JP5580251B2 - Wafer bonding strength inspection apparatus and method - Google Patents

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Description

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。   The present invention relates to an apparatus and method for inspecting the bonding strength of a bonded wafer, and more particularly to an apparatus and method for inspecting the bonding strength using terahertz waves.

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。   In the manufacturing process of MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) wafers, NEMS (Nano Electro Mechanical Systems) wafers, SOI (Silicon on Insulator) wafers, 3D stacked devices, power devices, etc., bonding of multiple wafers (substrates) ( Bonding) is performed.

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。   When the bonding strength of the bonded wafer is weak, peeling of the bonded portion may occur in the next process including dicing, and the yield deteriorates. Moreover, even if it does not peel in the next process, it may peel off due to secular change, thereby reducing the reliability of the product.

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。   Factors affecting the bonding strength include chemical bonding force of materials such as covalent bond, ionic bond, hydrogen bond, van der Waals force, residual stress, strength of base material, bonding quality and the like. Patent Documents 1, 2, and 3 describe examples of methods for evaluating bonding strength.

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。   In the method described in Patent Document 1, destructive inspection by a tensile test is used. In the method described in Patent Document 2, an unbonded portion (void or gap) generated at the bonding interface from interference fringes generated due to the optical path difference of light irradiated to the bonding portion, the capacitance of the bonding portion, or a change in impedance. , The gap) is evaluated. In the method described in Patent Document 3, the bonded wafer is diced, and the bonded surface is exposed, soaked in an etching solution such as a hydrofluoric acid aqueous solution, and the amount etched and the amount soaked into the bonding interface, Assess the bonding state.

特許第2846973号Japanese Patent No. 2846973 特開平9−289238号公報JP-A-9-289238 特許第4569058号Japanese Patent No. 4569058

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。   In the method described in Patent Document 1, since the sample is destroyed by a tensile test, it is not possible to inspect the bonding strength of the shipment in the production line. Furthermore, in this method, when investigating environment resistance, aging, durability against stress in the manufacturing process, etc., it is necessary to prepare a large number of samples and perform sampling inspection at each stage. In addition, the tensile test is dependent on the size of the joint area, and is not suitable for local joint inspection.

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。   In the method described in Patent Document 2, if there is no gap at the bonding interface, a bonding strength defect cannot be detected.

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。   In the method described in Patent Document 3, since a bonded wafer (bonded substrate) is immersed in an etching solution, a destructive inspection may be performed in manufacturing MEMS or the like.

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。   An object of the present invention is to provide an inspection apparatus and method capable of inspecting the bonding strength of a local bonded portion even when there is no gap at the bonded interface without destroying the bonded wafer. It is in.

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。   A wafer bonding strength inspection apparatus according to the present invention includes a sample stage that holds a bonded wafer, a terahertz wave generator that generates a terahertz wave, a terahertz wave detector that detects a terahertz wave transmitted or reflected by the bonded wafer, and a terahertz wave. An arithmetic unit that calculates the THz wave characteristic of the bonded wafer from the terahertz wave detected by the detector.

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。   The calculation unit calculates the bonding strength corresponding to the THz wave characteristic of the bonded wafer to be inspected from the relationship between the THz wave characteristic of the reference sample obtained in advance and the bonding strength.

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。   According to the present invention, it is possible to provide an inspection apparatus and method capable of inspecting the bonding strength of a local bonded portion even when there is no gap at the bonded interface without destroying the bonded wafer. Can do.

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。It is a figure which shows the structural example of the wafer bonding strength inspection apparatus of this invention. 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。It is a figure explaining the outline | summary of wafer level chip size packaging. 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。It is a figure explaining the state before joining of two Si (silicon) wafers. 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。It is a figure explaining the 1st joining state of two Si (silicon) wafers. 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。It is a figure explaining the 2nd joining state of two Si (silicon) wafers. 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。It is a figure explaining the 3rd joining state of two Si (silicon) wafers. 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。It is a figure explaining the example of the relationship between heat processing temperature and tensile strength about a joining wafer. 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。It is a figure explaining the example of the time waveform (time waveform of a terahertz wave) of the electric field strength at the time of making a THz wave permeate | transmit a bonded wafer. 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。It is a figure explaining the frequency power spectrum waveform obtained by carrying out the Fourier transform of the time waveform of FIG. 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。It is a figure explaining the relationship between heat processing temperature and THz wave transmittance | permeability about a joining wafer. 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。It is a figure explaining the relationship between terahertz wave transmittance | permeability and joining intensity | strength about a joining wafer. 透過測定法の例を説明する図である。It is a figure explaining the example of the transmission measuring method. 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。It is a figure explaining the time waveform of the electric field strength of the THz wave obtained by the transmission measurement method. 反射測定法の例を説明する図である。It is a figure explaining the example of the reflection measuring method. 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。It is a figure explaining the time waveform of the electric field strength of the THz wave obtained by the reflection measuring method. 反射測定法の他の例を説明する図である。It is a figure explaining the other example of the reflection measuring method. 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。It is a figure explaining the example of the measurement result by the reflection measuring method of FIG. 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。It is a figure explaining the example of the result of having measured the bonding strength of the bonded wafer by the wafer bonding strength test | inspection apparatus of this invention. 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。FIG. 14 is a diagram illustrating an example in which the result of FIG. 13 and another wafer bonding information image are displayed in an overlapping manner. 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。It is a figure explaining the example of the method of detecting only the scattered light of a terahertz wave by the transmission measurement method in the wafer bonding strength inspection apparatus of this invention. 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。It is a figure explaining the other example of the method of detecting transmitted light other than the scattered light of a terahertz wave by the transmission measurement method in the wafer bonding strength inspection apparatus of this invention. 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。It is a figure explaining the example of the method of detecting only the scattered light of a terahertz wave by the reflection measurement method in the wafer bonding strength inspection apparatus of this invention. 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。It is a figure explaining the other example of the method of detecting reflected light other than the scattered light of a terahertz wave by the reflection measurement method in the wafer bonding strength test | inspection apparatus of this invention. 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。It is a figure explaining the example of the wafer bonding strength test | inspection method of this invention.

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。   An example of an embodiment of a wafer bonding strength inspection apparatus 100 according to the present invention will be described with reference to FIG. The bonded wafer 200 to be inspected is formed by bonding a plurality of wafers (substrates), that is, by bonding them together. The bonding method of the bonded wafer 200 includes anodic bonding, direct bonding, plasma activated bonding, hybrid bonding, surface activated bonding, solder bonding, fusion bonding, eutectic bonding, glass frit bonding, indirect bonding with an adhesive, and the like. There are various ways. In direct bonding or the like, an adhesive is not used. For example, in eutectic bonding, gold (Au), solder, or the like is used as an adhesive. Among these methods, an optimal joining method is selected according to the device or material to be manufactured.

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(LiNbO)、タンタル酸リチウム(LiTaO)、サファイア(Al)、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(Al)、炭化ケイ素(SiC)、窒化ケイ素(Si)、窒化アルミニウム(AlN)、窒化ガリウム(GaN)、水晶、石英(SiO)、チタン(Ti)などがある。 The wafer material and adhesive before bonding differ depending on the device and method to be manufactured. Examples of the wafer material and adhesive include silicon (Si), gallium arsenide (GaAs), indium phosphide (InP), gallium phosphide (GaP), indium arsenide (InAs), and lithium niobate (LiNbO 3 ). , Lithium tantalate (LiTaO 3 ), sapphire (Al 2 O 3 ), gold (Au), platinum (Pt), silver (Ag), copper (Cu), aluminum (Al), tin (Sn), lead (Pb) ), Zinc (Zn), solder, aluminum oxide (Al 2 O 3 ), silicon carbide (SiC), silicon nitride (Si 3 N 4 ), aluminum nitride (AlN), gallium nitride (GaN), crystal, quartz (SiO 2 ) and titanium (Ti).

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。   In the wafer bonding strength inspection apparatus 100 according to the present invention, the bonding strength of the bonded portion (bonded interface) of the bonded wafer 200 is measured and inspected by terahertz waves. A terahertz wave (hereinafter referred to as a THz wave) refers to an electromagnetic wave of 0.1 to 100 THz. In the wafer bonding strength inspection apparatus 100 of this example, a THz wave having an optimum frequency band obtained by an experiment is selected corresponding to the bonding method of bonded wafers.

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。   In the wafer bonding strength inspection apparatus 100 of this example, generation and detection of THz waves are performed using a basic configuration of terahertz time domain spectroscopy (THz-TDS). Terahertz time-domain spectroscopy is a spectroscopic method that obtains a spectrum of an electromagnetic wave by Fourier-transforming a time waveform of an oscillating electric field intensity obtained by directly measuring the waveform of a terahertz wave. Terahertz time-domain spectroscopy is applied to various fields because it can obtain the amplitude, waveform and phase for each frequency of electromagnetic waves. The time waveform of the oscillating electric field intensity may be simply referred to as a THz wave time waveform. In the present invention, in order to detect the bonding strength, the time waveform of the THz wave may be obtained by terahertz time domain spectroscopy, but without obtaining the time waveform, only the peak value of the time waveform, that is, the maximum or minimum value. May be detected.

