晶片鍵合質(zhì)量的紅外檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　1 引言

　　晶片直接鍵合技術(shù)就是把兩片鏡面拋光晶片經(jīng)表面清洗和活化處理,在室溫下直接貼合,再經(jīng)過退火處理增加結(jié)合強(qiáng)度而成為一個(gè)整體的技術(shù)。本文主要討論以晶片的紅外透射原理為基礎(chǔ)，利用圖像處理技術(shù)，克服以往測試方法中高成本和技術(shù)復(fù)雜等缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)以硅-硅直接鍵合為例，設(shè)計(jì)和搭建了紅外檢測裝置及相關(guān)的軟件模塊，并同硅片鍵合裝置結(jié)合，實(shí)現(xiàn)快速有效的在線鍵合工藝監(jiān)控和晶片鍵合質(zhì)量的初步評(píng)估。

　　2 紅外檢測原理

　　光波的近紅外部分(波長約0.75～1.5 μm)可以透過晶片，不同的晶片對(duì)紅外光的透射率不同。晶片可以透過的紅外光的最小波長如表1所示。

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　　如果在兩塊晶片的鍵合界面處存在未鍵合區(qū)域，就會(huì)使光線出現(xiàn)兩次反射而形成相干光，經(jīng)CCD拍攝，在圖片上會(huì)出現(xiàn)干涉條紋。如果未鍵合區(qū)域面積較大且間隙高度不大，則會(huì)出現(xiàn)很多較大的干涉條紋。如果未鍵合區(qū)域很小，則紅外圖片上將出現(xiàn)較小的牛頓環(huán);當(dāng)鍵合界面處間隙較大時(shí)，紅外光幾乎無法透過，在圖片上的對(duì)應(yīng)位置將只能出現(xiàn)黑色圖案。因此，根據(jù)鍵合片的紅外透射圖像，就可以成功檢測到鍵合晶片的缺陷狀態(tài)及分布等。但是，如果光的單色性不好，或者未鍵合區(qū)域的表面不是很規(guī)則的時(shí)候，也無法觀測到牛頓環(huán)，此時(shí)只能在圖片上觀測到明暗對(duì)比的圖案[5] 。

　　3 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　3.1 光源和CCD的選擇

　　獲得的圖像質(zhì)量直接影響圖像處理程序的復(fù)雜度和檢測結(jié)果。如果采用的光源單色性越好，越接近平行光，則圖片的干涉條紋更清晰，質(zhì)量更好。然而單色激光器或者平行光源體積大，而紅外測試系統(tǒng)的一大特點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，而提供窄波段的照明價(jià)格比較昂貴，且不易控制，因此選用普通的白熾燈作為光源。為了得到較好的紅外圖片，在鏡頭的上方放置一塊雙面鏡面拋光的硅片，從而過濾掉可見光對(duì)圖片的影響。同時(shí)，選用超低照度黑白攝像機(jī)WAT-902H，它的光譜響應(yīng)靈敏曲線如圖1所示。而紅外線波長為750 nm～1000μm，這樣我們采用普通的光源就可以獲得窄波段的紅外圖像。另外，由于該相機(jī)對(duì)紅外波段的響應(yīng)靈敏度不高，可以通過增加光強(qiáng)來克服，從而獲得清晰的紅外干涉圖像，為后續(xù)的圖像分析和處理做準(zhǔn)備。

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　　3.2 系統(tǒng)的組成

　　該測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖2所示，由光源調(diào)節(jié)裝置、光源、可變遮光光闌、測試臺(tái)、放大鏡頭、黑白CCD攝像機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)組成。

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　　光源和CCD分別安裝在測試樣品的兩邊，相向安裝。光源的高度可調(diào)，這是為了適應(yīng)測試不同晶片的要求，從而獲得最清晰的紅外圖片?？勺児怅@放在鍵合片的下方，中間孔徑在Φ1.8～50 mm任意可調(diào)，它控制照射到鍵合片上光斑的大小，一般調(diào)節(jié)可變光闌的內(nèi)孔徑同鍵合片大小，也可以調(diào)節(jié)到比鍵合片小，以檢測鍵合片的局部特征?？勺児怅@優(yōu)化光源的同時(shí)，簡化了紅外圖片的背景，使得鍵合片以外的圖像為單一黑色，降低了圖像處理的復(fù)雜度，簡化了系統(tǒng)軟件。

　　光源通過可變光闌照射到鍵合片，光線透過鍵合片，通過鏡頭，在攝像機(jī)上成像，從而獲得鍵合片的紅外圖像，通過數(shù)據(jù)采集卡送入計(jì)算機(jī)，經(jīng)過圖像處理程序的處理，顯示測試結(jié)果。

　　3.3 系統(tǒng)軟件模塊

　　該儀器硬件測試部分與PC機(jī)相連，所獲得的圖片直接存放在PC機(jī)中，可以利用軟件對(duì)圖片進(jìn)行處理，獲得所需要的信息，同時(shí)提供圖片顯示和測試結(jié)果顯示等功能。而使用一般通用的辦公軟件處理圖片，如Photoshop等,需要理解鍵合的專業(yè)技術(shù)人員的參與，人為參與的因素過多，也將直接影響測試結(jié)果，且處理起來也很不方便。因此，我們利用Visual C++開發(fā)相應(yīng)的軟件模塊，無需專業(yè)人員操作，可以方便快捷地處理圖片，快速獲取所需要的信息。目前主要處理模塊流程如圖3所示。

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