JPH1012683A - 半導体装置の表面検査装置及び表面検査方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】表面状態が一様でない被測定物の高さを精度良
く短時間で測定できる半導体装置の表面検査装置を提供
する。 【解決手段】光源１は、電源電圧の値に応じた強度の測
定光を、被測定物２が突出形成された半導体基板３に照
射する。検出手段４は被測定物２の反射光及び半導体基
板３の反射光を検出する。制御装置５は検出手段４によ
る被測定物２からの反射光の検出レベルを一定レベルに
保持させる検出レベル調整手段６を備え、検出手段４の
検出結果に基づいて被測定物２の高さを測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置上に突出
形成された被測定物の高さを計測することによって半導
体装置の表面を検査する表面検査装置及び表面検査方法
に関する。

【０００２】近年、半導体デバイス、特にマルチチップ
モジュールにおいては、半導体チップと装着用基板とを
バンプを介して接続する方法が採られている。この際、
バンプの高さの不揃いが、半導体チップと装着用基板と
の接着不良を引き起こす原因の１つとなっている。従っ
て、高さの揃ったバンプを形成する技術の開発はいうま
でもなく、バンプ形成工程においてバンプの高さを計測
することによって表面の検査を行い、不揃いのバンプを
備える半導体チップを除去する必要がある。半導体チッ
プに形成されるバンプの数は、数百〜数千という値にな
り、バンプの高さの測定には測定精度をある程度維持し
つつ、測定スピードを向上することが要求されるように
なってきている。

【０００３】

【従来の技術】図９は従来の光切断法による半導体装置
の表面検査装置を示す。表面検査装置１０は、光源１
１、スリット１２、入射側のレンズ１３、反射側のレン
ズ１４、ＣＣＤカメラ１５、及び制御装置１６を備え
る。

【０００４】光源１１は印加される電源の電圧に基づい
て所定の強度の光を発する。スリット１２は光源１１か
ら放出された光を通過させてシート状の光にする。レン
ズ１３はスリット１２を通過した光を平行な測定光に集
光させ、その測定光を半導体装置１８に斜め上方から照
射する。レンズ１４はバンプ２０の上部からの反射光と
半導体基板１９からの反射光を屈折させる。ＣＣＤカメ
ラ１５は反射光を画像として取り込み、反射光の強度に
応じた電気信号を制御装置１６に出力する。

【０００５】制御装置１６はＣＣＤカメラ１５から出力
される電気信号を所定のスレッショルドレベルに基づい
て信号処理することにより、バンプの高さを測定する。
すなわち、図１０に示すように、ＣＣＤカメラ１５の画
像取り込み枠１５Ａ内において、バンプ２０の反射光２
０Ａと半導体基板１９の反射光１９Ａとは高さ位置（ｙ
座標値）が異なる。制御装置１６はスレッショルドレベ
ルＴ１を越える反射光２０Ａ，１９Ａの明るさのピーク
位置ｙ１，ｙ２を求め、両ピーク位置の差｜ｙ１−ｙ２
｜をバンプ２０の高さＨ１として算出する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】さて、上記の表面検査
装置１０は、バンプ２０の反射光２０Ａ又は半導体基板
１９からの反射光１９Ａの信号がスレッショルドレベル
Ｔ１以下であり、反射光２０Ａ又は１９Ａの信号を取得
できない場合、半導体基板１９が載置されたステージ
（図示しない）を微少に移動させて信号を取得するため
の処理を行う。ステージを所定の量だけ移動しても反射
光２０Ａ又は１９Ａの信号を取得できない場合には、ス
レッショルドレベルＴ１を徐々に低下させ、再び画像の
取り込み処理を繰り返し行う。このように、スレッショ
ルドレベルＴ１を徐々に低下させて画像の取り込み処理
を行わなければならないため、バンプ２０の高さの測定
時間が長くなるという問題がある。

【０００７】また、バンプ２０に光沢がなく反射率の低
い場合、測定光の強度を上げたり、ＣＣＤカメラ１５の
ゲインを上げたりすればよいが、測定光の強度やＣＣＤ
カメラ１５のゲインを過度に上げ過ぎると、半導体基板
１９の凹凸や反射の影響を受け易く、バンプ２０の測定
値がばらつくという問題がある。

