| 【発明の名称】 |
基板間隔の測定装置及び基板間隔の測定方法 |
| 【発明者】 |
【氏名】小野 克二
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| 【要約】 |
【課題】本発明はスペーサを介して接合した２枚の基板の基板間隔を測定する基板間隔の測定装置及び基板間隔の測定方法に関し、上下基板の大きさが異なる場合であっても確実に間隔測定を行なうことを課題とする。
【解決手段】金属柱１６により微小な基板間隔１８を隔てて接合された二枚の基板１２，１４の間に基板間隔１８の一方から平行光線かつ光強度分布が一様な入射光を入射させる投光装置２０Ａと、基板間隔１８の他方から出射する出射光の光強度を検出する受光装置２２Ａと、投光装置２０Ａを各基板１２，１４の面方向に対し垂直な方向に移動させる移動装置３０と、受光装置２２Ａが検出する光強度と投光装置２０Ａの移動量に基づき基板間隔１８の距離を測定する間隔測定回路３２とを設ける。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 スペーサにより微小な間隔を隔てて接合された二枚の基板の間に、前記間隔の一方から平行光線かつ光強度分布が一様な入射光を入射させる投光装置と、前記間隔の他方から出射する出射光の光強度を検出する受光装置と、前記入射光の前記間隔への入射状態を、前記基板の面方向に対し垂直な方向に変化させる入射光変化手段と、前記受光装置が検出する光強度と、前記入射光変化手段による入射光の変化量とに基づき前記間隔の距離を測定する測定手段とを具備することを特徴とする基板間隔の測定装置。
【請求項２】 請求項１記載の基板間隔の測定装置において、前記入射光変化手段は、前記投光装置を前記基板の面方向に対し垂直な方向に移動させる移動機構であることを特徴とする基板間隔の測定装置。
【請求項３】 請求項１または２記載の基板間隔の測定装置において、前記投光装置を、光軸が前記基板の面方向に対し垂直下方向となるよう構成された光源と、前記光源からの出射光を前記間隔に向かうよう光路変換を行なう第１のプリズムとにより構成し、かつ、前記受光装置を、光軸が前記基板の面方向に対し垂直下方向となるよう構成された受光素子と、前記間隔の他方から出射する出射光を前記受光素子に向かうよう光路変換を行なう第２のプリズムとにより構成したことを特徴とする基板間隔の測定装置。
【請求項４】 請求項１乃至３のいずれかに記載の基板間隔の測定装置において、前記投光装置に加え、前記間隔内にバイアス光を入射させるバイアス光投光装置を設けたことを特徴とする基板間隔の測定装置。
【請求項５】 請求項１記載の基板間隔の測定装置において、前記入射光変化手段は、前記間隔に入射する入射光の光量を前記基板の面方向に対し垂直方向に変化させるシャッターであることを特徴とする基板間隔の測定装置。
【請求項６】 スペーサにより微小な間隔を隔てて接合された二枚の基板の間に、投光装置を用いて前記間隔の一方から平行光線かつ光強度分布が一様な入射光を入射させ、前記入射光の前記間隔への入射状態を前記基板の面方向に対し垂直な方向に変化させつつ、前記間隔の他方から出射する出射光の光強度を受光装置により検出し、前記受光装置が検出する光強度と、前記入射光変化手段による入射光の変化量とに基づき前記間隔の距離を測定することを特徴とする基板間隔の測定方法。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は基板間隔の測定装置及び基板間隔の測定方法に係り、特にスペーサを介して接合した２枚の基板の基板間隔を測定する基板間隔の測定装置及び基板間隔の測定方法に関する。近年の半導体技術の発達、特に化合物半導体の高周波特性の向上は目ざましいものがあり、マイクロ波帯のみならず、ミリ波帯への応用さえも現実の物となりつつある。
【０００２】化合物半導体をミリ波帯の装置に使用すると、装置の小型化が図れる等の利点は大きいが、普及を促すためには装置の低価格化を図る必要がある。しかるに、化合物半導体基板は高価なため、装置の低価格化のためには使用する化合物半導体基板の面積を小さくする必要がある。そこで、必要がある部分（能動素子等）のみを化合物半導体で作製し、それ以外の部分（整合回路等）を安価なシリコン基板上に形成し、これら二つの基板を金属バンプ等で貼り合わせる（フリップチップボンディング）ことで、化合物半導体の使用面積を最小限にし装置コストの低減を図る方法が提案されている。
