一种晶圆产品上任意位置的键合程度测试方法及系统与流程

本发明涉及半导体制造领域，特别涉及一种晶圆产品上任意位置的键合程度测试方法及系统。

背景技术：

三维芯片(3D-IC)技术中，比如制备BSI、UTS等产品的工艺中，需要将两片晶圆进行键合，而晶圆的键合程度对整个制程及最终产品性能都影响巨大，因而需要在键合工序之后对键合程度进行评估。现有技术通常采用插入刀片的方法对整个晶圆边缘处的键合程度进行评估，具体为：在经修边(trimming)处理的晶圆边缘(edge)插入一个已知厚度的薄刀片，根据红外光源照射后形成的干涉条纹情况，再结合公式计算出插入刀片处的表面能，藉此对晶圆边缘的键合情况进行量化评估。由于刀片只能插入经修边的晶圆边缘有缝隙的圆周，因而这种方法只能对晶圆极其靠近边沿的区域，通常为距边沿数μm的范围进行键合程度的评估，而无法对晶圆中心(center)以及靠近中心处的其他大部分区域的键合程度进行评估。

技术实现要素：

本发明提供了一种晶圆产品上任意位置的键合程度测试方法及系统，解决了以上技术问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种晶圆产品上任意位置的键合程度测试方法，包括如下步骤：

步骤1，在键合完成的晶圆上选取需要进行键合程度测试的待测试区域；

步骤2，通过芯片封装工序中的芯片切割方法将所述待测试区域从整片晶圆上截取下来；

步骤3，在截取下来的晶圆试样边缘的两片晶圆接合处形成细缝；

步骤4，在所述细缝处插入已知厚度的刀片，并采用红外光源照射所述细缝处形成干涉条纹，根据干涉条纹计算所述待测试区域的键合程度。

本发明的有益效果是：本发明提供了一种可普遍应用于三维芯片产品的晶圆键合程度测试方法，通过借助芯片封测工序中的晶圆切割工艺对晶圆的待测试区域进行切割，从而实现对晶圆任意位置的键合程度进行测试，不仅打破了传统方法中只能测试晶圆极边缘位置表面能的局限，测试方法简单、适用范围广，而且无需引入新的工序，不会降低键合程度测试的效率。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述步骤2中，采用激光或者锯刃的方式将所述待测试区域从整片晶圆上截取下来。

采用上述进一步方案的有益效果是：现有技术中，可以采用自动微裂片系统(SELA)或金刚笔划刻后截取的方式，将待检测区域从整片晶圆上截取下来，但是这种方式晶圆会沿着硅的特定晶面解理开来，两片接合晶圆会在断口处造成因沿解理面断开而引起的额外开裂，这种额外开裂会对原本关注的晶圆键合问题造成很大的干扰，以致无法判断是晶圆本身未键合良好还或是截取时沿解理面裂开所造成的。而本进一步技术方案采用激光或者锯刃等芯片切割方法将待检测区域从晶圆上截取下来，这种截取方式对晶圆的裂解面损伤性低，既可以避免因一般截取方式在裂解面裂开带来的额外影响，又可以方便地实现对晶圆上任意位置的截取，从而保证了键合程度效率的同时，提高了键合程度检测的准确性。

进一步，所述步骤3中，采用氢氟酸处理截取下来的晶圆试样，并采用刻蚀的方法在处理后的晶圆试样边缘的两片晶圆接合处形成细缝。

采用上述进一步方案的有益效果是：现有技术中，由于刀片只能插入经修边的晶圆边缘有缝隙的圆周，因此只能对整片晶圆边缘处有缝隙处进行键合程度测试。而本进一步技术方案，通过刻蚀的方式，可以简单地在截取的晶圆试样边缘的两片晶圆接合处形成细缝，从而插入刀片进行键合程度测试，实现过程简单且适用范围广泛。同时，本进一步技术方案在刻蚀前采用氢氟酸对晶圆试样进行处理，可以清除晶圆试样表面的氧化膜，从而提高后续步骤中采用插入刀片法测得的键合程度的准确性。

进一步，步骤1中，所述待测试区域位于整片晶圆的边缘位置或中心位置。

采用上述进一步方案的有益效果是：本进一步技术方案中，没有对待检测区域的位置进行限定，不仅可以检测整片晶圆的边缘位置，还可以检测整片晶圆的中心位置，或者靠近中心的位置，打破了传统方法中只能测试晶圆极边缘位置表面能的局限，测试方法简单、适用范围广。

