CN107796827A - 集成芯片裂纹检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成芯片裂纹检测装置及方法，该装置包括：相互连接的控制单元、感应单元、励磁单元，在控制单元的指令下，励磁单元产生线状激光束，线状激光束射向半导体芯片表面，在所述半导体芯片表面进行横向和纵向的扫描，同时线状激光束在所需励磁线处产生热波，热波的热反应由感应单元进行捕捉，热反应数据再传递给控制单元。本发明实现对集成芯片表面裂纹无接触、无损伤、无侵入的检测识别；不受芯片材料限制，检测效率高，适用于在线检测；且提高了裂纹检测的能力及集成芯片的可靠性与安全性。

Description

集成芯片裂纹检测装置及方法

技术领域

本发明涉及集成电路领域，尤其涉及一种集成芯片裂纹检测装置及方法。

背景技术

集成电路又称芯片，是一种微型电子器件或部件，一般为半导体材料， 被喻为工业生产的“心脏”。在芯片的开发与制造过程中，人们对更轻更薄的电 子产品的需求与日俱增。因此要求厂家制造更小、更薄、更高性能的集成芯 片。然而，集成芯片的晶片变薄带来了一系列问题。其中一个主要问题是芯 片制作过程中会由于表面裂纹而形成次品。由于表面裂纹会降低最终电子设 备的性能和可靠性，因此在制造过程中对集成芯片表面裂纹进行检查的需求 不断增长。

现有技术对芯片表面裂纹检测有冲击测试技术、涡流传感技术、太赫兹 成像技术和扫描式声波显微技术。冲击测试技术是一种基于接触芯片，通过 冲击测试的方式来检测裂纹的方法；涡流传感技术是一种用电磁场同金属间 电磁感应进行检测的方法；太赫兹成像技术是通过利用位于特殊波段的太赫 兹波来检测芯片裂纹存在的方法；扫描式声波显微技术是通过裂纹处的声波 吸收和反射程度不同来检测芯片裂纹。近些年亦有一些检测技术提出，但由 于其本身技术原因和关键技术内容的空白导致应用价值受限。

总体而言，尽管至今已有许多用于芯片裂纹检测的检测技术被提出，但 是仍有关键技术问题和缺陷限制其发展和实际工程应用。如上所列举的冲击 测试技术的缺点必须接触目标芯片才可进行，这会对芯片造成潜在的损伤； 涡流传感技术所使用的强涡流不仅会对芯片造成一定程度的损伤，对其性能 产生不良影响，而且这项技术不适用于非导电材料。太赫兹成像技术中的太 赫兹波穿透深度浅，更重要地是，因为它无法穿透金属层，所以不适用于金 属材料；扫描式声波显微技术虽然比太赫兹波穿透深度深，但是由于其检测时间长，因此不适用于在线检测，除此之外还要求所检测的目标芯片必须没 入水中或者至少用水滴覆盖，这有可能对该芯片造成其他损坏。

发明内容

本发明提供一种集成芯片裂纹检测装置及方法，以实现对集成芯片表面 裂纹无接触、无损伤、无侵入的检测识别，提高集成芯片的可靠性与安全性。

为实现上述目的，本发明提供一种集成芯片裂纹检测装置，包括：控制 单元、励磁单元、感应单元，所述控制单元、励磁单元、感应单元相互关联； 其中：

所述控制单元，用于控制励磁单元和感应单元，并接收由感应单元采集 到的数据；

所述励磁单元，用于在控制单元的指令下，产生线状激光束，并将所述 线状激光束射向半导体芯片表面，从横向和纵向扫描所述半导体芯片表面， 并在所需励磁线处产生热波，热波传播模式与芯片的裂纹有关；

所述感应单元，用于捕捉所述线状激光束产生的热波的热反应，进行热 检测，并将检测到的热反应数据发送至所述控制单元；

所述控制单元，还用于通过控制信号对所述感应单元的热检测进行控制， 并获取检测到的热反应数据。

其中，所述励磁单元包括：任意波形发射器、连续波激光器和线束发生 器，所述连续波激光器连接在所述任意波形发射器和线束发生器之间，所述 任意波形发射器连接所述控制单元；其中：

