JP2001513205A - レーザ超音波によりボンドインテグリティーの評価を行うシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 非破壊ボンドテストシステムは、制御された強度を有する単一又は多重パルスを送出し、対象物体（２１）をボンバードして、熱弾性励起応答をひき起こすパルスレーザ（１）を用いて実施される。この励起は次に、表面材料に沿って又はこれを貫通して超音波伝搬を誘発する。

Description

【発明の詳細な説明】 レーザ超音波によりボンドインテグリティーの 評価を行うシステム及び方法 発明者：Bernard Siu 本願は1997年12月19日に出願された米国暫定特許出願第60/068,362号の利益を 主張するものである。政府の権利 米国政府は、米国海軍とSimplex Tecnologies，Inc．との間における協約第N6 6001-95-C-7021号に従い、本発明において限定された権利を有している。発明の分野 本発明は、マイクロレベルで接合された材料のボンドインテグリティー（接着 状態）を測定する装置および方法に関する。発明の背景 ふたつのアイテムの間のボンドインテグリティー(bond integrity)を測定すべ く使用され得る非破壊検査法に対しては、長い間の要望がある。この要望は特に 、マイクロレベルで形成されたボンド化の場合に顕著である。このマイクロレベ ルとは、0.005インチ(0.00127m)程度またはそれ以下の寸法の少なくとも一個の 材料が関与するものとして定義され得る。斯かる検査方法は、超小型電子機器(m icroelectronics)の相互接続（インタコネクト）において一般的に使用されるテ ストボール、ウェッジボンド、薄膜コーティング(thi n coating)、回路トレース、リボンボンド、半田ボール、表面取付素子、ピング リッドアレイ及びMIMMに対して適用され得る。限定的なものではないがこれらの 用途においてボンド化される材料としては、ケイ素、炭化ケイ素、アルミニウム 、金、ガリウム・ひ素などが挙げられる。 例えば、極細ワイヤを介してシリコンウェハを外部回路に接続する上で使用さ れるボールボンドは、通常、稀に各ボンド化のプル・テストを要求する陸軍仕様 書に従ってテストされる。このテストは、各ワイヤを順に引っかけ、所定の引張 力を付与することによりそのボンドが維持されるか否かを決定するものである。 この技術には相当の制限がある。特に本発明者は、もしこのテストが同一デバイ スのワイヤに対して反復して実施されると、連続するそれぞれのテストにより多 数のワイヤが緩くなるのが一般的であることを発見した。この結果は、上記テス トが真に非破壊的とは見做されないことを意味する。すなわち、ワイヤに対する 引張力の逐次適用はそのボンドを弱め、テストを反復すると実際にボンドを切断 してしまう。また、ボンドがこの種のプル・テストを一度は通過したが、このテ ストがそのボンドを不安定に接続したままとし、周囲振動、衝撃または温度変化 などに晒されたときに現場で故障する運命となる可能性もある。 パイプの継ぎ目、車両の溶接、および、船舶製造などのサイズの大きいボンド の場合、２個のアイテムの間の界面の状態を分析すべく種々のX線及び音響技術 が応用されている。レーザ超音波(laserultrasound)技術も提案されている。例 えば、Monchalinに与えられた米国特許第4,659,224号及び第4,966,459号、Monch alin et al.に与えられた米国特許第5,081,491号、ならびに、Heon at al.に与 えられた米国特許第5,137,361号は、この分野における初期の 研究の結果を開示している。また、Garcia et al．に与えられた米国特許第5,10 3,676号は、レーザ超音波によるプロセス監視の更なる方法を示している。 レーザ技術はまた、半導体回路に見られる如きサイズの小さいボンドへの使用 が考慮されて来た。Lebeau et al．に与えられた米国特許第5,201,841号は、熱 勾配技術を提案すると共に、Hitachi Research Corp.による日本公報62-7198(1/ 14/87)はレーザ技術を提案していると思われる。 本発明者による先の米国特許第5,420,689号、第5,424,838号及び第5,302,836 号は、小規模のレーザ超音波測定に有用な照明方法及び装置を開示している。ま たSiu et al.に与えられた米国特許第5,535,006号は本発明者の初期の研究を基 礎とし、且つ、基板に与えられた導体ボンド化の付着性のインテグリティーを評 価する方法を開示している。 しかし乍ら本発明者が知る限りにおいて、これらの先行システムはいずれも、 ワイヤボンドのプル・テストの効果的な代替策、または、マイクロレベルの薄膜 コーティングの効果的な分析方法を提供していない。また、本発明者自身の先の 特許に開示されたシステムに依り生み出される成果は、有望ではあるが工業用途 には十分に安定していなかった。 従ってこの分野では、反復可能かつ正確で真に非破壊的なテスト機能を提供す る、上記タイプの改良された方法およびシステムが要求される。発明の要約 従って本発明の概略的目的は、隣接する材料のボンドインテグリティー（付着 性）の状態を測定する改良されたシステムおよび方法 を提供することにある。 本発明の他の目的は、表面上に熱を加えその結果干渉計技術を利用した安定連 続波レーザを用いて検出され得る熱弾性伝播（表面、本体、エアウェーブ、また はそれらの組合せ）をパルス点から全方向に生成するパルスレーザを使用し、隣 接する材料のボンドインテグリティー（付着）状態を測定する、改良されたシス テムおよび方法を提供するにある。 本発明の更に他の目的は、特に、基板に塗付された薄膜コーティングの厚さお よび／または均一性ならびに付着特性を非破壊的にテストして評価するに適した 改良されたシステムおよび方法を提供するにある。 本発明の更に他の概略的目的は、特に、超小型電子機器の相互接続、ボールボ ンド、ウェッジボンド、回路トレース、表面取付素子およびMIMMなどのマイクロ レベルの結合材料のボンドインテグリティーを非破壊的に測定するに適した改良 されたシステムおよび方法を提供するにある。 また、本発明の重要な目的は、隣接する材料のボンドインテグリティー（付着 性）を評価し、それらが完全にボンド化しているか、部分的にボンド化している か、接触してはいるが未だ非ボンド状態であるのかを決定するために、熱弾性伝 播標示を単一でまたは組合せて分析する改良されたシステムおよび方法を提供す るにある。 本発明の他の有用な目的は、超小型電子機器の製造プロセスにおける検査およ びテストに特に適用される完全自動化ボンドインテグリティー測定システムを提 供するにある。 本発明の更なる目的は、レーザ超音波測定システムに使用される改良された動 作タイミングおよび標示収集方法およびシステムを提供することにある。 また、検出された波動伝播標示に対して相当に改善されたSN比を有するレーザ 超音波測定システムを提供することも本発明の目的である。 本発明の更なる目的は、ボンド・テストシステムに関して表面波伝播をボンド インテグリティーに相関させる方法を提供することにある。 これらのおよびその他の目的は、本発明の好適実施例において、因果関係検知 装置を構成するパルスレーザおよび連続レーザ検出器を提供することにより達成 される。パルスレーザは制御された強度を有する単一のもしくは複数個のパルス を送出して、対象物に衝撃を与え、熱弾性励起応答を引き起こす。