CN109932315A - 用于检测半导体器件键合强度的测试装置及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于检测半导体器件键合强度的测试装置，涉及半导体检测技术领域，解决了现有技术半导体器件键合强度测试装置容易出现测量失败的问题，其技术要点是：包括安装板，安装板上固定安装有复合悬臂梁，安装板在复合悬臂梁的自由端上部固定安装有用于测量自由端位移变化量的位移传感器；本发明通过固定在安装板上用于检测复合悬臂梁自由端位置的位移传感器，在测试刀具割裂半导体材料层的过程中，实时检测测试刀具的位置，保证了测试刀具不会产生过度穿透和穿透不够的问题，从而避免了测试失败的结果。
Description
技术领域
本发明涉及半导体检测技术领域，尤其涉及一种用于检测半导体器件键合强度的测试装置及测试方法。
背景技术
随着半导体科技的不断发展，越来越多的功能被集成到尺寸很小的晶元基板上，晶元基板上的布线越来越密集，电路叠层越来越多，半导体器件的键合点焊盘所在的电路层位于器件表面钝化层或电路层或其他保护层之下，且键合点焊盘空间狭窄，不能采用常规的剪切测试方法，必须将测试刀具穿越表面钝化层或电路层或其他保护层才可以实施有效的键合点强度测试。
中国专利申请号“ZL201110157669.8”提供了一款测试装置：这种装置的主体是由具有水平复合悬臂梁结构和空气轴承组成，该复合悬臂梁的一端固定在固定块上，另一端(自由端)连接着移动块和剪切刀具(推刀)，在空气轴承的作用下，该悬臂梁的自由端可以上下自由移动。在利用光电传感器感知固定在该复合悬臂梁的自由端的移动块上的探针在接触到被测试目标物附着平面而产生的位移，然后关闭压缩空气，停止空气轴承的作用，利用该复合悬臂梁的弹性把移动块固定在固定块上，实现定位的目的，然后再利用复合悬臂梁的弹性将空气轴承的滑块与固定块贴合，利用滑块与固定块间的摩擦力保持推刀姿态下压穿透半导体器件表面高于键合点焊盘电路层的钝化层或电路层或其他保护层，再实行常规剪切力测试。
但是，该装置携带测试刀具下压穿透半导体器件表面高于键合点焊盘电路层的钝化层或电路层或其他保护层的力直接施加在测试传感器上，并完全依靠空气轴承的滑块与固定块的摩擦阻力来保持，没有考虑材料受力及其形变，以及由于摩擦阻力不够等因素带来的位置偏差，导致测量刀具的穿透距离的不确定性，由于测试刀具和半导体器件的接触面积不确切和水平测试传感器在垂直方向上受力也会形变等问题，将导致这种利用测试刀具直接下压穿透半导体器件表面高于键合点焊盘电路层的钝化层或电路层或其他保护层的方式会出现穿透过度或穿透不足的问题从而导致测试失败。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述缺陷，提供一种用于检测半导体器件键合强度的测试装置，以解决现有技术半导体器件键合强度测试装置容易出现测量失败的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种半导体器件键合强度测试方法，包括以下步骤：
S1、将待测样件固定到位于测试装置下方的样品载台上；
S2、启动测试装置的驱动设备，使得测试装置沿Z轴移动，通过安装在测试装置上的接触传感器检测测试装置上的测试刀具是否到达待测样件的半导体材料层处，当测试刀具到达半导体材料层处后，测试装置继续移动直至接触传感器的检测值达到预设压力值，测试装置停止位移，记录此时测试刀具的位置；
S3、控制测试刀具和待测样品产生相对位移，使得测试刀具割破半导体材料层表面的保护层，从而使得测试刀具的刀刃穿越保护层，同时割破过程中实时检测测试刀具的刀刃刃尖的割破深度，割破深度达到预设值H1时，固定测试刀具在测试装置上的位置；
S3、控制测试装置沿Z轴上移一个设定距离H2；
S4、控制样品载台或测试装置，使得测试刀具的刀刃相对于半导体材料层水平移动，使测试刀具的刀刃正面剪切检测点，完成键合点强度测试。
作为本发明进一步的方案，S3中，H1为半导体材料保护层厚度。
作为本发明进一步的方案，S5中，H2为设定的焊点强度测试的测试高度参数。
