JPH11304441A - 三次元形状測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体パッケージ上に形成された半田バンプ
等の微細形状の高さを高速かつ高精度に測定することが
できるようにする。 【解決手段】 レーザ光源２から出射されたレーザビー
ム１は、音響光学素子（ＡＯＤ）３で高速に走査され、
投光レンズ６により集光され、基板４上に形成されたバ
ンプ５上に照射される。バンプ５上に照射されたレーザ
ビーム１のスポットの像は、対物レンズ７により拡大さ
れ、シリンドリカル結像レンズ９およびシリンドリカル
リレーレンズ１０を介して、走査方向（ｘ方向）の拡大
率が小さくなるように位置検出素子（ＰＳＤ）８上に投
影される。バンプ５の高さの変化によりＰＳＤ８上に投
影されるスポットの像のｙ方向の位置が変化するので、
ＰＳＤ８の出力を検出することによりバンプ５の高さを
測定することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、三次元形状測定装
置に関し、特に、半導体パッケージ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て
好適な三次元形状測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】所定の物体の高さを測定する従来の技術
として、例えば、特開平７−１６７６２３においては、
レーザビームをＩＣのリードに照射し、その反射光をレ
ンズで結像させ、その結像位置にレーザビームの位置の
検出が可能な位置検出素子（ＰＳＤ）を置き、ＰＳＤか
らの出力をもとにＩＣのリード高さを測定するというＩ
Ｃリード高さ測定装置について開示されている。

【０００３】このＩＣリード高さ測定装置においては、
レーザビームを、光偏向器（ガルバノミラー、ポリゴン
ミラー、音響光学素子（ＡＯＤ）など）を用いて光学的
に走査することにより、測定を高速化している。そのた
め、測定対象にライン状に照射されたレーザビームをＰ
ＳＤ上に１点に結像させるように、受光光学系に互いに
曲率半径方向（レンズ効果を有する方向）が直交する２
枚のシリンドリカルレンズを用いている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】一般的に、シリンドリ
カルレンズで構成されたレンズ群においては、高精度
なシリンドリカルレンズの加工が難しい、高精度なシ
リンドリカルレンズの組立・調整（軸合わせ）が難し
い、などの理由により、収差の補正されたレンズを構成
するのが困難である。また、一般的な用途がないため
に、シリンドリカルレンズで構成された収差補正の施さ
れた組み合わせレンズは市販されておらず、実際の装置
で使おうとすると非常に高価なものになってしまう。

【０００５】このように、シリンドリカルレンズは、高
精度な収差補正が困難であるが、例えば、光軸近傍（レ
ンズ中央近傍）では収差の少ない像が得られるため、従
来の装置では測定精度を上げるため、光軸近傍のみを使
うようにし、レンズの開口数（ＮＡ）を小さくして用い
ていた。

【０００６】しかし、ＮＡの小さい受光光学系では、測
定対象物からの反射光の受光可能な立体角が小さくな
り、測定対象面が斜めになると反射光が得られず、高さ
検出ができなくなるという問題があった。

【０００７】近年、新しい半導体パッケージとして、リ
ードの代わりに半田ボールのようなバンプをマトリクス
状に配置したものが採用されてきている。このようなバ
ンプにレーザビームを照射すると、バンプ表面の曲率の
ためにレーザビームが散乱する。このため、収差が大き
く、開口数が小さいシリンドリカルレンズを用いた受光
光学系では、高精度な高さ測定ができない課題があっ
た。