この励起は表 面材料に沿った、または表面材料を貫通する超音波伝播を誘起する。これらの熱 弾性伝播標示を検出し、獲得しかつ解釈することにより、結合する材料の付着状 態が測定される。この技術は、従来の引張り、剪断または接触タイプの技術と比 較して非常に改良されている。対象物は物理的手段により接触される必要がなく 、上記励起は接触テストで必要とされるよりも遙かに穏やかであり且つテストの 速度は他の自動化製造プロセスよりも相当に迅速であることから、リアルタイム のプロセス制御目的に適している。図面の簡単な説明 図１は、標示分析のためのパルスレーザおよび検出レーザの印加を示す超小型 電子機器のボールボンドの図である。 図２は、本発明に係るボンドインテグリティー評価用光学システムの概略図で ある。 図３は、高度に局在化されたレーザ出力の印加により融解された表面を有する ボールボンドを示す図である。 図４Ａはテストされるべきボールボンドよりもかなり大きなパルスレーザビー ム・スポットの印加を示す図であり、図４Ｂは結果的な表面波および衝撃波の振 幅を示すグラフである。 図５は、本発明に係るパワー制御アセンブリの好適実施例の端末を示す図であ る。 図６は、本発明に係るパルスレーザ較正・同期装置の側面図である。 図７は、データの識別および収集に関してパルスレーザおよびデータ獲得を起 動するコマンドに対する成分応答の可変遅延の効果を示すタイムチャートである 。応答時間における変化は有効なデータが収集され得るウィンドウと比較して極 めて大きいことから、そのウィンドウを選択することを困難としている。 図８は、検出レーザの送出および反射を検出する光学機器の詳細を示す光学的 概略図である。 図９ａおよび図９ｂは本発明の代替実施例を示す側面図であり、ボンドインテ グリティーはボンドの近傍にレーザパルスを印加すると共にボンドの別の側にお ける基板上の結果的表面波を検出することにより検出されている。 図１０は、別の代替実施例を示すボールボンドの上面図であり、この実施例で はボンドの金属間構造がボンドの回りにおける複数の点における振動伝播データ を収集することにより分析される。 図１１は、干渉計回路の感度を設定するための、本発明の静的モードの操作を 示す図である。 図１２は、干渉計回路の感度を設定する本発明のダイナミックモードの操作を 示す図である。 図１３は、種々の波長に関してシリコンPIN光検出器の応答性をガリウム・ひ 素PIN光検出器に対して比較したグラフである。 図１４は、非ボンド、部分的にボンド化および完全ボンド化に対する例示的ボ ンドインテグリティー標示を示すグラフである。 図１５は、波形に対する重要な分析点を示す簡単なボンドインテグリティー標 示の図である。 図１６は、本発明に係る標示分析システムの好適実施例の概略図である。 図１７は、自動化されたボンドインテグリティーのテストプロセスの作用を示 すフローチャートである。 図１８は、単一のパルスレーザフットプリントおよび検出レーザフットプリン トのエネルギ分散を示す上面図である。 図１９は、代替実施例において使用された幅広または複数のパルスレーザフッ トプリントのエネルギ分散を示す上面図である。 図２０は、薄膜コーティングの分析に対する本発明のレーザ超音波技術の適用 を示す側断面図である。 図２１は、シリコン基板上のアルミニウムの薄膜コーティングの種々の厚みに 対するレイリー波速度と周波数との代表的グラフである。 図２２は、単一の検出点上に焦点が合わされた表面波を生成すべく曲面パルス レーザスポットを使用する本発明の代替実施例の上面図である。好適実施例の詳細な説明 本発明は先ず、種々の小規模ボンドテストの応用に特に有用な実施例に関して 記述される。斯かる検査方法は、マイクロレベルにおける任意の材料のボンドイ ンテグリティーをテストすべく適用され得る。テストされるボンドは、限定的な 意味ではなく、ボールボンドおよびウェッジボンド、薄膜コーティング、回路ト レース、リボ ンボンド、溶接、半田ボール、表面取付素子、PINグリッドアレイ、MIMM、並び に、超小型電子機器の相互接続において一般的に使用される種々のタイプの接着 剤および方法を含む。これらの応用において接合される材料としては、限定的な ものとしてで無く、シリコン、炭化ケイ素、アルミニウム、金、ガリウム・ひ素 などが挙げられる。 斯かる応用のひとつは、超小型電子機器のボンドパッドに対するボールボンド または他の小規模ボンドの接続テストであり、本発明の第１実施例はこの応用を 一例として記述される。図１は、ボンドパッド104が取付けられる基板102を示し ている。ボンドパッド104にはボールボンド108を介してボンドワイヤ106が接続 される。ボールボンド108に対してはパルスレーザビーム110が印加される一方、 パルスレーザビーム110の印加の結果として基板102を貫く振動伝播を検出すべく 検出レーザビーム112の反射が利用される。 上記のふたつのレーザビームは、図２に概略形態にて示された複合的光学シス テムにより印加される。該光学システムは二つの主要な対物レンズを有している 。一方のものは、ボールボンド、ウェッジボンドまたは相互接続部などの所望の ターゲットへとパルスレーザビーム110を導いて焦点を合わせるものである。第 ２の対物レンズは、パルスレーザビーム110により生成された伝播波をピックア ップすべく検出レーザビーム112を導いて焦点を合わせるものである。 図２に示された如く、好適実施例の光学システムは、パルスレーザ1、ミラー2 、ビームエクスパンダ3、パワー調整器4、ビームスプリッタ22、同期光検出器5 、レーザ反射器23、焦点レンズ24、密度フィルタ25、ビデオカメラ6、レーザ反 射器20、対物レンズ7、パートテーブル21、四分の一波長板12、偏光ビームスプ リッタ11 、二分の一波長板10、ビームエクスパンダ9、検出レーザ8、カットオフフィルタ 19、偏光ビームスプリッタ13、フォーカスレンズ17、光検出器18、四分の一波長 板14、干渉計15および光検出器16を含んでいる。各構成要素の機能は次に詳述さ れる。 パルスレーザ1は好適には、10nsecのパルス幅（パルス持続時間）および100Hz (毎秒100回)のパルス反復速度を有すると共に例えば１ワットのエネルギを供給 し得る1064nm波長のパルスレーザである。該パルスレーザの波長は検出レーザと 同一であることから、その有効波長を532nmに且つパワーを1/2ワットに変換すべ く周波数二倍器が使用された。ひとつの適切なレーザは、Spectra-Physics社に より製造されたモデル#S10-5230である。同様の高い反復速度、短いパルス持続 時間およびパルス毎のパワーレベルの整合性を提供する限りにおいて、他のレー ザも使用することができる。レーザはより低いパワーを有すべく選択されねばな らない、と言うのも、殆どの高パワーレーザはパワー制御調節において高い分解 能を有さないからである。 上記パルスレーザの周波数は検出レーザと同じ周波数を有さないことから、分 散された光が光検出器により誤って表面波として解釈されることはない。特にパ ルスレーザと検出レーザとの間の距離が相互に近接しているときには、表面波が 既に検出点に到着している間にパルスが継続せず、且つ、例えばシリコンの様に 材料のレイリー速度が速くなるように、このパルスのパルス幅は短いことが好ま しい。典型的なマイクロレベルの応用においては10ナノ秒が適切なパルス持続時 間である。