KR100674520B1 - 레이저 초음파 접합 완성도 평가 시스템 및 방법 - Google Patents

레이저 초음파 접합 완성도 평가 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

비파괴 접합 테스팅 시스템은 제어된 크기의 단일 또는 다중 펄스를 보내고 열 탄성 자극 반응을 일으키는 대상(21)을 피격하는 펄스 레이저(1)를 이용하여 이루어진다. 이러한 자극은 표면 물질을 따라 또는 이것을 통해 전파하는 초음파를 포함한다.
펄스 레이저, 빔 확장기, 전력 조정기, 편광 빔 스플릿터, 동기 포토디텍터, 레이저 반사기, 포커스 렌즈, 밀도 필터, 1/4파 플레이트, 디텍터 레이저

Description

레이저 초음파 접합 완성도 평가 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR LASER ULTRASONIC BOND INTEGRITY EVALUATION}
본 발명은 일반적으로 마이크로 레벨에서 접합 물질의 접합 완성도(접착 상태)를 판정하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
2개의 아이템 간의 접합 완성도를 판정하는 데 사용될 수 있는 비파괴 검사 방법이 오래전부터 필요했다. 이것은 특히 마이크로 레벨에서 형성된 접합들의 경우에 필요했다. 마이크로 레벨은 대략 0.005 인치 이하의 치수를 갖는 적어도 하나의 물질을 포함하도록 한정될 수 있다. 이러한 검사 방법은 테스팅 볼(testing ball) 및 웨지 접합(wedge bonds), 얇은 코팅(thin coatings), 회로 추적(circuit traces), 리본 접합(ribbon bonds), 땜납 볼(solder balls), 표면 실장 부품(surface mount components), PIN 그리드 어레이(PIN grid arrays), 및 마이크로일렉트로닉스 상호 접속(microelectronics interconnects)에서 공통으로 사용되는 MIMMs에 적용될 수 있다. 이러한 애플리케이션에 적합한 물질은 특히 한정되지 않지만, 실리콘, 탄화 실리콘, 알루미늄, 금, 갈륨 아세나이드 등을 포함한다.
예를 들면, 실리콘 웨이퍼를 초미세 와이어를 통해 외부 회로에 접속하는 데 사용되는 볼 접합은 통상 각 접합에 대한 인장 테스트(pull test)를 필요로 하는 군용 시방서(military specifications)에 따라 적어도 테스트된다. 이러한 테스트는 각각의 와이어를 순차적으로 걸고 소정의 인장력을 인가하여 관련 접합이 그대로 유지될 것인지의 여부를 판정하는 기계를 이용하여 행해진다. 이러한 기술은 상당히 제한적이다. 구체적으로, 발명자는 동일한 장치의 와이어 상에 반복적으로 상기 테스트를 행한 바, 연속 테스트로 잡아당겨 손실된 와이어의 수가 증가되는 것을 발견하였다. 결국, 이러한 테스트가 비파괴로서 진정으로 적합하지 않다는 것을 의미한다. 즉, 접합이 약한 와이어에 인장력을 인가하여 반복 테스트하는 것은 실제로 접합을 와해할 것이다. 접합이 이러한 종류의 단일 인장 테스트를 통과할 수 있지만, 불안정하게 접속된 접합으로 되어 주위의 진동, 충격, 또는 온도 변화가 있는 환경에서 고장이 예견된다.
파이프 밀봉, 자동차 및 선박 제조 시에 사용되는 용접 등과 같은 치수가 큰 접합의 경우, 각종의 X선 및 음향(acoustic) 기술이 2개의 아이템 간의 인터페이스의 상태를 분석하는데 적용된다. 레이저 초음파 기술도 또한 제안되어 있다. 예를 들면, Monchalin의 미국 특허 제4,659,224호 및 제4,966,459호, Monchalin 등의 제5,081,491호, 및 heon 등의 제5,137,361호는 이 분야에서 이전에 연구한 결과를 개시하고 있다. Garcia 등의 미국 특허 제5,103,676호는 레이저 초음파 처리 모니터링 방법을 개시하고 있다.
또한, 레이저 기술은 반도체 회로에서 알려진 바와 같은 소형 접합으로 이용하는 것으로 간주된다. Lebeau 등의 미국 특허 제5,201,841호는 열 경사(thermal gradient) 기술을 제안하고 있고, 히타치 리서치 주식회사에 의한 일본 특허 공개 제62-7198호(1987년 1월 14일)는 레이저 기술을 제안하고 있다.
본 발명자의 종래 미국 특허 제5,420,689호, 제5,424,838호, 및 제5,302,836호는 소형 레이저 초음파 측정에서 유용한 라이팅 방법 및 장치를 개시하고 있다. Siu 등의 미국 특허 제5,535,006호는 이전의 발명자의 연구에 기초하여 기판에 대한 도전체 접합의 접착 완성도를 평가하는 방법을 개시하고 있다.
그러나, 본 발명자의 지견으로는, 이들 종래의 시스템들은 와이어 접합의 인장 테스팅에 대한 유효한 대체, 또는 마이크로 레벨에서 박막 코팅 완성도를 분석하기 위한 유효한 방법을 제공하고 있지 않다. 본 발명자의 종래 특허들에 개시된 유망한 시스템에 의해 생성된 결과는 산업상으로 이용하기에는 충분하지 못하다.
따라서, 반복성, 정확성, 및 진정한 비파괴 검사 능력을 제공하는 이러한 종류의 개선된 방법 및 시스템이 산업에 필요하다.
따라서, 본 발명의 한 목적은, 레이저 초음파 기술을 이용하여 인접하는 물질들의 접합 완성도(접착) 상태를 판정하기 위한 개선된 시스템 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 일반 목적은, 간섭 기술을 이용하는 안정된 연속파 레이저를 이용하여 검출될 수 있는 펄스점으로부터 모든 방향에 대하여 열 탄성 전파(thermoelastic propagation)(표면파, 벌크파, 대기파 또는 이들의 조합)를 발생시켜, 표면 상에 열을 인가하는 펄스 레이저를 이용하여 인접하는 물질의 접합 완성도(접착) 상태를 판정하기 위한 개선된 시스템 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 일반 목적은, 기판에 도포된 얇게 코팅된 물질의 두께 및/또는 균일성 및 접착 특성을 비파괴적으로 테스트하고 평가하는 데 특히 적합한 개선된 시스템 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 일반 목적은, 마이크로일렉트로닉 상호 접속, 볼 접합, 웨지 접합, 회로 추적, 표면 실장 부품 및 MIMMs 등과 같이, 마이크로 레벨에서 결합 물질들의 접합 완성도를 비파괴적으로 판정하는 데 특히 적합한 개선된 시스템 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 중요 목적은, 인접하는 물질들의 접합 완성도(접착)를 분석하여, 이들이 완전 접합되었는지, 부분 접합되었는지, 아직 접합되지 않고 접촉하고 있는지를 판정하기 위해, 열 탄성 전파 시그너쳐를 단일 또는 조합하여 분석하기 위한 개선된 시스템 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 주요 목적은, 검사시에 특정 적용하며 마이크로일렉트로닉스 제조 공정에서 테스팅하는 완전 자동 접합 완성도 판정 시스템을 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 레이저 초음파 측정 시스템을 이용하는 개선된 동작 타이밍 및 시그너쳐 수집 방법 및 장치를 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 검출된 파의 전파 시그너쳐에 대한 신호 대 잡음비가 크게 개선된 레이저 초음파 측정 시스템을 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 표면파 전파를 접합 테스팅 시스템의 콘텍스트에서의 접합 완성도에 연관시키기 위한 방법을 제공함에 있다.
이들 목적 및 이외의 목적들은 본 발명의 바람직한 실시예에서, 유효한 감지 장치를 형성하는 펄스 레이저 및 연속 레이저 디텍터를 제공함으로써 달성된다. 펄스 레이저는 크기가 제어된 단일 또는 다중 펄스를 송출하여, 열 탄성 여기(thermoelastic excitation)에 응답하여 대상물을 포격한다. 이러한 여기는 표면 물질을 통하거나 이것에 따른 초음파 전파를 포함한다. 이들 열 탄성 전파 시그너쳐의 검출, 캡쳐링(capturing) 및 해석(interpreting)에 의해, 인접하는 물질들의 접착 상태를 판정한다. 이 기술은 전형적인 기계적 인장(pull), 전단(shear) 또는 접촉식 기술을 통해 상당히 개선된다. 상기 목적은 기계적인 수단과 접속할 필요가 없고, 여기는 접촉 테스트에서 요구되는 것보다 더욱 품질이 좋고, 테스트의 속도는 다른 자동 제조 공정보다도 더욱 빠르므로, 실시간 처리 제어에 적합하다.
도 1은 시그너쳐 분석을 위한 펄스 레이저 및 디텍터 레이저의 응용을 나타낸 마이크로일렉트로닉 볼 접합을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명에 따른 접합 완성도를 평가하기 위한 광학 시스템의 모식도.
도 3은 고속 발진 레이저 전력 응용에 기인하여 표면이 박리된 볼 접합을 나타낸 도면.
도 4a는 테스트할 볼 접합보다도 더욱 큰 펄스 레이저 빔 스폿의 응용을 나타낸 도면, 도 4b는 결과로 생긴 표면파와 충격파의 진폭을 나타낸 그래프.
도 5는 본 발명에 따른 전력 제어 어셈블리의 바람직한 실시예의 단면도.
도 6은 본 발명에 따른 펄스 레이저 구경 측정 및 동기 장치의 측면도.
도 7은 데이터의 식별 및 수집시 펄스 레이저 및 데이터 캡쳐를 활성화시키는 커맨드에 응답하는 부품에서의 가변 지연의 영향을 나타낸 타이밍 차트. 응답 시간의 변화는 유용한 데이터가 수집될 수 있는 동안에 윈도우에 비해 매우 크므로, 그 윈도우를 선택하기가 어렵다.
도 8은 디텍터 레이저 전송 및 반사 검출 광학기의 상세를 나타낸 광학적인 모식도.
도 9a 및 9b는 레이저 펄스를 인접하는 접합에 인가하고, 접합의 다른 측면 상의 기판 상에 결과로서 생긴 표면파를 검출함으로써 접합 완성도가 검출되는 본 발명의 대체 실시예를 나타낸 측면도.
도 10은 접합 주위의 복수의 점들에서 진동 전파 데이터를 수집함으로써 접합의 인터메탈릭 구조(intermetallic structure)가 분석되는 다른 대체 실시예를 나타낸 본 접합의 상면도.
도 11은 간섭 회로의 감도(sensitivity)를 설정하기 위한 본 발명의 정적 모드(static mode)의 동작을 나타낸 도면.
도 12는 간섭 회로의 감도를 설정하기 위한 본 발명의 다이내믹 모드의 동작을 나타낸 도면.
도 13은 각종의 파장에 대하여 실리콘 PIN 포토디텍터의 응답성을 갈륨 아세나이드 PIN 포토디텍터와 비교하는 그래프.
도 14는 비접합, 부분 접합, 및 완전 접합의 경우에 대한 샘플 접합 완성도 시그너쳐를 각각 나타낸 그래프.
도 15는 파형에 대한 키 분석점을 나타낸 간단한 접합 완성도 시그너쳐의 도면.
도 16은 본 발명에 따른 시그너쳐 분석 시스템의 바람직한 실시예의 모식도.
도 17은 자동 접합 완성도 테스팅 공정의 동작을 나타낸 플로우차트.
도 18은 단일의 펄스 레이저 및 디텍터 레이저 풋프린트(footprint)의 에너지 분산을 나타낸 상면도.
