CN110349877B - 检测晶圆键合强度的方法及晶圆键合机台 - Google Patents
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Abstract
该发明涉及一种检测晶圆键合强度的方法及晶圆键合机台，其中检测晶圆键合强度的方法包括以下步骤：在待键合的晶圆的键合面表面放置第一尺寸的颗粒物；将待键合的晶圆与另一晶圆键合，使键合的晶圆对之间产生气泡，所述气泡位置与颗粒物的放置位置相对应，尺寸与所述晶圆对的键合强度有关；检测所述晶圆对的两个晶圆之间的气泡的尺寸，从而获取到两片晶圆的键合强度。所述检测晶圆键合强度的方法及晶圆键合机台可以在不破坏晶圆的情况下被准确的量测，避免因破坏性量测所造成的成本问题，同时也具有较高的测量精度。并且，还可以量测到晶圆任何位置的键合强度，而不局限在晶圆的边缘，因此在准确性及成本上都十分有利。
Description
技术领域
本发明涉及晶圆加工制造领域，具体涉及一种检测晶圆键合强度的方法及晶圆键合机台。
背景技术
低温晶圆直接键合技术是近年来研究最热门的键合方法，同时也是最为困难，对硅晶圆表面形貌和表面处理工艺要求最高的键合方法，不良的硅晶圆表面形貌或表面处理都会让键合的晶圆对产生不可修复的缺失。晶圆直接键合的工艺经历了从早期的高温晶圆键合到现在普遍研究和推广的低温晶圆键合工艺，主要就是为了克服高温对器件的影响，所以人们开始关注于低温晶圆键合的研究。目前主要的研究包括了亲水键合和疏水键合。低温直接键合的本质在于通过对硅表面进行表面处理，提高表面能，进而通过水分子桥接(亲水键合)或HF分子桥接(疏水键合)以及分子间的作用力，将两片或多片硅晶圆贴合在一起。
低温晶圆直接键合技术中，键合强度是其最重要的测定特征之一，它是关系到键合质量优劣的一个重要指标。键合强度小，在加工过程中两键合晶圆很有可能会开裂，导致失效。制造过程参数(特别是晶圆的表面预处理步骤和键合条件)的微小变动，都会直接影响健合界面的强度性能，因此键合强度不够反应了键合工艺过程中的某些环节出了问题；键合强度大，证明两晶圆接触紧密，键合界面裂缝、空洞的影响微乎其微，利用键合技术制作的器件也较不容易受到温度、湿度等环境因子的破坏而失效。
目前商业用键合强度测量方式都是采用破坏性的测量方式，包括有裂纹传播扩散法、直拉法、微楔形糟测试法、静态油压测试法及四点弯曲测试法，其中又以裂纹传播扩散法使用最为普遍。裂纹传播扩散法俗称刀片插入法或双悬臂梁测试法，是测量表面能(即键合强度)最传统最普遍的方法，通过在键合界面插入一薄刀片而将两晶圆分开，薄刀片会对晶圆造成严重损伤，属于破坏性的测量方式，如图一所示，最终得的裂缝长度就是对键合强度的一种表征。裂纹长度需要透过红外检测或超声波检测等系统的观测，键合能与裂纹长度、刀片厚度、晶圆厚度以及刀片插入速度有关，而且此方式通常只能量测到晶圆边缘的键合强度，所以在准确性及成本上(薄刀片会对晶圆造成严重损伤，造成晶圆报废)都十分不利。
发明内容
本发明的目的在于提供一种检测晶圆键合强度的方法及晶圆键合机台，能够简化晶圆键合强度检测时所需的步骤，避免在检测时损伤晶圆。
为了解决以上技术问题，以下提供了一种检测晶圆键合强度的方法，包括以下步骤：在待键合的晶圆的键合面表面放置第一尺寸的颗粒物；将待键合的晶圆与另一晶圆键合，使键合的晶圆对之间产生气泡，所述气泡位置与颗粒物的放置位置相对应，尺寸与所述晶圆对的键合强度有关；检测所述晶圆对的两个晶圆之间的气泡的尺寸，从而获取到两片晶圆的键合强度。
