半導(dǎo)體硅片微裂紋缺陷的紅外顯微熱成像檢測

唐慶菊, 劉永杰, 高帥帥， 范維明, 季 娟

(黑龍江科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 哈爾濱 150022)

0 引 言

目前，單晶硅片廣泛應(yīng)用在集成電路(IC)的襯底材料中，現(xiàn)已逐漸成為具有最大生產(chǎn)規(guī)模、最大直徑和完善生產(chǎn)流程的一種半導(dǎo)體材料[1]。硅單晶錠要經(jīng)歷切、磨、拋等一系列機(jī)械加工制成單晶硅片。然而，受限于加工技術(shù)條件，超精密磨削加工硅片過程會(huì)產(chǎn)生硅片損傷[2-4]。這些表面/亞表面損傷不僅會(huì)增加后續(xù)拋光工序的拋光時(shí)間及降低加工效率，甚至導(dǎo)致IC器件性能變差、成品率降低和使用壽命縮短。因此，為實(shí)現(xiàn)高效率、高精度和低損傷的硅片加工，在生產(chǎn)過程中無損檢測、分析與評(píng)價(jià)其損傷情況尤為必要。

由于硅片是脆性材料且其表面損傷層較淺，導(dǎo)致很多常規(guī)的檢測技術(shù)對(duì)硅片加工過程中出現(xiàn)的表面/亞表面損傷檢出效果較差。唐慶菊等[5]提出一種調(diào)制激勵(lì)紅外熱波技術(shù)，通過搭建檢測系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了該技術(shù)對(duì)檢測材料缺陷的有效性。Rakotoniaina等[6]采用接觸式超聲鎖相熱像法對(duì)半導(dǎo)體硅片進(jìn)行了檢測實(shí)驗(yàn)，成功檢測出硅片中具有一定深度的內(nèi)部缺陷，但硅片表面可能產(chǎn)生脆性的應(yīng)力集中，造成二次損傷。Hillmann等[7]利用非接觸式渦流法，有效識(shí)別了半導(dǎo)體硅片的微裂紋缺陷，但較強(qiáng)的工作電流會(huì)對(duì)硅片的性能產(chǎn)生不利影響。張鳳霞等[8]運(yùn)用暗電流鎖相紅外熱成像檢測技術(shù)(DLIT)和光鎖相紅外熱成像檢測技術(shù)(ILIT)檢測單晶硅電池[9]，對(duì)比分析采集熱圖像缺陷產(chǎn)生的原因，通過計(jì)算振幅和相位確定了缺陷的深度和尺寸。筆者提出一種激光激勵(lì)紅外顯微熱成像檢測半導(dǎo)體硅片微裂紋的方法，開展針對(duì)硅片表面微裂紋的檢測實(shí)驗(yàn)，分析微裂紋寬度、激勵(lì)功率、初始頻率及終止頻率等參數(shù)對(duì)檢測效果的影響。

1 熱成像檢測原理

1.1 檢測原理

激光激勵(lì)紅外顯微熱成像半導(dǎo)體硅片微裂紋缺陷的檢測原理如圖1所示。硅片被一定功率的激光加熱后，由于硅片表面存在微裂紋缺陷，導(dǎo)致硅片表面的溫度場發(fā)生了動(dòng)態(tài)變化，通過帶有微焦鏡頭的紅外熱像儀捕捉溫度響應(yīng)，將采集的熱圖序列傳輸至計(jì)算機(jī)中。采用相應(yīng)算法對(duì)所采熱圖序列進(jìn)行處理，將紅外熱波信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢娞卣鲌D像，實(shí)現(xiàn)硅片表面微裂紋缺陷的判定。

圖1 紅外顯微熱成像檢測原理

1.2 表征參數(shù)

為了分析不同參數(shù)下特征圖像對(duì)缺陷的識(shí)別效果，定義微裂紋缺陷中心區(qū)域與無缺陷區(qū)域處的信噪比為

(1)

式中：Pd——缺陷區(qū)域特征值均值；

Ps——無缺陷區(qū)域特征值均值；

σs——無缺陷區(qū)域特征值標(biāo)準(zhǔn)差。

為比較不同參數(shù)下的檢測實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理

(2)

式中：θ0——實(shí)驗(yàn)采集溫度，℃；

θmin——實(shí)驗(yàn)采集溫度中的最小值，℃；

θmax——實(shí)驗(yàn)采集溫度中的最大值，℃。

2 紅外顯微熱成像檢測實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由激勵(lì)系統(tǒng)、采集系統(tǒng)和紅外圖像處理系統(tǒng)三部分組成。主要包括808 nm激光器，其最大輸出功率為75 W，F(xiàn)LIRA655sc熱像儀，其分辨率為640×480，采集波長范圍7.5～14.0 μm，圖像采集頻率≤100 Hz，采集靈敏度≤0.03 ℃，與微焦紅外鏡頭搭配，電腦與數(shù)據(jù)采集卡連接控制激光器調(diào)制參數(shù)，電腦與熱像儀連接并安裝熱像儀自帶軟件FLIR Research IR保存所采集的紅外圖像序列。該系統(tǒng)可以完成激光器觸發(fā)激勵(lì)能量、熱像儀采集溫度響應(yīng)、設(shè)置調(diào)制參數(shù)和紅外圖像序列的處理、分析等功能。

