CN117491427A - 一种基于透射激光锁相的多层晶圆气泡缺陷层析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于主动红外无损检测相关技术领域,其公开了一种基于透射激光锁相的多层晶圆气泡缺陷层析方法,包括以下步骤:(1)记录晶圆上表面产生的透射热波的变化,以得到温度矩阵序列;(2)对温度矩阵序列进行处理以提取每条序列对应的激光激励频率的相位值,并重构出一张锁相相位图,再基于锁相相位图进行晶圆键合界面气泡缺陷检测;然后计算缺陷位置相位值与激励信号初始相位差值,并对位于不同深度晶圆层界面的气泡缺陷进行标定,将对应的温度矩阵序列转换为深度方向的断层锁相相位图序列,以建立相应的相位差‑深度标定曲线,进而基于相位差‑深度标定曲线对待测晶圆进行气泡缺陷检测及气泡缺陷深度的确定。本发明提高了检测速度及精度。

Description

一种基于透射激光锁相的多层晶圆气泡缺陷层析方法
技术领域
本发明属于主动红外无损检测相关技术领域,更具体地,涉及一种基于透射激光锁相的多层晶圆气泡缺陷层析方法。
背景技术
晶圆键合界面的稳定性与可靠性在先进电子封装的发展和应用中起着至关重要的作用,多层键合界面气泡缺陷的前期检测已成为保证芯片质量与可靠性的必要手段。
目前隐藏在多层晶圆内部的缺陷检测技术主要是超声扫描技术(SAM),它对层间界面缺陷比较敏感。但SAM技术需要将样品放置在水中,水可能会侵入键合界面,导致整个晶圆损坏,并且SAM检测周期长,检测效率低,不适用于原位在线检测。传统主动红外检测方式虽然具有快速、检测面积大、非接触等优点,但是灵敏度低,只能检测几毫米的气泡缺陷,难以满足现阶段晶圆封装缺陷的检测尺度要求,也无法知道缺陷的深度信息,难以定位气泡缺陷在多层晶圆中的层数信息。因此,如何对多层晶圆键合界面气泡缺陷进行准确检测和深度定位的无损检测成为目前亟需解决的问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求,本发明提供了一种基于透射激光锁相的多层晶圆气泡缺陷层析方法,先获取待测晶圆的上表面所产生的透射热波的温度矩阵序列,再基于温度矩阵序列分析缺陷区域与完整区域的特征差异,提取最大差异特征量重构成新的特征图像,进而实现气泡缺陷检测,然后计算缺陷位置相位值与激励信号初始相位差值,对位于不同深度晶圆层界面的气泡缺陷进行标定,将温度矩阵序列转换为深度方向的断层锁相相位图序列,建立相应的相位差-深度标定曲线,继而基于相位差-深度标定曲线实现待测晶圆的气泡缺陷检测及缺陷深度定位。
为实现上述目的,按照本发明的一个方面,提供了一种基于透射激光锁相的多层晶圆气泡缺陷层析方法,该方法包括以下步骤:
(1)将调制的激励热波垂直作用于晶圆的下表面,并记录所述晶圆上表面产生的透射热波的变化,以得到温度矩阵序列;
(2)采用类傅里叶算法对所述温度矩阵序列进行处理以提取每条序列对应的激光激励频率的相位值,并重构出一张锁相相位图,再基于所述锁相相位图进行晶圆键合界面气泡缺陷检测;然后计算缺陷位置相位值与激励信号初始相位差值,并对位于不同深度晶圆层界面的气泡缺陷进行标定,将对应的温度矩阵序列转换为深度方向的断层锁相相位图序列,以建立相应的相位差-深度标定曲线,进而基于相位差-深度标定曲线对待测晶圆进行气泡缺陷检测及气泡缺陷深度的确定。
进一步地,相位差-深度标定曲线对应的公式为:
式中,k是相关系数,通过标定获得;α是待测硅片材料的热扩散系数;Δφ是锁相相位与激励信号初始相位的差值;flock-in是锁相频率;h是缺陷的深度
进一步地,采用波长为780nm~1000nm的红外激光作为激励热源。