可选的，在待键合的晶圆的键合面表面的预设位置放置至少三颗所述颗粒物。
可选的，通过红外检测的方法来检测所述气泡的尺寸。
可选的，通过超声波检测的方法来检测所述气泡的尺寸。
可选的，还包括以下步骤：对键合的晶圆进行解键合，并去除键合的晶圆之间的气泡。
可选的，使用低温直接键合的方法键合两片待键合的晶圆。
为了解决以上技术问题，以下还提供了一种晶圆键合机台，包括：撒颗粒单元，用于在待键合的晶圆的键合面表面放置第一尺寸的颗粒物，使该晶圆在与另一晶圆键和后，键合的晶圆对的两个晶圆之间会产生气泡，且尺寸与所述晶圆对的键合强度有关；气泡尺寸检测单元，用于检测晶圆对的两个晶圆之间的气泡的尺寸，从而获取到两片晶圆的键合强度。
可选的，所述撒颗粒单元用于在待键合的晶圆的键合面表面的预设区域放置至少三颗第一尺寸的颗粒物。
可选的，所述气泡尺寸检测单元包括光电检测器和超声波检测器中的至少一种。
可选的，还包括：解键合单元，用于将完成键合强度检测之后的晶圆对解键合。
所述检测晶圆键合强度的方法及晶圆键合机台可以在不破坏晶圆的情况下被准确的量测，避免因破坏性量测所造成的成本问题，同时也具有较高的测量精度。并且，使用上述检测晶圆键合强度的方法及晶圆键合机台，还可以量测到晶圆任何位置的键合强度，而不局限在晶圆的边缘，因此在准确性及成本上都十分有利。
附图说明
图1为本发明的一种具体实施方式中的检测晶圆键合强度的方法的流程示意图。
图2为本发明的一种具体实施方式中的键合的晶圆对的示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明提出的一种检测晶圆键合强度的方法及晶圆键合机台作进一步详细说明。
请参阅图1至2，其中图1为本发明的一种具体实施方式中的检测晶圆键合强度的方法的流程示意图，图2为本发明的一种具体实施方式中的键合的晶圆对的示意图。
在该具体实施方式中，提供了一种检测晶圆键合强度的方法，包括以下步骤：S11在待键合的晶圆201的键合面表面放置第一尺寸的颗粒物202；S12将待键合的晶圆201与另一晶圆201键合，使键合的晶圆对200之间产生气泡203，所述气泡203位置与颗粒物202的放置位置相对应，尺寸与所述晶圆对200的键合强度有关；S13检测所述晶圆对200的两个晶圆201之间的气泡203的尺寸，从而获取到两片晶圆201的键合强度。
在该具体实施方式中，由于设置在待键合的晶圆201的键合面表面的颗粒物202，使得两片晶圆201一旦键合，就会在颗粒物202所在位置产生一气泡203。气泡203的尺寸与颗粒物202的尺寸、键合的强度直接相关。由于造成气泡203产生的颗粒物202的尺寸都是第一尺寸，是已知的，因此可只考虑键合的晶圆对200的键合强度对气泡203尺寸的影响。因此，使用该具体实施方式中的方法，就能很轻易的获取到键合的晶圆对200的键合强度。
在该具体实施方式中，晶圆201的键合强度γ与气泡203的尺寸的关系如下：
E1'＝E1/(1-v1 2)；
E2'＝E2/(1-v2 2)；
其中，γ是晶圆对200中每一个晶圆201的部分脱离键合时的表面能，即晶圆201的键合强度，R是气泡203的半径，E1是晶圆对200中的第一晶圆的杨氏模量，E2是晶圆对200中的第二晶圆的杨氏模量，v1是晶圆对200中的第一晶圆的泊松比，v2是晶圆对200中的第二晶圆的泊松比，tw1是晶圆对200中的第一晶圆的厚度，tw2是晶圆对200中的第二晶圆的厚度，h是第一尺寸的颗粒物202的半径。