2.2 試件制備

該實(shí)驗(yàn)所購半導(dǎo)體硅片試件尺寸規(guī)格一致(直徑均為100 mm，厚度均為0.52 mm)。通過光學(xué)顯微鏡對(duì)該試件在機(jī)械加工及化學(xué)處理過程中產(chǎn)生的微裂紋進(jìn)行測量，其微裂紋寬度及長度范圍分別在0.020～0.040 mm、1～10 mm內(nèi)。為了更好分析硅片幾何參數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)檢測效果的影響，應(yīng)用飛秒激光加工系統(tǒng)，通過在硅片試件表面預(yù)制不同尺寸的裂紋來模擬微裂紋缺陷。預(yù)制裂紋長10 mm，寬度分別為0.040、0.035、0.030和0.025 mm。預(yù)制裂紋尺寸及半導(dǎo)體硅片試件分別如圖2所示。

圖2 微裂紋尺寸

實(shí)驗(yàn)所用到的材料為單晶硅，單晶硅的導(dǎo)熱系數(shù)為21.6 W/(m·℃)、比熱容為942.727 J/(kg·℃)、密度為2 340 kg/m3。

2.3 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

分別研究裂紋寬度和激勵(lì)信號(hào)調(diào)制參數(shù)對(duì)信噪比的影響。其中，調(diào)制參數(shù)包括初始頻率fs、終止頻率fe、掃描時(shí)間t和激光功率P等。為表示方便，Chirp調(diào)制參數(shù)均用以下形式表示：初始頻率-終止頻率-掃描時(shí)間，如0.6-0.2-30表示Chirp信號(hào)的初始頻率為0.6 Hz、終止頻率為0.2 Hz、Chirp調(diào)制周期30 s。實(shí)驗(yàn)中設(shè)置的參數(shù)見表1。

表1 檢測參數(shù)

3 不同參數(shù)對(duì)檢測效果的影響

3.1 微裂紋寬度

圖3為調(diào)制參數(shù)0.6-0.2-30和1.0-0.2-30得到的圖像序列。從圖3可清晰觀察到，寬度為0.025、0.030、0.035和0.040 mm的微裂紋缺陷，經(jīng)傅里葉變換處理可知，噪聲的影響較大，但仍可觀測到四條不同寬度的微裂紋。第2、3列的微裂紋寬度比第1列大，但沒有第1列的辨識(shí)度高，說明實(shí)驗(yàn)結(jié)果在一定程度上受到加熱不均的影響。

圖3 微裂紋寬度的影響

圖4為兩次實(shí)驗(yàn)取微裂紋缺陷計(jì)算信噪比均值得出的折線。雖同一微裂紋寬度的信噪比存在差異，同一次實(shí)驗(yàn)中四個(gè)微裂紋寬度的信噪比變化幅度也不相同，但信噪比均隨著微裂紋寬度的增大而增大，這說明微裂紋缺陷寬度越大，越容易檢測。由于微裂紋寬度越大，則微裂紋處聚集的熱量越多，從而使得與無缺陷處的溫差增大。

圖4 微裂紋寬度對(duì)信噪比的影響

由圖3和4可以看出，特征圖像中的微裂紋寬度越大檢測效果越好，微裂紋處與無缺陷處的區(qū)分度越高、信噪比越大，因此在實(shí)際工程應(yīng)用中可對(duì)寬度較小的微裂紋進(jìn)行深入研究。

3.2 激光功率

設(shè)置Chirp 調(diào)制參數(shù)0.6-0.2-30，分別采用激光功率10、12、14和15 W進(jìn)行檢測實(shí)驗(yàn)。四種功率下經(jīng)傅里葉變換處理后的特征圖像如圖5所示。

圖5 激光功率的影響

從圖5a中很容易辨認(rèn)出微裂紋缺陷，只是無缺陷區(qū)域的噪聲相對(duì)較大，當(dāng)功率增大到12 W時(shí)，從圖5b可以看出，噪聲影響有所降低。激勵(lì)功率升高至14和15 W時(shí)，噪聲影響進(jìn)一步減小，使微裂紋缺陷區(qū)域的顯示更為突出。圖6給出了激光功率對(duì)信噪比的影響曲線。由圖6可知，信噪比隨著激光激勵(lì)功率增大而增大，說明激光功率越大，越有利于微裂紋缺陷的檢出。這是因?yàn)?，激光功率越大，則裂紋處與無缺陷處聚集的熱量都越多，但二者之間的熱量差增大，從而使圖像的信噪比增大。

