中心議題：

• 晶片鍵合質量的紅外檢測係統設計

解決方案：

• 采用紅外檢測係統

1 引言

晶片直接鍵合技術就是把兩片鏡麵拋光晶片經表麵清洗和活化處理,在室溫下直接貼合,再經過退火處理增加結合強度而成為一個整體的技術。該技術不需要任何粘合劑，兩鍵合片的電阻率和導電類型可以自由選擇，工藝簡單，是製備複合材料及實現微機械加工的最優手段[1]。它往往與其他手段結合使用
，既可對微結構進行支撐和保護
，又可實現機械結構之間或機械結構與電路之間的電學連接[2]。

鍵合片在應用時，首先要求它必須具有良好的機械特性（空洞大小及分布和鍵合強度），它是鍵合片具有良好的電學特性的基礎 [3]。鍵jian合he界jie麵mian沒mei有you空kong洞dong或huo空kong洞dong極ji少shao是shi製zhi作zuo可ke靠kao器qi件jian的de原yuan始shi要yao求qiu。檢jian測ce鍵jian合he的de方fang法fa有you破po壞huai性xing和he非fei破po壞huai性xing兩liang大da類lei，目mu前qian應ying用yong最zui為wei普pu遍bian的de描miao述shu鍵jian合he機ji械xie特te性xing的de方fang法fa有you圖tu像xiang法fa。橫heng截jie麵mian分fen析xi法fa和he鍵jian合he強qiang度du測ce試shi。圖tu像xiang法fa是shi一yi種zhong非fei破po壞huai性xing的de方fang法fa，並bing且qie可ke用yong於yu在zai線xian實shi時shi監jian控kong；而後兩種方法均為破壞性方法且需要控製模塊。對於矽片鍵合，紅外透射法、超聲波法和X射線圖像法為主要的三種圖像法[4]。盡管紅外透射法探測界麵空洞的空間分辨率不及超聲波法和X射線圖像法，但紅外方法具有簡單
、快速
、價格便宜和易獲得等優點，並且可以直接在淨化間中使用獲得鍵合片退火前後的照片。而其他兩種圖像法盡管分辨率高
，但價格昂貴、費時
，且不與淨化間兼容，無法實時監測鍵合過程。

本文主要討論以晶片的紅外透射原理為基礎，利用圖像處理技術
，克服以往測試方法中高成本和技術複雜等缺點，實現以矽-guizhijiejianheweili，shejihedajianlehongwaijiancezhuangzhijixiangguanderuanjianmokuai，bingtongguipianjianhezhuangzhijiehe，shixiankuaisuyouxiaodezaixianjianhegongyijiankonghejingpianjianhezhiliangdechubupinggu。

2 紅外檢測原理

光波的近紅外部分（波長約0.75～1.5 μm）可以透過晶片，不同的晶片對紅外光的透射率不同。晶片可以透過的紅外光的最小波長如表1所示。
如果在兩塊晶片的鍵合界麵處存在未鍵合區域
，就會使光線出現兩次反射而形成相幹光，經CCDpaishe，zaitupianshanghuichuxianganshetiaowen。ruguoweijianhequyumianjijiaodaqiejianxigaodubuda，zehuichuxianhenduojiaodadeganshetiaowen。ruguoweijianhequyuhenxiao，zehongwaitupianshangjiangchuxianjiaoxiaodeniudunhuan；當dang鍵jian合he界jie麵mian處chu間jian隙xi較jiao大da時shi，紅hong外wai光guang幾ji乎hu無wu法fa透tou過guo，在zai圖tu片pian上shang的de對dui應ying位wei置zhi將jiang隻zhi能neng出chu現xian黑hei色se圖tu案an。因yin此ci
，根gen據ju鍵jian合he片pian的de紅hong外wai透tou射she圖tu像xiang，就jiu可ke以yi成cheng功gong檢jian測ce到dao鍵jian合he晶jing片pian的de缺que陷xian狀zhuang態tai及ji分fen布bu等deng。但dan是shi，如ru果guo光guang的de單dan色se性xing不bu好hao，或huo者zhe未wei鍵jian合he區qu域yu的de表biao麵mian不bu是shi很hen規gui則ze的de時shi候hou，也ye無wu法fa觀guan測ce到dao牛niu頓dun環huan
，此ci時shi隻zhi能neng在zai圖tu片pian上shang觀guan測ce到dao明ming暗an對dui比bi的de圖tu案an[5] 。