上記パルスレーザのパルス幅は変更されてもよく、それによってパル スを受けた表面に印加される熱の速度を変更しても良い。但し、斯かる変更は通 常は表面波標示の形状を変える。 表面ミラー2は、パルスレーザ1の出力を受けてパルスレーザビームをビームエ クスパンダ3へと方向変換する表面反射器である。 もしレーザが水平に取付けられれば、この表面ミラー2はもちろん省略されても 良い。 ビームエクスパンダ3はレーザビームがパルスレーザを出るときのレーザビー ムの視準または開度を制御することにより、それが所望の場所（すなわちボール ボンド、ウェッジボンドおよびその他の任意の相互接続）に到達したときに所望 のサイズを有するパルスレーザを形成する様にする。本発明者は、パルスされる 対象物のサイズに適切な様にパルスレーザのスポットサイズを制御することが重 要なことを発見した。ボールボンドの場合、パルスレーザのスポットサイズはボ ールボンド(0.003インチ(0.0000762m)径)と略々同一とし、好適にはボールボン ドよりも僅かに大きくされねばならない。もしスポットサイズが小さ過ぎるとレ ーザのパワー密度が表面材料を融除(ablate)してしまう。この融除（アブレーシ ョン）効果（材料の気化）は、マイクロ回路上に不都合な金属屑を析出する。図 ３は、ボールボンドよりも相当に小さくなる様に高度に集中させたレーザパルス の印加によって形成されたアブレーション領域302を有するボールボンド108を示 している。レーザ出力を減少すればアブレーション効果は排除される。しかしな がらパワーを減少させると、検出されるべき表面波標示の大きさが減少するとい う不都合な効果も起きる。従って、パルスレーザのパワーとレーザのスポットサ イズとの間のバランスは、パルスされつつある材料上での標示を最適化すると共 に一切の破壊効果を最小化する上で重要である。 パルスレーザスポットのサイズはボールボンドよりも僅かに大きく、且つ、レ ーザ出力はボールボンドおよび該ボールボンドの近傍の基板表面のいずれにもア ブレーションが生じない様に調節される ことが好ましい。パルスレーザスポットをボールボンドよりも相当に大きなサイ ズに増大する可能性も考慮された。この手法は、不都合な副作用を潜在的に有す るために、使用することはできるが、好ましいものではない。図４の例において は、パルスレーザスポットはボールボンドの直径よりも相当に大きい。相当の量 のレーザエネルギが(1)ボールボンドから“あふれ”ると共に、ボールがボンド された表面にパルス状に付与されている。これは表面材料を損傷するものである 、と言うのも、表面材料は通常は金の如き高い融点を有さないので材料のアブレ ーションが生ずるためである。その上、表面波が表面から生成されて先ず検出点 に到達する。表面のアブレーションが無い限り、これらの別個のふたつの波は、 一方は表面(A)から、他方はボールボンド(B)の頂部から、異なる時点で到着する 。これは依然として、分析用のふたつの標示の間に適切な距離を提供する。しか し乍ら、基板表面にてアブレーションが生ずると、表面(A)からの衝撃波がボー ルボンド(B)からの波と略々同時に到着し、標示のオーバラップを引き起こす。 これは、ボールボンドの頂部に対する熱の付与に起因する、該当する標示の検出 を無効とする。同様に、パルススポットのサイズが過剰に大きいと、検出レーザ をパルスレーザの近傍に載置することが阻害されると共に、パルスレーザと検出 レーザとの間の大きな距離は一層弱い標示または不完全なSN比を与えてしまう。 本発明者の経験からは、超小型電子機器のボールボンドに対するスポットサイズ はボールボンドの直径に依存して通常は0.001インチ(0.0000254m)乃至0.005イン チ(0.00127m)の直径とすべきであることが分かった。 図５は、ボンドされたアイテムに対してパルスレーザにより送出されるパワー を微細調節する手段である高分解能パワー制御アセンブリ4の好適実施例の構造 を示している。高分解能パワー制御アセ ンブリ4のこの実施例は、二分の一波長板アセンブリ502、マイクロメータ調整器 504、（図２に示された）偏光ビームスプリッタキューブ22およびパワートラッ プ26を備えている。二分の一波長板アセンブリ502は、ベアリング508を介して波 長板506を支持するフレーム構造505を備えている。スプリング510は（波長板506 に取付けられた）レバー514をマイクロメータ504のネジ512に抗して付勢する。 上記アセンブリ4の機能は、典型的なレーザパネルのパワー制御により提供され るよりも相当に微細なパワー制御を提供することである。上記で論じた如く、パ ルスレーザからのパワーの量は材料アブレーションを防止すべく適切に制御され ねばならない。この設計態様においては高精度マイクロメータを調節することに より、波長板506は時計方向および反時計方向の両方向に正確に回転されて所望 の位置を確立する。上記波長板の回転位置は（図２に示された）ビームスプリッ タ22の偏光と相互に影響し合うレーザ光の偏光を確立することから、可変割合の レーザ光が波長板506およびビームスプリッタ22の両者を通過せしめられる。上 記波長板の90°の回転はパワーの全範囲(0〜100％)の通過を許容する。上記マイ クロメータを使用することにより、当該システムに対する無段階のパワーレベル 制御が提供される。マイクロメータ504により可能となる微細調節およびレバー5 14により提供される利点により、高精度にて波長板506の回転位置を選択し、従 って、パワースループットレベルを選択することが可能である。このパワー制御 設計態様は、アブレーションに対して種々の許容度合を有する種々の材料に適応 すべく使用され得る。（図２に示された）レーザトラップ26は、安全性の理由か ら残存レーザ出力を捕捉すべく使用される。 タイト・パワー・コントロールに加えて、動作中のパルス・パワーを監視し較 正する方法も必要である。システム同期化及びパワー 較正アッセンブリ５は図６に示すようにパルス・レーザに整列して装着されてい る。小片の薄ガラス６０２（医療等級のもの）が監視管６０４の端に４５°の角 度で取り付けられている。レーザ・パルス１１０はがこの薄ガラス６０２を通過 すると、極めて少量のレーザ・ビームが９０°の角度で上方に反射されると共に 大部分の光エネルギーがガラス６０２を通過する。高速フォトダイオード６０６ が第１の監視ウィンドウ６０８に恒久的に装着されてレーザ・フラッシュからの 反射レーザ・エネルギーの一部を捕捉するようになっている。このレーザ・フラ ッシュの存在はこのシステムに対してレーザが実際に点弧し、そのレーザ・パル スがテスト面への途上にあることを保証する。この保証フラッシュは高速過渡レ コーダを時間（０）に初期化するのであるが、その方法は後記詳細に説明する。 第２のウインドウ６１０はパワー・コントロール・アッセンブリ４とパワー監視 （フォトダイオード）装置の両者の周期調節、較正及び確認を行わせるための市 販のパワー・メータ６１２を装着するためのものである。 ボール・ボンド上のパルス衝撃と検出器への表面波の到来（通常２００ナノ秒 ウィンドウ）との間の期間は短いので、データ捕捉のタイミングの同期化がこの システム全体の設計の重要な部分となる。従来のコンピュータ制御ではレーザの トリガー動作とデータの捕捉開始との時間を同期化するには遅過ぎて効果的でな いことが判明した。ほとんどのパルス・レーザにおいてはこれが点弧（トリガー ）するコマンドを受信する時間と実際に点弧する時間とに可変的遅延がある。こ の時間の不一致は通常数千ミリ秒（０．００１秒）の範囲である。