ICS31.080.99GB/T41853—2022/IEC62047-9:2011半導體器件微機電器件晶圓間鍵合強度測量Micro-electromechanicalde國家標準化管理委員會國家市場監(jiān)督管理總局發(fā)布國家標準化管理委員會I 12規(guī)范性引用文件 13術(shù)語和定義 1 14.1總則 14.2目測法 1 24.4雙懸臂梁測試法 4 64.6氣泡測試法 74.7三點彎曲測試法 94.8芯片剪切測試法 附錄A(資料性)鍵合強度示例 附錄B(資料性)三點彎曲測試法試樣的制作工藝示例 ⅢGB/T41853—2022/IEC62047-9:2011本文件按照GB/T1.1—2020《標準化工作導則第1部分：標準化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定本文件等同采用IEC62047-9:2011《半導體器件微機電器件第9部分：MEMS的晶圓間鍵合本文件做了下列最小限度的編輯性改動：a)為與現(xiàn)有標準協(xié)調(diào)，將標準名稱改為《半導體器件微機電器件晶圓間鍵合強度測量》;b)納入IEC62047-9:2011/COR1:2012的修改內(nèi)容，所涉及的條款的外側(cè)頁邊空白位置用垂直雙線(Ⅱ)進行了標示；c)糾正了IEC62047-9:2011原文的錯誤：第2章中ISO6892-1:2009和ASTME399-06e2:2008在文中是資料性提及，刪除ISO6892-1:2009和ASTME399-06e2:2008;在參考文獻中增加ISO6892-1:2009和ASTME399-06e2:2008;d)糾正了IEC62047-9:2011原文的錯誤：圖5和圖6中的二維圖不能明確標識出試樣的寬度，請注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機構(gòu)不承擔識別專利的責任。本文件由全國微機電技術(shù)標準化技術(shù)委員會(SAC/TC336)提出并歸口。1GB/T41853—2022/IEC62047-9:2011半導體器件微機電器件晶圓間鍵合強度測量本文件規(guī)定了晶圓鍵合后鍵合強度的測量方法，適用于硅-硅共熔鍵合、硅-玻璃陽極鍵合等多種晶圓鍵合方式，以及MEMS工藝、組裝流程中相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸的鍵合強度的評估。本文件適用于從十微米到幾毫米厚的晶圓間的鍵合強度測量。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本文件。IEC60749-19半導體器件機械和氣候試驗方法第19部分：芯片剪切強度(Semiconductordevices—Mechanicalandclimatictestmethods—Part19:Dieshearstrength)3術(shù)語和定義本文件沒有需要界定的術(shù)語和定義。4測量方法點彎曲(形變)測試法，以及芯片剪切測試法。4.2目測法4.2.1目測法類型通過觀察硅基片和玻璃表面顏色變化，只能判別兩種材料是否鍵合在一起的基本信息。應采用目測法確認是否進行后續(xù)的鍵合強度測試，以及應選擇哪個區(qū)域進行測試。應采用光學顯微鏡觀察硅-玻璃和玻璃-玻璃的鍵合接觸面。