3 係統的設計

3.1 光源和CCD的選擇

獲huo得de的de圖tu像xiang質zhi量liang直zhi接jie影ying響xiang圖tu像xiang處chu理li程cheng序xu的de複fu雜za度du和he檢jian測ce結jie果guo。如ru果guo采cai用yong的de光guang源yuan單dan色se性xing越yue好hao，越yue接jie近jin平ping行xing光guang，則ze圖tu片pian的de幹gan涉she條tiao紋wen更geng清qing晰xi，質zhi量liang更geng好hao。然ran而er單dan色se激ji光guang器qi或huo者zhe平ping行xing光guang源yuan體ti積ji大da，而er紅hong外wai測ce試shi係xi統tong的de一yi大da特te點dian就jiu是shi結jie構gou簡jian單dan、緊(jin)湊(cou)，而(er)提(ti)供(gong)窄(zhai)波(bo)段(duan)的(de)照(zhao)明(ming)價(jia)格(ge)比(bi)較(jiao)昂(ang)貴(gui)，且(qie)不(bu)易(yi)控(kong)製(zhi)
，因(yin)此(ci)選(xuan)用(yong)普(pu)通(tong)的(de)白(bai)熾(chi)燈(deng)作(zuo)為(wei)光(guang)源(yuan)。為(wei)了(le)得(de)到(dao)較(jiao)好(hao)的(de)紅(hong)外(wai)圖(tu)片(pian)
，在(zai)鏡(jing)頭(tou)的(de)上(shang)方(fang)放(fang)置(zhi)一(yi)塊(kuai)雙(shuang)麵(mian)鏡(jing)麵(mian)拋(pao)光(guang)的(de)矽(gui)片(pian)
，從(cong)而(er)過(guo)濾(lv)掉(diao)可(ke)見(jian)光(guang)對(dui)圖(tu)片(pian)的(de)影(ying)響(xiang)。同(tong)時(shi)
，選(xuan)用(yong)超(chao)低(di)照(zhao)度(du)黑(hei)白(bai)攝(she)像(xiang)機(ji)WAT-902H，它的光譜響應靈敏曲線如圖1所示。而紅外線波長為750 nm～1000μm，這(zhe)樣(yang)我(wo)們(men)采(cai)用(yong)普(pu)通(tong)的(de)光(guang)源(yuan)就(jiu)可(ke)以(yi)獲(huo)得(de)窄(zhai)波(bo)段(duan)的(de)紅(hong)外(wai)圖(tu)像(xiang)。另(ling)外(wai)，由(you)於(yu)該(gai)相(xiang)機(ji)對(dui)紅(hong)外(wai)波(bo)段(duan)的(de)響(xiang)應(ying)靈(ling)敏(min)度(du)不(bu)高(gao)
，可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)增(zeng)加(jia)光(guang)強(qiang)來(lai)克(ke)服(fu)，從(cong)而(er)獲(huo)得(de)清(qing)晰(xi)的(de)紅(hong)外(wai)幹(gan)涉(she)圖(tu)像(xiang)

，為(wei)後(hou)續(xu)的(de)圖(tu)像(xiang)分(fen)析(xi)和(he)處(chu)理(li)做(zuo)準(zhun)備(bei)。 [page]
3.2 係統的組成

