一種精確的剪切測(cè)試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及晶片剪切測(cè)試領(lǐng)域，尤其涉及用于測(cè)量晶片間鍵合牢固程度的剪切測(cè) 試方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 晶片鍵合（waferbonding)是微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS)器件制造中非常重要的一道技術(shù) 環(huán)節(jié)。隨著娃通孔（TSV)、MEMS等3D制造技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)鍵合（bonding)技術(shù)及鍵合 質(zhì)量的要求也愈加詳細(xì)和嚴(yán)格起來(lái)。
[0003] 對(duì)晶片鍵合質(zhì)量的評(píng)價(jià)通常包括鍵合精確度、晶片彎曲、剪切測(cè)試、器件電學(xué)特性 (例如，Q因子）等方面。其中，剪切測(cè)試作為評(píng)價(jià)鍵合后晶片間粘接牢固程度的唯一測(cè)試 項(xiàng)目，其測(cè)試結(jié)果成為反映晶片鍵合質(zhì)量的決定性因素。因此，剪切測(cè)試的測(cè)試方法合理性 與準(zhǔn)確性也更加重要起來(lái)。
[0004] 通過(guò)物體做一截面，作用在這個(gè)截面內(nèi)的力稱為剪切力。剪切力除以其作用面積， 所得結(jié)果稱為剪應(yīng)力。剪切測(cè)試是測(cè)試鍵合后器件所能承受剪切力的測(cè)試?？紤]到器件鍵 合柱體（bondingcolumn)面積是相同的，因此剪應(yīng)力與剪切力線性相關(guān)，成為判斷鍵合質(zhì) 量的一個(gè)重要因素。
[0005] 根據(jù)被測(cè)器件的要求不同，剪切測(cè)試可分為通過(guò)型和極限型兩大類。通過(guò)型測(cè)試 要求管芯在剪切測(cè)試中能在一定剪切力下，被鍵合的兩部分不發(fā)生分離；而極限型則更關(guān) 注被鍵合的兩部分在不發(fā)生分離的情況下，所能承受的最大剪切力。
[0006] 通常剪切測(cè)試在晶片鍵合完成后進(jìn)行。測(cè)試前，先將晶片按管芯分割，然后再對(duì)單 個(gè)管芯做剪切測(cè)試。晶片的剪切測(cè)試是通過(guò)對(duì)單個(gè)管芯的剪切測(cè)試實(shí)現(xiàn)的。
[0007] 剪切測(cè)試實(shí)施過(guò)程如圖1所示。底部晶片101通過(guò)鍵合柱體102與上部晶片103 鍵合。然后對(duì)鍵合后的晶片進(jìn)行切片以形成管芯100。首先，將工具刃口 110垂直置于待 測(cè)管芯100 -側(cè)，使得刃口 110對(duì)準(zhǔn)上部晶片103。然后，通過(guò)刃口 110沿水平方向施加推 力F，分別以不同恒定水平力F推上部晶片103,或從某特定數(shù)值開(kāi)始，線性增大水平推力F。 觀察不同水平推力F下，上部晶片103被推動(dòng)的情況。當(dāng)上部晶片103與底部晶片101分 離時(shí)，所施加的最大推力即為該管芯所能承受的最大切向力。
[0008] 圖2示出了對(duì)晶片中分布的9個(gè)管芯進(jìn)行剪切測(cè)試的測(cè)試結(jié)果。從圖2所示出的 測(cè)試結(jié)果可知，由于測(cè)試結(jié)果偏差較大，無(wú)法根據(jù)剪切測(cè)試結(jié)果，準(zhǔn)確判斷出晶片的鍵合質(zhì) 量情況，僅能做出晶片鍵合后剪切測(cè)試均勻性差的結(jié)論。
[0009] 對(duì)剪切測(cè)試后的斷裂區(qū)進(jìn)行觀測(cè)發(fā)現(xiàn)：有些斷裂區(qū)為鍵合柱體整體被推開(kāi)；而有 些斷裂區(qū)則是部分鍵合柱體斷裂、剝離。這種差異是由于被推開(kāi)晶片的自身結(jié)構(gòu)不同所引 起的，而不是因?yàn)殒I合均勻性差導(dǎo)致的。
[0010] 之所以出現(xiàn)這種情況，正是因?yàn)楝F(xiàn)有剪切測(cè)試方法存在不準(zhǔn)確缺陷所致。
[0011] 現(xiàn)有剪切測(cè)試方法存在以下問(wèn)題：
[0012] 1.剪切測(cè)試是破壞性的，代價(jià)是被測(cè)器件的損壞。每測(cè)試一個(gè)管芯，就要損壞一 個(gè)。尤其是極限型剪切測(cè)試，必然導(dǎo)致器件損壞。
[0013] 2.準(zhǔn)確度不足。由于每個(gè)管芯都具有自身的特點(diǎn)，因此無(wú)法保證每個(gè)管芯被推開(kāi) 的情況都相同。管芯一旦被推開(kāi)，就失去了再次測(cè)試的機(jī)會(huì)。這樣，同一枚晶片上不同管芯 必然存在測(cè)試間差異，而且這種差異也無(wú)法避免。因而，我們無(wú)法準(zhǔn)確判斷晶片的鍵合質(zhì) 量。同時(shí)也使鍵合均勻性變得難判別。
[0014] 因此，需要一種精確的剪切測(cè)試方法，通過(guò)該方法能夠得出符合實(shí)際情況的剪切 力計(jì)算公式，從而根據(jù)器件鍵合區(qū)域面積計(jì)算出剪切力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015] 本發(fā)明的目的是提供一種精確的剪切測(cè)試方法，通過(guò)該方法能夠得到符合實(shí)際情 況的剪切力計(jì)算公式，從而根據(jù)管芯鍵合區(qū)域面積計(jì)算出剪切力。
[0016] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種精確的剪切測(cè)試方法，該方法包括：在待鍵合晶 片上制作一組測(cè)試關(guān)鍵區(qū)，所述一組測(cè)試關(guān)鍵區(qū)中的每一個(gè)測(cè)試關(guān)鍵區(qū)均包含至少一個(gè)鍵 合柱體，且所述一組測(cè)試關(guān)鍵區(qū)每一個(gè)的鍵合柱體的總橫截面面積依次遞增；對(duì)所述待鍵 合的晶片進(jìn)行鍵合；依據(jù)管芯的分布及測(cè)試關(guān)鍵區(qū)的分布，對(duì)鍵合后的晶片進(jìn)行切片；分 別對(duì)每一個(gè)測(cè)試關(guān)鍵區(qū)進(jìn)行剪切測(cè)試，記錄每個(gè)測(cè)試關(guān)鍵區(qū)在被推開(kāi)時(shí)的最大剪切力F; 針對(duì)每個(gè)測(cè)試關(guān)鍵區(qū)的所測(cè)得的最大剪切力F與鍵合柱體總橫截面面積進(jìn)行數(shù)值擬合，從 而得到剪切力公式。
