CN105486437A - 一种原位应力检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体检测领域，尤其涉及一种原位应力检测装置及其检测方法，通过在一键合装置上盖设置一透明凹槽观察视窗，就可以对键合过程中硅片界面的应力状态进行实时监控，从而研究应力产生的原因，应力与阳极键合条件(温度、压力、通电时间)之间的关系，为控制阳极键合过程中硅片的应力提供指导，从而提高键合结构的结构完整性。同时，应用原位激光拉曼光谱研究硅-玻璃阳极键合的应力也是一种全新的方法。

Description

一种原位应力检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及半导体检测领域，尤其涉及一种原位应力检测装置及检测方法。

背景技术

目前，基于激光拉曼光谱的化学反应原位表征技术应用较多，其中一个关键装置是原位反应池。原位反应池一般包括可拆卸样品池、玻璃视窗、密封结构、加热及冷却系统等。可以实现高温、高压条件下的气、固、液反应的原位监测。

虽然目前有一种接近的现实产品-阳极键合机，但是，现有的阳极键合机体积较大，无法实现阳极键合过程的原位观察。现有的原位反应池只能做微量化学反应物质的原位研究，且反应条件一般都和温度、气相、压力等相关，未见到涉及到电学条件的原位反应研究。此外，现有的键合机存在体积较大，空间限制，且绝大部分采用的是平面阴极的阳极键合，无法对阳极键合的过程中硅片的应力进行实时监测。拉曼光谱作为监测硅片应力状态的一个可行的手段，但是由于其聚焦镜头工作距离太短，无法容纳现有的阳极键合装置。因此硅玻璃阳极键合应力的原位监测一直是个空白。

所以，亟需一种可以在激光拉曼光谱仪监测下实现阳极键合的装置。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种原位应力检测装置及其检测方法。

一种原位应力检测装置，其特征在于，应用于键合工艺中，所述原位应力检测装置包括：

具有顶部开口的键合腔体；

键合装置，固定设置于所述键合腔体的底部；

法兰盖，盖合于所述顶部开口之上；以及

所述键和装置包括用于承载待键合样品的样品台，所述法兰盖上设置有凹形结构的透明视窗和拉曼光谱仪，且所述拉曼光谱仪的镜头插入所述凹形结构中，以对进行所述键合工艺的所述待键合样品进行原位应力检测。

