CN117433669B - 晶圆键合力测试装置及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体制造技术领域，公开了一种晶圆键合力测试装置及测试方法。该晶圆键合力测试装置包括键合晶圆夹具、压电刀片、刀片推进器和信号收集处理组件，键合晶圆夹具用于固定待测试的键合晶圆片；压电刀片用于插入键合晶圆片的键合界面，压电刀片包括上电极层、压电层和下电极层，压电层设置于上电极层和下电极层之间；刀片推进器用于夹持压电刀片并能以恒定力或恒定速度推动压电刀片插入键合晶圆片的键合界面；信号收集处理组件与压电刀片电性连接，信号收集处理组件用于收集压电刀片的电压信号并将电压信号转化为压力值。本发明提供的测试方法使用上述晶圆键合力测试装置，可以快速准确地测试出键合界面的键合力。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种晶圆键合力测试装置及测试方法。
背景技术
晶圆键合是一种用于晶圆封装、衬底制造的工艺技术，主要是指将两片晶圆通过化学或物理方式紧密贴合在一起，然后经退火处理，两片晶圆之间的界面形成化学键的连接，进而形成具备一定结合强度的特定功能的器件。键合力是衡量晶圆键合强度的重要技术指标，键合强度小，在加工过程中两键合片很有可能会开裂，导致失效；而键合强度足够大，能保证产品的成品率和质量。业内广泛使用的键合力量测方法是裂纹传播扩散法(也称刀片插入法)，通过将键合在一起的两个接触面分开，然后观察裂纹的开裂，虽然上述裂纹传播扩散法操作简单，但存在问题如下：
(一)受量测环境以及量测设备的影响，使得在实际量测过程中存在较多引入误差的环节。例如，刀片的插入通常是由人工进行，这种人工进行插入的方式由于误差大会导致量测结果粗略，无法精准的反应键合力，导致键合工艺后续的制程会受影响并存在风险；
(二)裂纹成像和测量需分别使用裂纹成像系统和裂纹长度测量软件，由于裂纹的观测与裂纹的量测精度不同，导致测得的键合力数据无法对标，其缺乏通用性和权威性，难以形成统一的标准来表征。
因此，亟需一种晶圆键合力测试装置及测试方法，以解决上述技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种晶圆键合力测试装置及测试方法，旨在解决现有测试装置测试准确度低、通用性差的问题，提高了测试装置的测试准确度，使测试结果更具通用性。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种晶圆键合力测试装置，包括：
键合晶圆夹具，用于固定待测试的键合晶圆片；
压电刀片，用于插入所述键合晶圆片的键合界面，所述压电刀片包括上电极层、压电层和下电极层，所述压电层设置于所述上电极层和所述下电极层之间；
刀片推进器，用于夹持所述压电刀片并能以恒定力或恒定速度推动所述压电刀片插入所述键合界面；
信号收集处理组件，与所述压电刀片电性连接，所述信号收集处理组件用于收集所述压电刀片的电压信号并将所述电压信号转化为压力值。
可选地，所述刀片推进器包括高度调节和固定组件，所述高度调节和固定组件用于夹持所述压电刀片并能调节所述压电刀片的竖直高度，所述刀片推进器还包括推进组件，所述推进组件能以恒定力或恒定速度推动所述高度调节和固定组件移动。
可选地，所述压电刀片的厚度为60μm-200μm；所述压电刀片的长度为10mm-30mm；所述压电刀片的宽度为2mm-20mm。
可选地，所述压电层的厚度为50μm-160μm。
可选地，所述上电极层的厚度为5μm-20μm。
可选地，所述下电极层的厚度为5μm-20μm。
可选地，所述压电刀片具有刀尖部，所述刀尖部的夹角θ小于20°。
