JP2005233780A - Height measuring method and apparatus therefor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えばフリップチップ実装基板上に形成される半田バンプなどの被検査物の3次元形状を測定する高さ測定方法及びその装置に関する。 The present invention relates to a height measuring method and apparatus for measuring a three-dimensional shape of an inspection object such as a solder bump formed on a flip chip mounting substrate, for example.
近年、電子機器の分野では、商品の小型化、薄型化、さらに軽量化が要求されている。電子機器を構成するパッケージについても同様の要求が強くなっている。このような実情から電極リードを用いたパッケージに代ってフリップチップ実装が広く採用されつつある。このフリップチップ実装は、半導体チップの電極パッドに半田バンプを形成し、この半田バンプを介して回路基板(以下、基板と省略する)上に半導体チップを直接実装する。 In recent years, in the field of electronic devices, products are required to be reduced in size, thickness, and weight. Similar requirements are increasing for packages that make up electronic devices. In view of such circumstances, flip chip mounting is being widely adopted instead of packages using electrode leads. In this flip chip mounting, solder bumps are formed on the electrode pads of the semiconductor chip, and the semiconductor chip is directly mounted on a circuit board (hereinafter abbreviated as a substrate) via the solder bumps.
一般に、フリップチップ実装では、半導体チップ上に半田パンプを形成するか、又は基板上に半田バンプを形成し、この後に、半導体チップと基板とを半田パンプを介して対向配置して加熱し、半田パンプを溶融させて半導体チップを基板上に実装する。又、半導体チップと基板との半田パンプによる接合点間の絶縁性の確保及び接合強度の確保のために半導体チップと基板との間に封止剤が注入される。この封止剤の注入のために半導体チップと基板との間にある程度のギャップを確保する必要がある。このギャップが狭くなると、溶融した半田が広がって隣接する半田パンプ同士が接触して短絡したり、半導体チップと基板との間に封止剤が十分に入らずに接合強度が確保されなくなる。半導体チップと基板とのギャップが広がると、バンプの接続不良となる。 In general, in flip-chip mounting, a solder bump is formed on a semiconductor chip or a solder bump is formed on a substrate, and then the semiconductor chip and the substrate are arranged to face each other via the solder bump and heated. The semiconductor chip is mounted on the substrate by melting the pump. In addition, a sealing agent is injected between the semiconductor chip and the substrate in order to ensure insulation between bonding points by solder bumps between the semiconductor chip and the substrate and to ensure bonding strength. In order to inject the sealing agent, it is necessary to secure a certain gap between the semiconductor chip and the substrate. When this gap is narrowed, the melted solder spreads and the adjacent solder bumps come into contact with each other to cause a short circuit, or the sealant does not sufficiently enter between the semiconductor chip and the substrate, so that the bonding strength cannot be ensured. When the gap between the semiconductor chip and the substrate widens, bump connection failure occurs.
このような問題を解決する技術として例えば特許文献1がある。この特許文献1には、半導体チップを基板上に実装する前に、半導体チップと基板との間に硬質部材又は樹脂層を配置して半導体チップと基板とのギャップを確保したり、基板又は半導体チップに形成された半田バンプの高さを予め測定する方法等を有する実装装置が記載されている。
しかしながら、特許文献1は、半導体チップを基板上に実装する前に、半導体チップと基板とのギャップを確保したり、半田バンプの高さを測定するものであり、半導体チップを基板上に実装した後に半導体チップと基板とのギャップを測定するものでない。このため、半導体チップの基板上への実装後に半導体チップと基板とのギャップが適正値に維持できているかを確認できない。 However, Patent Document 1 is for securing a gap between a semiconductor chip and a substrate or measuring the height of a solder bump before mounting the semiconductor chip on the substrate. The semiconductor chip is mounted on the substrate. The gap between the semiconductor chip and the substrate is not measured later. For this reason, it cannot be confirmed whether the gap between the semiconductor chip and the substrate can be maintained at an appropriate value after the semiconductor chip is mounted on the substrate.
本発明は、基板上に形成されかつ被覆物に覆われた被検査物に対して被覆物を透過する波長を有する所定パターン光を投影し、被覆物を透過した所定パターン光を被検査物上に位相シフトさせたときに被検査物からの散乱光から複数の位相シフト画像データを取得し、複数の位相シフト画像データに基づいて被検査物の高さ情報を取得する高さ測定方法である。 The present invention projects a predetermined pattern light having a wavelength that is transmitted through the coating onto the inspection object formed on the substrate and covered with the coating, and the predetermined pattern light transmitted through the coating is projected onto the inspection object. Is a height measurement method for acquiring a plurality of phase shift image data from scattered light from an object to be inspected and acquiring height information of the object to be inspected based on the plurality of phase shift image data. .