在一种具体实施方式中，在待键合的晶圆201的键合面表面的预设位置放置至少三颗所述颗粒物202。这是因为，气泡203的数目与颗粒物202的数目等同，放置在待键合的晶圆201的键合面表面的颗粒物202越多，产生的气泡203越多，因此，在检测键合后的晶圆对200内的气泡203的尺寸时，可以检测多个气泡203的尺寸，这样获取到晶圆201的键合强度更加准确，能够减小检测单个气泡203的尺寸来确定键合强度时的较大误差。
在一种具体实施方式中，可根据需要设置键合的晶圆对200的两片晶圆201之间的颗粒物202的个数。需要注意的是，过多的颗粒物202造成两片晶圆201之间的气泡203过多时，气泡203本身也会影响晶圆201的键合强度，对最后的测量结果造成影响，因此，在一些具体实施方式中，限制两片晶圆201之间的颗粒物202数目在3颗到10颗之间为宜。
实际上，也可根据需要设置放置在两片晶圆201之间的颗粒物202的数目，如设置成1颗或两颗。
在一种具体实施方式中，所述颗粒物202的尺寸为半径在0.1um～20um范围内的圆球形颗粒物202。实际上，还可以设置所述颗粒物202为其他形状，如正方体颗粒物202等，形状稳定即可。
在一种具体实施方式中，所述颗粒物202的材质应当具有稳定、坚硬，且不与晶圆201表面产生反应，并且易从晶圆201表面移除的特性，例如陶瓷，即Al2O3，等稳定的高分子颗粒。
在一些具体实施方式中，可根据需要设置预设位置。当需要对晶圆201边缘的键合强度测量时，就将预设位置设置在晶圆201边缘；当需要对晶圆201中心和边缘之间的中间区域进行键合强度的测量时，就将预设位置设置在晶圆201的中心和边缘之间；当需要对晶圆201中心进行键合强度的测量时，就将预设位置设置在晶圆201的中心。
需要注意的是，每一片待测量的区域内放置的颗粒物202的数目不宜过多，以防止各个颗粒物202产生的气泡203发生重叠，造成气泡203尺寸的不可预估，这时气泡203的尺寸已不止与键合强度和颗粒物202的尺寸有关，还有其他更多的因素，会严重影响晶圆201键合强度的测量准确度。
在一种具体实施方式中，各个颗粒物202之间的距离应当大于颗粒物202半径的10000倍，因此在晶圆201表面放置的颗粒物202的多少是决取于颗粒物202尺寸。以晶圆201中心区域为例(半径<50mm)，如果颗粒物202半径是1um，颗粒物202间的距离必须大于10000um，即10mm。
因此，限制两片晶圆201之间的颗粒物202数目在10颗以内，也是由晶圆201的尺寸、气泡203的尺寸与颗粒物202的尺寸共同决定的。
在一种具体实施方式中，通过红外检测的方法来检测所述气泡203的尺寸。在该具体实施方式中，使用光电检测器朝气泡203出射红外光，并在另一端接收经过气泡203后的红外光，利用气泡203对光的反射和不同介质对光的吸收不同，根据光电检测器接收到的光强度的变化判断气泡203的有无和尺寸。
红外检测的方法具有响应快、精度高、非接触测量以及对辅助电路要求少的优点，电路简单，性能稳定。
实际上，可也采用其他的方法来检测所述气泡203的尺寸。例如，在一种具体实施方式中，通过超声波检测的方法来检测所述气泡203的尺寸，这是基于超声波在均匀介质中按直线方向传播，但到达界面或遇到不同介质时也像光波一样产生反射和折射、并服从与几何光学类似的反射、折射定律的原理。在一种具体实施方式中，根据超声波在气体、液体和固体中的吸收和衰减不同，利用透射来探测超声波发射和接收换能器之间是否有气泡203存在，并获取到气泡203的尺寸。
使用超声波检测的方法来检测所述气泡203的尺寸时，灵敏度高，可靠性好。
