晶圓鍵合表徵

晶圓鍵合表徵指評估兩塊半導體晶圓之間鍵合質量和強度的過程。鍵合表徵基於不同的方法和測試。成功、無缺陷的鍵合晶圓高度重要。這些缺陷可由界面處因不平整或雜質導致。鍵合連接用於晶圓鍵合製程開發或已制晶圓與感測器的質量評估。

概述

晶圓鍵合通常通過三個重要的封裝參數來表徵：鍵合強度、封裝的氣密性和鍵合誘發的應力。

鍵合強度可用雙懸臂梁（DCB）或菱形缺口（chevron）/微菱形（micro-chevron）測試評估。其他的拉拔測試、爆破、直接剪切測試（direct shear test）或彎曲測試也能確定鍵合強度。封裝氣密性通過膜法、氦洩漏、諧振/壓力測試來表徵。

評估鍵合連接的另外三種手段是光學、電子和聲學測量和儀器。光學方法包括光學顯微鏡、紅外透射顯微鏡和目視檢查。電子測量常用電子顯微鏡，例如掃描電子顯微鏡（SEM）、高電壓透射電子顯微鏡（HVTEM）和高解析度掃描電子顯微鏡（HRSEM）。典型的聲學測量方法有超音波掃瞄顯微鏡（SAM）、掃描雷射聲學顯微鏡（SLAM）和C模掃描聲學顯微鏡（C-SAM）。

樣品製備複雜。機械和電子性能對鍵合技術的表徵與比較很重要。

紅外（IR）透射顯微鏡

如果被分析材料對紅外透明（例如矽），則可進行紅外（IR）空洞成像。該方法可快速提供定性檢查，且因對表面及埋藏界面敏感而非常適用。它還能獲得表面和界面的化學信息。

紅外透射顯微鏡裝置示意圖。

紅外透射成像基於矽在波長 ≥ 1.2 μm 時為半透明的事實。設備由紅外燈作為光源和紅外視頻系統組成。

IR 成像系統可以分析鍵合波形及微機械結構和矽中的形變。該方法也可用於分析多層鍵合。圖像對比取決於晶圓間的距離。通常使用單色IR時，晶圓中心因相對靠近而顯示更亮。鍵合界面的顆粒會因干涉條紋產生不同對比度的明顯斑點。當空洞開口（高度）≥ 1 nm時，可顯示未鍵合區域。

傅立葉變換紅外（FT-IR）光譜

傅里葉轉換紅外光譜（FT-IR）是一種無損的氣密性表徵方法。通過特定波長的輻射吸收可分析氣體成分。

超聲顯微鏡

超聲顯微鏡使用高頻聲波成像鍵合界面。去離子水用作電磁聲換能器與晶圓之間的聲學耦合介質。

該方法由超聲換能器掃描晶圓鍵合面。反射回的聲訊號用於成像。橫向解析度取決於超聲頻率、聲束直徑及信噪比（對比度）。

未鍵合區域（如雜質或空洞）不會像鍵合區那樣反射超聲束，因此可用於鍵合質量評估。

雙懸臂梁（DCB）測試

雙懸臂梁測試（double cantilever beam test）用於定義鍵合強度。通過確定鍵合表面的能量來實現。將特定厚度的刀片插入鍵合晶圓對之間，導致鍵合連接分離。裂縫長度$L$等於刀片尖端到裂縫尖端的距離，並用紅外透射光測定。當所用材料對紅外或可見光透明時，IR光能照亮裂縫。若斷裂表面韌性很高，插入刀片將非常困難，且在插入過程中晶圓有破裂風險。

刀片插入鍵合晶圓之間

DCB測試通過機械斷裂評估表徵時間依賴的強度，因此適用於壽命預測。該方法的缺點是，從刀片插入到拍攝IR圖像之間，結果可能受影響。此外，當表面斷裂韌性高時，測量不確定度會上升，導致裂縫長度減小或在插刀時晶圓破裂；測量結果還受裂縫長度四次方的影響。測得的裂縫長度用於計算矩形梁狀試樣的表面能$\gamma$。

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

其中$E$為楊氏模量，$t_{w}$為晶圓厚度，$t_{b}$為刀片厚度，$L$為測得的裂縫長度。文獻中提及多種DCB模型，最常用的是Maszara或Gillis與Gilman的方法。

Maszara模型

Maszara 模型忽略剪切應力以及對獲得裂縫長度時未劈開部分的應力。對稱DCB試樣的順應度（compliance）描述為：

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

順應度由裂縫長度$L$、寬度$w$和梁厚$t$確定。$E^{*}$表示等效楊氏模量。表面斷裂能$G_{IC}$為：

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

其中$\delta$為荷載點位移。

Gillis與Gilman模型

Gillis與Gilman方法在梁中考慮彎曲和剪切力。順應度方程為：

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

第一項${\frac {8L^{3}}{E^{*}wt^{3}}}$描述因彎曲產生的應變能。第二項來自未劈開試樣部分的彈性變形貢獻，第三項考慮剪切變形。因此$n$和$c$與懸臂固定端條件有關。剪切係數$\alpha _{S}$與梁的截面幾何有關。

菱形缺口（Chevron）試驗

菱形缺口試驗用於測定脆性材料的斷裂韌性$K_{IC}$。斷裂韌性是分析鍵合強度的基本材料參數。

菱形試驗使用特定的缺口幾何形狀並施加逐漸增加的拉力。菱形缺口通常為三角形狀並具有不同的鍵合圖案。在某一特定拉力下，裂縫從菱形尖端開始並在持續加載下增長，直至達到臨界長度。裂縫增長變為不穩定並加速，導致試樣斷裂。臨界長度僅取決於試樣幾何和加載條件。通常通過測量試驗中的破壞載荷來確定斷裂韌性$K_{IC}$。這能提高測試質量與精度並減少散差。

