CN2363282Y - 硅/硅键合质量测试仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型是硅/硅键合质量测试仪。硅/硅直接键合技术广泛地应用于SOI(在绝缘层上的硅)材料的制造、不同材料之间的连接及体硅微机械传感器与执行器的制造。硅片键合界面空洞的检测是关键技术之一。本实用新型采用普通CCD摄像仪,普通光源,配以可变焦镜头,观测硅/硅直接键合样品,图像清晰,简单实用,成本较低。

Description

硅/硅键合质量测试仪

本实用新型是硅/硅键合质量测试仪。硅/硅直接键合技术可被广泛地应用于SOI(在绝缘层上的硅)材料的制造、不同材料之间的连接及体硅微机械传感器与执行器的制造。硅片键合界面空洞的检测是其中的关键技术之一，一般采用红外的方法来测试键合面积大小。然而现有仪器一般采用只对红外线敏感的红外电荷耦合器件(CCD)摄像仪作为摄像器件，使得成本很高。本实用新型采用普通电荷耦合器件(CCD)摄像仪，普通光源，配以可变焦镜头，观测硅/硅直接键合样品，图像清晰实用，成本很低。

硅/硅键合技术是近几年来为了适应于新型微机械器件的发展，新型SOI材料的研究以及芯片的三维集成而出现的一种新型技术。硅/硅键合机制为：一般两硅片通过高温处理可直接键合到一起，中间不需要任何粘结剂，也不需要外加电场，工艺简单，这种技术称为硅/硅直接键合技术，也称为硅熔融技术。

一般的处理工艺为：

1、将两抛光硅片(氧化或未氧化)先经含OH离子的溶液浸泡处理。溶液可为硫酸双氧水的混合液、硝酸、RAC1(氨水∶双氧水∶水＝1∶1∶5)+RCA2(盐酸∶双氧水∶水＝1∶1∶5)。可进行单一的一次清洗，如硫酸双氧水的混合液在120℃下清洗20到60分钟(也可去除各种有机和无机的沾污，如各种碳氢化合物、各种重金属离子、钠钾等有害离子的沾污)，发烟硝酸浸泡或煮沸，或RCA1+RCA2常温浸泡或较高温度浸泡。也可进行多次清洗，如先用硫酸双氧水的混合液处理，接着用发烟硝酸浸泡，再用RCA1+RCA2常温浸泡或较高温度浸泡。有时为了使得清洗过的硅片表面系吸附的OH^-离子密度足够的大，常常先采用O或其它气体的等离子体处理，使得硅片表面某些硅氧键开裂，再用含有OH离子的溶液浸泡处理。一般采用这些清洗处理之后，硅片表面非常亲水化，一般其亲水角小于5度，亲水角度越小，硅片就越容易键合。这些化学清洗的作用在于能使得硅片表面的自然氧化层表面的硅氧键断裂，产生很多悬挂键，使得OH^-离子能很容易地结合到悬挂键上，例如采用RCA1+RCA2清洗，主要的化学反应有

经过这些化学处理过后的硅片经用清洗机甩干后，即可进行下一步的工作。

2、在室温下把清洗好的硅片面对面地贴合到一起，一般在两硅片的的中间加上一定的力，此时硅片之间在条件适合的情况下，就会由于范德瓦尔斯力的作用开始键合，形成氢键，产生键合波，在红外测试仪器上可以清楚地看到键合波由中间向外扩展。此时键合强度很弱，强度大小由氢键的键能决定。在红外测试仪下，可清楚地看到键合与未键合地区域。

3、将贴合好的硅片在氧气或氮气环境中经数小时高温退火，使得氢键发生聚化反应，生成二氧化硅，形成牢固的结合。文献报道当退火温度达到约150度以上，氢键就能发生聚化反应，生成二氧化硅。具体的化学反应为

             然而由于水的生成，也会产生一些小的空洞。当温度达到400℃以上后，聚化反应基本完成。当温度在500-800℃范围内，聚化反应产生的水向二氧化硅内扩散的速率很低，空洞依然存在。当温度达到800℃后，水向二氧化硅中扩散的速度变快，随着温度升高，扩散系数会增大。键合空洞中的水分子在高温下向二氧化硅中扩散，从而产生局部真空，使得硅片发生塑性形变而使空洞消失。在1000℃以上的高温下，二氧化硅的粘度降低，使得二氧化硅发生粘滞流动，消除了微间隙，邻近的原子间产生共价键，使得键合完成。

