- 晶片鍵合質量的紅外檢測系統設計
- 采用紅外檢測系統
1 引言
晶片直接鍵合技術就是把兩片鏡面拋光晶片經表面清洗和活化處理,在室溫下直接貼合,再經過退火處理增加結合強度而成為一個整體的技術。該技術不需要任何粘合劑，兩鍵合片的電阻率和導電類型可以自由選擇，工藝簡單，是制備復合材料及實現微機械加工的最優手段[1]。它往往與其他手段結合使用，既可對微結構進行支撐和保護，又可實現機械結構之間或機械結構與電路之間的電學連接[2]。
鍵合片在應用時，首先要求它必須具有良好的機械特性（空洞大小及分布和鍵合強度），它是鍵合片具有良好的電學特性的基礎 [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。檢測鍵合的方法有破壞性和非破壞性兩大類，目前應用最為普遍的描述鍵合機械特性的方法有圖像法。橫截面分析法和鍵合強度測試。圖像法是一種非破壞性的方法，并且可用于在線實時監控；而后兩種方法均為破壞性方法且需要控制模塊。對于硅片鍵合，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，但紅外方法具有簡單、快速、價格便宜和易獲得等優點，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，但價格昂貴、費時，且不與凈化間兼容，無法實時監測鍵合過程。
本文主要討論以晶片的紅外透射原理為基礎，利用圖像處理技術，克服以往測試方法中高成本和技術復雜等缺點，實現以硅-硅直接鍵合為例，設計和搭建了紅外檢測裝置及相關的軟件模塊，并同硅片鍵合裝置結合，實現快速有效的在線鍵合工藝監控和晶片鍵合質量的初步評估。
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域，就會使光線出現兩次反射而形成相干光，經CCD拍攝，在圖片上會出現干涉條紋。如果未鍵合區域面積較大且間隙高度不大，則會出現很多較大的干涉條紋。如果未鍵合區域很小，則紅外圖片上將出現較小的牛頓環；當鍵合界面處間隙較大時，紅外光幾乎無法透過，在圖片上的對應位置將只能出現黑色圖案。因此，根據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及分布等。但是，如果光的單色性不好，或者未鍵合區域的表面不是很規則的時候，也無法觀測到牛頓環，此時只能在圖片上觀測到明暗對比的圖案[5] 。
3 系統的設計
3.1 光源和CCD的選擇
獲得的圖像質量直接影響圖像處理程序的復雜度和檢測結果。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，而紅外測試系統的一大特點就是結構簡單、緊湊，而提供窄波段的照明價格比較昂貴，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圖片的影響。同時，選用超低照度黑白攝像機WAT-902H，它的光譜響應靈敏曲線如圖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，由于該相機對紅外波段的響應靈敏度不高，可以通過增加光強來克服，從而獲得清晰的紅外干涉圖像，為后續的圖像分析和處理做準備。
3.2 系統的組成
該測試系統的結構組成如圖2所示，由光源調節裝置、光源、可變遮光光闌、測試臺、放大鏡頭、黑白CCD攝像機、數據采集卡和計算機組成。
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，這是為了適應測試不同晶片的要求，從而獲得最清晰的紅外圖片。可變光闌放在鍵合片的下方，中間孔徑在Φ1.8～50 mm任意可調，它控制照射到鍵合片上光斑的大小，一般調節可變光闌的內孔徑同鍵合片大小，也可以調節到比鍵合片小，以檢測鍵合片的局部特征。可變光闌優化光源的同時，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雜度，簡化了系統軟件。
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，在攝像機上成像，從而獲得鍵合片的紅外圖像，通過數據采集卡送入計算機，經過圖像處理程序的處理，顯示測試結果。
3.3 系統軟件模塊
