現在的壓力指示圖實驗測量了晶圓間鍵合室中的壓力均勻性，并比較了幾種類型的焊下金屬化

晶圓間鍵合已成為 3D 封裝、MEMS、MOEMS 和 SOI 等行業的一項支持半導體技術。在典型的晶圓鍵合工藝中，通過施加物理壓力、溫度和/或電場將兩個平坦基板永久地相互連接（鍵合）（圖 1）。這些參數中的每一個都是根據所粘合的基板材料來設置的，控制這些參數對于成功、高質量、高均勻性的制造過程至關重要。

在這三個主要參數中，電場和溫度可以使用內置電子器件和熱電偶在晶圓鍵合室內輕松測量。然而，壓力通常在工具中測量為施加在壓力柱上的受力總量。然后，假設壓力板完全平坦，則使用測量到的力來計算平均壓力。然而，在實踐中，壓力板通常并不理想，或者它們可能隨著時間的推移而退化。這會導致控制軟件無法檢測到的潛在壓力變化。壓力分布不良會導致晶圓區域粘合不良或完全未粘合、晶圓破裂或壓板過早磨損。

晶圓鍵合工藝

圖 1. 晶圓鍵合工藝。

在粘合過程中均勻施加壓力的重要性很大程度上取決于所粘合的具體材料。例如，在陽極鍵合工藝中，通過在高溫 (> 300°C) 下施加大電場 (500V) 將硅鍵合到玻璃上。1 然后硅和氧之間的反應形成非常強的 SiO 2鍵。因為靜電力的大小通常足以實現完全粘合，所以物理施加的壓力對于這種類型的粘合過程既不是關鍵的也不是必需的。

然而，施加壓力的控制在共晶或熱壓接合工藝中非常重要，在該工藝中，使用通常為金屬合金的薄中間膜將兩個任意基材接合在一起。1-3在這種類型的粘合中，要粘合的兩個表面接觸，并且溫度升高到共晶點以上。一旦達到共晶溫度，焊料就會液化，并且晶圓在接觸時就會粘合。

高壓可能導致液化焊料物理壓縮并可能擴散到不需要的區域并導致短路。壓力太小通常會導致粘合較弱或完全未粘合的區域。實際上，對于未優化的鍵合系統（考慮鍵合工藝參數以及所使用的材料），由于壓力、溫度或焊料不均勻性，在同一對基板上可能會出現溢出和未鍵合區域。因此，直接在基材上測量的施加壓力的表征對于高產粘合工藝的開發非常重要

壓力指示膜實驗

Pressurex ®薄膜是一種壓敏薄膜，可測量 2 至 43,200 psi (0.14 - 3,000 kg/cm²) 的壓力。當放置在接觸表面之間時，它會隨著施加的壓力成比例地永久改變顏色。使用已知壓力校準絕對壓力大小，然后使用已知壓力來分析掃描壓力圖并創建彩色壓力圖，如圖 2b 所示。

通過在壓力設置為 4 bar 的情況下運行粘合配方，可以在適當等級的壓力薄膜上形成直接壓印。圖 2a 顯示了從壓力均勻性較差的 6 英寸直徑焊接工具上拍攝的圖像膠片。圖 2b 中的彩色圖強調了環形高壓環。圖 2c 中的線掃描顯示外環壓力超過 15 bar，中心壓力小于 3 bar。

然后對鍵合工具的壓力柱進行一系列調整，并通過在相同范圍的壓力薄膜上運行相同的鍵合配方來評估壓力均勻性。圖 3 中的圖像顯示了改善壓力均勻性的調整。請注意，調整后，壓力薄膜分析顯示與預期配方壓力 4 bar 的偏差，這是假設特定晶圓面積的儀器的副產品。

除了對壓力分布進行故障排除之外，相同的壓力膜數據還可用于監控和維護制造實踐中的性能，例如六西格瑪統計過程監控。

Au/Sn 共晶晶圓間鍵合

晶圓鍵合壓力均勻性的改進應用于需要可靠的晶圓間電氣連接（每個晶圓約 103-104 個）、晶圓間間距 2-3 µm、出色的鍵合間隙控制、高鍵合強度和防液密封。通過金屬沉積、光刻和蝕刻步驟對粘合疊層進行進一步處理需要防液密封。

除了這些主要要求外，鍵合工藝不應產生較大的應力，否則會導致 MEMS 器件性能下降或因應力隨時間松弛而出現可靠性問題。應力源可能是鍵合過程本身或鍵合材料熱膨脹系數的不匹配。優選地，可以使用相同的工藝將第三晶片接合至兩個接合晶片的堆疊。

Au/Sn 共晶晶圓間鍵合升級

我們的實驗使用電鍍 Au/Sn 焊料，目標是 80% Au 和 20% Sn 成分以及 278°C 的共晶溫度。² 精確焊料成分的控制至關重要，因為任一方向成分的微小變化都會增加熔化溫度顯著。

例如，成分變化 +3% 會導致熔化溫度為 340°C；另一方面，-3% 的變化導致熔化溫度達到 333°C。由于焊料厚度與籽晶金屬厚度相當，因此籽晶金屬中的金含量也很關鍵。

該器件中粘合的上下晶圓是： MEMS 晶圓，包含微機械器件，每個芯片周圍都有一圈種子金屬；CAP 晶圓包含相應的焊環和底層籽晶金屬。在鍵合過程中，焊料應潤濕兩個晶圓，從而提供機械鍵合和氣密密封。

出于初步分析和測試目的，硅 MEMS 晶圓被玻璃鍵合測試晶圓取代。CAP 晶圓中包含SiO 2支座功能，以提供機械停止，以便當焊料在鍵合過程中壓縮時，可以很好地確定基板之間的最終間隙（圖 4）。

種子金屬化實驗結果

對于 TiW/Au、Ti/Au 和 Ti/Mo/Au，常見問題是種子金屬化焊料去濕后焊料溢出。圖 5 顯示了這種情況下的溢出示例。圖 6 顯示了使用 TiW/Au 時溢出的晶圓級照片。對于采用去濕焊料的晶圓，產生的粘合具有相當強的機械強度（在大多數情況下，強度足以承受切割），但不防水。

TiW/NiV/Au 籽晶金屬是薄膜焊接系統固有的幾個困難的一個很好的例子。在這種情況下，由于籽晶金屬中存在鎳，焊料不會壓縮或流動。焊料-晶種界面的 EDX 分析顯示 Sn 耗盡，這可能是由 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，并且會一直凍結到 350°C 的最高溫度。由于焊料未液化，因此焊料流動極小，壓縮很少或沒有。令人驚訝的是，所得的粘合仍然具有良好的機械強度。

使用 Nb/Au 籽晶金屬化可獲得最佳結果。^3,4這里焊料是液化的，間隙容易壓縮，粘合強度良好，并為芯片提供防液密封。晶圓之間的最終鍵合間隙處于所需的間隔高度。

圖 6 是使用 Nb/Au 金屬化鍵合的半晶片示例和使用 TiW/Au 金屬化鍵合的半晶片示例的照片。使用相同的粘合工具分別粘合兩個樣品，然后將其分成兩半。即使用肉眼也可以清楚地看到 TiW 金屬化層（左側）的去濕現象。

在圖 6 中，左半晶圓（TiW/Au 籽晶）顯示了鍵合后由于焊料去濕而導致的焊料溢出。請注意，通過觀察晶圓外環上的溢出最嚴重，而朝向中心的溢出最嚴重，可以明顯看出壓力不均勻性。右側半晶圓（鈮/金籽晶）接合良好，沒有焊料溢出。右側壓力不均勻性不明顯。