硅片键合强度测试方法的进展

第27卷第2期2004年6月电子器件

Chinese Journal of Electron Devices Vol.27，No.2June.2004

Measurements of the Bond Strength for Wafer Bonding

XIAO Ying -ying 1，WANG Jian -hua 1，HUANG Oing -an 2，OIN Ming 2

(

）1. School of Science ，Hefei Uniuersity of Technology ，Hefei 230009，China ；

2. Key Laboratory of MEMS of Ministry of Education ，Southeast Uniuersity ，Nanjing 210096，China

)

Abstract ：Bond strength is an important parameter for wafer bond. The fundamental theories for the measurements

are introduced. bond strength measurements are discussed ，including crack-opening test ，blister test ，four-point bend-（ultrasonic method and ing-delamination test ，Micro-Chevron-Test ，tensile /shear test and nondestructive measurement

Mesa-Spacer Method ）. Advantages and disadvantages of these measurements are discussed ：crack-opening test is sim-ple ，but it depends on how the blade is inserted and it dependents on the measurement conditions too. It does not al-low measuring toughness values greater than the substrate toughness ；MC Test can study the sources of yield and reli-ability problems of micromechanical components ；tensile /shear test sample gives better information on the bonded in-terface but is often limited by difficulties in loading and sample handling ；ultrasonic method is fitted for weak bond. This paper can help investigater to improve methods of measuring the bond strength. Key words ：bond strength ；wafer bonding ；surface energy EEACC ：2570D

硅片键合强度测试方法的进展

肖滢滢1，王建华1，黄庆安2，秦

明2

(

合肥1. 合肥工业大学理学院，230009；

210096

南京2. 东南大学MEMS 教育部重点实验室，

)

摘要：键合强度是关系到键合好坏的一个重要参数。本文介绍了键合强度测试方法的理论基础；随后列举了几种

常见的测量方法，包括裂纹传播扩散法、静态流体油压法、四点弯曲分层法、直拉法及非破坏性测试MC 测试方法、方法（超声波测试法和颗粒法）。分析了各种方法的优缺点：裂纹传播扩散法操作简单，但它受测量环境、如何插入刀片等因素的影响，而且只适合于较弱的键合强度测试；对于较强的键合强度还是采用直拉法来测量，但它受到拉力手柄粘合剂的限制；对于器件中的键合强度测量采用MC 测试方法更为适宜；超声波测试法现在只适用于弱键合强度。本文能对键合强度测量方法的开发、改进工作有所帮助。

关键词：键合强度；键合；表面能中图分类号：TN432

文献标识码：A

文章编号：（2004）1005-949002-0360-06

片的电阻率和导电类型可以自由选择；而且工艺简

［1］

单。硅片直接键合技术自1985年在国际电子器［2］件会上由IBM 公司Lasky 等人报道用来制备高质

键合技术是将两抛光硅片经化学清洗后粘贴在一起，再经过退火处理，界面发生物理化学反应，形成化学键的连接。这种硅片直接键合（Silicon Di-技术不需要任何粘合剂；两键合rect Bonding ，SDB ）

量的SOI 衬底材料以来，以其工艺简单、灵活性大、

收稿日期：2004-02-23

作者简介：肖滢滢（1980-），女，硕士研究生，主要从事硅片键合技术研究，xiaoyingying1980@yahoo. com. cn.

王建华（1950-），男，副教授，现从事微电子教学与研究；黄庆安（1963-），男，教授、博士生导师，现从事MEMS 教学研究，hga@seu. edu. cn.

第2期肖滢滢，王建华等：硅片键合强度测试方法的进展

361

所获得的材料在结构和电学性能等方面都显示出优良性能而受到广泛重视。尽管SDB 技术是为制

备SOI 材料和电力电子器件而提出的，但在传感

［3，4］器、执行器和微结构中却最先得到应用。SDB

其中W 为产生单位面积的两个新表面所作的功，

2G Ic 为裂纹扩! 为形成其自由表面所需的表面能，

［8］

。展单位面积释放的应变能（又称应变能释放率）

从式（2）可以看出：当裂纹扩展单位面积释放的应变能恰好等于形成其自由表面所需的表面能时，裂纹就处于不稳定平衡状态；若裂纹扩展单位面积释放的应变能大于形成其自由表面所需的表面能时，

