立体３次元計測システムおよび方法
【課題】好適な立体視３次元光学式測定システムおよび方法を提供すること。
【解決手段】立体視３次元光学式測定システム（１００）および方法は、表面形状の不連続性に関して高速かつロバストな態様で被検物（１２０）上の物理的フィーチャ（１２９）の位置を正確に測定する。開示された実施形態は、２つ以上の視点から、基点マーキング（１９９）を載せた実質的に透過性の基点プレート（１９０）を通して被検物（１２０）を撮像し得、カメラ（１１１、１１２）視野角、および被検物（１２０）上のフィーチャと１つ以上の基点（１９９）との間の見掛け相対距離は、フィーチャ位置の正確な計算を可能にし得る。
【解決手段】立体視３次元光学式測定システム（１００）および方法は、表面形状の不連続性に関して高速かつロバストな態様で被検物（１２０）上の物理的フィーチャ（１２９）の位置を正確に測定する。開示された実施形態は、２つ以上の視点から、基点マーキング（１９９）を載せた実質的に透過性の基点プレート（１９０）を通して被検物（１２０）を撮像し得、カメラ（１１１、１１２）視野角、および被検物（１２０）上のフィーチャと１つ以上の基点（１９９）との間の見掛け相対距離は、フィーチャ位置の正確な計算を可能にし得る。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、「ＡＰＰＲＡＴＵＳ ＦＯＲ ＳＴＥＲＥＯＳＣＯＰＩＣ ＴＨＲＥＥ−ＤＩＭＥＮＳＩＯＮＡＬ ＭＥＴＲＯＬＯＧＹ」（２００１年１２月２８日出願）と称される、米国特許仮出願シリアルナンバー第６０／３４６，４４７号の利益を主張する。
【背景技術】
【０００２】
（発明の分野）
本発明の局面は、概して、計測法に関し、より具体的には、高速かつ表面形状の不連続性に対してロバストな態様で、披検機器の物理的特徴の３次元位置を正確に測定するシステムおよび方法に関する。
【０００３】
（関連技術の説明）
いくつかの３次元（３Ｄ）光学的計測技術が一般に知られており、かつ実用化されている。これらの方法は、構造光、モアレおよびレーザ干渉法、レーザ距離測定、従来の２つのカメラアプローチを包含する。従来の方法の各々は、少なくとも、表面形状が急峻な傾斜面または表面の不連続性を含み得、かつ、高価、高精度の動作ステージを回避するために所望される高速および並行化した（Ｐａｒａｌｌｅｉｚｅｄ）情報の取得を必要とする測定アプリケーションに関して著しい欠陥を有する。構造光および干渉法は、例えば、急峻な傾斜面または表面の不連続性を有するテスト機器の特徴の測定に関してあまり良好な成果をもたらさなかった。レーザ距離測定法は、速度が遅く、概して、不正確である。従来の２つのカメラアプローチは、ステージ制度に依存する。
【０００４】
レーザ干渉システムは、フォーカスされたレーザビームをテスト機器に方向付け、感知された反射ビームを基準ビームで干渉する。レーザー源からの距離の変動を推測するために縞パターンのシフトが計数される。これらのシステムおよび方法は、高精度であり得るが、概して、少なくとも以下の点で制限される。このようなシステムが、正確な基準を維持し得るように、イメージ間の連続性が不可欠である。従って、レーザ干渉技術は、テスト機器の関心の対象でない領域の省略を許さず、このことは、動作の速度を遅くする。さらに、急峻な傾斜の表面または表面の不連続性（例えば、鋭い垂直エッジまたはもう１つの物体の上に配置された物体）は、誤ったデータをもたらし得る。
【０００５】
モアレ干渉システムおよび方法は、基準格子を特定の方向からテスト機器に投影する一方で、別の方向からテスト機器を観視し、距離は、傾斜面によって引き起こされた格子線間の間隔の変動を観察することによって推測され得る。これは、１回の測定から変位フィールド全体をキャプチャし得る比較的高速の撮像手法である。しかし、レーザ干渉法と同様に、急峻な傾斜面および表面不連続性は誤ったデータをもたらし得る。
【０００６】
レーザ距離計測法は、フォーカスされたレーザビームをテスト機器に方向付け、飛行時間測定を用いて距離をコンビュータ計算する。ビームは、例えば、半導体ウェハ上のフィーチャ等の小型で高密度に実装された物体との距離を測定する場合、ビームはシャープにフォーカスされなければならない。従って、レーザ距離測定は、一般に、ビーム位置ごとに単一の測定値を取り込むように制限されているので、比較的速度が遅いプロセスである。さらに、この方法は、サブミクロンレベルでの正確な測定を保証するために十分な結果を提供しない。
【０００７】
構造光法は、光の正確な帯をテスト機器に投影する。光帯線の真直度のずれは、斜めに観視された場合、深さ情報に変換される。この方法は、以下の制限を受ける。干渉技術と同様に、急峻に傾斜した表面および表面の不連続性は、誤った測定データをもたらし得、高度にフォーカスされた光の帯からの鏡面反射もまた誤ったデータにつながり得る。
【０００８】
従来の２つのカメラシステムは、例えば、テスト機器上に直接位置付けられた第１のカメラを用いてイメージを取得して横方向の測定値（すなわち、ｘおよびｙ座標）を得、異なった視点または光学軸から撮像する第２のカメラは、フィーチャの高さを三角測量する（すなわち、ｚ次元）ために用いられる。このアプローチは、概して、テスト機器を支持するステージが移動され得る精度によって制限される。ステージの不正確は、直接測定誤差に変換され、従って、極めて正確なステージ移動は、このアプローチ、特に、テスト機器のフィーチャが小型かつ高密度に実装されている場合に必要とされる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（要旨）
本発明の実施形態は、従来技術の上述の、および他の種々の欠点を克服し、立体３次元光学測定システムおよびテスト機器の物理的フィーチャの位置を正確に測定する方法を、高速かつ表面形状の不連続性に対してロバストな態様で提供する。詳細に後述されるように、３次元光学測定のシステムおよび方法は、基準マーキングを有する実質的に透過性な基準プレートを通じて２つ以上の視点からテスト機器を撮像し得る。テスト機器上のフィーチャと１つ以上の基準との間のカメラ観視角度および見掛け相対距離が、フィーチャ位置の正確な計算を可能にし得る。
【００１０】
ある実施形態によると、例えば、テスト機器の物理的フィーチャの位置を測定する方法は、テスト機器が撮像されることを支持するステップと、テスト機器と撮像デバイスとの間に基準を支持する基準プレートを配置するステップと、テスト機器および基準のフィーチャを撮像するステップと、基準に対するフィーチャの位置を測定するステップとを包含する。
【００１１】
上述の支持体は、３つの座標軸のいずれかに沿って移動可能なステージを利用するステージを利用するステップを備えてもよく、追加的または代替的に、ステージは、３つの軸の周りを回転可能であり得る。詳細に後述されるように、撮像は、ステージを撮像デバイスに対して選択的に配向するステップ、または、撮像デバイスをステージに対して選択的に配向するステップを包含し得る。
【００１２】
特に、撮像は、テスト機器に対する撮像デバイスのイメージ面を選択的に平行移動させるステップを包含し得る。この点で、イメージ面の選択的平行移動は、撮像デバイスをテスト機器に対して移動させるか、または、テスト機器を撮像デバイスに対して移動させるステップを包含し得る。
【００１３】
いくつかの実施形態において、撮像は、第１の視点から第１のイメージデータを、第２の視点から第２のイメージデータを収集するステップを包含し得、収集が、機器に対して第１の角度で配向された第１のイメージ面上の第１のイメージデータを取得するステップと、機器に対して第２の角度で配向された第２のイメージ面上の第２のイメージデータを取得するステップとを包含し得ることが理解される。第１の角度および第２の角度は、等しくてもよい。
【００１４】
上述の実施形態のある例示的実装例によると、収集は、撮像デバイスが、機器に対する第１の位置にある場合に第１のイメージデータを取得するステップと、撮像デバイスおよび機器の相対位置を選択的に調整するステップと、撮像デバイスが、機器に対して第２の位置にある場合に第２のイメージデータを取得するステップとを包含する。
【００１５】
いくつかの例示的方法によると、基準に対するフィーチャの位置を測定するステップは、フィーチャと基準との間の見掛け距離を演算処理するステップを包含する。撮像および測定を選択的に繰返すステップは、位置測定の精度を改善し得る。
【００１６】
ある実施形態において、例えば、基準プレートは、複数の基準を支持し、測定は、基準と、複数の基準のなかから選択された基準との間の見掛け距離を演算処理するステップを包含する。
【００１７】
開示されたある実施形態によると、計測システムは、撮像されるべき機器を支持するように動作するステージと、イメージに対して選択的に配向され、かつ、イメージ面に関するイメージデータを収集するように動作する撮像デバイスと、撮像されるべき機器と撮像デバイスとの間に置かれた基点を有する基点プレートとを備える。撮像デバイスは、機器上の基点およびフィーチャを撮像するように動作し得る。
【００１８】
システムは、イメージデータからのフィーチャと基点との間の見掛け距離を演算処理するように動作するイメージ処理コンポーネントをさらに備え得る。
【００１９】
ステージおよび撮像デバイスの少なくとも１つは、３つの座標軸のいずれかに沿って可動であり得、これに加えて、またはこれに代えて、３つの軸のいずれかの周りを回転可能であり得る。いくつかのこのような実施形態において、システムは、ステージおよび撮像デバイスの移動に対して選択的に制御するように動作する制御素子をさらに備え得る。
【００２０】
いくつかの例示的実施形態において、撮像デバイスは、電荷結合デバイスイメージセンサと、相補型金属酸化物半導体イメージセンサ、または同様のイメージセンサデバイスとを備える。
【００２１】
基点プレートが複数の基点マーキングを有するシステムが実現され得る。このようなシステムでは、イメージ処理コンポーネントは、フィーチャと複数の基点マーキングのうちの選択されたものとの間の見掛け距離を演算処理するように動作し得る。
【００２２】
いくつかの実施形態では、撮像デバイスは、機器に対する第１の視点から第１のイメージデータを、および、機器に対する第２の視点から第２のイメージデータを収集する。第１のイメージデータは、イメージ面が機器に対して第１の角度で配向された場合に取得され得、第２のイメージデータは、イメージ面が機器に対して第２の角度で配向された場合に取得され得る。上述のように、第１の角度および第２の角度は、いくつかの実装例において等しい。
【００２３】
システムのある例示的構成では、第１のイメージデータは、撮像デバイスが機器に対して第１の位置にある場合に収集され、撮像デバイスと機器の相対位置は、選択的に調整され、第２のイメージデータは、撮像デバイスが機器に対して第２の相対位置にある場合に収集される。
【００２４】
詳細に後述されるように、機器は、例えば、半導体ウェハ、チップ、またはダイを含み得る。
【００２５】
本発明の種々の実施形態の上述および他の局面は、これらについての以下における詳細な説明を添付の図面と共に精査することによって明らかになる。
（項目１）
被検物の物理的フィーチャの位置を測定する方法であって、該方法は、撮像されるべき被検物を支持するステップと、基点を載せている基点プレートを該被検物と撮像デバイスとの間に置くステップと、該被検物および該基点のフィーチャを撮像するステップと、該基点に対する該フィーチャの位置を測定するステップとを包含する、方法。
（項目２）
前記支持するステップは、３つの座標軸のいずれかに沿って可動であるステージを利用するステップを包含する、項目１に記載の方法。
（項目３）
前記ステージは、前記３つの軸のいずれかの周囲を回転可能である、項目２に記載の方法。
（項目４）
前記撮像するステップは、前記ステージを前記撮像デバイスに対して選択的に方向付けるステップを包含する、項目３に記載の方法。
（項目５）
前記撮像するステップは、前記撮像デバイスを前記ステージに対して選択的に方向付けるステップを包含する、項目１に記載の方法。
（項目６）
前記撮像するステップは、前記撮像デバイスのイメージ面を前記被検物に対して選択的に平行移動させるステップをさらに包含する、項目１に記載の方法。
（項目７）
前記選択的に平行移動させるステップは、前記撮像デバイスを前記被検物に対して移動させるステップを包含する、項目６に記載の方法。
（項目８）
前記選択的に平行移動させるステップは、前記被検物を前記撮像デバイスに対して移動させるステップを包含する、項目６に記載の方法。
（項目９）
前記撮像するステップは、第１の視点から第１のイメージデータを収集し、第２の視点から第２の撮像データを収集するステップを包含する、項目１に記載の方法。
（項目１０）
前記収集するステップは、第１の被検物に対する第１の角度で方向付けられた第１のイメージ面に関する前記第１のイメージデータを取得するステップと、該被検物に対して第２の角度で方向付けられた第２のイメージ面に関する前記第２のイメージデータを取得するステップとを包含する、項目９に記載の方法。
（項目１１）
前記第１の角度と前記第２の角度とは等しい、項目１０に記載の方法。
（項目１２）
前記収集するステップは、
前記撮像デバイスが前記被検物に対する第１の位置にある場合に前記第１のイメージデータを取得するステップと、該撮像デバイスと該被検物との相対位置を選択的に調整するステップと、該撮像デバイスが該被検物に対して第２の位置である場合に、前記第２のイメージデータを取得するステップとを包含する、項目９に記載の方法。
（項目１３）
前記測定するステップは、前記フィーチャと前記基点との間の見掛け距離を演算処理するステップを包含する、項目１に記載の方法。
（項目１４）
前記撮像するステップおよび前記測定するステップを選択的に繰り返すステップをさらに包含する、項目１３に記載の方法。
（項目１５）
前記基点プレートは、複数の基点を載せ、前記測定するステップは、該基点と、該複数の基点のせんたくされたいくつかとの間の見掛け距離を演算処理するステップを包含する、項目１１に記載の方法。
（項目１６）
撮像されるべき被検物を支持するように動作するステージと、該ステージに対して選択的に方向付けられ、かつ、イメージ面に関するイメージデータを収集するように動作する撮像デバイスと、撮像されるべき該被検物と該撮像デバイスとの間に置かれた、基点を載せる基点プレートとを備える計測システム。
（項目１７）
前記撮像デバイスは、前記基点と前記被検物のフィーチャを撮像するように動作する、項目１６に記載のシステム。
（項目１８）
前記フィーチャと前記基点との間の見掛け距離を演算処理うるように動作するイメージ処理コンポーネントをさらに備える、項目１７に記載のシステム。
（項目１９）
前記ステージおよび前記撮像デバイスの少なくとも１つは、３つの座標軸のいずれかの周囲を可動である、項目１６に記載のシステム。
（項目２０）
前記ステージおよび前記撮像デバイスの少なくとも１つは、前記３つの軸のいずれかの周囲を回転可能である、項目１９に記載のシステム。
（項目２１）
前記ステージおよび前記撮像デバイスの相対運動を制御するように選択的に動作する制御素子をさらに備える、項目２０に記載のシステム。
（項目２２）
前記撮像デバイスは、電化結合デバイスイメージセンサを備える、項目１６に記載のシステム。
（項目２３）
前記撮像デバイスは、相補的金属酸化物半導体イメージセンサを備える、項目１６に記載のシステム。
（項目２４）
前記基点プレートは、複数の基点マーキングを載せる、項目１８に記載のシステム。
（項目２５）
前記イメージ処理コンポーネントは、前記フィーチャと、前記複数の基点マーキングのいくつかとの間の見掛け距離を演算処理するように動作する、項目２４に記載のシステム。
