晶圆级封装的声学微成像技术

晶圆级封装的声学微成像技术

许多产品采用了从结晶到晶圆的键合技术，这一领域的范围也迅速扩大，包括ss、晶圆级网格技术和各种三维集成应用。晶圆本身可能是硅、化合物半导体、蓝宝石、玻璃、石英或其他材料。高亮度发光二极管(HB-LED)是另一个新兴的使用晶圆键合技术的消费市场。在常规照明领域,HB-LED的发光效率更高,且价格更低,可以有效地取代白炽灯和荧光灯。针对不同应用已经开发了多种晶圆键合方法。MEMS器件制造商使用键合的方法制作封闭的保护性空腔,使得小型化元件可以在其内部安全操作。在MEMS和其他一些使用晶圆键合的领域,包括晶圆键合操作在内的封装流程往往既昂贵又耗时。由于晶圆键合工艺一般处于或者接近前道工序的最末端,对应晶圆往往已经包含了价值几百美元的功能器件。成品率损耗是一个需要监测的关键参数,需要通过关键性监测保证工艺可控。对于成本敏感的半导体生产来说,这种监控至关重要。键合界面的缺陷会影响气密性、机械强度,还会潜在威胁到上下两层组件间的电绝缘。键合之后在晶圆界面位置上会出现一些瑕疵,这包括未键合区域以及孔隙(一种很薄的真空或空气泡),而后者通常是由外来颗粒、划痕或界面沾污引起的。举例来说,在用于3-D集成的Cu-Cu键合中,连接两层晶圆的铜连线和铜焊盘可能会出现部分腐蚀,形成非完美键合,导致键合晶圆叠层上器件之间的电接触损耗。在绝缘体上硅(SOI)键合工艺中,如果有外来杂质颗粒夹杂在两个直接键合的硅晶圆之间,则会在该颗粒周围形成特征性的非键合区域。声学微成像技术可用于此类瑕疵的检测。该技术对内部的材料界面非常敏感。红外辐射也可以用于晶圆对的成像,但它仅对大的瑕疵且是红外透明的材料敏感。而另一种方法,也就是X射线,对多晶硅界面的检测效果并不理想。在前面所述的例子里,声学微成像技术所用的高频超声波可以对Cu-Cu键合中的铜焊盘进行成像,并识别出铜线间缺陷、Si-Si晶圆对间的未键合区域以及颗粒。声学微成像系统使用光栅扫描换能器,发射超声脉冲进入键合晶圆对的内部并收集反射回来的回声信号。发射进入晶圆对的脉冲会聚焦在感兴趣的深度,典型地是键合界面的位置。回声信号经转换变成声学数据并用于绘制用户定义深度范围内的声学图像。这些信息的接受窗口称作门。通过移动对应的门,用户可以从非常窄的不同切片位置采样相关信息,比如可以从键合叠层的上表面、键合界面抑或下表面位置采样。用于晶圆对成像的换能器通常采用230MHz或更高频率的超高频超声波。回声信号仅仅从材料界面位置产生,而不会从同种材料内部形成。作为可用信号的脉冲信号反射百分比取决于两种材料间的声学阻抗(材料密度×声学速度),可以由下式表示:这里R是相对幅值,而z如果一个晶圆对是由两个直接键合在一起的硅晶圆组成的,则在键合界面位置不存在缺陷或异常的前提下,这两种材料是相同的,在界面位置将不存在反射。这种晶圆对的期望声学图像应是没有任何图案的黑色图像,因为这种情况下回声信号的幅值为零。如果晶圆对是由两种不同材料组成的,在不存在异常或缺陷情况下,声学图像应是无图案并且明亮。如果存在第三种材料,比如铜或金的线条时,将可以看到对应线条的图像,如果存在缺陷,同样也可以看到。这种键合对拥有两个而不是一个材料界面。具体来说,在完美键合区域只存在一个界面,这一界面是非反射性的,而在每个衬底与瑕疵之间还存在一个第二界面。当超声脉冲遇到固体和空气的界面时,比如在键合界面位置存在孔隙(未键合区域)的情况下,回声信号的幅值将非常大。与任何固态晶圆材料相比,空气拥有很低的声学速度(343m/s)和密度(0.00129g/cm门区与其他图像的混合点对于SOI晶圆制造以及通过直接键合完成封装的MEMS器件来说,Si-Si晶圆键合是的一个关键工艺,如何避免键合界面的颗粒进入是这一工艺的关键。图1所示为两个直接键合硅晶圆的键合区域超声图像,以及三个特征区域的超声信号波形。该图包括未键合区域(白)和良好键合区域(黑)的图像。波形图上两个竖线隔开的中间段,定义用于形成图像的门区。随着换能器扫描整个晶圆,各种界面状况得到采样。