［9］

裂纹就会失稳扩展而断裂。裂纹扩展单位面积

技术成功地应用于Si /Si ，Si /SiO 2［5］等材料的制备，成为制备复合材料及实现微机械加工的重要手段。

在键合技术中，键合强度是一个非常重要的参数。它是关系到键合好坏的一个技术指标：键合强度小，在加工过程中两键合片很有可能会开裂，导致失效；只有键合强度大，才能保证产品的成品率和质量。在工业中应用的许多器件都要求有强的键合强度和稳定的键合界面。人们为了得到良好

的键合片，提出了许多键合方法

［6］

。对于键合强度的测量，现在已有很多种方法，有的是破坏性的，有的是非破坏性的，但是还存在很多问题：数据是在各自不同的工艺条件、试样尺寸和测试仪器下获得的，缺乏通用性和权威性；而且至今没有一个统一的标准来进行表征：有的方法是用使键合界面开裂所作的功来表征；有的方法是用使键合界面开裂所用的力来表征。这样不同的表征方法之间进行比较很不方便。本文的目的就是希望通过评述现今采用的几种测量键合强度的方法，能对我国研究人员在对键合强度测量方法进行开发、改进时有所帮助。

用功来表征的测量方法

1.1

理论分析

单位面积的界面能定义为机械地将键合在一

起的表面1和表面2从原始距离C 0分开至无穷远处所作的功：

W =! 1+! 2=

F （x ）C x （1）

i 0

其中! 1、! 2为键合分开瞬间产生的表面1、表面2的表面能，F

（x ）是分开的过程中单位面积的吸引力。我们就用这里得到的界面能（也称为键合能）来表示键合强度。如果两键合晶片是相同材料，就有! 1=! 2=!

，键合强度为2! 。习惯上，我们就用键合片被部分分开时的两键合片表面能的平均值作

为键合强度［7］

。

另外，键合强度还可用应变释放能来得到。根

据Griffith 理论知道

［7］W =2! =G I c

（2）

=K （2释放的应变能G Ic

1-Ic 2）E ，" 为泊松比，平面应变断裂韧度K Ic =Y "

Y 为几何常数，它

与样品的尺寸，裂纹尺寸和负载的情况有关，可用有限元分析的方法（FEM ）或解析的方法得到。#c 为界面应力，a 为初始的裂纹长度）

。这样，我们就可以从应变能量释放的角度来得出键合强度。1.2

测量键合强度的方法

1.2.1裂纹传播扩散法

（CrackOpening ）［6］

测量表面能最传统的方法是裂纹传播扩散法

。这种方法是1988年由Maszara

首先提出的［10］

，如图1所示，I b

为刀片厚度，w 为键

图1

裂纹传播扩散法示意图

合片宽度，I w1为键合晶片1的厚度，I w2为键合晶片2的厚度，E 1为晶片1的杨氏模量，E 2为晶片2的杨氏模量。此方法是利用键合片分开部分的弹性力和开裂顶端的键合力相平衡的原理建立方程。系统总的能量等式：

E totaI =E eIas1+E eIas2+（! 1+! 2）

L w （3）E F 233将弹性能量i L eIas ，i =

，弯曲力F E i w I wi I bi

i i i =4L ，I 3弯曲量的转动惯量I w

i =wi ，（i =1，2）

带入（3）式，经计算化简得：=w E 232

E 1I 3w1I b 1+w E 2I w2I b 2

totaI

8L +（! 1+! 2）

L w （4）

由力的平衡条件：

E totaI

=0（5）

（俗称刀片插入法）

362

电子器件第27卷

可得：

232

（3E 1:3w1:b 1+E 2:w2:b 2）（6）! 1+! 2=

8L 由于:b =:b1+:b2，则再由式（4）（5）、（6）、可得到：

3:2b E 1:3w1E 2:w2

! 1+! 2=8L （E 1:w1+E 2:w2）

施的情况下，测得的键合能并非实际上的键合能。另外，刀片插入速率也会影响测得的键合能的

［13］

值，图3和4分别说明了在退火样品中四种不同

刀片插入速率的裂纹长度与刀片位移的关系，以及在未退火样品中刀片插入速率对键合能的影响。以上因素都会给测量键合能带来不便和误差。最重要的一点是当键合片的强度很高时刀片无法插（7）