可选地，所述晶圆键合力测试装置还包括与所述信号收集处理组件电性连接的显示器，所述显示器用于输出显示所述压力值。
可选地，所述压电层的材料为钛酸钡、钛酸铅、锯酸钾、偏铌酸铅、锆钛酸铅、铌酸钾钠、偏铌酸铅钡、铌镁-锆-钛酸铅、铌锌-锆-钛酸铅或铌锰-锆-钛酸铅中的一种。
一种晶圆键合力测试方法，使用如上述任一方案所述的晶圆键合力测试装置，所述晶圆键合力测试方法包括：
上片，将所述键合晶圆片安装于所述键合晶圆夹具上；
对刀，将所述压电刀片安装于所述刀片推进器上，通过所述刀片推进器调节所述压电刀片的位置，使所述压电刀片对准插入所述键合晶圆片的键合界面。
本发明的有益效果：本发明提供的晶圆键合力测试装置，通过设置刀片推进器，测试时，刀片推进器推动压电刀片插入键合晶圆片的键合界面，与人工插入相比，提高了压电刀片的插入准确度，进而提高了键合力测试准确度；通过设置刀片为压电刀片，压电刀片包括上电极层、压电层和下电极层，压电层设置于上电极层和下电极层之间，压电刀片的上下表面分别受到上下晶圆的压力而形成电荷聚集，进而使得上电极层和下电极层之间形成电势差，信号收集处理组件收集压电刀片的电压信号并将电压信号转化为压力值，该压力值即为键合界面的结合力，与现有技术相比，无需使用裂纹成像系统和裂纹长度测量软件，也无需进行复杂的公式计算，结构简单，使用方便，测试结果可对标。
本发明还提供了一种晶圆键合力测试方法，该方法采用上述的晶圆键合力测试装置进行，可以快速准确地测试出键合界面的键合力。
附图说明
图1是本发明实施例提供的晶圆键合力测试装置的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的压电刀片测试原理示意图。
图中：
100、键合晶圆片；200、压电刀片；210、上电极层；220、压电层；230、下电极层；300、刀片推进器；400、信号收集处理组件；500、显示器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
本实施例提供了一种晶圆键合力测试装置及测试方法，旨在解决现有测试装置测试准确度低、通用性差的问题，提高了测试装置的测试准确度，使测试结果更具通用性。
如图1和图2所示，该晶圆键合力测试装置包括键合晶圆夹具、压电刀片200、刀片推进器300和信号收集处理组件400，键合晶圆夹具用于固定待测试的键合晶圆片100；压电刀片200用于插入键合晶圆片100的键合界面，压电刀片200包括上电极层210、压电层220和下电极层230，压电层220设置于上电极层210和下电极层230之间；刀片推进器300用于夹持压电刀片200并能以恒定力或恒定速度推动压电刀片200插入键合晶圆片100的键合界面；信号收集处理组件400与压电刀片200电性连接，信号收集处理组件400用于收集压电刀片200的电压信号并将电压信号转化为压力值。
本实施例提供的晶圆键合力测试装置，通过设置刀片推进器300，测试时，刀片推进器300推动压电刀片200插入键合晶圆片100的键合界面，与人工插入相比，提高了压电刀片200的插入准确度，进而提高了键合力测试准确度；通过设置刀片为压电刀片200，压电刀片200包括上电极层210、压电层220和下电极层230，压电层220设置于上电极层210和下电极层230之间，压电刀片200的上下表面分别受到上下晶圆的压力而形成电荷聚集，进而使得上电极层210和下电极层230之间形成电势差，信号收集处理组件400收集压电刀片200的电压信号并将电压信号转化为压力值，该压力值即为键合界面的结合力，与现有技术相比，无需使用裂纹成像系统和裂纹长度测量软件，也无需进行复杂的公式计算，结构简单，使用方便，测试结果可对标。
使用本实施例提供的晶圆键合力测试装置对晶圆键合力进行测试的原理如下：
