CN106680314A - 投射式无损检测薄膜层间内部缺陷的红外热像装置及方法 - Google Patents

投射式无损检测薄膜层间内部缺陷的红外热像装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种投射式无损检测薄膜层间内部缺陷的红外热像装置及方法，所述装置包括闪光光源、红外热像仪、信号同步装置、被检测件和计算机，信号同步装置分别与闪光光源和计算机连接，红外热像仪分别与计算机和信号同步装置连接，被检测件垂直放置在红外热像仪和闪光光源之间，并与红外热像仪的镜头平行。所述方法利用脉冲加热激励时多层薄膜中有缺陷部分热流受阻、无缺陷部分热流顺利通过造成的表面温度不同的现象识别出缺陷的部位和尺寸。本发明具有快速、无损、实时、检测成本低的特点，将其应用于微电子、微电子机械等信息电子制造领域，可以使制造成本、测试成本大幅降低，质量得以提高，具有广阔的应用前景。

Description

投射式无损检测薄膜层间内部缺陷的红外热像装置及方法
技术领域
本发明属于微电子及微电子机械制造技术领域，涉及一种新型的缺陷检测装置及方法，尤其涉及一种投射式无损检测双层及多层薄膜层间内部缺陷的红外热像装置及方法。
背景技术
多层薄膜是信息电子制造领域中的薄膜器件、微电子器件、微电子机械（MEMS，）等的基本结构。其特点是由双层或多层薄膜以及薄的基板通过蒸镀、溅射、化学沉积、旋涂、粘接等工艺制成。在制备过程中膜和膜之间由于种种原因会出现微小缺陷，如气泡、脱层、裂纹、夹渣、异物等等。为了控制多层薄膜的质量，保证层间的牢固结合，需要随时检测缺陷的出现和形貌，以随时调整工艺；另外，为评估器件的可靠性，需要进行热老化、机械循环等测试，也需要随时检测层间的内部缺陷的产生和扩展。目前，这种检测都是破坏性的，例如随时采样、切片，然后在电子显微镜上进行观测。这种检测方法费时、费力，而且成本很高。
发明内容
为了解决现有薄膜器件、微电子、微电子机械等器件制备、检测过程中需要破坏性加工、费时长、成本高等的问题，本发明提供了一种具有快速、无损、实时、检测成本低特点的投射式无损检测薄膜层间内部缺陷的红外热像装置及方法，将其应用于微电子、微电子机械等信息电子制造领域，可以使制造成本、测试成本大幅降低，质量得以提高，在这些领域以及类似结构的制造领域具有广阔的应用前景。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种投射式无损检测薄膜层间内部缺陷的红外热像装置，包括闪光光源、红外热像仪、信号同步装置、被检测件和计算机，信号同步装置分别与闪光光源和计算机连接，红外热像仪分别与计算机和信号同步装置连接，被检测件垂直放置在红外热像仪和闪光光源之间，并与红外热像仪的镜头平行。
一种投射式无损检测薄膜层间内部缺陷的红外热像方法，包括如下步骤：
一、根据多层膜结构的热学材料特性初步计算脉冲时间常数和脉冲能量；
二、调整闪光光源的脉冲时间与信号同步装置；
三、将被检测件垂直放置在红外热像仪之前，保证被检测件与红外热像仪的镜头平行；
四、闪光光源从被检测件背面脉冲快速照射被检测件，被检测件温度升高；
五、被检测件温度升高过程中，使用红外热像仪配合信号同步装置采集被检测件表面的温度图像；
六、通过计算机对红外热像仪所采集到的温度图像叠加计算，去除噪声并得出缺陷位置和大小；
七、根据温差大小与被检测件的热学材料特性计算缺陷深度。
本发明克服了现有技术的不足，提出了一种新型的多层薄膜无损缺陷检测方法，该方法具有以下优点效果：
1、红外成像检测快速、无损、安全，特别是通过多次加热激励、采样和计算可有效消除噪声，提高检测灵敏度；
2、被测器件可以不用内部电路加热；
3、不需破坏性采样切片，节省可靠性试验中的样品消耗；
4、可以直接进行无损检测，不需要样品的预处理，可以实现连续的实验和测试；
5、被检测样可以在低温下进行实验，不需高温检测，减小被测样品在检测中产生过大应力发生损坏；
6、检测时间短，速度快；
7、透射实验可克服样品尺寸小、闪光光源和红外热像仪不能同时放置在样品一层的弊端；
8、低温试验可提高检测装置的灵敏度，使成像更精确；
9、实验器材维护费用低。
附图说明
图1为检测装置原理示意图；
图2为缺陷和无缺陷表面温度示意图；
图3为缺陷和无缺陷表面温差示意图；
图4为缺陷样品检测温度图；
图中：1-闪光光源，2-红外热像仪，3-信号同步装置，4-被检测件，5-计算机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
具体实施方式一：如图1所示，本实施方式提供的投射式无损检测薄膜层间内部缺陷的红外热像装置包括闪光光源1、红外热像仪2、信号同步装置3、被检测件4和计算机5，信号同步装置3分别与闪光光源1和计算机5连接，红外热像仪2分别与计算机5和信号同步装置3连接，被检测件4垂直放置在红外热像仪2和闪光光源1之间，并与红外热像仪2的镜头平行。
上述检测装置工作时，闪光光源1从被检测件4背面瞬时照射加热被检测件4，被检测件4温度升高。升温过程中，热流通过被检测件4从背面向正面传播，在遇到缺陷处，由于缺陷的热阻较大，热流被阻挡，大部分热流被迫向无缺陷处传播，使得被检测件4正面的温度在上升过程中温度增量不同。如图2所示，无缺陷处的表面温度升温明显快过有缺陷出的表面温度，在一定时间内，无缺陷处的表面温度比缺陷处表面温度高。无缺陷与缺陷处的表面温度差如图3所示，在短时间内会达到一个峰值。在该段时间内通过信号同步装置3控制红外热像仪2捕捉被检测件4的表面温度，即可计算得出缺陷的位置和大小。缺陷样品检测温度图如图4所示。
本实施方式中，所述被检测件4周围可添加制冷装置，以增加降温速度实现多次脉冲叠加。
本实施方式中，所述装置应放置在防震实验台上，以确保温度噪声最小化。
具体实施方式二：本实施方式提供了一种投射式无损检测薄膜层间内部缺陷的红外热像方法，利用脉冲加热激励时多层薄膜中有缺陷部分热流受阻、无缺陷部分热流顺利通过造成的表面温度不同的现象识别出缺陷的部位和尺寸。具体实施步骤如下：
一、根据多层膜结构的热学材料特性初步计算脉冲时间常数和脉冲能量；
二、调整闪光光源的脉冲时间与信号同步装置；
三、将被检测件垂直放置在红外热像仪之前，保证被检测件与红外热像仪的镜头平行；
四、闪光光源从被检测件背面脉冲快速照射被检测件，被检测件温度升高；
五、被检测件温度升高过程中，使用红外热像仪配合信号同步装置采集被检测件表面的温度图像；
六、通过计算机对红外热像仪所采集到的温度图像叠加计算，去除噪声并得出缺陷位置和大小；
七、根据温差大小与被检测件的热学材料特性计算缺陷深度。
本实施方式中，所述步骤三进行过程中，可以在被检测件周围添加制冷装置以增加降温速度实现多次脉冲叠加，以确保可以捕捉到最大温差时的温度图像。同时，多次温度图像叠加可降低噪声提高精确度。重复4～5次加热为宜。
本实施方式中，所述步骤四和五进行过程中，实验器材应放置在防震实验台上，以确保温度噪声最小化。
本实施方式中，所述被检测件具有双层及双层以上薄膜。
具体实施方式三：本实施方式提供了一种投射式无损检测薄膜层间内部缺陷的红外热像方法，具体实施步骤如下：
一、被检测件的制备：以Ni薄膜和Cu膜作为种子层电镀在基板上；
二、采用光斑直径为10mm、波长808nm的激光脉冲加热被检测件，控制照射脉冲时间为500μs，照射能量密度为20KJ/m2；
三、脉冲加热的同时，由红外热像仪在加热的1000μs内采集至少5幅被检测件表面的温度图像数据；
四、在有足够降温的前提下，步骤二和三可重复多次，4～5次为宜；
五、使用计算机对采集到的温度图像数据进行叠加计算；
六、根据温差大小与被检测件的热学材料特性计算缺陷深度，最大温差值预计在3～5℃。
本实施方式中，薄膜材料使用的是Ni和Cu膜，在实际应用中，被测薄膜材料也可以是其它金属或非金属薄膜。
本实施方式中，Ni和Cu薄膜材料的厚度分别为20μm和0.5μm，在实际应用中，被测薄膜的厚度可以改变。
本实施方式中，基板材料使用的是Si基板，在实际应用中，被测基板也可以是其他半导体基板。
本实施方式中，基板材料的厚度为300μm，在实际应用中，被测基板厚度范围可在20～1000μm。

