ウェーハ接合強度検査装置及び方法
【課題】接合ウェーハを破壊することなく、接合界面に間隙が生じていない場合であっても、局所的な接合部の接合強度を検査することができる検査装置を提供する。
【解決手段】ウェーハ接合強度検査装置１００は、接合ウェーハ２００を保持する試料ステージ１６０と、テラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生器１５１と、接合ウェーハ２００を透過又は反射したテラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出器１５７と、テラヘルツ波検出器１５７によって検出したテラヘルツ波より接合ウェーハ２００のＴＨｚ波特性を演算する演算部と、を有する。演算部は、予め求めた基準試料のＴＨｚ波特性と接合強度の間の関係から、検査対象の接合ウェーハのＴＨｚ波特性に対応する接合強度を演算する。
【解決手段】ウェーハ接合強度検査装置１００は、接合ウェーハ２００を保持する試料ステージ１６０と、テラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生器１５１と、接合ウェーハ２００を透過又は反射したテラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出器１５７と、テラヘルツ波検出器１５７によって検出したテラヘルツ波より接合ウェーハ２００のＴＨｚ波特性を演算する演算部と、を有する。演算部は、予め求めた基準試料のＴＨｚ波特性と接合強度の間の関係から、検査対象の接合ウェーハのＴＨｚ波特性に対応する接合強度を演算する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接合ウェーハの接合強度を検査するための装置および方法に関し、特に、テラヘルツ波を用いて接合強度を検査する装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ウェーハ、ＮＥＭＳ（Nano Electro Mechanical Systems）ウェーハ、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）ウェーハ、三次元積層デバイス、パワーデバイス、などの製造過程では、複数枚のウェーハ（基板）の接合（張り合わせ）が行われる。
【０００３】
接合ウェーハの接合強度が弱い場合、ダイシングを含む次工程で、接合部の剥離を生じる場合があり、歩留まりが悪化する。また、次工程では剥離しなくとも、経年変化によって剥離することがあり、それにより、製品の信頼性が低下する。
【０００４】
接合強度を左右する因子は、共有結合やイオン結合、水素結合、ファンデルワールス力など材料の化学的結合力、残留応力、母材の強度、接合品質などがある。特許文献１、２、３には、接合強度を評価する方法の例が記載されている。
【０００５】
特許文献１に記載された方法では、引張試験による破壊検査を用いる。特許文献２に記載された方法では、接合部に照射した光の光路差によりできる干渉縞、接合部の静電容量、又は、インピーダンスの変化から、接合界面に生じた未接合部分（ボイドまたはギャップ、間隙）の接合状態を評価する。特許文献３に記載された方法では、接合ウェーハをダイシングし、接合面が露出した状態で、フッ酸系水溶液等のエッチング液に浸漬させ、エッチングされた量と接合界面にしみ込んだ量とから、接合状態を評価する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第２８４６９７３号
【特許文献２】特開平９−２８９２３８号公報
【特許文献３】特許第４５６９０５８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載された方法では、引張試験によって試料を破壊するため、製造ラインにおいて出荷品の接合強度の検査を行うことができない。更に、この方法では、耐環境や経年変化、製造工程におけるストレスに対する耐久性などを調査する場合、多数サンプルを準備して、各段階で抜き取り検査をする必要がある。また、引張試験は、接合面積の大きさに対する依存性があり、局所的な接合部の検査には向いていない。
【０００８】
特許文献２に記載された方法では、接合界面に間隙が生じていない場合には、接合強度の不良を検出できない。
【０００９】
特許文献３に記載された方法では、接合ウェーハ（接合基板）をエッチング液に浸漬させるため、ＭＥＭＳの製造などでは、破壊検査となる場合がある。
【００１０】
本発明の目的は、接合ウェーハを破壊することなく、接合界面に間隙が生じていない場合であっても、局所的な接合部の接合強度を検査することができる検査装置及び方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明のウェーハ接合強度検査装置は、接合ウェーハを保持する試料ステージと、テラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生器と、接合ウェーハを透過又は反射したテラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出器と、テラヘルツ波検出器によって検出したテラヘルツ波より接合ウェーハのＴＨｚ波特性を演算する演算部と、を有する。
【００１２】
演算部は、予め求めた基準試料のＴＨｚ波特性と接合強度の間の関係から、検査対象の接合ウェーハのＴＨｚ波特性に対応する接合強度を演算する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、接合ウェーハを破壊することなく、接合界面に間隙が生じていない場合であっても、局所的な接合部の接合強度を検査することができる検査装置及び方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明のウェーハ接合強度検査装置の構成例を示す図である。
【図２】ウェーハレベルチップサイズパッケージングの概要を説明する図である。
【図３Ａ】２つのＳｉ（シリコン）ウェーハの接合前の状態を説明する図である。
【図３Ｂ】２つのＳｉ（シリコン）ウェーハの第１接合状態を説明する図である。
【図３Ｃ】２つのＳｉ（シリコン）ウェーハの第２接合状態を説明する図である。
【図３Ｄ】２つのＳｉ（シリコン）ウェーハの第３接合状態を説明する図である。
【図４】接合ウェーハについて熱処理温度と引張強度の間の関係の例を説明する図である。
【図５】接合ウェーハにＴＨｚ波を透過させた場合の電場強度の時間波形（テラヘルツ波の時間波形）の例を説明する図である。
【図６】図５の時間波形をフーリエ変換した得た周波数パワースペクトル波形を説明する図である。
【図７】接合ウェーハについて熱処理温度とＴＨｚ波透過率の間の関係を説明する図である。
【図８】接合ウェーハについてテラヘルツ波透過率と接合強度の間の関係を説明する図である。
【図９Ａ】透過測定法の例を説明する図である。
【図９Ｂ】透過測定法によって得られたＴＨｚ波の電場強度の時間波形を説明する図である。
【図１０Ａ】反射測定法の例を説明する図である。
【図１０Ｂ】反射測定法によって得られたＴＨｚ波の電場強度の時間波形を説明する図である。
【図１１】反射測定法の他の例を説明する図である。
【図１２】図１１の反射測定法による測定結果の例を説明する図である。
【図１３】本発明のウェーハ接合強度検査装置によって接合ウェーハの接合強度を測定した結果の例を説明する図である。
【図１４】図１３の結果と他のウェーハ接合情報画像とを重ね合わせて表示した例を説明する図である。
【図１５Ａ】本発明のウェーハ接合強度検査装置において、透過測定法によって、テラヘルツ波の散乱光のみ検出する方法の例を説明する図である。
【図１５Ｂ】本発明のウェーハ接合強度検査装置において、透過測定法によって、テラヘルツ波の散乱光以外の透過光を検出する方法の他の例を説明する図である。
【図１６Ａ】本発明のウェーハ接合強度検査装置において、反射測定法によって、テラヘルツ波の散乱光のみ検出する方法の例を説明する図である。
【図１６Ｂ】本発明のウェーハ接合強度検査装置において、反射測定法によって、テラヘルツ波の散乱光以外の反射光を検出する方法の他の例を説明する図である。
【図１７】本発明のウェーハ接合強度検査方法の例を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１を参照して、本発明によるウェーハ接合強度検査装置１００の実施形態の一例を説明する。検査対象の接合ウェーハ２００は、複数枚のウェーハ（基板）を接合することによって、即ち、張り合わせることによって形成される。接合ウェーハ２００の接合方法には、陽極接合、直接接合、プラズマ活性化接合、ハイブリッド接合、表面活性化接合、はんだ接合、融接、共晶接合、ガラスフリット接合、接着剤による間接接合、等の様々な方法がある。直接接合等では接着材を用いないが、例えば、共晶接合では、接着材として金（Ａｕ）、ハンダ等を用いる。これら方法のうち、製造するデバイスや材料に応じて最適な接合方法が選択される。
【００１６】
接合前のウェーハ材料及び接着材は、製造するデバイスや方法によって異なる。ウェーハ材料及び接着材には、例えば、シリコン（Ｓｉ）、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、リン化インジウム（ＩｎＰ）、リン化ガリウム（ＧａＰ）、ヒ化インジウム（ＩｎＡｓ）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、錫（Ｓｎ）、鉛（Ｐｂ）、亜鉛（Ｚｎ）、半田、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、水晶、石英（ＳｉＯ２）、チタン（Ｔｉ）などがある。
【００１７】
本発明によるウェーハ接合強度検査装置１００では、接合ウェーハ２００の接合部（接合界面）の接合強度を、テラヘルツ波により測定および検査する。テラヘルツ波（以下、ＴＨｚ波と記す）とは、０．１〜１００ＴＨｚの電磁波を指す。本例のウェーハ接合強度検査装置１００では、接合ウェーハの接合方法に対応して、実験により得た最適な周波数帯域のＴＨｚ波が選択される。
【００１８】
本例のウェーハ接合強度検査装置１００では、テラヘルツ時間領域分光法（THz-TDS：THz Time-Domain Spectroscopy）の基本構成を用いて、ＴＨｚ波の発生及び検出を行う。テラヘルツ時間領域分光法は、テラヘルツ波の波形を直接測定することによって得られる振動電場強度の時間波形をフーリエ変換し、電磁波のスペクトルを得る分光法である。テラヘルツ時間領域分光は、電磁波の周波数毎の振幅、波形及び位相を得ることができるため、様々な分野に応用されている。振動電場強度の時間波形を、単に、ＴＨｚ波の時間波形と称することがある。本発明では、接合強度を検出するために、テラヘルツ時間領域分光法によってＴＨｚ波の時間波形を求めてもよいが、時間波形を求めることなく、時間波形のピーク値、即ち、極大または極小値のみを検出してもよい。
【００１９】
テラヘルツ時間領域分光法では、試料を透過したＴＨｚ波を検出する透過測定法と試料を反射したＴＨｚ波を検出する反射測定法が知られている。本発明では、透過測定法と反射測定法のいずれを使用してもよい。ＴＨｚ波は、条件にもよるが半導体、セラミックスなどの化合物に対しては、電波と同様に透過性を有するが、金属に対しては透過性を有さない。透過測定法を用いる場合には、接合ウェーハ２００を構成する複数のウェーハの少なくとも一部はＴＨｚ波を透過する材料によって形成される。反射測定法を用いる場合には、接合ウェーハ２００を構成する複数のウェーハのうち、入射側のウェーハはＴＨｚ波を透過する材料によって形成され、その内側のウェーハはＴＨｚ波を透過しない材料によって形成される。従って、本例のウェーハ接合強度検査装置１００では、ＴＨｚ波が透過する材料からなるウェーハを少なくとも１枚は外側に含む２枚以上のウェーハからなる接合ウェーハ２００を検査対象とする。例えば、外側にＴＨｚ波を透過するＳｉウェーハを含む接合ウェーハが検査対象となる。その例として、ＳｉウェーハとＳｉウェーハからなる接合ウェーハ、ＳｉウェーハとＡｌウェーハからなる接合ウェーハ、ＳｉウェーハとＡｕウェーハとＳｉウェーハからなる接合ウェーハ等がある。
【００２０】
ウェーハ接合強度検査装置１００は、試料室１０１、パーソナルコンピュータ（以下、ＰＣと記す）１０２、システムコントローラ１０４、ビームスプリッタ１０８を備えたフェムト秒レーザ（超短パルスレーザ）１０６、変調機能付きバイアス電源１１０、直進移動１１６が可能な可動ミラー１１４を備えた時間遅延ステージ１１２、ロックインアンプ１１８、プリアンプ１２０、試料ステージコントローラ１２２、及び、試料室調整管理機器１２４を有する。
【００２１】
ウェーハ接合強度検査装置１００内の各ユニット、即ち、フェムト秒レーザ１０６、変調機能付きバイアス電源１１０、時間遅延ステージ１１２、ロックインアンプ１１８、試料ステージコントローラ１２２、及び、試料室調整管理機器１２４は、ケーブル１３０を介してシステムコントローラ１０４に接続されている。破線は電気系の接続を表す。
【００２２】
ＰＣ１０２からの命令やＰＣ１０２に予め組み込まれたプログラムやトリガに応じて、システムコントローラ１０４は、ウェーハ接合強度検査装置１００内の各ユニットの機能を作動させるための制御を行う。作業者は、ＰＣ１０２を介して、システムコントローラ１０４に、接合ウェーハ２００の接合強度の検査に関する命令を入力する。ウェーハ接合強度検査装置１００は、システムコントローラ１０４からの命令に従って、接合ウェーハ２００の接合強度の検査を行う。接合強度の検査の結果は、システムコントローラ１０４を介して、ＰＣ１０２に送られる。
【００２３】
本例では、システムコントローラ１０４にＰＣ１０２が接続されているが、システムコントローラ１０４にＰＣ１０２より上位のシステムが接続されてもよい。また表示部は、必ずしもＰＣ１０２である必要はなく、モニタ装置や表示パネルなど任意の機器であってよい。この場合、表示部は、システムコントローラ１０４により、その制御を行う。
【００２４】
尚、システムコントローラ１０４は試料ステージコントローラ１２２、及び、試料室調整管理機器１２４の機能を備えても良い。その場合には、試料ステージコントローラ１２２、及び、試料室調整管理機器１２４は省略される。更に、システムコントローラ１０４とＰＣ１０２を１つの制御演算装置によって置き換えてもよい。
【００２５】
試料室１０１には、ＴＨｚ波の発生及び検出を行うＴＨｚ波光学系１５０と検査対象の接合ウェーハ２００を支持する試料ステージ１６０が設けられている。ＴＨｚ波光学系１５０は、ＴＨｚ波発生器１５１、ＴＨｚ波投光用光学系１５３、ＴＨｚ波受光用光学系１５４、及び、ＴＨｚ波検出器１５７を有する。ＴＨｚ波発生器１５１は試料室１０１の側壁に設けられ、ＴＨｚ波検出器１５７は試料室１０１の底壁に設けられている。ＴＨｚ波発生器１５１の光軸とＴＨｚ波検出器１５７の光軸は整合しないように、本例では、直交するように配置されている。
【００２６】
ＴＨｚ波発生器１５１は、集光レンズ１５１ａ、ＴＨｚ波発生素子１５１ｂ、及び、レンズ１５１ｃを有する。ＴＨｚ波発生素子１５１ｂは、光伝導スイッチ、非線形光学結晶等により構成される。ＴＨｚ波投光用光学系１５３は、楕円面ミラー、放物面ミラー等により構成される。ＴＨｚ波受光用光学系１５４は、放物面ミラー、ウィンストンコーンミラー等により構成される。ＴＨｚ波光学系１５０内の点線１３８は、ＴＨｚ波の光路を示す。ＴＨｚ波検出器１５７は、集光レンズ１５７ａ、ＴＨｚ波検出素子１５７ｂ、及び、レンズ１５７ｃを有する。ＴＨｚ波検出素子１５７ｂは、光伝導スイッチ、非線形光学結晶等により構成される。
【００２７】
図示のＴＨｚ波光学系１５０は、透過測定法の光学系である。透過測定法では、ＴＨｚ波検出器１５７は、試料を透過したＴＨｚ波を検出するように構成され、且つ、配置されている。反射測定法の場合には、ＴＨｚ波検出器１５７は、試料を反射したＴＨｚ波を検出するように構成され、且つ、配置されている。例えば、ＴＨｚ波検出器１５７を、試料を反射したＴＨｚ波を検出することができるように、試料に対して、ＴＨｚ波発生器１５１と同一側に配置してもよい。又は、試料を反射したＴＨｚ波をＴＨｚ波検出器１５７に導くための光学系を設けてもよい。
【００２８】
本例では、ＴＨｚ波光学系１５０に、ＴＨｚ波投光用光学系１５３とＴＨｚ波受光用光学系１５４を設けるため、接合ウェーハ２００の局所的な接合部の接合強度を検査することができる。
【００２９】
フェムト秒レーザ（超短パルスレーザ）１０６とＴＨｚ波発生器１５１の間には、フェムト秒レーザ光路として光ファイバ１３２が設けられている。フェムト秒レーザ（超短パルスレーザ）１０６と時間遅延ステージ１１２の間には、フェムト秒レーザ光路として光ファイバ１３４が設けられている。ＴＨｚ波検出器１５７と時間遅延ステージ１１２の間にはフェムト秒レーザ光路として光ファイバ１３６が設けられている。本例では、フェムト秒レーザ光を、光ファイバを介して伝播させる。そのため、空間を介して伝播させる場合と比較して、フェムト秒レーザの光学系のアライメントを簡略化することができると同時に、装置を小型化することができる。
【００３０】
試料室１０１に、単一のＴＨｚ波光学系１５０が設けられてもよいが、試料室１０１のスペースの許す限り複数のＴＨｚ波光学系が設けられてよい。複数のＴＨｚ波光学系を設けることにより、接合ウェーハ２００の全面をＴＨｚ波の照射によってスキャンする場合の測定時間が短縮化される。
【００３１】
試料ステージ１６０は、チャック機構１６１、回転機構１６２、昇降機構１６３、及び、水平機構１６４を有し、試料ステージコントローラ１２２又はシステムコントローラ１０４により制御される。チャック機構１６１は、接合ウェーハ２００を載置及び固定するように構成され、接合ウェーハ２００の裏面を差圧によって吸着する吸着方式、接合ウェーハ２００のエッジを挟む把持機構方式等が用いられてよい。回転機構１６２は、チャック機構１６１上の接合ウェーハ２００を回転移動させる。昇降機構１６３は、チャック機構１６１上の接合ウェーハ２００を上下方向に沿って昇降移動させる。水平機構１６４は、チャック機構１６１上の接合ウェーハ２００を水平方向に沿って平面移動させる。これらの機構によって接合ウェーハ２００の位置決めがなされる。即ち、接合ウェーハ２００上のＴＨｚ波の照射位置を試料室１０１内の任意の位置に配置される。
【００３２】
接合ウェーハ２００の全面をＴＨｚ波の照射によってスキャンする場合、接合ウェーハ２００をＴＨｚ波の光学系に対して迅速に移動させる必要がある。本例では、接合ウェーハ２００の全面をＴＨｚ波の照射によってスキャンする場合、接合ウェーハ２００を回転機構１６２によって回転させながら、水平機構１６４によって水平方向に直線移動させることができる。本例では、試料ステージ１６０に水平機構１６４と回転機構１６２が設けられているため、水平機構１６４のみが設けられている場合と比較して、接合ウェーハ２００をＴＨｚ波の光学系に対してより迅速に移動させることができる。そのため、ＴＨｚ波のサンプリング時間の許す範囲で高速にスキャンすることができる。
【００３３】
本発明によると、接合ウェーハ２００は、チャック機構１６１の装着部以外に、何も接触していない。従って、ウェーハ接合強度検査装置１００によって接合ウェーハ２００の接合強度を測定する間に、接合ウェーハ２００が変形したり破壊することはない。
【００３４】