在具体的使用过程中，也能选用电容检测的方法来检测气泡203的尺寸，在此不再赘述。
在一种具体实施方式中，还包括以下步骤：对键合的晶圆201进行解键合，并去除键合的晶圆201之间的气泡203，这样，在被解键合的单一晶圆201再分别通过表面清洗技术将撒在表面的颗粒物202去除，方便晶圆201的持续使用。
在一种具体实施方式中，使用低温直接键合的方法键合两片待键合的晶圆201。
该具体实施方式中的检测晶圆键合强度的方法可以在不破坏晶圆201的情况下被准确的量测，避免因破坏性量测所造成的成本问题，同时也具有较高的测量精度。并且，使用上述检测晶圆键合强度的方法及晶圆键合机台，还可以量测到晶圆201任何位置的键合强度，而不局限在晶圆201的边缘，因此在准确性及成本上都十分有利。
在该具体实施方式中，还提供了一种晶圆键合机台，包括：撒颗粒单元，用于在待键合的晶圆201的键合面表面放置第一尺寸的颗粒物202，使该晶圆201在与另一晶圆201键和后，键合的晶圆对200的两个晶圆201之间会产生气泡203，且尺寸与所述晶圆对200的键合强度有关；气泡尺寸检测单元，，用于检测晶圆对200的两个晶圆201之间的气泡203的尺寸，从而获取到两片晶圆201的键合强度。
在该具体实施方式中，由于具有一撒颗粒单元，可在待键合的晶圆201的键合面表面放置上颗粒物202，使得两片晶圆201一旦键合，就会在颗粒物202所在位置产生一气泡203。气泡203的尺寸与颗粒物202的尺寸、键合的强度直接相关。由于造成气泡203产生的颗粒物202的尺寸都是第一尺寸，是已知的，因此可只考虑键合的晶圆对200的键合强度对气泡203尺寸的影响。因此，通过所述气泡尺寸检测单元，检测到所述气泡203的尺寸后，就可以获取所述晶圆对200的键合强度，便于用户对该晶圆键合机台的键合强度的统计和检测。
在一种具体实施方式中，所述撒颗粒单元包括原子力显微镜和操作针尖。在使用过程中，先把操作针尖浸在含有第一尺寸的颗粒物202的溶液中，使所述颗粒物202粘在针尖上，然后通过操作针尖和待键合的晶圆201的键合面表面的接触，将所述颗粒物202转移到所述待键合的晶圆201的键合面表面。
在该具体实施方式中，晶圆201的键合强度与气泡203的尺寸的关系如下：
E2'＝E2/(1-v2 2)；
其中，γ是晶圆对200中每一个晶圆201的部分脱离键合时的表面能，即晶圆201的键合强度，R是气泡203的半径，E1是晶圆对200中的第一晶圆的杨氏模量，E2是晶圆对200中的第二晶圆的杨氏模量，v1是晶圆对200中的第一晶圆的泊松比，v2是晶圆对200中的第二晶圆的泊松比，tw1是晶圆对200中的第一晶圆的厚度，tw2是晶圆对200中的第二晶圆的厚度，h是第一尺寸的颗粒物202的半径。
在一种具体实施方式中，所述撒颗粒单元用于在待键合的晶圆201的键合面表面的预设区域放置至少三颗第一尺寸的颗粒物202。这是因为，气泡203的数目与颗粒物202的数目等同，放置在待键合的晶圆201的键合面表面的颗粒物202越多，产生的气泡203越多，因此，在检测键合后的晶圆对200内的气泡203的尺寸时，可以检测多个气泡203的尺寸，这样获取到晶圆201的键合强度更加准确，能够减小检测单个气泡203的尺寸来确定键合强度时的较大误差。
在一种具体实施方式中，可根据需要设置所述撒颗粒单元放置在键合的晶圆对200的两片晶圆201之间的颗粒物202的个数。需要注意的是，过多的颗粒物202造成两片晶圆201之间的气泡203过多时，气泡203本身也会影响晶圆201的键合强度，对最后的测量结果造成影响，因此，在一些具体实施方式中，限制两片晶圆201之间的颗粒物202数目在3颗到10颗之间为宜。
