JP4067602B2

JP4067602B2 - 高さ検査方法、それを実施する高さ検査装置

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Publication number: JP4067602B2
Application number: JP20353997A
Authority: JP
Inventors: 文之高橋; 博之塚原; 美隆大嶋; 陽二西山; 貴史布施
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1996-12-09
Filing date: 1997-07-29
Publication date: 2008-03-26
Anticipated expiration: 2017-07-29
Also published as: US5999266A; JPH10227618A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高さ検査方法及びそれを実施する高さ検査装置にかかり、特に、半導体チップの表面に形成されるバンプの高さを精度良く且つ効率的に検査する方法及びそれを実施する高さ検査装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体チップの表面に入出力端子として複数のバンプ端子をマトリクス状に配置し、半導体チップをフェースダウンで基板にボンディングすることが行われている。このような半導体チップは、フリップチップと呼ばれ、マルチチップモジュール等に利用される。
【０００３】
このバンプ端子は、通常半導体基板の表面に形成した電極上に形成された球状の端子であり、半田ディップ法により形成される半田バンプやメッキ法により形成される金属バンプ等がある。
【０００４】
複数のバンプ端子が形成されたチップはフェースダウンで基板上にボンディングされるが、その場合、各バンプ端子が基板上の対応する電極と正常に接続されなければならない。従って、バンプの形状が均一で高さも均一に形成されていることが必要である。他のバンプよりも高さが低いと基板の電極との接続不良の原因となり、高さが高いとバンプの形状が大きくボンディング工程で隣接するバンプと短絡する等の恐れがある。
【０００５】
そこで、フリップチップをボンディングする前に、表面のバンプの高さを検査することが一般に行われる。高さ検査の一般的な方法は、光を照射してその反射光を２分割フォトダイオードやＰＳＤ（Position Sensitive Light Detector)に結像させてその高さを検出する三角測量法である。従って、表面をレーザー光で走査してその反射光の位置によってそれぞれのバンプの高さを検査している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、球状のバンプをレーザー光で走査する場合、その反射光はバンプの近傍で大きく乱反射を起こし、バンプの頂上で極めて高い反射率をもって反射し、バンプ領域外の表面では比較的反射率が一定である。この様に、表面の反射率が大きく変化するため、照射光の強度を一定にすると反射光の強度が大きく変化する。その為、反射光の光量がフォトダイオードやＰＳＤのダイナミックレンジをはずれてしまい、正しい高さの測定ができないという問題がある。
【０００７】
また、半導体チップ表面の多数のバンプの高さを測定する為に、上記した三角測量法により反射光が位置検出素子（ＰＳＤ）上に結像する位置から直接高さを測定する方法が有効である。しかし、バンプの曲面形状により入射光のバンプでの反射位置に応じて反射光の方向が一定ではないので、位置検出素子により検出される高さに誤差が生じる。また、光学系の合焦ずれによっても検出される高さに誤差が発生し、しかも、その誤差の方向は前焦点か後焦点かにより異なる。更に、反射光を受光する光学系の光軸のずれの存在により、検出されるバンプ頂点位置がずれてしまし、検出される高さにずれが含まれる。
【０００８】
更に別の問題として、多数のバンプを有するＬＳＩチップ上を高速にレーザ光で走査する為に音響光学偏向器が利用される。音響光学偏向器に対して供給される周波数変動信号が、例えば電圧発振回路により生成される。しかし、この音響光学偏向器が有する非点収差の問題と、電圧発振回路のもつ歪んだ出力特性に伴う非点収差の動的な変化の問題と、更に光学系の公差の問題等から、被測定物上の走査を非点収差ゼロの状態で且つ等速に行うことが非常に困難である。
【０００９】
上記の問題点は、いずれもＬＳＩチップ上の多数のバンプの高さを検出する場合に招来される問題点であり、これらを全て解決することが正確な高さ検査には必要である。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、半導体チップの表面に形成されるバンプ端子の高さを精度良く且つ効率的に検査する方法及びその検査装置を提供することにある。
【００１１】
また、本発明の目的は、半導体チップのバンプに限定されず、反射率の大きく異なる領域を有する試料表面の高さを検査する方法及びその検査装置を提供することにある。
【００１２】
また、本発明の目的は、バンプの曲面形状に起因する検出される高さの誤差を補正することができる高さ検査方法及びその検査装置を提供することにある。
【００１３】
また、本発明の目的は、音響光学偏向器とそれを駆動する電圧発振回路の特性に伴う走査光の非点収差や焦点ぼけ及び走査速度むらをなくすことができる高さ検査方法及びその検査装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記の目的は、本発明によれば、反射率の異なる領域を有する被検査物の表面に所定の強度の入射光を走査し、その表面からの反射光を光点位置検出手段に結像させ、その結像した光点位置を検出することにより前記表面の高さを検知する高さ検査方法において、
反射率の高い第一の領域を囲みその周辺の反射率の低い第二の領域では、当該高い反射率でも前記光点位置検出手段が飽和しない程度の低い第一の入射光強度で走査を行う工程と、
該反射光の結像光の光量が所定の閾値を越えたことを検知したら、前回の走査時の該検知光量と該入射光強度から求めた適切な第二の入射光強度で走査を行う工程とを有することを特徴とする高さ検査方法を提供することにより達成される。
【００１５】
更に、本発明によれば、前記第二の入射光強度Ｐｎ＋１（ｉ）は、前回の走査時の入射光強度Ｐｎ（ｉ）とその時の検知光量Ｂｎ（ｉ）から、式、
Ｐｎ＋１（ｉ）＝Ｐｎ（ｉ）×Ｂｔ／Ｂｎ（ｉ）
（但し、Ｂｔは前記光点位置検査手段のダイナミックレンジ内の所定値）
に従って演算により求められることを特徴とする。
【００１６】
更に、本発明によれば、前記第一及び第二の領域以外の領域では、前記入射光強度をゼロにして走査を行うことを特徴とする。
【００１７】
更に、本発明によれば、前記閾値は、前記第二の領域における前記第一の入射光強度に対する検知光量よりも高い値に設定されていることを特徴とする。
【００１８】
更に、本発明によれば、前記被検査物は、基板表面に設けられ略球状の形状をしたバンプ端子を有し、前記第一の領域は該バンプ端子の頂上近傍であり、該第二の領域は当該バンプ頂上近傍を囲む周囲の領域であることを特徴とする。
【００１９】
半導体チップのバンプ端子の高さ検出において、特に本発明の高さ検査方法が有効である。
【００２０】
更に、上記の目的は、本発明によれば、反射率の異なる領域を有する被検査物の表面に所定の強度の入射光を走査し、その表面からの反射光を光点位置検出手段に結像させ、その結像した光点位置を検出することにより前記表面の高さを検知する高さ検査装置において、
前記入射光を生成する発光手段と、
該発光手段を駆動する発光駆動手段と、
反射率の高い第一の領域を囲みその周辺の反射率の低い第二の領域では、当該高い反射率でも前記光点位置検出手段が飽和しない程度の低い第一の入射光強度になる様に前記発光駆動手段を制御し、該反射光の結像光の光量が所定の閾値を越えたことを検知したら、前回の走査時の該検知光量と該入射光強度から求めた適切な第二の入射光強度になる様に前記発光駆動手段を制御する変調手段とを有することを特徴とする。
【００２１】
更に、本発明によれば、前記変調手段は、前記第二の入射光強度Ｐｎ＋１（ｉ）を、前回の走査時の入射光強度Ｐｎ（ｉ）とその時の検知光量Ｂｎ（ｉ）から、式、
Ｐｎ＋１（ｉ）＝Ｐｎ（ｉ）×Ｂｔ／Ｂｎ（ｉ）
（但し、Ｂｔは前記光点位置検査手段のダイナミックレンジ内の所定値）
に従って演算により求められることを特徴とする。
【００２２】