标识1、2、3的波形是图像上对应区域位置在超声窗口内的信号响应。在区域1,门区内部无反射信号。对应波形在左右区段确实示出了上下表面位置对应的强信号,这一区域的键合是好的。在位置2处界面孔隙对应图像是全白的,对应着一个较大的空气间隙,而且信号输出也非常明显。特别在晶圆边缘位置,由于是材料抓取的接触点,且因片盒的磨擦或化学残留,会形成不规则的形状。在区域3,部分图像区域呈灰色,可能是由于水进入了空隙或此处是与外界连通的未键合区域。这种情况下的孔隙包含密度与空气不同的衬底,但依然是没键合上的。因此,由波形图表示的信号幅值表示了介于孔隙位置与良好键合区域之间的中等强度信号。mems键合晶圆当使用高温度和高压力时,金属材料会形成扩散键合。另一种类的金属键合使用诸如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,或将键合温度降低到400°C以下。对于所有的金属键合技术来说,最重要的特性是更高的气密性以及可以降低密封尺寸的能力,而后者的直接结果是降低器件的尺寸。可通过将声学图像聚焦在晶圆和键合材料的界面位置,来表征金属及共晶键合的完整性。分析MEMS键合时,可以将密封的空腔区域看作几何尺寸已知的空白区域。对应的空腔区域会非常亮。图2所示为键合后硅片叠层的Au-Si键合界面。在第一张图像中,键合晶圆对经受了较高键合温度(405°C),而第二张图像中的键合对是在390°C的温度下完成的。由于Au-Si键合的共晶温度是363°C,结果在第一张图像中,某些区域出现了不可控的共晶回流,进入到密闭环中,而在较低温度下可以获得可控的共晶反应,在空腔周围实现了完美的键合。晶圆的显微分析像苯并环丁烯(BCB)之类的聚合物也可以用做键合界面来实现3-D集成。这类键合的孔隙来自于表面缺陷、起伏和键合中的热机械应力。BCB和聚酰亚胺之类的聚合物对应的声学阻抗相对较低。基于这个原因,像孔隙之类的间隙型缺陷与良好键合的信号幅值差异较小,因此较难区分。在C模式扫描声学显微(C-SAM)分析过程中,通过移动换能器到距离晶圆对上表面更近的位置,有助于缩短在键合界面位置获得最佳聚焦所需的信号传输时间(TOF)。图3所示的C-SAM图像对应的是使用BCB键合的200mm晶圆。内插图放大了包覆在两个晶圆间的外来颗粒引起的空气囊区域。外来颗粒通常会使晶圆产生轻微的拱起,因而周围空气囊的形状往往是圆形的。这里的空气囊与周边无缺陷区域的对比度足够用于诊测,但与其他键合方法相比,其显著性还有差异。键合密封表面检测在MEMS器件的晶圆级封装中,玻璃融合型键合已经有十余年的历史。由于键合材料为器件提供了气密性保护,回声信号被定位在键合密封表面以检测界面状况。在键合界面的声学图像中,预计的情况是,器件空腔位置呈明亮区,而键合材料位置(玻璃熔接处)呈暗区。在图4所示的第一个晶圆对中,部分器件的玻璃熔封环没能形成(圆圈内部区域)。在其他的一些区域(箭头所指位置),熔封环的宽度不均匀,原因可能来自于丝网印刷过程。而在图中的第二个晶圆对中,熔封网格没有任何缺陷存在。脉冲超声心肌病成像技术键合晶圆中的裂纹很难通过光学的方式检测到,而且由于它们往往近乎垂直取向,用声学的方式获取图像也很具挑战性。Sonoscan开发出一种技术,通过使用从键合界面发射回来的脉冲超声信号形成对应裂纹的声学阴影,从而简化裂纹的成像过程。使用这一方法,裂纹的尺寸与裂纹的深度成正比,使得更易被传感器检测到,而且还可以检测到沿着一个裂纹的深度变化情况。图5所示是一个Au-Si键合晶圆对,在键合界面位置处一条裂纹的阴影型声学图像,使用其他方法是不能对这一裂纹进行检测或成像的。频域成像成像前面所提到的使用声学微成像技术获得的声学图像都称为时域成像(TDI),意思是对应图像使用声波传输一圈所用时间来区分深度。在键合晶圆应用中,实现高分辨率和高对比度至关重要,因此另一种称为频域成像(FDI)的方法也经常被使用到。FDI使用由230MHz换能器发射超声脉冲,以名义频率为基准在其两侧产生频率区间,比如频率范围可以是170–260MHz。之后,FDI将回声信号