实际上，也可根据需要设置放置在两片晶圆201之间的颗粒物202的数目，如设置成1颗或两颗。
在一种具体实施方式中，所述颗粒物202的尺寸为半径在0.1um～20um范围内的圆球形颗粒物202。实际上，还可以设置所述颗粒物202为其他形状，如正方体颗粒物202等，形状稳定即可。
在一种具体实施方式中，所述颗粒物202的材质应当具有稳定、坚硬，且不与晶圆201表面产生反应，并且易从晶圆201表面移除的特性，例如陶瓷，即Al2O3，等稳定的高分子颗粒。
在一些具体实施方式中，所述撒颗粒单元放置颗粒物202的预设位置可根据需要进行设置。在该具体实施方式中，在放置所述颗粒物202时，操纵原子力显微镜，将已经俘获了颗粒物202的操作针尖定位在预设位置，并降低所述操作针尖的高度，使所述操作针尖持续接触在待键合的晶圆201的键合面表面的预设位置，使粘附在所述操作针尖侧壁的颗粒物202也接触所述键合面表面，从所述操作针尖的侧壁转移到所述键合面表面，从而实现颗粒物202的放置。
当需要对晶圆201边缘的键合强度测量时，就将预设位置设置在晶圆201边缘；当需要对晶圆201中心和边缘之间的中间区域进行键合强度的测量时，就将预设位置设置在晶圆201的中心和边缘之间；当需要对晶圆201中心进行键合强度的测量时，就将预设位置设置在晶圆201的中心。
需要注意的是，每一片待测量的区域内放置的颗粒物202的数目不宜过多，以防止各个颗粒物202产生的气泡203发生重叠，造成气泡203尺寸的不可预估，这时气泡203的尺寸已不止与键合强度和颗粒物202的尺寸有关，还有其他更多的因素，会严重影响晶圆201键合强度的测量准确度。
在一种具体实施方式中，各个颗粒物202之间的距离应当大于颗粒物202半径的10000倍，因此在晶圆201表面放置的颗粒物202的多少是决取于颗粒物202尺寸。以晶圆201中心区域为例(半径<50mm)，如果颗粒物202半径是1um，颗粒物202间的距离必须大于10000um，即10mm。
因此，限制两片晶圆201之间的颗粒物数目在10颗以内，也是由晶圆201的尺寸、气泡203的尺寸与颗粒物的尺寸共同决定的。
在一种具体实施方式中，所述气泡尺寸检测单元包括光电检测器和超声波检测器中的至少一种。
在该具体实施方式中，可以使用光电检测器朝气泡203出射红外光，并在另一端接收经过气泡203后的红外光，利用气泡203对光的反射和不同介质对光的吸收不同，根据光电检测器接收到的光强度的变化判断气泡203的有无和尺寸。使用红外检测的方法具有响应快、精度高、非接触测量以及对辅助电路要求少的优点，电路简单，性能稳定。
在该具体实施方式中，使用超声波检测器对气泡203的尺寸进行超声波检测时，是基于超声波在均匀介质中按直线方向传播，但到达界面或遇到不同介质时也像光波一样产生反射和折射、并服从与几何光学类似的反射、折射定律的原理。在一种具体实施方式中，根据超声波在气体、液体和固体中的吸收和衰减不同，利用透射法来探测超声波发射和接收换能器之间是否有气泡203存在，并获取到气泡203的尺寸。
使用超声波检测的方法来检测所述气泡203的尺寸时，灵敏度高，可靠性好。
在具体的使用过程中，也能选用电容检测器，利用电容检测的方法来检测气泡203的尺寸，在此不再赘述。
在一种具体实施方式中，还包括：解键合单元，用于将完成键合强度检测之后的晶圆201对解键合，这样，在被解键合的单一晶圆201再分别通过表面清洗技术将撒在表面的颗粒物去除，方便晶圆201的持续使用。
