一种晶圆键合强度的检测装置
文献发布时间：2023-06-19 19:14:59
技术领域
本发明涉及半导体集成电路制造领域，具体涉及了一种晶圆键合强度的检测装置。
背景技术
实施半导体器件前段制造工艺以及部分后段制造工艺，在晶圆中形成半导体前端器件和电连接半导体前端器件的多层互连金属结构之后，需要执行晶圆切割以获得晶粒。在执行晶圆切割之前，需要实施晶圆之间的键合，以使接合界面达到特定的键合强度。
由于晶圆键合工艺的工艺要求很高，晶圆键合完成后会对两晶圆间的键合强度进行检测。常用的检测方法之一为裂纹传播扩散法(Crack Opening)(俗称刀片插入法)。键合强度值γ与裂纹长度L的四次方相关，其可通过红外检测系统测得。
现有技术中，多是采用传统大光源，例如白炽灯等，来对晶圆进行裂纹传播扩散法的键合强度检测。但是使用白炽灯等的传统大光源会导致检测装置的整体体积偏大，结构安装较为复杂。而且，在白炽灯等大光源发光工作时，其能效比偏低，也就是说在同样亮度需求的情况下，白炽灯等大光源的耗电量和散热量都会更高。另外，现有技术中的检测装置存在出光不均匀的问题，致使待检测的晶圆的背光效果不佳。
为了解决现有技术中存在的上述问题，本领域亟需一种晶圆键合强度的检测装置，不仅结构简单、安装方便，能够进一步降低检测光源的能耗和散热，并且还具有良好的准直和匀光结构，使得待检测的晶圆的背光效果达到最佳，从而高效、准确地检测晶圆的键合强度。
发明内容
以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之前序。
为了解决上述技术问题，本发明一方面提供了一种晶圆键合强度的检测装置，包括：相机，设置于晶圆的上方，用于获取该晶圆的正面图像；光源，设置于该晶圆的下方，用于向该晶圆的背面提供光照；以及透镜组件，设置于该光源和该晶圆之间，用于扩散该光源在该晶圆的背面的光照范围。通过采用上述晶圆键合强度的检测装置，本发明不仅结构简单、安装方便，能够进一步降低检测光源的能耗和散热，并且还具有良好的准直和匀光结构，使得待检测的晶圆的背光效果达到最佳，从而高效、准确地检测晶圆的键合强度。
可选地，在一些实施例中，该透镜组件包括第一透镜组件、匀光器件和第二透镜组件，其中该第一透镜组件将该光源的原始光线汇聚至该匀光器件的入口端，该第二透镜组件对该匀光器件的出口端输出的窄束光线进行扩束并将其引导至该晶圆的背面。
进一步地，该第一透镜组件包括第一透镜和第二透镜，该第一透镜设置于该第二透镜之前，对该光源的原始光线进行准直调整以使其平行进入该第二透镜，该第二透镜将进入的平行光汇聚至该匀光器件的入口端。
进一步地，该第二透镜组件包括第三透镜和第四透镜，该第三透镜设置于该第四透镜之前，对该匀光器件的出口端输出的窄束光线进行扩散并将其引导至该第四透镜，该第四透镜对该第三透镜提供的扩散光线进行准直调整，以获得平行的扩束光线并将其引导至该晶圆的背面。
更进一步地，该检测装置还包括卡盘，该卡盘设置于晶圆的托盘上，用于固定该晶圆。
可选地，在一些实施例中，该匀光器件为熔融石英导光管。
可选地，在一些实施例中，该透镜组件和该晶圆之间设有光阑，以过滤该透镜组件扩散出的边缘杂散光。
可选地，在一些实施例中，该检测装置还包括菲涅尔透镜，该菲涅尔透镜设置于该晶圆的背面并承托该晶圆，以对该透镜组件发出的扩散光线进行二次匀光。
可选地，在一些实施例中，该相机和其镜头之间包括滤光片。
可选地，在一些实施例中，该检测装置，其特征在于，还包括插刀组件，用以给该晶圆插刀，以获得待检测的插刀后的该晶圆。
附图说明
在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。
图1示出了一种裂纹传播扩散法的示意图；以及