【０００８】本発明はこのような状況に鑑みてなされた
ものであり、半導体パッケージ上に形成された半田バン
プ等の微細形状の高さを、高速かつ高精度に測定するこ
とができるようにするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の三次元
形状測定装置は、レーザ光を出射するレーザ光源と、レ
ーザ光を集光し、測定すべき対象物に照射する照射手段
と、レーザ光が対象物を第１の方向に走査するように、
レーザ光を第１の方向に偏向させる偏向手段と、レーザ
光の対象物からの反射光による結像画像を対応する電気
信号に変換する光電変換手段と、レーザ光の対象物から
の反射光を集光し、光電変換手段に所定の倍率で拡大し
て結像させる拡大手段と、光電変換手段に結像される画
像の第１の方向における倍率が、拡大手段の倍率より小
さくなるようにレーザ光を集光する集光手段とを備える
ことを特徴とする。また、拡大手段は、対物レンズであ
るようにすることができる。また、対物レンズは、高倍
率かつ大きな開口数を有するようにすることができる。
また、集光手段は、拡大手段と光電変換手段の間の光路
中に配置されるようにすることができる。また、集光手
段は、少なくとも１枚のシリンドリカルレンズにより構
成されるようにすることができる。また、集光手段は、
フレネルレンズにより構成されるようにすることができ
る。また、対象物は、半導体パッケージ上に形成された
半田バンプであるようにすることができる。本発明に係
る三次元形状測定装置においては、照射手段が、レーザ
光源から出射されたレーザ光を集光し、測定すべき対象
物に照射し、偏向手段が、レーザ光が対象物を第１の方
向に走査するように、レーザ光を第１の方向に偏向さ
せ、光電変換手段が、レーザ光の対象物からの反射光に
よる結像画像を対応する電気信号に変換し、拡大手段
が、レーザ光の対象物からの反射光を集光し、光電変換
手段に所定の倍率で拡大して結像させ、集光手段が、光
電変換手段に結像される画像の第１の方向における倍率
が、拡大手段の倍率より小さくなるようにレーザ光を集
光する。

【００１０】

【発明の実施の形態】図１及び図２は、本発明の三次元
形状測定装置を応用したバンプの高さを測定するバンプ
高さ測定装置の一実施の形態の構成例を示すブロック図
である。同図に示すように、バンプ高さ測定装置は、レ
ーザビーム１を出射するレーザ光源２と、レーザビーム
１を高速に偏向し、走査させる音響光学素子（ＡＯＤ）
３と、ＡＯＤ３で偏向されたレーザビーム１を集光し、
測定対象である半導体パッケージの基板４上のバンプ５
に照射する投光レンズ６と、バンプ５上に形成されたレ
ーザビーム１のスポットの像を拡大投影する対物レンズ
７と、対物レンズ７で投影されたレーザビーム１のスポ
ットの像の結像位置に配置された位置検出素子（ＰＳ
Ｄ）８と、対物レンズ７とＰＳＤ８との間の光路中に配
置され、レーザビーム１をその走査方向に関してのみ結
像せしめるシリンドリカル結像レンズ９と、シリンドリ
カル結像レンズ９によって結像されたレーザビーム１の
スポットの像を、ＰＳＤ８上に投影するシリンドリカル
リレーレンズ１０とを含んで構成される。

【００１１】次に、その動作について説明する。レーザ
光源２から出射されたレーザビーム１は、ＡＯＤ３に入
射し、ＡＯＤ３によって微小角度偏向させられる。この
偏向させられたレーザビーム１は、投光レンズ６によっ
て集光され、バンプ５に照射される。このとき、レーザ
ビーム１が集光されたスポットの位置は、レーザビーム
１の偏向角度にほぼ比例して変化する。

【００１２】ここで、ＡＯＤ３は、光学結晶内の弾性波
によってレーザビーム１をブラッグ回折させてレーザビ
ーム１を偏向させるものであり、弾性波の周期を変化さ
せることにより、高速にレーザビーム１の偏向角度を変
えることができる。そのため、バンプ５上のレーザビー
ム１のスポットを、ＡＯＤ３の偏向方向（図中ｘ方向）
に高速に走査することができる。