試料室１０１には、更に、試料室内調整管理機器端末１７２、及び、試料室開閉機構１７４が設けられている。試料室１０１は、真空チャンバーのような密封構造を有する。試料室１０１の内部空間は、試料室調整管理機器１２４、又は、外部装置により、真空状態、窒素充填状態（窒素パージ）又は乾燥空気充填状態（ドライエアーパージ）の雰囲気に保持される。試料室１０１内に接合ウェーハ２００を搬入するとき、又は、試料室１０１内より接合ウェーハ２００を搬出するときには、試料室開閉機構１７４が開かれる。接合ウェーハ２００の搬入又は搬出が終わると、試料室開閉機構１７４が閉じられる。
【００３５】
試料室内調整管理機器端末１７２は、圧力センサ、温度計、湿度計等の試料室１０１の内部の雰囲気を測定するセンサ類と、ヒータ、電子冷却器等の試料室１０１の内部の雰囲気を調整する調整機器を有する。これらのセンサ類及び調整機器は、試料室１０１の外部に設置された、試料室調整管理機器１２４によって監視および制御され、更に、システムコントローラ１０４によって監視及び制御される。例えば、センサ類によって測定されたデータは、信号経路１３０を介してシステムコントローラ１０４に送られる。これらのデータは、ＰＣ１０２またはモニタなどに表示される。ＰＣ１０２を介してシステムコントローラ１０４に送られた命令は試料室調整管理機器１２４に送られる。試料室調整管理機器１２４からの制御信号は、試料室内調整管理機器端末１７２に送られる。
【００３６】
試料室内調整管理機器端末１７２、及び、試料室調整管理機器１２４を設けることによって、試料室１０１の内部空間は、所望の雰囲気に保持される。即ち、水蒸気や温度変化などの外乱を除去することができるから、ＴＨｚ波が安定化する。
【００３７】
次に、本発明のウェーハ接合強度検査装置１００の動作を説明する。フェムト秒レーザ１０６によって発振されたレーザ光は、ビームスプリッタ１０８により、ポンプ光１３２ａとプローブ光１３４ａに分岐され、光ファイバ１３２、１３４をそれぞれ伝播する。
【００３８】
ポンプ光１３２ａは、ＴＨｚ波発生のための励起光としてＴＨｚ波発生器１５１内に導かれる。即ち、ポンプ光１３２ａは、集光レンズ１５１ａにより集光され、ＴＨｚ波発生素子１５１ｂに照射される。ＴＨｚ波発生素子１５１ｂによってＴＨｚ波が発生する。ＴＨｚ波発生素子１５１ｂには、変調機能付きバイアス電源１１０からの変調したバイアス電圧が印加される。尚、バイアス電圧の変調を行う代わりに、光チョッパを設けることによって、ＴＨｚ波又はフェムト秒レーザのポンプ光１３２ａの変調を行ってもよい。ＴＨｚ波発生素子１５１ｂは、所定の周波数帯域幅を有する白色パルス波を生成する。この周波数幅は、ＴＨｚ波発生素子１５１ｂに依存する。
【００３９】
ＴＨｚ波発生素子１５１ｂから発生したＴＨｚ波は、レンズ１５１ｃを介し放射され、ＴＨｚ波投光用光学系１５３により集光され、接合ウェーハ２００に入射する。接合ウェーハ２００を透過したＴＨｚ波は、ＴＨｚ波受光用光学系１５４により集光され、ＴＨｚ波検出器１５７に入射する。ＴＨｚ波検出器１５７に入射したＴＨｚ波は、レンズ１５７ｃを経由して、ＴＨｚ波検出素子１５７ｂに入射する。
【００４０】
一方、プローブ光１３４ａは、光ファイバ１３４を経由して、時間遅延ステージ１１２に導かれる。時間遅延ステージ１１２の機能は後に説明する。時間遅延ステージ１１２からのプローブ光１３６ａは、光ファイバ１３６を伝播する。プローブ光１３６ａは、ＴＨｚ波検出のための励起光として、ＴＨｚ波検出器１５７へ導かれる。プローブ光１３６ａは、ポンプ光１３２ａと同様に、集光レンズ１５７ａによって集光され、ＴＨｚ波検出素子１５７ｂへ照射される。
【００４１】
こうして、ＴＨｚ波検出素子１５７ｂの一方の面には、ポンプ光１３２ａによって生成されたＴＨｚ白色パルス波の各パルスが所定の周期にて繰り返し到達する。ＴＨｚ波検出素子１５７ｂの反対側の面には、フェムト秒レーザ１０６からのプローブ光１３６ａの各パルスが所定の周期にて繰り返し到達する。ＴＨｚ波検出素子１５７ｂは、プローブ光１３６ａが照射された時のみ動作する。即ち、ＴＨｚ波検出素子１５７ｂに到達したＴＨｚパルス波は、プローブ光１３６ａによってサンプリングされる。
【００４２】
ＴＨｚパルス波の各パルスに対して、プローブ光１３６ａの１パルスによってサンプリングされる。ＴＨｚパルス波の各パルスに対するサンプリング点の位相は、プローブ光１３６ａの１パルスがＴＨｚ波検出素子１５７ｂに到達する時点に対応する。
【００４３】
プローブ光１３６ａの光路に可動ミラー１１４を備えた時間遅延ステージ１１２が設けられている。ポンプ光１３２ａの光路の長さは一定であるが、プローブ光１３６ａの光路の長さは可動である。
【００４４】
ポンプ光１３２ａの光路とプローブ光１３６ａの光路の間に光路差が存在する場合には、ポンプ光１３２ａがＴＨｚ波検出素子１５７ｂに到達する時点と、プローブ光１３６ａがＴＨｚ波検出素子１５７ｂに到達する時点の間に差が生じる。即ち、時間遅延が生じる。時間遅延ステージ１１２にて、可動ミラー１１４が所定の位置に固定されている場合には、時間遅延は一定である。この場合には、ＴＨｚパルス波の各パルスに対してサンプリング点の位相は同一となる。例えば、ポンプ光１３２ａの光路とプローブ光１３６ａの光路が同一長さとなるように、時間遅延ステージ１１２の可動ミラー１１４の位置を固定した場合には、ＴＨｚパルス波の各パルスのピーク値、即ち、極大又は極小値、がサンプリング点となる。これについては後に詳細に説明する。
【００４５】
時間遅延ステージ１１２にて、可動ミラー１１４を連続的に直進移動１１６させることにより、ポンプ光１３２ａとプローブ光１３６ａの間の光路差が連続的に変化する。即ち、時間遅延は連続的に変化する。この場合には、ＴＨｚパルス波の各パルスに対してサンプリング点の位相は、連続的に変化する。従って、ＴＨｚパルス波の各パルスに対してサンプリング点の位相が互いに異なる複数のデータが得られる。このデータをプロットすることにより、ＴＨｚパルス波の各パルスを表す時間波形が得られる。
【００４６】
ＴＨｚ波検出素子１５７ｂは、プローブ光１３６ａが照射されると、ＴＨｚ波の振動電場に比例した検出電流を生成する。検出電流は、プリアンプ１２０により、増幅され、電圧に変換される。プリアンプ１２０からの増幅電圧信号は、Ｓ／Ｎ比を向上させるために、ロックインアンプ１１８に送られる。ロックインアンプ１１８では、バイアス電源１１０の変調機能又はＴＨｚ波発生器１５１に設けられた光チョッパによる変調信号によって、同期検波を行う。
【００４７】
システムコントローラ１０４は、ロックインアンプ１１８からの検出信号より、ＴＨｚ波の時間波形又はピーク値を得る。即ち、ポンプ光１３２ａの光路とプローブ光１３６ａの光路が同一長さとなるように、時間遅延ステージ１１２の可動ミラー１１４の位置を固定した状態で測定した場合には、ＴＨｚ波のピーク値が得られる。時間遅延ステージ１１２の可動ミラー１１４を連続的に移動させながら測定した場合には、ＴＨｚ波の時間波形、即ち、プロファイルが得られる。
【００４８】
図１７を参照して、本発明のウェーハ接合強度検査装置１００を用いたウェーハ接合強度検査方法を説明する。ステップＳ１０１にて、標準試料についてＴＨｚ波特性データを取得する。作業者は、標準試料として、接合強度が異なる複数の接合ウェーハ２００又は接合部を準備する。本例のウェーハ接合強度検査装置１００により、この標準試料にＴＨｚ波を照射し、ＴＨｚ波の時間波形又はピーク値を測定する。時間波形又はピーク値より、標準試料に対する各種のＴＨｚ波物理特性が得られる。これをＴＨｚ波特性データとして、算出する。
【００４９】
ここにＴＨｚ波特性データには、テラヘルツ波の透過率、反射率、吸収スペクトル、吸光度、偏光状態、位相、複素屈折率、複素誘電率、複素伝導率、散乱強度、散乱範囲等が含まれる。
【００５０】
ステップＳ１０２にて、標準試料について、引張試験機又は他の検査方法により、接合強度を測定する。こうして標準試料について、ＴＨｚ波特性データと接合強度のデータが得られたら、それを、ＰＣ１０２や上位装置などを介して、システムコントローラ１０４のメモリに保存する。
【００５１】
ステップＳ１０３にて、標準試料について、ＴＨｚ波特性データと接合強度の関係を算出する。システムコントローラ１０４は、標準試料について、ＴＨｚ波特性データと接合強度の関係を算出し、記録する。ＴＨｚ波特性データと接合強度の関係は、グラフ、式又は表によって表現されてよい。ＴＨｚ波特性データと接合強度の関係を算出する方法の例は、後に、図８を参照して説明する。
【００５２】
ステップＳ１０４にて、作業者は、本例のウェーハ接合強度検査装置１００により、検査対象の接合ウェーハ２００又は接合部のＴＨｚ波特性データを得る。作業者は、検査対象のＴＨｚ波特性データを、ＰＣ１０２や上位装置などを介して、システムコントローラ１０４に送る。
【００５３】
ステップＳ１０５にて、標準試料について求めた、ＴＨｚ波特性データと接合強度の関係を用いて、検査対象の接合強度を求める。即ち、標準試料について求めた、ＴＨｚ波特性データと接合強度の関係から、検査対象のＴＨｚ波特性データに対応する接合強度を読み取る。
【００５４】
ステップＳ１０６にて、システムコントローラ１０４は、標準試料から得られたＴＨｚ波特性データが正常範囲内にあるか否かを判定する。作業者は、予め、ＰＣ１０２や上位装置などを介して、正常な接合強度に対応するＴＨｚ波特性データの正常範囲を設定し、それをシステムコントローラ１０４に保存する。判定結果は、ＰＣ１０２又は表示装置に表示される。
【００５５】
標準試料と検査対象試料では、材料及び接合方法については、同一であることが好ましいが、構造、寸法等については、必ずしも同一である必要はない。例えば、標準試料の接合部が全面である場合に、検査対象試料の接合部が格子状であってよい。
【００５６】
本発明によると、標準試料について予め求めたＴＨｚ波特性データと接合強度の関係を使用するため、検査対象試料を破壊することなく、検査対象試料の接合強度を求めることができる。即ち、標準試料を破壊することはあるが、検査対象試料を破壊する必要はない。
【００５７】
本発明によると、試料ステージ１６０によって、検査対象試料を支持する。検査対象試料は、試料ステージ１６０による支持部以外は、ウェーハ接合強度検査装置１００の構成部材に接触しない。さらに、検査対象試料をエッチング液等の薬剤に浸漬させる必要がない。従って、検査対象試料を変形又は破壊させることなく、検査対象試料の接合強度を測定することができる。
【００５８】
本発明によると、テラヘルツ時間領域分光法の基本構成を用いて検査対象試料のＴＨｚ波特性を求める。従って、接合界面に間隙が生じているか否かに拘らず、検査対象試料の接合強度を測定することができる。
【００５９】
本発明によると、テラヘルツ時間領域分光法の基本構成を用いて検査対象試料にテラヘルツ波を照射する。従って、検査対象試料の任意の局所領域の接合強度を測定することができる。
【００６０】
図２を参照して、ウェーハレベルチップサイズパッケージング（ウェーハレベルＣＳＰ）の概要について説明する。先ず、封止樹脂層を形成するための封止用ウェーハ２０１とプロセス処理を行ったＭＥＭＳウェーハ２０２を用意する。２つのウェーハ２０１、２０２を接合して、接合ウェーハ２００を作成する。次に、この接合ウェーハ２００をダイシングにより、チップサイズのパッケージ２０３を形成する。これに貫通配線を行う。ウェーハレベルＣＳＰでは、ダイシングを行う前に、即ち、ウェーハの段階で、外部端子や封止樹脂層を形成する。
【００６１】
図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃ及び図３Ｄを参照して、２つのＳｉウェーハ３０１、３０２の直接接合の原理を説明する。直接接合では、２つのＳｉウェーハ３０１、３０２を、親水化処理と熱処理（加熱）により接合する。図３Ａは、接合前の状態Ｓ０を示す。水と化学薬品によりＳｉウェーハ３０１、３０２の表面をわずかに酸化させ、薄い酸化膜３０１ａ、３０２ａを形成する。更に、表面処理（親水化処理）を行い、酸化膜３０１ａ、３０２ａの表面に多数の水酸基（ＯＨ基）３１１を付着させる。
【００６２】
図３Ｂに示す第１接合状態Ｓ１は、常温で接合した直後の状態か、又は、低温の加熱処理を行った状態を示す。親水化処理を施した２つのウェーハ３０１、３０２の表面同士を、常温で又は低温加熱処理により、接合させる。それによって、酸化膜３０１ａ、３０２ａの表面とＯＨ基間で水素結合３１２が生成する。
【００６３】
図３Ｃに示す第２接合状態Ｓ２は、中温の加熱処理を行った状態を示す。中温の加熱処理を行うと、脱水縮合反応３１３が進行し、接合強度が増大する。
【００６４】
図３Ｄに示す第３接合状態Ｓ３は、高温の加熱処理を行った状態を示す。高温の加熱処理を行うと、更に、脱水縮合反応３１３が進行し、酸素（Ｏ）はＳｉと結合３１４し、接合強度はＳｉ自体（共有結合）の強度となる。
【００６５】
図４に、標準試料の接合ウェーハ２００について求めた熱処理温度と引張強度の間の関係を表す曲線４０１を示す。縦軸は引張試験機を用いて測定した引張強度（ＭＰａ）である。横軸は熱処理温度（℃）である。複数の接合ウェーハ２００を用意し、それを直接接合によって接合し、図３Ｂ、図３Ｃ及び図３Ｄを参照して説明した第１、第２及び第３接合状態となるように、それぞれ熱処理を施した。これらの接合ウェーハ２００の引張強度を、引張試験機によって測定した。第１接合状態Ｓ１（熱処理温度がＴ１より小さい。）では引張強度が弱いが、第２接合状態Ｓ２（熱処理温度がＴ１以上且つＴ２以下。）では引張強度が強くなる。更に、第３接合状態Ｓ３（熱処理温度がＴ２より大きい。）では、引張強度がより強くなり、母材Ｓｉの接合強度Ｐ２と同程度となる。熱処理温度を高くすることによって接合強度は大きくなることが示されている。
【００６６】
図５に、標準試料の接合ウェーハ２００について求めた電場強度の時間波形（振動電場の波形）を表す曲線を示す。縦軸は電場強度（任意単位ａ．ｕ）、横軸は時間（ピコ秒）である。複数の接合ウェーハ２００を用意し、図３Ｂ及び図３Ｄを参照して説明した第１及び第３接合状態となるように、それぞれ熱処理を施した。これらの接合ウェーハ２００に対して、本発明によるウェーハ接合強度検査装置により所定の周波数帯域のＴＨｚ波を透過させて、電場強度を測定した。電場強度は、各接合ウェーハ２００の任意の複数点における平均値である。
【００６７】
本例の測定実験では、電場強度の時間波形を得るために、時間遅延ステージ１１２の可動ミラー１１４を連続的に移動させて、電場強度を測定した。
【００６８】
破線の曲線５０１は、第１接合状態Ｓ１の接合ウェーハ２００の測定結果を示す。実線の曲線５０２は、第３接合状態Ｓ３の接合ウェーハ２００の測定結果を示す。時点ｔ１にて、ポンプ光とプローブ光の光路長が一致し、ＴＨｚ波の強度がピーク、即ち、極大又は極小となり、各電場強度はピーク値となる。ＴＨｚ波は、水素結合などによる分子間相互作用などに相当するエネルギーを有する。ＴＨｚ波を接合ウェーハ２００に照射すると、水素結合やＯＨ基に吸収される。従って、第１接合状態Ｓ１の接合ウェーハ２００より得られた時間波形５０１のピーク値Ｅ１は、第３接合状態の接合ウェーハ２００より得られた時間波形５０２のピーク値Ｅ２より小さい。
【００６９】
図６は、図５に示す電場強度の時間波形をフーリエ変換して得たパワースペクトルを表す曲線である。縦軸は振幅（任意単位ａ．ｕ）、横軸は周波数（ＴＨｚ）である。破線の曲線６０１は、第１接合状態Ｓ１の接合ウェーハ２００より得られた時間波形５０１（図５）をフーリエ変換して得たパワースペクトルを示す。実線の曲線６０２は、第３接合状態Ｓ３の接合ウェーハ２００より得られた時間波形５０２（図５）をフーリエ変換して得たパワースペクトルを示す。
【００７０】
図示のように、第１接合状態の接合ウェーハ２００より得られたパワースペクトル６０１は、第３接合状態の接合ウェーハ２００より得られたパワースペクトル６０２と比較して、各周波数帯域にてブロードな吸収がある。
【００７１】
図７に、標準試料の接合ウェーハ２００について求めた、熱処理温度とＴＨｚ波透過率の間の関係を表す曲線７０１を示す。縦軸はＴＨｚ波透過率（％）、横軸は熱処理温度（℃）である。複数の接合ウェーハ２００を用意し、図３Ｂ、図３Ｃ及び図３Ｄを参照して説明した第１、第２及び第３接合状態となるように、それぞれ熱処理を施した。これらの接合ウェーハ２００に対して、本発明によるウェーハ接合強度検査装置によりＴＨｚ波を透過させて、ＴＨｚ波透過率を測定した。尚、透過率は、接合ウェーハ２００を透過したＴＨｚ波の電場強度の基準値に対する、各接合ウェーハ２００より得られたＴＨｚ波の電場強度の測定値の相対値（％）である。基準値は、試料無しの場合の測定値、又は、接合ウェーハと同一の厚さの同一材料の非接合ウェーハの場合の測定値であってよい。更に、この測定実験では、時間遅延ステージ１１２の可動ミラー１１４を、ポンプ光１３２ａとプローブ光１３６ａの光路長が一致する位置に固定した状態で、電場強度を測定した。従って、電場強度の極大値又は極小値を求めた。例えば、図５の曲線で示す時点ｔ１における時間波形のピーク値Ｅ１、Ｅ２を用いて、基準値に対する測定値の比をそれぞれ算出することにより透過率を求めた。
【００７２】
図示のように、第１接合状態Ｓ１（熱処理温度がＴ１より小さい。）では、ＴＨｚ波の透過率が低く、第２接合状態Ｓ２（熱処理温度がＴ１以上且つＴ２以下。）では、ＴＨｚ波の透過率が少し高く、第３接合状態Ｓ３（熱処理温度がＴ２より大きい。）では、ＴＨｚ波の透過率がより高く、母材（Ｓｉ）のＴＨｚ波透過率ＴＲ２と同程度である。このように、ＴＨｚ波透過率は接合ウェーハ２００の熱処理温度により変化する。
【００７３】
時間遅延ステージ１１２の可動ミラー１１４を固定した状態で測定する場合には、メカ的な駆動は試料ステージ１６０の動作のみとなる利点がある。更に、電場強度のピーク値のみを得るため、電場強度の時間波形を求める場合と比較して、高速に透過率の演算処理が可能となる。
【００７４】
しかしながら、時間遅延ステージ１１２の可動ミラー１１４を連続的に移動させ、電場強度の時間波形を求めることにより任意の周波数帯域における透過率を求めることができる。例えば、図６に示したＴＨｚ波のスペクトル強度を求めてから、任意の周波数における基準値に対する測定値の比を算出することにより透過率を求めることができる。
【００７５】
図８に、標準試料の接合ウェーハ２００について求めた、ＴＨｚ波透過率と接合強度の間の関係を表す曲線８０１を示す。縦軸は接合強度（Ｍｐａ）、横軸はＴＨｚ波透過率（％）である。尚、縦軸の接合強度（Ｍｐａ）は、引張試験よって測定された引張強度である。即ち、引張強度を接合強度とみなした。実線の曲線８０１は、図４の熱処理温度と引張強度の間の関係と、図７の熱処理温度とＴＨｚ波透過率の間の関係から、得た。
【００７６】
この曲線８０１から、ＴＨｚ波透過率を変数とする接合強度の関数を表す式を近似的に求めることができる。図２を参照して説明したウェーハレベルチップサイズパッケージングでは、熱処理温度が低いほうが好ましい。そのため、接合ウェーハ２００の全面を第３接合状態Ｓ３になるような高温（図４の熱処理温度Ｔ２）に加熱しない場合がある。このような場合でも、曲線８０１を表す式を作成することにより、接合ウェーハ２００の局所的な部位の接合強度が得られる。例えば、ＴＨｚ波の透過率がＴＲ３のときの接合強度Ｐ３は、図８の曲線上で求められる。こうして、接合ウェーハの局所的な部位の接合強度が得られるから、製造工程において、接合部の信頼性の確保が期待できる。
【００７７】