（項目２６）
前記撮像デバイスは、前記被検物に対する第１の視点から第１のイメージデータを収集し、該被検物に対する第２に視点から第２のイメージデータを収集する、項目１６に記載のシステム。
（項目２７）
前記第１のイメージデータは、前記イメージ面が前記被検物に対する第１の角度で方向付けられた場合に取得され、前記第２のイメージデータは、該イメージ面が該被検物に対する第２の角度で方向付けられた場合に取得される、項目２６に記載のシステム。
（項目２８）
前記第１の角度と前記第２の角度とは等しい、項目２７に記載のシステム。
（項目２９）
前記第１のイメージデータは、前記撮像デバイスが、前記被検物に対して第１の位置にある場合に収集され、該デバイスと該被検物との相対位置が選択的に調整され、かつ、前記第２のイメージデータは、該撮像デバイスが、該被検物に対して第２の位置にある場合に収集される、項目２６に記載のシステム。
（項目３０）
前記被検物は、半導体ウェハを含む、項目１６に記載のシステム。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１Ａ】図１Ａは、立体３次元計測システムのある実施形態を示す簡略化された機能ブロック図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、立体３次元計測システムのある実施形態を示す簡略化された機能ブロック図である。
【図２Ａ】図２Ａは、立体３次元計測システムの別の実施形態を示す簡略化された機能ブロック図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、立体３次元計測システムの別の実施形態を示す簡略化された機能ブロック図である。
【図３】図３は、図１Ａおよび図１Ｂの実施形態により構成および動作される計測システムの幾何学的局面を示す簡略化された図である。
【図４】図４は、図２Ａおよび図２Ｂの実施形態により構成および動作される計測システムの幾何学的局面を示す簡略化された図である。
【図５】図５は、撮像デバイス視野角の関数としての面度（ｐｌａｎａｒｉｔｙ）およびアライメント測定感度についてのデータを表すグラフである。
【図６】図６は、図１Ａおよび図１Ｂの実施形態により構成および動作されるプローブカードアナライザシステムのある実施形態の簡略化された図式的側面図である。
【図７】図７は、立体視３次元計測法のある実施形態の一般的動作を示す簡略化されたフローチャートである。
【図８】図８は、イメージデータ収集動作のある実施形態の一般的動作を示す簡略化されたフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
（詳細な説明）
詳細に後述されるように、本システムおよび方法の局面は、従来の計測アプローチの上述された、特に、（１）速度または処理量の制限、（２）表面の不連続性と関連した測定の困難性、および（３）ステージの正確な動きの信頼性に低さという重大な欠点を最小化または削除し得る。
【００２８】
例示的実施形態は、フィールド測定値を収集するが、ポイント測定値は収集しない。特に、撮像されたビューの各フィールドが、ビューにおける識別された各フィーチャの位置測定値を生成し得、高い平行度が達成され得る。その結果、位置測定処理量は、レーザ距離測定等のポイント測定法を用いて達成され得るよりも著しく大きい。さらに、干渉手法および構造光アプローチとは異なって、本開示により動作するシステムおよび方法は、イメージ位置の継続性が確立された基準との結びつきを保証することを必要としない。中間位置に関するデータを集める必要なしに、テスト機器上の位置を任意にサンプリングするために位置測定値が取られ得る。
【００２９】
干渉法は、前の測定値に対する位置測定値をもたらす。しかしながら、テスト機器上の特定のポイントの位置を測定するために、干渉システムは、基準点から目的の最終ポイントに移動して、ポイントからポイントの距離の変動を累算しなければならない。任意の外乱、異常、または表面の不連続性によって引き起こされたこの累算の他の変形が、すべてのダウンストリーム（すなわち、後続）の測定値に誤差を生成する。しかしながら、本明細書中ですでに述べられたシステムおよび方法は、確立された基準ポイント、すなわち、１つ以上の基点マスクに対する位置測定値をもたらす。距離の変動の累算は、必要ではない。目的の領域が塞がれている可能性の他に、急峻な傾斜または不連続面は、正確な測定を阻止しない。
【００３０】
さらに、本開示により構成および動作される立体視光学計測システムは、高精度のステージを必要とせず、精度の負担が基点および撮像システムにシフトされ得る。所与の精度許容誤差の基点プレートを製作することは、ステージ（および付属のアクチュエータ、制御メカニズム、および他のハードウェア）を製作して、これらの許容誤差内で正確に実行するよりもはるかに容易である。
【００３１】
例示的実施形態のある特定の応用は、半導体産業用プローブカードの平面性およびアライメントの測定であるが、当業者は、本システムおよび方法の有用性が、他の分野にも等しく適用可能であることを容易に理解する。
【００３２】
ここで、図面を参照して、図１Ａ〜図１Ｂおよび図２Ａ〜図２Ｂは、立体３次元計測システムのそれぞれの実施形態を示す簡略化された機能ブロック図である。動作が基づく原理は、２つの異なった視点からの目的のフィーチャと基点との間の距離の２つのカーテシアンコンポーネントを測定するステップを含む。視差が原因で、フィーチャと基点との間の距離は、２つの視点の各々から観察された場合、計れる程度に異なる。これらの２つの見掛け距離、および２つの異なった視点ビューの相対位置を想定して、基点に対するフィーチャの真の位置を３次元（３Ｄ）空間で計算することが可能である。
【００３３】
図１Ａおよび図１Ｂに示されるように、２つの視点イメージを集めるある１つの方法は、距離をいくらか離された２つのカメラまたは撮像デバイス１１１および１１２を用いることであり、各撮像デバイスは、同じシーンを観察および撮像するために構成および配向され得る。この点で、図１Ａおよび図１Ｂは、基点オブジェクト１９９と、フィーチャ１２９（位置が計算されるべき）と、撮像デバイス１１１、１１２がこれらのオブジェクトを観視し得る２つの角度視点とを示す。
【００３４】
図２Ａおよび図２Ｂに示されるように、２つの視点イメージを集めるための別のアプローチは、撮像されるべき機器１２０に対する特定の方向（例えば、図２Ｂにおけるｘ方向）に沿って走査し得る単一の撮像デバイス１１０を用いることである。撮像デバイス１１０は、走査中に、異なったポイントまたは位置の同じフィーチャ１２９および基点１９９のイメージをキャプチャし得る。フィールドの一方の側から他方の側への、フィーチャ１２９と基点１９９との間の可変の見掛け距離が、図１Ａおよび図１Ｂに示されるアプローチと同じ態様で用いられ、フィーチャ１２０の位置が計算され得る。
【００３５】
例示的実施形態において、システム１００は、概して、一般に、３Ｄオブジェクト空間、およびテスト機器１２０のイメージデータを収集するように動作する撮像デバイス３１０、または１対の撮像デバイス１１１、１１２を備える。撮像されるべき目的のオブジェクトまたはフィーチャ１２９は、テスト機器１２０上で支持または配置され得、いくつかの実施形態において、例えば、テスト機器１２０は、顕微鏡スライド、マイクロアレイ、マイクロタイタープレート、または他のマルチウェルプレート、半導体チップ、ダイ、またはウェハ、あるいは、オブジェクト、スペシメン、サンプル材料、フィーチャ等を支持するように構成または動作されるビューイングまたは撮像するために任意の他の類似の構造で具現化されるか、または、これらを含み得る。
【００３６】
テスト機器１２０は、精密動作ステージ１３０または他の可動指示素子に固定または可動であるように取り付けられるか、または他の態様でこれらに取り付けられ得る。この点で、テスト機器１２０は、当該分野にて一般に公知であるように、ｘ、ｙ、およびｚ方向のいずれか、またはこれらすべての方向に可動であり得、この運動は、テスト機器１２０の平行移動（すなわち、ステージ１３０に対する）によって、ステージ１３０またはテスト機器１２０が配置された任意の他の装置によって、あるいはこれらの両方によって達成され得る。従って、１つ以上の座標軸に沿うテスト機器１２０の選択的平行移動は、機器１２０およびフィーチャ１２９が撮像のための適切な位置（撮像デバイス１１０または１１１、１１２に対して）に選択的に位置付けられることを可能にする。代替的または追加的に、テスト機器１２０、ステージ１３０、またはこれらの両方は、１つ以上の座標軸の周りを回転可能であり得る。
【００３７】
テスト機器１２０およびステージ１３０の制御された移動または平行移動を提供する多数および多様な装置および方法が、当業者に周知である。本開示の範囲は、テスト機器１２０を操作または配向するために用いられる任意の構造および技術によって制限することを意図しない。代替案として、例えば、例示的実施形態の機能および制度が、上述のように、ステージ１３０の正確な移動に依存せず、ステージ１３０およびテスト機器１２０が、ｘ、ｙ、およびｚ軸に対して固定され得ることが理解される。このような代替的実施形態において、異なった撮像視点を提供するために必要な任意の相対移動が、１つ以上の座標軸に対する撮像デバイス１１０または１１１、１１２の選択的移動によって行われ得る。
【００３８】
いくつかの実装例において、撮像デバイス１１０〜１１２は、例えば、電荷結合デバイス（ＣＣＤ）技術を組み込んだカメラ、または相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）イメージセンサで具現化されるか、あるいは、これらを備え得る。追加的または代替的に、撮像デバイス１１０〜１１２は、レンズアレイまたは連続焦点合わせ素子、光学式顕微鏡、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）、分光計、あるいは、ビデオまたはイメージデータを収集するイメージセンサまたはセンサアレイと共に構成および動作される任意の他の装置または機器等の補助光学素子または撮像コンポーネントを備え得る。
【００３９】
撮像デバイス１１０〜１１２は、キャプチャされたイメージデータを必要に応じて、処理、格納、または、他の態様で操作するように動作する１つ以上のイメージ処理コンポーネント（イメージプロセッサ１６１等）をさらに備えるか、または、これらに結合され得る。このようなイメージ処理コンポーネントは、例えば、デバイス１１０〜１１２によってキャプチャおよび伝送されたイメージデータを内挿、外挿、フィルタリング、逆重畳、あるいは、他の態様で操作するためのソフトウェアコードまたは他の指示セットを実行することができる１つ以上のマイクロプロセッサまたはマイクロコントローラを備え得る。イメージプロセッサ１６１は、例えば、プロセッサ機能のリコンフィギュレーションまたは選択的プログラミングを可能にする等の、リアルタイムオペレーティングシステムを実行または動作させ得る。特に、イメージプロセッサ１６１は、１つ以上のさらなるイメージ処理コンポーネントと独立して用いられるか、またはこれらと共に用いられ、詳細に後述される演算処理および動作を実行し得ることに留意されたい。
【００４０】
当該分野にて一般に知られているように、いくつかのイメージ処理技術は、集中処理（すなわち、演算処理費用がかかる）であり、演算処理パワー、ならびにデータ操作および格納のための他のリソースをかなり必要とする。従って、イメージプロセッサ１６１は、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、ハードまたはフロッピー（登録商標）ディスクドライバ、デジタル多用途ディスクドライバ、あるいは、他の磁気、光学式、または磁気光学コンピュータ記憶媒体ならびに付属のハードウェア等のコンピュータ読み出し可能記憶媒体をさらに備え得る。図３〜図５を参照して詳細に後述される演算処理機能をサポート、ならびに、上述のように、リコンフィギュレーションまたは選択的プログラミングを可能にする十分な記憶媒体が提供され得る。
【００４１】
テスト機器１２０およびステージ１３０のものと類似の態様で、撮像デバイス１１０〜１１２は、ｘ、ｙおよびｚ方向のいずれか、またはすべての方向に可動であり得、従って、デバイス１１０および１１１、１１２の、あるいは、そのデバイスの１つ以上のコンポーネントの１つ以上の座標軸に沿う選択的移動が、テスト機器１２０に対する焦点面の正確な位置付けを可能にし得る。デバイス１１０〜１１２の制御された移動を提供するか、または、焦点面の正確な位置付けを提供する種々の装置および方法が当該分野にて周知である。この点で、デバイス１１０〜１１２は、ガイドレールまたはトラック、ステッパモータ、関節アーム、あるいは、撮像動作のために、テスト機器１２０に対して位置デバイス１１０〜１１２を選択的に位置付けるように動作する他の自動化された構造またはロボットシステムに動作可能に結合され得る。
【００４２】
さらに、デバイス１１０および、特に、デバイス１１１および１１２、またはこれらのデバイスの１つ以上のコンポーネントは、ｘ、ｙ、およびｚ座標軸の１つ以上の周りを回転可能であり得る。この点で、デバイス１１０〜１１２は、ヒンジ、ジンバル、ジャーナル、および、ベアリングアセンブリ、あるいは、１つ以上の座標軸に対して所定の角度で、または、動的に調節可能な角度でデバイス１１０〜１１２を選択的に配向、支持、および維持することができる他の旋回可能な構造等の適切なハードウェアに動作可能に結合または取り付けられ得る。いくつかの実施形態では、デバイス１１０〜１１２の１つ以上の軸の周りでの選択的または動的回転は、必ずしも必要ではあり得ない。このような実施形態では、デバイス１１０〜１１２は、特定の角度配向で固定されて、後述の機能をサポートし得る。
【００４３】
本開示の範囲は、デバイス１１０〜１１２を操作するために用いられる任意の構造および技術によって制限されることを意図しない。デバイス１１０〜１１２と、概して、ステージ１３０、特に、テスト機器１２０との間の相対移動は、複数の方法で実現または制御され得ることが理解される。
【００４４】
この点で、システム１００は、１つ以上のマイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、または、デバイス１１０または１１１、１１２およびテスト機器１２０の相対移動の制御、位置付け、ならびに配向するように動作可能な他の電子デバイス（制御エレクトロニクス１６２）をさらに備え得る。図１Ｂおよび図２Ｂに示されるように、制御エレクトロニクス１６２は、上述のイメージプロセッサ１６１、または他のイメージ処理コンポーネントに動作可能に結合され得る。いくつかの実施形態において、イメージプロセッサ１６１は、例えば、制御エレクトロニクス１６２から受取られた制御信号、または、他のデータ（例えば、デバイス１１０または１１１、１１２およびテスト機器１２０の位置付けまたは相対移動を示す）に応答して、走査またはイメージキャプチャ動作を始動、実行、または終了し得る。同様に、制御エレクトロニクス１６２は、イメージプロセッサ１６１からデータまたは指示セット（例えば、所望の移動またはその移動のタイミングに関する）を受取り得、かつ、これに対応して、デバイス１１０または１１１、１１２およびテスト機器１２０を配置または配向し得る。イメージプロセッサ１６１および制御エレクトロニクス１６２の機能は、単一のデバイスまたはハードウェア構成に組み合わされ、組み込まれ、または、統合され得ることが理解される。
【００４５】
