JPH10281721A - 変位測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 被測定物の変位を被測定物全域に亘り高速に
測定することのできる変位測定装置を提供することを目
的とする。 【解決手段】 変位測定装置は、バンプ２が形成された
パッケージ３を支持して移動する支持テーブル１１と、
レーザビームを照射する半導体レーザ１２と、コリメー
タレンズ１３と、ガルバノミラー１４と、対物レンズ１
５と、一対の反射ミラー１６、１７と、結像レンズ１８
と、一次元のＰＳＤ１９とを備える。対物レンズ１５お
よびミラー１７を介してバンプ２に照射された入射光ビ
ームＢ１は、バンプ２の表面で反射して反射光ビームＢ
２となり、ミラー１６および対物レンズ１５を介してガ
ルバノミラー１４に入射する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は被測定物表面の変
位を測定する変位測定装置に関し、特に、半導体チップ
を装着したパッケージや基板に形成されたバンプ（金属
突起状電極）の検査装置に好適な変位測定装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】このようなバンプの検査装置において
は、バンプの高さを測定することにより、その検査を行
っている。そして、バンプの高さを測定する方法として
は、従来、共焦点方式や三角法高低測量方式が利用され
ている。

【０００３】共焦点方式は、被測定物の上方に、レンズ
と微小開口と光量センサとをこの順に設け、光量センサ
で検出する被測定物表面からの反射光の光量は、レンズ
と被測定物表面との距離がレンズの焦点距離に一致した
とき最大となることを利用して、バンプの高さの変位を
測定するものである。

【０００４】また、三角法高低測量方式は、被測定物の
上方から照射され、被測定物表面において所定の角度を
もって反射する光ビームの位置を光ビーム位置検出手段
で検出することによって、バンプの高さの変位を測定す
るものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記共焦点方式および
三角法高低測量方式のいずれの方式を利用する場合であ
っても、被測定物の全域において変位を測定するには、
長時間を要するという問題がある。

【０００６】すなわち、被測定物の全域において変位を
測定するためには、被測定物を検査装置に対してＸ、Ｙ
方向に移動させて被測定物全域を走査することになるた
め、測定に長時間を要する。変位測定を高い分解能で実
行する場合においては、測定に要する時間は特に長時間
となる。

【０００７】この発明は上記課題を解決するためになさ
れたものであり、被測定物の変位を被測定物全域に亘り
高速に測定することのできる変位測定装置を提供するこ
とを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、被測定物表面の変位を測定する変位測定装置におい
て、光ビームを照射する光照射手段と、前記光照射手段
により照射された光ビームを偏向する偏向手段と、前記
偏向手段とその焦点距離だけ離隔して配置され前記偏向
手段により偏向された光ビームを入射される対物レンズ
と、前記対物レンズに対し前記偏向手段の逆側の位置に
おいて前記被測定物を支持する支持手段と、前記光照射
手段により照射され前記偏向手段および前記対物レンズ
を介して前記被測定物に照射される入射光ビームと前記
被測定物の表面で反射される反射光ビームとの間に所定
の角度を形成した状態で前記反射光ビームを前記対物レ
ンズに入射させるため前記対物レンズと前記被測定物と
の間に配設された反射鏡と、前記被測定物の表面で反射
され前記対物レンズを通過して前記偏向手段により偏向
された後の反射光ビームの位置を検出する光ビーム位置
検出手段と、前記支持手段を前記対物レンズに対して相
対的に一方向に移動させる移動手段とを備えたことを特
徴とする。

【０００９】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
の発明において、前記光ビーム位置検出手段は、一次元
の位置検出素子を使用している。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態を図
面に基づいて説明する。図１はこの発明に係る変位測定
装置の実施形態を示す正面図であり、図２はその右側面
図、また、図３はその平面図である。

【００１１】この変位測定装置は、その表面に多数のバ
ンプ２が形成されたＣＳＰ（チップスケールパッケー
ジ、以下「パッケージ」という）３におけるバンプ高さ
の検査を行うものであり、パッケージ３を支持する支持
テーブル１１と、レーザビームを照射する半導体レーザ
１２と、コリメータレンズ１３と、ガルバノミラー１４
と、対物レンズ１５と、一対の反射ミラー１６、１７
と、結像レンズ１８と、一次元のＰＳＤ（位置検出素
子）１９とを備える。

【００１２】前記支持テーブル１１の下面には、車輪２
２が配設されている。そして、支持テーブル１１は、図
示しない駆動手段により、図１における紙面に垂直な方
向（図２における左右方向）に、一定の速度で往復移動
するように構成されている。

