圓片鍵合方法研究進展

摘要：本文將圓片鍵合的各種方法分為三類：無中介層鍵合、有中介層鍵合、低溫鍵合。并對其優缺點及各種改進方法進行了分析，為圓片級鍵合的應用和設計提供了可靠思路。

關鍵詞：陽極鍵合 熔融鍵合 共晶鍵合 黏著鍵合 玻璃漿料鍵合 熱壓鍵合

1 概述

鍵合是半導體制造過程中一種不可或缺的技術，絕大多數電子產品的材料、結構間機械及電氣的連接都會用到鍵合技術。它是把兩片完整的圓片，包括裸片及已經制備好的器件，通過直接或間接的方法形成良好接觸的一種半導體制造技術[1]。

圓片鍵合是一種把大尺寸圓片材料一次性集成在一起的新興微電子制造技術，在IC、微機電系統和封裝中的應用日益廣泛。

圓片鍵合方法按照有沒有中介層可以分為兩類：有中介層鍵合方法及無中介層鍵合方法。其中有中介層鍵合方法包括黏著鍵合、共晶鍵合、玻璃漿料鍵合及熱壓鍵合四種。無中介層鍵合方法包括靜電鍵合/陽極鍵合和圓片熔融鍵合/直接鍵合；若按照溫度高低可分為高溫鍵合及低溫鍵合兩類。

2 有中介層鍵合

2.1 共晶鍵合

共晶鍵合是讓兩種金屬熔合為合金并固化，且使其重新凝固后的混合物能形成晶體結構。常用于共晶鍵合的金屬材料有AuSn、AuSi、CuSn、AuGe及AlGe等。共晶鍵合過程中，基片上的金屬層在特定溫度下相互熔合。合金溫度決定了合金的沉積量或金屬層厚度。金屬材料熔化會使金屬層在結合面處加速混合及消耗，并且金屬可以形成流體狀態從而能使其界面上的區域平坦化。最終能在界面處形成一個穩定的熔融金相。該方法的優點是對鍵合表面的平整度、形貌和潔凈度的要求不高，即使在表面起伏較大甚至存在顆粒的情況下，也可以形成良好鍵合。陳繼超等人利用銀錫共晶鍵合技術實現了MEMS壓力傳感器的氣密封裝。他們對Ag-Sn共晶鍵合工藝中3個參數：加熱溫度、加熱時間和靜載荷大小做了對比實驗與分析。實驗結果表明，溫度為230℃、加熱時間為15 min、靜載荷為0.0039MPa～0.0078MPa時都能達到較好效果[2]。

2.2 黏著鍵合

黏著鍵合是使用黏合劑將圓片鍵合的一種技術。鍵合時需施加壓力并且需對基片加熱。常用的黏合劑是環氧樹脂。除此之外，光刻膠，旋涂玻璃，聚酰亞胺以及有機硅等也常用做黏合劑。黏著鍵合在微電子封裝中使用較為廣泛，因為其工藝簡單并且成本低。但由于其導熱、導電的不足，以及該方法并不能實現完全氣密性封裝，故在對可靠性要求較高的微機電系統封中的使用受到限制[3]。黏著鍵合對于表面厚度偏差、顆粒以及表面粗糙度要求不高，故不能完全密封，因此在高溫收縮性方面表現較差[4]。

Singh R等對InP進行He離子注入，并利用SOG玻璃作為中間層對InP和Si進行鍵合，成功的將InP層轉移到Si上，厚度為650nm，如圖1所示。InP層表面粗糙度為8nm，經過化學機械拋光后，可以作為器件層的襯底[5]。

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2.3 玻璃漿料鍵合

玻璃漿料鍵合是一種使用玻璃漿料并利用絲網印刷技術來實現鍵合的技術。通常，圖形化后的漿料厚度為10-30μm，在每個芯片周圍覆蓋的環形區域為30-200μm寬。利用烘烤的方法去除多余溶劑后，再對準晶片進行熱壓鍵合。其優點是能實現氣密性封裝，且工藝簡單，鍵合界面特性為大眾所接受。但其潔凈度不高，密封圈占用較大面積以及不能實現高精度對準等缺點影響了其使用范圍。

