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-矽gui直zhi接jie鍵jian合he為wei例li，設she計ji和he搭da建jian了le紅hong外wai檢jian測ce裝zhuang置zhi及ji相xiang關guan的de軟ruan件jian模mo塊kuai，並bing同tong矽gui片pian鍵jian合he裝zhuang置zhi結jie合he，實shi現xian快kuai速su有you效xiao的de在zai線xian鍵jian合he工gong藝yi監jian控kong和he晶jing片pian鍵jian合he質zhi量liang的de初chu步bu評ping估gu。

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CCD拍(pai)攝(she)
，在(zai)圖(tu)片(pian)上(shang)會(hui)出(chu)現(xian)幹(gan)涉(she)條(tiao)紋(wen)。如(ru)果(guo)未(wei)鍵(jian)合(he)區(qu)域(yu)麵(mian)積(ji)較(jiao)大(da)且(qie)間(jian)隙(xi)高(gao)度(du)不(bu)大(da)，則(ze)會(hui)出(chu)現(xian)很(hen)多(duo)較(jiao)大(da)的(de)幹(gan)涉(she)條(tiao)紋(wen)。如(ru)果(guo)未(wei)鍵(jian)合(he)區(qu)域(yu)很(hen)小(xiao)，則(ze)紅(hong)外(wai)圖(tu)片(pian)上(shang)將(jiang)出(chu)現(xian)較(jiao)小(xiao)的(de)牛(niu)頓(dun)環(huan)
；dangjianhejiemianchujianxijiaodashi


，hongwaiguangjihuwufatouguo，zaitupianshangdeduiyingweizhijiangzhinengchuxianheisetuan。yinci，genjujianhepiandehongwaitoushetuxiang，jiukeyichenggongjiancedaojianhejingpiandequexianzhuangtaijifenbudeng。danshi
，ruguoguangdedansexingbuhao，huozheweijianhequyudebiaomianbushihenguizedeshihou
，yewufaguancedaoniudunhuan
，cishizhinengzaitupianshangguancedaominganduibidetuan[5] 。

3 係統的設計

3.1 光源和CCD的選擇

huodedetuxiangzhiliangzhijieyingxiangtuxiangchulichengxudefuzaduhejiancejieguo。ruguocaiyongdeguangyuandansexingyuehao，yuejiejinpingxingguang，zetupiandeganshetiaowengengqingxi，zhilianggenghao。ranerdansejiguangqihuozhepingxingguangyuantijida，erhongwaiceshixitongdeyidatedianjiushijiegoujiandan、jincou
，ertigongzhaiboduandezhaomingjiagebijiaoanggui，qiebuyikongzhi，yincixuanyongputongdebaichidengzuoweiguangyuan。weilededaojiaohaodehongwaitupian
，zaijingtoudeshangfangfangzhiyikuaishuangmianjingmianpaoguangdeguipian
，congerguolvdiaokejianguangduitupiandeyingxiang。tongshi，xuanyongchaodizhaoduheibaishexiangjiWAT-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CCDfenbieanzhuangzaiceshiyangpindeliangbian，xiangxianganzhuang。guangyuandegaoduketiao
，zheshiweileshiyingceshibutongjingpiandeyaoqiu，congerhuodezuiqingxidehongwaitupian。kebianguanglanfangzaijianhepiandexiafang，zhongjiankongjingzaiΦ1.8～50 mm任(ren)意(yi)可(ke)調(tiao)
，它(ta)控(kong)製(zhi)照(zhao)射(she)到(dao)鍵(jian)合(he)片(pian)上(shang)光(guang)斑(ban)的(de)大(da)小(xiao)
，一(yi)般(ban)調(tiao)節(jie)可(ke)變(bian)光(guang)闌(lan)的(de)內(nei)孔(kong)徑(jing)同(tong)鍵(jian)合(he)片(pian)大(da)小(xiao)，也(ye)可(ke)以(yi)調(tiao)節(jie)到(dao)比(bi)鍵(jian)合(he)片(pian)小(xiao)，以(yi)檢(jian)測(ce)鍵(jian)合(he)片(pian)的(de)局(ju)部(bu)特(te)征(zheng)。可(ke)變(bian)光(guang)闌(lan)優(you)化(hua)光(guang)源(yuan)的(de)同(tong)時(shi)，簡(jian)化(hua)了(le)紅(hong)外(wai)圖(tu)片(pian)的(de)背(bei)景(jing)，使(shi)得(de)鍵(jian)合(he)片(pian)以(yi)外(wai)的(de)圖(tu)像(xiang)為(wei)單(dan)一(yi)黑(hei)色(se)
，降(jiang)低(di)了(le)圖(tu)像(xiang)處(chu)理(li)的(de)複(fu)雜(za)度(du)，簡(jian)化(hua)了(le)係(xi)統(tong)軟(ruan)件(jian)。

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(ru)Photoshop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

shangwenzhongyijingshuominglezuizhongxuanzeputongdebaichidengzuoweiguangyuanshizuiweijingjiheshide，dantongshiyeshideguipianbiaomiandeguangzhaobujunyun。tongshuyujianhequyu，erzhongjianpianliang，sizhoupianan，weiyubutongguangzhaoweizhidejianhequheweijianhequdehuiduzhifeichangjiejin，zhegeituxiangdefengedailaihendadekunnan。yinci
，jiaruguangzhaobuchangmokuai，chenggongdijiejueleguangzhaobujundewenti。guangzhaobuchangquxianyoubiaodingnihedefangshidedao。
[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0～255的de某mou一yi段duan區qu域yu
，此ci處chu采cai用yong一yi種zhong對dui比bi度du增zeng強qiang算suan法fa，均jun勻yun地di拉la大da各ge部bu分fen的de差cha別bie，從cong而er拉la大da圖tu片pian上shang鍵jian合he區qu域yu和he未wei鍵jian合he區qu域yu的de差cha別bie，方fang便bian後hou續xu處chu理li。該gai對dui比bi度du增zeng強qiang算suan法fa不bu同tong於yu直zhi方fang圖tu均jun衡heng，它ta在zai算suan法fa上shang沒mei有you累lei積ji，其qi效xiao果guo體ti現xian在zai直zhi方fang圖tu上shang，均jun等deng地di拉la開kai了le各ge個ge灰hui度du值zhi之zhi間jian的de間jian距ju，而er不bu改gai變bian灰hui度du等deng級ji的de個ge數shu和he所suo對dui應ying的de概gai率lv值zhi。

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。