晶圆键合能检测装置以及晶圆键合能的测量方法与流程

本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及晶圆键合能检测装置以及晶圆键合能的测量方法。

背景技术：

键合是半导体制造过程中一种不可或缺的技术，被广泛地运用于精密制造工艺特别是电子产品的机械及电气连接中。键合技术是指将两抛光硅片经化学清洗后贴合在一起，再经过高温退火处理，界面发生物理化学反应，形成化学键的连接。

在诸如背照式图像传感器制造工艺之类的半导体制造工艺中，需要将两个或更多的晶圆键合到一起，并且对键合的晶圆之间的键合能进行测量。目前键合强度测量有直拉法和裂纹传播法。直拉法被广泛用于键合片的键合强度测量中，是用拉开键合片的最大拉力来表示的，但这种方法却受到了拉力手柄粘合剂等的诸多限制，测量方法不够灵活、方便，同时也是一种破坏性检查方法。裂纹传播法，也称刀片法，是采用刀片沿键合界面插入，观测断裂深度来反映键合强度，这种方法操作简单，对键合片的破坏小，但度数误差大。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是提供一种晶圆键合能检测装置以及晶圆键合能的测量方法，以提高测量晶圆键合能的准确性。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种晶圆键合能检测装置，包括：液槽，用于放置待测物体和液体，所述待测物体包括相互键合的第一晶圆和第二晶圆；超声波探头，用于发射第一超声波，并获取自待测物体表面反射或透射回的第二超声波；数据处理单元，用于通过所述第二超声波获取第一晶圆和第二晶圆之间的键合能。

可选的，所述第一晶圆具有第一表面，所述第二晶圆具有第二表面，且所述第一表面与第二表面相互键合；所述待测物体还包括位于第一晶圆和第二晶圆边缘的间隔物，部分所述间隔物位于第一表面和第二表面之间，使部分第一表面与部分第二表面相互分离，在第一表面和第二表面之间形成裂纹区。

可选的，所述数据处理单元包括：

信号获取模块，用于通过接收到的第二超声波，获取第二超声波特征曲线；

信号转换模块，用于通过第二超声波特征曲线，获取裂纹区的裂纹长度；

数据处理模块，用于通过裂纹长度获取键合能r，

其中，e1为第一晶圆的杨式模量，e2为第二晶圆的杨式模量，t1为第一晶圆的厚度，t2为第二晶圆的厚度，h为间隔物在垂直于第一晶圆和第二晶圆所在平面的方向的尺寸，l为第一晶圆和第二晶圆之间的裂纹长度。

可选的，所述数据处理单元还包括：存储模块，用于获取所述第二超声波特征曲线后，对所述第二超声波特征曲线进行存储。

可选的，还包括：移动装置，所述移动装置与超声波探头固定连接，所述移动装置带动所述超声波探头移动。

可选的，所述超声波探头包括：超声波产生器，用于产生第一超声波；超声波接收器，用于接收第二超声波，所述第二超声波为第一超声波自待测物体表面反射或透射回的波。

可选的，所述第一超声波的频率为50兆赫兹～100兆赫兹。

本发明还提供一种晶圆键合能的测量方法，包括：提供如上述任意一项所述晶圆键合能检测装置；提供待测物体和液体，所述待测物体包括相互键合的第一晶圆和第二晶圆以及间隔物；将所述待测物体和液体放入液槽，且所述待测物体浸没于液体内；通过超声波探头发射第一超声波，并获取自待测物体反射或透射回的第二超声波；通过所述第二超声波获取第一晶圆和第二晶圆之间的键合能。

可选的，在所述超声波探头发射第一超声波并第二超声波的过程中，所述超声波探头沿第一轨迹移动，所述第一轨迹平行于相互键合的第一晶圆和第二晶圆的半径，且所述第一轨迹平行于所述间隔物指向第一晶圆和第二晶圆的圆心的中心线。

可选的，所述超声波探头沿所述第一轨迹移动单次，所述第一轨迹与第一晶圆和第二晶圆的半径重合，且所述第一轨迹与所述间隔物指向第一晶圆和第二晶圆的圆心的中心线重合。

可选的，通过所述第二超声波获取第一晶圆和第二晶圆之间的键合能的方法包括：

通过接收到的第二超声波，获取第二超声波特征曲线；

通过第二超声波特征曲线，获取裂纹区的裂纹长度；

通过裂纹长度获取键合能r，

其中，e1为第一晶圆的杨式模量，e2为第二晶圆的杨式模量，t1为第一晶圆的厚度，t2为第二晶圆的厚度，h为间隔物在垂直于第一晶圆和第二晶圆所在平面的方向的尺寸，l为第一晶圆和第二晶圆之间的裂纹长度。