図１Ａ〜図１Ｂおよび図２Ａ〜図２Ｂに示される実施形態において、システム１００は、デバイス１１０または１１１、１１２と、テスト機器１２０との間に、配置、支持、または、他の態様で維持される基点プレート１９０をさらに備える。プレート１９０は、例えば、ランダムに配置されるか、または、整理されたアレイ、または、配向であり得る基点１９９等の１つ以上のマーキング、あるいは基準表示を支持または表示するように動作し得る。明瞭化するために、図面の図にはただ１つの基点１９９が示されるが、図示は、限定的であると解釈されることを意図していない。
【００４６】
基点プレート１９０は、実質的に透過性であるように構成または製作されてもよく、機器１２０、フィーチャ１２９、および基点１９９の撮像を可能にする一方で、プレート１９０は、機器１２０と、撮像デバイス１１０または１１１、１１２との間に置かれる。このような透過性は、例えば、プレート１９０、プレートの厚さ、艶、面性、および他の表面特性等を構成するために用いられる材料または組成物の特性によって助長または影響され得る。従って、この文脈では、「実質的に透過性の」という用語は、概して、適切な材料からなり、かつ、適切な寸法特性を有する基点プレート１９０のことであり、これにより、本明細書中で述べられるように、プレート１９０は、これを通る機器１２０の光学的撮像および他の撮像を妨げず、かつ、撮像デバイス１１０〜１１２の機能および動作を妨害しない。
【００４７】
いくつかの実施形態において、プレート１９０は、ガラス、石英、アクリル樹脂、サファイア、シリカ、または、撮像デバイス１１０〜１１２およびシステム１００の撮像機能をサポートするために適切な材料特性を有することが知られている任意の他の材料で具現化されるか、または、これらを含み得る。上述の基点１９９または基点アレイは、表面にエッチングされ得るか、プレート内で支えられ得るか、プレート内で支持され得るか、あるいは、プレート１９０に組み込まれ得る。
【００４８】
撮像デバイス１１０または１１１、１１２とテスト機器１２０との間に置かれた場合、プレート１９０は、３Ｄ座標軸系（例えば、図１Ｂおよび図２Ｂにおける原点であって、ここで、ｘ＝０、ｙ＝０、ｚ＝０）に対して既知の位置、または、配向で支持または固定され得る。従って、３Ｄ空間における基点１９９または他の基準表示は、正確に演算処理され、次に、一般に、座標軸系に対する、特に、テスト機器１２０上の他のフィーチャまたは基準ポイントに対するフィーチャ１２９の位置を計算するために用いられ得る。
【００４９】
この点で、基点１９９は、これを選択的に撮像することを可能にするように寸法決めまたは構成され得る。いくつかの実施形態において、例えば、基点１９９は、特定の撮像様式を用いて動作する間に、実質的に透過性であるように構成または製作され得る。例えば、基点１９９（または、アレイに配列された複数の基点の各々）は、特定の条件下でのみ可視または不透明に現れるように適切にサイズ決めまたは着色され得、基点１９９を、イメージフューチャ１２９に用いられた特定の波長または周波数帯の入射光に対して実質的に透過性にする。このような実施形態において、異なった波長の照明を提供するか、または撮像様式をスイッチングすることにより、基点１９９の撮像が選択的に可能になり得る。
【００５０】
フィーチャ１２９および基点１９９の両方が、依然としてこの実装例で撮像され得るが、基点１９９は、２つの選択された種類のうちの１つにおいてのみ不透明であればよいことが理解される。上述の実施形態によると、フィーチャ１２９は、基点１９９を透明にする特定の様式を用いて特定の視点から撮像され得る。撮像技術は、第２の種類を用いるように変更され得、基点１９９は、その後、同じ視点から撮像され得る（フィーチャ１２９は、第２の種類で撮像されてもよいことに留意されたい）。２つの撮像動作の間に収集されたイメージデータは、単一の合成イメージフレームにおいて基点１９９およびフィーチャ１２９の両方を正確に表すように組み合わされ得る。従って、基点１９９とフィーチャ１２９との間の見掛け距離は、詳細に後述されるように取得され得る。
【００５１】
上述のデュアルモダリティの実施形態は、例えば、フィーチャサイズが小さい（例えば、基点１９９のサイズに関して）か、または、２つが同時に撮像された場合、不透明な基点１９９を不明瞭にし得る状態において特定の有用性を有し得る。基点１９９は、特別に着色、テクスチャ化（ｔｅｘｔｕｒｅｄ）、シェーディング、寸法付け、または他の態様で、上述の機能をサポートするように操作され得る。いくつかの実施形態において、例えば、基点１９９は、プレート１９０に配置または組み込まれた１つ以上の液晶素子または蛍光材料で具現化され得るか、またはこれらを含み得る。入射光または印加された電界または磁界が、基点の不透明性または透明性を引き起こすか、または、選択的に有効にし得る。追加的または代替的に、基点１９９は、テクスチャまたは他の表面または構造特性を生成するためにプレート１９０の表面にエッチングされ得、特定の環境下で実質的透明性を、他の環境下で不透明性を可能にする。
【００５２】
図３は、図１Ａおよび図１Ｂの実施形態により構成および動作する計測システムの幾何学的局面を示す簡略図である。例示的な図３のジオメトリーは、見掛けフィーチャ距離と基点距離との間の数学的関係から３Ｄフィーチャ位置を計算するために用いられ得る。２つのカメラまたは撮像デバイス１１１、１１２は、これらのデバイスの撮像面によって簡単に表され、それぞれイメージ面１およびイメージ面２として識別される。上述のように、これらのイメージ面は、例えば、ＣＣＤまたはＣＭＯＳイメージセンサ、または他のイメージセンサ技術を含むか、または、これらを特徴とし得る。
【００５３】
３Ｄ座標系Ｎは、互いに対して垂直の単位ベクトルｘ、ｙおよびｚのセットによって規定され得、ここで、ｙ軸は、図３の面に対して垂直である。第１の撮像デバイス１１１の撮像面（イメージ面１）は、ｙ軸の周囲を角度θ１の分、選択的に回転し得、第２の撮像デバイス１１２の撮像面（イメージ面２）は、ｙ軸の周囲を角度θ２の分、選択的に回転し得る。基点１９９およびフィーチャ１２９の「先端」は、それぞれの撮像面上に垂直方向に投影され、それぞれの見掛け距離ｄ１およびｄ２を生成し得る。
【００５４】
見掛け距離ｄ１およびｄ２を仮定して、基点に対するフィーチャの先端の位置は、距離Δｘ、Δｙ、およびΔｐで示され得、ここで、「ｐ」は、「面性（ｐｌａｎａｒｉｔｙ）」またはｚ方向の距離を表す。両方の撮像面は、ｙ軸の周囲を回転するので、ベクトル上の位置成分は、通常、回転θ１およびθ２による影響を受けない。従って、基点に対するフィーチャの位置のΔｙ成分は、両方の撮像面上で直接観察され得る。成分ΔｘおよびΔｐは、等式（１）および等式（２）によって
【００５５】
【数１】
と計算され得る。
【００５６】
両方の角度θ１およびθ２が等しい（すなわち、θ１＝θ２＝θ）場合、等式（１）および等式（２）は、
【００５７】
【数２】
と簡略化される。
【００５８】
図４は、図２Ａおよび図２Ｂの実施形態により構成および動作される計測システムの幾何学的局面を示す間略図である。この例において、角度θ１は、レンズが「レンズ位置１」にあり、イメージが視やの一方の末端にある場合のレンズの中心線と基点との間の角度として定義され得る。同様に、角度θ２は、レンズが「レンズ位置２」にあり、イメージが視野の他方の末端にある場合の基点との間の角度として定義され得る。
【００５９】
通常、図４に示される角度を計算することによって、ステージの位置（図２Ｂにおける参照符号１３０）、従って、その上に支持される被検物の位置（図２Ｂにおける参照符号１２０）を正確に知ることが必要となる。ステージ位置を知ることの必要性は、ステージの正確な移動の必要性とは異なる、すなわち、３Ｄ空間におけるステージの位置を確認することは、その空間を通るステージの移動を正確に制御するよりもはるかに容易である。
【００６０】
この点で、安価であるが、高精度の基点プレート１９０は、ステージ位置の正確な決定を容易にし得る。従って、レンズの中心線からｘ方向の基点の横方向のオフセットの正確な測定（図４における距離ｘ１およびｘ２）が取得され得る。レンズから基点の概算距離（図４におけるλ）を知ることもまた、３Ｄ空間におけるフィーチャの位置の演算処理を容易にし得る。上述の変数の場合、角度θ１およびθ２は、
【００６１】
【数３】
と計算され得る。
【００６２】
等式（５）および等式（６）におけるλに対するθ１およびθ２の感度の解析は、角度値が小さい場合、θ１およびθ２は、通常、λの変動または誤差に対して非感受性である。角度θ１およびθ２の演算処理値および基点距離に対する見掛けフィーチャ（すなわち、図３に示されるｄ１およびｄ２）が図４における２つのレンズ位置にあると仮定して、フィーチャ位置を決定するために必要とされる処理は、等式（１）および等式（２）を特に参照して、すでに概観されたものと同じ経路に従う。
【００６３】
ここで、θ１＝θ２＝θである図１Ａおよび図１Ｂに示される実施例に戻って、等式（３）および（４）の変形が、所与のフィーチャの最終位置測定の精度の特徴付けを可能にし得る。等式（７）および（８）は、例えば、面性ξ（Δｐ）およびアライメントξ（Δｘ）の測定値の精度を、第１および第２の見掛け距離ξｄ１およびξｄ２の変動または誤差と、イメージ面角度ξθの変動または摂動の両方の関数としてそれぞれ表す。
【００６４】
【数４】
図５は、面性およびアライメント測定感度のデータを撮像デバイス視野角θの関数として表すグラフである。図５に示されるように、（見掛け距離測定値の変動と通常のカメラの視野の変動の両方に対する）プレーナリティおよびアライメント感度は、約１°と約４５°との間の撮像デバイス視野角の場合に生成された。このデータは、通常の見掛け距離ｄ１＝１０μｍおよびプレーナリティ距離Δｐ＝２０μｍと想定して生成された。
【００６５】
図５のデータの検査から明らかであるように、視野角が小さくて浅い場合、プレーナリティ精度は、見掛け距離測定値の誤差およびカメラ角度の変動または摂動による大きい影響を受ける。例えば、２°の視野角で、見掛け距離誤差の各単位は、プレーナリティ測定誤差の値のほぼ５倍の大きさになる。しかしながら、アライメント精度は、見掛け距離またはカメラ角度誤差によってほんのわずかに影響を受け、アライメント精度感度の場合、見掛け距離誤差の各単位は、プレーナリティ測定誤差の量である約２分の１になる。
【００６６】
視野角が拡大すると、プレーナリティ誤差は、通常、改善され、アライメント誤差は悪化するが、図５に示されるように、プレーナリティ誤差が改善されるレートは、アライメント誤差が悪化するレートを大幅に超過する。
【００６７】
プレーナリティおよびアライメント測定値の所望の精度、見掛け距離およびカメラ角度測定値の既知の精度、図５に示されるデータ、および、等式（７）および（８）に示される関係を仮定して、対応する所望または最適イメージ面角度θは、図１Ａおよび図１Ｂを参照して詳細に示されかつ記載された実施形態について計算され得る。
【００６８】
等式（７）および（８）は、イメージ面角度θにおける不確実性は、位置測定誤差につながり得、従って、イメージ面角度θを確実に決定することは、このような誤差を最小化または消去することを容易にし得る。この目的を達成するために、θを十分な精度で決定する際に２つのアプローチが効果的であり得る：（１）システム１００および撮像デバイス１１１、１１２を支持する装置を、イメージ面角度θが製造プロセスによって確立された許容誤差内であることが知られている許容誤差になるように正確に構成するか、または、（２）よりゆるい製造許容誤差を考慮し、かつ、イメージ面角度θを厳しい許容誤差で測定する。
【００６９】
いくつかの実施形態では、例えば、撮像デバイス１１１および１１２のイメージ面角度θ１およびθ２は、それぞれ、既知の間隔を有する少なくとも２つの基点マークを含む非常に平坦な基点プレート１９０を用いて正確に演算処理され得る。２つのカメラビューにおける基点マーク間の見掛け距離を（ｄｆ１およびｄｆ２）、基点マーク間の実距離（ｔｒｕｅ ｄｉｓｔａｎｃｅ）を（ΔＸｆｉｄｕｃｉａｌ）であると仮定して、基点プレート１９０に対するイメージ面角度θ１およびθ２は、等式（９）および（１０）
【００７０】
【数５】
により容易に演算処理され得る。
【００７１】
これらの測定角度の精度は、
【００７２】
【数６】
を介して見掛け距離測定精度と関連付けられ、ここで、θ２は、θ１と置換され、ｄｆ２はｄｆ１と置換され得る。等式（１１）の分母がｓｉｎθ１項であるために、θ１（またはθ２）測定値の精度は、視野角が小さくなるにつれて劣化する。等式（１１）の考察から明らかであるように、単一の視野において利用可能な最も大きく分離した２つの基点（すなわち、（ΔＸｆｉｄｕｃｉａｌ）の利用可能な最も大きい値を用いる）は、θ１および２測定値の精度を最大化し得る。さらなる精度は、特定の視野において利用可能である任意の他の間隔の幅が広い基点に関する複数の測定値を平均化することによってもたらされ得る。
【００７３】
従来の計測技術を用いた場合のように、照明は、本明細書中で記載されるシステムおよび方法の動作全体に影響を及ぼし得る。この点で、照明技術は、撮像デバイスの能力に影響を及ぼし、撮像されたフィーチャから詳細（例えば、表面形状またはテクスチャ等）を抽出し得、さらに、照明効果は、撮像された対象物またはフィーチャの幾何学的外観にも影響を及ぼし得ることに留意されたい。
【００７４】
従って、例えば、１つ以上の照明源、撮像デバイス１１０〜１１２で用いられる撮像光学素子、あるいはこれらの両方の機能および動作特性が、個別に、または組み合わされて選択され、特定の被検物に関する目的のプローブチップまたは他のフィーチャの実質的に均一に照射されたイメージを生成し得る。この点で、照明源またはシステムならびに撮像デバイス１１０または１１１、１１２を備える光学系の各々がそれぞれの開口数（NA）値を有し得ることが理解される。NA値が減少するにつれ、例えば、結果としてのイメージが表面フィーチャの詳細をより明らかにし、これは、距離の測定を通じて位置を突き止めるというイメージ処理タスクを複雑にし得る。この観点から、システム１００の種々のコンポーネント（例えば、照明源およびデバイス１１０〜１１２）は、照明系NAおよび撮像または光学系NAの両方が大きくなるように構成または選択され得る。
【００７５】
すでに詳細に述べられたように、例示的実施形態は、少なくとも２つの異なった視点からイメージデータを収集する。いくつかの応用例では、各視点の照明は、撮像される対象物またはフィーチャの幾何学的特性の提供を容易または可能にし得る。例えば、あるイメージ視点がフィーチャの重心を左（負のX方向）にシフトさせる傾向がある照明技術を用
いる一方で、もう１つの視点は、フィーチャの重心を右（正のX方向）にシフトさせる傾
向がある照明技術を用い、その結果、基点に対する見掛け距離の強い影響が誤った位置データを生成し得る。
【００７６】
視点が原因でイメージの重心のシフトが及ぼす影響を緩和または消去するある方法は、単一の一定照明源（すなわち、強度および配向が概して「一定」である）の実現によりイメージジオメトリの一貫性を保つステップを包含し得る。例えば、プローブの先端部の最低点の位置を識別するように設計されたプローブカード試験応用例において、照明
源からの光は、実質的に垂直に、すなわち、図１Bおよび図２Bにおけるｚ軸と平行に配向され得る。このような状態では、ランバートの原理により、プローブの最低点の特性である水面は、最大の拡散反射強度を生成し得、かつ、プローブの最低点の正確な識別が可能になる。しかしながら、プローブの先端は、さらに、鏡面反射を生成し、これは、この照明手法の有効性を低減し、かつ、視野角度が原因で明らかなイメージシフトを生成し得る。
【００７７】
