CN107219123B - 一种交叉十字键合法测量晶片键合强度的方法及夹持装置 - Google Patents
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Abstract
一种交叉十字键合法测量晶片键合强度的方法及夹持装置，属于键合强度测量领域。拉伸夹持棒一端与晶片存储槽外侧底面中部固接，晶片存储槽的槽侧壁的顶端设有一个直角横梁，直角横梁水平梁与晶片存储槽的槽侧壁的顶端连接为一体，直角横梁的竖直梁设置在晶片存储槽的槽口内。本发明通过对长方形晶片进行交叉十字键合，利用施加力的大小、施加力的位置、晶片的厚度、晶片的宽度以及晶片的抗拉强度之间存在确定的理论关系，寻找特定的施力位置和施力大小，根据施力大小和断裂位置计算键合强度的大小，若施加的拉力F≥σb·b2，且断裂位置为晶片或键合区域的边缘，则键合强度σ≥σb；若施加的拉力F＜σb·b2，且断裂位置为键合界面处，则键合强度σ＝F/b2。本发明用于测量晶片键合强度。
Description
技术领域
本发明涉及一种测量晶片键合强度的方法及装置，属于键合强度测量领域。
背景技术
键合是指在外界能量(例如：加热、加压等)的作用下，使两个贴合界面处的原子发生反应形成共价键，进而结合为一体的过程。它广泛地应用于光电子器件的制作、生物医疗芯片的制作以及半导体制造等。键合的效果主要取决于键合面积和键合强度，其中键合强度的大小直接决定了器件的性能和使用寿命。因此，键合强度往往是评价一种键合方法优劣的一项重要指标。
目前，现有的键合强度评价方法主要有裂纹扩展法(插刀片法)、直拉法、剪切法和四点弯曲法。其中，裂纹扩展法和直拉法是最常用的键合强度评价方法，而剪切法和四点弯曲法因对键合样品的尺寸和后续的加工处理有着严格的要求，所以不经常使用。但是，对于常用的两种键合方法也存在如下问题：在应用裂纹扩展法进行强度的测量时，刀片插入键合界面的速度、力度都对键合强度的测量误差有着重要影响，并且只适用于键合强度较弱的强度测试；直拉法虽然可以用于强度较高的键合强度测试，但由于键合样品的厚度较薄，所以在测试样品的两侧往往需要强力胶胶粘拉伸头(圆柱形或方形的短棒)后才能进行拉伸测试，在胶粘的过程中，强力胶极容易流入厚度较小的键合样品中，进而严重影响键合强度。因此，一种降低外界人为因素对键合强度测试过程中的干扰的键合强度评价方法亟待开发。
发明内容
本发明的目的在于提供一种交叉十字键合法测量晶片键合强度的方法及装置，以解决截止目前为止，一种降低外界人为因素对键合强度测试过程中的干扰的键合强度评价方法亟待开发的问题。
本发明通过将晶片进行十字交叉键合，使得每一晶片均向键合区域以外的地方留有相同尺寸的未键合区域，利用设计的夹持装置，分别作用于晶片未键合区域的相应位置，进行拉伸，使得晶片在未键合区域的上下表面上分别产生压应力与拉应力。由于施加力的大小、施加力的位置、晶片的厚度、晶片的宽度以及晶片的抗拉强度之间存在确定的理论关系。当拉应力大于晶片的抗拉强度时，晶片会发生断裂。因此，在施加一定的力的大小与位置的情况下，通过判断晶片的断裂情况即可求出晶片间的键合强度。该方法的原理虽然复杂，但操作和结果的表达形式简单、方便、易得，可广泛地应用于晶片键合强度的测量。
该方法在解决硅、锗、砷化镓、碳化硅等脆性半导体材料键合强度的测量方面具有独特优势。
