晶圓級封裝的聲學(xué)微成像技術(shù)

晶圓級封裝的聲學(xué)微成像技術(shù)

許多產(chǎn)品采用了從結(jié)晶到晶圓的鍵合技術(shù)，這一領(lǐng)域的范圍也迅速擴大，包括ss、晶圓級網(wǎng)格技術(shù)和各種三維集成應(yīng)用。晶圓本身可能是硅、化合物半導(dǎo)體、藍寶石、玻璃、石英或其他材料。高亮度發(fā)光二極管(HB-LED)是另一個新興的使用晶圓鍵合技術(shù)的消費市場。在常規(guī)照明領(lǐng)域,HB-LED的發(fā)光效率更高,且價格更低,可以有效地取代白熾燈和熒光燈。針對不同應(yīng)用已經(jīng)開發(fā)了多種晶圓鍵合方法。MEMS器件制造商使用鍵合的方法制作封閉的保護性空腔,使得小型化元件可以在其內(nèi)部安全操作。在MEMS和其他一些使用晶圓鍵合的領(lǐng)域,包括晶圓鍵合操作在內(nèi)的封裝流程往往既昂貴又耗時。由于晶圓鍵合工藝一般處于或者接近前道工序的最末端,對應(yīng)晶圓往往已經(jīng)包含了價值幾百美元的功能器件。成品率損耗是一個需要監(jiān)測的關(guān)鍵參數(shù),需要通過關(guān)鍵性監(jiān)測保證工藝可控。對于成本敏感的半導(dǎo)體生產(chǎn)來說,這種監(jiān)控至關(guān)重要。鍵合界面的缺陷會影響氣密性、機械強度,還會潛在威脅到上下兩層組件間的電絕緣。鍵合之后在晶圓界面位置上會出現(xiàn)一些瑕疵,這包括未鍵合區(qū)域以及孔隙(一種很薄的真空或空氣泡),而后者通常是由外來顆粒、劃痕或界面沾污引起的。舉例來說,在用于3-D集成的Cu-Cu鍵合中,連接兩層晶圓的銅連線和銅焊盤可能會出現(xiàn)部分腐蝕,形成非完美鍵合,導(dǎo)致鍵合晶圓疊層上器件之間的電接觸損耗。在絕緣體上硅(SOI)鍵合工藝中,如果有外來雜質(zhì)顆粒夾雜在兩個直接鍵合的硅晶圓之間,則會在該顆粒周圍形成特征性的非鍵合區(qū)域。聲學(xué)微成像技術(shù)可用于此類瑕疵的檢測。該技術(shù)對內(nèi)部的材料界面非常敏感。紅外輻射也可以用于晶圓對的成像,但它僅對大的瑕疵且是紅外透明的材料敏感。而另一種方法,也就是X射線,對多晶硅界面的檢測效果并不理想。在前面所述的例子里,聲學(xué)微成像技術(shù)所用的高頻超聲波可以對Cu-Cu鍵合中的銅焊盤進行成像,并識別出銅線間缺陷、Si-Si晶圓對間的未鍵合區(qū)域以及顆粒。聲學(xué)微成像系統(tǒng)使用光柵掃描換能器,發(fā)射超聲脈沖進入鍵合晶圓對的內(nèi)部并收集反射回來的回聲信號。發(fā)射進入晶圓對的脈沖會聚焦在感興趣的深度,典型地是鍵合界面的位置?；芈曅盘柦?jīng)轉(zhuǎn)換變成聲學(xué)數(shù)據(jù)并用于繪制用戶定義深度范圍內(nèi)的聲學(xué)圖像。這些信息的接受窗口稱作門。通過移動對應(yīng)的門,用戶可以從非常窄的不同切片位置采樣相關(guān)信息,比如可以從鍵合疊層的上表面、鍵合界面抑或下表面位置采樣。用于晶圓對成像的換能器通常采用230MHz或更高頻率的超高頻超聲波?；芈曅盘杻H僅從材料界面位置產(chǎn)生,而不會從同種材料內(nèi)部形成。