Wafer-Bindungscharakterisierung

Die Charakterisierung von Wafer-Verbindungen bezeichnet den Prozess der Bewertung der Qualität und Festigkeit einer Verbindung zwischen zwei Halbleiterwafern . Sie basiert auf verschiedenen Methoden und Tests. Von hoher Bedeutung sind fehlerfreie, erfolgreich gebondete Wafer. Solche Fehler können durch Hohlraumbildung an der Grenzfläche aufgrund von Unebenheiten oder Verunreinigungen entstehen . Die Charakterisierung der Bondverbindung dient der Weiterentwicklung von Wafer-Bonds sowie der Qualitätsbewertung gefertigter Wafer und Sensoren.

Wafer-Verbindungen werden üblicherweise durch drei wichtige Verkapselungsparameter charakterisiert: Verbindungsfestigkeit, Hermetizität der Verkapselung und durch die Verbindung induzierte Spannung. ^{[ 1 ]}

Die Haftfestigkeit kann mittels Doppel-Cantilever-Balken- oder Chevron- bzw. Mikro-Chevron-Tests ermittelt werden. Weitere Zugversuche sowie Berst-, Scher- oder Biegeversuche ermöglichen die Bestimmung der Haftfestigkeit. ^{[ 2 ]} Die Dichtheit der Verpackung wird mittels Membran-, Helium-Leck- und Resonator-/Drucktests charakterisiert. ^{[ 1 ]}

Drei weitere Möglichkeiten zur Beurteilung der Bindungsverbindung sind optische, elektronenmikroskopische und akustische Messungen und Instrumente . Optische Messverfahren umfassen den Einsatz eines Lichtmikroskops , der Infrarot-Transmissionsmikroskopie und die visuelle Inspektion. Elektronenmikroskopische Messungen werden üblicherweise mit einem Elektronenmikroskop durchgeführt , z. B. mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM), einem Hochspannungs-Transmissionselektronenmikroskop (HVTEM) und einem hochauflösenden Rasterelektronenmikroskop (HRSEM). Typische akustische Messverfahren sind das Rasterakustikmikroskop (SAM), das Rasterlaser-Akustikmikroskop (SLAM) und das C-Mode-Rasterakustikmikroskop (C-SAM).

Die Probenpräparation ist anspruchsvoll, und die mechanischen sowie elektronischen Eigenschaften sind wichtig für die Charakterisierung und den Vergleich der Verbindungstechnologien. ^{[ 3 ]}

Die Infrarot- (IR)-Hohlraumabbildung ist möglich, wenn die analysierten Materialien IR-transparent sind, z. B. Silizium . Diese Methode ermöglicht eine schnelle qualitative Untersuchung ^{[ 4 ]} und eignet sich aufgrund ihrer Empfindlichkeit gegenüber der Oberfläche und der darunterliegenden Grenzfläche sehr gut. Sie liefert Informationen über die chemische Beschaffenheit von Oberfläche und Grenzfläche.

Die Infrarot-Durchlichtmikroskopie basiert auf der Tatsache, dass Silizium bei Wellenlängen ≥ 1,2 μm lichtdurchlässig ist. Das Gerät besteht aus einer Infrarotlampe als Lichtquelle und einem Infrarot-Videosystem (siehe Abbildung „Schematischer Aufbau für die Infrarot-Durchlichtmikroskopie“).

Das IR-Bildgebungssystem ermöglicht die Analyse der Bondwellen und darüber hinaus mikromechanischer Strukturen sowie von Deformitäten im Silizium. Mit diesem Verfahren lassen sich auch Mehrschichtbondierungen analysieren. ^{[ 3 ]} Der Bildkontrast hängt vom Abstand zwischen den Wafern ab . Bei Verwendung von monochromatischer Farb -IR erscheint die Wafermitte in der Regel heller als die Umgebung. Partikel an der Bondgrenzfläche erzeugen aufgrund der Interferenzstreifen (Wellenausbreitung) gut sichtbare Flecken mit unterschiedlichem Kontrast . ^{[ 5 ]} Nicht gebundene Bereiche sind sichtbar, wenn die Öffnung (Höhe) der Hohlräume ≥ 1 nm beträgt. ^{[ 4 ]}

