一種交叉十字鍵合法測量晶片鍵合強度的方法及夾持裝置與流程

本發明涉及一種測量晶片鍵合強度的方法及裝置，屬于鍵合強度測量領域。

背景技術：

鍵合是指在外界能量(例如：加熱、加壓等)的作用下，使兩個貼合界面處的原子發生反應形成共價鍵，進而結合為一體的過程。它廣泛地應用于光電子器件的制作、生物醫療芯片的制作以及半導體制造等。鍵合的效果主要取決于鍵合面積和鍵合強度，其中鍵合強度的大小直接決定了器件的性能和使用壽命。因此，鍵合強度往往是評價一種鍵合方法優劣的一項重要指標。

目前，現有的鍵合強度評價方法主要有裂紋擴展法(插刀片法)、直拉法、剪切法和四點彎曲法。其中，裂紋擴展法和直拉法是最常用的鍵合強度評價方法，而剪切法和四點彎曲法因對鍵合樣品的尺寸和后續的加工處理有著嚴格的要求，所以不經常使用。但是，對于常用的兩種鍵合方法也存在如下問題：在應用裂紋擴展法進行強度的測量時，刀片插入鍵合界面的速度、力度都對鍵合強度的測量誤差有著重要影響，并且只適用于鍵合強度較弱的強度測試；直拉法雖然可以用于強度較高的鍵合強度測試，但由于鍵合樣品的厚度較薄，所以在測試樣品的兩側往往需要強力膠膠粘拉伸頭(圓柱形或方形的短棒)后才能進行拉伸測試，在膠粘的過程中，強力膠極容易流入厚度較小的鍵合樣品中，進而嚴重影響鍵合強度。因此，一種降低外界人為因素對鍵合強度測試過程中的干擾的鍵合強度評價方法亟待開發。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種交叉十字鍵合法測量晶片鍵合強度的方法及裝置，以解決截止目前為止，一種降低外界人為因素對鍵合強度測試過程中的干擾的鍵合強度評價方法亟待開發的問題。

本發明通過將晶片進行十字交叉鍵合，使得每一晶片均向鍵合區域以外的地方留有相同尺寸的未鍵合區域，利用設計的夾持裝置，分別作用于晶片未鍵合區域的相應位置，進行拉伸，使得晶片在未鍵合區域的上下表面上分別產生壓應力與拉應力。由于施加力的大小、施加力的位置、晶片的厚度、晶片的寬度以及晶片的抗拉強度之間存在確定的理論關系。當拉應力大于晶片的抗拉強度時，晶片會發生斷裂。因此，在施加一定的力的大小與位置的情況下，通過判斷晶片的斷裂情況即可求出晶片間的鍵合強度。該方法的原理雖然復雜，但操作和結果的表達形式簡單、方便、易得，可廣泛地應用于晶片鍵合強度的測量。

該方法在解決硅、鍺、砷化鎵、碳化硅等脆性半導體材料鍵合強度的測量方面具有獨特優勢。

實現上述目的，本發明的技術方案是：

一種交叉十字鍵合法測量晶片鍵合強度的夾持裝置，所述的夾持裝置包括兩個夾具，每個夾具均由拉伸夾持棒和晶片存儲槽兩部分構成；所述的拉伸夾持棒豎直設置，且拉伸夾持棒的一端與所述的晶片存儲槽外側底面中部固定連接，晶片存儲槽的每個槽側壁的頂端均設有一個直角橫梁，每個所述的直角橫梁的水平梁與晶片存儲槽的每個槽側壁的頂端連接為一體，每個直角橫梁的豎直梁設置在晶片存儲槽的槽口內。

一種交叉十字鍵合法測量晶片鍵合強度的方法，所述的方法包括以下步驟：

步驟一、取兩片待鍵合且尺寸相同的長方形晶片，經過預設的鍵合工藝處理后，使得每一長方形晶片的長邊平行于另一長方形晶片的短邊，并且在鍵合區域處于每一長方形晶片的中間位置時進行鍵合，獲得強度待測量的試件；

