晶圆界面键合能的测试方法与流程

本发明涉及半导体集成电路制造领域，特别是涉及一种晶圆界面键合能的测试方法。

背景技术：

在三维芯片(3d-ic)的工艺制程中，将两枚晶圆相互键合的晶圆键合技术是一项关键技术。其中，为了评估晶圆的界面键合程度，需要对表征界面键合程度的晶圆界面键合能进行量化评估。

目前，在测试晶圆界面键合能的过程中，一般采用插刀式的双悬臂梁法(doublecantileverbeam,dcb)进行测定。该方法使用一定厚度的刀片沿着完整晶圆的边缘位置插入键合界面，使用红外成像测定裂纹长度，并结合刀片厚度及晶圆厚度计算得到界面键合能。然而，该方法还存在诸多不足：只能测试晶圆边缘位置，无法测定晶圆中心区域等特定位置的界面键合能；刀片插入键合界面还可能引发晶圆碎片；对断裂界面的红外成像存在延迟，影响测试数据的准确性；无法准确定位与所测键合能对应的断裂界面。基于上述几点缺陷，当前采用双悬臂梁法测试晶圆界面键合能还存在着较大的局限性。

因此，有必要提出一种新的晶圆界面键合能的测试方法，解决上述问题。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种晶圆界面键合能的测试方法，用于解决现有技术中无法准确测试晶圆特定位置的晶圆界面键合能的问题。

为实现上述目的及其它相关目的，本发明提供了一种晶圆界面键合能的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

提供一键合样品，所述键合样品包括相互键合的第一键合部和第二键合部；

从所述键合样品的一端将所述第一键合部和所述第二键合部拉开至设定的远离距离，并实时记录在拉开过程中随拉开距离变化的拉力；

根据所述拉开距离与所述拉力的变化关系计算出界面键合能。

作为本发明的一种可选方案，从所述键合样品的一端将所述第一键合部和所述第二键合部拉开至设定的所述远离距离后，还至少执行一次以下步骤：

使所述第一键合部和所述第二键合部从拉开的所述远离距离的位置相互靠近至设定的接近距离；

使所述第一键合部和所述第二键合部从所述接近距离的位置再次拉开至另一设定的远离距离。

作为本发明的一种可选方案，所述第一键合部和所述第二键合部在多次靠近和拉开过程中，后一次拉开过程中的所述远离距离大于前一次拉开过程中的所述远离距离。

作为本发明的一种可选方案，根据多次靠近和拉开过程中所述拉开距离与所述拉力的变化关系计算出的多个界面键合能的计算结果得到界面键合能的平均值和波动范围。

作为本发明的一种可选方案，拉开所述第一键合部和所述第二键合部的速度范围介于1μm/s至50μm/s之间。

作为本发明的一种可选方案，所述界面键合能通过下式计算得到：

其中，gc是所述界面键合能，b是所述键合样品的宽度，h是所述键合样品的厚度，e是所述键合样品长度方向的硅晶圆杨氏模量，ν是所述键合样品的泊松比，pc是拉开过程对应的临界负载，ac是拉开过程对应的拉开距离。

作为本发明的一种可选方案，还包括从键合晶圆上取样得到所述键合样品的取样过程，所述取样过程包括以下步骤：

选取所述键合晶圆的任意位置作为取样位置；

从所述键合晶圆上选定的取样位置处截取取样样品；

将所述取样样品切割为多个所述键合样品。

作为本发明的一种可选方案，截取所述取样样品以及将所述取样样品切割为多个所述键合样品的方法包括线锯切割。

作为本发明的一种可选方案，所述取样位置包括所述键合晶圆的中心区域或边缘区域。

作为本发明的一种可选方案，所述取样样品的大小为60×60mm²；所述键合样品的大小为60×3mm²。

作为本发明的一种可选方案，在计算出所述界面键合能后，还包括对键合界面进行分析表征的步骤。

作为本发明的一种可选方案，对所述键合界面进行分析表征的方法包括xps和sem。

如上所述，本发明提供了一种晶圆界面键合能的测试方法，通过在晶圆特定位置截取键合样品，对所述键合样品进行多次拉力测试，通过拉力与拉开距离的关系，得到所述键合样品的界面键合能。

附图说明

图1显示为本发明实施例一中提供的晶圆界面键合能的测试方法的流程图。

图2显示为本发明实施例一中从键合晶圆上选定的取样位置处截取取样样品的示意图。

图3显示为本发明实施例一中将取样样品切割为多个键合样品的示意图。

图4显示为本发明实施例一中将键合样品固定于测试机台后的侧视图。

图5显示为本发明实施例一中第一键合部和第二键合部拉开时的示意图。

图6显示为本发明实施例一中第一键合部和第二键合部拉开时的侧视图。

图7显示为本发明实施例一中第一键合部和第二键合部在多次靠近和拉开过程中拉开距离与拉力的变化关系图。

元件标号说明

100键合晶圆

101键合样品

101a第一键合部

101b第二键合部

102取样样品

103铝制牵引件

104粘着剂

s1～s3步骤1)～步骤3)

