表面翘曲度对晶圆直接键合的影响

表面翘曲度对晶圆直接键合的影响马子文1,2 ,廖广兰1,2,史铁林1,2,汤自荣 1,2,聂磊1,2 ,林晓辉1,2 （1.华中科技大学 机械科学与工程学院，武汉 430074；2. 武汉光电国家试验室，武汉 430074） 1 引言 晶圆键合技术是指通过化学和物理作用将两片晶圆紧密结合起来的方法。晶圆键合往往与表面硅加工和体硅加工相结合，用在微机电系统的加工工艺中。晶圆键合虽然不是微机械加工的直接手段，却在微机械加工中有着重要的地位，通过与其他加工手段结合，既可对微结构提供支撑和保护，又可以实现机械结构之间或机械结构与电路之间的电学连接。晶圆直接键合是指不需任何中间介层和外加电场，将两片表面光洁平整的晶圆紧密结合起来的方法。晶圆直接键合质量的好坏会对微机械系统的性能产生直接影响，其中键合前后晶圆的翘曲度是影响键合质量的主要因素之一[1]。两个接触晶圆表面必须小于一定的翘曲度才能在室温下发生键合，且键合后晶圆的翘曲度不能过大。晶圆的翘曲度越小，表面越平整，克服弹性变形所做的功就越小，晶圆也就越容易键合。YU [2]等人分析了晶圆键合过程中应变能的变化，提出了室温下晶圆直接键合的键合准则。本文从直接键合的键合准则出发，根据薄板弯曲理论，给出有压力和无压力作用两种情况下，晶圆应变能理论表达式的推导过程，并根据键合准则，分析比较了两种情况对键合的不同影响。最后应用有限元模拟晶圆在不同压力作用下的键合过程，仿真分析结果表明，压力的大小会对直接键合产生很大的影响，当晶圆存在一定翘曲度时施加合适的外压力将有助于晶圆的直接键合。 2 理论模型 根据H.H. YU和Z. SUO[2]提出的晶圆直接键合条件，如果要使室温下两晶圆能够键合在一起，必须满足 U/A－Γ＜0 ⑴ 式中：Γ＝，和是不同晶圆的表面能；是晶圆键合后的界面能；Γ为吸附能，表示键合时晶圆单位键合面积所需的能量。 Γ值可以通过刀片裂纹扩散法[3]测得。 U/A是单位键合面积上弹性应变能。式⑴表明，只有两晶圆键合后，单位键合面积上弹性应变能小于两晶圆的界面能减少量时，两晶圆才能很好键合在一起。单位键合面积上弹性应变能不仅与键合晶圆的材料性质有关，还与晶圆表面的翘曲度有关。下面主要研究晶圆翘曲度对直接键合的影响，简化后晶圆键合物理模型如图1 所示。 晶圆的翘曲度与晶圆制造过程及晶圆表面残留应力有关[4]。由于使用的晶圆大都满足翘曲度 δ远小于晶圆厚度的条件，可以利用薄板小挠度理论建立晶圆的直接键合模型。硅片为圆形薄板，在理想状态下硅片的边界条件绕 Z轴对称，它所受的横向力及它的弹性曲面也绕Z 轴对称。为此取硅片曲面表达式为 w0i＝ci r2 ⑵ 式中：ci为系数，与曲面曲率有关； w0i代表不同的晶圆翘曲度；r为晶圆半径。晶圆直接键合有施加压力和无压力两种情况，下面分析两种情况下晶圆翘曲度对键合的影响。 2.1 无压力情况 不施加压力直接键合时，假设两晶圆经过弯曲变形最终键合而形成的曲面表达式为 wf＝cf r2＝w0i + wi ⑶ 式中：wi 为晶圆挠度；cf 系数与键合后的晶圆曲面曲率有关。根据弹性力学的瑞次法 [5]，晶圆的弹性应变能为 则两晶圆总的应变能为U＝U 1+U2。对于厚度、泊松比、杨氏模量和半径一定的晶圆，键合后晶圆的曲率也应为一特定值，它的大小由晶圆总应变能的最小值决定， cf的值为 把式⑸代入式⑷可得到 式中：U/A为两晶圆泊松比相等时键合晶圆平均键合面积上的应变能，比较U/A与Γ就能得出晶圆翘曲度对键合的影响。 2.2 施加压力的情况 当晶圆翘曲度较大，晶圆界面间的表面能无法克服晶圆变形所产生的弹性应变能时，晶圆将不能自发完全键合。此时，晶圆需要借助一定的外压力才能很好地键合在一起，为此需要考虑施加压力时晶圆翘曲度对晶圆键合的影响。在有外压力的情况下进行室温预键合时，假设外压力足够大使两晶圆能够完全键合，且键合后的形状与夹具的曲面形状一致，即此时的cf只与夹具的曲面形状有关。在这种情况下，晶圆的应变能仍可由式⑷表示，总应变能为 U＝U1+U2，其中 cf可由夹具的曲率测得。