如果平坦的晶圆可以成像，则可以在切割之后去除有缺陷的器件，并且可以测量单个晶圆的翘曲。

Nordson-Sonoscan的顾问Tom Adams解释了这项工作的重要性。

刚从铸锭切割下来的晶圆上可能会发现有一个或多个内部异常，这通常是空洞。随着晶圆进行后续的工艺，可能会发现其有诸如翘曲或键合问题的异常。这些异常会在以后的工艺过程中造成各种各样的损失。例如，翘曲可能在切割期间导致裂片，空洞可能在晶圆抛光期间变成针孔，或者如果没有检测到这些异常，最终则可能变成各种类型的现场失效。

硅，砷化镓和其他常用的晶圆材料都是超声波能量的优良发射器。这意味着它们可以通过声学微成像工具在多种成像模式下成像。声学成像是非破坏性的，并且可以定位、成像和分析任何内部结构的异常。声学成像的晶圆类型包括未抛光晶圆和完成工艺的晶圆，太阳能电池（即PERC），MEMS，3D -IC，传感器，LED，片上实验室（Lab-on-Chip）和晶圆上芯片（Chip-on-Wafer）应用。涉及的材料包括硅，玻璃，GaAs，蓝宝石和各种材料的组合。

就本文而言，晶圆分为两类：平坦晶圆和翘曲晶圆。

平坦晶圆的声学成像

无论是没有图案还是有图案的平坦晶圆，都可以通过Sonoscan的C-SAM工具产品线的实验室类型声学微成像工具，来进行少量的成像，这通常用于分析目的。在生产环境中，AW300工具会自动进行较大数量成像。在抛光或浸润之前，当对无图案晶圆成像时，其目标通常是寻找晶圆本身的异常。经过进一步的工艺步骤之后，成像可以用于观察芯片与晶圆的粘附性。AW300工具仅需要操作人员初始化成像序列，该序列使用由专门为给定晶圆配置设计的菜单来定义成像参数。成像采用如下步骤：

l  机器手臂从晶圆盒中取出两个晶圆并将它们放置在工具的成像平台上。（工具可能有多个片盒，机械臂，平台和变送器。）

l  超声波变送器开始扫描。晶圆同时扫描从而可以提高效率。当变送器移动时，连接到变送器的喷孔在变送器和晶圆之间保持一个水柱。

l  变送器每秒数千次地将超声波脉冲到晶圆中，并从任何材料界面的接口脉冲冲击中接收回波。给定回波的幅度将确定晶圆声学图像中该位置处的像素颜色。

l  扫描结束时，机械臂抬起晶圆并将其放入干燥区。批次晶片的成像数据可以存储在AW300中，或者通过SECS/GEM发送到用户的工厂信息系统中。对于任何一种情况，Digital Image Analysis™软件都将用于把晶圆分选为拒绝和接受。

如果成像的目标是单个未抛光的晶圆，则最可能的内部异常是铸锭时形成的空洞。变送器扫描晶圆顶面上方的几毫米距离。变送器的超声脉冲将进入晶圆，并且如果碰巧是在空洞上，则会在几百万分之一秒之后作为回波反射回变送器。通过硅和其他晶圆材料的超声波速度是如此之高，以至于在下一个脉冲发射之前就会接收到来自前一个脉冲的回波。

反射是由晶圆硅与空洞中空气之间的材料界面引起。这么高频率下的超声波不会穿过空气，因此它不会穿过空洞。硅和空气之间的物理特性差异很大，几乎所有的超声波都会反射为非常高振幅的回波。脉冲还遇到两个其他的材料界面，一个位于晶圆顶部和水柱之间，另一个位于晶圆底部和其下方的空气之间。通过指示变送器接受仅对来自感兴趣深度的那些回波进行成像，可以从成像中排除出去这些界面。因此说回声可以进行深度控制。

当自动化工具用于成像具有两层或更多层的晶圆时，最感兴趣的深度是层与层之间的键合。这里的控制深度可能仅仅略微比键合材料厚一些。键合上方和下方的绝大大部分晶圆都可以忽略，特别是如果它们已经扫描显示为单独的晶圆时。成像深度的几个例子包括：两个SOI晶圆之间的键合，MEMS晶圆中器件上的密封，以及LED晶圆上蓝宝石层之间的粘结剂。成像的目的是发现键合中的空洞或着分层等异常现象。如果有可靠的历史记录表明特定位置的异常或低于特定大小的异常不会对长期性能造成危害，则有这些异常的器件是可以接受的。

晶圆会以各种方式翘曲。当晶圆从晶锭上切割时，它可能经历机械应力导致翘曲。非均匀加热也可以使晶圆翘曲，一些掺杂或沉积工艺也有同样效果。大直径（通常是300mm）的晶圆可能非常薄。如果晶圆太薄而无法支撑其自身重量时，任何情况都可能导致其翘曲。