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图7。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。

实施例一

请参阅图1至图7，本实施例提供了一种晶圆界面键合能的测试方法，包括如下步骤：

1)提供一键合样品101，所述键合样品101包括相互键合的第一键合部101a和第二键合部101b；

2)从所述键合样品的一端将所述第一键合部101a和所述第二键合部101b拉开至设定的远离距离，并实时记录在拉开过程中随拉开距离变化的拉力；

3)根据所述拉开距离与所述拉力的变化关系计算出界面键合能。

在步骤1)中，请参阅图1的s1和图2至4，提供一键合样品101，所述键合样品101包括相互键合的第一键合部101a和第二键合部101b。作为示例，在本实施例中，所述键合样品101可以截取自键合晶圆上的任意部位。具体地，如图2和图3所示，从所述键合晶圆100上选定的取样位置处截取取样样品102；将所述取样样品102切割为多个所述键合样品101。在图2中，本实施例选取所述键合晶圆100的中心区域或边缘区域位置进行取样。具体地，可选择所述键合晶圆100上的上、中、下、左、右等五个位置进行取样。本实施例中的测试样品可以选自所述键合晶圆100上的任意位置，相比现有技术中仅能从晶圆边缘进行插刀测试的方案，本发明能够灵活测试晶圆上任意位置的样品，所得到的键合能数据更为全面可靠。

作为示例，截取所述取样样品102以及将所述取样样品102切割为多个所述键合样品101的方法包括线锯切割。一般用于晶圆切割的线锯采用的是表面镀有金刚石磨料的金属线，通过沿金属线长度方向的高速移动对晶圆进行研磨切割。线锯切割的优点在于，对于晶圆等硬脆性材料不易造成由应力引发的碎裂等缺陷。如图3所示，在从所述键合晶圆100上截取所述取样样品102后，还要将所述取样样品102切割为多个所述键合样品101。可选地，所述取样样品的大小为60×60mm²；所述键合样品的大小为60×3mm²。从所述键合晶圆100上截取所述取样样品102时，所述取样样品102的尺寸可选为60×60mm²等较大尺寸，以便从大尺寸的晶圆上进行样品截取；而在对所述取样样品102进行进一步加工时，就要考虑后续测试对于样品尺寸的要求。如图3所示，在本实施例中，对于大小为60×60mm²的所述取样样品102，进一步通过纵向的线锯切割，得到若干大小为60×3mm²的所述键合样品101。将所述键合样品101宽度控制在3mm以便进行后续的键合能拉力测试。当然，在本发明的其他实施案例中，所述取样样品和所述键合样品的尺寸可以根据需求进行变动；也可以直接从所述键合晶圆上截取所述键合样品，而无需经过所述取样样品的截取。

作为示例，如图4所示，是将所述键合样品101放置于测试机台后的侧视图。其中，所述键合样品101包括相互键合的第一键合部101a和第二键合部101b。上下成对设置的铝制牵引件103通过粘着剂104分别固定于所述第一键合部101a和所述第二键合部101b的一端，所述键合样品101远离所述铝制牵引件103的另一端可以固定于测试机台上。通过在图4中箭头所示的方向施加拉力，所述铝制牵引件103可以将所述键合样品101上下拉开一定距离。

在步骤2)中，请参阅图1的s2和图5至7，从所述键合样品的一端将所述第一键合部101a和所述第二键合部101b拉开至设定的远离距离，并实时记录在拉开过程中随拉开距离变化的拉力。其中，图5是所述第一键合部101a和所述第二键合部101b拉开时的示意图，图6是其侧视图。所述第一键合部101a和所述第二键合部101b按照图中箭头方向分别向上下拉开一定的距离a，而所述键合样品101的厚度为h。可选地，拉开所述第一键合部101a和所述第二键合部101b的速度范围介于1μm/s至50μm/s之间。所述第一键合部101a和所述第二键合部101b的拉开速度过快或过慢都可能对测试造成不良影响，在本实施例中，将所述拉开速度设置为1μm/s～50μm/s，以得到稳定的拉开过程。

作为示例，从所述键合样品的一端将所述第一键合部101a和所述第二键合部101b拉开至设定的所述远离距离后，还至少执行一次以下步骤：

使所述第一键合部101a和所述第二键合部101b从拉开的所述远离距离的位置相互靠近至设定的接近距离；

使所述第一键合部101a和所述第二键合部101b从所述接近距离的位置再次拉开至另一设定的远离距离。

如图7所示，是所述第一键合部101a和所述第二键合部101b在多次靠近和拉开过程中，所述拉开距离与所述拉力的变化关系图，图中共展示了七次靠近和拉开过程。

作为示例，所述第一键合部101a和所述第二键合部101b在多次靠近和拉开过程中，后一次拉开过程中的所述远离距离大于前一次拉开过程中的所述远离距离。从图7中也可以看出，随着多次靠近和拉开过程，所述第一键合部101a和所述第二键合部101b之间的距离不断增大，而多次靠近和拉开过程中的所述远离距离也是在不断增加的，即随着键合界面的断裂，所述远离距离不断增加，而拉开所述第一键合部101a和所述第二键合部101b所需的拉力则不断减少。从图7中还可以看出，一次靠近和拉开过程中经过的往复距离从一开始的数十微米陆续增加到了数百微米，这也表明了随着测试进行，键合界面断裂部分也在不断延伸。

