JP3938341B2 - 形状測定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザー光を測定対象に照射して、その拡散反射光を受光素子でとらえることにより、測定対象の形状を測定する装置に関し、より具体的には、半導体チップ上に形成された半田バンプのような微細形状の高さを測定する場合に用いる測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＬＳＩの高速化や高集積化に伴い、半導体チップなどを基板に実装する技術として、半田バンプ法が盛んに用いられている。
【０００３】
半田バンプ法は、半導体チップの下面にバンプと呼ばれる直径１００μｍ程の多数の半田ボールを設け、これらを同じ大きさの電極を設けた基板に正確に位置決めし、リフローすることで半導体チップを基板上に半田付けを行なう。
この半田バンプ法において、半導体チップの下面に設けられた各バンプは、基板上の対応する電極に正確に接続する必要があり、各バンプの形状および高さは、均一に設けられていることが重要である。
すなわち、他のバンプより高さの低いものは基板上の電極に対する接続がされない場合が生じ、逆に他の多数のバンプより高さの高いものがあるとリフロー工程→ボンディング工程で隣接するバンプとショートしてしまうおそれが生ずる。
【０００４】
このため、基板へ接続する前に半導体チップに形成されたバンプの高さを、高さ測定装置を用いて測定を行ない、バンプの高さが均一に設けられていない半導体チップを排除していた。
【０００５】
このような測定装置として、従来下記のようなものが用いられていた。
（ａ）半導体チップの下面に傾斜したスリット状の光を当て、このスリット光の先端がバンプに当たる位置をＣＣＤカメラで上方から測定してバンプの高さを計測する方法がある。
（ｂ）パッケージに斜め方向から光を照射し、これを反対側の斜め方向から見ると、バンプ電極のシルエット画像がパッケージ表面で反射した光を背景として観察される。このシルエット画像からバンプ電極の高さを求める方法（ＰＡＳ法）がある。
（ｃ）半導体チップの下面を斜め２方向から撮像し、各画像内のバンプ位置と、２箇所の撮像位置との関係から、バンプの高さを求めるステレオ画像法がある。
（ｄ）自動焦点カメラの原理として知られる共焦点光学系を利用する方法がある。
【０００６】
【発明が解決使用とする課題】
前記（ａ）の方法は、２次元画像を撮像するＣＣＤカメラはセル数が多いために、検査時間に長時間を要するという問題点がある。
（ｂ）の方法は、球状バンプのシルエット画像を斜め方向から観測するため、バンプ電極の頂点から少し離れた位置を計測することになり、正確な位置での測定ができないという問題点がある。
（ｃ）の方法は、検出点がバンプの頂点ではなく各バンプの画像中心になるため正確な測定はできないという問題点がある。
（ｄ）の方法は、微小なバンプの高さを計測するための機械的要求精度が高くなり、製作が困難になる。また、バンプ１個ずつの高さ検出をする方法であるので、検査に長時間をい要するという問題点がある。
【０００７】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、バンプ等の形状の測定を簡単に、しかも高精度に実現できる形状測定装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の形状測定装置は、レーザ光を出射するレーザー光源と、前記レーザー光を反射し、測定対象に照射する半導体２次元スキャンミラーと、前記測定対象からの拡散レーザー光を集光レンズによる結像を電気信号に変換する２次元位置受光素子と、を有し、前記半導体２次元スキャンミラーによって反射されたレーザー光によって形成される平面式と、前記拡散レーザー光によって形成される直線式との交点座標を求めることによって、測定対象の形状を求めるようにしたことを特徴とする。