應采用紅外攝像機觀察硅-硅鍵合接觸面是否存在空隙。適用的檢測設(shè)備可能會用到一臺或多臺，包括：光學顯微鏡(OM)、掃描聲學顯微鏡(SAM)、掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM),以及紅外攝像機(IR)或光學攝像機(OR)。2GB/T41853—2022/IEC62047-9:2011a)用紅外顯微鏡或光學顯微鏡觀察空隙；c)用獲取的圖像測量空隙面積。表1目測法示例目測法觀察結(jié)果良好合格不合格注：良好——鍵合完好區(qū)域大于95%;合格——鍵合完好區(qū)域大于75%;不合格——鍵合完好區(qū)域小于75%。4.3拉力測試法如圖1所示，采用常規(guī)拉力測試方法測量晶圓鍵合強圓切割成方形試樣。切片后測量試樣面積(A)的尺寸。采用合適的黏結(jié)劑將試樣的正面與背面分別粘到與負載單元相連的上螺柱和下螺柱表面。施加向上的拉力直到發(fā)生斷裂。如果晶圓間鍵合強度非常鍵合強度不太大且可以從鍵合界面斷裂的情況。在拉動過程中，可以測量到隨時間變化的施加的力或…………(1)F.——鍵合解除或斷裂發(fā)生時施加的力(斷裂力);A——試樣的面積。3GB/T41853—2022/IEC62047-9:201166F32標引序號說明：結(jié)構(gòu)載荷F——施加在試樣上的拉力。圖1鍵合強度測量——拉力測試法參照ISO6892-1:2009,宜選用帶有測力計或測力單元的拉力檢測設(shè)備。觀察鍵合層斷裂面的步驟如下。寸也受負載單元的性能限制。因此，負載單元的精度應等于或小于滿量程或讀數(shù)的1%。b)用黏結(jié)劑將試樣與上、下螺柱黏結(jié)到一起。在選擇黏結(jié)劑時宜考慮斷裂發(fā)生前持續(xù)時間久的規(guī)格型號。粘結(jié)晶圓的側(cè)面不宜使用黏結(jié)劑。的應力。負載單元加載速度介于0.5mm/min～1.5mm/min之間。通過斷裂時的負載數(shù)據(jù)，能計算出最大鍵合強度。負載隨時間變化的示例見附錄A。e)為確保測試數(shù)據(jù)的可靠性，應測量至少10只試樣。將對應的內(nèi)容核對后填入表2。4GB/T41853—2022/IEC62047-9:2011表2拉力測試法示例內(nèi)容參考標準材料類型(制造方法)鍵合方法試樣形狀和尺寸黏結(jié)劑(或膠水)類型試樣數(shù)量負載單元施加速度測量到的斷裂力(F,)受驗試樣的鍵合面積(A)鍵合強度(o。)如圖2所示，楔形開口測試又稱作雙懸臂梁測試。該方法適合測試硅-硅共熔鍵合和硅-玻璃陽極鍵合晶圓。如果被檢驗的兩晶圓間的鍵合強度太強，測試過程中標引序號說明：結(jié)構(gòu)或觀察工具零件尺寸1——受驗試樣：由晶圓1和2鍵合形成的小塊晶圓；h?——晶圓1的厚度；2——晶圓1:與晶圓2相鍵合；h,晶圓2的厚度；3——晶圓2:與晶圓1相鍵合；6——紅外攝像機：用來測量試樣分離區(qū)的裂縫長度。圖2鍵合強度測量雙懸臂梁測試法5裂縫長度是自由負載懸臂梁的應變能和鍵合面間的鍵合能能量平衡的結(jié)果。因此，該方法中評估鍵合強度采用臨界應變能釋放率，而不采用斷裂應力。臨界應變能釋放率按公式(2)計算：式中：G.——臨界應變能釋放率(界面斷裂韌度);E,E。晶圓1和晶圓2的彈性系數(shù)；h?、h?——晶圓1和晶圓2的厚度；d——楔形刀刃的厚度；a——裂縫長度。 (3)4.4.2設(shè)備試驗宜使用楔形刀刃和試樣固定裝置。推薦使用厚度為30pμm～200μm的刀刃。4.4.3過程雙懸臂梁測試的步驟如下。a)經(jīng)過硅-硅或硅-玻璃鍵合后的晶圓，利用切片工藝切割成狹長的條狀試樣，保證試樣至少有一端是晶圓的邊緣。同時，條狀試樣的寬度宜小于刀刃的寬度。b)將試樣放入固定裝置中。c)利用鍵合晶圓邊緣的層間隙，將刀刃插入條形試樣的一端。d)使用光學或紅外攝像機，或掃描聲學顯微鏡測量裂縫長度。e)用公式(2)計算晶圓鍵合界面間的臨界應變能釋放率。f)為確保測試數(shù)據(jù)的可靠性，應測量至少10只試樣。4.4.4測試報告將對應的內(nèi)容填入表3,然后通過公式(2)、公式(3)或公式(4)計算出G。,并填入表3中。表3雙懸臂梁測試法示例內(nèi)容試樣形狀試樣固定的方法刀刃的插入速度(選填)試樣數(shù)量裂縫長度(a)刀刃厚度(d)6GB/T41853—2022/IEC62047-9:2011表3雙懸臂梁測試法示例(續(xù))內(nèi)容晶圓1的材料晶圓2的材料晶圓1的厚度(h?)晶圓2的厚度(h?)晶圓1的彈性系數(shù)(E)晶圓2的彈性系數(shù)(E?)臨界應變能釋放率(G.)如圖3所示，玻璃晶圓和表面制作了SiO?圖形層的硅晶圓完成了陽極鍵合。晶圓的厚度通常為50μm～1mm。硅晶圓上SiO?圖形層周圍的鍵合強度1——受驗試樣由玻璃晶圓和表面有SiO?圖形層的硅晶圓；2——SiO?:硅晶圓與玻璃晶圓間的SiO?圖形層；3——Si:硅襯底層橫截面上觀察到的未鍵合區(qū)長度；tg——玻璃晶圓的厚度；4.5.2設(shè)備7GB/T41853—2022/IEC62047-9:2011測量未鍵合區(qū)域長度的步驟如下。a)為了制作試樣，需要將制作了SiO?圖形層的硅晶圓和玻璃晶圓進行陽極鍵合。SiO?層的厚度大于1μm。陽極鍵合是一種把硅晶圓和含有堿性離子的玻璃晶圓結(jié)合在一起的工藝。該工藝在200℃~500℃在真空、空氣或惰性氣體環(huán)境中進行。上、下兩晶圓間施加500V~1500V電壓，玻璃晶圓處于負電勢，引起了玻璃晶圓中的可動陽離子(主要是Na+)通過硅-可移動陽離子到達了陰極，意味著鍵合工藝已完成。玻璃晶圓中固定不動的負電荷與硅晶圓中等量的正電荷所產(chǎn)生的靜電吸引作用，使得兩個晶圓鍵合在一起，并促進硅化學鍵連接。通過陽極鍵合工藝制作出的試樣，如圖3所示。b)使用光學顯微鏡或SEM(掃描電子顯微鏡)觀察試樣的橫截面，測量其未鍵合區(qū)域的長度。c)為確保測試數(shù)據(jù)的可靠性，應測量至少10只試樣。4.5.4測試報告將對應的內(nèi)容填入表4。靜電測試法只是一種定性分析方法，而不是準確的定量分析方法，通常僅用于快速而簡單的對比晶圓鍵合強度。表4靜電測試法示例內(nèi)容晶圓鍵合溫度外加電壓外加電壓的持續(xù)時間加熱與冷卻速率SiO?層的厚度SiO?層的圖形(點或線)鍵合試樣的形狀測試環(huán)境的溫度與濕度玻璃晶圓的材料玻璃晶圓的彈性系數(shù)(E)玻璃晶圓的厚度(tg)硅晶圓的厚度(t。)未鍵合區(qū)域的長度(a)4.6氣泡測試法當晶圓鍵合強度很高時，用拉力測試法或雙懸臂梁測試法難以測量，適用氣泡測試法。拉力測試致鍵合界面尚未解除就出現(xiàn)某一晶圓層被破壞的情況，從而無法進一步測試。