同程度の大き さのタイミングの不一致がレーザのトリガー又はデータ捕捉コマンドを実行する コンピュータの応答に見ることができる。テスト面におけるパルスと検出ビーム は近似値（約 ．００５−．０１０¹⁷）であるが故に、有効な表面波期間は２００ナノ秒（０． ００００００２秒）のオーダーである。図７のタイミング・チャートで示すよう に、固有の遅延はデータの捕捉ミスの原因となり、観察される波形がボール・ボ ンドからの重要波形であるのか、或いは以前の表面波であるのかの決定を困難と する。 この同期化／パワー・コントロール設計は幾つかの目的に貢献する。この設計 の最も重要な利点はデータの捕捉をパルス・レーザの印化に同期させることであ る。フォトダイオード６０６は電圧の所定の上昇を検出し、パルス・レーザが点 弧してそのパルスがボール・ボンド又は相互接続の頂部への途上にあることを良 好に表示するが故に、データ捕捉ウインドウはアナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変 換器により直ちに作動され同期化される。この手法は固有のレーザ・トリガーの 遅延はもとよりコンピュータ処理における遅延時間を補償する。 更にこの同期化の技術は信号の監視、捕捉及び平均化に関して一定の開始点を 保証する。この同期化の技術はSN比を改良するために後続の信号を平均化する手 法を維持する上で重要である。時間零における僅かなずれも表面波伝搬信号（信 号平均化手法において）を無効とし、実際に報告されるよりも大幅に弱い標示と なる。更にこの技術はレーザ・パルスがその通路を通る時に出力パワー（ミリボ ルト）の量的測定を可能とする。この出力パワーはパルス・レーザの動作を監視 するために使用することができる。 別の特徴として、この出力パワーの振幅は標示分析式の一部として標示振幅の 較正及び正常化のために使用することができる。 レーザ・ボンド・インテグリティーの検出における先行技術の試みは主として 半田継ぎ手のような比較的大きな対象に向けられていたことが観察される。パル スと検出器との間の距離はマイクロ・相 互接続に比較して更に離れている。到来時間及び標示期間はそれだけ長い。マイ クロ・スケールでは、本発明はパルスと検出レーザ・スポットとの間の距離で動 作し、この距離は大幅に短く、それだけ短い到来時間となっている。従って、本 発明の同期化の要求は従来のシステムにおけるよりも遥かに重要である。 図２を再度参照して、テストされる材料に焦点を合わせてこれを見るために市 販のカラー・カメラ６が使用されている。整列して配置されたレーザ・リフレク タ、フォーカス・レンズ、及び対物レンズは、カメラ、パルス及び検出レーザの 視野と焦点をテストされる材料上に合わせる。密度フィルタは検出及びパルス・ レーザの両者からの不必要な光を除去するために使用することができる。このビ デオ・カメラはターゲット位置を決定するビジョン・システムに接続される。 共通の対物レンズ７はパルス・レーザ検出器及びビデオ・カメラの視野を拡大 する。テストされる材料は小さい（ボール、くさび及び相互接続）が故に、その 視野は拡大する必要がある。その関係する体積からして、パルス・レーザ、検出 器及びビデオ・カメラに独自の光通路を提供することは困難であるので、本実施 例では共通の対物レンズがこの三システム総てに適用されている。 検出レーザ８の反射はパルス・レーザの印化後の、基板を伝搬する振動を監視 するために使用される。この検出レーザは、１０６４波長の持続波（ＣＷ）の、 安定した単一周波数のレーザが好ましい。ボンド・インテグリティーの情報はリ ターン（反射）ビームの一部として含まれているため、その振幅は材料表面の反 射率と検出レーザのパワー・レベルに依存する。この検出レーザのパワーはSN比 を最適化するために約７００ミリワットに設定することが好ましい。本発明者は より低い検出パワー・レベル（即ち、各１５、４０及 び５００ミリワット）を使用してこのシステムをテストしたが、その成功は限ら れていた。高検出レーザ・パワーの利点は高振幅のリターン信号であるが、レー ザ・パワーの追加はテスト表面に過度の熱を生じる可能性がある。この対向する 関係のバランスはテストされる材料の性質に基いて決定されねばならない。 ビーム・エクスパンダ９はレーザ・ビームが検出レーザ８から出る時のレーザ ・ビームの視準又は分散を制御する。このビーム・エクスパンダはパルス・レー ザのビームが関係する点（即ち、テスト材料の表面）に到達する時にそのビーム （スポット）サイズを制御するために必要なものである。検出器のスポット・サ イズについては、これはビームが小さくて且つ焦点が合わされた時に最善の結果 を提供する。しかしながら、上記の高パワー密度と信号振幅との関係を考慮せね ばならない。 一組の波長板と偏光ビーム・スプリッタ１０、１１、１２、１３及び１４は検 出レーザ８の出口からフォトダイオード１８における戻りビームへのレーザ・ビ ームの振幅と流れを制御するために使用される。この波長板と、レーザ・ビーム がこのシステムを通過する時のレーザ・ビーム偏光との配置は、図８にその詳細 が示されている。 検出レーザ８（図２）から出力したレーザ・ビームは、第１の二分の一波長板 １０を通過し、この波長板によって水平方位に偏光される。偏光ビーム・スプリ ッタ１１は水平方向に偏光されたビームを四分の一波長板の方向へ反射する。ビ ームはこの四分の一波長板を通過し、レーザ・リフレクタ２０により対物レンズ ７（図２）を介してテスト面２１に向かって反射される。次にこのビームはテス ト面２１及びレーザ・リフレクタ２０から四分の一波長板を介して反射されて戻 される。この時このビームの偏光はその入射方位から ９０°回転されて垂直方位となる。この垂直に偏光されたビームは、ビーム・ス プリッタ１１及び１３と四分の一波長板１１を通過する。ビームが干渉計１５か ら戻ると、四分の一波長板１１はビームの偏光をその入射方位から９０°回転し て、この場合、水平にする。次にこのビームは偏光ビームスプリッタ１３からフ ォーカス・レンズ１７（図２）を介して光検出器１８に向けて反射される。 フォーカス・レンズ１７はビームを光検出器１８に集中させる。二分の一波長 板１０はビームを偏光することとは別に、検出レーザ・ビームがテスト・サンプ ルに入る前にそのパワー・レベルを制御する。ビームの水平に偏光された部分の みがテスト面へ反射され、垂直に偏光された部分は偏光ビーム・スプリッタ１１ を通過してレーザ・トラップにより安全のために捕捉される。二分の一波長板１ ０を回転することにより、ビームの所望の部分を適当な方向へ転換することがで きる。 ファブリー・ペロー干渉計１５が本実施例で使用されており、この干渉計の内 部には９３％リフレクタが使用されている。これらリフレクタの選択により検出 面を変えることでアナログ応答が可能となる。別の干渉計も同様の機能を有する 。例えば、ホモダイン干渉計もこの用途に使用することができる。 図１を再度参照すると、通常ボール・ボンド、くさびボンド及び相互接続はパ ルス・レーザによりパルスが付与されてその検出が隣接面で行われる。ボール・ ボンドのある側で材料にパルスを付与しこのボール・ボンドの同一面上の反対側 で検出することが可能であることが判明した。図９a及び９ｂは、パルスの付与 と検出が、同じ材料面上でかつ相互接続の反対側で行われる別のテスト技術を示 す。この結果の標示は、上記第１の実施例（即ち、ボールにパルスを付与してそ の面上で検出する）とは異なる。