人们还发现采用HF酸清洗后的硅片，虽未经去离子水清洗，但面对面贴合到一起，也能在室温下形成键合，并且经高温处理后，键合强度也会随着温度的升高而增大。由于经HF酸处理后的硅片非常疏水，故称为疏水键合。但与硅/硅亲水键合相比，带HF酸进行键合处理比较困难，并且键合强度在500℃以下退火强度较低。

影响键合的主要因素首先是化学表面处理，使得硅片表面吸附的OH^-离子密度足够的大。其次是温度的考虑，因为键合最终是靠加热促使氢键发生聚化反应，生成二氧化硅来完成的。首先空洞的产生与温度密切相关，将两抛光好的硅片，在超净环境中键合实验时发现，在200-800℃范围内，随着温度的升高，键合界面产生的孔洞数量增多，空洞的尺寸变大，而在超过900℃的键合过程中，空洞会消失。这种与温度有关的空洞一般推测为由于键合界面发生聚化反应生成的水分子引起的，也有人认为是水被汽化而引起的，用SIMS测试分析表明，这种与温度有关的空洞主要是由于硅表面的碳氢化合物引起的。这是因为抛光硅片都在不同程度上存在碳沾污。此外键合界面的水分子氧化硅原子时，会产生氢而形成空洞。减少键合空洞的方法主要有：键合硅片经1000℃以上的高温处理数小时；或者在键合清洗前，将硅片在800℃以上氩气中退火，使得硅片表面的碳氢化合物解吸。键合强度也与温度密切相关，一般亲水硅/硅键合的键合强度在室温到200℃之间，键合强度增大很快，这是因为在较低温度区，OH^-离子因获得热量而具有更高的表面迁移率，使得更多的氢键跨越间隙，硅片被紧密地吸到一起，键合强度增大，在较高温度区域，氢键发生聚合反应，生成二氧化硅，键合能更加增大，当达到200℃以后，硅片之间的硅氧键超过氢键，强度趋于饱和，在200-850℃温度区，键合强度上升很少，而在温度约大于850℃后，键合强度大大增大，这是因为二氧化硅发生塑性形变，固态扩散和粘滞流动，使得键合界面的微观间隙逐渐消失，键合强度大大增大，最后趋于饱和(特别是在1100℃以上退火)。另外影响键合质量的主要因素还有表面平整度。抛光硅片表面并不是理想镜面，一般存在几个埃的起伏与表面粗糙度。硅片有较小的粗糙度，则在键合过程中，会由于硅片的弹性变形或高温下的粘滞回流，使得键合片完全结合在一起，界面不存在空洞，要得到键合质量很好的硅/硅键合对，一般要求硅片表面的粗糙度小于5埃。影响键合质量的另一个重要的因素是表面尘埃，据理论计算，直径1微米的粒子可造成约4毫米的空洞。

另外键合界面空洞的检测也是一个较关键的技术手段。键合空洞的存在会使得空洞部分不能构成器件工作区，而且在制作器件的后续工序中会导致该部分两键合片的分离(如用键合工艺制作的SOI材料)。因此对键合片进行空洞检测是必不可少的。目前一般采用X射线拓扑测量、反射超声波图像测量与红外图像法来探测键合空洞，且这些方法都是非破坏性的。X射线拓扑测量法分别率高，但所探测的面积小，对整个硅片进行探测需要较长时间，超声图像测量法成像时间较长。一种适用于实时监控的红外空洞探测方法是红外投射系统测量法。由红外光源发射出的光源通过硅片透射，经信号接受后，在监视器上显示出图像。若有空洞，则红外线在通过空洞时将产生干涉，使得强度变弱，在显示器上呈现阴影区。由于红外透射系统是根据干涉效应成像的，所以红外探测到空洞的间隙大于四分之一的探测光波长(约0.25微米)。然而要建立这样一套系统，价格很高，探测所需的红外CCD器件的价格就在数万元以上。

由于可见光不能透过硅片，使得不可能利用可见光来测量硅/硅直接键合质量。一般采用红外光的方法来测试硅片的键合面积大小。然而一般制作的此类仪器由于采用只对红外线敏感的红外CCD摄像仪作为摄像器件，或采用专用的红外光元件作为红外光源，参见Q.Y.Tong和U.Gsele，半导体硅片键合：新近动态，材料物理化学，37(1994)101-127。其问题是成本很高，一般都在数万元以上。

本实用新型旨在提出一种较低成本的新设计，即采用普通的CCD摄像仪，普通的光源，配以可变焦镜头，加上黑白显示器，即可观测4英寸以内的硅/硅直接键合样品，而仍然能够保证图像清晰实用。