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。   In terahertz time domain spectroscopy, a transmission measurement method for detecting a THz wave transmitted through a sample and a reflection measurement method for detecting a THz wave reflected from the sample are known. In the present invention, either the transmission measurement method or the reflection measurement method may be used. Although the THz wave depends on conditions, it is permeable to compounds such as semiconductors and ceramics like radio waves, but is not permeable to metals. When the transmission measurement method is used, at least a part of the plurality of wafers constituting the bonded wafer 200 is formed of a material that transmits THz waves. When the reflection measurement method is used, among the plurality of wafers constituting the bonded wafer 200, the incident-side wafer is formed of a material that transmits THz waves, and the inner wafer is formed of a material that does not transmit THz waves. The Therefore, in the wafer bonding strength inspection apparatus 100 of this example, a bonded wafer 200 made of two or more wafers including at least one wafer made of a material that transmits THz waves is used as an inspection target. For example, a bonded wafer including a Si wafer that transmits THz waves to the outside is an inspection target. Examples thereof include a bonded wafer composed of an Si wafer and an Si wafer, a bonded wafer composed of an Si wafer and an Al wafer, and a bonded wafer composed of an Si wafer, an Au wafer, and an Si wafer.

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。   A wafer bonding strength inspection apparatus 100 includes a sample chamber 101, a personal computer (hereinafter referred to as PC) 102, a system controller 104, a femtosecond laser (ultrashort pulse laser) 106 including a beam splitter 108, and a bias power supply 110 with a modulation function. And a time delay stage 112 having a movable mirror 114 capable of linear movement 116, a lock-in amplifier 118, a preamplifier 120, a sample stage controller 122, and a sample chamber adjustment management device 124.

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。   Each unit in the wafer bonding strength inspection apparatus 100, that is, a femtosecond laser 106, a bias power supply 110 with a modulation function, a time delay stage 112, a lock-in amplifier 118, a sample stage controller 122, and a sample chamber adjustment management device 124, It is connected to the system controller 104 via a cable 130. Dashed lines represent electrical connections.

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。   The system controller 104 performs control for operating the function of each unit in the wafer bonding strength inspection apparatus 100 in accordance with a command from the PC 102 or a program or trigger incorporated in the PC 102 in advance. The operator inputs a command related to the inspection of the bonding strength of the bonded wafer 200 to the system controller 104 via the PC 102. The wafer bonding strength inspection apparatus 100 inspects the bonding strength of the bonded wafer 200 in accordance with a command from the system controller 104. The result of the joint strength inspection is sent to the PC 102 via the system controller 104.

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。   In this example, the PC 102 is connected to the system controller 104, but a system higher than the PC 102 may be connected to the system controller 104. The display unit is not necessarily the PC 102, and may be an arbitrary device such as a monitor device or a display panel. In this case, the display unit is controlled by the system controller 104.

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。   The system controller 104 may include functions of the sample stage controller 122 and the sample chamber adjustment management device 124. In that case, the sample stage controller 122 and the sample chamber adjustment management device 124 are omitted. Furthermore, the system controller 104 and the PC 102 may be replaced by one control arithmetic device.

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。   In the sample chamber 101, a THz wave optical system 150 that generates and detects THz waves and a sample stage 160 that supports the bonded wafer 200 to be inspected are provided. The THz wave optical system 150 includes a THz wave generator 151, a THz wave projecting optical system 153, a THz wave receiving optical system 154, and a THz wave detector 157. The THz wave generator 151 is provided on the side wall of the sample chamber 101, and the THz wave detector 157 is provided on the bottom wall of the sample chamber 101. In this example, the optical axis of the THz wave generator 151 and the optical axis of the THz wave detector 157 are arranged so as to be orthogonal to each other so as not to match.

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。   The THz wave generator 151 includes a condenser lens 151a, a THz wave generation element 151b, and a lens 151c. The THz wave generating element 151b is configured by a photoconductive switch, a nonlinear optical crystal, or the like. The THz wave projecting optical system 153 includes an ellipsoidal mirror, a parabolic mirror, and the like. The THz wave receiving optical system 154 includes a parabolic mirror, a Winston cone mirror, and the like. A dotted line 138 in the THz wave optical system 150 indicates an optical path of the THz wave. The THz wave detector 157 includes a condenser lens 157a, a THz wave detection element 157b, and a lens 157c. The THz wave detection element 157b is configured by a photoconductive switch, a nonlinear optical crystal, or the like.

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。   The illustrated THz wave optical system 150 is an optical system for transmission measurement. In the transmission measurement method, the THz wave detector 157 is configured and arranged to detect a THz wave transmitted through the sample. In the case of the reflection measurement method, the THz wave detector 157 is configured and arranged to detect the THz wave reflected from the sample. For example, the THz wave detector 157 may be arranged on the same side of the sample as the THz wave generator 151 so that the THz wave reflected from the sample can be detected. Alternatively, an optical system for guiding the THz wave reflected from the sample to the THz wave detector 157 may be provided.

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。   In this example, the THz wave optical system 150 is provided with the THz wave light projecting optical system 153 and the THz wave light receiving optical system 154, so that the bonding strength of the local bonding portion of the bonded wafer 200 can be inspected.

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。   Between the femtosecond laser (ultra short pulse laser) 106 and the THz wave generator 151, an optical fiber 132 is provided as a femtosecond laser optical path. Between the femtosecond laser (ultrashort pulse laser) 106 and the time delay stage 112, an optical fiber 134 is provided as a femtosecond laser optical path. An optical fiber 136 is provided as a femtosecond laser optical path between the THz wave detector 157 and the time delay stage 112. In this example, femtosecond laser light is propagated through an optical fiber. Therefore, compared with the case of propagating through space, the alignment of the femtosecond laser optical system can be simplified, and at the same time, the apparatus can be miniaturized.

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。   Although a single THz wave optical system 150 may be provided in the sample chamber 101, a plurality of THz wave optical systems may be provided as long as the space of the sample chamber 101 allows. By providing a plurality of THz wave optical systems, the measurement time for scanning the entire surface of the bonded wafer 200 by THz wave irradiation is shortened.

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。   The sample stage 160 includes a chuck mechanism 161, a rotation mechanism 162, an elevating mechanism 163, and a horizontal mechanism 164, and is controlled by the sample stage controller 122 or the system controller 104. The chuck mechanism 161 is configured to place and fix the bonded wafer 200, and an adsorption method that sucks the back surface of the bonded wafer 200 with a differential pressure, a gripping mechanism method that sandwiches the edge of the bonded wafer 200, and the like may be used. The rotation mechanism 162 rotates and moves the bonded wafer 200 on the chuck mechanism 161. The lifting mechanism 163 moves the bonded wafer 200 on the chuck mechanism 161 up and down along the vertical direction. The horizontal mechanism 164 moves the bonded wafer 200 on the chuck mechanism 161 in a plane along the horizontal direction. The bonded wafer 200 is positioned by these mechanisms. That is, the irradiation position of the THz wave on the bonded wafer 200 is arranged at an arbitrary position in the sample chamber 101.

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。   When the entire surface of the bonded wafer 200 is scanned by THz wave irradiation, the bonded wafer 200 needs to be quickly moved with respect to the THz wave optical system. In this example, when the entire surface of the bonded wafer 200 is scanned by THz wave irradiation, the bonded wafer 200 can be linearly moved in the horizontal direction by the horizontal mechanism 164 while being rotated by the rotating mechanism 162. In this example, since the horizontal mechanism 164 and the rotating mechanism 162 are provided on the sample stage 160, the bonded wafer 200 is more resistant to the THz wave optical system than when only the horizontal mechanism 164 is provided. It can be moved quickly. Therefore, it is possible to scan at high speed within the range allowed by the sampling time of the THz wave.

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。   According to the present invention, the bonded wafer 200 is not in contact with anything other than the mounting portion of the chuck mechanism 161. Therefore, the bonded wafer 200 is not deformed or broken while the bonded strength of the bonded wafer 200 is measured by the wafer bonded strength inspection apparatus 100.

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。   The sample chamber 101 is further provided with a sample chamber adjustment management device terminal 172 and a sample chamber opening / closing mechanism 174. The sample chamber 101 has a sealed structure like a vacuum chamber. The internal space of the sample chamber 101 is maintained in an atmosphere of a vacuum state, a nitrogen filling state (nitrogen purge), or a dry air filling state (dry air purge) by the sample chamber adjustment management device 124 or an external device. When the bonded wafer 200 is loaded into the sample chamber 101 or when the bonded wafer 200 is unloaded from the sample chamber 101, the sample chamber opening / closing mechanism 174 is opened. When the bonded wafer 200 is loaded or unloaded, the sample chamber opening / closing mechanism 174 is closed.

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。   The sample chamber adjustment management device terminal 172 adjusts the atmosphere inside the sample chamber 101 such as a heater and an electronic cooler, and sensors for measuring the atmosphere inside the sample chamber 101 such as a pressure sensor, a thermometer, and a hygrometer. Has adjustment equipment. These sensors and adjustment devices are monitored and controlled by the sample chamber adjustment management device 124 installed outside the sample chamber 101, and further monitored and controlled by the system controller 104. For example, data measured by sensors is sent to the system controller 104 via the signal path 130. These data are displayed on the PC 102 or a monitor. The command sent to the system controller 104 via the PC 102 is sent to the sample room adjustment management device 124. A control signal from the sample chamber adjustment management device 124 is sent to the sample chamber adjustment management device terminal 172.

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。   By providing the sample chamber adjustment management device terminal 172 and the sample chamber adjustment management device 124, the internal space of the sample chamber 101 is maintained in a desired atmosphere. That is, since disturbances such as water vapor and temperature changes can be removed, the THz wave is stabilized.

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。   Next, the operation of the wafer bonding strength inspection apparatus 100 of the present invention will be described. The laser light oscillated by the femtosecond laser 106 is branched into the pump light 132a and the probe light 134a by the beam splitter 108, and propagates through the optical fibers 132 and 134, respectively.

