JP2017075791A - 方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体装置の基板の変形の状態を測定する方法及び装置を提供する。【解決手段】第１面３１ａ及び第２面３１ｂを有する基板３１と、第１面側に配置された素子層３２とを備える半導体装置３０の第２面３１ｂに対して、基板３１を透過する光を照射し、半導体装置３０から反射した反射光を用いて、干渉像を取得する。【選択図】図４

Description

本発明は、方法及び装置に関する。

従来、電子装置の高性能化に伴って、半導体装置を回路基板に高密度に実装することが図られている。

また、半導体装置の微細化に伴って、半導体装置の電極の寸法及び電極間隔が小さくなっている。

そこで、半導体装置を、回路基板等の他の基板に接続するためにフリップチップ接合が用いられている。フリップチップ接合は、ワイヤ接合と比べて、実装面積及び実装高さを低減することが可能である。また、フリップチップ接合は、半導体装置の電極と、回路基板等の他の基板の電極とを対向させて接続するので、電極の寸法及び電極間隔が小さくなっても、電極同士の電気的接続に対して高い信頼性が得られる。

また、半導体装置の高性能化及び高速化に伴って、半導体装置の厚さの薄化が図られている。

半導体装置の厚さの薄化は、主に基板を薄くすることによりなされている。基板の厚さが薄くなると、基板の機械的強度が低減するので、他の基板上にフリップチップ接合された半導体装置の基板は、変形して凸凹が生じる場合がある。

基板が変形して凸凹が生じると、半導体装置の電極と、他の基板の電極との接続不良が生じる恐れがある。

そこで、半導体装置の基板の変形による凸凹の状態は、接触式の段差計、又は非接触式のレーザ段差計等を用いて調べられている。また、半導体装置に対して、白色光を照射して干渉縞を取得することにより、半導体装置の基板の変形による凸凹の状態が調べられている。

特開２０１２−１７４８９６号公報 特開２００９−７５０３４号公報 特開２０１２−１７３２９６号公報

半導体装置の微細化が進むことにより、電極の寸法及び電極間隔が小さくなっており、電極として銅ピラーを用いて、フリップチップ接合が行われている。

図１は、従来例のフリップチップ接合を示す図である。

半導体装置１３０は、回路基板１３４上にフリップチップ接合されている。半導体装置１３０は、第１面１３１ａ及び第２面１３１ｂを有する基板１３１と、第１面１３１ａ側に配置された素子層１３２を備える。素子層１３２上には、電極である銅ピラー１３３が配置される。基板１３１の第２面１３１ｂは、研磨されて平坦になっている。

回路基板１３４上には、電極である銅ピラー１３５が配置される。半導体装置１３０の銅ピラー１３３と、回路基板１３４の銅ピラー１３５とは、半田１３６を介在させて、対向するように電気的に接続される。

半導体装置１３０の基板１３１は、素子層１３２内の素子又は配線の配置、及び素子密度等により生じる内部応力によって変形しており、第１面１３１ａが凸凹に変形している。

銅ピラーを用いてフリップチップ接合する時には、半田バンプを用いる時と比べて、銅ピラー間に配置される半田の量が少ないので、対向する銅ピラーが離れていると、接続不良が生じる恐れがある。

しかし、銅ピラーを用いるフリップチップ接合に対して接続不良を与えるような第１面１３１ａの凸凹の変形量は小さいので、従来の基板の凸凹を調べる方法では、変形量を精確に測定することが困難な場合が生じている。

本明細書では、上述した問題を解決し得る方法を提案することを課題とする。

また、本明細書では、上述した問題を解決し得る装置を提案することを課題とする。

本明細書に開示する方法の一形態によれば、第１面及び第２面を有する基板と、上記第１面側に配置された素子層とを備える半導体装置の上記第２面に対して、上記基板を透過する光を照射し、上記半導体装置から反射した反射光を用いて、干渉像を取得する。