作为本发明进一步的方案，S3中，测试刀具和待测样品产生相对位移的方法为控制待测样品移动或使测试刀具产生振动。
作为本发明进一步的方案，所述测试装置包括安装板，安装板上固定安装有复合悬臂梁，复合悬臂梁的自由端和安装板之间设有采用空气轴承和滑块的微动机构，复合悬臂梁的自由端上固定连接有推力传感器，推力传感器下方固定连接有测试刀具，安装板在复合悬臂梁的自由端上部固定安装有用于测量自由端位移变化量的位移传感器，复合悬臂梁的自由端和固定端之间固定连接有用于检测刀具下压力的接触传感器。
作为本发明进一步的方案，移传感器测试精度小于等于1um。
作为本发明进一步的方案，位移传感器为LVDT微位移传感器或线性光栅尺。
作为本发明进一步的方案，接触传感器包括压电式压力传感器和压感式压力传感器。
综上所述，本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
本发明实施例通过固定在安装板上用于检测复合悬臂梁自由端位置的位移传感器，在测试刀具割裂半导体材料层的过程中，实时检测测试刀具的位置，保证了测试刀具不会产生过度穿透和穿透不够的问题，从而避免了测试失败的结果；同时本发明实施例通过接触传感器控制测试刀具的割破力度，使得测试过程可控，本发明实施例还通过使测试刀具和待测样品产生相对位移，减小了测试刀具的割破力，使得待测样品变形量较小，进一步的保证了测试过程的可控性。
附图说明
图1为用于检测半导体器件键合强度的测试装置的结构示意图。
图2为用于检测半导体器件键合强度的测试装置中刀具与待检品的接触示意图。
图3为用于检测半导体器件键合强度的测试方法的S2中测试刀具的位置示意图。
图4为用于检测半导体器件键合强度的测试方法的S3中测试刀具的位置示意图。
图5为用于检测半导体器件键合强度的测试方法的S5中测试刀具的位置示意图。
图6为用于检测半导体器件键合强度的测试方法的S6中测试刀具的位置示意图。
附图标记：1-安装板，2-复合悬臂梁，3-微动机构，4-接触传感器，5-推力传感器，6-测试刀具，7-待测样品，8-样品载台，9-半导体材料层，10-检测点，11-位移传感器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
由图1所示，一种用于检测半导体器件键合强度的测试装置，包括用于固定安装测试装置的安装板1，安装板1固定安装在可以沿Z轴移动的可控驱动设备上，本实施例中，可控驱动设备型号为德瑞茵精密科技有限公司出售的MFM1200L剪切力测试机，安装板1上固定安装有具有水平位置偏移补偿的复合悬臂梁2，复合悬臂梁2为现有技术，复合悬臂梁2上设有自由端和固定端，复合悬臂梁2的自由端和固定端之间固定连接有用于检测刀具下压力的接触传感器4，接触传感器4为压感式压力传感器，接触传感器4包括光电传感器和光电阻挡探针，接触传感器4通过光电阻挡探针位置的位置变化来检测测试刀具6的刀刃接触待测样品7时接触力的大小，并通过光电阻挡探针的恢复力驱动测试刀具6割破待测样品7；
如图2所示，复合悬臂梁2的自由端上固定连接有用于测量待测样品7键合强度的推力传感器5，推力传感器5下方通过螺钉固定连接有测试刀具6，测试刀具6为现有技术，测量时，测试刀具6穿过半导体材料层9，测试刀具6位移，剪切检测点10，从而测量检测点10的强度；
复合悬臂梁2的自由端和安装板1之间设有微动机构3，微动机构3的与复合悬臂梁2和安装板1的连接方式为现有技术，微动机构3包括滑块和空气轴承，滑块与安装板1活动连接，空气轴承与复合悬臂梁2的自由端固定连接，空气轴承的出气口对着滑块的后侧面；
安装板1在复合悬臂梁2的自由端上部固定安装有用于测量自由端位移变化量的位移传感器11，位移传感器11的测量精度小于等于1um，优选的，位移传感器11为LVDT微位移传感器；
优选的，安装板1上还设有用于固定复合悬臂梁2自由端的压紧机构(未画出)，压紧机构为现有技术；
优选的，样品载台8固定连接到具有沿平面移动功能的驱动设备上，本实施例中驱动设备为MFM1200L剪切力测试机的工作台。
一种基于上述半导体器件键合强度的测试装置的半导体器件键合强度的检测方法，包括以下步骤：