上述的原位应力检测装置，进一步，所述键合装置还包括：

若干接口，设置于所述键合腔体外侧侧壁之上；

石棉垫，垫设于所述键合腔体内侧底部；

云母片，设置于所述石棉垫之上，且所述云母片上设置有凹槽；

陶瓷加热片，放置于所述凹槽内，且所述陶瓷加热片的顶部平面低于所述凹槽的顶部平面；

电极，设置于所述样品台之上；

电极支撑杆，所述电极支撑杆一端活动设置于所述键合腔体内侧侧壁上，所述电极支撑杆另一端与所述电极固定连接，且所述电极支撑杆与所述样品台顶部平面平行；

其中，所述样品台设置于所述陶瓷加热片之上，且与所述云母片固定连接，以使得所述凹槽呈闭合腔体。

上述的原位应力检测装置，进一步，所述样品台与所述陶瓷加热片之间设置有石墨纸，所述陶瓷加热片与所述云母片之间设置有石墨纸。

上述的原位应力检测装置，进一步，所述电极外套设一套筒，且所述套筒的材料为陶瓷，以保护所述电极不会漏电或被击穿。

上述的原位应力检测装置，进一步，所述云母片通过螺钉与所述键合腔体固定连接，所述样品台通过螺钉与所述云母片固定连接。

上述的原位应力检测装置，进一步，所述接口包括有冷却水接口、冷却水出口、真空泵接口、真空计接口、热电偶接口和电源接口。

更进一步，所述装置还包括：

热电偶探头，设置于所述凹槽内，通过信号线与所述热电偶接口连接。

上述的原位应力检测装置，进一步，所述透明视窗通过密封圈与所述法兰盖连接。

上述的原位应力检测装置，进一步，所述法兰盖通过密封圈与所述键合腔体连接。

上述的原位应力检测装置，进一步，所述样品台的材质为不锈钢。

本发明还提供一种原位应力检测方法，所述方法可应用本发明所述检查装置，包括如下步骤：

(1)将硅-玻璃样品放置在键合装置的样品台上，玻璃在上，再将点电极和电极支撑杆旋转调整到合适的位置，保持点电极与玻璃表面的良好接触；

(2)盖上法兰盖，并调整好置于法兰盖上具有凹形结构的玻璃视窗的位置，以利于插入凹形结构中的拉曼光谱仪镜头的对焦和观察；

(3)通过热电偶接口给键合装置通电加热，并通过外部温控设备监测样品温度，待温度升高到所需要的温度时，打开直流电压，升高到所需要的值；

(4)从加电压开始计时，每隔5～20min测量一次硅片表面的拉曼信号，并保存数据；

(5)待外部电流监测设备显示键合电流衰减到较小值且基本不变化的时候，关闭加热系统，在降温过程中每隔5～20min测量一次硅片的拉曼信号；

(6)将所得的拉曼测量结果与键合时间、温度关联起来，得出硅-玻璃阳极键合过程中的硅-玻璃界面处应力的变化规律。

有益技术效果：

本发明提供了一种原位应力检测装置及其检测方法，所述检测装置通过在键合装置上盖设置一凹形的观察视窗，就可以对键合过程中硅片界面的应力状态进行实时监控，从而研究应力产生的原因，应力与阳极键合条件(温度、压力、通电时间)之间的关系，为控制阳极键合过程中硅片的应力提供指导，提高键合结构的结构完整性。同时，应用原位激光拉曼光谱研究硅-玻璃阳极键合的应力也是一种全新的方法。

附图说明

参考所附附图，以更加充分的描述本发明的实施例。然而，所附附图仅用于说明和阐述，并不构成对本发明范围的限制。

图1是本发明实施例结构剖视图；

图2是本发明实施例结构俯视图。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案及优点更加易于理解，下面结合附图作进一步详细说明。应当说明，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为了解决目前技术无法对硅玻璃阳极键合应力原位监测的问题，本申请设计一种原位应力检测装置，该键合装置是一种可以将拉曼光谱表征硅与玻璃阳极键合应力的方法实现的装置。

该装置可看做是一种微小型的键合装置，同时具备原位光谱监测的功能。

该装置包括具有顶部开口的键合腔体，在该键合腔体的外侧侧壁上设置有若干的接口，是的腔体内部与腔体外部的连接，在该腔体的内侧底部设有键合装置，该键合装置主要有，垫设腔体的内侧底部的石棉垫，于该石棉垫上垫设一云母片，该云母片上加工有两圈螺纹孔，分别是外圈螺纹孔和内圈螺纹孔，外圈螺纹孔是通过螺栓用以将云母片与该键合腔体旋紧固定的。

在该发明中，云母片上设有一凹槽，该凹槽内放置有陶瓷加热片，且陶瓷加热片的上下表面均垫设有一石墨纸，用以减小陶瓷加热片的不平整和缓解应力集中的问题，该陶瓷解热片放置于该凹槽内，该陶瓷加热片的顶部平面略低于凹槽的上表面。然后在该凹槽的上表面放置一样品台，样品台通过内圈螺纹孔与云母片固定连接，且使得该凹槽呈一闭合腔体，将加热片封闭，样品台上设有一电极，该电极通过一电极支撑杆与键合腔体连接，该电极支撑杆的一端与电极固定连接，另一端活动设置在键合腔体的内侧侧壁，以使得电极可以以电极支撑杆为半径，电极支撑杆与键合腔体连接点为圆心进行圆周运动。该电极的外侧套设有一套筒，为了防止电极漏电或者被击穿，该套筒使用陶瓷材料制成。

