論論文

高分解能三次元センサ SCS-7040R2

高分解能三次元センサ
SCS-7040R2

文■ 水野佑樹

Yuki Mizuno

1■ 石原満宏Mitsuhiro Ishihara

プは従来にない微小径・狭ピッチの配列となる。このよはじめにうな次世代パッケージの検査を可能とし，かつ今後の普及

東光高岳ではバンプ検査装置を商品化している。バを見据えて量産化に対応できる高速性を有した三次元センプは，半導体パッケージ内部にある IC チップとパッンサの早期の実現は，関連業界の強く望むところである。

ケージ基板とを接続する微小電極であり，バンプ検査装

SCS-7040R2 はこのような背景のもとに開発された

置はバンプの高さや径を検査する装置である。バンプ検次世代パッケージ用三次元センサであり，XY 各 3 μm

査装置の心臓部は三次元センサとよばれる光学計測器での高い画素分解能と 13 × 13 mm を超える広い計測視あり，東光高岳で開発した三次元センサは多くのユーザ野を有することを特長とする。

からの支持を得てバンプ検査用三次元センサとして 20年にわたり数多くの納入実績を残してきた。

量産時の高速検査に対応するために，東光高岳の三次元センサラインナップの中で量産検査対応の標準機と現在半導体業界においては，3D 実装・2.5D/2.1D 実なっている非走査型共焦点三次元センサ NCS-7020R1装と呼ばれる集積化技術を用いた次世代パッケージの実の光学系をベースとし，近年東光高岳で開発した走査型用化が急速に進められている。次世代パッケージは複数共焦点技術 SCS（1）を適用することで高分解能化を図っの種類の IC チップをまとめたマルチチップモジュールた。実験的に得られた必要分解能 3 μm を満足しかつであり，TSV（Through Silicon Via）技術により複数高速検査に必要な広視野を確保するために，2,500 万画チップを積層した 3D 実装（図 1a），TSV 技術を用い素の高画素数・高速カメラの採用と再結像光学系ユニッたシリコンインターポーザ（中間配線基板）上にチップトの新規開発を行った。

を並べる 2.5D 実装（図 1b），あるいはパッケージ基板

完 成 し た 三 次 元 セ ン サ SCS-7040R2 は， 直 径内に高密度な配線層を設ける 2.1D 実装（図 1c）など

30 μm・ピッチ 55 μm の微細バンプを搭載した次世代の技術により実現される。3D 実装は集積度が高く効率パッケージの高精度計測が可能であり，また量産に対応的なチップ間通信が可能であるが製造の難易度が高い。

可能な計測速度を有することが確認できた。

3D 実装の難易度を下げて早期の実用化を目指したもの
が 2.5D/2.1D 実装である。
いずれの技術であれ東光高岳のバンプ検査装置が検査以下では，初めに三次元センサの原理を紹介し，その後 SCS-7040R2 について詳説する。最後に実験の結果を報告する。

対象としてきた従来のパッケージ基板には存在しなかった高密度の配線が用いられ，その配線上に搭載されるバン2三次元センサ（1）共焦点法
三次元センサは光学式の表面形状計測器である。計測原理は共焦点法である。共焦点法は，バンプ検査に必要（a） 3D 実装

なサブミクロンオーダの精度と，振動などの外乱に頑健である特長を有しており，量産対応のバンプ検査用計測手法として適している。
共焦点法による高さ計測の原理を図 2 に示す。
照明用ピンホールから射出された光は対物レンズを通（b） 2.5D 実装

して物体上にスポットを形成する。物体表面がスポットの形成位置（焦点位置）にある場合，反射した光は対物レンズで集光され，ビームスプリッタを介して照明ピンホールと光学的に同等の位置にある検出ピンホール上に（c） 2.1D 実装

図122

次世代パッケージ技術

東光高岳技報 Vol.3 2016

焦点を結び，ほとんどの光がピンホールを通過する。通過した光は検出器に到達し強い検出器出力が得られる。
一方，物体表面が焦点位置から外れている場合は，反射高分解能三次元センサ SCS-7040R2

図4論文

非走査・走査型共焦点技術の解像力（左：非走査型 右：走査型）

LS：照明，PH：ピンホール，DT：検出器，BS：ビームスプリッタ，
OL：対物レンズ，OB：対象物

図2

共焦点法

対物レンズの光路

図5として新たに走査型共焦点技術 SCS を開発した（1）。

LS ：照明LL ：照明レンズ

PBS ：偏光ビームスプリッタ
PHA：ピンホールアレイ
DT ：検出器（カメラ）OL ：対物レンズ（テレセントリック）
RL ：再結像レンズ

走査型共焦点光学系の構造を図 3 に示す。走査型共焦点光学系と非走査型共焦点光学系の違いは，ピンホールアレイを走査する一軸ステージの有無のみである。
非走査型ではピンホールアレイの各ピンホールとカメ