도 19는 대체 실시예에서 사용되는 와이드 또는 다중 펄스 레이저 풋 프린트의 에너지 분산을 나타낸 상면도.
도 20은 얇은 코팅의 분석에 본 발명의 레이저 초음파 기술을 적용한 것을 나타낸 측단면도.
도 21은 실리콘 기판 상에 얇게 코팅된 알루미늄의 다양한 두께에 대한 레일리파(Rayleigh wave) 속도 대 주파수의 예시 그래프.
도 22는 단일 검출점 상에 포커싱된 표면파를 생성하기 위해 곡선형 펄스 레이저를 이용하는 본 발명의 대체 실시예의 상면도.
본 발명은 우선 각종의 소형 접합 테스팅 응용에 특히 유용한 실시예에 대하여 설명될 것이다. 이러한 검사 방법들은 마이크로 레벨에서 소정의 물질들의 접합 완성도를 테스팅하는 데 적용될 수 있다. 테스팅되는 접합들은 특히 한정되지 않지만, 볼 및 웨지 접합, 얇은 코팅, 회로 추적, 리본 접합, 용접, 땜납 볼, 표면 실장 부품, PIN 그리드 어레이, MIMMs, 및 각종의 접착 매체 및 마이크로일렉트로 닉스 상호 접속에서 공통으로 사용되는 방법들을 포함할 수 있다. 이들 응용에 적합한 물질들은 특히 한정되지 않지만, 실리콘, 탄화 실리콘, 알루미늄, 금, 갈륨 아세나이드 등을 포함한다.
이러한 한가지의 응용은 그 접합 패드에 대한 마이크로일렉트로닉 볼 접합 또는 그 외의 소형 접합의 접속 테스팅이며, 본 발명의 제1 실시예는 일례로서 이러한 응용을 이용하여 설명될 것이다. 도 1은 접합 패드(104)가 실장되는 기판(102)을 나타낸다. 접합 와이어(106)는 볼 접합(108)을 통해 접합 패드(104)에 접속된다. 펄스 레이저 빔(110)이 볼 접합(108)에 인가되는 한편, 디텍터 레이저 빔(112)의 반사가 펄스 레이저 빔(110)의 응용 결과로서 기판(102)을 통해 전파하는 진동을 검출하는 데 사용된다.
2개의 레이저 빔은 도 2에 모식적으로 나타낸 컴플렉스 광학 시스템을 통해 인가된다. 이 광학 시스템은 2개의 주 목표물을 갖는다. 제1 목표물은 볼 접합, 웨지 접합 또는 상호접속과 같은 계획된 타겟으로 펄스 레이저 빔(110)을 향하게 하여 포커싱하는 것이다. 제2 목표물은 펄스 레이저 빔(110)에 의해 발생된 전파를 픽업하도록 디텍터 레이저 빔(112)을 향하게 하여 포커싱하는 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 바람직한 실시예의 광학 시스템은 펄스 레이저(1), 거울(2), 빔 확장기(3), 전력 조정기(4), 빔 스플릿터(22), 동기 포토디텍터(5), 레이저 반사기(23), 포커스 렌즈(24), 밀도(density) 필터(25), 비디오 카메라(6), 레이저 반사기(20), 대물 렌즈(7), 부품 테이블(21), 1/4파 플레이트(12), 편광 빔 스플릿터(11), 1/2파 플레이트(10), 빔 확장기(9), 디텍터 레이저(8), 컷오프 필터(19), 편광 빔 스플릿터(13), 포커스 렌즈(17), 포토디텍터(18), 1/4파 플레이트(14), 간섭계(15), 및 포토디텍터(16)를 포함한다. 지금부터 각 부품들의 기능을 상세히 설명할 것이다.
펄스 레이저(1)는 10 nsec에서 1064 nm 파장 펄스 레이저인 것이 바람직하다. 100 Hz(100회/초)의 펄스 폭(펄스 지속 기간) 및 펄스 반복 속도(pulse repetition rate)는, 예를 들면 1와트 에너지를 전달할 수 있다. 이 펄스 레이저의 파장이 디텍터 레이저와 동일하므로, 그 가용 파장을 532 nm로 그 전력을 1/2 와트로 변환하기 위해 주파수 2배기(doubler)가 사용되었다. 적절한 하나의 레이저는 Spectra-Physics에서 제조된 Model #S10-5230이다. 그 외의 레이저들은 유사한 높은 반복 속도, 짧은 펄스 지속 기간, 및 펄스 전력 레벨에 대한 펄스의 일관성(consistency)을 제공하는 한 사용될 수 있다. 가장 높은 전력의 레이저는 전력 제어 조정으로 높은 해상도를 갖지 못하므로 비교적 낮은 전력을 갖는 레이저가 선택되어야 한다.
펄스 레이저 주파수는 분산 광이 포토디텍터에 의해 잘못된 표면파로서 해석되지 않도록, 디텍터 레이저와 동일한 주파수를 갖지 않는 것이 바람직하다. 펄스의 펄스 폭은, 특히 펄스 레이저와 디텍터 레이저 간의 거리가 서로 근접해 있을 때 표면파가 이미 검출점에 도착해 있는 동안에 펄스가 연속하지 않고, 실리콘 등과 같은 물질의 레일리(Rayleigh) 속도가 빠르도록, 짧은 것이 바람직하다. 10 나노초(nsec)가 전형적인 마이크로 레벨의 애플리케이션에서 적합한 펄스 지속 기간이다. 펄스 레이저의 펄스 폭은 가변일 수 있고, 따라서 펄스 표면에 열이 인가되는 속도는 변한다. 그러나, 이러한 변화는 통상 표면파 시그너쳐의 형상을 변화시킨다.
표면 거울(2)은 펄스 레이저(1)의 출력을 수신하며, 펄스 레이저 빔을 빔 확장기(3) 내로 다시 향하게 하는 표면 반사기이다. 물론, 표면 거울(2)은 레이저가 수평으로 실장된 경우에 생략될 수 있다.
빔 확장기(3)는 펄스 레이저가 출사될 때 레이저 빔의 조준(collimation) 또는 다이버전스(divergence)를 제어하여, 레이저 빔이 관심 지점(즉, 볼 접합, 웨지 접합 및 그 외의 상호 접속)에 도달했을 때 펄스 레이저를 원하는 빔(스폿) 사이즈로 생성한다. 본 발명자는 펄싱되는 목표의 사이즈에 적합하도록 펄스 레이저의 스폿 사이즈를 제어하는 것이 중요하다는 것을 알았다. 볼 접합의 경우, 펄스 레이저의 스폿 사이즈는 볼 접합의 사이즈(직경 0.003 인치)와 거의 동일해야 하며, 볼 접합보다 조금 큰 것이 바람직하다. 스폿 사이즈가 매우 작은 경우, 레이저의 전력 밀도는 표면 물질을 박리할 것이다. 이러한 박리 효과(ablation effect; 물질의 증발)는 마이크로 회로 상에 원하지 않는 금속 쓰레기를 남게 할 것이다. 도 3은 볼 접합보다 매우 작은 높게 포커싱된 레이저 펄스의 적용으로 생성된 박리 영역(302)을 갖는 볼 접합(108)을 나타낸다. 레이저 전력을 감소시키면 박리 효과가 소거될 것이다. 그러나, 전력을 감소시키는 것은 검출되어야 할 표면파 시그너쳐의 크기를 감소시키는 원하지 않는 효과도 갖는다. 따라서, 펄스 레이저 전력과 레이저의 스폿 사이즈 간의 밸런스가 시그너쳐를 최적화하고 펄싱되는 물질 상의 어떤 대미지 효과를 최소화하는데 중요하다.
펄스 레이저 스폿의 사이즈는 볼 접합보다 조금 큰 것이 바람직하며, 레이저 전력은 볼 접합 위에서 또는 볼 접합에 인접하는 기판 영역 위에서 박리가 발생되지 않도록 조정된다. 펄스 레이저 스폿을 볼 접합보다 더욱 큰 사이즈로 증가시킬 가능성에 대해서도 고려했다. 이러한 접근이 이용 가능할 수 있지만, 원하지 않는 측면의 효과를 갖기 때문에 거의 바람직하지 않다. 도 4에 도시된 바와 같이, 펄스 레이저 스폿은 볼 접합의 직경보다 더 크다. 레이저 에너지(1)의 상당량은 볼 접합 위에 스필(spill)되고, 볼이 접합되는 표면을 펄싱한다. 이는 표면 물질들이 통상 금과 같이 높은 융점을 갖지 않기 때문에 표면 물질이 손상될 수 있으므로, 물질의 박리가 일어난다. 또한, 표면파가 표면으로부터 발생되어 첫번째 검출점에 도달할 것이다. 표면의 박리가 없는 한, 이들 2개의 분리파는 서로 다른 시각 - 표면(A)으로부터의 하나와 볼 접합(B)의 상부로부터의 다른 하나 - 에서 도달할 것이다. 이는 또한 분석을 위한 2개의 시그너쳐 간의 적당한 거리를 제공할 것이다. 그러나, 기판 표면 상에 박리가 발생한 경우, 표면(A)으로부터의 충격파가 볼 접합(B)로부터의 파와 거의 동일한 시각에서 도착하게 되어, 시그너쳐의 오버래핑이 일어난다. 이는 볼 접합의 상부에 열을 인가함으로써 생기는 시그너쳐의 검출을 무효로 한다. 또한, 펄스 스폿 사이즈가 과도하게 큰 경우, 이는 펄스 레이저에 근접하게 디텍션 레이저를 배치하는 것을 금지할 것이고, 펄스 레이저와 디텍터 레이저 간의 증가된 거리가 약한 시그너쳐 또는 빈약한 신호 대 잡음비를 제공할 것이다. 발명자의 경험을 통해, 마이크로일렉트로닉스 볼 접합에 대하여 스폿 사이즈는 볼 접합의 직경에 따라 통상 직경 0.001 인치 내지 0.005 인치 범위이어야 한다.
도 5는 펄스 레이저에 의해 접합된 아이템으로 전송된 전력을 미세하게 조정하기 위한 수단인 고 해상도 전력 제어 어셈블리(4)의 바람직한 실시예의 구성을 나타낸다. 이 실시예의 고 해상도 전력 제어 어셈블리(4)는 1/2파 플레이트 어셈블리(502), 마이크로미터 조정기(504), 편광 빔 스플릿터 입방체(22), 및 전력 트랩(26)(도 2에 도시됨)을 포함한다. 1/2파 플레이트 어셈블리(502)는 베어링(508)을 통해 파 플레이트(wave plate)를 지지하는 프레임 구조(505)를 포함한다. 스프링(510)은 마이크로미터(504)의 나사(512)에 대하여 레버(514; 파 플레이트(506)에 접착됨)를 기울인다. 어셈블리(4)의 기능은 통상적인 레이저 패널의 전력 제어에 의해 제공된 것보다 훨씬 미세하게 펄스 레이저의 전력 제어를 제공하는 것이다. 상술한 바와 같이, 펄스 레이저로부터의 전력량은 물질 박리를 방지하도록 충분히 제어되어야만 한다. 이러한 디자인에 있어서, 파 플레이트(506)는 고 정밀도의 마이크로미터를 조정함으로써, 원하는 위치를 확립하도록 시계 방향과 반시계 방향으로 정확히 회전될 수 있다. 파 플레이트의 회전 위치는 레이저 광 전력의 가변 백분율이 파 플레이트(506)와 빔 스플릿터(22; 도 2에 도시함) 둘다를 통과하도록 빔 스플릿터(22)의 편광과 상호 작용하는 레이저 광의 편광을 확립할 것이다. 파 플레이트의 90도 회전은 통과하는 전력의 전체 범위(0 내지 100%)를 허용할 것이다. 마이크로미터의 사용은 시스템에 대하여 무한대의 전력 레벨 제어를 제공한다. 마이크로미터(504)로 가능한 미세 조정 및 레버(514)에 의해 제공된 이점에 따라, 파 플레이트(506)의 회전 위치를 선택할 수 있어, 고 정밀도로 전력 처리 레벨을 선택할 수 있다. 이 전력 제어 디자인은 상이한 박리 허용 오차를 갖는 상이한 물질들을 수용하는 데 사용될 수 있다. 레이저 트랩(26; 도 2에 도시함)은 안전을 위하여 잔여의 레이저 전력을 캡쳐링하는 데 사용된다.