【０００３】
【従来の技術】ところで、フリップチップボンディングして貼り合わせた基板同志は、非常に距離が接近した状態（実際には数ミクロンから数十ミクロン程度）に位置しているが、ミリ波帯の様な高い周波数の回路では、基板上の伝送線路の特性インピーダンスが近接する接地面等の影響で変化する。そのため基板上の伝送線路の特性インピーダンスを所望の値にするためには、二つの基板の間隔を設計通りの値にする必要があり、そのためには基板の間隔を測定する方法が必要となる。
【０００４】図７は、従来行なわれていた基板間隔の測定方法を示している。同図において、上側基板１は化合物半導体基板であり、金属柱３を介してシリコン基板である下側基板２上に配設されている。これにより、上側基板１と下側基板２は所定の間隔４を有して対向した状態となる。従来では、この間隔４の距離を測定する手段として顕微鏡５を用いている。具体的には、顕微鏡５の対物レンズにスケールを設けると共に、この顕微鏡５を上側基板１と下側基板２とが形成する間隔４の側部に位置させ、顕微鏡５で間隔４を観察しその距離をスケールを用いて読み取る方法が用いられていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、間隔４を横方向から顕微鏡５により観察し測定する方法では、図１３に示すように、上側基板１の面積に対し下側基板２の面積が大きい場合（実際この様な場合がほとんどである）には、下側基板２が邪魔となり、顕微鏡５の接眼レンズを焦点合わせが可能な位置まで間隔４に近づける事が出来なくなる。このため、顕微鏡５を用いた間隔測定方法では、事実上基板間隔の測定は不可能であるという問題点があった。
【０００６】本発明は上記の点に鑑みてななされたものであり、上下基板の大きさが異なる場合であっても確実に間隔測定を行いうる基板間隔の測定装置及び基板間隔の測定方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記の課題は、次に述べる手段を講じることにより解決することができる。請求項１記載の発明に係る基板間隔の測定装置では、スペーサにより微小な間隔を隔てて接合された二枚の基板の間に、前記間隔の一方から平行光線かつ光強度分布が一様な入射光を入射させる投光装置と、前記間隔の他方から出射する出射光の光強度を検出する受光装置と、前記入射光の前記間隔への入射状態を、前記基板の面方向に対し垂直な方向に変化させる入射光変化手段と、前記受光装置が検出する光強度と、前記入射光変化手段による入射光の変化量とに基づき前記間隔の距離を測定する測定手段とを具備することを特徴とするものである。
【０００８】また、請求項２記載の発明では、前記請求項１記載の基板間隔の測定装置において、前記入射光変化手段は、前記投光装置を前記基板の面方向に対し垂直な方向に移動させる移動機構であることを特徴とするものである。また、請求項３記載の発明では、前記請求項１または２記載の基板間隔の測定装置において、前記投光装置を、光軸が前記基板の面方向に対し垂直下方向となるよう構成された光源と、前記光源からの出射光を前記間隔に向かうよう光路変換を行なう第１のプリズムとにより構成し、かつ、前記受光装置を、光軸が前記基板の面方向に対し垂直下方向となるよう構成された受光素子と、前記間隔の他方から出射する出射光を前記受光素子に向かうよう光路変換を行なう第２のプリズムとにより構成したことを特徴とするものである。
【０００９】また、請求項４記載の発明では、前記請求項１乃至３のいずれかに記載の基板間隔の測定装置において、前記投光装置に加え、前記間隔内にバイアス光を入射させるバイアス光投光装置を設けたことを特徴とするものである。また、請求項５記載の発明では、前記請求項１記載の基板間隔の測定装置において、前記入射光変化手段は、前記間隔に入射する入射光の光量を前記基板の面方向に対し垂直方向に変化させるシャッターであることを特徴とするものである。