上記目的を達成する為に、本発明は、非平面状の表面を有する被検査物の該表面に入射光を照射し、その表面からの反射光を光点位置検出手段に結像させ、その結像した光点位置から前記表面の高さを検知する高さ検査方法において、
基準被検査物を搭載したステージをＺ軸方向に移動させて前記基準被検査物の表面の高さを第一の補正用高さ値として検出する第一の補正用高さ検出工程と、
前記基準被検査物の該表面に前記入射光を照射し、その表面からの反射光を前記光点位置検出手段に結像させ、その結像した光点位置から前記基準被検査物の表面の高さを第二の補正用高さ値として検出する第二の補正用高さ検出工程と、
前記被検査物の表面に前記照射光を照射し、その表面からの反射光を前記光点位置検出手段に結像させ、その結像した光点位置から前記被検査物の表面の高さを測定用高さ値として検出する測定用高さ検出工程と、
該測定用高さ値を前記第一の補正用高さ値と第二の補正用高さ値との対応関係に従って補正して、補正済み高さ値を生成する補正工程とを有することを特徴とする。
【００２３】
上記発明により、ＬＳＩチップ上のバンプの様な曲面状の表面を有する被測定物の場合に生じる検出高さ値の誤差が適切に補正される。補正関数またはテーブルを求める為に第一の補正用高さ検出工程では、ステージをＺ軸方向に移動するなど時間を要する工程が含まれるが、補正関数が設定されたあとは、光点位置検出素子を利用した高速の高さ測定により多数のバンプの高さが検出される。
【００２４】
上記の目的を達成する為に、本発明は、入射光を音響光学偏向器により偏向し、その偏向された前記入射光をシリンドリカルレンズと入射光学系を介して被検査物の表面上に走査し、その表面からの反射光を光点位置検出手段に結像させ、その結像した光点位置から前記表面の高さを検知する高さ検査方法において、
前記音響光学偏向器に走査用周波数信号を与える駆動回路の入力信号を変化させながら、前記被検査物が載置されるステージ上の所定のパターンを有する設定用サンプルに前記入射光を走査し、その反射光の光量を観測することにより、前記入射光が該設定用サンプル上において非点収差がなく合焦し更に等速度で走査されるような前記入力信号の掃引曲線を求める設定工程と、
前記掃引曲線に従って前記入力信号を前記駆動回路に与えて、前記入射光を前記被測定物の表面上に走査し、その表面からの反射光を光点位置検出手段に結像させ、その結像した光点位置から前記表面の高さを検知する高さ検出工程とを有することを特徴とする。
【００２５】
上記の発明によれば、高速走査を可能にする音響光学偏向器を利用するときのシリンドリカル効果による非点収差の問題と、その音響光学偏向器を駆動する回路の特性歪みと、更に光学系の公差等による問題を解決することができる。その駆動回路への入力信号の掃引曲線を、サンプルを入射光で走査してその反射光の光量をモニタリングすることで求めることができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の例について図面に従って説明する。しかしながら、かかる実施の形態例が本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【００２７】
図１は、半導体チップの表面に形成されたバンプ端子を示す斜視図である。複数のバンプ端子２がチップ１の表面上にマトリクス状に配置されている。
【００２８】
図２は、そのバンプ端子が形成されている半導体チップ１の部分断面図である。半導体チップ１の表面に形成された電極２０の上に、球状のバンプ端子２が形成される。図２に示された例では、バンプＢ１，Ｂ３，Ｂ５は正常な大きさであり、正常な高さｈに形成されているが、バンプＢ２は形状が小さくその高さは正常な高さｈより低く、バンプＢ４は形状が大きくその高さは正常値ｈよりも高い。一般にバンプの高さと大きさは相対的な関係を有するので、ボンディング不良をおこすか否かは、事前にバンプの高さが正常値ｈに形成されているが否かを検査することにより判定することができる。
【００２９】
図３は、バンプに対してレーザー光を走査してバンプの高さを検出する方法を説明する平面図である。また、図４はその側面図である。この例では、図３において、図面に向かって手前側から照射光２２が照射され、バンプやチップ表面で反射した反射光２４が上側に向かう。そして、図３の上側から順番に照射光が走査される。
【００３０】
図４を参照することで、バンプ２近傍での照射光２２と反射光２４の様子が理解される。図４には、走査１から走査９までが示されている。走査１では、バンプ２に照射されずにチップ１の表面に照射され反射される。走査２では、この例では照射光２２がバンプ２の頂上に照射され反射光２４が、検査装置の対物レンズ２６を通過してＰＳＤに入射される。破線で示した通り、バンプ２が低くなっていると、反射光２４は光点位置検出手段であるＰＳＤ上の異なる位置に結像され、その結像した光点の位置の違いからバンプ２の高さが検出される。
【００３１】
さらに、走査３〜８は、バンプ２の球の形状の為に反射光は乱反射したりして対物レンズ２６に入射せず、極めて暗い光しかＰＳＤは検出できない。同様に、図４中の走査１と２の間の領域に走査された場合にも、図に示される通りＰＳＤでは暗い光しか検出できない。
【００３２】
上記の如き入射光の位置と反射光の乱れは、バンプ２という特殊な形状に起因するものであるが、半導体チップ表面に限らず同様な特殊な形状の場合でも発生する。
【００３３】
［入射光強度の変調方法］
図５は、上記したバンプ２等を走査した時の、照射光の強度とＰＳＤが検知する光量との関係を示すグラフ図である。図５の（ａ）は照射光の強度を走査位置に対して一定にした場合を示し、同（ｂ）はその時の検知される光量の例を示す。横軸は共に時間ｉである。即ち、図４の例では、走査１、２の間では図４に示される通り検出される光量が極端に少なく、走査２で極端に多くの光量が検出され、そして走査３〜８において極端に少ない光量しか検知されない。或いは、走査２において、バンプ以外の部分では検知光量は少なく、バンプ頂点では多くなる。従って、検知される光量は、図５（ｂ）に示される通り大きく変動する。図中のＢｔは、ＰＳＤ等の光電変換素子のダイナミックレンジの例えば中央値であり、精度良く動作する為には検知される光量がこの中央値Ｂｔに近傍位置することが望ましく、少なくとも検知光量がダイナミックレンジ内に納まることが必要である。
【００３４】
図５（ｃ）は、上記の検知光量の変動に対応して、照射光の強度を変化させた例を示し、同（ｄ）はその場合の検知光量の変動を示している。上記した通り、検知される光量が中央値Ｂｔの近傍に維持されることにより精度の高い位置検出が可能になる。
【００３５】
図５（ｃ），（ｄ）の如く検知光量を維持する為に、一般に照射光の変調が行われる。即ち、走査ｎによって検出される検知光量Ｂｎ（ｉ）に基づき、次の走査ｎ＋１では同等の反射率で反射光が検知されるという仮定のもとに、次の走査ｎ＋１での検知光量がＢｔ値になる様に照射光の強度Ｐｎ＋１（ｉ）を求める変調方法である。即ち、次式により次の照射光強度Ｐｎ＋１（ｉ）が求められる。
【００３６】
Ｐｎ＋１（ｉ）＝Ｐｎ（ｉ）×Ｂｔ／Ｂｎ（ｉ）
即ち、一つ前の走査ｎの時の照射強度Ｐｎ（ｉ）と検知光量Ｂｎ（ｉ）の関係から、次の走査での照射強度Ｐｎ＋１（ｉ）を求めるのである。
【００３７】
図６は、上記の変調方法を説明する為の図である。例えば、点３１の様に照射強度Ｐ１の時の検知光量がＢ１であったとすると、その時の反射率はＲ１の如く表すことができる。従って、次の走査２での照射強度は、上記の変調式に従って、同じ反射率の場合に検知光量がＢｔになる点３２にしたがい照射強度がＰ２に変調される。そして、その走査２において点３３の様に検知された光量がＢ２であると、その時の反射率はＲ２である。そこで、次の走査３での照射強度は点３４の様にＰ３となる。
【００３８】
この様な変調方法によれば、照射強度を決定するのに、本走査する前にプレ走査を行う必要がなく、単に前の走査の結果を利用して次の照射強度を算出するだけであり、走査全体の速度を落とすことなく最適な変調を行うことができる。
【００３９】
ところが、上記したバンプ等が表面に形成されている場合、かかる変調方法では不適切な場合が発生する。バンプの頂点で照射光が反射する場合は、その反射率が極めて高くなる。しかも、前述した通りバンプの頂点で反射する前後の走査では、走査光は乱反射してＰＳＤでは暗い光しか検知できない。従って、図６に示される様に、次の走査での照射強度をＰ３として走査した結果、そこがＲ３の如き高い反射率であると、照射強度Ｐ３に対して検知光量Ｂ３は、ダイナミックレンジの飽和レベルＢｓよりも遙に高い値に論理的にはなる。しかし、実際には飽和レベルＢｓを越えているので、検知光量Ｂ３は不定となる。従って、次の走査での照射強度が計算不能となるのである。
