JP2007536553A - 高さ三角法測定方法及びシステム - Google Patents

Abstract

高さ三角法測定方法及びシステムが開示されている。当該方法及びシステムは、表面上の物体、例えばバンプ又は小さいウェーハの高さを測定するのに特に有効である。３つのステップが測定を行う。第１のステップは、物体を既知の角度から空間的に非コヒーレントの狭い帯状光でもって照射するステップであり、当該既知の角度が当該光の帯に沿った大きい開口数と前記光の帯に対して垂直方向の小さい開口数とを有する。第２のステップは、物体を、光の帯に沿った大きい開口数と光の帯に対して垂直方向の小さい開口数とを有する既知の角度からイメージングして、物体及び光の帯を含む像を有するステップである。最後のステップは、物体の高さを像上の光の帯の位置から計算するステップである。

Description

本発明は、ウェーハ・バンプのような小さい物体の高さを測定する目的のための光学的三角測量システムに関する。この測定は、半導体製造でのプロセス制御にとって不可欠である。

半田バンプは、半導体デバイスを基板に、そして基板を印刷回路板（ＰＣＢ）に接続するための標準の方法になってきている。従って、その技術は、２つの異なる製造工業、即ち、ウェーハ製造及びＰＣＢ製造にとって重要である。ＰＣＢとウェーハ・バンプとの間には多数の類似性があるが、また、プロセス制御に影響を与えるバンプの高さ及び直径に関して相違が存在する。一般的に、ウェーハ・バンプは、ＰＣＢバンプより相当小さい。典型的な数値は、ウェーハでバンプ高さが００μｍであり、ＰＣＢで３００μｍであるが、これらの数値から大きな違いが存在する。

良好な接続を有するため、全てのバンプ（各ダイ上に数千のバンプがある。）は、それらの高さが許容公差で均一でなければならない。従って、バンプ高さの計測は、両方の製造でのプロセス制御の必須の部分である。

ＰＣＢ工業でバンプを測定する一般的方法は、レーザ・ライン三角法測定（ｌａｓｅｒ ｌｉｎｅ ｔｒｉａｎｇｕｌａｔｉｏｎ）を用いて物体（ＰＣＢ又は基板）の範囲を走査する方法である。三角法測定は、３Ｄ測定ツールとして長い歴史を有し、そしてそれは、多種多様な光学的構成がある。米国特許Ｎｏ．３，１８７，１８５（１９６５年６月、Ｍｉｌｎｅｓ及びＰｉｔｃａｉｒｎに対する特許）は、狭い帯状光が平坦な物体の上に明確に定義された角度αから投射されるようにした光学的三角法測定システムを記載する。カメラは、当該物体を定義された別の角度βからイメージング（像形成）する。次いで、角度α及びβが既知であり、そして物体が平坦であるとみなされるならば、物体の高さは、その像上の光の帯の位置から測定することができる。第２の実施形態においては、上記Ｍｉｌｎｅｓ及びＰｉｔｃａｉｒｎ特許はまた、２つのライン・プロジェクタ及び１つのカメラの構成を提示している。この概念は、今日大部分のバンプ計測システムにとって基本的構成である。光源としてレーザを用いるのが一般的である。それは、レーザが高い強度を非常に狭い光の帯で与え、そしてレーザの空間的コヒーレンスが照射角度の良好な定義を保証するからである。Ｃｈｅｎ他への米国特許Ｎｏ．５，０２８，７９９は、２つのレーザ及び１つのカメラを採用したバンプ計測用レーザ三角法測定システムを記載する。２つのレーザは、半田及び基板の異なる光学的挙動を含む幾つかの問題を克服することができる。

レーザ三角法測定がＰＣＢ半田バンプの満足な測定を与える一方、それは、小さいウェーハ・バンプの測定では過剰な誤差を生じる。この誤差は、「形状誤差」として知られ、そしてそれは、照射（光の帯の幅）より小さいサイズを有する小さいバンプ又は他の形体（ｆｅａｔｕｒｅｓ）に特有である。半田バンプは通常直径が１００μｍより大きいにも拘わらず、それらは球の形状を有するので、球の頂部の小さい区域を観測することができる。形状誤差の性質は、形体が光の帯の中心線に配置されたときのみ当該形体を測定することができることである。形体が前後に移動されるとき、高さ三角法測定は、それぞれ上方誤差又は下方誤差を有するであろう。従って、走査中に、両方の誤差（上方誤差及び下方誤差）が理論的に生じ、それらを加算して、結果としてゼロにすることができる。これは、走査軸に沿った平均化が形状誤差を改善するため非常に推奨されることを意味する。しかしながら、バンプが滑らかで十分反射する表面を有する場合のみ、平均化のみで精度（典型的には１−３μｍ）の点で満足な結果を与えることができる。現実には、半田バンプを製造するプロセスは、特にそれらが鉛フリー・プロセスで製造される場合、表面欠陥を生成する。これらの表面欠陥は、光を完全には又は一部分反射しなくて、従って、それらは、平均化することにより形状誤差を排除するのに十分なデータを得ることを不可能にする。バンプ頂部に位置する大きい欠陥は、測定を完全に妨害すらすることができる。

