DE102005057994A1 - Method and device for determining the bond strength between two bonded substrates forces knife between them while determining the path and force applied - Google Patents

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Abstract

A method of determining the bond strength between two bonded substrates comprises placing a knife (3) at the circumference of the substrates at the bonding surface (12), pushing the knife between the substrates, determining the path and force during penetration between the substrates in terms of the time or path and thus determining the bond strength. An independent claim is also included for a device for the above method.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen der Bondfestigkeit gebondeter Wafer und insbesondere der Bestimmung der Bondenergie thermisch gebondeter Wafer.The The invention relates to a method and a device for determining the bond strength of bonded wafers and in particular the determination of Bonding energy of thermally bonded wafers.

In der Technik ist eine Vielzahl von Verfahren bekannt, mit der die Bondfestigkeit zweier gebondeter Substrate bzw. Wafer bestimmt werden kann. Eine Reihe dieser Verfahren sind im Buch "Semiconductor Waferbonding: Science and Technology" von Tong, Q.-Y. und Gösele, U., 1999, beschrieben. Die Nachteile dieser bekannten Verfahren sind, dass diese sehr ungenau sind oder die gebondeten Wafer schädigen bzw. zerstören.In The technique is a variety of methods known with which the Bond strength of two bonded substrates or wafers are determined can. A number of these methods are described in the book "Semiconductor Waferbonding: Science and Technology "by Tong, Q.-Y. and Gosele, U., 1999. The disadvantages of these known methods are that they are very inaccurate or damage the bonded wafers or to destroy.

Ein bekanntes Verfahren, um die Bondfestigkeit zweier gebondeter Wafer möglichst schnell und einfach abschätzen zu können ist das sogenannte Crack-Opening Verfahren. Bei diesem Verfahren wird eine Rasierklinge von Hand zwischen die gebondeten Wafer geschoben. Durch das Eindringen der Klinge zwischen die beiden Wafer in das sogenannte Bondinterface, also der Schicht, an der sich die beiden Wafer kontaktieren, werden die gebondeten Wafer auseinandergedrückt und es bildet sich eine sogenannte Debondfront aus. Die Debondfront bezeichnet die Stelle im Bondinterface, an der die beiden Wafer sich voneinander lösen. Aus dem Abstand L zwischen der Klinge und der Debondfront (siehe 2, wobei die Debondfront mit der Bezugszahl 121 bezeichnet ist) lässt sich die Bondenergie berechnen. Der Abstand L kann im IR-Durchlicht ausgemessen werden. Die Bondenergie ist dabei umgekehrt proportional zur vierten Potenz des Abstands L. Weiterhin gehen in die Berechnung der Elastizitätsmodul E der Substrate, die Dicke D der Substrate und die Dicke d der Rasierklinge ein. Der Abstand L hängt jedoch stark von der Kraft und der Geschwindigkeit, mit der die Klinge ins Bondinterface geschoben wird, ab, wobei diese Parameter durch das Einschieben mit Hand schwer reproduzierbar sind. Weiterhin ist auch das Ausmessen des Abstands L sehr unpräzise. Durch die Abhängigkeit von der vierten Potenz ergeben sich also große Unsicherheiten bei der Bestimmung der Bondenergie mit diesem Verfahren.A known method for being able to estimate the bond strength of two bonded wafers as quickly and simply as possible is the so-called crack-opening method. In this method, a razor blade is pushed by hand between the bonded wafers. As a result of the penetration of the blade between the two wafers into the so-called bonding interface, ie the layer on which the two wafers contact, the bonded wafers are pressed apart and a so-called debond front is formed. The Debondfront refers to the point in the bond interface where the two wafers separate from each other. From the distance L between the blade and the Debondfront (see 2 , where the debond front with the reference number 121 is designated), the bonding energy can be calculated. The distance L can be measured in IR transmitted light. In this case, the bonding energy is inversely proportional to the fourth power of the distance L. Furthermore, the elastic modulus E of the substrates, the thickness D of the substrates and the thickness d of the razor blade are included in the calculation. However, the distance L depends greatly on the force and speed with which the blade is pushed into the bond interface, these parameters being difficult to reproduce by manual insertion. Furthermore, the measurement of the distance L is very imprecise. The dependence on the fourth power thus results in great uncertainties in the determination of the bonding energy with this method.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Bestimmung der Bondfestigkeit zweier gebondeter Substrate zur Verfügung zu stellen, das eine präzise und reproduzierbare Bestimmung der Bondfestigkeit erlaubt. Weiterhin soll die Bondfestigkeit bestimmt werden können, ohne die Substrate zu schädigen bzw. zu zerstören.It It is an object of the present invention to provide a method of determination to provide the bond strength of two bonded substrates, the one precise and reproducible determination of the bond strength allowed. Farther the bond strength can be determined without the substrates too damage or destroy.