【００４０】
上記の問題は、全体の走査時間の短縮の為に、前回の走査での照射強度と検知光量から次の照射強度を演算で求める変調方式において、半導体チップのバンプの境界部分以外にもアルミニウム配線の境界でも発生する。
【００４１】
図７は、本発明者等によって分析されたバンプ２近傍での反射光の光量の分布を示す図である。図４を参照して行った説明から明らかであるが、反射光の光量の分布は、実際のバンプ２の位置に対して、やや上側にずれた位置にバンプ頂点４１の最も反射光の光量が大きい領域があり、その前後ではバンプ影４２の暗い領域となる。従って、図７に示したような走査方向に対して、変調領域４０を例えばバンプ頂点４１を囲みその周辺を含む矩形領域と限定することが有効である。
【００４２】
そして、その変調領域４０においては前述の変調演算式を利用して変調するが、更にその変調領域４０内でも、影の部分４２とそれ以外の頂点の部分４１において変調式を変えることが有効である。
【００４３】
図８は、変調領域を拡大した図である。上記した変調領域４０内において前記した変調演算式を単純に適用すると、バンプ頂点部４１とバンプ影部４２との境界部分で検知光量が飽和してしまう。そこで、本発明では、バンプ頂点部４２を照射する前後には、非常に暗い影の部分４２がある点に着目し、変調領域４０内の影の部分４２に該当する領域４５では、一定の弱い照射強度Ｐ０を採用して走査を行い、バンプ頂点４１の領域では通常通り前述の変調演算により照射強度を変調する。また、バンプ影４２の外側の変調領域４４でも、通常通りの前述の変調演算を適用する。
【００４４】
図９は、上記の本発明にかかる変調方法を説明するための照射強度と検知光量との関係を示す図である。図８において、走査が上側から下に向かって行われるとする。その場合、変調領域４０内に入ると、最初の照射強度は、チップ内で最も反射率が高い部分に照射しても検知光量が光点位置検出素子であるＰＳＤの飽和レベルＢｓを越えない値Ｐ０に設定する。図９に示される通り、最も高い反射率Ｒｍａｘでも飽和レベルＢｓを越えないＰ０が選択される。この照射強度Ｐ０にすることで、例えバンプ頂点４１が最初に照射されてもＰＳＤが飽和することはない。そして、前の走査の検知光量が所定の閾値Ｂ０よりも低い場合は、バンプ影の領域４２であると判断して、次の照射強度もＰ０とする。従って、閾値Ｂ０は、バンプの影４２の部分からの反射光の検知光量よりも低い値にセットしておく。
【００４５】
その結果、図８の例で説明すると、領域４４では通常通り、前述した演算式により照射強度Ｐ（ｉ）が設定される。やがて、バンプ影の領域４５に達する。すると、検知光量Ｂ（ｉ）は閾値Ｂ０より低くなる。その結果、次の走査時の照射強度Ｐ（ｉ）は強制的にＰ０に設定される。その後、バンプ頂点の領域４１に達すると、その高い反射率により検知光量Ｂ（ｉ）も高くなる。但し、上記した通り、照射強度Ｐ０に対する検知光量Ｂ（ｉ）は決して飽和レベルＢｓより高くならないので上記の演算式におけるＢｎ（ｉ）が不定になることはない。バンプ頂点の領域４１内では、そのまま演算式に従って次の走査の照射強度が変調され、ＰＳＤはダイナミックレンジ内の検知光量で、その光点の位置を検出することができる。
【００４６】
バンプ頂点から反射した光がＰＳＤに結像したときの光点位置により、バンプ頂点の高さが検出される。
【００４７】
更に、変調領域４０以外の領域では、照射強度Ｐ（ｉ）を強制的にゼロにすることで、無駄な演算を行う必要がなくなり、より高さ検査工程の短縮化につながる。
【００４８】
上記した変調領域４０をバンプ２の位置に対して適切な位置に設定する為に、本発明では、照射光を走査すると共に半導体チップの表面パターンのデータを格納したＣＡＤデータを参照する。即ち、走査の開始点と走査のピッチは予め設定されているので、走査しているチップ上の位置は、高さ検出装置側で知ることができる。従って、ＣＡＤデータを参照することにより、バンプ２の近傍の所定の領域である変調領域４０を走査しているか否かを判定することができる。或いは、ＣＣＤカメラ等の撮像装置を利用して走査位置の画像とＣＡＤデータとを比較することにより、現在の走査位置を判別することができる。
【００４９】
従って、変調領域４０外の領域を走査しているときは、照射強度はゼロに設定する。そして、走査位置が変調領域４０に入ると初期値Ｐ０で走査を開始し、上記した変調演算式により次の照射強度が演算される。そして、検知光量がＢ０を下回るとその後は、再度照射強度をＰ０に設定し、検知光量がＢ０を下回る間は照射強度をＰ０に維持する。やがて、バンプ頂点の領域４１に走査位置が移動すると、その強烈な反射率により検知光量がＢ０を上回り、再度上記の変調演算式で次の照射強度が演算される。そして、再度バンプの影になると、検知光量がＢ０を下回り、その後の照射強度がＰ０に固定される。
【００５０】
以上の通り、本発明によれば、上記の変調演算式は、バンプの頂点のごく近傍領域４１でだけ利用されるので、光点位置検出素子の飽和を極力抑えることができる。また、バンプ頂点部４１の周辺の影の部分４２、４５では、照射光量がＰ０で走査が行われるので、バンプ頂点部４１の変調の初期値が常にＰ０と安定するので、頂点部４１内では上記演算式による変調を正常に行うことができる。
【００５１】
図１０は、本発明の実施の形態例の高さ検査装置の構造図である。この例では、バンプ２が形成された半導体チップ１が、Ｘ軸、Ｙ方向に移動可能なＸステージ８とＹステージ９とを有するステージ上に置かれている。そして、レーザー光源４からの照射光２２が、音響光学偏向器（Acousto-optic Deflector ）ＡＯＤ５、レンズ１０ｂ，１０ａ、そして対物レンズ６ａを介してチップ１の表面に照射される。図１０では、丁度バンプ２の頂点をレーザー光２２が照射している。
【００５２】
反射光２４は、対物レンズ６ｂ、結像レンズ１１を介して、光点位置検出素子のＰＳＤ７に結像する。ＰＳＤ７は、一般にライン方向の位置を検出するときは、左右の電極から検出される光電変換された電流値Ａ，Ｂの差に従って、光点の位置を検出する。また、電流値Ａ，Ｂの和によって検知光量が求められる。即ち、図１０内の高さ光量演算回路１９により、被検査物の高さと反射光の光量が求められる。５２はその求められた高さと光量のデータである。変調回路１７は、制御部５０からの変調指令信号５３に従い、上述した変調方法により次の走査の照射強度Ｐ（ｉ）を求める。
【００５３】
レーザー駆動回路１８は、変調回路１７により求められた照射強度Ｐ（ｉ）に従い、レーザー光源４を駆動する。１２はＣＣＤカメラであり結像レンズ１３、ハーフミラー１５、対物レンズ１６を介して走査中の被検査物のチップ１の表面の画像を取り込む。その取り込まれた画像データ５４が制御部５０に与えられる。
【００５４】
さて、上記した高さ検出装置の動作は以下の通りである。先ず、制御部５０からのステージ駆動信号５５によりＸ，Ｙステージが駆動され、適切な走査位置にチップ１を移動させる。その時のチップ１の表面画像がＣＣＤカメラで捉えられ、制御部５０に与えられる。制御部５０では、チップ表面のパターンを有するＣＡＤデータのファイル５１からＣＡＤデータを入力し、走査位置がバンプ２に対してどの位置にあるかを検出する。
【００５５】
そして、偏向領域以外であれば、照射強度を強制的にゼロにするよう、指令信号５３により変調回路に指示する。また、偏向領域に達すると、初期値として照射強度をＰ０にするよう指令信号５３により指示する。そして、レーザー駆動回路１８は、照射強度Ｐ（ｉ）に従う駆動信号によりレーザー光源４を駆動し、レーザー光が生成される。そして、制御部５０からの走査信号５６にしたがって偏向器５が駆動されて、照射レーザー光２２が水平方向に偏向され、チップ表面が走査される。
【００５６】
そして、その時の反射光２４がＰＳＤ７にの結像されて、高さが検出される。そこで、高さ光量演算回路１９により求められた高さのデータと、検知光量のデータ５２が制御部５０に与えられる。一方、変調回路では、検知光量が閾値Ｂ０よりも低いか否かの判断をし、閾値Ｂ０より高ければあるいは飽和レベルＢｓより低ければ、通常通り、上記した変調演算式に従って次の走査時の照射強度Ｐ（ｉ）を求める。また、検知光量が閾値Ｂ０より低いかあるいは飽和レベルＢｓより高いと強制的に次の照射強度がＰ０に設定される。即ち、
Ｐｎ＋１（ｉ）＝Ｐｎ（ｉ）×Ｂｔ／Ｂｎ（ｉ）（Ｂ０≦Ｂｎ（ｉ）≦Ｂｓ）
または、
Ｐｎ＋１（ｉ）＝Ｐ０（Ｂｎ（ｉ）＜Ｂ０，Ｂｎ（ｉ）＞Ｂｓ）
である。
【００５７】
