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。

评估键合连接的另外三种手段是光学、电子和声学测量和仪器。光学方法包括光学显微镜、红外透射显微镜和目视检查。电子测量常用电子显微镜，例如扫描电子显微镜（SEM）、高电压透射电子显微镜（HVTEM）和高分辨率扫描电子显微镜（HRSEM）。典型的声学测量方法有超音波掃瞄顯微鏡（SAM）、扫描激光声学显微镜（SLAM）和C模扫描声学显微镜（C-SAM）。

样品制备复杂。机械和电子性能对键合技术的表征与比较很重要。

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。

红外透射显微镜装置示意图。

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。图像对比取决于晶圓间的距离。通常使用單色IR时，晶圆中心因相对靠近而显示更亮。键合界面的颗粒会因干涉条纹产生不同对比度的明显斑点。当空洞开口（高度）≥ 1 nm时，可显示未键合区域。

傅里叶变换红外（FT-IR）光谱

傅里葉轉換紅外光譜（FT-IR）是一种无损的气密性表征方法。通过特定波长的辐射吸收可分析气体成分。

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。

双悬臂梁（DCB）测试

双悬臂梁测试（double cantilever beam test）用于定义键合强度。通过确定键合表面的能量来实现。将特定厚度的刀片插入键合晶圆对之间，导致键合连接分离。裂缝长度$L$等于刀片尖端到裂缝尖端的距离，并用红外透射光测定。当所用材料对红外或可见光透明时，IR光能照亮裂缝。若断裂表面韧性很高，插入刀片将非常困难，且在插入过程中晶圆有破裂风险。

刀片插入键合晶圆之间

DCB测试通过机械断裂评估表征时间依赖的强度，因此适用于寿命预测。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$\gamma$。

$\gamma ={\frac {3t_{b}^{2}E_{1}t_{w1}^{3}E_{2}t_{w2}^{3}}{16L^{4}(E_{1}t_{w1}^{3}+E_{2}t_{w2}^{3})}}$

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：

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

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。

可用两种方法解释菱形试验：基于能量释放率$G_{I}$或应力强度因子$K_{I}$。当$K_{I}$或$G_{I}$达到临界值时发生断裂，对应断裂韧性$K_{IC}$或$G_{IC}$。使用菱形缺口试样的优点在于可形成具有规定长度的确定性裂缝。缺点是为加载而进行的粘接耗时，且可能因粘接不对中而引入数据散差。

微型菱形（MC）测试

菱形试验

菱形试验示意图

菱形缺口试样示意

Bagdahn所示带裂缝的菱形缺口试样示意

微型菱形（MC）测试是菱形试验的改进，使用定义且可重复的试样尺寸与形状。该测试可确定临界能量释放率$G_{IC}$与临界断裂韧性$K_{IC}$。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。评估通过分析断裂韧性及抗裂纹扩展能力得到。

断裂韧性允许在不依赖特定试样几何的情况下比较强度属性。另外也可确定键合界面的键合强度。菱形试样由呈三角形的键合条带设计而成。菱形结构三角尖端的间隙作为施力的杠杆臂，从而降低启动裂缝所需的力。微型菱形结构的尺寸在数毫米范围内，缺口角通常为70°。该菱形图案通过湿法或反应性离子刻蚀制备。

MC 测试通过将专用试样夹具粘接在已处理结构的未键合边缘来施测。试样在拉伸试验机中受力，加载方向垂直于键合区。当载荷达到最大承载条件时，裂缝在菱形缺口尖端启动。

通过增加加载，可观察到两种相反效应。第一，随着菱形图案第一半部分的键合增加，对裂缝扩展的阻力增加。第二，随裂缝长度$a$增加，杠杆臂变长。从临界裂缝长度$a_{c}$会引发不稳定裂缝扩展并破坏试样。临界裂缝长度$a_{c}$对应力-长图中的最大力$F_{max}$与几何函数最小值$Y_{MIN}$。

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：

$G_{IC}={\frac {K_{IC}^{2}}{E}}\cdot (1-v^{2})$

该测试相比其他拉伸或弯曲测试具有高精度优点。它是晶圆键合开发以及微机械器件生产质量控制的有效、可靠且精确的方法。

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

USB 镊子在键合测试仪上执行冷凸点拉拔

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。