【００１３】前記半導体レーザ１２は、変位測定に使用
する入射光ビームＢ１としてのレーザビームを照射する
ものである。この半導体レーザ１２から照射された入射
光ビームＢ１は、コリメータレンズ１３により、平行光
に変換される。従って、上記半導体レーザ１２とコリメ
ータレンズ１３とは、平行光を照射する光照射手段とし
て機能する。なお、図１および図２において各々のレー
ザビームはその主光線のみを図示している。

【００１４】前記ガルバノミラー１４は、図示しないガ
ルバノメータに接続され、水平方向（図１における紙面
に垂直な方向）を向く軸を中心に高速で揺動可能に構成
されている。

【００１５】前記対物レンズ１５は、その光軸が鉛直方
向を向く状態で設置されている。そして、この対物レン
ズ１５の焦点距離はｆとなっている。また、この対物レ
ンズ１５は、ガルバノミラー１４における入射光ビーム
Ｂ１の主光線の反射位置と距離ｆだけ離隔した位置に配
置されている。このため、半導体レーザ１２から照射さ
れ、ガルバノミラー１４で反射された入射光ビームＢ１
は、ガルバノミラー１４が図１におけるθ方向に揺動し
た場合においても、対物レンズ１５を通過後は常に鉛直
方向を向く。

【００１６】なお、図１および図２においては、説明の
便宜上、対物レンズ１５を単一の凸レンズとして図示し
ているが、実際には複数のレンズを組み合わせたレンズ
群が採用される。

【００１７】一方、図３に示すように、平面視におい
て、ガルバノミラー１４に入射する入射光ビームＢ１の
主光線とガルバノミラー１４の反射面における法線とが
なす角度はαとなっている。これにより、図２に示すよ
うに、側面視において、ガルバノミラー１４で反射され
た入射光ビームＢ１の主光線とガルバノミラー１４の反
射面における法線とがなす角度もαとなる。そして、上
述したように、ガルバノミラー１４における入射光ビー
ムＢ１の主光線の反射位置と対物レンズ１５とは、対物
レンズ１５の焦点距離ｆだけ離隔して配置されている。
従って、ガルバノミラー１４で反射された入射光ビーム
Ｂ１は、上記角度αの有無にかかわらず、対物レンズ１
５を通過後は常に鉛直方向を向く。

【００１８】対物レンズ１５と支持テーブル１１上に載
置されたパッケージ３との間には、一対のミラー１６、
１７が、図２に示す側面視において左右対称な状態で配
設されている。対物レンズ１５を通過した入射光ビーム
Ｂ１は、図２に示すように、ミラー１７を介して支持テ
ーブル１１上に載置されたパッケージ３に照射される。
そして、この入射光ビームＢ１は、パッケージ３におけ
るバンプ２上で反射され、図１〜３において破線で示す
反射光ビームＢ２となる。

【００１９】なお、これらの入射光ビームＢ１と反射光
ビームＢ２とがなす角度は、図２に示す側面視において
βとなっている。また、この対物レンズ１５と支持テー
ブル１１上に載置されたパッケージ３におけるバンプ２
の上端との間の光路長は、入射光ビームＢ１および反射
光ビームＢ２のいずれの場合であっても、焦点距離ｆと
ほぼ一致している。

【００２０】パッケージ３におけるバンプ２上で反射さ
れた反射光ビームＢ２は、ミラー１６でさらに反射さ
れ、対物レンズ１５の光軸に平行な鉛直方向を向く反射
光ビームＢ２となる。そして、ミラー１６で反射された
反射光ビームＢ２は、対物レンズ１５を通過した後、ガ
ルバノミラー１４に入射する。このとき、上述したよう
に、一対のミラー１６、１７は左右対称な状態で配設さ
れていることから、反射光ビームＢ２の主光線とガルバ
ノミラー１４の反射面における法線とがなす角度はαと
なる。

【００２１】このため、図３に示す平面視において、ガ
ルバノミラー１４から反射する反射光ビームＢ２の主光
線とガルバノミラー１４の反射面における法線とがなす
角度もαとなる。そして、この反射光ビームＢ２の主光
線と光軸が一致する状態で、上記結像レンズ１８とＰＳ
Ｄ１９とが配設されている。

【００２２】上述した光学系において、ガルバノミラー
１４が揺動した場合には、ガルバノミラー１４で反射し
た入射光ビームＢ１は、図１に示す正面視において、符
号Ｂ１１で示す位置から符号Ｂ１２で示す位置までの間
を順次移動する。この間においても、対物レンズ１５を
通過後の入射光ビームＢ１は、常に鉛直方向を向いてい
る。そして、この入射光ビームＢ１は、ミラー１７によ
り反射された後、常に一定の角度をもって、パッケージ
３におけるバンプ２上に照射される。