また、本明細書に開示する装置の一形態によれば、第１面及び第２面を有する基板と、上記第１面側に配置された素子層とを備える半導体装置の上記基板を透過する光を照射する照射部と、上記照射部が照射した光を、上記半導体装置の上記第２面に対して照射すると共に、上記半導体装置から反射した反射光を用いて、干渉像を取得する光学部と、を備える。

上述した本明細書に開示する方法の一形態によれば、半導体装置の基板の変形の状態を測定することができる。

また、上述した本明細書に開示する装置の一形態によれば、半導体装置の基板の変形の状態を測定することができる。

本発明の目的及び効果は、特に請求項において指摘される構成要素及び組み合わせを用いることによって認識され且つ得られるだろう。

前述の一般的な説明及び後述の詳細な説明の両方は、例示的及び説明的なものであり、特許請求の範囲に記載されている本発明を制限するものではない。

従来例のフリップチップ接合を示す図である。 本明細書に開示する装置の一実施形態を示す図である。 制御部を示す図である。 半導体装置を示す図である。 干渉像を示す図である。

以下、本明細書で開示する装置の好ましい一実施形態を、図を参照して説明する。但し、本発明の技術範囲はそれらの実施形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶものである。

図２は、本明細書に開示する一実施形態の装置を示す図である。図３は、装置の制御部を示す図である。図４は、測定対象の半導体装置を示す図である。

装置１０は、半導体装置の干渉像を取得し、取得した干渉像に基づいて、基板の厚さの変化を測定することにより、基板の表面の変形の状態を知ることができる。具体的には、半導体装置の基板の裏面は研磨されていて平坦になっているので、基板の厚さの変化を測定することにより、基板の表面の凸凹の状態を知ることができる。

図４に示すように、装置１０によって測定される半導体装置３０は、回路基板３４上にフリップチップ接合されている。

半導体装置３０は、第１面（表面）３１ａ及び第２面（裏面）３１ｂを有する基板３１と、第１面３１ａ側に配置された素子層３２を備える。素子層３２上には、電極である銅ピラー３３が配置される。なお、素子層３２は、基板３１の第１面３１ａ上に形成されていてもよいし、素子層３２の一部が、基板３１内に含まれるように形成されていてもよい。本明細書では、基板３１の第１面３１ａは、基板３１の素子層３２が配置される側の面を意味する。また、素子層３２上に、配線層が配置されていてもよい。

回路基板３４上には、電極である銅ピラー３５が配置される。半導体装置３０の銅ピラー３３と、回路基板３４の銅ピラー３５とは、半田３６を介在させて、対向するように電気的に接続される。

半導体装置３０の基板３１は、素子層３２内の素子又は配線の配置、及び素子密度等により生じる内部応力によって変形しており、第１面３１ａが凸凹に変形している。

半導体装置３０は、第１面３１ａが凸凹に変形した状態で、基板３１の第２面３１ｂ側が研磨されて平坦になっているので、基板３１の厚さは一定ではない。基板３１の厚さが薄い所では、第１面３１ａが凹んでおり、基板３１の厚さが厚い所では、第１面３１ａが相対的に凸になっている。

第１面３１ａが凹んでいる位置に配置される銅ピラー３３は、対向する回路基板３４の銅ピラー３５との間隔が拡がるので、接続不良が生じる恐れがある。

次に、装置１０について、以下に説明する。

装置１０は、照射部１１と、光学部１２と、試料台１３と、制御部１４を備える。

試料である半導体装置３０は、試料台１３上に載置される。

照射部１１は、半導体装置３０の基板３１を透過する照射光Ｌを、光学部１２に向かって照射する。基板３１がシリコン基板である場合、照射光として、１．１μｍ以上、好ましくは１．２μｍ以上の波長を有する近赤外線を用いることが好ましい。基板が化合物半導体等のシリコン以外の材料を用いて形成される場合には、基板を透過する波長に対応させて、中赤外線（波長３〜５μｍ）から紫外線の範囲の照射光を用いてもよい。照射光は、レーザ光であってもよいし、レーザ光ではなくてもよい。

