硅片键合强度测试方法的进展

Measurements of the Bond Strength for Wafer BondingXIAO Ying2ying1 , WANG Jian2hua1 , HUANG Qing2an2 , QIN Ming 21. School of Science, Hefei University of Technology, Hefei 230009 , China ; )2. Key Laboratory of MEMS of Ministry of Education, SoutheastUniversity , Nanjing 210096 , ChinaAbstract : Bond strengthis an important parameterfor wafer bond. The fundamentaltheoriesfor the measurementsareintroduced. bond strengthmeasurementsare discussed, including crack2openingtest , blister test , four2point bend2ing2delaminationtest , Micro2Chevron2Test , tensile/ sheartest and nondestructivemeasurement(ultrasonic methodandMesa2Spacer Method) . Advantagesanddisadvantagesof thesemeasurementsare discussed: crack2opening testis sim2ple , but it dependson howthe bladeis insertedand it dependentson the measurementconditionstoo. It doesnot al2low measuringtoughnessvaluesgreaterthan the substratetoughness; MC Testcan study the sourcesof yield and reli2ability problemsof micromechanicalcomponents; tensile/ sheartest sample givesbetter informationon the bondedin2terface but is often limited by difficulties in loading and sample handling; ultrasonic methodis fitted for weak bond.This paper can help investigaterto improve methodsof measuringthe bond strength.Key words : bond strength; wafer bonding; surfaceenergyEEACC : 2570D硅片键合强度测试方法的进展肖滢滢 1 , 王建华 1 , 黄庆安 2 , 秦 明 21. 合肥工业大学理学院 ,合肥 230009 ;2. 东南大学 MEMS 教育部重点实验室 ,南京 210096摘要 :键合强度是关系到键合好坏的一个重要参数 。 本文介绍了键合强度测试方法的理论基础 ;随后列举了几种常见的测量方法 ,包括裂纹传播扩散法 、 静态流体油压法 、 四点弯曲分层法 、 MC 测试方法 、 直拉法及非破坏性测试方法 (超声波测试法和颗粒法 ) 。 分析了各种方法的优缺点 :裂纹传播扩散法操作简单 ,但它受测量环境 、 如何插入刀片等因素的影响 ,而且只适合于较弱的键合强度测试 ;对于较强的键合强度还是采用直拉法来测量 ,但它受到拉力手柄粘合剂的限制 ;对于器件中的键合强度测量采用 MC 测试方法更为适宜 ;超声波测试法现在只适用于弱键合强度 。 本文能对键合强度测量方法的开发 、 改进工作有所帮助 。关键词 :键合强度 ;键合 ;表面能中图分类号 :TN432 文献标识码 :A 文章编号 :1005 - 9490(2004) 02 - 0360- 06键合技术是将两抛光硅片经化学清洗后粘贴在一起 ,再经过退火处理 ,界面发生物理化学反应 ,形成化学键的连接 。 