- 晶片鍵合質(zhì)量的紅外檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
- 采用紅外檢測(cè)系統(tǒng)
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)。該技術(shù)不需要任何粘合劑，兩鍵合片的電阻率和導(dǎo)電類型可以自由選擇，工藝簡(jiǎn)單，是制備復(fù)合材料及實(shí)現(xiàn)微機(jī)械加工的最優(yōu)手段[1]。它往往與其他手段結(jié)合使用，既可對(duì)微結(jié)構(gòu)進(jìn)行支撐和保護(hù)，又可實(shí)現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)之間或機(jī)械結(jié)構(gòu)與電路之間的電學(xué)連接[2]。
鍵合片在應(yīng)用時(shí)，首先要求它必須具有良好的機(jī)械特性（空洞大小及分布和鍵合強(qiáng)度），它是鍵合片具有良好的電學(xué)特性的基礎(chǔ) [3]。鍵合界面沒有空洞或空洞極少是制作可靠器件的原始要求。檢測(cè)鍵合的方法有破壞性和非破壞性兩大類，目前應(yīng)用最為普遍的描述鍵合機(jī)械特性的方法有圖像法。橫截面分析法和鍵合強(qiáng)度測(cè)試。圖像法是一種非破壞性的方法，并且可用于在線實(shí)時(shí)監(jiān)控；而后兩種方法均為破壞性方法且需要控制模塊。對(duì)于硅片鍵合，紅外透射法、超聲波法和X射線圖像法為主要的三種圖像法[4]。盡管紅外透射法探測(cè)界面空洞的空間分辨率不及超聲波法和X射線圖像法，但紅外方法具有簡(jiǎn)單、快速、價(jià)格便宜和易獲得等優(yōu)點(diǎn)，并且可以直接在凈化間中使用獲得鍵合片退火前后的照片。而其他兩種圖像法盡管分辨率高，但價(jià)格昂貴、費(fèi)時(shí)，且不與凈化間兼容，無法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鍵合過程。
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(cè)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(cè)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(cè)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。
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(cè)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(cè)到牛頓環(huán)，此時(shí)只能在圖片上觀測(cè)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(cè)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(cè)試系統(tǒng)的一大特點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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。
3.2 系統(tǒng)的組成
該測(cè)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(cè)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。
光源和CCD分別安裝在測(cè)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(cè)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(cè)鍵合片的局部特征?？勺児怅@優(yōu)化光源的同時(shí)，簡(jiǎn)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(jiǎn)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(cè)試結(jié)果。
3.3 系統(tǒng)軟件模塊
該儀器硬件測(cè)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(cè)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(cè)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。
上文中已經(jīng)說明了最終選擇普通的白熾燈作為光源是最為經(jīng)濟(jì)合適的，但同時(shí)也使得硅片表面的光照不均勻。同屬于鍵合區(qū)域，而中間偏亮，四周偏暗，位于不同光照位置的鍵合區(qū)和未鍵合區(qū)的灰度值非常接近，這給圖像的分割帶來很大的困難。因此，加入光照補(bǔ)償模塊，成功地解決了光照不均的問題。光照補(bǔ)償曲線由標(biāo)定擬和的方式得到。
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3.3.2 對(duì)比度增強(qiáng)模塊