前記の場合において、形状測定装置が、測定対象の高さを求めるようにしたものであることが望ましく、測定対象は、半導体チップ上に形成されたバンプであることが望ましい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の形状測定装置を応用してバンプ高さを測定する測定装置の一実施の形態の構成例を示す概略図である。
図２は、本発明で用いる半導体２次元スキャンミラーの概略構成図である。
図１に示すように、形状測定装置１０は、レーザー光１１ａを出射するレーザー光源１２と、反射させたレーザー光１１ｂで半導体チップの下面を走査させる半導体２次元スキャンミラー１３と、測定対象である半導体チップ上のバンプ１５から反射拡散された拡散レーザー光１６を集光する集光レンズ１７と、集光レンズ１７で集光された拡散レーザー光１６のスポット像が結像される位置に配置され、拡散レーザー光１６のスポット像の２次元位置を検出する２次元位置受光素子（ＰＳＤ）１９と、を有して構成されている。
【００１０】
次に、本発明の形状測定装置１０の動作について説明する。
レーザー光源１２から出射されたレーザー光１１ａは、半導体２次元スキャンミラー１３に入射し、半導体２次元スキャンミラー１３によって角度（θ）方向に反射させられる。この反射させられたレーザー光１１ｂは、測定対象である半導体チップ上に形成されたバンプ１５の表面に照射される。
【００１１】
ここで、本発明に用いられる半導体２次元スキャンミラー１３は、
ミラーの角度位置を制御回路（コントローラ）により変えることにより、レーザー光源１２から出射されたレーザー光１１ａを任意の２次元角度方向に反射させることができる。
【００１２】
図２に示すように、半導体２次元スキャンミラー１３をＸ軸及びＹ軸を中心に回転させて反射するレーザー光１１ｂの照射方向を変えることで、半導体チップ上に形成されたバンプ１５の表面全面を高速に走査させることができる。
半導体２次元スキャンミラー１３は、磁界内に置かれたコイルＣ１ ，Ｃ２ に半導体２次元スキャンミラー制御回路２１から電流が印加されると、ミラーＭを張設しているプレートは、Ｘ軸，Ｙ軸を中心にトルクが生じ、ミラーＭの反射面の傾き（角度）を変化できるように構成されている。したがって、コイルＣ１，Ｃ２に流れる電流量を制御して、Ｘ軸及びＹ軸を中心とする回転角度を所定量に調整することにより（Ｘ軸及びＹ軸の回転矢印）、レーザー光源１２から出射されたレーザー光１１ａの向きを２次元的に変化させて半導体チップ上のバンプ１５の所定位置に照射させることができる。
【００１３】
そして、図１に示すように、測定対象であるバンプ１５表面上に照射されたレーザー光１１ｂは、バンプ１５の表面で様々な方向に拡散反射されるが、その内の一部の拡散レーザー光１６が集光レンズ１７を通って２次元位置受光素子（ＰＳＤ）１９上に結像される。
ここで、測定対象であるバンプ１５の高さ等の形状が変化することにより、２次元位置受光素子（ＰＳＤ）１９上に投影されるレーザー光１１の結像の位置が変化するので、２次元位置受光素子（ＰＳＤ）１９上に結像されたレーザー光１１の座標を検出することによりバンプ１５の高さ等の形状を測定することができる。
【００１４】
ここで、図３を用いて、測定対象とするバンプ１５の高さを測定する場合を説明する。
一般に、レーザー光源と２次元位置受光素子（ＰＳＤ）を移動させて精度を上げて位置を求めることは、多大な測定時間がかかるので、
本発明の実施の形態では、レーザー光源及び２次元位置受光素子（ＰＳＤ）を固定して、レーザー光を２次元スキャンミラーを用いて２次元的にスキャンすることにより、測定対象の３次元位置を求めることとした。
【００１５】
図１，図３に示すように、測定対象の位置（座標）を計算するには、レーザー光源１２と２次元位置受光素子（ＰＳＤ）１９とを一体的に動かし、レーザー光源１２と２次元位置受光素子（ＰＳＤ）１９の位置（座標）をまず決めて、そこから照射点の位置を相対値として求める。