可选的，第二超声波特征曲线为时间与能量的关系曲线；通过第二超声波特征曲线获取裂纹区的裂纹长度的方法包括：在所述第二超声波特征曲线上获取相邻的第一能量突变点和第二能量突变点；获取第一能量突变点对应的第一时间；获取第二能量突变点对应的第二时间；获取第一时间和第二时间之差；根据第一时间和第二时间之差、以及超声波探头的移动速度获取裂纹区的裂纹长度。

可选的，第二超声波特征曲线为位移与能量的关系曲线；通过第二超声波特征曲线获取裂纹区的裂纹长度的方法包括：在所述第二超声波特征曲线上获取相邻的第一能量突变点和第二能量突变点；获取第一能量突变点对应的第一位移；获取第二能量突变点对应的第二位移；根据第一位移和第二位置之差获取裂纹区的裂纹长度。

与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：

本发明提供的晶圆键合能的测量方法中，采用晶圆键合能检测装置获取第一晶圆和第二晶圆之间的键合能，方便快捷，排除了人工确定、测量和读取造成的偏差，使得键合能的测量值更加准确。同时晶圆键合能检测过程中，避免了与待测物体的接触，降低了测量时对第一晶圆和第二晶圆的损伤的风险，从而提高测量晶圆键合能的准确性和安全性。

进一步，采用晶圆键合能检测装置获取第一晶圆和第二晶圆之间的裂纹长度，排除了人工确定、测量和读取裂纹长度造成的偏差，使得裂纹长度数据比较精准，从而键合能的测量值更加准确。

进一步，通过获得多组裂纹长度数据，取其最大值，获得的第一晶圆和第二晶圆之间的裂纹长度数据较精准，使得键合能的测量值更加准确。

附图说明

图1是一种晶圆键合能的测量方法的示意图；

图2是本发明一实施例的一种晶圆键合能检测装置的结构示意图；

图3和图4是图2中待测物体210的结构示意图；

图5是图2中数据处理模块203的一种具体实施方式的结构示意图；

图6是本发明实施例的一种晶圆键合能的测量方法的流程图；

图7是图6中本发明一实施例中步骤s04的一种具体实施方式的流程图；

图8是图7中本发明一实施例中步骤s22的一种具体实施方式的流程图；

图9是图7中本发明另一实施例中步骤s22的一种具体实施方式的流程图。

具体实施方式

正如背景技术所述，现有技术的半导体器件的性能较差。

一种晶圆键合能测量方法，参考图1，包括：提供键合晶圆组件101和片材102，所述键合晶圆组件包括键合在一起的两个或多个晶圆；将片材102插入到键合晶圆组件101之间，片材102至少一部分插入到键合晶圆组件之间，在键合晶圆组件上产生裂纹103；通过裂纹103的长度d计算出键合晶圆组件的键合能。

上述实施例中，对键合晶圆组件的裂纹长度的测量过程中，用红外图像相机获得图像，由操作员确定图像中裂纹的位置、使用尺子来测量裂纹长度、并且使用肉眼来读取所测量的裂纹长度。由操作员确定裂纹的位置容易产生偏差；使用尺子来测量裂纹长度时，误差较大，使得所测量的数据不准确，同时使用肉眼读取数据时，容易产生误差，综上，所获得的裂纹长度误差较大，使得依据裂纹长度获得的晶圆键合能的测量值误差也较大。

本发明中，采用晶圆键合能检测装置获取晶圆键合组件的裂纹长度，所获得的裂纹长度数据比较精准，从而键合能的测量值更加准确。同时键合晶圆键合能检测过程中，避免了与片材和键合晶圆组件的接触，降低了测量时对键合晶圆组件的损伤的风险，从而提高测量晶圆键合能的准确性和安全性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