イメージの重心の視点によって引き起こされるシフトの影響を緩和する別のアプローチは、シフトを測定し、これを説明することを含み得る。例えば、プローブカード解析応用例では、プローブ位置測定値は、オーバートラベル（overtravel）を伴って、およびこれを伴わずに取られ得、動作後の動きの位置でとられた測定値は、通常、プローブが基点と接触する状態に対応する。この動作後の位置において、視野角に基づく基点に対するプローブの距離（ｄ１およびｄ２）の変動は、完全に最小化または除去されるべきである。従って、任意の測定可能な変動は、視野角が原因で、知覚されたジオメトリの変化の影響が原因である。動作後の動きの位置で測定された任意の検出されたシフトは、動作後の動きを伴わずに取られた測定値を修正するために用いられ得る。
【００７８】
その点において、オーバートラベルなし（ゼロオーバートラベル）の基点距離のプローブは、ｄ１ＺＯＴおよびｄ２ＺＯＴで表され得、同様に、オーバートラベルを有する基点距離へのプローブは、ｄ１ＯＴおよびｄ２ＯＴで表され得る。
【００７９】
オーバートラベルにおいて、基点距離への２つの見かけのプローブの平均は、概して、より良好な実際の距離の推測値を生成し得る。上記の条件によると、視点の変化に起因する、フィーチャジオメトリーにおける推測されるエラーは以下の式によって計算され得る。
【００８０】
【数７】
オーバートラベルがない状況における、基点距離へのプローブの推測は、上記の推測を用いて向上し得る。
【００８１】
【数８】
基点距離へのプローブのこれらの視点補正推測を式（１）および（２）のｄ１およびｄ２に代入することは、視点によって引き起こされるジオメトリーのばらつきの、面性およびアライメント測定に対する影響を軽減し得る。
【００８２】
いくつかの要因が開示された実施形態の性能に影響を与え得る。これらの要因には、例えば、フィーチャ重心識別の正確さ、見かけの距離の測定の正確さ、基点位置の正確さ、フィールドの光学深度（ＤＯＦ）、光学テレセントリシティ（ｔｅｌｅｃｅｎｔｒｉｃｉｔｙ）、ならびに、照明システムおよび撮像オプティクスのＮＡが含まれる。
【００８３】
フィーチャ重心識別の正確さについて、上述したように、所望のフィーチャの受信を正確に、かつ繰り返し識別することは、結果に影響を与え得ることに留意されたい。フィーチャの表面ジオメトリーおよび光学反射特性は、テストされた実例または物ごとに、あるいは、ある実例の中でも、かなり変動し得る。これらのフィーチャの得られるイメージは、所望の領域が正確に識別され得るような様式で処理され得る。プローブカード分析用途のプローブイメージの場合、例えば、所望の領域は、典型的には、プローブの最も低い点である。所望の領域の識別において用途を有し得るいくつかの方法は、接続性（ｂｌｏｂ）解析およびパターン認識を含む。
【００８４】
見かけの距離の測定の正確さについて、フィーチャ位置測定の正確さは、式（７）および（８）ならびに図５を参照しながら説明したように、イメージを得るために用いられるデバイスの基礎をなす正確さに概して依存し得ることに留意されたい。イメージがＣＣＤカメラを用いて取り込まれる場合、例えば、イメージの量子化およびノイズは、見かけの距離の測定の正確さにおいて、重要な役割を果たし得る。このような実施形態の性能を最大限にするため、イメージ量子化サイズは、特定の用途が許すかぎり小さく（すなわち、小ピクセル）され得、さらに、ノイズに対するイメージ信号を最大限にすることが所望される。この点において、フィルタリング技術は、ノイズの影響を軽減するように、実施され得る。ピクセル平均化または補間技術は、サブピクセルの正確さを達成するために用いられ得る。
【００８５】
基点位置の正確さについて、例示的な実施形態は、既知の基点位置と相対的な、対象のフィーチャの３つの位置成分（すなわち、３Ｄ空間における座標）を、概して測定することに留意されたい。従って、基点位置の不正確さは、フィーチャ位置の不正確さに直接変換され得る。基点の単数または複数のアレイを用いる適用例において、複数の基点についてのフィーチャ距離計算が平均化され得、１つの基点の位置の正確さへの依存が低減され得る。
【００８６】
光学ＤＯＦについて、開示されている実施形態は、フィーチャおよび基点の両方同時に撮像することに留意されたい。これらの要素は、概して、異なる面、あるいは、イメージ面またはレンズからのｚ距離にある。すなわち、イメージ面からフィーチャへの距離は、イメージ面から基点への距離と異なる可能性が高い。従って、フィーチャおよび基点の一方または両方が最適の焦点でないことがあり得る。特に、横方向に隔てられた、基点およびフィーチャを観察する場合、観察角度と組み合わせられた横方向間隔は、オブジェクト間の深度のばらつきを生成する。従って、いくつかの実施形態において、フィーチャおよび基点を撮像するために用いられる光学システム（撮像デバイス１１０、または１１１、１１２）は、システム要件に従って、充分なオブジェクト位置測定の正確さを提供するために充分なＤＯＦを有するように選択され得る。適切なＤＯＦを達成することは、オプティクスのＮＡを低減し、これにより、イメージ解像度が低減されることを必要とすることが理解される。任意の光学システムにおいては、所望または選択されるＤＯＦを達成することと、所望される解像度を維持することという両立しない目標は、システム要件全体に従って、バランスがとられ得る。いくつかの実施例において、例えば、Ｓｃｈｅｉｍｐｆｌｕｇルール、または他の光学コンセプトが、必要とされるＤＯＦを最小限にするために用いられ得る。
【００８７】
光学テレセントリシティについて、上述したように、基点とフィーチャとは、イメージ面から異なる距離にある可能性が高いことに留意されたい。しかし、概して、この深度間隔がイメージ拡大に大幅な影響を有さないことが望ましい。基点とフィーチャとの間の見かけの距離の測定に、概して、拡大が作用または影響し得るので、任意の光学拡大はまた、フィーチャの得られる位置測定に作用し得る。通常、光学拡大は、対物レンズからの距離とともに変動する。このような距離への依存の度合いは、例えば、カスタム化されるか、または選択的に調節される。例えば、テレセントリックオプティクスは、距離の関数としての拡大において、有界の変動のみを示す。したがって、いくつかの実施形態は、イメージデータを取得するために、テレセントリックオプティクスを用い得る。テレセントリシティの度合いは、所望の測定の正確さおよび他のシステムパラーメータによって規定され得る。
【００８８】
上述したように、開示される実施形態の局面は、任意の汎用３Ｄ光学計測学の用途において実現され得る。例えば、図６は、図１Ａおよび１Ｂの実施形態にしたがって、構成され、動作するプローブカード分析器システムのある実施形態の、簡略化された模式的側面図である。このようなプローブカード分析器には、図２Ａおよび２Ｂの実施形態も適切であり得ることに留意されたい。
【００８９】
上述したように、基点アレイの形態は、例えば、ガラス、石英、またはサファイアから製造される、平坦、かつ実質的に透明な基点プレートに支持されるか、またはエッチングされる１つ以上の基点を含み得る。図６の実施形態とともに用いられる適切な撮像アレイは、ほぼ正方形のアレイＣＣＤチップであってもよいし、あるいは、アレイは、矩形または他の当該技術において一般的に公知の形態であってもよい。
【００９０】
図７は、立体視三次元計測学の方法のある実施形態の一般的な動作を示す、簡略化されたフローチャートである。図７の方法は、概して、上記の機能性の一部またはすべてを表す。例示的な動作は、全体的にまたは部分的に、図１〜６を参照しながら例示し、説明したシステム成分の様々な組み合わせによって、実行されるか、行われ得る。
【００９１】
ブロック７０１において示すように、撮像される物（例えば、半導体ウェハ、チップ、またはダイ）は、固定された、または可動ステージによってサポートされるか、取り付けられるか、他の方法でその上に配置され得る。一般的には、撮像デバイスおよびステージ、ならびに、特に、物の相対的な方向は、最適な撮像のために選択的に制御されるか、または調節され得る。この点において、例示的な実施形態は、物、ステージまたは撮像デバイスのいずれか、または全ての動きを通じて、選択された相対的な方向が達成され得る様々な改変例が可能である。ブロック７０１に示される動作は、いずれのシステム成分が物および撮像デバイスの相対的な方向を取得するように移動されるかに関わらず、概して、位置付けおよび方向構造ならびに上述した技術のいずれかを表す。
【００９２】
基点を有する基点プレートは、ブロック７０２で示すように、撮像される物と、撮像デバイスとの間に挟まれ得る。上述したように、基点プレートは、実質的に透明であり得、基点プレートを通して、撮像デバイスが対象物上のフィーチャを撮像することを可能にする。いくつかの実施形態において、基点プレートは、例えば、任意に配置されるか、所定のまたは順序付けられたアレイに配置され得る、複数の基点マーキングを有し得る。
【００９３】
イメージデータは、ブロック７０３において示されるように、取得され得る。この点において、基点プレートの実質的な透明性は、撮像デバイスが、テスト用の物のフィーチャと、基点プレート上の基点の両方を同時に撮像することを可能に、またはイネーブルする。例えば、複数の基点マーキングを有する基点プレートを組み込んだ実施形態において、撮像デバイスは、テスト用の物のフィーチャと、光学システムの視野内の基点マーキングのうちの選択されたものを撮像し得る。
【００９４】
フィーチャの位置を測定する方法は、概して、フィーチャと基点との間の見かけの距離を、取得されたイメージデータから測定し得る（ブロック７０４）。例示的な実施形態の特定のジオメトリー局面が図３および４を特に参照しながら詳細に説明されたが、他の様々な測定技術が、ブロック７０４において示される動作に適し得、従って、本明細書中で考慮され得る。見かけの距離測定は、例えば、システム成分ジオメトリーによって、あるいは、距離依存性拡大効果、ライティングまたは照明戦略、エラー推測および補正アルゴリズムなどの他の要因によって、影響され得る。基点プレートが複数の基点を有する場合、ブロック７０４の動作を測定するステップは、フィーチャと、複数の基点マーキングのうちの選択されたものとの間の見かけの距離を計算するステップを含み得る。
【００９５】
上で詳細に記載されるように、立体視的な３Ｄ計測のシステムおよび方法は、フィーチャのイメージにおいて測定された明白な距離の視差の差および複数の視点から必要とされる1つ以上の基点を使用し得る。従って、さらなる視点が所望されても、必要とされて
も、判定がなされる（判定ブロック７０５）。
【００９６】
異なる視点からのさらなるイメージが、判定ブロック７０５で決定されるように所望される場合、1つ以上のシステムコンポーネントは、互いに比例して移動されるか、または
再方向付けされ得、あるいは、視点はブロック７０６で示されるように切り替えられ（「トグルされ」）得る。特に、物、ステージ、撮像デバイス、またはいくつかのその組み合わせは、例えば撮像デバイスのイメージ面が物に比例して第1の位置から第2の位置に移動され得るように（例えば、視点を変えること）移動される。さらに、またはあるいは、イメージ面は、上に記載されるように、1つ以上の座標軸の周りに選択的に回転され得る。
図１Ａ〜Ｂおよび図３に関して上に例示されかつ記載される実施形態において、例えば、イメージの視点は、イメージ面１（撮像デバイス１１１）とイメージ面２（撮像デバイス１１２）との間でトグルされ得る。それぞれのイメージ面は、イメージされるべき物に比例した特定の角度で選択的に方向付けされ得る。さらに、またはあるいは、ステージおよびこのような２つのカメラ配置における撮像デバイスの１つまたはその両方は、ブロック７０６において示されるように、視点をシフトするために選択された座標軸に沿って平行移動され得る。次のイメージデータは、ブロック７０３に戻ったループを制御するように新しい視点から方向付けられ得る。
【００９７】
異なる視点からのさらなるイメージが判定ブロック７０５において決定されるように所望されない場合、フィーチャの位置は、ブロック７９９において示されるように測定されるか、または計算され得る。このような測定または計算は、特定の基点のアレイまたは基点のアレイに関してフィーチャの位置を正確に位置付け得、その位置が知られ得る。従って、基点に関して３Ｄ空間におけるフィーチャの位置の正確な識別は、物および他のそのフィーチャに関してフィーチャの正確な位置を可能にする。
【００９８】
図７の実施形態は、例示の目的のみのために提示され、他の可能性の除外のための、操作の順序を意味することを意図しない。特別な例のために、ブロック７０１および７０２に示される操作は、順序を逆転されてもよく、例えば、すなわち、実質的に同時に生じるように組み合わされてもよい。同様に、データの取得レートおよびイメージ処理速度が十分な場合、ブロック７０３および７０４に示される操作は、同時に実行されてもよい。さらに、複数の撮像デバイスを用いる実施形態が、同時に、異なる視点からの複数のイメージを必要とし得ることが理解される。このような同時性の撮像操作を表す並列パスは、明瞭のために図７から省略した。図７に示される操作が導かれる特定のシーケンスが、他の要因に共通して、特定の撮像デバイスまたはイメージ処理コンポーネントの機能性および構造的な構成によって影響されうることは、当業者には理解されることである。
【００９９】
図８は、イメージデータの取得操作の一実施形態の一般的な操作を示す簡単なフロー図である。特に、図８に示される操作は、複数の撮像様式を用いるイメージ取得操作に向けられる。図８の実施形態が、図７のブロック７０３で起きる操作を一般的に表すことに留意されたい。
【０１００】
第１の撮像様式（例えば、色、波長、照明の強度、または他のファクター）は、ブロック８０１に示されるように選択され、かつ、セットされ得る。フィーチャは、ブロック８０２において示されるように第１の様式を用いる特定の視点からイメージされ得る。上で詳細に示されるように、ブロック８０１に選択される様式は、ブロック８０２における撮像中に、基点の透明性を与えるように構成され得る。
【０１０１】
撮像技術は、ブロック８０３に示されるように第２の様式を用いるように変更され得る。次に、１つ以上の基点は、ブロック８０４でイメージされ得る。ブロック８０２および８０４における撮像操作は、３Ｄ空間における同じ空間から実行され得る。図８に示される工程の順序に替わるものとして、ブロック８０３および８０４において実行される操作は、ブロック８０１および８０２における第１の様式を用いるフィーチャのイメージの取得を先行させることは明白なことである。
【０１０２】
ブロック８０２および８０４における２つの撮像操作中に取得されるイメージデータは、ブロック８０５における単一の合成イメージフレームを提供するように組み合され得る。したがって、基点とフィーチャとの間の見かけ上の距離が、上に記載されるように得られ得る（例えば、図７のブロック７０３において示される操作によって）。
【０１０３】
本発明は、限定ではなく、例示のみによる特定の実施形態に関して詳細に示され、かつ記載されてきた。例示の実施形態に対する様々な変更が本開示の範囲および意図内であることを、当業者は理解する。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されることが意図される。
【技術分野】
【０００１】
本出願は、「ＡＰＰＲＡＴＵＳ ＦＯＲ ＳＴＥＲＥＯＳＣＯＰＩＣ ＴＨＲＥＥ−ＤＩＭＥＮＳＩＯＮＡＬ ＭＥＴＲＯＬＯＧＹ」（２００１年１２月２８日出願）と称される、米国特許仮出願シリアルナンバー第６０／３４６，４４７号の利益を主張する。
【背景技術】
【０００２】
（発明の分野）
本発明の局面は、概して、計測法に関し、より具体的には、高速かつ表面形状の不連続性に対してロバストな態様で、披検機器の物理的特徴の３次元位置を正確に測定するシステムおよび方法に関する。