这种硅片直接键合 (Silicon Di2rect Bonding, SDB) 技术不需要任何粘合剂 ;两键合片的电阻率和导电类型可以自由选择 ;而且工艺简单 [1 ] 。 硅片直接键合技术自 1985 年在国际电子器件会上由 IBM 公司 Lasky 等人 [2 ] 报道用来制备高质量的 SOI 衬底材料以来 ,以其工艺简单 、 灵活性大 、第 27 卷第 2 期2004 年 6 月 电 子 器 件ChineseJournal of ElectronDevices Vol. 27 ,No. 2June. 2004收稿日期 : 2004 - 02 - 23作者简介 : 肖滢滢 (1980 - ) ,女 ,硕士研究生 ,主要从事硅片键合技术研究 ,xiaoyingying1980 @yahoo. com. cn.王建华 (1950 - ) ,男 ,副教授 ,现从事微电子教学与研究 ;黄庆安 (1963 - ) ,男 ,教授 、 博士生导师 ,现从事 MEMS 教学研究 ,hqa @seu.edu. cn.? 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.所获得的材料在结构和电学性能等方面都显示出优良性能而受到广泛重视 。尽管 SDB 技术是为制备 SOI 材料和电力电子器件而提出的 ,但在传感器 、 执行器和微结构中却最先得到应用 [3 ,4 ] 。 SDB技术成功地应用于 Si/ Si ,Si/ SiO2 [5 ] 等材料的制备 ,成为制备复合材料及实现微机械加工的重要手段 。在键合技术中 ,键合强度是一个非常重要的参数 。 它是关系到键合好坏的一个技术指标 :键合强度小 ,在加工过程中两键合片很有可能会开裂 ,导致失效 ;只有键合强度大 ,才能保证产品的成品率和质量 。 在工业中应用的许多器件都要求有强的键合强度和稳定的键合界面 。人们为了得到良好的键合片 ,提出了许多键合方法 [6 ] 。 对于键合强度的测量 ,现在已有很多种方法 ,有的是破坏性的 ,有的是非破坏性的 ,但是还存在很多问题 : 数据是在各自不同的工艺条件 、 试样尺寸和测试仪器下获得的 ,缺乏通用性和权威性 ; 而且至今没有一个统一的标准来进行表征 :有的方法是用使键合界面开裂所作的功来表征 ;有的方法是用使键合界面开裂所用的力来表征 。这样不同的表征方法之间进行比较很不方便 。本文的目的就是希望通过评述现今采用的几种测量键合强度的方法 ,能对我国研究人员在对键合强度测量方法进行开发 、 改进时有所帮助 。1 用功来表征的测量方法111 理论分析单位面积的界面能定义为机械地将键合在一起的表面 1 和表面 2 从原始距离 d0 分开至无穷远处所作的功 :W = γ 1 + γ 2 = ∫∞d0 F( x) d x (1)其中 γ 1 、γ 2 为键合分开瞬间产生的表面 1、 表面 2的表面能 , F ( x) 是分开的过程中单位面积的吸引力 。 我们就用这里得到的界面能 (也称为键合能 )来表示键合强度 。 如果两键合晶片是相同材料 ,就有 γ 1 =γ 2 =γ ,键合强度为 2γ 。 习惯上 ,我们就用键合片被部分分开时的两键合片表面能的平均值作为键合强度 [7 ] 。另外 ,键合强度还可用应变释放能来得到 。根据 Griffith 理论知道 [7 ]W = 2γ = GIc (2)其中 W 为产生单位面积的两个新表面所作的功 ,2γ 为形成其自由表面所需的表面能 , GIc 为裂纹扩展单位面积释放的应变能 (又称应变能释放率 ) [8] 。从式 (2) 可以看出 :当裂纹扩展单位面积释放的应变能恰好等于形成其自由表面所需的表面能时 ,裂纹就处于不稳定平衡状态 ;若裂纹扩展单位面积释放的应变能大于形成其自由表面所需的表面能时 ,裂纹就会失稳扩展而断裂 [9 ] 。裂纹扩展单位面积释放的应变能 GIc = K2Ic (1 - ν 2)E ,ν 为泊松比 ,平面应变断裂韧度 KIc = Yσ c a (其中 Y 为几何常数 ,它与样品的尺寸 ,裂纹尺寸和负载的情况有关 ,可用有限元分析的方法 ( FEM) 或解析的方法得到 。 σ c为界面应力 , a 为初始的裂纹长度 ) 。这样 ,我们就可以从应变能量释放的角度来得出键合强度 。112 测量键合强度的方法11211 裂纹传播扩散法 (CrackOpening) [6 ]测量表面能最传统的方法是裂纹传播扩散法(俗称刀片插入法 ) 。 