ウェーハ接合特性評価

ウェーハ接合特性評価とは、2枚の半導体ウェーハ間の接合の品質と強度を評価するプロセスを指します。ウェーハ接合特性評価は、さまざまな方法とテストに基づいて行われます。ウェーハにとって最も重要なのは、欠陥のない接合されたウェーハです。これらの欠陥は、界面の凹凸や不純物によるボイド形成によって発生する可能性があります。接合部の特性評価は、ウェーハ接合の開発、または製造されたウェーハやセンサーの品質評価のために行われます。

ウェーハ接合は、一般的に、接合強度、封止の気密性、および接合によって誘発される応力という 3 つの重要な封止パラメータによって特徴付けられます。^{[ 1 ]}

接着強度は、ダブルカンチレバービームまたはシェブロン、あるいはマイクロシェブロン試験を使用して評価できます。その他の引張試験、破裂試験、直接せん断試験、または曲げ試験によって接着強度を決定できます。^{[ 2 ]}パッケージの気密性は、メンブレン、Heリーク、共振器/圧力試験を使用して特性評価されます。^{[ 1 ]}

結合状態を評価するための追加的な方法として、光学的、電子的、音響的な測定および計測機器が挙げられます。まず、光学的測定技術としては、光学顕微鏡、赤外線透過顕微鏡、目視検査などがあります。次に、電子的測定は、走査型電子顕微鏡（ SEM）、高電圧透過型電子顕微鏡（HVTEM）、高分解能走査型電子顕微鏡（HRSEM）などの電子顕微鏡を用いて一般的に行われます。最後に、代表的な音響的測定手法としては、走査型音響顕微鏡（SAM）、走査型レーザー音響顕微鏡（SLAM）、Cモード走査型音響顕微鏡（C-SAM）などがあります。

試料の準備は高度であり、機械的特性や電子的特性は、接合技術の特性評価と比較にとって重要である。^{[ 3 ]}

赤外線（IR）ボイドイメージングは​​、分析対象材料がIR透過性である場合、すなわちシリコンの場合に可能です。この方法は迅速な定性検査^{[ 4 ]}が可能であり、表面および埋没界面に対する感度が高いため非常に適しています。表面および界面の化学的性質に関する情報が得られます。

 赤外線透過光は、シリコンが波長1.2μm以上で半透明であるという事実に基づいています 。装置は、光源としての赤外線ランプと赤外線ビデオシステムで構成されています（図「赤外線透過顕微鏡の概略図」を参照）。

IRイメージングシステムにより、ボンド波の解析に加え、シリコンの微細な機械的構造や変形の解析も可能になります。この手順により、多層ボンドの解析も可能です。^{[ 3 ]}画像のコントラストはウェーハ間の距離に依存します。通常、単色IRを使用する場合、ウェーハの中心は周辺に基づいてより明るく表示されます。ボンド界面の粒子は、干渉（波の伝搬）フリンジのために、コントラストの異なる非常に目立つスポットを生成します。^{[ 5 ]} ボイド開口部（高さ）が1 nm以上の場合、未結合領域を表示できます 。^{[ 4 ]}

超音波顕微鏡は、高周波音波を使用して接合界面を画像化します。脱イオン水は、電磁音響トランスデューサとウェーハ間の音響相互接続媒体として使用されます。 ^{[ 4 ] [ 7 ]}

この方法は、超音波トランスデューサを用いてウェハ接合部を走査する方式です。反射された音波信号を用いて画像を生成します。横方向の解像度は、超音波周波数、音響ビーム径、および信号対雑音比（コントラスト）によって決まります。

未結合領域、すなわち不純物や空隙は、結合領域のように超音波ビームを反射しないため、結合の品質評価が可能となる。^{[ 3 ]}

ダブルカンチレバービーム試験（クラック開口法またはカミソリ刃法とも呼ばれる）は、接合部の強度を定義する方法です。これは、接合面のエネルギーを測定することによって実現されます。特定の厚さの刃を接合されたウェーハペアの間に挿入します。これにより、接合部が分離します。^{[ 3 ]}クラックの長さ${\displaystyle L}$ブレード先端と亀裂先端間の距離に等しく、IR透過光を使用して決定されます。IR光は、IRまたは可視光に対して透明な材料を使用する場合、亀裂を照らすことができます。^{[ 8 ]}破壊面の靭性が非常に高い場合、ブレードを挿入することが非常に困難になり、ブレードの挿入時にウェーハが破損する危険性があります。^{[ 3 ]}

DCB試験は、機械的破壊評価によって時間依存強度を特徴づけるため、寿命予測に適している。^{[ 9 ]}この方法の欠点は、ブレードの挿入からIR画像を取得するまでの間に結果が影響を受ける可能性があることである。さらに、表面破壊靭性が高いほど測定精度が低下し、ブレード挿入時に亀裂長が小さくなったり、ウェーハが破損したり、測定された亀裂長の4乗の影響も受ける。測定された亀裂長は表面エネルギーを決定する。${\displaystyle \gamma }$長方形の梁状の試験片に関して。

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

それによって${\displaystyle E}$ヤング率、$t_w$ウェーハの厚さ、$tb$刃の厚さと${\displaystyle L}$測定された亀裂の長さ。^{[ 10 ]} 文献では、Maszara、Gillis and Gilman、Srawley and Gross、Kanninen、またはWilliamsによる測定アプローチなど、さまざまなDCBモデルが言及されています。最も一般的に使用されているアプローチは、MaszaraまたはGillis and Gilmanによるものです。^{[ 8 ]}