图2示出了本发明一些实施例提供的一种晶圆键合强度的检测装置的示意图。
附图标记：
101 第一键合晶片；
102 第二键合晶片；
103 刀片；
200 晶圆键合强度的检测装置；
210 相机；
211 CCTV镜头；
212 滤光片；
220 光源；
230 透镜组件；
231 第一透镜组件；
2311 第一透镜；
2312 第二透镜；
232 第二透镜组件；
2321 第三透镜；
2322 第四透镜；
233 匀光器件；
240 光阑；
250 菲涅尔透镜；
300 晶圆。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。虽然本发明的描述将结合优选实施例一起介绍，但这并不代表此发明的特征仅限于该实施方式。恰恰相反，结合实施方式作发明介绍的目的是为了覆盖基于本发明的权利要求而有可能延伸出的其它选择或改造。为了提供对本发明的深度了解，以下描述中将包含许多具体的细节。本发明也可以不使用这些细节实施。此外，为了避免混乱或模糊本发明的重点，有些具体细节将在描述中被省略。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，在以下的说明中所使用的“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“水平”、“垂直”应被理解为该段以及相关附图中所绘示的方位。此相对性的用语仅是为了方便说明之用，其并不代表其所叙述的装置需以特定方位来制造或运作，因此不应理解为对本发明的限制。
能理解的是，虽然在此可使用用语“第一”、“第二”、“第三”等来叙述各种组件、区域、层和/或部分，这些组件、区域、层和/或部分不应被这些用语限定，且这些用语仅是用来区别不同的组件、区域、层和/或部分。因此，以下讨论的第一组件、区域、层和/或部分可在不偏离本发明一些实施例的情况下被称为第二组件、区域、层和/或部分。
如上所述，现有技术中，多是采用传统大光源，例如白炽灯等，来对晶圆进行裂纹传播扩散法的键合强度检测。但是使用白炽灯等的传统大光源会导致检测装置的整体体积偏大，结构安装较为复杂。而且，在白炽灯等大光源发光工作时，其能效比偏低，也就是说在同样亮度需求的情况下，白炽灯等大光源的耗电量和散热量都会更高。另外，现有技术中的检测装置存在出光不均匀的问题，致使待检测的晶圆的背光效果不佳。
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种晶圆键合强度的检测装置，不仅结构简单、安装方便，能够进一步降低检测光源的能耗和散热，并且还具有良好的准直和匀光结构，使得待检测的晶圆的背光效果达到最佳，从而高效、准确地检测晶圆的键合强度。
具体来说，晶体的键合技术是将两抛光硅片经化学清洗后粘贴在一起，再经过退火处理，经由界面发生的物理化学反应来形成化学键的连接。晶片接合后，界面的原子受到外力的作用而产生翻译过形成共价键结合成一体，并使接合界面达到特定的键合强度。目前，对于晶圆键合强度的检测方法，常用的检测方法之一为裂纹传播扩散法(CrackOpening)(俗称刀片插入法)。具体请参看图1，图1示出了一种裂纹传播扩散法的示意图。
如图1所示，tb为刀片103厚度，w为键合晶片101、102宽度，t
为了提高晶圆上裂纹L的测量精度，本发明的一方面提供了一种晶圆键合强度的检测装置。具体请参看图2，图2示出了本发明一些实施例提供的一种晶圆键合强度的检测装置的示意图。