在一种具体实施方式中，所述晶圆键合机台是低温晶圆直接键合机台，键合两片晶圆201时，对晶圆201进行晶圆201直接键合。
所述晶圆201键合机台可以在不破坏晶圆201的情况下被准确的量测，避免因破坏性量测所造成的成本问题，同时也具有较高的测量精度。并且，使用上述检测晶圆201键合强度的方法及晶圆201键合机台，还可以量测到晶圆201任何位置的键合强度，而不局限在晶圆201的边缘，因此在准确性及成本上都十分有利。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种检测晶圆键合强度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
在待键合的晶圆的键合面表面的预设位置放置至少三颗第一尺寸的颗粒物；
将待键合的晶圆与另一晶圆键合，使键合的晶圆对之间产生气泡，所述气泡位置与颗粒物的放置位置相对应，尺寸与所述晶圆对的键合强度有关；检测所述晶圆对的两个晶圆之间的气泡的尺寸，从而获取到两片晶圆的键合强度；
所述晶圆的键合强度γ与气泡的尺寸的关系如下：
E1'＝E1/(1-v1 2)；
E2'＝E2/(1-v2 2)；
其中，γ是晶圆对中每一个晶圆的部分脱离键合时的表面能，R是气泡的半径，E1是晶圆对中的第一晶圆的杨氏模量，E2是晶圆对中的第二晶圆的杨氏模量，v1是晶圆对中的第一晶圆的泊松比，v2是晶圆对中的第二晶圆的泊松比，tw1是晶圆对中的第一晶圆的厚度，tw2是晶圆对中的第二晶圆的厚度，h是第一尺寸的颗粒物的半径。
2.根据权利要求1所述的检测晶圆键合强度的方法，其特征在于，通过红外检测的方法来检测所述气泡的尺寸。
3.根据权利要求1所述的检测晶圆键合强度的方法，其特征在于，通过超声波检测的方法来检测所述气泡的尺寸。
4.根据权利要求1所述的检测晶圆键合强度的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
对键合的晶圆进行解键合，并去除键合的晶圆之间的气泡。
5.根据权利要求1所述的检测晶圆键合强度的方法，其特征在于，使用低温直接键合的方法键合两片待键合的晶圆。
6.一种晶圆键合机台，其特征在于，包括：
撒颗粒单元，用于在待键合的晶圆的键合面表面的预设位置放置至少三颗第一尺寸的颗粒物，使该晶圆在与另一晶圆键和后，键合的晶圆对的两个晶圆之间会产生气泡，且尺寸与所述晶圆对的键合强度有关；
气泡尺寸检测单元，用于检测晶圆对的两个晶圆之间的气泡的尺寸，从而获取到两片晶圆的键合强度；
所述晶圆的键合强度γ与气泡的尺寸的关系如下：
E1'＝E1/(1-v1 2)；
E2'＝E2/(1-v2 2)；
其中，γ是晶圆对中每一个晶圆的部分脱离键合时的表面能，R是气泡的半径，E1是晶圆对中的第一晶圆的杨氏模量，E2是晶圆对中的第二晶圆的杨氏模量，v1是晶圆对中的第一晶圆的泊松比，v2是晶圆对中的第二晶圆的泊松比，tw1是晶圆对中的第一晶圆的厚度，tw2是晶圆对中的第二晶圆的厚度，h是第一尺寸的颗粒物的半径。
7.根据权利要求6所述的晶圆键合机台，其特征在于，所述气泡尺寸检测单元包括光电检测器和超声波检测器中的至少一种。
8.根据权利要求6所述的晶圆键合机台，其特征在于，还包括：
解键合单元，用于将完成键合强度检测之后的晶圆对解键合。
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