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。   The pump light 132a is guided into the THz wave generator 151 as excitation light for generating THz waves. In other words, the pump light 132a is condensed by the condenser lens 151a and irradiated to the THz wave generating element 151b. A THz wave is generated by the THz wave generating element 151b. A modulated bias voltage from the bias power supply 110 with a modulation function is applied to the THz wave generating element 151b. Instead of modulating the bias voltage, a THz wave or femtosecond laser pump light 132a may be modulated by providing an optical chopper. The THz wave generating element 151b generates a white pulse wave having a predetermined frequency bandwidth. This frequency width depends on the THz wave generating element 151b.

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。   The THz wave generated from the THz wave generating element 151 b is radiated through the lens 151 c, collected by the THz wave projecting optical system 153, and enters the bonded wafer 200. The THz wave transmitted through the bonded wafer 200 is collected by the THz wave receiving optical system 154 and enters the THz wave detector 157. The THz wave incident on the THz wave detector 157 enters the THz wave detection element 157b via the lens 157c.

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。   On the other hand, the probe light 134 a is guided to the time delay stage 112 via the optical fiber 134. The function of the time delay stage 112 will be described later. Probe light 136 a from the time delay stage 112 propagates through the optical fiber 136. The probe light 136a is guided to the THz wave detector 157 as excitation light for THz wave detection. Similar to the pump light 132a, the probe light 136a is condensed by the condenser lens 157a and applied to the THz wave detecting element 157b.

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。   Thus, each pulse of the THz white pulse wave generated by the pump light 132a repeatedly reaches the one surface of the THz wave detection element 157b at a predetermined cycle. Each pulse of the probe light 136a from the femtosecond laser 106 repeatedly reaches the surface on the opposite side of the THz wave detecting element 157b with a predetermined period. The THz wave detection element 157b operates only when the probe light 136a is irradiated. That is, the THz pulse wave that has reached the THz wave detection element 157b is sampled by the probe light 136a.

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。   For each pulse of the THz pulse wave, sampling is performed by one pulse of the probe light 136a. The phase of the sampling point with respect to each pulse of the THz pulse wave corresponds to the time point when one pulse of the probe light 136a reaches the THz wave detection element 157b.

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。   A time delay stage 112 including a movable mirror 114 is provided in the optical path of the probe light 136a. The length of the optical path of the pump light 132a is constant, but the length of the optical path of the probe light 136a is movable.

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。   When there is an optical path difference between the optical path of the pump light 132a and the optical path of the probe light 136a, the time when the pump light 132a reaches the THz wave detecting element 157b and the probe light 136a reaches the THz wave detecting element 157b. Differences occur between time points. That is, a time delay occurs. When the movable mirror 114 is fixed at a predetermined position in the time delay stage 112, the time delay is constant. In this case, the phase of the sampling point is the same for each pulse of the THz pulse wave. For example, when the position of the movable mirror 114 of the time delay stage 112 is fixed so that the optical path of the pump light 132a and the optical path of the probe light 136a have the same length, the peak value of each pulse of the THz pulse wave, that is, The maximum or minimum value is the sampling point. This will be described in detail later.

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。   The optical path difference between the pump light 132a and the probe light 136a is continuously changed by continuously moving the movable mirror 114 straightly in the time delay stage 112. That is, the time delay changes continuously. In this case, the phase of the sampling point continuously changes with respect to each pulse of the THz pulse wave. Therefore, a plurality of data having different sampling point phases for each pulse of the THz pulse wave is obtained. By plotting this data, a time waveform representing each pulse of the THz pulse wave is obtained.

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。   When the probe light 136a is irradiated, the THz wave detection element 157b generates a detection current proportional to the oscillating electric field of the THz wave. The detection current is amplified by the preamplifier 120 and converted into a voltage. The amplified voltage signal from the preamplifier 120 is sent to the lock-in amplifier 118 in order to improve the S / N ratio. The lock-in amplifier 118 performs synchronous detection by using a modulation function of the bias power supply 110 or a modulation signal by an optical chopper provided in the THz wave generator 151.

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。   The system controller 104 obtains the time waveform or peak value of the THz wave from the detection signal from the lock-in amplifier 118. That is, when measurement is performed with the position of the movable mirror 114 of the time delay stage 112 fixed so that the optical path of the pump light 132a and the optical path of the probe light 136a have the same length, the peak value of the THz wave is obtained. . When measurement is performed while the movable mirror 114 of the time delay stage 112 is continuously moved, a time waveform of a THz wave, that is, a profile is obtained.

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。   With reference to FIG. 17, a wafer bonding strength inspection method using the wafer bonding strength inspection apparatus 100 of the present invention will be described. In step S101, THz wave characteristic data is acquired for the standard sample. The operator prepares a plurality of bonded wafers 200 or bonded portions having different bonding strengths as standard samples. This standard sample is irradiated with a THz wave by the wafer bonding strength inspection apparatus 100 of this example, and the time waveform or peak value of the THz wave is measured. Various THz wave physical characteristics with respect to the standard sample can be obtained from the time waveform or the peak value. This is calculated as THz wave characteristic data.

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。   Here, the THz wave characteristic data includes terahertz wave transmittance, reflectance, absorption spectrum, absorbance, polarization state, phase, complex refractive index, complex dielectric constant, complex conductivity, scattering intensity, scattering range, and the like. .

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。   In step S102, the bonding strength of the standard sample is measured by a tensile tester or other inspection method. When the THz wave characteristic data and the bonding strength data are obtained for the standard sample in this way, they are stored in the memory of the system controller 104 via the PC 102 or the host device.

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。   In step S103, the relationship between the THz wave characteristic data and the bonding strength is calculated for the standard sample. The system controller 104 calculates and records the relationship between the THz wave characteristic data and the bonding strength for the standard sample. The relationship between the THz wave characteristic data and the bonding strength may be expressed by a graph, a formula, or a table. An example of a method for calculating the relationship between THz wave characteristic data and bonding strength will be described later with reference to FIG.

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。   In step S <b> 104, the operator obtains THz wave characteristic data of the bonded wafer 200 or the bonded portion to be inspected using the wafer bonding strength inspection apparatus 100 of the present example. The worker sends the THz wave characteristic data to be inspected to the system controller 104 via the PC 102 or the host device.

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。   In step S105, the bonding strength to be inspected is obtained using the relationship between the THz wave characteristic data and the bonding strength obtained for the standard sample. That is, the bonding strength corresponding to the THz wave characteristic data to be inspected is read from the relationship between the THz wave characteristic data and the bonding strength obtained for the standard sample.

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。   In step S106, the system controller 104 determines whether or not the THz wave characteristic data obtained from the standard sample is within the normal range. The operator sets in advance a normal range of THz wave characteristic data corresponding to normal bonding strength via the PC 102 or a host device, and stores it in the system controller 104. The determination result is displayed on the PC 102 or the display device.

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。   The standard sample and the sample to be inspected are preferably the same in material and bonding method, but the structure, dimensions, etc. are not necessarily the same. For example, when the joint portion of the standard sample is the entire surface, the joint portion of the sample to be inspected may have a lattice shape.

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。   According to the present invention, since the relationship between the THz wave characteristic data obtained in advance for the standard sample and the bonding strength is used, the bonding strength of the inspection target sample can be obtained without destroying the inspection target sample. That is, the standard sample may be destroyed, but it is not necessary to destroy the sample to be inspected.

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。   According to the present invention, the sample to be inspected is supported by the sample stage 160. The sample to be inspected does not come into contact with the constituent members of the wafer bonding strength inspection apparatus 100 except for the support portion by the sample stage 160. Furthermore, it is not necessary to immerse the inspection target sample in a chemical such as an etching solution. Therefore, it is possible to measure the bonding strength of the inspection target sample without deforming or destroying the inspection target sample.

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。   According to the present invention, the THz wave characteristic of the sample to be inspected is obtained using the basic configuration of terahertz time domain spectroscopy. Therefore, it is possible to measure the bonding strength of the sample to be inspected regardless of whether a gap is generated at the bonding interface.

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。   According to the present invention, a sample to be examined is irradiated with terahertz waves using the basic configuration of terahertz time domain spectroscopy. Therefore, it is possible to measure the bonding strength of any local region of the sample to be inspected.

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。   An overview of wafer level chip size packaging (wafer level CSP) will be described with reference to FIG. First, a sealing wafer 201 for forming a sealing resin layer and a MEMS wafer 202 that has been processed are prepared. Two wafers 201 and 202 are bonded to form a bonded wafer 200. Next, the bonded wafer 200 is diced to form a chip size package 203. Through wiring is performed on this. In the wafer level CSP, external terminals and a sealing resin layer are formed before dicing, that is, at the wafer stage.

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。   The principle of direct bonding of two Si wafers 301 and 302 will be described with reference to FIGS. 3A, 3B, 3C, and 3D. In the direct bonding, the two Si wafers 301 and 302 are bonded by hydrophilic treatment and heat treatment (heating). FIG. 3A shows the state S0 before joining. The surfaces of the Si wafers 301 and 302 are slightly oxidized with water and chemicals to form thin oxide films 301a and 302a. Further, a surface treatment (hydrophilization treatment) is performed to attach a large number of hydroxyl groups (OH groups) 311 to the surfaces of the oxide films 301a and 302a.

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。   The first bonding state S1 shown in FIG. 3B shows a state immediately after bonding at room temperature or a state where low-temperature heat treatment is performed. The surfaces of the two wafers 301 and 302 that have been subjected to hydrophilic treatment are bonded to each other at room temperature or by low-temperature heat treatment. Thereby, hydrogen bonds 312 are generated between the surfaces of the oxide films 301a and 302a and the OH groups.

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。   The second bonding state S2 shown in FIG. 3C shows a state in which an intermediate temperature heat treatment is performed. When an intermediate temperature heat treatment is performed, the dehydration condensation reaction 313 proceeds and the bonding strength increases.