[0017] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，前述方法還包括將管芯的鍵合柱體的總橫截面面積代入 所述剪切力公式，推測(cè)相同鍵合工藝下管芯的最大剪切力F推iW。
[0018] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，前述方法還包括：在所述晶片上隨機(jī)選擇管芯進(jìn)行剪切 測(cè)試以獲得所述管芯的實(shí)測(cè)的最大剪切力;將利用所述剪切力公式推測(cè)的管芯最大剪 切力F#iW與所述實(shí)測(cè)的最大剪切力!^_進(jìn)行比較，以確定二者是否相符；如果不相符，則 利用所述實(shí)測(cè)的最大剪切力對(duì)所述剪切力公式進(jìn)行修正，從而獲得經(jīng)修正的剪切力公 式。
[0019] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，在前述方法中，所述隨機(jī)選擇管芯不少于5個(gè)，對(duì)這些管 芯進(jìn)行剪切測(cè)試，每個(gè)管芯的鍵合柱體的橫截面面積相同，對(duì)每個(gè)管芯的實(shí)測(cè)的最大剪切 力取平均值作為實(shí)測(cè)的最大剪切力
[0020] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，在前述方法中，所述隨機(jī)選擇管芯不少于5個(gè)，對(duì)這些管 芯進(jìn)行剪切測(cè)試，每個(gè)管芯的鍵合柱體的橫截面面積不同，獲得與不同面積對(duì)應(yīng)的多個(gè)實(shí) 測(cè)的最大剪切力，將所述多個(gè)實(shí)測(cè)的最大剪切力和對(duì)應(yīng)的推測(cè)的最大剪切力F推aj 進(jìn)行比較，以確定每個(gè)管芯的實(shí)測(cè)最大剪切力與推測(cè)最大剪切力是否相符。
[0021] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，前述方法還包括：如果所述推測(cè)的最大剪切力F#iW與所 述實(shí)測(cè)的最大剪切力之差小于所述實(shí)測(cè)的最大剪切力!^_的15%，則確定所述推測(cè)的 最大剪切力F#iW與所述實(shí)測(cè)的最大剪切力F_w相符。
[0022] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，前述方法還包括如果所述推測(cè)的最大剪切力F#iW與所述 實(shí)測(cè)的最大剪切力FgW之差小于所述實(shí)測(cè)的最大剪切力的5%，則確定所述推測(cè)的最 大剪切力F#iW與所述實(shí)測(cè)的最大剪切力F_w相符。
[0023] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，在前述方法中，所述修正包括：對(duì)所述推測(cè)的最大剪切力 F_和所述實(shí)測(cè)的最大剪切力取平均，得到FTO= 1/2 (F_+F_)，再利用所述 與其對(duì)應(yīng)的管芯面積進(jìn)行擬合來(lái)獲得經(jīng)修正的剪切力公式。
[0024] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，在前述方法中，所述修正可進(jìn)行多次。
[0025] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，在前述方法中，所述修正進(jìn)行的次數(shù)少于5次。
[0026] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，在前述方法中，所述一組測(cè)試關(guān)鍵區(qū)包括至少5個(gè)測(cè)試 關(guān)鍵區(qū)。
[0027] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，在前述方法中，所述一組測(cè)試關(guān)鍵區(qū)包括6-9個(gè)測(cè)試關(guān) 鍵區(qū)。
[0028] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，在前述方法中，所述鍵合柱體為圓柱體、正方體、長(zhǎng)方體 或六面體，所述鍵合柱體的高度和層疊結(jié)構(gòu)與晶片上需要鍵合的管芯的鍵合柱體相同。
[0029] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，在前述方法中，通過(guò)依次增加測(cè)試關(guān)鍵區(qū)所包含的鍵合 柱體的數(shù)量來(lái)使所述測(cè)試關(guān)鍵區(qū)所包含的鍵合柱體的總橫截面面積依次遞增。
[0030] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，在前述方法中，通過(guò)依次增加測(cè)試關(guān)鍵區(qū)所包含的每個(gè) 鍵合柱體的橫截面面積來(lái)使所述測(cè)試關(guān)鍵區(qū)所包含的鍵合柱體的總橫截面面積依次遞增。
[0031] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，在前述方法中，所述鍵合通過(guò)熱壓鍵合、陽(yáng)極鍵合、熔融 鍵合或絕緣體上的娃鍵合來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0032] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，在前述方法中，所述數(shù)值擬合是線性擬合。
[0033] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，在前述方法中，所述數(shù)值擬合是含有指