作為可用信號的脈沖信號反射百分比取決于兩種材料間的聲學(xué)阻抗(材料密度×聲學(xué)速度),可以由下式表示:這里R是相對幅值,而z如果一個晶圓對是由兩個直接鍵合在一起的硅晶圓組成的,則在鍵合界面位置不存在缺陷或異常的前提下,這兩種材料是相同的,在界面位置將不存在反射。這種晶圓對的期望聲學(xué)圖像應(yīng)是沒有任何圖案的黑色圖像,因為這種情況下回聲信號的幅值為零。如果晶圓對是由兩種不同材料組成的,在不存在異?；蛉毕萸闆r下,聲學(xué)圖像應(yīng)是無圖案并且明亮。如果存在第三種材料,比如銅或金的線條時,將可以看到對應(yīng)線條的圖像,如果存在缺陷,同樣也可以看到。這種鍵合對擁有兩個而不是一個材料界面。具體來說,在完美鍵合區(qū)域只存在一個界面,這一界面是非反射性的,而在每個襯底與瑕疵之間還存在一個第二界面。當(dāng)超聲脈沖遇到固體和空氣的界面時,比如在鍵合界面位置存在孔隙(未鍵合區(qū)域)的情況下,回聲信號的幅值將非常大。與任何固態(tài)晶圓材料相比,空氣擁有很低的聲學(xué)速度(343m/s)和密度(0.00129g/cm門區(qū)與其他圖像的混合點對于SOI晶圓制造以及通過直接鍵合完成封裝的MEMS器件來說,Si-Si晶圓鍵合是的一個關(guān)鍵工藝,如何避免鍵合界面的顆粒進入是這一工藝的關(guān)鍵。圖1所示為兩個直接鍵合硅晶圓的鍵合區(qū)域超聲圖像,以及三個特征區(qū)域的超聲信號波形。該圖包括未鍵合區(qū)域(白)和良好鍵合區(qū)域(黑)的圖像。波形圖上兩個豎線隔開的中間段,定義用于形成圖像的門區(qū)。隨著換能器掃描整個晶圓,各種界面狀況得到采樣。標識1、2、3的波形是圖像上對應(yīng)區(qū)域位置在超聲窗口內(nèi)的信號響應(yīng)。在區(qū)域1,門區(qū)內(nèi)部無反射信號。對應(yīng)波形在左右區(qū)段確實示出了上下表面位置對應(yīng)的強信號,這一區(qū)域的鍵合是好的。在位置2處界面孔隙對應(yīng)圖像是全白的,對應(yīng)著一個較大的空氣間隙,而且信號輸出也非常明顯。特別在晶圓邊緣位置,由于是材料抓取的接觸點,且因片盒的磨擦或化學(xué)殘留,會形成不規(guī)則的形狀。在區(qū)域3,部分圖像區(qū)域呈灰色,可能是由于水進入了空隙或此處是與外界連通的未鍵合區(qū)域。這種情況下的孔隙包含密度與空氣不同的襯底,但依然是沒鍵合上的。因此,由波形圖表示的信號幅值表示了介于孔隙位置與良好鍵合區(qū)域之間的中等強度信號。mems鍵合晶圓當(dāng)使用高溫度和高壓力時,金屬材料會形成擴散鍵合。另一種類的金屬鍵合使用諸如Au-Sn、Au-Si、Cu-Sn或Au-In等共晶合金,可用于形成自整平的界面,或?qū)㈡I合溫度降低到400°C以下。對于所有的金屬鍵合技術(shù)來說,最重要的特性是更高的氣密性以及可以降低密封尺寸的能力,而后者的直接結(jié)果是降低器件的尺寸?？赏ㄟ^將聲學(xué)圖像聚焦在晶圓和鍵合材料的界面位置,來表征金屬及共晶鍵合的完整性。分析MEMS鍵合時,可以將密封的空腔區(qū)域看作幾何尺寸已知的空白區(qū)域。對應(yīng)的空腔區(qū)域會非常亮。圖2所示為鍵合后硅片疊層的Au-Si鍵合界面。