本発明は、基板上に形成されかつ被覆物に覆われた被検査物に対して被覆物を透過する波長を有する所定パターン光を投影する投影光学系と、被覆物を透過した所定パターン光を被検査物上に位相シフトさせる走査機構と、被検査物からの散乱光を結像する結像光学系と、結像光学系により結像された被検査物の像を撮像する撮像素子と、走査機構により位相シフトさせたときに撮像素子の撮像により取得される複数の位相シフト画像データに基づいて被検査物の高さ情報を取得する高さ情報算出部とを具備した高さ測定装置である。 The present invention relates to a projection optical system for projecting a predetermined pattern light having a wavelength that transmits a coating to an inspection object formed on the substrate and covered with the coating, and a predetermined pattern light transmitted through the coating. A scanning mechanism that shifts the phase on the inspection object, an imaging optical system that forms an image of scattered light from the inspection object, an image sensor that picks up an image of the inspection object imaged by the imaging optical system, A height measurement apparatus comprising a height information calculation unit that acquires height information of an object to be inspected based on a plurality of phase shift image data acquired by imaging of an imaging device when phase shifting is performed by a scanning mechanism. is there.
本発明は、基板上に形成されかつ被覆物に覆われた被検査物の高さ情報を測定可能な高さ測定方法及びその装置を提供できる。 The present invention can provide a height measuring method and apparatus capable of measuring height information of an object to be inspected formed on a substrate and covered with a coating.
以下、本発明の第1の実施の形態について図面を参照して説明する。 Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1はパターン投影法を採用した高さ測定装置の構成図である。観察物体1の斜め上方には、投影光学系2が設けられている。観察物体1は、フリップチップ実装を行ったもので、例えば図2に示すようにシリコンから成る半導体チップ3上に球状の半田パンプ4を形成するか、又は回路パターンが形成された基板5上に球状の半田バンプ4を形成し、この後に、半導体チップ3と基板5とを半田パンプ4を介して対向配置して加熱し、半田パンプ4を溶融させて半導体チップ3を基板5上に実装したものである。
FIG. 1 is a configuration diagram of a height measuring apparatus employing a pattern projection method. A projection
投影光学系2は、半導体チップ3を半田バンプ4を介して実装された基板5に対して互いに等間隔の明暗を有する赤外領域の波長の縞パターン光Pを所定の位相毎に位相シフトさせて投影する。この投影光学系2は、基板5に対して投影角度αで縞パターン光Pを投影する。
The projection
具体的に投影光学系2は、光源6と、フィルタ7と、照明光学系8と、パターン板9aを有する走査機構9と、投影レンズ系10とを有する。このうちフィルタ7、照明光学系8、パターン板9aを有する走査機構9及び投影レンズ系10は、光源6から放射される光の光路上に設けられているものとする。
Specifically, the projection
光源6は、赤外領域の波長を含む光を放射するもので、フィルタ7は、光源6から放射された光に含む赤外領域以外の波長の光をカットする。なお、赤外領域の波長を含む光を放射する光源としては、例えばレーザ光源を用いることも可能であるが、光源がレーザ光源であれば特定の波長、すなわち赤外領域の波長のみ発するようにすることが可能であるため、上述した赤外領域以外の波長の光をカットするフィルタは不要となる。 The light source 6 emits light including a wavelength in the infrared region, and the filter 7 cuts light having a wavelength other than the infrared region included in the light emitted from the light source 6. As a light source that emits light including wavelengths in the infrared region, for example, a laser light source can be used. However, if the light source is a laser light source, only a specific wavelength, that is, a wavelength in the infrared region is emitted. Therefore, a filter that cuts light having a wavelength other than the above-described infrared region is not necessary.
照明光学系8は、フィルタ7を透過した赤外領域の光の強度を均一化する。走査機構9は、互いに平行でかつ等間隔の複数のスリットを形成したパターン板9aを有する。このパターン板9aは、照明光学系8により光強度を均一化した赤外領域の光を互いに等間隔の明暗を有する赤外領域の波長の縞パターン光Pに整形する。この走査機構9は、パターン板9aを縞パターン光Pの光路方向に対して垂直方向Sに移動し、これにより縞パターン光Pを基板5及び半田バンプ4上を位相シフトさせる。この位相シフト量毎、例えば0[rad]、π/2[rad]、π[rad]、3π/2[rad]である。投影レンズ系10は、走査機構9により位相シフトされた縞パターン光Pを基板5及び半田バンプ4上に投影する。
The illumination
基板5(観察物体1)の上方、詳しくは基板5の法線上には、結像光学系11及び撮像素子12が設けられている。結像光学系11は、基板5及び半田バンプ4からの散乱光Qを撮像素子12の受光面上に結像する。なお、散乱光Qは、被検査物1の表面で様々の方向へ散乱した光である。撮像素子12は、受光面上に結像された像、すなわち基板5及び半田バンプ4上に投影された縞パターン光Pの像を撮像してその画像信号を出力する。この撮像素子12は、例えば複数のCCD素子を2次元平面上に配列してなる。