曲線８０１の精度は、図４の引張試験と図７のＴＨｚ波透過率の測定試験の実験精度に依存する。そのため、標準試料である接合ウェーハの数は、統計的に十分な大きさであることが好ましい。標準試料は、接合ウェーハ２００の一部であってよいが、間隙（ボイド）のないものが望ましい。図４及び図７の曲線に示すように、第２接合状態Ｓ２では、引張試験及びＴＨｚ波透過率の変動が大きい。このような場合には、接合ウェーハの接合強度は、局所的な部位毎に異なる。従って、複数の測定回数又は複数の測定部位から複数のＴＨｚ波特性データを求め、それらの平均値を算出する等の統計処理が必要となる。
【００７８】
本例では、直接接合によって接合した標準試料について、テラヘルツ波の透過率を測定した場合を説明した。こうして求めた標準試料の透過率より、ウェーハレベルチップサイズパッケージングによる接合ウェーハ２００について、水素結合及びＯＨ基のＴＨｚ波の吸収や位相変化、共有結合との相違、等を検出することができる。例えば、水素結合及びＯＨ基が存在すると、特定の周波数領域のＴＨｚパルス波に対して、鋭いピーク（スペクトルピーク）が得られることが知られている。
【００７９】
しかしながら、他の接合方法によって接合された接合ウェーハの場合には、ＴＨｚ波特性データとして、テラヘルツ波の透過率以外のパラメータを測定してもよい。ＴＨｚ波特性データとして、テラヘルツ波の反射率、吸収スペクトル、吸光度、偏光状態、位相、複素屈折率、複素誘電率、複素伝導率、散乱強度、散乱範囲、の少なくとも１つ以上選定し、これらのデータの統計処理により曲線８０１又はその関係式を求めてもよい。更に、接合方法や材料に最適なＴＨｚ波光学系を設計することが好ましい。
【００８０】
ここでは、引張試験機を用いて引張強度（ＭＰａ）を測定し、それを接合強度とする例を説明した。しかしながら、他の接合強度測定方法によって接合強度を算出してもよく、例えば、特許文献３のようなエッチング液による接合強度測定結果から算出してもよい。
【００８１】
図４から図８は標準試料の接合ウェーハ２００について求めた結果である。但し、図５及び図６の曲線と同様な曲線は、検査対象の試料の接合ウェーハ２００についても得られる。
【００８２】
図９Ａを参照して、試料を透過したＴＨｚ波を検出する透過測定法を説明する。接合ウェーハ９００は、ＴＨｚ波を透過させることができる互いに異なる２種の材料からなるウェーハ９０１、９０２を接合することによって形成した。ＴＨｚ波は、ＴＨｚ帯域の屈折率に大きな差がある境界面にて反射する。２つのウェーハ９０１、９０２の材料の間で、ＴＨｚ帯域の屈折率に大きな差がある場合には、ＴＨｚ波は、その境界面９０３で反射する。第１のウェーハ９０１とその上側の空間の間の境界面９０４でも、ＴＨｚ帯域の屈折率に大きな差がある。第２のウェーハ９０２とその下側の空間の間の境界面９０５でも、ＴＨｚ帯域の屈折率に大きな差がある。これらの境界面９０４、９０５でも、ＴＨｚ波は反射する。接合ウェーハ９００の上側及び下側の空間は、例えば、試料室１０１内の雰囲気である。
【００８３】
本例では、ＴＨｚ波を、上側の境界面９０４から入射させる。ＴＨｚ波は、境界面９０４、９０３及び９０５を、それぞれ透過、又は、反射して、下側の境界面９０５から放射する。
【００８４】
光路Ｌ１は、ＴＨｚ波が境界面で反射しないで、そのまま接合ウェーハ９００を透過した場合を示す。光路Ｌ２は、ＴＨｚ波が、境界面９０３で反射し、その反射波が上側の境界面９０４で反射してから、下側の境界面９０３より放射した場合を示す。光路Ｌ３は、ＴＨｚ波が、２つの境界面９０４、９０３を透過し、下側の境界面９０５で反射し、その反射波が境界面９０３で反射してから、下側の境界面９０５より放射した場合を示す。光路Ｌ４は、ＴＨｚ波が、下側の境界面９０５で反射し、その反射波が上側の境界面９０４で反射してから、下側の境界面９０５より放射した場合を示す。
【００８５】
尚、境界面９０３は十分薄いので、例えば上側から境界面９０３に入射し、境界面９０３の上面を反射したＴＨｚ波の光路と、上側から境界面９０３に入射し、境界面９０３の下面を反射したＴＨｚ波の光路は、互いに重なり合って描かれている。
【００８６】
図９Ｂに、透過測定法によって得られたＴＨｚ波の電場強度の時間波形９１０を示す。時点ｔ１における電場強度のピーク９１１は、図９Ａの光路Ｌ１を通ったＴＨｚ波に対応する。時点ｔ２における電場強度のピーク９１２は、図９Ａの光路Ｌ２を通ったＴＨｚ波に対応する。時点ｔ３における電場強度のピーク９１３は、図９Ａの光路Ｌ３を通ったＴＨｚ波に対応する。時点ｔ４における電場強度のピーク９１４は、図９Ａの光路Ｌ４を通ったＴＨｚ波に対応する。
【００８７】
２つのウェーハ９０１、９０２の材料の間で、ＴＨｚ帯域の屈折率に大きな差がある場合には、複数の光路Ｌ１〜Ｌ４が生成される。これらの光路Ｌ１〜Ｌ４の間では、実質的に、光路差が存在する。従って、光路差に対応して、ピーク９１１〜９１４が現れる時点ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４が異なる。更に、これらのピーク９１１〜９１４の波形の振幅及び形状は互いに異なる。例えば、ピーク９１４の波形はピーク９１１の波形に対して反転している。
【００８８】
時間遅延ステージ１１２の可動ミラー１１４を固定する場合には、ＴＨｚ波の電場強度の極大値又は極小値のみが求められる。透過率を求めるには、極大値又は極小値を用いて、基準値に対する測定値の相対値（％）を算出する。ここに極大値又は極小値は、最大のピーク９１１であってよいが、他のピーク値９１２〜９１４であってもよい。
【００８９】
２つのウェーハ９０１、９０２の材料が同一であり且つ両者の厚さが同一の場合には、２つの光路Ｌ２、Ｌ３を伝播するＴＨｚ波による時間波形のピーク９１２、９１３は重なり合う。従って、その時点に、時間遅延ステージ１１２の可動ミラー１１４の位置を固定することにより、接合面に焦点を合わせることができる。この場合には、接合部の状態を敏感に検出することができる。
【００９０】
接合前のウェーハの形状や厚さが不均一な場合にも、ＴＨｚ波の電場強度の波形の振幅及び形状が不規則に変動する。特に、屈折率の高い材料の場合には、接合部における屈折率の差に起因した波形の乱れより、接合前のウェーハの厚さのばらつきに起因した波形の乱れのほうが大きい。この場合には、最大のピーク９１１を探すのが困難である。そこで、時間遅延ステージ１１２の可動ミラー１１４を小距離ずつ移動させながら電場強度を測定し、電場強度のピーク値を探すとよい。
【００９１】
時間遅延ステージ１１２の可動ミラー１１４を移動させる場合には、ＴＨｚ波の電場強度の時間波形が得られる。透過率を求めるには、時間波形から得られた極大値又は極小値を用いて、基準値に対する測定値の相対値（％）を算出すればよい。更に、時間波形から、図６に示した周波数スペクトルを求めることができる。従って、周波数領域毎に、透過率を求めることができる。
【００９２】
しかしながら、図９Ｂに示すような不規則な変動成分を含む時間波形９１０をフーリエ変換して周波数スペクトルを求めると、図６のような単調な曲線ではなく、複数の周波数領域にて振幅が変動し、波打つ曲線となる。このような曲線では、波長と試料厚さと屈折率の差に起因する干渉成分を除去する必要がある。こうして干渉成分を除去してから、任意の周波数における基準値に対する測定値の比を算出することにより任意の周波数における透過率を求めることができる。
【００９３】
図１０Ａを参照して、試料を反射したＴＨｚ波を検出する反射測定法を説明する。本例の接合ウェーハ１０００は、ＴＨｚ波を透過させることができる材料からなるウェーハ１００１とＴＨｚ波を透過させることができない材料、例えば、金属からなるウェーハ１００２を接合することによって形成した。
【００９４】
本例では、ＴＨｚ波を、上側の境界面１００４から入射させる。ＴＨｚ波は、上側の境界面１００４に対して所定の入射角度により入射する。入射したＴＨｚ波は、境界面１００４、及び、１００３を、それぞれ、反射して、上側の境界面１００４から放射する。
【００９５】
光路Ｌ１１は、ＴＨｚ波が、上側の境界面１００４で反射し、その反射波がそのまま、入射側に放射した場合を示す。光路Ｌ１２は、ＴＨｚ波が、上側の境界面１００４で屈折して入射し、境界面１００３で反射し、その反射波が上側の境界面１００４で屈折して、入射側に放射した場合を示す。光路Ｌ１３は、ＴＨｚ波が、上側の境界面１００４で屈折して入射し、境界面１００３で反射し、その反射波が上側の境界面１００４で反射し、その反射波が再び境界面１００３で反射し、その反射波が上側の境界面１００４で屈折して、入射側に放射した場合を示す。
【００９６】
図１０Ｂに、反射測定法によって得られたＴＨｚ波の電場強度の時間波形１０１０を示す。時点ｔ１１における電場強度のピーク１０１１は、図１０Ａの光路Ｌ１１を通ったＴＨｚ波に対応する。時点ｔ１２における電場強度のピーク１０１２は、図１０Ａの光路Ｌ１２を通ったＴＨｚ波に対応する。時点ｔ１３における電場強度のピーク１０１３は、図１０Ａの光路Ｌ１３を通ったＴＨｚ波に対応する。
【００９７】
図１０Ｂの時点ｔ１１における時間波形のピーク値１０１１を用いて、ＴＨｚ波特性データを求めても、接合部の状態を検出することはできないが、例えば、反射率等の基準値を得ることはできる。図１０Ｂの時点ｔ１２、ｔ１３における時間波形のピーク値１０１２、１０１３を用いて、ＴＨｚ波特性データを求めることにより、接合部の状態を検出することができる。例えば、その時点ｔ１２、ｔ１３に、時間遅延ステージ１１２の可動ミラー１１４の位置を固定することにより、接合面に焦点を合わせることができる。この場合には、接合部の状態を敏感に検出することができる。
【００９８】
図１１に、試料を反射したＴＨｚ波を検出する高速化反射測定法の他の例を説明する。本例の接合ウェーハ１１００は、ＴＨｚ波を透過させることができる材料からなるウェーハ１１０１とＴＨｚ波を透過させることができない材料からなるウェーハ１１０２を接合することによって形成した。更に、接合ウェーハ１１０１の上面にミラー１１０６を配置した。
【００９９】
本例では、ＴＨｚ波を、上側の境界面１１０４から入射させる。ＴＨｚ波は、境界面１１０３、及び、ミラー１１０６を、順に反射してから放射する。
【０１００】
光路Ｌ１５は、ＴＨｚ波が、上側の境界面１１０４で屈折して入射し、境界面１１０３とミラー１１０６を次々に反射し、入射側と反対側に放射した場合を示す。本例では、接合ウェーハ１１００の端部にて、ＴＨｚ波を検出し、接合部１１０３の状態を検出することができる。
【０１０１】
図１２を参照して、高速化反射測定法による測定結果の例を説明する。図１２は、接合ウェーハ２００を上から見た状態を模式的に示す。ここでは、図１１に示したＴＨｚ波光学系を用いて、高速化反射測定法により、接合ウェーハ２００の接合強度を求めた。ＭＥＭＳウェーハや三次元積層デバイスなどでは、接合部が全面ではなく格子状になる場合が多い。そこで、接合ウェーハ２００の全面をスキャンするよりも、格子状の領域のみをスキャンするほうが、接合強度の検査の時間を短縮することができる。第１の光路Ｌｘは、ｘｚ平面に沿って入射し、放射したＴＨｚ波の光路を上から見た状態を示す。第２の光路Ｌｙは、ｙｚ平面に沿って入射し、放射したＴＨｚ波の光路を上から見た状態を示す。
【０１０２】
矢印は、ＴＨｚ波の方向を示す。接合ウェーハ２００に入射したＴＨｚ波は、矢印に沿って、接合面とミラーを順に、複数回反射してから放射する。接合ウェーハ２００上の第１及び第２の光路Ｌｘ、Ｌｙに沿って、接合強度の測定結果が得られる。矢印の先端の○印は、測定結果が予め設定した接合強度の正常範囲にあることを示す。矢印の先端の×印は、測定結果が予め設定した接合強度の正常範囲にないことを示す。例えば、第１の光路Ｌｘに沿った測定結果１２０１と、第２の光路Ｌｙに沿った測定結果１２０２は、共に、正常範囲にない。従って、この２つの光路の交点の部位１２０３の接合強度が正常範囲にない。そこで、この部位１２０３の接合状態を詳細に調べる必要がある。時間遅延ステージ１１２の可動ミラー１１４の位置を移動させながら、即ち、時間波形のピークを含む波形プロファイルを求めることにより、この部位１２０３の接合強度が弱いことを確認することができる。
【０１０３】
本例では、ＴＨｚ波は、接合ウェーハ２００の接合面とその上に配置されたミラーを、複数回反射するため、ＴＨｚ波検出器１５７に到達するＴＨｚ波は減衰する。そのため、ＴＨｚ波検出器１５７による検出精度が低下する。更に、ＴＨｚ波を検出して得られた情報は、各反射点における情報を平均化したものである。そこで、接合面とミラーにおけるＴＨｚ波の反射回数が減少するような工夫を行ってよい。例えば、接合ウェーハ２００の一方の縁から他方の縁までの光路ではなく、その半分の光路に沿って、測定する。それによって、接合ウェーハ２００の半分ずつ、測定される。更に、ＴＨｚ波の入射角度を小さくしたり、ミラーの寸法を小さくすることによっても、反射回数が減少する。
【０１０４】
図１３に、検査対象の接合ウェーハ２００の接合強度の測定結果の例を示す。本例の測定実験では、ＴＨｚ波の電場強度が基準測定時にピーク値となるように遅延ユニット１１２の可動ミラー１１４の位置を固定した。試料ステージ１６０に載置された接合ウェーハ２００の全面をＴＨｚ波の照射によってスキャンすることにより透過率を求めた。こうして得られたＴＨｚ波の透過率に対応する接合強度を、予め求めた図８に示す曲線８０１から算出した。こうして得られた、接合強度の分布を等高線で示した。領域１３０１では接合強度が強く、領域１３０２では接合強度が少し弱く、領域１３０３では接合強度が弱い、ことが示されている。
【０１０５】
尚、接合強度が正常な領域と正常でない領域を、異なる色で表示してもよい。例えば、接合強度が正常でない領域を赤色等により表示してもよい。こうして、接合強度が正常であるか否かを色別することにより、作業者は、接合ウェーハ２００のどの領域の接合強度が正常であるか、どの領域の接合強度が正常でないのかを容易に認識することができる。更に、上位装置によって、接合強度の正常又は非正常を認識しやすいように表示してもよい。
【０１０６】
接合強度を測定する場合には、上述のように、時間遅延ステージ１１２の可動ミラー１１４を所定の位置に固定した。即ち、電場強度の時間波形のピーク値のみを求め、電場強度の時間波形のプロファイルを求める必要がない。そのため、必ずしもテラヘルツ時間領域分光法（THz-TDS：THz Time-Domain Spectroscopy）の基本構成を用いる必要はない。テラヘルツ時間領域分光法の基本構成で用いるＴＨｚ波発生器１５１及びＴＨｚ波検出器１５７以外の機器により測定してもよい。
【０１０７】
図１４に、図１３に接合強度画像１３００にボイド画像１４０１を重ね合わせた結果を示す。本例のウェーハ接合強度検査装置１００にカメラを設置し、可視光又は近赤外光の照明を用いて、同一の接合ウェーハ２００を撮像することにより、ボイド画像１４０１が得られる。ボイド画像１４０１を図１３に接合強度画像１３００に重ね合わせることにより、接合ウェーハ２００における間隙（ボイド、ギャップ）の分布情報を得ることができる。例えば、ボイド１４０２やボイド１４０３が、接合強度分布の等高線１３００に重ね合わされることにより、接合強度が弱い部位１３０３が、ボイド１４０２周辺に分布していることが確認できる。
【０１０８】
ボイド画像１４０１の代わりに、様々な情報を有する画像を用いてもよい。このような画像は、外部装置による撮影によって得られたものであってもよい。例えばウェーハの厚さや形状などの情報を有する画像であってもよい。こうして、接合強度画像１３００に、様々な情報を有する他の画像を重ね合わせることにより、接合強度分布と他の情報の関係が容易に判る。
【０１０９】
この画像を、ＰＣ１０２又はモニタに表示する場合には、矢印で示すカーソル１４０４を表示する。作業者は、所望の位置、例えば、正常でない部位や、気になる位置にカーソル１４０４を配置し、それをクリックする。それにより、その位置について、ＴＨｚ−ＴＤＳによる時間波形（図５）やスペクトル波形（図６）を測定するか、又は、既に測定してあった結果を表示することができる。図１２、図１３、及び、図１４に示した測定結果はＰＣ１０２や表示部などに表示される。
【０１１０】
本発明によるウェーハ接合強度検査装置及び方法では、ＴＨｚ波特性として、テラヘルツ波の透過率、反射率、吸収スペクトル、吸光度、偏光状態、位相、複素屈折率、複素誘電率、複素伝導率、散乱強度、散乱範囲等が得られる。テラヘルツ波の透過率を求める方法は既に説明した。テラヘルツ波の透過率は、図９Ａに示した透過測定法によって得られる。以下に、他のＴＨｚ波特性を求める方法を説明する。テラヘルツ波の反射率は、図１０Ａ及び図１１等に示した反射測定法によって得られる。テラヘルツ波の反射率は、接合ウェーハ２００を反射したＴＨｚ波の電場強度の基準値に対する、各接合ウェーハ２００より得られたＴＨｚ波の電場強度の測定値の相対値（％）である。基準値は、試料無しの場合の測定値、又は、接合ウェーハと同一の厚さの同一材料の非接合ウェーハの場合の測定値であってよい。
【０１１１】
テラヘルツ波の吸収スペクトルは、基準スペクトルをベースラインとし、各接合ウェーハ２００より得られたスペクトルの比の常用対数をとり、それに正負の符号を付すことにより得られる。基準スペクトルは、試料無しの場合の測定値、又は、接合ウェーハと同一の厚さの同一材料の非接合ウェーハの場合の測定値であってよい。
【０１１２】
テラヘルツ波の吸光度は、透過率と同様に、透過測定法によって得られる。ＴＨｚ波の電場強度の基準値に対する測定値の比の常用対数をとり、それに正負の符号を付すことにより得られる。
【０１１３】
テラヘルツ波の偏光状態は、偏光板を用いることにより測定される。例えばＴＨｚ受光系にワイヤグリットなどの偏光板を実装し、回転させた時の電場強度変化を測定する。それにより、振動方向が規則的な光波の状態を検出することができる。この場合には、接合部の残留応力に起因したＴＨｚ波の偏光状態の変化が検出される。
【０１１４】
テラヘルツ波の位相は、テラヘルツ波の時間的及び空間的な位置を示す無次元量である。時間波形及び空間波形におけるピークの位置又はパルス幅等により測定することができる。
【０１１５】
テラヘルツ波の複素屈折率は、基準値及び測定値の時間波形、振幅スペクトルから求められる。但し、時間波形は図５Ａに示すように単一の波形からなり、図９Ｂに示すような反射波を含まないものとする。複素屈折率は、次の式によって表される。
【０１１６】
【数１】
【０１１７】
ここで、ω：各周波数、n：屈折率、k：波数である。この式の各項は、次の振幅透過率t(ω)から求めることができる。
【０１１８】
【数２】
【０１１９】
ここで、Ｅ：電界（電場強度）、d：試料の厚さ、c：光速、ω：各周波数、添字sam、refは測定値、基準値（試料の有無）を表す。数２の式は一般に陽には解けない。そこで、複素屈折率の実数成分と虚数成分の初期値を設定し、実数成分が収束するまで差分計算する。即ち、適当な式変形を行い逐次的に複素屈折率を求める。
【０１２０】
複素誘電率は次の式３によって表され、複素伝導率は次の式４によって表される。
【０１２１】
【数３】
【０１２２】
【数４】
【０１２３】
これらの式の各項は次の関係式から得られる。
【０１２４】
【数５】
ただしε∞は十分に高周波での試料の誘電率、ε0は真空誘電率である。
【０１２５】