Diese Aufgaben werden mit den Merkmalen der Patentansprüche gelöst.These Tasks are solved with the features of the claims.

Die Erfindung geht hierbei von dem Grundgedanken aus, eine Schneide zwischen zwei gebondete Substrate automatisch bzw. motorisch einzuschieben und gleichzeitig den Weg, mit dem die Schneide zwischen die Substrate bzw. in das Bondinterface eindringt, und die Kraft, die hierfür aufgewendet werden muss, in Abhängigkeit von der Zeit oder dem Weg aufzunehmen. Aus den so gewonnenen Daten kann die Bondfestigkeit zwischen den Substraten exakt ermittelt werden.The Invention is based on the basic idea of a cutting edge between two bonded substrates automatically or motor to insert and at the same time the way with which the cutting edge between the substrates or penetrates into the bond interface, and the power spent on this must be, depending on to pick up from the time or the way. From the data thus obtained The bond strength between the substrates can be determined exactly become.

In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Geschwindigkeit, mit der die Schneide zwischen die Substrate geschoben wird, konstant gehalten. Aus der aufzuwendenden Kraft während des Einschiebevorgangs kann die Bondfestigkeit bestimmt werden. In einer zweiten Ausführungsform wird die Schneide mit einer konstanten Kraft zwischen die Substrate geschoben. Die daraus resultierende Geschwindigkeitsverteilung wird dann zum Bestimmen der Bondfestigkeit benutzt.In an embodiment the present invention, the speed at which the cutting edge is pushed between the substrates, kept constant. From the force to be applied during the insertion process, the bond strength can be determined. In a second embodiment The cutting edge is pressed between the substrates with a constant force pushed. The resulting velocity distribution becomes then used to determine the bond strength.

Bei einer Dicke der Substrate von beispielsweise etwa 500 μm beträgt die Dicke der Schneide bevorzugt etwa 10 μm bis etwa 300 μm.at a thickness of the substrates of, for example, about 500 μm is the thickness the cutting edge preferably about 10 microns to about 300 microns.

Als Schneide kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine an der den Substraten zugewandten Kante keilförmig zulaufende Schneide, wie beispielsweise ein Messer oder, wie im bekannten Crack-Opening Verfahren, eine Rasierklinge verwendet werden. Jedoch kann ebenso ein Streifen ohne scharfe Kante verwendet werden. Ein solcher Streifen kann beispielsweise aus Metall sein und gegebenenfalls eine Teflonbeschichtung aufweisen. Jedoch ist auch jedes andere Material, wie beispielsweise Keramik, geeignet, sofern es eine ausreichende Stabilität aufweist. Die Kante der Schneide an der dem Substratstapel zugewandten Seite kann gerade sein oder auch jede andere, beispielsweise gekrümmte Form haben. Auch ist die Verwendung stumpfer oder angespitzter Nadeln als Schneide möglich.When Cutting edge can in the context of the present invention at the the Substrates facing edge wedge-shaped tapered cutting edge, such as For example, a knife or, as in the known crack-opening method, a razor blade can be used. However, just as a strip to be used without a sharp edge. Such a strip can, for example be made of metal and optionally have a Teflon coating. However, any other material, such as ceramics, suitable, provided it has sufficient stability. The edge of the cutting edge on the side facing the substrate stack may be straight or also have any other, for example, curved shape. Also is the Use of blunt or sharpened needles as a cutting edge possible.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Bondfestigkeit und insbesondere die Bondenergie reproduzierbar gemessen werden. Das Eindringen der Schneide kann auf einen kleinen Bereich am Umfang der gebondeten Substrate beschränkt werden, so dass eventuelle Beschädigungen des Bondinterfaces minimiert und auf den Substratrand beschränkt bleiben. Zur weiteren Erhöhung der Genauigkeit, kann die Bondfestigkeit auch hintereinander an mehreren Stellen am Umfang der gebondeten Substrate ermittelt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann weiterhin schnell durchgeführt werden, so dass es möglich ist, in einem Herstellungsprozess jeden gebondeten Substratstapel in-situ zu kontrollieren.With the method according to the invention For example, the bond strength and in particular the bonding energy can be reproducible be measured. The penetration of the cutting edge can be on a small Be limited to the periphery of the bonded substrates, so that any damage of the bond interface and remain limited to the substrate edge. To further increase accuracy, bond strength can also be consecutive several locations at the periphery of the bonded substrates. The inventive method can continue to be done quickly so that it is possible is, in a manufacturing process, each bonded substrate stack to control in situ.

