことを特徴とする請求項２２に記載の装置。
24. 前記画像は、走査軸に沿った前記走査中に撮影され、前記サンプリングプロセッサは、前記走査軸に沿った連続する位置の各々における前記走査方向に垂直な高さの測定値の組を記録し、前記焦点プロセッサは、複数の隣接する前記記録した高さの測定値の組からの前記高さの測定値を処理する、ことを特徴とする請求項２２に記載の装置。

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