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晶片键合质量的红外检测系统
1 引言
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。
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。
红外检测晶圆键合质量系统说明书⏹概述该系统是用于晶圆键合过程后的质量检测系统。
能够提供给使用者快速、精确的无损界面检测图像.该系统具有很强的通用性，不仅适用于硅-硅、玻璃—硅或者玻璃-玻璃晶圆键合，还适用于GaAs、InP等半导体晶圆.该系统克服了X射线投射法和扫面声学显微探测法费时费力、系统复杂和成本昂贵的特点。
最大能检测的晶圆直径为200mm，满足绝大多数科研和生产所需.该系统具有高效、实时、无损、低成本、结果清晰的特点，是实时检测空洞和键合过程的理想手段。
⏹特点1．红外光源以提供高的检测质量2．键合晶圆对的自动成像3．高灵敏度CCD以提供高分辨率、高对比度图像4．微米级的检测精度5．可检测的最大晶圆直径为200mm6．搭载不同波长的滤波片可以检测绝大多数的晶圆材料7．基于计算机的图像获取软件8．支持Windows/Linux系统，集成多种二次开发工具⏹工作原理待检测圆片白炽灯图1 检测系统结构图对于理想晶体来说，光是否透射晶体取决于光子的能量和晶体材料的禁带宽度：gE hc />λ对于硅的禁带宽度为1。
12eV ,故其透射光最小波长为1。
1μm 。
如果两片晶圆的键合界面存在未键合区域，则入射光在上下表面两次反射后形成相干光,经红外摄像机处理后，会在显示器上出现明暗交替的干涉条纹。
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；当键合界面处间隙较大时，入射光无法形成干涉现象，在图片上的对应位置将只能出现颜色较暗的图案。
因此，根据键合片的红外透射图像，就可以检测到键合圆片的缺陷状态及分布。
根据干涉的圈数还可以定量的计算出空洞的大小。
产生暗条纹，应满足：λλ21212+=m nd ),2,1,0( =m其中n 为空洞中介质的折射率，d 为空洞高度，m 为干涉环数，λ为所用红外光的波长。
若已知n 、m 、λ，则可得：n n m d 44λλ+=),2,1,0( =m图2 未键合区域光线反射图 图3 红外透射干涉图检测系统主要有四个部分:光源部分、工作台部分、红外相机部分和计算机部分。
红外检测晶圆键合质量系统说明书
⏹ 概述
该系统是用于晶圆键合过程后的质量检测系统。
能够提供给使用者快速、精确的无损界面检测图像。
该系统具有很强的通用性，不仅适用于硅-硅、玻璃-硅或者玻璃-玻璃晶圆键合，还适用于GaAs 、InP 等半导体晶圆。
该系统克服了X 射线投射法和扫面声学显微探测法费时费力、系统复杂和成本昂贵的特点。
最大能检测的晶圆直径为200mm ，满足绝大多数科研和生产所需。
该系统具有高效、实时、无损、低成本、结果清晰的特点，是实时检测空洞和键合过程的理想手段。
⏹ 特点
1．红外光源以提供高的检测质量 2．键合晶圆对的自动成像
3．高灵敏度CCD 以提供高分辨率、高对比度图像 4．微米级的检测精度
5．可检测的最大晶圆直径为200mm
6．搭载不同波长的滤波片可以检测绝大多数的晶圆材料 7．基于计算机的图像获取软件
8．支持Windows/Linux 系统，集成多种二次开发工具
⏹ 工作原理
图1 检测系统结构图
对于理想晶体来说，光是否透射晶体取决于光子的能量和晶体材料的禁带宽度：
g
E hc />λ
对于硅的禁带宽度为1.12eV ，故其透射光最小波长为1.1μm 。
如果两片晶圆的键合界面存在未键合区域，则入射光在上下表面两次反射后形成相干光，经红外摄像机处理后，会在显示器上出现明暗交替的干涉条纹。
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；当键合界面处间隙较大时，入射光无法形成干涉现象，在图片上的对应
位置将只能出现颜色较暗的图案。
因此，根据键合片的红外透射图像，就可以检测到键合圆片的缺陷状态及分布。
根据干涉的圈数还可以定量的计算出空洞的大小。
产生暗条纹，应满足：
λλ21212+=
m nd ),2,1,0( =m 其中n 为空洞中介质的折射率，d 为空洞高度，m 为干涉环数，λ为所用红外光的波长。
若已知n 、m 、λ，则可得：
n n m d 44λλ+
=
),2,1,0( =m
图2 未键合区域光线反射图 图3 红外透射干涉图
检测系统主要有四个部分：光源部分、工作台部分、红外相机部分和计算机部分。
测试系统的结构如图1所示，主要部分包括：底座、盒体、白炽灯、匀光片、待检测圆片、滤光片、放大镜头和红外摄像机。
不同尺寸的晶圆成像距离不同，镜头和晶圆间距离的调节可以通过改变横梁的高度和改变摄像机的焦距来实现。
盒体设计如图4所示。
采用4光源，以获得较为均匀一致的光强分布，避免不均匀光强对观测结果的影响。
为了获得较高对比度的图像和适应不同尺寸晶圆的成像，通常需要调节功率调节器以使照明系统提供的光强可控制。
低光强的图像对比度较高，而高光强的图像分辨率更高。
图4 盒体结构图 图5 检测系统实物图
红外相机镜头滤光片横梁待检测圆片匀光片盒
体白
炽灯底
座红外相机镜头滤光片横梁待检测圆片匀光片盒体
白炽灯底座
红外相机
镜头
滤光片横梁待检测圆片匀光片盒体白炽灯底座红外相机镜头
滤光片横梁待检测圆片
匀光片盒体白炽灯底座电源供应
功率调节器
盒体
技术指标。