2.4 熱壓鍵合

在特定溫度和壓力下實現的金屬間鍵合即為熱壓鍵合。熱壓鍵合通常有兩個鍵合點。其優點是鍵合工藝簡單且鍵合牢固，強度高，在略粗糙的表面上也能實現鍵合。缺點是對表面清潔度較敏感，且溫度對元件的影響不能較大。適用于單片式大規模集成電路。

3 無中介層鍵合

3.1 靜電鍵合/陽極鍵合

靜電鍵合又稱陽極鍵合，它可以不用任何粘結劑把玻璃與合金、金屬或半導體鍵合在一起。其工藝如圖2所示。將需要鍵合的硅片接電源正極，玻璃接負極，電壓設置為500～1000V。然后把玻璃-硅片加熱到300～500°C。在電壓作用下，玻璃中的Na將向負極方向漂移，因此會在緊鄰硅片的玻璃表面形成耗盡層。而耗盡層帶負電，硅片帶正電，這樣在硅片和玻璃之間就會存在較大的靜電引力，從而使它們緊密接觸。外加電壓主要作用于耗盡層。靜電鍵合的過程可以通過電路中電流的變化情況來顯示。當電流脈沖較大時，說明剛加上電壓，當電流逐漸減小直至幾乎為零時，則說明鍵合已經結束。

靜電鍵合的優點是不需要中介層，鍵合溫度低，殘余應力小、鍵合強度高，工藝條件簡單，氣密性和可靠性方面也性能良好，目前廣泛應用于微機電系統產品如加速計，壓力傳感器及微流體等器件的生產過程[6]。但其使用也存在一定局限性，這是因為它是一種非集成電路工藝，存在堿金屬離子污染的問題，并且鍵合過程往往需要使用高電壓。

鄭志霞等人運用陽極鍵合技術，對絕緣體上硅（SOI）/玻璃進行陽極鍵合實驗，從平板式陽極引一根探針電極到SOI器件層表面，使鍵合電壓直接加在耗盡層上，避免埋氧層厚度對鍵合的影響，提高鍵合靜電力[7]。

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3.2 圓片熔融鍵合/直接鍵合

圓片熔融鍵合是把兩塊表面光滑的硅片在不使用任何中間層材料和粘結劑的情況下經過特殊處理后在特定溫度和壓力下鍵合起來的技術。其工藝過程如圖3所示。該技術主要用于Si-SiO2、Si-Si，SiO2-SiO2間的鍵合，由于該鍵合過程無需外加電場且與鍵合材料的點陣參數、晶向及結構無關，也沒有鍵合熱應力問題，故其原理、方法較簡單，因此廣泛應用于微機電系統封裝，例如壓電、光電、聲電等器件的制造過程。

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圓片熔融鍵合又可分為親水性鍵合和疏水性鍵合兩種。何福林等人利用硅片表面的接觸角等研究比較了不同清洗方式對硅片親水性的影響，并采用紅外透視儀及拉伸測試法對鍵合質量測試比較，試驗結果表明RCA1的清洗處理對硅片表面親水性提高程度較大，等離子體處理能夠大幅提高硅片親水性但要嚴格控制處理時長[8]。