键合晶圆平均键合面积上应变能表示为 式⑺表明，在施加压力情况下单位键合面积上的应变能不仅与晶圆的材料性质有关，还与晶圆及夹具的曲面形状有关。通过比较 U/A与吸附能Γ的大小，可知在外压力撤除时晶圆是否能在室温下发生键合。如果U/A大于吸附能Γ，当外压力撤除时，两晶圆将会开裂。 3 仿真分析 为了验证在压力作用下数值分析结果的有效性，采用ANSYS[6]软件模拟仿真了不同压力下键合晶圆平均键合面积的应变能变化。 由于物理模型的轴对称性，键合晶圆被简化为二维轴对称模型，并取模型截面的1/2作为分析对象，同时假设夹具及下层键合晶圆表面水平，两晶圆表面之间不存在分子、原子作用力。因为晶圆半径的尺寸为毫米级，而其翘曲度尺寸为微米级，尺寸差距使得仿真变得十分困难。为此，在建立的模型中晶圆半径取5 mm，厚度为0.5 mm，翘曲度为0.25 mm。模型在厚度方向划分为5个单元，半径方向划分为30个单元。 4 结果与讨论 单位键合面积上应变能U/A 是决定晶圆键合成功与否的重要指标。如果U/A 大于界面能Γ，晶圆不可能键合。晶圆的翘曲度不仅影响晶圆键合的质量，也对键合后晶圆的曲面形状有影响。在MEMS器件制造中，晶圆键合后的形状会对后继工序产生重大影响。式⑸给出了无外压力情况下，晶圆键合后的曲率与晶圆材料性质及初始曲率之间的关系。键合后晶圆的最终曲率与晶圆的厚度及杨氏模量的关系曲线如图2所示。从图中可以看出，较厚的晶圆起着影响键合后晶圆的最终曲面形状的主导作用。杨氏模量也起着重要作用，杨氏模量越大的晶圆越不容易变形。这个结论表明，晶圆键合前有必要测量晶圆的曲率，并根据翘曲度的大小匹配键合晶圆，减小键合后晶圆的曲率。例如在键合相同厚度晶圆时，将两晶圆突起的最高点相对键合，能很好地减小键合后晶圆的曲率。这种方法在制造多层晶圆的器件中十分重要。 在施加外压力情况下，晶圆键合的曲面形状与夹具的曲面形状相同。式⑹，⑺给出了有外压力及无外压力两种情况下，单位键合面积上应变能 U/A与晶圆的初始曲率的关系，如图3所示。从图中可以看出，无外加压力时，应变能U/A总是等于或小于有外加压力情况下的值。通常只有当夹具的曲率与无外加压力时键合晶圆最终曲率相等，单位键合面积上应变能才相等。这是因为在无外加压力作用时，键合后的曲率将与键合前晶圆的曲率接近，且晶圆的残留应力也较小。而在有外加压力作用时，键合后的曲率可能会和键合前晶圆的曲率相差很大，这将会使晶圆产生更大的变形，使单位键合面积上应变能增大。 通过有限元仿真得到的键合应变能与压力的关系曲线如图4所示，其中数值分析采用的参数为：杨氏模量E＝160 GPa，泊松比v＝0.22，cf－ c1＝0.01 m-1，c2＝0。 由于数值分析计算的是晶圆完全键合时单位键合面积上应变能的大小，在图中是表现为一条直线，值为0.855 mJ/m2。在硅片直接键合中，室温下进行预键合后的界面能一般为10～100 mJ/ m2，这表明小的翘曲度对直接键合的影响比较小。从图 4可以看到，单位键合面积上键合应变能随外压力的增大不是直线增大，而是先减小再增大。这是因为在施加外压力增大时，晶圆键合面积会随着增大，开始时键合面积的增大速率大于施加外压的增大速率，所以单位键合面积上键合应变能呈下降趋势。随着外压力增大到一定程度，键合面积的增大变得缓慢，单位键合面积上键合应变能相对外压力呈上升趋势。所以从图可以得知存在一个合适的外压力，使单位键合面积上键合应变能最小，这时将得到最佳键合质量。 5 结论 根据室温下晶圆键合需要满足的条件，研究了有外压力作用和没有外压力两种情况下晶圆翘曲度对晶圆键合质量的影响，结论如下： ⑴无外压力作用时，晶圆的初始翘曲度决定了键合后晶圆的最终曲率及单位键合面积上应变能的大小。适当匹配晶圆的初始放置方向，能减少晶圆的变形量，从而提高晶圆的键合质量。 ⑵在施加外压力作用下，晶圆的初始翘曲度和夹具的翘曲度都对晶圆的键合质量有影响，与晶圆的自发键合相比，这种情况下的键合会产生较多的残余应力。在晶圆室温下无法自发直接键合时，施加合适的外压力有利于克服晶圆翘曲度造成的影响，从而使晶圆能够在室温下键合。本文摘自《半导体技术》