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NIR Testing Techniques for MEMS Devices

MEMS器件近紅外檢測技術|行業干貨分享

導讀：

在半導體制造過程中，前期的全自動晶圓缺陷檢測技術非常重要。因為在后端的生產流程中，通常會有多片晶圓粘合到一起，或者把晶圓粘合到不透明的材料上。因為半導體材料對可見光都是不透明的，所以很難用可見圖像技術對粘合效果做表征或者檢測粘合表面的污染。近紅外檢測技術是在半導體工業的質量監控一項有前途的新技術。本文重點介紹近紅外成像檢測技術在MEMS工業生產中發揮的重要性！

MEMS的分選是最典型的應用。MEMS是把微型機械部件、微型傳感器、微電路集成到一個芯片上；為確保MEMS的運作，對其進行缺陷檢測是至關重要的，但很多機械性能無法通過電氣或功能測試來確定。因為這些缺陷往往位于基板上或器件與封蓋晶圓之間連接的紐帶上，所以單純的可見光圖像檢測技術是遠遠不夠的。因此，近紅外檢測是作為一種無損的技術既可以檢測上下表面的缺陷，也可以檢測器件內部的缺陷。理論上講，這種技術可以檢測所有的缺陷，例如，檢測顆粒（污染），蝕刻線和對齊標記，結構，完整性，空隙率以及燒結工藝的質量，這里不再一一列舉。

缺陷的種類以及檢測方法：

實驗表明MEMS器件近紅外檢測技術能夠檢測MEMS生產過程中的一系列的重要缺陷。此外，MEMS器件近紅外檢測技術還能測量Bonding的晶圓片內部的結構。
下面介紹幾種常見的缺陷：

顆粒

顆粒在晶圓上出現大致分為三個位置：頂部，底部，以及兩片晶圓中間。其中，第三種情況是最難檢測的，因為紫外或者可見光技術只能檢測分層之間位于頂部和底部的顆粒。在晶圓中間的顆粒，只有通過紅外圖像的方法才能檢測，這些顆粒可以通過紅外圖像看到；因為硅片對紅外光是透明的，所以在明亮的背景中，暗點就是我們要檢測的顆粒物；有一些硅的碎片，因為表面傾斜角較大，也會有類似的效果。但是這個問題可以通過特定的算法，粒子可以與顯微結構的背景和粘合劑區分開來。

共晶/熔融粘合工藝

這種工藝，兩個晶圓片是直接bonding到一起，中間并沒有任何基底。因此，用這種bonding方式很少會出現滲入或滲出的現象。共晶/熔融粘合晶圓很少會分層，但是空隙仍然是需要考慮的重要因素。

精確定位間隙的位置，尺寸，甚至間隙厚度的能力，可以挑出存在空隙影響的晶粒，避免因為一小部分晶粒存在空隙廢了一整片晶圓；

燒結缺陷

在bonding的過程中由于用了采用燒結工藝，所以生產過程中焊點材料的內部會存在各種各樣的缺陷：

空隙，例如大面積燒結中，焊點材料周圍空氣或其它異物構成的空泡；

脫層(Delamination)

是指焊點材料和器件或晶圓之間的bonding不完全。脫層是很致命的問題，因為它最初是不會產生缺陷的，但是在器件工作中很可能出現失效的風險。而聲波檢測或X-射線檢測一般無法探測到脫層的結構。

滲入現象

是指焊點材料滲進晶粒的工作區域，可能改變器件的機械或者電氣特性。在功能測試的時候通常就可以確認是否影響器件工作，但是仍然有部分滲入暫時不會影響性能，但是長期來看會影響器件的可靠性；

滲出現象

就是焊點的寬度減小了，通常會在芯片的棱角處或者棱角附近；焊點變小將會帶來芯片提早失效的風險，而這種問題，用超聲成像或者功能測試都無法檢測出來；

燒結效果檢測

Bonding晶圓片的方法有很多種，像共晶，融合，燒結等。在MEMS器件的燒結工藝中，通常需要一種特別的玻璃球夾在在兩片晶圓中作為焊點材料；這些玻璃球會通過絲網印刷或者噴涂工藝附著到晶圓的特定區域，然后在bonding過程中，通過特定的溫度和壓力，熔化焊點的玻璃球，從而把兩片晶圓bonding到一起。在Bonding工藝完成后，是無法通過可見光成像的方法來檢測bonding質量的；而近紅外光能夠穿透硅片，所以在Bonding之后，近紅外成像能非常方便的檢測器件及Bonding過程的缺陷。

刻蝕線檢測

濕法化學刻蝕中，需要把晶圓泡到溶液中，所以沒有辦法檢測每一條刻蝕線，通常通過抽樣檢測來管控整個工藝流程。在刻蝕完成后，bonding之前做抽檢，可以得到較好的分辨率，但是需要昂貴的設備。刻線檢測主要是測試線寬，位置，與其他線的距離或者與對齊標記的距離，其實可以在做其他紅外成像檢測的時候順便就完成。

對齊標記檢測

對齊標記在器件和晶圓上均有，通常在bonding之前，都已經做了檢查，所以通常沒有做重復檢查。但是在bonding過程中，仍然可能存在誤差導致無法對準。因為紅外成像技術可以穿透兩層硅片，所以在檢測器件和晶圓之間的對齊標志的絕對位置的時候，同時就可以檢測相對位置，所以只需檢測兩個對齊標記的重疊狀況及可以知道是否已經對齊；

宏觀結構檢測

根據實際的分辨率，紅外檢測技術測量芯片內有效區域的宏觀結構。通常情況下，測量精度范圍從5到0.7um。雖然這不足以完全測量芯片的有效區域的質量，但是它仍能確保這個階段這個過程中沒有宏觀結構上的缺陷。如果單獨用來檢測宏觀結果，可能不夠，但是如果作為一個附件，用于缺陷的初步篩選，這有效提升系統的附加價值；

我們所能提供的MEMS器件近紅外檢測技術

是利用窄帶的近紅外光的檢測技術。近紅外晶圓檢測系統需要一個固態光源，紅外光學系統，以及近紅外高速、高分辨率的成像傳感器。最近幾年，隨著固態光源技術及近紅外傳感技術發展，固態紅外光源的強度不斷增強，而且傳感器的靈敏度不斷提升，近紅外成像技術成為了一種有效檢測晶圓缺陷的手段。