【００１３】測定対象であるバンプ５上に照射されたレ
ーザビーム１は、バンプ５の表面で反射され、対物レン
ズ７を通ってＰＳＤ８上に結像される。バンプ５の高さ
が変わることにより、ＰＳＤ８に投影されるレーザビー
ム１の像のｙ方向の位置が変化するので、ＰＳＤ８の出
力を検出することによりバンプ５の高さを測定すること
ができる。高さ検出感度を上げるために、対物レンズ７
は結像倍率の高いもの（５倍〜１０倍以上）を使うよう
にする。

【００１４】たとえば、高さ測定におけるｘ方向（レー
ザビーム１が走査される方向）の分解能を２マイクロメ
ートル（μｍ）とし、レーザビーム１の１走査を５１２
分割できるとすれば、ＡＯＤ３及び投光レンズ６による
レーザビーム１の走査幅は約１ミリメートル（ｍｍ）
（＝２μｍ×５１２）となる。約１ｍｍの幅でｘ方向に
走査されるレーザビーム１を、倍率１０倍の対物レンズ
７でＰＳＤ８上に投影するためには、ＰＳＤ８の受光面
がｘ方向に１０ｍｍ以上なくてはならないが、ＰＳＤ８
の受光面積を大きくすると、素子が高価格になるばかり
でなく、応答速度が遅くなり、測定精度も劣化するとい
う問題が発生する。

【００１５】そこで、上記実施の形態においては、対物
レンズ７のあとにシリンドリカルレンズを用いて、高さ
測定に関係しない方向（ｘ方向）の結像倍率が低くなる
ようにしている。即ち、対物レンズ７のすぐ後ろ（ＰＳ
Ｄ８に近い方）に、対物レンズ７と同程度の焦点距離の
シリンドリカル結像レンズ９を配置し、ｘ方向に関し
て、レーザビーム１をＰＳＤ８の手前の位置（結像面
Ａ）に結像させるようにする。この位置は、高さ検出方
向（ｙ方向）に関しては結像位置ではないので、結像面
Ａにおけるレーザビーム１の集光スポットは、ｙ方向に
長いスリット状になる。

【００１６】そして、シリンドリカル結像レンズ９の結
像面ＡとＰＳＤ８が互いに共役な位置関係になるよう
に、結像面ＡとＰＳＤ８との間の光路中にシリンドリカ
ルリレーレンズ１０を配置する。このときシリンドリカ
ルリレーレンズ１０の倍率を低倍率にしておくことによ
り、ｙ方向には高倍率でｘ方向には低倍率なアナモルフ
ィックな光学系を構成することができる。

【００１７】対物レンズ７の焦点距離をｆ１、シリンド
リカル結像レンズ９の焦点距離をｆ２、シリンドリカル
リレーレンズの倍率をｎとすると、ｘ方向の倍率はｎ×
ｆ２／ｆ１となる。従って、例えば、ｆ１＝ｆ２、ｎ＝
１とすると、ｘ方向の倍率は１倍になるので、レーザビ
ーム１の走査幅を約１ｍｍとすることができ、ＰＳＤ８
の受光面の幅は約１ｍｍでよいことになる。

【００１８】以上のように、図１及び図２の実施の形態
においては、半導体パッケージ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するもの
である。即ち、上述したように、図１及び図２のレーザ
光源２から出射されたレーザビーム１は、ＡＯＤ３で高
速に走査され、投光レンズ６により集光され、高さ測定
されるバンプ５上に照射される。バンプ５上に照射され
たレーザビーム１のスポットは、対物レンズ７により拡
大され、シリンドリカル結像レンズ９及びシリンドリカ
ルリレーレンズ１０を介して、走査方向の拡大率が小さ
くなるようにＰＳＤ８上に投影される。バンプ５の高さ
によりＰＳＤ８上に投影されるレーザビーム１の像の位
置が変化するので、ＰＳＤ８の出力を検出することによ
りバンプ５の高さを測定することができる。