圖6 激光功率對(duì)信噪比的影響

3.3 初始頻率

設(shè)置掃描時(shí)間30 s、激光功率12 W、終止頻率0.2 Hz，分別采用初始頻率 0.4、0.6、0.8、1.0 Hz進(jìn)行檢測實(shí)驗(yàn)。圖7為對(duì)所得圖像序列進(jìn)行傅里葉變換處理后的特征圖像。圖8a為初始頻率為0.4 Hz的特征圖像，信噪比在8以上。初始頻率從0.4 Hz增至0.6 Hz時(shí)信噪比降至7.6以下，但無缺陷區(qū)域噪聲明顯減少。初始頻率增至0.8和1.0 Hz時(shí)，特征圖像如圖7c、d所示，信噪比降到了7以下。圖8給出了各初始頻率下最佳特征圖像的信噪比。由圖8可知，隨著初始頻率的增大，特征圖像的信噪比減小，說明在其他實(shí)驗(yàn)參數(shù)不變的情況下，采用較低的初始頻率有利于微裂紋缺陷的檢測。這是因?yàn)槌跏碱l率越高，則熱波信號(hào)的平均功率越低，從而使圖像的信噪比減小。

3.4 終止頻率

設(shè)置掃描時(shí)間30 s、激光功率12 W、初始頻率0.6 Hz，終止頻率分別為0.15、0.25、0.35 Hz進(jìn)行檢測實(shí)驗(yàn)。圖9為對(duì)所得圖像序列進(jìn)行傅里葉變換處理后的特征圖像。圖10給出了終止頻率對(duì)特征圖像信噪比的影響曲線。由圖9和10可知，終止頻率為0.15 Hz時(shí)，信噪比為6以上；增大終止頻率至0.25 Hz后，信噪比降低至5以下；終止頻率為0.35 Hz時(shí)，信噪比繼續(xù)降低至1以下。

圖7 初始頻率的影響

圖8 初始頻率對(duì)信噪比的影響

圖9 終止頻率的影響

圖10 終止頻率對(duì)信噪比的影響

由圖9、10可知，在其他實(shí)驗(yàn)參數(shù)不變的情況下，采用較低的終止頻率有利于微裂紋缺陷的檢測。這是因?yàn)椋K止頻率越低，則熱波信號(hào)的平均功率越高，從而使圖像的信噪比增大。

3.5 掃描時(shí)間

設(shè)置激光功率12 W、初始頻率0.6 Hz、終止頻率0.2 Hz，改變掃描時(shí)間分別為20、30、40 s進(jìn)行檢測實(shí)驗(yàn)。圖11為對(duì)所得圖像序列進(jìn)行傅里葉變換處理后的特征圖像。圖12給出了掃描時(shí)間對(duì)特征圖像信噪比的影響曲線。由圖11和12可知，三種不同掃描時(shí)間下圖像的缺陷區(qū)域顯示都比較明顯，除下方有一些無關(guān)噪聲的影響以外，整體未出現(xiàn)太大變化。特征信噪比上下變化幅度不超過1，說明掃描時(shí)間的變化，對(duì)特征圖像信噪比影響較小。這是因?yàn)?，掃描時(shí)間對(duì)平均功率無影響，熱波信號(hào)的平均功率大致相同，因此，圖像信噪比相差不大。

圖11 掃描時(shí)間的影響

激光功率不斷增大，噪聲逐漸減小，特征圖像中微裂紋處與無缺陷處的區(qū)別越明顯，使特征圖像信噪比逐步提高，因此，可將激光功率控制在合理范圍內(nèi)。初始頻率和終止頻率越低，特征圖像中微裂紋處與無缺陷處的區(qū)分度越大，信噪比越高，對(duì)硅片表面微裂紋缺陷進(jìn)行檢測時(shí)可設(shè)置較小的初始頻率和終止頻率。掃描時(shí)間的變化不會(huì)導(dǎo)致特征圖像產(chǎn)生明顯變化，其信噪比也無明顯增減趨勢，合理控制掃描時(shí)間可提高檢測效率。

圖12 掃描時(shí)間對(duì)信噪比的影響

以上結(jié)果表明，線性調(diào)頻激光激勵(lì)紅外顯微熱成像方法可較好地實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體硅片微裂紋缺陷檢測。與現(xiàn)有的掃描聲學(xué)顯微、光學(xué)相干、激光散射等無損檢測方法相比[10-11]，在檢測結(jié)果的直觀性、抗干擾能力等方面具有一定的優(yōu)勢。

4 結(jié) 論

(1)硅片表面不同裂紋處溫度大小不一樣，裂紋的寬度越大，裂紋聚集的能量越多，與無缺陷處的溫差越大，信噪比越大，即硅片表面越大的裂紋缺陷越容易被檢測出來。

(2)利用不同的激光功率檢測硅片，硅片表面的溫度隨著功率的增大而增大，信噪比也不斷增大，因此，在不損傷硅片的條件下可以適當(dāng)增大激光的功率檢測硅片表面微裂紋。

(3)通過不同的調(diào)制參數(shù)檢測硅片，從中獲得的表面溫度數(shù)據(jù)并求出信噪比，發(fā)現(xiàn)較小的初始頻率和終止頻率有利于提高信噪比，而掃描時(shí)間基本對(duì)信噪比沒有影響，證明了較小的頻率更適用檢測微裂紋缺陷。