圓片級封裝鋁鍺鍵合后殘余應力的測量和分析

秦 嵩， 焦繼偉， 王敏昌， 錢 清

(中國科學院 上海微系統與信息技術研究所，上海 200050)

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圓片級封裝鋁鍺鍵合后殘余應力的測量和分析

秦 嵩， 焦繼偉， 王敏昌， 錢 清

(中國科學院 上海微系統與信息技術研究所，上海 200050)

以圓片級鋁鍺鍵合后的殘余應力為研究對象，在鍵合環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力的大小及與工藝相關性。結果表明：鍵合環內外的壓阻變化約為鍵合環下方壓阻變化的3倍。這種方法可以作為晶圓級鍵合質量的有效在線表征手段之一。

鋁鍺共晶鍵合； 殘余應力； 力敏電阻

0 引 言

晶圓鍵合過程中，由于材料熱膨脹系數的不匹配、鍵合面存在顆粒或氣泡等原因，鍵合片內會產生一定大小的殘余應力，這種應力可能會導致材料特性的改變和結構的變形，從而影響器件最終的性能和可靠性。目前國內外關于殘余應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生的較大殘余熱應力會引起Si片的較大翹曲，而且會增大壓阻式壓力傳感器的零點失調，同時也會帶來較大的零點溫度系數。Huang Guangyu等人[2]在通過低溫晶圓鍵合制備的局部SOI片中發現，頂層Si中的殘余應力會影響電子遷移率的大小，也會導致硼在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，發現殘余應力會影響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，殘余應力會改變器件的諧振頻率，若SOI片應用于微流體領域，孔壁中局部集中的張應力可能會導致襯底斷裂。Lin liwei等人[4]通過局部鋁硅玻璃鍵合實現硅玻璃的真空封裝，熱應力會導致玻璃上出現裂紋，從而導致器件失效。

鋁鍺共晶鍵合是一項有效的低溫圓片鍵合技術，利用鋁鍺共晶合金熔融溫度較低的特點，將其作為中間介質層，在較低的溫度下，通過加熱熔融實現共晶鍵合。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點，其介質層能夠提供導電路徑[5]。鋁鍺鍵合常用于慣性器件和紅外器件的真空封裝中，在壓阻器件上的應用較少，但是鍵合后殘余應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測量鋁鍺鍵合后局部應力分布的方法，這種方法能夠在線檢測鋁鍺鍵合的情況。

1 測試結構設計

對應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需要選擇使用Si片的不同晶面、摻雜類型和濃度、并根據封裝具體情況設計壓阻分布的圖形，具有很強的靈活性，且制作工藝和測試設備簡單，因此,本文選擇壓阻法測量殘余應力。

圖1(a)中，在鍵合環下方不同位置以及鍵合環內、外均設計了形狀大小相同的電阻條(環內電阻條除外，其濃硼區較長)，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力的大小。設計有三個目的:鍵合環下、環內外的力敏電阻變化對比，鍵合環下方靠近角落和遠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，淡硼區為應力敏感單元，濃硼區作引線，濃硼區與鋁電極形成良好的歐姆接觸。

圖1 測試結構設計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所微系統工藝平臺內進行。實驗用到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，整個工藝流程如圖2(鍵合環下方電阻條未畫出)所示。具體流程如下：

1)氧化:首先在A,B硅片表面生長800 nm的高溫熱氧化層；

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:主擴條件為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:先抽真空并使腔內溫度升到300 ℃，保溫10 min，繼續升溫至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，鍵合后結構如圖2(f)；

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

圖2 鋁鍺鍵合后殘余應力測試結構的工藝流程圖Fig 2 Fabrication process of testing structure for residual stress after Al-Ge bonding

3 結果與分析

根據壓阻效應，平面上的電阻在應力作用下電阻的變化率為

ΔR/R=σlπl+σtπt

(1)

式中πl和πt分別為縱向壓阻系數和橫向壓阻系數，σl和σt分別為縱向應力和橫向應力。

3.1 實驗結果

實驗結果顯示，在三個設計目的中，只有鍵合環下方和鍵合環內外的力敏電阻變化差異較明顯。表1給出了8個鍵合充分單元的環下、環內和環外電阻條鍵合前后的電阻阻值以及相應的阻值變化率，可以看出，鍵合環內外的力敏電阻阻值變化約為鍵合環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下方的殘余應力較小，鍵合環周圍的殘余應力較大。

表1 鍵合前后電阻值變化

3.2 仿真結果

圖3為在435 ℃,3 kg壓力的鍵合條件下，Si材料內部應力分布場的Ansys仿真結果。由圖中可看出，環內、環外的應力梯度類似，與實驗結果相符，環下的應力較大，但應力方向與環內、外的應力方向相反，這可能是導致環下力敏電阻阻值變化不明顯的原因。

圖3 硅材料內部應力分布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)中單元鍵合環顏色較深，鋁鍺鍵合較充分，3(b)中單元鍵合環顏色較淺，鍵合不充分。與之對應，鍵合充分的單元環內力敏電阻阻值變化較大，鍵合不充分的單元環內力敏電阻阻值變化不明顯。其鍵合環內〈110〉方向上的電阻條阻值變化率分別為3.265 %和0.102 %，測量結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，殘余應力較小。

圖4 鍵合后測試結構的紅外照片Fig 4 IR images of testing structure after Al-Ge bonding

紅外顯微觀察結果與力敏電阻阻值變化結果表現出來的相關性，表明通過在特定位置設計力敏電阻，可以作為鋁鍺鍵合質量的在線表征手段之一，具有方便、快速的特點。

4 結 論

本文介紹了一種基于壓阻效應測量鋁鍺鍵合后殘余應力分布的方法，在鍵合環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，結果表明：鍵合充分的單元中，鍵合環內外的力敏電阻阻值變化約為鍵合環下方力敏電阻阻值變化的3倍，這種測量方法能夠對鋁鍺鍵合工藝進行在線檢測。

[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力[J].功能材料與器件學報,2008,14(2):452-456.

[2] Huang G,Tan C M,Gan Z H,et al.Finite element modeling of residual mechanical stress in partial SOI structure due to wafer bonding processing[C]∥11th IPFA,Taiwan:IEEE,2004:189-192.

[3] Lin T W,Elkhatib O,Makinen J,et al.Residual stresses at cavity corners in silicon-on-insulator bonded wafers[J]. J Micromech Microeng,2013, 23:095004.

[4] Lin L W.MEMS post-packaging by localized heating and bon-ding[J].Transactions on Advanced Packaging,2000,23(4):608-616.

[5] Hayes F H, Longbottom R D, Ahmad E,et al.On the Al-Si,Al-Ge,and Al-Ge-Si systems and their application to brazing in high power semiconductor devices[J].Journal of Phase Equilibria,1993,14(4):425-431.

[6] 孫志國.MEMS封裝中的殘余應力演化及其相關可靠性研究[D].上海：中國科學院上海微系統與信息技術研究所,2002:15-23.

[7] 徐 銘.微結構塑性形變及其對壓阻式壓力傳感器的影響[D].上海：中國科學院上海微系統與信息技術研究所,2013:36-37.

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，湖北監利人，碩士，主要從事微機電系統方面的研究。