An imaging
コンピュータ(高さ情報算出部)13は、走査機構9により縞パターン光Pの像を例えば各位相量0[rad]、π/2[rad]、π[rad]、3π/2[rad]で位相シフトさせた毎に、撮像素子12から出力される画像信号を取り込んで複数の位相シフト画像データを取得し、これら位相シフト画像データに基づいて半田バンプ4の高さ情報を取得する。
The computer (height information calculation unit) 13 uses the
具体的にコンピュータ13は、メモリ部14と、半田バンプ4の高さ情報を算出する演算処理部15と、各種データを比較する比較演算部16と、光源6に対して調光指示を与える調光指示部17とを有する。又、コンピュータ13には、表示装置18が接続されている。メモリ部14には、各位相量0[rad]、π/2[rad]、π[rad]、3π/2[rad]毎の複数の位相シフト画像データが記憶される。
Specifically, the
演算処理部15は、メモリ部14に記憶された複数の位相シフト画像データを演算処理して半田バンプ4の高さ情報を求める。すなわち、コンピュータ13は、撮像素子12から出力された画像信号を取り込み、縞パターン光Pの各位相シフト量に対応する複数の位相シフト画像データとして保存する。このコンピュータ13の演算処理部15は、複数の位相シフト画像データ中における任意位置(x,y)における画素の輝度情報を求める。一般に、輝度値Iiと位相φ(x,y)との関係は、次式により表わされる。
The
Ii(x,y)=a(x,y)+b(x,y)・cos{φ(x,y)+δi} …(1)
但し、a(x,y)は輝度のオフセット成分、b(x,y)はコントラスト成分、δiはi番目の位相シフト量である。上記式(1)により位相シフト量δiを例えば3回以上変化させて各輝度値Ii(x,y)を取得すれば、未知量である輝度のオフセット成分a(x,y)、コントラスト成分b(x,y)、位相φ(x,y)を求めることができる。この位相φ(x,y)により任意位置(x,y)における高さ情報h(x,y)は、
h(x,y)=(p/sinα)・{φ(x,y)+2nπ}/2π …(2)
により求められる。なお、pは縞パターン光Pのピッチ、αは縞パターン光Pの投影角度、nは次数である。従って、演算処理部15は、上記式(1)を演算して位相φ(x,y)を求め、次に上記式(2)を演算して各画素(x,y)の位置における高さ情報h(x,y)を算出する。コンピュータ13は、演算処理部15により算出された半田バンプ4の高さ情報h(x,y)を表示装置18に表示する。
Ii (x, y) = a (x, y) + b (x, y) .cos {φ (x, y) + δi} (1)
However, a (x, y) is a luminance offset component, b (x, y) is a contrast component, and δi is an i-th phase shift amount. If each luminance value Ii (x, y) is obtained by changing the phase shift amount δi three times or more by the above equation (1), the luminance offset component a (x, y) and the contrast component b, which are unknown amounts, are obtained. (x, y) and phase φ (x, y) can be obtained. With this phase φ (x, y), height information h (x, y) at an arbitrary position (x, y) is
h (x, y) = (p / sin α) · {φ (x, y) + 2nπ} / 2π (2)
Is required. Here, p is the pitch of the stripe pattern light P, α is the projection angle of the stripe pattern light P, and n is the order. Therefore, the
次に、上記の如く構成された装置の動作について説明する。 Next, the operation of the apparatus configured as described above will be described.
光源6から光が放射されると、この光は、フィルタ7を透過することにより赤外領域以外の波長の光がカットされる。このフィルタ7を透過した赤外領域の光は、照明光学系8によりその強度が均一化されて走査機構9に入射する。
When light is emitted from the light source 6, light having a wavelength other than the infrared region is cut by passing through the filter 7. The light in the infrared region that has passed through the filter 7 is made uniform by the illumination
この走査機構9に入射した赤外領域の光は、パターン板9aにより互いに等間隔の明暗を有する赤外領域の波長の縞パターン光Pに整形される。又、この走査機構9は、パターン板9aを縞パターン光Pの光路方向に対して垂直方向Sに移動し、これにより縞パターン光Pを例えば0[rad]、π/2[rad]、π[rad]、3π/2[rad]の位相シフト量毎に位相シフトさせる。
The light in the infrared region incident on the
この位相シフトされた縞パターン光Pは、図2に示すように投影レンズ系10により基板5及び半田バンプ4上に投影される。ここで、半導体チップ3は、主にシリコンにより形成されているので、赤外領域の波長の縞パターン光Pは、半導体チップ3を透過して半田バンプ4及び基板5の表面に到達する。
The phase-shifted fringe pattern light P is projected onto the substrate 5 and the solder bumps 4 by the
このとき、半田バンプ4は、基板5の表面上に球状体として形成されているので、縞パターン光Pが投影されることにより、この縞パターン光Pは、図3に示すように球状の半田バンプ4の表面形状に沿って変形する。この縞パターン光Pは、例えば0[rad]、π/2[rad]、π[rad]、3π/2[rad]の位相シフト量毎に位相シフトするので、これら位相シフト量に対応して半田バンプ4上に投影される縞パターン光Pの変形量が変化する。そして、半田バンプ4は、金属からなるので、投影された縞パターン光Pは、半田バンプ4で散乱される。又、基板5は、その表面上に金属材料からなる回路パターン等が形成されているので、投影された縞パターン光Pは、基板5の表面上で散乱される。
At this time, since the solder bumps 4 are formed as spherical bodies on the surface of the substrate 5, the fringe pattern light P is projected into the spherical solder as shown in FIG. It deforms along the surface shape of the