【００２３】従って、ガルバノミラー１４の揺動に伴
い、パッケージ３の表面は、常に一定の入射角度を有す
る入射光ビームＢ１により一方向に走査される。そし
て、支持テーブル１１がパッケージ３を支持した状態
で、入射光ビームＢ１の走査方向と直交する方向（図２
における左右方向）に移動することにより、パッケージ
３の表面全域が入射光ビームＢ１により走査されること
になる。

【００２４】上述したように、このような構成の光学系
においては、半導体レーザ１２から照射されコリメータ
レンズ１３により平行光とされた入射光ビームＢ１は、
ガルバノミラー１４で反射されて対物レンズ１５に入射
する。そして、この入射光ビームＢ１は、その方向を鉛
直方向に向けられた後、ミラー１７により所定の角度を
もってパッケージ３におけるバンプ２上に照射される。

【００２５】一方、パッケージ３におけるバンプ２上で
反射した反射光ビームＢ２は、ミラー１６により鉛直方
向に向けられた後、対物レンズ１５を介してガルバノミ
ラー１４に入射する。そして、ガルバノミラー１４で反
射された反射光ビームＢ２は、結像レンズ１８によりＰ
ＳＤ１９上に結像される。

【００２６】なお、対物レンズ１５と支持テーブル１１
上に載置されたパッケージ３におけるバンプ２の上端と
の間の光路長は、入射光ビームＢ１および反射光ビーム
Ｂ２のいずれの場合であっても焦点距離ｆとほぼ一致す
るように、対物レンズ１５、支持テーブル１１およびミ
ラー１６、１７が配置されている。

【００２７】すなわち、支持テーブル１１は、対物レン
ズ１５に対しガルバノミラー１４の逆側の位置におい
て、パッケージ３のバンプ２が対物レンズ１５からその
焦点距離と略等しい光路長だけ離隔する状態でパッケー
ジ３を支持する支持手段として機能する。このため、例
えば入射光ビームＢ１はパッケージ３におけるバンプ２
の上端で焦点を結ぶ。

【００２８】但し、この光学系はテレセントリック光学
系となっていることから、対物レンズ１５と支持テーブ
ル１１上に載置されたパッケージ３におけるバンプ２の
上端との間の光路長が焦点距離ｆから多少ずれたとして
も、像が若干ぼける以外には、特に問題は生じない。

【００２９】このような構成において、図４に誇張して
示すように、パッケージ３におけるバンプ２の上端の高
さが変わり、入射光ビームＢ１の反射位置の高さがＨだ
け変化した場合には、反射光ビームＢ２の主光線とガル
バノミラー１４の反射面における法線とがなす角度αは
α２に変化する。これに伴い、図３に示す平面視におい
て、ガルバノミラー１４により反射された反射光ビーム
Ｂ２の主光線とガルバノミラー１４の反射面における法
線とがなす角度αもα２となる。そして、ＰＳＤ１９は
集光レンズ１８の焦点位置に配置されている。このた
め、バンプ２の高さが変化した場合には、ガルバノミラ
ー１４で反射された反射光ビームＢ２は、水平方向にの
みその位置が変化する。従って、この反射光ビームＢ２
の位置をＰＳＤ１９により検出することで、バンプ２の
高さの変位を測定することができる。

【００３０】すなわち、被測定物たるバンプ２の表面で
反射され対物レンズ１５を通過してガルバノミラー１４
により偏向された後の反射光ビームＢ２の位置の変化量
をＰＤＳ１９により測定することで、バンプ２の高さの
変位量を測定しうることになる。そして、上述した条件
は、ガルバノミラー１４が揺動することにより入射光ビ
ームＢ１が、図１に示す正面視において、符号Ｂ１１で
示す位置から符号Ｂ１２で示す位置までの間を順次移動
した場合においても変化しない。このため、上述したよ
うに、ガルバノミラー１４を揺動させることにより入射
光ビームＢ１を一方向に走査させながら、パッケージ３
を入射光ビームＢ１の走査方向と交差する方向に走行さ
せることで、パッケージ３全面の変位を測定することが
可能となる。