정밀한 전력 제어 이외에, 동작중 펄스 전력을 모니터링하고 측정하는 방법도 필요하다. 시스템 동기 및 전력 측정 어셈블리(5)는 도 6에 도시된 바와 같이 펄스 레이저로 라인에 실장되는 것이 바람직하다. 작은 조각의 얇은 유리(602; 의학 등급(medical grade))가 도 6에 도시된 바와 같은 각도(45°)로 모니터링 튜브(604)의 단부에 접착된다. 레이저 펄스(110)가 얇은 유리(602)를 통과함에 따라, 매우 적은 양의 레이저 광이 위쪽으로 90° 반사되는 한편, 대부분의 광 에너지가 유리(602)를 관통한다. 고속 포토다이오드(606)는 모니터링 윈도우(608) 상에 영구적으로 실장되어 레이저 플래시로부터 반사된 레이저 에너지의 일부를 캡쳐링한다. 이러한 레이저 플래시의 존재는 레이저가 실제 점화되고 레이저 펄스가 테스트 표면을 향하고 있는 것을 시스템에서 확인한다. 이러한 확인 플래시는 이후에 상세히 설명되는 바와 같이 고속 순간 레코더(high speed transient recorder)를 위한 시각(0)을 개시한다. 제2 윈도우(610)는 전력 제어 어셈블리(4)와 전력 모니터링(포토다이오드) 소자 둘다의 주기적인 조정, 측정 및 검증을 수행하도록 상용 전력계(612)를 접착하기 위한 것이다.
볼 접합 상의 펄스 임팩트와 표면파의 디텍터(보통 200 nsec 윈도우)로의 도달 간의 단기간에 따라, 데이터 캡쳐 타이밍의 동기가 전체 시스템 디자인의 주요부가 된다. 통상의 컴퓨터 제어는 매우 느리게 검사되며 레이저 트리거링과 데이터 캡쳐링의 개시 사이의 시간을 동기시켜 무효화한다. 점화(트리거) 커맨드를 수신하는 시간과 실제 점화 시간 간의 가변 지연이 있는 것은 대부분의 펄스 레이저에 고유한 것이다. 이러한 시간 변동은 통상 몇 천 밀리초(0.001초)이다. 동일 수준의 타이밍 변동의 크기는 레이저 트리거링 또는 데이터 캡쳐링 커맨드를 실행하는 컴퓨터의 응답으로 알 수 있다. 펄스와 테스트 표면상의 디텍터 빔(대략 0.005 내지 0.010 인치) 간의 근소한 접근에 따라, 유용한 표면파 기간이 200 nsec(0.0000002초) 정도이다. 도 7의 타이밍 차트에 도시된 바와 같이, 고유 지연은 데이터 캡쳐의 오류가 쉽게 일어날 수 있고 관찰된 파형이 볼 접합으로부터의 파형인지, 또는 선행의 표면파인지를 판정하기 어렵게 한다.
이러한 동기/전력 제어 디자인은 몇가지의 목적을 제공한다. 이러한 디자인로부터의 가장 중요한 이점은 펄스 레이저의 응용에 대한 데이터 캡쳐의 동기이다. 포토다이오드(606)가 펄스 레이저가 점화되고 그 펄스가 볼 접합 또는 상호 접속의 상부를 향하고 있는 양호한 표시인 미리 정해진 전압 상승을 감지함에 따라, 데이터 캡쳐 윈도우는 아날로그/디지털(A/D) 컨버터에 의해 즉시 활성화되거나 동기된다. 이러한 접근은 고유한 레이저 트리거 지연 뿐만 아니라 컴퓨터 프로세싱의 지연 시간을 보상한다.
또한, 이러한 동기 기술은 신호 모니터링, 캡쳐링 및 평균화를 위한 일관된 개시점을 보증한다. 이 동기 기술은 신호 대 잡음비를 개선하기 위한 다음의 신호 평균화 방법을 지지하는 데 중요하다. 시간 0에서 약간의 이동은 표면파 전파 신호를 0(null)으로 할 것이고(신호 평균화 방법을 이용하여), 실제보다 약한 시그너쳐가 리포트된다. 또한, 이 기술은 레이저 펄스가 그 경로를 통해 진행함에 따라 출력 전력(밀리볼트)의 양적(quantitative) 측정을 제공한다. 이 출력 전력은 펄스 레이저의 성능을 모니터링하는 데 사용될 수 있다.
다른 특징으로서, 출력 전력의 진폭은 시그너쳐 분석 방정식의 일부로서 시그너쳐 진폭을 측정하고 평준화하는 데 또한 사용될 수 있다.
레이저 접합 완성도 검출시 종래 기술에서는 주로 땜납 조인트와 같은 큰 대상에 관한 것을 관찰하였다. 펄스와 디텍터 간의 거리는 마이크로 상호 접속(micro-interconnects)에 비해 더욱 이격되어 있다. 또한, 도달 시간 및 시그너쳐 기간은 매우 길다. 마이크로 스케일에서, 본 발명은 매우 근접한 펄스와 디텍터 레이저 스폿 간의 거리로 동작하여, 그 결과 도달 시간이 더욱 짧아진다. 따라서, 본 발명의 동기 요구는 종래 기술의 시스템보다도 중요하다.
재차 도 2를 참조하면, 상용의 기성 컬러 카메라(6)는 테스트시 물질의 타겟팅 및 뷰잉(viewing)을 위해 사용된다. 인라인 레이저 반사기, 포커스 렌즈 및 대물 렌즈는 테스트할 물질 펄스 및 디텍터 레이저, 카메라의 뷰잉 및 포커싱을 가능케 한다. 밀도 필터는 디텍터 레이저와 펄스 레이저 양쪽으로부터 불필요한 빛을 필터링해 내는 데 사용될 수 있다. 이 비디오 카메라는 타겟 위치를 결정하기 위한 비젼 시스템에 접속된다.
공통 대물 렌즈(7)는 펄스 레이저, 디텍터, 및 비디오 카메라의 시계를 확대한다. 테스트될 물질이 작기(볼, 웨지 및 상호 접속) 때문에, 시계는 확대되어야 한다. 복잡한 치수때문에, 각각 자신의 광 경로를 갖는 펄스 레이저, 디텍터 및 비디오 카메라를 제공하기 어렵고, 따라서 바람직한 실시예에서는 공통의 대물 렌 즈가 3개의 시스템을 모두 수용한다.
디텍터 레이저(8)의 반사는 펄스 레이저의 적용에 수반하여 기판을 통해 전파하는 진동을 모니터링하는 데 사용된다. 디텍터 레이저는 1064 파장의 연속파(CW)를 갖는 안정한 단일 주파수 레이저인 것이 바람직하다. 접합 완성도 정보가 복귀(반사) 빔의 일부로서 삽입되기 때문에, 진폭은 물질 표면의 반사도 및 디텍터 레이저의 전력 레벨에 의존한다. 바람직하게는, 디텍터 레이저 전력이 신호 대 잡음비를 최적화하도록 대략 700밀리와트로 설정될 수 있다. 발명자는 낮은 디텍터 전력 레벨(즉, 각각 15, 40 및 500밀리와트)을 이용하여 시스템을 테스트했지만, 이에 한정되지 않는다. 높은 디텍터 레이저 전력의 이점은 진폭 복귀 신호가 보다 높다는 것이지만, 추가 레이저 전력이 테스트 표면에 과도한 열을 놓이게 할 수도 있다. 이들간의 밸런스가 테스트시의 물질의 본질에 기초해야 한다.
빔 확장기(9)는 디텍터 레이저(8)가 출사될 때 레이저 빔의 조준 및 다이버전스를 제어한다. 이 빔 확장기는 소정점(즉, 테스트 물질의 표면)에 도달할 때 펄스 레이저의 빔(스폿) 사이즈를 제어할 필요가 있다. 디텍터의 스폿 사이즈에 관해서는 빔이 작게 포커싱된 때 최선의 결과를 제공할 것이다. 그러나, 상술한 높은 전력 밀도 대 신호 진폭은 고려해야 한다.
파 플레이트 및 편광 빔 스플릿터(10, 11, 12, 13 및 14) 세트는 디텍터 레이저(8)의 포토다이오드(18)에서 복귀 빔으로의 출사로부터 레이저 빔의 진폭 및 흐름을 제어하는 데 사용된다. 레이저 빔이 시스템을 통해 진행할 때 파 플레이트의 배열 및 레이저 빔의 편광이 도 8에 더욱 상세히 도시되어 있다.
레이저 빔이 디텍터 레이저(8; 도 2에 도시함)를 출사할 때, 레이저 빔은 수평 방향으로 빔을 편광하는 제1 1/2파 플레이트를 통해 진행한다. 편광 빔 스플릿터(11)는 1/4파 플레이트를 향하여 수평 반사된 빔을 반사시킨다. 빔이 1/4파 플레이트를 통해 진행할 때, 레이저 반사기(20)에 의해 대물 렌즈(7; 도 2에 도시함)를 통해 테스트 표면(21) 상에 반사된다. 그 후, 빔은 1/4파 플레이트(12)를 통해 테스트 표면(21) 및 레이저 반사기(20) 뒤쪽으로부터 반사된다. 이 때, 빔의 편광이 엔트리 방향으로부터 수직 편광으로 90도 회전된다. 수직 편광 빔은 빔 스플릿터(11 및 13) 및 1/4파 플레이트(12)를 통해 진행할 것이다. 빔이 간섭계(15)로부터 복귀할 때, 1/4파 플레이트(12)는 이 경우에 빔의 편광을 엔트리 방향으로부터 수평으로 90도 회전할 것이다. 그 후, 빔이 포커스 렌즈(17; 도 2에 도시함)를 통해 편광 빔 스플릿터(13)로부터 포토디텍터(18) 상으로 반사된다.
포커스 렌즈(17)는 포토디텍터(18)의 중심으로 빔을 포커싱한다. 빔의 극성을 조정하는 것 외에도, 1/2파 플레이트(10)는 테스트 샘플을 삽입하기 전에 디텍터 레이저 빔의 전력 레벨을 제어하는 데 사용된다. 빔의 수평 편광부만이 테스트 표면으로 반사되는 반면 빔의 수직 편광부는 편광 빔 스플릿터(11)를 통해 진행할 것이고, 안전을 위하여 레이저 트랩에 의해 캡쳐링된다. 1/2파 플레이트(10)를 회전하는 것은 빔의 원하는 부분을 적절한 방향으로 돌리게 할 것이다.
간섭계 내측에서 사용되는 93% 반사기를 갖는 패브리패로(Fabry-Perot) 간섭계가 바람직한 실시예에서 사용된다. 이들 반사기의 선택은 검출된 표면 변위로부터 아날로그 응답을 제공할 것이다. 이와 유사한 성능을 갖는 호모다인 간섭계 등 의 다른 간섭계가 이러한 응용을 위해 사용될 수도 있다.