これら半田バンプ4及び基板5からの散乱光Qは、結像光学系11により撮像素子12の撮像面上に結像される。この撮像素子12は、縞パターン光Pが例えば位相シフト量0[rad]、π/2[rad]、π[rad]、3π/2[rad]毎に位相シフトする毎に、順次半田バンプ4及び基板5からの散乱光Qを撮像してその画像信号を出力する。
The scattered light Q from the solder bumps 4 and the substrate 5 is imaged on the imaging surface of the
コンピュータ13は、撮像素子12から出力された画像信号を取り込み、縞パターン光Pの各位相シフト量(0[rad]、π/2[rad]、π[rad]、3π/2[rad]毎)に対応する各位相シフト画像データをメモリ部14に保存する。
The
次に、コンピュータ13の演算処理部15は、メモリ部14に保存した各位相シフト画像データを読み出し、これら位相シフト画像データ中における任意位置(x,y)における位相φ(x,y)を上記式(1)を演算して求め、次に当該任意位置(x,y)における画素の高さ情報h(x,y)を上記式(2)を演算して算出する。
Next, the
次に、演算処理部15は、全ての画素についての各位相φ(x,y)を算出し、全画素について位相φ(x,y)が算出されると、これら全画素の各位相φ(x,y)を合成して位相接続し、基板5及び半田バンプ4の全体の高さ情報h(x,y)に変換する。この高さ情報h(x,y)は、基板5及び半田バンプ4の表面形状を3次元で連続的に表わしている。演算処理部15は、基板5及び半田バンプ4の全体の高さ情報h(x,y)から半田バンプ4の高さ情報h(x,y)を抽出し、表示装置18に表示する。なお、半田バンプ4の高さ情報h(x,y)は、基板5と半導体チップ3とのギャップに等しいので、当該高さ情報h(x,y)を基板5と半導体チップ3とのギャップとして表示する。
Next, the
基板5と半導体チップ3とのギャップが適正値でなければ、溶融した半田が広がって隣接する半田バンプ4同士が接触して短絡したり、半導体チップ3と基板5との間に封止剤が十分に入らずに接合強度が確保されなくなる。又、半導体チップ3と基板5とのギャップが広がると、半田バンプ4の接続不良となる。なお、半導体チップ3と基板5とのギャップが広い場合には、フリップチップ実装機に対して半導体チップ3と基板5とのギャップを再調整したり、半田バンプ4を加熱して溶融するときの加熱温度を再調整することができる。
If the gap between the substrate 5 and the
これ以降、再調整されたフリップチップ実装機において、半導体チップ3上に半田パンプ4を形成するか、又は基板5上に半田バンプ4を形成し、この後に、半導体チップ3と基板5とを半田パンプ4を介して対向配置して加熱し、半田パンプ4を溶融させて半導体チップ3を基板5上に実装すれば、基板5と半導体チップ3とのギャップは適正値になる。
Thereafter, in the readjusted flip chip mounting machine, the solder bumps 4 are formed on the
このように上記第1の実施の形態によれば、主にシリコンからなる半導体チップ3を透過する赤外領域の波長の縞パターン光Pを半導体チップ3が実装された基板5上に投影するので、縞パターン光Pは、半導体チップ3を透過して半田バンプ4及び基板5の表面に到達でき、これら半田バンプ4及び基板5からの散乱光Qを撮像して取得した複数の位相シフト画像データから半田バンプ4の高さ情報、すなわち基板5と半導体チップ3とのギャップを算出できる。
As described above, according to the first embodiment, the fringe pattern light P having a wavelength in the infrared region that transmits the
従って、半導体チップ3を基板5上に実装した後に、半導体チップ3と基板5とのギャップを測定して半導体チップ3と基板5とのギャップが適正値に維持できているかを確認できる。基板5と半導体チップ3とのギャップが適正値でなければ、フリップチップ実装機にフィードバックして、半導体チップ3と基板5とのギャップを再調整したり、半田バンプ4を加熱して溶融するときの加熱温度を再調整して、基板5と半導体チップ3とのギャップを適正値に修正可能である。
Therefore, after mounting the
次に、本発明の第2の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、図1と同一部分には同一符号を付してその詳しい説明は省略する。 Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
図4はパターン投影法を採用した高さ測定装置の構成図である。基板5(観察物体1)の表面に対して垂直方向(基板5の高さ方向、Z軸方向)に立設されたベース20には、高さ方向移動機構21と移動量測定器22とが設けられている。
FIG. 4 is a configuration diagram of a height measuring apparatus employing the pattern projection method. A base 20 erected in a direction perpendicular to the surface of the substrate 5 (observation object 1) (the height direction of the substrate 5 and the Z-axis direction) includes a height
高さ方向移動機構21は、コンピュータ13のZ軸制御部23からの高さ方向の駆動指令を受けて結像光学系11を基板5(観察物体1)の高さ方向に昇降させる。この高さ方向移動機構21は、基板5の高さ方向に駆動するZ軸モータ24と、このZ軸モータ24と結像光学系11とを連結する連結部材25とを有する。この高さ方向移動機構21は、半田バンプ4の高さが結像光学系11の焦点深度以上の場合に、結像光学系11を半田バンプ4の高さ方向に移動させて半田バンプ4の高さ情報h(x,y)を取得する場合に適している。
The height
移動量測定器22は、高さ方向移動機構21によって基板5の高さ方向に昇降する結像光学系11の高さ方向の移動量を測定し、この移動量測定信号をコンピュータ13に送出する。この移動量測定器22は、例えばリニアスケールを用いる。この移動量測定器(リニアスケール)22は、例えば高さ方向に設けられたスケール板26に対してセンサ27が摺動する。このセンサ27は、結像光学系11の高さ方向の移動に連動してスケール板26上を高さ方向に移動し、高さ方向への移動量に応じた移動量信号を出力する。
The movement
コンピュータ13のZ軸制御部23は、高さ方向移動機構21に対して高さ方向の駆動指令を発すと共に、移動量測定器22から出力された移動量信号を受け取って結像光学系11の高さ方向の移動量を読み取り、この高さ方向の移動量を演算処理部15に渡す。
The Z-
演算処理部15は、メモリ部14に保存された複数の位相シフト画像データに基づいて取得した半田バンプ4の高さ情報h(x,y)、すなわち基板5と半導体チップ3とのギャップと、移動量測定器22により測定された結像光学系11の移動量とにより半田バンプ4の本来の高さ情報h(x,y)を求める。
The
次に、上記の如く構成された装置の動作について説明する。 Next, the operation of the apparatus configured as described above will be described.