S1、接通空气接口，让空气轴承处于工作状态，此时复合悬臂梁2的固定端和自由端分离，复合悬臂梁2的自由端可上下滑动；
S2、通过可控驱动设备使测试装置沿Z轴下降，通过接触传感器4的信号判断测试刀具6是否到达待测样品7的半导体材料层9处，当测试刀具6到达半导体材料层9处后，控制可控驱动设备继续沿Z轴移动，直至接触传感器4达到预设压力值，测试装置停止位移，位移传感器11记录复合悬臂梁2自由端当前的位置；
S3、控制承载待测样品的样品载台8往复运动，使测试刀具6和待测样品7产生相对位移，使得测试刀具6割破半导体材料层9表面的保护层，从而使得测试刀具6的刀刃穿越保护层，同时割破的过程中位移传感器11实时检测复合悬臂梁2自由端的位置变化，当复合悬臂梁2自由端的位移达到割破深度H1(半导体材料层穿越量)时，关闭空气接口，让空气轴承处于关闭状态，复合悬臂梁2自由端通过固定安装在安装板1上的压紧机构压紧在安装板1上；
S4、控制可控驱动设备使测试装置沿Z轴上移一个设定距离H2(设定的焊点强度测试的测试高度参数)，该距离为设定的焊点强度测试的测试高度参数；
S5、控制样品载台8移动，使得测试刀具6的刀刃相对于半导体材料层9水平移动，使测试刀具6的刀刃正面剪切检测点10，完成键合点强度测试。
实施例2
由图1所示，一种用于检测半导体器件键合强度的测试装置，包括用于固定安装测试装置的安装板1，安装板1固定安装在可以沿Z轴移动的可控驱动设备上，本实施例中，可控驱动设备型号为德瑞茵精密科技有限公司出售的MFM1200L剪切力测试机，安装板1上固定安装有具有水平位置偏移补偿的复合悬臂梁2，复合悬臂梁2为现有技术，复合悬臂梁2上设有自由端和固定端，复合悬臂梁2的自由端和固定端之间固定连接有用于检测刀具下压力的接触传感器4，接触传感器4为压电式压力传感器，接触传感器4通过压力传感器检测测试刀具6与待测样品7的接触力，并通过光压力传感器恢复初始状态过程中产生的驱动力驱动测试刀具6割破待测样品7；
如图2所示，复合悬臂梁2的自由端上固定连接有用于测量待测样品7键合强度的推力传感器5，推力传感器5下方通过螺钉固定连接有测试刀具6，测试刀具6为现有技术，测量时，测试刀具6穿过半导体材料层9，测试刀具6位移，剪切检测点10，从而测量检测点10的强度；
复合悬臂梁2的自由端和安装板1之间设有微动机构3，微动机构3的与复合悬臂梁2和安装板1的连接方式为现有技术，微动机构3包括滑块和空气轴承，滑块与安装板1活动连接，空气轴承与复合悬臂梁2的自由端固定连接，空气轴承的出气口对着滑块的后侧面；
安装板1在复合悬臂梁2的自由端上部固定安装有用于测量自由端位移变化量的位移传感器11，位移传感器11的测量精度小于等于1um，优选的，位移传感器11为线性光栅尺；
优选的，安装板1上还设有用于固定复合悬臂梁2自由端的压紧机构(未画出)，压紧机构为现有技术；
优选的，样品载台8固定连接到工作台上，工作台上设有超声波发生器，且超声波发生器的探头固定连接在测试刀具6的一侧。
一种基于上述半导体器件键合强度的测试装置的半导体器件键合强度的检测方法，包括以下步骤：
S1、接通空气接口，让空气轴承处于工作状态，此时复合悬臂梁2的固定端和自由端分离，复合悬臂梁2的自由端可上下滑动；
S2、通过可控驱动设备使测试装置沿Z轴下降，通过接触传感器4的信号判断测试刀具6是否到达半导体材料层9处，当测试刀具6到达半导体材料层9处后，控制可控驱动设备继续沿Z轴移动，直至接触传感器4达到预设压力值，测试装置停止位移，位移传感器11记录复合悬臂梁2自由端当前的位置；
S3、打开超声波发生器，超声波发生器的探头带动测试刀具6产生振动使得测试刀具6割破半导体材料层9表面的保护层，从而使得测试刀具6的刀刃穿越保护层，同时割破的过程中位移传感器11实时检测复合悬臂梁2自由端的位置变化，当复合悬臂梁2自由端的位移达到割破深度H1(半导体材料层穿越量)时，关闭空气接口，让空气轴承处于关闭状态，复合悬臂梁2自由端通过固定安装在安装板1上的压紧机构压紧在安装板1上；
S4、控制可控驱动设备使测试装置沿Z轴上移一个设定距离H2(设定的焊点强度测试的测试高度参数)，该距离为设定的焊点强度测试的测试高度参数；