晶圆会以各种方式翘曲。当晶圆从晶锭上切割时，它可能经历机械应力导致翘曲。非均匀加热也可以使晶圆翘曲，一些掺杂或沉积工艺也有同样效果。大直径（通常是300mm）的晶圆可能非常薄，如果晶圆太薄而无法支撑其自身重量时，任何情况都可能导致其翘曲。

当芯片或其他东西键合到晶圆上时，键合工艺本身会产生导致翘曲的机械应力。因此，晶圆和键合物之间可能存在显著的热差异。

翘曲晶圆成像的一个问题是变送器设置为聚焦于位于变送器下方特定深度的特征，比如说0.5英寸。在该深度处设置所需厚度的控制，这意味着进行的成像仅接收特定的返回回波信号，其返回时间表明它们源自所设控制范围内的材料界面。计时从前界面回声开始，也就是从晶圆顶部和水的耦合体之间发出的回声。来自所有其他深度的回声都将忽略。这里所测量的是前界面和内部界面之间的时差内部界面。

对于平坦晶圆或成对晶圆，该系统工作良好。但是如果晶圆有翘曲，控制深度将会在传感器的聚焦深度正负范围来回波动。

图1中的图表显示了通过翘曲键合晶圆对的横截面，为了清楚起见垂直方面有所夸大。粗黑线是晶圆之间的键合。如果晶圆是平坦的，则红线表示最佳的聚焦深度。如果扫描变送器盲目地跟随控制并且仅接受来自该深度的回波（如果有的话），则在扫描期间信号的幅度将存在严重的差异。

图1. 变送器只接受控制深度（红色）的回波。翘曲使得该深度大部分无法得到测试。

在该晶圆对的大部分面积上，变动器将不能接收到回波，因为控制设置位于其中一个晶圆内部，而不是在键合区域。控制只是这里和那里会穿过该键合的整个厚度区域。

控制深度通常保持尽可能薄，以避免在同一图像中的多深度成像特征。有几种样品的类型，如高压陶瓷电容器就是其中之一，通常在样品的整个厚度上进行控制，因为其均匀的内部结构意味着在任何深度的内部缺陷如分层等都是严重的缺陷。然而，在键合晶圆对中，假设晶圆是平坦的，控制会保持很薄。键合上方和下方的晶圆不太可能具有内部特征，特别是如果它们在缉拿和之前已经单独成像的话。

如果翘曲严重，最大的风险可能不是会错过控制设置，而是以超过1米/秒以上速度移动的变送器可能会撞到晶圆上的高点，这可能会对二者都造成损坏。对于严重翘曲的300mm晶圆，表面高度的最大变化约为6mm。

那么，即使对于适度翘曲的晶圆，又该如何保证成功的扫描和成像呢？Sonoscan指出，变送器每秒从样品的顶部表面接收数千个回波信号。这些回波不用于成像内部特征，但它们可用于每秒数千次测量从传感器到表面的距离。

Sonoscan开发的是定量动态Z（QDZ）系统，该系统不断读取翘曲晶圆表面上方的变送器高度，并根据表面的轮廓即时调整变送器的高度。即使晶圆翘曲，扫描期间的轮廓跟踪也会使控制深度始终保持在聚焦位置。由于变送器是即时可调的，因此控制深度始终保持相对变送器的距离相同，并且翘曲晶圆的声学图像看起来和平坦晶圆的图像一样。

图2是严重翘曲的300mm晶圆的C-SAM图像。颜色用来显示轮廓：与左侧颜色图例中绿色色调匹配的区域位于控制深度内，可以正确成像。绿色区域中心的弱淡黄色区域表明高度略高。

其他蓝色，粉红色以及左下角白色区域表示逐渐低于控制深度的区域。这些区域的成像效果不佳（没有可用数据）或完全没有成像。

图2.垂直固定传感器成像的翘曲晶圆。绿色区域可以测量，但其他区域则不能够准确测量。

图3是使用QDZ不断调整变送器高度的模块所成像的相同晶圆，该模块能够保持与晶圆起伏表面具有恒定的距离。结果是晶圆成像貌似晶圆就是平坦的，并且所有区域都在控制深度范围内成像，甚至顶部附近的弱黄绿色区域。现在人们已经识别出具有结构缺陷的器件，并且可以在切割之后将其移除。此外还可以测量单个晶圆的翘曲，从而评估它们对堆叠的适用性。使得变送器几乎可以对任何晶圆成像，就好像它们在物理上是平坦的一样，这就是该问题的解决方案。

图3.即时调节变送器成像的相同晶圆。所有区域都成功地成像。