図１５Ａを参照して、透過測定法においてテラヘルツ波の散乱光のみを検出する方法の例を説明する。本例のＴＨｚ波受光用光学系１５４は、遮光拡散板１５４Ａと、それを囲むように配置されたミラー１５４Ｂを有する。ミラー１５４Ｂは、放物面ミラー、ウィンストンコーンミラー等により構成され、中心孔を有する。遮光拡散板１５４Ａとミラー１５４Ｂの中心孔は、ＴＨｚ波検出器１５７の光軸に沿って配置されている。ＴＨｚ波発生器１５１からのＴＨｚ波１４１は、接合ウェーハ２００に照射される。透過散乱光１４３以外の透過光１４２は、遮光拡散板１５４Ａによって遮られ、ＴＨｚ波検出器１５７に到達することが阻止される。透過散乱光１４３は、ミラー１５４Ｂを反射し、ＴＨｚ波検出器１５７に到達する。透過散乱光１４３のうち、遮光拡散板１５４Ａの外側を反射したＴＨｚ波は、再度、ミラー１５４Ｂを反射し、ＴＨｚ波検出器１５７に到達する。本例では、ＴＨｚ波検出器１５７は透過散乱光のみを検出する。本例では、透過散乱光の強度の影響は、透過率の変化として検出される。ＴＨｚ波特性として、透過散乱光を検出することができる。
【０１２６】
図１５Ｂを参照して、透過測定法においてテラヘルツ波の散乱光以外の透過光を検出する方法の他の例を説明する。本例のＴＨｚ波受光用光学系１５４は、アイリス１５４Ｃを有する。アイリス１５４Ｃの中心孔は、ＴＨｚ波検出器１５７の光軸に沿って配置されている。ＴＨｚ波発生器１５１からのＴＨｚ波１４１は、接合ウェーハ２００に照射される。透過散乱光１４３以外の透過光１４２は、アイリス１５４Ｃの中心孔を経由して、ＴＨｚ波検出器１５７に到達する。透過散乱光１４３は、アイリス１５４Ｃによって遮られ、ＴＨｚ波検出器１５７に到達することが阻止される。本例では、ＴＨｚ波検出器１５７は透過散乱光以外の透過光を検出する。本例では、透過散乱光の強度の影響を受けることなく透過率を検出することができる。
【０１２７】
図１６Ａを参照して、反射測定法においてテラヘルツ波の散乱光のみを検出する方法の例を説明する。本例のＴＨｚ波受光用光学系１５４は、遮光拡散板１５４Ａと、それを囲むように配置されたミラー１５４Ｂを有する。ミラー１５４Ｂは、放物面ミラー、ウィンストンコーンミラー等により構成され、中心孔を有する。遮光拡散板１５４Ａとミラー１５４Ｂの中心孔は、ＴＨｚ波検出器１５７の光軸に沿って配置されている。ＴＨｚ波発生器１５１からのＴＨｚ波１４１は、接合ウェーハ２００に照射される。反射散乱光１４５以外の反射光１４４は、遮光拡散板１５４Ａによって遮られ、ＴＨｚ波検出器１５７に到達することが阻止される。反射散乱光１４５は、ミラー１５４Ｂを反射し、ＴＨｚ波検出器１５７に到達する。反射散乱光１４５のうち、遮光拡散板１５４Ａの外側を反射したＴＨｚ波は、再度、ミラー１５４Ｂを反射し、ＴＨｚ波検出器１５７に到達する。本例では、ＴＨｚ波検出器１５７は反射散乱光のみを検出する。本例では、反射散乱光の強度の影響は、透過率の変化として検出される。ＴＨｚ波特性として、反射散乱光を検出することができる。
【０１２８】
図１６Ｂを参照して、反射測定法においてテラヘルツ波の散乱光以外の反射光を検出する方法の他の例を説明する。本例のＴＨｚ波受光用光学系１５４は、アイリス１５４Ｃを有する。アイリス１５４Ｃの中心孔は、ＴＨｚ波検出器１５７の光軸に沿って配置されている。ＴＨｚ波発生器１５１からのＴＨｚ波１４１は、接合ウェーハ２００に照射される。反射散乱光１４５以外の反射光１４４は、アイリス１５４Ｃの中心孔を経由して、ＴＨｚ波検出器１５７に到達する。反射散乱光１４５は、アイリス１５４Ｃによって遮られ、ＴＨｚ波検出器１５７に到達することが阻止される。本例では、ＴＨｚ波検出器１５７は反射散乱光以外の反射光を検出する。本例では、反射散乱光の強度の影響を受けることなく透過率を検出することができる。
【０１２９】
本発明によるウェーハ接合強度検査装置及び方法は、テラヘルツ時間領域分光法（THz-TDS：THz Time-Domain Spectroscopy）の基本構成、即ち、図１に示したＴＨｚ波光学系１５０によって実現することができる。しかしながら、接合ウェーハ２００の接合強度を検査できるなら、テラヘルツ時間領域分光法の基本構成と同一の構成を用いる必要はない。例えば、フーリエ変換赤外分光光度計（FT-IR：Fourier transform infrared spectrophotometer）など他のＴＨｚ波分光装置の構成を用いてもよい。例えば、ＴＨｚ発生器（光源）は、パラメトリック発振器やＴＨｚ量子カスケードレーザ、後進波管、ガンダイオード、共鳴トンネルダイオード、高圧水銀灯、遠赤外ヒータ、黒体炉などでもよい。ＴＨｚ検出器は、焦電センサ、ボロメータ、ゴーレイセル、ＴＨｚカメラなどでもよい。
【０１３０】
以上本発明の例を説明したが本発明は上述の例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲にて様々な変更が可能であることは、当業者によって容易に理解されよう。
【符号の説明】
【０１３１】
１００：ウェーハ接合強度検査装置、
１０１：試料室、
１０２：ＰＣ、
１０４：システムコントローラ、
１０６：フェムト秒レーザ、
１０８：ビームスプリッタ、
１１０：変調機能付きバイアス電源、
１１２：時間遅延ステージ、
１１４：可動ミラー、
１１６：可動ミラーの動作方向（直進動作）、
１１８：ロックインアンプ、
１２０：プリアンプ、
１２２：試料ステージコントローラ、
１２４：試料室調整管理機器、
１３０：システムコントローラとの電気系接続、
１３２：光ファイバ（フェムト秒レーザ光路）、
１３２ａ：ポンプ光、
１３４：光ファイバ（フェムト秒レーザ光路）、
１３４ａ：プローブ光、
１３６：光ファイバ（フェムト秒レーザ光路）、
１３６ａ：プローブ光、
１３８：ＴＨｚ波光路
１４１：ＴＨｚ波、
１４２：透過光、
１４３：透過散乱光、
１４５：反射散乱光、
１４４：反射光、
１５０：ＴＨｚ波光学系
１５１：ＴＨｚ波発生器、
１５１ａ：集光レンズ、
１５１ｂ：ＴＨｚ波発生素子、
１５１ｃ：レンズ、
１５３：ＴＨｚ波投光用光学系、
１５４：ＴＨｚ波受光用光学系、
１５４Ａ：遮光拡散板、
１５４Ｂ：ミラー、
１５４Ｃ：アイリス、
１５７：ＴＨｚ波検出器、
１５７ａ：集光レンズ、
１５７ｂ：ＴＨｚ波検出素子、
１５７ｃ：レンズ、
１６０：試料ステージ、
１６１：チャック機構、
１６２：回転機構、
１６３：昇降機構、
１６４：水平機構、
１７２：試料室調整管理機器端末、
１７４：試料室開閉機構、
２００：接合ウェーハ、
２０１：封止用ウェーハ、
２０２：ＭＥＭＳウェーハ、
２０３：ＭＥＭＳのチップサイズのパッケージ、
３０１、３０２：Ｓｉウェーハ、
３０１ａ、３０２ａ：Ｓｉウェーハの表面の薄い酸化膜、
３１１：水酸基（ＯＨ基）
３１２：水素結合
３１３：脱水縮合反応、
３１４：ＯとＳｉの結合、
４０１：熱処理温度と引張強度の間の関係を表す曲線、
５０１：第１接合状態（Ｓ１）のウェーハに透過した場合の電場強度の時間波形、
５０２：第３接合状態（Ｓ３）のウェーハに透過した場合の電場強度の時間波形、
６０１：時間波形５０１をフーリエ変換して得たパワースペクトルの波形、
６０２：時間波形５０２をフーリエ変換して得たパワースペクトルの波形、
７０１：熱処理温度とＴＨｚ波透過率の間の関係を表す曲線、
８０１：ＴＨｚ波の透過率と接合強度の関係を表す曲線、
９００：接合ウェーハ
９０１：ＴＨｚ波が透過する材料のウェーハ
９０２：ＴＨｚ波が透過する材料のウェーハ
９０３、９０４、９０５：境界面、
９１０：接合ウェーハを透過したＴＨｚ波の時間波形、
９１１：光路Ｌ１を伝播したＴＨｚ波、
９１２：光路Ｌ２を伝播したＴＨｚ波、
９１３：光路Ｌ３を伝播したＴＨｚ波、
９１４：光路Ｌ４を伝播したＴＨｚ波、
１０００：接合ウェーハ
１００１：ＴＨｚ波が透過する材料のウェーハ
１００２：ＴＨｚ波が反射する材料のウェーハ
１００３，１００４：境界面、
１０１０：接合ウェーハを透過したＴＨｚ波の時間波形、
１０１１：光路Ｌ１１を伝播したＴＨｚ波、
１０１２：光路Ｌ１２を伝播したＴＨｚ波、
１０１３：光路Ｌ１３を伝播したＴＨｚ波、
１１００：接合ウェーハ
１１０１：ＴＨｚ波が透過する材料のウェーハ
１１０２：ＴＨｚ波が反射する材料のウェーハ
１１０３：境界面、
１１０６：ミラー、
１２０１：横ラインの測定結果表示例、
１２０２：縦ラインの測定結果表示例、
１２０３：正常範囲外の接合部位、
１３００：接合強度画像、
１３０１：接合強度の強い部位、
１３０２：接合強度の少し弱い部位、
１３０３：接合強度の弱い部位、
１４０１：近赤外光によるボイド画像、
１４０２：ボイドの例、
１４０３：ボイドの例、
１４０４：接合強度の詳細を確認するための矢印。
Ｓ１：ウェーハの接合直後または低温の加熱処理した状態、
Ｓ２：接合されたウェーハを中温の加熱処理した状態、
Ｓ３：接合されたウェーハを高温の加熱処理した状態、
Ｐ２：母材（Ｓｉ）の接合強度と同じくらいの引張強度、
Ｐ３：透過率ＴＲ３の時の接合強度、
Ｔ２：全面が第３接合状態（Ｓ３）になる熱処理温度、
Ｅ１：時間波形５０１のピーク値、
Ｅ２：時間波形５０２のピーク値、
ｔ１：ポンプ光とプローブ光の光路長が一致しＴＨｚ波がピークとなる時間、
ｔ２：ＴＨｚ波のピーク値９１２をとる時間、
ｔ３：ＴＨｚ波のピーク値９１３をとる時間、
ｔ４：ＴＨｚ波のピーク値９１４をとる時間、
Ｌ１：接合ウェーハを透過したＴＨｚ波の光路、
Ｌ２：境界面９０３で反射してから透過したＴＨｚ波の光路、
Ｌ３：境界面９０３、９０４で反射してから透過したＴＨｚ波の光路、
Ｌ４：境界面９０３、９０４、９０５で反射してから透過したＴＨｚ波の光路、
Ｌ１１：境界面１００４で反射したＴＨｚ波の光路、
Ｌ１２：境界面１００３で反射したＴＨｚ波の光路、
Ｌ１３：境界面１００３、１００４で反射したＴＨｚ波の光路、
Ｌ１５：境界面をラインでスキャンする場合のＴＨｚ波の光路、
ＴＲ２：ＳｉのＴＨｚ波の透過率、
ＴＲ３：任意のＴＨｚ波の透過率
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接合ウェーハの接合強度を検査するための装置および方法に関し、特に、テラヘルツ波を用いて接合強度を検査する装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ウェーハ、ＮＥＭＳ（Nano Electro Mechanical Systems）ウェーハ、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）ウェーハ、三次元積層デバイス、パワーデバイス、などの製造過程では、複数枚のウェーハ（基板）の接合（張り合わせ）が行われる。
【０００３】
接合ウェーハの接合強度が弱い場合、ダイシングを含む次工程で、接合部の剥離を生じる場合があり、歩留まりが悪化する。また、次工程では剥離しなくとも、経年変化によって剥離することがあり、それにより、製品の信頼性が低下する。
【０００４】
接合強度を左右する因子は、共有結合やイオン結合、水素結合、ファンデルワールス力など材料の化学的結合力、残留応力、母材の強度、接合品質などがある。特許文献１、２、３には、接合強度を評価する方法の例が記載されている。
【０００５】
特許文献１に記載された方法では、引張試験による破壊検査を用いる。特許文献２に記載された方法では、接合部に照射した光の光路差によりできる干渉縞、接合部の静電容量、又は、インピーダンスの変化から、接合界面に生じた未接合部分（ボイドまたはギャップ、間隙）の接合状態を評価する。特許文献３に記載された方法では、接合ウェーハをダイシングし、接合面が露出した状態で、フッ酸系水溶液等のエッチング液に浸漬させ、エッチングされた量と接合界面にしみ込んだ量とから、接合状態を評価する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第２８４６９７３号
【特許文献２】特開平９−２８９２３８号公報
【特許文献３】特許第４５６９０５８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載された方法では、引張試験によって試料を破壊するため、製造ラインにおいて出荷品の接合強度の検査を行うことができない。更に、この方法では、耐環境や経年変化、製造工程におけるストレスに対する耐久性などを調査する場合、多数サンプルを準備して、各段階で抜き取り検査をする必要がある。また、引張試験は、接合面積の大きさに対する依存性があり、局所的な接合部の検査には向いていない。
【０００８】
特許文献２に記載された方法では、接合界面に間隙が生じていない場合には、接合強度の不良を検出できない。
【０００９】
特許文献３に記載された方法では、接合ウェーハ（接合基板）をエッチング液に浸漬させるため、ＭＥＭＳの製造などでは、破壊検査となる場合がある。
【００１０】
本発明の目的は、接合ウェーハを破壊することなく、接合界面に間隙が生じていない場合であっても、局所的な接合部の接合強度を検査することができる検査装置及び方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明のウェーハ接合強度検査装置は、接合ウェーハを保持する試料ステージと、テラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生器と、接合ウェーハを透過又は反射したテラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出器と、テラヘルツ波検出器によって検出したテラヘルツ波より接合ウェーハのＴＨｚ波特性を演算する演算部と、を有する。
【００１２】
演算部は、予め求めた基準試料のＴＨｚ波特性と接合強度の間の関係から、検査対象の接合ウェーハのＴＨｚ波特性に対応する接合強度を演算する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、接合ウェーハを破壊することなく、接合界面に間隙が生じていない場合であっても、局所的な接合部の接合強度を検査することができる検査装置及び方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明のウェーハ接合強度検査装置の構成例を示す図である。
【図２】ウェーハレベルチップサイズパッケージングの概要を説明する図である。
【図３Ａ】２つのＳｉ（シリコン）ウェーハの接合前の状態を説明する図である。
【図３Ｂ】２つのＳｉ（シリコン）ウェーハの第１接合状態を説明する図である。
【図３Ｃ】２つのＳｉ（シリコン）ウェーハの第２接合状態を説明する図である。
【図３Ｄ】２つのＳｉ（シリコン）ウェーハの第３接合状態を説明する図である。
【図４】接合ウェーハについて熱処理温度と引張強度の間の関係の例を説明する図である。
【図５】接合ウェーハにＴＨｚ波を透過させた場合の電場強度の時間波形（テラヘルツ波の時間波形）の例を説明する図である。
【図６】図５の時間波形をフーリエ変換した得た周波数パワースペクトル波形を説明する図である。
【図７】接合ウェーハについて熱処理温度とＴＨｚ波透過率の間の関係を説明する図である。
【図８】接合ウェーハについてテラヘルツ波透過率と接合強度の間の関係を説明する図である。
【図９Ａ】透過測定法の例を説明する図である。
【図９Ｂ】透過測定法によって得られたＴＨｚ波の電場強度の時間波形を説明する図である。
【図１０Ａ】反射測定法の例を説明する図である。
【図１０Ｂ】反射測定法によって得られたＴＨｚ波の電場強度の時間波形を説明する図である。
【図１１】反射測定法の他の例を説明する図である。
【図１２】図１１の反射測定法による測定結果の例を説明する図である。
【図１３】本発明のウェーハ接合強度検査装置によって接合ウェーハの接合強度を測定した結果の例を説明する図である。
【図１４】図１３の結果と他のウェーハ接合情報画像とを重ね合わせて表示した例を説明する図である。
【図１５Ａ】本発明のウェーハ接合強度検査装置において、透過測定法によって、テラヘルツ波の散乱光のみ検出する方法の例を説明する図である。
【図１５Ｂ】本発明のウェーハ接合強度検査装置において、透過測定法によって、テラヘルツ波の散乱光以外の透過光を検出する方法の他の例を説明する図である。
【図１６Ａ】本発明のウェーハ接合強度検査装置において、反射測定法によって、テラヘルツ波の散乱光のみ検出する方法の例を説明する図である。
【図１６Ｂ】本発明のウェーハ接合強度検査装置において、反射測定法によって、テラヘルツ波の散乱光以外の反射光を検出する方法の他の例を説明する図である。
【図１７】本発明のウェーハ接合強度検査方法の例を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１を参照して、本発明によるウェーハ接合強度検査装置１００の実施形態の一例を説明する。検査対象の接合ウェーハ２００は、複数枚のウェーハ（基板）を接合することによって、即ち、張り合わせることによって形成される。接合ウェーハ２００の接合方法には、陽極接合、直接接合、プラズマ活性化接合、ハイブリッド接合、表面活性化接合、はんだ接合、融接、共晶接合、ガラスフリット接合、接着剤による間接接合、等の様々な方法がある。直接接合等では接着材を用いないが、例えば、共晶接合では、接着材として金（Ａｕ）、ハンダ等を用いる。これら方法のうち、製造するデバイスや材料に応じて最適な接合方法が選択される。
【００１６】
接合前のウェーハ材料及び接着材は、製造するデバイスや方法によって異なる。ウェーハ材料及び接着材には、例えば、シリコン（Ｓｉ）、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、リン化インジウム（ＩｎＰ）、リン化ガリウム（ＧａＰ）、ヒ化インジウム（ＩｎＡｓ）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、錫（Ｓｎ）、鉛（Ｐｂ）、亜鉛（Ｚｎ）、半田、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、水晶、石英（ＳｉＯ２）、チタン（Ｔｉ）などがある。
【００１７】
本発明によるウェーハ接合強度検査装置１００では、接合ウェーハ２００の接合部（接合界面）の接合強度を、テラヘルツ波により測定および検査する。テラヘルツ波（以下、ＴＨｚ波と記す）とは、０．１〜１００ＴＨｚの電磁波を指す。本例のウェーハ接合強度検査装置１００では、接合ウェーハの接合方法に対応して、実験により得た最適な周波数帯域のＴＨｚ波が選択される。
【００１８】
本例のウェーハ接合強度検査装置１００では、テラヘルツ時間領域分光法（THz-TDS：THz Time-Domain Spectroscopy）の基本構成を用いて、ＴＨｚ波の発生及び検出を行う。テラヘルツ時間領域分光法は、テラヘルツ波の波形を直接測定することによって得られる振動電場強度の時間波形をフーリエ変換し、電磁波のスペクトルを得る分光法である。テラヘルツ時間領域分光は、電磁波の周波数毎の振幅、波形及び位相を得ることができるため、様々な分野に応用されている。振動電場強度の時間波形を、単に、ＴＨｚ波の時間波形と称することがある。本発明では、接合強度を検出するために、テラヘルツ時間領域分光法によってＴＨｚ波の時間波形を求めてもよいが、時間波形を求めることなく、時間波形のピーク値、即ち、極大または極小値のみを検出してもよい。
【００１９】
テラヘルツ時間領域分光法では、試料を透過したＴＨｚ波を検出する透過測定法と試料を反射したＴＨｚ波を検出する反射測定法が知られている。本発明では、透過測定法と反射測定法のいずれを使用してもよい。ＴＨｚ波は、条件にもよるが半導体、セラミックスなどの化合物に対しては、電波と同様に透過性を有するが、金属に対しては透過性を有さない。透過測定法を用いる場合には、接合ウェーハ２００を構成する複数のウェーハの少なくとも一部はＴＨｚ波を透過する材料によって形成される。反射測定法を用いる場合には、接合ウェーハ２００を構成する複数のウェーハのうち、入射側のウェーハはＴＨｚ波を透過する材料によって形成され、その内側のウェーハはＴＨｚ波を透過しない材料によって形成される。従って、本例のウェーハ接合強度検査装置１００では、ＴＨｚ波が透過する材料からなるウェーハを少なくとも１枚は外側に含む２枚以上のウェーハからなる接合ウェーハ２００を検査対象とする。例えば、外側にＴＨｚ波を透過するＳｉウェーハを含む接合ウェーハが検査対象となる。その例として、ＳｉウェーハとＳｉウェーハからなる接合ウェーハ、ＳｉウェーハとＡｌウェーハからなる接合ウェーハ、ＳｉウェーハとＡｕウェーハとＳｉウェーハからなる接合ウェーハ等がある。