【００１０】更に、請求項６記載の発明に係る基板間隔の測定方法では、スペーサにより微小な間隔を隔てて接合された二枚の基板の間に、投光装置を用いて前記間隔の一方から平行光線かつ光強度分布が一様な入射光を入射させ、前記入射光の前記間隔への入射状態を前記基板の面方向に対し垂直な方向に変化させつつ、前記間隔の他方から出射する出射光の光強度を受光装置により検出し、前記受光装置が検出する光強度と、前記入射光変化手段による入射光の変化量とに基づき前記間隔の距離を測定することを特徴とするものである。
【００１１】上記した各手段は、次のように作用する。請求項１及び請求項６記載の発明によれば、入射光変化手段により、投光装置から出射される入射光の間隔への入射状態を基板の面方向に対し垂直方向に変化させることにより、二枚の基板の間隔に入射する入射光の光強度が変化する。
【００１２】従って、受光装置で検出される光強度は光源の移動量に相関することとなり、具体的には光強度の変化が開始した投光装置の位置と、受光される光強度が零となった時の投光装置の位置との距離が間隔の距離となる。測定手段では、この原理に基づき、受光装置が検出する光強度と、前記入射光変化手段による入射光の変化量とから間隔の距離を測定する。
【００１３】また、請求項２記載の発明によれば、投光装置を基板の面方向に対し垂直な方向に移動させる移動機構により入射光変化手段を構成したことにより、簡単な移動動作により間隔に入射させる光強度を変化させることができる。また、請求項３記載の発明によれば、第１のプリズムを、基板の平面方向に対し垂直方向に移動する事により、請求項１の場合と同様、間隔に入射する光の量が変化するため、この間隙から出射される出射光の光強度を受光装置により検出することにより、間隙の距離を測定することができる。
【００１４】また、請求項４記載の発明によれば、投光装置に加えて間隔内にバイアス光を入射させるバイアス光投光装置を設けたことにより、受光装置の感度を向上させることができる。即ち、通常フォトダイオード等の受光素子は、入力光が零付近においてはその直線性が悪化し、入力の変化に対する出力の変化が小さく、かつ感度が悪くなるという特性を有している。しるかに、バイアス光投光装置を設け、バイアスをかける事により受光素子の感度を上げる事が可能となり、測定精度の向上を図ることができる。
【００１５】更に、請求項５記載の発明によれば、投光装置自身を移動する代わりに、光源と間隔の間に配置したシャッターを動かす事により間隔に入射する光強度を変化させることができる。よって、シャッターの移動量と受光装置の検出結果に基づき、間隙の距離を測定することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】次に本発明の実施の形態について図面と共に説明する。図１は、本発明の第１実施例である基板間隔の測定装置１０Ａ（以下、単に測定装置１０Ａという）を示す要部構成図である。上側基板１２は、ＧａＡｓ等の化合物半導体で作製されており、能動素子等が形成されている。また、後述する下側基板１４と対向する所定位置には、メッキ法等で高さ２０ミクロン、直径４０ミクロン程度のＡｕピラー（以下、金属柱１６という）が形成されている。
【００１７】下側基板１４はアルミナ、シリコン等の材質よりなる基板であり、この下側基板１４には整合回路等の必要な回路パターンが真空蒸着とフォトリソグラフィー等の方法により形成されている。上記構成とされた上側基板１２と下側基板１４は金属柱１６を介してフリップチップボンディングされ、これにより上側基板１２と下側基板１４は一体化する。
【００１８】このように、能動素子等の必要部分のみを化合物半導体で上側基板１２に集約的に形成し、それ以外の整合回路等を安価なシリコン等よりなる下側基板１４に集約的に形成し、これら二つの基板１２，１４を金属柱１６でフリップチップボンディングすることで、化合物半導体の使用面積（即ち、上側基板１２の面積）を最小限にしコストの低減を図ることが可能となる。尚、金属柱１６は、上側基板１２と下側基板１４とを電気的に接続する機能も奏するものである。
【００１９】ところで、上記のように上側基板１２と下側基板１４を接合することにより、図示されるように上側基板１２と下側基板１４との間には、スペーサとして機能する金属柱１６により基板間隔１８（寸法ｄ）が形成される。この接合された基板１２，１４は非常に接近した状態となっており、具体的には基板間隔１８は数ミクロンから数十ミクロン程度となる。