这种方法是 1988年由 Maszara首先提出的 [10 ] ,如图 1 所示 , tb 为刀片厚度 ,w 为键图 1 裂纹传播扩散法示意图合片宽度 , tw1为键合晶片 1 的厚度 , tw2为键合晶片2 的厚度 , E1 为晶片 1 的杨氏模量 , E2 为晶片 2 的杨氏模量 。 此方法是利用键合片分开部分的弹性力和开裂顶端的键合力相平衡的原理建立方程 。系统总的能量等式 :Etotal = Eelas1 + Eelas2 + (γ 1 + γ 2 ) L w (3)将弹性能量 Eelas , i = F2i L36 Ei Ii ,弯曲力 Fi =Ei w t3wi tbi4L 3 ,弯曲量的转动惯量 Ii =t3wi w12 , ( i = 1 ,2) 带入 (3) 式 ,经计算化简得 :Etotal = w E1 t3w1 t2b1 + w E2 t3w2 t 2b28L3 + (γ 1 + γ 2 ) L w(4)由力的平衡条件 :5 Etotal5L = 0(5)163第 2 期 肖滢滢 , 王建华等 :硅片键合强度测试方法的进展 ? 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.可得 :γ 1 + γ 2 = 3( E1 t3w1 t2b1 + E2 t3w2 t2b2)8L4 (6)由于 tb = tb1 + tb2 ,则再由式 (4) 、 (5) 、 (6) 可得到 :γ 1 + γ 2 = 3 t2b E1 t3w1 E2 t 3w28L 4 ( E1 t3w1 + E2 t3w2 ) (7)从而得到键合片的平均表面能为 :γ = 3 t2b E1 t3w1 E2 t3w216L4 ( E1 t3w1 + E2 t3w2 ) (8)当键合片由同种晶片构成 (即 : tw1 = tw2 = tw , E1 =E2 = E) ,式 (8) 可变为 :γ = 3 Et3w t2b32L 4 (9)当 tw2 μ tw1 , E1 = E2 = E 时 ,式 (8) 可变为 :γ = 3 Et3w t2b16L 4 (10)由于材料的各向异性 ,将式 (10) 修正为 [11 ] :γ = 3 Ed3 y28(1 - ν 2 ) L 4 (11)其中 ν 为泊松比 ,从而就可以得到键合片的键合能 。 这种方法简单快捷。由以上我们可以看出 :在实验中 ,我们主要测量的是裂纹长度 L 。 L 是由红外线系统测得 ,但红外线系统所能测的最小间隙为 250 nm ,用这种方法测量的 L 精确性受到限制 ,键合能与 L 是四次方的关系 ,这样计算的结果一般会有 10 %的误差 。 正如 Bagdahn等人所提出的 [12 ] :通过有限元分析 ,随着键合强度的增强 ,误差会增大甚至导致错误 ,在他们的实验中误差为 20 %～ 80 %(如图 2) 。图 2 用不同的红外线测试方法得到的表面能与退火温度的关系曲线的比较而且 ,刀片插入通常是人工进行 ,如何插入会影响测量结果 ;测量环境也会影响测量 ,从式 (1) 我们可以看出这个过程是可逆的 。然而 ,事实上这个过程是不可逆的 ,当界面被打开 ,新产生的两个表面就会吸收周围环境中的物质从而降低自己的表面能 ,最终达到稳态 。因此 ,在没有正确的防范措施的情况下 ,测得的键合能并非实际上的键合能 。另外 ,刀片 插 入 速 率 也 会 影 响 测 得 的 键 合 能 的值 [13 ] ,图 3 和 4 分别说明了在退火样品中四种不同刀片插入速率的裂纹长度与刀片位移的关系 ,以及在未退火样品中刀片插入速率对键合能的影响 。以上因素都会给测量键合能带来不便和误差 。最重要的一点是当键合片的强度很高时刀片无法插入 ,此方法就不再适用 。图 3 裂纹长度与刀片位移的关系图 4 刀片插入速率对键合能的影响11212 静态液体油压法 (blister test) [14 ]静态液体油压法是由 Shimbo在 1986 年提出的 ,如图 5 所示 ,测试样品的其中一晶片中间带有孔 ,静态油压由下施加给上面的晶片上 ,键合界面开裂时的临界压强 Pf 可以测得 。 由于这种特殊的图 5 静态液体油压法实验结构 ,键合能 γ 与临界压强 Pf 的关系可写为 [6 ] :γ = 01088 P2f a4Et3w (12)其中 a 为孔的半径 , E 和 tw 分别为上面晶片的杨氏模量和厚度 。这种测量方法在传感器设计方面有重要应用 ,但由于这种复杂的界面施压结构 ,用它并不能得到263 电 子 器 件 第 27 卷? 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.