光学部１２は、反射部２０と、分割部２１と、位相変更部２２と、レンズ部２３と、画像化部２４を有する。

反射部２０は、照射部１１が照射した照射光Ｌを分割部２１へ向けて反射する。本実施形態では、反射部２０として、プリズム型の光束スプリッタを用いている。反射部２０の反射面は、ハーフミラーとなっており、照射光Ｌの一部を、分割部２１へ向けて反射すると共に、照射光Ｌの他の部分（図示せず）を透過する。

分割部２１は、照射部から照射された照射光Ｌを、第１光Ｌ１と第２光Ｌ２とに分けて、第１光Ｌ１をレンズ部２３に向けて透過し、第２光Ｌ２を、位相変更部２２に向けて反射する。本実施形態では、分割部２１として、プリズム型の光束スプリッタを用いている。分割部２１の分割面は、ハーフミラーとなっており、照射光Ｌの一部を、第１光Ｌ１として透過すると共に、照射光Ｌの他の部分を、第２光Ｌ２として位相変更部２２に向けて反射する。

位相変更部２２は、第２光Ｌ２の位相を変更して、位相が変更された第２光Ｌ２を分割部２１へ戻す。本実施形態では、位相変更部２２として鏡を用いている。分割部２１と、位相変更部２２の鏡面との距離は、第２光Ｌ２の１波長以上離れていることが好ましい。第２光Ｌ２は、分割部２１の分割面と、位相変更部２２の鏡面との距離の２倍の光路長に対応する位相が変更されて、分割部２１へ戻される。分割部２１へ戻される第２光Ｌ２の光束内には位相の差の分布が実質的に生じないことが好ましい。ここで、光束内には位相の差の分布が実質的に生じないとは、第１光Ｌ１と第２光Ｌ２とが合成されて生成される干渉像において、基板３１の厚さに起因する干渉縞の位置に影響を与える程度の位相の差を意味する。分割部２１と、位相変更部２２の鏡面との距離は、例えば１ｃｍとすることができる。位相変更部２２の鏡面は、例えば、平坦な面上に、アルミニウムを蒸着して形成することができる。

レンズ部２３は、第１光Ｌ１を半導体装置３０の第２面３１ｂに対して集束させて照射すると共に、半導体装置３０から反射した第１光Ｌ１を分割部２１に向かって照射する。本実施形態では、レンズ部２３として凸型のレンズを用いている。レンズ部２３と、半導体装置３０の第２面３１ｂとの距離を、レンズ部２３の焦点距離と一致させることが好ましい。

上述した反射部２０及び分割部２１及びレンズ部２３は、照射光が近赤外線である場合には、通常の可視光に対して用いられる光学材料を用いて形成することができる。また、照射光が中赤外線（波長３〜５μｍ）から紫外線の範囲にある場合には、フッ素化合物を用いて、反射部２０及び分割部２１及びレンズ部２３を形成することができる。また、照射光が中赤外線（波長３〜５μｍ）の場合には、Ｇｅ、Ｓｉ又はＺｎＳを用いて、反射部２０及び分割部２１及びレンズ部２３を形成することができる。

半導体装置３０から反射した第１光Ｌ１（図２及び図４中の鎖線で示される）は、レンズ部２３を介して分割部２１へ進む。第１光Ｌ１は、分割部２１において、位相変更部２２により位相が変更された第２光Ｌ２（図２中の鎖線で示される）と、合成されて干渉光Ｌ３が生成される。干渉光Ｌ３の一部は、反射部２０を透過して、画像化部２４へ進む。

画像化部２４は、干渉光Ｌ３を受光して、干渉像を画像化して、画像化された干渉像を制御部１４へ出力する。

制御部１４は、画像化部２４及び照射部１１を制御する。また、制御部１４は、画像化部２４から入力した干渉像に基づいて、基板３１の厚さの分布を求める。

図３に示すように、制御部１４は、演算部１４ａと、記憶部１４ｂと、表示部１４ｃと、入力部１４ｄと、通信部１４ｅを有する。演算部１４ａは、記憶部１４ｂに記憶された所定のプログラムを実行することにより、上述した制御部１４の各機能を実現する。