シェブロン試験は破壊靭性を測定するために用いられる。${\displaystyle K_{IC}}$脆性建築材料の場合、破壊靭性は接着強度を分析するための基本的な材料パラメータである。

シェブロン試験では、試験片に特殊なノッチ形状を用い、引張荷重を徐々に増加させながら試験を行います。シェブロンノッチ形状は、一般的に三角形で、様々な結合パターンを持ちます。特定の引張荷重において、シェブロン先端から亀裂が発生し、連続的に荷重が加わるにつれて臨界長さに達するまで成長します。^{[ 12 ]}亀裂の成長は不安定になり、加速して試験片の破壊に至ります。^{[ 8 ]}臨界長さは、試験片の形状と荷重条件のみに依存します。破壊靭性は一般的に${\displaystyle K_{IC}}$試験の記録された破壊荷重を測定することによって決定されます。これにより、試験の品質と精度が向上し、測定のばらつきが減少します。^{[ 12 ]}

エネルギー放出速度に基づく2つのアプローチ${\displaystyle G_{I}}$またはストレス強度係数${\displaystyle K_{I}}$シェブロン試験法の説明に使用できます。^{[ 8 ]}破断は、${\displaystyle K_{I}}$または${\displaystyle G_{I}}$破壊靭性を表す臨界値に達する${\displaystyle K_{IC}}$または${\displaystyle G_{IC}}$シェブロンノッチ試験片を使用する利点は、明確に定義された長さの特定の亀裂が形成されることによる。^{[ 13 ]}この方法の欠点は、荷重をかけるために必要な接着に時間がかかり、位置ずれによりデータのばらつきが生じる可能性があることである。^{[ 8 ]}

シェブロンテスト

シェブロン試験装置の概略図。^{[ 8 ]}

シェブロンノッチ付き試験片の模式図。^{[ 8 ]}

バグダーンによる亀裂領域を有するシェブロンノッチ付き試験片の模式図。^{[ 13 ]}

接着強度測定、すなわち接着試験は、引張試験とせん断試験という2つの基本的な方法で行われます。どちらの方法も、破壊試験（ウェハレベルでもより一般的）と非破壊試験の2種類があります。これらの試験は、材料や製造工程の健全性を判断し、接着フレーム全体の性能を評価するとともに、様々な接着技術を比較するために使用されます。接着の成否は、加えた力、加えた力による破壊の種類、および残留媒体の外観を測定することによって判断されます。

接着接合された複合構造の接合強度試験における進歩の一つに、レーザー接合検査（LBI）がある。LBIは、強度試験のために材料に照射されたレーザーエネルギーのフルエンスレベルから導出される相対強度比を、同じレーザーフルエンスで以前に機械的に試験された接合部の強度と比較して提供する。LBIは、適切に準備され、エンジニアリングの意図を満たしている接合部の非破壊検査を提供する。^{[ 17 ]}

プルテスト

引張試験による接着強度の測定は、多くの場合、目的の破壊モードを把握する最良の方法です。さらに、せん断試験とは異なり、接着部が分離すると、破断面が互いに引き離されるため、正確な破壊モード解析が容易に行えます。接着部を引っ張るには、基板と相互接続部を把持する必要があります。サイズ、形状、材料特性によっては、特に相互接続部では、これは困難な場合があります。このような場合、正確に成形され、位置合わせされたピンセットの先端と、その開閉を精密に制御できるピンセットの先端が、成功と失敗の分かれ目となる可能性があります。^{[ 18 ]}

最も一般的な引張試験は、ワイヤ引張試験です。ワイヤ引張試験では、ワイヤの下から上向きの力を加えることで、ワイヤを基板またはダイから効果的に引き離します。

白色光干渉法は、光学測定に基づいてウェーハ表面の変形を検出するためによく用いられる。白色光源からの低コヒーレンス光が、光学トップウェーハ（例えばガラスウェーハ）を透過して接合界面に到達する。通常、白色光干渉計には3つの異なる種類がある。

• 回折格子干渉計
• 垂直走査型またはコヒーレンスプローブ型干渉計
• 白色光散乱板干渉計

白色光干渉計では、ゼロ次干渉縞の位置と干渉縞の間隔が波長に依存しないことが必要です。^{[ 20 ]} 白色光干渉法は、ウェーハの変形を検出するために利用されます。白色光源からの低コヒーレンス光が上部ウェーハを通過してセンサーに到達します。白色光はハロゲンランプによって生成され、変調されます。センサーキャビティの反射光のスペクトルは分光器によって検出されます。取得されたスペクトルは、センサーのキャビティ長を取得するために使用されます。キャビティ長dは印加圧力に対応し、センサーの光の反射スペクトルによって決定されます。この圧力値はその後スクリーンに表示されます。キャビティ長${\displaystyle d}$は、

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

と${\displaystyle n}$センサーキャビティ材料の屈折率として、$\displaystyle \lambda _{1}}$そして$\displaystyle \lambda _{2}}$反射スペクトルにおける隣接するピークとして。

白色光干渉法を特性評価方法として使用する利点は、曲げ損失の影響を低減できることである。^{[ 21 ]}