圓片級封裝鋁鍺鍵合后殘余應(yīng)力的測量和分析

秦 嵩， 焦繼偉， 王敏昌， 錢 清

(中國科學(xué)院 上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，上海 200050)

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圓片級封裝鋁鍺鍵合后殘余應(yīng)力的測量和分析

秦 嵩， 焦繼偉， 王敏昌， 錢 清

(中國科學(xué)院 上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，上海 200050)

以圓片級鋁鍺鍵合后的殘余應(yīng)力為研究對象，在鍵合環(huán)下方和周圍制作了一系列形狀相同的力敏電阻條，通過比較鍵合前后力敏電阻條的阻值變化，分析電阻條處殘余應(yīng)力的大小及與工藝相關(guān)性。結(jié)果表明：鍵合環(huán)內(nèi)外的壓阻變化約為鍵合環(huán)下方壓阻變化的3倍。這種方法可以作為晶圓級鍵合質(zhì)量的有效在線表征手段之一。

鋁鍺共晶鍵合； 殘余應(yīng)力； 力敏電阻

0 引 言

晶圓鍵合過程中，由于材料熱膨脹系數(shù)的不匹配、鍵合面存在顆?；驓馀莸仍?，鍵合片內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一定大小的殘余應(yīng)力，這種應(yīng)力可能會(huì)導(dǎo)致材料特性的改變和結(jié)構(gòu)的變形，從而影響器件最終的性能和可靠性。目前國內(nèi)外關(guān)于殘余應(yīng)力影響方面的研究還比較少。許東華等人[1]通過陽極鍵合制備了絕壓壓阻式壓力傳感器，指出陽極鍵合工藝產(chǎn)生的較大殘余熱應(yīng)力會(huì)引起Si片的較大翹曲，而且會(huì)增大壓阻式壓力傳感器的零點(diǎn)失調(diào)，同時(shí)也會(huì)帶來較大的零點(diǎn)溫度系數(shù)。Huang Guangyu等人[2]在通過低溫晶圓鍵合制備的局部SOI片中發(fā)現(xiàn)，頂層Si中的殘余應(yīng)力會(huì)影響電子遷移率的大小，也會(huì)導(dǎo)致硼在Si和SiO2界面的再分布。Lin T W等人[3]通過硅熔融鍵合制備了空腔SOI片，發(fā)現(xiàn)殘余應(yīng)力會(huì)影響SOI片的形狀并決定器件的性能，若SOI片用于制作慣性傳感器，殘余應(yīng)力會(huì)改變器件的諧振頻率，若SOI片應(yīng)用于微流體領(lǐng)域，孔壁中局部集中的張應(yīng)力可能會(huì)導(dǎo)致襯底斷裂。Lin liwei等人[4]通過局部鋁硅玻璃鍵合實(shí)現(xiàn)硅玻璃的真空封裝，熱應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致玻璃上出現(xiàn)裂紋，從而導(dǎo)致器件失效。

鋁鍺共晶鍵合是一項(xiàng)有效的低溫圓片鍵合技術(shù)，利用鋁鍺共晶合金熔融溫度較低的特點(diǎn)，將其作為中間介質(zhì)層，在較低的溫度下，通過加熱熔融實(shí)現(xiàn)共晶鍵合。該工藝具有鍵合溫度低(一般低于450 ℃)、與CMOS工藝兼容、對鍵合面平整度要求低等優(yōu)點(diǎn)，其介質(zhì)層能夠提供導(dǎo)電路徑[5]。鋁鍺鍵合常用于慣性器件和紅外器件的真空封裝中，在壓阻器件上的應(yīng)用較少，但是鍵合后殘余應(yīng)力的分布對壓阻器件的影響很大，特別是隨著器件的小型化和封裝密度的不斷增大。 本文介紹一種基于壓阻效應(yīng)測量鋁鍺鍵合后局部應(yīng)力分布的方法，這種方法能夠在線檢測鋁鍺鍵合的情況。

1 測試結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對應(yīng)力的研究方法主要有：干涉法、X射線衍射法和壓阻法[6]等。其中壓阻傳感測量法可以根據(jù)需要選擇使用Si片的不同晶面、摻雜類型和濃度、并根據(jù)封裝具體情況設(shè)計(jì)壓阻分布的圖形，具有很強(qiáng)的靈活性，且制作工藝和測試設(shè)備簡單，因此,本文選擇壓阻法測量殘余應(yīng)力。