4 低溫鍵合

低溫鍵合是把兩片拋光硅片經表面清潔處理后在一定溫度和壓力下鍵合的技術[9]。目前，低溫鍵合法主要有四種：①表面活化低溫鍵合：利用離子撞擊作用破壞晶圓表面原有化學鍵而形成新化學鍵實現的鍵合；②真空鍵合：首先在真空中對兩片晶圓實現預鍵合，然后在較低的退火溫度下實現所需鍵合強度，最后完成鍵合；③中間介質鍵合：在較低退火溫度下，通過在兩晶圓表面涂布低熔點的介質實現的鍵合；④濕法活化低溫鍵合：利用不同溶液的化學作用在硅晶圓表面增加懸浮鍵，以增加硅晶圓表面的活化能實現鍵合。其中，真空鍵合要求環境為真空，故成本較高，而中間介質鍵合不適用高溫環境，對氣密性要求良好的封裝也不適用。因此，表面活化低溫鍵合以及濕法活化低溫鍵合較為常用。

葛羽屏研究了使用非光敏BCB的水平式低溫晶圓級鍵合在諧振式壓力傳感器封裝中的應用。這種鍵合技術工續簡單，成本低，產量高，溫度低，可用于玻璃-硅和硅-硅鍵合[10]。

另外，王偉等人研究了玻璃漿料在低溫下真空封裝MEMS 器件的工藝。封裝過程中，采用了絲網印刷技術，絲網的線寬設計為100μm，印刷后玻璃漿料線寬為160 μm左右，從而能夠減小封裝器件的尺寸，節省成本；另外，對玻璃漿料鍵合工藝做了研究，找到了較好的工藝條件，采用該工藝（ 預燒結溫度425℃，鍵合溫度430℃），得到的封裝結構具有較高的封接強度（ 剪切力>20kgf）和良好的真空度，測得的漏率為10-9cm3/s[11]。

5 結語

圓片鍵合是一種新興的半導體制造技術，發展迅猛。目前在三維微結構的集成、新材料制備、IC和MEMS 器件的生產和封裝上都得到了廣泛應用。越來越多的研究機構參與到圓片鍵合的研究中來，各大公司也加大了對鍵合技術的投入，并積極研制相應的設備。這些跡象都表明，圓片鍵合是一項具有光明前景和強大競爭力的微加工技術。本文對圓片鍵合的各種方法進行了分類，并對其適用環境和優缺點進行了分析，于此同時還對各種改進方法進行了總結，為圓片級鍵合的應用和設計提供了可靠的思路。

參考文獻：

[1]李和太，李曄辰.硅片鍵合技術的研究進展[J].傳感器世界，2002，9：6-10.

[2]陳繼超.利用銀錫共晶鍵合技術的MEMS壓力傳感器氣密封裝[J].納米技術與精密工程，2013，3（2）：174-178.

[3]C-T Pan，H Yang，S-CShen.A low-temperature wafer bonding technique using patternable materials[J].Micromech Microeng，2002，12：611～615.

[4]Shari Farrens，SUSS MicroTec. 晶片鍵合基礎介紹[J].集成電路應用，2007（5）：52.

[5]Singh R，Radu I，Scholz R etal.Low temperature InP layer transfer onto Si by helium in plantation and direct wafer bonding[J].Semicond Scitechnol，2006，21（9）：1311-1314.

[6]何國榮，陳松巖.Si-Si直接鍵合的研究及其應用[J].半導體光電，2003，24（3）：149～153.

[7]鄭志霞.埋氧層對SOI/玻璃鍵合的影響及其鍵合工藝的改進[J].廈門大學學報（自然科學版），2012，11（6）：1011-1015.

[8]何福林.低溫直接鍵合硅片親水性及其鍵合效果評價[J].航空精密制造技術，2011，47（3）：40-43.

[9]王凌云.基于干濕法活化相結合的硅-硅低溫鍵合[J].廈門大學學報（自然科學版），2013，3（2）：165-171.

[10]葛羽屏.MEMS低溫圓片級鍵合密封工藝研究[J].壓電與聲光，2013，2（1）：105-107.

[11]王偉.低溫玻璃漿料圓片級真空封裝的研究[J].傳感器與微系統，2012，31（1）：62-64.

作者簡介：胡燕妮（1982-），女，講師，湖北武漢人，研究方向為芯片封裝。