【０００３】
（関連技術の説明）
いくつかの３次元（３Ｄ）光学的計測技術が一般に知られており、かつ実用化されている。これらの方法は、構造光、モアレおよびレーザ干渉法、レーザ距離測定、従来の２つのカメラアプローチを包含する。従来の方法の各々は、少なくとも、表面形状が急峻な傾斜面または表面の不連続性を含み得、かつ、高価、高精度の動作ステージを回避するために所望される高速および並行化した（Ｐａｒａｌｌｅｉｚｅｄ）情報の取得を必要とする測定アプリケーションに関して著しい欠陥を有する。構造光および干渉法は、例えば、急峻な傾斜面または表面の不連続性を有するテスト機器の特徴の測定に関してあまり良好な成果をもたらさなかった。レーザ距離測定法は、速度が遅く、概して、不正確である。従来の２つのカメラアプローチは、ステージ制度に依存する。
【０００４】
レーザ干渉システムは、フォーカスされたレーザビームをテスト機器に方向付け、感知された反射ビームを基準ビームで干渉する。レーザー源からの距離の変動を推測するために縞パターンのシフトが計数される。これらのシステムおよび方法は、高精度であり得るが、概して、少なくとも以下の点で制限される。このようなシステムが、正確な基準を維持し得るように、イメージ間の連続性が不可欠である。従って、レーザ干渉技術は、テスト機器の関心の対象でない領域の省略を許さず、このことは、動作の速度を遅くする。さらに、急峻な傾斜の表面または表面の不連続性（例えば、鋭い垂直エッジまたはもう１つの物体の上に配置された物体）は、誤ったデータをもたらし得る。
【０００５】
モアレ干渉システムおよび方法は、基準格子を特定の方向からテスト機器に投影する一方で、別の方向からテスト機器を観視し、距離は、傾斜面によって引き起こされた格子線間の間隔の変動を観察することによって推測され得る。これは、１回の測定から変位フィールド全体をキャプチャし得る比較的高速の撮像手法である。しかし、レーザ干渉法と同様に、急峻な傾斜面および表面不連続性は誤ったデータをもたらし得る。
【０００６】
レーザ距離計測法は、フォーカスされたレーザビームをテスト機器に方向付け、飛行時間測定を用いて距離をコンビュータ計算する。ビームは、例えば、半導体ウェハ上のフィーチャ等の小型で高密度に実装された物体との距離を測定する場合、ビームはシャープにフォーカスされなければならない。従って、レーザ距離測定は、一般に、ビーム位置ごとに単一の測定値を取り込むように制限されているので、比較的速度が遅いプロセスである。さらに、この方法は、サブミクロンレベルでの正確な測定を保証するために十分な結果を提供しない。
【０００７】
構造光法は、光の正確な帯をテスト機器に投影する。光帯線の真直度のずれは、斜めに観視された場合、深さ情報に変換される。この方法は、以下の制限を受ける。干渉技術と同様に、急峻に傾斜した表面および表面の不連続性は、誤った測定データをもたらし得、高度にフォーカスされた光の帯からの鏡面反射もまた誤ったデータにつながり得る。
【０００８】
従来の２つのカメラシステムは、例えば、テスト機器上に直接位置付けられた第１のカメラを用いてイメージを取得して横方向の測定値（すなわち、ｘおよびｙ座標）を得、異なった視点または光学軸から撮像する第２のカメラは、フィーチャの高さを三角測量する（すなわち、ｚ次元）ために用いられる。このアプローチは、概して、テスト機器を支持するステージが移動され得る精度によって制限される。ステージの不正確は、直接測定誤差に変換され、従って、極めて正確なステージ移動は、このアプローチ、特に、テスト機器のフィーチャが小型かつ高密度に実装されている場合に必要とされる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（要旨）
本発明の実施形態は、従来技術の上述の、および他の種々の欠点を克服し、立体３次元光学測定システムおよびテスト機器の物理的フィーチャの位置を正確に測定する方法を、高速かつ表面形状の不連続性に対してロバストな態様で提供する。詳細に後述されるように、３次元光学測定のシステムおよび方法は、基準マーキングを有する実質的に透過性な基準プレートを通じて２つ以上の視点からテスト機器を撮像し得る。テスト機器上のフィーチャと１つ以上の基準との間のカメラ観視角度および見掛け相対距離が、フィーチャ位置の正確な計算を可能にし得る。
【００１０】
ある実施形態によると、例えば、テスト機器の物理的フィーチャの位置を測定する方法は、テスト機器が撮像されることを支持するステップと、テスト機器と撮像デバイスとの間に基準を支持する基準プレートを配置するステップと、テスト機器および基準のフィーチャを撮像するステップと、基準に対するフィーチャの位置を測定するステップとを包含する。
【００１１】
上述の支持体は、３つの座標軸のいずれかに沿って移動可能なステージを利用するステージを利用するステップを備えてもよく、追加的または代替的に、ステージは、３つの軸の周りを回転可能であり得る。詳細に後述されるように、撮像は、ステージを撮像デバイスに対して選択的に配向するステップ、または、撮像デバイスをステージに対して選択的に配向するステップを包含し得る。
【００１２】
特に、撮像は、テスト機器に対する撮像デバイスのイメージ面を選択的に平行移動させるステップを包含し得る。この点で、イメージ面の選択的平行移動は、撮像デバイスをテスト機器に対して移動させるか、または、テスト機器を撮像デバイスに対して移動させるステップを包含し得る。
【００１３】
いくつかの実施形態において、撮像は、第１の視点から第１のイメージデータを、第２の視点から第２のイメージデータを収集するステップを包含し得、収集が、機器に対して第１の角度で配向された第１のイメージ面上の第１のイメージデータを取得するステップと、機器に対して第２の角度で配向された第２のイメージ面上の第２のイメージデータを取得するステップとを包含し得ることが理解される。第１の角度および第２の角度は、等しくてもよい。
【００１４】
上述の実施形態のある例示的実装例によると、収集は、撮像デバイスが、機器に対する第１の位置にある場合に第１のイメージデータを取得するステップと、撮像デバイスおよび機器の相対位置を選択的に調整するステップと、撮像デバイスが、機器に対して第２の位置にある場合に第２のイメージデータを取得するステップとを包含する。
【００１５】
いくつかの例示的方法によると、基準に対するフィーチャの位置を測定するステップは、フィーチャと基準との間の見掛け距離を演算処理するステップを包含する。撮像および測定を選択的に繰返すステップは、位置測定の精度を改善し得る。
【００１６】
ある実施形態において、例えば、基準プレートは、複数の基準を支持し、測定は、基準と、複数の基準のなかから選択された基準との間の見掛け距離を演算処理するステップを包含する。
【００１７】
開示されたある実施形態によると、計測システムは、撮像されるべき機器を支持するように動作するステージと、イメージに対して選択的に配向され、かつ、イメージ面に関するイメージデータを収集するように動作する撮像デバイスと、撮像されるべき機器と撮像デバイスとの間に置かれた基点を有する基点プレートとを備える。撮像デバイスは、機器上の基点およびフィーチャを撮像するように動作し得る。
【００１８】
システムは、イメージデータからのフィーチャと基点との間の見掛け距離を演算処理するように動作するイメージ処理コンポーネントをさらに備え得る。
【００１９】
ステージおよび撮像デバイスの少なくとも１つは、３つの座標軸のいずれかに沿って可動であり得、これに加えて、またはこれに代えて、３つの軸のいずれかの周りを回転可能であり得る。いくつかのこのような実施形態において、システムは、ステージおよび撮像デバイスの移動に対して選択的に制御するように動作する制御素子をさらに備え得る。
【００２０】
いくつかの例示的実施形態において、撮像デバイスは、電荷結合デバイスイメージセンサと、相補型金属酸化物半導体イメージセンサ、または同様のイメージセンサデバイスとを備える。
【００２１】
基点プレートが複数の基点マーキングを有するシステムが実現され得る。このようなシステムでは、イメージ処理コンポーネントは、フィーチャと複数の基点マーキングのうちの選択されたものとの間の見掛け距離を演算処理するように動作し得る。
【００２２】
いくつかの実施形態では、撮像デバイスは、機器に対する第１の視点から第１のイメージデータを、および、機器に対する第２の視点から第２のイメージデータを収集する。第１のイメージデータは、イメージ面が機器に対して第１の角度で配向された場合に取得され得、第２のイメージデータは、イメージ面が機器に対して第２の角度で配向された場合に取得され得る。上述のように、第１の角度および第２の角度は、いくつかの実装例において等しい。
【００２３】
システムのある例示的構成では、第１のイメージデータは、撮像デバイスが機器に対して第１の位置にある場合に収集され、撮像デバイスと機器の相対位置は、選択的に調整され、第２のイメージデータは、撮像デバイスが機器に対して第２の相対位置にある場合に収集される。
【００２４】
詳細に後述されるように、機器は、例えば、半導体ウェハ、チップ、またはダイを含み得る。
【００２５】
本発明の種々の実施形態の上述および他の局面は、これらについての以下における詳細な説明を添付の図面と共に精査することによって明らかになる。
（項目１）
被検物の物理的フィーチャの位置を測定する方法であって、該方法は、撮像されるべき被検物を支持するステップと、基点を載せている基点プレートを該被検物と撮像デバイスとの間に置くステップと、該被検物および該基点のフィーチャを撮像するステップと、該基点に対する該フィーチャの位置を測定するステップとを包含する、方法。
（項目２）
前記支持するステップは、３つの座標軸のいずれかに沿って可動であるステージを利用するステップを包含する、項目１に記載の方法。
（項目３）
前記ステージは、前記３つの軸のいずれかの周囲を回転可能である、項目２に記載の方法。
（項目４）
前記撮像するステップは、前記ステージを前記撮像デバイスに対して選択的に方向付けるステップを包含する、項目３に記載の方法。
（項目５）
前記撮像するステップは、前記撮像デバイスを前記ステージに対して選択的に方向付けるステップを包含する、項目１に記載の方法。
（項目６）
前記撮像するステップは、前記撮像デバイスのイメージ面を前記被検物に対して選択的に平行移動させるステップをさらに包含する、項目１に記載の方法。
（項目７）
前記選択的に平行移動させるステップは、前記撮像デバイスを前記被検物に対して移動させるステップを包含する、項目６に記載の方法。
（項目８）
前記選択的に平行移動させるステップは、前記被検物を前記撮像デバイスに対して移動させるステップを包含する、項目６に記載の方法。
（項目９）
前記撮像するステップは、第１の視点から第１のイメージデータを収集し、第２の視点から第２の撮像データを収集するステップを包含する、項目１に記載の方法。
（項目１０）
前記収集するステップは、第１の被検物に対する第１の角度で方向付けられた第１のイメージ面に関する前記第１のイメージデータを取得するステップと、該被検物に対して第２の角度で方向付けられた第２のイメージ面に関する前記第２のイメージデータを取得するステップとを包含する、項目９に記載の方法。
（項目１１）
前記第１の角度と前記第２の角度とは等しい、項目１０に記載の方法。
（項目１２）
前記収集するステップは、
前記撮像デバイスが前記被検物に対する第１の位置にある場合に前記第１のイメージデータを取得するステップと、該撮像デバイスと該被検物との相対位置を選択的に調整するステップと、該撮像デバイスが該被検物に対して第２の位置である場合に、前記第２のイメージデータを取得するステップとを包含する、項目９に記載の方法。
（項目１３）
前記測定するステップは、前記フィーチャと前記基点との間の見掛け距離を演算処理するステップを包含する、項目１に記載の方法。
（項目１４）
前記撮像するステップおよび前記測定するステップを選択的に繰り返すステップをさらに包含する、項目１３に記載の方法。
（項目１５）
前記基点プレートは、複数の基点を載せ、前記測定するステップは、該基点と、該複数の基点のせんたくされたいくつかとの間の見掛け距離を演算処理するステップを包含する、項目１１に記載の方法。
（項目１６）
撮像されるべき被検物を支持するように動作するステージと、該ステージに対して選択的に方向付けられ、かつ、イメージ面に関するイメージデータを収集するように動作する撮像デバイスと、撮像されるべき該被検物と該撮像デバイスとの間に置かれた、基点を載せる基点プレートとを備える計測システム。
（項目１７）
前記撮像デバイスは、前記基点と前記被検物のフィーチャを撮像するように動作する、項目１６に記載のシステム。
（項目１８）
前記フィーチャと前記基点との間の見掛け距離を演算処理うるように動作するイメージ処理コンポーネントをさらに備える、項目１７に記載のシステム。
（項目１９）
前記ステージおよび前記撮像デバイスの少なくとも１つは、３つの座標軸のいずれかの周囲を可動である、項目１６に記載のシステム。
（項目２０）
前記ステージおよび前記撮像デバイスの少なくとも１つは、前記３つの軸のいずれかの周囲を回転可能である、項目１９に記載のシステム。
（項目２１）
前記ステージおよび前記撮像デバイスの相対運動を制御するように選択的に動作する制御素子をさらに備える、項目２０に記載のシステム。
（項目２２）
前記撮像デバイスは、電化結合デバイスイメージセンサを備える、項目１６に記載のシステム。
（項目２３）
前記撮像デバイスは、相補的金属酸化物半導体イメージセンサを備える、項目１６に記載のシステム。
（項目２４）
前記基点プレートは、複数の基点マーキングを載せる、項目１８に記載のシステム。
（項目２５）
前記イメージ処理コンポーネントは、前記フィーチャと、前記複数の基点マーキングのいくつかとの間の見掛け距離を演算処理するように動作する、項目２４に記載のシステム。
（項目２６）
前記撮像デバイスは、前記被検物に対する第１の視点から第１のイメージデータを収集し、該被検物に対する第２に視点から第２のイメージデータを収集する、項目１６に記載のシステム。
（項目２７）
前記第１のイメージデータは、前記イメージ面が前記被検物に対する第１の角度で方向付けられた場合に取得され、前記第２のイメージデータは、該イメージ面が該被検物に対する第２の角度で方向付けられた場合に取得される、項目２６に記載のシステム。
（項目２８）
前記第１の角度と前記第２の角度とは等しい、項目２７に記載のシステム。
（項目２９）
前記第１のイメージデータは、前記撮像デバイスが、前記被検物に対して第１の位置にある場合に収集され、該デバイスと該被検物との相対位置が選択的に調整され、かつ、前記第２のイメージデータは、該撮像デバイスが、該被検物に対して第２の位置にある場合に収集される、項目２６に記載のシステム。
（項目３０）
前記被検物は、半導体ウェハを含む、項目１６に記載のシステム。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１Ａ】図１Ａは、立体３次元計測システムのある実施形態を示す簡略化された機能ブロック図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、立体３次元計測システムのある実施形態を示す簡略化された機能ブロック図である。
【図２Ａ】図２Ａは、立体３次元計測システムの別の実施形態を示す簡略化された機能ブロック図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、立体３次元計測システムの別の実施形態を示す簡略化された機能ブロック図である。