【０００８】さらに、バンプ２０の測定光側（図９にお
いては左側）において半導体基板内に反射率の高いアル
ミニウム配線パターンが設けられている場合、散乱光に
よるアルミニウム配線の断面画像を検知してしまい、異
常な測定値を出力するという問題がある。

【０００９】本発明は上記問題点を解決するためになさ
れたものであって、その目的は、表面状態が一様でない
被測定物の高さを精度良く短時間で測定できる半導体装
置の表面検査装置及び表面検査方法を提供することにあ
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】図１は本発明の原理説明
図である。光源１は、電源電圧の値に応じた強度の測定
光を、被測定物２が突出形成された半導体基板３に照射
する。検出手段４は被測定物２の反射光及び半導体基板
３の反射光を検出する。制御装置５は検出手段４による
被測定物２からの反射光の検出レベルを一定レベルに保
持させる検出レベル調整手段６を備え、検出手段４の検
出結果に基づいて被測定物２の高さを測定する。

【００１１】（作用）表面状態が一様でない被測定物２
の反射光の強度は異なるが、検出レベル調整手段６によ
って検出手段４の検出レベルは一定レベルに保持される
ので、表面状態が一様でない被測定物２の高さが精度良
く短時間で測定される。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明を半導体装置の表面
検査装置に具体化した実施の一形態を図２〜図８に従っ
て説明する。なお、説明の便宜上、図９と同様の構成に
ついては同一の符号を付して説明する。

【００１３】図１は本形態の表面検査装置３０を示す。
表面検査装置３０は、半導体基板１９上へのバンプ形成
工程中において、図４に示す測定シーケンスに従って、
反射光の強度を検出することにより、バンプの高さを測
定する。

【００１４】この測定シーケンスについて説明すると、
ウェーハの導入処理５１、ウェーハの位置合わせ処理５
２の後に、反射光量レベルの調整処理５３が行われ、続
いてバンプ２０の高さ測定処理５４が行われる。ウェー
ハの導入処理５１では測定ウェーハが測定ステージ（図
示しない）上に載置される。ウェーハの位置合わせ処理
５２では、測定ステージの回転とｘ，ｙ方向への移動を
行うことによって測定系のＣＣＤカメラ３２に対する測
定ウェーハの位置合わせを行う。

【００１５】表面検査装置３０は、光源３１、スリット
１２、入射側のレンズ１３、反射側のレンズ１４、ＣＣ
Ｄカメラ３２、及び制御装置３３を備える。光源３１は
ランプ又は半導体レーザであり、印加される電源の電圧
に基づいて所定の強度の光又はレーザ光を発する。光源
電源は制御回路３３によって制御され、それに応じて光
源３１の発光強度が制御される。

【００１６】スリット１２は光源３１から放出された光
を通過させてシート状の光にする。レンズ１３はスリッ
ト１２を通過した光を平行な測定光に集光させ、その測
定光を半導体装置１８に斜め上方から照射する。レンズ
１４はバンプ２０の上部からの反射光と半導体基板１９
からの反射光を屈折させる。

【００１７】ＣＣＤカメラ３２はバンプ２０の反射光と
半導体基板１９の反射光とを画像として取り込み、反射
光の強度に応じた電気信号を制御装置３３に出力する。
図６に示すように、ＣＣＤカメラ３２は、ｘ方向及びｙ
方向に設けられた多数の画素からなるイメージセンサ３
４を備える。イメージセンサ３４は図５に示す画像取り
込み枠３２Ａに対応しており、イメージセンサ３４の多
数の画素は画像取り込み枠３２Ａ内において、バンプ２
０の反射光２０Ａの強度と半導体基板１９の反射光１９
Ａの強度を検出し、反射光の強度に応じたアナログ信号
を出力する。

【００１８】制御装置３３は、図４に示す測定シーケン
スにおける反射光量レベルの調整処理５３を行うととも
に、バンプ２０の高さ測定処理５４を行う。図３に示す
ように、制御装置３３は画像増幅部４０、第１の画像処
理部４１、画像ＡＤ変換部４２、画像メモリ部４３、第
２の画像処理部４４、高さデータメモリ部４５を備え
る。

