晶片的初始宏觀形變對硅-硅直接鍵合的影響

陳 晨，楊洪星

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所，天津 300220)

晶片的初始宏觀形變對硅-硅直接鍵合的影響

陳 晨，楊洪星

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所，天津 300220)

采用建立了硅硅直接鍵合的簡化模型，依據(jù)薄板理論分析了鍵合發(fā)生的條件以及原始晶片的曲率與鍵合后晶片曲率的關(guān)系；理論分析認(rèn)為晶圓鍵合前有必要根據(jù)彎曲變形量來匹配鍵合晶圓，并通過試驗進(jìn)行了驗證。

鍵合；彎曲變形；翹曲度

晶片直接鍵合技術(shù)是指不需要中間粘附層，將表面平整潔凈的晶片對直接粘合在一起，而且粘合強(qiáng)度與晶片體材料斷裂強(qiáng)度相近。鍵合過程依賴于室溫下晶片界面的短程分子力的作用達(dá)到預(yù)鍵合，然后通過熱處理來加強(qiáng)鍵合的強(qiáng)度.鍵合工藝在集成新材料方面具有極大的自由度和完整性，目前已廣泛應(yīng)用到微電子、傳感器、功率器件、MEMS、光電子器件等領(lǐng)域[1-3]。

晶圓直接鍵合質(zhì)量的好壞會對微機(jī)械系統(tǒng)的性能產(chǎn)生直接影響，其中鍵合前后晶圓的宏觀變形情況是影響鍵合質(zhì)量的主要因素之一[4]。兩個接觸晶圓表面必須小于一定的彎曲變形才能在室溫下發(fā)生鍵合，且鍵合后晶圓的彎曲變形不能過大。晶圓的形變量越小，表面越平整，克服彈性變形所做的功就越小，晶圓也就越容易鍵合。不少文獻(xiàn)從不同角度討論了晶片的平整度對鍵合的影響，Maszara等人考慮了表面形貌對接觸點(diǎn)局域應(yīng)力的影響[5]，Tong等人給出了室溫晶片接觸界面縫隙封閉的條件[6]，Yu等人用三維應(yīng)力場解決了同樣的問題[7]，國內(nèi)韓偉華等人討論了硅片鍵合平整度條件[8]。本文通過試驗，對不同宏觀變形的硅片進(jìn)行直接鍵合，根據(jù)薄板彎曲理論[9]分析了初始晶片宏觀尺度的彎曲變形對晶片直接鍵合的影響。

1 理論模型及分析

室溫下兩晶圓能夠鍵合在一起，必須滿足：

式中：Γ為吸附能，表示鍵合時晶圓單位鍵合面積所需的能量，Γ=γ1+γ2-γ12，γ1、γ2是不同晶圓的表面能；γ12是晶圓鍵合后的界面能。Γ值可以通過刀片裂紋擴(kuò)散法[10]測得。U/A是單位鍵合面積上彈性應(yīng)變能。式(1)表明，只有兩晶圓鍵合后，單位鍵合面積上彈性應(yīng)變能小于兩晶圓的界面能減少量時，兩晶圓才能很好鍵合在一起。單位鍵合面積上彈性應(yīng)變能不僅與鍵合晶圓的材料性質(zhì)有關(guān)，還與晶圓表面的彎曲變形有關(guān)，鍵合過程的簡化模型如圖1所示。

圖1 晶圓直接鍵合簡化模型

式(1)中U/A是晶片幾何形狀和材料特性的函數(shù)，可以結(jié)合薄板理論模型來導(dǎo)出其具體形式，圖1表示了圓形晶片在界面吸附能作用下的鍵合過程。κ1κ2分別表示鍵合前上下晶片的彎曲曲率；κc表示鍵合后鍵合區(qū)域兩晶片的共同曲率；t1，t2分別為兩晶片的厚度；R為兩晶片的半徑。鍵合前沿點(diǎn)P距晶片中心點(diǎn)0的距離為r0，這里設(shè)定(κ1-1，κ2-1，κc-1)≥R≥r0，從而滿足薄板條件。鍵合開始時，兩晶片在0點(diǎn)接觸，在界面吸附能的作用下當(dāng)滿足 (1)式條件時，晶片鍵合區(qū)域開始擴(kuò)展，上下晶片發(fā)生彈性應(yīng)變產(chǎn)生一定的彎距和撓度，當(dāng)在鍵合前沿點(diǎn)即半徑r=r0時等號條件滿足，鍵合過程停止，晶片對處于平衡狀態(tài)。利用線性薄板理論分析可知U/A的大小決定了晶片鍵合的難易程度。U/A越小晶片鍵合越容易進(jìn)行，即只需較小的界面吸附能就能滿足(1)式；反之U/A越大時，吸附能不得不耗散許多用來克服彈性的應(yīng)變能，鍵合就因此變得困難，一旦吸附能的大小不滿足(1)式時，鍵合就受到阻止而無法繼續(xù)進(jìn)行下去。假設(shè)兩晶圓經(jīng)過彎曲變形最終鍵合而形成的曲面表達(dá)式為：