本発明は、これらの欠点を、独特の光学的構成において空間的に非コヒーレントな照射を用いることにより克服する。
別の既知の光学的誤差は、通常異なる高さの結果が異なる方向の走査から達成されることにより表される。従って、測定の一般的方法は、物体を二度、即ち、右から左へ次いで左から右へ走査し、次いでその結果を平均化する方法である。本発明の「対称形構成」は、単一の走査で平均化を可能にする。

本発明は、特に、表面上の物体の高さを測定する高さ三角法測定方法及びシステムである。
本発明の教示に従って、特に、表面上の物体の高さを測定する高さ三角法測定方法であって、
ａ）前記物体を既知の角度から空間的に非コヒーレントな狭い帯状光でもって照射するステップであって、前記既知の角度が前記光の帯に沿った大きい開口数と前記光の帯に対して垂直方向の開口数とを有する、前記照射するステップと、
ｂ）前記物体を、前記光の帯に沿った大きい開口数と前記光の帯に対して垂直方向の小さい開口数とを用いてイメージングするステップと、
ｃ）前記物体の高さを前記像上の前記光の帯の位置から計算するステップと
を備える高さ三角法測定方法が提供される。

説明される好適な実施形態の更なる特徴に従って、本発明の方法は、前記照射の方向に配置された第１の開口絞りと前記イメージングの方向に配置された第２の開口絞りとを使用することを更に含み、前記開口絞りが、矩形の形状を有し、当該矩形の形状の長軸が前記光の帯に対して平行であり、当該矩形の形状の狭軸が前記光の帯に対して垂直であり、前記開口絞りが、前記の照射チャネル及び前記のイメージング・チャネルの開口数を定義するよう配置される。

説明される好適な実施形態の更なる特徴に従って、本発明の方法は、対称形構成を使用し、そこにおいて、照射及びイメージングの両方の側から、２つのビーム・スプリッタのそれぞれが前記の照射を垂直の位置から反射し、且つ前記の反射された像をイメージングのため直接通すことを可能にする前記２つのビーム・スプリッタを使用する。

本発明の別の局面により、特に、表面上の物体の高さを測定する高さ三角法測定システムであって、
・空間的に非コヒーレントな狭い帯状光でもって照射することが可能な照射手段と、
・前記物体を既知の角度からイメージングすることが可能なイメージング手段であって、前記物体上に前記光の帯の像を有する前記イメージング手段と、
・前記物体の高さを前記像上の前記光の帯の位置から計算する計算手段と
を備える高さ三角法測定システムが提供される。

好適な実施形態においては、本発明の高さ三角法測定システムは、前記照射の方向に配置された第１の開口絞りと前記イメージングの方向に配置された第２の開口絞りとを更に含み、両方の開口絞りが、前記光の帯に沿った長軸と前記光の帯に対して垂直の狭軸を備える矩形の形状を有し、前記開口絞りが、照射チャネル及びイメージング・チャネルの開口数を定義するよう配置される。

本発明の別の局面により、特に、表面上の物体の高さを測定する高さ三角法測定のための対称形構成システムが提供される。この対称形構成システムは、
・第１及び第２の照射及びイメージングの組を備え、前記第１の組は、前記物体を前記第２の組の反対角度から照射してイメージングし、前記組のそれぞれが、
−空間的に非コヒーレントである狭い帯状光でもって照射することが可能な照射手段であって、前記光の帯に沿った大きい開口数と前記光の帯に対して垂直方向の小さい開口数とを有する前記照射手段と、
−前記物体への前記照射を反射し、且つ前記の反射された像を前記物体から直接通すことを可能にし、又はその逆を行うビーム・スプリッタと、
−前記物体をイメージングすることが可能なイメージング手段であって、前記物体上の前記光の帯の像を有する前記イメージング手段と、
−前記の照射及びイメージングの方向に配置された開口絞りと、を含み、
・前記第１及び第２の組により測定された前記像上の前記光の帯の位置から前記物体の両方の高さを計算して、その結果を平均化する計算手段を更に備える。