键合片的具体细节特性 [15 ] 。11213 四点弯曲分层法 [16 ,17 ]四点 弯 曲 分 层 技 术 是 由 Charalambides提 出的 [17 ] 。后经 Arturo A. Ayon 将此技术用于键合强度测试中 。 它的结构示意图如图 6[16 ] 。对于裂纹扩(a)(b)图 6 四点弯曲分层法结构示意图展单位面积释放的应变能可由公式 :GIc = 214 M2b2 h3(1 - ν 2)E (13)算出 。 其中 b 为键合片宽度 ,2 h 为键合片厚度 ,ν为泊松比 , E 为杨氏模量 ,力矩 M = PL2 。 由式 (2) ,我们可以得到键合强度。它不必再去测量裂纹长度 ,避免了裂纹传播法的不精确性 。 但这种方法有一个测量范围 ,当退火温度达到 900～ 1000℃ 后 ,键合强度就可能超出这个范围 ,无法测出精确的键合强度 。11214 MC 测试方法 (Micro - Chevron- Test) [18 ]MC 测试方法是由 Bagdahn等人于 1999年提出的 。 它是为了测试键合器件的强度特性 ,由刀片插入法的思想发展而来的 。 如图 7 所示 ,在键合之前先在其中一片晶片上用湿法各向异性腐蚀产生一个楔状结构 ,样品尺寸为 10 × 10 mm2 ,这样 4 英寸的片子可以得到 52 个测试样品 。在测试初期 ,楔状顶端的裂纹随着拉力增加稳定扩展 ,当裂纹达到临界长度后 ,裂纹扩展加速 。平面应变断裂韧度KIc可以由拉力的最大值 Fmax 求得 。 Bagdahn等人用 3D 有限元模拟推出 KIc 与 Fmax之间的关系 :KIc = FmaxB w015407 × α 0 + 010904t32(14)图 7 MC 测试方法结构示意图其中 α 0 为楔状顶端和拉力柄边缘的距离与样品长度 w 的比值 ; t 为晶片的厚度 ; B 为样品的宽度 。MC 测试方法虽然是源于刀片插入法 ,但它却比刀片插入法优越许多 。在 MC 方法中 ,一片键合片可以做多次试验 ,而刀片插入法只能测一次 ;MC法具有较高的精度和可行性 ,它的误差范围一般在± 3 %以内 ;而且 ,此方法的试验结果可以说明整个片子键合强度的分布情况 。2 用力来表征的测量方法直拉法 (tensile/ sheartest) 是用拉开键合片的最大拉力来表示的 ,因为拉开键合片的力变化过程并不能测出 ,所以不能用式 (1) 来求出键合强度 。 图 8是两种直拉法的实验结构 : (a) 为用相反方向的拉力垂直拉开键合片的结构示意图 ; (b) 为将键合在厚晶片上的薄晶片拉下的结构示意图 。(a) 中结构对样品从键合片上切下来所带来的残余损伤非常敏感 。在 1990 年 Abe 针对这一缺点 ,而且由于在许多应用中 ,键合片中的一个硅片通常需要减薄到 100 nm或几个 μ m ,提出了 ( b) 中结构 [19 ] 。图 8 两种直拉法的结构示意图还有另外一种直拉法结构 [20 ] ,如图 9 所示 。 这种方法一大特点是可用来研究硅片键合过程中的动力学变化 ,可测出键合各个阶段的键合强度 ,而且减小了样品本身应力对测量结果带来的影响 。测量仪器和外界的污染所带来的误差一般在 10 %363第 2 期 肖滢滢 , 王建华等 :硅片键合强度测试方法的进展 ? 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.以内 。图 9 torsion or shear test 示意图直拉法仍然被用于强键合片的键合强度测试中 ,它克服了刀片插入法用于强键合片时刀片不能插入的缺点 ,但这种方法却受到了拉力手柄粘合剂的限制 ,当键合强度大于粘合剂的粘黏度时 ,拉力手柄就会先于键合片开裂而脱离键合片 ,无法继续进行测量 。 一般所用的粘合剂为环氧树脂 ,所能测量的最大键合强度为 80MPa [19 ]。但可用这种方法进行大致的比较试验 。 在实验中 ,键合片拉裂的情况分为三种 : ① 从粘合剂处裂开 ; ③ 从硅体内部的缺陷或空洞处裂开 ; ③ 从键合界面处裂开 。显然 ,第(1)种情况键合强度最强 。3 键合强度的非破坏性测试现在人们正在通过多种方法进行对硅片键合强度的非破坏性测试 ,其中大都是基于声学技术的方法 。下面简单的介绍一种基于声学的方法 [21 ] 。通过增加超声波探针脉冲的振幅 ,键合界面就产生一个非线性的反驱动力 。