所述连续波激光器，用于产生连续激光束；

所述任意波形发射器，用于调节所述连续波激光器所产生的激光光束的 波形，使所述连续波激光器产生点状脉冲激光束；

所述线束发生器，用于将点状脉冲激光束转变为线状激光束并射向所述 半导体芯片的表面。

其中，所述线束发生器包含柱面透镜、检流计以及聚焦透镜，来自所述 连续波激光器的点状脉冲激光束依次经所述柱面透镜、检流计以及聚焦透镜 后，转变为线状激光束并射向所述半导体芯片的表面。

其中，所述感应单元包括带有特写镜头的红外相机。

其中，所述控制单元为计算机。

其中，所述控制单元，还用于通过裂纹可视化算法对所述热反应数据进 行处理。

本发明还提出一种集成芯片裂纹检测方法，包括：

在控制单元的指令下，励磁单元产生线状激光束，线状激光束射向半导 体芯片表面，在所述半导体芯片表面进行横向和纵向的扫描，同时线状激光 束在所需励磁线处产生热波；

通过感应单元捕捉所述线状激光束产生的热波的热反应；

通过所述控制单元获取热反应数据，再采用无基线芯片裂纹可视化算法 技术分析热反应数据，检测得到芯片表面任意方向的裂纹。

其中，所述集成芯片裂纹检测方法还包括：

通过裂纹可视化算法对所述热反应数据进行处理。

其中，所述通过裂纹可视化算法对所述热反应数据进行处理的步骤包括：

根据热反应数据计算锁相热图像的幅值；

根据所述锁相热图像的幅值，建立非连续图像成像并进行叠加；

对应所有垂直线励磁的不连续图像成像；

对应所有水平线励磁的不连续图像成像；

叠加不连续图像的成像。

其中，所述通过裂纹可视化算法对所述热反应数据进行处理的步骤还包 括：

提高热图像空间分辨率以及消除所测热图像的噪声分量以提高裂纹最小 可测宽度分辨率

相比现有技术，本发明提出的集成芯片裂纹检测装置及方法，采用线激 光热激励源，以及通过无基线芯片裂纹可视化算法，达到对集成芯片表面裂 纹无接触、无损伤、无侵入的检测识别。相比现有技术，本发明检测时完全 无接触、无损伤和无侵入；不仅可以检测导电材料，还可以应用于非导电材 料；通过无基线芯片裂纹的可视化算法，无基线裂纹诊断只需要当前状态热 图像，无需任何历史状态热图像，检测效率高，适用于在线检测；而且通过 提高热图像空间分辨率、消除所测热图像的噪声分量提高了裂纹检测的能力。 利用本发明，可以提高集成芯片的可靠性与安全性，对当今应用非常巨大的 芯片领域具有重大意义。

附图说明

图1为本发明集成芯片裂纹检测装置的结构框图；

图2为本发明集成芯片裂纹检测装置的细化结构框图；

图3为本发明无基线芯片裂纹可视化算法的流程示意图；

图4为本发明提高裂纹最小可测宽度分辨率的示意图；

图5中a和b分别是验证本发明线激光锁相热成像技术的性能的类型I 压制芯片和类型II压制芯片的示意图；

图6为带裂纹的半导体芯片样本的微观图，其中图6(a)为类型I压制 芯片的垂直裂纹；图6(b)为类型I压制芯片的水平裂纹；图6(c)为类型II 压制芯片的垂直裂纹；图6(d)为类型II压制芯片的水平裂纹；

图7为类型I压制芯片所得的不连续图像：(a)为无裂纹、(b)为垂直裂纹 和(c)为水平裂纹；

图8为图7降噪后最后处理图像：(a)无裂纹、(b)垂直裂纹和(c)水平裂纹 芯片；

图9为类型II压制芯片所得的不连续图像：(a)无裂纹、(b)垂直裂纹和(c) 水平裂纹；

图10为图9降噪后最后处理图像：(a)无裂纹、(b)垂直裂纹和(c)水平裂 纹芯片；

图11为本发明集成芯片裂纹检测方法的流程示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步 说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限 定本发明。