步驟二、在相同拉伸力的情況下，拉力的作用位置不同，會使未鍵合區域的長方形晶片產生不同程度的彎曲，進而會使長方形晶片的上下表面產生不同程度的應變εx，隨后產生不同大小的拉應力σx＝ex·εx，其中ex為x方向的抗拉強度；根據斷裂理論，當拉應力≥抗拉強度，即σx≥σb時，長方形晶片發生斷裂，從而求得斷裂時的應變εx，其中σb表示抗拉強度；依據拉力作用位置與長方形晶片發生應變大小的關系，求得在拉力f＝σb·b²時，恰在長方形晶片鍵合區域邊緣處斷裂的條件下，求得拉力的作用位置，即距鍵合界面邊緣的距離a，其中b為長方形晶片短邊的長度；

步驟三、將鍵合后的長方形晶片，固定在夾持裝置的上夾具和下夾具的相應位置，隨后通過拉伸機進行拉伸，待鍵合區域開裂或未鍵合區域的長方形晶片斷裂后，終止拉伸，記錄拉力f的大小；

步驟四、根據長方形晶片的斷裂情況及施加拉力f的大小，計算長方形晶片的鍵合強度；若施加的拉力f≥σb·b²，且斷裂位置為長方形晶片未鍵合區域或鍵合區域邊緣，則鍵合強度σ≥σb；若施加的拉力f＜σb·b²，且斷裂位置為鍵合界面處，則鍵合強度

本發明相對于現有技術的有益效果是：

1、與傳統的鍵合強度測量方法相比，本發明所提出的鍵合強度測量方法無需對鍵合樣品進行腐蝕等其他操作；

2、與傳統的鍵合強度測量方法相比，本發明所提出的鍵合強度測量方法無需對鍵合樣品施加膠水等其他可影響鍵合強度的外來因素，使得測量結果和測量穩定性大大提高；

3、與傳統的鍵合強度測量方法相比，本發明所提出的鍵合強度測量用的夾持裝置，對于同一類鍵合樣品的強度測量，可重復多次使用，并且操作簡單，可在一定程度上降低鍵合強度測量的成本。

附圖說明

圖1為是十字交叉鍵合示意圖；

圖2是鍵合長方形晶片裝夾過程示意圖；

圖3是十字交叉鍵合正視圖；

圖4是施力后十字交叉鍵合示意圖；

圖5是施力后cd段變形情況示意圖；

圖6是受力彎曲懸臂梁示意圖。

圖7是長方形晶片三個方向示意圖

圖中：拉伸夾持棒1、晶片存儲槽2、水平梁3、豎直梁4、上夾具5、下夾具6、長方形晶片7、上長方形晶片7-1、下長方形晶片7-2、鍵合區域8、未鍵合區域9、鍵合區域邊緣10。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。

具體實施方式一：如圖1、圖2所示，本實施方式記載了一種交叉十字鍵合法測量晶片鍵合強度的夾持裝置，所述的夾持裝置包括兩個夾具，每個夾具均由拉伸夾持棒1和晶片存儲槽2兩部分構成；所述的拉伸夾持棒1豎直設置，且拉伸夾持棒1的一端與所述的晶片存儲槽2外側底面中部固定連接，晶片存儲槽2的每個槽側壁的頂端均設有一個直角橫梁，每個所述的直角橫梁的水平梁3與晶片存儲槽2的每個槽側壁的頂端連接為一體，每個直角橫梁的豎直梁4設置在晶片存儲槽2的槽口內。

具體實施方式二：如圖1、圖2、圖7所示，本實施方式是對具體實施方式一作出的進一步說明，所述的兩個夾具分別是上夾具5和下夾具6，所述的下夾具6的晶片存儲槽2的長度和寬度均與長方形晶片7的長度和寬度相同，且所述的直角橫梁的豎直梁4至晶片存儲槽2的內側底面的距離與所述的長方形晶片7的厚度相等；所述的上夾具5的晶片存儲槽2的寬度與長方形晶片7的寬度相同，上夾具5的晶片存儲槽2的長度比長方形晶片7的長度多4～10mm，且直角橫梁的豎直梁4至晶片存儲槽2的內側底面的距離比長方形晶片7的厚度多2～5mm。

