晶圆键合表征

晶圆键合表征指评估两块半导体晶圓之间键合质量和强度的过程。键合表征基于不同的方法和测试。成功、无缺陷的键合晶圆高度重要。这些缺陷可由界面处因不平整或雜質导致。键合连接用于晶圆键合工艺开发或已制晶圆与传感器的质量评估。

概述
晶圆键合通常通过三个重要的封装参数来表征：键合强度、封装的气密性和键合诱发的应力。

键合强度可用双悬臂梁（DCB）或菱形缺口（chevron）/微菱形（micro-chevron）测试评估。其他的拉拔测试、爆破、直接剪切测试（direct shear test）或弯曲测试也能确定键合强度。封装气密性通过膜法、氦泄漏、谐振/压力测试来表征。

红外（IR）透射显微镜
如果被分析材料对红外透明（例如硅），则可进行红外（IR）空洞成像。该方法可快速提供定性检查，且因对表面及埋藏界面敏感而非常适用。它还能获得表面和界面的化学信息。

红外透射成像基于硅在波长 ≥ 1.2 μm 时为半透明的事实。设备由红外灯作为光源和红外视频系统组成。

IR 成像系统可以分析键合波形及微机械结构和硅中的形变。该方法也可用于分析多层键合。当空洞开口（高度）≥ 1 nm时，可显示未键合区域。

超声显微镜
超声显微镜使用高频声波成像键合界面。去离子水用作电磁声换能器与晶圆之间的声学耦合介质。

该方法由超声换能器扫描晶圆键合面。反射回的声信号用于成像。横向分辨率取决于超声频率、声束直径及信噪比（对比度）。

未键合区域（如杂质或空洞）不会像键合区那样反射超声束，因此可用于键合质量评估。该方法的缺点是，从刀片插入到拍摄IR图像之间，结果可能受影响。此外，当表面断裂韧性高时，测量不确定度会上升，导致裂缝长度减小或在插刀时晶圆破裂；测量结果还受裂缝长度四次方的影响。测得的裂缝长度用于计算矩形梁状试样的表面能\gamma。

\gamma=\frac{3t_b^2E_1t_{w1}^3E_2t_{w2}^3}{16L^4(E_1t_{w1}^3+E_2t_{w2}^3)}

其中E为杨氏模量，t_w为晶圆厚度，t_b为刀片厚度，L为测得的裂缝长度。文献中提及多种DCB模型，最常用的是Maszara或Gillis与Gilman的方法。

Maszara模型
Maszara 模型忽略剪切应力以及对获得裂缝长度时未劈开部分的应力。对称DCB试样的顺应度（compliance）描述为：

C=\frac{8L^3}{E^*wt^3}

顺应度由裂缝长度L、宽度w和梁厚t确定。E^*表示等效杨氏模量。表面断裂能G_{IC}为：

G_{IC}=\frac{3E^* \delta^2 t^3}{16 L^4}

其中\delta为荷载点位移。

Gillis与Gilman模型
Gillis与Gilman方法在梁中考虑弯曲和剪切力。顺应度方程为：

C=\frac{8L^3}{E^wt^3} \left(1+3c \left(\frac{t}{L}\right)^{2-n}+\frac{\alpha_s E^}{4 \mu} \left(\frac{t}{L}\right)^2 \right)

第一项\frac{8L^3}{E^*wt^3}描述因弯曲产生的应变能。第二项来自未劈开试样部分的弹性变形贡献，第三项考虑剪切变形。因此n和c与悬臂固定端条件有关。剪切系数\alpha_S与梁的截面几何有关。

菱形缺口（Chevron）试验
菱形缺口试验用于测定脆性材料的断裂韧性K_{IC}。断裂韧性是分析键合强度的基本材料参数。

菱形试验使用特定的缺口几何形状并施加逐渐增加的拉力。菱形缺口通常为三角形状并具有不同的键合图案。在某一特定拉力下，裂缝从菱形尖端开始并在持续加载下增长，直至达到临界长度。裂缝增长变为不稳定并加速，导致试样断裂。临界长度仅取决于试样几何和加载条件。通常通过测量试验中的破坏载荷来确定断裂韧性K_{IC}。这能提高测试质量与精度并减少散差。

微型菱形（MC）测试
{{Multiple image|
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| header = 菱形试验
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| caption1 = 菱形试验示意图它常用于表征晶圆键合强度以及可靠性。可靠性表征基于关键失效的断裂力学评估。

断裂韧性K_{IC}可以计算最大力、宽度w和厚度t ：

断裂韧性K_{IC}可用最大力、宽度w和厚度t计算：

K_{IC}=\frac{F_{MAX}}{t \cdot \sqrt{w}} \cdot Y_{MIN}

最大力F_{MAX}在测试中测得，最小应力强度系数Y_{MIN}由有限元模拟确定。此外，能量释放率G_{IC}可用杨氏模量E和泊松比v计算：

键合测试
键合强度测量或键合测试基本上分为两种方法：拉拔测试和剪切测试。两者都可破坏性进行（更常见，也可在晶圆级进行）或非破坏性进行。它们用于确定材料完整性与制造工艺，并评估键合框架的整体性能，以及比较不同键合技术。键合的成功或失效基于所施加力的测量、由于载荷导致的失效类型以及残留介质的目视外观。

粘接复合结构键合强度测试的发展之一是激光键合检测（laser bond inspection，LBI）。LBI提供一个相对强度商，该商由施加到材料上的激光能量流量与在相同激光流量下先前经机械测试的键合强度相比得出。LBI为那些充分制备并符合工程意图的键合提供无损检测。

拉拔测试
通过拉拔测试测量键合强度往往是获得目标失效模式的最佳方式。此外，与剪切测试不同，当键合断开时，断裂表面会被拉开，便于准确分析失效模式。拉拔键合需要夹持衬底和互连件。由于尺寸、形状和材料特性，这在互连件上尤其困难。在这些情况下，一套成形精确且对齐的镊子尖与精密开合控制通常决定测试成功与否。

最常见的拉拔测试是线拉拔（Wire Pull）测试。线拉拔在导线下方施加向上力，将其从衬底或芯片上拉离。

剪切测试
剪切测试是确定键合能承受强度的另一种方法。剪切测试有多种变体。与拉拔测试一样，目标是再现感兴趣的失效模式；若无法做到，操作人员应尽力在测试中对键合施加尽可能大的载荷。

白光干涉仪
白光干涉法常用于基于光学测量检测晶圆表面的形变。来自白光源的低相干光透过顶层晶圆（例如玻璃晶圆）到达键合界面。通常存在三类白光干涉仪：

• 衍射光栅干涉仪
• 垂直扫描或相干探针干涉仪
• 白光散射板干涉仪

对于白光干涉仪，零级干涉条纹位置与干涉条纹间距需要与波长无关。白光干涉用于检测晶圆形变。来自白光源的低相干光透过顶层晶圆到传感腔。白光由卤素灯产生并调制。传感腔反射光的光谱被光谱仪检测。捕获的光谱用于获得传感腔的腔长。腔长d与所施加压力对应，并由反射光谱确定。该压力值随即显示在屏幕上。腔长d由下式确定：

d= \frac{\lambda_1 \lambda_2}{2n(\lambda_2-\lambda_1)}

其中n为传感腔材料的折射率，\lambda_1和\lambda_2为反射光谱中的相邻峰值波长。

使用白光干涉作为表征方法的优点是能减少弯曲损失的影响。

参考