本发明的集成芯片裂纹检测装置基于新型线激光锁相热成像技术，可以 实现以下技术突破：(1)检测时完全无接触、无损伤和无侵入；(2)不仅可 以检测导电材料，还可以应用于非导电材料；(3)实现拥有知识产权的自研 发无基线芯片裂纹的可视化算法，无基线裂纹诊断只需要当前状态热图像， 无需任何历史状态热图像，检测效率高，适用于在线检测；(4)通过提高热 图像空间分辨率、消除所测热图像的噪声分量提高了裂纹检测的能力。

具体地，请参照图1及图2所示，图1是本发明集成芯片裂纹检测装置 的结构框图；图2为本发明集成芯片裂纹检测装置的细化结构框图。

本发明提出的一种集成芯片裂纹检测装置，包括：控制单元13、感应单 元12、励磁单元11，所述控制单元13、励磁单元11、感应单元12相互通讯； 其中：

所述控制单元13，用于控制励磁单元11和感应单元12，并接收由感应 单元12采集到的数据；

所述励磁单元11，用于在控制单元13的指令下，产生线状激光束，并将 所述线状激光束射向半导体芯片145的表面，从横向和纵向扫描所述半导体 芯片145的表面，并在所需励磁线处产生热波，热波传播模式与芯片的裂纹 有关；

所述感应单元12，用于捕捉所述线状激光束产生的热波的热反应，进行 热检测，并将检测到的热反应数据发送至所述控制单元13；

所述控制单元13，还用于通过控制信号对所述感应单元12的热检测进行 控制，并获取检测到的热反应数据。

具体地，如图2所示，所述励磁单元11包括：任意波形发射器111、连 续波激光器112和线束发生器113，所述连续波激光器112连接在所述任意波 形发射器111和线束发生器113之间，所述任意波形发射器111连接所述控制 单元13；其中：

所述连续波激光器112，用于产生连续激光束；

所述感应单元12，用于调节所述连续波激光器112所产生的激光光束的 波形，使所述连续波激光器112产生点状脉冲激光束；

所述线束发生器113，用于将点状脉冲激光束转变为线状激光束并射向所 述半导体芯片145的表面。

本发明中，所述线束发生器113包含柱面透镜1131、检流计1132以及聚 焦透镜1133，来自所述连续波激光器112的点状脉冲激光束依次经所述柱面 透镜1131、检流计1132以及聚焦透镜1133后，转变为线状激光束并射向所 述半导体芯片145表面。

所述感应单元12包括带有特写镜头的红外相机121。所述控制单元13可 以为计算机131。

进一步地，所述控制单元13还可以通过裂纹可视化算法对所述热反应数 据进行处理。

以下对本发明集成芯片裂纹检测装置的工作原理进行详细阐述：

首先由计算机131通过控制信号141，触发励磁单元11内的任意波形发 射器111和连续波激光器112产生脉冲激光束；包含柱面透镜1131、检流计 1132以及聚焦透镜1133的线束发生器113将点状脉冲激光束142转变为线状 激光束143并射向目标表面。随后，所述线激光束在半导体芯片145表面进 行横向和纵向的扫描，并在所需励磁线处产生热波144。感应单元12内的红 外相机121可捕捉相应的热反应146。由于励磁单元11和感应单元12同步工 作，因此锁相热反应幅值可通过后面介绍的裂纹可视化算法精确计算。

其次，计算机131通过控制信号147对红外相机121的热检测进行控制， 检测到的热反应可通过数据148传输至控制单元13内计算机131存储。最后， 测量的数据使用裂纹可视化算法处理。从而实现芯片表面任意方向的裂纹检 测。

本发明的无基线芯片裂纹可视化算法技术方案可以如图3所示。具体包 括：

S41，根据热反应数据计算锁相热图像的幅值；

S42，根据所述锁相热图像的幅值，建立非连续图像成像并进行叠加；

S43，对应所有垂直线励磁的不连续图像成像；

S44，对应所有水平线励磁的不连续图像成像；

S45，叠加不连续图像的成像。

具体地，本发明中无基线芯片裂纹可视化算法是基于Holder指数分析和 罗伯茨滤波工艺的无基线列为可视化算法。其原理为：

当励磁激光束照射在目标表面时，该目标表面上产生有热波，并且该热 波通过该表面传播。热导率和激光束诱导的温度梯度之间的关系可利用狄拉 克δ函数的傅里叶方程的一维解表示，当热波到达热物理性能相较周围完好 区域突变的故障区域时，热波传播模式随之改变。尤其是，裂纹形成阻碍热 波传播，造成热波阻挡现象。因此，由于热导率突变，大部分热波不能通过 气穴传播。热波成像的优势在于即使当裂纹的物理宽度太小以至其它检测技 术如视觉统都无法检测到时，它仍可轻易可视化热波阻挡现象。