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。   A third bonding state S3 shown in FIG. 3D shows a state in which a high-temperature heat treatment is performed. When heat treatment is performed at a high temperature, the dehydration condensation reaction 313 further proceeds, oxygen (O) is bonded to Si 314, and the bonding strength is that of Si itself (covalent bond).

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。   FIG. 4 shows a curve 401 representing the relationship between the heat treatment temperature and the tensile strength obtained for the standard bonded wafer 200. The vertical axis represents the tensile strength (MPa) measured using a tensile tester. The horizontal axis is the heat treatment temperature (° C.). A plurality of bonded wafers 200 are prepared and bonded by direct bonding, and heat treatment is performed so that the first, second, and third bonded states described with reference to FIGS. 3B, 3C, and 3D are obtained. did. The tensile strength of these bonded wafers 200 was measured with a tensile tester. The tensile strength is weak in the first bonding state S1 (the heat treatment temperature is lower than T1), but the tensile strength is strong in the second bonding state S2 (the heat treatment temperature is T1 or more and T2 or less). Furthermore, in the third bonding state S3 (the heat treatment temperature is higher than T2), the tensile strength is higher and is approximately the same as the bonding strength P2 of the base material Si. It has been shown that the bonding strength increases with increasing heat treatment temperature.

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。   FIG. 5 shows a curve representing the time waveform (waveform of the oscillating electric field) of the electric field strength obtained for the bonded wafer 200 of the standard sample. The vertical axis represents electric field strength (arbitrary unit au), and the horizontal axis represents time (picoseconds). A plurality of bonded wafers 200 were prepared, and heat treatment was performed so that the first and third bonded states described with reference to FIGS. 3B and 3D were obtained. With respect to these bonded wafers 200, a THz wave of a predetermined frequency band was transmitted by a wafer bonding strength inspection apparatus according to the present invention, and the electric field strength was measured. The electric field strength is an average value at a plurality of arbitrary points on each bonded wafer 200.

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。   In the measurement experiment of this example, in order to obtain the time waveform of the electric field strength, the movable mirror 114 of the time delay stage 112 was continuously moved to measure the electric field strength.

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。   A dashed curve 501 shows the measurement result of the bonded wafer 200 in the first bonded state S1. A solid curve 502 indicates a measurement result of the bonded wafer 200 in the third bonded state S3. At the time point t1, the optical path lengths of the pump light and the probe light coincide with each other, the THz wave intensity reaches a peak, that is, maximum or minimum, and each electric field intensity reaches a peak value. The THz wave has energy corresponding to an intermolecular interaction due to hydrogen bonding or the like. When the bonded wafer 200 is irradiated with THz waves, it is absorbed by hydrogen bonds and OH groups. Therefore, the peak value E1 of the time waveform 501 obtained from the bonded wafer 200 in the first bonded state S1 is smaller than the peak value E2 of the time waveform 502 obtained from the bonded wafer 200 in the third bonded state.

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。   FIG. 6 is a curve showing a power spectrum obtained by Fourier transform of the time waveform of the electric field strength shown in FIG. The vertical axis represents amplitude (arbitrary unit au), and the horizontal axis represents frequency (THz). A broken curve 601 indicates a power spectrum obtained by performing Fourier transform on the time waveform 501 (FIG. 5) obtained from the bonded wafer 200 in the first bonded state S1. A solid curve 602 indicates a power spectrum obtained by performing Fourier transform on the time waveform 502 (FIG. 5) obtained from the bonded wafer 200 in the third bonded state S3.

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。   As shown in the figure, the power spectrum 601 obtained from the bonded wafer 200 in the first bonded state is broader in each frequency band than the power spectrum 602 obtained from the bonded wafer 200 in the third bonded state. There is.

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。   FIG. 7 shows a curve 701 representing the relationship between the heat treatment temperature and the THz wave transmittance obtained for the standard bonded wafer 200. The vertical axis represents THz wave transmittance (%), and the horizontal axis represents heat treatment temperature (° C.). A plurality of bonded wafers 200 were prepared and heat-treated so as to be in the first, second, and third bonded states described with reference to FIGS. 3B, 3C, and 3D. With respect to these bonded wafers 200, THz waves were transmitted by a wafer bonding strength inspection apparatus according to the present invention, and THz wave transmittance was measured. The transmittance is a relative value (%) of the measured value of the electric field intensity of the THz wave obtained from each bonded wafer 200 with respect to the reference value of the electric field intensity of the THz wave transmitted through the bonded wafer 200. The reference value may be a measurement value in the case of no sample, or a measurement value in the case of a non-bonded wafer of the same material having the same thickness as the bonded wafer. Further, in this measurement experiment, the electric field strength was measured in a state where the movable mirror 114 of the time delay stage 112 was fixed at a position where the optical path lengths of the pump light 132a and the probe light 136a coincided. Therefore, the maximum value or the minimum value of the electric field strength was obtained. For example, the transmittance was obtained by calculating the ratio of the measured value to the reference value using the peak values E1 and E2 of the time waveform at the time point t1 shown by the curve in FIG.

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。   As shown in the figure, in the first bonding state S1 (the heat treatment temperature is lower than T1), the THz wave transmittance is low, and in the second bonding state S2 (the heat treatment temperature is T1 or more and T2 or less), the THz wave is transmitted. In the third bonding state S3 (the heat treatment temperature is higher than T2), the transmittance is slightly higher, and the transmittance of the THz wave is higher and is similar to the THz wave transmittance TR2 of the base material (Si). As described above, the THz wave transmittance varies depending on the heat treatment temperature of the bonded wafer 200.

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。   When measurement is performed with the movable mirror 114 of the time delay stage 112 fixed, there is an advantage that mechanical driving is only the operation of the sample stage 160. Furthermore, since only the peak value of the electric field strength is obtained, the transmittance calculation process can be performed at a higher speed than when the time waveform of the electric field strength is obtained.

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。   However, the transmittance in an arbitrary frequency band can be obtained by continuously moving the movable mirror 114 of the time delay stage 112 and obtaining the time waveform of the electric field intensity. For example, after obtaining the spectrum intensity of the THz wave shown in FIG. 6, the transmittance can be obtained by calculating the ratio of the measured value to the reference value at an arbitrary frequency.

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。   FIG. 8 shows a curve 801 representing the relationship between the THz wave transmittance and the bonding strength obtained for the standard bonded wafer 200. The vertical axis represents the bonding strength (Mpa), and the horizontal axis represents the THz wave transmittance (%). Note that the bonding strength (Mpa) on the vertical axis is the tensile strength measured by a tensile test. That is, the tensile strength was regarded as the bonding strength. The solid curve 801 was obtained from the relationship between the heat treatment temperature and tensile strength in FIG. 4 and the relationship between the heat treatment temperature and THz wave transmittance in FIG.

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。   From this curve 801, an expression representing a function of bonding strength with THz wave transmittance as a variable can be obtained approximately. In the wafer level chip size packaging described with reference to FIG. 2, a lower heat treatment temperature is preferable. For this reason, the entire surface of the bonded wafer 200 may not be heated to such a high temperature (heat treatment temperature T2 in FIG. 4) that the third bonded state S3 is obtained. Even in such a case, a bonding strength of a local portion of the bonded wafer 200 can be obtained by creating an expression representing the curve 801. For example, the junction strength P3 when the transmittance of the THz wave is TR3 is obtained on the curve of FIG. Thus, since the bonding strength of the local part of the bonded wafer can be obtained, the reliability of the bonded portion can be ensured in the manufacturing process.

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。   The accuracy of the curve 801 depends on the experimental accuracy of the tensile test of FIG. 4 and the THz wave transmittance measurement test of FIG. Therefore, it is preferable that the number of bonded wafers that are standard samples is statistically sufficient. The standard sample may be a part of the bonded wafer 200, but preferably has no gap. As shown in the curves of FIGS. 4 and 7, in the second bonding state S2, the fluctuations in the tensile test and the THz wave transmittance are large. In such a case, the bonding strength of the bonded wafer differs for each local site. Therefore, statistical processing such as obtaining a plurality of THz wave characteristic data from a plurality of measurement times or a plurality of measurement sites and calculating an average value thereof is required.

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。   In this example, the case where the transmittance of the terahertz wave was measured for the standard sample joined by direct joining was described. From the transmittance of the standard sample thus obtained, it is possible to detect the hydrogen bond and OH group THz wave absorption, phase change, difference from the covalent bond, and the like for the bonded wafer 200 by wafer level chip size packaging. For example, it is known that when a hydrogen bond and an OH group are present, a sharp peak (spectrum peak) is obtained with respect to a THz pulse wave in a specific frequency region.

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。   However, in the case of a bonded wafer bonded by another bonding method, parameters other than the terahertz wave transmittance may be measured as THz wave characteristic data. As THz wave characteristic data, select at least one of reflectance, absorption spectrum, absorbance, polarization state, phase, complex refractive index, complex dielectric constant, complex conductivity, scattering intensity, scattering range of terahertz wave, and these The curve 801 or a relational expression thereof may be obtained by statistical processing of the data. Further, it is preferable to design an optimum THz wave optical system for the bonding method and material.

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。   Here, an example was described in which the tensile strength (MPa) was measured using a tensile tester and was used as the joint strength. However, the bonding strength may be calculated by other bonding strength measurement methods, and for example, may be calculated from the bonding strength measurement result using an etching solution as in Patent Document 3.

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。   4 to 8 show the results obtained for the standard sample bonded wafer 200. FIG. However, a curve similar to the curves in FIGS. 5 and 6 is also obtained for the bonded wafer 200 of the sample to be inspected.