【００２０】
ウェーハ接合強度検査装置１００は、試料室１０１、パーソナルコンピュータ（以下、ＰＣと記す）１０２、システムコントローラ１０４、ビームスプリッタ１０８を備えたフェムト秒レーザ（超短パルスレーザ）１０６、変調機能付きバイアス電源１１０、直進移動１１６が可能な可動ミラー１１４を備えた時間遅延ステージ１１２、ロックインアンプ１１８、プリアンプ１２０、試料ステージコントローラ１２２、及び、試料室調整管理機器１２４を有する。
【００２１】
ウェーハ接合強度検査装置１００内の各ユニット、即ち、フェムト秒レーザ１０６、変調機能付きバイアス電源１１０、時間遅延ステージ１１２、ロックインアンプ１１８、試料ステージコントローラ１２２、及び、試料室調整管理機器１２４は、ケーブル１３０を介してシステムコントローラ１０４に接続されている。破線は電気系の接続を表す。
【００２２】
ＰＣ１０２からの命令やＰＣ１０２に予め組み込まれたプログラムやトリガに応じて、システムコントローラ１０４は、ウェーハ接合強度検査装置１００内の各ユニットの機能を作動させるための制御を行う。作業者は、ＰＣ１０２を介して、システムコントローラ１０４に、接合ウェーハ２００の接合強度の検査に関する命令を入力する。ウェーハ接合強度検査装置１００は、システムコントローラ１０４からの命令に従って、接合ウェーハ２００の接合強度の検査を行う。接合強度の検査の結果は、システムコントローラ１０４を介して、ＰＣ１０２に送られる。
【００２３】
本例では、システムコントローラ１０４にＰＣ１０２が接続されているが、システムコントローラ１０４にＰＣ１０２より上位のシステムが接続されてもよい。また表示部は、必ずしもＰＣ１０２である必要はなく、モニタ装置や表示パネルなど任意の機器であってよい。この場合、表示部は、システムコントローラ１０４により、その制御を行う。
【００２４】
尚、システムコントローラ１０４は試料ステージコントローラ１２２、及び、試料室調整管理機器１２４の機能を備えても良い。その場合には、試料ステージコントローラ１２２、及び、試料室調整管理機器１２４は省略される。更に、システムコントローラ１０４とＰＣ１０２を１つの制御演算装置によって置き換えてもよい。
【００２５】
試料室１０１には、ＴＨｚ波の発生及び検出を行うＴＨｚ波光学系１５０と検査対象の接合ウェーハ２００を支持する試料ステージ１６０が設けられている。ＴＨｚ波光学系１５０は、ＴＨｚ波発生器１５１、ＴＨｚ波投光用光学系１５３、ＴＨｚ波受光用光学系１５４、及び、ＴＨｚ波検出器１５７を有する。ＴＨｚ波発生器１５１は試料室１０１の側壁に設けられ、ＴＨｚ波検出器１５７は試料室１０１の底壁に設けられている。ＴＨｚ波発生器１５１の光軸とＴＨｚ波検出器１５７の光軸は整合しないように、本例では、直交するように配置されている。
【００２６】
ＴＨｚ波発生器１５１は、集光レンズ１５１ａ、ＴＨｚ波発生素子１５１ｂ、及び、レンズ１５１ｃを有する。ＴＨｚ波発生素子１５１ｂは、光伝導スイッチ、非線形光学結晶等により構成される。ＴＨｚ波投光用光学系１５３は、楕円面ミラー、放物面ミラー等により構成される。ＴＨｚ波受光用光学系１５４は、放物面ミラー、ウィンストンコーンミラー等により構成される。ＴＨｚ波光学系１５０内の点線１３８は、ＴＨｚ波の光路を示す。ＴＨｚ波検出器１５７は、集光レンズ１５７ａ、ＴＨｚ波検出素子１５７ｂ、及び、レンズ１５７ｃを有する。ＴＨｚ波検出素子１５７ｂは、光伝導スイッチ、非線形光学結晶等により構成される。
【００２７】
図示のＴＨｚ波光学系１５０は、透過測定法の光学系である。透過測定法では、ＴＨｚ波検出器１５７は、試料を透過したＴＨｚ波を検出するように構成され、且つ、配置されている。反射測定法の場合には、ＴＨｚ波検出器１５７は、試料を反射したＴＨｚ波を検出するように構成され、且つ、配置されている。例えば、ＴＨｚ波検出器１５７を、試料を反射したＴＨｚ波を検出することができるように、試料に対して、ＴＨｚ波発生器１５１と同一側に配置してもよい。又は、試料を反射したＴＨｚ波をＴＨｚ波検出器１５７に導くための光学系を設けてもよい。
【００２８】
本例では、ＴＨｚ波光学系１５０に、ＴＨｚ波投光用光学系１５３とＴＨｚ波受光用光学系１５４を設けるため、接合ウェーハ２００の局所的な接合部の接合強度を検査することができる。
【００２９】
フェムト秒レーザ（超短パルスレーザ）１０６とＴＨｚ波発生器１５１の間には、フェムト秒レーザ光路として光ファイバ１３２が設けられている。フェムト秒レーザ（超短パルスレーザ）１０６と時間遅延ステージ１１２の間には、フェムト秒レーザ光路として光ファイバ１３４が設けられている。ＴＨｚ波検出器１５７と時間遅延ステージ１１２の間にはフェムト秒レーザ光路として光ファイバ１３６が設けられている。本例では、フェムト秒レーザ光を、光ファイバを介して伝播させる。そのため、空間を介して伝播させる場合と比較して、フェムト秒レーザの光学系のアライメントを簡略化することができると同時に、装置を小型化することができる。
【００３０】
試料室１０１に、単一のＴＨｚ波光学系１５０が設けられてもよいが、試料室１０１のスペースの許す限り複数のＴＨｚ波光学系が設けられてよい。複数のＴＨｚ波光学系を設けることにより、接合ウェーハ２００の全面をＴＨｚ波の照射によってスキャンする場合の測定時間が短縮化される。
【００３１】
試料ステージ１６０は、チャック機構１６１、回転機構１６２、昇降機構１６３、及び、水平機構１６４を有し、試料ステージコントローラ１２２又はシステムコントローラ１０４により制御される。チャック機構１６１は、接合ウェーハ２００を載置及び固定するように構成され、接合ウェーハ２００の裏面を差圧によって吸着する吸着方式、接合ウェーハ２００のエッジを挟む把持機構方式等が用いられてよい。回転機構１６２は、チャック機構１６１上の接合ウェーハ２００を回転移動させる。昇降機構１６３は、チャック機構１６１上の接合ウェーハ２００を上下方向に沿って昇降移動させる。水平機構１６４は、チャック機構１６１上の接合ウェーハ２００を水平方向に沿って平面移動させる。これらの機構によって接合ウェーハ２００の位置決めがなされる。即ち、接合ウェーハ２００上のＴＨｚ波の照射位置を試料室１０１内の任意の位置に配置される。
【００３２】
接合ウェーハ２００の全面をＴＨｚ波の照射によってスキャンする場合、接合ウェーハ２００をＴＨｚ波の光学系に対して迅速に移動させる必要がある。本例では、接合ウェーハ２００の全面をＴＨｚ波の照射によってスキャンする場合、接合ウェーハ２００を回転機構１６２によって回転させながら、水平機構１６４によって水平方向に直線移動させることができる。本例では、試料ステージ１６０に水平機構１６４と回転機構１６２が設けられているため、水平機構１６４のみが設けられている場合と比較して、接合ウェーハ２００をＴＨｚ波の光学系に対してより迅速に移動させることができる。そのため、ＴＨｚ波のサンプリング時間の許す範囲で高速にスキャンすることができる。
【００３３】
本発明によると、接合ウェーハ２００は、チャック機構１６１の装着部以外に、何も接触していない。従って、ウェーハ接合強度検査装置１００によって接合ウェーハ２００の接合強度を測定する間に、接合ウェーハ２００が変形したり破壊することはない。
【００３４】
試料室１０１には、更に、試料室内調整管理機器端末１７２、及び、試料室開閉機構１７４が設けられている。試料室１０１は、真空チャンバーのような密封構造を有する。試料室１０１の内部空間は、試料室調整管理機器１２４、又は、外部装置により、真空状態、窒素充填状態（窒素パージ）又は乾燥空気充填状態（ドライエアーパージ）の雰囲気に保持される。試料室１０１内に接合ウェーハ２００を搬入するとき、又は、試料室１０１内より接合ウェーハ２００を搬出するときには、試料室開閉機構１７４が開かれる。接合ウェーハ２００の搬入又は搬出が終わると、試料室開閉機構１７４が閉じられる。
【００３５】
試料室内調整管理機器端末１７２は、圧力センサ、温度計、湿度計等の試料室１０１の内部の雰囲気を測定するセンサ類と、ヒータ、電子冷却器等の試料室１０１の内部の雰囲気を調整する調整機器を有する。これらのセンサ類及び調整機器は、試料室１０１の外部に設置された、試料室調整管理機器１２４によって監視および制御され、更に、システムコントローラ１０４によって監視及び制御される。例えば、センサ類によって測定されたデータは、信号経路１３０を介してシステムコントローラ１０４に送られる。これらのデータは、ＰＣ１０２またはモニタなどに表示される。ＰＣ１０２を介してシステムコントローラ１０４に送られた命令は試料室調整管理機器１２４に送られる。試料室調整管理機器１２４からの制御信号は、試料室内調整管理機器端末１７２に送られる。
【００３６】
試料室内調整管理機器端末１７２、及び、試料室調整管理機器１２４を設けることによって、試料室１０１の内部空間は、所望の雰囲気に保持される。即ち、水蒸気や温度変化などの外乱を除去することができるから、ＴＨｚ波が安定化する。
【００３７】
次に、本発明のウェーハ接合強度検査装置１００の動作を説明する。フェムト秒レーザ１０６によって発振されたレーザ光は、ビームスプリッタ１０８により、ポンプ光１３２ａとプローブ光１３４ａに分岐され、光ファイバ１３２、１３４をそれぞれ伝播する。
【００３８】
ポンプ光１３２ａは、ＴＨｚ波発生のための励起光としてＴＨｚ波発生器１５１内に導かれる。即ち、ポンプ光１３２ａは、集光レンズ１５１ａにより集光され、ＴＨｚ波発生素子１５１ｂに照射される。ＴＨｚ波発生素子１５１ｂによってＴＨｚ波が発生する。ＴＨｚ波発生素子１５１ｂには、変調機能付きバイアス電源１１０からの変調したバイアス電圧が印加される。尚、バイアス電圧の変調を行う代わりに、光チョッパを設けることによって、ＴＨｚ波又はフェムト秒レーザのポンプ光１３２ａの変調を行ってもよい。ＴＨｚ波発生素子１５１ｂは、所定の周波数帯域幅を有する白色パルス波を生成する。この周波数幅は、ＴＨｚ波発生素子１５１ｂに依存する。
【００３９】
ＴＨｚ波発生素子１５１ｂから発生したＴＨｚ波は、レンズ１５１ｃを介し放射され、ＴＨｚ波投光用光学系１５３により集光され、接合ウェーハ２００に入射する。接合ウェーハ２００を透過したＴＨｚ波は、ＴＨｚ波受光用光学系１５４により集光され、ＴＨｚ波検出器１５７に入射する。ＴＨｚ波検出器１５７に入射したＴＨｚ波は、レンズ１５７ｃを経由して、ＴＨｚ波検出素子１５７ｂに入射する。
【００４０】
一方、プローブ光１３４ａは、光ファイバ１３４を経由して、時間遅延ステージ１１２に導かれる。時間遅延ステージ１１２の機能は後に説明する。時間遅延ステージ１１２からのプローブ光１３６ａは、光ファイバ１３６を伝播する。プローブ光１３６ａは、ＴＨｚ波検出のための励起光として、ＴＨｚ波検出器１５７へ導かれる。プローブ光１３６ａは、ポンプ光１３２ａと同様に、集光レンズ１５７ａによって集光され、ＴＨｚ波検出素子１５７ｂへ照射される。
【００４１】
こうして、ＴＨｚ波検出素子１５７ｂの一方の面には、ポンプ光１３２ａによって生成されたＴＨｚ白色パルス波の各パルスが所定の周期にて繰り返し到達する。ＴＨｚ波検出素子１５７ｂの反対側の面には、フェムト秒レーザ１０６からのプローブ光１３６ａの各パルスが所定の周期にて繰り返し到達する。ＴＨｚ波検出素子１５７ｂは、プローブ光１３６ａが照射された時のみ動作する。即ち、ＴＨｚ波検出素子１５７ｂに到達したＴＨｚパルス波は、プローブ光１３６ａによってサンプリングされる。
【００４２】
ＴＨｚパルス波の各パルスに対して、プローブ光１３６ａの１パルスによってサンプリングされる。ＴＨｚパルス波の各パルスに対するサンプリング点の位相は、プローブ光１３６ａの１パルスがＴＨｚ波検出素子１５７ｂに到達する時点に対応する。
【００４３】
プローブ光１３６ａの光路に可動ミラー１１４を備えた時間遅延ステージ１１２が設けられている。ポンプ光１３２ａの光路の長さは一定であるが、プローブ光１３６ａの光路の長さは可動である。
【００４４】
ポンプ光１３２ａの光路とプローブ光１３６ａの光路の間に光路差が存在する場合には、ポンプ光１３２ａがＴＨｚ波検出素子１５７ｂに到達する時点と、プローブ光１３６ａがＴＨｚ波検出素子１５７ｂに到達する時点の間に差が生じる。即ち、時間遅延が生じる。時間遅延ステージ１１２にて、可動ミラー１１４が所定の位置に固定されている場合には、時間遅延は一定である。この場合には、ＴＨｚパルス波の各パルスに対してサンプリング点の位相は同一となる。例えば、ポンプ光１３２ａの光路とプローブ光１３６ａの光路が同一長さとなるように、時間遅延ステージ１１２の可動ミラー１１４の位置を固定した場合には、ＴＨｚパルス波の各パルスのピーク値、即ち、極大又は極小値、がサンプリング点となる。これについては後に詳細に説明する。
【００４５】
時間遅延ステージ１１２にて、可動ミラー１１４を連続的に直進移動１１６させることにより、ポンプ光１３２ａとプローブ光１３６ａの間の光路差が連続的に変化する。即ち、時間遅延は連続的に変化する。この場合には、ＴＨｚパルス波の各パルスに対してサンプリング点の位相は、連続的に変化する。従って、ＴＨｚパルス波の各パルスに対してサンプリング点の位相が互いに異なる複数のデータが得られる。このデータをプロットすることにより、ＴＨｚパルス波の各パルスを表す時間波形が得られる。
【００４６】
ＴＨｚ波検出素子１５７ｂは、プローブ光１３６ａが照射されると、ＴＨｚ波の振動電場に比例した検出電流を生成する。検出電流は、プリアンプ１２０により、増幅され、電圧に変換される。プリアンプ１２０からの増幅電圧信号は、Ｓ／Ｎ比を向上させるために、ロックインアンプ１１８に送られる。ロックインアンプ１１８では、バイアス電源１１０の変調機能又はＴＨｚ波発生器１５１に設けられた光チョッパによる変調信号によって、同期検波を行う。
【００４７】
システムコントローラ１０４は、ロックインアンプ１１８からの検出信号より、ＴＨｚ波の時間波形又はピーク値を得る。即ち、ポンプ光１３２ａの光路とプローブ光１３６ａの光路が同一長さとなるように、時間遅延ステージ１１２の可動ミラー１１４の位置を固定した状態で測定した場合には、ＴＨｚ波のピーク値が得られる。時間遅延ステージ１１２の可動ミラー１１４を連続的に移動させながら測定した場合には、ＴＨｚ波の時間波形、即ち、プロファイルが得られる。
【００４８】
図１７を参照して、本発明のウェーハ接合強度検査装置１００を用いたウェーハ接合強度検査方法を説明する。ステップＳ１０１にて、標準試料についてＴＨｚ波特性データを取得する。作業者は、標準試料として、接合強度が異なる複数の接合ウェーハ２００又は接合部を準備する。本例のウェーハ接合強度検査装置１００により、この標準試料にＴＨｚ波を照射し、ＴＨｚ波の時間波形又はピーク値を測定する。時間波形又はピーク値より、標準試料に対する各種のＴＨｚ波物理特性が得られる。これをＴＨｚ波特性データとして、算出する。
【００４９】
ここにＴＨｚ波特性データには、テラヘルツ波の透過率、反射率、吸収スペクトル、吸光度、偏光状態、位相、複素屈折率、複素誘電率、複素伝導率、散乱強度、散乱範囲等が含まれる。
【００５０】
ステップＳ１０２にて、標準試料について、引張試験機又は他の検査方法により、接合強度を測定する。こうして標準試料について、ＴＨｚ波特性データと接合強度のデータが得られたら、それを、ＰＣ１０２や上位装置などを介して、システムコントローラ１０４のメモリに保存する。
【００５１】
ステップＳ１０３にて、標準試料について、ＴＨｚ波特性データと接合強度の関係を算出する。システムコントローラ１０４は、標準試料について、ＴＨｚ波特性データと接合強度の関係を算出し、記録する。ＴＨｚ波特性データと接合強度の関係は、グラフ、式又は表によって表現されてよい。ＴＨｚ波特性データと接合強度の関係を算出する方法の例は、後に、図８を参照して説明する。
【００５２】
ステップＳ１０４にて、作業者は、本例のウェーハ接合強度検査装置１００により、検査対象の接合ウェーハ２００又は接合部のＴＨｚ波特性データを得る。作業者は、検査対象のＴＨｚ波特性データを、ＰＣ１０２や上位装置などを介して、システムコントローラ１０４に送る。
【００５３】
ステップＳ１０５にて、標準試料について求めた、ＴＨｚ波特性データと接合強度の関係を用いて、検査対象の接合強度を求める。即ち、標準試料について求めた、ＴＨｚ波特性データと接合強度の関係から、検査対象のＴＨｚ波特性データに対応する接合強度を読み取る。
【００５４】
ステップＳ１０６にて、システムコントローラ１０４は、標準試料から得られたＴＨｚ波特性データが正常範囲内にあるか否かを判定する。作業者は、予め、ＰＣ１０２や上位装置などを介して、正常な接合強度に対応するＴＨｚ波特性データの正常範囲を設定し、それをシステムコントローラ１０４に保存する。判定結果は、ＰＣ１０２又は表示装置に表示される。
【００５５】
標準試料と検査対象試料では、材料及び接合方法については、同一であることが好ましいが、構造、寸法等については、必ずしも同一である必要はない。例えば、標準試料の接合部が全面である場合に、検査対象試料の接合部が格子状であってよい。
【００５６】
本発明によると、標準試料について予め求めたＴＨｚ波特性データと接合強度の関係を使用するため、検査対象試料を破壊することなく、検査対象試料の接合強度を求めることができる。即ち、標準試料を破壊することはあるが、検査対象試料を破壊する必要はない。
【００５７】
本発明によると、試料ステージ１６０によって、検査対象試料を支持する。検査対象試料は、試料ステージ１６０による支持部以外は、ウェーハ接合強度検査装置１００の構成部材に接触しない。さらに、検査対象試料をエッチング液等の薬剤に浸漬させる必要がない。従って、検査対象試料を変形又は破壊させることなく、検査対象試料の接合強度を測定することができる。
【００５８】
本発明によると、テラヘルツ時間領域分光法の基本構成を用いて検査対象試料のＴＨｚ波特性を求める。従って、接合界面に間隙が生じているか否かに拘らず、検査対象試料の接合強度を測定することができる。
【００５９】
本発明によると、テラヘルツ時間領域分光法の基本構成を用いて検査対象試料にテラヘルツ波を照射する。従って、検査対象試料の任意の局所領域の接合強度を測定することができる。
【００６０】
図２を参照して、ウェーハレベルチップサイズパッケージング（ウェーハレベルＣＳＰ）の概要について説明する。先ず、封止樹脂層を形成するための封止用ウェーハ２０１とプロセス処理を行ったＭＥＭＳウェーハ２０２を用意する。２つのウェーハ２０１、２０２を接合して、接合ウェーハ２００を作成する。次に、この接合ウェーハ２００をダイシングにより、チップサイズのパッケージ２０３を形成する。これに貫通配線を行う。ウェーハレベルＣＳＰでは、ダイシングを行う前に、即ち、ウェーハの段階で、外部端子や封止樹脂層を形成する。
【００６１】
図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃ及び図３Ｄを参照して、２つのＳｉウェーハ３０１、３０２の直接接合の原理を説明する。直接接合では、２つのＳｉウェーハ３０１、３０２を、親水化処理と熱処理（加熱）により接合する。図３Ａは、接合前の状態Ｓ０を示す。水と化学薬品によりＳｉウェーハ３０１、３０２の表面をわずかに酸化させ、薄い酸化膜３０１ａ、３０２ａを形成する。更に、表面処理（親水化処理）を行い、酸化膜３０１ａ、３０２ａの表面に多数の水酸基（ＯＨ基）３１１を付着させる。