Die Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. It demonstrate:

1 schematisch eine Seitenansicht der Anordnung aus gebondeten Substraten und der Schneide vor dem Eindringen der Schneide, 1 1 is a schematic side view of the assembly of bonded substrates and the cutting edge prior to the penetration of the cutting edge;

2 schematisch die gebondeten Substrate und die Schneide während des Eindringens, 2 schematically the bonded substrates and the cutting edge during penetration,

3 schematisch eine Draufsicht der in 1 gezeigten Anordnung, 3 schematically a top view of in 1 shown arrangement,

4 eine Photographie einer zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Vorrichtung und 4 a photograph of an apparatus suitable for carrying out the method according to the invention and

5 die während des Eindringens erforderliche Kraft bei (a) konstanter Geschwindigkeit und (b) konstanter Kraft. 5 the force required during penetration at (a) constant velocity and (b) constant force.

1 und 3 zeigen schematisch die Anordnung zu Beginn des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die beiden Substrate 1 und 2 der Dicke D1 bzw. D2 sind an der Bondfläche 12 aneinander, beispielsweise thermisch gebondet. In 3 ist das Substrat 2 durch das Substrat 1 verdeckt. Die Schneide 3 ist am Umfang des Stapels aus dem beiden Substraten 1 und 2 tangential in der Nähe der Bondfläche 12 angeordnet. Die Schneide hat eine Dicke d, die beispielsweise 50 μm beträgt. Zum Bestimmen der Bondfestigkeit zwischen den Substraten 1 und 2 wird die Schneide 3 in Richtung des Pfeils 4 mit einer definierten Kraft oder einer definierten Geschwindigkeit bewegt. Trifft die Schneide 3 auf den Substratstapel werden die Substrate 1 und 2 voneinander getrennt. Nach einer gewissen Zeit ergibt sich die in 2 gezeigte Situation. Die Substrate 1 und 2 haben sich am Rand voneinander getrennt und die Schneide 3 ist bereits einen bestimmten Weg in den Substratstapel eingedrungen. In 2 ist weiterhin der im Stand der Technik im Crack-Opening Verfahren berücksichtigte Abstand L zwischen der Schneide und der Debondfront 121, also der Position an der sich die beiden Substrate 1 und 2 voneinander lösen, eingezeichnet. 1 and 3 show schematically the arrangement at the beginning of the inventive method. The two substrates 1 and 2 the thickness D 1 or D 2 are on the bonding surface 12 to each other, for example, thermally bonded. In 3 is the substrate 2 through the substrate 1 covered. The cutting edge 3 is at the periphery of the stack of the two substrates 1 and 2 tangential near the bonding surface 12 arranged. The cutting edge has a thickness d, which is for example 50 microns. For determining the bonding strength between the substrates 1 and 2 will be the cutting edge 3 in the direction of the arrow 4 moved with a defined force or speed. Hits the cutting edge 3 on the substrate stack are the substrates 1 and 2 separated from each other. After a while, the results in 2 shown situation. The substrates 1 and 2 have separated at the edge and the cutting edge 3 has already penetrated a certain way in the substrate stack. In 2 Furthermore, the distance L between the cutting edge and the debond front, which is taken into account in the prior art in the crack-opening process, is taken into account 121 , ie the position at which the two substrates 1 and 2 from each other, drawn.

Eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Vorrichtung ist in 4 in Draufsicht gezeigt. In 4 ist das aufliegende Substrat gezeigt, das das darunter liegende Substrat verdeckt. Die Schneide 3 ist gerade noch nicht zwischen den Substratstapel eingedrungen. Weiterhin ist in 4 die Vorrichtung zum definierten und automatischen Bewegen der Schneide 3 mittels eines Vorschubantriebs zu erkennen, wobei die Geschwindigkeit, mit der die Schneide bewegt wird, oder die Kraft, die auf die Schneide ausgeübt wird, während der Bewegung der Schneide 3 konstant gehalten werden können. Weiterhin ist die Vorrichtung in der Lage, den Weg, den die Schneide zurücklegt, und die Kraft, die benötigt wird, die Schneide zu bewegen, in Abhängigkeit des Wegs oder der Zeit zu erfassen.A suitable device for carrying out the method according to the invention is in 4 shown in plan view. In 4 the underlying substrate is shown covering the underlying substrate. The cutting edge 3 has just not penetrated between the substrate stack. Furthermore, in 4 the device for the defined and automatic movement of the cutting edge 3 by means of a feed drive, the speed at which the blade is moved or the force exerted on the blade during the movement of the blade 3 can be kept constant. Furthermore, the apparatus is capable of detecting the path the blade travels and the force required to move the blade, depending on the path or time.