記憶部１４ｂは、画像化部２４から入力した干渉像を記憶する。表示部１４ｃは、演算部１４ａが処理した情報を表示する。入力部１４ｄは、装置１０の操作者が入力部１４ｄを用いて各種の情報を入力する。通信部１４ｅは、画像化部２４及び照射部１１との間で通信を行う。また、通信部１４ｅは、図示しない外部のネットワークと接続するようになされていてもよい。

制御部１４は、例えば、サーバ又はパーソナルコンピュータ等のコンピュータ、若しくはステートマシン等を用いて形成され得る。

次に、装置１０が、第１光Ｌ１及び第２光Ｌ２に基づいて干渉像を取得することについて、以下に説明する。

照射部１１から照射された照射光Ｌは、分割部２１において、第１光Ｌ１と、第２光Ｌ２とに分割される。第２光Ｌ２は、位相変更部２２により光路長が変更されて、第１光Ｌ１とは異なる位相を有する状態で、分割部２１へ戻る。

第１光Ｌ１は、レンズ部２３を介して、基板３１の第２面３１ｂに照射される。第２面３１ｂに照射された第１光Ｌ１の一部は、基板３１を透過して、素子層３２に進む。第１光Ｌ１の一部は、素子層３２内のトランジスタ等の素子又は配線により反射されて、レンズ部２３に向かって戻ってくる。また、第１光Ｌ１の一部は、素子層３２を透過して銅ピラー３３により反射されて、レンズ部２３に向かって戻ってくる。

基板３１の厚さの厚い所を透過した第１光と、基板３１の厚さの薄い所を透過した第１光とでは、基板３１内を進んだ光路長が異なるので、第１光の位相に違いが生じる。例えば、図４に示すように、基板３１の厚さの厚い所で反射した第１光の位相がφ１であるとすると、基板３１の厚さの薄い所で反射した第１光の位相は、φ１とは異なる位相φ２を有する。

このように、半導体装置３０から反射した第１光Ｌ１は、光束内において基板３１の厚さの分布に対応した位相の分布を有することになる。ここで、素子層３２の厚さは、基板３１の厚さに比べて薄いので、半導体装置３０から反射した第１光Ｌ１の光束内の位相の分布は、主に基板の厚さの分布に対応するとみなすことができる。

半導体装置３０から反射した第１光Ｌ１は、半導体装置３０から反射した第１光Ｌ１内の異なる位相を有する成分を有していて、分割部２１において、位相が変更された第２光Ｌ２と合成されて干渉光Ｌ３を生成する。干渉光Ｌ３の一部は、反射部２０を透過して、画像化部２４において、干渉像が得られる。

干渉像では、増加的干渉が起こった部分には明るい縞が形成され、逆に減殺的干渉が生じた部分には暗い縞が形成される。これらの干渉縞には、第１光Ｌ１の光束内の位相の分布が反映されおり、明るい縞同士の間隔は、照射光Ｌの波長の半分の長さに対応する。

図５は、干渉像を示す図である。

図５は、装置１０を用いて、平面視が矩形を有する半導体装置３０の隅の部分の干渉像を示す。基板３１は、シリコン基板を用いており、照射光Ｌとして、１．１μｍ以上の波長を有する近赤外線を使用した。

明るい縞同士の間隔Ｔは、照射光Ｌの波長の半分の長さである０．５５μｍに対応する。干渉像の明るい縞の分布に基づいて、基板３１の厚さの変化を求めることができる。即ち、干渉像の明るい縞同士の間隔Ｔは、基板３１の厚さが０．５５μｍ異なっていることを意味する。

