晶片键合质量的红外检测系统设计

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。

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。

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。

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。

3.3 系统软件模块

该仪器硬件测试部分与PC机相连，所获得的图片直接存放在PC机中，可以利用软件对图片进行处理，获得所需要的信息，同时提供图片显示和测试结果显示等功能。而使用一般通用的办公软件处理图片，如Photoshop等,需要理解键合的专业技术人员的参与，人为参与的因素过多，也将直接影响测试结果，且处理起来也很不方便。因此，我们利用Visual C++开发相应的软件模块，无需专业人员操作，可以方便快捷地处理图片，快速获取所需要的信息。目前主要处理模块流程如图3所示。