該儀器硬件測試部分與PC機相連，所獲得的圖片直接存放在PC機中，可以利用軟件對圖片進行處理，獲得所需要的信息，同時提供圖片顯示和測試結果顯示等功能。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技術人員的參與，人為參與的因素過多，也將直接影響測試結果，且處理起來也很不方便。因此，我們利用Visual C++開發相應的軟件模塊，無需專業人員操作，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。
上文中已經說明了最終選擇普通的白熾燈作為光源是最為經濟合適的，但同時也使得硅片表面的光照不均勻。同屬于鍵合區域，而中間偏亮，四周偏暗，位于不同光照位置的鍵合區和未鍵合區的灰度值非常接近，這給圖像的分割帶來很大的困難。因此，加入光照補償模塊，成功地解決了光照不均的問題。光照補償曲線由標定擬和的方式得到。
[page]
3.3.2 對比度增強模塊
由于圖片上鍵合區域和未鍵合區域的對比度不是很大，使得圖像的分割困難，分析所得圖片的灰度直方圖，發現灰度值集中在0～255的某一段區域，此處采用一種對比度增強算法，均勻地拉大各部分的差別，從而拉大圖片上鍵合區域和未鍵合區域的差別，方便后續處理。該對比度增強算法不同于直方圖均衡，它在算法上沒有累積，其效果體現在直方圖上，均等地拉開了各個灰度值之間的間距，而不改變灰度等級的個數和所對應的概率值。
3.3.3 圖像平滑處理模塊
獲得圖像的過程中，不可避免地會引入很多噪聲，所以圖像平滑是圖像預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，在抑制噪聲的同時也模糊了干涉條紋，從而為后續的閾值分割奠定基礎。該算法的實現：用3×3的鄰域T[3][3]，取中心點與其相鄰的8個點的灰度值梯度，按閾值 T0將T[3][3]分成三個區域，鄰域內各點的灰度值為其所屬區域的灰度均值。用T[3][3]遍歷整幅圖像，圖像各點的灰度值取該點累積的均值。
3.3.4 閾值分割模塊
閾值分割是從整幅圖像中提取目標對象的處理，在此處是為了提取出鍵合上的區域，為鍵合率的計算做準備。
3.3.5 鍵合率計算模塊
在閾值分割后的二值圖像上，計算出鍵合區域的面積，從而計算出鍵合率。鍵合率定義為晶片鍵合上的面積占整個預鍵合晶片面積的百分比。
4 系統的應用
4.1 在線監測鍵合過程
將紅外檢測應用到鍵合裝置中，可以實時監控鍵合過程。圖4（a）～（d）是截取的預鍵合過程中的4幅圖片，可以清晰地觀察鍵合波從中間向四周擴張的傳播過程。圖中所標的數字表示預鍵合時間（晶片經活化處理后，從兩晶片開始接觸到逐步鍵合所經歷的時間）。1 min后，鍵合面積基本不再發生變化，預鍵合結果如圖4（d）所示。
將上節中預鍵合的硅片在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型標準晶片，經過清洗、活化等處理后，貼合到一起，再經過低溫退火，形成穩定的鍵合，獲得測試樣件。將鍵合好的晶片放在該測試儀上檢測,并進行相應圖像處理得到樣品1和2的紅外圖片如圖6和圖7所示。
圖6（a）和圖7（a）中，圓形區域是要鍵合的圓片，其中明區為鍵合上的地方，暗區為未鍵合上的地方，圓形區域（即鍵合圓片）以外為圖像背景。從圖上可以大致地看出空洞（未鍵合區域）的分布、個數和大小等。為了獲得更為準確的數據信息，借助圖像處理程序對圖片（a）進行對比度增強、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的鍵合質量明顯優于樣品1，可以說明鍵合圓片越薄，越容易鍵合。可以從平板理論理解這一鍵合現象，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 結論
本文開發的晶片鍵合質量的紅外檢測系統具有成本低、實現原理和方法簡單等優點。利用該檢測儀，可以快速獲得晶片的鍵合率和缺陷分布狀況，從而實現晶片鍵合質量的快速評估。分析和比較了不同工藝條件下鍵合片的鍵合質量，包括鍵合率和空洞分布，結合鍵合強度等參數，可以有助于理解晶片鍵合的機理，從而指導鍵合工藝，優化工藝參數。
該檢測儀更具有靈活性和實用性，不但可用于同質材料鍵合片的質量檢測，還可用于異質材料鍵合片的檢測，用于篩選適合下一步工藝研究的合適鍵合片等。同時，該檢測儀結合到鍵合裝置中，可以實時觀測鍵合過程中鍵合的動態圖像，觀察鍵合波，實時指導鍵合工藝。但目前已實現的軟件功能還很簡單，只能進行鍵合質量的初步評估。要獲得鍵合片的更多信息，需要添加軟件功能，這是該系統的不足之處和值得改進的地方。