式中：Wc、W1、W2分別為鍵合后晶圓、初始晶圓1、初始晶圓2的撓度；Cc系數(shù)與鍵合后的晶圓曲面曲率κ有關(guān)。晶圓的彈性應(yīng)變能為：

式中：i代表參與鍵合的上下兩不同晶片。

則兩晶圓總的應(yīng)變能為U=U1+U2，對于厚度t、泊松比ν、楊氏模量E和半徑R一定的晶圓，鍵合后晶圓的曲率也應(yīng)為一特定值，它的大小由晶圓總應(yīng)變能的最小值決定。晶圓鍵合后的曲率與晶圓材料性質(zhì)及初始曲率有一定的關(guān)系，因此晶圓鍵合前有必要根據(jù)彎曲變形量的大小匹配鍵合晶圓，以便減小鍵合后晶圓的曲率。例如在鍵合相同厚度晶圓時，將兩晶圓突起的最高點(diǎn)相對鍵合，很好地減小鍵合后晶圓的彎曲變形。

2 試驗驗證

2.1 試驗樣品

具有不同宏觀形變的100 mm（4英寸）硅雙面拋光片30片，導(dǎo)電類型：P型，厚度：(400±5)μm；電阻率：0.001 3～0.001 5 Ω·cm，晶向：＜100＞±0.3 °。

2.2 試驗過程及結(jié)果

鍵合前對任意抽取的6片晶片進(jìn)行測試，觀察其彎曲變形情況。結(jié)果如圖2所示。

圖2 原始晶片彎曲變形圖

可看出6片晶片均有一定程度的碗狀彎曲變形，且形狀大體一致。翹曲度測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 原始晶片翹曲度測試數(shù)據(jù)

將30片晶片分為三組，每組10片，將各組硅片兩兩直接鍵合。三組硅片采用不同的匹配方式進(jìn)行鍵合，簡易模型圖如圖3所示，P為鍵合壓力。

鍵合條件均為：溫度：400℃，壓力：300 kPa，時間：3 h。鍵合結(jié)束后，分別對三組鍵合片進(jìn)行翹曲度測試。測試結(jié)果如圖4、表2所示。

鍵合過程對晶片施加一定的作用力，鍵合后的曲率可能會和鍵合前晶圓的曲率相差很大，這將會使晶圓產(chǎn)生更大的變形，使單位鍵合面積上應(yīng)變能增大，使得鍵合后的晶片翹曲度明顯增大，另外鍵合階段經(jīng)歷了一定時間的熱過程，使得晶片內(nèi)應(yīng)力增加，進(jìn)而引起較大的彎曲變形。

圖3 三組硅片鍵合方式簡化模型

圖4 鍵合后三組晶片彎曲變形圖

表2 鍵合晶片翹曲度測試數(shù)據(jù)

采用第1組晶片的鍵合方式，得到的鍵合片彎曲變形量最小，且翹曲度較低。微觀來看，鍵合過程中兩硅片接觸的表面積要比硅片表觀面積小很多，而材料的彈性形變有助于增加兩硅片間分子的相互作用。對于以上三組兩表面具有凸起起伏的硅片來說，第1組鍵合方式硅片的鍵合接觸面積會隨著鍵合施壓的過程而逐漸增大，表面接觸點(diǎn)發(fā)生形變，而表面接觸點(diǎn)的形變又使接觸面積增大，并且表面吸附力越大，越有利于接觸面積的增加，進(jìn)而有利于鍵合的進(jìn)行，鍵合后晶片彎曲變形較小。第2組和第3組鍵合方式是在微小起伏單元的端點(diǎn)處相接觸，鍵合接觸面積難以隨著施壓的過程而增大，且兩晶片未接觸部位彈性形變會急劇增加，因而鍵合效果較差，鍵合后晶片彎曲變形較大。

3 結(jié) 論

原始晶圓的彎曲變形以及翹曲度的大小對鍵合后晶圓的曲面形狀和翹曲度有較大影響。原始晶片的翹曲度越小，鍵合后晶片翹曲度也越小。

將兩晶片凸起的最高點(diǎn)位置相對鍵合，得到的鍵合片彎曲變形量較小。因此，鍵合之前，有必要檢測初始晶片的彎曲變形，并根據(jù)翹曲度的大小匹配鍵合晶圓。在鍵合相同厚度晶圓時，可將兩晶圓突起的最高點(diǎn)相對鍵合，能很好地減小鍵合后晶圓的彎曲變形。

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The Effection of the Initial Macroscopic Deformation on Si-Si Direct Bonding Wafer

CHEN Chen，YANG Hongxing

(The 46thResearch Institute of CETC，Tianjin 300220，China)

This paper established a simplified model of Si-Si direct bonding，and according to the thin plate theory to analyzed the conditions of the bonding occurs and the relationship of original silicon wafers'curvature and bonded wafer curvature.We think it is necessary to matching appropriate wafers according to the bending deformation before bonding process，and this idea had been verified through experiments.

Bonding；Warp；Bow

TN305.96

A

1004-4507(2017)04-0001-05

2017-06-19