如图2所示，在发明的一些实施例中，晶圆键合强度的检测装置200主要包括相机210、光源220和透镜组件230。光源220设置于晶圆300的下方，用于向该晶圆300的背面提供光照。相机210设置于晶圆300的上方，用于获该晶圆300经过光源照射后的正面裂纹图像。透镜组件230设置于光源220和晶圆300之间，用于扩散光源220在晶圆300的背面的光照范围，以使该光源220的照射范围可以扩散到晶圆300的大部分区域，甚至覆盖整个晶圆300。
为了更好地实现上述光源220均匀地照射覆盖到晶圆300的技术效果，在一些优选的实施例中，透镜组件230可以包括第一透镜组件231、匀光器件233和第二透镜组件232。
一般地，考虑到晶圆键合强度的检测装置200的器件小型化和结构简单化，多数采用小型的点光源，例如LED光源来提供照射光线。尤其是针对刀片插入法的特定应用，其可以优选为LED红外光源。相比于传统的白炽灯等的大光源，LED光源的工况功耗更低，能效比更高。在同样亮度需求的情况下，LED光源比白炽灯光源的耗电量更低，散热量更少。
由于光源220发出的光线是不完全均匀的发散光线，即该光源220的正上方的光照强度大，而光源220四周的光照强度则明显小于正上方。此时，为了汇聚光源220发出的发散形的光线，可以通过第一透镜组件231将光源220发出的原始光线汇聚至匀光器件233的入口端。
具体来说，第一透镜组件231可以包括第一透镜2311和第二透镜2312。第一透镜2311可以是准直透镜，即第一透镜2311正对于光源220的一面为非球面镜，并设置于第二透镜2312之前，用于对光源220(点光源)发出的不完全均匀的、发散的原始光线进行准直调整，使其变成一束类似平行的准直光束进入第二透镜2312。第二透镜2312可以是汇聚透镜，用以将该束第一透镜2311调整出的平行光汇聚至匀光器件233的入口端。
匀光器件233可以是专为要求光线均匀分布的应用而设计的。在本优选的实施例中，匀光器件233可以为匀光管。匀光器件233采用内部全反射原理，可以通过多次全反射进行对光源的匀光，从而将任意光谱特性的非均匀光源转换成均匀光源。
进一步地，匀光器件233包括方形、正六边形等多种不同管路形状的匀光管结构。与方形结构的匀光管相比，正六边形结构的匀光管可使光损失进一步降低35％。本实施例中，可以采用对于光损失更友好的正六边形结构的匀光管作为匀光器件233。
进一步地，匀光器件233可以为熔融石英导光管。熔融石英导光管具有紫外线(ultraviolet，UV)透射良好，六面孔径可提高光通量的特点。通常来说，数值孔径(NA)值小的光源需要较长的光管来使光线均匀化，而数值孔径值大的光源，则使用较短的光管即可以满足要求。熔融石英均匀化柱状导光管采用UV熔融石英制作而成，可以适合用于UV LED照明光源。备有均匀化柱状导光管接口可以用于固定标准和熔融石英系列的均匀化柱状导光管，这些接口大大简化了组件的处理和整合操作。例如，在本实施例中，可以选用长度为10厘米的熔融石英导光管作为匀光器件233，即可实现本检测装置200中的匀光要求。
此外，为了扩散从匀光器件233发出的平行光线，可以通过第二透镜组件232对该匀光器件233的出口端输出的窄束光线进行扩束，再将该扩束后的光线引导至晶圆300的背面。
具体来说，第二透镜组件232可以包括第三透镜2321和第四透镜2322。第三透镜2321可以是扩束透镜，并设置于第四透镜2322之前，用于对匀光器件233的出口端输出的窄束平行光线进行扩散，并将其引导进入第四透镜2322。第四透镜2322可以是准直透镜，对从第三透镜2321提供的扩散光线进行准直调整，用于调整后的平行的扩束光线引导至晶圆300的背面，照射到晶圆300的背面大部分区域。
而且，本实施例中的双透镜组的扩束单元，即第二透镜组件232，利用双透镜之间的光的反射和折射的原理还可以缩减对于晶圆300的照射距离，从而进一步缩减整个检测装置200的占用空间。