由于圖片上鍵合區(qū)域和未鍵合區(qū)域的對(duì)比度不是很大，使得圖像的分割困難，分析所得圖片的灰度直方圖，發(fā)現(xiàn)灰度值集中在0～255的某一段區(qū)域，此處采用一種對(duì)比度增強(qiáng)算法，均勻地拉大各部分的差別，從而拉大圖片上鍵合區(qū)域和未鍵合區(qū)域的差別，方便后續(xù)處理。該對(duì)比度增強(qiáng)算法不同于直方圖均衡，它在算法上沒有累積，其效果體現(xiàn)在直方圖上，均等地拉開了各個(gè)灰度值之間的間距，而不改變灰度等級(jí)的個(gè)數(shù)和所對(duì)應(yīng)的概率值。
3.3.3 圖像平滑處理模塊
獲得圖像的過程中，不可避免地會(huì)引入很多噪聲，所以圖像平滑是圖像預(yù)處理不可缺少的部分。此處采用的圖像平滑是基于梯度的算法，中和了均值濾波和中值濾波的雙重效果，在抑制噪聲的同時(shí)也模糊了干涉條紋，從而為后續(xù)的閾值分割奠定基礎(chǔ)。該算法的實(shí)現(xiàn)：用3×3的鄰域T[3][3]，取中心點(diǎn)與其相鄰的8個(gè)點(diǎn)的灰度值梯度，按閾值 T0將T[3][3]分成三個(gè)區(qū)域，鄰域內(nèi)各點(diǎn)的灰度值為其所屬區(qū)域的灰度均值。用T[3][3]遍歷整幅圖像，圖像各點(diǎn)的灰度值取該點(diǎn)累積的均值。
3.3.4 閾值分割模塊
閾值分割是從整幅圖像中提取目標(biāo)對(duì)象的處理，在此處是為了提取出鍵合上的區(qū)域，為鍵合率的計(jì)算做準(zhǔn)備。
3.3.5 鍵合率計(jì)算模塊
在閾值分割后的二值圖像上，計(jì)算出鍵合區(qū)域的面積，從而計(jì)算出鍵合率。鍵合率定義為晶片鍵合上的面積占整個(gè)預(yù)鍵合晶片面積的百分比。
4 系統(tǒng)的應(yīng)用
4.1 在線監(jiān)測(cè)鍵合過程
將紅外檢測(cè)應(yīng)用到鍵合裝置中，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控鍵合過程。圖4（a）～（d）是截取的預(yù)鍵合過程中的4幅圖片，可以清晰地觀察鍵合波從中間向四周擴(kuò)張的傳播過程。圖中所標(biāo)的數(shù)字表示預(yù)鍵合時(shí)間（晶片經(jīng)活化處理后，從兩晶片開始接觸到逐步鍵合所經(jīng)歷的時(shí)間）。1 min后，鍵合面積基本不再發(fā)生變化，預(yù)鍵合結(jié)果如圖4（d）所示。
將上節(jié)中預(yù)鍵合的硅片在120。C下退火5 h，最終得到鍵合片的紅外圖片如圖5（a），其鍵合質(zhì)量如圖5，鍵合率為60.20％。
兩組樣品均采用單面拋光的p型標(biāo)準(zhǔn)晶片，經(jīng)過清洗、活化等處理后，貼合到一起，再經(jīng)過低溫退火，形成穩(wěn)定的鍵合，獲得測(cè)試樣件。將鍵合好的晶片放在該測(cè)試儀上檢測(cè),并進(jìn)行相應(yīng)圖像處理得到樣品1和2的紅外圖片如圖6和圖7所示。
圖6（a）和圖7（a）中，圓形區(qū)域是要鍵合的圓片，其中明區(qū)為鍵合上的地方，暗區(qū)為未鍵合上的地方，圓形區(qū)域（即鍵合圓片）以外為圖像背景。從圖上可以大致地看出空洞（未鍵合區(qū)域）的分布、個(gè)數(shù)和大小等。為了獲得更為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息，借助圖像處理程序?qū)D片（a）進(jìn)行對(duì)比度增強(qiáng)、平滑、分割等一系列處理，可獲得圖（b），（c），從而得到鍵合率。樣品1的鍵合率為28.12%，鍵合率很低，并且從圖6中空洞的分布可以看出，樣品1鍵合得很不好。樣品2的鍵合率為66.12％。比較圖6和圖7，樣品2的鍵合質(zhì)量明顯優(yōu)于樣品1，可以說明鍵合圓片越薄，越容易鍵合?？梢詮钠桨謇碚摾斫膺@一鍵合現(xiàn)象，圓片越薄，界面表面能克服圓片翹曲貼合到一起所需要的力越小。
5 結(jié)論
本文開發(fā)的晶片鍵合質(zhì)量的紅外檢測(cè)系統(tǒng)具有成本低、實(shí)現(xiàn)原理和方法簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。利用該檢測(cè)儀，可以快速獲得晶片的鍵合率和缺陷分布狀況，從而實(shí)現(xiàn)晶片鍵合質(zhì)量的快速評(píng)估。分析和比較了不同工藝條件下鍵合片的鍵合質(zhì)量，包括鍵合率和空洞分布，結(jié)合鍵合強(qiáng)度等參數(shù)，可以有助于理解晶片鍵合的機(jī)理，從而指導(dǎo)鍵合工藝，優(yōu)化工藝參數(shù)。
該檢測(cè)儀更具有靈活性和實(shí)用性，不但可用于同質(zhì)材料鍵合片的質(zhì)量檢測(cè)，還可用于異質(zhì)材料鍵合片的檢測(cè)，用于篩選適合下一步工藝研究的合適鍵合片等。同時(shí)，該檢測(cè)儀結(jié)合到鍵合裝置中，可以實(shí)時(shí)觀測(cè)鍵合過程中鍵合的動(dòng)態(tài)圖像，觀察鍵合波，實(shí)時(shí)指導(dǎo)鍵合工藝。但目前已實(shí)現(xiàn)的軟件功能還很簡(jiǎn)單，只能進(jìn)行鍵合質(zhì)量的初步評(píng)估。要獲得鍵合片的更多信息，需要添加軟件功能，這是該系統(tǒng)的不足之處和值得改進(jìn)的地方。