实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种交叉十字键合法测量晶片键合强度的夹持装置，所述的夹持装置包括两个夹具，每个夹具均由拉伸夹持棒和晶片存储槽两部分构成；所述的拉伸夹持棒竖直设置，且拉伸夹持棒的一端与所述的晶片存储槽外侧底面中部固定连接，晶片存储槽的每个槽侧壁的顶端均设有一个直角横梁，每个所述的直角横梁的水平梁与晶片存储槽的每个槽侧壁的顶端连接为一体，每个直角横梁的竖直梁设置在晶片存储槽的槽口内。
一种交叉十字键合法测量晶片键合强度的方法，所述的方法包括以下步骤：
步骤一、取两片待键合且尺寸相同的长方形晶片，经过预设的键合工艺处理后，使得每一长方形晶片的长边平行于另一长方形晶片的短边，并且在键合区域处于每一长方形晶片的中间位置时进行键合，获得强度待测量的试件；
步骤二、在相同拉伸力的情况下，拉力的作用位置不同，会使未键合区域的长方形晶片产生不同程度的弯曲，进而会使长方形晶片的上下表面产生不同程度的应变εx，随后产生不同大小的拉应力σx＝Ex·εx，其中Ex为X方向的抗拉强度；根据断裂理论，当拉应力≥抗拉强度，即σx≥σb时，长方形晶片发生断裂，从而求得断裂时的应变εx，其中σb表示抗拉强度；依据拉力作用位置与长方形晶片发生应变大小的关系，求得在拉力F＝σb·b2时，恰在长方形晶片键合区域边缘处断裂的条件下，求得拉力的作用位置，即距键合界面边缘的距离a，其中b为长方形晶片短边的长度；
步骤三、将键合后的长方形晶片，固定在夹持装置的上夹具和下夹具的相应位置，随后通过拉伸机进行拉伸，待键合区域开裂或未键合区域的长方形晶片断裂后，终止拉伸，记录拉力F的大小；
步骤四、根据长方形晶片的断裂情况及施加拉力F的大小，计算长方形晶片的键合强度；若施加的拉力F≥σb·b2，且断裂位置为长方形晶片未键合区域或键合区域边缘，则键合强度σ≥σb；若施加的拉力F＜σb·b2，且断裂位置为键合界面处，则键合强度
本发明相对于现有技术的有益效果是：
1、与传统的键合强度测量方法相比，本发明所提出的键合强度测量方法无需对键合样品进行腐蚀等其他操作；
2、与传统的键合强度测量方法相比，本发明所提出的键合强度测量方法无需对键合样品施加胶水等其他可影响键合强度的外来因素，使得测量结果和测量稳定性大大提高；
3、与传统的键合强度测量方法相比，本发明所提出的键合强度测量用的夹持装置，对于同一类键合样品的强度测量，可重复多次使用，并且操作简单，可在一定程度上降低键合强度测量的成本。
附图说明
图1为是十字交叉键合示意图；
图2是键合长方形晶片装夹过程示意图；
图3是十字交叉键合正视图；
图4是施力后十字交叉键合示意图；
图5是施力后CD段变形情况示意图；
图6是受力弯曲悬臂梁示意图。
图7是长方形晶片三个方向示意图
图中：拉伸夹持棒1、晶片存储槽2、水平梁3、竖直梁4、上夹具5、下夹具6、长方形晶片7、上长方形晶片7-1、下长方形晶片7-2、键合区域8、未键合区域9、键合区域边缘10。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，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。
具体实施方式一：如图1、图2所示，本实施方式记载了一种交叉十字键合法测量晶片键合强度的夹持装置，所述的夹持装置包括两个夹具，每个夹具均由拉伸夹持棒1和晶片存储槽2两部分构成；所述的拉伸夹持棒1竖直设置，且拉伸夹持棒1的一端与所述的晶片存储槽2外侧底面中部固定连接，晶片存储槽2的每个槽侧壁的顶端均设有一个直角横梁，每个所述的直角横梁的水平梁3与晶片存储槽2的每个槽侧壁的顶端连接为一体，每个直角横梁的竖直梁4设置在晶片存储槽2的槽口内。
