半导体丨半导体芯片超声波扫描设备关键技术

随着半导体行业的不断发展，半导体器件对制造工艺的要求越来越高。由于焊料层空洞、裂纹、脱层等缺陷都可能会导致半导体器件在长期工作中失效，市场急需一款高分辨率、高灵敏度、对粘接面非常敏感的无损检测工具，因此，超声波扫描技术被引入半导体器件工艺线中。在第十三届半导体分立器件年会暨苏州第三代半导体产业融合创新发展高峰论坛上，苏州广林达电子科技有限公司半导体事业部总经理发表了题为《半导体芯片超声波扫描设备关键技术及国产化》的演讲，下文为演讲核心内容。

01 超声波检测原理

超声波是一种频率超过20KHz的声波，在人耳可听到的频率之外（人耳能听到的声音频率：16Hz-20KHz）。当材料内部的均匀性发生变化时，其声阻抗会发生改变，回波信号幅值及相位发生变化；将波形数据（如峰值、时间等）用不同颜色或灰度值显示出来，可实时显示出被检样品内部的结构。

X射线扫描与超声扫描对比

02 关键技术

扫描模式

     反射扫描模式：

利用一个探头同时完成发射和接收超声波。

根据扫描方式不同分别为 A-Scan，B-Scan，C-Scan，此外还有 D-Scan、X-Scan、G-Scan、Z-Scan 等扫查方式。

针对特定层面、图像清晰。

     透射扫描模式：

和X射线检测相似的以透射超声波为信号的检测方法。

超声信号穿透整个被测样品，一次扫描可检测到所有界面的缺陷。

图像不如反射清楚。

自动聚焦扫描技术

传统的表面跟踪技术在面对大幅度翘曲样品时（例如减薄后的晶圆键合样品），翘曲严重的位置会因为散焦而无法检测到。应用自动聚焦扫描技术，可以使探头Z方向在扫描过程中随着样品表面的起伏而上下实时调整，始终聚焦于样品内部指定界面，从而跟踪2-5mm的大幅度翘曲样品表面。

分频扫描技术

分频扫描技术可以将一个频率的探头分割成多个频率段同时检测。使用傅里叶变换把回波信号分解成不同频带，通过变频功能将已有探头设置到任意频率段进行扫描，从中选择出图像最清晰的频率段。使用该技术可以有效利用现有探头，减少繁琐的更换探头流程，提升扫描速率。

插值扫描技术

       利用超声扫描高速数据采集的特性，可以通过隔行扫描再利用经典图像插值的方式，以一半的时间得到清晰度相当的超声扫描图像，在分辨率要求不高的情况下，大幅提高扫描效率。

03 技术应用

经过多年的耕耘，广林达成功研发了以超声波扫描技术为核心的成熟产品——超声波扫描显微镜（GRD-CS3）。该产品主要利用高频的超声波，对各类半导体器件、材料进行检测，对粘接面非常敏感，能够检测出样品内部的气孔、裂纹、夹杂和分层等缺陷，并以图形的方式直观展示。在扫描过程中，不会对样品造成损伤，不会影响样品性能。目前，该产品已被广泛应用于半导体器件及封装检测、材料检测、IGBT功率模组产品检测等场合。