隣接面（金属間物質 ）に帰因する正の波形を求める代わりに、この技術はボール・ボンド、くさびボ ンド又は相互接続のボンド化した質量に帰因する減衰効果を検出する。 図９aに示すように、表面波はボール・ボンドの存在なくして検出される。一 方、ボール・ボンドがパルスと検出器との間にある時には、図９ｂに示すように 減衰効果又は弱い標示が検出される。ボール・ボンドのインテグリティーによっ て、異なる大きさの振幅と波形が見られる。良好にボンド化したボールでは表面 波は小さい。付着してはいないが接触しているボンドでは、表面波は不活性又は 乱されない状態であった。振幅と波形の変動を相互に関係付けることにより、相 互接続（ボール・ボンド、くさびボンド、はんだボンド及び相互接続）の結合度 の変動の程度を高速で決定することができる。 この別の実施例では、既知のテスト方法に勝る多くの利点を有する。第１に、 パルス・レーザは、相互接続の隣接面以外で相互接続に接触する必要がない。こ れは相互接続がパルス・レーザの熱により極めて壊れ易いか、或いは熱に敏感で ある場合には特に重要なことである。また到来時間は従来技術のものより大幅に 速い。これは、表面伝搬が、パルスと検出レーザ・ビームとの間の面上のみを走 行するからである。ボール・ボンドの頂部から基板の表面まで走行する必要がな い。ボールのサイズに依りこの走行時間は５５乃至７０ナノ秒の範囲である。 この技術の最も重要な利点は波形の修正が非常に簡単であることである。この 場合、波形はボール・ボンドの頂部から突出するボンド・ワイヤの形状の影響を 受けることがない。この結果としての波形は通常一般的な表面波の形をとる。ま たパルス・レーザのスポット・サイズはボール・ボンド、くさびボンド又はその 他のインタコ ネクタのサイズにより限定されることがない。 この技術は検出ビームが相互接続に近い位置にある時に最も効果的である。し かしながら、パルス・レーザは効果的な結果を得るためには相互接続の近くに置 く必要はない。この技術の使用に際して注意すべきことは、表面材料がパルス・ レーザによる熱に敏感である場合、材料のアブレーションを防止するために比較 的大きなパルス・スポット（ライン形パルス・レーザのような）を使用すべきで ある。同じパワー設定でパルス・スポットを大きくすることにより、テスト材料 の表面のパワー密度が減小し、その結果アブレーション効果が除去される。 本発明の実施例において同様に有益な同軸検出技術を、以下に詳細に説明する 。 本発明のインテグリティー検出の感度により、表面波の伝搬が隣接する金属間 物質の構造形態に直接的に対応することが判明した。殆どの隣接する金属間物質 は完全には均一ではないが故に、ボール・ボンドの中心から放射する表面波の伝 搬は均一に同軸状ではない。ボール・ボンドの周囲の相異なる位置から多数の標 示を捕捉することにより、隣接する金属間物質構造を推論することができる。図 １０はレーザ超音波技術を使用して金属間物質構造を決定するパルス付与及び検 出技術を示す。ボール１０８はその頂部からパルスが付与されて隣接面上のボー ルの周囲３６０°の複数の位置１００２で検出が行われる。複数の検出レーザ、 光学機器、並びにデータ処理システムの使用を避けるために、単一の検出装置を 使用して複数の位置１００２の各々から波形データを順次得るようにすることが できる。例えば、ボール・ボンドをテストに先だって回転テーブルの同軸中心に 置く。検出ビームをボールの中心から所定の距離、例えば、０．００６”をもっ て位置決めする。パルス（又はパルス列 ）をボール・ボンドの頂部に向けてボールの中心から外方へ表面波を放射する。 検出器はこの表面波をピックアップしてプリント又は格納する。次いでボール・ ボンドは、回転テーブルを所定の角度、例えば、５度回転することで回転される 。第２のパルス又はパルス列が発生されてその標示が検出され格納される。この プロセスは、ボール・ボンドの周囲のすべての点１００２で標示が収集されるま で反復される。検出点間の距離は、所望の半径方向解像度に依存する。 これら標示が収集されると、標示は３−Ｄフォーマットで表示することができ 、従って、この金属間物質構造の伝搬の「観察」が可能となる。このフォーマッ トは、ジョイント構造に関連させることができ、或いはその構造として解釈する ことができ、観察のために表示される。 本発明におけるこのレーザ・トリガー制御は、ボンド・インテグリティー・テ スターの状態（感度位置）を監視するシステム制御形態の一部であり、レーザの トリガー動作を開始させる（又はテストを開始させる）。このトリガー制御は干 渉計の内部のミラー位置はもとより検出レーザ・ビームの固有の波長（λ）の変 動を補償する。表面伝搬に対するシステムの性能及び感度は、この変動の問題に より直接影響を受ける。換言すると、テストが正確な最適システム感度で実行さ れれば、分析上強い標示が得られる。一方、波長が僅かにずれたり、或いはミラ ー位置が予め設定された位置から変動した状態でテストが実行されると、受信さ れる標示は弱くなり、或いは検出されない場合がある。信号平均化技術が採用さ れると、これら変動現象は増幅される。上記の問題を克服して一定したテスト結 果を保証するために、２つの技術が開発された。これらは静的及び動的トリガー 制御モードということができるであろう。 静的トリガー制御モードは主として各テスト前にユーザがレーザ・トリガー点 を見てこれを設定する場合の手動テストに使用される。図１１に示すように、回 路は干渉計１５からの光検出器１６の振幅（電圧出力）を監視してアナログ・オ シロスコープ１１０２を介してフィードバックを提供する。このフィードバック はレーザ・トリガー点とこのシステムの実際の最適感度との間の基準値を提供す る。ユーザはレーザをトリガーする前にこのシステムのいかなる感度レベル（即 ち、最も感度が良い、最も感度が悪い、この両者間のいずれか）においてもトリ ガー点をリセットする選択肢を有する。この設定は干渉計のキャビティ内部の反 射鏡を調整して上記の変動現象を調節して行われる。この静的トリガー制御モー ドの操作はフォトダイオードのフィードバックを見ながら干渉計ミラー・コント ローラ１１０４のノブを調節して行われる。トリガー点が設定されると、ユーザ はトリガーの点弧を開始することができる。このモードは特に単一パルス・テス トとシステムの較正に有利である。このモードの短所は変動の調整が手動である ため時間がかかることである。しかしながら、ユーザはレーザ・トリガー点をシ ステムの感度範囲に沿って如何なる場所にも調査及び較正の目的をもって設定す る自由度を有する。 動的トリガー制御モードは感度変動に合わせて同時調節ができるので高速の自 動テストに最適である。このモードにおいては、干渉計内部のミラーは連続スキ ャン（発振）モードで設定されて多数のフォト・ピークを観察することができる （即ち、干渉計のミラーは検出レーザ周波数及びリターンの数個の波長の距離を 運動するようになっている）。例えば、この距離は周波数の変動に関係なく３フ ォト・ピークに設定することができ、このシステムは６最適感度点（３個の一方 向及び３個の反射方向）にまたがる。図１２に示すよ うに、回路が反射ピーク（ブランキング期間）及び特にブランキング期間後の第 １のピークを監視する。この回路はこのフォト・ピーク（これがスキャンされる と）からの電圧振幅をＰＲＯＭに格納された所定の電圧値と比較する比較回路を 有する。この２つの電圧値が合致すると、この回路はレーザ・トリガー・コマン ドをレーザに与える。