【図３】図３は、図１Ａおよび図１Ｂの実施形態により構成および動作される計測システムの幾何学的局面を示す簡略化された図である。
【図４】図４は、図２Ａおよび図２Ｂの実施形態により構成および動作される計測システムの幾何学的局面を示す簡略化された図である。
【図５】図５は、撮像デバイス視野角の関数としての面度（ｐｌａｎａｒｉｔｙ）およびアライメント測定感度についてのデータを表すグラフである。
【図６】図６は、図１Ａおよび図１Ｂの実施形態により構成および動作されるプローブカードアナライザシステムのある実施形態の簡略化された図式的側面図である。
【図７】図７は、立体視３次元計測法のある実施形態の一般的動作を示す簡略化されたフローチャートである。
【図８】図８は、イメージデータ収集動作のある実施形態の一般的動作を示す簡略化されたフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
（詳細な説明）
詳細に後述されるように、本システムおよび方法の局面は、従来の計測アプローチの上述された、特に、（１）速度または処理量の制限、（２）表面の不連続性と関連した測定の困難性、および（３）ステージの正確な動きの信頼性に低さという重大な欠点を最小化または削除し得る。
【００２８】
例示的実施形態は、フィールド測定値を収集するが、ポイント測定値は収集しない。特に、撮像されたビューの各フィールドが、ビューにおける識別された各フィーチャの位置測定値を生成し得、高い平行度が達成され得る。その結果、位置測定処理量は、レーザ距離測定等のポイント測定法を用いて達成され得るよりも著しく大きい。さらに、干渉手法および構造光アプローチとは異なって、本開示により動作するシステムおよび方法は、イメージ位置の継続性が確立された基準との結びつきを保証することを必要としない。中間位置に関するデータを集める必要なしに、テスト機器上の位置を任意にサンプリングするために位置測定値が取られ得る。
【００２９】
干渉法は、前の測定値に対する位置測定値をもたらす。しかしながら、テスト機器上の特定のポイントの位置を測定するために、干渉システムは、基準点から目的の最終ポイントに移動して、ポイントからポイントの距離の変動を累算しなければならない。任意の外乱、異常、または表面の不連続性によって引き起こされたこの累算の他の変形が、すべてのダウンストリーム（すなわち、後続）の測定値に誤差を生成する。しかしながら、本明細書中ですでに述べられたシステムおよび方法は、確立された基準ポイント、すなわち、１つ以上の基点マスクに対する位置測定値をもたらす。距離の変動の累算は、必要ではない。目的の領域が塞がれている可能性の他に、急峻な傾斜または不連続面は、正確な測定を阻止しない。
【００３０】
さらに、本開示により構成および動作される立体視光学計測システムは、高精度のステージを必要とせず、精度の負担が基点および撮像システムにシフトされ得る。所与の精度許容誤差の基点プレートを製作することは、ステージ（および付属のアクチュエータ、制御メカニズム、および他のハードウェア）を製作して、これらの許容誤差内で正確に実行するよりもはるかに容易である。
【００３１】
例示的実施形態のある特定の応用は、半導体産業用プローブカードの平面性およびアライメントの測定であるが、当業者は、本システムおよび方法の有用性が、他の分野にも等しく適用可能であることを容易に理解する。
【００３２】
ここで、図面を参照して、図１Ａ〜図１Ｂおよび図２Ａ〜図２Ｂは、立体３次元計測システムのそれぞれの実施形態を示す簡略化された機能ブロック図である。動作が基づく原理は、２つの異なった視点からの目的のフィーチャと基点との間の距離の２つのカーテシアンコンポーネントを測定するステップを含む。視差が原因で、フィーチャと基点との間の距離は、２つの視点の各々から観察された場合、計れる程度に異なる。これらの２つの見掛け距離、および２つの異なった視点ビューの相対位置を想定して、基点に対するフィーチャの真の位置を３次元（３Ｄ）空間で計算することが可能である。
【００３３】
図１Ａおよび図１Ｂに示されるように、２つの視点イメージを集めるある１つの方法は、距離をいくらか離された２つのカメラまたは撮像デバイス１１１および１１２を用いることであり、各撮像デバイスは、同じシーンを観察および撮像するために構成および配向され得る。この点で、図１Ａおよび図１Ｂは、基点オブジェクト１９９と、フィーチャ１２９（位置が計算されるべき）と、撮像デバイス１１１、１１２がこれらのオブジェクトを観視し得る２つの角度視点とを示す。
【００３４】
図２Ａおよび図２Ｂに示されるように、２つの視点イメージを集めるための別のアプローチは、撮像されるべき機器１２０に対する特定の方向（例えば、図２Ｂにおけるｘ方向）に沿って走査し得る単一の撮像デバイス１１０を用いることである。撮像デバイス１１０は、走査中に、異なったポイントまたは位置の同じフィーチャ１２９および基点１９９のイメージをキャプチャし得る。フィールドの一方の側から他方の側への、フィーチャ１２９と基点１９９との間の可変の見掛け距離が、図１Ａおよび図１Ｂに示されるアプローチと同じ態様で用いられ、フィーチャ１２０の位置が計算され得る。
【００３５】
例示的実施形態において、システム１００は、概して、一般に、３Ｄオブジェクト空間、およびテスト機器１２０のイメージデータを収集するように動作する撮像デバイス３１０、または１対の撮像デバイス１１１、１１２を備える。撮像されるべき目的のオブジェクトまたはフィーチャ１２９は、テスト機器１２０上で支持または配置され得、いくつかの実施形態において、例えば、テスト機器１２０は、顕微鏡スライド、マイクロアレイ、マイクロタイタープレート、または他のマルチウェルプレート、半導体チップ、ダイ、またはウェハ、あるいは、オブジェクト、スペシメン、サンプル材料、フィーチャ等を支持するように構成または動作されるビューイングまたは撮像するために任意の他の類似の構造で具現化されるか、または、これらを含み得る。
【００３６】
テスト機器１２０は、精密動作ステージ１３０または他の可動指示素子に固定または可動であるように取り付けられるか、または他の態様でこれらに取り付けられ得る。この点で、テスト機器１２０は、当該分野にて一般に公知であるように、ｘ、ｙ、およびｚ方向のいずれか、またはこれらすべての方向に可動であり得、この運動は、テスト機器１２０の平行移動（すなわち、ステージ１３０に対する）によって、ステージ１３０またはテスト機器１２０が配置された任意の他の装置によって、あるいはこれらの両方によって達成され得る。従って、１つ以上の座標軸に沿うテスト機器１２０の選択的平行移動は、機器１２０およびフィーチャ１２９が撮像のための適切な位置（撮像デバイス１１０または１１１、１１２に対して）に選択的に位置付けられることを可能にする。代替的または追加的に、テスト機器１２０、ステージ１３０、またはこれらの両方は、１つ以上の座標軸の周りを回転可能であり得る。
【００３７】
テスト機器１２０およびステージ１３０の制御された移動または平行移動を提供する多数および多様な装置および方法が、当業者に周知である。本開示の範囲は、テスト機器１２０を操作または配向するために用いられる任意の構造および技術によって制限することを意図しない。代替案として、例えば、例示的実施形態の機能および制度が、上述のように、ステージ１３０の正確な移動に依存せず、ステージ１３０およびテスト機器１２０が、ｘ、ｙ、およびｚ軸に対して固定され得ることが理解される。このような代替的実施形態において、異なった撮像視点を提供するために必要な任意の相対移動が、１つ以上の座標軸に対する撮像デバイス１１０または１１１、１１２の選択的移動によって行われ得る。
【００３８】
いくつかの実装例において、撮像デバイス１１０〜１１２は、例えば、電荷結合デバイス（ＣＣＤ）技術を組み込んだカメラ、または相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）イメージセンサで具現化されるか、あるいは、これらを備え得る。追加的または代替的に、撮像デバイス１１０〜１１２は、レンズアレイまたは連続焦点合わせ素子、光学式顕微鏡、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）、分光計、あるいは、ビデオまたはイメージデータを収集するイメージセンサまたはセンサアレイと共に構成および動作される任意の他の装置または機器等の補助光学素子または撮像コンポーネントを備え得る。
【００３９】
撮像デバイス１１０〜１１２は、キャプチャされたイメージデータを必要に応じて、処理、格納、または、他の態様で操作するように動作する１つ以上のイメージ処理コンポーネント（イメージプロセッサ１６１等）をさらに備えるか、または、これらに結合され得る。このようなイメージ処理コンポーネントは、例えば、デバイス１１０〜１１２によってキャプチャおよび伝送されたイメージデータを内挿、外挿、フィルタリング、逆重畳、あるいは、他の態様で操作するためのソフトウェアコードまたは他の指示セットを実行することができる１つ以上のマイクロプロセッサまたはマイクロコントローラを備え得る。イメージプロセッサ１６１は、例えば、プロセッサ機能のリコンフィギュレーションまたは選択的プログラミングを可能にする等の、リアルタイムオペレーティングシステムを実行または動作させ得る。特に、イメージプロセッサ１６１は、１つ以上のさらなるイメージ処理コンポーネントと独立して用いられるか、またはこれらと共に用いられ、詳細に後述される演算処理および動作を実行し得ることに留意されたい。
【００４０】
当該分野にて一般に知られているように、いくつかのイメージ処理技術は、集中処理（すなわち、演算処理費用がかかる）であり、演算処理パワー、ならびにデータ操作および格納のための他のリソースをかなり必要とする。従って、イメージプロセッサ１６１は、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、ハードまたはフロッピー（登録商標）ディスクドライバ、デジタル多用途ディスクドライバ、あるいは、他の磁気、光学式、または磁気光学コンピュータ記憶媒体ならびに付属のハードウェア等のコンピュータ読み出し可能記憶媒体をさらに備え得る。図３〜図５を参照して詳細に後述される演算処理機能をサポート、ならびに、上述のように、リコンフィギュレーションまたは選択的プログラミングを可能にする十分な記憶媒体が提供され得る。
【００４１】
テスト機器１２０およびステージ１３０のものと類似の態様で、撮像デバイス１１０〜１１２は、ｘ、ｙおよびｚ方向のいずれか、またはすべての方向に可動であり得、従って、デバイス１１０および１１１、１１２の、あるいは、そのデバイスの１つ以上のコンポーネントの１つ以上の座標軸に沿う選択的移動が、テスト機器１２０に対する焦点面の正確な位置付けを可能にし得る。デバイス１１０〜１１２の制御された移動を提供するか、または、焦点面の正確な位置付けを提供する種々の装置および方法が当該分野にて周知である。この点で、デバイス１１０〜１１２は、ガイドレールまたはトラック、ステッパモータ、関節アーム、あるいは、撮像動作のために、テスト機器１２０に対して位置デバイス１１０〜１１２を選択的に位置付けるように動作する他の自動化された構造またはロボットシステムに動作可能に結合され得る。
【００４２】
さらに、デバイス１１０および、特に、デバイス１１１および１１２、またはこれらのデバイスの１つ以上のコンポーネントは、ｘ、ｙ、およびｚ座標軸の１つ以上の周りを回転可能であり得る。この点で、デバイス１１０〜１１２は、ヒンジ、ジンバル、ジャーナル、および、ベアリングアセンブリ、あるいは、１つ以上の座標軸に対して所定の角度で、または、動的に調節可能な角度でデバイス１１０〜１１２を選択的に配向、支持、および維持することができる他の旋回可能な構造等の適切なハードウェアに動作可能に結合または取り付けられ得る。いくつかの実施形態では、デバイス１１０〜１１２の１つ以上の軸の周りでの選択的または動的回転は、必ずしも必要ではあり得ない。このような実施形態では、デバイス１１０〜１１２は、特定の角度配向で固定されて、後述の機能をサポートし得る。
【００４３】
本開示の範囲は、デバイス１１０〜１１２を操作するために用いられる任意の構造および技術によって制限されることを意図しない。デバイス１１０〜１１２と、概して、ステージ１３０、特に、テスト機器１２０との間の相対移動は、複数の方法で実現または制御され得ることが理解される。
【００４４】
この点で、システム１００は、１つ以上のマイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、または、デバイス１１０または１１１、１１２およびテスト機器１２０の相対移動の制御、位置付け、ならびに配向するように動作可能な他の電子デバイス（制御エレクトロニクス１６２）をさらに備え得る。図１Ｂおよび図２Ｂに示されるように、制御エレクトロニクス１６２は、上述のイメージプロセッサ１６１、または他のイメージ処理コンポーネントに動作可能に結合され得る。いくつかの実施形態において、イメージプロセッサ１６１は、例えば、制御エレクトロニクス１６２から受取られた制御信号、または、他のデータ（例えば、デバイス１１０または１１１、１１２およびテスト機器１２０の位置付けまたは相対移動を示す）に応答して、走査またはイメージキャプチャ動作を始動、実行、または終了し得る。同様に、制御エレクトロニクス１６２は、イメージプロセッサ１６１からデータまたは指示セット（例えば、所望の移動またはその移動のタイミングに関する）を受取り得、かつ、これに対応して、デバイス１１０または１１１、１１２およびテスト機器１２０を配置または配向し得る。イメージプロセッサ１６１および制御エレクトロニクス１６２の機能は、単一のデバイスまたはハードウェア構成に組み合わされ、組み込まれ、または、統合され得ることが理解される。
【００４５】
図１Ａ〜図１Ｂおよび図２Ａ〜図２Ｂに示される実施形態において、システム１００は、デバイス１１０または１１１、１１２と、テスト機器１２０との間に、配置、支持、または、他の態様で維持される基点プレート１９０をさらに備える。プレート１９０は、例えば、ランダムに配置されるか、または、整理されたアレイ、または、配向であり得る基点１９９等の１つ以上のマーキング、あるいは基準表示を支持または表示するように動作し得る。明瞭化するために、図面の図にはただ１つの基点１９９が示されるが、図示は、限定的であると解釈されることを意図していない。
【００４６】
基点プレート１９０は、実質的に透過性であるように構成または製作されてもよく、機器１２０、フィーチャ１２９、および基点１９９の撮像を可能にする一方で、プレート１９０は、機器１２０と、撮像デバイス１１０または１１１、１１２との間に置かれる。このような透過性は、例えば、プレート１９０、プレートの厚さ、艶、面性、および他の表面特性等を構成するために用いられる材料または組成物の特性によって助長または影響され得る。従って、この文脈では、「実質的に透過性の」という用語は、概して、適切な材料からなり、かつ、適切な寸法特性を有する基点プレート１９０のことであり、これにより、本明細書中で述べられるように、プレート１９０は、これを通る機器１２０の光学的撮像および他の撮像を妨げず、かつ、撮像デバイス１１０〜１１２の機能および動作を妨害しない。
【００４７】
いくつかの実施形態において、プレート１９０は、ガラス、石英、アクリル樹脂、サファイア、シリカ、または、撮像デバイス１１０〜１１２およびシステム１００の撮像機能をサポートするために適切な材料特性を有することが知られている任意の他の材料で具現化されるか、または、これらを含み得る。上述の基点１９９または基点アレイは、表面にエッチングされ得るか、プレート内で支えられ得るか、プレート内で支持され得るか、あるいは、プレート１９０に組み込まれ得る。
