晶片的初始宏观形变对硅-硅直接键合的影响

陈 晨，杨洪星

(中国电子科技集团公司第四十六研究所，天津 300220)

晶片的初始宏观形变对硅-硅直接键合的影响

陈 晨，杨洪星

(中国电子科技集团公司第四十六研究所，天津 300220)

采用建立了硅硅直接键合的简化模型，依据薄板理论分析了键合发生的条件以及原始晶片的曲率与键合后晶片曲率的关系；理论分析认为晶圆键合前有必要根据弯曲变形量来匹配键合晶圆，并通过试验进行了验证。

键合；弯曲变形；翘曲度

晶片直接键合技术是指不需要中间粘附层，将表面平整洁净的晶片对直接粘合在一起，而且粘合强度与晶片体材料断裂强度相近。键合过程依赖于室温下晶片界面的短程分子力的作用达到预键合，然后通过热处理来加强键合的强度.键合工艺在集成新材料方面具有极大的自由度和完整性，目前已广泛应用到微电子、传感器、功率器件、MEMS、光电子器件等领域[1-3]。

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宏观变形情况是影响键合质量的主要因素之一[4]。两个接触晶圆表面必须小于一定的弯曲变形才能在室温下发生键合，且键合后晶圆的弯曲变形不能过大。晶圆的形变量越小，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。不少文献从不同角度讨论了晶片的平整度对键合的影响，Maszara等人考虑了表面形貌对接触点局域应力的影响[5]，Tong等人给出了室温晶片接触界面缝隙封闭的条件[6]，Yu等人用三维应力场解决了同样的问题[7]，国内韩伟华等人讨论了硅片键合平整度条件[8]。本文通过试验，对不同宏观变形的硅片进行直接键合，根据薄板弯曲理论[9]分析了初始晶片宏观尺度的弯曲变形对晶片直接键合的影响。

1 理论模型及分析

室温下两晶圆能够键合在一起，必须满足：

式中：Γ为吸附能，表示键合时晶圆单位键合面积所需的能量，Γ=γ1+γ2-γ12，γ1、γ2是不同晶圆的表面能；γ12是晶圆键合后的界面能。Γ值可以通过刀片裂纹扩散法[10]测得。U/A是单位键合面积上弹性应变能。式(1)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，还与晶圆表面的弯曲变形有关，键合过程的简化模型如图1所示。

图1 晶圆直接键合简化模型

式(1)中U/A是晶片几何形状和材料特性的函数，可以结合薄板理论模型来导出其具体形式，图1表示了圆形晶片在界面吸附能作用下的键合过程。κ1κ2分别表示键合前上下晶片的弯曲曲率；κc表示键合后键合区域两晶片的共同曲率；t1，t2分别为两晶片的厚度；R为两晶片的半径。键合前沿点P距晶片中心点0的距离为r0，这里设定(κ1-1，κ2-1，κc-1)≥R≥r0，从而满足薄板条件。键合开始时，两晶片在0点接触，在界面吸附能的作用下当满足 (1)式条件时，晶片键合区域开始扩展，上下晶片发生弹性应变产生一定的弯距和挠度，当在键合前沿点即半径r=r0时等号条件满足，键合过程停止，晶片对处于平衡状态。利用线性薄板理论分析可知U/A的大小决定了晶片键合的难易程度。U/A越小晶片键合越容易进行，即只需较小的界面吸附能就能满足(1)式；反之U/A越大时，吸附能不得不耗散许多用来克服弹性的应变能，键合就因此变得困难，一旦吸附能的大小不满足(1)式时，键合就受到阻止而无法继续进行下去。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：

式中：Wc、W1、W2分别为键合后晶圆、初始晶圆1、初始晶圆2的挠度；Cc系数与键合后的晶圆曲面曲率κ有关。晶圆的弹性应变能为：

式中：i代表参与键合的上下两不同晶片。

则两晶圆总的应变能为U=U1+U2，对于厚度t、泊松比ν、杨氏模量E和半径R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。晶圆键合后的曲率与晶圆材料性质及初始曲率有一定的关系，因此晶圆键合前有必要根据弯曲变形量的大小匹配键合晶圆，以便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，很好地减小键合后晶圆的弯曲变形。

2 试验验证

2.1 试验样品

具有不同宏观形变的100 mm（4英寸）硅双面抛光片30片，导电类型：P型，厚度：(400±5)μm；电阻率：0.001 3～0.001 5 Ω·cm，晶向：＜100＞±0.3 °。

2.2 试验过程及结果

键合前对任意抽取的6片晶片进行测试，观察其弯曲变形情况。结果如图2所示。

图2 原始晶片弯曲变形图

可看出6片晶片均有一定程度的碗状弯曲变形，且形状大体一致。翘曲度测试数据如表1所示。

表1 原始晶片翘曲度测试数据

将30片晶片分为三组，每组10片，将各组硅片两两直接键合。三组硅片采用不同的匹配方式进行键合，简易模型图如图3所示，P为键合压力。

键合条件均为：温度：400℃，压力：300 kPa，时间：3 h。键合结束后，分别对三组键合片进行翘曲度测试。测试结果如图4、表2所示。

键合过程对晶片施加一定的作用力，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，使得键合后的晶片翘曲度明显增大，另外键合阶段经历了一定时间的热过程，使得晶片内应力增加，进而引起较大的弯曲变形。

图3 三组硅片键合方式简化模型

图4 键合后三组晶片弯曲变形图

表2 键合晶片翘曲度测试数据

采用第1组晶片的键合方式，得到的键合片弯曲变形量最小，且翘曲度较低。微观来看，键合过程中两硅片接触的表面积要比硅片表观面积小很多，而材料的弹性形变有助于增加两硅片间分子的相互作用。对于以上三组两表面具有凸起起伏的硅片来说，第1组键合方式硅片的键合接触面积会随着键合施压的过程而逐渐增大，表面接触点发生形变，而表面接触点的形变又使接触面积增大，并且表面吸附力越大，越有利于接触面积的增加，进而有利于键合的进行，键合后晶片弯曲变形较小。第2组和第3组键合方式是在微小起伏单元的端点处相接触，键合接触面积难以随着施压的过程而增大，且两晶片未接触部位弹性形变会急剧增加，因而键合效果较差，键合后晶片弯曲变形较大。

3 结 论

原始晶圆的弯曲变形以及翘曲度的大小对键合后晶圆的曲面形状和翘曲度有较大影响。原始晶片的翘曲度越小，键合后晶片翘曲度也越小。

将两晶片凸起的最高点位置相对键合，得到的键合片弯曲变形量较小。因此，键合之前，有必要检测初始晶片的弯曲变形，并根据翘曲度的大小匹配键合晶圆。在键合相同厚度晶圆时，可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弯曲变形。

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[4] TURNERA K T，SPEARING S M.Modeling of direct wafer bonding：Effect of wafer bow and etch patterns[J]. J of Applied Physics，2002，92(12)：7658-7666.

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[7] Yu H，H u Z.A model of wafer bonding by elastic accommodation[J].Jpn J Mech PhysSolid，1998，46(5)：829-832.

[8] Han Weihua，Yu Jinzhong.Criterion of gap closing f or silicon wafer bondability.Chinese Journal of Semiconductors[J].2001，22(12)：1516-1519.

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[10]1MASZARA W P，GOETZ G，CAVIGLIA A，et al.Silicon-on-insulator by wafer bonding and etch-back[C]// Proc 1988 IEEE SIS/SOI Technical Workshop，Simons Island，GA，USA.1988：15.

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