进一步地，在本发明另一些优选的实施例中，晶圆键合强度的检测装置200还可以包括光阑240。光阑240为在光学系统中对光束起着限制作用的实体。它可以是透镜的边缘、框架或特别设置的带孔屏，其作用可分两方面，限制光束和限制视场(成像范围)大小。在本实施例中，光阑240设置于透镜组件230和晶圆300之间，其作用是限制光束，具体为用于过滤透镜组件230扩散出的边缘杂散光。
更进一步地，为了提高照射晶圆300的光线的均匀度，在本发明的另一些优选实施例中，该检测装置200还可以包括菲涅尔透镜250。菲涅尔透镜250(Fresnel lens)，又名螺纹透镜，其一侧是平面，另一侧用一系列同心槽代替了传统透镜的曲面，浇铸成一个薄且轻的塑料板面。每个环带都相当于一个独立的折射面，十字剖面像许多小棱镜，这些环带都能使入射光线会聚到一个共同的焦点。因为这些透镜非常薄，故由于吸收而损失的光能几乎很少。菲涅尔透镜250不仅能达到凸透镜的效果，而且如果投射光源是平行光，汇聚投射后能够保持图像各处亮度的一致。
在本实施例中，菲涅尔透镜250设置于晶圆300的背面并承托该晶圆300，用于对透镜组件230发出的扩散光线进行二次匀光，使得照射到晶圆300背面的光线处处均匀。
此外，在菲涅尔透镜250上，还可以设有卡盘(图2中未示出)。该卡盘用于固定待检测的晶圆300，即插刀后的晶圆300。在本实施例中卡盘固定晶圆300的方式可以为机械固定。
具体来说，在将待检测的晶圆300放于卡盘上后，卡盘边缘向内(晶圆300的方向)延伸出至少一个凸起脚以机械固定该晶圆300。优选地，卡盘边缘向内(晶圆300的方向)可以延伸出多个凸起脚，这些凸起脚可以分布于卡盘边缘的一周，用以从多个方向更为稳固地固定待检测的晶圆300，防止其在检测过程中被误触而发生移动，有利于后续检测的正常进行。
优选地，该卡盘可以选取为直径严格贴合待检测的晶圆300的规格尺寸，从而使其边缘延伸出的凸起脚的固定点定在待检测晶圆300的边缘，避免出现因卡盘直径过大，出现有部分凸起脚够不着晶圆300而导致晶圆300固定不稳固的问题，或者因卡盘直径过小，出现凸起脚的固定点延伸到了晶圆300的中部从而影响对于晶圆300全貌的观察。
可选地，在本发明的一些实施例中，该检测装置200还可以包括插刀组件(图2中未示出)用于给晶圆300插刀，以获得待检测的插刀后的晶圆300。具体来说，该插刀组件可以包括刀片升降模块、刀片进给模块和刀片调节件。刀片升降模块可以调整刀片的高度以使得刀片的高度与晶圆300的界面平齐。刀片进给模块可以用于带动刀片做水平进给运动。刀片调节件可以用于对刀片的高度位置和水平位置进行微调。
请继续参看图2所示的实施例，相机210可以为红外相机，用于实施下方捕捉晶圆300的裂纹图像。在相机210上还可以安装CCTV(Closed Circuit Television)镜头211，即闭路电视镜头。CCTV镜头具有价格便宜、大光圈、背景虚化强的特点。
优选地，在相机210和其CCTV镜头211之间可以设置滤光片212，用以进一步滤掉杂散光，提高成像质量。
通过使用本发明的实施例提供的检测装置200，先后调节透镜组件230中各部分组件，使光路准直、照明均匀，将插刀后晶圆放置在卡盘上，调整CCTV镜头聚焦，并设置光源220和相机210参数，使呈现的图像质量最佳，最后采集捕捉到的晶圆300图像，并将进行键合强度的分析，完成晶圆键合强度检测。
综上所述，本发明提供了一种晶圆键合强度的检测装置，不仅结构简单、安装方便，能够进一步降低检测光源的能耗和散热，并且还具有良好的准直和匀光结构，使得待检测的晶圆的背光效果达到最佳，从而高效、准确地检测晶圆的键合强度。
提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。