本实施例提供一种晶圆键合能检测装置，参考图2，包括：

液槽201，用于放置待测物体210和液体，所述待测物体210包括相互键合的第一晶圆和第二晶圆；

超声波探头202，用于发射第一超声波，并获取自待测物体表面反射或透射回的第二超声波；

数据处理单元203，用于通过所述第二超声波获取第一晶圆和第二晶圆之间的键合能。

所述晶圆键合能检测装置还包括：移动装置(未图示)，所述移动装置与超声波探头202固定连接，所述移动装置带动所述超声波探头202移动。

所述液槽201的尺寸可根据待测物体的大小，灵活选择。

所述液槽201的形状可以为任意形状，包括：圆形，正方形，椭圆形，长方形等。

所述待测物体210浸没于液体内。

所述液体用于提供相对稳定的测量环境，减小测量环境对测量结果的影响。

本实施例中，所述液体为水。

所述超声波探头202包括：超声波产生器，用于产生第一超声波；超声波接收器，用于接收第二超声波，所述第二超声波为第一超声波自待测物体表面反射或透射回的波。

超声波在介质内传播时，在不同的介质具有不同的声阻抗。当超声波在不同介质的界面时，由于声阻抗不同，会发生强烈的反射。且超声波波长较短，易于穿透待测物体，同时在待测物体的不同交界面发生反射和透射，因此能够通过获取超声波在待测物体表面的发射波或者透射波的变化得出的待测物体的内部属性。

不同波长的超声波在不同介质中的反射率和衰减率均不相同，需要根据待测物体和中间媒介的不同，选择合适的超声波波长。

所述第一超声波的频率为50兆赫兹～100兆赫兹。

本实施例中，所述超声波产生器和超声波接收器集合在同一个超声波探头202内。

本实施例中，所述第一超声波穿过空气和液体，在待测物体表面发生反射，通过控制超声波探头在待测物体上的运动轨迹的不同，获取待测物体不同位置反射回的第二超声波，从而得到不同位置的第二超声波的曲线。

在一实施例中，所述超声波探头202为超声波发生器，在液槽底部设置有超声波接受器，接收超声波发生器发出的第一超声波，这种超声波探头，主要收集的是，第一超声波的透射波，即第一超声波穿透待测物体，发生衰减后的第二超声波。

参考图3，图3是图2中待测物体210的结构示意图。

所述待测物体210包括相互键合的第一晶圆211和第二晶圆212。

所述第一晶圆211具有第一表面，所述第二晶圆212具有第二表面，且所述第一表面与第二表面相互键合，且所述第一晶圆211和第二晶圆212的圆心重合。

所述待测物体210还包括位于第一晶圆211和第二晶圆212边缘的间隔物213，部分所述间隔物213位于第一表面和第二表面之间，使部分第一表面与部分第二表面相互分离，在第一表面和第二表面之间形成裂纹区220，所述第一表面与所述第二表面相接触的区域为键合区221，所述裂纹区220和键合区221的交界为分裂线223。

参考图4，图4是沿图3中切割线s-s1的截面示意图。所述第一表面和第二表面的接触面为第一平面，所述第一晶圆211和第二晶圆212的圆心在第一平面的投影点为a点，在第一平面上，沿所述间隔物213指向a点的中心线的方向上，所述分裂线223到间隔物213的距离为裂纹长度l。

所述第一晶圆的厚度为t1，所述第二晶圆的厚度为t2，本实施例中，所述第一晶圆211和第二晶圆212的材料为单晶硅。

所述间隔物213的材料可以是具有一定硬度的任意材料，优选地是不锈钢。

所述间隔物213的形状可以是任意合适的形状。

所述间隔物213在垂直于第一晶圆和第二晶圆所在平面的方向的尺寸为h。

本实施例中，所述间隔物213的形状为长方体。

本实施例中，所述间隔物213是薄的刀片，有利于插入到键合的第一晶圆211和第二晶圆212之间。

参考图5，图5是图2中数据处理模块203的一种具体实施方式的结构示意图。

所述数据处理单元203包括：

信号获取模块301，用于通过接收到的第二超声波，获取第二超声波特征曲线；

信号转换模块302，用于通过第二超声波特征曲线，获取裂纹区220的裂纹长度l；

数据处理模块303，用于通过裂纹长度获取键合能r，

其中，e1为第一晶圆的杨式模量，e2为第二晶圆的杨式模量，t1为第一晶圆的厚度，t2为第二晶圆的厚度，h为间隔物在垂直于第一晶圆和第二晶圆所在平面的方向的尺寸，l为第一晶圆和第二晶圆之间的裂纹长度。