本発明が、本明細書において、添付図面を参照して一例としてのみ記載されている。ここで図面を詳細に参照すると、示された詳細は、一例で、本発明の好適な実施形態の例示的説明の目的のためのみであり、そして本発明の原理及び概念的様相の最も有効で理解が容易である説明であると確信するものを提供するため提示されていることを強調しておく。この点に関して、本発明の構造的詳細を、本発明の基本的理解、即ち、本発明の幾つかの形態を実際に具体化する仕方を当業者に明らかにする図面を用いた説明に必要である以上に詳細に示す試みをしてない。

本発明の主目的は、ウェーハ・バンプのような小さい形体の測定のための三角法測定方法及び装置を提供し、そして表面欠陥に対する感度を低減することにある。発明した装置は、長い焦点距離及び照射及びイメージング角度の良好な定義を維持する。

本発明は、空間的に非コヒーレントであり且つ大きい開口数を有する狭い帯状光でもって物体を照射することにより従来技術の限界を克服する。この照射は、球形バンプの上方のより大きい区域からの情報を使用可能にし、そして、それは、表面の粗さと関連した雑音を低減する。長い焦点距離を維持するため、そしてイメージングに対する照射の正確な角度を定義するため、本発明は、１つの軸における開口数を制限する非円形開口を導入する。

従って、本発明の教示によって、ウェーハ・バンプ及び他の形体についての三角法測定を改善する方法であって、前記物体を明確に定義された角度から空間的に非コヒーレントな狭い帯状光でもって照射するステップであって、前記光の帯に沿った大きい開口数と前記光の帯に対して垂直方向の小さい開口数とを有する前記照射するステップと；前記物体を明確に定義された異なる角度から、前記光の帯に沿った大きい開口数と前記光の帯に対して垂直方向の小さい開口数とを有するイメージング・システムを用いてイメージングするステップと；前記物体の高さを前記のイメージングされた物体上の前記のイメージングされた光の帯の位置から解析するステップとを備える方法が提供される。

ここで、図面を参照すると、図１は、小さい球形バンプを測定するための三角法測定システムの光学的セットアップを示す。帯状の光源（１１）が、物体（１２）上にイメージング・システム（１４）を介して投射される。カメラ（１５）は、光線を光学的イメージング・システム（１６）を介して受け取り、そしてその物体の高さが、角度α（１７）及びβ（１８）を用いて像から計算される。開口絞り（１９）及び（２０）が、投射チャネル及びイメージング・チャネルの開口数を定義する。開口（１９ａ）及び（２０ａ）は、光の帯に沿って（ｘ１軸及びｘ２軸）大きい開口数を可能にし、そして光の帯に対して垂直の軸（ｙ１軸及びｙ２軸）での開口数を制限するよう設計される。

開口（１９）及び（２０）の役割を理解するため、単一のバンプ（１３）のイメージングを示す図２を考える。バンプ（１３）が角度２φ（２２）で照射され、そして角度２θ（２３）でイメージングされるので、バンプ（１３）上の小さい区域２ζ（２１）のみが、光を投射からイメージングへ指向させることができる。区域ζ（２１）の角度の大きさは、次式を通じて計算されることができる。

（１） ２ζ＝φ＋θ

ここで、ｓｉｎ（φ）及びｓｉｎ（θ）は、投射チャネル及びイメージング・チャネルのそれぞれでの開口数である。

バンプ（１３）の高さは、区域２ζ（２１）についてのみ測定することができるので、表面欠陥が測定を妨害しないように、ζ（２１）を出来るだけ大きく拡張することが望ましい。それは、両方のチャネルについて大きい開口数を必要とすることを意味する。他方、照射角度及びイメージング角度の高い定義に対する矛盾する要求が存在し、それは、小さい開口数を要求する。三角法測定システムによる測定の範囲はまた、長い焦点距離に対して小さい開口数を要求する。

投射チャネル上の焦点距離（ＤＯＦ_１）は、次式により計算することができる。

（２） ＤＯＦ_１＝δ／ｓｉｎ（φ）

ここで、δは、照射された光の帯の幅である。

同様にして、イメージング・チャネル上の焦点距離は、次のとおりである。

（３） ＤＯＦ_２＝δ／ｓｉｎ（θ）

同じように言うと、長い焦点距離及び大きい測定範囲は、小さい開口数を要求する。

開口絞り（１９）及び（２０）は、矛盾する要件に決着をつける。図１における開口の前面図（１９ａ）及び（２０ａ）は、それらが軸ｙ１，ｙ２（光の帯に対して垂直）に沿った開口数が制限されるように矩形の形状を有することを示す。この構成は、光の帯が測定の長い範囲で狭い状態のままである点で長い焦点距離を可能にする。同時に、光の帯に沿った大きい開口数は、形状誤差、及び表面欠陥の問題を克服するためバンプ（１３）上の大きい区域での測定を可能にする。

