CN100559171C - 检测键合质量的红外透视成像装置及调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种检测键合质量的红外透视成像装置，其特征在于，包括如下几个部分：一灯箱，该灯箱为黑色，该灯箱前端开有一出光孔；一导轨，该导轨位于灯箱上的出光孔的前端，在该导轨上依次排列有第一凸透镜、小孔光阑、第二凸透镜、样品架及红外摄像头；一监视器，该监视器通过数据线与红外摄像头连接。

Description

检测键合质量的红外透视成像装置及调节方法

技术领域

本发明属于半导体技术领域，特别是指一种检测键合质量的红外透视成像装置及调节方法。

背景技术

所谓键合就是将两块同质或异质的晶片用物理或化学的方法使之相互成键贴合。由于键合不需要任何粘贴剂，晶片的电阻率和导电类型可以自由选择，而且不受材料晶格与晶向限制，键合结构可以承受减薄、抛光、化学腐蚀和高温处理等各种传统工艺，因而该工艺在新材料、新结构的研究制备，微电子电路，微机械加工，光电器件制备和光集成方面得到了广泛的应用。

键合界面由于表面的不平整或吸附的颗粒或界面的水分子无法逃逸而形成空洞，造成未键合部分，利用Si、GaAs、InP等材料对一定波段的红外透明的特性，可对未键合部分进行直接红外成像。原理如下：光波的近红外部分可以透过晶片，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。此相干光经红外摄像头接收后，在监视器会出现干涉条纹，即出现牛顿环。原理如公式(1)所示：

$2\mathrm{nd}=\frac{m+1}{2}\mathrm{\λ}(m=\mathrm{0,1,2},......)---\left(1\right)$

如果未键合区域很小，则监视器上将出现较小的牛顿环。当键合界面处空隙较大时，红外光则无法透过，这时在监视器上的对应位置将出现黑色图案，此时只能在监视器上观测到明暗对比的图案。

常用的测试晶片键合质量的方法有：扫描超声波显微镜，透射电镜(TEM)，红外光源热成像法等等，但这些测试手段都价格昂贵，搭建起来比较困难，而且技术都相对复杂，且有各自的缺陷。扫描超声波法需要对整个界面进行逐点扫描，耗费时间较长；TEM制样困难，且属于破坏性测试；热成像法成像相对粗糙，无法得到细致的界面图案。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种检测键合质量的红外透视成像装置及调节方法，其是搭建一个简易便利的红外透视系统，为键合质量做初期的检测。

本发明一种检测键合质量的红外透视成像装置，其特征在于，包括如下几个部分：

一灯箱，该灯箱为黑色，该灯箱前端开有一出光孔；

一导轨，该导轨位于灯箱上的出光孔的前端，在该导轨上依次排列有第一凸透镜、小孔光阑、第二凸透镜、样品架及红外摄像头；

一监视器，该监视器通过数据线与红外摄像头连接。

其中灯箱包括：一光源；一喇叭状灯罩，该反射灯罩位于该光源的一侧。

其中该光源为白炽灯。

其中小孔光阑的通光孔的孔径为1-2mm。

本发明一种检测键合质量的红外透视成像装置的调节方法，其是采用权利要求1所述的成像装置，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：调节摄像头及监视器，使之形成成像状态；