ＰＲＯＭに格納された電圧値は最適フォト・ピークの前の 時間Ｔｆで得られる値であり、ここではＴｆはパルス・レーザを点弧する信号の 伝送とこのパルス・レーザの実際の点弧との間の平均時間である。 この動的トリガー制御モード回路は連続的トリガー動作を実行して各期間のト リガー数の軌道を維持する。このトリガー・コマンドがＰＲＯＭに格納されたト リガー計数値と同じになると、トリガー期間は終了する。ＰＲＯＭに格納された トリガー計数値及び所定の電圧振幅の両者は各テスト期間に先だってシステム制 御コンピュータから入力される。 本発明の干渉計制御システムは１００＋秒サイクルのスキャン速度を維持する が故に、最適感度でのジョイントのテストは秒当たり１００を越える点で実行さ れる。このトリガー制御技術はこのシステムにおける感度の変動に対して自動調 節を行う高速テストを維持する。 この動的トリガー制御モードは多くの利点を有する。このモードはこのシステ ムにおける固有の感度変動に自動的に適応し、コンピュータ制御の自動テスト（ ＰＲＯＭが計数及び感度基準を入力する）を維持し、このＰＲＯＭからの最適シ ステム感度（又はその他予め設定された感度）でのインテグリティーのテストを 保証し、高速テストを維持し、単一又は多数のテストを自動的に行う。 本発明においては、SN比を向上するために多数の技術が使用され ている。SN比の問題はすべてのエレクトロニクス・システムにとって難問であっ た。この非接触ボンド・インテグリティーの技術もその例外ではない。ボンドに おいて発生する微小な表面伝搬を獲得するためには、我々の検出センサは極めて 感度の高いものでなければならない。この表面伝搬波を獲得する以外にも、Ｑ− スイッチＲＦ雑音のような環境雑音や暗雑音もピックアップされている。これら 雑音の振幅は時には伝搬標示のそれよりも大きい。殆どの環境雑音はランダムで あるが、我々の表面波は固定したものであるので、信号平均化技術がこれら不要 な雑音の除去に使用されている。この信号平均化技術以外に、標示の振幅を増大 するための考慮が望ましい。最も重要な実施上の問題点は適当なフォトダイオー ド、増大された検出レーザ・パワー及び縮小された検出レーザ・スポット・サイ ズを選択することである。 干渉計製造業者により供給されたフォトダイオードはシリコンベースのフォト ダイオードを使用した。好ましい検出レーザ周波数λ＝１０６４nmに、より応答 性の良いフォトダイオードを代わりに使用することで、システム動作がより向上 することが判明した。図１３に示すように、ガリウム・ひ素フォトダイオードは この好ましい検出レーザ周波数に対して約４．３倍の応答性を示した。これはSN 比を４００％以上改善したことになる。 戻り標示の振幅はテスト面からの反射光の量に依存する。オプティック層を通 る光エネルギーの損失が大きいので、戻りの光エネルギーは実質的に減少する。 １５ｍＷからの入力検出レーザ・パワーを７００ｍＷまで増強してSN比を何度も 増大した（本発明者の先行特許に開示されている）。 検出レーザのスポット・サイズを小さくすると標示振幅が増大することが判明 した。SN比の向上のために、検出スポット・サイズを 直径０．００３”まで縮小した。 収集したデータを使用して、本発明は非接触レーザ超音波手段により微小材料 のボンドのインテグリティーを決定することができることを実証した。上記のプ ロセスで発生する表面波の標示は５００ＭＨｚ（即ち、秒当たり５億のサンプル ）で動作するアナログ−デジタル変換器により捕捉される。各標示に関して５０ ０のデータ点が、点当たり２ナノ秒で収集される。図１４は良好にボンド化した ボール・ボンド、部分的にボンド化したボール、及び非ボンド化した（接触）ボ ールに関する標示を示す。本発明の設計は、本発明者の先行の米国特許５５３５ ００６においてこの標示に存在した、衝撃波を除去するものであることに留意さ れたい。 好ましい実施形態においては、近隣のボンド（構造）からはね返る表面波が検 出点に到達しかくして複雑な標示を結果としてもたらす可能性があることから、 相関のためには、標示の早期セグメントのみが用いられる。スパイクの振幅以外 では、標示のいくつかの特長が、ボンドインテグリティー相関のために使用され る。これらの特徴（シードパラメータ）の組合せは、良好なボンド、部分的ボン ド及び非ボンド間のはるかにすぐれた区別を提供する。図１５は、本発明におい て使用される標示解析の要素を説明する上でここで参照する予定の標示サンプル を示している。 第１の表面波スパイクの到着時刻（図１５中の点Ｃ）は、表面波がそのボンド インテグリティーの如何に関わらず同じ速度で走行するはずであることからシス テムが予想通りに性能を発揮していることを確認するために検出される。到着時 刻の異常は通常、接着構造の異常を表わす。表面波の到着時間は、使用中の材料 、レイリー速度及びパルスと検出レーザースポットの間の距離によって左右され る。 図１５に示されているような点Ｃと点Ｅの間の垂直分離は、せん断力が増大す るにつれて（又はボンドインテグリティーが改善するにつれて）増大し、２つの 点の間の垂直方向距離を算出する。この距離は、ボンドインテグリティーのイン ジケータであり、相互接続のボンド状態を予測するためのシードパラメータの１ つとして使用される。 点Ｄと点Ｅの間の勾配はせん断強度と強い相関関係をもつ。我々のデータ解析 ソフトウェアルーティンは、予め定められたタイムウィンドウ内で最高点（点Ｄ ）と最低点（点Ｅ）を自動的に識別し、間にあるすべてのデータ点で回帰分析を 実施する。この回帰分析の勾配は直接、相互接続のボンドインテグリティーに対 応する。勾配が急になればなるほど、強いボンドが見いだされる。換言すると、 勾配が減少するにつれて、ボンド力は弱くなる。 この利用分野において、周波数は、第２及び第３のスパイクのピーク及び谷間 の到着時刻の形に翻訳することができる。４つの点（Ｆ，Ｇ，Ｈ及びＩ）の中で 、点Ｉの到着時刻が予備的シードパラメータとして使用された。これは、点Ｉが 時間的に最も遠い点であり、変動するボンド化度の標示の中でのより優れた時間 的分離を可能にするからである。経験的なテストデータがこの分析を支持する。 図１６は、本発明に従った完全な検査システムの好ましい一実施形態の概略図 である。システム１６００は、システム制御器１６０２，ビジョンシステム１６ ０３，リングイルミネーション１６０４，検出レーザ１６０５，レーザステアリ ングモータ１６０６，干渉計制御回路１６０７，増幅器１６０８，パルスレーザ サブシステム１６０９，同期制御装置１６１０，ディジタルスコープ過渡レコー ダ１６１１，フォトダイオード１６１３，アナログスコープ１６１４，入力デバ イス１６１５，モータ制御装置１６１８，干渉計１５ ，フォトダイオード１６及びビデオカメラ６を含んで成る。パルスレーザサブシ ステム１６０９及び検出レーザサブシステム１６０５は、好ましくは以上の記述 、特に図２を参考にして構築される。当業者にとっては、図２の装置の大部分が 明確さを期して図１６から省かれているものの、好ましくは図１６の完全なシス テムの中には同じ要素が組込まれるということは明白であろう。 自動化されたテストプロセスの好ましい実施形態を示す機能的なフローチャー トを図１７に示す。テストプロセスを開始するためには、ブロック１７０２で示 されているように、オペレータは、この実施形態においては搬送ステージを形成 するべく２本の軸に沿ってそれを並進運動させるためにモータが具備されている テーブル２１上にパートを置く。