OB ：対象物

ラの画素はほぼ一対一に対応しており，ピンホールの密ST ：一軸ステージ

度より高い画素密度，つまり高分解能のカメラを用いる

QW ：1/4 波長板

図3

光学的焦点移動機構

ことは意味がない。しかし，カメラの露光時間（シャッ走査型共焦点光学系

ターの開いている時間）の間にピンホールアレイを一軸

光は検出ピンホール上で広がり，ほとんどの光は検出器ステージにより移動させれば，元々対応していない画素に到達できず弱い検出器出力となる。この現象を利用し上にもピンホールが移動しその画素も情報を得ることがて，物体を光軸方向に移動（Z 走査）させながら，検出できる。つまりタイムシェアリングで画素露光が可能と器の出力が最大となる位置を探索すれば物体表面の位置なることから，ピンホール密度に制限されない高分解能が特定できる。これが共焦点法による高さ計測の原理で＝高画素数のカメラを用いることができる。すなわち分ある。

解能の高い計測が可能となる。
実際に，ピンホールアレイの密度より画素密度の高いカメラを用いて撮像した例を図 4 に示す。非走査型に（2）走査型共焦点技術 SCS
前記の共焦点法によれば，1 回の Z 走査により計測でおいては，情報が得られない画素が黒くモアレ縞 注 1）ときるのは物体表面上の一点だけである。そのため，物体なって見えているが，走査型においてはすべての画素で表面全体の情報を得るためには，水平（XY）方向に走情報が得られ自然な画像となっている。

査する必要がある。このため共焦点法は一般に時間を著しく消費する手法とみなされている。

（3）光学的焦点移動機構

東光高岳では，ピンホールを多数並列に配列したピン

先に示したように共焦点法においては Z 走査が必要でホールアレイとすることで多点を同時並列に計測する高ある。Z 軸移動可能なステージに計測対象物を配して Z

速化手法－非走査共焦点技術 NCS を開発し，長年バ走査させるのが一般的であるが，東光高岳ではより簡易ンプ計測に適用してきた。しかし，非走査共焦点技術かつ高速に Z 走査が可能な技術を提供している。この技

NCS は，ピンホールアレイ上のピンホールの数によっ術は，Z 走査を機械的ではなく光学的に実現でき，光学て XY 分解能が制限されるため分解能を向上させる手法的焦点移動機構と呼んでいる。図 5 にその構造を示す。

（2）

東光高岳技報 Vol.3 201623論文

高分解能三次元センサ SCS-7040R2

各焦点の計測画像

統合画像

図6

光学的焦点移動機構による共焦点画像の例

円板上に，互いに厚さの異なる平行平面ガラスを配置し，対物レンズの光路中に挿入して円板を連続回転させる。対物レンズの光路中に平行平面ガラスが挿入されると，ガラスの厚みに比例して対物レンズの焦点位置が移動することから，円板の回転により焦点位置移動が発生する。焦点位置の移動は計測対象物の Z 軸移動と光学的には同等と考えられるから，焦点位置移動により Z走査が実現されることになる。円板を高速回転させるこ

図7

SCS-7040R2 外観

表1

SCS-7040R2 仕様

XY 画素分解能（μm）
視野サイズ（mm）

NCS-7020R1

SCS-7040R2

7.8

3.0

13.0 × 13.0,15.0 × 11.0,11.0 × 15.0 可変対応最小バンプ径（μm）

5025

対応最小バンプピッチ（μm）

9055画像入力時間（s/ 視野）0.250.38

計測速度（個／ H）［計測エリア 35 ×35 mm の時］

550470光源

メタルハライドランプ

LEDとで簡易に高速な Z 走査が実現できる。
図 6 に光学的焦点移動機構を用いて撮像した共焦点解能とすることも可能である。

画像の例を示す。共焦点光学系においては光学系の焦点位置に物体表面があるときにのみ強い検出器出力（白い（2）広視野の確保部分）が得られ等高線となって画像に現れる。光学的焦視野サイズは検査速度に関して支配的に影響するこ点移動機構により焦点位置が変化しそれに伴い等高線がとから NCS-7020R1 に劣ることのないように一辺最大移動しているのがわかる。

15 mm を確保した。3 μm 分解能で一辺あたり 15 mmの 視 野 を 確 保 す る た め に は（15 mm / 0.003 mm =)3SCS-7040R2

5,000 画素以上のカメラが必要となる。従来，5,000 ×5,000 画素を超えるカメラは数枚／秒レベルの撮像速度

SCS-7040R2 は，東光高岳の従来の三次元センサがのものしか市場に存在せず，高速検査装置への適用は不有する，量産検査に対応可能な高速性を維持しながら，可能であった。今回 5,120 × 5,120 画素を有しかつ 90次世代パッケージが計測可能な高い分解能を実現するこ