在本发明中，最后于键合腔体上加设一法兰盖，法兰盖与键合腔体接触的地方设置密封圈，使得键合腔体呈一个密封的腔体，然后于法兰盖上开设有石英玻璃材质的透明视窗，用以观测键合腔体内部键合过程。透明视窗其实是个不平整的结构，该透明视窗上设有一凹型结构，即在透明视窗的平面上具有一透明凹槽，该凹形结构靠近透明视窗的边缘，用以放置聚焦镜头，这样就可以使得聚焦镜头的镜头端与样品台的上表面在镜头的有效工作距离范围之内了，更加准确的观测到键合腔体内发生的键合反应。

在上述云母片的凹槽内还设置有一热电偶探头，该热电偶探头通过设置在键合腔体外侧的接口与外部检测器件连接，以监测加热片的加热温度。在该键合腔体的外侧侧壁上设有6个接口，分别是冷却水接口、冷却水出口、真空泵接口、真空计接口、热电偶接口和电源接口，这些接口呈半圆周形状，即每个接口之间的夹角为36°，其实并不限定为这样，这些接口可以均匀或不均匀的设置在键合腔体的外侧，这些情况都是可以的。

下面结合具体实施例进行说明

具体实施例一

如图1、图2所示，一种原位应力检测装置的主体是一个圆柱形腔体，腔体侧壁有6个接口，分别为冷却水进口14、冷却水出口19、真空泵接口15、真空计接口16、热电偶接口18和电源接口17。侧壁中有水冷夹套7，以利于腔体外部的降温。腔体内部的结构主要有：不锈钢样品台20、石墨纸10、陶瓷加热片11、云母片8、石棉垫9、热电偶(图中未示出)、点电极2及电极支撑杆。石棉垫9垫在最底层，主要作用是隔热；其上放置云母片8，云母片8上加工有两圈螺纹孔，外圈螺纹孔用于将云母片8与腔体固定，内圈螺纹孔用于将不锈钢样品台与云母片8固定。陶瓷加热片11放置在云母片8上，陶瓷加热片11与云母片8之间垫上石墨纸10，以减小表面的不平整和缓解应力集中，避免对加热片造成破坏。陶瓷加热片11上表面也用石墨纸10垫上，再将不锈钢样品台置于石墨纸10上。不锈钢样品台下部有一个放置热电偶探头的凹槽，热电偶探头插入其中用于测试样品台的温度。不锈钢样品台通过螺钉与云母片8连接起来，实现位置的固定。

电极2采用的是一下端平整的点电极，电极2上端具有螺纹结构，可以实现与电极2支撑杆相对位置的固定。电极2与支撑杆之间通过一陶瓷套筒3连接，用陶瓷套筒是因为陶瓷具有良好的电绝缘性，可防止在对电极2加电压时发生漏电和击穿。电极2支撑杆由不锈钢焊接而成，末端通过螺钉与腔体内壁活动连接，可以实现电极2在腔体内绕电极2支撑杆的端点旋转。

键合腔体上部是法兰盖6，并且含有一个石英玻璃视窗4。玻璃视窗4经过特殊设计，含有一个圆柱形凹坑13。该凹形结构13采用玻璃整体成型。拉曼光谱仪聚焦镜筒可以深入凹坑，使得镜头1前端距离样品台上的样品12表面的距离在镜头1的有效工作距离范围内，从而对不锈钢样品台上的硅玻璃阳极键合样品进行监测。玻璃视窗4通过密封圈5实现与法兰盖6的密封；法兰盖6通过O型密封圈与腔体密封。

热电偶接口18和电源接口17是标准的航空插头，可以实现电信号在真空中向外部的传递。电源接口中包含四个接线柱，分别为加热板电源接线柱(2个)和直流电压接线柱(2个)。直流电压负极与点电极接通，正极连接在不锈钢样品台的一个螺钉上，在实际工作过程中可以形成闭合回路。

