声学显微技术新进展

目前声学显微技术正朝着显示更高密度被测器件方向发展,以满足其更加特殊的应用要求。本文介绍这方面的一些最新技术,为(中国)工程师提供一种进行器件结构分析的实用工具。

声学显微技术的原理就是用中心频率为5MHz至230MHz左右的超声波扫描被测样品上方的压电传感器,并使其聚焦于样品内部需观察的区域。在这个传感器上施加一个电压后,压电晶体会将该电信号转化成机械超声波,传感器的焦距和中心频率在设计和制造时就已固定。另外,声波从传出传感器到进入被测样品的过程采用水作为传播媒介。

声学显微技术分成两类。第一类称为“脉冲反射”法,采用这种方法时进入被测样品中的是短促超声波脉冲,样品内部每一处分界面都会有部分声波被反射并返回传感器,然后对返回声波的三个特性(振幅、相位和传播时间)进行分析,再用一种复杂的电脑软件计算这些数据,并最后将其在屏幕上显示出来。振幅反映了返回声波的强度,相位则显示了声波跨越不同材料界面时的相移程度。

不同材料界面之间反射的超声波振幅由反射系数R确定:

R=(Z₂-Z₁)/(Z₂+Z₁)

其中Z_i=r_ic_i是对应材料(i=1,2)的声阻抗,其定义为该种材料的密度(r_i)及其内部声速(c_i)的乘积。

利用R还可确定一些简单的相位信息,当然也可以使用更复杂的相位检测技术来进行。传播时间(通常以微秒为单位)则是从发出脉冲到收到反射所经历的时间。

另一类方法称为“透射传播”法。这种方法需要使用两个传感器??一个向样品发射超声波脉冲,另一个沿发射方向装在样品的另一面,接收从样品中传出的脉冲。如果声音可以一直穿过被测样品,则样品内部就是完好无损的；如果有的区域没有收到声波信号,则说明该处有断层或孔洞。正因为此,所以通常要检测信号的振幅。穿透不同材料界面的超声波振幅由传播系数T确定:

T=2Z₁/(Z₂+Z₁)

这里的声阻抗Z_i与上式中定义的相同。

如果Z2远远大于Z1,则超声波将不能够穿过界面,在断层及孔洞中有空气时就是这种情况。但是透射传输法无法确定样品内是否存在异物,此时要用脉冲反射法才能发现这类问题。

新型系统部件

声学显微系统由几个部分组成,脉冲发生器/接收器就是其中之一。它是一种经过仔细设计的电子系统,可优化声波信号的发射以及被测器件(DUT)响应信号的接收。设计良好的脉冲/接收器能使信噪比达到最优,而且还可获取更多的DUT信息。

最初设计的脉冲发生器/接收器性能很好,完全能满足业界的需要。但是后来被测器件越来越复杂,使得这些系统的局限越来越大,所以又相继推出了许多新型设计和电子结构,以克服老式脉冲发生器/接收器的缺陷。

我们以一个带特殊传感器的新型脉冲发生器/接收器为例进行说明。图1是标准配置脉冲/接收器生成的声纳图,从图2则看到使用新型高压设计后在同一样品上能得到更高的分辨率。这里加大了传感器上的输出电压,从而产生更多的声能发出更强的信号,因此在水(耦合介质)中传播的距离也更长,到达DUT的声信号利用率也更高,最后返回信号中所包含的器件信息也就更多。由于它可根据不同应用选择一种最合适的设置,所以新系统具有老式传统显微镜所无法比拟的灵活性。

声学显微技术的另一项发展也与传感器及脉冲发生器/接收器有关。新型传感器可以在230MHz以上工作,相应地,脉冲发生器/接收器也要能够接收这一范围的数据。这类新器件的设计已经完成,并且都已通过了测试。

声学显微标准

另一个颇受关注的领域是声学显微技术标准的发展。目前有多个组织都在寻求测量声学显微技术各个参数的方法,并提供确认可测性和系统性能的标准。现在正在研究的一项标准利用了通用晶圆制造技术和晶圆至晶圆连接技术。这项研究里硅片图案的结构是已知的,亦即硅片基底图案的大小和相互间位置(空间分辨率)都是确定的,然后把刻有图形的第一块晶圆反转之后面向下放在未刻图形的第二块晶圆上,将两个晶圆粘接在一起,这样就出现了尖峰和低谷。第一块晶圆的尖峰与第二块晶圆接触,低谷则形成大小已知的孔洞(气沟),可以用显微镜将其测量出来(图3)。这种方式对评价声学技术的实际测量性能十分重要。

本文结论

应指出上面这些都仅仅只是初步应用,和基础科学相关的新设备、新软件、新方法以及新技术等都在不断地得到商用化,一个多世纪前就已出现的声学技术在半导体领域有了新发展,几年前还认为是不可能的事情现在不仅能够做到而且已经在发挥作用。目前,有很多器件都可以利用新技术进行成像,因此,现在还需要进一步研究声学相关技术,并利用这些新产品开发出测试新封装的方法。

作者:Kathleen McCray

总裁

Diversified Technologies Resources公司