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。   With reference to FIG. 9A, a transmission measurement method for detecting a THz wave transmitted through a sample will be described. The bonded wafer 900 was formed by bonding wafers 901 and 902 made of two different materials that can transmit THz waves. The THz wave is reflected at the boundary surface where there is a large difference in the refractive index of the THz band. When there is a large difference in refractive index in the THz band between the materials of the two wafers 901 and 902, the THz wave is reflected at the boundary surface 903. There is a large difference in the refractive index in the THz band even at the boundary surface 904 between the first wafer 901 and the space above it. Even at the boundary surface 905 between the second wafer 902 and the space below it, there is a large difference in refractive index in the THz band. Even at these boundary surfaces 904 and 905, the THz wave is reflected. The upper and lower spaces of the bonded wafer 900 are, for example, the atmosphere in the sample chamber 101.

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。   In this example, a THz wave is incident from the upper boundary surface 904. THz waves are transmitted through or reflected from the boundary surfaces 904, 903, and 905, respectively, and radiate from the lower boundary surface 905.

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。   The optical path L1 indicates a case where the THz wave is not reflected at the boundary surface and passes through the bonded wafer 900 as it is. The optical path L2 shows a case where the THz wave is reflected by the boundary surface 903, and the reflected wave is reflected by the upper boundary surface 904 and then radiated from the lower boundary surface 903. In the optical path L3, the THz wave passes through the two boundary surfaces 904 and 903, is reflected by the lower boundary surface 905, and the reflected wave is reflected by the boundary surface 903 and then radiated from the lower boundary surface 905. Shows the case. The optical path L4 shows a case where the THz wave is reflected from the lower boundary surface 905, and the reflected wave is reflected from the upper boundary surface 904 and then radiated from the lower boundary surface 905.

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。   Since the boundary surface 903 is sufficiently thin, for example, the THz wave optical path is incident on the boundary surface 903 from the upper side and is reflected on the upper surface of the boundary surface 903, and is incident on the boundary surface 903 from the upper side and is reflected on the lower surface of the boundary surface 903. The optical paths of the THz waves are drawn overlapping each other.

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。   FIG. 9B shows a time waveform 910 of the electric field strength of the THz wave obtained by the transmission measurement method. The electric field strength peak 911 at time t1 corresponds to the THz wave that has passed through the optical path L1 in FIG. 9A. The electric field strength peak 912 at time t2 corresponds to the THz wave that has passed through the optical path L2 in FIG. 9A. The electric field strength peak 913 at time t3 corresponds to the THz wave that has passed through the optical path L3 in FIG. 9A. The electric field strength peak 914 at time t4 corresponds to the THz wave that has passed through the optical path L4 in FIG. 9A.

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。   When there is a large difference in refractive index in the THz band between the materials of the two wafers 901 and 902, a plurality of optical paths L1 to L4 are generated. There is substantially an optical path difference between these optical paths L1 to L4. Therefore, the time points t1, t2, t3, and t4 at which the peaks 911 to 914 appear correspond to the optical path difference. Further, the amplitude and shape of the waveforms of these peaks 911 to 914 are different from each other. For example, the peak 914 waveform is inverted with respect to the peak 911 waveform.

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。   When the movable mirror 114 of the time delay stage 112 is fixed, only the maximum value or the minimum value of the electric field strength of the THz wave is obtained. In order to obtain the transmittance, the relative value (%) of the measured value with respect to the reference value is calculated using the maximum value or the minimum value. Here, the maximum value or the minimum value may be the maximum peak 911, but may be other peak values 912 to 914.

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。   When the materials of the two wafers 901 and 902 are the same and the thicknesses of both are the same, the peaks 912 and 913 of the time waveform due to the THz wave propagating through the two optical paths L2 and L3 overlap. Therefore, by fixing the position of the movable mirror 114 of the time delay stage 112 at that time, the joint surface can be focused. In this case, the state of the joint can be detected sensitively.

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。   Even when the shape and thickness of the wafer before bonding are not uniform, the amplitude and shape of the waveform of the electric field strength of the THz wave vary irregularly. In particular, in the case of a material having a high refractive index, the waveform disturbance caused by the variation in the thickness of the wafer before bonding is larger than the waveform disturbance caused by the difference in refractive index at the bonded portion. In this case, it is difficult to find the maximum peak 911. Therefore, it is preferable to measure the electric field strength while moving the movable mirror 114 of the time delay stage 112 little by little to find the peak value of the electric field strength.

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。   When the movable mirror 114 of the time delay stage 112 is moved, a time waveform of the electric field strength of THz wave is obtained. In order to obtain the transmittance, the relative value (%) of the measured value with respect to the reference value may be calculated using the maximum value or the minimum value obtained from the time waveform. Furthermore, the frequency spectrum shown in FIG. 6 can be obtained from the time waveform. Therefore, the transmittance can be obtained for each frequency region.

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。   However, when a frequency spectrum is obtained by performing Fourier transform on a time waveform 910 including irregular fluctuation components as shown in FIG. 9B, the amplitude fluctuates in a plurality of frequency regions instead of the monotonous curve as shown in FIG. It becomes a wavy curve. In such a curve, it is necessary to remove interference components caused by differences in wavelength, sample thickness, and refractive index. After removing the interference component in this way, the transmittance at any frequency can be obtained by calculating the ratio of the measured value to the reference value at any frequency.

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。   A reflection measurement method for detecting a THz wave reflected from a sample will be described with reference to FIG. 10A. The bonded wafer 1000 of this example is formed by bonding a wafer 1001 made of a material that can transmit THz waves and a material that cannot transmit THz waves, for example, a wafer 1002 made of metal.

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。   In this example, THz waves are incident from the upper boundary surface 1004. The THz wave is incident on the upper boundary surface 1004 at a predetermined incident angle. The incident THz wave reflects off the boundary surfaces 1004 and 1003 and radiates from the upper boundary surface 1004.

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。   The optical path L11 shows a case where the THz wave is reflected by the upper boundary surface 1004 and the reflected wave is radiated to the incident side as it is. The optical path L12 shows a case where a THz wave is refracted and incident on the upper boundary surface 1004, reflected by the boundary surface 1003, and the reflected wave is refracted by the upper boundary surface 1004 and emitted to the incident side. In the optical path L13, the THz wave is refracted and incident at the upper boundary surface 1004, reflected by the boundary surface 1003, the reflected wave is reflected by the upper boundary surface 1004, and the reflected wave is reflected again by the boundary surface 1003. In this case, the reflected wave is refracted at the upper boundary surface 1004 and radiated to the incident side.

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。   FIG. 10B shows a time waveform 1010 of the electric field strength of the THz wave obtained by the reflection measurement method. The electric field intensity peak 1011 at time t11 corresponds to the THz wave that has passed through the optical path L11 in FIG. 10A. The electric field strength peak 1012 at time t12 corresponds to the THz wave that has passed through the optical path L12 in FIG. 10A. The electric field intensity peak 1013 at time t13 corresponds to the THz wave that has passed through the optical path L13 in FIG. 10A.

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。   Even if the THz wave characteristic data is obtained using the peak value 1011 of the time waveform at time t11 in FIG. 10B, the state of the joint cannot be detected, but for example, obtaining a reference value such as reflectance it can. The state of the joint can be detected by obtaining the THz wave characteristic data using the peak values 1012, 1013 of the time waveform at time points t12, t13 in FIG. 10B. For example, by fixing the position of the movable mirror 114 of the time delay stage 112 at the time points t12 and t13, the joint surface can be focused. In this case, the state of the joint can be detected sensitively.

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。   FIG. 11 illustrates another example of a high-speed reflection measurement method for detecting a THz wave reflected from a sample. The bonded wafer 1100 of this example is formed by bonding a wafer 1101 made of a material that can transmit THz waves and a wafer 1102 made of a material that cannot transmit THz waves. Further, a mirror 1106 is disposed on the upper surface of the bonded wafer 1101.

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。   In this example, a THz wave is incident from the upper boundary surface 1104. The THz wave is reflected after being sequentially reflected by the boundary surface 1103 and the mirror 1106.

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。   An optical path L15 indicates a case where a THz wave is refracted and incident on the upper boundary surface 1104, reflected one after another from the boundary surface 1103 and the mirror 1106, and radiated to the opposite side to the incident side. In this example, the THz wave can be detected at the end of the bonded wafer 1100 and the state of the bonded portion 1103 can be detected.

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。   With reference to FIG. 12, an example of the measurement result by the high-speed reflection measurement method will be described. FIG. 12 schematically illustrates the bonded wafer 200 as viewed from above. Here, the bonding strength of the bonded wafer 200 was determined by the high-speed reflection measurement method using the THz wave optical system shown in FIG. In a MEMS wafer, a three-dimensional laminated device, and the like, the joints are often in a lattice shape rather than the entire surface. Therefore, it is possible to reduce the time for inspection of the bonding strength by scanning only the lattice-shaped region rather than scanning the entire surface of the bonded wafer 200. The first optical path Lx is incident along the xz plane and shows a state where the optical path of the emitted THz wave is viewed from above. The second optical path Ly is incident along the yz plane and shows a state where the optical path of the emitted THz wave is viewed from above.

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。   The arrow indicates the direction of the THz wave. The THz wave incident on the bonded wafer 200 is radiated after reflecting the bonded surface and the mirror in order along the arrow a plurality of times. A measurement result of the bonding strength is obtained along the first and second optical paths Lx and Ly on the bonded wafer 200. A circle mark at the tip of the arrow indicates that the measurement result is in a normal range of the bonding strength set in advance. The x mark at the tip of the arrow indicates that the measurement result is not within the normal range of the bonding strength set in advance. For example, the measurement result 1201 along the first optical path Lx and the measurement result 1202 along the second optical path Ly are not in the normal range. Therefore, the bonding strength of the intersection 1203 between the two optical paths is not in the normal range. Therefore, it is necessary to examine in detail the bonding state of this portion 1203. While moving the position of the movable mirror 114 of the time delay stage 112, that is, by obtaining a waveform profile including the peak of the time waveform, it can be confirmed that the bonding strength of this portion 1203 is weak.