具体实施方式二：如图1、图2、图7所示，本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述的两个夹具分别是上夹具5和下夹具6，所述的下夹具6的晶片存储槽2的长度和宽度均与长方形晶片7的长度和宽度相同，且所述的直角横梁的竖直梁4至晶片存储槽2的内侧底面的距离与所述的长方形晶片7的厚度相等；所述的上夹具5的晶片存储槽2的宽度与长方形晶片7的宽度相同，上夹具5的晶片存储槽2的长度比长方形晶片7的长度多4～10mm，且直角横梁的竖直梁4至晶片存储槽2的内侧底面的距离比长方形晶片7的厚度多2～5mm。
具体实施方式三：如图1-图4所示，本实施方式披露了一种利用具体实施方式二所述的夹持装置实现交叉十字键合法测量晶片键合强度的方法，所述的方法包括以下步骤：
步骤一、取两片待键合且尺寸相同的长方形晶片7，经过预设的键合工艺(工艺有很多，例如：湿法活化处理键合工艺，等离子体活化处理键合工艺)处理后，使得每一长方形晶片7的长边平行于另一长方形晶片7的短边，并且在键合区域8处于每一长方形晶片7的中间位置时进行键合，获得强度待测量的试件(称这种键合方式为“十字交叉键合”)；
步骤二、在相同拉伸力的情况下，拉力的作用位置不同，会使未键合区域9的长方形晶片7产生不同程度的弯曲，进而会使长方形晶片7的上下表面产生不同程度的应变εx，随后产生不同大小的拉应力σx＝Ex·εx，其中Ex为X方向的抗拉强度；根据断裂理论，当拉应力≥抗拉强度，即σx＝σb时，长方形晶片7发生断裂，从而求得断裂时的应变εx，其中σb表示抗拉强度；依据拉力作用位置与长方形晶片7发生应变大小的关系，求得在拉力F＝σb·b2时，恰在长方形晶片7键合区域边缘10处断裂的条件下，求得拉力的作用位置，即距键合界面边缘的距离a，其中b为长方形晶片7短边的长度；
步骤三、将键合后的长方形晶片7，固定在夹持装置的上夹具5和下夹具6的相应位置，随后通过拉伸机进行拉伸，待键合区域8开裂或未键合区域9的长方形晶片7断裂后，终止拉伸，记录拉力F的大小；
步骤四、根据长方形晶片7的断裂情况及施加拉力F的大小，计算长方形晶片7的键合强度；若施加的拉力F≥σb·b2，且断裂位置为长方形晶片7未键合区域9或键合区域边缘10，则键合强度σ≥σb；若施加的拉力F＜σb·b2，且断裂位置为键合界面处，则键合强度σ＝F/b2。
具体实施方式四：如图所示，本实施方式是对具体实施方式三作出的进一步说明，步骤三中，将键合后的长方形晶片7的上长方形晶片7-1设置在上夹具5的直角横梁的竖直梁4至晶片存储槽2的内侧底面之间，将键合后的长方形晶片7的下长方形晶片7-2固定在直角横梁的竖直梁4至晶片存储槽2的内侧底面之间。
实施例1：
如图7所示，设长方形晶片7X、Y、Z三个方向的抗拉强度分别为σx、σy、σz，三个方向的弹性模量分别为Ex、Ey、Ez，b为长方形晶片7短边的长度，S为长方形晶片7十字交叉键合面积，S＝b2，d为长方形晶片7沿Y方向的厚度。
当上述两片长方形晶片7发生键合时，
(1)若键合强度≥长方形晶片7强度，则在晶片非键合处不发生断裂的情况下，所能承受的最大拉力Fymax＝S·σy＝b2·σy，故作用于长方形晶片一侧的最大拉力Fmax＝Fymax/2＝b2·σy/2，Fymax为长方体晶片沿Y方向所能承受的最大拉力。
对于长方形晶片7(简称晶片)来讲，在厚度方向上，可将晶片看做是由无数层厚度极薄的平面堆叠而成。由于作用在晶片上的力会使未键合区域9的晶片发生弯曲，则每一极薄平面都会发生弯曲，进而造成晶片的上表面长度减小，下表面长度增加。即垂直于厚度方向上的上表面发生压缩，下表面发生拉伸。由于发生压缩或拉伸的程度与作用力的大小和作用位置有关，当压缩或拉伸程度过大时，在晶片的上、下表面会产生极大的应力，当应力≥σx时，在平行于晶面表面的方向上的未键合区域9会发生断裂。