この様な変調方法により、変調回路１７では次の走査の照射強度Ｐ（ｉ）をレーザー駆動回路１８に与える。無論、変調回路１７では、上記の演算式による演算を毎回行うことなく、予め作成しておいた演算式にしたがうルックアップテーブルを作成しておき、そのテーブル値を参照して求めてもよい。
【００５８】
図１１は、他の変調領域の例を示す図である。この例では、バンプ頂点の領域４１の回りの楕円形の領域を変調領域４０としている。変調領域４０が異なるが、上記の変調方法はそのまま適用される。変調領域４０の大きさは、バンプの大きさが小さかったり大きかったりしてその頂点の位置が変わると、バンプ頂点で反射する走査光の位置が変化するので、その程度の頂点の位置の変化が生じてもバンプ頂点４１が変調領域４０内に入る程度にすることが必要である。即ち、図４にて示した通り、バンプ頂点で反射する走査光は、バンプの大きさが小さくなると破線の通り異なる位置の走査光となる。
【００５９】
上記の実施の形態例では、主に半導体チップの表面のバンプ端子の高さを検出するときの照射光の変調方法について説明した。しかしながら、それ以外にも表面に凹凸があり、反射率の異なる領域が分布しているような被検出物にも同様に適用できる。特に、反射率が極めて高い領域と極めて低い領域とが隣接している場合には、反射率が低い領域では強制的に照射強度をＰ０に設定することで、反射率が高い領域との境界のところで、検知光量がＰＳＤ等の光点位置検出素子の飽和領域を越えて不定になることが防止される。そして、反射率が高い領域内では、前述の演算式等に従い、前回の走査時の検知光量にもとづき次の走査時の照射強度が決定されることで、最適な高さ検知を行うことができる。
【００６０】
［検出される高さの補正］
上記の実施の形態例では、バンプの表面形状に起因する反射光強度の変動に対応する入射光強度の変調を行うことで、高さ検査を行う。次に、バンプの表面形状が曲面であることに起因して生じる検出される高さの誤差を補正する方法について、以下に説明する。
【００６１】
図１２は、三角測量法の原理を説明する図である。三角測量法については、図４において概略説明した通りである。図１２に示される通り、左側から入射光である照射光２２が対物レンズ６ａを介して被測定表面６０，６１に照射される。そして、その被測定表面６０，６１で反射された反射光２４が、対物レンズ６ｂと結像レンズ１１を介して光点位置検出素子ＰＳＤの表面に結像する。被測定表面６０に対しては、光点位置は位置６２になるのに対して、被測定表面６１に対しては、光点位置は位置６３になる。被測定表面が６０より上に位置する場合は、光点位置は６２より高い側（High）になる。この様に、三角測量法では、原理的に被測定物を載置したステージのＺ軸方向の位置を固定して光路長を固定し、高さの違いに応じて光点位置検出素子ＰＳＤ上に結像する光点の位置の違いから、その高さを検出する。ステージのＺ軸方向の移動が伴わないので、照射光を音響光学偏向器等により走査させるだけで多数のバンプの高さを短時間で検査することができる。
【００６２】
ところが、バンプ表面形状が曲面であることから、様々な要因により検出される高さに誤差が発生する。例えば、三角測量法により高さを検査する場合に、最初に被検査物に対して光学系を合焦位置に調節し、その後は光学系を固定して上記の原理で高さを測定する。その場合、検査装置の光学系の合焦位置が被検査物の表面の前後にばらつく。その結果、バンプの頂点の高さを正確に検出することができない。
【００６３】
図１３及び図１４は、かかるバンプの高さ測定の問題点を説明する図である。図１３は、照射光２２がバンプ２の頂点位置に照射されている場合に、光学系が光点位置検出素子ＰＳＤに正確に合焦している状態（図１３（ａ））、光点位置検出素子ＰＳＤの後ろの位置６４に合焦している状態図（図１３（ｂ））、光点位置検出素子ＰＳＤの前の位置６５に合焦している状態図（図１３（ｃ））とを示す。
【００６４】
図１３（ａ）は、バンプ２の頂点で反射して光点が光点位置検出素子ＰＳＤで合焦する様に光学系が設定された場合である。図に示される通り、バンプ２の頂点で反射した反射光２４は、光点位置検出素子ＰＳＤの位置６２に合焦する。従って、検出される高さは、位置６２に対応する高さとなる。
【００６５】
一方、図１３（ｂ）の様に、光学系の合焦位置が光点位置検出素子ＰＳＤの後ろの位置６４の場合は、反射光２４は光点位置検出素子ＰＳＤの上には合焦しない。しかし、光点位置検出素子ＰＳＤは両端の端子から検出される信号ａ，ｂに対して、（ａ−ｂ）／（ａ＋ｂ）なる演算により光点像の重心位置を検出するので、この場合も、検出される高さは位置６２に対応する高さとなる。さらに、図１３（ｃ）の様に、光学系の合焦位置が光点位置検出素子ＰＳＤの前の位置６５の場合も同様に、検出される高さは位置６２に対応する高さとなる。
【００６６】
この様に、バンプ２の頂点で照射光２２が反射する場合は、この光が均等に反射するので、光学系の合焦位置のずれが発生しても正確な高さの検出が可能である。しかし、照射光２２がバンプ２の頂点からずれた位置で反射する場合は、光学系の合焦位置のずれに伴い、検出される高さに誤差が発生する。
【００６７】
図１４は、バンプ２の頂点からずれた位置６６で照射光２２が反射する場合を示す。図１３と同様に、図１４（ａ）は、光点位置検出素子ＰＳＤに合焦する様に光学系が設定された場合を示し、図１４（ｂ）は、光点位置検出素子ＰＳＤの後ろの位置６４に合焦する様に設定された場合を示し、そして、図１４（ｃ）は、光点位置検出素子ＰＳＤの前の位置６５に合焦する様に設定された場合を示す。バンプ２の頂点からずれた位置６６で照射光２２が反射する場合、特徴的なことは、反射光２４が光軸６９に対して均等ではなく下側に偏ることである。
【００６８】
図１４（ａ）の場合は、反射光２４は、光点位置検出素子ＰＳＤの位置６２に合焦する。上記の通り反射光２４が下側に偏っていても、その光点の重心位置は位置６２になり、検出される高さはその位置６２に対応する高さになる。ところが、図１４（ｂ）の後焦点の場合は、光点位置検出素子ＰＳＤ上に検出される光点の重心位置は図中の位置６７になる。その結果、検出される高さは、その位置６７に対応するより高い値になる。従って、バンプ２の位置６６は、頂点の位置よりも低いのにもかかわらず、検出される高さは、バンプ２の頂点より高い値になってしまう。このことは、照射光２２を走査して最も高い位置を頂点位置と判断する場合は、誤ったバンプ頂点高さを検出することを意味する。
【００６９】
また、図１４（ｃ）の前焦点の場合は、光点位置検出素子ＰＳＤ上に検出される光点の重心位置は図中の位置６８になる。その結果、検出される高さは、その位置６８に対応する低い値になる。
【００７０】
上記した通り、三角測量法により多数のバンプの高さを検出する場合は、一旦高さ検査装置の光学系を調節したあとは、その光学系を固定して光点位置検出素子ＰＳＤ上の光点位置により高さを検出する。従って、図１４（ｂ）の様に、光学系が後焦点位置に固定されると、頂点からずれた位置６６における高さが、常に高めに検出される。逆に、図１４（ｃ）の様に、光学系が前焦点位置に固定されると、頂点からずれた位置６６における高さが、常に低めに検出される。
【００７１】
図１４に示した問題を回避する手段として、光点位置検出素子ＰＳＤが出力する光点の光強度（信号ａ＋ｂ）が最も高い時に、バンプ頂点で照射光が反射していると判断し、そこでの高さ検出値を頂点の高さとする方法がある。この方法は、バンプ頂点で反射される場合は、位置６６のような傾斜がないので、反射側の光学系に捉えられる反射光の強度は、最も強くなることを利用する方法である。
【００７２】
図１５は、反射光の光強度を手がかりに頂点位置を検出する方法を説明する図である。図１５（ａ）の様に、バンプ２の頂点からずれた位置６６で照射光２２が反射する場合は、反射光２４が光軸６９の下側に偏るので、図１３（ａ）の場合よりも光点位置検出素子ＰＳＤが検出する光強度（信号ａ＋ｂ）は、少なくなる。従って、位置６６はバンプの頂点以外であると検出される。ところが、検査装置の光学系の光軸がずれている場合は、バンプ２の頂点以外の位置で照射光が反射する時に、光点位置検出素子ＰＳＤが検出する光強度が最大になることがある。図１５（ｂ）は、反射側の光学系の光軸７０が、本来の光軸６９より下側にずれている場合を示す。この場合は、バンプ２の頂点以外の位置６６で反射した反射光２４は、光軸７０に対して均等になるので、光点位置検出素子ＰＳＤが検出する光強度（信号ａ＋ｂ）は、最大となる。従って、位置６６を頂点と誤認して、その位置６６の高さの測定が行われることになる。
【００７３】
上記の様に、反射側の光学系の光軸ずれが存在する時は、光点位置検出素子ＰＳＤの検出する光点の光強度が最大の位置を頂点として高さ検査を行う場合に、常に頂点より低い位置の高さが検出される傾向を持つことになる。
