[发明专利]一种确定晶圆键合过程中最佳键合力的理论方法

说明书

本发明公开了一种确定晶圆键合过程中最佳键合力的理论方法，包括：步骤S1、提供第一晶圆和第二晶圆，获取第一晶圆的初始曲率系数和第一晶圆的曲率半径；步骤S2、获取第一晶圆和第二晶圆自发键合后，第一晶圆的第一改变曲率系数和第一弹性应变能；步骤S3、获取对第一晶圆施加键合力后，第一晶圆的第二弹性应变能和第二改变曲率系数；步骤S4、获取第一晶圆和第二晶圆之间的接触面积；步骤S5、得到单位面积应变能，通过单位面积应变能获取最佳键合力关系式，进而得到第一晶圆和第二晶圆键合质量最优时的键合力，相比于现有的实验测试法和有限元仿真法，只需要进行纯计算就可以得到何时键合质量最优。

技术领域

本发明涉及晶圆键合技术领域，具体涉及一种确定晶圆键合过程中最佳键合力的理论方法。

背景技术

晶圆键合是晶圆级的封装技术，用于制造微机电系统(MEMS)、纳米机电系统(NEMS)、微电子学和光电子学，从而确保机械稳定且密封的封装。用于MEMS/NEMS的晶圆直径范围从4英寸到8英寸，而用于生产微电子设备的晶圆直径范围可达12英寸。在微电子工业的早期，使用了较小的晶圆，在1950年代，晶圆的直径仅为1英寸。晶圆的键合技术有直接键合、表面活化键合、阳极键合等多种，晶圆室温直接键合主要得益于晶圆表面的短程分子力和原子间作用力，如氢键和范德华力，当晶圆表面的翘曲度和粗糙度小于一定值，便会发生自发键合现象，此时再施加一定的键合力晶圆才可以完全键合。根据晶圆键合的条件，只有当单位键合面积上的弹性应变能小于界面吸附能时，晶圆才能得到较高的键合质量。因此，为了有效提高晶圆键合质量，考虑晶圆的自发键合现象，研究键合力对键合质量的影响规律具有重要意义。

目前获得晶圆最佳键合质量的方法主要有两种：第一种是常用的实验测试法，通过不同的实验参数加工得到样片以后，使用红外透射显微镜观测键合界面，获得键合界面和键合率的数据，对比得出最佳的实验参数，通过实验手段寻求晶圆键合质量最优时所需的键合力，实验方法操作过程繁琐，成本高，通用性、遍历性和可靠性较低；另一种是模拟仿真法，通过建立有限元模型来模拟键合过程，通过改变键合力和晶圆几何参数，寻求最优键合力，该方法难以考虑晶圆自发键合的影响，而且与实验法类似，有限元模型需要随样片的材料尺寸变化进行调整，所得到的结论普适性较低。

发明内容

根据现有技术的不足，本发明的目的是提供一种确定晶圆键合过程中最佳键合力的理论方法，提供了晶圆键合质量达到最优时的键合力计算方法，省时省力。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种确定晶圆键合过程中最佳键合力的理论方法，包括：

步骤S1、提供第一晶圆和第二晶圆，获取第一晶圆的初始曲率系数和第一晶圆的曲率半径；

步骤S2、获取第一晶圆和第二晶圆自发键合后，第一晶圆的第一改变曲率系数和第一弹性应变能；

步骤S3、获取对第一晶圆施加键合力后，第一晶圆和第二改变曲率系数；

步骤S4、获取第一晶圆和第二晶圆之间的接触面积；

步骤S5、根据第二改变曲率系数获取对第一晶圆施加键合力后，第一晶圆的第二弹性应变能关于键合力的函数表达式，根据第二弹性应变能及接触面积得到单位面积应变能，根据单位面积应变能对键合压力求偏导并计算函数表达式的拐点，得到最佳键合压力表达式，结合上晶圆面积获取最佳键合力关系式，进而获取第一晶圆和第二晶圆键合质量最优时的键合力。

进一步地，所述步骤S1中，通过测量第一晶圆的几何参数，获取第一晶圆的初始曲率系数和第一晶圆的曲率半径，其中，第一晶圆的几何参数包括厚度h₁，半径r₁，翘曲度δ₁，第一晶圆的初始曲率系数c₁的计算公式为：