下面结合附图具体说明硅/硅键合质量测试仪的设计方案：

本实用新型如图1所示，由显示器(1)、CCD(电荷耦合器件)(2)、光学镜头(3)、光源盒(5)和传输线(6)组成。传输线的一端接在CCD的视频输出，另一端接在显示器的视频输入。光学镜头装于CCD的前端，通过标准的接口相连，光学镜头的光轴与CCD的中心轴共线。光源盒位于光学镜头的前方，光源盒的的上表面与光学镜头的光轴垂直。CCD采用黑白CCD。显示器采用黑白显示器。光学镜头采用可变焦镜头。光源盒由金属铝制成，盒内有五个灯泡，分别置于光源盒的四角和中心，光源盒的上表面的正中有一个圆孔，圆孔直径比被观测硅片(4)的直径小0.05-0.3英寸。传输线采用同轴视频线。

本实用新型的优点是采用了普通的CCD摄像仪，普通的光源，配以可变焦镜头，加上黑白显示器，价格比原有的采用只对红外线敏感的红外CCD摄像仪作为摄像器件观测硅/硅直接键合面积的仪器便宜了约10倍以上，而且图像清晰。见附图2，其中7是键合质量好的区域，由于红外线在此区域不产生干涉，强度不会变弱，在显示器上较亮。8是键合界面有空洞区域，红外线在通过空洞时产生干涉，使得强度变弱，在显示器上呈现阴影区。本实用新型在保证观测结果的前提下极大地降低了成本。

附图说明：

图1是硅/硅键合质量测试仪的结构图：

1-显示器      2-黑白CCD

3-光学镜头    4-被观测硅片

5-光源盒      6-传输线

图2是用本实用新型检测一个硅/硅直接键合样品的结果：

7-键合质量好的区域    8-键合界面有空洞区域

实施例：

采用PIH-12黑白12英寸显示器。显示器一般有一电源，一视频输入，一视频输出。CCD采用JS-12M3 420线黑白CCD。CCD的作用在于它能把光学信号转化为电信号，实验发现普通的CCD同样对红外线敏感。一般的CCD有一电源，一视频输出。光学镜头采用SSV0408G日本精工4.0-8.0mm F1.4可变镜头。可变焦镜头的作用在于可改变观测物体的视场大小。用此镜头可使得能够观测到直径1英寸到直径4英寸的硅片。光学镜头与CCD有标准的接口。铝光源盒内有五个功率1.5瓦，电压为6.2V灯泡，五个灯泡分别置于铝盒的四角与中心，由于铝的表面较粗糙，使得光能够在铝盒内表面散射，较均匀地照射到硅/硅直接键合样品上。在铝盒的上面，有一直径稍小于4英寸硅片的孔，4英寸硅片正好放于此空上，可见光被硅/硅直接键合对挡住，只有能透过硅片的红外线能够透过硅片，被CCD所检测到。此装置如果在光线较暗的空间内检测，或者把光源盒，检测样品盒，CCD以及变焦镜头置于一暗盒内，效果更好。连接CCD与显示器的传输线，一般为同轴视频线。一端接在CCD的视频输出，一端接在显示器的视频输入。用本实施例检测一个硅/硅直接键合样品的结果如图2所示，其中7是键合质量好的区域，在显示器上较亮，8是键合界面有空洞区域，在显示器上呈现阴影区。

Claims (5)

1.一种硅/硅键合质量测试仪，由显示器(1)、电荷耦合器件CCD(2)、光学镜头(3)、光源盒(5)和传输线(6)组成，其特征是：

1.1、传输线(6)的一端接在电荷耦合器件CCD(2)的视频输出，另一端接在显示器(1)的视频输入；

1.2、光学镜头(3)装于电荷耦合器件CCD(2)的前端，通过标准的接口相连，光学镜头的光轴与电荷耦合器件CCD的中心轴共线；

1.3、光源盒(5)位于光学镜头(3)的前方，光源盒的上表面与光学镜头的光轴垂直；

1.4、电荷耦合器件CCD(2)采用黑白电荷耦合器件CCD。

2、按照权利要求1所述的硅/硅键合质量测试仪，其特征是显示器(1)采用黑白显示器。

3、按照权利要求1所述的硅/硅键合质量测试仪，其特征是光学镜头(3)采用可变焦镜头。

4、按照权利要求1所述的硅/硅键合质量测试仪，其特征是光源盒(5)由金属铝制成，盒内有五个灯泡，分别置于光源盒的四角和中心，光源盒的上表面的正中有一个圆孔，圆孔直径小于被观测硅片的直径，而大于(硅片直径-0.3英寸)。

5、按照权利要求1所述的硅/硅键合质量测试仪，其特征是传输线(6)采用同轴视频线。