재차 도 1을 참조하면, 통상적으로 볼 접합, 웨지 접함 및 상호 접속은 펄스 레이저에 의해 펄싱되고, 인접하는 표면에서 검출이 행해진다. 볼 접합의 일측 상의 물질을 펄싱하여 볼 접합의 반대측의 동일 표면 상에서 검출할 수 있는 것을 알 수 있다. 도 9a 및 9b는 상호 접속의 동일한 물질 표면 상 및 반대측 상에서 펄싱 및 검출이 일어나는 대체 테스트 기술을 도시한다. 최종의 시그너쳐는 상술한 제1 실시예(즉, 볼을 펄싱하여 표면 상에 검출하는)와 다르다. 결합 표면들(인터메탈릭스)에 의해 생긴 포지티브(positive)의 파형을 찾는 대신에, 이 기술은 볼 접합, 웨지 접합 또는 상호 접속의 접합 물질에 의해 생긴 축임 효과(dampening effect)를 검출한다.
도 9a에 도시된 바와 같이, 표면파는 볼 접합이 없이 검출될 것이다. 한편, 볼 접합이 펄스와 디텍터 사이에 놓인 경우, 축임 효과, 또는 약한 시그너쳐가 도 9b에 도시된 바와 같이 검출될 수 있다. 볼 접합의 접합 완성도에 따라, 상이한 진폭 및 파형이 나타난다. 적당하게 볼을 접합하기 위해, 표면파는 감소된다. 비접착형 컨택트 접합을 위해, 표면파가 그대로 유지된다. 진폭 및 파형의 변화를 연관시킴으로써, 상호 접속(볼 접합, 웨지 접합, 땜납 접합 및 상호 접속)을 위한 접합 정도의 변동이 고속으로 판정될 수 있다.
대체 실시예는 이전에 알려진 테스트 방법 이상으로 많은 이점을 갖는다. 우선, 펄스 레이저는 인접하는 표면과 다른 상호 접속을 컨택트할 필요가 없다. 이는 상호 접속이 펄스 레이저에 의해 발생된 열에 극도로 약하거나 민감하다는 점 이 특히 중요하다. 또한, 표면 전파가 펄스 레이저 빔과 디텍터 레이저 빔 사이의 표면 위로만 진행하기 때문에 도달 시간이 이전의 기술보다 빠르다. 볼 접합의 상부로부터 기판의 표면으로 진행하는 것은 없다. 볼의 사이즈에 따라, 진행 시간은 55 내지 70 nsec 범위이다.
이러한 기술의 가장 중요한 이점은 파형이 상관에 대해 훨씬 단순하다는 점이다. 이러한 경우, 파형은 볼 접합의 상부로부터 돌출한 접합 와이어의 형태에 영향을 받지 않는다. 결과적 파형은 일반적으로 표면파의 형태를 취한다. 또한, 펄스 레이저의 스폿 사이즈는 볼 접합, 웨지 접합 또는 그 외의 상호 접속의 사이즈에 의해 제한되지 않는다.
이러한 기술은 검출 빔이 상호 접속에 인접하게 위치한 경우에 가장 효과적이다. 그러나 펄스 레이저는 효율적인 결과를 위해서는 상호 접속에 인접할 필요가 없다. 이러한 기술을 이용하는 한 이유는 표면 물질이 펄스 레이저에 의해 발생한 열에 민감한 경우에, 물질 박리를 방지하기 위해 큰 펄스 스폿(예를 들면, 선형 펄스 레이저)이 이용되어야 한다. 동일한 전력 설정을 갖는 큰 펄스 스폿은 테스트 물질의 표면 상의 전력 밀도를 감소시켜서 박리 효과를 제거한다.
본 발명의 일부 실시예에 유용한 동심(concentric) 검출 기술이 더욱 상세히 설명된다.
본 발명에 따른 완성도 검출의 감도로 인해, 표면파 전달은 결합 인터메탈릭(joining intermetallic)의 구조적 구성에 직접적으로 대응함이 밝혀졌다. 대부분의 결합 인터메탈릭스가 완벽하게 균일하지는 않으므로, 볼 접합의 중심으로부터 방출하는 표면파 전달은 균일하게 동심적이지는 않다. 볼 접합 주위의 상이한 위치로부터 복수의 신호를 캡쳐링함에 의해, 순차적으로 또는 동시에, 결합 인터메탈릭의 구조는 감소될 수 있다. 도 10은 레이저 초음파 기술을 이용하는 층간 금속제 구조를 결정하기 위한 펄싱 및 검출 기술을 도시한다. 볼(108)은 상부로부터 펄스되고, 복수의 위치(1002)에서 볼의 360° 둘레로 결합 표면 상에서 수행된다. 복수의 검출 레이저, 광학 및 데이터 처리 시스템에 대한 필요성을 방지하기 위해서, 각각의 복수의 위치(1002)에 대한 파형을 취하도록 단일 검출 장치가 순차적으로 이용될 수 있다. 예를 들면, 볼 접합은 초기 검사 이전에 회전 테이블의 동심원 중심 상에 위치한다. 디텍터 빔은 볼 중심으로부터 선정 간격 - 예를 들면 0.006인치 - 에 위치된다. 펄스(또는 일련의 펄스)는 볼 접합의 상부로 향하고, 볼의 중심으로부터 외부로 표면파를 방사한다. 볼 접합은 다음으로 선정 각, 예를 들면 5°로 회전 테이블을 돌림에 의해 회전된다. 제2 펄스 또는 일련의 펄스는 초기화되고 신호가 검출되어 저장된다. 볼 접합 주위의 모든 점에서의 신호를 수집할 때까지 처리는 반복된다.
일단 이러한 신호가 모아지면, 이들은 3D 포맷으로 디스플레이될 수 있어서, 층간 금속제 구조의 전파 "뷰(view)"를 제공한다. 이러한 포맷은 결합 구조로 상관 또는 해석되고 뷰잉을 위해 디스플레이된다.
본 발명의 레이저 트리거 제어는 접합 완성도 테스터의 상태(감도 위치)를 모니터하는 시스템 제어 디자인의 일부이고, 레이저(또는 검사의 초기화)의 트리거링을 초기화한다. 이러한 트리거 제어는 간섭계 내부의 미러 위치 외에도 디텍터 레이저 빔의 고유 파장(λ) 드리프트를 보상한다. 표면 전파를 위한 시스템 성능 및 감도는 이러한 드리프팅 문제에 의해 직접 영향을 받는다. 다시 말하면, 정확한 최적 시스템 감도에서 검사가 수행되는 경우, 신호는 결과적으로 분석에 대해 강한 신호가 된다. 반면에, 파장이 약간 천이되거나 또는 거울 위치가 그 프리셋 위치에서 천이된 경우 검사가 수행된다면, 수신된 신호는 약하거나 검출 불가능하다. 이러한 천이 효과는 신호 평균화 기술이 채용되는 경우 증폭된다. 상술한 문제를 해결하고 일관적인 검사 결과를 보장하기 위해서, 각각 정적 및 동적 트리거링 제어 모드로 칭하는 2개의 기술이 개발되었다.
정적 제어 트리거 모드는 주로 수동 검사를 위해 이용되는 것으로, 사용자는 각 검사 이전에 레이저 트리거 지점을 관측하고 설정한다. 도 11에 도시된 것처럼, 회로는 간섭계(15)로부터 포토디텍터(16)의 진폭(전압 출력)을 모니터하고 아날로그 오실로스코프(1102)를 통해 피드백을 제공한다. 이러한 피드백은 레이저 트리거링 지점과 시스템의 실제 최적 감도 사이의 기준을 제공한다. 사용자는 레이저를 트리거링하기 이전에 시스템의 임의의 감도 레벨(즉, 가장 민감, 최소 민감, 또는 그 사이의 임의 지점)에서의 트리거 지점의 재설정을 선택할 수 있다. 이러한 설정은 상술한 드리프팅 효과를 수용하도록 간섭계 공동(cavity) 내부의 반사 거울들 사이의 간격을 조정함에 의해 이뤄진다. 이러한 정적 트리거 제어 모드의 동작은 간섭계 거울 컨트롤러(1104)에서의 노브(knob)를 조절하면서 포토다이오드 피드백을 관찰함에 의해 이뤄진다. 일단 트리거 포인트가 설정되면, 사용자는 트리거의 점화를 개시할 수 있다. 이러한 모드는 단일 펄스 검사 및 시스템 측정에 특히 유용하다. 이러한 모드의 단점은 드리프트에 대한 설비가 수동이고 그러므로 시간 소요가 많다는 점이다. 그러나, 사용자는 조사 및 측정을 목적으로 시스템의 감도 범위에 따라 임의 지점에서 레이저 트리거 지점을 자유롭게 설정할 수 있다.
동적 트리거 제어 모드는 감도 드리프트에 동시 조절하면서 고속으로 자동 테스팅하는 것에 적합하다. 이러한 모드에서, 간섭계 내부의 거울은 연속 주사(발진) 모드에 설정되어 다중 포토 피크치가 관측된다(즉, 간섭계 미러는 디텍터 레이저 주파수의 수 파장의 간격을 경유하고 복귀됨). 예를 들면, 간격은 3 포토 피크치에 설정될 수 있다 - 주파수 드리프트와는 무관하게, 시스템은 6개의 최적 감도 포인트(3 일방향 및 3 복귀)에 걸침 -. 도 12에 도시된 것처럼, 회로는 복귀 피크치(공백(blank) 주기)와 특히 공백 주기 이후의 제1 피크치를 모니터링한다. 회로는 또한 비교기 회로를 가져서 PROM내에 저장된 선정 전압 값에 대한 제1 포토 피크치(주사됨)로부터 전압 진폭을 비교한다. 일단 이들 2개의 전압 값이 일치하는 경우, 회로는 레이저에 레이저 트리거 명령을 개시한다. PROM 내에 저장된 전압값은 양호하게는 최적 포토 피크치 이전의 시간(Tf)에서 얻어지는 값으로서, 여기서 Tf는 펄스 레이저를 점화하기 위한 신호의 전송과 실제 펄스 레이저의 점화 사이의 평균 시간이다.
동적 트리거 제어 모드 회로는 연속적인 트리거링을 수행하며, 각 세션에 트리거 수의 트랙을 유지한다. 트리거 코맨드(command)가 PROM에 저장된 트리거 카운트 값과 동일할 때, 트리거 세션은 종료한다. PROM에 있는 트리거 카운트 값과 선정된 전압 진폭 둘다는 각각의 테스트 세션 전에 시스템 제어 컴퓨터로부터 입력된다.
본 발명의 간섭계 제어 시스템이 초당 100+ 사이클의 주사 주기를 유지하기 때문에, 최적의 감도에서 조인트(joint)의 테스팅은 따라서 또한 초당 100 포인트를 초과하여 수행될 수 있다. 이런 트리거링 제어 기술은 이 시스템에서의 감도 드리프트(drift)에 자동적으로 순응하여 고속 테스팅을 유지한다.
동적 트리거 제어 모드는 많은 이점을 가진다. 이런 모드는 시스템에서의 고유 감도 드리프트에 자동적으로 적응되며, 컴퓨터 제어 자동 테스팅(카운트 및 감도 기준용 PROM 입력)을 유지하며, PROM으로부터 최적 시스템 감도(또는 임의의 다른 사전 설정 감도)에서 통합 테스트를 보장하며, 고속 테스팅을 유지하며, 단일 또는 다수의 테스트를 자동적으로 트랙킹한다.
