CN112701058A - 晶圆键合力的测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种晶圆键合力的测试方法,通过使用晶圆键合机台将晶圆与晶圆键合、晶圆键合后使用超声波扫描显微镜进行键合空洞扫描、晶圆通过高温退火、退火后使用超声波扫描显微镜再次进行键合空洞扫描、使用刃形刀片匀速插入进晶圆键合界面,等待1分钟后由于虹吸作用去离子水会进入晶圆之间裂缝处,形成去离子水界面介质、将多余的去离子水用氮气枪吹干,将晶圆放入载片盒内使用超声波扫描显微镜进行第三次扫描,扫描到裂缝的形状,大小和位置、通过超声波扫描显微镜给的位置数据,得到裂缝的精准长度、重复多点测试、将裂缝长度代入公式、计算该处键合力,将多点键合力数据算出平均值。
Description
技术领域
本发明属于晶圆键合技术领域,尤其涉及一种晶圆键合力的测试方法。
背景技术
在半导体键合工艺中,键合力是验证键合能力和键合良率重要的技术指标。键合力小会导致键合后的两片晶圆出现剥离,造成良率损失。键合力的测试方法有:裂纹传播扩散法、静态液体油压法、四点弯曲分层法、直拉法等。其中裂纹扩散法是最常用的检测方法。这种方法是,在半导体日常检查工作中,晶圆经过键合后或者键合和高温退火后,使用刃形刀片匀速插入准备测试键合力的两个晶圆的键合界面中,刃形刀片会在界面层产生裂纹(空洞)。通常,半导体厂十分重视关键参数的测量,所以为了测试晶圆键合力都会额外购置一台键合力测试机台。该测量机台在键合晶圆一侧发射大于900nm的红外光,同时另一侧使用CCD红外摄像头监测裂纹长度。操作者记录裂纹长度代入理论公式后,计算出晶圆键合力。
晶圆级别键合是MEMS、SOI、CIS等半导体器件的关键工艺,退火后的键合力一般要求大于2J/m2。在晶圆键合力测量时往往会购置一个键合力测试机台,包括红外光发射器、CCD相机和视频显示器。红外光源穿透率受到硅片掺杂浓度或者金属导线干扰等限制,测量的数据容易存在误差。这是由于对于重掺杂和具有金属布线的晶圆,红外光由于受到阻碍导致接收到的信号不足或者确实,图形显示模糊或者显示不出来。所以红外光测试键合力这种机台对于实际生产片的键合力测量很有限,通常只能测试掺杂浓度低和无金属布线的实验片。另外,额外购置该机台也会增加半导体制造厂的设备成本。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于提供一种晶圆键合力的测试方法,晶圆键合工艺需要三个机台,晶圆键合机台、高温退火机台和超声波扫描测试机台,具体为:
一种晶圆键合力的测试方法,包括如下步骤:
S1选取两张晶圆用于制备键合晶圆,其中一张晶圆需要有氧化层,另一张晶圆无长氧化层;
S2清洗两张晶圆且两张晶圆表面无损伤;
S3对两张晶圆使用自动键合机台进行键合,其中有氧化层的晶圆设置在无氧化层晶圆的下方,两张晶圆通过等离子体激活后将表面价键打开并且通过对准台面进行对准;
S4通过超声波扫描机对步骤S3中键合后的晶圆进行空洞检测;
S5将键合后的晶圆放置在金属载筐内,通过烘箱或炉管进行退火;
S6在需要测量晶圆键合界面处迅速插刀制造键合裂纹;
S7当晶圆键合裂纹扩展范围稳定后,向晶圆键合裂纹处注入溶液。裂纹处填满溶液后缓慢匀速的拔刀;
S8用超声波扫描仪进行自动扫描,测量键合裂纹距离晶圆边缘的长度;
S9为实现多点键合力测试,重复步骤S6至步骤S9;
S10多点测量进行键合能γ,包括如下公式:
其中,t为晶圆厚度,y为刀厚度、L为裂纹长度、E为杨氏模型,n为测量键合能的点数。
优选的,所述步骤S1包括如下步骤
S101选取一片晶圆,通过气相沉积的方法生长氧化层,所述氧化层的厚度在1μm至3μm;
S102使用化学机械抛光机台,将步骤S101中的晶圆表面氧化层研磨至0.5μm至2um之间,厚度均匀性在1000A至5000A之间;
S103在选取一张不需要生产氧化层的晶圆作为键合载片方。
优选的,所述步骤S2包括:
S201使用氨水双氧水和去离子水混合液对步骤S1中的两张晶圆进行清洗;
S202在盐酸双氧水和去离子水混合液中对两张晶圆再次进行清洗;