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。   In this example, since the THz wave reflects the bonding surface of the bonded wafer 200 and the mirror disposed thereon multiple times, the THz wave reaching the THz wave detector 157 is attenuated. Therefore, the detection accuracy by the THz wave detector 157 decreases. Furthermore, the information obtained by detecting the THz wave is obtained by averaging information at each reflection point. Therefore, it may be devised to reduce the number of reflections of THz waves on the joint surface and the mirror. For example, the measurement is performed not along the optical path from one edge to the other edge of the bonded wafer 200 but along the half of the optical path. Thereby, half of the bonded wafer 200 is measured. Furthermore, the number of reflections can also be reduced by reducing the incident angle of the THz wave or reducing the size of the mirror.

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。   FIG. 13 shows an example of the measurement result of the bonding strength of the bonded wafer 200 to be inspected. In the measurement experiment of this example, the position of the movable mirror 114 of the delay unit 112 is fixed so that the electric field strength of the THz wave becomes a peak value during the reference measurement. The transmittance was obtained by scanning the entire surface of the bonded wafer 200 placed on the sample stage 160 by THz wave irradiation. The bonding strength corresponding to the transmittance of the THz wave thus obtained was calculated from the curve 801 shown in FIG. The distribution of the bonding strength obtained in this way is shown by contour lines. It is shown that the bonding strength is strong in the region 1301, the bonding strength is slightly weak in the region 1302, and the bonding strength is weak in the region 1303.

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。   In addition, you may display the area | region where joining strength is normal, and the area | region where it is not normal by a different color. For example, an area where the bonding strength is not normal may be displayed in red or the like. Thus, by distinguishing whether or not the bonding strength is normal, the operator can easily recognize which region of the bonded wafer 200 has the normal bonding strength and which region has the normal bonding strength. can do. Furthermore, it may be displayed by the host device so that the normal or abnormal bonding strength can be easily recognized.

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。   When measuring the bonding strength, the movable mirror 114 of the time delay stage 112 was fixed at a predetermined position as described above. That is, it is not necessary to obtain only the peak value of the time waveform of the electric field strength and obtain the profile of the time waveform of the electric field strength. Therefore, it is not always necessary to use the basic configuration of terahertz time-domain spectroscopy (THz-TDS). You may measure with apparatuses other than the THz wave generator 151 and the THz wave detector 157 used by the basic composition of terahertz time domain spectroscopy.

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。   FIG. 14 shows the result of superimposing the void image 1401 on the bonding strength image 1300 in FIG. A void image 1401 is obtained by installing a camera in the wafer bonding strength inspection apparatus 100 of this example and imaging the same bonded wafer 200 using illumination of visible light or near infrared light. By superimposing the void image 1401 on the bonding strength image 1300 in FIG. 13, distribution information of gaps (voids, gaps) in the bonded wafer 200 can be obtained. For example, by overlapping the void 1402 and the void 1403 on the contour line 1300 of the bonding strength distribution, it can be confirmed that the portion 1303 having a low bonding strength is distributed around the void 1402.

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。   Instead of the void image 1401, an image having various information may be used. Such an image may be obtained by photographing with an external device. For example, it may be an image having information such as the thickness and shape of the wafer. Thus, by superimposing other images having various information on the bonding strength image 1300, the relationship between the bonding strength distribution and other information can be easily understood.

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。   When this image is displayed on the PC 102 or the monitor, a cursor 1404 indicated by an arrow is displayed. The operator places the cursor 1404 at a desired position, for example, an abnormal part or an anxious position, and clicks it. Thereby, the time waveform (FIG. 5) and spectrum waveform (FIG. 6) by THz-TDS can be measured for the position, or the already measured result can be displayed. The measurement results shown in FIGS. 12, 13, and 14 are displayed on the PC 102, the display unit, and the like.

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。   In the wafer bonding strength inspection apparatus and method according to the present invention, THz wave characteristics include terahertz wave transmittance, reflectance, absorption spectrum, absorbance, polarization state, phase, complex refractive index, complex dielectric constant, complex conductivity, and scattering. Intensity, scattering range, etc. are obtained. The method for obtaining the transmittance of the terahertz wave has already been described. The transmittance of the terahertz wave is obtained by the transmission measurement method shown in FIG. 9A. Hereinafter, a method for obtaining other THz wave characteristics will be described. The reflectivity of the terahertz wave is obtained by the reflection measurement method shown in FIGS. 10A and 11. The reflectance of the terahertz wave is a relative value (%) of the measured value of the electric field strength of the THz wave obtained from each bonded wafer 200 with respect to the reference value of the electric field strength of the THz wave reflected from the bonded wafer 200. The reference value may be a measurement value in the case of no sample, or a measurement value in the case of a non-bonded wafer of the same material having the same thickness as the bonded wafer.

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。   The absorption spectrum of the terahertz wave is obtained by taking a common logarithm of the ratio of the spectrum obtained from each bonded wafer 200 with a reference spectrum as a baseline, and attaching a positive or negative sign thereto. The reference spectrum may be a measurement value in the case of no sample or a measurement value in the case of a non-bonded wafer of the same material having the same thickness as the bonded wafer.

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。   The absorbance of the terahertz wave can be obtained by a transmission measurement method, similarly to the transmittance. It is obtained by taking the common logarithm of the ratio of the measured value to the reference value of the electric field intensity of the THz wave and attaching a positive or negative sign thereto.

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。   The polarization state of the terahertz wave is measured by using a polarizing plate. For example, a polarizing plate such as wire grit is mounted on a THz light receiving system, and a change in electric field strength is measured when the polarizing plate is rotated. Thereby, it is possible to detect a state of a light wave having a regular vibration direction. In this case, a change in the polarization state of the THz wave due to the residual stress at the joint is detected.

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。   The phase of the terahertz wave is a dimensionless quantity indicating the temporal and spatial positions of the terahertz wave. It can be measured by the peak position or pulse width in the time waveform and the spatial waveform.

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。   The complex refractive index of the terahertz wave is obtained from the time waveform and the amplitude spectrum of the reference value and the measured value. However, the time waveform is composed of a single waveform as shown in FIG. 5A and does not include a reflected wave as shown in FIG. 9B. The complex refractive index is expressed by the following equation.

Figure 0005580251
Figure 0005580251

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。   Here, ω is each frequency, n is the refractive index, and k is the wave number. Each term of this equation can be obtained from the following amplitude transmittance t (ω).

Figure 0005580251
Figure 0005580251

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。   Here, E: electric field (electric field strength), d: thickness of sample, c: speed of light, ω: each frequency, subscript sam, ref represents a measured value and a reference value (presence / absence of sample). In general, Equation 2 cannot be solved explicitly. Therefore, initial values of the real component and the imaginary component of the complex refractive index are set, and the difference is calculated until the real component converges. That is, the complex refractive index is obtained sequentially by appropriately modifying the formula.

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。   The complex permittivity is expressed by the following formula 3, and the complex conductivity is expressed by the following formula 4.

Figure 0005580251
Figure 0005580251

Figure 0005580251
Figure 0005580251

これらの式の各項は次の関係式から得られる。   Each term of these equations is obtained from the following relational expression.

Figure 0005580251
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。
Figure 0005580251
However epsilon represents the dielectric constant of the sample at a sufficiently high frequency, epsilon 0 is the vacuum permittivity.

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。   With reference to FIG. 15A, an example of a method for detecting only the scattered light of the terahertz wave in the transmission measurement method will be described. The THz wave receiving optical system 154 of this example includes a light-shielding diffuser plate 154A and a mirror 154B arranged so as to surround it. The mirror 154B includes a parabolic mirror, a Winston cone mirror, and the like, and has a center hole. The central holes of the light shielding diffuser 154 </ b> A and the mirror 154 </ b> B are disposed along the optical axis of the THz wave detector 157. The THz wave 141 from the THz wave generator 151 is applied to the bonded wafer 200. The transmitted light 142 other than the transmitted scattered light 143 is blocked by the light shielding diffuser 154 </ b> A and is prevented from reaching the THz wave detector 157. The transmitted scattered light 143 is reflected by the mirror 154B and reaches the THz wave detector 157. Of the transmitted scattered light 143, the THz wave reflected from the outside of the light shielding diffuser 154A is reflected again by the mirror 154B and reaches the THz wave detector 157. In this example, the THz wave detector 157 detects only transmitted scattered light. In this example, the influence of the intensity of the transmitted scattered light is detected as a change in transmittance. Transmitted scattered light can be detected as THz wave characteristics.

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。   With reference to FIG. 15B, another example of a method for detecting transmitted light other than the scattered light of the terahertz wave in the transmission measurement method will be described. The THz wave receiving optical system 154 of this example has an iris 154C. The central hole of the iris 154C is disposed along the optical axis of the THz wave detector 157. The THz wave 141 from the THz wave generator 151 is applied to the bonded wafer 200. The transmitted light 142 other than the transmitted scattered light 143 reaches the THz wave detector 157 via the center hole of the iris 154C. The transmitted scattered light 143 is blocked by the iris 154C and is prevented from reaching the THz wave detector 157. In this example, the THz wave detector 157 detects transmitted light other than transmitted scattered light. In this example, the transmittance can be detected without being affected by the intensity of the transmitted scattered light.