신호 대 잡음비를 개선하기 위한 많은 기술이 본 발명에 사용된다. 신호 대 잡음비는 모든 전자 시스템에서 항상 변한다. 이런 비접촉 접합 일체화 기술에도 예외는 없다. 접합에서 발생되는 미세한 표면 전파를 얻기 위하여, 디텍터 센서는 감도가 높아야 한다. 표면 전파를 얻는 것 뿐만 아니라, Q 스위치 RF 잡음 및 접지 잡음과 같은 다른 외부 환경 잡음이 또한 픽업된다. 이런 잡음들의 진폭은 때때로 전파 시그너쳐의 진폭보다 크다. 대부분의 외부 환경 잡음이 랜덤하기 때문에, 표면파가 고정되는 한, 신호 평균화 기술은 이런 예기치 않은 잡음을 삭제하기 위해 사용된다.
신호 평균화 기술 뿐만 아니라, 시그너쳐의 진폭을 증가시키기 위한 다른 고 려도 요구된다. 가장 중요한 구현 현안은 적절한 포토다이오드, 증가된 디텍터 레이저 전력, 및 감소된 디텍터 레이저 스폿 사이즈의 신중한 선택이다.
간섭계 제조업자에 의해 제공되는 포토다이오드는 실리콘 기저 포토다이오드를 사용한다. 시스템 동작은 λ=1064nm의 바람직한 디텍터 레이저 주파수에 더욱 잘 응답하는 포토다이오드로 대체함으로써 개선될 수 있음이 밝혀졌다. 도 13에 도시된 바와 같이, 갈륨 아세나이드 디텍터는 바람직한 레이저 주파수에 약 4.3배 이상 응답한다. 이는 신호 대 잡음비에서 400% 이상의 개선과 동일한 것을 나타낸다.
복귀 시그너쳐의 진폭은 테스트 표면으로부터 반사된 광량에 의존한다. 광학층을 통한 광 에너지의 큰 손실에 기인하여, 복귀광 에너지는 실질적으로 감쇄된다. 15mW(발명자의 이전 특허에 개시된 바와 같이)로부터 700mW까지의 입력 디텍터 레이저 전력의 증가가 구현되며, 신호 대 잡음비는 여러배 증가하게 된다.
디텍터 레이저의 스폿 사이즈를 최소화하는 것이 시그너쳐 진폭을 증가시킴이 밝혀졌다. 디텍터의 스폿 사이즈는 개선된 신호 대 잡음비에 대해 직경이 0.003인치로 감소된다.
본 발명을 사용하여 수집된 데이터는 마이크로 차원의 물질 접합의 일체화가 레이저 적외선 수단을 사용하여 결정될 수 있음으로 구체화되었다. 상기 프로세스에 의해 발생된 표면파 시그너쳐는 500MHz(즉, 초당 500 백만개 샘플)에서 동작하는 아날로그/디지털 컨버터에 의해 캡쳐된다. 바람직하게, 500 데이터 포인트는 포인트당 2 나노초에서 각각의 시그너쳐에 대해 수집된다. 도 14는 완전 접합된 볼 접합, 부분 접합 볼, 및 비접착된(터칭) 볼에 대한 시그너쳐를 도시한다. 본 발명의 디자인이 발명자의 이전 미국 특허 제5,535,006호에서 시그너쳐에 존재하는 충격파를 제거하는 것에 유의해야 한다.
바람직한 실시예에서, 단지 시그너쳐의 빠른 세그먼트는 이웃 접합(구조)으로부터 리바운딩(rebounding)되는 표면파가 검출 포인트에 도달할 수 있기 때문에 상관(correlation)을 위해 사용되고, 그 결과 복소수 시그너쳐를 얻게된다. 스파이크의 진폭 뿐만 아니라, 시그너쳐의 여러 특징은 접합 일체화 상관을 위해 사용된다. 이런 특징(시드(seed) 파라미터)의 조합은 양호한 부분 접합과 비접합 사이에 훨씬 더 나은 구별을 제공한다. 도 15는 본 발명에서 사용되는 시그너쳐 분석의 소자를 설명하는데 참조될 샘플 시그너쳐를 도시한다.
제1 표면파 스파이크의 도달 시간(도 15에서 포인트 C)은 접합 완성도에 무관하게 표면파가 동일 속도로 이동해야 하기 때문에 시스템이 기대한 바와 같이 수행되고 있음을 보장하도록 검출된다. 비정상 도달 시간은 보통 특이한 접합 구조 또는 상호 접속 특징을 나타낸다. 표면파의 도달 시간은 사용되는 물질, 레일리 속도 및 펄스와 디텍터 레이저 스폿 사이의 거리에 의존한다.
도 15에 도시된 바와 같이 Pt. C와 Pt. E 사이의 수직 분리는, 두 지점 사이의 수직 거리를 계산하는 전단력(shear force)이 증가(또는 접합 일체화가 개선)됨에 따라, 증가한다. 거리는 접합 완성도의 표시기이며, 상호 접속의 접합 상태를 예측하기 위한 시드 파라미터 중 하나로서 사용된다.
Pt. D와 Pt. E 사이의 기울기는 전단력과 가깝게 상관된다. 데이터 분석 소 프트웨어 루틴은 선정된 시간 윈도우 내에서 자동적으로 최대점(Pt. D) 및 최소점(Pt. E)을 식별하며, 이들 사이의 모든 데이터 포인트로 역행 분석을 수행한다. 이런 역행 분석의 기울기는 상호 접속의 접합 일체화에 직접 대응한다. 기울기가 가파를수록 접합은 더욱 강하게 된다. 반대로, 기울기가 감소할수록 접합력은 감소한다.
본 응용에서 주파수는 제2 및 제3 스파이크의 피크 및 벨리의 도달 시간으로 변환될 수 있다. 4 포인트(F, G, H 및 I)중에서, Pt. I의 도달 시간은 예비 시드 파라미터로서 사용된다. 이는 Pt. I가 시간에서 벗어난 가장 먼 지점이며, 접합 정도를 변화하는 시그너쳐 중에서 보다 나은 시간 분리를 허용하기 때문이다. 실험의 테스트 데이터는 상기한 분석을 뒷받침한다.
도 16은 본 발명을 따르는 완전 검사 시스템의 바람직한 실시예를 도시한 개요도이다. 시스템(1600)은 시스템 컨트롤러(1602), 비젼 시스템(1603), 링 조명(1604), 디텍터 레이저 서브시스템(1605), 레이저 스티어링 모터(1606), 간섭계 제어 회로(1607), 증폭기(1608), 펄스 레이저 서브시스템(1609), 동기 제어(1610), 디지털 스코프 순간 레코더(1611), 포토다이오드(1613), 아날로그 스코프(1614), 입력 장치(1615), 모터 제어(1618), 간섭계(15), 포토다이오드(16), 및 비디오 카메라(6)를 포함한다. 펄스 레이저 서브시스템(1609)과 디텍터 레이저 서브시스템(1605)은 바람직하게 상술한 바에 따라 구체적으로는 도 2를 참조하여 제조된다. 당해 분야의 통상의 기술자는, 도 2의 장치의 대부분이 명료성을 위해 도 16으로부터 생략되었지만, 동일한 소자들이 도 16의 완전한 시스템으로 바람직하게 합체된다는 것을 명백히 알 것이다.
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자동 테스트 프로세스의 바람직한 실시예를 나타내는 기능적인 플로우챠트가 도 17에 도시되어 있다. 테스트 프로세스를 시작하기 위해, 블럭 1702에 도시된 바와 같이, 오퍼레이터가 테스트될 부품을 테이블(21) 상에 배치하는데, 본 실시예에서 상기 테이블(21)은 모터들을 장착하여 2축을 따라 부품을 이송하기 위한 이송 스테이지를 형성한다. 그런 다음, 블럭 1704에서, 시스템 컨트롤러(1602)가 상기 부품을 비젼 시스템(1603) 아래로 이동시키는데, 비젼 시스템(1603)은 부품 얼라인먼트와 위치 설정을 제어한다. 그런 다음, 블럭 1706에서, 시스템 컨트롤러가 링 조명 메카니즘(1604)을 활성화하여 시야 내의 볼 접합과 웨지 접합을 하일라이트한다. 링 조명 메카니즘과 상기 시스템의 부수적인 운영 기능들은 본 발명자의 미국 특허 제5,420,689호, 제5,424,838호, 및 제5,302,836호에 개시된 바에 따라 바람직하게 구성되는데, 상기 미국 특허들의 개시 내용들이 본 명세서에서 참조된다. 블럭 1708에서, 비젼 시스템(1603)은 검사될 볼 접합, 웨지 접합, 또는 상호접속들을 식별하고 위치를 파악하며, 블럭 1710에서 상기 시스템(1603)은 타겟 좌표를 시스템 컨트롤러(1602)에 전송한다. 시스템 컨트롤러(1602)는, 블럭 1712에 도시된 바와 같이, 펄스 레이저 타겟팅용 펄스 레이저 조정 거울(1606) 뿐만 아니라 디텍터 레이저 서브시스템(1605)을 위해 이송 스테이지(21)를 사용하여 위치 변경을 행한다. 그런 다음 시스템 컨트롤러(1602)는 간섭계 제어 회로(1607)에 명령을 보내어 완성도 테스트를 수행한다. 펄스들의 개수와 레이저 트리거링을 위한 감도 레벨 설정점을 포함하는 상기 명령은 ICC(1607)의 PROM 내에 저장된다.
그 다음으로, 블럭 1714에서, ICC(1607)는 증폭기(1608)를 통해 시스템 감도 상태를 모니터링하고, 신호 전송과 레이저의 점화 사이에 기대된 시간 지연이 있게 되면, 선정된 최대 감도를 위해 적당한 시각에서 펄스 레이저 서브시스템(1609)을 트리거한다. 일단 트리거되면, 레이저 펄스는 동기화 제어 유닛(1610)을 통과하는데, 동기화 제어 유닛(1610)은 블럭 1716에 도시된 바와 같이 순간 레코더(1611)의 데이터 캡쳐 기능을 개시한다. 블럭 1718에서, 표면파 시그너쳐가 캡쳐링되고 간섭계(15)와 포토다이오드(16)를 통해 전압으로 변환되고, 상기 시그너쳐는 표시를 위해 고속 순간 기록기(1611)에 의해 기록된다. 이어서, 이 데이터는 또한 자동 접합 완성도 분석을 위해 시스템 제어기(1602)에 보내진다 (블럭 1720 참조). 그런 다음 테스트의 결과가 표시된다 (블럭 1722). 결과들은 정밀 검사, 분석, 및 상관 관계성 조사를 위해 바람직하게 저장된다 (블럭 1724). 자동 테스트의 필요에 따라, 제어는 블럭 1726(여기서는 다음 부품이 검사된다)이나, 블럭 1728(여기서는 다음 상호접속을 검사하기 위해 부품이 이동되어야 한다)이나, 블럭 1730(여기서는 테스트가 완료된다) 중 어느 하나로 통과된다.
정적 모드 트리거 동작이 수행되는 경우 (상술한 바와 같이), 가시 기준을 위해 아날로그 스코프(1614)가 구비된다. 입력 소자들(1615)은 조이스틱, 키보드, 및 마우스를 포함할 수 있어서 소프트웨어 운영의 편리성을 강화한다.
바람직한 실시예에 있어서, 두개의 오실로스코프들이, 타겟팅용 비디오 카메라(6)로부터의 라이브 비디오와, 비디오 카메라(6)용 온스크린 마우스 구동 초점 제어와, 그리고 이송 스테이지의 회전 및 이송용 온스크린 마우스 구동 제어를 따라, 단일 컴퓨터 스크린 디스플레이에 실질적으로 구현된다.