該測試係統的結構組成如圖2所示，由光源調節裝置、光源、可變遮光光闌
、測試台、放大鏡頭

、黑白CCD攝像機
、數據采集卡和計算機組成。
光源和CCD分fen別bie安an裝zhuang在zai測ce試shi樣yang品pin的de兩liang邊bian，相xiang向xiang安an裝zhuang。光guang源yuan的de高gao度du可ke調tiao，這zhe是shi為wei了le適shi應ying測ce試shi不bu同tong晶jing片pian的de要yao求qiu，從cong而er獲huo得de最zui清qing晰xi的de紅hong外wai圖tu片pian。可ke變bian光guang闌lan放fang在zai鍵jian合he片pian的de下xia方fang，中zhong間jian孔kong徑jing在zaiΦ1.8～50 mmrenyiketiao，takongzhizhaoshedaojianhepianshangguangbandedaxiao，yibantiaojiekebianguanglandeneikongjingtongjianhepiandaxiao，yekeyitiaojiedaobijianhepianxiao
，yijiancejianhepiandejubutezheng。kebianguanglanyouhuaguangyuandetongshi，jianhualehongwaitupiandebeijing
，shidejianhepianyiwaidetuxiangweidanyiheise，jiangdiletuxiangchulidefuzadu，jianhualexitongruanjian。

guangyuantongguokebianguanglanzhaoshedaojianhepian，guangxiantouguojianhepian，tongguojingtou
，zaishexiangjishangchengxiang，congerhuodejianhepiandehongwaituxiang，tongguoshujucaijikasongrujisuanji，jingguotuxiangchulichengxudechuli，xianshiceshijieguo。

3.3 係統軟件模塊

該儀器硬件測試部分與PC機相連，所獲得的圖片直接存放在PC機ji中zhong，可ke以yi利li用yong軟ruan件jian對dui圖tu片pian進jin行xing處chu理li
，獲huo得de所suo需xu要yao的de信xin息xi
，同tong時shi提ti供gong圖tu片pian顯xian示shi和he測ce試shi結jie果guo顯xian示shi等deng功gong能neng。而er使shi用yong一yi般ban通tong用yong的de辦ban公gong軟ruan件jian處chu理li圖tu片pian
，如ruPhotoshop等,需要理解鍵合的專業技術人員的參與
，人為參與的因素過多，也將直接影響測試結果
，且處理起來也很不方便。因此，我們利用Visual C++開發相應的軟件模塊，無需專業人員操作
，可以方便快捷地處理圖片
，快速獲取所需要的信息。目前主要處理模塊流程如圖3所示。 3.3.1 光照補償模塊

上(shang)文(wen)中(zhong)已(yi)經(jing)說(shuo)明(ming)了(le)最(zui)終(zhong)選(xuan)擇(ze)普(pu)通(tong)的(de)白(bai)熾(chi)燈(deng)作(zuo)為(wei)光(guang)源(yuan)是(shi)最(zui)為(wei)經(jing)濟(ji)合(he)適(shi)的(de)，但(dan)同(tong)時(shi)也(ye)使(shi)得(de)矽(gui)片(pian)表(biao)麵(mian)的(de)光(guang)照(zhao)不(bu)均(jun)勻(yun)。同(tong)屬(shu)於(yu)鍵(jian)合(he)區(qu)域(yu)，而(er)中(zhong)間(jian)偏(pian)亮(liang)，四(si)周(zhou)偏(pian)暗(an)，位(wei)於(yu)不(bu)同(tong)光(guang)照(zhao)位(wei)置(zhi)的(de)鍵(jian)合(he)區(qu)和(he)未(wei)鍵(jian)合(he)區(qu)的(de)灰(hui)度(du)值(zhi)非(fei)常(chang)接(jie)近(jin)
，這(zhe)給(gei)圖(tu)像(xiang)的(de)分(fen)割(ge)帶(dai)來(lai)很(hen)大(da)的(de)困(kun)難(nan)。因(yin)此(ci)
，加(jia)入(ru)光(guang)照(zhao)補(bu)償(chang)模(mo)塊(kuai)，成(cheng)功(gong)地(di)解(jie)決(jue)了(le)光(guang)照(zhao)不(bu)均(jun)的(de)問(wen)題(ti)。光(guang)照(zhao)補(bu)償(chang)曲(qu)線(xian)由(you)標(biao)定(ding)擬(ni)和(he)的(de)方(fang)式(shi)得(de)到(dao)。
[page]
3.3.2 對比度增強模塊