具體實施方式三：如圖1-圖4所示，本實施方式披露了一種利用具體實施方式二所述的夾持裝置實現交叉十字鍵合法測量晶片鍵合強度的方法，所述的方法包括以下步驟：

步驟一、取兩片待鍵合且尺寸相同的長方形晶片7，經過預設的鍵合工藝(工藝有很多，例如：濕法活化處理鍵合工藝，等離子體活化處理鍵合工藝)處理后，使得每一長方形晶片7的長邊平行于另一長方形晶片7的短邊，并且在鍵合區域8處于每一長方形晶片7的中間位置時進行鍵合，獲得強度待測量的試件(稱這種鍵合方式為“十字交叉鍵合”)；

步驟二、在相同拉伸力的情況下，拉力的作用位置不同，會使未鍵合區域9的長方形晶片7產生不同程度的彎曲，進而會使長方形晶片7的上下表面產生不同程度的應變εx，隨后產生不同大小的拉應力σx＝ex·εx，其中ex為x方向的抗拉強度；根據斷裂理論，當拉應力≥抗拉強度，即σx＝σb時，長方形晶片7發生斷裂，從而求得斷裂時的應變εx，其中σb表示抗拉強度；依據拉力作用位置與長方形晶片7發生應變大小的關系，求得在拉力f＝σb·b²時，恰在長方形晶片7鍵合區域邊緣10處斷裂的條件下，求得拉力的作用位置，即距鍵合界面邊緣的距離a，其中b為長方形晶片7短邊的長度；

步驟三、將鍵合后的長方形晶片7，固定在夾持裝置的上夾具5和下夾具6的相應位置，隨后通過拉伸機進行拉伸，待鍵合區域8開裂或未鍵合區域9的長方形晶片7斷裂后，終止拉伸，記錄拉力f的大小；

步驟四、根據長方形晶片7的斷裂情況及施加拉力f的大小，計算長方形晶片7的鍵合強度；若施加的拉力f≥σb·b²，且斷裂位置為長方形晶片7未鍵合區域9或鍵合區域邊緣10，則鍵合強度σ≥σb；若施加的拉力f＜σb·b²，且斷裂位置為鍵合界面處，則鍵合強度σ＝f/b²。

具體實施方式四：如圖所示，本實施方式是對具體實施方式三作出的進一步說明，步驟三中，將鍵合后的長方形晶片7的上長方形晶片7-1設置在上夾具5的直角橫梁的豎直梁4至晶片存儲槽2的內側底面之間，將鍵合后的長方形晶片7的下長方形晶片7-2固定在直角橫梁的豎直梁4至晶片存儲槽2的內側底面之間。

實施例1：

如圖7所示，設長方形晶片7x、y、z三個方向的抗拉強度分別為σx、σy、σz，三個方向的彈性模量分別為ex、ey、ez，b為長方形晶片7短邊的長度，s為長方形晶片7十字交叉鍵合面積，s＝b²，d為長方形晶片7沿y方向的厚度。

當上述兩片長方形晶片7發生鍵合時，

(1)若鍵合強度≥長方形晶片7強度，則在晶片非鍵合處不發生斷裂的情況下，所能承受的最大拉力fymax＝s·σy＝b²·σy，故作用于長方形晶片一側的最大拉力fmax＝fymax/2＝b²·σy/2，fymax為長方體晶片沿y方向所能承受的最大拉力。

對于長方形晶片7(簡稱晶片)來講，在厚度方向上，可將晶片看做是由無數層厚度極薄的平面堆疊而成。由于作用在晶片上的力會使未鍵合區域9的晶片發生彎曲，則每一極薄平面都會發生彎曲，進而造成晶片的上表面長度減小，下表面長度增加。即垂直于厚度方向上的上表面發生壓縮，下表面發生拉伸。由于發生壓縮或拉伸的程度與作用力的大小和作用位置有關，當壓縮或拉伸程度過大時，在晶片的上、下表面會產生極大的應力，當應力≥σx時，在平行于晶面表面的方向上的未鍵合區域9會發生斷裂。

所以從鍵合區域8起，向未鍵合區域9延伸，當作用于晶片一側的最大拉力為fmax時，在未鍵合區域9晶片的不同位置，分別存在使斷裂區域發生在鍵合區域8的母材處、鍵合區域8的邊緣處、未鍵合區域9的晶片處。