S203测试两张晶圆表面颗粒度,保证0.12μm颗粒数量小于10颗;
S204测量晶圆翘曲度并保证晶圆翘曲度在0μm至50μm范围内;
S205查看两张晶圆表面有无划伤破损等缺陷。
优选的,所述步骤S3中的离子体设置在10瓦至60瓦之间。
优选的,所述步骤S4中,所述超声波扫描机台的参数为:
扫描频率为50赫兹至100赫兹、最大移动速度为1.5m/s、加速度20m/s2、移动重复精度±0.05μm、扫描分辨率在3μm至300μm之间。
优选的,所述步骤S5中,退火的温度设置为300℃至450℃之间,退火时间设置为1小时至3小时之间,退火温度上升或下降速率设为5℃/min,所述烘箱或者炉管内部为氮气或者压缩空气。
优选的,所述步骤S6中的刀选择厚度在0.15mm至0.5mm之间的刀片,可插入长度为1cm至2.5cm,刀片宽度为2cm至4cm。
优选的,所述步骤S7中还需要使用氮气或无尘纸将晶圆表面的溶液去除掉,将干净的晶圆放入自动载片盒中。
优选的,步骤S8中设置分辨率为50μm,测量时间为8min。
优选的,所述步骤S9中,分别选取晶圆的3、6、9、12点钟的是个方位进行键合力测试。
有益效果:与使用传统红外光源的测试机台相比,本方法提出的方案仅仅需要生产车间的超声波扫描仪,不用额外购置机台就可以测量键合力;并且使用该专利的方法测试键合力,可以使用超声波扫描仪自动测量,从而节约成本、提高产能。使用超声波测量晶圆键合力还会避免红外测量仪对晶圆掺杂浓度、金属布线的测量限制,超声波测量具有更高的精度和准确度,而且可以提供实际生产片的键合力结果。
附图说明
图1为本发明一种实施例的两张晶圆;
图2为本发明一种实施例的晶圆对准;
图3为本发明一种实施例的晶圆裂纹示意图;
图4为本发明一种实施例的四个方向点的晶圆裂纹;
图5为本发明一种实施例的流程图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案,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的实施例,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,都应当属于本发明保护的范围。
需要注意的是,本文使用术语第一、第二、第三等来描述各种部件或零件,但这些部件或零件不受这些术语的限制。这些术语仅用来区别一个部件或零件与另一部件或零件。术语诸如“第一”、“第二”和其他数值项在本文使用时不是暗示次序或顺序,除非由上下文清楚地指出。为了便于描述,本文使用空间相对术语,诸如“内部”、“外部”、“上端”、“下端”、“左侧”、“右侧”、“上部的”、“左”、“右”等,以描述本实施例中部件或零件的方位关系,但这些空间相对术语并不对技术特征在实际应用中的方位构成限制。
如图5,本方法包括三个机台,晶圆键合机台、高温退火机台和超声波扫描测试机台,本方法具体为:
一种晶圆键合力的测试方法,包括如下步骤:
S1选取两张晶圆用于制备键合晶圆,其中一张晶圆需要有氧化层,另一张晶圆无长氧化层;
S2清洗两张晶圆且两张晶圆表面无损伤;
S3对两张晶圆使用自动键合机台进行键合,其中有氧化层的晶圆设置在无氧化层晶圆的下方,两张晶圆通过等离子体激活后将表面价键打开并且通过对准台面进行对准;
S4通过超声波扫描机对步骤S3中键合后的晶圆进行空洞检测;
S5将键合后的晶圆放置在金属载筐内,通过烘箱或炉管进行退火;
S6在需要测量晶圆键合界面处迅速插刀制造键合裂纹;
S7当晶圆键合裂纹扩展范围稳定后,向晶圆键合裂纹处注入溶液。裂纹处填满溶液后缓慢匀速的拔刀;
S8用超声波扫描仪进行自动扫描,测量键合裂纹距离晶圆边缘的长度;
S9为实现多点键合力测试,重复步骤S6至步骤S9;
S10多点测量进行键合能γ,包括如下公式:
其中,t为晶圆厚度,y为刀厚度、L为裂纹长度、E为杨氏模型,n为测量键合能的点数。
本方法具体为:
首先,如图1,制备键合晶圆,制备键合晶圆主要包括:选择表面翘曲度0微米至50微米之间的晶圆两张,两个晶圆的表面为抛光单晶硅无氧化层,且表面颗粒度为0.12的颗粒少于10颗。其中一张晶圆使用气相沉积或其他方式生长氧化层1μm-3um。而后使用化学机械抛光机台,将晶圆表面氧化层研磨至0.5μm-2um,厚度均匀性1000A-5000A。另一张晶圆不需要生长氧化层,作为键合载片方。、
所以具体S1的具体步骤为:
S101选取一片晶圆,通过气相沉积的方法生长氧化层,所述氧化层的厚度在1μm至3μm;
S102使用化学机械抛光机台,将步骤S101中的晶圆表面氧化层研磨至0.5μm至2um之间,厚度均匀性在1000A至5000A之间;
S103在选取一张不需要生产氧化层的晶圆作为键合载片方。
然后,进行晶圆键合钱的准备,具体包括:使用氨水双氧水和去离子水混合液对两张晶圆进行清洗,然后在使用盐酸双氧水和去离子水混合液再次对两张晶圆进行清洗。清洗后,测试两张晶圆表面颗粒度,保证0.12微米颗粒数量小于10颗。测量晶圆翘曲度,保证在0~50微米范围内。晶圆表面无划伤破损等缺陷。
所以步骤S2的步骤具体包括:
S201使用氨水双氧水和去离子水混合液对步骤S1中的两张晶圆进行清洗;
S202在盐酸双氧水和去离子水混合液中对两张晶圆再次进行清洗;
S203测试两张晶圆表面颗粒度,保证0.12μm颗粒数量小于10颗;
S204测量晶圆翘曲度并保证晶圆翘曲度在0μm至50μm范围内;
S205查看两张晶圆表面有无划伤破损等缺陷。
然后,如图2,进行两片晶圆的键合,将两张晶圆使用自动键合机台进行键合,其中有氧化层的晶圆键合后设置在无氧化层晶圆的下方。两张晶圆分别通过等离子体激活后将表面价键打开,通过去离子水后形成SI-O或者SI-OH键。通过对准台面,进行两张晶圆的精确对准键合。其中,离子体设置在10瓦至60瓦之间。
然后,进行空洞扫描,晶圆键合后,通过超声波扫描机台进行空洞检测,扫描频率为50-100赫兹。最大移动速度设置为1.5米/秒,加速度设为20m/s2,移动重复精度±0.05微米。扫描分辨率可以选择3微米至300微米。一般选择50微米或者300微米。其中50微米需要测试速度慢一些,300微米需要测试速度快一点,得到扫描结果后,确认晶圆边缘和晶圆内部没有空洞,键合良率99%以上。
然后,进行晶圆退火,键合的晶圆放置在金属载筐内,通过烘箱或者炉管进行退火。退火温度一般为300℃至450℃,退火时间为1h至3h,退火温度上升或下降的速率为5℃/min。烘箱或者炉管内部可以是氮气或者压缩空气。晶圆退火的升温和降温速率根据晶圆不同材质而改变,如玻璃材质可以改为1℃/min。退火做完后,晶圆放置到自动载片盒内,再次通过超声波扫描机台检测键合空洞,确认晶圆边缘和晶圆内部没有任何空洞,键合良率在99%以上。
如图3,制造键合裂纹,使用刃形刀片插入到需要测量的晶圆键合界面处,要求匀速插入。刀片厚度选择0.15毫米至0.5毫米之间,可插入长度1厘米至2.5厘米,刀片宽度在2厘米至4厘米之间。插入后需要等待一分钟,晶圆键合裂纹扩展范围稳定。
晶圆键合裂纹扩展范围稳定后,进行制造超声波扫描介质:使用去离子水其他溶液注入到晶圆键合裂纹处。由于虹吸现象,晶圆裂纹处将会被去离子水或其他介质溶液填充。然后将刀片从晶圆键合裂纹处缓慢匀速拔出。然后使用氮气或无尘纸,将晶圆表面的去离子水或其他介质溶液去除掉,将干净的晶圆放入自动载片盒中。
通过超声波扫描仪对键合裂纹进行测量,使用超声波扫描仪,进行自动扫描,设置扫描分辨率在3微米-300微米之间,分辨率设置越小,扫描精度越高,扫描时间越长。一般分辨率设置50微米时,测量时长约8分钟。将测量数据进行计算,得到裂纹距离晶圆边缘的长度。
如图4,通过上述方法重复进行键合力的测试,一半选取以晶圆中心为中点,测取晶圆的3点钟、6点钟、9点钟、12点钟该是个方向的点进行测量。相关公式变为:
以上实施例不局限于该实施例自身的技术方案,实施例之间可以相互结合成新的实施例。以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而并非对其进行限制,凡未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换,其均应涵盖在本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种晶圆键合力的测试方法,其特征在于,包括如下步骤:
S1选取两张晶圆用于制备键合晶圆,其中一张晶圆需要有氧化层,另一张晶圆无长氧化层;
S2清洗两张晶圆且两张晶圆表面无损伤;
S3对两张晶圆使用自动键合机台进行键合,其中有氧化层的晶圆设置在无氧化层晶圆的下方,两张晶圆通过等离子体激活后将表面价键打开并且通过对准台面进行对准;
S4通过超声波扫描机对步骤S3中键合后的晶圆进行空洞检测;
S5将键合后的晶圆放置在金属载筐内,通过烘箱或炉管进行退火;
S6在需要测量晶圆键合界面处迅速插刀制造键合裂纹;
S7当晶圆键合裂纹扩展范围稳定后,向晶圆键合裂纹处注入溶液。裂纹处填满溶液后缓慢匀速的拔刀;
S8用超声波扫描仪进行自动扫描,测量键合裂纹距离晶圆边缘的长度;
S9为实现多点键合力测试,重复步骤S6至步骤S9;
S10多点测量进行键合能γ,包括如下公式:
其中,t为晶圆厚度,y为刀厚度、L为裂纹长度、E为杨氏模型,n为测量键合能的点数。
2.根据权利要求1所述的晶圆键合力的测试方法,其特征在于,所述步骤S1包括如下步骤
S101选取一片晶圆,通过气相沉积的方法生长氧化层,所述氧化层的厚度在1μm至3μm;
S102使用化学机械抛光机台,将步骤S101中的晶圆表面氧化层研磨至0.5μm至2um之间,厚度均匀性在1000A至5000A之间;
S103在选取一张不需要生产氧化层的晶圆作为键合载片方。
3.根据权利要求1所述的晶圆键合力的测试方法,其特征在于,所述步骤S2包括:
S201使用氨水双氧水和去离子水混合液对步骤S1中的两张晶圆进行清洗;
S202在盐酸双氧水和去离子水混合液中对两张晶圆再次进行清洗;
S203测试两张晶圆表面颗粒度,保证0.12μm颗粒数量小于10颗;
S204测量晶圆翘曲度并保证晶圆翘曲度在0μm至50μm范围内;
S205查看两张晶圆表面有无划伤破损等缺陷。
4.根据权利要求1所述的晶圆键合力的测试方法,其特征在于,所述步骤S3中的离子体设置在10瓦至60瓦之间。
5.根据权利要求1所述的晶圆键合力的测试方法,其特征在于,所述步骤S4中,所述超声波扫描机台的参数为:
扫描频率为50赫兹至100赫兹、最大移动速度为1.5m/s、加速度20m/s2、移动重复精度±0.05μm、扫描分辨率在3μm至300μm之间。
6.根据权利要求1所述的晶圆键合力的测试方法,其特征在于,所述步骤S5中,退火的温度设置为300℃至450℃之间,退火时间设置为1小时至3小时之间,退火温度上升或下降速率设为5℃/min,所述烘箱或者炉管内部为氮气或者压缩空气。
7.根据权利要求1所述的晶圆键合力的测试方法,其特征在于,所述步骤S6中的刀选择厚度在0.15mm至0.5mm之间的刀片,可插入长度为1cm至2.5cm,刀片宽度为2cm至4cm。
8.根据权利要求1所述的晶圆键合力的测试方法,其特征在于,所述步骤S7中还需要使用氮气或无尘纸将晶圆表面的溶液去除掉,将干净的晶圆放入自动载片盒中。
9.根据权利要求1所述的晶圆键合力的测试方法,其特征在于,步骤S8中设置分辨率为50μm,测量时间为8min。
10.根据权利要求1所述的晶圆键合力的测试方法,其特征在于,所述步骤S9中,分别选取晶圆的3、6、9、12点钟的是个方位进行键合力测试。
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CN114252329A (zh) * | 2021-11-08 | 2022-03-29 | 长江存储科技有限责任公司 | 键合技术的键合能测试方法 |
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CN112701058B (zh) | 2022-09-02 |
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