进一步，步骤4具体为：

S401，分别测量所述晶圆试样中两片晶圆的厚度；

S402，将已知厚度的刀片匀速插入到所述细缝中，并在细缝中形成裂纹；

S403，当弹性能和表面能平衡时，采用红外光源照射所述细缝处形成干涉条纹，通过对所述干涉条纹进行测量获取所述细缝处裂纹的长度值；

S404，根据所述两片晶圆的厚度、刀片的厚度以及所述裂纹的长度值，计算所述待测试区域的表面能。

进一步，所述刀片的厚度为80～100μm。

进一步，步骤S402中，插入刀片的速度为5～10cm/s，在细缝中形成裂纹的持续时间为1～500us以及空气湿度为50～60％。

采用上述进一步方案的有益效果是：本进一步技术方案中，采用刀片插入法测量晶圆键合处的表面能，通过表面能表示晶圆的键合程度。在刀片插入法的实际应用过程中，刀片的厚度、插入刀片的速度、在细缝中形成裂纹的持续时间以及空气湿度都会对检测结果造成极大影响。比如刀片太厚了难以插入到细缝中；刀片的插入速度和形成裂纹的持续时间会影响裂纹的长度值；空气湿度会影响裂纹表面吸附的水分子，从而明显改变表面能测量值。因此在采用刀片插入法测量晶圆键合程度时，需要对上述参数进行限定，才能保证计算得到的表面能结果是准确的，从而有效对晶圆的键合程度进行评估。

为了解决本发明的技术问题，还提供了一种晶圆产品上任意位置的键合程度测试系统，包括测试区域选择模块、切割模块、刻蚀模块和测量模块，

所述测试区域选择模块用于在键合完成的晶圆上选取需要进行键合程度测试的待测试区域；

所述切割模块用于通过芯片封装工序中的芯片切割方法将所述待测试区域从整片晶圆上截取下来；

所述刻蚀模块用于在截取下来的晶圆试样边缘的两片晶圆接合处形成细缝；

所述测量模块用于在所述细缝处插入已知厚度的刀片，采用红外光源照射所述细缝处并形成干涉条纹，根据干涉条纹计算所述待测试区域的键合程度。

进一步，所述测量模块包括：

检测单元，用于测量所述晶圆试样中两片晶圆的厚度；

刀片插入单元，用于将已知厚度的刀片匀速插入到所述细缝中，并在细缝中形成裂纹；

红外照射单元，用于当弹性能和表面能平衡时，采用红外光源照射所述细缝处形成干涉条纹；

裂纹长度获取单元，用于通过对所述干涉条纹进行测量获取所述细缝处裂纹的长度值；

计算单元，用于根据所述两片晶圆的厚度、刀片的厚度以及所述裂纹的长度值，计算所述待测试区域的表面能。

附图说明

图1为实施例1一种晶圆产品上任意位置的键合程度测试方法的流程示意图；

图2为实施例2一种晶圆产品上任意位置的键合程度测试系统的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

图1为实施例1一种晶圆产品上任意位置的键合程度测试方法的流程示意图，包括以下步骤：

步骤1，在键合完成的晶圆上选取需要进行键合程度测试的待测试区域，待测试区域可以位于晶圆的任何位置，比如晶圆边缘、晶圆中心或者靠近晶圆中心的区域。

步骤2，通过芯片封装工序中的芯片切割方法将所述待测试区域从整片晶圆上截取下来。本实施例中，采用激光的方法将待测试区域从整片晶圆上截取下来，在其他实施例中，还可以采用锯刃的方式，这两种方式对晶圆的裂解面损伤性低，既可以避免因一般截取方式在裂解面裂开带来的额外影响，又可以方便地实现对晶圆上任意位置的截取，从而保证了键合程度效率的同时，提高了键合程度检测的准确性。

步骤3，采用氢氟酸处理截取下来的晶圆试样，并采用刻蚀的方法在处理后的晶圆试样边缘的两片晶圆接合处形成细缝。通过刻蚀的方式，可以简单地在截取的晶圆试样边缘的两片晶圆接合处形成细缝，从而插入刀片进行键合程度测试，实现过程简单且适用范围广泛。同时，本步骤在刻蚀前采用氢氟酸对晶圆试样进行处理，可以清除晶圆试样表面的氧化膜，从而提高后续步骤中采用插入刀片法测得的键合程度的准确性。