すなわち、図１，図３において、半導体スキャンミラー１３に設けられたプレートＰ上のミラーＭの中心Ｓから照射されたレーザー光１１ｂが、測定対象のＲ０に照射され、その拡散レーザー光１６を集光レンズ（Ｑ）１７を通して２次元位置受光素子（ＰＳＤ）１９で観測する。
ここで、ミラーＭの中心位置Ｓの座標（０，０，０）と集光レンズ１７の位置Ｑの座標（Ｘｑ，Ｙｑ，Ｚｑ）は既知であることから、２次元位置受光素子（ＰＳＤ）１９の結像位置（Ｘｐ，Ｙｐ，Ｚｐ）を知ることにより測定対象（バンプ１５）の位置が求められる。
【００１６】
すなわち、半導体２次元スキャンミラー１３で反射されたレーザー光１１ｂは照射方向が制御されているので、照射方向（半導体２次元スキャンミラー１３のＸ軸及びＹ軸の回転角度、すなわちθｘ及びθｙ）と、測定対象（バンプ１５）で反射した拡散レーザー光１６の一部を集光レンズ１７で２次元位置受光素子（ＰＳＤ）１９上に結像させた座標位置（Ｘｐ，Ｙｐ，Ｚｐ）から測定対象の３次元的位置を算出することができる。
【００１７】
さらに詳述すれば、図３において、直線Ｓ−Ｒ０と直線ＰＱ延長線との交点Ｒの座標（Ｘｒ，Ｙｒ，Ｚｒ）を求めることを考える。
まず、各直線の式を表すと、
直線Ｓ−Ｒ０は、ｘ＝０・・・（１）で表され、直線ＰＱは、（Ｙｑ−Ｙｐ）ｘ＋（Ｘｑ−Ｘｐ）ｙ＋（ＸｑＺｐ−ＸｐＺｑ）＝０・・・（２）で表される。
前記（１）及び（２）式の連立を解くと、ｙ＝−（ＸｑＺｐ−ＸｐＺｑ）／（Ｘｑ−Ｘｐ）・・・（３）となり、ミラーＭの中心Ｓから測定対象のバンプ表面Ｒ０までの距離ｙを求めることができる。
上記の原理は２次元での説明であったが、実際には３次元空間での解法を要するので、下記にその詳細を説明する。
【００１８】
図４に示すように、ミラーＭの中心Ｓから反射されたレーザー光１１ｂを表す直線をＬＳとし、測定対象（バンプ）上の照射点Ｒで拡散反射した拡散レーザー光１６の一部が集光レンズ（Ｑ）１７を通り、２次元位置受光素子（ＰＳＤ）１９上のＰで結像するとして、ＰＱＲを通る直線をＬＣとする。ＬＳとＬＣの交点を求めればそれがＲの座標となる。
しかし、実際には、３次元空間で２直線の交点を求めようとしても観測誤差が生ずるので、２直線は交わらず交点は求められない。
そこで、直線Ｌｓが時間的にＲ０→Ｒへ変化して描く平面Ｔを仮想すれば、この平面Ｔと直線Ｌｃの交点、すなわち測定対象上の照射点Ｒは一意に求まり、レーザー光のスキャン動作による直線Ｌｓの時間的な誤差も考慮する必要がなくなる。
【００１９】
すなわち、図５に示すように、前記平面Ｔの式を求めると、平面Ｔの法線ベクトルｎ（ｎｘ，ｎｙ，ｎｚ）は、レーザー光１１ｂの照射方向およびスキャンする移動方向より求まり、▲１▼式のように表される。
前記直線Ｌｃの方向ベクトルは、集光レンズ（Ｑ）１７の位置（Ｘｑ，Ｙｑ，Ｚｑ）と、２次元位置受光素子（ＰＳＤ）１９上結像位置Ｐの座標（Ｘｐ，Ｙｐ，Ｚｐ）から求まり、▲２▼式のように表される。
図５に示す▲１▼式と▲２▼式の連立方程式を解いて交点を求めることにより、照射点Ｒの座標が求められる。
高速でスキャンする場合は、サンプリング毎に下記処理を行うことは、処理時間上困難になる。その時は、スキャン時に測定データのみ保存しておき、スキャン終了後に保存データのそれぞれについて下記処理を行い、測定位置の算出をする。
【００２０】
次に、図６に示すブロック図、及び図７，図８に示すフロー図を用いて、バンプ高さを自動で測定する場合を説明する。
図６〜図８において、まず、制御コンピュータ６１からのレーザー光源１２への指示により、レーザー光源１２をオンさせ（図７のＳ１）、次に、半導体２次元スキャナーミラーコントローラ２１よりコイルＣ１に電流を流し、半導体２次元スキャナーミラー１３のＸ軸を回動させてレーザー光１１ｂをＸ方向に走査（スキャン）させる（Ｓ２）。
半導体チップ上のＸ方向全幅に亙ってレーザー光１１ｂを走査させた後、半導体２次元スキャナーミラーコントローラ２１よりコイルＣ２に電流を流し、半導体２次元スキャナーミラー１３のＹ軸を回転させてレーザー光１１ｂを少しだけＹ方向に移動させる（Ｓ３）。