【００６２】
図３Ｂに示す第１接合状態Ｓ１は、常温で接合した直後の状態か、又は、低温の加熱処理を行った状態を示す。親水化処理を施した２つのウェーハ３０１、３０２の表面同士を、常温で又は低温加熱処理により、接合させる。それによって、酸化膜３０１ａ、３０２ａの表面とＯＨ基間で水素結合３１２が生成する。
【００６３】
図３Ｃに示す第２接合状態Ｓ２は、中温の加熱処理を行った状態を示す。中温の加熱処理を行うと、脱水縮合反応３１３が進行し、接合強度が増大する。
【００６４】
図３Ｄに示す第３接合状態Ｓ３は、高温の加熱処理を行った状態を示す。高温の加熱処理を行うと、更に、脱水縮合反応３１３が進行し、酸素（Ｏ）はＳｉと結合３１４し、接合強度はＳｉ自体（共有結合）の強度となる。
【００６５】
図４に、標準試料の接合ウェーハ２００について求めた熱処理温度と引張強度の間の関係を表す曲線４０１を示す。縦軸は引張試験機を用いて測定した引張強度（ＭＰａ）である。横軸は熱処理温度（℃）である。複数の接合ウェーハ２００を用意し、それを直接接合によって接合し、図３Ｂ、図３Ｃ及び図３Ｄを参照して説明した第１、第２及び第３接合状態となるように、それぞれ熱処理を施した。これらの接合ウェーハ２００の引張強度を、引張試験機によって測定した。第１接合状態Ｓ１（熱処理温度がＴ１より小さい。）では引張強度が弱いが、第２接合状態Ｓ２（熱処理温度がＴ１以上且つＴ２以下。）では引張強度が強くなる。更に、第３接合状態Ｓ３（熱処理温度がＴ２より大きい。）では、引張強度がより強くなり、母材Ｓｉの接合強度Ｐ２と同程度となる。熱処理温度を高くすることによって接合強度は大きくなることが示されている。
【００６６】
図５に、標準試料の接合ウェーハ２００について求めた電場強度の時間波形（振動電場の波形）を表す曲線を示す。縦軸は電場強度（任意単位ａ．ｕ）、横軸は時間（ピコ秒）である。複数の接合ウェーハ２００を用意し、図３Ｂ及び図３Ｄを参照して説明した第１及び第３接合状態となるように、それぞれ熱処理を施した。これらの接合ウェーハ２００に対して、本発明によるウェーハ接合強度検査装置により所定の周波数帯域のＴＨｚ波を透過させて、電場強度を測定した。電場強度は、各接合ウェーハ２００の任意の複数点における平均値である。
【００６７】
本例の測定実験では、電場強度の時間波形を得るために、時間遅延ステージ１１２の可動ミラー１１４を連続的に移動させて、電場強度を測定した。
【００６８】
破線の曲線５０１は、第１接合状態Ｓ１の接合ウェーハ２００の測定結果を示す。実線の曲線５０２は、第３接合状態Ｓ３の接合ウェーハ２００の測定結果を示す。時点ｔ１にて、ポンプ光とプローブ光の光路長が一致し、ＴＨｚ波の強度がピーク、即ち、極大又は極小となり、各電場強度はピーク値となる。ＴＨｚ波は、水素結合などによる分子間相互作用などに相当するエネルギーを有する。ＴＨｚ波を接合ウェーハ２００に照射すると、水素結合やＯＨ基に吸収される。従って、第１接合状態Ｓ１の接合ウェーハ２００より得られた時間波形５０１のピーク値Ｅ１は、第３接合状態の接合ウェーハ２００より得られた時間波形５０２のピーク値Ｅ２より小さい。
【００６９】
図６は、図５に示す電場強度の時間波形をフーリエ変換して得たパワースペクトルを表す曲線である。縦軸は振幅（任意単位ａ．ｕ）、横軸は周波数（ＴＨｚ）である。破線の曲線６０１は、第１接合状態Ｓ１の接合ウェーハ２００より得られた時間波形５０１（図５）をフーリエ変換して得たパワースペクトルを示す。実線の曲線６０２は、第３接合状態Ｓ３の接合ウェーハ２００より得られた時間波形５０２（図５）をフーリエ変換して得たパワースペクトルを示す。
【００７０】
図示のように、第１接合状態の接合ウェーハ２００より得られたパワースペクトル６０１は、第３接合状態の接合ウェーハ２００より得られたパワースペクトル６０２と比較して、各周波数帯域にてブロードな吸収がある。
【００７１】
図７に、標準試料の接合ウェーハ２００について求めた、熱処理温度とＴＨｚ波透過率の間の関係を表す曲線７０１を示す。縦軸はＴＨｚ波透過率（％）、横軸は熱処理温度（℃）である。複数の接合ウェーハ２００を用意し、図３Ｂ、図３Ｃ及び図３Ｄを参照して説明した第１、第２及び第３接合状態となるように、それぞれ熱処理を施した。これらの接合ウェーハ２００に対して、本発明によるウェーハ接合強度検査装置によりＴＨｚ波を透過させて、ＴＨｚ波透過率を測定した。尚、透過率は、接合ウェーハ２００を透過したＴＨｚ波の電場強度の基準値に対する、各接合ウェーハ２００より得られたＴＨｚ波の電場強度の測定値の相対値（％）である。基準値は、試料無しの場合の測定値、又は、接合ウェーハと同一の厚さの同一材料の非接合ウェーハの場合の測定値であってよい。更に、この測定実験では、時間遅延ステージ１１２の可動ミラー１１４を、ポンプ光１３２ａとプローブ光１３６ａの光路長が一致する位置に固定した状態で、電場強度を測定した。従って、電場強度の極大値又は極小値を求めた。例えば、図５の曲線で示す時点ｔ１における時間波形のピーク値Ｅ１、Ｅ２を用いて、基準値に対する測定値の比をそれぞれ算出することにより透過率を求めた。
【００７２】
図示のように、第１接合状態Ｓ１（熱処理温度がＴ１より小さい。）では、ＴＨｚ波の透過率が低く、第２接合状態Ｓ２（熱処理温度がＴ１以上且つＴ２以下。）では、ＴＨｚ波の透過率が少し高く、第３接合状態Ｓ３（熱処理温度がＴ２より大きい。）では、ＴＨｚ波の透過率がより高く、母材（Ｓｉ）のＴＨｚ波透過率ＴＲ２と同程度である。このように、ＴＨｚ波透過率は接合ウェーハ２００の熱処理温度により変化する。
【００７３】
時間遅延ステージ１１２の可動ミラー１１４を固定した状態で測定する場合には、メカ的な駆動は試料ステージ１６０の動作のみとなる利点がある。更に、電場強度のピーク値のみを得るため、電場強度の時間波形を求める場合と比較して、高速に透過率の演算処理が可能となる。
【００７４】
しかしながら、時間遅延ステージ１１２の可動ミラー１１４を連続的に移動させ、電場強度の時間波形を求めることにより任意の周波数帯域における透過率を求めることができる。例えば、図６に示したＴＨｚ波のスペクトル強度を求めてから、任意の周波数における基準値に対する測定値の比を算出することにより透過率を求めることができる。
【００７５】
図８に、標準試料の接合ウェーハ２００について求めた、ＴＨｚ波透過率と接合強度の間の関係を表す曲線８０１を示す。縦軸は接合強度（Ｍｐａ）、横軸はＴＨｚ波透過率（％）である。尚、縦軸の接合強度（Ｍｐａ）は、引張試験よって測定された引張強度である。即ち、引張強度を接合強度とみなした。実線の曲線８０１は、図４の熱処理温度と引張強度の間の関係と、図７の熱処理温度とＴＨｚ波透過率の間の関係から、得た。
【００７６】
この曲線８０１から、ＴＨｚ波透過率を変数とする接合強度の関数を表す式を近似的に求めることができる。図２を参照して説明したウェーハレベルチップサイズパッケージングでは、熱処理温度が低いほうが好ましい。そのため、接合ウェーハ２００の全面を第３接合状態Ｓ３になるような高温（図４の熱処理温度Ｔ２）に加熱しない場合がある。このような場合でも、曲線８０１を表す式を作成することにより、接合ウェーハ２００の局所的な部位の接合強度が得られる。例えば、ＴＨｚ波の透過率がＴＲ３のときの接合強度Ｐ３は、図８の曲線上で求められる。こうして、接合ウェーハの局所的な部位の接合強度が得られるから、製造工程において、接合部の信頼性の確保が期待できる。
【００７７】
曲線８０１の精度は、図４の引張試験と図７のＴＨｚ波透過率の測定試験の実験精度に依存する。そのため、標準試料である接合ウェーハの数は、統計的に十分な大きさであることが好ましい。標準試料は、接合ウェーハ２００の一部であってよいが、間隙（ボイド）のないものが望ましい。図４及び図７の曲線に示すように、第２接合状態Ｓ２では、引張試験及びＴＨｚ波透過率の変動が大きい。このような場合には、接合ウェーハの接合強度は、局所的な部位毎に異なる。従って、複数の測定回数又は複数の測定部位から複数のＴＨｚ波特性データを求め、それらの平均値を算出する等の統計処理が必要となる。
【００７８】
本例では、直接接合によって接合した標準試料について、テラヘルツ波の透過率を測定した場合を説明した。こうして求めた標準試料の透過率より、ウェーハレベルチップサイズパッケージングによる接合ウェーハ２００について、水素結合及びＯＨ基のＴＨｚ波の吸収や位相変化、共有結合との相違、等を検出することができる。例えば、水素結合及びＯＨ基が存在すると、特定の周波数領域のＴＨｚパルス波に対して、鋭いピーク（スペクトルピーク）が得られることが知られている。
【００７９】
しかしながら、他の接合方法によって接合された接合ウェーハの場合には、ＴＨｚ波特性データとして、テラヘルツ波の透過率以外のパラメータを測定してもよい。ＴＨｚ波特性データとして、テラヘルツ波の反射率、吸収スペクトル、吸光度、偏光状態、位相、複素屈折率、複素誘電率、複素伝導率、散乱強度、散乱範囲、の少なくとも１つ以上選定し、これらのデータの統計処理により曲線８０１又はその関係式を求めてもよい。更に、接合方法や材料に最適なＴＨｚ波光学系を設計することが好ましい。
【００８０】
ここでは、引張試験機を用いて引張強度（ＭＰａ）を測定し、それを接合強度とする例を説明した。しかしながら、他の接合強度測定方法によって接合強度を算出してもよく、例えば、特許文献３のようなエッチング液による接合強度測定結果から算出してもよい。
【００８１】
図４から図８は標準試料の接合ウェーハ２００について求めた結果である。但し、図５及び図６の曲線と同様な曲線は、検査対象の試料の接合ウェーハ２００についても得られる。
【００８２】
図９Ａを参照して、試料を透過したＴＨｚ波を検出する透過測定法を説明する。接合ウェーハ９００は、ＴＨｚ波を透過させることができる互いに異なる２種の材料からなるウェーハ９０１、９０２を接合することによって形成した。ＴＨｚ波は、ＴＨｚ帯域の屈折率に大きな差がある境界面にて反射する。２つのウェーハ９０１、９０２の材料の間で、ＴＨｚ帯域の屈折率に大きな差がある場合には、ＴＨｚ波は、その境界面９０３で反射する。第１のウェーハ９０１とその上側の空間の間の境界面９０４でも、ＴＨｚ帯域の屈折率に大きな差がある。第２のウェーハ９０２とその下側の空間の間の境界面９０５でも、ＴＨｚ帯域の屈折率に大きな差がある。これらの境界面９０４、９０５でも、ＴＨｚ波は反射する。接合ウェーハ９００の上側及び下側の空間は、例えば、試料室１０１内の雰囲気である。
【００８３】
本例では、ＴＨｚ波を、上側の境界面９０４から入射させる。ＴＨｚ波は、境界面９０４、９０３及び９０５を、それぞれ透過、又は、反射して、下側の境界面９０５から放射する。
【００８４】
光路Ｌ１は、ＴＨｚ波が境界面で反射しないで、そのまま接合ウェーハ９００を透過した場合を示す。光路Ｌ２は、ＴＨｚ波が、境界面９０３で反射し、その反射波が上側の境界面９０４で反射してから、下側の境界面９０３より放射した場合を示す。光路Ｌ３は、ＴＨｚ波が、２つの境界面９０４、９０３を透過し、下側の境界面９０５で反射し、その反射波が境界面９０３で反射してから、下側の境界面９０５より放射した場合を示す。光路Ｌ４は、ＴＨｚ波が、下側の境界面９０５で反射し、その反射波が上側の境界面９０４で反射してから、下側の境界面９０５より放射した場合を示す。
【００８５】
尚、境界面９０３は十分薄いので、例えば上側から境界面９０３に入射し、境界面９０３の上面を反射したＴＨｚ波の光路と、上側から境界面９０３に入射し、境界面９０３の下面を反射したＴＨｚ波の光路は、互いに重なり合って描かれている。
【００８６】
図９Ｂに、透過測定法によって得られたＴＨｚ波の電場強度の時間波形９１０を示す。時点ｔ１における電場強度のピーク９１１は、図９Ａの光路Ｌ１を通ったＴＨｚ波に対応する。時点ｔ２における電場強度のピーク９１２は、図９Ａの光路Ｌ２を通ったＴＨｚ波に対応する。時点ｔ３における電場強度のピーク９１３は、図９Ａの光路Ｌ３を通ったＴＨｚ波に対応する。時点ｔ４における電場強度のピーク９１４は、図９Ａの光路Ｌ４を通ったＴＨｚ波に対応する。
【００８７】
２つのウェーハ９０１、９０２の材料の間で、ＴＨｚ帯域の屈折率に大きな差がある場合には、複数の光路Ｌ１〜Ｌ４が生成される。これらの光路Ｌ１〜Ｌ４の間では、実質的に、光路差が存在する。従って、光路差に対応して、ピーク９１１〜９１４が現れる時点ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４が異なる。更に、これらのピーク９１１〜９１４の波形の振幅及び形状は互いに異なる。例えば、ピーク９１４の波形はピーク９１１の波形に対して反転している。
【００８８】
時間遅延ステージ１１２の可動ミラー１１４を固定する場合には、ＴＨｚ波の電場強度の極大値又は極小値のみが求められる。透過率を求めるには、極大値又は極小値を用いて、基準値に対する測定値の相対値（％）を算出する。ここに極大値又は極小値は、最大のピーク９１１であってよいが、他のピーク値９１２〜９１４であってもよい。
【００８９】
２つのウェーハ９０１、９０２の材料が同一であり且つ両者の厚さが同一の場合には、２つの光路Ｌ２、Ｌ３を伝播するＴＨｚ波による時間波形のピーク９１２、９１３は重なり合う。従って、その時点に、時間遅延ステージ１１２の可動ミラー１１４の位置を固定することにより、接合面に焦点を合わせることができる。この場合には、接合部の状態を敏感に検出することができる。
【００９０】
接合前のウェーハの形状や厚さが不均一な場合にも、ＴＨｚ波の電場強度の波形の振幅及び形状が不規則に変動する。特に、屈折率の高い材料の場合には、接合部における屈折率の差に起因した波形の乱れより、接合前のウェーハの厚さのばらつきに起因した波形の乱れのほうが大きい。この場合には、最大のピーク９１１を探すのが困難である。そこで、時間遅延ステージ１１２の可動ミラー１１４を小距離ずつ移動させながら電場強度を測定し、電場強度のピーク値を探すとよい。
【００９１】
時間遅延ステージ１１２の可動ミラー１１４を移動させる場合には、ＴＨｚ波の電場強度の時間波形が得られる。透過率を求めるには、時間波形から得られた極大値又は極小値を用いて、基準値に対する測定値の相対値（％）を算出すればよい。更に、時間波形から、図６に示した周波数スペクトルを求めることができる。従って、周波数領域毎に、透過率を求めることができる。
【００９２】
しかしながら、図９Ｂに示すような不規則な変動成分を含む時間波形９１０をフーリエ変換して周波数スペクトルを求めると、図６のような単調な曲線ではなく、複数の周波数領域にて振幅が変動し、波打つ曲線となる。このような曲線では、波長と試料厚さと屈折率の差に起因する干渉成分を除去する必要がある。こうして干渉成分を除去してから、任意の周波数における基準値に対する測定値の比を算出することにより任意の周波数における透過率を求めることができる。
【００９３】
図１０Ａを参照して、試料を反射したＴＨｚ波を検出する反射測定法を説明する。本例の接合ウェーハ１０００は、ＴＨｚ波を透過させることができる材料からなるウェーハ１００１とＴＨｚ波を透過させることができない材料、例えば、金属からなるウェーハ１００２を接合することによって形成した。
【００９４】
本例では、ＴＨｚ波を、上側の境界面１００４から入射させる。ＴＨｚ波は、上側の境界面１００４に対して所定の入射角度により入射する。入射したＴＨｚ波は、境界面１００４、及び、１００３を、それぞれ、反射して、上側の境界面１００４から放射する。
【００９５】
光路Ｌ１１は、ＴＨｚ波が、上側の境界面１００４で反射し、その反射波がそのまま、入射側に放射した場合を示す。光路Ｌ１２は、ＴＨｚ波が、上側の境界面１００４で屈折して入射し、境界面１００３で反射し、その反射波が上側の境界面１００４で屈折して、入射側に放射した場合を示す。光路Ｌ１３は、ＴＨｚ波が、上側の境界面１００４で屈折して入射し、境界面１００３で反射し、その反射波が上側の境界面１００４で反射し、その反射波が再び境界面１００３で反射し、その反射波が上側の境界面１００４で屈折して、入射側に放射した場合を示す。
【００９６】
図１０Ｂに、反射測定法によって得られたＴＨｚ波の電場強度の時間波形１０１０を示す。時点ｔ１１における電場強度のピーク１０１１は、図１０Ａの光路Ｌ１１を通ったＴＨｚ波に対応する。時点ｔ１２における電場強度のピーク１０１２は、図１０Ａの光路Ｌ１２を通ったＴＨｚ波に対応する。時点ｔ１３における電場強度のピーク１０１３は、図１０Ａの光路Ｌ１３を通ったＴＨｚ波に対応する。
【００９７】
図１０Ｂの時点ｔ１１における時間波形のピーク値１０１１を用いて、ＴＨｚ波特性データを求めても、接合部の状態を検出することはできないが、例えば、反射率等の基準値を得ることはできる。図１０Ｂの時点ｔ１２、ｔ１３における時間波形のピーク値１０１２、１０１３を用いて、ＴＨｚ波特性データを求めることにより、接合部の状態を検出することができる。例えば、その時点ｔ１２、ｔ１３に、時間遅延ステージ１１２の可動ミラー１１４の位置を固定することにより、接合面に焦点を合わせることができる。この場合には、接合部の状態を敏感に検出することができる。
【００９８】
図１１に、試料を反射したＴＨｚ波を検出する高速化反射測定法の他の例を説明する。本例の接合ウェーハ１１００は、ＴＨｚ波を透過させることができる材料からなるウェーハ１１０１とＴＨｚ波を透過させることができない材料からなるウェーハ１１０２を接合することによって形成した。更に、接合ウェーハ１１０１の上面にミラー１１０６を配置した。
【００９９】
本例では、ＴＨｚ波を、上側の境界面１１０４から入射させる。ＴＨｚ波は、境界面１１０３、及び、ミラー１１０６を、順に反射してから放射する。
【０１００】
光路Ｌ１５は、ＴＨｚ波が、上側の境界面１１０４で屈折して入射し、境界面１１０３とミラー１１０６を次々に反射し、入射側と反対側に放射した場合を示す。本例では、接合ウェーハ１１００の端部にて、ＴＨｚ波を検出し、接合部１１０３の状態を検出することができる。
【０１０１】
図１２を参照して、高速化反射測定法による測定結果の例を説明する。図１２は、接合ウェーハ２００を上から見た状態を模式的に示す。ここでは、図１１に示したＴＨｚ波光学系を用いて、高速化反射測定法により、接合ウェーハ２００の接合強度を求めた。ＭＥＭＳウェーハや三次元積層デバイスなどでは、接合部が全面ではなく格子状になる場合が多い。そこで、接合ウェーハ２００の全面をスキャンするよりも、格子状の領域のみをスキャンするほうが、接合強度の検査の時間を短縮することができる。第１の光路Ｌｘは、ｘｚ平面に沿って入射し、放射したＴＨｚ波の光路を上から見た状態を示す。第２の光路Ｌｙは、ｙｚ平面に沿って入射し、放射したＴＨｚ波の光路を上から見た状態を示す。
【０１０２】
矢印は、ＴＨｚ波の方向を示す。接合ウェーハ２００に入射したＴＨｚ波は、矢印に沿って、接合面とミラーを順に、複数回反射してから放射する。接合ウェーハ２００上の第１及び第２の光路Ｌｘ、Ｌｙに沿って、接合強度の測定結果が得られる。矢印の先端の○印は、測定結果が予め設定した接合強度の正常範囲にあることを示す。矢印の先端の×印は、測定結果が予め設定した接合強度の正常範囲にないことを示す。例えば、第１の光路Ｌｘに沿った測定結果１２０１と、第２の光路Ｌｙに沿った測定結果１２０２は、共に、正常範囲にない。従って、この２つの光路の交点の部位１２０３の接合強度が正常範囲にない。そこで、この部位１２０３の接合状態を詳細に調べる必要がある。時間遅延ステージ１１２の可動ミラー１１４の位置を移動させながら、即ち、時間波形のピークを含む波形プロファイルを求めることにより、この部位１２０３の接合強度が弱いことを確認することができる。