次にブロック１７０４において、システム制御 器１６０２はパートをビジョンシステム１６０３の下で移動させ、このシステム はパートの心出し及び位置づけを制御する。次にブロック１７０６において、シ ステム制御器は、リングイルミネーション機構１６０４を付勢して視野内のボー ルボンド及びウェットボンドをハイライトする。リングイルミネーション機構及 びこのシステムの付加的な作動上の特長は、好ましくは本書中に参考としてその 開示が内含されている、この発明者の先行する米国特許５４２０６８９号，５４ ２４８３８号及び５３０２８３６号の開示に従って構築される。ブロック１７０ ８では、ビジョンシステム１６０３が、検査すべきボールボンド、ウェッジボン ド又は相互接続を識別しこれに照準を合せ、ブロック１７１０では、このシステ ムはシステム制御器１６０２に対し対象物の座標を送信する。システム制御器１ ６０２は、ブロック１７１２に示されているように、パルスレーザのターゲティ ングのためのパルスレーザステアリングミラー１６０６ならびに検出レーザサブ システム１６０５のための搬送ステージ ２１を用いて、位置づけ修正を行なう。システム制御器１６０２は次にインテグ リティーテストを行なうため干渉計制御回路１６０７にコマンドを送信する。レ ーザトリガのためのパルス数及び感度レベル設定点から成るコマンドは、ＩＣＣ １６０７のＰＲＯＭの中に記憶されている。 次にブロック１７１４において、ＩＣＣ１６０７は、増幅器１６０８を介して システム感度状態をモニタし、信号伝送とレーザの始動の間に予想されるタイム ラグを考慮して、予想される最高感度の適切な時刻でパルスレーザーサブシステ ム１６０９をトリガーする。ひとたびトリガーされると、レーザパルスは、同期 制御ユニット１６１０を通過し、このユニットが今度はブロック１７１６で示さ れているように過渡レコーダ１６１１のデータ捕捉機能を開始させる。表面波標 示は、ブロック１７１８内で干渉計１５及びフォトダイオード１６を介して捕捉 された電圧に変換され、この標示は表示のため高速過渡レコーダ１６１１によっ て記録される。その後、このデータは同様に、自動化されたボンドインテグリテ ィー解析のため（ブロック１７２０参照）、システム制御器１６０２に送信され る。テストの結果が次に表示される（ブロック１７２２）。結果は好ましくはさ らに再検討、解析及び相関のため格納される（ブロック１７２４）。自動化され たテストのための必要条件に応じて、制御はブロック１７２６（ここで次のパー トが検査される）、ブロック１７２８（ここでパートは次の相互接続をテストす るべく移動させられなくてはならない）、又はブロック１７３０（ここでテスト は完了する）のいずれかに移行する。 アナログスコープ１６１４は、上述のとおり静止モードトリガーオペレーショ ンが行なわれるときの視覚的基準として提供されている。入力要素１６１５とし ては、オペレーティングソフトウェアの ユーザビリティを高めるためジョイスティック、キーボード及びマウスが含まれ ている可能性がある。 好ましい実施形態においては、２つのオシロスコープは事実上、ターゲティン グを目的とするビデオカメラ６からのライブビデオ、ビデオカメラ６のためのオ ンスクリーンマウス駆動式制御及び搬送ステージを回転させ並進運動させるため のオンスクリーンマウス駆動式制御を伴う単一のコンピュータスクリーンディス プレイの形で実現される。 ボールボンドといったような小さなボンド領域のインテグリティーの評価に加 えて、本書で開示されている技術及びシステムは、さまざまなその他のマイクロ レベルの応用分野においてボンドインテグリティーをテストするのに使用できる 。特に、本発明は、薄膜コーティングといった、より広い領域でのボンドインテ グリティーをテストするのに使用することができる。この応用の好例は、空隙の 有無、非ボンドただし接触あり、部分的ボンド及び完全ボンド条件の検出である 。（ミクロン単位の）材料の薄膜コーティングに起因して、スポットパルスレー ザが適用された場合、出力密度が高すぎる可能性がある。この潜在的問題を克服 するため、この応用の好ましい実施形態では、表面上の出力密度を減少させしか も高い信号対雑音比を維持する代替的光学器械設計が使用されている。薄膜コー ティングに関連する標示の特徴づけに対する取り組みが行なわれた。各々の応用 分野について１つの数学モデルが開発された（例えば、シリコン上の薄いアルミ ニウムコーティングを、評価システムが獲得した実際の標示に相関させるための モデルが、以下でさらに詳述される）。 伝搬又は表面波を作り出すため表面上に集束されている高密度エネルギーに起 因して、アブレーションが発生する可能性がある。本 発明者は、パルスの出力強度が標示の振幅に正比例することを確認した。換言す ると、パルス強度が高くなればなるほど、パルスは強くなり、かくして標示はよ り認識可能なものとなる。一方アブレーション効果を低減させるためには、パル スの強度が低くなればなるほど標示は弱くなり、かくしてSN比は減少する。 システム設計における有意な１つの考慮事項は、センサーの非破壊性を維持す ることである。パルスレーザビームが小さなスポットに集束される場合、大量の エネルギー（Ｍワット）が短時間（nset）でサンプルの表面上に蓄積され材料の アブレーションをひき起こす可能性がある。光学器械の設計を修正することによ って、この実施形態のために細長いパルスレーザスポットが提供された。細長い レーザーフットプリントは、表面材料上の出力密度を低減させ、かくして、表面 温度をアブレーションレベルより低く保ちながら表面に対するさらに高い合計入 力出力を可能にする。この新しい設計は、我々のボンドテストの応用に２つの恩 恵をもたらした。まず第１にこれは、アブレーションが全く無い状態で超薄型材 料のテストを可能にする。テスト対象のサンプルは、それぞれ６００倍及び９５ ０倍の倍率で走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）の下で検証され詳細に記録された。さら に、表面及び表面下の温度を見極めるために、熱伝達理論を用いた数学モデルが 開発された。両方の方法が共に、我々の非アブレーションの功績を検証した。第 ２に、この光学器械設計は、単一のスポットエネルギー源からの出力分散の問題 を克服した。図１８で示されているように、エネルギーは、単一の点光源から全 ての方向に分散する。光源から幾分か距離を置いたところに位置づけされた単一 の検出点の場合、全分散度について理論上1/360の出力が受理される。検出可能 な標示のためには、単一の点光源が使用される場合には、高いエネルギーが表面 上に印化されなくてはなら ない。図１９に示されている通り、ラインレーザ源は、検出点で分散したエネル ギーを再結合させる。このアプローチは、低い出力密度で検出性の高い標示を提 供する。 光学器械設計には、対物レンズの前方に中間ライン画像を作り出すため一連の 円柱レンズが利用される。好ましい実施形態においては、ライン形ビームの長さ は１〜２mmである。ビームサイズは、負の円柱と最初の正の円柱の間の間隔どり を変えることによって変化させることができる。光学器械の設計は、コードＶ光 線追跡ソフトウェアに基づいている。この光学系は、中間ライン画像を作り上げ るために一連の円柱レンズを使用する。系内の最初のレンズ（負の円柱）の焦点 距離を変動させることにより、直接画像のＦ/no.を変動させることができ、これ が今度は対物レンズの焦点内のビームの軸を制御する。光学器械の設計は、アペ ンディクスＡ中に示されている。 