步骤2：调节导轨上的依次排列的第一凸透镜、小孔光阑、第二凸透镜、样品架及红外摄像头，使之处于与灯箱上的出光孔相同高度。

步骤3：调节第一凸透镜和小孔光阑的位置，使清晰的灯丝图像穿过小孔光阑，然后调节第二凸透镜，使射出的圆形光斑打在样品架上的样品表面；

步骤4：最后调节摄像头与样品架上的样品之间的距离，使成像最清晰，成像结果可直接由监视器显示。

附图说明

本发明的具体实施方式和原理将通过下面的附图及文字进行进一步说明，其中：

图1是红外透视成像装置光路原理示意图；

图2是本发明红外透视成像装置结构示意图；

图3是InP/GaAs键合结构的红外图像；

图4是InP/InP键合结构的红外图像；

图5是Si/Si键合结构的红外图像。

具体实施方式

请参阅图1所示，相对于红外激光器的价格较高，波长单一和红外光不可见的特点，本发明的光源1采用白炽灯作为光源，其相应的优势是，具有宽波长特性使得可以针对多种材料进行检测，白炽灯的可见光部分使得光路调节可以轻松实现。但白炽灯发光亦有发散和难以平行化的缺点，此处我们通过小孔光阑3的办法使之平行化。白炽灯发出的光经由第一凸透镜2成像在小孔光阑3上，再入射到第二凸透镜4上。由于小孔光阑3通光孔径很小，约在1～2mm，因此像点可以近似为点光源。当小孔光阑3处于第二凸透镜4的焦点处时，第二凸透镜4将使光平行化。平行光经键合样品后其包含界面信息的红外部分被红外摄像头5接收，再直观的反应在监视器6上。由此，界面所包含的信息便可从监视器6显示的图像分析得出。

请参阅图2所示，为本发明红外透视成像装置结构示意图。本发明一种检测键合质量的红外透视成像装置，包括如下几个部分：

一灯箱10，该灯箱10为黑色，该灯箱10前端开有一出光孔11；该灯箱10包括：一光源12；一喇叭状灯罩13，该灯罩13位于该光源12的一侧；该光源12为白炽灯；

一导轨20，该导轨20位于灯箱10上的出光孔11的前端，在该导轨20上依次排列有第一凸透镜21、小孔光阑22、第二凸透镜23、样品架2

4及红外摄像头25；其中该小孔光阑22的通光孔的孔径为1-2mm；

一监视器30，该监视器30通过数据线与红外摄像头25连接。

请再结合参阅图2所示，本发明一种检测键合质量的红外透视成像装置的调节方法，其是采用前述的成像装置，包括如下步骤：

步骤1：调节摄像头25及监视器30，使之形成成像状态；

步骤2：调节导轨20上的依次排列的第一凸透镜21、小孔光阑22、第二凸透镜23、样品架24及红外摄像头25，使之处于与灯箱10上的出光孔11相同高度。

步骤3：调节第一凸透镜21和小孔光阑22的位置，使清晰的灯丝图像穿过小孔光阑22，然后调节第二凸透镜23，使射出的圆形光斑打在样品架24上的样品241表面；

步骤4：最后调节摄像头25与样品架24上的样品241之间的距离，使成像最清晰，成像结果可直接由监视器30显示。

请再参阅图2所示。由于光源12采用的白炽灯作为光源，白炽灯光是向四面辐射的，所以为了避免杂散光对检测带来的影响，需要制备一个灯箱10，该灯箱10为黑色，其可对白炽灯光进行限制。灯箱10前面开一个出光孔11，白炽灯的光只有从出光孔11中才能射出，其余方向的光都被黑色灯箱10吸收。同时，由于小孔光阑22的通光孔径很小，白炽灯光只能利用一小部分，为避免光强偏弱而导致成像不清晰，需要加一个反射灯罩13以加强出射光强度。

红外摄像头25的选择十分重要，为了进行Si材料的检测，理想的摄像头25探测波长应该要大于1微米，且有较高的灵敏度。鉴于中远红外探测器普遍价格昂贵，为了实现低成本系统的搭建，本发明选择了Wat-902H型摄像头。该摄像头灵敏度和像素都较高，对1微米左右的波长也有一定的灵敏度，且价格便宜，符合成像的要求。

由此，我们便实现了红外检测系统的搭建。通过调节光路系统，可以得到键合界面的红外透视图。

本发明采用100W的白炽灯作为光源12，保证不会因发热量过大而影响测试效果。同时白炽灯有红外谱线较宽的优势，对不同材料均可适用。白炽灯的可见光部分也使得光路调节简单便捷。