【００１９】画像増幅部４０は、ＣＣＤカメラ３２にお
けるイメージセンサ３４の各画素から出力されるアナロ
グ信号を増幅し、増幅したアナログ信号を第１の画像処
理部４１及び画像ＡＤ変換部４２に出力する。

【００２０】第１の画像処理部４１は検出レベル調整手
段を構成し、測定シーケンスにおける反射光量レベルの
調整処理５３を行う。すなわち、ウェーハ上の最初に測
定するチップのレベル調整位置に測定ステージが移動さ
れると、図５（ａ）に示すように、画像増幅部４０によ
って増幅された画像の信号のうち、バンプ２０の反射光
２０Ａの信号を取り込み、図５（ｂ）に示すように反射
光２０Ａの明るさのピーク位置が斜線で示す予め定めた
範囲ＲＴ内に収まるように画像増幅部４０のゲイン及び
光源３１の電源部の制御を行う。この際、範囲ＲＴのレ
ベル値は最適化された値が予め設定されている。通常は
光源３１の電源電圧を最大規格よりも低く設定し、バン
プ２０の反射光２０Ａの強度が低すぎて画像増幅部４０
のゲインを最大にしても反射光２０Ａのピーク位置が範
囲ＲＴ内に達しない場合は、光源３１の電源電圧を上昇
させて光源３１の発光強度を高くする。この反射光量レ
ベルの調整処理５３は測定チップ毎、又はウェーハ毎、
あるいはロット毎に一度行う。

【００２１】反射光量レベルの調整処理５３の終了後、
測定ステージは最初の測定位置に移動し、測定シーケン
スにおけるバンプ２０の高さ測定処理５４が行われる。
画像ＡＤ変換部４２は、図５（ａ）に示すように、画像
増幅部４０によって増幅された画像の信号（バンプ２０
の反射光２０Ａ及び半導体基板１９の反射光１９Ａに対
応する信号）を入力し、デジタル信号に変換する。画像
メモリ部４３は画像ＡＤ変換部４２から出力されたデジ
タル信号をデータとして記憶する。

【００２２】第２の画像処理部４４は信号処理手段を構
成し、画像メモリ部４３からデジタル信号を取り込んで
以下の〜に示すように画像処理を行い、バンプ２０
の高さを算出する。

【００２３】図７（ａ）に示すように、イメージセン
サ３４における画素のｙ方向について、あるスレッショ
ルドレベル以上の値のデジタル信号をカウントする。 ｙ方向の原点から＋方向にカウント値のピークを求
め、このピークのｙ座標を基準面（半導体基板１９の位
置）とする。

【００２４】ｙ方向の＋から原点の方向にカウント値
のピークを求め、このピークのｙ座標を測定面（バンプ
２０の位置）とする。 基準面と測定面との距離を算出してバンプ２０の高さ
とする。

【００２５】上記〜の処理をスレッショルドレベル
を変更して何度か繰り返すことにより、例えば図８に示
すように、複数個の高さデータを得る。これらの高さデ
ータの平均値を求め、この平均値を含む上下の所定範囲
を設定する。そして、この所定範囲内のすべての高さデ
ータを採用し、範囲外の高さデータは除外する。そし
て、すべての採用された高さデータの平均値を高さデー
タとして算出する。

【００２６】図８は図５（ａ）に示す画像取り込み枠３
２Ａ内の１個のバンプ２０について、感度の低いスレッ
ショルドレベルから感度の高いスレッショルドレベルに
順次変更して、上記〜の処理を繰り返すことによっ
て得た複数個の高さデータである。各スレッショルドレ
ベルについて算出した高さ測定値は高さ０、尤もらしい
値（５０μｍ前後）、及び尤もらしい値の２倍以上の値
の３グループに大別される。低感度なスレッショルドレ
ベルで算出した高さ０のデータでは、図７（ａ）におけ
るバンプのピークが得られず、基準面のピークだけであ
るために算出されたものである。高感度なスレッショル
ドレベルで算出した尤もらしい値の２倍以上の値の測定
値は、バンプの背後のアルミニウム配線の反射光をカウ
ントしたために算出した異常データである。０データと
異常データとを全平均値の±Ｘ％（例えば±５０％）の
範囲外のデータを除外することによって排除し、正確な
高さデータを算出する。