圖1(a)中，在鍵合環(huán)下方不同位置以及鍵合環(huán)內(nèi)、外均設(shè)計(jì)了形狀大小相同的電阻條(環(huán)內(nèi)電阻條除外，其濃硼區(qū)較長)，通過比較鍵合前后不同位置電阻條的阻值變化，分析該電阻條處殘余應(yīng)力的大小。設(shè)計(jì)有三個(gè)目的:鍵合環(huán)下、環(huán)內(nèi)外的力敏電阻變化對比，鍵合環(huán)下方靠近角落和遠(yuǎn)離角落的力敏電阻變化對比，以及不同晶向上力敏電阻變化的對比。圖1(b)中，淡硼區(qū)為應(yīng)力敏感單元，濃硼區(qū)作引線，濃硼區(qū)與鋁電極形成良好的歐姆接觸。

圖1 測試結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig 1 Design of testing structure

2 工藝流程

所有的加工工藝都是在中科院微系統(tǒng)所微系統(tǒng)工藝平臺(tái)內(nèi)進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)用到A，B兩片〈100〉、N型、中阻(3～8 Ω/cm)的雙面拋光硅圓片，其中,A片做襯底，B片做蓋板，整個(gè)工藝流程如圖2(鍵合環(huán)下方電阻條未畫出)所示。具體流程如下：

1)氧化:首先在A,B硅片表面生長800 nm的高溫?zé)嵫趸瘜樱?/p>

A片工藝：

2)電阻條的制作:取氧化后的A片，通過光刻、RIE刻蝕，去掉濃硼區(qū)SiO2，濃硼離子注入，能量為80 keV，劑量為5×1015/cm2，再通過光刻、RIE刻蝕，去掉淡硼區(qū)SiO2，淡硼離子注入，能量為80 keV，劑量為4.2×1014/cm2，之后通過BOE腐蝕掉硅片表面的SiO2[7]，如圖2(a)；

3)硼主擴(kuò):主擴(kuò)條件為1 100 ℃，并生長500 nm的SiO2；

4)引線孔:光刻、BOE腐蝕，在濃硼區(qū)腐蝕出引線孔，如圖2(b)；

5)金屬電極:濺射700 nm的金屬鋁，光刻、鋁腐蝕，形成金屬引線和鋁Pad，如圖2(c)；

6)利用探針臺(tái)測量鍵合前的電阻條阻值；

B片工藝：

7)蓋板深槽腐蝕:取氧化后的B片，光刻、RIE刻蝕，形成KOH腐蝕窗口，然后進(jìn)行KOH濕法腐蝕，腐蝕深度100 μm，之后通過BOE腐蝕掉硅片表面的SiO2，如圖2(d)；

8)鍺圖形化:濺射400 nm的鍺，光刻、IonBeam刻蝕形成鍺圖形，如圖2(e)；

9)鋁鍺共晶鍵合:先抽真空并使腔內(nèi)溫度升到300 ℃，保溫10 min，繼續(xù)升溫至400 ℃，保溫10 min，施加3.8 kPa的壓力并開始升至435 ℃，保溫10 min，最后自然冷卻，鍵合后結(jié)構(gòu)如圖2(f)；

10)劃片:露出鋁Pad，利用探針臺(tái)測量鍵合后的電阻條阻值，劃片后的結(jié)構(gòu)如圖2(g)。

圖2 鋁鍺鍵合后殘余應(yīng)力測試結(jié)構(gòu)的工藝流程圖Fig 2 Fabrication process of testing structure for residual stress after Al-Ge bonding

3 結(jié)果與分析

根據(jù)壓阻效應(yīng)，平面上的電阻在應(yīng)力作用下電阻的變化率為

ΔR/R=σlπl(wèi)+σtπt

(1)