上述公式在e1＝e2，t1＝t2的理想情况下，通过原公式化简成，

其中，e为第一晶圆和第二晶圆的理想相等杨氏模量。t为第一晶圆和第二晶圆的理想相等的厚度。h为间隔物在垂直于第一晶圆和第二晶圆所在平面的方向的尺寸，l为第一晶圆和第二晶圆之间的裂纹长度。

第一晶圆211和第二晶圆212的杨式模量由第一晶圆211和第二晶圆212的材料决定。

所述数据处理单元203还包括：存储模块304，用于获取所述第二超声波特征曲线后，对所述第二超声波特征曲线进行存储。

所述存储模块304还能够对裂纹长度和键合能的数据进行存储。

在多次扫描的情况下，存储模块可以存储单条运动轨迹的第二超声波特征曲线，裂纹长度或者键合能的信息，也可以存储多条运动轨迹的第二超声波特征曲线，裂纹长度或者键合能的信息，以便后续对这些信息进行处理，例如获取平均值，获取最大值或获取拟合曲线等处理。

相应的，本实施例还提供一种晶圆键合能的测量方法，参考图6，包括：

s11：提供如上述所述晶圆键合能检测装置；

s12：提供待测物体和液体，所述待测物体包括相互键合的第一晶圆和第二晶圆以及间隔物；

s13：将所述待测物体和液体放入液槽，且所述待测物体浸没于液体内；

s14：通过超声波探头发射第一超声波，并获取自待测物体反射或透射回的第二超声波；

s15：通过所述第二超声波获取第一晶圆和第二晶圆之间的键合能。

请参考图2，提供晶圆键合能检测装置。

所述晶圆键合能检测装置如图2所示，且如上述实施例所述，在此不做赘述。

请继续参考图3和图4，提供待测物体210和液体，所述待测物体210包括相互键合的第一晶圆211和第二晶圆212以及间隔物213。

所述第一晶圆211和第二晶圆212以及间隔物213，如上述实施例所述，在此不做赘述。

所述液体的材料，也如上述实施例所述，在此不做赘述。

将所述待测物体210和液体放入液槽201，且所述待测物体210浸没于液体内，如图2中所示。

将待测物体210浸没于液体内，是为了后续采用超声波进行测量提供一个较为稳定的测量环境，且超声波在水中的衰减较小。

通过超声波探头202发射第一超声波，并获取自待测物体210反射或透射回的第二超声波。

本实施例中，通过超声波探头202获取自待测物体210表面反射回的第二超声波。

由于待测物体210包括第一晶圆211，第二晶圆212和间隔物213。第一晶圆211和第二晶圆212键合，间隔物213位于第一晶圆211和第二晶圆212的边缘，且间隔物213使得第一晶圆211和第二晶圆212的表面互相分离，在第一表面和第二表面之间形成裂纹区220。所述第一表面与所述第二表面相接触的区域为键合区221，所述裂纹区220和键合区221的交界为分裂线223。所述第一表面和第二表面的接触面为第一平面，所述第一晶圆211和第二晶圆212的圆心在第一平面的投影点为a点，在第一平面上，沿所述间隔物213指向a点的中心线的方向上，所述分裂线223到间隔物213的距离为裂纹长度l。

为得到裂纹长度l，需要对间隔物213和分裂线之间的距离进行测量，可以采用扫描一个区域得到最大值的位置，再对最大值的位置进行多次扫面得到最大值的平均值，增加数据测量的准确性。

在所述超声波探头202发射第一超声波并第二超声波的过程中，所述超声波探头沿第一轨迹移动，所述第一轨迹平行于相互键合的第一晶圆211和第二晶圆212的半径，且所述第一轨迹平行于所述间隔物213指向第一晶圆和第二晶圆的圆心的中心线。

所述第一轨迹的扫描范围为平行于间隔物213的中心线，则可以在垂直于于间隔物213指向第一晶圆和第二晶圆的圆心的中心线且平行于间隔物213表面的方向，每次移动相同的距离，获取第一轨迹的多次扫面结果，确定裂纹长度最大值的位置。

一般沿第一晶圆211和第二晶圆212的径向，且与所述间隔物213指向第一晶圆和第二晶圆的圆心的中心线重合的方向分裂线与间隔物的距离最大为裂纹长度，为节约测量时间，也可以在该方向进行测量。