볼 접합과 같은 작은 접합 영역들의 완성도를 평가하는 것에 부가하여, 본 명세서에 개시된 기술들과 시스템들은 다양한 다른 종류의 마이크로 레벨 응용들에서 접합 완성도를 테스트하기 위해 사용될 수 있다. 특히, 본 발명은 얇은 코팅과 같은 넓은 영역들에서의 접합 완성도를 테스트하는데 사용될 수 있다. 본원의 좋은 예로는, 보이드의 존재 및 부재, 비접착성 접촉, 부분적인 접합, 및 완전한 접합 조건들의 검출이 있다. 물질의 얇은 코팅으로 인해 (마이크론 수준), 스폿 펄스 레이저가 인가되면, 전력 밀도가 너무 강해질 수 있다. 이러한 잠재적인 문제점을 극복하기 위해, 본원의 바람직한 실시예는 표면 상의 전력 밀도를 감소시키면서, 높은 신호 대 잡음비를 유지하는 대안적인 광학 디자인을 사용한다. 얇은 코팅에 관련된 시그너쳐 특성에 대해 이미 상술되었다. 각각의 응용에 대해 수학적인 모델이 개발되었다 (예를 들면, 실리콘 상의 얇은 알루미늄 코팅을 평가하고, 상기 시스템에 의해 획득된 실재 시그너쳐들과 상관시키기 위한 모델이 하기에서 보다 상세히 설명된다).
표면 상에 포커스되는 고밀도 에너지에 기인하여 박리가 발생되어 전파(propagation)나 표면파를 생성할 수 있다. 본 발명자는 펄스의 전력 밀도가 시그너쳐의 진폭에 직접 비례함을 측정하였다. 즉, 펄스 강도가 높을수록 펄스가 강해져서, 인식 가능한 시그너쳐들이 많아진다. 다시 말해서, 박리 효과를 줄이기 위해, 펄스의 강도를 낮추고, 시그너쳐를 약하게 하여, 신호 잡음비를 감소시킨다.
시스템 디자인에 있어서, 중대한 고려 사항은 센서의 비파괴성을 유지하는 것이다. 펄스 레이저 빔이 작은 스폿에 포커스되면, 많은 양의 에너지(Mwatts)가 짧은 시간(nsec)에 샘플 표면에 인가될 수 있어서, 물질의 박리를 유발한다. 광학 디자인을 변경함에 의해, 연장된 펄스 레이저 스폿(elongated pulse laser spot)이 본 실시예에 구비되었다. 연장된 레이저 풋프린트는 표면 물질 상의 전력 밀도를 감소시켜서, 더 높은 총 입력 전력이 상기 표면에 인가되면서도, 표면 온도를 박리 레벨 이하로 유지할 수 있다. 이 신규한 디자인은 우리의 접합 테스트 응용들에 두가지 이점을 주었다. 첫째, 상기 디자인은 초박막 물질들의 테스팅 시에 박리가 수반되지 않도록 해준다. 테스트 중의 샘플들은 전자 현미경(Scanning Electronic Microscope, SEM) 하에서 600x과 950x 배율들로 각각 확인되고 기록되었다. 또한, 열 전송 이론들을 사용하는 수학적 모델들이 개발되어, 표면과 서브표면의 온도들을 판정하였다. 두 방법들 모두 비박리를 달성하는 것을 입증하였다. 둘째로, 이 광학 디자인은 단일 스폿 에너지 소스로부터의 전력 분산 문제점을 극복한다. 도 18에 도시된 바와 같이, 에너지는 단일 에너지 소스로부터 모든 방향들로 분산된다. 소스로부터 어느 정도의 거리에 배치된 단일 검출 포인트에서, 매 분산 각도에 대해 이론적인 1/360의 전력이 수신되었다. 검출 가능한 시그너쳐에 대해, 단일 포인트 소스가 사용된다면, 고 에너지가 그 표면에 인가되어야 한다. 도 19에 도시된 바와 같이, 라인 레이저 소스는 검출점에서 분산된 에너지를 재결합한다. 이로써 저전력 밀도에서 시그너쳐 검출 가능성이 높아지게 된다.
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이러한 광학적 디자인은 대물 렌즈 앞에 중간 라인 이미지(intermediate line image)를 생성하기 위해 일련의 실린더 렌즈를 사용한다. 바람직한 실시예에서, 라인 형상의 빔은 1 내지 2 ㎜ 길이이다. 빔 사이즈는 네가티브 실린더와 제1 포지티브 실린더 사이의 공간을 변화시킴으로써 가변될 수 있다. 이러한 광학적 디자인은 Code V선 트래이싱 소프트웨어에 기초한다. 이러한 광학 시스템은 일련의 실린더 렌즈를 사용하여 직접 라인 이미지(immediate line image)를 생성한다. 시스템(네가티브 실린더) 내에서 제1 렌즈의 포커스 길이를 변화시킴으로써, 직접 이미지의 F/n0가 변화되어 대물 렌즈의 포커스 내에 있는 빔 폭을 제어할 수 있게 된다. 이러한 광학적 디자인은 부록 A에서 도시된다.
물질 표면 상에 코팅된 접착물은 자동차에서 마이로일렉트로닉스 회로 제조에까지 많은 제조 세팅에 있어 중요한 문제가 된다. 통상 이러한 코팅은 얇고(1 내지 40 마이크론), 광학적, 화학적, 열적 또는 기계적 특성이 전혀 다른 기초 물질들에 피착된다.
본 발명의 레이저 초음파는 코팅 및 기초 물질 둘다를 포함하는 영역 내에서 전파하는 탄성파 특성을 측정한다. 이는 전적으로 코팅 두께, 탄성 계수 및 코팅과 그 기초 물질과의 접착 상태와 같은 기계적 특성에 의존한다. 탄성파는 코팅면을 따라 상당한 거리를 전파할 수 있는 탄성 변형도(elastic strains)를 갖는다. 이러한 변형도는 코팅/기판 인터페이스를 신장시킴으로써 접착 강도를 직접 테스트하게 된다. 코팅 및 그 기초 물질 상에 편광 탄성파를 사용함으로써 인터페이스 면에 병렬 및 직교하도록 또는 인터페이스 표면에 병렬 또는 직교하게 인가될 수 있다.
물질의 표면을 따라 진행하는 탄성파 모드는 레일리파로서 알려져 있다. 이는 회복력이 표면 장력보다는 더 탄력적인 것을 제외하고는 대양에서의 파형과 같은 액체의 표면을 따라 진행하는 파와 같다. 이러한 파는 장거리를 진행하고, 진폭만이 감쇄될 뿐 그 형상을 변형시키지 않는다. 이러한 파장의 속도는 물질의 탄성 계수에 의존한다.
만약 코팅 물질이 얇은 시트라면, 두개의 표면파가 그 물질을 따라 하나는 상부면에서 또 다른 하나는 하부면에서 진행한다. 이러한 파장은 도 20에서 도시된 바와 같은 표면파로서 진행할 것이다. 이러한 현상은 다음과 같이 설명될 수 있다.
펄스 레이저가 표면(2001)에 충격을 줌에 따라, 가변 주파수를 갖는 파장이 코팅 물질의 표면(2001)을 따라 생성된다. 전파하는 파장 길이는 (2002)에서 도시된 것 같은 코팅 물질 위의 존재하는 코팅 물질의 두께보다 얇고, 상기 코팅 물질의 레일리 속도로 외측으로 전파한다. 한편, 상기 코팅 물질의 두께보다 큰 파장 길이가 기초 물질(2004) 위의 코팅 물질을 통해 침투할 것이다. 기초 물질은 통상 침투하는 파장 길이보다 두껍기 때문에, 이러한 파장 주파수(2006)는 기초 물질의 레일리 속도로 기초 물질의 상부를 따라 검출점으로 이동하게 될 것이다. 이러한 상황이 생길 때, 두개의 평면파(2002 및 2006) - 서로 다른 속도로 도달함 - 가 검출될 수 있다. 이러한 시그너쳐의 패스트 퓨리에 트랜스폼(FFT) 해석을 이용하고, 그 파장에 대한 상관 관계를 이용하면, 코팅 물질의 두께는 용이하게 결정될 수 있다.
상술한 바와 같이, 이러한 분산된 파형으로 모드를 매우 용이하게 식별할 수 있게 한다. 또한, 이러한 파형 분산 정도는 물질의 두께에 의존한다. 도 21은 알루미늄 코팅된 실리콘 물질을 따라 이동하는 파장의 주파수에 대해 플로팅한 평면파의 레일리 파형 속도를 도시하는 것이다. 도시된 바와 같이, 전파 파형의 속도는 주파수가 증가함에 따라 감소한다. 만약 파형의 고주파 성분의 도달 시간 즉, 100㎒ 을 모니터링한다면, 코팅 물질의 두께를 결정할 수 있다. 또한, 검출된 시그너쳐 산란 형상은 코팅 물질을 결정하기 위해 사용될 수도 있다. 부록 B에서 형성하는 샘플 파형은 다양한 두께의 알루미늄 코팅된 실리콘 위에 형성되는 분산파형을 도시한다. 이 샘플은 코팅 두께가 각각 1.0 ㎛, 5.0 ㎛, 10.0 ㎛ 및 20.0 ㎛에 대해 20.0 mils 간격으로 각각 형성하는 파형을 도시한다. 코팅 두께가 다르게 때문에 아주 다른 파형이 검출될 수 있다.
접합 물질의 접합 특성은 정상 비대칭 파형의 변동 또는 정상 비대칭 파형을 벗어남으로서 결정될 수 있다. 예를 들어, 코팅 물질과 기초 물질 사이가 완전히 비접착된다면, 평탄한 파형이 검출될 것이다.
얇은 코팅 테스트 방법의 다른 바람직한 실시예에서, 신호 대 잡음비를 개선하기 위해 새로운 레이저 빔 디자인이 이루어졌다. 스폿 또는 직선 풋프린트 대신에, 곡선형 펄스 레이저 풋프린트가 개발되었다. 도 22를 참조하면, 곡선형 레이저(2202)는 물질 표면 상에 동일한 또는 배터리 전력 밀도를 가능케하여, 표면파 전파가 단일 검출 포인트(2204)에 포커싱될 것이다. 곡선형 레이저 빔(2202)의 포커스 점에서 검출 빔의 위치를 지정할 때, 시그너쳐 진폭이 합산되므로써 시그너쳐 진폭이 수배로 증가하게 된다. 이러한 기술은 특히 물질층이 펄스 레이저에 의해 유도된 열에 민감할 때 사용가능하다. 이러한 기술을 이용하기 위한 한가지 중요한 기준은 디텍터 레이저 풋프린트가 곡선형 레이저 빔의 포커스 점에 정확하게 위치 지정되어야만 한다. 이러한 기술을 사용하는 데 있어 단점은 레이저 빔의 곡률이 펄스와 디텍터 레이저 간의 거리가 변화됨에 따라 변화되어야만 한다는 것이다.
본 발명의 다양한 실시예는 U.S. 특허 제5,535,006호 및/또는 1997년 12월 19일 출원된 U.S. 특허 출원 번호 60/068,362호에 개시된 특성의 어떤 것 또는 모두를 조합할 수 있고, 이들은 둘다 참조용으로 설명된다.
그리하여, 소자들 간의 상호 접속을 모니터링하기 위해 개선된 시스템 및 방법을 개시하였다. 본 발명은 본원에 기술된 특정예들에 제한되는 것은 아니고, 다음의 청구범위에 개시된 용어들에 의해서만 제한되는 것이다.
본 발명의 레이저 초음파 접합 완성도 평가 시스템 및 방법은 마이크로 레벨에서 접합 물질의 접합 완성도(접착 상태)를 판정할 수 있다.