这样，该密封的键合装置可以实现样品加热温度从室温至500℃，直流电压最大2000V，真空度0.001Pa的技术指标，对于研究硅玻璃阳极键合原位拉曼光谱观察具有实用价值。

该密封的键合装置可以实现大气环境下或者真空条件下的硅玻璃阳极键合，键和界面无明显气泡。但是相对于面阴极阳极键合，该装置所采用的点电极阳极键合速率较低。一般在1000V电压、400℃的大气压条件下，采用100型4寸单晶硅和BF33玻璃进行阳极键合，整片的键合时间在两小时左右。键合初始时的电流约为0.25mA，后以指数形式衰减。键合完成时电流值约为0.03mA,符合阳极键合的一般规律。

进行拉曼观察时，通过拉曼光谱仪镜头的聚焦，可以看到初始时刻单晶硅的拉曼峰位在520cm^-1位置，通过在整个阳极键合过程中间断性进行拉曼信号的采集，可以明显发现硅-玻璃阳极键合过程中单晶硅的拉曼峰位发生了变化。这种变化可以为定量研究硅玻璃阳极键合过程提供依据。

同时该装置也可用于用拉曼光谱的方法测试在高温、通电或真空、气氛等条件下一些具有拉曼信号的微电子芯片的应力状态。

具体实施例二

本发明还涉及一种可使用上述原位应力检测装置的检测方法，运用上述装置，可以实现硅-玻璃阳极键合的拉曼原位应力表征实验。试验方法与步骤：

步骤1，将用于阳极键合的硅片和玻璃片表面清洗干净，轻轻贴合在一起，尽量避免连接面之间出现间隙；

步骤2，将上述装置的不锈钢样品台用丙酮和酒精擦拭干净，并将点电极及电极支撑杆旋转到一旁，将硅-玻璃样品放置在样品台上，玻璃在上。再将点电极和电极支撑杆旋转调整到合适的位置，保持点电极与玻璃表面的良好接触；

步骤3，盖上法兰盖，并调整好玻璃视窗的位置，以利于拉曼光谱仪镜头的对焦和观察；

步骤4，通过热电偶接口给键合装置通电加热，并通过外部温控设备监测样品温度，待温度升高到所需要的温度(本申请试验温度为400℃)时，打开直流电压，升高到所需要的值(本申请试验电压为-1000V)；

步骤5，从加电压开始计时，每隔若干分钟(本申请试验时间为20min)测量一次硅片表面的拉曼信号，并保存数据；

步骤6，待外部电流监测设备显示键合电流衰减到较小值且基本不变化的时候，关闭加热系统，在降温过程中每隔一定时间(具体的为20min)测量一次硅片的拉曼信号。

步骤7，将整个实验过程中所得的拉曼测量结果与键合时间、温度关联起来，就可以得出硅-玻璃阳极键合过程中的硅-玻璃界面处应力的变化规律。

根据上述实施例的内容，本发明提出了一种原位应力检测装置，通过在键合装置上盖设置一透明凹槽观察视窗，就可以对键合过程中硅片界面的应力状态进行实时监控，从而研究应力产生的原因，应力与阳极键合条件(温度、压力、通电时间)之间的关系，为控制阳极键合过程中硅片的应力提供指导，从而提高键合结构的结构完整性。同时，应用原位激光拉曼光谱研究硅-玻璃阳极键合的应力也是一种全新的方法。

通过说明和附图，给出了具体实施方式的特定结构的典型实施例，基于本发明精神，还可作其他的转换。尽管上述发明提出了现有的较佳实施例，然而，这些内容并不作为局限。

对于本领域的技术人员而言，阅读上述说明后，各种变化和修正无疑将显而易见。因此，所附的权利要求书应看作是涵盖本发明的真实意图和范围的全部变化和修正。在权利要求书范围内任何和所有等价的范围与内容，都应认为仍属本发明的意图和范围内。