Die Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FT-IR) ist eine zerstörungsfreie Methode zur Charakterisierung der Dichtheit. Die Strahlungsabsorption ermöglicht die Analyse von Gasen mit einer spezifischen Wellenlänge. ^{[ 6 ]}

Die Ultraschallmikroskopie nutzt hochfrequente Schallwellen zur Abbildung von Verbundgrenzflächen. Als akustisches Verbindungsmedium zwischen dem elektromagnetischen Schallwandler und dem Wafer wird deionisiertes Wasser verwendet. ^{[ 4 ] [ 7 ]}

Bei diesem Verfahren wird die Wafer-Verbindung mit einem Ultraschallwandler abgetastet. Das reflektierte Schallsignal dient zur Bilderzeugung. Die laterale Auflösung hängt von der Ultraschallfrequenz, dem Durchmesser des Schallstrahls und dem Signal-Rausch-Verhältnis (Kontrast) ab.

Nicht verbundene Bereiche, d. h. Verunreinigungen oder Hohlräume, reflektieren den Ultraschallstrahl nicht wie verbundene Bereiche, daher ist eine Qualitätsbeurteilung der Verbindung möglich. ^{[ 3 ]}

Der Doppel-Cantilever-Balken-Test , auch Rissöffnungs- oder Rasierklingenmethode genannt, dient zur Bestimmung der Haftfestigkeit. Dies geschieht durch Ermittlung der Energie der geklebten Oberflächen. Eine Klinge definierter Dicke wird zwischen die beiden zu klebenden Wafer eingeführt. Dadurch wird die Klebeverbindung aufgebrochen. ^{[ 3 ]} Die Risslänge entspricht dem Abstand zwischen Klingenspitze und Rissspitze und wird mithilfe von Infrarotlicht bestimmt. Das Infrarotlicht kann den Riss beleuchten, sofern die verwendeten Materialien für Infrarot- und sichtbares Licht transparent sind. ^{[ 8 ]} Bei sehr hoher Bruchzähigkeit der Oberfläche ist das Einführen der Klinge schwierig, und die Wafer können beim Einführen der Klinge brechen. ^{[ 3 ]}${\displaystyle L}$

Der DCB-Test charakterisiert die zeitabhängige Festigkeit durch mechanische Bruchprüfung und eignet sich daher gut für Lebensdauerprognosen. ^{[ 9 ]} Ein Nachteil dieser Methode besteht darin, dass die Ergebnisse durch den Zeitpunkt des Eintritts der Schaufel und die Aufnahme des IR-Bildes beeinflusst werden können. Zudem erhöht sich die Messungenauigkeit mit hoher Oberflächenbruchzähigkeit, was zu einer geringeren Risslänge oder gebrochenen Scheiben beim Schaufeleintritt führt, sowie durch den Einfluss der vierten Potenz der gemessenen Risslänge. Die gemessene Risslänge bestimmt die Oberflächenenergie bezogen auf eine rechteckige, balkenförmige Probe. ${\displaystyle \gamma }$

${\displaystyle \gamma ={\frac {3t_{b}^{2}E_{1}t_{w1}^{3}E_{2}t_{w2}^{3}}{16L^{4}(E_{1}t_{w1}^{3}+E_{2}t_{w2}^{3})}}}$

Dabei werden der Elastizitätsmodul , die Waferdicke, die Klingendicke und die gemessene Risslänge bestimmt. ^{[ 10 ]} In der Literatur werden verschiedene DCB-Modelle erwähnt, d. h. Messansätze von Maszara, Gillis und Gilman, Srawley und Gross, Kanninen oder Williams. Die gebräuchlichsten Ansätze stammen von Maszara oder Gillis und Gilman. ^{[ 8 ]}${\displaystyle E}$${\displaystyle t_{w}}$${\displaystyle t_{b}}$${\displaystyle L}$

Das Maszara-Modell vernachlässigt sowohl die Schubspannung als auch die Spannung im ungeschnittenen Bereich für die ermittelten Risslängen. Die Nachgiebigkeit einer symmetrischen DCB-Probe wird wie folgt beschrieben:

${\displaystyle C={\frac {8L^{3}}{E^{*}wt^{3}}}}$

Die Nachgiebigkeit wird aus der Risslänge , der Rissbreite und der Balkendicke bestimmt . definiert den Elastizitätsmodul. Die Oberflächenbruchzähigkeit beträgt: ^{[ 11 ]}${\displaystyle L}$${\displaystyle w}$${\displaystyle t}$${\displaystyle E^{*}}$${\displaystyle G_{IC}}$

${\displaystyle G_{IC}={\frac {3E^{*}\delta ^{2}t^{3}}{16L^{4}}}}$

mit als Lastpunktverschiebung. ${\displaystyle \delta }$

Der Ansatz von Gillis und Gilman berücksichtigt Biege- und Scherkräfte im Balken. Die Nachgiebigkeitsgleichung lautet:

${\displaystyle C={\frac {8L^{3}}{E^{*}wt^{3}}}\left(1+3c\left({\frac {t}{L}}\right)^{2-n}+{\frac {\alpha _{s}E^{*}}{4\mu }}\left({\frac {t}{L}}\right)^{2}\right)}$

The first term ${\displaystyle {\frac {8L^{3}}{E^{*}wt^{3}}}}$ describes the strain energy in the cantilever due to bending. The second term is the contribution from elastic deformations in the un-cleaved specimen part and the third term considers the shear deformation. Therefore, ${\displaystyle n}$ and ${\displaystyle c}$ are dependent on the conditions of the fixed end of the cantilever. The shear coefficient ${\displaystyle \alpha _{S}}$ is dependent on the cross-section geometry of the beam.

The chevron test is used to determine the fracture toughness ${\displaystyle K_{IC}}$ of brittle construction materials. The fracture toughness is a basic material parameter for analyzing the bond strength.

The chevron test uses a special notch geometry for the specimen that is loaded with an increasing tensile force. The chevron notch geometry is commonly in shape of a triangle with different bond patterns. At a specific tensile load the crack starts at the chevron tip and grows with continuous applied load until a critical length is reached.^[12] The crack growth becomes unstable and accelerates resulting in a fracture of the specimen.^[8] The critical length depends only on the specimen geometry and the loading condition. The fracture toughness commonly ${\displaystyle K_{IC}}$ is determined by measuring the recorded fracture load of the test. This improves the test quality and accuracy and decreases measurement scatter.^[12]

Two approaches, based on energy release rate ${\displaystyle G_{I}}$ or stress intensity factor ${\displaystyle K_{I}}$, can be used for explaining the chevron test method.^[8] The fracture occurs when ${\displaystyle K_{I}}$ or ${\displaystyle G_{I}}$ reach a critical value, describing the fracture toughness ${\displaystyle K_{IC}}$ or ${\displaystyle G_{IC}}$. The advantage using chevron notch specimen is due to the formation of a specified crack of well-defined length.^[13] The disadvantage of the approach is that the gluing required for loading is time consuming and may induce data scatter due to misalignment.^[8]

Chevron test

Scheme of a chevron test setup.^[8]

Scheme of a chevron notched specimen.^[8]

Schematic chevron notched specimen with cracked area according to Bagdahn.^[13]

Der Mikro-Chevron-Test (MC-Test) ist eine Modifikation des Chevron-Tests, bei dem eine Probe mit definierter und reproduzierbarer Größe und Form verwendet wird. Mit diesem Test lassen sich die kritische Energiefreisetzungsrate und die kritische Bruchzähigkeit bestimmen . ^{[ 14 ]} Er wird häufig zur Charakterisierung der Wafer-Haftfestigkeit und der Zuverlässigkeit eingesetzt. Die Zuverlässigkeitscharakterisierung basiert auf der bruchmechanischen Bewertung des kritischen Versagens. ^{[ 9 ]} Die Bewertung erfolgt durch Analyse der Bruchzähigkeit sowie des Widerstands gegen Rissausbreitung. ^{[ 10 ]}${\displaystyle G_{IC}}$${\displaystyle K_{IC}}$