在步骤3)中，请参阅图1的s3和图7，根据所述拉开距离与所述拉力的变化关系计算出界面键合能。

从图7可以得到在多次靠近和拉开过程中，每次拉开过程中所述拉开距离与所述拉力的变化关系，并根据所述变化关系进一步计算出界面键合能。具体地，界面键合能gc可以由下式计算得到：

其中，b是样品宽度，h是样品厚度，e是测试方向的硅晶圆杨氏模量，ν是硅晶圆的泊松比，pc和ac分别为每个拉伸周期对应的临界负载及对应拉开距离。

从图7中可以看出，在一次靠近和拉开过程即一个拉伸周期中，存在拉力最大值，即临界负载pc，其具有对应的拉开距离ac，而样品宽度b、样品厚度h、测试方向的硅晶圆杨氏模量e及硅晶圆的泊松比ν都是可以确定的常数。由此，通过单个拉伸周期中测得的临界负载pc及对应的拉开距离ac，可以计算得到该拉伸周期所对应的界面键合能gc。

作为示例，根据多次靠近和拉开过程中所述拉开距离与所述拉力的变化关系计算出的多个界面键合能的计算结果得到界面键合能的平均值和波动范围。由式(1-1)可以得到单个拉伸周期的界面键合能gc，通过计算多个界面键合能gc的值，可以进一步得到界面键合能的平均值和波动范围，以期得到更为精确的界面键合能。相比现有技术中单次插刀测试仅能得到一个界面键合能gc的值，本发明通过单个样品就能得到多个界面键合能，从统计学角度看，通过多个界面键合能所计算的平均值无疑具有更高的精确度，其所表征的样品界面键合程度也更为准确可信。

实施例二

本实施例提供了一种晶圆界面键合能的测试方法，与实施例一中的方案的区别之处在于，在本实施例中，在步骤3)中计算出所述界面键合能后，还包括对键合界面进行分析表征的步骤。具体地，对所述键合界面进行分析表征的方法包括xps和sem。

xps(x-rayphotoelectronspectroscopy)即x射线光电子能谱分析，能够通过测量光电子的能量，获得待测物组成，以实现对键合界面表面元素组成的定性和定量的分析。sem(scanningelectronmicroscope)即扫描电子显微镜，能够通过二次电子信号成像扫描样品，来观察样品的表面形态，以实现对键合界面表面形貌的分析。对于所述键合样品，可以在所述第一键合部和所述第二键合部完全拉开后，对其各自的键合界面进行表面分析，也可以对所述键合样品截面进行断面分析。当然，本发明所采用的材料分析表征方法并不限于xps和sem。例如，也可以采用edx分析界面表面元素组成，或采用tem对样品断面进行分析。

作为示例，对于3d-ic中常见的金属层间的cu-cu键合或硅衬底间的si-si或si-sio2键合的键合晶圆，可以通过sem得到键合界面的表面形貌，并结合xps的成分分析，定位到键合的具体位置，对键合位置断裂情况进行分析，结合拉开距离与拉力的变化关系，具体确定每次拉伸过程中与计算所得的界面键合能准确对应的断裂界面的位置。相比现有技术中的插刀式测试方法仅关注刀片插入裂纹处键合能的局限性，本实施例的测试方法能够准确定位每个界面键合能在断裂界面中的具体位置。

本实施例通过对所述键合界面的分析表征，能够具体确定每次计算得到的界面键合能所对应的界面位置，为键合面的微观分析提供了依据。当多个界面键合能的波动范围较大时，通过对键合面表面的微观分析，还可以找出某个位置界面键合能偏离正常值的原因，并针对该位置的键合工艺进行改善，为改进现有的晶圆键合工艺提供了表征手段及解决方案。

本实施例的其他实施步骤与实施例一相同，在此不再赘述。

综上所述，本发明提供了一种晶圆界面键合能的测试方法，包括如下步骤：提供一键合样品，所述键合样品包括相互键合的第一键合部和第二键合部；从所述键合样品的一端将所述第一键合部和所述第二键合部拉开至设定的远离距离，并实时记录在拉开过程中随拉开距离变化的拉力；根据所述拉开距离与所述拉力的变化关系计算出界面键合能。本发明通过在晶圆特定位置截取键合样品，对所述键合样品进行多次拉力测试，通过拉力与拉开距离的关系，得到所述键合样品的界面键合能。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。