步骤4，在所述细缝处插入已知厚度的刀片，采用红外光源照射所述细缝处并形成干涉条纹，根据干涉条纹计算所述待测试区域的键合程度。在具体实施例中，可以通过计算待测试区域的表面能来评估键合程度。本实施例中，通过计算表面能来评估键合程度，具体包括以下步骤：

S401，分别测量所述晶圆试样中两片晶圆的厚度；

S402，将已知厚度的刀片匀速插入到所述细缝中，并在细缝中形成裂纹；

S403，当弹性能和表面能平衡时，采用红外光源照射所述细缝处并形成干涉条纹，通过对所述干涉条纹进行测量获取所述细缝处裂纹的长度值；

S404，根据所述两片晶圆的厚度、刀片的厚度以及所述裂纹的长度值，计算所述待测试区域的表面能。由于表面能的计算公式在现有技术中有记载，本实施例对此不展开详细论述。

本实施例中，所述刀片的厚度为90μm，插入刀片的速度为8cm/s，在细缝中形成裂纹的持续时间为200us，以及空气湿度为53％。在其他实施例中，插入刀片的速度为6cm/s，在细缝中形成裂纹的持续时间为360us以及空气湿度为60％。在刀片插入法的实际应用过程中，刀片的厚度、插入刀片的速度、在细缝中形成裂纹的持续时间以及空气湿度都会对检测结果造成极大影响。比如刀片太厚了难以插入到细缝中；刀片的插入速度和形成裂纹的持续时间会影响裂纹的长度值；空气湿度会影响裂纹表面吸附的水分子，从而明显改变表面能测量值。因此在采用刀片插入法测量晶圆键合程度时，需要对上述参数进行如上限定，才能保证计算得到的表面能结果是准确的，从而有效对晶圆的键合程度进行评估。

同时，采用红外光源照射所述晶圆试样，并在晶圆试样另一侧采用CCD进行拍摄，如果晶圆试样的键合界面处存在未键合区域，就会使光线出现两次反射而形成相干光，经CCD拍摄，在图片上会出现干涉条纹。如果未键合区域面积较大且间隙高度不大，则会出现很多较大的干涉条纹。如果未键合区域很小，则红外图片上将出现较小的牛顿环；当键合界面处间隙较大时，红外光几乎无法透过，在图片上的对应位置将只能出现黑色图案。因此，根据红外透射图像，就可以成功检测到键合晶片的缺陷状态及分布等。

图2为实施例2一种晶圆产品上任意位置的键合程度测试系统的结构示意图，包括测试区域选择模块、切割模块、刻蚀模块和测量模块，

所述测试区域选择模块用于在键合完成的晶圆上选取需要进行键合程度测试的待测试区域；

所述切割模块用于通过芯片封装工序中的芯片切割方法将所述待测试区域从整片晶圆上截取下来；

所述刻蚀模块用于在截取下来的晶圆试样边缘的两片晶圆接合处形成细缝；

所述测量模块用于在所述细缝处插入已知厚度的刀片，采用红外光源照射所述细缝处并形成干涉条纹，根据干涉条纹计算所述待测试区域的键合程度。

本实施例中，所述测量模块包括：检测单元，用于测量所述晶圆试样中两片晶圆的厚度；刀片插入单元，用于将已知厚度的刀片匀速插入到所述细缝中，并在细缝中形成裂纹；红外照射单元，用于当弹性能和表面能平衡时，采用红外光源照射所述细缝处形成干涉条纹；裂纹长度获取单元，用于通过对所述干涉条纹进行测量获取所述细缝处裂纹的长度值；计算单元，用于根据所述两片晶圆的厚度、刀片的厚度以及所述裂纹的长度值，计算所述待测试区域的表面能，通过表面能衡量晶圆的键合程度。

本发明提供了一种可普遍应用于三维芯片产品的晶圆键合程度测试方法及系统，通过借助芯片封测工序中的晶圆切割工艺对晶圆的待测试区域进行切割，从而实现对晶圆任意位置的键合程度进行测试，不仅打破了传统方法中只能测试晶圆极边缘位置表面能的局限，测试方法简单、适用范围广，而且无需引入新的工序，不会降低键合程度测试的效率。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。