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晶圓到晶圓鍵合已成為 3D 封裝、MEMS、MOEMS 和 SOI等的一種半導(dǎo)體技術(shù)。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(chǎng)，將兩個(gè)平坦的襯底永久地相互連接(粘合)。這些參數(shù)中的每一個(gè)都是根據(jù)被粘合的基材設(shè)置的，控制這些參數(shù)對(duì)于成功、高質(zhì)量、高均勻性的制造工藝至關(guān)重要。

在這三個(gè)主要參數(shù)中，電場(chǎng)和溫度可以在晶圓鍵合室內(nèi)使用內(nèi)置電子元件和熱電偶輕松測(cè)量。然而，壓力通常在工具中測(cè)量為施加在壓力柱上的要約方總量。然后，假設(shè)壓力板完全平坦，則使用測(cè)得的力來計(jì)算平均壓力。然而，在實(shí)踐中，壓力板通常并不理想，或者它們可能隨著時(shí)間的推移而退化。這會(huì)導(dǎo)致控制軟件無法檢測(cè)到的潛在壓力變化。壓力分布不良會(huì)導(dǎo)致晶圓區(qū)域粘合不良或完全未粘合、晶圓開裂或壓力板過早磨損。

在粘合過程中，均勻施加壓力的重要性在很大程度上取決于被粘合的特定材料。例如，在陽極鍵合工藝中，通過在高溫(>300°C)下施加大電場(chǎng)(500V)將硅鍵合到玻璃上。然后，硅和氧之間的反應(yīng)形成非常強(qiáng)的 Si0,鍵。由于靜電力的大小通常足以進(jìn)行完全粘合，因此對(duì)于這種類型的粘合過程，物理施加的壓力既不重要也不是必需的。

然而，在共晶或熱壓鍵合工藝中，金屬合金的中間薄膜粘合在一起。-3在這種類型的鍵合中，要鍵合的兩個(gè)表面接觸，溫度升高到共晶點(diǎn)以上。一旦達(dá)到共晶溫度，焊料就會(huì)液化，如果它們接觸，晶片就會(huì)粘臺(tái)。

高壓會(huì)導(dǎo)致液化焊料物理壓縮并可能擴(kuò)散到不需要的區(qū)域并導(dǎo)致短路。壓力過小通常會(huì)導(dǎo)致粘結(jié)較弱或完全未粘結(jié)的區(qū)域。在實(shí)踐中，對(duì)于未優(yōu)化的鍵合系統(tǒng)(考慮鍵合工藝參數(shù)和所使用的材料)，由于壓力、溫度或焊料不均勻性，在同一對(duì)基板上可能會(huì)發(fā)現(xiàn)溢出和ubond 區(qū)域。因此，直接在基材上測(cè)量的施加壓力的特性在高產(chǎn)量鍵合工藝的開發(fā)中非常重要。

采用一種壓敏薄膜，可測(cè)量2至43,200 psi(0.14-3,000 kg/cm?)的壓力。當(dāng)放置在接觸表面之間時(shí)，它會(huì)隨著施加的壓力按比例永久改變顏色。使用已知壓力校準(zhǔn)絕對(duì)壓力大小，然后使用這些壓力來分析掃描的壓力圖并創(chuàng)建彩色壓力圖，如圖所示。

通過在壓力設(shè)置為 4bar 的情況下運(yùn)行粘合配方，在適當(dāng)?shù)燃?jí)的壓力膜上形成直接壓印。圖 2a 顯示了從壓力均勻性較差的6英寸直徑粘合工具拍攝的圖像膠片。圖 2b 中的色圖強(qiáng)調(diào)了甜甜圈形的高壓環(huán)。圖2c中的線掃描顯示外圈壓力超過 15 bar，中心壓力小于 3bar.

然后對(duì)粘合工具的壓力柱進(jìn)行一系列調(diào)整，并通過在相同范圍的壓力膜上運(yùn)行相同的粘合配方來評(píng)估壓力均勻性。圖3中的圖像顯示了導(dǎo)致壓力均勻性改進(jìn)的調(diào)整。請(qǐng)注意，調(diào)整后，壓力膜分析顯示與預(yù)期配方壓力的偏移量為4bar，這是儀器假設(shè)特定晶圓面積的副產(chǎn)和9

除了對(duì)壓力分布進(jìn)行故障排除外，相同的壓力膜數(shù)據(jù)還可用于監(jiān)控和維護(hù)制造實(shí)踐中的性能，例如六西格瑪統(tǒng)計(jì)過程監(jiān)控。

晶圓鍵合壓力均勻性的改進(jìn)應(yīng)用于需要可靠的晶圓間電氣連接(每個(gè)晶圓~103-104)、2-3um 的晶圓間分離、出色的鍵合間隙控制、高鍵合強(qiáng)度和防液密封的特定項(xiàng)目。通過金屬沉積、光刻和蝕刻步驟對(duì)粘合堆棧進(jìn)行進(jìn)一步加工時(shí)，需要進(jìn)行防液密封。

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