进一步地,采用信号线连接信号发生器及激光光源的输入端,激光光纤连接所述激光光源的输出端及激光扩束准直器;所述信号发生器用于输出正弦或者方波脉冲信号;自所述激光准直器发出的红外激光作为激励热源所形成的激励热波垂直作用于晶圆的下表面。
进一步地,采用热像仪记录透射热波的变化,所述热像仪为焦平面红外热像仪。
进一步地,采用的非制冷红外焦平面红外热像仪像素为320×240以上,像元大小为5μm~50μm,采样频率为20Hz~100Hz,温度灵敏度为0.08℃以上。
进一步地,热像仪的采样时间为至少20~100个激光激励周期。
进一步地,所述热像仪的采样时间为50个周期以上。
进一步地,类傅里叶算法为快速傅里叶算法、双路锁相相关算法或者四点相关算法。
进一步地,锁相频率为8Hz,分析序列长度为600帧,分析时间为15s;激光光源的激励参数为:功率为30W,调制频率为8Hz;热像仪的采样参数为:采样频率为50Hz,采样周期数为96。
总体而言,通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比,本发明提供的基于透射激光锁相的多层晶圆气泡缺陷层析方法主要具有以下有益效果:
1.本发明应用主动红外热成像技术和时间序列信号处理技术得到表面温度矩阵序列,进而分析缺陷区域与完整区域的特征差异,提取最大差异特征量重构成新的特征图像(相位图),这是一种快速、大面积、高灵敏度的主动红外无损检测新方法。
2.本发明计算缺陷位置相位值与激励信号初始相位差值,对位于不同深度晶圆层界面的气泡缺陷进行标定,将红外图像温度矩阵序列转换为深度方向的断层锁相相位图序列,建立相应的相位差-深度标定曲线,继而基于相位差-深度标定曲线实现待测晶圆的气泡缺陷检测及缺陷深度定位,提高了检测速度及精度。
3.本发明对温度矩阵序列的处理方式结合了一维信息处理技术和二维图像处理技术的长处,能够有效地提高红外热像仪的灵敏度。
4.所述层析方法的灵活性较好,适用性较强,能够检测到较深缺陷,有利于推广应用。
附图说明
图1是本发明提供的一种基于透射激光锁相的多层晶圆气泡缺陷层析方法所用到的检测设备的示意图;
图2是晶圆键合内表面气泡缺陷的检测结果,(a)是传统热成像的检测结果,(b)是基于透射激光锁相的检测结果,(c)是SAM的检测结果;
图3是本发明得到的一个相位差-深度标定曲线的示意图。
在所有附图中,相同的附图标记用来表示相同的元件或结构,其中:1-三维位移平台,2-三脚支架,3-激光光纤,4-激光光源,5-信号线,6-信号发生器,7-激励热波,8-晶圆,9-透射热波,10-热像仪,11-数据线,12-计算机。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
请参阅图1,本发明提供了一种基于透射激光锁相的多层晶圆气泡缺陷层析方法,所述层析方法主要包括正弦信号或方波信号调制的激光光源热激励、焦平面红外热像仪采集红外图像温度矩阵序列、温度矩阵序列数字锁相处理及建立透射热波信号与激励热波信号相位差-深度的标定曲线。
具体地,所述层析方法主要包括以下步骤:
步骤一,将调制的激励热波垂直作用于晶圆的下表面,并记录所述晶圆上表面产生的透射热波的变化,以得到温度矩阵序列。
所述层析方法使用检测设备进行,所述检测设备包括三维位移平台1、三脚支架2、激光光纤3、激光扩束准直器、激光光源4、信号线5、信号发生器6、晶圆8、热像仪10、数据线11及计算机12。所述信号线5连接所述信号发生器6及所述激光光源4的信号输入端。所述三脚支架2设置在所述三维位移平台1上。