【００４８】
撮像デバイス１１０または１１１、１１２とテスト機器１２０との間に置かれた場合、プレート１９０は、３Ｄ座標軸系（例えば、図１Ｂおよび図２Ｂにおける原点であって、ここで、ｘ＝０、ｙ＝０、ｚ＝０）に対して既知の位置、または、配向で支持または固定され得る。従って、３Ｄ空間における基点１９９または他の基準表示は、正確に演算処理され、次に、一般に、座標軸系に対する、特に、テスト機器１２０上の他のフィーチャまたは基準ポイントに対するフィーチャ１２９の位置を計算するために用いられ得る。
【００４９】
この点で、基点１９９は、これを選択的に撮像することを可能にするように寸法決めまたは構成され得る。いくつかの実施形態において、例えば、基点１９９は、特定の撮像様式を用いて動作する間に、実質的に透過性であるように構成または製作され得る。例えば、基点１９９（または、アレイに配列された複数の基点の各々）は、特定の条件下でのみ可視または不透明に現れるように適切にサイズ決めまたは着色され得、基点１９９を、イメージフューチャ１２９に用いられた特定の波長または周波数帯の入射光に対して実質的に透過性にする。このような実施形態において、異なった波長の照明を提供するか、または撮像様式をスイッチングすることにより、基点１９９の撮像が選択的に可能になり得る。
【００５０】
フィーチャ１２９および基点１９９の両方が、依然としてこの実装例で撮像され得るが、基点１９９は、２つの選択された種類のうちの１つにおいてのみ不透明であればよいことが理解される。上述の実施形態によると、フィーチャ１２９は、基点１９９を透明にする特定の様式を用いて特定の視点から撮像され得る。撮像技術は、第２の種類を用いるように変更され得、基点１９９は、その後、同じ視点から撮像され得る（フィーチャ１２９は、第２の種類で撮像されてもよいことに留意されたい）。２つの撮像動作の間に収集されたイメージデータは、単一の合成イメージフレームにおいて基点１９９およびフィーチャ１２９の両方を正確に表すように組み合わされ得る。従って、基点１９９とフィーチャ１２９との間の見掛け距離は、詳細に後述されるように取得され得る。
【００５１】
上述のデュアルモダリティの実施形態は、例えば、フィーチャサイズが小さい（例えば、基点１９９のサイズに関して）か、または、２つが同時に撮像された場合、不透明な基点１９９を不明瞭にし得る状態において特定の有用性を有し得る。基点１９９は、特別に着色、テクスチャ化（ｔｅｘｔｕｒｅｄ）、シェーディング、寸法付け、または他の態様で、上述の機能をサポートするように操作され得る。いくつかの実施形態において、例えば、基点１９９は、プレート１９０に配置または組み込まれた１つ以上の液晶素子または蛍光材料で具現化され得るか、またはこれらを含み得る。入射光または印加された電界または磁界が、基点の不透明性または透明性を引き起こすか、または、選択的に有効にし得る。追加的または代替的に、基点１９９は、テクスチャまたは他の表面または構造特性を生成するためにプレート１９０の表面にエッチングされ得、特定の環境下で実質的透明性を、他の環境下で不透明性を可能にする。
【００５２】
図３は、図１Ａおよび図１Ｂの実施形態により構成および動作する計測システムの幾何学的局面を示す簡略図である。例示的な図３のジオメトリーは、見掛けフィーチャ距離と基点距離との間の数学的関係から３Ｄフィーチャ位置を計算するために用いられ得る。２つのカメラまたは撮像デバイス１１１、１１２は、これらのデバイスの撮像面によって簡単に表され、それぞれイメージ面１およびイメージ面２として識別される。上述のように、これらのイメージ面は、例えば、ＣＣＤまたはＣＭＯＳイメージセンサ、または他のイメージセンサ技術を含むか、または、これらを特徴とし得る。
【００５３】
３Ｄ座標系Ｎは、互いに対して垂直の単位ベクトルｘ、ｙおよびｚのセットによって規定され得、ここで、ｙ軸は、図３の面に対して垂直である。第１の撮像デバイス１１１の撮像面（イメージ面１）は、ｙ軸の周囲を角度θ１の分、選択的に回転し得、第２の撮像デバイス１１２の撮像面（イメージ面２）は、ｙ軸の周囲を角度θ２の分、選択的に回転し得る。基点１９９およびフィーチャ１２９の「先端」は、それぞれの撮像面上に垂直方向に投影され、それぞれの見掛け距離ｄ１およびｄ２を生成し得る。
【００５４】
見掛け距離ｄ１およびｄ２を仮定して、基点に対するフィーチャの先端の位置は、距離Δｘ、Δｙ、およびΔｐで示され得、ここで、「ｐ」は、「面性（ｐｌａｎａｒｉｔｙ）」またはｚ方向の距離を表す。両方の撮像面は、ｙ軸の周囲を回転するので、ベクトル上の位置成分は、通常、回転θ１およびθ２による影響を受けない。従って、基点に対するフィーチャの位置のΔｙ成分は、両方の撮像面上で直接観察され得る。成分ΔｘおよびΔｐは、等式（１）および等式（２）によって
【００５５】
【数１】
と計算され得る。
【００５６】
両方の角度θ１およびθ２が等しい（すなわち、θ１＝θ２＝θ）場合、等式（１）および等式（２）は、
【００５７】
【数２】
と簡略化される。
【００５８】
図４は、図２Ａおよび図２Ｂの実施形態により構成および動作される計測システムの幾何学的局面を示す間略図である。この例において、角度θ１は、レンズが「レンズ位置１」にあり、イメージが視やの一方の末端にある場合のレンズの中心線と基点との間の角度として定義され得る。同様に、角度θ２は、レンズが「レンズ位置２」にあり、イメージが視野の他方の末端にある場合の基点との間の角度として定義され得る。
【００５９】
通常、図４に示される角度を計算することによって、ステージの位置（図２Ｂにおける参照符号１３０）、従って、その上に支持される被検物の位置（図２Ｂにおける参照符号１２０）を正確に知ることが必要となる。ステージ位置を知ることの必要性は、ステージの正確な移動の必要性とは異なる、すなわち、３Ｄ空間におけるステージの位置を確認することは、その空間を通るステージの移動を正確に制御するよりもはるかに容易である。
【００６０】
この点で、安価であるが、高精度の基点プレート１９０は、ステージ位置の正確な決定を容易にし得る。従って、レンズの中心線からｘ方向の基点の横方向のオフセットの正確な測定（図４における距離ｘ１およびｘ２）が取得され得る。レンズから基点の概算距離（図４におけるλ）を知ることもまた、３Ｄ空間におけるフィーチャの位置の演算処理を容易にし得る。上述の変数の場合、角度θ１およびθ２は、
【００６１】
【数３】
と計算され得る。
【００６２】
等式（５）および等式（６）におけるλに対するθ１およびθ２の感度の解析は、角度値が小さい場合、θ１およびθ２は、通常、λの変動または誤差に対して非感受性である。角度θ１およびθ２の演算処理値および基点距離に対する見掛けフィーチャ（すなわち、図３に示されるｄ１およびｄ２）が図４における２つのレンズ位置にあると仮定して、フィーチャ位置を決定するために必要とされる処理は、等式（１）および等式（２）を特に参照して、すでに概観されたものと同じ経路に従う。
【００６３】
ここで、θ１＝θ２＝θである図１Ａおよび図１Ｂに示される実施例に戻って、等式（３）および（４）の変形が、所与のフィーチャの最終位置測定の精度の特徴付けを可能にし得る。等式（７）および（８）は、例えば、面性ξ（Δｐ）およびアライメントξ（Δｘ）の測定値の精度を、第１および第２の見掛け距離ξｄ１およびξｄ２の変動または誤差と、イメージ面角度ξθの変動または摂動の両方の関数としてそれぞれ表す。
【００６４】
【数４】
図５は、面性およびアライメント測定感度のデータを撮像デバイス視野角θの関数として表すグラフである。図５に示されるように、（見掛け距離測定値の変動と通常のカメラの視野の変動の両方に対する）プレーナリティおよびアライメント感度は、約１°と約４５°との間の撮像デバイス視野角の場合に生成された。このデータは、通常の見掛け距離ｄ１＝１０μｍおよびプレーナリティ距離Δｐ＝２０μｍと想定して生成された。
【００６５】
図５のデータの検査から明らかであるように、視野角が小さくて浅い場合、プレーナリティ精度は、見掛け距離測定値の誤差およびカメラ角度の変動または摂動による大きい影響を受ける。例えば、２°の視野角で、見掛け距離誤差の各単位は、プレーナリティ測定誤差の値のほぼ５倍の大きさになる。しかしながら、アライメント精度は、見掛け距離またはカメラ角度誤差によってほんのわずかに影響を受け、アライメント精度感度の場合、見掛け距離誤差の各単位は、プレーナリティ測定誤差の量である約２分の１になる。
【００６６】
視野角が拡大すると、プレーナリティ誤差は、通常、改善され、アライメント誤差は悪化するが、図５に示されるように、プレーナリティ誤差が改善されるレートは、アライメント誤差が悪化するレートを大幅に超過する。
【００６７】
プレーナリティおよびアライメント測定値の所望の精度、見掛け距離およびカメラ角度測定値の既知の精度、図５に示されるデータ、および、等式（７）および（８）に示される関係を仮定して、対応する所望または最適イメージ面角度θは、図１Ａおよび図１Ｂを参照して詳細に示されかつ記載された実施形態について計算され得る。
【００６８】
等式（７）および（８）は、イメージ面角度θにおける不確実性は、位置測定誤差につながり得、従って、イメージ面角度θを確実に決定することは、このような誤差を最小化または消去することを容易にし得る。この目的を達成するために、θを十分な精度で決定する際に２つのアプローチが効果的であり得る：（１）システム１００および撮像デバイス１１１、１１２を支持する装置を、イメージ面角度θが製造プロセスによって確立された許容誤差内であることが知られている許容誤差になるように正確に構成するか、または、（２）よりゆるい製造許容誤差を考慮し、かつ、イメージ面角度θを厳しい許容誤差で測定する。
【００６９】
いくつかの実施形態では、例えば、撮像デバイス１１１および１１２のイメージ面角度θ１およびθ２は、それぞれ、既知の間隔を有する少なくとも２つの基点マークを含む非常に平坦な基点プレート１９０を用いて正確に演算処理され得る。２つのカメラビューにおける基点マーク間の見掛け距離を（ｄｆ１およびｄｆ２）、基点マーク間の実距離（ｔｒｕｅ ｄｉｓｔａｎｃｅ）を（ΔＸｆｉｄｕｃｉａｌ）であると仮定して、基点プレート１９０に対するイメージ面角度θ１およびθ２は、等式（９）および（１０）
【００７０】
【数５】
により容易に演算処理され得る。
【００７１】
これらの測定角度の精度は、
【００７２】
【数６】
を介して見掛け距離測定精度と関連付けられ、ここで、θ２は、θ１と置換され、ｄｆ２はｄｆ１と置換され得る。等式（１１）の分母がｓｉｎθ１項であるために、θ１（またはθ２）測定値の精度は、視野角が小さくなるにつれて劣化する。等式（１１）の考察から明らかであるように、単一の視野において利用可能な最も大きく分離した２つの基点（すなわち、（ΔＸｆｉｄｕｃｉａｌ）の利用可能な最も大きい値を用いる）は、θ１および２測定値の精度を最大化し得る。さらなる精度は、特定の視野において利用可能である任意の他の間隔の幅が広い基点に関する複数の測定値を平均化することによってもたらされ得る。
【００７３】
従来の計測技術を用いた場合のように、照明は、本明細書中で記載されるシステムおよび方法の動作全体に影響を及ぼし得る。この点で、照明技術は、撮像デバイスの能力に影響を及ぼし、撮像されたフィーチャから詳細（例えば、表面形状またはテクスチャ等）を抽出し得、さらに、照明効果は、撮像された対象物またはフィーチャの幾何学的外観にも影響を及ぼし得ることに留意されたい。
【００７４】
従って、例えば、１つ以上の照明源、撮像デバイス１１０〜１１２で用いられる撮像光学素子、あるいはこれらの両方の機能および動作特性が、個別に、または組み合わされて選択され、特定の被検物に関する目的のプローブチップまたは他のフィーチャの実質的に均一に照射されたイメージを生成し得る。この点で、照明源またはシステムならびに撮像デバイス１１０または１１１、１１２を備える光学系の各々がそれぞれの開口数（NA）値を有し得ることが理解される。NA値が減少するにつれ、例えば、結果としてのイメージが表面フィーチャの詳細をより明らかにし、これは、距離の測定を通じて位置を突き止めるというイメージ処理タスクを複雑にし得る。この観点から、システム１００の種々のコンポーネント（例えば、照明源およびデバイス１１０〜１１２）は、照明系NAおよび撮像または光学系NAの両方が大きくなるように構成または選択され得る。
【００７５】
すでに詳細に述べられたように、例示的実施形態は、少なくとも２つの異なった視点からイメージデータを収集する。いくつかの応用例では、各視点の照明は、撮像される対象物またはフィーチャの幾何学的特性の提供を容易または可能にし得る。例えば、あるイメージ視点がフィーチャの重心を左（負のX方向）にシフトさせる傾向がある照明技術を用
いる一方で、もう１つの視点は、フィーチャの重心を右（正のX方向）にシフトさせる傾
向がある照明技術を用い、その結果、基点に対する見掛け距離の強い影響が誤った位置データを生成し得る。
【００７６】
視点が原因でイメージの重心のシフトが及ぼす影響を緩和または消去するある方法は、単一の一定照明源（すなわち、強度および配向が概して「一定」である）の実現によりイメージジオメトリの一貫性を保つステップを包含し得る。例えば、プローブの先端部の最低点の位置を識別するように設計されたプローブカード試験応用例において、照明
源からの光は、実質的に垂直に、すなわち、図１Bおよび図２Bにおけるｚ軸と平行に配向され得る。このような状態では、ランバートの原理により、プローブの最低点の特性である水面は、最大の拡散反射強度を生成し得、かつ、プローブの最低点の正確な識別が可能になる。しかしながら、プローブの先端は、さらに、鏡面反射を生成し、これは、この照明手法の有効性を低減し、かつ、視野角度が原因で明らかなイメージシフトを生成し得る。
【００７７】
イメージの重心の視点によって引き起こされるシフトの影響を緩和する別のアプローチは、シフトを測定し、これを説明することを含み得る。例えば、プローブカード解析応用例では、プローブ位置測定値は、オーバートラベル（overtravel）を伴って、およびこれを伴わずに取られ得、動作後の動きの位置でとられた測定値は、通常、プローブが基点と接触する状態に対応する。この動作後の位置において、視野角に基づく基点に対するプローブの距離（ｄ１およびｄ２）の変動は、完全に最小化または除去されるべきである。従って、任意の測定可能な変動は、視野角が原因で、知覚されたジオメトリの変化の影響が原因である。動作後の動きの位置で測定された任意の検出されたシフトは、動作後の動きを伴わずに取られた測定値を修正するために用いられ得る。
【００７８】
その点において、オーバートラベルなし（ゼロオーバートラベル）の基点距離のプローブは、ｄ１ＺＯＴおよびｄ２ＺＯＴで表され得、同様に、オーバートラベルを有する基点距離へのプローブは、ｄ１ＯＴおよびｄ２ＯＴで表され得る。
【００７９】
オーバートラベルにおいて、基点距離への２つの見かけのプローブの平均は、概して、より良好な実際の距離の推測値を生成し得る。上記の条件によると、視点の変化に起因する、フィーチャジオメトリーにおける推測されるエラーは以下の式によって計算され得る。
【００８０】
【数７】
オーバートラベルがない状況における、基点距離へのプローブの推測は、上記の推測を用いて向上し得る。
【００８１】
【数８】
基点距離へのプローブのこれらの視点補正推測を式（１）および（２）のｄ１およびｄ２に代入することは、視点によって引き起こされるジオメトリーのばらつきの、面性およびアライメント測定に対する影響を軽減し得る。
【００８２】