Die Bruchzähigkeit ermöglicht den Vergleich der Festigkeitseigenschaften unabhängig von der Geometrie der Probe. ^{[ 13 ]} Zusätzlich kann die Haftfestigkeit der geklebten Grenzfläche bestimmt werden. ^{[ 12 ]} Die Chevron-Probe besteht aus geklebten Streifen in Dreiecksform. Der Raum an der Spitze des Chevron-Dreiecks dient als Hebelarm für die aufgebrachte Kraft. Dadurch wird die zur Rissinitiierung erforderliche Kraft reduziert. Die Abmessungen der Mikro-Chevron-Strukturen liegen im Bereich von mehreren Millimetern und weisen üblicherweise einen Chevron-Kerbwinkel von 70° auf. ^{[ 14 ]} Dieses Chevron-Muster wird mittels Nassätzen oder reaktivem Ionenätzen hergestellt. ^{[ 13 ]}

Der MC-Test wird mit einem speziellen Probenstempel durchgeführt, der auf die nicht verklebte Kante der bearbeiteten Strukturen geklebt wird. Die Probe wird in eine Zugprüfmaschine eingespannt, wobei die Last senkrecht zur Klebefläche aufgebracht wird. Sobald die Last die maximal zulässige Belastung erreicht, entsteht an der Spitze der Chevron-Kerbe ein Riss. ^{[ 14 ]}

Durch Erhöhung der mechanischen Spannung mittels höherer Belastung lassen sich zwei gegenläufige Effekte beobachten. Erstens steigt der Widerstand gegen die Rissausbreitung aufgrund der zunehmenden Verklebung der dreieckigen ersten Hälfte des Chevron-Musters. Zweitens verlängert sich der Hebelarm mit zunehmender Risslänge . Ab der kritischen Risslänge kommt es zu einer instabilen Rissausbreitung und zur Zerstörung der Probe. ^{[ 14 ]} Die kritische Risslänge entspricht der maximalen Kraft im Kraft-Längen-Diagramm und einem Minimum der geometrischen Funktion . ^{[ 15 ]}${\displaystyle a}$${\displaystyle a_{c}}$${\displaystyle a_{c}}$${\displaystyle F_{max}}$${\displaystyle Y_{MIN}}$

Die Bruchzähigkeit kann anhand der maximalen Kraft, der Breite und der Dicke berechnet werden : ${\displaystyle K_{IC}}$${\displaystyle w}$${\displaystyle t}$

${\displaystyle K_{IC}={\frac {F_{MAX}}{t\cdot {\sqrt {w}}}}\cdot Y_{MIN}}$

Die maximale Kraft wird während des Versuchs ermittelt, der minimale Spannungsintensitätskoeffizient wird mittels FE-Simulation bestimmt. ^{[ 16 ]} Darüber hinaus kann die Energiefreisetzungsrate mit dem Elastizitätsmodul und der Querkontraktionszahl wie folgt bestimmt werden. ^{[ 14 ]}${\displaystyle F_{MAX}}$${\displaystyle Y_{MIN}}$${\displaystyle G_{IC}}$${\displaystyle E}$${\displaystyle v}$

${\displaystyle G_{IC}={\frac {K_{IC}^{2}}{E}}\cdot (1-v^{2})}$

Der Vorteil dieses Tests liegt in seiner hohen Genauigkeit im Vergleich zu anderen Zug- oder Biegeprüfungen. Er stellt ein effektives, zuverlässiges und präzises Verfahren sowohl für die Entwicklung von Wafer-Bondings als auch für die Qualitätskontrolle bei der Herstellung mikromechanischer Bauteile dar. ^{[ 13 ]}

Die Messung der Haftfestigkeit bzw. die Prüfung von Verbindungen erfolgt nach zwei grundlegenden Methoden: Zugversuch und Scherversuch. Beide können zerstörend, was häufiger vorkommt (auch auf Wafer-Ebene), oder zerstörungsfrei durchgeführt werden. Sie dienen der Bestimmung der Integrität von Materialien und Fertigungsprozessen, der Bewertung der Gesamtleistung des Bondrahmens sowie dem Vergleich verschiedener Bondtechnologien. Der Erfolg oder Misserfolg der Verbindung wird anhand der aufgebrachten Kraft, der Art des durch die Kraft verursachten Versagens und des visuellen Erscheinungsbilds des verwendeten Rückstandsmediums beurteilt.