所述信号发生器6用于输出正弦或者方波脉冲信号,激光光强按照正弦规律变化。所述激光光纤3的一端连接激光扩束准直器,另一端连接所述激光光源4。所述激光扩束准直器设置在所述三脚支架2上,尽可能保证激励热波7垂直于待测晶圆8的下表面,保证激光光源、晶圆8与热像仪10的镜头相互平行。所述数据线11连接所述热像仪及所述计算机12,所述计算机12安装有红外分析软件。
其中,所述激光光源的光斑面积应稍大于所述热像仪的检测面积,所述热像仪为焦平面红外热像仪。
获取温度矩阵时,启动红外分析软件,调节晶圆到热像仪的距离到合适值,使得红外分析软件内有清晰居中的待测晶圆热成像。手动打开激光光源的输出开关,使光源的光强按照正弦规律激励晶圆下表面,产生调制的激励热波7。在红外分析软件上设置好采样频率及采样时间后,开始记录透射热波9的变化,形成一段确定序列长度的红外图像温度矩阵序列。采样频率应尽可能高,并满足奈奎斯特采样定律,采样时间至少20个激光激励周期,为了提升信噪比,最好记录50个周期以上。激励频率对检测结果影响很大,激励频率的大小与激光最大光强、激光光源到晶圆的距离有关,红外热像仪的采样频率应尽可能高,并满足奈奎斯特采样定律。
本实施方式中,采用的非制冷红外焦平面红外热像仪像素为320×240以上,像元大小为5-50μm,采样频率为20-100Hz,温度灵敏度为0.08℃以上;采用波长为780-1000nm的红外激光作为激励热源,运行功率为30W~300W,该光源可实现TTL调制,响应速度快;采用的激光光纤3末端配置有激光扩束准直器,可减小相位差异,增大检测面积。信号发生器调制信号是正弦或方波信号,控制激光光强按照正弦规律变化。
激光光源与晶圆互相平行,保证激励热波垂直于晶圆下表面,实现温度序列初始相位的一致;激光光源与红外热像仪位于检测晶圆的两侧,热像仪记录透射热波9的变化,不容易受反射热波的干扰;红外热像仪采样时间至少20-100个激光激励周期,为了提升信噪比,最好记录50个周期以上;
步骤二,采用类傅里叶算法对所述温度矩阵序列进行处理以提取每条序列对应的激光激励频率的相位值,并重构出一张锁相相位图,再基于所述锁相相位图进行晶圆键合界面气泡缺陷检测;然后计算缺陷位置相位值与激励信号初始相位差值,并对位于不同深度晶圆层界面的气泡缺陷进行标定,将对应的温度矩阵序列转换为深度方向的断层锁相相位图序列,以建立相应的相位差-深度标定曲线,进而基于相位差-深度标定曲线对待测晶圆进行气泡缺陷检测及气泡缺陷深度的确定。
利用类傅里叶算法处理透射热波的红外图像温度矩阵序列,提取每条序列对应激光激励频率的相位值,重构出一张锁相相位图,相位图上将出现内部气泡缺陷的特征参数信息,即气泡缺陷的形状、大小和位置等,实现对晶圆键合界面内部气泡缺陷的快速、高灵敏度的无损检测及气泡缺陷深度的定位。
温度矩阵序列的处理方式结合了一维信号处理技术和二维图像处理技术的长处,提高了红外热像仪的灵敏度。针对深层内部气泡缺陷,利用采用类傅里叶算法对温度矩阵时间序列进行处理,可得到气泡缺陷的多种特征信息,实现对气泡缺陷的快速定形定量检测。
类傅里叶算法为快速傅里叶算法、双路锁相相关算法或者四点相关算法,能既快速又有效地提取序列中的相位等特征信息。
本实施方式获得的相位差-深度标定曲线如图3所示,相位差-深度标定曲线对应的公式为:
其中,k是相关系数,通过标定获得;α是硅片材料的热扩散系数;Δφ是锁相相位与激励信号初始相位的差值;flock-in是锁相频率;h是缺陷的深度。
为了说明该方法的实际检测效果,进行了晶圆键合界面气泡缺陷检测实验。