図５に示す干渉像の右側には、基板３１の厚さの分布が示されている。

基板３１の第２面３１ｂは、研磨されて平坦になっているので、基板３１の厚さの分布を求めることにより、基板３１の第１面３１ａの凸凹の状態を知ることができる。制御部１４は、干渉像に基づいて、基板３１の厚さの分布を求めて、、基板３１の第１面３１ａの凸凹の状態を出力する。

上述した本実施形態の装置１０によれば、半導体装置３０の基板３１の変形の状態を測定することができる。

本発明では、上述した実施形態の方法及び装置の形成方法は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更が可能である。

例えば、照射部１１と反射部２０との間に第１の偏光板を配置し、反射部２０と画像化部２４との間に、第１の偏光板の偏光方向とは垂直な偏光方向を有する第２の偏光板を配置してもよい。このように偏光板を配置することにより、より鮮明な干渉像を得ることができる。

ここで述べられた全ての例及び条件付きの言葉は、読者が、発明者によって寄与された発明及び概念を技術を深めて理解することを助けるための教育的な目的を意図する。ここで述べられた全ての例及び条件付きの言葉は、そのような具体的に述べられた例及び条件に限定されることなく解釈されるべきである。また、明細書のそのような例示の機構は、本発明の優越性及び劣等性を示すこととは関係しない。本発明の実施形態は詳細に説明されているが、その様々な変更、置き換え又は修正が本発明の精神及び範囲を逸脱しない限り行われ得ることが理解されるべきである。

１０ 装置
１１ 照射部
１２ 光学部
１３ 試料台
１４ 制御部
２０ 反射部
２１ 分割部
２２ 位相変更部
２３ レンズ部
２４ 画像化部
３０ 半導体装置
３１ 基板
３１ａ 第１面
３１ｂ 第２面
３２ 素子層
３３ 銅ピラー
３４ 回路基板
３５ 銅ピラー
３６ 半田
１３０ 半導体装置
１３１ 基板
１３２ 素子層
１３３ 銅ピラー
１３４ 回路基板
１３５ 銅ピラー
１３６ 半田

Claims (8)

1. 第１面及び第２面を有する基板と、前記第１面側に配置された素子層とを備える半導体装置の前記第２面に対して、前記基板を透過する光を照射し、前記半導体装置から反射した反射光を用いて、干渉像を取得する方法。
2. 照射された光を、第１光と第２光とに分割し、
   前記半導体装置に向かって照射されて前記半導体装置から反射した前記第１光と、位相が変更された前記第２光とを合成して干渉光を生成し、前記干渉光に基づいて、前記干渉像を取得する請求項１に記載の方法。
3. 前記干渉像に基づいて、前記基板の厚さの分布を求める請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記基板は、シリコン基板であり、前記基板を透過する光として、シリコン基板を透過する波長を有する赤外線を用いる請求項１〜３の何れか一項に記載の方法。
5. 前記半導体装置は、前記素子層が、他の基板とフリップチップ接合されている請求項１〜４の何れか一項に記載の方法。
6. 第１面及び第２面を有する基板と、前記第１面側に配置された素子層とを備える半導体装置の前記基板を透過する光を照射する照射部と、
   前記照射部が照射した光を、前記半導体装置の前記第２面に対して照射すると共に、前記半導体装置から反射した反射光を用いて、干渉像を取得する光学部と、
   を備える装置。
7. 前記光学部は、
   前記照射部から照射された光を、第１光と第２光とに分割する分割部と、
   前記第１光を前記半導体装置の前記第２面に対して照射すると共に、前記半導体装置から反射した前記第１光を前記分割部に向かって照射するレンズ部と、
   前記第２光の位相を変更して、位相が変更された前記第２光を前記分割部へ戻す位相変更部と、
   前記半導体装置から反射した前記第１光と位相が変更された前記第２光とが、前記分割部において合成された干渉光を受光して、前記干渉像を画像化する画像化部と、
   を備える請求項６に記載の装置。
8. 前記干渉像に基づいて、前記基板の厚さの分布を求める演算部を備える請求項６又は７に記載の装置。