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；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

huodedetuxiangzhiliangzhijieyingxiangtuxiangchulichengxudefuzaduhejiancejieguo。ruguocaiyongdeguangyuandansexingyuehao，yuejiejinpingxingguang
，zetupiandeganshetiaowengengqingxi，zhilianggenghao。ranerdansejiguangqihuozhepingxingguangyuantijida

，erhongwaiceshixitongdeyidatedianjiushijiegoujiandan、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jiWAT-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(zai)Φ1.8～50 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)。

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(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

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

在(zai)閾(yu)值(zhi)分(fen)割(ge)後(hou)的(de)二(er)值(zhi)圖(tu)像(xiang)上(shang)，計(ji)算(suan)出(chu)鍵(jian)合(he)區(qu)域(yu)的(de)麵(mian)積(ji)
，從(cong)而(er)計(ji)算(suan)出(chu)鍵(jian)合(he)率(lv)。鍵(jian)合(he)率(lv)定(ding)義(yi)為(wei)晶(jing)片(pian)鍵(jian)合(he)上(shang)的(de)麵(mian)積(ji)占(zhan)整(zheng)個(ge)預(yu)鍵(jian)合(he)晶(jing)片(pian)麵(mian)積(ji)的(de)百(bai)分(fen)比(bi)。

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）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)。

gaijianceyigengjuyoulinghuoxingheshiyongxing，budankeyongyutongzhicailiaojianhepiandezhiliangjiance，haikeyongyuyizhicailiaojianhepiandejiance
，yongyushaixuanshihexiayibugongyiyanjiudeheshijianhepiandeng。tongshi
，gaijianceyijiehedaojianhezhuangzhizhong，keyishishiguancejianheguochengzhongjianhededongtaituxiang，guanchajianhebo，shishizhidaojianhegongyi。danmuqianyishixianderuanjiangongnenghaihenjiandan

，zhinengjinxingjianhezhiliangdechubupinggu。yaohuodejianhepiandegengduoxinxi
，xuyaotianjiaruanjiangongneng
，zheshigaixitongdebuzuzhichuhezhidegaijindedifang。