压电刀片200插入键合界面后，在上下晶圆的压力作用下，压电刀片200对应产生电荷量Q，根据公式：Q=Cd×V=F×d33，（Q为电荷量，Cd为压电刀片200的电容，V为上电极层210和下电极层230之间的电势差，F为压电刀片200受到的压力，d33为压电刀片200的压电应变常数），由Cd=εA/t可知，输出电压V（即上电极层210和下电极层230之间的电势差）可由压电刀片200的压电应变常数d33、介电常数ε、厚度t、截面积A的关系式得出，具体公式为V=F×d33/Cd=F×d33×t/εA，再由d33=εg33可知，V=F×g33×t/A，则压力F=VA/tg33，其中g33为压电电压常数，则P=F/A=V/tg33，其中，P为键合界面压强，单位为Pa。
可选地，压电刀片200具有刀尖部，刀尖部的夹角θ小于20°。该种设置可以有效保证，在压电刀片200插入键合界面时，上下晶圆分别和压电刀片200的上下表面有足够的接触面积。
作为优选，压电刀片200的厚度为60μm-200μm，优选厚度为130μm；压电刀片200的长度为10μm-30μm，优选长度为20μm；压电刀片200的宽度为2μm-20μm，优选宽度为11μm。具体地，上电极层210的厚度为5μm-20μm，优选厚度为12.5μm；压电层220的厚度为50μm-160μm，优选厚度为105μm；下电极层230的厚度为5μm-20μm，优选厚度为12.5μm。
可选地，压电层220的材料为钛酸钡、钛酸铅、锯酸钾、偏铌酸铅、锆钛酸铅、铌酸钾钠、偏铌酸铅钡、铌镁-锆-钛酸铅、铌锌-锆-钛酸铅或铌锰-锆-钛酸铅中的一种；上电极层210和下电极层230的材料均可包含但不限于通过烧渗、真空蒸镀或化学沉积等方式制备的导电金属层Cr、Al、Fe、Cu、W、Zn等金属材料及其合金材料中的一种。
于本实施例中，刀片推进器300包括高度调节和固定组件，高度调节和固定组件用于夹持压电刀片200并能调节压电刀片200的竖直高度，刀片推进器300还包括推进组件，推进组件能以恒定力或恒定速度推动高度调节和固定组件移动。示例性地，高度调节和固定组件可以包括伸缩结构和夹爪结构，伸缩结构用于驱动压电刀片200上下移动，夹爪结构用于夹持压电刀片200；推进组件可以设置为步进马达。
可选地，键合晶圆夹具包括旋转组件，旋转组件可以带动待测键合晶圆片100在水平面360°旋转，使待测键合晶圆片100可以转动至任意想要测试的点位进行测试，实现多点位键合力测试。待测键合晶圆片100的晶圆片的尺寸可以为2inch-8inch。示例性地，键合晶圆夹具可包括驱动件、与驱动件传动连接的转动轴和夹具，夹具设置于转动轴远离驱动件的端部，驱动件可驱动转动轴、与转动轴连接的夹具旋转，使得夹具带动待测键合晶圆片100旋转。
该晶圆键合力测试装置还包括与信号收集处理组件400电性连接的显示器500，显示器500用于输出显示压力值和电压信号。具体地，信号收集处理组件400收集到电压信号并放大，以提高测试灵敏度，信号收集处理组件400根据计算公式，将收集的电压信号转换为压力值，该压力值即为键合界面的结合力，电压信号和压力值同时输送至显示器500显示。
本实施例还提供了一种晶圆键合力测试方法，使用上述的晶圆键合力测试装置，该晶圆键合力测试方法包括：
S1、上片，将键合晶圆片100安装于键合晶圆夹具上；
示例性地，键合晶圆片100选用6inch Si-Si键合晶圆片100，两片Si片的厚度均为525±15μm。
S2、对刀，将压电刀片200安装于刀片推进器300上，通过刀片推进器300调节压电刀片200的位置，使压电刀片200对准插入键合晶圆片100的键合界面。