从而得到键合片的平均表面能为：

! =3:23

b E 1:3w1E 2:w2

16L （E +E （8）

1:w12:w2）

当键合片由同种晶片构成（即：:w1=:w2=:w ，E 1=E 2=E ）

，式（8）可变为：! =

3E:3:2

w b

32L 4

（9）

当:w2! :w1，E 1=E 2=E 时，

式（8）可变为：! =

3E:32

w :b

16L （10）由于材料的各向异性，将式（10）修正为［11］

：

3Ed 3y 2

! =（

81-" ）L （11）其中" 为泊松比，从而就可以得到键合片的键合能。这种方法简单快捷。

由以上我们可以看出：在实验中，我们主要测量的是裂纹长度L 。L 是由红外线系统测得，但红

外线系统所能测的最小间隙为250nm ，用这种方法测量的L 精确性受到限制，键合能与L 是四次方的关系，这样计算的结果一般会有10%的误差。正

如Bagdaln 等人所提出的［12］：通过有限元分析，随

着键合强度的增强，误差会增大甚至导致错误，在他们的实验中误差为20%~80%（如图2）

。

图2用不同的红外线测试方法得到的表面能与退火

温度的关系曲线的比较

而且，刀片插入通常是人工进行，如何插入会影响测量结果；测量环境也会影响测量，从式（1）我们可以看出这个过程是可逆的。然而，事实上这个过程是不可逆的，当界面被打开，新产生的两个表面就会吸收周围环境中的物质从而降低自己的表面能，最终达到稳态。因此，在没有正确的防范措

入，

此方法就不再适用。

图3

裂纹长度与刀片位移的关系

图4刀片插入速率对键合能的影响

1.2.2静态液体油压法

（biister test ）［14

］

静态液体油压法是由Slimbo 在1986年提出

的，如图5所示，测试样品的其中一晶片中间带有孔，静态油压由下施加给上面的晶片上，键合界面开裂时的临界压强p f

可以测得。由于这种特殊的

图5

静态液体油压法

实验结构，键合能! 与临界压强p f 的关系可写

为

［6］

：=

0.088p 2f a 4

! E:（12）

其中a 为孔的半径，E 和:w 分别为上面晶片的杨

氏模量和厚度。

这种测量方法在传感器设计方面有重要应用，但由于这种复杂的界面施压结构，用它并不能得到

第2期

［15］

键合片的具体细节特性。

肖滢滢，王建华等：硅片键合强度测试方法的进展

363

［16，17］1.2.3四点弯曲分层法

四点弯曲分层技术是由Charaiambides 提出［17］

。后经Arturo A. Ayon 将此技术用于键合强度的

［16］

测试中。它的结构示意图如图6。对于裂纹扩

（a

）

（b ）

图6

四点弯曲分层法结构示意图

展单位面积释放的应变能可由公式：

C :

21M 2（1-! 2）i c

b h （13）

算出。其中b 为键合片宽度，2h 为键合片厚度，!

为泊松比，E 为杨氏模量，

力矩M :PL

2。由式（2），我们可以得到键合强度。

它不必再去测量裂纹长度，避免了裂纹传播法的不精确性。但这种方法有一个测量范围，当退火温度达到900~1000C 后，键合强度就可能超出这个范围，无法测出精确的键合强度。1.2.4

MC 测试方法

（Micro -Chevron -Test ）［18

］

MC 测试方法是由Bagdahn 等人于1999年提出

的。它是为了测试键合器件的强度特性，由刀片插入法的思想发展而来的。如图7所示，在键合之前先在其中一片晶片上用湿法各向异性腐蚀产生一个楔状结构，样品尺寸为10X 10mm 2，这样4英寸的片子可以得到52个测试样品。在测试初期，楔状顶端的裂纹随着拉力增加稳定扩展，当裂纹达到临界长度后，裂纹扩展加速。平面应变断裂韧度K Ic 可以由拉力的最大值F max 求得。Bagdahn 等人用3D 有限元模拟推出K Ic 与F max 之间的关系：

K 0.5407X 0.0904

Ic :

0+（t 3

14）

图7MC 测试方法结构示意图

其中" 0为楔状顶端和拉力柄边缘的距离与样品长

度w 的比值；t 为晶片的厚度；B 为样品的宽度。

MC 测试方法虽然是源于刀片插入法，但它却比刀片插入法优越许多。在MC 方法中，一片键合

片可以做多次试验，而刀片插入法只能测一次；MC 法具有较高的精度和可行性，它的误差范围一般在13%以内；

而且，此方法的试验结果可以说明整个片子键合强度的分布情况。

2用力来表征的测量方法

直拉法（tensiie /shear test ）是用拉开键合片的最

大拉力来表示的，因为拉开键合片的力变化过程并不能测出，所以不能用式（1）来求出键合强度。图8是两种直拉法的实验结构：（a ）为用相反方向的拉力垂直拉开键合片的结构示意图；（b ）为将键合在厚晶片上的薄晶片拉下的结构示意图。

