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]。jianhejiemianmeiyoukongdonghuokongdongjishaoshizhizuokekaoqijiandeyuanshiyaoqiu。jiancejianhedefangfayoupohuaixinghefeipohuaixingliangdalei

，muqianyingyongzuiweipubiandemiaoshujianhejixietexingdefangfayoutuxiangfa。hengjiemianfenxifahejianheqiangduceshi。tuxiangfashiyizhongfeipohuaixingdefangfa，bingqiekeyongyuzaixianshishijiankong；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

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，zheyangwomencaiyongputongdeguangyuanjiukeyihuodezhaiboduandehongwaituxiang。lingwai
，youyugaixiangjiduihongwaiboduandexiangyinglingmindubugao，keyitongguozengjiaguangqianglaikefu
，congerhuodeqingxidehongwaiganshetuxiang
，weihouxudetuxiangfenxihechulizuozhunbei。 [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 mmrenyiketiao，takongzhizhaoshedaojianhepianshangguangbandedaxiao，yibantiaojiekebianguanglandeneikongjingtongjianhepiandaxiao，yekeyitiaojiedaobijianhepianxiao，yijiancejianhepiandejubutezheng。kebianguanglanyouhuaguangyuandetongshi
，jianhualehongwaitupiandebeijing，shidejianhepianyiwaidetuxiangweidanyiheise
，jiangdiletuxiangchulidefuzadu

，jianhualexitongruanjian。

光(guang)源(yuan)通(tong)過(guo)可(ke)變(bian)光(guang)闌(lan)照(zhao)射(she)到(dao)鍵(jian)合(he)片(pian)，光(guang)線(xian)透(tou)過(guo)鍵(jian)合(he)片(pian)，通(tong)過(guo)鏡(jing)頭(tou)

，在(zai)攝(she)像(xiang)機(ji)上(shang)成(cheng)像(xiang)
，從(cong)而(er)獲(huo)得(de)鍵(jian)合(he)片(pian)的(de)紅(hong)外(wai)圖(tu)像(xiang)，通(tong)過(guo)數(shu)據(ju)采(cai)集(ji)卡(ka)送(song)入(ru)計(ji)算(suan)機(ji)
，經(jing)過(guo)圖(tu)像(xiang)處(chu)理(li)程(cheng)序(xu)的(de)處(chu)理(li)，顯(xian)示(shi)測(ce)試(shi)結(jie)果(guo)。

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

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0～255demouyiduanquyu，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，keyishuomingjianheyuanpianyuebo
，yuerongyijianhe。keyicongpingbanlilunlijiezheyijianhexianxiang
，yuanpianyuebo，jiemianbiaomiannengkefuyuanpianqiaoqutiehedaoyiqisuoxuyaodeliyuexiao。 在圖7（a）youce，keyikandaojuyouqingxiyuanxingganshetiaowendeyuanxinganqu，zheshiyinweizaiyuanpiantieheqian，yuanpiancichuyouyikeliwuran。yincikeyituice，jiemianshangyinkeliwuransuoxingchengdekongdong，hongwaitupianshangchengxianweibijiaoguizedeyuanxinganqu。

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)。

該(gai)檢(jian)測(ce)儀(yi)更(geng)具(ju)有(you)靈(ling)活(huo)性(xing)和(he)實(shi)用(yong)性(xing)，不(bu)但(dan)可(ke)用(yong)於(yu)同(tong)質(zhi)材(cai)料(liao)鍵(jian)合(he)片(pian)的(de)質(zhi)量(liang)檢(jian)測(ce)，還(hai)可(ke)用(yong)於(yu)異(yi)質(zhi)材(cai)料(liao)鍵(jian)合(he)片(pian)的(de)檢(jian)測(ce)
，用(yong)於(yu)篩(shai)選(xuan)適(shi)合(he)下(xia)一(yi)步(bu)工(gong)藝(yi)研(yan)究(jiu)的(de)合(he)適(shi)鍵(jian)合(he)片(pian)等(deng)。同(tong)時(shi)，該(gai)檢(jian)測(ce)儀(yi)結(jie)合(he)到(dao)鍵(jian)合(he)裝(zhuang)置(zhi)中(zhong)，可(ke)以(yi)實(shi)時(shi)觀(guan)測(ce)鍵(jian)合(he)過(guo)程(cheng)中(zhong)鍵(jian)合(he)的(de)動(dong)態(tai)圖(tu)像(xiang)，觀(guan)察(cha)鍵(jian)合(he)波(bo)
，實(shi)時(shi)指(zhi)導(dao)鍵(jian)合(he)工(gong)藝(yi)。但(dan)目(mu)前(qian)已(yi)實(shi)現(xian)的(de)軟(ruan)件(jian)功(gong)能(neng)還(hai)很(hen)簡(jian)單(dan)，隻(zhi)能(neng)進(jin)行(xing)鍵(jian)合(he)質(zhi)量(liang)的(de)初(chu)步(bu)評(ping)估(gu)。要(yao)獲(huo)得(de)鍵(jian)合(he)片(pian)的(de)更(geng)多(duo)信(xin)息(xi)
，需(xu)要(yao)添(tian)加(jia)軟(ruan)件(jian)功(gong)能(neng)，這(zhe)是(shi)該(gai)係(xi)統(tong)的(de)不(bu)足(zu)之(zhi)處(chu)和(he)值(zhi)得(de)改(gai)進(jin)的(de)地(di)方(fang)。