晶圆间键合中的压力分布

现在的压力指示图实验测量了晶圆间键合室中的压力均匀性，并比较了几种类型的焊下金属化

晶圆间键合已成为 3D 封装、MEMS、MOEMS 和 SOI 等行业的一项支持半导体技术。在典型的晶圆键合工艺中，通过施加物理压力、温度和/或电场将两个平坦基板永久地相互连接（键合）（图 1）。这些参数中的每一个都是根据所粘合的基板材料来设置的，控制这些参数对于成功、高质量、高均匀性的制造过程至关重要。

在这三个主要参数中，电场和温度可以使用内置电子器件和热电偶在晶圆键合室内轻松测量。然而，压力通常在工具中测量为施加在压力柱上的受力总量。然后，假设压力板完全平坦，则使用测量到的力来计算平均压力。然而，在实践中，压力板通常并不理想，或者它们可能随着时间的推移而退化。这会导致控制软件无法检测到的潜在压力变化。压力分布不良会导致晶圆区域粘合不良或完全未粘合、晶圆破裂或压板过早磨损。

晶圆键合工艺

图 1. 晶圆键合工艺。

在粘合过程中均匀施加压力的重要性很大程度上取决于所粘合的具体材料。例如，在阳极键合工艺中，通过在高温 (> 300°C) 下施加大电场 (500V) 将硅键合到玻璃上。1 然后硅和氧之间的反应形成非常强的 SiO 2键。因为静电力的大小通常足以实现完全粘合，所以物理施加的压力对于这种类型的粘合过程既不是关键的也不是必需的。

然而，施加压力的控制在共晶或热压接合工艺中非常重要，在该工艺中，使用通常为金属合金的薄中间膜将两个任意基材接合在一起。1-3在这种类型的粘合中，要粘合的两个表面接触，并且温度升高到共晶点以上。一旦达到共晶温度，焊料就会液化，并且晶圆在接触时就会粘合。

高压可能导致液化焊料物理压缩并可能扩散到不需要的区域并导致短路。压力太小通常会导致粘合较弱或完全未粘合的区域。实际上，对于未优化的键合系统（考虑键合工艺参数以及所使用的材料），由于压力、温度或焊料不均匀性，在同一对基板上可能会出现溢出和未键合区域。因此，直接在基材上测量的施加压力的表征对于高产粘合工艺的开发非常重要

压力指示膜实验

Pressurex ®薄膜是一种压敏薄膜，可测量 2 至 43,200 psi (0.14 - 3,000 kg/cm²) 的压力。当放置在接触表面之间时，它会随着施加的压力成比例地永久改变颜色。使用已知压力校准绝对压力大小，然后使用已知压力来分析扫描压力图并创建彩色压力图，如图 2b 所示。

通过在压力设置为 4 bar 的情况下运行粘合配方，可以在适当等级的压力薄膜上形成直接压印。图 2a 显示了从压力均匀性较差的 6 英寸直径焊接工具上拍摄的图像胶片。图 2b 中的彩色图强调了环形高压环。图 2c 中的线扫描显示外环压力超过 15 bar，中心压力小于 3 bar。

然后对键合工具的压力柱进行一系列调整，并通过在相同范围的压力薄膜上运行相同的键合配方来评估压力均匀性。图 3 中的图像显示了改善压力均匀性的调整。请注意，调整后，压力薄膜分析显示与预期配方压力 4 bar 的偏差，这是假设特定晶圆面积的仪器的副产品。

除了对压力分布进行故障排除之外，相同的压力膜数据还可用于监控和维护制造实践中的性能，例如六西格玛统计过程监控。

Au/Sn 共晶晶圆间键合

晶圆键合压力均匀性的改进应用于需要可靠的晶圆间电气连接（每个晶圆约 103-104 个）、晶圆间间距 2-3 µm、出色的键合间隙控制、高键合强度和防液密封。通过金属沉积、光刻和蚀刻步骤对粘合叠层进行进一步处理需要防液密封。

除了这些主要要求外，键合工艺不应产生较大的应力，否则会导致 MEMS 器件性能下降或因应力随时间松弛而出现可靠性问题。应力源可能是键合过程本身或键合材料热膨胀系数的不匹配。优选地，可以使用相同的工艺将第三晶片接合至两个接合晶片的堆叠。

Au/Sn 共晶晶圆间键合升级

我们的实验使用电镀 Au/Sn 焊料，目标是 80% Au 和 20% Sn 成分以及 278°C 的共晶温度。² 精确焊料成分的控制至关重要，因为任一方向成分的微小变化都会增加熔化温度显着。

例如，成分变化 +3% 会导致熔化温度为 340°C；另一方面，-3% 的变化导致熔化温度达到 333°C。由于焊料厚度与籽晶金属厚度相当，因此籽晶金属中的金含量也很关键。

该器件中粘合的上下晶圆是： MEMS 晶圆，包含微机械器件，每个芯片周围都有一圈种子金属；CAP 晶圆包含相应的焊环和底层籽晶金属。在键合过程中，焊料应润湿两个晶圆，从而提供机械键合和气密密封。

出于初步分析和测试目的，硅 MEMS 晶圆被玻璃键合测试晶圆取代。CAP 晶圆中包含SiO 2支座功能，以提供机械停止，以便当焊料在键合过程中压缩时，可以很好地确定基板之间的最终间隙（图 4）。

种子金属化实验结果

对于 TiW/Au、Ti/Au 和 Ti/Mo/Au，常见问题是种子金属化焊料去湿后焊料溢出。图 5 显示了这种情况下的溢出示例。图 6 显示了使用 TiW/Au 时溢出的晶圆级照片。对于采用去湿焊料的晶圆，产生的粘合具有相当强的机械强度（在大多数情况下，强度足以承受切割），但不防水。

TiW/NiV/Au 籽晶金属是薄膜焊接系统固有的几个困难的一个很好的例子。在这种情况下，由于籽晶金属中存在镍，焊料不会压缩或流动。焊料-晶种界面的 EDX 分析显示 Sn 耗尽，这可能是由 Ni/Sn 相互作用引起的。由于可供 Au 使用的 Sn 不足，焊料成分是非共晶的，并且会一直冻结到 350°C 的最高温度。由于焊料未液化，因此焊料流动极小，压缩很少或没有。令人惊讶的是，所得的粘合仍然具有良好的机械强度。

使用 Nb/Au 籽晶金属化可获得最佳结果。^3,4这里焊料是液化的，间隙容易压缩，粘合强度良好，并为芯片提供防液密封。晶圆之间的最终键合间隙处于所需的间隔高度。

图 6 是使用 Nb/Au 金属化键合的半晶片示例和使用 TiW/Au 金属化键合的半晶片示例的照片。使用相同的粘合工具分别粘合两个样品，然后将其分成两半。即使用肉眼也可以清楚地看到 TiW 金属化层（左侧）的去湿现象。

在图 6 中，左半晶圆（TiW/Au 籽晶）显示了键合后由于焊料去湿而导致的焊料溢出。请注意，通过观察晶圆外环上的溢出最严重，而朝向中心的溢出最严重，可以明显看出压力不均匀性。右侧半晶圆（铌/金籽晶）接合良好，没有焊料溢出。右侧压力不均匀性不明显。