來源：半導體技術 作者：周平 廖廣蘭 史鐵林 湯自榮 聶磊 林曉輝

    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(xiàn)微機械加工的最優(yōu)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(xiàn)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(jiān)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(yōu)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(jiān)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(xiàn)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(xiàn)快速有效的在線鍵合工藝監(jiān)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(qū)域，就會使光線出現(xiàn)兩次反射而形成相干光，經ccd拍攝，在圖片上會出現(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(xiàn)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(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)則的時候，也無法觀測到牛頓環(huán)，此時只能在圖片上觀測到明暗對比的圖案[5] 。

    3 系統(tǒng)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(tǒng)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(xù)的圖像分析和處理做準備。

    3.2 系統(tǒng)的組成

    該測試系統(tǒng)的結構組成如圖2所示，由光源調節(jié)裝置、光源、可變遮光光闌、測試臺、放大鏡頭、黑白ccd攝像機、數(shù)據采集卡和計算機組成。

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