枚／秒を超える高速撮像が可能な高パフォーマンスカメとを目標として開発した。

ラが SCS-7040R2 開発直前に入手可能となったことは

図 7 に開発した SCS-7040R2 の外観を，表 1 に主なSCS-7040R2 の実現に大きく寄与している。

仕様を示す。共通の対物レンズを使用する従来三次元センサ NCS-7020R1 の仕様も比較のために併記している。
NCS-7020R1 は，東光高岳の三次元センサラインナッ
プの中でも量産検査対応の主力機種である。

（3）構造
図 8 に SCS-7040R2 光学系の構造を示す。3 μm 分解能，15 mm の視野実現のために倍率 1.5 倍の再結像・照明レンズを新たに開発した。この新規再結像・照明（1）高分解能の実現

レンズと対物レンズとの間に，走査型共焦点を実現する開発前の実験により，次世代パッケージの微細バンプSCS スキャナを配置している。SCS スキャナが一方向にに対応するためには，XY 画素分解能として 3 μm 以下等速移動している間に光学的焦点移動機構が 1 回転し，が必要であることが判明していた。この分解能は従来の計測に必要な画像を取得する。連続回転する光学的焦点

非走査共焦点技術 NCS では原理的に実現不可能であっ移動機構 1 回転で 1 回の計測が完了するので原理的な速た。走査型共焦点技術 SCS の技術を用いることで初め度は従来の非走査型共焦点三次元センサと差異はない。て 3 μm 分解能が達成できた。走査型共焦点技術 SCS

カメラの撮像速度によってのみ計測速度が左右されるこは対物レンズの光学分解能レベルまで画素分解能を向上とになる。そのため，表 1 に示すように SCS-7040R2 は，させることが可能となることから将来的にはさらに高分

NCS-7020R1 に対し画素数比で 6 倍以上の高解像度と24

東光高岳技報 Vol.3 2016

バンプ高さ計測ばらつき 3σ［um］

高分解能三次元センサ SCS-7040R2論文

バンプ番号

図 10

バンプ高さ計測の繰り返し精度あり，高い精度が得られている。
SCS-7040R2 により次世代パッケージの微細バンプを高い精度で計測できることが確認できた。
図8

SCS-7040R2 光学系の構造なったにもかかわらず，遜色のない計測速度が達成できている。速度差異はカメラの撮像速度の違いである。
光源として，新たに LED 光源を採用した。従来のメタルハライドランプに比べ寿命が長く，高速な ON ／OFF・光量切替が可能となった。

5終わりに

本稿では次世代パッケージのバンプ検査に対応できる三次元センサ SCS-7040R2 の開発について報告した。
3 μm の高い分解能と量産検査に対応可能な計測速度を達成できた。
半導体実装の技術革新は頻度が高くかつ急速である。
半導体検査装置には新しい技術への対応が常に求められ4

実験結果る。今後もより高度な三次元センサを，時期を逸することなく開発していきたい。

（1）分解能の確認
図 9 に NCS-7020R1，SCS-7040R2 それぞれの三次元センサで撮像した集積回路の画像を示す。分解能の比■参考文献

較を容易にするために視野の一部を拡大して表示してい（1）日名子：「走査型共焦点方式三次元計測」，東光高岳技法，Vol.2. 2015 pp. 20-23 (2015)

る。NCS-7020R1 に比べ SCS-7040R2 は微細なパター（2）M. Ishihara：“A Confocal Surface Measurement

ンまで解像できていることがわかる。

System Having Improved Measurement Accuracy for
Rough Surfaces and Measurement Speed”，Journal of（2）次世代パッケージのバンプ計測
径 30 μm，ピッチ 55 μm の微細バンプが搭載されRobotics and Mechatronics, Vol.15 No.3, pp. 331-440(2003)

た次世代パッケージ用基板の計測結果を図 10 に示す。
約 12,000 個のバンプの高さ（基板とバンプ頂点の差）■語句説明を 30 回計測し，その繰り返し精度を表示している。横注 1）モアレ縞：周期性のあるパターン間で発生する幾何学的な干渉縞

軸は各バンプの番号，縦軸が各バンプの計測ばらつき（3 σ値）である。計測ばらつきの平均は約 0.2 μm で

水野佑樹

石原満宏

 応用検査機器事業本部
光技術開発部 開発グループ 所属
三次元計測センサの開発に従事

図 9 非走査型と走査型の計測画像（左：非走査型右：走査型）

 応用検査機器事業本部
光技術開発部 所属
三次元計測センサの開発に従事
博士（工学），精密工学会会員

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