氣泡測試法能降低上述8GB/T41853—2022/IEC62047-9:2011蘭及裝有O型圈的夾具，將靜壓載荷管道與測試設(shè)備連接在一起。通過通孔與微溝槽，向試樣的鍵合4.6.2試樣制備作通孔、淺腔以及連接通孔和淺腔的微溝槽等結(jié)構(gòu)。淺腔的形狀宜制作圓形或者方形。然后將制備好4所示。各尺寸間的關(guān)系推薦如下：——a>5t?,5t?;——W?,W?>2a;——W?>4a;———w?<a/5;圖4氣泡測試法9GB/T41853—2022/IEC62047-9:2011應測量至少10只試樣。4.6.3.2試樣固定4.7三點彎曲測試法如圖5所示，該方法是通過三點彎曲來評估晶圓鍵合強度的一種方法。對從鍵合晶圓切割的試樣強度。GB/T41853—2022/IEC62047-9:2011標引序號說明：結(jié)構(gòu)或試樣載荷和試樣尺寸1受驗試樣：帶有未鍵合區(qū)的小塊硅-玻璃晶圓；2——硅：與玻璃鍵合的硅晶圓；3——玻璃：與硅鍵合的玻璃晶圓；4——支撐工具；為試樣提供支撐的工具；s——載荷施加位置之間的跨度距離；5——施力工具：將外力施加在試樣上的工具。圖5三點彎曲測試的試樣和加載方法式中：σ?！I合界面的彎曲斷裂強度；F.——試樣斷裂所需的外加載荷；s——載荷施加位置的跨度間距；W試樣的寬度；B—試樣的厚度；a———未鍵合區(qū)域的長度。如能按下述要求制備試樣，則該測試方法適用于任意鍵合方式的晶圓。為盡量減小尺度效應的影響，該測試方法適用于厚度為1mm左右的試樣。4.7.2試樣制備試樣的制備過程宜與器件的制造工藝過程盡可能相近，包括鍵合界面。推薦采用圖6所示試樣的尺寸作為標準尺寸。應按照圖6所示方式在試樣上制作未鍵合區(qū)域。參照ASTME399-06e2:2008的附件A.3,能找到載荷施加跨度(s)、寬度(w)以及未鍵合區(qū)域長度(a)的推薦組合。未鍵合區(qū)域的寬度宜為0.01mm。附錄B列舉了一種試樣制備工藝方法?？紤]到各試樣的尺寸可能不盡相同，試驗前應對所有的試樣進行尺寸測量。測量數(shù)據(jù)的精度應在±1%之內(nèi)。w=0.5w=0.5GB/T41853—2022/IEC62047-9:2011單位為毫米B=0.5u2標引序號說明：2——玻璃：與硅鍵合的玻璃晶圓。圖6三點彎曲測試法試樣的尺寸示例應測量至少10只試樣。試樣應固定以便于施加三點彎曲載荷，如圖5所示。a)試樣的鍵合邊界與測試設(shè)備的加載軸對齊；b)試樣放置在一個能在鍵合界面平行方向上施加力的位置。為獲得好的試樣固定效果，推薦在光學顯微鏡下操作。用于施加載荷的滾輪宜采用不會顯著變形的材料。推薦采用半徑為0.3mm的滾輪。試驗宜通過機械測試設(shè)備施加載荷，該設(shè)備能在微結(jié)構(gòu)上施加壓載荷。也可使用壓痕設(shè)備。試樣載荷測量應采用精度為5%以內(nèi)的力學傳感器。晶圓鍵合界面的彎曲斷裂強度應使用公式(5)計算。GB/T41853—2022/IEC62047-9:2011測試報告應包含以下內(nèi)容：a)依據(jù)本文件；b)鍵合的材料；c)鍵合的方法和條件；d)試樣的形狀；e)鍵合層斷裂時的彎曲斷裂強度。4.8芯片剪切測試法作為一種鍵合強度測量方法，芯片剪切測試法的原理如圖7所示。固定已鍵合晶圓的某一層，利用接觸工具對晶圓的另一層施加剪切力，鍵合解除的晶圓鍵合強度可用公式(6)計算得出。