Claims (7)

1.一种投射式无损检测薄膜层间内部缺陷的红外热像装置，其特征在于所述装置包括闪光光源、红外热像仪、信号同步装置、被检测件和计算机，信号同步装置分别与闪光光源和计算机连接，红外热像仪分别与计算机和信号同步装置连接，被检测件垂直放置在红外热像仪和闪光光源之间，并与红外热像仪的镜头平行。
2.根据权利要求1所述的投射式无损检测薄膜层间内部缺陷的红外热像装置，其特征在于所述被检测件的周围添加制冷装置。
3.一种投射式无损检测薄膜层间内部缺陷的红外热像方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
一、根据多层膜结构的热学材料特性初步计算脉冲时间常数和脉冲能量；
二、调整闪光光源的脉冲时间与信号同步装置；
三、将被检测件垂直放置在红外热像仪之前，保证被检测件与红外热像仪的镜头平行；
四、闪光光源从被检测件背面脉冲快速照射被检测件，被检测件温度升高；
五、被检测件温度升高过程中，使用红外热像仪配合信号同步装置采集被检测件表面的温度图像；
六、通过计算机对红外热像仪所采集到的温度图像叠加计算，去除噪声并得出缺陷位置和大小；
七、根据温差大小与被检测件的热学材料特性计算缺陷深度。
4.根据权利要求3所述的投射式无损检测薄膜层间内部缺陷的红外热像方法，其特征在于所述被检测件具有双层及双层以上薄膜。
5.根据权利要求3或4所述的投射式无损检测薄膜层间内部缺陷的红外热像方法，其特征在于所述步骤三中，在被检测件周围添加制冷装置以增加降温速度实现多次脉冲叠加，确保可以捕捉到最大温差时的温度图像。
6.根据权利要求5所述的投射式无损检测薄膜层间内部缺陷的红外热像方法，其特征在于在有足够降温的前提下，重复操作步骤四和五。
7.根据权利要求5所述的投射式无损检测薄膜层间内部缺陷的红外热像方法，其特征在于所述重复操作次数为4～5次。
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