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(多图) 晶片键合质量的红外检测系统设计

半导体技术/周平等 华中科技大学 :EDN China?? 2007年01月10日 ?? 收藏0

  1 引言

  晶片直接键合技术就是把两片镜面抛光晶片经表面清洗和活化处理,在室温下直接贴合,再经过退火处理增加结合强度而成为一个整体的技术。该技术不需要任何粘合剂,两键合片的电阻率和导电类型可以自由选择,工艺简单,是制备复合材料及实现微机械加工的最优手段[1]。它往往与其他手段结合使用,既可对微结构进行支撑和保护,又可实现机械结构之间或机械结构与电路之间的电学连接[2]。

  键合片在应用时,首先要求它必须具有良好的机械特性(空洞大小及分布和键合强度),它是键合片具有良好的电学特性的基础 [3]。键合界面没有空洞或空洞极少是制作可靠器件的原始要求。检测键合的方法有破坏性和非破坏性两大类,目前应用最为普遍的描述键合机械特性的方法有图像法。横截面分析法和键合强度测试。图像法是一种非破坏性的方法,并且可用于在线实时监控;而后两种方法均为破坏性方法且需要控制模块。对于硅片键合,红外透射法、超声波法和X射线图像法为主要的三种图像法[4]。尽管红外透射法探测界面空洞的空间分辨率不及超声波法和X射线图像法,但红外方法具有简单、快速、价格便宜和易获得等优点,并且可以直接在净化间中使用获得

键合片退火前后的照片。而其他两种图像法尽管分辨率高,但价格昂贵、费时,且不与净化间兼容,无法实时监测键合过程。

  本文主要讨论以晶片的红外透射原理为基础,利用图像处理技术,克服以往测试方法中高成本和技术复杂等缺点,实现以硅-硅直接键合为例,设计和搭建了红外检测装置及相关的软件模块,并同硅片键合装置结合,实现快速有效的在线键合工艺监控和晶片键合质量的初步评估。

  2 红外检测原理

  光波的近红外部分(波长约0.75~1.5 μm)可以透过晶片,不同的晶片对红外光的透射率不同。晶片可以透过的红外光的最小波长如表1所示。

  晶片可以透过的红外光的最小波长
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  如果在两块晶片的键合界面处存在未键合区域,就会使光线出现两次反射而形成相干光,经CCD拍摄,在图片上会出现干涉条纹。如果未键合区域面积较大且间隙高度不大,则会出现很多较大的干涉条纹。如果未键合区域很小,则红外图片上将出现较小的牛顿环;当键合界面处间隙较大时,红外光几乎无法透过,在图片上的对应位置将只能出现黑色图案。因此,根据键合片的红外透射图像,就可以成功检测到键合晶片的缺陷状态及分布等。但是,如果光的单色性不好,或者未键合区域的表面不是很规则的时候,也无法观测到牛顿环,此时只能在图片上观测到明暗对比的图案[5] 。

???????? 3 系统的设计

  3.1 光源和CCD的选择

  获得的图像质量直接影响图像处理程序的复杂度和检测结果。如果采用的光源单色性越好,越接近平行光,则图片的干涉条纹更清晰,质量更好。然而单色激光器或者平行光源体积大,而红外测试系统的一大特点就是结构简单、紧凑,而提供窄波段的照明价格比较昂贵,且不易控制,因此选用普通的白炽灯作为光源。为了得到较好的红外图片,在镜头的上方放置一块双面镜面抛光的硅片,从而过滤掉可见光对图片的影响。同时,选用超低照度黑白摄像机WAT-902H,它的光谱响应灵敏曲线如图1所示。而红外线波长为750 nm~1000μm,这样我们采用普通的光源就可以获得窄波段的红外图像。另外,由于该相机对红外波段的响应灵敏度不高,可以通过增加光强来克服,从而获得清晰的红外干涉图像,为后续的图像分析和处理做准备。

  光谱响应灵敏曲线
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  3.2 系统的组成

  该测试系统的结构组成如图2所示,由光源调节装置、光源、可变遮光光阑、测试台、放大镜头、黑白CCD摄像机、数据采集卡和计算机组成。

  结构组成
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  光源和CCD分别安装在测试样品的两边,相向安装。光源的高度可调,这是为了适应测试不同晶片的要求,从而获得最清晰的红外图片。可变光阑放在键合片的下方,中间孔径在Φ1.8~50 mm任意可调,它控制照射到键合片上光斑的大小,一般调节可变光阑的内孔径同键合片大小,也可以调节到比键合片小,以检测键合片的局部特征。可变光阑优化光源的同时,简化了红外图片的背景,使得键合片以外的图像为单一黑色,降低了图像处理的复杂度,简化了系统软件。

????????? 光源通过可变光阑照射到键合片,光线透过键合片,通过镜头,在摄像机上成像,从而获得键合片的红外图像,通过数据采集卡送入计算机,经过图像处理程序的处理,显示测试结果。


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晶片? 红外检测? 红外透射?

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