半田バンプ4の高さが結像光学系11の焦点深度以上の場合、Z軸制御部23は、高さ方向移動機構21に対して高さ方向の駆動指令を発する。これにより、高さ方向移動機構21は、結像光学系11を半田バンプ4の高さ方向に移動させる。これと共に移動量測定器22は、高さ方向移動機構21によって基板5の高さ方向に昇降する結像光学系11の高さ方向の移動量を測定し、この移動量測定信号をコンピュータ13に送出する。このコンピュータ13のZ軸制御部23は、移動量測定器22から出力された移動量測定信号を受け取って結像光学系11の高さ方向の移動量を読み取り、この高さ方向の移動量を演算処理部15に渡す。
When the height of the
一方、上記同様に、赤外領域の波長の縞パターン光Pを例えば位相シフト量0[rad]、π/2[rad]、π[rad]、3π/2[rad]毎に位相シフトさせて複数の位相シフト画像データを取得し、これら位相シフト画像データから半田バンプ4の高さ情報、すなわち基板5と半導体チップ3とのギャップを算出する。
On the other hand, as described above, the fringe pattern light P having a wavelength in the infrared region is phase-shifted, for example, every phase shift amount 0 [rad], π / 2 [rad], π [rad], 3π / 2 [rad]. A plurality of pieces of phase shift image data are acquired, and height information of the solder bumps 4, that is, a gap between the substrate 5 and the
演算処理部15は、基板5と半導体チップ3とのギャップと、移動量測定器22により測定された結像光学系11の移動量とにより半田バンプ4の本来の高さ情報h(x,y)を求める。
The
このように上記第2の実施の形態によれば、結像光学系11を基板5の高さ方向に昇降させる高さ方向移動機構21と、結像光学系11の高さ方向の移動量を測定する移動量測定器22とを有するので、上記第1の実施の形態と同様の効果を奏することは言うまでもなく、半田バンプ4の高さが結像光学系11の焦点深度以上であっても、半田バンプ4の高さ情報、すなわち基板5と半導体チップ3とのギャップを算出できる。
As described above, according to the second embodiment, the height
次に、本発明の第3の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、図1と同一部分には同一符号を付してその詳しい説明は省略する。 Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
図5はパターン投影法を採用した高さ測定装置の構成図である。複数の投影光学系として例えば2つの投影光学系2、30が設けられている。これら投影光学系2、30は、基板5に対して同一の投影角度αを有し、かつ互いに基板5に対して赤外領域の波長の各縞パターン光P1、P2を投影する投影方向が異なる。なお、投影光学系2を第1の投影光学系とし、投影光学系30を第2の投影光学系とする。
FIG. 5 is a configuration diagram of a height measuring apparatus employing the pattern projection method. For example, two projection
第2の投影光学系30は、光源31と、フィルタ32と、照明光学系33と、パターン板34aを有する走査機構34と、投影レンズ系35とを有する。フィルタ32、照明光学系33、走査機構34及び投影レンズ系35は、光源31から放射される光の光路上に設けられている。
The second projection
光源31は、赤外領域の波長を含む光を放射するもので、フィルタ32は、光源31から放射された光に含む赤外領域以外の波長の光をカットする。なお、赤外領域の波長を含む光を放射する光源としては、例えばレーザ光源を用いることも可能であるが、光源がレーザ光源であれば特定の波長、すなわち赤外領域の波長のみ発するようにすることが可能であるため、上述した赤外領域以外の波長の光をカットするフィルタは不要となる。
The
照明光学系33は、フィルタ32を透過した赤外領域の光の強度を均一化する。走査機構34は、互いに平行でかつ等間隔の複数のスリットを形成したパターン板34aを有する。このパターン板34aは、照明光学系33により光強度を均一化した赤外領域の光を互いに等間隔の明暗を有する赤外領域の波長の縞パターン光P2に整形する。この走査機構34は、パターン板34aを縞パターン光P2の光路方向に対して垂直方向Sに移動し、これにより縞パターン光P2を基板5及び半田バンプ4上を位相シフトさせる。この位相シフト量毎、例えば0[rad]、π/2[rad]、π[rad]、3π/2[rad]である。投影レンズ系35は、走査機構34により位相シフトされた縞パターン光P2を基板5及び半田バンプ4上に投影する。
The illumination
次に、上記の如く構成された装置の動作について説明する。 Next, the operation of the apparatus configured as described above will be described.