可用兩種方法解釋菱形試驗：基於能量釋放率$G_{I}$或應力強度因子$K_{I}$。當$K_{I}$或$G_{I}$達到臨界值時發生斷裂，對應斷裂韌性$K_{IC}$或$G_{IC}$。使用菱形缺口試樣的優點在於可形成具有規定長度的確定性裂縫。缺點是為加載而進行的粘接耗時，且可能因粘接不對中而引入數據散差。

微型菱形（MC）測試

菱形試驗

菱形試驗示意圖

菱形缺口試樣示意

Bagdahn所示帶裂縫的菱形缺口試樣示意

微型菱形（MC）測試是菱形試驗的改進，使用定義且可重複的試樣尺寸與形狀。該測試可確定臨界能量釋放率$G_{IC}$與臨界斷裂韌性$K_{IC}$。它常用於表徵晶圓鍵合強度以及可靠性。可靠性表徵基於關鍵失效的斷裂力學評估。評估通過分析斷裂韌性及抗裂紋擴展能力得到。

斷裂韌性允許在不依賴特定試樣幾何的情況下比較強度屬性。另外也可確定鍵合界面的鍵合強度。菱形試樣由呈三角形的鍵合條帶設計而成。菱形結構三角尖端的間隙作為施力的槓桿臂，從而降低啟動裂縫所需的力。微型菱形結構的尺寸在數毫米範圍內，缺口角通常為70°。該菱形圖案通過濕法或反應性離子蝕刻製備。

MC 測試通過將專用試樣夾具粘接在已處理結構的未鍵合邊緣來施測。試樣在拉伸試驗機中受力，加載方向垂直於鍵合區。當載荷達到最大承載條件時，裂縫在菱形缺口尖端啟動。

通過增加加載，可觀察到兩種相反效應。第一，隨著菱形圖案第一半部分的鍵合增加，對裂縫擴展的阻力增加。第二，隨裂縫長度$a$增加，槓桿臂變長。從臨界裂縫長度$a_{c}$會引發不穩定裂縫擴展並破壞試樣。臨界裂縫長度$a_{c}$對應力-長圖中的最大力$F_{max}$與幾何函數最小值$Y_{MIN}$。

斷裂韌性$K_{IC}$可以計算最大力、寬度$w$和厚度$t$ ：

斷裂韌性$K_{IC}$可用最大力、寬度$w$和厚度$t$計算：

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

最大力$F_{MAX}$在測試中測得，最小應力強度係數$Y_{MIN}$由有限元類比確定。此外，能量釋放率$G_{IC}$可用楊氏模量$E$和泊松比$v$計算：

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

該測試相比其他拉伸或彎曲測試具有高精度優點。它是晶圓鍵合開發以及微機械元件生產質量控制的有效、可靠且精確的方法。

鍵合測試

鍵合強度測量或鍵合測試基本上分為兩種方法：拉拔測試和剪切測試。兩者都可破壞性進行（更常見，也可在晶圓級進行）或非破壞性進行。它們用於確定材料完整性與製造製程，並評估鍵合框架的整體性能，以及比較不同鍵合技術。鍵合的成功或失效基於所施加力的測量、由於載荷導致的失效類型以及殘留介質的目視外觀。

粘接複合結構鍵合強度測試的發展之一是雷射鍵合檢測（laser bond inspection，LBI）。LBI提供一個相對強度商，該商由施加到材料上的雷射能量流量與在相同雷射流量下先前經機械測試的鍵合強度相比得出。LBI為那些充分製備並符合工程意圖的鍵合提供無損檢測。

拉拔測試

USB 鑷子在鍵合測試儀上執行冷凸點拉拔

通過拉拔測試測量鍵合強度往往是獲得目標失效模式的最佳方式。此外，與剪切測試不同，當鍵合斷開時，斷裂表面會被拉開，便於準確分析失效模式。拉拔鍵合需要夾持基板和互連件。由於尺寸、形狀和材料特性，這在互連件上尤其困難。在這些情況下，一套成形精確且對齊的鑷子尖與精密開合控制通常決定測試成功與否。

最常見的拉拔測試是線拉拔（Wire Pull）測試。線拉拔在導線下方施加向上力，將其從基板或晶片上拉離。

剪切測試

剪切測試是確定鍵合能承受強度的另一種方法。剪切測試有多種變體。與拉拔測試一樣，目標是再現感興趣的失效模式；若無法做到，操作人員應盡力在測試中對鍵合施加儘可能大的載荷。

白光干涉儀

白光干涉法常用於基於光學測量檢測晶圓表面的形變。來自白光源的低相干光透過頂層晶圓（例如玻璃晶圓）到達鍵合界面。通常存在三類白光干涉儀：

• 衍射光柵干涉儀
• 垂直掃描或相干探針干涉儀
• 白光散射板干涉儀

對於白光干涉儀，零級干涉條紋位置與干涉條紋間距需要與波長無關。白光干涉用於檢測晶圓形變。來自白光源的低相干光透過頂層晶圓到傳感腔。白光由鹵素燈產生並調變。傳感腔反射光的光譜被光譜儀檢測。捕獲的光譜用於獲得傳感腔的腔長。腔長$d$與所施加壓力對應，並由反射光譜確定。該壓力值隨即顯示在屏幕上。腔長$d$由下式確定：

$d={\frac {\lambda _{1}\lambda _{2}}{2n(\lambda _{2}-\lambda _{1})}}$

其中$n$為傳感腔材料的折射率，$\lambda _{1}$和$\lambda _{2}$為反射光譜中的相鄰峰值波長。

使用白光干涉作為表徵方法的優點是能減少彎曲損失的影響。