【００７４】
そこで、本実施の形態例の高さ検査装置は、三角測量法による高速の高さ検査装置に加えて、補正用の高さ検査部を追加する。高さ検査装置により基準被検査物について検出される高さの値Ｘ（第二の補正用高さ値）と補正用の高さ検査部により同じ基準被検査物について検出される高さの値Ｙ（第一の補正用高さ値）との相関関係から、補正用の変換関数を求める。そして、実際のバンプの高さ測定を行う時に、三角測量法による高速の高さ検査装置からの検出出力Ｘ（測定用高さ値）を変換関数に従って補正された値Ｙ（補正済み高さ値）に変換する。補正用の高さ検査部では、バンプの曲面形状によって検出高さに誤差が発生しない測定方法が採用される。例えば、ステージをＺ軸方向に移動して光路長を変えて合焦位置を検出することにより、その時の光路長からバンプの高さを検出する方法等である。
【００７５】
図１６は、本実施の形態例の高さ検査装置の構成を示す図である。この例では、図１０にて示した三角測量法による高さ検査装置１００に、補正用の高さ検査部２００を付加する。そして、Ｘステージ８上のＹステージ９を矢印７４の如く移動させることにより、同じチップ１上のバンプ２を高さ検査装置１００で測定することもできれば、補正用高さ検査部２００によりその高さを検査することもできる。補正用高さ検査部２００では、被測定物の垂直方向（Ｚ軸方向）の位置を変化させて、合焦位置にある光路長から被測定物の高さを測定することをその基本原理とする。従って、Ｚステージ７０は垂直方向に移動可能であり、Ｚステージ７０には、スケール７２とその目盛りを読みとるエンコーダ７３とが設けられる。
【００７６】
三角測量法による高さ検査装置１００は、図１０で示したものと同等であり、対応する部分には同じ引用番号を付している。即ち、レーザーダイオード４からの照射光が、音響光学偏向器ＡＯＤにより偏向走査され、レンズ１０ｂ，１０ａさらに対物レンズ６ａを介して被測定物のバンプ２に照射される。その反射光は、対物レンズ６ｂと結像レンズ１１を介して、光点位置検出素子ＰＳＤに結像する。１９は、光点位置検出素子ＰＳＤからの信号ａ，ｂを受信し、光点位置に対応した信号から高さを演算する高さ演算部である。
【００７７】
一方、補正用の高さ検査部２００では、光源１８からの照明光をハーフミラー８２を介して被測定物であるバンプ２に照射する。その反射光がハーフミラー８２を通過し結像レンズ８３を通過して、ＣＣＤなどの撮像素子８４に撮像される。高さ演算手段８５は、Ｚステージ７０を垂直方向に移動させながら、被検査物の表面が合焦位置になる様に制御する。合焦位置か否かは、例えば撮像素子８４上の光点が最も小さくなる（シャープになる）か否かにより判断される。そして、合焦位置になった時のＺステージの位置をエンコーダ７３からスケール７２を読む。このＺ値を基準のＺ値と比較して、被測定物のバンプ頂点の高さを測定することができる。
【００７８】
上記の通り、補正用の高さ検査部２００では、光路長を変化させて合焦位置を求め、その光路長から被測定物の高さを検出するので、バンプの曲面形状に依存せず正確に高さを測定することができる。但し、Ｚステージを移動させる必要があるので、その測定時間は長くなる。
【００７９】
図１７は、図１６の高さ測定装置を利用して測定する時のフローチャート図である。まず最初に、三角測量法による高さ検査装置１００側の光学系を合焦位置に調節する（Ｓ１０）。即ち、被測定物で反射した反射光が、光点位置検出素子ＰＳＤの表面上に合焦する様に、光学系のレンズの位置やＺステージ７０の位置等を調整する。その結果、光学系は合焦位置または若干前焦点または後焦点の位置に設定される。
【００８０】
そこで、矢印７４の右方向にＹステージ９を移動して、被測定物のバンプ２を補正用の高さ検査部２００の下に置く。そこで、Ｚステージを垂直方向に移動させながら、撮像素子８４が撮像する光点像が最もシャープまたは小さくなる位置を見つける。その時のＺ値から、バンプ２の高さＹを高さ演算手段８５にて演算して求める（Ｓ１２）。この高さＹは、複数のバンプに対して求める。その求めた高さＹは、高さ結果格納用メモリ８８に格納される。
【００８１】
今度は、矢印７４の左方向にＹステージ９を移動させ、高さ検査装置１００にて、同じ被測定物の複数のバンプ２の高さＸを測定する（Ｓ１４）。この時、光学系の合焦位置はステップＳ１０で調整したままである。その測定結果Ｘは、高さ結果格納メモリ８７に格納される。
【００８２】
図１６において、破線部８６は、例えばマイクロコンピュータ若しくはパーソナルコンピュータにより構成される高さ演算部である。高さ演算部８６では、両方の検査装置１００，２００により検出された高さＹ、Ｘの値をメモリ８８，８７から読み出し、高さデータ補正手段８９により高さＸとＹとの関係が求められる。複数のバンプに対する高さＸとＹとの分布から、例えば最小二乗近似法により両値の関係式が求められる。
【００８３】
図１８は、最小二乗近似法によりＹ＝ａＸ＋ｂの一次関数の関係式が求められる例である。測定系の測定値Ｘと補正系の測定値Ｙとをプロットし、その分布から近似される関係式が求められる。図１９は、更に最小二乗近似法により
Ｙ＝ａ_nＸⁿ＋ａ_n-1Ｘ^n-1＋... ＋ａ₀Ｘ＋ｂ
の多次元関数が求められる例である。上記した通り、高さ検査装置１００側の光学系が一旦調節されると、その光学系において検出される高さＸの誤差は一定の傾向を持つ。従って、図１８，１９の様に、両値Ｘ、Ｙの分布から一定の関係式が求められる（Ｓ１６）。この関係式は、変換関数または変換テーブルとしてメモリ９０内に格納される。
【００８４】
その後、複数の被測定用のチップ１に対して、高さ検査装置１００側でバンプ２の高さの測定が上記した三角測量法により行われる（Ｓ１８）。高さ演算手段１９にて光点位置検出素子ＰＳＤからの信号から演算された高さ値Ｘは、高さ補正手段９１にて、上記した変換関数または変換テーブルに従って補正された値Ｙに変換され、補正された高さ値９２として出力される（Ｓ２０）。上記ステップＳ１８とＳ２０が、全ての被測定物のチップの測定が終了するまで行われる（Ｓ２２）。
【００８５】
一旦、高さ検査装置１００の光学系が再調整されると、再度上記の工程Ｓ１０２〜Ｓ１６を行って、新たな変換関数が求められる。そして、その後の測定は、新たに求めた変換関数に従って補正演算される。
【００８６】
上記の例では、測定値ＸとＹとの関係から変換関数を求めたが、図２０のような測定値と補正値とのテーブルを生成して、メモリ９０内に格納してもよい。その場合は、高さ補正手段９１では、テーブルの値から直線補間やスプライン補間などにより補正された値Ｙを求める必要がある。
【００８７】
図２１は、本実施の形態例の高さ検査装置の他の例を示す図である。図１６の高さ検査装置と同じ部分には同じ引用番号を付した。この例では、測定系の高さ検査装置１００は、図１６と同じである。図１６に示された補正系の高さ測定部２００は、被測定物からの反射光の光点が最も小さくまたはシャープになる位置を合焦位置として検出した。これに対し、図２１の例の補正系の高さ測定部２００では、被測定物からの反射光をハーフミラー９６で反射し、結像レンズ９７とスリット９５を通過した反射光の光量を光量検出手段９４で監視する。
【００８８】
バンプ２で反射した反射光がスリット９５で合焦する時に、光量検出手段９４は最大の光量を検出する。一方、反射光がスリット９５の前方または後方で合焦する時には、スリット９５を通過する反射光の光量が減少するので、光量検出手段９４は、少ない光量を検出する。従って、Ｚステージ７０を垂直方向に移動させながら光量検出手段９４の出力がピーク値になる時のＺ値を、エンコーダ７３によりスケール７２を読みとることで、合焦状態のＺ値を得ることができる。そのＺ値から補正用の高さ検出値Ｙが得られる。
【００８９】
図２１に示した補正系の高さ検査部２００においても、Ｚステージを移動させて光路長を変化させ、合焦位置を検出して、被測定物の高さを検出する。即ち、原理的には図１６の補正系の高さ検査部２００と同じである。
【００９０】
図２２は、更に、本実施の形態例の高さ検査装置の他の例を示す図である。図１６及び図２１の高さ検査装置と同じ部分には同じ引用番号を付した。この例では、測定系の高さ検査装置１００は、図１６、２１と同じである。図２２の例での補正系の高さ検査部２００では、図２１のスリットの代わりにナイフエッジ９８を設け、更に、光量検出手段の代わりに２分割フォトダイオード９９が設けられる。ナイフエッジ９８は、反射光の上部半分を遮断する位置に設けられる。従って、反射光がナイフエッジ９８の位置で合焦する場合は、ほぼ全ての反射光がシャープに２分割フォトダイオード９９の真ん中に結像する。一方、反射光がナイフエッジ９８の前後で合焦する場合は、その反射光の上半分がナイフエッジ９８で遮断される。従って、２分割フォトダイオード９９の下側のフォトダイオードに光点の重心が移動する。