Claims (10)

1.一种原位应力检测装置，其特征在于，其应用于键合工艺中，所述原位应力检测装置包括：

具有顶部开口的键合腔体；

键合装置，固定设置于所述键合腔体的底部；

法兰盖，盖合于所述顶部开口之上；以及

所述键合装置包括用于承载待键合样品的样品台，所述法兰盖上设置有凹形结构的透明视窗和拉曼光谱仪，且所述拉曼光谱仪的镜头插入所述凹形结构中，以对进行所述键合工艺的所述待键合样品进行原位应力检测。

2.根据权利要求1所述的原位应力检测装置，其特征在于，所述键合装置还包括：

若干接口，设置于所述键合腔体外侧侧壁之上；

石棉垫，垫设于所述键合腔体内侧底部；

云母片，设置于所述石棉垫之上，且所述云母片上设置有凹槽；

陶瓷加热片，放置于所述凹槽内，且所述陶瓷加热片的顶部平面低于所述凹槽的顶部平面；

电极，设置于所述样品台之上；

电极支撑杆，所述电极支撑杆一端活动设置于所述键合腔体内侧侧壁上，所述电极支撑杆另一端与所述电极固定连接，且所述电极支撑杆与所述样品台顶部平面平行；

其中，所述样品台设置于所述陶瓷加热片之上，且与所述云母片固定连接，以使得所述凹槽呈闭合腔体。

3.根据权利要求2所述的原位应力检测装置，其特征在于，所述样品台与所述陶瓷加热片之间设置有石墨纸，所述陶瓷加热片与所述云母片之间设置有石墨纸。

4.根据权利要求2所述的原位应力检测装置，其特征在于，所述电极外套设一套筒，且所述套筒的材料为陶瓷，以保护所述电极不会漏电或被击穿。

5.根据权利要求2所述的原位应力检测装置，其特征在于，所述云母片通过螺钉与所述键合腔体固定连接，所述样品台通过螺钉与所述云母片固定连接。

6.根据权利要求2所述的原位应力检测装置，其特征在于，所述接口包括有冷却水接口、冷却水出口、真空泵接口、真空计接口、热电偶接口和电源接口；

所述键合装置还包括：热电偶探头，设置于所述凹槽内，通过信号线与所述热电偶接口连接。

7.根据权利要求1所述的原位应力检测装置，其特征在于，所述透明视窗通过密封圈与所述法兰盖连接。

8.根据权利要求1所述的原位应力检测装置，其特征在于，所述法兰盖通过密封圈与所述键合腔体连接。

9.根据权利要求1所述的原位应力检测装置，其特征在于，所述样品台的材质为不锈钢。

10.一种原位应力检测方法，其特征在于，所述方法可应用权利要求1-9任一项所述检查装置，包括如下步骤：

(1)将硅-玻璃样品放置在键合装置的样品台上，玻璃在上，再将点电极和电极支撑杆旋转调整到合适的位置，保持点电极与玻璃表面的良好接触；

(2)盖上法兰盖，并调整好置于法兰盖上具有凹形结构的玻璃视窗的位置，以利于插入凹形结构中的拉曼光谱仪镜头的对焦和观察；

(3)通过热电偶接口给键合装置通电加热，并通过外部温控设备监测样品温度，待温度升高到所需要的温度时，打开直流电压，升高到所需要的值；

(4)从加电压开始计时，每隔若干分钟测量一次硅片表面的拉曼信号，并保存数据；

(5)待外部电流监测设备显示键合电流衰减到较小值且基本不变化的时候，关闭加热系统，在降温过程中每隔一定时间测量一次硅片的拉曼信号；

(6)将所得的拉曼测量结果与键合时间、温度关联起来，得出硅-玻璃阳极键合过程中的硅-玻璃界面处应力的变化规律。