Claims (69)

  1. 소자와 기판 간의 접합부를 평가하기 위한 레이저 초음파 시스템에 있어서,
    조준 광원과, 상기 접합부에 인접한 타겟점과 상기 조준 광원 사이에 배치되는 광학 서브시스템을 포함하며, 광 경로를 제공하여 상기 조준 광원으로부터의 광 펄스를 상기 타겟점으로 전송하는 펄스 인가 수단;
    상기 광 경로에 있으며, 상기 광 경로를 따라 상기 광 펄스의 통과를 검출하고, 상기 펄스의 존재를 표시하는 출력 신호를 공급하기 위한 점화(firing) 검출 수단;
    상기 기판에서의 진동의 전파를 검출하고, 분석을 위해 상기 진동의 상기 전파를 반영하는 진동 시그너쳐(signature)를 수집하는 모니터링 수단; 및
    상기 펄스 인가 수단 및 상기 점화 검출 수단에 접속되어, 광 펄스를 상기 타겟점에 공급하기 위해 상기 펄스 인가 수단을 선택적으로 작동시키고, 상기 펄스 전송의 타이밍을 판정하기 위해 상기 점화 검출 수단을 모니터링하며, 이것에 응답하여, 상기 펄스 전송의 상기 타이밍에 대응하는 상기 진동 시그너쳐의 적절한 부분을 수집하기 위해 상기 모니터링 수단을 활성화하는 동기 제어 수단
    을 포함하는 레이저 초음파 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 모니터링 수단은 간섭계(interferometer)를 포함하는 레이저 초음파 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 간섭계는 패브리패로(Fabry-Perot) 간섭계를 포함하는 레이저 초음파 시스템.
  4. 제2항에 있어서, 상기 간섭계는 호모다인(homodyne) 간섭계를 포함하는 레이저 초음파 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 모니터링 수단은 연속파 디텍터 레이저를 포함하는 레이저 초음파 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 연속파 디텍터 레이저는 700 밀리와트의 전력 레벨에서 동작 가능하고, 1064nm의 파장에서 연속파 광을 방사할 수 있는 안정된 단일 주파수 레이저를 포함하는 레이저 초음파 시스템.
  7. 제5항에 있어서, 상기 연속파 디텍터 레이저는 700 밀리와트 미만의 전력 레벨에서 동작 가능한 안정된 단일 주파수 레이저를 포함하는 레이저 초음파 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 단일 주파수 레이저는 15 밀리와트의 전력 레벨에서 동작하는 레이저 초음파 시스템.
  9. 제7항에 있어서, 상기 단일 주파수 레이저는 40 밀리와트의 전력 레벨에서 동작하는 레이저 초음파 시스템.
  10. 제7항에 있어서, 상기 단일 주파수 레이저는 500 밀리와트의 전력 레벨에서 동작하는 레이저 초음파 시스템.
  11. 제5항에 있어서, 상기 연속파 디텍터 레이저는 상기 기판상의 검출점에서 타겟이 되고, 상기 펄스 인가 수단의 상기 타겟점은 상기 소자상의 점인 레이저 초음파 시스템.
  12. 제5항에 있어서, 상기 연속파 디텍터 레이저는 제1 주파수에서 광을 방사하는 수단을 포함하고, 상기 펄스 인가 수단의 상기 조준 광원은 상기 제1 주파수와는 다른 제2 주파수에서 광을 방사하는 수단을 포함하는 레이저 초음파 시스템.
  13. 제1항에 있어서, 상기 펄스 인가 수단은, 상기 펄스에 의해 생성된 표면파가 검출점에 도달하는 시점에서 상기 펄스가 연속하지 않도록 충분히 짧은 펄스폭을 가지는 펄스를 인가하는 수단을 포함하는 레이저 초음파 시스템.
  14. 제1항에 있어서, 상기 펄스 인가 수단은 인가된 펄스의 펄스폭을 변화시키는 수단을 포함함으로써, 상기 표면파 시그너쳐의 형태가 변화되는 레이저 초음파 시스템.
  15. 제1항에 있어서, 상기 펄스 인가 수단은 상기 타겟점에서 상기 광 펄스의 스폿 사이즈를 제어하는 수단을 포함하는 레이저 초음파 시스템.
  16. 제1항에 있어서, 상기 펄스 인가 수단에 의해 상기 타겟점으로 전송된 전력을 정밀하게 조정하기 위한 고 해상도 전력 제어 어셈블리를 더 포함하는 레이저 초음파 시스템.
  17. 제1항에 있어서, 상기 동기 제어 수단은 시그너쳐 분석을 위한 데이터 윈도우의 0 시점을 설정함으로써 상기 모니터링 수단을 활성화하기 위한 수단을 포함하는 레이저 초음파 시스템.
  18. 제1항에 있어서, 상기 동기 제어 수단은 신호 분석을 위한 시작점을 설정함으로써 상기 모니터링 수단을 활성화하기 위한 수단을 포함하는 레이저 초음파 시스템.
  19. 제1항에 있어서, 상기 동기 제어 수단은 데이터 캡쳐 윈도우를 활성화함으로써 상기 모니터링 수단을 활성화하기 위한 수단을 포함하는 레이저 초음파 시스템.
  20. 제1항에 있어서, 상기 점화 검출 수단은 포토다이오드를 포함하는 레이저 초음파 시스템.
  21. 제1항에 있어서, 진동 시그너쳐를 수집하기 위한 상기 모니터링 수단은 아날로그/디지털 컨버터를 포함하고, 상기 동기 제어 수단은 상기 점화 검출 수단으로부터의 신호에 응답해서 상기 아날로그/디지털 컨버터를 활성화하거나 동기화하기 위한 수단을 포함하는 레이저 초음파 시스템.
  22. 제21항에 있어서, 상기 동기 제어 수단은 상기 점화 검출 수단으로부터의 신호에 응답해서 상기 아날로그/디지털 컨버터를 활성화하거나 동기화하기 위한 포토다이오드 및 증폭 수단을 포함하는 레이저 초음파 시스템.
  23. 제1항에 있어서, 상기 소자의 타겟팅 및 뷰잉(viewing)을 위한 비디오 카메라를 더 포함하는 레이저 초음파 시스템.
  24. 제23항에 있어서, 상기 광학 서브시스템은 상기 조준 광원으로부터의 광과, 상기 모니터링 수단과 관련된 광원으로부터의 광, 그리고 상기 비디오 카메라의 뷰(view) 필드내의 광을 포커싱하고 방향지시하기 위한 공통 대물 렌즈를 포함하는 레이저 초음파 시스템.
  25. 소자상의 접합 완성도를 평가하기 위한 방법에 있어서,
    조준 광원과 광학 서브시스템을 사용하여 타겟점에 펄스를 인가하는 단계;
    상기 조준 광원 및 상기 타겟점 간의 광 경로를 따라 상기 광 펄스의 통과를 검출하고, 상기 펄스의 존재를 표시하는 출력 신호를 공급하는 단계;
    상기 소자내의 진동의 전파를 검출하고, 분석을 위해 상기 진동의 상기 전파를 반영하는 진동 시그너쳐를 수집하는 단계; 및
    상기 점화 검출 수단을 모니터링하여 상기 펄스 전송의 타이밍을 판정하고, 이것에 응답하여, 모니터링 수단을 활성화하여 상기 펄스 전송의 상기 타이밍에 대응하는 상기 진동 시그너쳐의 적절한 부분의 분석을 가능하게 하는 단계
    를 포함하는 방법.
  26. 제25항에 있어서, 상기 진동 시그너쳐의 상기 적절한 부분은 표면파에 기인하는 부분을 포함하는 방법.
  27. 제25항에 있어서, 상기 진동 시그너쳐의 상기 적절한 부분은 벌크파에 기인하는 부분을 포함하는 방법.
  28. 제25항에 있어서, 상기 진동 시그너쳐의 상기 적절한 부분은 충격파에 기인하는 부분을 포함하는 방법.
  29. 소자상의 접합 완성도를 평가하기 위한 방법에 있어서,
    연속파 레이저 및 간섭계를 사용하여 상기 접합 또는 상기 소자에 의해 반사된 광으로부터 간섭 패턴을 생성하는 단계;
    검출 수단을 사용하여 시간에 따른 상기 간섭 패턴내에서의 변화를 모니터하는 단계;
    상기 변화의 기간에 따라 최적의 시스템 감도의 프리셋(preset)점을 선택하는 단계;
    상기 선택된 프리셋점에 도달했을 때, 조준 광원을 자동적으로 트리거링하여 상기 소자상의 타겟점에 펄스를 인가하는 단계; 및
    상기 검출 수단을 사용하여 상기 펄스로부터 발생하는 상기 소자내의 진동의 전파를 검출하고, 분석을 위해 상기 진동의 상기 전파를 반영하는 진동 시그너쳐를 수집하는 단계
    를 포함하는 방법.
  30. 제29항에 있어서, 상기 간섭계내의 반사기를 오실레이팅함으로써 상기 간섭 패턴내에서의 상기 변화를 발생시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  31. 제29항에 있어서, 상기 검출 수단에 의해 수신된 포토피크를 프로그램가능한 판독 전용 메모리(PROM)내에 저장된 전압값과 비교함으로써 상기 선택된 프리셋점에 도달되는 때를 판정하는 단계를 더 포함하는 방법.
  32. 소자와 기판 간의 접합부를 평가하기 위한 레이저 초음파 시스템에 있어서,
    조준 광원과, 상기 접합부 상의 타겟점과 상기 조준 광원 사이에 배치된 광학 서브시스템을 포함하며, 광 경로를 제공하여 상기 조준 광원으로부터의 광 펄스를 상기 타겟점으로 전송하는 펄스 인가 수단;
    상기 광 경로에 있으며, 상기 펄스의 존재를 표시하는 출력 신호를 공급하기 위해 상기 광 경로를 따라 상기 광 펄스의 통과를 검출하는 점화 검출 수단;
    상기 기판에서의 진동의 전파를 검출하고, 분석을 위해 상기 진동의 상기 전파를 반영하는 진동 시그너쳐를 수집하는 모니터링 수단; 및
    상기 펄스 인가 수단 및 상기 점화 검출 수단에 접속되어, 광 펄스를 상기 타겟점에 공급하기 위해 상기 펄스 인가 수단을 선택적으로 작동시키고, 상기 펄스 전송의 타이밍을 판정하기 위해 상기 점화 검출 수단을 모니터링하며, 이것에 응답하여, 상기 펄스 전송의 상기 타이밍에 대응하는 상기 진동 시그너쳐의 적절한 부분을 수집하기 위해 상기 모니터링 수단을 활성화하는 동기 제어 수단
    을 포함하는 레이저 초음파 시스템.
  33. 제5항에 있어서, 상기 연속파 디텍터 레이저는 상기 소자상의 검출점에서 타겟이 되고, 상기 펄스 인가 수단의 상기 타겟점은 상기 기판상의 점인 레이저 초음파 시스템.
  34. 제25항에 있어서, 상기 타겟점은 상기 접합부의 제1측에 근접한 기판상의 점을 포함하고, 상기 진동 전파 검출 단계는 상기 접합부와 반대의 제2측에 근접한 상기 기판상의 검출점에서 검출하는 단계를 포함하는 방법.
  35. 제5항에 있어서, 상기 연속파 디텍터 레이저는 그것으로부터 방사된 광의 스폿 사이즈를 제어하는 수단을 포함하는 레이저 초음파 시스템.
  36. 제1항에 있어서, 상기 펄스 인가 수단은 그것으로부터 방사된 광 펄스 형태를 변화시키기 위한 수단을 포함하는 레이저 초음파 시스템.