（a ）中结构对样品从键合片上切下来所带来的残余损伤非常敏感。在1990年Abe 针对这一缺点，而且由于在许多应用中，键合片中的一个硅片通常需要减薄到100nm 或几个! m ，

提出了（b ）

中结构

［19］

。图8两种直拉法的结构示意图

还有另外一种直拉法结构［20］

，如图9所示。这

种方法一大特点是可用来研究硅片键合过程中的动力学变化，可测出键合各个阶段的键合强度，而且减小了样品本身应力对测量结果带来的影响。测量仪器和外界的污染所带来的误差一般在10%

364

电子器件第27卷

以内。

图9torsion or shear test 示意图

直拉法仍然被用于强键合片的键合强度测试中，它克服了刀片插入法用于强键合片时刀片不能插入的缺点，但这种方法却受到了拉力手柄粘合剂的限制，当键合强度大于粘合剂的粘黏度时，拉力手柄就会先于键合片开裂而脱离键合片，无法继续进行测量。一般所用的粘合剂为环氧树脂，所能测

量的最大键合强度为80Mpa ［

。但可用这种方法进19］

行大致的比较试验。在实验中，键合片拉裂的情况分为三种：! 从粘合剂处裂开；" 从硅体内部的缺

陷或空洞处裂开；" 从键合界面处裂开。显然，第1）种情况键合强度最强。

3键合强度的非破坏性测试

现在人们正在通过多种方法进行对硅片键合

强度的非破坏性测试，其中大都是基于声学技术的方法。

下面简单的介绍一种基于声学的方法

［21］

。通

过增加超声波探针脉冲的振幅，键合界面就产生一个非线性的反驱动力。如图10所示，正弦信号加

在样品上，用宽波段超声换能器来接收键合界面的弹性响应调制信号，接受的信号经傅立叶变换，用傅立叶分项的最大值作为键合强度。而且在退火温度的作用下键合的一些变化可以被测量出来，超声换能器的发展还给这类非破坏性测量方法带来了潜力。

但现今这些方法都只能适用于弱键合强度的键合片上，而在实际应用中人们大都追求的是强的键合强度，这就限制了这些方法的推广。基于声学的方法还有待研究。

2000年pasguarieIIo 提出一种新的非破坏性测量方法———颗粒法

［22］

。它是在键合片界面处引入

一个SiO 2小颗粒，

键合退火后键合片形如图11所示。根据在颗粒周围未键合部分表面能与弹性能之和达到最小值时键合达到平衡建立方程，

并可解

图10

基于声学的非破坏性测试示意图

图11

颗粒法结构示意图

出表面能#，即：

! =8!" 32

12（1-" ）#

（15）其中2$为SiO 2颗粒高度，#为平衡时未键合圆形的半径，" 为晶片厚度。

此方法与刀片插入法相比较有许多优点：（1）无破坏性和无接触式；（2）在测量前已引入刀片代替物，不必担心刀片插入和周围环境所带来的误差；（3）无人为因素，增加了可比较性。但它并不能测量出在储藏期间键合能的变化。

4结束语

在实际应用中，不管是质量的控制还是键合技

术的要求，都需要合适的键合强度测试方法。本文对各种键合强度测试方法进行了论述，从现有方法来看，虽然刀片插入法操作简单，但它受很多因素影响，而且只适合于较弱的键合强度测试；而对于较强的键合强度一般还是采用直拉法来测量；对于器件中的键合强度测量采用MC 测试方法更为适

宜；非破坏性测试方法具有其他方法不可比拟的优势，但基于声学的方法只适用于弱键合强度，而颗粒法刚刚提出还存在着一些问题。至今，键合强度测试还没有通用的标准，因此对键合强度的测试还有很多工作还要深入研究，其中必须注意一些问题，如样品尺寸、易碎性、各向异性、被腐蚀的晶片

（

第2期肖滢滢，王建华等：硅片键合强度测试方法的进展

365

表面、界面空洞等；而且非破坏性实验方法是一种趋势。参考文献：

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［［［［［［［［［［［［［［［［［

硅片键合强度测试方法的进展

作者：

作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

肖滢滢，王建华，黄庆安，秦明

肖滢滢,王建华(合肥工业大学理学院,合肥,230009)，黄庆安,秦明(东南大学MEMS教育部重点实验室,南京,210096)

电子器件

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