コンピュータ13は、第1の投影光学系2の光源6に対して点灯の指令を発し、これと共に第2の投影光学系30の光源31に対して消灯の指令を発する。これにより、光源6が点灯し、光源31が消灯する。
The
光源6から放射された光は、フィルタ7を透過することにより赤外領域以外の波長の光がカットされ、照明光学系8によりその強度が均一化されて走査機構9に入射する。この走査機構9に入射した赤外領域の光は、パターン板9aにより互いに等間隔の明暗を有する赤外領域の波長の縞パターン光P1に整形され、かつパターン板9aの縞パターン光P1の光路方向に対して垂直方向Sへの移動により例えば0[rad]、π/2[rad]、π[rad]、3π/2[rad]の位相シフト量毎に位相シフトされる。この位相シフトされた縞パターン光Pは、上記図2に示すように投影レンズ系10により基板5及び半田バンプ4上に投影される。
The light emitted from the light source 6 is transmitted through the filter 7, so that light having a wavelength other than the infrared region is cut, and the intensity thereof is made uniform by the illumination
ここで、赤外領域の波長の縞パターン光P1は、半導体チップ3を透過して半田バンプ4及び基板5の表面に到達する。このとき、縞パターン光P1は、上記図3に示すように半田バンプ4の表面形状に倣って変形し、かつ例えば0[rad]、π/2[rad]、π[rad]、3π/2[rad]の位相シフト量毎の位相シフトに対応して変形する。そして、投影された縞パターン光P1は、半田バンプ4で散乱し、かつ基板5の表面上で散乱する。
Here, the fringe pattern light P 1 having a wavelength in the infrared region passes through the
これら半田バンプ4及び基板5からの散乱光Qは、結像光学系11により撮像素子12の撮像面上に結像される。この撮像素子12は、縞パターン光P1が位相シフトする毎に順次半田バンプ4及び基板5からの散乱光Qを撮像してその画像信号を出力する。
The scattered light Q from the solder bumps 4 and the substrate 5 is imaged on the imaging surface of the
コンピュータ13は、撮像素子12から出力された画像信号を取り込み、縞パターン光P1の各位相シフト量(0[rad]、π/2[rad]、π[rad]、3π/2[rad]毎)に対応する複数の第1の位相シフト画像データをメモリ部14に保存する。
次に、コンピュータ13は、第2の投影光学系30の光源31に対して点灯の指令を発し、これと共に第1の投影光学系2の光源6に対して消灯の指令を発する。これにより、光源31が点灯し、光源6が消灯する。
Next, the
光源31から放射された光は、フィルタ32を透過することにより赤外領域以外の波長の光がカットされ、照明光学系33によりその強度が均一化されて走査機構34に入射する。この走査機構34に入射した赤外領域の光は、パターン板34aにより互いに等間隔の明暗を有する赤外領域の波長の縞パターン光P2に整形され、かつパターン板34aの縞パターン光P2の光路方向に対して垂直方向Sへの移動により例えば0[rad]、π/2[rad]、π[rad]、3π/2[rad]の位相シフト量毎に位相シフトされる。この位相シフトされた縞パターン光P2は、上記図2に示すように投影レンズ系10により基板5及び半田バンプ4上に投影される。
The light emitted from the
上記同様に、赤外領域の波長の縞パターン光P2は、半導体チップ3を透過して半田バンプ4及び基板5の表面に到達し、これら半田バンプ4、基板5の表面上で散乱する。
Similarly to the above, the stripe pattern light P 2 having a wavelength in the infrared region passes through the
これら半田バンプ4及び基板5からの散乱光Qは、結像光学系11により撮像素子12の撮像面上に結像される。この撮像素子12は、縞パターン光P2が位相シフトする毎に順次半田バンプ4及び基板5からの散乱光Qを撮像してその画像信号を出力する。
The scattered light Q from the solder bumps 4 and the substrate 5 is imaged on the imaging surface of the
コンピュータ13は、撮像素子12から出力された画像信号を取り込み、縞パターン光P2の各位相シフト量(0[rad]、π/2[rad]、π[rad]、3π/2[rad]毎)に対応する複数の第2の位相シフト画像データをメモリ部14に保存する。
コンピュータ13の演算処理部15は、複数の第1の位相シフト画像データ及び複数の第2の位相シフト画像データを用い、これら位相シフト画像データ中における任意位置(x,y)における位相φ(x,y)を上記式(1)を演算して求め、次に当該任意位置(x,y)における画素の高さ情報h(x,y)を上記式(2)を演算して算出する。
The
次に、演算処理部15は、全ての画素についての各位相φ(x,y)を算出し、全画素について位相φ(x,y)が算出されると、これら全画素の各位相φ(x,y)を合成して位相接続し、基板5及び半田バンプ4の全体の高さ情報h(x,y)に変換する。演算処理部15は、基板5及び半田バンプ4の全体の高さ情報h(x,y)から半田バンプ4の高さ情報h(x,y)を抽出し、表示装置18に表示する。なお、複数の第1の位相シフト画像データと複数の第2の位相シフト画像データとは、それぞれ第1の投影光学系2と第2の投影光学系30との別の光学系を通して取得しているので、これらを単純に位相分布を合成することはできないが、それぞれの投影パラメータによる位相分布データを補正することにより合成が可能である。
Next, the
このように上記第3の実施の形態によれば、上記第1の実施の形態では投影方向が一方のみであったために必ず影の部分が生じていたが、赤外領域の波長の縞パターンPを基板5上に対して2方向から第1及び第2の投影光学系2、30で投影するようにしたので、影の部分のない測定が可能となる他、上記第1の実施の形態と同様の効果を奏することができる。なお、上述した実施の形態では、投影光学系が2つの例で説明したが、投影光学系は2つに限られるものではない。