所以从键合区域8起，向未键合区域9延伸，当作用于晶片一侧的最大拉力为Fmax时，在未键合区域9晶片的不同位置，分别存在使断裂区域发生在键合区域8的母材处、键合区域8的边缘处、未键合区域9的晶片处。
为了对键合强度达到晶片强度的晶片在强度测量完成后，仍然能进行后续的其他测试(例如：透光率、SEM、TEM等)，希望作用于晶片的位置能够恰好使其从键合区域8的边缘处断裂，即设此位置为“待求位置”。
下面对“待求位置”进行如下求解：
如图1所示，两个晶片键合时，一个晶片的长边和另一晶片的短边平行且键合区域8位于每一晶片的中间位置处，称这种键合方式为“十字交叉键合”。
如图3所示，为“十字交叉键合”的正视图，其中，上长方形晶片7-1、下长方形晶片7-2，施力作用点称为A、D，上长方形晶片7-1与下长方形晶片7-2的键合区域8的最边缘处称为B、C。
如图4所示，为施加力F后，上长方形晶片7-1中的AB段和CD段发生弯曲，其中，弯曲后的长度为以r为半径，大小为θ的圆心角所对应的弧长。
如图5所示为以CD段为例，施加力F前后，晶片的变化情况。从图5中可以看出，晶片的上表面为C1D1，下表面为C2D2，施加力F后，上下表面分别变为C1D1’和C2D2’。其中，上表面C1D1发生压缩，下表面C2D2发生拉伸。依照变形的连续性，一定在中间位置存在某一平面即不发生压缩也不发生拉伸，记此平面为O1O2。所以，在最上层或最下层平面，其产生的线应变为：
其中，ε下、ε上分别为晶片下表面和上表面由于弯曲所引起的应力，θ为晶片变形后弧面所对应的圆心角，lOC1、lOO1、lOC2分别为圆心到晶片上表面、晶片中心层、晶片下表面的距离，lO1C1、lO1C2、lO1O2分别为中间层键合边缘处到晶片上表面、下表面、施力位置的距离。
其中，负号代表压缩，正号代表拉伸。由于脆性材料的抗压强度要远大于抗拉强度8～10倍，故在发生相同应变时，材料的受拉破坏要优于受压破坏先发生。故施加力F时，在键合区域8不发生断裂的情况下，未键合区域9的晶片会由于下表面拉伸所引起的应力超过晶片的抗拉强度而发生断裂。
则晶片下表面产生的拉应力为：
σ下＝Ex·ε下＝Ey·lO1C2·θ/lO1O2 (3)
其中，θ为晶片变形后弧面所对应的圆心角(未知)。
纯弯曲正应力计算公式，可得曲率公式：
其中ρ为曲率半径，Mz为弯曲晶片所产生的弯矩，Iz为晶片矩形截面的惯性矩；
对于剪力弯曲，曲率半径ρ和弯矩Mz均为x的函数，则：
在高等数学上，任一平面曲线v＝v(x)上，任一一点的曲率为：
对于脆性材料来讲，通常晶片的变形很小，挠曲线是一条极平坦的曲线，则数值很小，为截面转角，故与1相比可以忽略，故：
联立式(5)、(7)，可得：
所以，可得：
其中C为常数，对于如图5所示的受力弯曲的悬臂梁，晶片不同位置x处，可列弯矩方程为：
Mz(x)＝F(a-x) (10)
所以：
因为，当x＝0时，该点处切线与x轴重合，即θ(x＝0)＝0，代入上式可得：C＝0。
所以，可得晶片上位置x与θ的关系式：
对于施力位置处，即x＝l处，可得偏角大小为：
将上式(13)代入式(3)，可得：
解上式，可得：
又因为，对于矩形截面，其极惯性矩：
故将Fx＝σx·b2和式(16)代入式(15)可得：
即施力位置距键合区域8边缘处的距离为
(2)若键合强度<晶片基体强度，施加力的位置为“待求位置”，由于键合强度降低，所以施加的最大力F2<Fmax时，未键合区域晶片的弯曲程度要减小，故在未键合区域晶片自身未发生断裂之前，键合界面处即发生开裂。