  37. 제36항에 있어서, 상기 변화 수단은 원형 스폿 형태, 연장된 라인 형태 및 반원형 중에서 선택하기 위한 수단을 포함하는 레이저 초음파 시스템.
  38. 소자와 기판 간의 접합부를 평가하기 위한 레이저 초음파 시스템에 있어서,
    조준 광원을 포함하며 광 경로를 따라 기판상의 타겟점으로 광 펄스를 전송하기 위한 펄스 인가 수단;
    상기 광 경로에 있으며, 상기 광 경로를 따라 상기 광 펄스의 통과를 검출하고, 상기 펄스의 존재를 표시하는 출력 신호를 공급하기 위한 점화 검출 수단;
    상기 기판에서의 진동의 전파를 검출하고, 분석을 위해 상기 진동의 상기 전파를 반영하는 진동 시그너쳐를 수집하는 모니터링 수단; 및
    상기 펄스 인가 수단 및 상기 점화 검출 수단에 접속되어, 광 펄스를 상기 타겟점에 공급하기 위해 상기 펄스 인가 수단을 선택적으로 작동시키고, 상기 펄스 전송의 타이밍을 판정하기 위해 상기 점화 검출 수단을 모니터링하며, 이것에 응답하여, 상기 펄스 전송의 상기 타이밍에 대응하는 상기 진동 시그너쳐의 적절한 부분을 수집하기 위해 상기 모니터링 수단을 활성화하는 동기 제어 수단
    을 포함하는 레이저 초음파 시스템.
  39. 제38항에 있어서, 상기 소자는 상기 기판에 접합된 코팅을 포함하는 레이저 초음파 시스템.
  40. 제38항에 있어서, 상기 소자는 볼 접합, 웨지 접합(wedge bonds), 회로 추적(circuit traces), 리본 접합(ribbon bonds), 용접, 땜납 볼(solder balls), 표면 실장 부품(surface mount components), 핀 그리드 어레이(pin grid arrays), MIMMS, 및 접착 매체로 이루어진 그룹으로부터의 소자를 포함하는 레이저 초음파 시스템.
  41. 제39항에 있어서, 상기 코팅과 상기 기판 사이의 상기 접합부의 완성도를 판정하기 위해 상기 진동 시그너쳐를 분석하는 수단을 더 포함하는 레이저 초음파 시스템.
  42. 제41항에 있어서, 상기 분석 수단은 상기 코팅과 상기 기판 간의 보이드(void)의 존재 또는 부재를 검출하는 수단을 포함하는 레이저 초음파 시스템.
  43. 제41항에 있어서, 상기 분석 수단은 상기 코팅과 상기 기판 중의 적어도 하나에서 크랙(crack)의 존재 또는 부재를 검출하는 수단을 포함하는 레이저 초음파 시스템.
  44. 제41항에 있어서, 상기 분석 수단은 상기 코팅과 상기 기판 사이에서 비접합이면서 비접촉되는 조건을 검출하는 수단을 포함하는 레이저 초음파 시스템.
  45. 제41항에 있어서, 상기 분석 수단은 상기 코팅과 상기 기판 사이에서 비접합이지만 접촉되는 조건을 검출하는 수단을 포함하는 레이저 초음파 시스템.
  46. 제41항에 있어서, 상기 분석 수단은 상기 코팅과 상기 기판 사이에서 부분적 접합 또는 전체 접합 조건을 검출하는 수단을 포함하는 레이저 초음파 시스템.
  47. 제39항에 있어서, 상기 코팅은 박막 코팅을 포함하는 레이저 초음파 시스템.
  48. 제47항에 있어서, 상기 박막 코팅은 금속화된 박막 코팅을 포함하고, 상기 기판은 반도체 기반 기판을 포함하는 레이저 초음파 시스템.
  49. 제48항에 있어서, 상기 금속화된 박막 코팅은 알루미늄 박막 코팅을 포함하는 레이저 초음파 시스템.
  50. 제48항에 있어서, 상기 금속화된 박막 코팅은 금 박막 코팅을 포함하는 레이저 초음파 시스템.
  51. 제48항에 있어서, 상기 반도체 기반 기판은 실리콘 기반 기판을 포함하는 레이저 초음파 시스템.
  52. 제48항에 있어서, 상기 반도체 기반 기판은 갈륨 아세나이드(gallium arsenide) 기반 기판을 포함하는 레이저 초음파 시스템.
  53. 제39항에 있어서, 상기 타겟점은 상기 코팅상의 점인 레이저 초음파 시스템.
  54. 제39항에 있어서, 상기 조준 광원과 상기 타겟점 사이에 배치된 광학 서브시스템을 더 포함하는 레이저 초음파 시스템.
  55. 제54항에 있어서, 상기 광학 서브시스템은 상기 광 펄스를 형상화하는 수단을 포함하여 상기 타겟점에 연장된 펄스 레이저 스폿을 형성함으로써, 감소된 전력 밀도가 상기 타겟점으로 전달되는 레이저 초음파 시스템.
  56. 제38항에 있어서, 상기 조준 광원과 상기 타겟점 사이에 배치된 광학 서브시스템을 더 포함하고, 상기 광학 서브시스템은 상기 모니터링 수단과 결합된 디텍터 레이저 빔의 스폿 사이즈를 제어하는 레이저 초음파 시스템.
  57. 기판과 코팅 간의 접합 완성도를 평가하기 위한 방법에 있어서,
    조준 광원을 사용하여 펄스를 코팅된 기판상의 타겟점으로 인가하는 단계;
    상기 조준 광원 및 상기 타겟점 간의 광 경로를 따라 상기 광 펄스의 통과를 검출하고, 상기 펄스의 존재를 표시하는 출력 신호를 공급하는 단계;
    상기 소자내의 진동의 전파를 검출하고, 분석을 위해 상기 진동의 상기 전파를 반영하는 진동 시그너쳐를 수집하는 단계; 및
    상기 점화 검출 수단을 모니터링하여 상기 펄스 전송의 타이밍을 판정하고, 이것에 응답하여, 모니터링 수단을 활성화하여 상기 펄스 전송의 상기 타이밍에 대응하는 상기 진동 시그너쳐의 적절한 부분의 분석을 가능하게 하는 단계
    를 포함하는 방법.
  58. 제57항에 있어서, 상기 기판과 상기 코팅 사이의 상기 접합부의 완성도를 판정하기 위해 상기 진동 시그너쳐를 분석하는 단계를 더 포함하는 방법.
  59. 제58항에 있어서, 상기 분석 단계는 상기 코팅의 두께를 결정하기 위해 상기 시그너쳐에 주파수 도메인 분석을 인가하는 단계를 포함하는 방법.
  60. 제58항에 있어서, 분석 단계는 상기 코팅의 두께를 결정하기 위해 상기 시그너쳐에 시간 도메인 분석을 인가하는 단계를 포함하는 방법.
  61. 코팅과 기판 간의 접합 완성도를 평가하기 위한 방법에 있어서,
    연속파 레이저 및 간섭계를 사용하여 상기 코팅 또는 상기 기판에 의해 반사된 광으로부터 간섭 패턴을 생성하는 단계;
    검출 수단을 사용하여 시간에 따른 상기 간섭 패턴내에서의 변화를 모니터하는 단계;
    상기 변화의 기간에 따라 최적의 시스템 감도의 프리셋점을 선택하는 단계;
    상기 선택된 프리셋점에 도달했을 때, 조준 광원을 트리거링하여 상기 코팅 또는 상기 기판상의 타겟점에 펄스를 인가하는 단계; 및
    상기 검출 수단을 사용하여 상기 펄스로부터 발생하는 상기 기판내의 진동의 전파를 검출하고, 분석을 위해 상기 진동의 상기 전파를 반영하는 진동 시그너쳐를 수집하는 단계
    를 포함하는 방법.
  62. 제61항에 있어서, 타겟점에 펄스를 인가하는 상기 단계는 꺽어진 라인 풋 프린트(curved line foot print)를 가지는 펄스를 인가하는 단계를 포함하는 방법.
  63. 소자와 기판 간의 접합 완성도를 평가하기 위한 레이저 초음파 시스템에 있어서,
    조준 광원을 포함하며 광 경로를 따라 광 펄스를 타겟점으로 인가하기 위한 펄스 인가 수단;
    상기 광 경로에 있으며, 상기 광 경로를 따라 상기 광 펄스의 통과를 검출하고, 상기 펄스의 존재를 표시하는 출력 신호를 공급하기 위한 점화 검출 수단;
    상기 기판에서의 진동의 전파를 검출하고, 분석을 위해 상기 진동의 상기 전파를 반영하는 진동 시그너쳐를 수집하는 모니터링 수단; 및
    상기 펄스 인가 수단 및 상기 점화 검출 수단에 접속되어, 광 펄스를 상기 타겟점에 공급하기 위해 상기 펄스 인가 수단을 선택적으로 작동시키고, 상기 펄스 전송의 타이밍을 판정하기 위해 상기 점화 검출 수단을 모니터링하며, 이것에 응답하여, 상기 펄스 전송의 상기 타이밍에 대응하는 상기 진동 시그너쳐의 적절한 부분을 수집하기 위해 상기 모니터링 수단을 활성화하는 동기 제어 수단
    을 포함하는 레이저 초음파 시스템.
  64. 제63항에 있어서, 상기 소자는 상기 기판에 접합된 코팅을 포함하는 레이저 초음파 시스템.
  65. 소자와 기판 간의 접합부를 평가하기 위한 레이저 초음파 시스템에 있어서,
    조준 광원을 포함하며 광 경로를 따라 광 펄스를 타겟점으로 인가하기 위한 펄스 인가 수단;
    상기 기판에서의 진동의 전파를 검출하고, 상기 소자 주변의 다수의 위치로부터 상기 진동의 상기 전파를 반영하는 다수의 진동 시그너쳐를 수집하기 위한 검출 수단을 포함하는 모니터링 수단; 및
    상기 다수의 진동 시그너쳐를 사용하여, 상기 소자와 상기 기판 간의 상기 접합의 삼차원 전파 뷰를 생성하기 위한 수단
    을 포함하는 레이저 초음파 시스템.
  66. 제65항에 있어서, 상기 검출 장치는 상기 다수의 위치에 위치한 다수의 디텍터를 포함하는 레이저 초음파 시스템.
  67. 제65항에 있어서, 상기 검출 장치는 상기 다수의 위치 각각에 대한 파형 데이터를 얻기 위해 연속적으로 사용되는 단일 센서를 포함하는 레이저 초음파 시스템.
  68. 제65항에 있어서, 상기 삼차원 전파 뷰는 상기 접합부의 구조에 상호 관련되거나 해석되고, 뷰잉을 위해 디스플레이되는 레이저 초음파 시스템.
  69. 소자와 기판 간의 접합 완성도를 평가하기 위한 방법에 있어서,
    연속파 레이저 및 간섭계를 사용하여 상기 소자, 상기 접합 또는 상기 기판에 의해 반사된 광으로부터 간섭 패턴을 생성하는 단계;
    조준 광원을 트리거링하여 상기 소자, 상기 접합 또는 상기 기판상의 타겟점에 펄스를 인가하는 단계;
    디텍터를 사용하여, 상기 간섭 패턴을 검출하고, 분석을 위해 상기 진동의 상기 전파를 반영하는 진동 시그너쳐를 수집하는 단계; 및
    상기 진동 시그너쳐로부터 정보를 추출하여 상기 소자 및 상기 기판 사이의 상기 접합 완성도를 판정하는 단계
    를 포함하는 방법.
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