レーザー光１１ｂが所定距離Ｙ方向に移動完了したことを確認した後（Ｓ４）、前記ステップＳ１に戻り、Ｓ１〜Ｓ４の同様の動作を繰り返し、半導体チップの全面を網羅的に走査する。
なお、前記レーザ光源１２から出射されたレーザー光１１ａは、半導体２次元スキャンミラー１３を用いて反射させて２次元位置受光素子（ＰＳＤ）１９上に結像させていたが、他の実施の形態では、半導体２次元スキャンミラー１３を用いる代わりに一次元スキャンミラーを２個用いてもよい。
この場合は、第１の一次元スキャンミラーを用いてＸ軸方向に走査させ、第２の一次元スキャンミラーを用いてＹ軸方向に走査させればよい。
【００２１】
ここで、制御コンピュータ６１は、レーザー光源１２のオン・オフの指示、半導体２次元スキャナーミラーコントローラ２１の回転指示、ミラーＭの位置（θｘ、θｙ）情報取得、２次元位置受光素子（ＰＳＤ）１９上結像位置Ｐの座標（Ｘｐ，Ｙｐ，Ｚｐ）の取得などの操作を行う。
【００２２】
次に、図８に示すように、半導体２次元スキャンミラー１３の傾き（θｘ，θｙ）から、レーザー光１１ｂの方向を算出する（Ｓ１０）。
そして、レーザー光１１ｂがスキャンする平面Ｔの法線ベクトルを算出する（Ｓ１１）。
次に、２次元位置受光素子ＰＳＤ１９上に結像する反射レーザー光１６の座標（Ｘｐ，Ｙｐ，Ｚｐ）を取得する（Ｓ１２）。
２次元位置受光素子ＰＳＤ１９上の座標（Ｘｐ，Ｙｐ，Ｚｐ）から照射点Ｒまでの直線Ｌｃの直線式を算出する（Ｓ１３）。
平面Ｔと直線Ｌｃとの交点（照射点Ｒ）を求め、照射点Ｒの位置を算出する（Ｓ１４）。
【００２３】
以上のように、本発明の実施の形態においては、半導体チップ上に形成された半田バンプのような微細なバンプの高さを高精度に測定できる。
即ち、上述したように、レーザ光源１２から出射されたレーザー光１１ａは、半導体２次元スキャンミラー１３で高速に走査され、測定対象であるバンプ１５上に照射される。
バンプ１５上に照射されたレーザー光１１ｂは、レンズ１７により２次元位置受光素子（ＰＳＤ）１９上に結像される。
バンプ１５の高さにより２次元位置受光素子（ＰＳＤ）１９上に結像されるレーザー光１６の結像位置が変化するので、２次元位置受光素子（ＰＳＤ）１９の出力を検出することによりバンプ１５の高さを測定することができる。
【００２４】
上記実施の形態においては、半導体チップ上のバンプ高さ測定を行う場合について説明したが、半導体２次元スキャンミラー１３のＸ軸及びＹ軸方向の振れ角情報と前記高さ情報と整合性を持たせることにより、各種の３次元的形状を測定することができる。
なお、本実施の形態では、集光レンズ１７によりスポット光を２次元位置受光素子により電気信号に変換させるが、同様の機能を有する他の光電変換素子、例えばＣＣＤカメラなどの手段も用いることができる。
【００２５】
さらに、半導体２次元スキャンミラー１３の代わりに、図９に示すように、周波数の大きい半導体１次元スキャンミラー１３ａを２台用いることにより、スキャン動作をよりスピードアップさせることができる。すなわち、半導体２次元スキャンミラーのＹ軸中心の回転とＸ軸中心の回転を１台の２次元スキャンミラーで行わずに、１次元スキャンミラーを２台用意することによって、同様の走査をさせることができる。
【００２６】
【実施例】
（実施例１）
半導体チップの大きさが３０ｍｍ×３０ｍｍの下面に、直径５０μｍ〜１５０μｍのＣｕバンプがガラス基板上に２０００個形成されている測定対象を用意し、この半導体チップ上に形成されている全バンプの高さを計測した。
まず、制御コンピュータからの指示によりレーザー光源をオンさせた。次に、半導体２次元スキャナーミラーコントローラよりコイルＣ１に電流を流し、半導体２次元スキャナーミラーのＸ軸を±３°回転させてレーザー光をＸ方向に走査（スキャン）させた。