【００２７】高さデータメモリ部４５は第２の画像処理
部４４によって算出された高さデータを記憶する。さ
て、本実施の形態は、以下の効果がある。

【００２８】（１）第１の画像処理部４１は、バンプ２
０の高さ測定に先立って、バンプ２０の反射光２０Ａの
明るさのピーク位置が予め定めた範囲ＲＴ内に収まるよ
うに画像増幅部４０のゲイン及び光源３１の電源部の制
御を行う。そのため、バンプ２０の反射光２０Ａ又は半
導体基板１９からの反射光１９Ａを取得できない場合に
半導体基板１９が載置されたステージを微少に移動させ
たり、スレッショルドレベルを徐々に低下させたりし
て、信号を再度取得するための処理が必要なくなり、反
射率の低いバンプであっても高さの測定時間が長くなら
ず、反射率の高いバンプと同様に高さの測定時間を短縮
化することができる。すなわち、バンプの表面状態に関
わらず、測定時間を短縮化することができる。

【００２９】（２）第２の画像処理部４４は、複数の異
なるスレッショルドレベルに基づいてバンプの高さを算
出して異常データを除外することができるので、反射率
の高いアルミニウム配線パターンの散乱光による異常な
測定値を除外でき、バンプの高さの測定精度を向上する
ことができる。

【００３０】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明は、表面状
態が一様でない被測定物の高さを精度良く短時間で測定
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理説明図

【図２】実施の一形態の表面検査装置を示す概略図

【図３】図２の制御装置を示すブロック図

【図４】制御装置の処理フロー図

【図５】光切断画像の取り込みの説明図

【図６】ＣＣＤカメラの画素を示す説明図

【図７】異なるスレッショルドレベルで処理したデータ
を示す説明図

【図８】異なるスレッショルドレベルで算出した測定値
を示す説明図

【図９】従来の表面検査装置を示す概略図

【図１０】従来の光切断画像の取り込みの説明図

【符号の説明】

１ 光源 ２ 被測定物 ３ 半導体基板 ４ 検出手段 ５ 制御装置 ６ 検出レベル調整手段

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電源電圧の値に応じた強度の測定光を、
   被測定物が突出形成された半導体基板に照射する光源
   と、 前記被測定物の反射光及び半導体基板の反射光を検出す
   る検出手段と、 前記検出手段の検出結果に基づいて被測定物の高さを測
   定する制御装置とを備えた半導体装置の表面検査装置に
   おいて、 前記制御装置は、前記検出手段による被測定物からの反
   射光の検出レベルを一定レベルに保持させる検出レベル
   調整手段を備える半導体装置の表面検査装置。
2. 【請求項２】 前記検出レベル調整手段は、前記検出手
   段の検出利得又は前記光源の発光強度を制御する請求項
   １に記載の半導体装置の表面検査装置。
3. 【請求項３】 異なる複数のスレッショルドレベルに基
   づいて、前記検出手段によって検出された反射光から複
   数の高さのデータを求め、それら複数の高さデータの平
   均値に基づいて前記被測定物の高さを求める信号処理手
   段を備える請求項１又は２に記載の半導体装置の表面検
   査装置。
4. 【請求項４】 電源電圧の値に応じた強度の測定光を、
   被測定物が突出形成された半導体基板に照射し、前記被
   測定物の反射光及び半導体基板の反射光を検出手段によ
   って検出し、制御装置によって前記検出手段の検出結果
   に基づいて被測定物の高さを測定するようにした半導体
   装置の表面検査方法において、 前記検出手段による被測定物からの反射光の検出レベル
   を一定レベルに保持させ、異なる複数のスレッショルド
   レベルに基づいて、前記検出手段によって検出された反
   射光から複数の高さのデータを求め、それら複数の高さ
   データの平均値に基づいて前記被測定物の高さを求める
   ようにした半導体装置の表面検査方法。