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晶圓間鍵合強(qiáng)度測(cè)試

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發(fā)布時(shí)間：2025-03-10 11:10:52 更新時(shí)間：2025-03-09 11:12:57

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作者：中科光析科學(xué)技術(shù)研究所檢測(cè)中心

晶圓間鍵合強(qiáng)度的測(cè)量需要結(jié)合具體鍵合工藝和應(yīng)用場(chǎng)景，通常采用以下步驟和方法：

1. 樣品準(zhǔn)備

鍵合類(lèi)型確認(rèn)：明確晶圓鍵合方式（如直接鍵合、陽(yáng)極鍵合、共晶鍵合、膠粘鍵合等），不同鍵合方式對(duì)應(yīng)不同的界面特性。
測(cè)試結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：
- 懸臂梁結(jié)構(gòu)：通過(guò)光刻和刻蝕工藝制作微機(jī)械結(jié)構(gòu)，用于施加定向載荷。
- 剪切測(cè)試芯片：在鍵合界面設(shè)計(jì)特定尺寸的鍵合區(qū)域（如1mm×1mm），便于施加剪切力。
- 微橋結(jié)構(gòu)：用于拉力測(cè)試，測(cè)量垂直方向的鍵合強(qiáng)度。

2. 測(cè)量方法選擇

根據(jù)鍵合類(lèi)型和測(cè)試需求選擇合適的測(cè)量技術(shù)：

方法	適用場(chǎng)景	優(yōu)缺點(diǎn)
機(jī)械剝離測(cè)試	直接鍵合、膠粘鍵合	直觀但可能破壞晶圓，需高精度力傳感器
剪切測(cè)試	陽(yáng)極鍵合、金屬共晶鍵合	標(biāo)準(zhǔn)化程度高，需控制載荷方向
拉力測(cè)試	垂直方向鍵合強(qiáng)度評(píng)估	對(duì)設(shè)備精度要求高，適合小面積鍵合區(qū)域
激光誘導(dǎo)沖擊波	非破壞性檢測(cè)（如在線(xiàn)監(jiān)測(cè)）	快速但需復(fù)雜信號(hào)分析，設(shè)備成本高
超聲波檢測(cè)	界面缺陷與鍵合均勻性評(píng)估	非接觸式，但分辨率受波長(zhǎng)限制

3. 測(cè)量設(shè)備與參數(shù)

微力測(cè)試機(jī)：
- 分辨率：0.1mN（拉力/剪切力）。
- 位移精度：±0.1μm。
環(huán)境控制：
- 溫度：25±1℃（或模擬高溫環(huán)境如-40℃~150℃）。
- 濕度：可控范圍（如惰性氣體環(huán)境防氧化）。
數(shù)據(jù)采集：
- 實(shí)時(shí)記錄載荷-位移曲線(xiàn)，計(jì)算最大斷裂強(qiáng)度（單位：MPa或N/mm²）。

4. 具體操作步驟

a. 剪切測(cè)試（以金屬共晶鍵合為例）

固定樣品：將鍵合后的晶圓固定在剪切測(cè)試臺(tái)上，確保鍵合面與剪切刀具平行。
施加剪切力：
- 以恒定速率（如0.1mm/s）推動(dòng)刀具接觸鍵合區(qū)域。
- 記錄剪切力達(dá)到峰值時(shí)的載荷值（F_max）。
強(qiáng)度計(jì)算：鍵合強(qiáng)度=FmaxA(A為鍵合面積)鍵合強(qiáng)度=AFmax??(A為鍵合面積)
- 示例：若F_max=50N，鍵合面積A=1mm²，則強(qiáng)度=50MPa。

b. 機(jī)械剝離測(cè)試（膠粘鍵合）

預(yù)切割：使用金剛石刀片在鍵合界面切割出預(yù)裂紋。
剝離測(cè)試：
- 通過(guò)夾具逐步剝離晶圓，記錄剝離力（F）與剝離角度（θ）。
強(qiáng)度計(jì)算：界面能=F⋅(1−cos?θ)b(b為剝離寬度)界面能=bF⋅(1−cosθ)?(b為剝離寬度)

5. 數(shù)據(jù)分析與驗(yàn)證

重復(fù)性測(cè)試：每組樣品至少測(cè)試5次，計(jì)算平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。
界面觀察：
- SEM/EDS分析：觀察斷裂面形貌及元素分布，判斷失效模式（界面分離或材料斷裂）。
- AFM粗糙度測(cè)量：評(píng)估鍵合界面的平整度對(duì)強(qiáng)度的影響。
對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)：參考行業(yè)規(guī)范（如MIL-STD-883）或文獻(xiàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證結(jié)果合理性。

6. 應(yīng)用場(chǎng)景優(yōu)化

MEMS器件：需模擬熱循環(huán)（-55℃~125℃）后的鍵合強(qiáng)度衰減。
3D IC封裝：評(píng)估TSV（硅通孔）周?chē)I合強(qiáng)度的均勻性。
可靠性測(cè)試：進(jìn)行高壓蒸煮（HAST）或高溫高濕（85℃/85% RH）老化測(cè)試，驗(yàn)證長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

7. 注意事項(xiàng)

樣品尺寸效應(yīng)：小面積鍵合區(qū)域可能因邊緣效應(yīng)導(dǎo)致強(qiáng)度偏高，需校正。
設(shè)備校準(zhǔn)：定期使用標(biāo)準(zhǔn)砝碼或參考樣品校準(zhǔn)力傳感器。
環(huán)境控制：避免溫度波動(dòng)或振動(dòng)干擾測(cè)試結(jié)果。

總結(jié)

晶圓鍵合強(qiáng)度的測(cè)量需結(jié)合精密設(shè)備、標(biāo)準(zhǔn)化流程及失效分析，通過(guò)剪切、拉力或非破壞性方法量化界面結(jié)合力。測(cè)試結(jié)果直接影響器件可靠性，是半導(dǎo)體和MEMS制造中質(zhì)量控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。實(shí)際應(yīng)用中需根據(jù)工藝特點(diǎn)選擇合適方法，并嚴(yán)格遵循數(shù)據(jù)驗(yàn)證與標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比流程。