晶圆键合界面气泡缺陷检测实验:采用双层725μm厚度的硅片键合后带有气泡缺陷的真实晶圆,气泡厚度为5μm,大小在500μm到几千微米之间。激光光源激励参数:功率30W,调制频率8Hz;焦平面红外热像仪采样参数:采样频率50Hz,采样周期数96;分析参数:锁相频率为8Hz,分析序列长度为600帧,分析时间为15s。
实际检测结果可参阅图2,锁相图能很好地反映出气泡缺陷的形状与大小,与SAM结果完全一致,最小检出直径达到500μm,缺陷所在深度与气泡最小检出直径的比值达到1.45,说明该方法对较深层缺陷效果显著。总体上采用本发明的方法可以实现对样品内部深层微小缺陷的相对快速、准确可靠的无损检测。
本领域的技术人员容易理解,以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于透射激光锁相的多层晶圆气泡缺陷层析方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
(1)将调制的激励热波垂直作用于晶圆的下表面,并记录所述晶圆上表面产生的透射热波的变化,以得到温度矩阵序列;
(2)采用类傅里叶算法对所述温度矩阵序列进行处理以提取每条序列对应的激光激励频率的相位值,并重构出一张锁相相位图,再基于所述锁相相位图进行晶圆键合界面气泡缺陷检测;然后计算缺陷位置相位值与激励信号初始相位差值,并对位于不同深度晶圆层界面的气泡缺陷进行标定,将对应的温度矩阵序列转换为深度方向的断层锁相相位图序列,以建立相应的相位差-深度标定曲线,进而基于相位差-深度标定曲线对待测晶圆进行气泡缺陷检测及气泡缺陷深度的确定。
2.如权利要求1所述的基于透射激光锁相的多层晶圆气泡缺陷层析方法,其特征在于:相位差-深度标定曲线对应的公式为:
式中,k是相关系数,通过标定获得;α是待测硅片材料的热扩散系数;Δφ是锁相相位与激励信号初始相位的差值;flock-in是锁相频率;h是缺陷的深度。
3.如权利要求1所述的基于透射激光锁相的多层晶圆气泡缺陷层析方法,其特征在于:采用波长为780nm~1000nm的红外激光作为激励热源。
4.如权利要求3所述的基于透射激光锁相的多层晶圆气泡缺陷层析方法,其特征在于:采用信号线连接信号发生器及激光光源的输入端,激光光纤连接所述激光光源的输出端及激光扩束准直器;所述信号发生器用于输出正弦或者方波脉冲信号;自所述激光准直器发出的红外激光作为激励热源所形成的激励热波垂直作用于晶圆的下表面。
5.如权利要求1所述的基于透射激光锁相的多层晶圆气泡缺陷层析方法,其特征在于:采用热像仪记录透射热波的变化,所述热像仪为焦平面红外热像仪。
6.如权利要求5所述的基于透射激光锁相的多层晶圆气泡缺陷层析方法,其特征在于:采用的非制冷红外焦平面红外热像仪像素为320×240以上,像元大小为5μm~50μm,采样频率为20Hz~100Hz,温度灵敏度为0.08℃以上。
7.如权利要求5所述的基于透射激光锁相的多层晶圆气泡缺陷层析方法,其特征在于:热像仪的采样时间为至少20~100个激光激励周期。
8.如权利要求7所述的基于透射激光锁相的多层晶圆气泡缺陷层析方法,其特征在于:所述热像仪的采样时间为50个周期以上。
9.如权利要求1-8任一项所述的基于透射激光锁相的多层晶圆气泡缺陷层析方法,其特征在于:类傅里叶算法为快速傅里叶算法、双路锁相相关算法或者四点相关算法。
10.如权利要求1-8任一项所述的基于透射激光锁相的多层晶圆气泡缺陷层析方法,其特征在于:锁相频率为8Hz,分析序列长度为600帧,分析时间为15s;激光光源的激励参数为:功率为30W,调制频率为8Hz;热像仪的采样参数为:采样频率为50Hz,采样周期数为96。
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