【００９１】
この様に、２分割フォトダイオード９９からの信号ａ−ｂを監視すると、ａ−ｂ＝０の時に、合焦位置にあることが検出される。従って、Ｚステージを垂直方向に移動させながら、２分割フォトダイオード９９からの信号ａ−ｂを監視して、その信号ａ−ｂ＝０になるＺ値を検出することで、合焦位置でのＺ値を求めることができる。従って、図２２の場合も、光路長を変化させて合焦位置を検出することで、高さを測定するという原理は、図１６，２１の場合と同じである。
【００９２】
図２３は、更に、本実施の形態例の高さ検査装置の他の例を示す図である。図１６及び図２１，２２の高さ検査装置と同じ部分には同じ引用番号を付した。この例では、測定系の高さ検査装置１００は、図１６らと同じである。
【００９３】
この例の補正系の高さ検査部２００では、光の干渉を利用した光路長測定を原理とする。レーザ光などの光源８１から投光された光は、ハーフミラー８２で反射され被測定物であるバンプ２に投光される。また、ハーフミラー８２を透過した光は参照路レンズ１０３を通過して参照ミラー１０２で反射する。それぞれ、被測定物と参照ミラーとで反射したレーザ光が、再度ハーフミラー８２で合成される。被測定物２で反射したレーザ光と参照ミラー１０２で反射したレーザ光とでは、光路長の違いによりハーフミラー８２の位置ではそれぞれの位相を持つ。従って、この合成によりそれぞれのレーザ光が干渉し、ビート信号が生成される。この干渉により生成される干渉縞が、撮像素子８４により検出され、干渉縞の大きさにより、被測定物までの光路長を検出することができる。従って、この例では、ＺステージのＺ値を検出するエンコーダやスケールは必要がない。
【００９４】
［音響光学偏向器の非点収差の除去］
上記の通り、バンプの表面形状が球面であることに伴う照射光の強度の問題、検出高さの誤差の問題が解決された。本発明では、ＬＳＩチップ上の多数のバンプの高さを検出するために、三角測量法を利用し、ＬＳＩチップ上を照射光が走査し、その反射光が光点位置検出素子ＰＳＤ上に結像した光点の位置から高さを求める。その場合、物理的な駆動を伴わずに照射光を高速に走査する為に音響光学偏向器が利用される。
【００９５】
図２４は、かかる音響光学偏向器（Acousto-optic Deflector 、以下ＡＯＤと称する）を示す図である。ＡＯＤ１２２は、音波の伝播によって引き起こされる歪みの影響により屈折率変化が誘起される結晶であり、音波の周波数に依存して屈折率が変化するのを利用して、光の高速走査に利用される。図２４に示される通り、鋸歯状の波形の電圧Ｖinを電圧制御発振回路（ＶＣＯ）１２０に与え、生成される信号の周波数をｆ₁からｆ_nまで変化させる。その周波数信号をＡＯＤ１２２に与えることで、レーザ光１１０の屈折率が時間経過と共に変化し、レーザ光は走査方向ＳＣＡＮの方向に走査される。
【００９６】
入射するレーザ光１１０は平行光であるが、ＡＯＤ１２２から屈折して出ていくレーザ光はある広がりを持つ光となる。高速に走査するために周波数を高速に変化させると、レーザ光１１０のスポット径の両端では、印加される音波の周波数が厳密には異なるので、スポット径の両端での屈折率が異なることが原因である。しかも、このレーザ光１１０の広がりは、走査方向ＳＣＡＮの方向にのみ発生し、図２４の紙面に垂直な方向には発生しない。これを、本明細書ではＡＯＤのシリンドリカルレンズ効果と称する。
【００９７】
図２５は、音響光学偏向器の非点収差を説明する図である。上記した通り、ＡＯＤ１２２で屈折したレーザ光は、シリンドリカルレンズ効果により、走査方向の光１２６は広がりを持ち、走査方向と垂直な方向の光１２４は平行のままである。従って、光学系１２９を通過すると、走査方向に垂直な光１２４の合焦点１２５と走査方向の光１２６の合焦点１２７とが異なる位置になる。この両合焦点１２５と１２６との差１２８が非点収差と呼ばれる。かかる非点収差の存在は、レーザ光を被測定物であるバンプ表面に合焦させ、その反射光の光点の位置から高さを検出する方法においては、精密な高さ検出の妨げとなる。
【００９８】
図２６は、ＡＯＤのシリンドリカルレンズ効果をなくす為の照射光学系の構成例を示す図である。ＯＡＤ１２２の屈折光側にシリンドリカルレンズ１３０を挿入することにより、走査方向に広がった屈折光を平行光に戻すことができる。図中、４はレーザ光源、１０ａ、１０ｂはリレーレンズ、６ａは対物レンズである。被測定物であるサンプル１３１の表面に、レーザ光が合焦する状態で、等速度でＸ方向に走査されることが望まれる。
【００９９】
図２６の様にシリンドリカルレンズ１３０を挿入することで、走査周波数の変化に伴うＡＯＤの静的なシリンドリカルレンズ効果は、多少除去することができる。しかしながら、ＡＯＤの特性は、それに供給される周波数信号を生成する電圧発振回路の周波数特性の歪みによる動的なシリンドリカルレンズ効果も含まれる。
【０１００】
図２７は、電圧発振回路の特性歪みによる動的なシリンドリカルレンズ効果を説明する図である。電圧発振回路１２０に鋸歯状の電圧Ｖ_inを印加することで、レーザ光をＡＯＤ１２２で屈折させ、その屈折光にシリンドリカルレンズ１３０を通過させることで、静的なシリンドリカルレンズ効果は一応除かれる。しかし、電圧発振回路１２０の特性歪みにより、入力電圧Ｖ_inのリニアな変化に対して出力周波数の変化はリニアではなく歪んでいる。従って、光学系１２９を通過すると、走査位置によりサンプル１３１上で合焦する場合があれば、それより例えば前で合焦する場合もある。図２７には、走査方向の光についての合焦位置１３４，１３５，１３６が示されている。この例では、サンプル１３１の走査開始位置では合焦点１３４と前焦点になっている。更に、サンプル１３１の走査中央位置では合焦点１３５はちょうどサンプル表面上に一致する。そして、サンプル１３１の走査終了位置では合焦点１３６と再び前焦点になっている。
【０１０１】
図２８は、電圧発振回路１２０の入力電圧Ｖinに対する出力の周波数特性例を示す図である。この例では、実線がその周波数特性であり、入力電圧Ｖinが低い領域と高い領域では、周波数の変化率が低下し、入力電圧Ｖinが中央付近の領域では、周波数の変化率が高くなっている。理想的には、入力電圧Ｖinのリニアな変化に対して、周波数もリニアに変化する破線の特性が望ましい。しかしながら、一般に電圧発振回路は、図２８の如く歪んだ特性となる。この歪み特性は一例である。
【０１０２】
図２８の様に、電圧発振回路１２０の出力周波数の特性に歪みがあることで、図２７で説明した様な走査位置によって合焦点の位置が異なる現象が発生する。即ち、入力電圧Ｖinが高い領域と低い領域とは、図２８の特性図では、出力周波数が低い領域と高い領域に対応する。その時に、両領域において周波数の変化が遅いことに伴い、図２４で説明した走査方向の光の広がりが小さくなる。一方、入力電圧Ｖinが中央の領域では出力周波数の変化が早く、図２４で説明した走査方向の光の広がりは大きくなる。同じレーザ光のスポット径であっても、周波数の変化が遅い場合は両端での周波数の違いが小さく、その分光の広がりが小さくなり、周波数の変化が早い場合は両端での周波数の違いが大きくなり、その分光の広がりが大きくなるからである。従って、図２７の様に、レーザ光の走査の中央部で合焦点１３５がサンプル１３１上にあるとすると、走査の開始と終了のところでは前焦点１３４，１３６となる。
【０１０３】
上記の電圧発振回路の歪み特性による動的なシリンドリカルレンズ効果は、例えばその回路の特性に応じて、出力の周波数の変化が一定になる様に入力電圧Ｖinを歪んで与えれば良い。しかしながら、電圧発振回路の特性は、それぞれ異なるので、検査装置毎に特性に併せて入力電圧Ｖinの変化曲線を生成する必要がある。
【０１０４】
更に、シリンドリカルレンズ１３０自体も公差を有するので、単にＡＯＤ１２２の後方にシリンドリカルレンズ１３０を挿入しても完全に静的なシリンドリカルレンズ効果を除去することはできない。また、光学系の公差も検査装置それぞれで異なるので、それによる誤差も除去することが望まれる。
【０１０５】
最も理想的には、ＡＯＤ１２２の後方にシリンドリカルレンズ１３０を挿入して、且つ入力電圧Ｖinを最適の掃引波形にすることで、レーザ光がサンプル上を等速で移動し且つ全走査領域でサンプル上に非点収差ゼロで合焦する走査を実現することにある。そのための方法について、以下に説明する。
【０１０６】