【００２０】前記したように、ミリ波帯の様な高い周波数の回路では、各基板１２，１４上の伝送線路の特性インピーダンスが近接する接地面等の影響で変化する。そのため基板１２，１４上の伝送線路の特性インピーダンスを所望の値にするためには、二つの基板１２，１４の間隔を設計通りの値にする必要があ。そこで、本実施例では、上記のように金属柱１６を介して接合された上側基板１２と下側基板１４との間に形成される基板間隔１８を測定する。
【００２１】前述の貼り合わせた基板１２，１４の間隔両側に投光装置２０Ａと受光装置２２Ａを配設する。投光装置２０Ａは光源２４と第１のレンズ系２６とにより構成されている。また、受光装置２２Ａは、受光素子３４と第２のレンズ系２８とにより構成されている。本実施例では、光源２４としてフィラメント式電球を用いており、この光源２４が発射した光は第１のレンズ系２６を用いて平行光線とされる。尚、光源２４としてレーザーダイオードを用いることも可能であり、この場合には第１のレンズ系２６は不要となる。
【００２２】この投光装置２０Ａは移動装置３０（入射光変化手段）に接続されており、この移動装置３０が駆動することにより、投光装置２０Ａは基板１２，１４の面方向に対し垂直な方向（図における上下方向）に移動可能な構成とされている。この移動を行なう際、投光装置２０Ａに設けられた光源２４の移動位置は、各基板１２，１４から離間した位置とすることが望ましい。
【００２３】即ち、光源２４の移動位置を基板１２，１４に近接した位置に設定すると、光源２４が最も下がった位置まで移動した状態において、光源２４と下側基板１４が接触することが考えられる。このように、光源２４と下側基板１４が接触すると、光源２４から出力される入射光と下側基板１４との間に隙間が形成されてしまい、測定結果に誤差を与えてしまう（現実問題として、光源２４が下側基板１４と接触する部分から平行光線を出す事は困難である）。よって、図１に示す如く光源２４は下側基板１４の外側に配置する事が望ましい。
【００２４】基板間隔１８に入射する入射光は、図２に示すように基本的に平行光線でかつ光強度は一定である。よって、基板間隔１８と光源２４、または基板間隔１８と受光素子３４との間隔が大きくても顕微鏡観察の様に焦点を合わせなくても基板間隔１８の測定は可能である。これにより、上側基板１２と下側基板１４との間に面積差を有していたとしても、確実に基板間隔１８の測定を行なうことができる。
【００２５】また、光源２４は移動装置３０（例えば、マイクロメータ）を用いて１ミクロン以下の分解能で移動を行うことが可能である。光源２４を移動させた時の、受光素子３４の出力を記録した一例を図３に示す。同図に示す如く、光源２４は移動に伴い基板間隔１８から離間するため、受光素子３４が検出する光の強度は低下する。この光の強度の低下は、略リニアに低下する特性となる。
【００２６】よって、光強度が最高である場合における光源２４の位置（図３にＡで示す）と、光強度が最低となった位置（図３にＢで示す）との距離が基板間隔１８の距離ｄとなる。このように、受光素子３４の出力の変化を観察する事により基板の間隔を知る事ができる。この受光素子３４の出力及び移動装置３０による光源２４の位置情報は、間隔測定回路３２に送信される構成とされている。よって、間隔測定回路３２では、上記した原理に基づき光強度が最高である光源２４の位置Ａ、及び光強度が最低である光源２４の位置Ｂを求め、この各位置Ａ，Ｂの離間距離を演算することにより基板間隔１８の距離ｄを求める。
【００２７】なお、前述の測定方法は、基本的に光源２４のスポット径（光線の直径）が基板間隔１８の距離ｄよりも大きい事を想定しているが、基板間隔１８の距離ｄよりもスポット径が小さい場合でも、光源２４を移動させた時の受光素子３４の出力を解析する事により、基板間隔１８の距離ｄを算出する事が可能である。この解析方法を図１０及び図１１に示す。
【００２８】ここに示す通り、光源５０の直径ｅが基板間隔１８の距離ｄよりも小さい場合（ｅ＜ｄ）、光源を移動して行くと受光素子３４の出力は図１１に示す様なプロファイルとなる。即ち、図１１に示す位置Ａと位置Ｂとの間は光源５０からの入射光が全て受光素子３４で受光されている範囲である。この範囲は、即ち基板間隔１８の距離ｄと等しいものであり、よって光源５０の直径ｅが基板間隔１８の距離ｄよりも小さい場合であっても、受光素子３４の出力から基板間隔１８の距離ｄを求めることができる。