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。   With reference to FIG. 16A, an example of a method for detecting only the scattered light of the terahertz wave in the reflection measurement method will be described. The THz wave receiving optical system 154 of this example includes a light-shielding diffuser plate 154A and a mirror 154B arranged so as to surround it. The mirror 154B includes a parabolic mirror, a Winston cone mirror, and the like, and has a center hole. The central holes of the light shielding diffuser 154 </ b> A and the mirror 154 </ b> B are disposed along the optical axis of the THz wave detector 157. The THz wave 141 from the THz wave generator 151 is applied to the bonded wafer 200. The reflected light 144 other than the reflected scattered light 145 is blocked by the light shielding diffuser 154 </ b> A and is prevented from reaching the THz wave detector 157. The reflected scattered light 145 reflects the mirror 154B and reaches the THz wave detector 157. Of the reflected scattered light 145, the THz wave reflected from the outside of the light shielding diffuser 154 </ b> A is reflected again by the mirror 154 </ b> B and reaches the THz wave detector 157. In this example, the THz wave detector 157 detects only the reflected scattered light. In this example, the influence of the intensity of the reflected scattered light is detected as a change in transmittance. Reflected scattered light can be detected as THz wave characteristics.

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。   With reference to FIG. 16B, another example of a method of detecting reflected light other than the scattered light of the terahertz wave in the reflection measurement method will be described. The THz wave receiving optical system 154 of this example has an iris 154C. The central hole of the iris 154C is disposed along the optical axis of the THz wave detector 157. The THz wave 141 from the THz wave generator 151 is applied to the bonded wafer 200. The reflected light 144 other than the reflected scattered light 145 reaches the THz wave detector 157 via the center hole of the iris 154C. The reflected scattered light 145 is blocked by the iris 154C and is prevented from reaching the THz wave detector 157. In this example, the THz wave detector 157 detects reflected light other than the reflected scattered light. In this example, the transmittance can be detected without being affected by the intensity of the reflected scattered light.

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。   The wafer bonding strength inspection apparatus and method according to the present invention can be realized by the basic configuration of terahertz time domain spectroscopy (THz-TDS), that is, the THz wave optical system 150 shown in FIG. . However, if the bonding strength of the bonded wafer 200 can be inspected, it is not necessary to use the same configuration as the basic configuration of the terahertz time domain spectroscopy. For example, a configuration of another THz wave spectroscopic device such as a Fourier transform infrared spectrophotometer (FT-IR) may be used. For example, the THz generator (light source) may be a parametric oscillator, a THz quantum cascade laser, a backward wave tube, a Gunn diode, a resonant tunnel diode, a high-pressure mercury lamp, a far-infrared heater, a black body furnace, or the like. The THz detector may be a pyroelectric sensor, a bolometer, a Golay cell, a THz camera, or the like.

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。   Although the examples of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described examples, and it is easy for those skilled in the art to make various modifications within the scope of the invention described in the claims. Will be understood.

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
100: Wafer bonding strength inspection device,
101: Sample chamber,
102: PC,
104: system controller,
106: femtosecond laser,
108: Beam splitter,
110: Bias power supply with modulation function
112: Time delay stage,
114: movable mirror,
116: Operation direction of the movable mirror (straight operation),
118: Lock-in amplifier,
120: Preamplifier
122: Sample stage controller,
124: Sample chamber adjustment management device,
130: Electrical connection with system controller,
132: optical fiber (femtosecond laser beam path),
132a: pump light,
134: optical fiber (femtosecond laser beam path),
134a: probe light,
136: optical fiber (femtosecond laser beam path),
136a: probe light,
138: THz wave optical path 141: THz wave,
142: transmitted light,
143: transmitted scattered light,
145: reflected scattered light,
144: reflected light,
150: THz wave optical system 151: THz wave generator,
151a: Condensing lens,
151b: THz wave generating element,
151c: lens,
153: THz wave projection optical system,
154: THz wave receiving optical system,
154A: light shielding diffuser,
154B: Mirror,
154C: Iris,
157: THz wave detector,
157a: a condenser lens,
157b: THz wave detection element,
157c: lens,
160: sample stage,
161: chuck mechanism;
162: rotation mechanism,
163: lifting mechanism,
164: horizontal mechanism,
172: Sample room adjustment management device terminal,
174: Sample chamber opening / closing mechanism,
200: Bonded wafer,
201: wafer for sealing,
202: MEMS wafer,
203: MEMS chip size package,
301, 302: Si wafer,
301a, 302a: thin oxide film on the surface of the Si wafer,
311: Hydroxyl group (OH group)
312: Hydrogen bond 313: Dehydration condensation reaction,
314: Bond of O and Si,
401: Curve representing the relationship between heat treatment temperature and tensile strength,
501: Time waveform of electric field intensity when transmitted through the wafer in the first bonding state (S1),
502: Time waveform of electric field intensity when transmitted through the wafer in the third bonding state (S3),
601: Power spectrum waveform obtained by Fourier transform of time waveform 501;
602: Power spectrum waveform obtained by Fourier transform of the time waveform 502,
701: a curve representing the relationship between the heat treatment temperature and the THz wave transmittance,
801: a curve representing the relationship between THz wave transmittance and bonding strength;
900: Bonded wafer 901: Wafer made of material through which THz wave is transmitted 902: Wafer made of material through which THz wave is transmitted 903, 904, 905: Interface
910: THz wave time waveform transmitted through the bonded wafer,
911: THz waves propagated through the optical path L1,
912: THz wave propagated through the optical path L2.
913: THz wave propagated through the optical path L3,
914: THz wave propagated through the optical path L4,
1000: Bonded wafer 1001: Wafer made of material through which THz wave is transmitted 1002: Wafer made of material through which THz wave is reflected 1003, 1004: Boundary surface,
1010: Time waveform of THz wave transmitted through the bonded wafer,
1011: THz wave propagated through the optical path L11,
1012: THz wave propagated through the optical path L12,
1013: THz wave propagated through the optical path L13,
1100: Bonded wafer 1101: Wafer of material through which THz wave is transmitted 1102: Wafer of material through which THz wave is reflected 1103: Interface
1106: Mirror,
1201: Example of horizontal line measurement result display,
1202: Vertical line measurement result display example,
1203: a junction site outside the normal range,
1300: Bond strength image,
1301: Site with strong bonding strength,
1302: a part where the bonding strength is slightly weak,
1303: a portion having low bonding strength,
1401: Void image by near infrared light,
1402: Example of void,
1403: Example of void,
1404: An arrow for confirming the details of the bonding strength.
S1: Immediately after bonding of the wafer or after low-temperature heat treatment,
S2: A state where the bonded wafer has been subjected to a medium temperature heat treatment,
S3: A state where the bonded wafer is subjected to a high-temperature heat treatment,
P2: Tensile strength equivalent to the bonding strength of the base material (Si),
P3: Bonding strength when the transmittance is TR3,
T2: the heat treatment temperature at which the entire surface becomes the third bonded state (S3),
E1: Peak value of the time waveform 501
E2: peak value of time waveform 502,
t1: Time when the optical path lengths of the pump light and the probe light coincide and the THz wave peaks,
t2: time to take the peak value 912 of the THz wave,
t3: time to take the peak value 913 of the THz wave,
t4: time to take the peak value 914 of the THz wave,
L1: Optical path of THz wave transmitted through the bonded wafer,
L2: the optical path of the THz wave that is reflected by the boundary surface 903 and then transmitted;
L3: the optical path of the THz wave reflected from the boundary surfaces 903 and 904 and then transmitted;
L4: the optical path of the THz wave that is reflected by the boundary surfaces 903, 904, and 905 and then transmitted;
L11: the optical path of the THz wave reflected by the boundary surface 1004,
L12: the optical path of the THz wave reflected by the boundary surface 1003,
L13: the optical path of the THz wave reflected by the boundary surfaces 1003 and 1004,
L15: optical path of THz wave when scanning the boundary surface with a line,
TR2: Si THz wave transmittance,
TR3: Arbitrary THz wave transmittance

Claims (20)