S5、控制样品载台8移动，使得测试刀具6的刀刃相对于半导体材料层9水平移动，使测试刀具6的刀刃正面剪切检测点10，完成键合点强度测试。
综上所述，本发明的工作原理是：
安装板1上设有用于检测复合悬臂梁2自由端位置的位移传感器11，在测试刀具6割裂半导体材料层9的过程中，实时检测测试刀具6的位置，保证了测试刀具6不会产生过度穿透和穿透不够的问题，从而避免了测试失败的结果，同时通过接触传感器4检测并控制测试刀具6的割破力度，使得测试过程可控；测试刀具6和待测样品7产生相对位移，减小了测试刀具6的割破力，使得待测样品7变形量较小，进一步的保证了测试过程的可控性。
需要特别说明的是，本申请中复合悬臂梁和微动机构为现有技术的应用，通过位移传感器实时检测测试刀具的位置、通过接触传感器控制割破力度和通过控制待测样品和测试刀具产生相对位移用于减小待测样品的变形量为本申请的创新点，其有效解决了现有技术半导体器件键合强度测试装置容易出现测量失败的问题。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种半导体器件键合强度测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将待测样件(7)固定到位于测试装置下方的样品载台(8)上；
S2、启动测试装置的驱动设备，使得测试装置沿Z轴移动，通过安装在测试装置上的接触传感器(4)检测测试装置上的测试刀具(6)是否到达待测样件(7)的半导体材料层(9)处，当测试刀具(6)到达半导体材料层(9)处后，测试装置继续移动直至接触传感器(4)的检测值达到预设压力值，测试装置停止位移，记录此时测试刀具(6)的位置；
S3、控制测试刀具(6)和待测样品(7)产生相对位移，使得测试刀具(6)割破半导体材料层(9)表面的保护层，从而使得测试刀具(6)的刀刃穿越保护层，同时割破过程中实时检测测试刀具(6)的刀刃刃尖的割破深度，割破深度达到预设值H1时，固定测试刀具(6)在测试装置上的位置；
S3、控制测试装置沿Z轴上移一个设定距离H2；
S4、控制样品载台(8)或测试装置，使得测试刀具(6)的刀刃相对于半导体材料层(9)水平移动，使测试刀具(6)的刀刃正面剪切检测点(10)，完成键合点强度测试。
2.根据权利要求1所述的半导体器件键合强度测试方法，其特征在于，S3中，H1为半导体材料保护层厚度。
3.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，S5中，H2为设定的焊点强度测试的测试高度参数。
4.根据权利要求1-3任一所述的半导体器件键合强度测试方法，其特征在于，S3中，测试刀具(6)和待测样品(7)产生相对位移的方法为控制待测样品(7)移动或使测试刀具(6)产生振动。
5.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于，包括安装板(1)，安装板(1)上固定安装有复合悬臂梁(2)，复合悬臂梁(2)的自由端和安装板(1)之间设有采用空气轴承和滑块的微动机构(6)，复合悬臂梁(2)的自由端上固定连接有推力传感器(5)，推力传感器(5)下方固定连接有测试刀具(6)，安装板(1)在复合悬臂梁(2)的自由端上部固定安装有用于测量自由端位移变化量的位移传感器(11)，复合悬臂梁(2)的自由端和固定端之间固定连接有用于检测刀具下压力的接触传感器(4)。
6.根据权利要求5所述的用于检测半导体器件键合强度的测试装置，其特征在于，位移传感器(11)测试精度小于等于1um。
7.根据权利要求6所述的用于检测半导体器件键合强度的测试装置，其特征在于，位移传感器(11)为LVDT微位移传感器。
8.根据权利要求6所述的用于检测半导体器件键合强度的测试装置，其特征在于，位移传感器(11)为线性光栅尺。
9.根据权利要求5-8任一所述的用于检测半导体器件键合强度的测试装置，其特征在于，接触传感器(4)包括压电式压力传感器和压感式压力传感器。
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