【０１０３】
本例では、ＴＨｚ波は、接合ウェーハ２００の接合面とその上に配置されたミラーを、複数回反射するため、ＴＨｚ波検出器１５７に到達するＴＨｚ波は減衰する。そのため、ＴＨｚ波検出器１５７による検出精度が低下する。更に、ＴＨｚ波を検出して得られた情報は、各反射点における情報を平均化したものである。そこで、接合面とミラーにおけるＴＨｚ波の反射回数が減少するような工夫を行ってよい。例えば、接合ウェーハ２００の一方の縁から他方の縁までの光路ではなく、その半分の光路に沿って、測定する。それによって、接合ウェーハ２００の半分ずつ、測定される。更に、ＴＨｚ波の入射角度を小さくしたり、ミラーの寸法を小さくすることによっても、反射回数が減少する。
【０１０４】
図１３に、検査対象の接合ウェーハ２００の接合強度の測定結果の例を示す。本例の測定実験では、ＴＨｚ波の電場強度が基準測定時にピーク値となるように遅延ユニット１１２の可動ミラー１１４の位置を固定した。試料ステージ１６０に載置された接合ウェーハ２００の全面をＴＨｚ波の照射によってスキャンすることにより透過率を求めた。こうして得られたＴＨｚ波の透過率に対応する接合強度を、予め求めた図８に示す曲線８０１から算出した。こうして得られた、接合強度の分布を等高線で示した。領域１３０１では接合強度が強く、領域１３０２では接合強度が少し弱く、領域１３０３では接合強度が弱い、ことが示されている。
【０１０５】
尚、接合強度が正常な領域と正常でない領域を、異なる色で表示してもよい。例えば、接合強度が正常でない領域を赤色等により表示してもよい。こうして、接合強度が正常であるか否かを色別することにより、作業者は、接合ウェーハ２００のどの領域の接合強度が正常であるか、どの領域の接合強度が正常でないのかを容易に認識することができる。更に、上位装置によって、接合強度の正常又は非正常を認識しやすいように表示してもよい。
【０１０６】
接合強度を測定する場合には、上述のように、時間遅延ステージ１１２の可動ミラー１１４を所定の位置に固定した。即ち、電場強度の時間波形のピーク値のみを求め、電場強度の時間波形のプロファイルを求める必要がない。そのため、必ずしもテラヘルツ時間領域分光法（THz-TDS：THz Time-Domain Spectroscopy）の基本構成を用いる必要はない。テラヘルツ時間領域分光法の基本構成で用いるＴＨｚ波発生器１５１及びＴＨｚ波検出器１５７以外の機器により測定してもよい。
【０１０７】
図１４に、図１３に接合強度画像１３００にボイド画像１４０１を重ね合わせた結果を示す。本例のウェーハ接合強度検査装置１００にカメラを設置し、可視光又は近赤外光の照明を用いて、同一の接合ウェーハ２００を撮像することにより、ボイド画像１４０１が得られる。ボイド画像１４０１を図１３に接合強度画像１３００に重ね合わせることにより、接合ウェーハ２００における間隙（ボイド、ギャップ）の分布情報を得ることができる。例えば、ボイド１４０２やボイド１４０３が、接合強度分布の等高線１３００に重ね合わされることにより、接合強度が弱い部位１３０３が、ボイド１４０２周辺に分布していることが確認できる。
【０１０８】
ボイド画像１４０１の代わりに、様々な情報を有する画像を用いてもよい。このような画像は、外部装置による撮影によって得られたものであってもよい。例えばウェーハの厚さや形状などの情報を有する画像であってもよい。こうして、接合強度画像１３００に、様々な情報を有する他の画像を重ね合わせることにより、接合強度分布と他の情報の関係が容易に判る。
【０１０９】
この画像を、ＰＣ１０２又はモニタに表示する場合には、矢印で示すカーソル１４０４を表示する。作業者は、所望の位置、例えば、正常でない部位や、気になる位置にカーソル１４０４を配置し、それをクリックする。それにより、その位置について、ＴＨｚ−ＴＤＳによる時間波形（図５）やスペクトル波形（図６）を測定するか、又は、既に測定してあった結果を表示することができる。図１２、図１３、及び、図１４に示した測定結果はＰＣ１０２や表示部などに表示される。
【０１１０】
本発明によるウェーハ接合強度検査装置及び方法では、ＴＨｚ波特性として、テラヘルツ波の透過率、反射率、吸収スペクトル、吸光度、偏光状態、位相、複素屈折率、複素誘電率、複素伝導率、散乱強度、散乱範囲等が得られる。テラヘルツ波の透過率を求める方法は既に説明した。テラヘルツ波の透過率は、図９Ａに示した透過測定法によって得られる。以下に、他のＴＨｚ波特性を求める方法を説明する。テラヘルツ波の反射率は、図１０Ａ及び図１１等に示した反射測定法によって得られる。テラヘルツ波の反射率は、接合ウェーハ２００を反射したＴＨｚ波の電場強度の基準値に対する、各接合ウェーハ２００より得られたＴＨｚ波の電場強度の測定値の相対値（％）である。基準値は、試料無しの場合の測定値、又は、接合ウェーハと同一の厚さの同一材料の非接合ウェーハの場合の測定値であってよい。
【０１１１】
テラヘルツ波の吸収スペクトルは、基準スペクトルをベースラインとし、各接合ウェーハ２００より得られたスペクトルの比の常用対数をとり、それに正負の符号を付すことにより得られる。基準スペクトルは、試料無しの場合の測定値、又は、接合ウェーハと同一の厚さの同一材料の非接合ウェーハの場合の測定値であってよい。
【０１１２】
テラヘルツ波の吸光度は、透過率と同様に、透過測定法によって得られる。ＴＨｚ波の電場強度の基準値に対する測定値の比の常用対数をとり、それに正負の符号を付すことにより得られる。
【０１１３】
テラヘルツ波の偏光状態は、偏光板を用いることにより測定される。例えばＴＨｚ受光系にワイヤグリットなどの偏光板を実装し、回転させた時の電場強度変化を測定する。それにより、振動方向が規則的な光波の状態を検出することができる。この場合には、接合部の残留応力に起因したＴＨｚ波の偏光状態の変化が検出される。
【０１１４】
テラヘルツ波の位相は、テラヘルツ波の時間的及び空間的な位置を示す無次元量である。時間波形及び空間波形におけるピークの位置又はパルス幅等により測定することができる。
【０１１５】
テラヘルツ波の複素屈折率は、基準値及び測定値の時間波形、振幅スペクトルから求められる。但し、時間波形は図５Ａに示すように単一の波形からなり、図９Ｂに示すような反射波を含まないものとする。複素屈折率は、次の式によって表される。
【０１１６】
【数１】
【０１１７】
ここで、ω：各周波数、n：屈折率、k：波数である。この式の各項は、次の振幅透過率t(ω)から求めることができる。
【０１１８】
【数２】
【０１１９】
ここで、Ｅ：電界（電場強度）、d：試料の厚さ、c：光速、ω：各周波数、添字sam、refは測定値、基準値（試料の有無）を表す。数２の式は一般に陽には解けない。そこで、複素屈折率の実数成分と虚数成分の初期値を設定し、実数成分が収束するまで差分計算する。即ち、適当な式変形を行い逐次的に複素屈折率を求める。
【０１２０】
複素誘電率は次の式３によって表され、複素伝導率は次の式４によって表される。
【０１２１】
【数３】
【０１２２】
【数４】
【０１２３】
これらの式の各項は次の関係式から得られる。
【０１２４】
【数５】
ただしε∞は十分に高周波での試料の誘電率、ε0は真空誘電率である。
【０１２５】
図１５Ａを参照して、透過測定法においてテラヘルツ波の散乱光のみを検出する方法の例を説明する。本例のＴＨｚ波受光用光学系１５４は、遮光拡散板１５４Ａと、それを囲むように配置されたミラー１５４Ｂを有する。ミラー１５４Ｂは、放物面ミラー、ウィンストンコーンミラー等により構成され、中心孔を有する。遮光拡散板１５４Ａとミラー１５４Ｂの中心孔は、ＴＨｚ波検出器１５７の光軸に沿って配置されている。ＴＨｚ波発生器１５１からのＴＨｚ波１４１は、接合ウェーハ２００に照射される。透過散乱光１４３以外の透過光１４２は、遮光拡散板１５４Ａによって遮られ、ＴＨｚ波検出器１５７に到達することが阻止される。透過散乱光１４３は、ミラー１５４Ｂを反射し、ＴＨｚ波検出器１５７に到達する。透過散乱光１４３のうち、遮光拡散板１５４Ａの外側を反射したＴＨｚ波は、再度、ミラー１５４Ｂを反射し、ＴＨｚ波検出器１５７に到達する。本例では、ＴＨｚ波検出器１５７は透過散乱光のみを検出する。本例では、透過散乱光の強度の影響は、透過率の変化として検出される。ＴＨｚ波特性として、透過散乱光を検出することができる。
【０１２６】
図１５Ｂを参照して、透過測定法においてテラヘルツ波の散乱光以外の透過光を検出する方法の他の例を説明する。本例のＴＨｚ波受光用光学系１５４は、アイリス１５４Ｃを有する。アイリス１５４Ｃの中心孔は、ＴＨｚ波検出器１５７の光軸に沿って配置されている。ＴＨｚ波発生器１５１からのＴＨｚ波１４１は、接合ウェーハ２００に照射される。透過散乱光１４３以外の透過光１４２は、アイリス１５４Ｃの中心孔を経由して、ＴＨｚ波検出器１５７に到達する。透過散乱光１４３は、アイリス１５４Ｃによって遮られ、ＴＨｚ波検出器１５７に到達することが阻止される。本例では、ＴＨｚ波検出器１５７は透過散乱光以外の透過光を検出する。本例では、透過散乱光の強度の影響を受けることなく透過率を検出することができる。
【０１２７】
図１６Ａを参照して、反射測定法においてテラヘルツ波の散乱光のみを検出する方法の例を説明する。本例のＴＨｚ波受光用光学系１５４は、遮光拡散板１５４Ａと、それを囲むように配置されたミラー１５４Ｂを有する。ミラー１５４Ｂは、放物面ミラー、ウィンストンコーンミラー等により構成され、中心孔を有する。遮光拡散板１５４Ａとミラー１５４Ｂの中心孔は、ＴＨｚ波検出器１５７の光軸に沿って配置されている。ＴＨｚ波発生器１５１からのＴＨｚ波１４１は、接合ウェーハ２００に照射される。反射散乱光１４５以外の反射光１４４は、遮光拡散板１５４Ａによって遮られ、ＴＨｚ波検出器１５７に到達することが阻止される。反射散乱光１４５は、ミラー１５４Ｂを反射し、ＴＨｚ波検出器１５７に到達する。反射散乱光１４５のうち、遮光拡散板１５４Ａの外側を反射したＴＨｚ波は、再度、ミラー１５４Ｂを反射し、ＴＨｚ波検出器１５７に到達する。本例では、ＴＨｚ波検出器１５７は反射散乱光のみを検出する。本例では、反射散乱光の強度の影響は、透過率の変化として検出される。ＴＨｚ波特性として、反射散乱光を検出することができる。
【０１２８】
図１６Ｂを参照して、反射測定法においてテラヘルツ波の散乱光以外の反射光を検出する方法の他の例を説明する。本例のＴＨｚ波受光用光学系１５４は、アイリス１５４Ｃを有する。アイリス１５４Ｃの中心孔は、ＴＨｚ波検出器１５７の光軸に沿って配置されている。ＴＨｚ波発生器１５１からのＴＨｚ波１４１は、接合ウェーハ２００に照射される。反射散乱光１４５以外の反射光１４４は、アイリス１５４Ｃの中心孔を経由して、ＴＨｚ波検出器１５７に到達する。反射散乱光１４５は、アイリス１５４Ｃによって遮られ、ＴＨｚ波検出器１５７に到達することが阻止される。本例では、ＴＨｚ波検出器１５７は反射散乱光以外の反射光を検出する。本例では、反射散乱光の強度の影響を受けることなく透過率を検出することができる。
【０１２９】
本発明によるウェーハ接合強度検査装置及び方法は、テラヘルツ時間領域分光法（THz-TDS：THz Time-Domain Spectroscopy）の基本構成、即ち、図１に示したＴＨｚ波光学系１５０によって実現することができる。しかしながら、接合ウェーハ２００の接合強度を検査できるなら、テラヘルツ時間領域分光法の基本構成と同一の構成を用いる必要はない。例えば、フーリエ変換赤外分光光度計（FT-IR：Fourier transform infrared spectrophotometer）など他のＴＨｚ波分光装置の構成を用いてもよい。例えば、ＴＨｚ発生器（光源）は、パラメトリック発振器やＴＨｚ量子カスケードレーザ、後進波管、ガンダイオード、共鳴トンネルダイオード、高圧水銀灯、遠赤外ヒータ、黒体炉などでもよい。ＴＨｚ検出器は、焦電センサ、ボロメータ、ゴーレイセル、ＴＨｚカメラなどでもよい。
【０１３０】
以上本発明の例を説明したが本発明は上述の例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲にて様々な変更が可能であることは、当業者によって容易に理解されよう。
【符号の説明】
【０１３１】
１００：ウェーハ接合強度検査装置、
１０１：試料室、
１０２：ＰＣ、
１０４：システムコントローラ、
１０６：フェムト秒レーザ、
１０８：ビームスプリッタ、
１１０：変調機能付きバイアス電源、
１１２：時間遅延ステージ、
１１４：可動ミラー、
１１６：可動ミラーの動作方向（直進動作）、
１１８：ロックインアンプ、
１２０：プリアンプ、
１２２：試料ステージコントローラ、
１２４：試料室調整管理機器、
１３０：システムコントローラとの電気系接続、
１３２：光ファイバ（フェムト秒レーザ光路）、
１３２ａ：ポンプ光、
１３４：光ファイバ（フェムト秒レーザ光路）、
１３４ａ：プローブ光、
１３６：光ファイバ（フェムト秒レーザ光路）、
１３６ａ：プローブ光、
１３８：ＴＨｚ波光路
１４１：ＴＨｚ波、
１４２：透過光、
１４３：透過散乱光、
１４５：反射散乱光、
１４４：反射光、
１５０：ＴＨｚ波光学系
１５１：ＴＨｚ波発生器、
１５１ａ：集光レンズ、
１５１ｂ：ＴＨｚ波発生素子、
１５１ｃ：レンズ、
１５３：ＴＨｚ波投光用光学系、
１５４：ＴＨｚ波受光用光学系、
１５４Ａ：遮光拡散板、
１５４Ｂ：ミラー、
１５４Ｃ：アイリス、
１５７：ＴＨｚ波検出器、
１５７ａ：集光レンズ、
１５７ｂ：ＴＨｚ波検出素子、
１５７ｃ：レンズ、
１６０：試料ステージ、
１６１：チャック機構、
１６２：回転機構、
１６３：昇降機構、
１６４：水平機構、
１７２：試料室調整管理機器端末、
１７４：試料室開閉機構、
２００：接合ウェーハ、
２０１：封止用ウェーハ、
２０２：ＭＥＭＳウェーハ、
２０３：ＭＥＭＳのチップサイズのパッケージ、
３０１、３０２：Ｓｉウェーハ、
３０１ａ、３０２ａ：Ｓｉウェーハの表面の薄い酸化膜、
３１１：水酸基（ＯＨ基）
３１２：水素結合
３１３：脱水縮合反応、
３１４：ＯとＳｉの結合、
４０１：熱処理温度と引張強度の間の関係を表す曲線、
５０１：第１接合状態（Ｓ１）のウェーハに透過した場合の電場強度の時間波形、
５０２：第３接合状態（Ｓ３）のウェーハに透過した場合の電場強度の時間波形、
６０１：時間波形５０１をフーリエ変換して得たパワースペクトルの波形、
６０２：時間波形５０２をフーリエ変換して得たパワースペクトルの波形、
７０１：熱処理温度とＴＨｚ波透過率の間の関係を表す曲線、
８０１：ＴＨｚ波の透過率と接合強度の関係を表す曲線、
９００：接合ウェーハ
９０１：ＴＨｚ波が透過する材料のウェーハ
９０２：ＴＨｚ波が透過する材料のウェーハ
９０３、９０４、９０５：境界面、
９１０：接合ウェーハを透過したＴＨｚ波の時間波形、
９１１：光路Ｌ１を伝播したＴＨｚ波、
９１２：光路Ｌ２を伝播したＴＨｚ波、
９１３：光路Ｌ３を伝播したＴＨｚ波、
９１４：光路Ｌ４を伝播したＴＨｚ波、
１０００：接合ウェーハ
１００１：ＴＨｚ波が透過する材料のウェーハ
１００２：ＴＨｚ波が反射する材料のウェーハ
１００３，１００４：境界面、
１０１０：接合ウェーハを透過したＴＨｚ波の時間波形、
１０１１：光路Ｌ１１を伝播したＴＨｚ波、
１０１２：光路Ｌ１２を伝播したＴＨｚ波、
１０１３：光路Ｌ１３を伝播したＴＨｚ波、
１１００：接合ウェーハ
１１０１：ＴＨｚ波が透過する材料のウェーハ
１１０２：ＴＨｚ波が反射する材料のウェーハ
１１０３：境界面、
１１０６：ミラー、
１２０１：横ラインの測定結果表示例、
１２０２：縦ラインの測定結果表示例、
１２０３：正常範囲外の接合部位、
１３００：接合強度画像、
１３０１：接合強度の強い部位、
１３０２：接合強度の少し弱い部位、
１３０３：接合強度の弱い部位、
１４０１：近赤外光によるボイド画像、
１４０２：ボイドの例、
１４０３：ボイドの例、
１４０４：接合強度の詳細を確認するための矢印。
Ｓ１：ウェーハの接合直後または低温の加熱処理した状態、
Ｓ２：接合されたウェーハを中温の加熱処理した状態、
Ｓ３：接合されたウェーハを高温の加熱処理した状態、
Ｐ２：母材（Ｓｉ）の接合強度と同じくらいの引張強度、
Ｐ３：透過率ＴＲ３の時の接合強度、
Ｔ２：全面が第３接合状態（Ｓ３）になる熱処理温度、
Ｅ１：時間波形５０１のピーク値、
Ｅ２：時間波形５０２のピーク値、
ｔ１：ポンプ光とプローブ光の光路長が一致しＴＨｚ波がピークとなる時間、
ｔ２：ＴＨｚ波のピーク値９１２をとる時間、
ｔ３：ＴＨｚ波のピーク値９１３をとる時間、
ｔ４：ＴＨｚ波のピーク値９１４をとる時間、
Ｌ１：接合ウェーハを透過したＴＨｚ波の光路、
Ｌ２：境界面９０３で反射してから透過したＴＨｚ波の光路、
Ｌ３：境界面９０３、９０４で反射してから透過したＴＨｚ波の光路、
Ｌ４：境界面９０３、９０４、９０５で反射してから透過したＴＨｚ波の光路、
Ｌ１１：境界面１００４で反射したＴＨｚ波の光路、
Ｌ１２：境界面１００３で反射したＴＨｚ波の光路、
Ｌ１３：境界面１００３、１００４で反射したＴＨｚ波の光路、
Ｌ１５：境界面をラインでスキャンする場合のＴＨｚ波の光路、
ＴＲ２：ＳｉのＴＨｚ波の透過率、
ＴＲ３：任意のＴＨｚ波の透過率
【特許請求の範囲】
【請求項１】
接合ウェーハを保持する試料ステージと、
所定の周波数帯域のテラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生器と、
前記接合ウェーハを透過又は反射したテラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出器と、
前記テラヘルツ波検出器によって検出したテラヘルツ波より、前記接合ウェーハのＴＨｚ波特性を演算する演算部と、
を有し、
前記演算部は、予め求めた基準試料のＴＨｚ波特性と接合強度の間の関係から、検査対象の接合ウェーハのＴＨｚ波特性に対応する接合強度を演算することを特徴とするウェーハ接合強度検査装置。
【請求項２】
請求項１記載のウェーハ接合強度検査装置において、
前記基準試料は、互いに異なる熱処理温度によって熱処理された複数の接合ウェーハを含むことを特徴とするウェーハ接合強度検査装置。
【請求項３】
請求項２記載のウェーハ接合強度検査装置において、
前記基準試料は、２枚のウェーハを直接接合によって接合することにより形成され、前記２枚のウェーハの間の接合部の化学的結合状態は、親水化処理により接合部において水素結合が生成された状態、中温加熱により接合部において水素結合から脱水縮合が生成された状態、及び、高温加熱により接合部において共有結合が生成された状態、の３つの状態を含むことを特徴とするウェーハ接合強度検査装置。
【請求項４】
請求項１記載のウェーハ接合強度検査装置において、
前記演算部は、前記検査対象の接合ウェーハのＴＨｚ波特性から、前記検査対象の接合ウェーハの接合強度が所定の正常範囲にあるか否かを判定することを特徴とするウェーハ接合強度検査装置。
【請求項５】
請求項１記載のウェーハ接合強度検査装置において、
前記ＴＨｚ波特性は、テラヘルツ波の透過率、テラヘルツ波の反射率、テラヘルツ波の吸収スペクトル、テラヘルツ波の吸光度、テラヘルツ波の偏光状態、テラヘルツ波の位相、テラヘルツ波の複素屈折率、テラヘルツ波の複素誘電率、テラヘルツ波の複素伝導率、テラヘルツ波の散乱強度、テラヘルツ波の散乱範囲、の少なくとも１つを含むことを特徴とするウェーハ接合強度検査装置。
【請求項６】
請求項１記載のウェーハ接合強度検査装置において、