As described above, according to the third embodiment, in the first embodiment, since the projection direction is only one, a shadow portion is always generated. However, the fringe pattern P having the wavelength in the infrared region is used. Is projected from the two directions onto the substrate 5 by the first and second projection
なお、上記第3の実施の形態においても、上記第2の実施の形態と同様に、結像光学系11を基板5の高さ方向に昇降させる高さ方向移動機構21と、結像光学系11の高さ方向の移動量を測定する移動量測定器22とを有するようにしてもよい。これにより、半田バンプ4の高さが結像光学系11の焦点深度以上であっても、半田バンプ4の高さ情報、すなわち基板5と半導体チップ3とのギャップを算出できる。
In the third embodiment, as in the second embodiment, the height
上記第1乃至第3の実施の形態では、基板5上の半田バンプ4を介して半導体チップ3を実装したときの半田バンプ4の高さ情報すなわち基板5と半導体チップ3とのギャップを測定しているが、これに限らず、基板5及び半田バンプ4の全体の高さ情報h(x,y)は、基板5及び半田バンプ4の表面形状を3次元で連続的に表わしているので、半導体チップ3で覆われた基板5及び半田バンプ4の3次元の表面形状を測定できる。
In the first to third embodiments, the height information of the
さらに、本発明の技術を応用すれば、被覆物に覆われた被検査物の3次元形状を測定する場合、被覆物を透過する波長の光を用いて、被覆物に覆われた被検査物の3次元形状を精度高く測定することが可能である。 Furthermore, if the technique of the present invention is applied, when measuring the three-dimensional shape of the inspection object covered with the covering, the inspection object covered with the covering is obtained using light having a wavelength that passes through the covering. It is possible to accurately measure the three-dimensional shape.
次に、本発明の他の特徴とするところについて説明する。 Next, other features of the present invention will be described.
本発明は、基板上に形成され、かつシリコンにより成るチップ部品により覆われた複数の半田バンプの高さ情報を測定する高さ測定装置において、
光を放射する光源と、前記光源から放射された前記光に有する赤外領域以外の波長の光をカットするフィルタと、前記フィルタを透過した赤外領域の光を互いに等間隔の明暗を有する縞パターン光に整形するパターン板とを有し、前記縞パターン光を前記チップ部品を透過させて前記複数の半田パンプ上に投影する投影光学系と、
前記複数の半田バンプ上に投影される前記縞パターン光を所定の位相毎に位相シフトさせる走査機構と、
前記複数の半田バンプからの散乱光を結像する結像光学系と、
前記結像光学系により結像された前記複数の半田バンプの像を撮像する撮像素子と、
前記走査機構により所定の位相毎に位相シフトさせたときに前記撮像素子の撮像により取得される複数の位相シフト画像データに基づいて前記複数の半田バンプの高さ情報を取得する高さ情報算出部と、
を具備したことを特徴とする高さ測定装置である。
The present invention relates to a height measuring apparatus for measuring height information of a plurality of solder bumps formed on a substrate and covered with chip parts made of silicon.
A light source that emits light, a filter that cuts light of a wavelength other than the infrared region included in the light emitted from the light source, and a stripe that has light and darkness at equal intervals between the light in the infrared region that has passed through the filter A projection optical system for projecting the stripe pattern light on the plurality of solder pumps through the chip component;
A scanning mechanism for phase-shifting the fringe pattern light projected onto the plurality of solder bumps for each predetermined phase;
An imaging optical system that forms an image of scattered light from the plurality of solder bumps;
An image sensor that captures images of the plurality of solder bumps imaged by the imaging optical system;
A height information calculation unit that acquires height information of the plurality of solder bumps based on a plurality of phase shift image data acquired by imaging of the imaging element when the scanning mechanism is phase-shifted for each predetermined phase. When,
It is the height measuring device characterized by comprising.