光源12的白炽灯发出的光通过第一凸透镜21会聚于小孔光阑22(通光孔径在1～2mm)，可近似成为点光源，然后通过第二凸透镜23成为平行光。

黑色灯箱10的制备减少了杂散光对检测带来的不良影响，灯箱内置反射灯罩13，对照射到小孔光阑22上的光有增强作用，避免了因光强不够而造成红外摄像头25无法接收的隐患。

红外摄像头25采用了常规的Wat-902H型号，相对于热像仪和其他红外摄像头接收光谱范围合适，且经济实用。

本发明以红外透射原理为基础，以100W的白炽灯作为光源12，通过第一凸透镜21将灯丝成像在小孔光阑22上。因小孔光阑22通光孔径较小(1-2mm)，因而可近似认为点光源，通过第二凸透镜23后形成平行光，红外光通过样品241后被红外摄像头25接收成像，成像结果可直接在监视器30上显示。本发明方法简单，搭建方便，价格低廉，且有较好的成像效果。

为了验证本发明对键合界面的检测效果，我们对GaAs、InP、Si材料的键合做了验证。其中，晶片表面清洗都采用疏水处理方式，采用乙醇、丙酮、三氯乙烯、丙酮、乙醇超声清洗表面，再用高纯去离子水反复冲洗表面，最后在1HF∶10H₂O溶液中浸泡30S。清洗完毕后用氮气将表面吹干，然后贴合放入键合腔室。键合环境为真空环境，工作真空约10^-4Pa，施加压强～2MPa。键合温度约550℃，键合时间为1小时，升温平均速度为10℃/min，降温平均速度约为1℃/min。

图3～图5为用本发明得到的键合界面红外透视图像。其中图3为GaAs/InP键合的红外透视图，图4为InP/InP键合透视图，图5为Si/Si键合透视图。由图可见，键合部分为亮区，未键合部分为暗区，对于图3和图4还可以清晰的看到牛顿环。从红外图像不仅可以直观的判断界面的键合质量，对样片上的裂纹也可以很直观的显现(见图5)。比较图3～图5可知，Si/Si键合成像质量稍差，原因在于低于1微米的红外光基本被Si吸收，而我们选择的红外摄像头在大于1微米波长的红外光探测灵敏度较低，因而导致成像质量相比GaAs/InP和InP/InP的红外透视图稍低，但由图也能清楚的判断键合界面状况。红外透视结果说明本发明红外成像清晰，较好的反应了键合界面的情况，且无论对于Si、GaAs还是InP材料系都能较好的反应界面状况，本发明的特征从而得以实现。

Claims (3)

1、一种检测键合质量的红外透视成像装置，其特征在于，包括如下几个部分：

一灯箱，该灯箱为黑色，该灯箱包括一光源，该光源为白炽灯，该灯箱包括一喇叭状灯罩，该灯箱前端开有一出光孔；

一导轨，该导轨位于灯箱上的出光孔的前端，在该导轨上依次排列有第一凸透镜、通光孔的孔径为1-2mm的小孔光阑、第二凸透镜、样品架及红外摄像头；

一监视器，该监视器通过数据线与红外摄像头连接。

2、根据权利要求1所述的检测键合质量的红外透视成像装置，其特征在于：其中该喇叭状灯罩位于该光源的一侧。

3、一种检测键合质量的红外透视成像装置的调节方法，其是采用权利要求1所述的成像装置，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：调节摄像头及监视器，使之形成成像状态；

步骤2：调节导轨上的依次排列的第一凸透镜、小孔光阑、第二凸透镜、样品架及红外摄像头，使之处于与灯箱上的出光孔相同高度。

步骤3：调节第一凸透镜和小孔光阑的位置，使清晰的灯丝图像穿过小孔光阑，然后调节第二凸透镜，使射出的圆形光斑打在样品架上的样品表面；

步骤4：最后调节摄像头与样品架上的样品之间的距离，使成像最清晰，成像结果可直接由监视器显示。

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