【００２９】続いて、本発明の第２実施例である測定装置１０Ｂについて説明する。図４は、第２実施例である測定装置１０Ｂの要部構成図である。尚、図４において、図１に示した第１実施例に係る測定装置１０Ａと同一構成については、同一符号を付してその説明を省略する。本実施例に係る測定装置１０Ｂでは、投光装置２０Ｂが、光軸が基板１２，１４の面方向に対し垂直下方向となるよう構成された光源２４と、この光源２４からの出射光を基板間隔１８に向かうよう光路変換を行なう第１のプリズム３６とにより構成されている。
【００３０】また、受光装置２２Ｂは、光軸が基板１２，１４の面方向に対し垂直下方向となるよう構成された受光素子３４と、基板間隔１８から出射する出射光を受光素子３４に向かうよう光路変換を行なう第２のプリズム３８とにより構成されている。各プリズム３６，３８において、光を反射する反射面４０，４２にはＡｌ等の金属を蒸着して鏡面にしておく。また、プリズム３６，３８の反射面４０，４２の角度θは４５度とされている。
【００３１】本実施例に係る測定装置１０Ｂでは、第１及び第２のプリズム３６，３８を設けることにより、光源２４の配設位置及び受光素子３４の配設位置を基板１２，１４に対し離間した上方位置に配置することができ、光源２４及び受光素子３４の配置位置に自由度を持たせることができる。また、光源２４から発射された入射光を直接基板間隔１８に入射させる必要がないため、実質的に基板間隔１８に近い位置から入射光を入射させることができるため、光の損失を抑制でき測定精度の向上を図ることができる。
【００３２】また、本実施例では光源２４自体は固定されており、第１のプリズム３６を移動装置３０により図中左右方向に移動させることにより、基板間隔１８に入射する入射光の光強度を変化させる構成とされている。よって、配線や第１のレンズ系２６が設けられることにより構造の複雑な光源２４を移動させる必要がなくなるため、測定装置１０Ｂの構造の簡単化及び移動装置３０の小型化を図ることができる。
【００３３】尚、具体的な基板間隔１８の距離ｄの求め方は、先に第１実施例において図３を用いて説明した方法と同一であるため、その説明は省略する。また、本実施例においても、先に図１０及び図１１を用いて説明した測定方法を適用することができる。続いて、本発明の第３実施例である測定装置１０Ｃについて説明する。
【００３４】図５は、第３実施例である測定装置１０Ｃの要部構成図である。尚、図５において、図４に示した第２実施例に係る測定装置１０Ｂと同一構成については、同一符号を付してその説明を省略する。本実施例に係る測定装置１０Ｃは、受光素子３４に代えて顕微鏡４４を設けたことを特徴とするものである。この顕微鏡４４には、図示しないマイクロメータが設けられており、観察された画像の距離を測定可能な構成とされている。また、光源２４は前記した各実施例と異なり固定された構成とされている。
【００３５】本実施例では、顕微鏡４４の対物レンズで第２のプリズム３８を通して基板間隔１８を観察する事により、顕微鏡４４に設けたマイクロメータで基板間隔１８を直接測定する。このように、顕微鏡４４を用いた構成においても、プリズム３８を用いることにより、従来と異なり実質的に顕微鏡４４の対物レンズを基板間隔１８に近接することが可能となり、上下基板１２，１４の面積が異なる場合であっても基板間隔１８の距離を測定することができる。
【００３６】続いて、本発明の第４実施例である測定装置１０Ｄについて説明する。図６は、第４実施例である測定装置１０Ｃの要部構成図である。尚、図６においても、図４に示した第２実施例に係る測定装置１０Ｂと同一構成については、同一符号を付してその説明を省略する。本実施例に係る測定装置１０Ｄは、投光装置２０Ｂに加え、基板間隔１８内にバイアス光を入射させるバイアス用光源４６（バイアス光投光装置）を設けたことを特徴とするものである。これにより、受光装置２０Ｂの感度を向上させることができる。
【００３７】即ち、受光素子３４は、通常フォトダイオード等の素子により構成されるが、このフォトダイオード等の受光素子３４は、入力光が零付近においてはその直線性が悪化する特性を有している。このように、入力光が零付近における直線性が悪化すると、入力の変化に対する出力の変化が小さく、かつ感度が悪くなってしまい、距離測定の精度が低下してしまう。