図３は、一方の組が他方の組の反対角度から行われる２組の照射及びイメージングを含む対称形構成の三角法測定システムの光学的セットアップを示す。この構成において、２つの光源（１１ａ及び１１ｂ）は、物体（１２）上のバンプ（１３）を、ビーム・スプリッタ（２２ａ及び２２ｂ）により反射された或る垂直方向から照射される。ビーム・スプリッタ（２２ａ及び２２ｂ）は、バンプ（１３）から反射された像をイメージング手段（１５ａ及び１５ｂ）へ通すことを可能にする。バンプ（１３）の高さは、両方の組により、平均化することができる異なる結果を通常用いて計算される。

本発明がその特定の実施形態と共に説明されたが、多くの代替、変更及び変形が当業者には明らかであり、従って、添付の特許請求の範囲の趣旨及び広い範囲内に入る全てのそのような代替、変更及び変形を含むことを意図するものである。

図１は、三角法測定システムの光学的セットアップを示す。 図２は、球形バンプから反射される光の光線軌跡を示す。 図３は、対称形構成における三角法測定システムの光学的セットアップを示す。

Claims (7)

1. 特に、表面上の物体の高さを測定する高さ三角法測定方法であって、
   ａ）前記物体を既知の角度から狭い帯状光でもって照射するステップであって、前記既知の角度が前記光の帯に沿った大きい開口数と前記光の帯に対して垂直方向の小さい開口数とを有する、前記照射するステップと、
   ｂ）前記物体を、前記光の帯に沿った前記大きい開口数と前記光の帯に対して垂直方向の前記小さい開口数とを有する既知の角度からイメージングして、前記物体及び前記光の帯を含む像を有するステップと、
   ｃ）前記物体の高さを前記像上の前記光の帯の位置から計算するステップと
   を備える高さ三角法測定方法。
2. 前記狭い帯状光が、空間的に非コヒーレントである請求項１記載の高さ三角法測定方法。
3. 前記照射の方向に配置された第１の開口絞りと前記イメージングの方向に配置された第２の開口絞りとを使用することを更に含み、
   前記開口絞りが、前記光の帯に対して平行に位置する長軸を有する矩形状通路を有し、
   前記開口絞りが、前記の照射チャネル及び前記のイメージング・チャネルの開口数を定義するよう配置される
   請求項１記載の高さ三角法測定方法。
4. 対称形構成を使用することを更に含み、
   照射及びイメージングの両方の側から、２つのビーム・スプリッタのそれぞれが異なる位置からの前記の照射を反射し、且つ前記の反射された像をイメージングするため直接通すことを可能にする前記２つのビーム・スプリッタを使用するステップを含む
   請求項１記載の高さ三角法測定方法。
5. 特に、表面上の物体の高さを測定する高さ三角法測定システムであって、
   ・前記物体を既知の角度から空間的に非コヒーレントである狭い帯状光でもって照射することが可能な照射手段であって、前記光の帯に沿った大きい開口数と前記光の帯に対して垂直方向の小さい開口数とを有する前記照射手段と、
   ・前記物体を既知の角度からイメージングすることが可能なイメージング手段であって、前記物体上の前記光の帯の像を有する前記イメージング手段と、
   ・前記物体の高さを前記像上の前記光の帯の位置から計算する計算手段と
   を備える高さ三角法測定システム。
6. 前記照射の方向に配置された第１の開口絞りと前記イメージングの方向に配置された第２の開口絞りとを更に含み、
   両方の前記開口絞りが、矩形状通路を有し、
   両方の前記矩形状通路が、前記光の帯に対して平行に配置され、
   前記開口絞りが、前記の照射チャネル及び前記のイメージング・チャネルの開口数を定義するよう配置される
   請求項５記載の高さ三角法測定システム。
7. 特に、表面上の物体の高さを測定する高さ三角法測定のための対称形構成システムであって、
   ・第１及び第２の照射及びイメージングの組を備え、
   前記第１の組は、前記物体を前記第２の組の反対角度から照射してイメージングし、
   前記組のそれぞれが、
   −空間的に非コヒーレントである狭い帯状光でもって照射することが可能な照射手段であって、前記光の帯に沿った大きい開口数と前記光の帯に対して垂直方向の小さい開口数とを有する前記照射手段と、
   −前記物体への前記照射を反射し、且つ前記の反射された像を前記物体から直接通すことを可能にし、又はその逆を行うビーム・スプリッタと、
   −前記物体をイメージングすることが可能なイメージング手段であって、前記物体上の前記光の帯の像を有する前記イメージング手段と、
   −前記の照射及びイメージングの方向に配置された開口絞りとを含み、
   ・前記第１及び第２の組により測定された前記像上の前記光の帯の位置から前記物体の両方の高さを計算して、その結果を平均化する計算手段を備える、対称形構成システム。

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