【００３１】より具体的には、半導体レーザ１２からレ
ーザビームを照射するとともにガルバノミラー１４を揺
動させることにより、入射光ビームＢ１を一方向に走査
させる。また、支持テーブル１１上にパッケージ３を支
持した状態で、支持テーブル１１を前記走査方向と直交
する方向に走行させる。そして、パッケージ３上に形成
されたバンプ２の表面で反射され対物レンズ１５を通過
してガルバノミラー１４により偏向された後の反射光ビ
ームＢ２の水平方向の位置の変化量を、継続してＰＤＳ
１９により測定する。これにより、パッケージ３上に形
成されたバンプ２の高さの変位をパッケージ３の全面に
おいて測定することができる。

【００３２】このとき、ＰＳＤ１９により測定された反
射光ビームＢ２の位置の変化量と、ガルバノミラー１４
の揺動角度位置や支持テーブル１１の移動位置等から測
定される入射光ビームＢ１の走査位置から、パッケージ
３上に形成されたバンプ２の平面的な位置との高さの変
位との関係をパッケージ全面において測定、記憶するよ
うに構成してもよい。

【００３３】なお、上述した実施の形態において、バン
プ２表面で反射する時点における入射光ビームＢ１と反
射光ビームＢ２とがなす角度β（図２参照）は、８０°
〜９０°とすることが好ましい。この角度βを過度に小
さくした場合には、バンプ２の高さの変位量に対しガル
バノミラー１４により偏向された後の反射光ビームＢ２
の水平方向の位置の変化量が小さくなることから、測定
精度が劣化する。一方、この角度βを過度に大きくした
場合には、入射光ビームＢ１によるバンプ２上の照射領
域が変形して一方向に拡大することから、バンプ２の表
面形状等の影響を受けて測定誤差を生じやすい。

【００３４】以上のように、上述した実施形態に係る変
位測定装置によれば、パッケージ３の全域に形成された
バンプ２の高さの変位を高速に測定することができる。

【００３５】このとき、バンプ２に高さの変化が生じた
場合、ガルバノミラー１４により偏向された後の反射光
ビームＢ２は一方向にのみ移動する。従って、この位置
の変化を一次元のＰＳＤ１９で検出することが可能とな
る。一般に、一次元のＰＳＤ１９は２次元のＰＳＤに比
べ、高い応答速度と１０〜２０倍程度の高い位置分解能
とを有する。このため、バンプ２の高さの変位を高速か
つ高精度で測定することができる。なお、一次元のＰＳ
Ｄ１９に換えて、一次元のＣＣＤカメラなど、他の一次
元の位置検出手段を使用してもよい。

【００３６】また、半導体レーザ１２から照射された入
射光ビームＢ１をガルバノミラー１４を利用してパッケ
ージ３の全域に走査させるとともに、パッケージ３から
の反射光ビームＢ２を同一のガルバノミラー１４を利用
してＰＳＤ１９に入射させるため、装置全体の構成を簡
易化することができる。

【００３７】さらに、入射光ビームＢ１は、ガルバノミ
ラー１４の角度位置にかかわらず、常に一定の角度でパ
ッケージ３におけるバンプ２に入射する。このため、パ
ッケージ３の全領域において常に同一の照射条件でバン
プ２の高さを測定することができ、その変位の測定精度
を向上することが可能となる。

【００３８】なお、上述した実施の形態においては、被
測定物としてのバンプ２に照射される入射光ビームＢ１
とバンプ２の表面で反射される反射光ビームＢ２との間
に角度βを形成した状態で反射光ビームＢ２を対物レン
ズ１５に入射させるための反射鏡として、一対のミラー
１６、１７を使用しているが、このような反射鏡として
他の形態のものを使用してもよい。

【００３９】図５は、このような変形例に係る反射鏡の
構成を示す正面図である。なお、上述した実施の形態と
同一の部材については、同一の符号を付している。

【００４０】この実施形態においては、反射鏡として単
一のプリズム２３を使用している。そして、このプリズ
ム２３の一部表面にアルミニュウム薄膜と黒色塗料とを
この順にコーティングすることにより、４個の反射面２
４、２５、２６、２７を形成している。対物レンズ１５
を通過した入射光ビームＢ１は、プリズム２３に入射し
た後、反射面２４および２７で反射してパッケージ３の
バンプ２に照射される。また、バンプ２で反射された反
射光ビームＢ２は、反射面２５および２６で反射し、鉛
直方向を向く反射光ビームＢ２となって対物レンズ１５
に入射する。