由於圖片上鍵合區域和未鍵合區域的對比度不是很大，使得圖像的分割困難，分析所得圖片的灰度直方圖，發現灰度值集中在0～255demouyiduanquyu，cichucaiyongyizhongduibiduzengqiangsuanfa，junyundiladagebufendechabie
，congerladatupianshangjianhequyuheweijianhequyudechabie，fangbianhouxuchuli。gaiduibiduzengqiangsuanfabutongyuzhifangtujunheng
，tazaisuanfashangmeiyouleiji，qixiaoguotixianzaizhifangtushang，jundengdilakailegegehuiduzhizhijiandejianju，erbugaibianhuidudengjidegeshuhesuoduiyingdegailvzhi。

3.3.3 圖像平滑處理模塊

獲(huo)得(de)圖(tu)像(xiang)的(de)過(guo)程(cheng)中(zhong)，不(bu)可(ke)避(bi)免(mian)地(di)會(hui)引(yin)入(ru)很(hen)多(duo)噪(zao)聲(sheng)，所(suo)以(yi)圖(tu)像(xiang)平(ping)滑(hua)是(shi)圖(tu)像(xiang)預(yu)處(chu)理(li)不(bu)可(ke)缺(que)少(shao)的(de)部(bu)分(fen)。此(ci)處(chu)采(cai)用(yong)的(de)圖(tu)像(xiang)平(ping)滑(hua)是(shi)基(ji)於(yu)梯(ti)度(du)的(de)算(suan)法(fa)
，中(zhong)和(he)了(le)均(jun)值(zhi)濾(lv)波(bo)和(he)中(zhong)值(zhi)濾(lv)波(bo)的(de)雙(shuang)重(zhong)效(xiao)果(guo)，在(zai)抑(yi)製(zhi)噪(zao)聲(sheng)的(de)同(tong)時(shi)也(ye)模(mo)糊(hu)了(le)幹(gan)涉(she)條(tiao)紋(wen)
，從(cong)而(er)為(wei)後(hou)續(xu)的(de)閾(yu)值(zhi)分(fen)割(ge)奠(dian)定(ding)基(ji)礎(chu)。該(gai)算(suan)法(fa)的(de)實(shi)現(xian)：用3×3的鄰域T[3][3]，取中心點與其相鄰的8個點的灰度值梯度，按閾值 T0將T[3][3]分成三個區域
，鄰域內各點的灰度值為其所屬區域的灰度均值。用T[3][3]遍曆整幅圖像，圖像各點的灰度值取該點累積的均值。

3.3.4 閾值分割模塊

閾值分割是從整幅圖像中提取目標對象的處理，在此處是為了提取出鍵合上的區域
，為鍵合率的計算做準備。

3.3.5 鍵合率計算模塊

zaiyuzhifengehoudeerzhituxiangshang，jisuanchujianhequyudemianji
，congerjisuanchujianhelv。jianhelvdingyiweijingpianjianheshangdemianjizhanzhenggeyujianhejingpianmianjidebaifenbi。

4 係統的應用

4.1 在線監測鍵合過程

將紅外檢測應用到鍵合裝置中
，可以實時監控鍵合過程。圖4（a）～（d）是截取的預鍵合過程中的4幅圖片
，可以清晰地觀察鍵合波從中間向四周擴張的傳播過程。圖中所標的數字表示預鍵合時間（晶片經活化處理後，從兩晶片開始接觸到逐步鍵合所經曆的時間）。1 min後，鍵合麵積基本不再發生變化，預鍵合結果如圖4（d）所示。 4.2 檢測晶片鍵合質量

將上節中預鍵合的矽片在120。C下退火5 h，最終得到鍵合片的紅外圖片如圖5（a），其鍵合質量如圖5
，鍵合率為60.20％。 [page]
兩組樣品均采用單麵拋光的p型標準晶片，經過清洗、活化等處理後
，貼合到一起，再經過低溫退火，形成穩定的鍵合，獲得測試樣件。將鍵合好的晶片放在該測試儀上檢測,並進行相應圖像處理得到樣品1和2的紅外圖片如圖6和圖7所示。
圖6（a）和圖7（a）中，圓形區域是要鍵合的圓片
，其中明區為鍵合上的地方，暗區為未鍵合上的地方，圓形區域（即鍵合圓片）以外為圖像背景。從圖上可以大致地看出空洞（未鍵合區域）的分布、個數和大小等。為了獲得更為準確的數據信息
，借助圖像處理程序對圖片（a）進行對比度增強
、平滑
、分割等一係列處理