圖7芯片剪切測試法示例…………T?！I合解除的晶圓鍵合強度；Q。鍵合解除時施加的剪切力；Ab試樣的鍵合面積。IEC60749-19文件已經(jīng)規(guī)定了焊點的剪切強度測試方法。通過將試樣尺寸減小到幾毫米，并說明試樣制作方法，該標準也能應用于MEMS器件的晶圓鍵合強度測量。4.8.2試樣制備4.8.2.1形狀和尺寸試樣宜制備成邊長為幾個毫米的矩形且其某個邊長應小于接觸工具的寬度(見圖8)。試樣的厚度宜根據(jù)晶圓的厚度來確定。GB/T41853—2022/IEC62047-9:2011a——接觸工其的寬度；圖8試樣和接觸工具尺寸示例為了避免切片過程中破壞鍵合區(qū)域，制備試樣時應將鍵合區(qū)域分布在試樣的中心位置。同時，試樣的四周邊緣宜存在一定的未鍵合區(qū)域(見圖9)。如果鍵合界面未進行圖形化，鍵合區(qū)域可能延伸到試樣邊緣。所有試樣鍵合區(qū)域的形狀和面積宜完全相同。圖9試件中的鍵合區(qū)域示例鍵合區(qū)域圖形尺寸和厚度。測試裝置應配備一個施力儀器，其最低精度達到該儀器滿量程的5%以內(nèi)或500mN以內(nèi)即可。a)接觸工具能把應力均勻地施加到試樣邊緣；b)接觸工具應垂直于試樣的邊緣；d)裝有合適光源的設(shè)備以便在測試過程中觀察(例如能放大10倍)試樣和接觸工具。GB/T41853—2022/IEC62047-9:2011應測量至少10只試樣。剪切力應使用4.8.3中規(guī)定的設(shè)備施加。應在試樣上持續(xù)施加剪切力直到鍵合解除。推薦的剪切c)接觸工具應至少接觸與上層芯片(未固定一側(cè))厚度的3/4(如圖10所示)。標引序號說明：試樣和接觸工具1——測試片：帶有鍵合區(qū)域的小塊鍵合晶圓；2——接觸工具：用于將應力施加在試樣的邊緣。應力和試樣尺寸x——上層晶圓的厚度：圖10接觸工具設(shè)置示例4.8.5鍵合剪切強度試驗后應根據(jù)鍵合面破損時的剪切力(Q。)和鍵合面積(Ab)4.8.6測試報告a)依據(jù)本文件；c)試樣的數(shù)量；d)鍵合解除條件；e)剪切力速度；bbPaGB/T41853—2022/IEC62047-9:2011(資料性)鍵合強度示例上拉夾具以恒定速率移動時，剪切強度隨時間變化的曲線如圖A.1所示。試樣通過陽極鍵合工藝制作而成，其鍵合層分別為500μm厚的硅晶圓和500μm厚的玻璃晶圓。鍵合后將晶圓切割成5mm×5mm的正方形試樣。圖A.1上拉夾具以恒定速率移動時剪切強度隨時間變化的曲線GB/T41853—2022/IEC62047-9:2011(資料性)有多種加工方法可以制作三點彎曲測試法的試驗樣本，圖B.1給出了一種制作硅晶圓與玻璃晶圓和全切的切片方式制作出符合要求的試樣。32)采用ICP-RIE工藝制作硅柱3)對硅晶圓與玻璃晶圓進行陽極鍵合2電壓高溫4)切片5)裂片圖B.1三點彎曲測試法試樣的制備工藝示例[1]ISO6892-1:2009Metallicmaterials—Tensiletesting—Part1:Methodoftestatroomtemperature[2]IEC60747-14-1:Semiconductordevices—Part14-1:Semiconductorsensors—Generaland[3]IEC62047-2,Ed.1:Semiconductordevices—Micro-electromechanical