本发明提出的无基线芯片裂纹可视化算法独特之处在于它可以提取和可 视化裂纹引起的热波阻挡现象，并且无需芯片初始状态的任何基线图像。

此外，还可以提高热图像空间分辨率以及消除所测热图像的噪声分量以 提高裂纹最小可测宽度分辨率。本发明的提高裂纹最小可测宽度分辨率技术 方案如图4所示。

其中，芯片裂纹检测能力可以通过提高热图像空间分辨率以及消除所测 热图像的噪声分量得以显著提高，通过利用罗伯茨交叉卷积及阈值法，降低 噪音。

罗伯茨交叉卷积核心如图4所示，每个核心用于叠加不连续图像，从而 分别计算+45°的梯度边缘(a)的Kx和-45°的梯度边缘(b)Ky。图4核心每个方 格内表示叠加不连续图片内的单个像素。

进一步地，为了验证本发明提出的线激光锁相热成像技术的性能，本发 明利用两种不同类型的半导体芯片145进行裂纹检验测试，目的是为了研究 压制芯片的表面图案和类型对裂纹可视化结果的影响。

其中，对每种芯片类型都取一个完好芯片和一个带裂纹芯片。本次实验 采取的半导体压制芯片样本的基本信息如图5所示，图5(a)类型I压制芯片的 几何尺寸为10.33mmx8.12mmx50μm；图5(b)类型II压制芯片的几何尺寸为 15.08mmx9.46mmx35μm。

图6为带裂纹的半导体芯片145样本的微观图，图6(a)为类型I压制 芯片的垂直裂纹；图6(b)为类型I压制芯片的水平裂纹；以及图6(c)为类 型II压制芯片的垂直裂纹；图6(d)为类型II压制芯片的水平裂纹。

通过采用本发明的集成芯片裂纹检测装置以及方法实验研究得出以下的 结果图像：

如图7所示，图7为类型I压制芯片所得的不连续图像：(a)为无裂纹、(b) 为垂直裂纹和(c)为水平裂纹。

图8为图7降噪后最后处理图像：(a)无裂纹、(b)垂直裂纹和(c)水平裂纹 芯片。

图9为类型II压制芯片所得的不连续图像：(a)无裂纹、(b)垂直裂纹和(c) 水平裂纹

图10为图9降噪后最后处理图像：(a)无裂纹、(b)垂直裂纹和(c)水平裂 纹芯片

通过实验验证，由图7、8、9、10可知，对不同类型的集成芯片以及不 同类别的表面裂纹，本发明方法均可快速、非接触、准确的检测出来。

相比现有技术，本发明设计的基于线激光锁相热成像法的集成芯片裂纹 检测，采用了线激光热激励源，以及通过无基线芯片裂纹可视化算法，达到 对集成芯片表面裂纹无接触、无损伤、无侵入的检测识别。利用本发明，可 以提高集成芯片的可靠性与安全性，对当今应用非常巨大的芯片领域具有重 大意义。

此外，如图11所示，本发明还提出一种集成芯片裂纹检测方法，包括：

步骤S1，在控制单元的指令下，励磁单元产生线状激光束，将所述线状 激光束射向半导体芯片表面，在半导体芯片表面进行横向和纵向扫描，同时 所述线状激光束在所需励磁线处产生热波；