，可獲得圖（b），（c）
，從而得到鍵合率。樣品1的鍵合率為28.12%，鍵合率很低，並且從圖6中空洞的分布可以看出，樣品1鍵合得很不好。樣品2的鍵合率為66.12％。比較圖6和圖7，樣品2的鍵合質量明顯優於樣品1，可ke以yi說shuo明ming鍵jian合he圓yuan片pian越yue薄bo，越yue容rong易yi鍵jian合he。可ke以yi從cong平ping板ban理li論lun理li解jie這zhe一yi鍵jian合he現xian象xiang，圓yuan片pian越yue薄bo，界jie麵mian表biao麵mian能neng克ke服fu圓yuan片pian翹qiao曲qu貼tie合he到dao一yi起qi所suo需xu要yao的de力li越yue小xiao。 在圖7（a）右(you)側(ce)，可(ke)以(yi)看(kan)到(dao)具(ju)有(you)清(qing)晰(xi)圓(yuan)形(xing)幹(gan)涉(she)條(tiao)紋(wen)的(de)圓(yuan)形(xing)暗(an)區(qu)，這(zhe)是(shi)因(yin)為(wei)在(zai)圓(yuan)片(pian)貼(tie)合(he)前(qian)，圓(yuan)片(pian)此(ci)處(chu)有(you)一(yi)顆(ke)粒(li)汙(wu)染(ran)。因(yin)此(ci)可(ke)以(yi)推(tui)測(ce)
，界(jie)麵(mian)上(shang)因(yin)顆(ke)粒(li)汙(wu)染(ran)所(suo)形(xing)成(cheng)的(de)空(kong)洞(dong)，紅(hong)外(wai)圖(tu)片(pian)上(shang)呈(cheng)現(xian)為(wei)比(bi)較(jiao)規(gui)則(ze)的(de)圓(yuan)形(xing)暗(an)區(qu)。

5 結論

本文開發的晶片鍵合質量的紅外檢測係統具有成本低
、實shi現xian原yuan理li和he方fang法fa簡jian單dan等deng優you點dian。利li用yong該gai檢jian測ce儀yi，可ke以yi快kuai速su獲huo得de晶jing片pian的de鍵jian合he率lv和he缺que陷xian分fen布bu狀zhuang況kuang
，從cong而er實shi現xian晶jing片pian鍵jian合he質zhi量liang的de快kuai速su評ping估gu。分fen析xi和he比bi較jiao了le不bu同tong工gong藝yi條tiao件jian下xia鍵jian合he片pian的de鍵jian合he質zhi量liang，包bao括kuo鍵jian合he率lv和he空kong洞dong分fen布bu，結jie合he鍵jian合he強qiang度du等deng參can數shu，可ke以yi有you助zhu於yu理li解jie晶jing片pian鍵jian合he的de機ji理li，從cong而er指zhi導dao鍵jian合he工gong藝yi
，優you化hua工gong藝yi參can數shu。

gaijianceyigengjuyoulinghuoxingheshiyongxing，budankeyongyutongzhicailiaojianhepiandezhiliangjiance，haikeyongyuyizhicailiaojianhepiandejiance
，yongyushaixuanshihexiayibugongyiyanjiudeheshijianhepiandeng。tongshi

，gaijianceyijiehedaojianhezhuangzhizhong，keyishishiguancejianheguochengzhongjianhededongtaituxiang，guanchajianhebo，shishizhidaojianhegongyi。danmuqianyishixianderuanjiangongnenghaihenjiandan
，zhinengjinxingjianhezhiliangdechubupinggu。yaohuodejianhepiandegengduoxinxi，xuyaotianjiaruanjiangongneng，zheshigaixitongdebuzuzhichuhezhidegaijindedifang。