【００３８】そこで、本実施例では投光装置２０Ｂに加えてバイアス用光源４６を設けることにより、入射光にいわゆるバイアスをかけ、これにより受光素子３４の感度を上げた構成としている。このように、受光素子３４の感度を上げることにより、基板間隔１８の測定精度を向上させることができる。続いて、本発明の第５実施例である測定装置１０Ｅについて説明する。
【００３９】図７は、第５実施例である測定装置１０Ｅの要部構成図である。尚、図７においても、図４に示した第２実施例に係る測定装置１０Ｂと同一構成については、同一符号を付してその説明を省略する。本実施例に係る測定装置１０Ｅは、入射光変化手段としてシャッター４８を用い、このシャッター４８により基板間隔１８に入射する入射光の光量を基板１２，１４の面方向に対し垂直方向に変化させる構成としたことを特徴とするものである。
【００４０】本実施例のように、入射光変化手段としてシャッター４８を用いることにより、投光装置２０Ｃ自身を移動する代わりに、光源２４と基板間隔１８との間に配置したシャッター４８を動かす事により基板間隔１８に入射する光強度を変化させることができる。よって、間隔測定回路３２は、シャッター４８の移動量と受光装置２２Ｂの検出結果に基づき、基板間隙１８の距離ｄを測定することができる。尚、図８は第５実施例の変形例である測定装置を示しており、前記した図１に示す測定装置１０Ａに第５実施例の構成を適用したものである。この用に、プリズム３６，３８を用いない構成においても、本実施例を適用することは可能である。
【００４１】図９は、第５実施例に係る測定装置１０Ｅにおいて、シャッター４８を移動させた時の、受光素子３４の出力を記録した一例を示している。同図では、シャッター４８により光源２４からの入射光を完全に遮った状態より、徐々にシャッター４８を開けて基板間隔１８に入射光を入射した例を示している。図中、位置Ａはシャッター４８が閉まった状態である。このため、受光素子３４の出力は零となっている。この位置Ａより、シャッター４８を徐々に開くことにより、光源２４からの入射光は基板間隔１８に入射され、これに伴い受光素子３４の出力の漸次増大する。
【００４２】そして、シャッター４８が基板間隔１８の距離ｄまで移動された後は（即ち、位置Ｂまで移動した後は）、光源２４からの入射光は基板間隔１８全面に入射されるため、受光素子３４の出力は一定となる。よって、光強度が最低である場合におけるシャッター４８の位置（図９にＡで示す）と、光強度が最高となった位置（図９にＢで示す）との距離が基板間隔１８の距離ｄとなる。このように、受光素子３４の出力の変化を観察する事により基板の間隔を知る事ができる。
【００４３】
【発明の効果】以上説明した様に本発明によれば、非常に接近した位置にある二枚の基板の間隔を高い精度で測定する事が可能となる。そのため、接近した位置に接地面がある事を想定して設計したミリ波帯の電子回路においては、製造後（または製造中）に基板間隔を確認する事により、設計した通りの高周波特性を再現する事が可能となる（二枚の基板の間隔が高周波特性に大きく影響を与えるため）。
【００４４】これにより、本発明は高周波半導体装置の性能向上（再現性の向上）に寄与する所が大きい。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００５２２３
【氏名又は名称】富士通株式会社
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| 【出願日】 |
平成９年（１９９７）７月１日 |
| 【代理人】 |
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠彦
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| 【公開番号】 |
特開平１１−２３２３６ |
| 【公開日】 |
平成１１年（１９９９）１月２９日 |
| 【出願番号】 |
特願平９−１７６１０１ |
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