所述超声波探头202沿所述第一轨迹移动单次，所述第一轨迹与第一晶圆211和第二晶圆212的半径重合，且所述第一轨迹与所述间隔物213指向第一晶圆和第二晶圆的圆心的中心线重合。

参考图7，图7是图6中本发明一实施例中步骤s04的一种具体实施方式的流程图。

通过所述第二超声波获取第一晶圆和第二晶圆之间的键合能的方法包括：

s21：通过接收到的第二超声波，获取第二超声波特征曲线；

s22：通过第二超声波特征曲线，获取裂纹区的裂纹长度；

s23：通过裂纹长度获取键合能r。

通过接收到的第二超声波，获取第二超声波特征曲线。

所述第二超声波为自待测物体210表面反射回的第一超声波，自第一轨迹运动时，由第一晶圆和第二晶圆径向，沿间隔物213中心线，向间隔物移动时，在键合面内时，介质相同，第二超声波波形不变；在分裂线至间隔物之间的裂纹区时，介质为第一晶圆，第二晶圆和裂纹中的液体，则在键合面和裂纹交界面时，第二超声波能量发生第一次突变；当第一轨迹运动至间隔物时，介质为第一晶圆、第二晶圆和间隔物，则在裂纹和间隔物的交界面时，第二超声波能量发生第二次突变。能量突变点的位置与裂纹长度的端点位置相对应，则可以通过第一次能量突变点和第二次能量突变点的关联，得到裂纹长度。

所述第二超声波特征曲线可以为时间与能量的曲线，也可以为位移与能力的曲线。

所述第二超声波的特征曲线不同，获取裂纹区的裂纹长度的方法也不相同。

请参考图8，图8是图7中本发明一实施例中步骤s22的一种具体实施方式的流程图。

在一实施例中，所述第二超声波特征曲线为时间与能量的关系曲线。通过第二超声波特征曲线获取裂纹区的裂纹长度l的方法。

通过第二超声波特征曲线获取裂纹区的裂纹长度l的方法包括：

s31：通过接收到的第二超声波，获取第二超声波特征曲线，所述第二超声波特征曲线为时间与能量的关系曲线；

s32：在所述第二超声波特征曲线上获取相邻的第一能量突变点和第二能量突变点；

s33：获取第一能量突变点对应的第一时间；获取第二能量突变点对应的第二时间；

s34：获取第一时间和第二时间之差；

s35：根据第一时间和第二时间之差、以及超声波探头的移动速度获取裂纹区的裂纹长度。

本实施例中，超声波探头沿第一轨迹做匀速运动。

请参考图9，图9是图7中本发明另一实施例中步骤s22的一种具体实施方式的流程图。

在另一实施例中，第二超声波特征曲线为位移与能量的关系曲线。通过第二超声波特征曲线获取裂纹区的裂纹长度l的方法。

通过第二超声波特征曲线获取裂纹区的裂纹长度l的方法包括：

s41：通过接收到的第二超声波，获取第二超声波特征曲线，所述第二超声波特征曲线为时间与能量的关系曲线；

s42：在所述第二超声波特征曲线上获取相邻的第一能量突变点和第二能量突变点；

s43：获取第一能量突变点对应的第一位移；

s44：获取第二能量突变点对应的第二位移；

s45：根据第一位移和第二位置之差获取裂纹区的裂纹长度。

本实施例中，可以通过对多个裂纹长度求取平均值来提高测量的精度。

通过裂纹长度l获取键合能r，r与裂纹长度l成反比关系，

其中，e1为第一晶圆的杨式模量，e2为第二晶圆的杨式模量，t1为第一晶圆的厚度，t2为第二晶圆的厚度，h为间隔物在垂直于第一晶圆和第二晶圆所在平面的方向的尺寸，l为第一晶圆和第二晶圆之间的裂纹长度。

上述公式在e1＝e2，t1＝t2的理想情况下，通过原公式化简成，

其中，e为第一晶圆和第二晶圆的理想相等杨氏模量。t为第一晶圆和第二晶圆的理想相等的厚度。h为间隔物在垂直于第一晶圆和第二晶圆所在平面的方向的尺寸，l为第一晶圆和第二晶圆之间的裂纹长度。

数据处理模块基于上述关系将计算出的裂纹长度转换为键合能。该键合能数据可以被存储在存储模块内，或者显示在数据处理模块的显示列表中。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。