前記検査対象の接合ウェーハの接合強度を、予め求めた前記検査対象の接合ウェーハの画像に重ね合わせることによって生成された、前記検査対象の接合ウェーハの接合強度の分布画像を表示する表示部を有する、ことを特徴とするウェーハ接合強度検査装置。
【請求項７】
請求項６記載のウェーハ接合強度検査装置において、
前記表示部は、前記検査対象の接合ウェーハの接合強度の分布画像を等高線又は色別により表示することを特徴とするウェーハ接合強度検査装置。
【請求項８】
請求項６記載のウェーハ接合強度検査装置において、
前記検査対象の接合ウェーハの接合強度の分布画像において、予め設定した接合強度に達していない部位を、入力装置を介してユーザが指定した場合に、前記演算部は、テラヘルツ時間領域分光法によって、該部位のＴＨｚ波特性を求めることを特徴とするウェーハ接合強度検査装置。
【請求項９】
請求項１記載のウェーハ接合強度検査装置において、
前記接合ウェーハの上にミラーが配置され、前記テラヘルツ波発生器によって発生したテラヘルツ波は、前記接合ウェーハと前記ミラーを順に反射して前記テラヘルツ波検出器によって検出されるように構成され、
前記接合ウェーハ上の前記テラヘルツ波の照射点は、直線に沿って配置され、それによって前記接合ウェーハの接合強度が直線に沿って測定されることを特徴とするウェーハ接合強度検査装置。
【請求項１０】
接合ウェーハを保持する試料ステージと、
フェムト秒レーザ光を生成するフェムト秒レーザと、
該フェムト秒レーザ光をポンプ光とプローブ光に分岐するビームスプリッタと、
前記ポンプ光を入力して所定の周波数帯域のテラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生器と、
前記テラヘルツ波発生器によって発生したテラヘルツ波を前記接合ウェーハに導くＴＨｚ波投光用光学系と、
前記接合ウェーハを透過又は反射したテラヘルツ波を、前記プローブ光によってサンプリングするテラヘルツ波検出器と、
前記接合ウェーハを透過又は反射したテラヘルツ波を、前記テラヘルツ波検出器に導くＴＨｚ波受光用光学系と、
前記テラヘルツ波検出器によってサンプリングされたテラヘルツ波より、前記接合ウェーハのＴＨｚ波特性を演算する演算部と、
を有し、
前記演算部は、予め求めた基準試料のＴＨｚ波特性と接合強度の間の関係から、検査対象の接合ウェーハのＴＨｚ波特性に対応する接合強度を演算することを特徴とするウェーハ接合強度検査システム。
【請求項１１】
請求項１０記載のウェーハ接合強度検査システムにおいて、
前記基準試料は、互いに異なる熱処理温度により熱処理を行った複数の接合ウェーハを含み、前記複数の接合ウェーハは前記熱処理温度により接合部における化学的結合状態が互いに異なることを特徴とするウェーハ接合強度検査システム。
【請求項１２】
請求項１０記載のウェーハ接合強度検査システムにおいて、
更に前記ポンプ光と前記プローブ光の光路の間の光路差を調整する時間遅延ステージが設けられ、
前記時間遅延ステージによって、前記ポンプ光の光路と前記プローブ光の光路が同一長さに設定されたときは、前記テラヘルツ波検出器によって、ＴＨｚ波の各パルスのピーク値がサンプリングされ、
前期時間遅延ステージによって、前記ポンプ光の光路と前記プローブ光の光路の差が連続的に変化されたときは、ＴＨｚ波の各パルスに対してサンプリング点の位相が連続的に変化し、ＴＨｚ波の各パルスに対してサンプリング点の位相が互いに異なる複数のデータが得られ、ＴＨｚ波の各パルスを表す時間波形が得られることを特徴とするウェーハ接合強度検査システム。
【請求項１３】
請求項１０記載のウェーハ接合強度検査システムにおいて、
前記ＴＨｚ波受光用光学系は、前記接合ウェーハを透過したテラヘルツ波のうち、散乱光のみ、又は、散乱光以外のテラヘルツ波を前記テラヘルツ波検出器に導くように構成されていることを特徴とするウェーハ接合強度検査システム。
【請求項１４】
請求項１０記載のウェーハ接合強度検査システムにおいて、
前記ＴＨｚ波受光用光学系は、前記接合ウェーハを反射したテラヘルツ波のうち、散乱光のみ、又は、散乱光以外のテラヘルツ波を前記テラヘルツ波検出器に導くように構成されていることを特徴とするウェーハ接合強度検査システム。
【請求項１５】
ウェーハの接合強度の検査方法において、
基準試料として、テラヘルツ波が透過する材料によって形成されたウェーハを外側に含む２枚以上のウェーハからなる接合ウェーハを複数個用意する工程と、
前記複数の接合ウェーハを、互いに異なる熱処理温度により熱処理を行う熱処理工程と、
前記複数の接合ウェーハの接合強度を測定する接合強度測定工程と、
前記接合ウェーハに所定の周波数帯域のテラヘルツ波を照射し、それによって得られる振動電場を検出する振動電場測定工程と、
前記振動電場測定工程によって検出した振動電場より、前記接合ウェーハのＴＨｚ波特性を演算するＴＨｚ波特性データ演算工程と、
前記接合強度測定工程と前記ＴＨｚ波特性データ演算工程により得られた結果より、基準試料のＴＨｚ波特性と接合強度の間の関係を求める工程と、
前記基準試料と同一材料の検査対象試料の接合ウェーハにテラヘルツ波を照射し、それによって得られる振動電場を検出する試料振動電場測定工程と、
前記試料振動電場測定工程によって検出した振動電場より、前記検査対象試料のＴＨｚ波特性を演算する試料ＴＨｚ波特性データ演算工程と、
前記基準試料のＴＨｚ波特性と接合強度の間の関係より、前記検査対象試料の接合部のＴＨｚ波特性に対応する接合強度を演算する試料接合強度演算工程と、
を有することを特徴とするウェーハの接合強度の検査方法。
【請求項１６】
請求項１５記載の接合強度の検査方法において、
前記基準試料は、２枚のウェーハを直接接合によって接合することにより形成され、
前記基準試料は、前記熱処理温度により、接合部における化学的結合状態が互いに異なる複数の接合ウェーハを含むことを特徴とする接合強度の検査方法。
【請求項１７】
請求項１６記載の接合強度の検査方法において、
前記化学的結合状態は、接合部の親水化処理による水素結合の状態、水酸基の分布状態、該接合部の加熱による水素結合から共有結合に変化する状態、の３つの状態を含むことを特徴とする接合強度の検査方法。
【請求項１８】
請求項１５記載の接合強度の検査方法において、
前記振動電場と接合強度の間の関係を求める工程は、
前記振動電場より前記接合ウェーハのＴＨｚ波透過率を求めるＴＨｚ波透過率演算工程と、
前記接合ウェーハのＴＨｚ波透過率より、前記接合ウェーハの熱処理温度と前記接合ウェーハのＴＨｚ波透過率との関係と求める工程と、
引張試験により前記接合ウェーハの引張強度を測定する引張強度測定工程と、
前記接合ウェーハの引張強度より、前記接合ウェーハの熱処理温度と前記接合ウェーハの引張強度との関係と求める工程と、
前記接合ウェーハの熱処理温度と前記接合ウェーハのＴＨｚ波透過率との関係と、前記接合ウェーハの熱処理温度と前記接合ウェーハの引張強度との関係から、前記接合ウェーハの引張強度とＴＨｚ波透過率の関係を求める工程と、
を含むことを特徴とする接合強度の検査方法。
【請求項１９】
請求項１５記載の接合強度の検査方法において、
前記ＴＨｚ波特性データは、テラヘルツ波の透過率、反射率、吸収スペクトル、吸光度、偏光状態、位相、複素屈折率、複素誘電率、複素伝導率、散乱強度、散乱範囲、の少なくとも１つを含むことを特徴とする接合強度の検査方法。
【請求項２０】
請求項１５記載の接合強度の検査方法において、
前記振動電場測定工程は、
フェムト秒レーザによって発振されたレーザ光を、ポンプ光とプローブ光に分岐する分岐工程と、
前記ポンプ光をＴＨｚ波発生器に導くことによって、ＴＨｚ波を発生させる工程と、
前記ＴＨｚ波発生器からのＴＨｚ波をＴＨｚ波検出器に導く工程と、
前記プローブを前記ＴＨｚ波検出器に導く工程と、
ＴＨｚ波検出器に到達したＴＨｚパルス波を、前記プローブ光によってサンプリングするサンプリング工程と、
前記ＴＨｚ波検出器にて発生する振動電場のパルス波を前記サンプリングに同期して検出する工程と、
を有することを特徴とする接合強度の検査方法。
【請求項１】
接合ウェーハを保持する試料ステージと、
所定の周波数帯域のテラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生器と、
前記接合ウェーハを透過又は反射したテラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出器と、
前記テラヘルツ波検出器によって検出したテラヘルツ波より、前記接合ウェーハのＴＨｚ波特性を演算する演算部と、
を有し、
前記演算部は、予め求めた基準試料のＴＨｚ波特性と接合強度の間の関係から、検査対象の接合ウェーハのＴＨｚ波特性に対応する接合強度を演算することを特徴とするウェーハ接合強度検査装置。
【請求項２】
請求項１記載のウェーハ接合強度検査装置において、
前記基準試料は、互いに異なる熱処理温度によって熱処理された複数の接合ウェーハを含むことを特徴とするウェーハ接合強度検査装置。
【請求項３】
請求項２記載のウェーハ接合強度検査装置において、
前記基準試料は、２枚のウェーハを直接接合によって接合することにより形成され、前記２枚のウェーハの間の接合部の化学的結合状態は、親水化処理により接合部において水素結合が生成された状態、中温加熱により接合部において水素結合から脱水縮合が生成された状態、及び、高温加熱により接合部において共有結合が生成された状態、の３つの状態を含むことを特徴とするウェーハ接合強度検査装置。
【請求項４】
請求項１記載のウェーハ接合強度検査装置において、
前記演算部は、前記検査対象の接合ウェーハのＴＨｚ波特性から、前記検査対象の接合ウェーハの接合強度が所定の正常範囲にあるか否かを判定することを特徴とするウェーハ接合強度検査装置。
【請求項５】
請求項１記載のウェーハ接合強度検査装置において、
前記ＴＨｚ波特性は、テラヘルツ波の透過率、テラヘルツ波の反射率、テラヘルツ波の吸収スペクトル、テラヘルツ波の吸光度、テラヘルツ波の偏光状態、テラヘルツ波の位相、テラヘルツ波の複素屈折率、テラヘルツ波の複素誘電率、テラヘルツ波の複素伝導率、テラヘルツ波の散乱強度、テラヘルツ波の散乱範囲、の少なくとも１つを含むことを特徴とするウェーハ接合強度検査装置。
【請求項６】
請求項１記載のウェーハ接合強度検査装置において、
前記検査対象の接合ウェーハの接合強度を、予め求めた前記検査対象の接合ウェーハの画像に重ね合わせることによって生成された、前記検査対象の接合ウェーハの接合強度の分布画像を表示する表示部を有する、ことを特徴とするウェーハ接合強度検査装置。
【請求項７】
請求項６記載のウェーハ接合強度検査装置において、
前記表示部は、前記検査対象の接合ウェーハの接合強度の分布画像を等高線又は色別により表示することを特徴とするウェーハ接合強度検査装置。
【請求項８】
請求項６記載のウェーハ接合強度検査装置において、
前記検査対象の接合ウェーハの接合強度の分布画像において、予め設定した接合強度に達していない部位を、入力装置を介してユーザが指定した場合に、前記演算部は、テラヘルツ時間領域分光法によって、該部位のＴＨｚ波特性を求めることを特徴とするウェーハ接合強度検査装置。
【請求項９】
請求項１記載のウェーハ接合強度検査装置において、
前記接合ウェーハの上にミラーが配置され、前記テラヘルツ波発生器によって発生したテラヘルツ波は、前記接合ウェーハと前記ミラーを順に反射して前記テラヘルツ波検出器によって検出されるように構成され、
前記接合ウェーハ上の前記テラヘルツ波の照射点は、直線に沿って配置され、それによって前記接合ウェーハの接合強度が直線に沿って測定されることを特徴とするウェーハ接合強度検査装置。
【請求項１０】
接合ウェーハを保持する試料ステージと、
フェムト秒レーザ光を生成するフェムト秒レーザと、
該フェムト秒レーザ光をポンプ光とプローブ光に分岐するビームスプリッタと、
前記ポンプ光を入力して所定の周波数帯域のテラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生器と、
前記テラヘルツ波発生器によって発生したテラヘルツ波を前記接合ウェーハに導くＴＨｚ波投光用光学系と、
前記接合ウェーハを透過又は反射したテラヘルツ波を、前記プローブ光によってサンプリングするテラヘルツ波検出器と、
前記接合ウェーハを透過又は反射したテラヘルツ波を、前記テラヘルツ波検出器に導くＴＨｚ波受光用光学系と、
前記テラヘルツ波検出器によってサンプリングされたテラヘルツ波より、前記接合ウェーハのＴＨｚ波特性を演算する演算部と、
を有し、
前記演算部は、予め求めた基準試料のＴＨｚ波特性と接合強度の間の関係から、検査対象の接合ウェーハのＴＨｚ波特性に対応する接合強度を演算することを特徴とするウェーハ接合強度検査システム。
【請求項１１】
請求項１０記載のウェーハ接合強度検査システムにおいて、
前記基準試料は、互いに異なる熱処理温度により熱処理を行った複数の接合ウェーハを含み、前記複数の接合ウェーハは前記熱処理温度により接合部における化学的結合状態が互いに異なることを特徴とするウェーハ接合強度検査システム。
【請求項１２】
請求項１０記載のウェーハ接合強度検査システムにおいて、
更に前記ポンプ光と前記プローブ光の光路の間の光路差を調整する時間遅延ステージが設けられ、
前記時間遅延ステージによって、前記ポンプ光の光路と前記プローブ光の光路が同一長さに設定されたときは、前記テラヘルツ波検出器によって、ＴＨｚ波の各パルスのピーク値がサンプリングされ、
前期時間遅延ステージによって、前記ポンプ光の光路と前記プローブ光の光路の差が連続的に変化されたときは、ＴＨｚ波の各パルスに対してサンプリング点の位相が連続的に変化し、ＴＨｚ波の各パルスに対してサンプリング点の位相が互いに異なる複数のデータが得られ、ＴＨｚ波の各パルスを表す時間波形が得られることを特徴とするウェーハ接合強度検査システム。
【請求項１３】
請求項１０記載のウェーハ接合強度検査システムにおいて、
前記ＴＨｚ波受光用光学系は、前記接合ウェーハを透過したテラヘルツ波のうち、散乱光のみ、又は、散乱光以外のテラヘルツ波を前記テラヘルツ波検出器に導くように構成されていることを特徴とするウェーハ接合強度検査システム。
【請求項１４】
請求項１０記載のウェーハ接合強度検査システムにおいて、
前記ＴＨｚ波受光用光学系は、前記接合ウェーハを反射したテラヘルツ波のうち、散乱光のみ、又は、散乱光以外のテラヘルツ波を前記テラヘルツ波検出器に導くように構成されていることを特徴とするウェーハ接合強度検査システム。
【請求項１５】
ウェーハの接合強度の検査方法において、
基準試料として、テラヘルツ波が透過する材料によって形成されたウェーハを外側に含む２枚以上のウェーハからなる接合ウェーハを複数個用意する工程と、
前記複数の接合ウェーハを、互いに異なる熱処理温度により熱処理を行う熱処理工程と、
前記複数の接合ウェーハの接合強度を測定する接合強度測定工程と、
前記接合ウェーハに所定の周波数帯域のテラヘルツ波を照射し、それによって得られる振動電場を検出する振動電場測定工程と、
前記振動電場測定工程によって検出した振動電場より、前記接合ウェーハのＴＨｚ波特性を演算するＴＨｚ波特性データ演算工程と、
前記接合強度測定工程と前記ＴＨｚ波特性データ演算工程により得られた結果より、基準試料のＴＨｚ波特性と接合強度の間の関係を求める工程と、
前記基準試料と同一材料の検査対象試料の接合ウェーハにテラヘルツ波を照射し、それによって得られる振動電場を検出する試料振動電場測定工程と、
前記試料振動電場測定工程によって検出した振動電場より、前記検査対象試料のＴＨｚ波特性を演算する試料ＴＨｚ波特性データ演算工程と、
前記基準試料のＴＨｚ波特性と接合強度の間の関係より、前記検査対象試料の接合部のＴＨｚ波特性に対応する接合強度を演算する試料接合強度演算工程と、
を有することを特徴とするウェーハの接合強度の検査方法。
【請求項１６】
請求項１５記載の接合強度の検査方法において、
前記基準試料は、２枚のウェーハを直接接合によって接合することにより形成され、
前記基準試料は、前記熱処理温度により、接合部における化学的結合状態が互いに異なる複数の接合ウェーハを含むことを特徴とする接合強度の検査方法。
【請求項１７】
請求項１６記載の接合強度の検査方法において、
前記化学的結合状態は、接合部の親水化処理による水素結合の状態、水酸基の分布状態、該接合部の加熱による水素結合から共有結合に変化する状態、の３つの状態を含むことを特徴とする接合強度の検査方法。
【請求項１８】
請求項１５記載の接合強度の検査方法において、
前記振動電場と接合強度の間の関係を求める工程は、
前記振動電場より前記接合ウェーハのＴＨｚ波透過率を求めるＴＨｚ波透過率演算工程と、
前記接合ウェーハのＴＨｚ波透過率より、前記接合ウェーハの熱処理温度と前記接合ウェーハのＴＨｚ波透過率との関係と求める工程と、
引張試験により前記接合ウェーハの引張強度を測定する引張強度測定工程と、
前記接合ウェーハの引張強度より、前記接合ウェーハの熱処理温度と前記接合ウェーハの引張強度との関係と求める工程と、
前記接合ウェーハの熱処理温度と前記接合ウェーハのＴＨｚ波透過率との関係と、前記接合ウェーハの熱処理温度と前記接合ウェーハの引張強度との関係から、前記接合ウェーハの引張強度とＴＨｚ波透過率の関係を求める工程と、
を含むことを特徴とする接合強度の検査方法。
【請求項１９】
請求項１５記載の接合強度の検査方法において、
前記ＴＨｚ波特性データは、テラヘルツ波の透過率、反射率、吸収スペクトル、吸光度、偏光状態、位相、複素屈折率、複素誘電率、複素伝導率、散乱強度、散乱範囲、の少なくとも１つを含むことを特徴とする接合強度の検査方法。
【請求項２０】
請求項１５記載の接合強度の検査方法において、
前記振動電場測定工程は、
フェムト秒レーザによって発振されたレーザ光を、ポンプ光とプローブ光に分岐する分岐工程と、
前記ポンプ光をＴＨｚ波発生器に導くことによって、ＴＨｚ波を発生させる工程と、
前記ＴＨｚ波発生器からのＴＨｚ波をＴＨｚ波検出器に導く工程と、
前記プローブを前記ＴＨｚ波検出器に導く工程と、
ＴＨｚ波検出器に到達したＴＨｚパルス波を、前記プローブ光によってサンプリングするサンプリング工程と、
前記ＴＨｚ波検出器にて発生する振動電場のパルス波を前記サンプリングに同期して検出する工程と、
を有することを特徴とする接合強度の検査方法。
【図１】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図３Ｄ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５Ａ】
【図１５Ｂ】
【図１６Ａ】
【図１６Ｂ】
【図１７】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図３Ｄ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５Ａ】
【図１５Ｂ】
【図１６Ａ】
【図１６Ｂ】
【図１７】
【公開番号】特開２０１３−４５７８（Ｐ２０１３−４５７８Ａ）
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１３１３５５（Ｐ２０１１−１３１３５５）
【出願日】平成２３年６月１３日（２０１１．６．１３）
【出願人】（０００２３３５４９）株式会社日立ハイテクコントロールシステムズ (130)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月１３日（２０１１．６．１３）
【出願人】（０００２３３５４９）株式会社日立ハイテクコントロールシステムズ (130)
【Ｆターム（参考）】
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