此时，利用公式
即可求得键合区域的键合强度为
其中，F2为晶片断裂时，所施加的最大力。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种交叉十字键合法测量晶片键合强度的夹持装置，其特征在于：所述的夹持装置包括两个夹具，每个夹具均由拉伸夹持棒(1)和晶片存储槽(2)两部分构成；所述的拉伸夹持棒(1)竖直设置，且拉伸夹持棒(1)的一端与所述的晶片存储槽(2)外侧底面中部固定连接，晶片存储槽(2)的每个槽侧壁的顶端均设有一个直角横梁，每个所述的直角横梁的水平梁(3)与晶片存储槽(2)的每个槽侧壁的顶端连接为一体，每个直角横梁的竖直梁(4)设置在晶片存储槽(2)的槽口内；
所述的两个夹具分别是上夹具(5)和下夹具(6)，所述的下夹具(6)的晶片存储槽(2)的长度和宽度均与长方形晶片(7)的长度和宽度相同，且所述的直角横梁的竖直梁(4)至晶片存储槽(2)的内侧底面的距离与所述的长方形晶片(7)的厚度相等；所述的上夹具(5)的晶片存储槽(2)的宽度与长方形晶片(7)的宽度相同，上夹具(5)的晶片存储槽(2)的长度比长方形晶片(7)的长度多4～10mm，且直角横梁的竖直梁(4)至晶片存储槽(2)的内侧底面的距离比长方形晶片(7)的厚度多2～5mm。
2.一种利用权利要求1所述的夹持装置实现交叉十字键合法测量晶片键合强度的方法，其特征在于：所述的方法包括以下步骤：
步骤一、取两片待键合且尺寸相同的长方形晶片(7)，经过预设的键合工艺处理后，使得每一长方形晶片(7)的长边平行于另一长方形晶片(7)的短边，并且在键合区域(8)处于每一长方形晶片(7)的中间位置时进行键合，获得强度待测量的试件；
步骤二、在相同拉伸力的情况下，拉力的作用位置不同，会使未键合区域(9)的长方形晶片(7)产生不同程度的弯曲，进而会使长方形晶片(7)的上下表面产生不同程度的应变εx，随后产生不同大小的拉应力σx＝Ex·εx，其中Ex为X方向的抗拉强度；根据断裂理论，当拉应力≥抗拉强度，即σx＝σb时，长方形晶片(7)发生断裂，从而求得断裂时的应变εx，其中σb表示抗拉强度；依据拉力作用位置与长方形晶片(7)发生应变大小的关系，求得在拉力F＝σb·b2时，恰在长方形晶片(7)键合区域边缘(10)处断裂的条件下，求得拉力的作用位置，即距键合界面边缘的距离a，其中b为长方形晶片(7)短边的长度；
步骤三、将键合后的长方形晶片(7)，固定在夹持装置的上夹具(5)和下夹具(6)的相应位置，随后通过拉伸机进行拉伸，待键合区域(8)开裂或未键合区域(9)的长方形晶片(7)断裂后，终止拉伸，记录拉力F的大小；
步骤四、根据长方形晶片(7)的断裂情况及施加拉力F的大小，计算长方形晶片(7)的键合强度；若施加的拉力F≥σb·b2，且断裂位置为长方形晶片(7)未键合区域(9)或键合区域边缘(10)，则键合强度σ＞σb；若施加的拉力F＜σb·b2，且断裂位置为键合界面处，则键合强度σ＝F/b2。
3.根据权利要求2所述的交叉十字键合法测量晶片键合强度的方法，其特征在于：步骤三中，将键合后的长方形晶片(7)的上长方形晶片(7-1)设置在上夹具(5)的直角横梁的竖直梁(4)至晶片存储槽(2)的内侧底面之间，将键合后的长方形晶片(7)的下长方形晶片(7-2)固定在直角横梁的竖直梁(4)至晶片存储槽(2)的内侧底面之间。
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