Eine Weiterentwicklung bei der Prüfung der Haftfestigkeit geklebter Verbundstrukturen ist die Laser-Klebeprüfung (LBI). LBI liefert einen relativen Festigkeitsquotienten, der sich aus der Fluenz der auf das Material aufgebrachten Laserenergie im Vergleich zur Festigkeit zuvor mechanisch geprüfter Verbindungen bei gleicher Laserfluenz ergibt. LBI ermöglicht die zerstörungsfreie Prüfung von Verbindungen, die sachgemäß vorbereitet wurden und den technischen Anforderungen entsprechen. ^{[ 17 ]}

Die Messung der Haftfestigkeit mittels Zugversuch ist oft die beste Methode, um den gewünschten Versagensmodus zu ermitteln. Im Gegensatz zum Scherversuch werden die Bruchflächen beim Ablösen der Verbindung voneinander weggezogen, was eine präzise Analyse des Versagensmodus ermöglicht. Für einen Zugversuch müssen Substrat und Verbindungsleitung fixiert werden; aufgrund von Größe, Form und Materialeigenschaften kann dies, insbesondere bei der Verbindungsleitung, schwierig sein. In solchen Fällen kann eine präzise geformte und ausgerichtete Pinzette mit exakter Öffnungs- und Schließsteuerung den entscheidenden Unterschied zwischen Erfolg und Misserfolg ausmachen. ^{[ 18 ]}

Die gebräuchlichste Art von Zugtests ist der Drahtzugtest. Beim Drahtzugtest wird eine nach oben gerichtete Kraft unter den Draht ausgeübt, wodurch dieser effektiv vom Substrat oder Chip weggezogen wird.

Scherversuche stellen eine alternative Methode zur Bestimmung der Festigkeit einer Verbindung dar. Es existieren verschiedene Varianten von Scherversuchen. Wie bei Zugversuchen besteht das Ziel darin, das gewünschte Versagensverhalten im Versuch nachzubilden. Ist dies nicht möglich, sollte der Prüfer die höchstmögliche Last auf die Verbindung aufbringen. ^{[ 19 ]}

Weißlichtinterferometrie wird häufig zur Detektion von Verformungen der Waferoberfläche mittels optischer Messungen eingesetzt. Licht geringer Kohärenz einer Weißlichtquelle durchdringt die optische Oberseite des Wafers, z. B. einen Glaswafer, und erreicht die Bondgrenzfläche. Üblicherweise gibt es drei verschiedene Weißlichtinterferometer:

• Beugungsgitterinterferometer
• Vertikale Abtast- oder Kohärenzsonden-Interferometer
• Weißlichtstreuplatteninterferometer

Beim Weißlichtinterferometer müssen die Position der Interferenzstreifen nullter Ordnung und der Abstand der Interferenzstreifen wellenlängenunabhängig sein. ^{[ 20 ]} Die Weißlichtinterferometrie wird zur Detektion von Waferverformungen eingesetzt. Licht geringer Kohärenz einer Weißlichtquelle durchdringt die obere Waferoberfläche und trifft auf den Sensor. Das Weißlicht wird von einer Halogenlampe erzeugt und moduliert. Das Spektrum des vom Sensorhohlraum reflektierten Lichts wird mit einem Spektrometer erfasst. Aus dem erfassten Spektrum wird die Hohlraumlänge des Sensors bestimmt. Die Hohlraumlänge d entspricht dem angelegten Druck und wird anhand des Reflexionsspektrums des Sensors ermittelt. Dieser Druckwert wird anschließend auf einem Bildschirm angezeigt. Die Hohlraumlänge wird mithilfe der Methode der spektralen Bestimmung ermittelt .${\displaystyle d}$

${\displaystyle d={\frac {\lambda _{1}\lambda _{2}}{2n(\lambda _{2}-\lambda _{1})}}}$

mit als Brechungsindex des Sensorhohlraummaterials und als benachbarte Peaks im Reflexionsspektrum. ${\displaystyle n}$${\displaystyle \lambda _{1}}$${\displaystyle \lambda _{2}}$

Der Vorteil der Weißlichtinterferometrie als Charakterisierungsmethode liegt in der Reduzierung des Einflusses der Biegeverluste. ^{[ 21 ]}