步骤S2，通过感应单元捕捉所述线状冲激光束产生的热波的热反应；

步骤S3，通过所述控制单元获取感应单元采集到的热反应数据，再采用 无基线芯片裂纹可视化算法技术对热反应数据进行分析处理，从而实现芯片 表面任意方向的裂纹检测。

进一步地，所述集成芯片裂纹检测方法还包括：

通过裂纹可视化算法对所述热反应数据进行处理。

其中，所述通过裂纹可视化算法对所述热反应数据进行处理的步骤包括：

根据热反应数据计算锁相热图像的幅值；

根据所述锁相热图像的幅值，建立非连续图像成像并进行叠加；

对应所有垂直线励磁的不连续图像成像；

对应所有水平线励磁的不连续图像成像；

叠加不连续图像的成像。

此外，还可以通过提高热图像空间分辨率以及消除所测热图像的噪声分 量以提高裂纹最小可测宽度分辨率。

本发明集成芯片裂纹检测方法的实现原理请参照上述集成芯片裂纹检测 装置部分，在此不再赘述。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围， 凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或流程变换，或直接或间 接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种集成芯片裂纹检测装置，其特征在于，包括：控制单元、励磁单元、感应单元，所述控制单元、励磁单元、感应单元相互联系；其中：

所述控制单元，用于控制励磁单元和感应单元，并接收由感应单元采集到的数据；

所述励磁单元，用于在控制单元的指令下，产生线状激光束，并将所述线状激光束射向半导体芯片表面，从横向和纵向扫描所述半导体芯片表面，并在所需励磁线处产生热波，热波传播模式与芯片的裂纹有关；

所述感应单元，用于捕捉所述线状激光束产生的热波的热反应，进行热检测，并将检测到的热反应数据发送至所述控制单元；

所述控制单元，还用于通过控制信号对所述感应单元的热检测进行控制，并获取检测到的热反应数据。

2.根据权利要求1所述的集成芯片裂纹检测装置，其特征在于，所述励磁单元包括：任意波形发射器、连续波激光器和线束发生器，所述连续波激光器连接在所述任意波形发射器和线束发生器之间，所述任意波形发射器连接所述控制单元；其中：

所述连续波激光器，用于产生连续激光束；

所述任意波形发射器，用于调节所述连续波激光器所产生的激光光束的波形，使所述连续波激光器产生点状脉冲激光束；

所述线束发生器，用于将点状脉冲激光束转变为线状激光束并射向所述半导体芯片的表面。

3.根据权利要求2所述的集成芯片裂纹检测装置，其特征在于，所述线束发生器包含柱面透镜、检流计以及聚焦透镜，来自所述连续波激光器的点状脉冲激光束依次经所述柱面透镜、检流计以及聚焦透镜后，转变为线状激光束并射向所述半导体芯片的表面。

4.根据权利要求1所述的集成芯片裂纹检测装置，其特征在于，所述感应单元包括带有特写镜头的红外相机。

5.根据权利要求1所述的集成芯片裂纹检测装置，其特征在于，所述控制单元为计算机。

6.根据权利要求1所述的集成芯片裂纹检测装置，其特征在于，所述控制单元，还用于通过裂纹可视化算法对所述热反应数据进行处理。

7.一种集成芯片裂纹检测方法，其特征在于，包括：

在控制单元的指令下，励磁单元产生线状激光束，线状激光束射向半导体芯片表面，在所述半导体芯片表面进行横向和纵向的扫描，同时线状激光束在所需励磁线处产生热波；

通过感应单元捕捉所述线状激光束产生的热波的热反应；

通过所述控制单元获取所述感应单元采集到的热反应数据，再采用无基线芯片裂纹可视化算法技术分析热反应数据，检测得到芯片表面任意方向的裂纹。

8.根据权利要求7所述的集成芯片裂纹检测方法，其特征在于，所述集成芯片裂纹检测方法还包括：

通过裂纹可视化算法对所述热反应数据进行处理。

9.根据权利要求8所述的集成芯片裂纹检测方法，其特征在于，所述通过裂纹可视化算法对所述热反应数据进行处理的步骤包括：

根据热反应数据计算锁相热图像的幅值；

根据所述锁相热图像的幅值，建立非连续图像成像并进行叠加；

对应所有垂直线励磁的不连续图像成像；

对应所有水平线励磁的不连续图像成像；

叠加不连续图像的成像。

10.根据权利要求9所述的集成芯片裂纹检测方法，其特征在于，所述通过裂纹可视化算法对所述热反应数据进行处理的步骤还包括：

提高热图像空间分辨率以及消除所测热图像的噪声分量以提高裂纹最小可测宽度分辨率。