半導体チップ上のＸ方向全幅に亙ってレーザー光を走査させた後、半導体２次元スキャナーミラーコントローラよりコイルＣ２に電流を流し、半導体２次元スキャナーミラーのＹ軸を０．００２°回転させてレーザー光を０．１ｍｍＹ方向に移動させた。
レーザー光が所定距離Ｙ方向に移動完了したことを確認した後、前記ステップＳ１に戻り、Ｓ１〜Ｓ４の同様の動作を繰り返し、半導体チップの全面を網羅的に走査した。このような動作で半導体チップの下面全面積をスキャンさせ、全バンプの高さデータを０．３秒で取り込むことができた。
【００２７】
（実施例２）
半導体チップの大きさが３０ｍｍ×３０ｍｍの下面に、直径５０μｍ〜１５０μｍのＣｕバンプがガラス基板上に２０００個形成されている測定対象を用意し、この半導体チップ上に形成されている全バンプの高さを計測した。
まず、制御コンピュータからの指示によりレーザー光源をオンさせ、半導体１次元スキャナーミラーコントローラより第１の半導体１次元スキャナーミラーコイルに電流を流し、Ｘ軸中心に回転する半導体１次元スキャナーミラーを±３°回転させてレーザー光をＸ方向に走査（スキャン）させ、半導体チップ上のＸ方向全幅に亙ってレーザー光を走査させた。
次に、半導体１次元スキャナーミラーコントローラより第２の半導体１次元スキャナーミラーコイルに電流を流し、Ｙ軸中心に回転する半導体１次元スキャナーミラーを０．００２°回転させてレーザー光を０．１ｍｍＹ方向に移動させた。
このような動作を繰り返し半導体チップの全面を網羅的に走査し、全バンプの高さデータを０．２秒で取り込むことができた。
【００２８】
【発明の効果】
以上の如く、本発明に係る形状測定装置によれば、レーザー光源から出射されたレーザー光を回転角度を制御したスキャンミラーに照射し、スキャンミラーによって走査されるレーザー光によって、半導体チップ上に形成されたバンプ等の微細形状を、２次元平面で高速かつ高精度で測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の形状測定装置を応用してバンプ高さを測定する測定装置の一実施の形態の構成例を示す概略図である。
【図２】本発明において用いる半導体２次元スキャンミラーの概略構成図である。
【図３】測定対象とするバンプの高さを測定する場合の説明図である。
【図４】測定対象とするバンプの高さを測定する場合の説明図である。
【図５】平面Ｔの式を求める場合の説明図である。
【図６】本発明の形状測定装置の一実施の形態を説明したブロック図である。
【図７】本発明において用いる半導体２次元スキャンミラーの動作を説明したフロー図である。
【図８】本発明の形状測定装置の動作を説明したフロー図である。
【図９】本発明において用いる半導体１次元スキャンミラーの概略構成図である。
【符号の説明】
１０：形状測定装置
１１ａ：レーザー光
１１ｂ：反射レーザー光
１２：レーザー光源
１３：半導体２次元スキャンミラー
１３ａ：半導体１次元スキャンミラー
１５：バンプ
１６：拡散レーザー光
１７：集光レンズ
１９：２次元位置受光素子（ＰＳＤ）
２１：半導体２次元スキャンミラー制御回路
６１：制御コンピュータ
Ｃ１，Ｃ２：コイル
Ｍ：ミラー
Ｓ：ミラー中心

Claims (3)

1. レーザ光を出射するレーザー光源と、前記レーザー光を反射し、測定対象に照射する半導体２次元スキャンミラーと、前記測定対象からの拡散レーザー光を集光レンズによる結像を電気信号に変換する２次元位置受光素子と、を有し、
   前記半導体２次元スキャンミラーによって反射されたレーザー光によって形成される平面式と、前記拡散レーザー光によって形成される直線式との交点座標を求めることによって、測定対象の形状を求めるようにした形状測定装置。
2. 前記形状測定装置が、測定対象の高さを求めるようにした請求項１に記載の形状測定装置。
3. 前記測定対象は、半導体チップ上に形成されたバンプであることを特徴とする請求項１又は２に記載の形状測定装置。

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