【００４１】図６は、さらに他の変形例に係る反射鏡の
構成を示す正面図である。なお、上述した実施の形態と
同一の部材については、同一の符号を付している。

【００４２】この実施形態においては、反射鏡として単
一のミラー３６を使用している。対物レンズ１５を通過
した入射光ビームＢ１は、直接パッケージ３のバンプ２
に照射される。また、バンプ２で反射された反射光ビー
ムＢ２は、ミラー３６で反射し、鉛直方向を向く反射光
ビームＢ２となって対物レンズ１５に入射する。

【００４３】また、上述した実施の形態においては、入
射光ビームＢ１および反射光ビームＢ２を偏向する偏向
手段としてガルバノミラー１４を使用しているが、ポリ
ゴンミラー等の他の偏向手段を利用してもよい。

【００４４】さらに、上述した実施の形態においては、
被測定物としてのバンプ２が形成されたパッケージ３を
一方向に移動させているが、対物レンズ１５を含む光学
系を一方向に移動させてもよい。

【００４５】また、上述した実施の形態においては、被
測定物としてバンプ２が形成されたパッケージ３を使用
しているが、その他の各種の被測定物の変位を被測定物
全域に亘り測定することも可能である。

【００４６】

【発明の効果】請求項１に記載の発明は、被測定物表面
の変位を測定する変位測定装置において光ビームを照射
する光照射手段と、光照射手段により照射された光ビー
ムを偏向する偏向手段と、偏向手段とその焦点距離だけ
離隔して配置され偏向手段により偏向された光ビームを
入射される対物レンズと、対物レンズに対し偏向手段の
逆側の位置において被測定物を支持する支持手段と、光
照射手段により照射され偏向手段および対物レンズを介
して被測定物に照射される入射光ビームと被測定物の表
面で反射される反射光ビームとの間に所定の角度を形成
した状態で反射光ビームを対物レンズに入射させるため
対物レンズと被測定物との間に配設された反射鏡と、被
測定物の表面で反射され対物レンズを通過して偏向手段
により偏向された後の反射光ビームの位置を検出する光
ビーム位置検出手段と、支持手段を対物レンズに対して
相対的に一方向に移動させる移動手段とを備えることか
ら、被測定物の変位を被測定物全域に亘り高速に測定す
ることができる。このとき、光照射手段により照射され
た光ビームと被測定物の表面で反射された光ビームとを
同一の偏向手段を使用して偏向するため、装置の構成を
簡易なものとすることができる。

【００４７】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
の発明において、光ビーム位置検出手段として一次元の
位置検出素子を使用するため、被測定物の変位を高速か
つ高精度で測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係る変位測定装置の実施形態を示す
正面図である。

【図２】この発明に係る変位測定装置の実施形態を示す
右側面図である。

【図３】この発明に係る変位測定装置の実施形態を示す
平面図である。

【図４】反射位置の高さの変化に伴う反射光ビームＢ２
の変位を示す説明図である。

【図５】反射鏡の変形例を示す正面図である。

【図６】反射鏡の変形例を示す正面図である。

【符号の説明】

２ バンプ ３ パッケージ １１ 支持テーブル １２ 半導体レーザ １３ コリメータレンズ １４ ガルバノミラー １５ 対物レンズ １６ 反射ミラー １７ 反射ミラー １８ 結像レンズ １９ ＰＳＤ ２２ 車輪 ２３ プリズム ２４、２５、２６、２７ 反射面 Ｂ１ 入射光ビーム Ｂ２ 反射光ビーム

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定物表面の変位を測定する変位測定
   装置において、 光ビームを照射する光照射手段と、 前記光照射手段により照射された光ビームを偏向する偏
   向手段と、 前記偏向手段とその焦点距離だけ離隔して配置され、前
   記偏向手段により偏向された光ビームを入射される対物
   レンズと、 前記対物レンズに対し前記偏向手段の逆側の位置におい
   て、前記被測定物を支持する支持手段と、 前記光照射手段により照射され前記偏向手段および前記
   対物レンズを介して前記被測定物に照射される入射光ビ
   ームと、前記被測定物の表面で反射される反射光ビーム
   との間に所定の角度を形成した状態で、前記反射光ビー
   ムを前記対物レンズに入射させるため、前記対物レンズ
   と前記被測定物との間に配設された反射鏡と、 前記被測定物の表面で反射され前記対物レンズを通過し
   て前記偏向手段により偏向された後の反射光ビームの位
   置を検出する光ビーム位置検出手段と、 前記支持手段を前記対物レンズに対して相対的に一方向
   に移動させる移動手段と、 を備えたことを特徴とする変位測定装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の変位測定装置におい
   て、 前記光ビーム位置検出手段は、一次元の位置検出素子で
   ある変位測定装置。