Ein solcher Verlauf der Kraft, die zum Eindringen der Schneide 3 zwischen die gebondeten Substrate 1 und 2 nötig ist, in Abhängigkeit von der Zeit zeigt beispielhaft 5(a). Zu Beginn, bevor die Schneide 3 auf den Substratstapel trifft wird keine Kraft auf den Substratstapel ausgeübt. Zum Trennen der beiden Substrate wird beim Eindringen in den Substratstapel baut sich die Kraft auf und erreicht ihr Maximum an dem mit 20 bezeichnetem Punkt. Nach dem ersten Aufbrechen der gebondeten Substrate am Rand wird eine deutlich geringere Kraft zum weiteren Trennen der Substrate benötigt. Wie in der 5(a) im Bereich, der mit 21 bezeichnet ist, zu sehen ist, steigt die Kraft kontinuierlich langsam an, da die Debondfront länger wird. Um aus einer Verteilung, wie der in 5(a) gezeigten, die Bondenergie zwischen den Substraten zu bestimmen, kann beispielsweise der Wert der Kraft am Maximum 20 verwendet werden. Weiterhin kann der Wert der durchschnittlich im Bereich 21 aufgewendeten Kraft, oder die Steigung der Kurve in diesem Bereich verwendet werden. Auch können Kombinationen aus diesen Parametern genutzt werden. Durch Vergleich der gemessenen Werte mit zuvor bestimmten und kalibrierten Standardwerten lässt sich die Bondenergie ermitteln.Such a course of force leading to the penetration of the cutting edge 3 between the bonded substrates 1 and 2 is necessary, depending on the time shows by way of example 5 (a) , At the beginning, before the cutting edge 3 on the substrate stack no force is exerted on the substrate stack. To separate the two substrates, the force builds up as it penetrates the substrate stack and reaches its maximum at the bottom 20 designated point. After the first breakup of the bonded substrates at the edge, a significantly lower force is required to further separate the substrates. Like in the 5 (a) in the field, with 21 can be seen, the force increases continuously slowly as the debond front becomes longer. To get out of a distribution, like the one in 5 (a) For example, the value of the force at the maximum can be determined to determine the bonding energy between the substrates 20 be used. Furthermore, the value of the average in the field 21 applied force, or the slope of the curve can be used in this area. Also combinations of these parameters can be used. By comparing the measured values with previously determined and calibrated standard values, the bonding energy can be determined.

Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung wird nicht die Geschwindigkeit konstant gehalten, sondern die Kraft, mit der auf die Schneide 3 eingewirkt wird, geregelt. Der Verlauf dieser geregelten Kraft in Abhängigkeit der Zeit ist in 5(b) gezeigt. Die Schwankungen, insbesondere im Bereich, der mit 30 bezeichnet ist, sind damit zu erklären, dass sich die Substrate nicht kontinuierlich voneinander lösen, sondern immer wieder kleine Bereiche voneinander losgerissen werden. Der entsprechende Geschwindigkeitsverlauf weist, nach dem die Geschwindigkeit bis zum Erreichen der Substrate durch die Schneide konstant bleibt, ein Minimum zu dem Zeitpunkt auf, zu dem der Rand der Substrate voneinander getrennt wird. Danach steigt die Geschwindigkeit wieder deutlich an und bleibt danach über einen längeren Zeitraum annähernd konstant bzw. sinkt leicht. Ähnlich wie im mit Bezug auf 5(a) diskutierten Fall, ist der Geschwindigkeitsunterschied zwischen der anfänglichen Geschwindigkeit und der Minimalgeschwindigkeit, die durchschnittliche Geschwindigkeit nach dem ersten Aufbrechen der Substrate, der Geschwindigkeitsabfall in diesem Bereich oder eine Kombination hiervon zur Bestimmung der Bondenergie verwendbar.According to a second embodiment of the invention, the speed is not kept constant, but the force with which the cutting edge 3 is acted upon, regulated. The course of this regulated force as a function of time is in 5 (b) shown. The fluctuations, especially in the area, with 30 is to be explained by the fact that the substrates do not dissolve continuously from each other, but time and again small areas are torn from each other. The corresponding velocity profile, after which the velocity remains constant until the substrates reach the cutting edge, has a minimum at the time the edge of the substrates is separated from each other. Thereafter, the speed increases significantly again and then remains approximately constant over a longer period or decreases slightly. Similar as in relation to 5 (a) In the case discussed above, the speed difference between the initial velocity and the minimum velocity, the average velocity after the first rupture of the substrates, the velocity decay in that region or a combination thereof is useful for determining the bonding energy.