【００１９】上記実施の形態において、ＰＳＤ８は、検
出面のレーザスポットの上下方向（図中ｙ方向）の位置
を検出できる受光素子である。このときバンプ高さの検
出感度を上げて高精度な測定を行うためには、対物レン
ズ７の結像倍率を上げることが有効である。ここで、レ
ーザビーム１は２次元状に配置された多数のバンプ５の
高さを高速に測定するために、ＡＯＤ３で横方向（図中
ｘ方向）に走査されているが、この走査されたレーザビ
ーム１のスポットが対物レンズ７でＰＳＤ８上に投影さ
れなくてはならない。高さ検出感度を向上させるために
対物レンズ７の倍率を上げると、レーザビーム１のスポ
ット像のＰＳＤ８上でのｘ方向の走査幅も大きくなり、
ＰＳＤ８の受光面をｘ方向に大きくする必要がある。

【００２０】しかし、ＰＳＤ８の受光面積が大きくなる
と、ＰＳＤ素子の接合容量が大きくなり応答速度が遅
くなる、位置検出の線形性が劣化し測定精度が落ち
る、といった問題が生じる。そこで、図１及び図２の実
施の形態においては、対物レンズ７とＰＳＤ８の光路中
に、ｘ方向にのみレンズ効果を有するシリンドリカルレ
ンズで構成されるシリンドリカル結像レンズ９とシリン
ドリカルリレーレンズ１０を配置し、ＰＳＤ８の高さ検
出方向（図中ｙ方向）に関しては高倍率、ｘ方向に関し
ては低倍率な光学系を構成している。

【００２１】従って、高さ検出感度を上げるために対物
レンズ７の倍率を上げても、受光面積の小さいＰＳＤ８
を使うことができるので、高速かつ高精度な高さ測定を
行うことが可能となる。

【００２２】以上説明したように、図１及び図２の実施
の形態においては、受光光学系に高倍率の対物レンズ７
を用いているので、高精度な高さ測定が可能である。ま
た、一般的に高倍率の対物レンズはレンズの開口数（Ｎ
Ａ）も大きいので、受光できる反射光の立体角も大きく
なり、バンプ斜面からの反射光も捉えることができる。
これにより、バンプ頂点の高さだけでなく、斜面の高さ
も測定できるという効果が得られる。

【００２３】また、受光光学系にシリンドリカルレンズ
を用いたアナモルフィックな光学系を採用することによ
り、レーザ走査方向に関しては低倍率となるので、レー
ザビームを受光するＰＳＤの受光面を小さくでき、高速
応答が可能となるため、高速なバンプ高さ測定が可能に
なるという効果もある。

【００２４】さらに、図１及び図２の実施の形態におい
ては、測定対象のバンプ上のレーザビーム１のスポット
の像をＰＳＤ８上に拡大投影するレンズとして、高精度
に収差補正の施された対物レンズ（例えば、市販の顕微
鏡用の対物レンズなど）を使用することができるので、
ＰＳＤ８上に投影されたレーザスポット像の光学的歪み
を小さくすることができ、高精度な高さ測定を行うこと
が可能となる。

【００２５】これまでにも、レーザビームを用いた三角
測量を応用した高さ測定装置で、広範なレーザ走査幅と
ＰＳＤの小さい受光面積を両立させるために、受光光学
系にシリンドリカルレンズを用いたものがあったが、こ
れらは高さ検出方向にレンズ効果を有するシリンドリカ
ルレンズも用いているため、ＰＳＤ上に投影されるレー
ザスポット像は高さ検出方向に収差を含んだものとなっ
てしまい、測定精度に悪影響を及ぼしていた。

【００２６】これに対して、図１及び図２の実施の形態
においては、シリンドリカルレンズを高さ検出精度に影
響しない方向にのみレンズ効果を有するように用いてい
るため、シリンドリカルレンズの収差が高さ検出精度に
影響を与えることがなく、高精度な高さ測定を行うこと
が可能となっている。

【００２７】図１及び図２に示した本発明の実施の形態
においては、シリンドリカル結像レンズ９をレンズ１枚
で構成し、シリンドリカルリレーレンズ１０をレンズ２
枚で構成するようにしているが、光学的に等価であるな
らば、何枚のレンズで構成してもよい。