図２９は、レーザ光の走査における時間と入力電圧、回折角、非点収差、走査位置及び走査速度との関係を示す図である。図２９（ａ）の様に、入力電圧Ｖinの掃引波形がリニアな場合は、ＡＯＤによる回折角の変化は図２９（ｂ）の実線の通りになる。即ち、走査開始の時間ｔ０では回折角の変化が遅く、中央の時間ｔ１では回折角の変化が早く、更に、走査終了の時間ｔ２では回折角の変化が遅くなる。それに伴い、図２９（ｄ）に示される通り、走査位置は実線の様に歪んみ、走査速度は最初と最後が遅く、中央のｔ１で早くなる。それに伴い、非点収差は、図２９（ｃ）に示した通りに、両端で小さく中央で大きくなる。
【０１０７】
図３０は、走査速度と非点収差との関係を示す図である。上記した通り、走査速度が高いと非点収差は大きくなり、走査速度が低いと非点収差は小さくなる。図３０にて、縦軸はシリンドリカルレンズが挿入されない場合の非点収差と、挿入された場合の非点収差とを示す。シリンドリカルレンズが挿入されることで、ある速度ｖ₀において走査方向の光は非点収差がゼロになる。従って、この速度ｖ₀が全走査範囲で実現されれば、走査範囲全域で非点収差ゼロを実現することができるはずである。
【０１０８】
図３１は、理想的な入力電圧Ｖ_inの掃引電圧曲線を設定して高さ検出を行うフローチャート図である。本実施の形態例のフローチャートでは、電圧発振回路に与える電圧を任意に制御できる様にすると共に、走査光の反射した光の光量（光強度）を検出することで、光学系に固有の最適な走査速度ｖ₀と、その速度で一定して走査する為の入力電圧Ｖ_inの掃引電圧曲線を求める。それを行う為に、図３２に示す２種類の設定用サンプルが利用される。設定用サンプル１４０は照射光の走査方向であるＸ軸に垂直なＹ軸方向に反射率が低い領域（斜線部分）と高い領域のパターンが形成される。このパターンは、例えばシリコン基板（反射率小、斜線部分）とその表面に形成したアルミニウム層（反射率大）から構成される。また、設定用サンプル１４２は、照射光の走査方向（Ｘ軸方向）に同様の反射率が低い領域（斜線部分）と高い領域のパターンが形成される。
【０１０９】
図３１に示される通り、第一段階としてサンプル１４０に対して、シリンドリカルレンズ１３０の非曲面方向にレーザ光を走査して、光学系に固有の合焦点位置を検出する（ステップＳ３０）。図３３は、このステップＳ３０の光学系の合焦位置を検出する方法を説明する図である。図３３（ａ）に示される通り、電圧発振回路に与える入力電圧Ｖ_inを一定にし、レーザ光の走査をサンプル１４０の中央で止めた状態を維持する。そして、ステージを図中Ｙ軸方向に等速度で移動し、その時の反射光の光量（光強度）をＰＳＤやフォトダイオードでモニタする。その時に観測される光量と時間との関係は、図３３（ｂ）に示される通りであり、サンプル１４０のパターン境界の部分で光量が立ち上がる。その場合、ステージのＺ軸方向を変化させたりレンズ位置を変化させたりして光路長を変化させて、光量の立ち上がり時間ｔｒが最も短い位置を検出する。その位置が、合焦点上にサンプルが位置している状態である。図３３（ｂ）の破線は、合焦点位置にない状態の時の光量波形であり、実線は合焦点位置にある状態の時の波形である。
【０１１０】
次に、第二段階として、ＡＯＤで偏向された光の走査方向の焦点がステップＳ３０で求めた合焦点位置に一致する走査速度を求める。即ち、非点収差ゼロになる走査速度ｖ₀（図３０参照）を求める工程である。
【０１１１】
図３４は、その第二段階の非点収差ゼロの走査速度ｖ₀を検出する工程を説明する図である。まず、サンプル１４２を上記のステップＳ３０で求めた合焦位置に置いて、図３４（ａ）に示される通り、電圧発振回路の入力電圧Ｖ_inをリニアに変化させレーザ光をサンプル１４２上のＸ軸方向に走査する。更に、入力電圧Ｖ_inは、図３４（ｂ）に示される通りその変化率をｖ₁、ｖ₂、ｖ₃の如く変化させて、その時に検出される反射光の光量を図３４（ｃ）の如く検出する。実線ｖ₂で示された様な、光量の立ち上がり時間が最短になる時の電圧Ｖ_inの変化率ｖ₂を求める。この変化率ｖ₂で入力電圧Ｖ_inを与えた時に、サンプル１４２の中央のパターンエッジの位置で非点収差がゼロになっていることが理解される。
【０１１２】
図３４（ｂ）の様にリニアに変化する入力電圧Ｖ_inの場合は、図３４（ｄ）に示される通りレーザ光の走査速度は、電圧発振回路の特性歪みにより走査の中央ｔ１で大きく、最初ｔ０と最後ｔ２で小さくなる。従って、図３４（ｂ）の様に入力電圧Ｖ_inの変化率を変えると、走査速度は図３４（ｄ）に示される様に上下に変化する。
【０１１３】
従って、パターンのエッジに対応する走査領域の中央の時間ｔ１における実線の走査速度が、非点収差ゼロになる理想的な走査速度ｖ₀である。以上の第二段階の工程は、図３１のフローチャートのステップＳ３２，Ｓ３４，Ｓ３６に対応する。この段階では、理想的な走査速度ｖ₀をパターンエッジの位置で実現できる入力電圧Ｖ_inの変化率ｖ₁が判明したことになる。
【０１１４】
次に、第三回段階として、上記第二段階で非点収差がゼロの時の理想的な走査速度を求める。第二段階で求められた入力電圧Ｖ_inの変化率ｖ₁を維持してレーザ光を走査しながら、サンプル１４２を走査方向にΔｘだけ移動する。この時、図３４（ｃ）の如き反射光の光量（強度）の立ち上がり時刻の変化Δｔを求める。その結果、非点収差ゼロの走査速度ｖ₀が、ｖ₀＝Δｘ／Δｔとして求められる（Ｓ３８）。
【０１１５】
そして、第四段階として、走査線上の全ての位置で上記理想的な走査速度ｖ₀となるような入力電圧Ｖ_inの掃引波形を求める（Ｓ４０）。具体的な手法は種々考えられる。図３５は、その一例を説明する為の図である。図３５（ｂ）に示される通り、電圧発振回路の入力電圧Ｖ_inを実線１４４の様に直線的に変化させると、その走査位置は、図３５（ａ）の実線１４６に示される様に歪むことが明らかである。この走査位置の検出は、例えば、サンプル１５２のエッジ位置を走査方向（Ｘ軸方向）の複数の既知の位置に移動して、反射光の光量が立ち上がる時間をプロットすることにより簡単に求めることができる。
【０１１６】
そこで、図３５（ａ）に示される実線１４６の走査位置を、破線１４７の如く直線的に変化する様にすることで、全走査範囲で理想の走査速度ｖ₀を実現することができる。従って、実線１４６の走査位置を破線１４７の走査位置に変更できる様に、入力電圧Ｖ_inを変更する。その変更した時間毎の入力電圧ｖ_inをプロットすると、図３５（ｂ）の破線に示される理想的な掃引曲線１４５が求められる。
【０１１７】
従って、入力電圧Ｖ_inを理想的な掃引曲線１４５で電圧発振回路に与えることで、走査領域全域にわたり非点収差ゼロになる走査速度ｖ₀での走査を実現することができる。以上の４つの段階を経て、入力電圧Ｖ_inの初期設定が終了する。この初期設定により求められた入力電圧Ｖ_inの掃引曲線は、光学系の公差、シリンドリカルレンズの公差、電圧発振回路の固有の特性を全て考慮して全走査領域で非点収差がゼロになる曲線である。また、等速度の走査が実現される掃引曲線である。従って、高さ検出装置としては、単に、サンプル１４０と１４２を走査してその時の反射光の光量の変化を観測することにより、理想的な入力電圧Ｖｉｎの掃引曲線を求めることができる。
【０１１８】
そこで、図３１のステップＳ４２乃至Ｓ４６に示される通り、被測定物のサンプルをステージに載せて、上記第一段階で求めた合焦位置の光学系の状態で、上記第四段階で求めた入力電圧Ｖ_inの掃引曲線によりレーザ光を走査し、三角測量法によりサンプルの高さを検出する。この高さ検出は、全ての検査すべきサンプルの検査が終了するまで行われる。この高さ検出工程においては、既に述べた通り、レーザ素子の駆動信号を最適に変調し、検出される光点位置検出素子ＰＳＤの出力を補正することで、より精度の高い高さ検出を行うことができる。
【０１１９】
図３６は、上記した理想的な入力電圧Ｖ_inの掃引曲線を求める為の検査装置の構成例を示す図である。この構成例では、レーザ光源４からのレーザ光がＡＯＤ１２２により偏向され、シリンドリカルレンズ１３０及び走査側の光学系１５０を経由してステージ１５２上のサンプルに照射される。電圧発振回路１２０に与えられる入力電圧Ｖ_inを掃引することにより、レーザ光がステージ１５２上のサンプル上を走査される。受光光学系１５４を経由した反射光は、光センサ１５６でその光量が検出される。光センサ１５６は、例えば光点位置検出素子ＰＳＤで良く、その出力信号の和（ａ＋ｂ）が光量（光強度）である。また、フォトダイオードでもよい。検出された光量は、Ａ／Ｄ変換回路１５８でデジタル値に変換され、ＣＰＵ１６０に供給される。
【０１２０】