Claims (11)

Verfahren zum Bestimmen der Bondfestigkeit zweier gebondeter Substrate (1, 2) mit den Schritten: (a) Anordnen einer Schneide (3) am Umfang der Substrate (1, 2) in der Nähe der Bondfläche (12), (b) Schieben der Schneide (3) zwischen die Substrate (1, 2), (c) Erfassen des Wegs und/oder der Kraft während dem Eindringen der Schneide (3) zwischen die Substrate (1, 2) in Abhängigkeit von der Zeit bzw. dem Weg, und (d) Bestimmen der Bondfestigkeit aus dem in Schritt (c) erfassten Weg bzw. der Kraft.Method for determining the bond strength of two bonded substrates ( 1 . 2 ) comprising the steps of: (a) placing a cutting edge ( 3 ) on the circumference of Substrates ( 1 . 2 ) near the bonding surface ( 12 ), (b) pushing the cutting edge ( 3 ) between the substrates ( 1 . 2 ), (c) detecting the path and / or force during the penetration of the cutting edge ( 3 ) between the substrates ( 1 . 2 ) depending on the time or path, and (d) determining the bonding strength from the path or force detected in step (c). Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schneide (3) mit einer konstanten Geschwindigkeit zwischen die Substrate (1, 2) geschoben wird.Method according to claim 1, wherein the cutting edge ( 3 ) at a constant speed between the substrates ( 1 . 2 ) is pushed. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Bondfestigkeit aus der maximalen, während dem Eindringen aufgebrachten Kraft ermittelt wird.The method of claim 2, wherein the bond strength out of the maximum while the force applied to the penetration is determined. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Bondfestigkeit aus der mittleren, während dem Eindringen aufgewendeten Kraft ermittelt wird.The method of claim 2 or 3, wherein the bond strength from the middle, while The force applied to the penetration is determined. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Schneide (3) mit einer konstanten Kraft zwischen die Substrate (1, 2) geschoben wird.Method according to one of the preceding claims, wherein the cutting edge ( 3 ) with a constant force between the substrates ( 1 . 2 ) is pushed. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Bondfestigkeit aus der minimalen, während dem Eindringen auftretenden Geschwindigkeit ermittelt wird.The method of claim 5, wherein the bond strength out of the minimal while The speed occurring at penetration is determined. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Bondfestigkeit aus der mittleren, während dem Eindringen auftretenden Geschwindigkeit ermittelt wird.The method of claim 5 or 6, wherein the bond strength from the middle, while The speed occurring at penetration is determined. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Schneide (3) ein Metallstreifen, ein mit Teflon beschichteter Metallstreifen oder ein Keramikstreifen ist.Method according to one of the preceding claims, wherein the cutting edge ( 3 ) is a metal strip, a Teflon-coated metal strip or a ceramic strip. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Schneide (3) an einer den Substraten (1, 2) zugewandten Kante keilförmig zu läuft.Method according to one of claims 1 to 7, wherein the cutting edge ( 3 ) on one of the substrates ( 1 . 2 ) facing edge to run wedge-shaped. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Schneide (3) eine Dicke von etwa 10 μm bis etwa 300 μm aufweist.Method according to one of the preceding claims, wherein the cutting edge ( 3 ) has a thickness of about 10 μm to about 300 μm. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung eine Halterung zum Fixieren der gebondeten Substrate (1, 2), eine Schneide (3), eine Vorrichtung zum Bewegen der Schneide (3) und eine Vorrichtung zum Erfassen des Wegs und/oder der Kraft während der Bewegung der Schneide in Abhängigkeit der Zeit aufweist.Device for carrying out the method according to one of the preceding claims, wherein the device has a holder for fixing the bonded substrates ( 1 . 2 ), a cutting edge ( 3 ), a device for moving the cutting edge ( 3 ) and a device for detecting the path and / or the force during the movement of the cutting edge as a function of time.
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