【００２８】また、使用するシリンドリカルレンズによ
ってはレンズ厚が厚くなり、光路中に厚肉レンズがある
ことにより、対物レンズで投影されるレーザスポット像
が歪む場合がある。従って、厚肉のシリンドリカルレン
ズの場合と同等のレンズ効果を有するフレネルレンズを
使用することにより、レンズ厚による収差の影響を低減
することができる。

【００２９】なお、上記実施の形態においては、半導体
パッケージのバンプ高さ測定を行う場合について説明し
たが、本発明を他の微細形状の高さや形状を測定する場
合にも応用することができる。

【００３０】

【発明の効果】以上の如く、本発明に係る三次元形状測
定装置によれば、照射手段が、レーザ光源から出射され
たレーザ光を集光し、測定すべき対象物に照射し、偏向
手段が、レーザ光が対象物を第１の方向に走査するよう
に、レーザ光を第１の方向に偏向させ、光電変換手段
が、レーザ光の対象物からの反射光による結像画像を対
応する電気信号に変換し、拡大手段が、レーザ光の対象
物からの反射光を集光し、光電変換手段に所定の倍率で
拡大して結像させ、集光手段が、光電変換手段に結像さ
れる画像の第１の方向における倍率が、拡大手段の倍率
より小さくなるようにレーザ光を集光するようにしたの
で、レーザビーム１の走査方向の光電変換手段の幅を比
較的小さくすることができ、半導体パッケージ上に形成
された半田バンプ等の微細形状の高さを、高速かつ高精
度で測定することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る三次元形状測定装置
を応用したバンプ高さ測定装置の概念平面図である。

【図２】図１に示す三次元形状測定装置を応用したバン
プ高さ測定装置の概念側面図である。

【符号の説明】

１ レーザビーム ２ レーザ光源 ３ ＡＯＤ ４ 基板 ５ バンプ ６ 投光レンズ ７ 対物レンズ ８ ＰＳＤ ９ シリンドリカル結像レンズ １０ シリンドリカルリレーレンズ

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ光を出射するレーザ光源と、 前記レーザ光を集光し、測定すべき対象物に照射する照
   射手段と、 前記レーザ光が前記対象物を第１の方向に走査するよう
   に、前記レーザ光を前記第１の方向に偏向させる偏向手
   段と、 前記レーザ光の前記対象物からの反射光による結像画像
   を対応する電気信号に変換する光電変換手段と、 前記レーザ光の前記対象物からの反射光を集光し、前記
   光電変換手段に所定の倍率で拡大して結像させる拡大手
   段と、 前記光電変換手段に結像される画像の前記第１の方向に
   おける倍率が、前記拡大手段の倍率より小さくなるよう
   に前記レーザ光を集光する集光手段とを備えることを特
   徴とする三次元形状測定装置。
2. 【請求項２】 前記拡大手段は、対物レンズであること
   を特徴とする請求項１に記載の三次元形状測定装置。
3. 【請求項３】 前記対物レンズは、高倍率かつ大きな開
   口数を有することを特徴とする請求項１に記載の三次元
   形状測定装置。
4. 【請求項４】 前記集光手段は、前記拡大手段と前記光
   電変換手段の間の光路中に配置されることを特徴とする
   請求項１に記載の三次元形状測定装置。
5. 【請求項５】 前記集光手段は、少なくとも１枚のシリ
   ンドリカルレンズにより構成されることを特徴とする請
   求項１に記載の三次元形状測定装置。
6. 【請求項６】 前記集光手段は、フレネルレンズにより
   構成されることを特徴とする請求項１に記載の三次元形
   状測定装置。
7. 【請求項７】 前記対象物は、半導体パッケージ上に形
   成された半田バンプであることを特徴とする請求項１に
   記載の三次元形状測定装置。