具体地，上下前后调节刀片推进器300的位置，使压电刀片200对准键合界面，压电刀片200的前端与键合界面刚好接触；设置压电刀片200的推进速度和推进深度。本实施例中，设置压电刀片200的推进速度为0.5mm/s，推进深度10mm，压电刀片200的厚度设置为100um，上电极层210和下电极层230的厚度均为10um，压电层220的厚度为80um，压电刀片200的宽度为10mm，长度为20mm。压电层220的材料为锆钛酸铅压电陶瓷材料。当压电层220的厚度t=80um，g33=26.5×10-3Vm/N，输出电压V=26.5mV时，得到结合强度P=1250Pa。
本实施例提供的晶圆键合力测试方法，可以快速准确地测试出键合界面的键合力。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.晶圆键合力测试装置，其特征在于，包括：
键合晶圆夹具，用于固定待测试的键合晶圆片(100)；
压电刀片(200)，用于插入所述键合晶圆片(100)的键合界面，所述压电刀片(200)包括上电极层(210)、压电层(220)和下电极层(230)，所述压电层(220)设置于所述上电极层(210)和所述下电极层(230)之间；所述压电刀片(200)的上下表面分别受到所述键合晶圆片(100)的上下晶圆的压力而形成电荷聚集，使得所述上电极层(210)和所述下电极层(230)之间形成电势差；
刀片推进器(300)，用于夹持所述压电刀片(200)并能以恒定力或恒定速度推动所述压电刀片(200)插入所述键合界面；
信号收集处理组件(400)，与所述压电刀片(200)电性连接，所述信号收集处理组件(400)用于收集所述压电刀片(200)的电压信号并将所述电压信号转化为压力值，所述压力值即为键合界面的结合力。
2.根据权利要求1所述的晶圆键合力测试装置，其特征在于，所述刀片推进器(300)包括高度调节和固定组件，所述高度调节和固定组件用于夹持所述压电刀片(200)并能调节所述压电刀片(200)的竖直高度，所述刀片推进器(300)还包括推进组件，所述推进组件能以恒定力或恒定速度推动所述高度调节和固定组件移动。
3.根据权利要求1所述的晶圆键合力测试装置，其特征在于，所述压电刀片(200)的厚度为60μm-200μm；所述压电刀片(200)的长度为10mm-30mm；所述压电刀片(200)的宽度为2mm-20mm。
4.根据权利要求1所述的晶圆键合力测试装置，其特征在于，所述压电层(220)的厚度为50μm-160μm。
5.根据权利要求1所述的晶圆键合力测试装置，其特征在于，所述上电极层(210)的厚度为5μm-20μm。
6.根据权利要求1所述的晶圆键合力测试装置，其特征在于，所述下电极层(230)的厚度为5μm-20μm。
7.根据权利要求1所述的晶圆键合力测试装置，其特征在于，所述压电刀片(200)具有刀尖部，所述刀尖部的夹角θ小于20°。
8.根据权利要求1所述的晶圆键合力测试装置，其特征在于，所述晶圆键合力测试装置还包括与所述信号收集处理组件(400)电性连接的显示器(500)，所述显示器(500)用于输出显示所述压力值。
9.根据权利要求1所述的晶圆键合力测试装置，其特征在于，所述压电层(220)的材料为钛酸钡、钛酸铅、锯酸钾、偏铌酸铅、锆钛酸铅、铌酸钾钠、偏铌酸铅钡、铌镁-锆-钛酸铅、铌锌-锆-钛酸铅或铌锰-锆-钛酸铅中的一种。
10.晶圆键合力测试方法，其特征在于，使用如权利要求1-9任一项所述的晶圆键合力测试装置，所述晶圆键合力测试方法包括：
上片，将所述键合晶圆片(100)安装于所述键合晶圆夹具上；
对刀，将所述压电刀片(200)安装于所述刀片推进器(300)上，通过所述刀片推进器(300)调节所述压电刀片(200)的位置，使所述压电刀片(200)对准插入所述键合晶圆片(100)的键合界面。
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