短波红外相机在晶圆键合检测中的应用

概述：

       晶圆（英语:Wafer）是半导体晶体圆形片的简称。其用于集成电路制程中作为载体基片，在晶圆片上可加工制作成各种电路元件结构，而成为有特定电性功能之IC产品。目前，在半导体产业中，95%以上的集成电路和半导体器件都是在晶圆上进行加工制作的，其是绝大多数半导体集成电路制作中最关键的原料。

                                                                                                              图1 晶圆（来源与网络）

       晶圆的原始材料是硅，高纯度的多晶硅溶解后掺入硅晶体晶种，然后慢慢拉出，形成圆柱形的单晶硅。硅晶棒在经过研磨，抛光，切片后，形成硅晶圆片，也就是晶圆。晶圆其实就是圆柱状半导体晶体的薄切片。

       晶圆键合是晶圆级的封装技术，是指通过化学和物理等作用，将两块或多块已经镜面抛光的同质或异质的晶圆紧密地接合起来，晶圆接合后，接合界面会达到特定的键合强度。该封装可保护晶圆敏感的内部结构不受温度、湿度、高压和氧化性物质等环境影响，提高功能元件的长期稳定性和可靠性。晶圆键合可用于各种技术领域，如MEMS器件制造、微电子学和光电子学等。

       而在键合工艺中，存在着许多不确定因素会影响键合的质量，其中内在因素有晶片表面的化学吸附状态、平整度及粗糙度，外在因素主要是键合的温度和时间。对键合的晶圆进行检测和表征，可以评估技术成品率、键合强度和气密性水平，无论是用于制造的设备还是用于工艺的开发，晶圆键合检测都具有十分重要的意义。

工作原理：

       研究发现，短波红外非常适用于晶圆键合过程后的质量检测，能够提供给使用者快速、精确的无损界面检测图像。（光学检测是晶圆缺陷检测中非常重要的一种方法，是使用光束对晶圆表面进行照射，然后通过收集反射光或透射散射光信息来进行缺陷的判断。）

       在芯片减薄前，晶圆会用临时胶贴合到载片上，在晶圆和载片之间便会形成键合。一般的载片材料有玻璃、蓝宝石以及碳化硅（SiC）这几种。如果晶圆和载片的键合界面存在未键合区域（如气泡），则入射光在未键合处的上下表面会进行多次反射，而正常键合处光线会直接透射，这种差异经相机处理后，便会在显示器上出现清晰的明暗差。

                                                                                                                     图2 晶圆未键合处结构示意图

       其中玻璃和蓝宝石材料的载片和晶圆键合后，如有气泡（不良键合）产生可以用人眼或可见光相机直接观测到。而使用碳化硅材料的载片时，因为其材料本身的颜色是半透明的绿色，所以可见光无法很好地进行穿透并清楚观测到不良键合产生的气泡，而短波相机这时却可以很好地对材料进行穿透观测。下图为使用立鼎短波红外相机搭建的检测系统（模型）所拍摄的键合晶圆图片：

                                                                  图3 检测系统下的未键合区域图像（1）

                                                                   图4 检测系统下的未键合区域图像（2）

       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，测试系统的具体结构如图所示。不同尺寸的晶圆成像距离不同，可以通过改变横梁的高度和改变摄像机的焦距来调节实现。   

                                                               图5 检测系统实物图