唐慶菊, 劉永杰, 高帥帥， 范維明, 季 娟

(黑龍江科技大學 機械工程學院， 哈爾濱 150022)

0 引 言

目前，單晶硅片廣泛應用在集成電路(IC)的襯底材料中，現(xiàn)已逐漸成為具有最大生產規(guī)模、最大直徑和完善生產流程的一種半導體材料[1]。硅單晶錠要經歷切、磨、拋等一系列機械加工制成單晶硅片。然而，受限于加工技術條件，超精密磨削加工硅片過程會產生硅片損傷[2-4]。這些表面/亞表面損傷不僅會增加后續(xù)拋光工序的拋光時間及降低加工效率，甚至導致IC器件性能變差、成品率降低和使用壽命縮短。因此，為實現(xiàn)高效率、高精度和低損傷的硅片加工，在生產過程中無損檢測、分析與評價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，導致很多常規(guī)的檢測技術對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]提出一種調制激勵紅外熱波技術，通過搭建檢測系統(tǒng)對其進行實驗研究，驗證了該技術對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半導體硅片進行了檢測實驗，成功檢測出硅片中具有一定深度的內部缺陷，但硅片表面可能產生脆性的應力集中，造成二次損傷。Hillmann等[7]利用非接觸式渦流法，有效識別了半導體硅片的微裂紋缺陷，但較強的工作電流會對硅片的性能產生不利影響。張鳳霞等[8]運用暗電流鎖相紅外熱成像檢測技術(DLIT)和光鎖相紅外熱成像檢測技術(ILIT)檢測單晶硅電池[9]，對比分析采集熱圖像缺陷產生的原因，通過計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紅外顯微熱成像檢測半導體硅片微裂紋的方法，開展針對硅片表面微裂紋的檢測實驗，分析微裂紋寬度、激勵功率、初始頻率及終止頻率等參數對檢測效果的影響。

1 熱成像檢測原理

1.1 檢測原理

激光激勵紅外顯微熱成像半導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，導致硅片表面的溫度場發(fā)生了動態(tài)變化，通過帶有微焦鏡頭的紅外熱像儀捕捉溫度響應，將采集的熱圖序列傳輸至計算機中。采用相應算法對所采熱圖序列進行處理，將紅外熱波信號轉變?yōu)榭梢娞卣鲌D像，實現(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

為了分析不同參數下特征圖像對缺陷的識別效果，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)域特征值標準差。

為比較不同參數下的檢測實驗結果，對采集的數據進行歸一化處理

(2)

式中：θ0——實驗采集溫度，℃；

θmin——實驗采集溫度中的最小值，℃；

θmax——實驗采集溫度中的最大值，℃。

2 紅外顯微熱成像檢測實驗

2.1 實驗系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)由激勵系統(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，電腦與數據采集卡連接控制激光器調制參數，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)激勵能量、熱像儀采集溫度響應、設置調制參數和紅外圖像序列的處理、分析等功能。

2.2 試件制備

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

圖2 微裂紋尺寸

實驗所用到的材料為單晶硅，單晶硅的導熱系數為21.6 W/(m·℃)、比熱容為942.727 J/(kg·℃)、密度為2 340 kg/m3。

2.3 實驗參數

分別研究裂紋寬度和激勵信號調制參數對信噪比的影響。其中，調制參數包括初始頻率fs、終止頻率fe、掃描時間t和激光功率P等。為表示方便，Chirp調制參數均用以下形式表示：初始頻率-終止頻率-掃描時間，如0.6-0.2-30表示Chirp信號的初始頻率為0.6 Hz、終止頻率為0.2 Hz、Chirp調制周期30 s。實驗中設置的參數見表1。

表1 檢測參數

3 不同參數對檢測效果的影響

3.1 微裂紋寬度

圖3為調制參數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列的辨識度高，說明實驗結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為兩次實驗取微裂紋缺陷計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，同一次實驗中四個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，因此在實際工程應用中可對寬度較小的微裂紋進行深入研究。

3.2 激光功率

設置Chirp 調制參數0.6-0.2-30，分別采用激光功率10、12、14和15 W進行檢測實驗。四種功率下經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中很容易辨認出微裂紋缺陷，只是無缺陷區(qū)域的噪聲相對較大，當功率增大到12 W時，從圖5b可以看出，噪聲影響有所降低。激勵功率升高至14和15 W時，噪聲影響進一步減小，使微裂紋缺陷區(qū)域的顯示更為突出。圖6給出了激光功率對信噪比的影響曲線。由圖6可知，信噪比隨著激光激勵功率增大而增大，說明激光功率越大，越有利于微裂紋缺陷的檢出。這是因為，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 激光功率對信噪比的影響

3.3 初始頻率

設置掃描時間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進行檢測實驗。圖7為對所得圖像序列進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，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，說明在其他實驗參數不變的情況下，采用較低的初始頻率有利于微裂紋缺陷的檢測。這是因為初始頻率越高，則熱波信號的平均功率越低，從而使圖像的信噪比減小。

3.4 終止頻率

設置掃描時間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進行檢測實驗。圖9為對所得圖像序列進行傅里葉變換處理后的特征圖像。圖10給出了終止頻率對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，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，信噪比繼續(xù)降低至1以下。

圖7 初始頻率的影響

圖8 初始頻率對信噪比的影響

圖9 終止頻率的影響

圖10 終止頻率對信噪比的影響

由圖9、10可知，在其他實驗參數不變的情況下，采用較低的終止頻率有利于微裂紋缺陷的檢測。這是因為，終止頻率越低，則熱波信號的平均功率越高，從而使圖像的信噪比增大。

3.5 掃描時間

設置激光功率12 W、初始頻率0.6 Hz、終止頻率0.2 Hz，改變掃描時間分別為20、30、40 s進行檢測實驗。圖11為對所得圖像序列進行傅里葉變換處理后的特征圖像。圖12給出了掃描時間對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，說明掃描時間的變化，對特征圖像信噪比影響較小。這是因為，掃描時間對平均功率無影響，熱波信號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。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，對硅片表面微裂紋缺陷進行檢測時可設置較小的初始頻率和終止頻率。掃描時間的變化不會導致特征圖像產生明顯變化，其信噪比也無明顯增減趨勢，合理控制掃描時間可提高檢測效率。

圖12 掃描時間對信噪比的影響

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

4 結 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增大激光的功率檢測硅片表面微裂紋。

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