為了對鍵合強度達到晶片強度的晶片在強度測量完成后，仍然能進行后續的其他測試(例如：透光率、sem、tem等)，希望作用于晶片的位置能夠恰好使其從鍵合區域8的邊緣處斷裂，即設此位置為“待求位置”。

下面對“待求位置”進行如下求解：

如圖1所示，兩個晶片鍵合時，一個晶片的長邊和另一晶片的短邊平行且鍵合區域8位于每一晶片的中間位置處，稱這種鍵合方式為“十字交叉鍵合”。

如圖3所示，為“十字交叉鍵合”的正視圖，其中，上長方形晶片7-1、下長方形晶片7-2，施力作用點稱為a、d，上長方形晶片7-1與下長方形晶片7-2的鍵合區域8的最邊緣處稱為b、c。

如圖4所示，為施加力f后，上長方形晶片7-1中的ab段和cd段發生彎曲，其中，彎曲后的長度為以r為半徑，大小為θ的圓心角所對應的弧長。

如圖5所示為以cd段為例，施加力f前后，晶片的變化情況。從圖5中可以看出，晶片的上表面為c1d1，下表面為c2d2，施加力f后，上下表面分別變為c1d1’和c2d2’。其中，上表面c1d1發生壓縮，下表面c2d2發生拉伸。依照變形的連續性，一定在中間位置存在某一平面即不發生壓縮也不發生拉伸，記此平面為o1o2。所以，在最上層或最下層平面，其產生的線應變為：

其中，ε下、ε上分別為晶片下表面和上表面由于彎曲所引起的應力，θ為晶片變形后弧面所對應的圓心角，loc1、loo1、loc2分別為圓心到晶片上表面、晶片中心層、晶片下表面的距離，lo1c1、lo1c2、lo1o2分別為中間層鍵合邊緣處到晶片上表面、下表面、施力位置的距離。

其中，負號代表壓縮，正號代表拉伸。由于脆性材料的抗壓強度要遠大于抗拉強度8～10倍，故在發生相同應變時，材料的受拉破壞要優于受壓破壞先發生。故施加力f時，在鍵合區域8不發生斷裂的情況下，未鍵合區域9的晶片會由于下表面拉伸所引起的應力超過晶片的抗拉強度而發生斷裂。

則晶片下表面產生的拉應力為：

σ下＝ex·ε下＝ey·lo1c2·θ/lo1o2(3)

其中，θ為晶片變形后弧面所對應的圓心角(未知)。

純彎曲正應力計算公式，可得曲率公式：

其中ρ為曲率半徑，mz為彎曲晶片所產生的彎矩，iz為晶片矩形截面的慣性矩；

對于剪力彎曲，曲率半徑ρ和彎矩mz均為x的函數，則：

在高等數學上，任一平面曲線v＝v(x)上，任一一點的曲率為：

對于脆性材料來講，通常晶片的變形很小，撓曲線是一條極平坦的曲線，則數值很小，為截面轉角，故與1相比可以忽略，故：

聯立式(5)、(7)，可得：

所以，可得：

其中c為常數，對于如圖5所示的受力彎曲的懸臂梁，晶片不同位置x處，可列彎矩方程為：

mz(x)＝f(a-x)(10)

所以：

因為，當x＝0時，該點處切線與x軸重合，即θ(x＝0)＝0，代入上式可得：c＝0。

所以，可得晶片上位置x與θ的關系式：

對于施力位置處，即x＝l處，可得偏角大小為：

將上式(13)代入式(3)，可得：

解上式，可得：

又因為，對于矩形截面，其極慣性矩：

故將fx＝σx·b²和式(16)代入式(15)可得：

即施力位置距鍵合區域8邊緣處的距離為

(2)若鍵合強度<晶片基體強度，施加力的位置為“待求位置”，由于鍵合強度降低，所以施加的最大力f2<fmax時，未鍵合區域晶片的彎曲程度要減小，故在未鍵合區域晶片自身未發生斷裂之前，鍵合界面處即發生開裂。

此時，利用公式

即可求得鍵合區域的鍵合強度為

其中，f2為晶片斷裂時，所施加的最大力。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。