在第一張圖像中,鍵合晶圓對經(jīng)受了較高鍵合溫度(405°C),而第二張圖像中的鍵合對是在390°C的溫度下完成的。由于Au-Si鍵合的共晶溫度是363°C,結(jié)果在第一張圖像中,某些區(qū)域出現(xiàn)了不可控的共晶回流,進入到密閉環(huán)中,而在較低溫度下可以獲得可控的共晶反應(yīng),在空腔周圍實現(xiàn)了完美的鍵合。晶圓的顯微分析像苯并環(huán)丁烯(BCB)之類的聚合物也可以用做鍵合界面來實現(xiàn)3-D集成。這類鍵合的孔隙來自于表面缺陷、起伏和鍵合中的熱機械應(yīng)力。BCB和聚酰亞胺之類的聚合物對應(yīng)的聲學(xué)阻抗相對較低?；谶@個原因,像孔隙之類的間隙型缺陷與良好鍵合的信號幅值差異較小,因此較難區(qū)分。在C模式掃描聲學(xué)顯微(C-SAM)分析過程中,通過移動換能器到距離晶圓對上表面更近的位置,有助于縮短在鍵合界面位置獲得最佳聚焦所需的信號傳輸時間(TOF)。圖3所示的C-SAM圖像對應(yīng)的是使用BCB鍵合的200mm晶圓。內(nèi)插圖放大了包覆在兩個晶圓間的外來顆粒引起的空氣囊區(qū)域。外來顆粒通常會使晶圓產(chǎn)生輕微的拱起,因而周圍空氣囊的形狀往往是圓形的。這里的空氣囊與周邊無缺陷區(qū)域的對比度足夠用于診測,但與其他鍵合方法相比,其顯著性還有差異。鍵合密封表面檢測在MEMS器件的晶圓級封裝中,玻璃融合型鍵合已經(jīng)有十余年的歷史。由于鍵合材料為器件提供了氣密性保護,回聲信號被定位在鍵合密封表面以檢測界面狀況。在鍵合界面的聲學(xué)圖像中,預(yù)計的情況是,器件空腔位置呈明亮區(qū),而鍵合材料位置(玻璃熔接處)呈暗區(qū)。在圖4所示的第一個晶圓對中,部分器件的玻璃熔封環(huán)沒能形成(圓圈內(nèi)部區(qū)域)。在其他的一些區(qū)域(箭頭所指位置),熔封環(huán)的寬度不均勻,原因可能來自于絲網(wǎng)印刷過程。而在圖中的第二個晶圓對中,熔封網(wǎng)格沒有任何缺陷存在。脈沖超聲心肌病成像技術(shù)鍵合晶圓中的裂紋很難通過光學(xué)的方式檢測到,而且由于它們往往近乎垂直取向,用聲學(xué)的方式獲取圖像也很具挑戰(zhàn)性。Sonoscan開發(fā)出一種技術(shù),通過使用從鍵合界面發(fā)射回來的脈沖超聲信號形成對應(yīng)裂紋的聲學(xué)陰影,從而簡化裂紋的成像過程。使用這一方法,裂紋的尺寸與裂紋的深度成正比,使得更易被傳感器檢測到,而且還可以檢測到沿著一個裂紋的深度變化情況。圖5所示是一個Au-Si鍵合晶圓對,在鍵合界面位置處一條裂紋的陰影型聲學(xué)圖像,使用其他方法是不能對這一裂紋進行檢測或成像的。頻域成像成像前面所提到的使用聲學(xué)微成像技術(shù)獲得的聲學(xué)圖像都稱為時域成像(TDI),意思是對應(yīng)圖像使用聲波傳輸一圈所用時間來區(qū)分深度。在鍵合晶圓應(yīng)用中,實現(xiàn)高分辨率和高對比度至關(guān)重要,因此另一種稱為頻域成像(FDI)的方法也經(jīng)常被使用到。FDI使用由230MHz換能器發(fā)射超聲脈沖,以名義頻率為基準在其兩側(cè)產(chǎn)生頻率區(qū)間,比如頻率范圍可以是170–260MHz。之后,FDI將回聲信號