1:観察物体、2:投影光学系、3:半導体チップ、4:半田パンプ、5:基板、6:光源、7:フィルタ、8:照明光学系、9:走査機構、9a:パターン板、10:投影レンズ系、11:結像光学系、12:撮像素子、13:コンピュータ、14:メモリ部、15:演算処理部、16:比較演算部、17:調光指示部、18:表示装置、20:ベース、21:高さ方向移動機構、22:移動量測定器、23:Z軸制御部、24:連結部材、25:スケール板、26:摺動端部、27:センサ、30:第2の投影光学系、31:光源、32:フィルタ、33:照明光学系、34a:パターン板、34:走査機構、35:投影レンズ系。 1: observation object, 2: projection optical system, 3: semiconductor chip, 4: solder pump, 5: substrate, 6: light source, 7: filter, 8: illumination optical system, 9: scanning mechanism, 9a: pattern plate, 10 : Projection lens system, 11: imaging optical system, 12: imaging device, 13: computer, 14: memory unit, 15: arithmetic processing unit, 16: comparison operation unit, 17: dimming instruction unit, 18: display device, 20: Base, 21: Height direction moving mechanism, 22: Movement amount measuring device, 23: Z-axis control unit, 24: Connecting member, 25: Scale plate, 26: Sliding end, 27: Sensor, 30: No. 2 projection optical system, 31: light source, 32: filter, 33: illumination optical system, 34a: pattern plate, 34: scanning mechanism, 35: projection lens system.
Claims (10)
前記被覆物を透過した前記所定パターン光を前記被検査物上に位相シフトさせたときに前記被検査物からの散乱光から複数の位相シフト画像データを取得し、
前記複数の位相シフト画像データに基づいて前記被検査物の高さ情報を取得する、
ことを特徴とする高さ測定方法。 Projecting a predetermined pattern light having a wavelength that is transmitted through the coating onto an inspection object formed on the substrate and covered with the coating;
Obtaining a plurality of phase shift image data from the scattered light from the inspection object when the predetermined pattern light transmitted through the covering is phase-shifted onto the inspection object;
Obtaining height information of the object to be inspected based on the plurality of phase shift image data,
A height measuring method characterized by the above.
前記被覆物を透過した前記所定パターン光を前記被検査物上に位相シフトさせる走査機構と、
前記被検査物からの散乱光を結像する結像光学系と、
前記結像光学系により結像された前記被検査物の像を撮像する撮像素子と、
前記走査機構により位相シフトさせたときに前記撮像素子の撮像により取得される複数の位相シフト画像データに基づいて前記被検査物の高さ情報を取得する高さ情報算出部と、
を具備したことを特徴とする高さ測定装置。 A projection optical system for projecting a predetermined pattern light having a wavelength that is transmitted through the coating on an inspection object formed on the substrate and covered with the coating;
A scanning mechanism for phase-shifting the predetermined pattern light transmitted through the covering onto the inspection object;
An imaging optical system that forms an image of scattered light from the inspection object;
An image sensor for capturing an image of the inspection object imaged by the imaging optical system;
A height information calculation unit that acquires height information of the object to be inspected based on a plurality of phase shift image data acquired by imaging of the imaging element when the phase is shifted by the scanning mechanism;
A height measuring device comprising:
前記光源から放射された前記光に有する赤外領域以外の波長の光をカットするフィルタと、
を有することを特徴とする請求項4記載の高さ測定装置。 The projection optical system includes a light source that emits light,
A filter that cuts off light having a wavelength other than the infrared region of the light emitted from the light source;
The height measuring device according to claim 4, comprising:
前記投影光学系は、赤外領域の前記所定パターン光を前記チップ部品を透過して前記複数の半田バンプ上に投影する、
ことを特徴とする請求項4記載の高さ測定装置。 The object to be inspected is a plurality of spherical solder bumps formed on the substrate surface, and chip parts made of silicon are mounted on the plurality of solder bumps,
The projection optical system projects the predetermined pattern light in the infrared region onto the plurality of solder bumps through the chip component.
The height measuring device according to claim 4.
前記結像光学系の前記高さ方向への移動量を測定する移動量測定器とを有し、
前記高さ情報算出部は、前記複数の位相シフト画像データに基づいて取得した前記被検査物の高さ情報と前記移動量測定器により測定された前記結像光学系の前記移動量とにより前記被検査物の本来の高さ情報を求める、
ことを特徴とする請求項4記載の高さ測定装置。 A height direction moving mechanism for moving the imaging optical system in the height direction of the inspection object;
A moving amount measuring device for measuring the moving amount of the imaging optical system in the height direction,
The height information calculation unit includes the height information of the inspection object acquired based on the plurality of phase shift image data and the movement amount of the imaging optical system measured by the movement amount measuring device. Find the original height information of the object to be inspected.
The height measuring device according to claim 4.
ことを特徴とする請求項9記載の高さ測定装置。 When the height of the inspection object is equal to or greater than the depth of focus of the imaging optical system, the imaging optical system is moved in the height direction of the inspection object by the height direction moving mechanism.
The height measuring device according to claim 9.
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