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テラヘルツ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テラヘルツ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テラヘルツ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。
A sample stage for holding a bonded wafer;
A terahertz wave generator for generating a terahertz wave of a predetermined frequency band;
A terahertz wave detector for detecting a terahertz wave transmitted or reflected by the bonded wafer;
From the terahertz wave detected by the terahertz wave detector, an arithmetic unit that calculates the terahertz wave characteristic of the bonded wafer;
Have
The calculation unit calculates a bonding strength corresponding to the terahertz wave characteristic of the bonding wafer to be inspected from a relationship between the terahertz wave characteristic of the reference sample obtained in advance and the bonding strength. Inspection device.
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。
In the wafer bonding strength inspection apparatus according to claim 1,
The wafer bonding strength inspection apparatus, wherein the reference sample includes a plurality of bonded wafers heat-treated at different heat treatment temperatures.
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。
In the wafer bonding strength inspection apparatus according to claim 2,
The reference sample is formed by bonding two wafers by direct bonding, and the chemical bonding state of the bonding portion between the two wafers is such that hydrogen bonding is generated at the bonding portion by hydrophilization treatment. Bonding strength inspection characterized in that it includes three states: a state in which dehydration condensation is generated from hydrogen bonds at the junction by intermediate temperature heating, and a state in which covalent bonds are generated at the junction by high temperature heating. apparatus.
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テラヘルツ波特性から、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。
In the wafer bonding strength inspection apparatus according to claim 1,
The operation unit determines whether or not the bonding strength of the bonded wafer to be inspected is within a predetermined normal range from the terahertz wave characteristic of the bonded wafer to be inspected. .
請求項1記載のウェーハ接合強度検査装置において、
前記テラヘルツ波特性は、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。
In the wafer bonding strength inspection apparatus according to claim 1,
The terahertz wave characteristics include terahertz wave transmittance, terahertz wave reflectance, terahertz wave absorption spectrum, terahertz wave absorbance, terahertz wave polarization state, terahertz wave phase, terahertz wave complex refractive index, terahertz wave A wafer bond strength inspection apparatus comprising at least one of a complex dielectric constant, a terahertz wave complex conductivity, a terahertz wave scattering intensity, and a terahertz wave scattering range.
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。
In the wafer bonding strength inspection apparatus according to claim 1,
A display unit for displaying a distribution image of the bonding strength of the inspection target bonded wafer generated by superimposing the bonding strength of the inspection target bonding wafer on the image of the inspection target bonding wafer; A wafer bonding strength inspection device characterized by that.
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。
In the wafer bonding strength inspection apparatus according to claim 6,
The display unit displays a bonding strength distribution image of the bonded wafer to be inspected by contour lines or by color.
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、該部位のテラヘルツ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。
In the wafer bonding strength inspection apparatus according to claim 6,
In the distribution image of the bonding strength of the bonding wafer to be inspected, when the user designates a portion that does not reach the predetermined bonding strength via the input device, the calculation unit is based on terahertz time domain spectroscopy. A wafer bonding strength inspection apparatus characterized by obtaining a terahertz wave characteristic of the part.
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。
In the wafer bonding strength inspection apparatus according to claim 1,
A mirror is disposed on the bonded wafer, and the terahertz wave generated by the terahertz wave generator is configured to be sequentially reflected by the bonded wafer and the mirror and detected by the terahertz wave detector,
The irradiation point of the terahertz wave on the bonded wafer is arranged along a straight line, whereby the bonding strength of the bonded wafer is measured along the straight line.
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テラヘルツ波投光用光学系と、
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テラヘルツ波受光用光学系と、
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テラヘルツ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テラヘルツ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テラヘルツ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。
A sample stage for holding a bonded wafer;
A femtosecond laser that generates femtosecond laser light;
A beam splitter that branches the femtosecond laser light into pump light and probe light;
A terahertz wave generator for generating a terahertz wave of a predetermined frequency band by inputting the pump light;
An optical system for projecting terahertz waves for guiding terahertz waves generated by the terahertz wave generator to the bonded wafer;
A terahertz wave detector that samples the terahertz wave transmitted or reflected by the bonded wafer with the probe light; and
A terahertz wave receiving optical system for guiding the terahertz wave transmitted or reflected by the bonded wafer to the terahertz wave detector;
From the terahertz wave sampled by the terahertz wave detector, an arithmetic unit that calculates the terahertz wave characteristics of the bonded wafer;
Have
The calculation unit calculates a bonding strength corresponding to the terahertz wave characteristic of the bonding wafer to be inspected from a relationship between the terahertz wave characteristic of the reference sample obtained in advance and the bonding strength. Inspection system.
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。
The wafer bonding strength inspection system according to claim 10,
The reference sample includes a plurality of bonded wafers that have been heat-treated at different heat treatment temperatures, and the plurality of bonded wafers have different chemical bonding states at a bonded portion depending on the heat treatment temperature. system.
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、テラヘルツ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、テラヘルツ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、テラヘルツ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、テラヘルツ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。
The wafer bonding strength inspection system according to claim 10,
Furthermore, a time delay stage for adjusting an optical path difference between the optical path of the pump light and the probe light is provided,
When the optical path of the pump light and the optical path of the probe light are set to the same length by the time delay stage, the peak value of each pulse of the terahertz wave is sampled by the terahertz wave detector,
By year time delay stage, when the difference in optical path of the optical path of the pump light and the probe light is continuously changed, the phase of the sampling points continuously change in response to each pulse of the terahertz wave, a terahertz wave A wafer bonding strength inspection system characterized in that a plurality of data with different sampling point phases are obtained for each pulse, and a time waveform representing each terahertz wave pulse is obtained.
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、
前記テラヘルツ波受光用光学系は、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。
The wafer bonding strength inspection system according to claim 10,
The terahertz wave receiving optical system is configured to guide only the scattered light or the terahertz wave other than the scattered light among the terahertz waves transmitted through the bonded wafer to the terahertz wave detector. Wafer bonding strength inspection system.
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、
前記テラヘルツ波受光用光学系は、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。
The wafer bonding strength inspection system according to claim 10,
The terahertz wave receiving optical system is configured to guide only the scattered light or terahertz waves other than the scattered light out of the terahertz waves reflected from the bonded wafer to the terahertz wave detector. Wafer bonding strength inspection system.
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テラヘルツ波特性を演算するテラヘルツ波特性データ演算工程と、
前記接合強度測定工程と前記テラヘルツ波特性データ演算工程により得られた結果より、基準試料のテラヘルツ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テラヘルツ波特性を演算する試料テラヘルツ波特性データ演算工程と、
前記基準試料のテラヘルツ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テラヘルツ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。
In the inspection method of the bonding strength of the wafer,
Preparing as a reference sample a plurality of bonded wafers composed of two or more wafers including a wafer formed of a material that transmits terahertz waves on the outside;
A heat treatment step of heat-treating the plurality of bonded wafers at different heat treatment temperatures;
A bonding strength measuring step for measuring the bonding strength of the plurality of bonded wafers;
A vibration electric field measurement step of irradiating the bonded wafer with a terahertz wave of a predetermined frequency band and detecting a vibration electric field obtained thereby,
From oscillating electric field detected by the oscillating electric field measuring step, and the terahertz wave characteristic data calculating step of calculating a terahertz wave characteristics of the bonding wafer,
From the result obtained by the bonding strength measurement step and the terahertz wave characteristic data calculation step, a step of obtaining a relationship between the terahertz wave characteristic of the reference sample and the bonding strength;
A sample vibration electric field measurement step of irradiating a terahertz wave to a bonded wafer of a sample to be inspected of the same material as the reference sample, and detecting a vibration electric field obtained thereby,
From the vibration electric field detected by the sample vibration electric field measurement step, a sample terahertz wave characteristic data calculation step for calculating the terahertz wave characteristic of the sample to be inspected,
From the relationship between the terahertz wave characteristics of the reference sample and the bonding strength, a sample bonding strength calculation step for calculating the bonding strength corresponding to the terahertz wave characteristics of the bonding portion of the sample to be inspected,
A method for inspecting the bonding strength of a wafer, comprising:
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。
In the bonding strength inspection method according to claim 15,
The reference sample is formed by bonding two wafers by direct bonding,
The method for inspecting bonding strength, wherein the reference sample includes a plurality of bonded wafers having different chemical bonding states at a bonded portion depending on the heat treatment temperature.
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。
In the bonding strength inspection method according to claim 16,
The chemical bond state includes three states: a hydrogen bond state due to a hydrophilization treatment of the joint, a hydroxyl group distribution state, and a state where the bond is changed from a hydrogen bond to a covalent bond by heating. Inspection method for bonding strength.
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テラヘルツ波透過率を求めるテラヘルツ波透過率演算工程と、
前記接合ウェーハのテラヘルツ波透過率より、前記接合ウェーハの熱処理温度と前記接合ウェーハのテラヘルツ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テラヘルツ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テラヘルツ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。
In the bonding strength inspection method according to claim 15,
Determining the relationship between the oscillating electric field and the bonding strength,
A terahertz wave transmittance calculating step for obtaining the terahertz wave transmittance of the bonded wafer from the oscillating electric field;
From the terahertz wave transmittance of the bonded wafer, the step of determining the relationship between the heat treatment temperature of the bonded wafer and the terahertz wave transmittance of the bonded wafer;
A tensile strength measurement step of measuring the tensile strength of the bonded wafer by a tensile test;
From the tensile strength of the bonded wafer, the step of obtaining the relationship between the heat treatment temperature of the bonded wafer and the tensile strength of the bonded wafer;
From the relationship between the heat treatment temperature of the bonded wafer and the terahertz wave transmittance of the bonded wafer, and the relationship between the heat treatment temperature of the bonded wafer and the tensile strength of the bonded wafer, the tensile strength and terahertz wave transmittance of the bonded wafer A process of seeking a relationship;
A method for inspecting bonding strength, comprising:
請求項15記載の接合強度の検査方法において、
前記テラヘルツ波特性データは、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。
In the bonding strength inspection method according to claim 15,
The terahertz wave characteristic data includes at least one of terahertz wave transmittance, reflectance, absorption spectrum, absorbance, polarization state, phase, complex refractive index, complex dielectric constant, complex conductivity, scattering intensity, and scattering range. An inspection method for bonding strength, comprising:
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、
前記ポンプ光をテラヘルツ波発生器に導くことによって、テラヘルツ波を発生させる工程と、
前記テラヘルツ波発生器からのテラヘルツ波をテラヘルツ波検出器に導く工程と、
前記プローブを前記テラヘルツ波検出器に導く工程と、
テラヘルツ波検出器に到達したテラヘルツパルス波を、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、
前記テラヘルツ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。
In the bonding strength inspection method according to claim 15,
The vibration electric field measurement step includes
A branching step of branching laser light oscillated by the femtosecond laser into pump light and probe light;
A step of generating a terahertz wave by guiding the pump light to a terahertz wave generator;
Guiding terahertz waves from the terahertz wave generator to a terahertz wave detector;
Guiding the probe light to the terahertz wave detector;
A sampling step of sampling the terahertz pulse wave that has reached the terahertz wave detector with the probe light;
Detecting a pulse wave of an oscillating electric field generated by the terahertz wave detector in synchronization with the sampling;
A method for inspecting bonding strength, comprising:
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