いくつかの要因が開示された実施形態の性能に影響を与え得る。これらの要因には、例えば、フィーチャ重心識別の正確さ、見かけの距離の測定の正確さ、基点位置の正確さ、フィールドの光学深度（ＤＯＦ）、光学テレセントリシティ（ｔｅｌｅｃｅｎｔｒｉｃｉｔｙ）、ならびに、照明システムおよび撮像オプティクスのＮＡが含まれる。
【００８３】
フィーチャ重心識別の正確さについて、上述したように、所望のフィーチャの受信を正確に、かつ繰り返し識別することは、結果に影響を与え得ることに留意されたい。フィーチャの表面ジオメトリーおよび光学反射特性は、テストされた実例または物ごとに、あるいは、ある実例の中でも、かなり変動し得る。これらのフィーチャの得られるイメージは、所望の領域が正確に識別され得るような様式で処理され得る。プローブカード分析用途のプローブイメージの場合、例えば、所望の領域は、典型的には、プローブの最も低い点である。所望の領域の識別において用途を有し得るいくつかの方法は、接続性（ｂｌｏｂ）解析およびパターン認識を含む。
【００８４】
見かけの距離の測定の正確さについて、フィーチャ位置測定の正確さは、式（７）および（８）ならびに図５を参照しながら説明したように、イメージを得るために用いられるデバイスの基礎をなす正確さに概して依存し得ることに留意されたい。イメージがＣＣＤカメラを用いて取り込まれる場合、例えば、イメージの量子化およびノイズは、見かけの距離の測定の正確さにおいて、重要な役割を果たし得る。このような実施形態の性能を最大限にするため、イメージ量子化サイズは、特定の用途が許すかぎり小さく（すなわち、小ピクセル）され得、さらに、ノイズに対するイメージ信号を最大限にすることが所望される。この点において、フィルタリング技術は、ノイズの影響を軽減するように、実施され得る。ピクセル平均化または補間技術は、サブピクセルの正確さを達成するために用いられ得る。
【００８５】
基点位置の正確さについて、例示的な実施形態は、既知の基点位置と相対的な、対象のフィーチャの３つの位置成分（すなわち、３Ｄ空間における座標）を、概して測定することに留意されたい。従って、基点位置の不正確さは、フィーチャ位置の不正確さに直接変換され得る。基点の単数または複数のアレイを用いる適用例において、複数の基点についてのフィーチャ距離計算が平均化され得、１つの基点の位置の正確さへの依存が低減され得る。
【００８６】
光学ＤＯＦについて、開示されている実施形態は、フィーチャおよび基点の両方同時に撮像することに留意されたい。これらの要素は、概して、異なる面、あるいは、イメージ面またはレンズからのｚ距離にある。すなわち、イメージ面からフィーチャへの距離は、イメージ面から基点への距離と異なる可能性が高い。従って、フィーチャおよび基点の一方または両方が最適の焦点でないことがあり得る。特に、横方向に隔てられた、基点およびフィーチャを観察する場合、観察角度と組み合わせられた横方向間隔は、オブジェクト間の深度のばらつきを生成する。従って、いくつかの実施形態において、フィーチャおよび基点を撮像するために用いられる光学システム（撮像デバイス１１０、または１１１、１１２）は、システム要件に従って、充分なオブジェクト位置測定の正確さを提供するために充分なＤＯＦを有するように選択され得る。適切なＤＯＦを達成することは、オプティクスのＮＡを低減し、これにより、イメージ解像度が低減されることを必要とすることが理解される。任意の光学システムにおいては、所望または選択されるＤＯＦを達成することと、所望される解像度を維持することという両立しない目標は、システム要件全体に従って、バランスがとられ得る。いくつかの実施例において、例えば、Ｓｃｈｅｉｍｐｆｌｕｇルール、または他の光学コンセプトが、必要とされるＤＯＦを最小限にするために用いられ得る。
【００８７】
光学テレセントリシティについて、上述したように、基点とフィーチャとは、イメージ面から異なる距離にある可能性が高いことに留意されたい。しかし、概して、この深度間隔がイメージ拡大に大幅な影響を有さないことが望ましい。基点とフィーチャとの間の見かけの距離の測定に、概して、拡大が作用または影響し得るので、任意の光学拡大はまた、フィーチャの得られる位置測定に作用し得る。通常、光学拡大は、対物レンズからの距離とともに変動する。このような距離への依存の度合いは、例えば、カスタム化されるか、または選択的に調節される。例えば、テレセントリックオプティクスは、距離の関数としての拡大において、有界の変動のみを示す。したがって、いくつかの実施形態は、イメージデータを取得するために、テレセントリックオプティクスを用い得る。テレセントリシティの度合いは、所望の測定の正確さおよび他のシステムパラーメータによって規定され得る。
【００８８】
上述したように、開示される実施形態の局面は、任意の汎用３Ｄ光学計測学の用途において実現され得る。例えば、図６は、図１Ａおよび１Ｂの実施形態にしたがって、構成され、動作するプローブカード分析器システムのある実施形態の、簡略化された模式的側面図である。このようなプローブカード分析器には、図２Ａおよび２Ｂの実施形態も適切であり得ることに留意されたい。
【００８９】
上述したように、基点アレイの形態は、例えば、ガラス、石英、またはサファイアから製造される、平坦、かつ実質的に透明な基点プレートに支持されるか、またはエッチングされる１つ以上の基点を含み得る。図６の実施形態とともに用いられる適切な撮像アレイは、ほぼ正方形のアレイＣＣＤチップであってもよいし、あるいは、アレイは、矩形または他の当該技術において一般的に公知の形態であってもよい。
【００９０】
図７は、立体視三次元計測学の方法のある実施形態の一般的な動作を示す、簡略化されたフローチャートである。図７の方法は、概して、上記の機能性の一部またはすべてを表す。例示的な動作は、全体的にまたは部分的に、図１〜６を参照しながら例示し、説明したシステム成分の様々な組み合わせによって、実行されるか、行われ得る。
【００９１】
ブロック７０１において示すように、撮像される物（例えば、半導体ウェハ、チップ、またはダイ）は、固定された、または可動ステージによってサポートされるか、取り付けられるか、他の方法でその上に配置され得る。一般的には、撮像デバイスおよびステージ、ならびに、特に、物の相対的な方向は、最適な撮像のために選択的に制御されるか、または調節され得る。この点において、例示的な実施形態は、物、ステージまたは撮像デバイスのいずれか、または全ての動きを通じて、選択された相対的な方向が達成され得る様々な改変例が可能である。ブロック７０１に示される動作は、いずれのシステム成分が物および撮像デバイスの相対的な方向を取得するように移動されるかに関わらず、概して、位置付けおよび方向構造ならびに上述した技術のいずれかを表す。
【００９２】
基点を有する基点プレートは、ブロック７０２で示すように、撮像される物と、撮像デバイスとの間に挟まれ得る。上述したように、基点プレートは、実質的に透明であり得、基点プレートを通して、撮像デバイスが対象物上のフィーチャを撮像することを可能にする。いくつかの実施形態において、基点プレートは、例えば、任意に配置されるか、所定のまたは順序付けられたアレイに配置され得る、複数の基点マーキングを有し得る。
【００９３】
イメージデータは、ブロック７０３において示されるように、取得され得る。この点において、基点プレートの実質的な透明性は、撮像デバイスが、テスト用の物のフィーチャと、基点プレート上の基点の両方を同時に撮像することを可能に、またはイネーブルする。例えば、複数の基点マーキングを有する基点プレートを組み込んだ実施形態において、撮像デバイスは、テスト用の物のフィーチャと、光学システムの視野内の基点マーキングのうちの選択されたものを撮像し得る。
【００９４】
フィーチャの位置を測定する方法は、概して、フィーチャと基点との間の見かけの距離を、取得されたイメージデータから測定し得る（ブロック７０４）。例示的な実施形態の特定のジオメトリー局面が図３および４を特に参照しながら詳細に説明されたが、他の様々な測定技術が、ブロック７０４において示される動作に適し得、従って、本明細書中で考慮され得る。見かけの距離測定は、例えば、システム成分ジオメトリーによって、あるいは、距離依存性拡大効果、ライティングまたは照明戦略、エラー推測および補正アルゴリズムなどの他の要因によって、影響され得る。基点プレートが複数の基点を有する場合、ブロック７０４の動作を測定するステップは、フィーチャと、複数の基点マーキングのうちの選択されたものとの間の見かけの距離を計算するステップを含み得る。
【００９５】
上で詳細に記載されるように、立体視的な３Ｄ計測のシステムおよび方法は、フィーチャのイメージにおいて測定された明白な距離の視差の差および複数の視点から必要とされる1つ以上の基点を使用し得る。従って、さらなる視点が所望されても、必要とされて
も、判定がなされる（判定ブロック７０５）。
【００９６】
異なる視点からのさらなるイメージが、判定ブロック７０５で決定されるように所望される場合、1つ以上のシステムコンポーネントは、互いに比例して移動されるか、または
再方向付けされ得、あるいは、視点はブロック７０６で示されるように切り替えられ（「トグルされ」）得る。特に、物、ステージ、撮像デバイス、またはいくつかのその組み合わせは、例えば撮像デバイスのイメージ面が物に比例して第1の位置から第2の位置に移動され得るように（例えば、視点を変えること）移動される。さらに、またはあるいは、イメージ面は、上に記載されるように、1つ以上の座標軸の周りに選択的に回転され得る。
図１Ａ〜Ｂおよび図３に関して上に例示されかつ記載される実施形態において、例えば、イメージの視点は、イメージ面１（撮像デバイス１１１）とイメージ面２（撮像デバイス１１２）との間でトグルされ得る。それぞれのイメージ面は、イメージされるべき物に比例した特定の角度で選択的に方向付けされ得る。さらに、またはあるいは、ステージおよびこのような２つのカメラ配置における撮像デバイスの１つまたはその両方は、ブロック７０６において示されるように、視点をシフトするために選択された座標軸に沿って平行移動され得る。次のイメージデータは、ブロック７０３に戻ったループを制御するように新しい視点から方向付けられ得る。
【００９７】
異なる視点からのさらなるイメージが判定ブロック７０５において決定されるように所望されない場合、フィーチャの位置は、ブロック７９９において示されるように測定されるか、または計算され得る。このような測定または計算は、特定の基点のアレイまたは基点のアレイに関してフィーチャの位置を正確に位置付け得、その位置が知られ得る。従って、基点に関して３Ｄ空間におけるフィーチャの位置の正確な識別は、物および他のそのフィーチャに関してフィーチャの正確な位置を可能にする。
【００９８】
図７の実施形態は、例示の目的のみのために提示され、他の可能性の除外のための、操作の順序を意味することを意図しない。特別な例のために、ブロック７０１および７０２に示される操作は、順序を逆転されてもよく、例えば、すなわち、実質的に同時に生じるように組み合わされてもよい。同様に、データの取得レートおよびイメージ処理速度が十分な場合、ブロック７０３および７０４に示される操作は、同時に実行されてもよい。さらに、複数の撮像デバイスを用いる実施形態が、同時に、異なる視点からの複数のイメージを必要とし得ることが理解される。このような同時性の撮像操作を表す並列パスは、明瞭のために図７から省略した。図７に示される操作が導かれる特定のシーケンスが、他の要因に共通して、特定の撮像デバイスまたはイメージ処理コンポーネントの機能性および構造的な構成によって影響されうることは、当業者には理解されることである。
【００９９】
図８は、イメージデータの取得操作の一実施形態の一般的な操作を示す簡単なフロー図である。特に、図８に示される操作は、複数の撮像様式を用いるイメージ取得操作に向けられる。図８の実施形態が、図７のブロック７０３で起きる操作を一般的に表すことに留意されたい。
【０１００】
第１の撮像様式（例えば、色、波長、照明の強度、または他のファクター）は、ブロック８０１に示されるように選択され、かつ、セットされ得る。フィーチャは、ブロック８０２において示されるように第１の様式を用いる特定の視点からイメージされ得る。上で詳細に示されるように、ブロック８０１に選択される様式は、ブロック８０２における撮像中に、基点の透明性を与えるように構成され得る。
【０１０１】
撮像技術は、ブロック８０３に示されるように第２の様式を用いるように変更され得る。次に、１つ以上の基点は、ブロック８０４でイメージされ得る。ブロック８０２および８０４における撮像操作は、３Ｄ空間における同じ空間から実行され得る。図８に示される工程の順序に替わるものとして、ブロック８０３および８０４において実行される操作は、ブロック８０１および８０２における第１の様式を用いるフィーチャのイメージの取得を先行させることは明白なことである。
【０１０２】
ブロック８０２および８０４における２つの撮像操作中に取得されるイメージデータは、ブロック８０５における単一の合成イメージフレームを提供するように組み合され得る。したがって、基点とフィーチャとの間の見かけ上の距離が、上に記載されるように得られ得る（例えば、図７のブロック７０３において示される操作によって）。
【０１０３】
本発明は、限定ではなく、例示のみによる特定の実施形態に関して詳細に示され、かつ記載されてきた。例示の実施形態に対する様々な変更が本開示の範囲および意図内であることを、当業者は理解する。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されることが意図される。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
本明細書に記載の方法。
【請求項１】
本明細書に記載の方法。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図１Ｂ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１０−３８９２３（Ｐ２０１０−３８９２３Ａ）
【公開日】平成２２年２月１８日（２０１０．２．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２１３８０５（Ｐ２００９−２１３８０５）
【出願日】平成２１年９月１５日（２００９．９．１５）
【分割の表示】特願２００３−５５８４２２（Ｐ２００３−５５８４２２）の分割
【原出願日】平成１４年１２月１８日（２００２．１２．１８）
【出願人】（５０７１０３８６８）ルドルフテクノロジーズ インコーポレイテッド (7)
【氏名又は名称原語表記】Ｒｕｄｏｌｐｈ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ， Ｉｎｃ．
【住所又は居所原語表記】Ｏｎｅ Ｒｕｄｏｌｐｈ Ｒｏａｄ， Ｆｌａｎｄｅｒｓ， ＮＪ ０７８３６ Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年２月１８日（２０１０．２．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月１５日（２００９．９．１５）
【分割の表示】特願２００３−５５８４２２（Ｐ２００３−５５８４２２）の分割
【原出願日】平成１４年１２月１８日（２００２．１２．１８）
【出願人】（５０７１０３８６８）ルドルフテクノロジーズ インコーポレイテッド (7)
【氏名又は名称原語表記】Ｒｕｄｏｌｐｈ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ， Ｉｎｃ．
【住所又は居所原語表記】Ｏｎｅ Ｒｕｄｏｌｐｈ Ｒｏａｄ， Ｆｌａｎｄｅｒｓ， ＮＪ ０７８３６ Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]