材料表面上のコーティングの付着力は、自動車からマイクロエレクトロニクス 回路製造に至るまでの数多くの製造のための設定値における重大な問題である。 通常、これらのコーティングは薄く（１〜４０ミクロン）、非常に異なった光学 特性、化学特性、熱特性又は機械特性をもつ、ベース材料上に付着されている。 本発明のレーザー超音波アプローチは、コーティング及びベース材料の両方を 包含する領域内での弾性波伝搬特性を測定する。これは、コーティング厚み、弾 性定数及びコーティングとそのベース材料の間のボンド条件といったような機械 的物性に依存する完全に機械的な測定である。弾性波は、コーティング表面に沿 って著しく長い距離を伝搬できる弾性ひずみから成る。これらのひずみは、コー ティング／基板界面を伸張させ、かくしてボンド強度を直接テストする。界面平 面に対し平行及び垂直の両方向のひずみを、共に、あ るいは別個に、コーティング及びそのベース材料上に偏向弾性波モードを使用す ることによって印化することができる。 材料の表面に沿って走行する弾性波モードは、レイリー波として知られている 。これは、復原力が表面張力ではなく弾性であることを除いて、海洋中の波とい ったような液体の表面上を伝搬する波とかなり似ている。この波は長距離を走行 し、その形状を変えず、減衰によってその振幅だけが変わる。この波の速度は、 材料の弾性定数に左右される。 コーティング材料が薄いシートである場合、２つの表面波は、１つの上部表面 そしてもう１つの下部表面上を材料に沿って走行することになる。これらの波は 、図２０に例示される通り、表面波として伝搬することになる。この現象につい ては、以下のように説明することができる。 パルスレーザが表面２００１を衝撃するにつれて、コーティング材料の表面２ ００１に沿って、変動する周波数をもつ波が生成される。コーティング材料の厚 みよりも短かい波長での伝搬は、２００２で示されているようにコーティングの 上面にとどまり、コーティング材料のレイリー速度で外向きに伝搬する。一方、 コーティング材料の厚みよりも長い波長はコーティング材料を通してベース材料 ２００４上に浸透することになる。ベース材料は通常、浸透する波長よりも厚い ことから、これらの波の周波数２００６は、ベース材料のレイリー速度で検出点 に至るまでベース材料の上面に沿って走行することになる。この状況が発生した 時点で、２つの表面波２００２及び２００６を検出することができ、その一方は もう一方と異なる速度で到達する。これらの標示の高速フーリエ変換（ＦＦＴ） 解析を用い、その波長に相関させることにより、コーティング材料の厚みを容易 に決定することができる。 上述のように、波の分散挙動はこれらのモードの識別を非常に容易なものにす る。さらに、これらの波の分散度は、材料の厚みによって左右される。図２１は 、アルミニウムコーティングされたシリコン材料に沿って走行するときの、波の 周波数に対してプロットされた表面波のレイリー波速度を示す。示されているよ うに、伝搬波速度は、その周波数が増大するにつれて低下する。波の、例えば１ ００MHzといった高周波成分の到着時刻をモニタすることによって、コーティン グ材料の厚みを決定することができる。代替的には、検出された標示分散の形状 を用いてコーティングの厚みを決定することも可能である。アペンディックスＢ 内のサンプル波形は、アルミニウムコーティングされたシリコンのさまざまな厚 みに対する分散された波の形状を例示している。これらのサンプルはそれぞれ、 １．０μｍ，５．０μｍ，１０．０μｍ及び２０．０μｍのコーティング厚につ いて５．０８×１０^-4ｍ（２０．０ミル）の分離距離での波形を示している。異 なるコーティング厚に起因して、非常に異なる波形を検出することができる。 接合材料の付着性は、摂動又は正規外非対称波形により決定することができる 。例えば、コーティングとベース材料間に完全な非付着性が存在する場合、平坦 な波形が検出されることになる。 薄膜コーティングのテスト方法のもう１つの好ましい実施形態においては、SN 比をさらに改善するため、新しいレーザービーム設計がなされた。スポット又は 直線フットプリントの代りに、曲線パルスレーザフットプリントが開発された。 ここで図２２を参照すると、曲線レーザ２２０２は、材料の表面上で同じか又は さらに優れた出力密度を許容し、表面波伝搬は、単一の検出点２２０４に集束さ れることになる。曲線レーザビーム２２０２の焦点に検出ビームを位置づけした 時、標示の振幅は合計され、かくして標示振幅を何度 も増大させる。この技術は、材料層がパルスレーザによる誘導熱に対する感応性 を有する場合に特に有用である。この技術を使用するための１つの重要な基準は 、検出レーザフットプリントが曲線レーザビームの焦点に正確に位置づけされな くてはならないということにある。この技術を使用することの欠点は、パルス及 び検出レーザの間の距離が変わった時点で、レーザービームの曲率を変更しなけ ればならないという点にある。 本発明のさまざまな実施形態は、本発明者の先行米国特許第５，５３５，００ ６号、及び/又は米国特許出願第６０/０６８，３６２号（出願日１９９７年１２ 月１９日）の中で開示されている構成の一部分又は全てを組込むことができ、か かる文書の開示は全て、本書に参考文献として内含される。 以上の様にして、素子間の相互接続をモニタするための改良型のシステム及び 方法が開示されてきた。本発明は、本書で開示されている特定の例に制限されず 、以下の請求の範囲の文言により包含される全ての変形形態を内含するものであ る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ) ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ， ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，Ｄ Ｋ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ， ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，Ｌ Ｖ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ， ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，Ｕ Ｚ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．素子と基板間のボンドを評価するためのレーザー超音波システムにおいて 、 視準光源及び、この視準光源とボンドに隣接する目標点間に展開された光学サ ブシステムを含み、前記視準光源から前記目標点まで光のパルスを伝送するため の光路を形成するパルス印化手段； 前記光路に沿った前記光パルスの通過を検出し、パルスの存在を示す出力信号 を形成するための、前記光路内のファイヤリング検出手段； 前記基板内の振動の伝搬を検出し、該振動の前記伝搬を反映する振動標示を解 析目的で収集するためのモニタ手段； 前記目標点に対し光パルスを提供するべく前記パルス印化手段を選択的に起動 させ、前記パルス伝達のタイミングを決定するべく前記ファイヤリング検出手段 をモニタし、それに応答して、前記パルス伝送の前記タイミングに関する前記振 動標示の適切な部分を収集するべく前記モニタ手段を活動化するため、前記パル ス印化手段及び前記ファイヤリング検出手段に接続された同期制御手段； を含んで成るレーザー超音波システム。