ＣＰＵ１６０は、メモリ１６２やディスプレイ１６４に接続される。更に、ＣＰＵ１６０は、レーザ光源の駆動信号１７５をＤ／Ａ変換回路１６８を介してレーザドライバ１７０に与える。また、ＣＰＵ１６０は、電圧発振回路１２０の入力電圧値の信号１７６を与える。更に、ステージコントローラ１７２にステージ駆動命令信号１７７を与える。ステージコントローラ１７２によりステージドライバ１７４が駆動され、ステージ１５２に駆動される。
【０１２１】
図３６に示した検査装置であれば、電圧発振回路１２０への入力電圧Ｖ_inをＣＰＵ１６０により任意に変化させ、その時に検出される光量を監視することができる。また、ステージ１５２を任意の位置、方向に移動させながら、検出される光量を監視することができる。
【０１２２】
更に、補正パターンとして全走査領域で均一な反射率を有するパターンを加え、その均一なパターン上を走査した時の反射光の光量を観察し、光量にむらがあればそれを打ち消す様にレーザ駆動信号を変調することが好ましい。その結果、ＡＯＤの透過率特性、光学系の視野特性、サンプルの反射特性に起因する反射強度のむら等を補正することができる。
【０１２３】
上記した音響光学偏向器が有するシリンドリカルレンズ効果に起因して発生する非点収差を除去した状態で、被測定資料のバンプ付きＬＳＩチップの表面を等速で走査することができる。従って、高速に走査させても精度の高い高さ検査を行うことができる。
【０１２４】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明によれば、半導体チップ等の表面に形成されたバンプの頂点部の照射強度の変調を高速にかつ正確に行うことができる。従って、バンプの高さ検査工程を高速にかつ精度良く行うことができる。
【０１２５】
更に、半導体チップ以外の被検査物であっても、同様に高速で高精度にその高さ検査を行うことができる。
【０１２６】
更に、本発明によれば、バンプ等の表面形状が曲面であることに伴う高さ検出値の誤差を適切に補正することができるので、より正確な高さの検出を行うことができる。
【０１２７】
更に、本発明によれば、被検査資料の表面を、非点収差がなく等速で照射光を走査することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】半導体チップの表面に形成されたバンプ端子を示す斜視図である。
【図２】バンプ端子が形成されている半導体チップ１の部分断面図である。
【図３】バンプに対してレーザー光を走査してバンプの高さを検出する方法を説明する平面図である。
【図４】バンプに対してレーザー光を走査してバンプの高さを検出する方法を説明する側面図である。
【図５】照射光の強度とＰＳＤが検知する光量との関係を示すグラフ図である。
【図６】変調方法を説明する為の図である。
【図７】バンプ２近傍での反射光の光量の分布を示す図である。
【図８】変調領域を拡大した図である。
【図９】本発明にかかる変調方法を説明するための照射強度と検知光量との関係を示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態例の高さ検査装置の構造図である。
【図１１】他の変調領域の例を示す図である。
【図１２】三角測量法の原理を説明する図である
【図１３】バンプの高さ測定の問題点を説明する図である。
【図１４】バンプの高さ測定の問題点を説明する図である。
【図１５】バンプの高さ測定の問題点を説明する図である。
【図１６】本実施の形態例の高さ検査装置の構成を示す図である。
【図１７】図１６の高さ測定装置を利用して測定する時のフローチャート図である。
【図１８】補正用変換関数の例を示す図である。
【図１９】補正用変換関数の例を示す図である。
【図２０】補正用テーブルの例を示す図である。
【図２１】本実施の形態例の高さ検査装置の他の例を示す図である。
【図２２】本実施の形態例の高さ検査装置の他の例を示す図である。
【図２３】本実施の形態例の高さ検査装置の他の例を示す図である。
【図２４】音響光学偏向器を示す図である。
【図２５】音響光学偏向器の非点収差を説明する図である。
【図２６】ＡＯＤのシリンドリカルレンズ効果をなくす為の照射光学系の構成例を示す図である。
【図２７】電圧発振回路の特性歪みによる動的なシリンドリカルレンズ効果を説明する図である。
【図２８】電圧発振回路の入力電圧Ｖinに対する出力の周波数特性例を示す図である。
【図２９】レーザ光の走査における時間と入力電圧、回折角、非点収差、走査位置及び走査速度との関係を示す図である。
【図３０】走査速度と非点収差との関係を示す図である。
【図３１】理想的な入力電圧Ｖ_inの掃引電圧曲線を設定して高さ検出を行うフローチャート図である。
【図３２】２種類のサンプルを示す図である。
【図３３】光学系の合焦位置を検出する方法を説明する図である。
【図３４】非点収差ゼロの走査速度ｖ₀を検出する工程を説明する図である。
【図３５】入力電圧Ｖ_inの掃引波形を求める方法の例を説明する為の図である。
【図３６】理想的な入力電圧Ｖ_inの掃引曲線を求める為の検査装置の構成例を示す図である。
【符号の説明】
１半導体チップ
２バンプ端子
４レーザー光源
５、１２２音響光学偏向器、ＯＡＤ
６対物レンズ
７ＰＳＤ、光点位置検出素子
８、９ステージ
１２ＣＣＤカメラ
１７変調回路
１８レーザー駆動回路
４０変調領域
４１バンプ頂点領域
４２バンプ影領域
５０制御部
５１ＣＡＤデータ
１２０駆動回路、電圧発振回路
１３０シリンドリカルレンズ

Claims

反射率の異なる領域を有する被検査物の表面に所定の強度の入射光を走査し、その表面からの反射光を光点位置検出手段に結像させ、その結像した光点位置から前記表面の高さを検知する高さ検査方法において、
前記入射光による走査を一定方向にずらしながら繰り返し行い、
反射率の高い第一の領域を囲むその周辺の反射率の低い第二の領域では、当該第一の領域での高い反射率でも前記光点位置検出手段が飽和しない程度の低い第一の入射光強度で走査を行う工程と、
その後、該反射光の結像光の光量が所定の閾値を越えたことを検知した後の前記第一の領域では、直前の走査時の入射光強度Ｐｎ（ｉ）とその時の前記反射光の検知光量Ｂｎ（ｉ）から、式、Ｐｎ＋１（ｉ）＝Ｐｎ（ｉ）×Ｂｔ／Ｂｎ（ｉ）、（但し、Ｂｔは前記光点位置検査手段のダイナミックレンジ内の所定値，ｎは主走査位置）に従って演算される第二の入射光強度で走査を行う工程とを有し，
前記被検査物は、基板表面に設けられ略球状の形状をしたバンプ端子を有し、前記第一の領域は該バンプ端子の頂上近傍であり、該第二の領域は当該バンプ頂上近傍を囲む周囲の領域であることを特徴とする高さ検査方法。
請求項１に記載の高さ検査方法において、前記第一及び第二の領域以外の領域では、前記入射光強度をゼロにして走査を行うことを特徴とする高さ検査方法。
請求項１または２に記載の高さ検査方法において、前記閾値は、前記第二の領域における前記第一の入射光強度に対する検知光量よりも高い値に設定されていることを特徴とする高さ検査方法。
反射率の異なる領域を有する被検査物の表面に所定の強度の入射光を走査し、その表面からの反射光を光点位置検出手段に結像させ、その結像した光点位置から前記表面の高さを検知する高さ検査装置において、
前記入射光を生成する発光手段と、
該発光手段を駆動する発光駆動手段と、
前記入射光による走査を一定方向にずらしながら繰り返す走査手段と、
反射率の高い第一の領域を囲みその周辺の反射率の低い第二の領域では、当該第一の領域での高い反射率でも前記光点位置検出手段が飽和しない程度の低い第一の入射光強度になる様に前記発光駆動手段を制御し、その後、該反射光の結像光の光量が所定の閾値を越えたことを検知した後の前記第一の領域では、直前の走査時の入射光強度Ｐｎ（ｉ）とその時の前記反射光の検知光量Ｂｎ（ｉ）から、式、Ｐｎ＋１（ｉ）＝Ｐｎ（ｉ）×Ｂｔ／Ｂｎ（ｉ）、（但し、Ｂｔは前記光点位置検査手段のダイナミックレンジ内の所定値，ｎは主走査位置）に従って演算される第二の入射光強度になる様に前記発光駆動手段を制御する変調手段とを有し，
前記被検査物は、基板表面に設けられ略球状の形状をしたバンプ端子を有し、前記第一の領域は該バンプ端子の頂上近傍であり、該第二の領域は当該バンプ頂上近傍を囲む周囲の領域であることを特徴とする高さ検査装置。
請求項４に記載の高さ検査装置において、前記変調手段は、前記第一及び第二の領域以外の領域では、前記入射光強度をゼロにする様に前記発光駆動手段を制御することを特徴とする高さ検査装置。
請求項４または５に記載の高さ検査装置において、前記閾値は、前記第二の領域における前記第一の入射光強度に対する検知光量よりも高い値に設定されていることを特徴とする高さ検査装置。