式中πl(wèi)和πt分別為縱向壓阻系數(shù)和橫向壓阻系數(shù)，σl和σt分別為縱向應(yīng)力和橫向應(yīng)力。

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在三個(gè)設(shè)計(jì)目的中，只有鍵合環(huán)下方和鍵合環(huán)內(nèi)外的力敏電阻變化差異較明顯。表1給出了8個(gè)鍵合充分單元的環(huán)下、環(huán)內(nèi)和環(huán)外電阻條鍵合前后的電阻阻值以及相應(yīng)的阻值變化率，可以看出，鍵合環(huán)內(nèi)外的力敏電阻阻值變化約為鍵合環(huán)下方力敏電阻阻值變化的3倍，即鍵合充分的單元中鍵合環(huán)下方的殘余應(yīng)力較小，鍵合環(huán)周圍的殘余應(yīng)力較大。

表1 鍵合前后電阻值變化

3.2 仿真結(jié)果

圖3為在435 ℃,3 kg壓力的鍵合條件下，Si材料內(nèi)部應(yīng)力分布場的Ansys仿真結(jié)果。由圖中可看出，環(huán)內(nèi)、環(huán)外的應(yīng)力梯度類似，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符，環(huán)下的應(yīng)力較大，但應(yīng)力方向與環(huán)內(nèi)、外的應(yīng)力方向相反，這可能是導(dǎo)致環(huán)下力敏電阻阻值變化不明顯的原因。

圖3 硅材料內(nèi)部應(yīng)力分布Fig 3 Stress distribution inside silicon material

3.3 討 論

圖4給出了紅外顯微鏡下的鍵合照片，3(a)中單元鍵合環(huán)顏色較深，鋁鍺鍵合較充分，3(b)中單元鍵合環(huán)顏色較淺，鍵合不充分。與之對應(yīng)，鍵合充分的單元環(huán)內(nèi)力敏電阻阻值變化較大，鍵合不充分的單元環(huán)內(nèi)力敏電阻阻值變化不明顯。其鍵合環(huán)內(nèi)〈110〉方向上的電阻條阻值變化率分別為3.265 %和0.102 %，測量結(jié)果表明鍵合不充分的單元中各位置電阻條阻值變化不明顯，殘余應(yīng)力較小。

圖4 鍵合后測試結(jié)構(gòu)的紅外照片F(xiàn)ig 4 IR images of testing structure after Al-Ge bonding

紅外顯微觀察結(jié)果與力敏電阻阻值變化結(jié)果表現(xiàn)出來的相關(guān)性，表明通過在特定位置設(shè)計(jì)力敏電阻，可以作為鋁鍺鍵合質(zhì)量的在線表征手段之一，具有方便、快速的特點(diǎn)。

4 結(jié) 論

本文介紹了一種基于壓阻效應(yīng)測量鋁鍺鍵合后殘余應(yīng)力分布的方法，在鍵合環(huán)周圍制作一系列力敏電阻條，測試了鍵合前后力敏電阻的阻值變化，結(jié)果表明：鍵合充分的單元中，鍵合環(huán)內(nèi)外的力敏電阻阻值變化約為鍵合環(huán)下方力敏電阻阻值變化的3倍，這種測量方法能夠?qū)︿X鍺鍵合工藝進(jìn)行在線檢測。

[1] 許東華,張兆華,林惠旺,等.硅玻璃陽極鍵合絕壓壓阻式壓力傳感器中的殘余應(yīng)力[J].功能材料與器件學(xué)報(bào),2008,14(2):452-456.

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Measurement and analysis of residual stress in WLP with Al-Ge bonding

QIN Song， JIAO Ji-wei， WANG Min-chang， QIAN Qing

(Shanghai Institute of Microsystem And Information Technology of Chinese Academy of Sciences,Shanghai 200050,China)

Taking residual stress in wafer level packaging(WLP) with Al-Ge bonding as research object, a series of resistor stripe with the same shape are fabricated beneath or adjacent to the bond pad.Analyze magnitude of residual stresses on resistors strip and its correlation with the process by comparing resistance variation of resistor stripe before and after bonding. Results show that the resistance variation of piezoresistors inside and outside the bond pad is three times larger than that beneath the bond pad.This method can be one of the effective means for online characterization of wafer level bonding quality.

Al-Ge eutectic bonding; residual stress; piezoresistance strips

2015—11—11

10.13873/J.1000—9787(2016)10—0040—03

O 472

A

1000—9787(2016)10—0040—03

秦 嵩(1989-)，男，湖北監(jiān)利人，碩士，主要從事微機(jī)電系統(tǒng)方面的研究。