如图 10 所示 ,正弦信号加在样品上 ,用宽波段超声换能器来接收键合界面的弹性响应调制信号 ,接受的信号经傅立叶变换 ,用傅立叶分项的最大值作为键合强度 。而且在退火温度的作用下键合的一些变化可以被测量出来 ,超声换能器的发展还给这类非破坏性测量方法带来了潜力 。但现今这些方法都只能适用于弱键合强度的键合片上 ,而在实际应用中人们大都追求的是强的键合强度 ,这就限制了这些方法的推广 。基于声学的方法还有待研究 。2000 年 Pasquariello提出一种新的非破坏性测量方法 — — — 颗粒法 [22 ] 。它是在键合片界面处引入一个 SiO2 小颗粒 ,键合退火后键合片形如图 11 所示 。 根据在颗粒周围未键合部分表面能与弹性能之和达到最小值时键合达到平衡建立方程 ,并可解图 10 基于声学的非破坏性测试示意图图 11 颗粒法结构示意图出表面能 γ ,即 :γ = 8 Ed312 (1 - ν 2 ) R4Δ 2 (15)其中 2Δ 为 SiO2 颗粒高度 , R 为平衡时未键合圆形的半径 , d 为晶片厚度 。此方法与刀片插入法相比较有许多优点 : (1)无破坏性和无接触式 ; (2) 在测量前已引入刀片代替物 ,不必担心刀片插入和周围环境所带来的误差 ; (3) 无人为因素 ,增加了可比较性 。但它并不能测量出在储藏期间键合能的变化 。4 结束语在实际应用中 ,不管是质量的控制还是键合技术的要求 ,都需要合适的键合强度测试方法 。本文对各种键合强度测试方法进行了论述 ,从现有方法来看 ,虽然刀片插入法操作简单 ,但它受很多因素影响 ,而且只适合于较弱的键合强度测试 ;而对于较强的键合强度一般还是采用直拉法来测量 ;对于器件中的键合强度测量采用 MC 测试方法更为适宜 ;非破坏性测试方法具有其他方法不可比拟的优势 ,但基于声学的方法只适用于弱键合强度 ,而颗粒法刚刚提出还存在着一些问题 。至今 ,键合强度测试还没有通用的标准 ,因此对键合强度的测试还有很多工作还要深入研究 ,其中必须注意一些问题 ,如样品尺寸 、 易碎性 、 各向异性 、 被腐蚀的晶片463 电 子 器 件 第 27 卷? 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.表面 、 界面空洞等 ;而且非破坏性实验方法是一种趋势 。参考文献 :[1 ] 黄庆安 . 硅微机械加工技术 [M]. 北京 : 科学出版社 .[2 ] Lasky J B. Wafer bonding for silicon2on2insulator technolo2gies[J ]. Appl. phys. Lett. Jan. , 1986 , 148( 1) : 78 - 80.[3 ] Barth P W. Silicon fusion bonding for fabrication of sensors[J ]. actuators and microstructures Sensors and Actuators ,1990 , A21 - 23 : 919.[4 ] Sakai T , et al. Ion sensitive FET with a silicon insulator -silicon - structure[ C]. Proc. 4th Int. Conf. Solid state Sen2sors and Actuators , Japan , 1987 , July : 711.[5 ] Xu Xiao2li , et al. Silicon on Quartz by Solid State DiffusionBonging Technology [ J ]. Electronics Letters , 1998 , 24(11) : 691 - 692.[6 ] Tong Q Y, Gosele U : Semiconductorwafer bonding : scienceand technology[M]. Wiley , New York , 1999.[7 ] Tong Q Y. Wafer bonding for integrated materials[J ]. Ma2terials Science and Engineering, 2001 , B87 : 323 - 328.[8 ] Viggo Tvergaard , John W. Hutchinson. 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