晶圓直接鍵合技術(shù)發(fā)展分析

摘 要：晶圓直接鍵合是通過晶圓界面處的原子在外界能量的作用下，通過范德華力、分子力甚至原子力使晶圓鍵合成為一體的技術(shù)。該鍵合技術(shù)由于避免了中介層引起的污染也無需外部電場(chǎng)的作用而成為研究熱點(diǎn)。本文結(jié)合專利文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)情況，對(duì)晶圓直接鍵合技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了分析，并從分析結(jié)果中得到了有益的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：低溫鍵合 直接鍵合 晶圓

一、晶圓鍵合技術(shù)發(fā)展介紹

20世紀(jì)80年代， 由美國IBM公司的Lasky和日本東芝公司的Shimbo等人提出了硅晶圓直接鍵合技術(shù)，該技術(shù)是把兩片經(jīng)過鏡面拋光的硅晶圓片經(jīng)表面清洗， 在室溫下直接貼合， 再經(jīng)過退火處理提高鍵合強(qiáng)度， 將兩片晶圓結(jié)合成為一個(gè)整體的技術(shù)。為獲得足夠高的硅-硅晶圓鍵合強(qiáng)度， 通常需要施加較高的退火溫度 （800～1000℃） ， 該退火溫度接近硅材料的熔點(diǎn) （1410℃）， 因此該方法又被稱為硅熔鍵合或熱鍵合法。由于晶圓直接鍵合不需要借助于中間層，可實(shí)現(xiàn)材料之間的直接連接，并且也沒有雜質(zhì)引入，因此，在其誕生之初便成為了熱門的鍵合方法，但是由于該方法需要在800～1000℃的高溫退火條件下才能達(dá)到足夠的鍵合強(qiáng)度，而高溫退火過程中，則容易誘發(fā)內(nèi)部元件的熱應(yīng)力，同時(shí)還可能會(huì)導(dǎo)致?lián)诫s元素發(fā)生有害擴(kuò)散，以及對(duì)溫度敏感元件造成很大損傷，因此很大程度上限制了其在晶圓級(jí)封裝方面的應(yīng)用。

為克服直接鍵合因高溫退火所引發(fā)的異質(zhì)材料、結(jié)構(gòu)間的熱膨脹和熱應(yīng)力，20世紀(jì)90年代以來低溫鍵合（<250℃）方法已成為發(fā)展的主流，其相關(guān)鍵合方法的開發(fā)和鍵合機(jī)理的研究成為晶圓鍵合領(lǐng)域的熱點(diǎn)，得到國內(nèi)外研究學(xué)者的廣泛關(guān)注。研究者們圍繞著低溫晶圓鍵合做了大量工作，提出了等離子體鍵合方法，超高真空鍵合法，表面活化法等鍵合方法。雖然上述方法在一定條件下可實(shí)現(xiàn)低溫甚至室溫下的晶圓直接鍵合，為其在電子產(chǎn)業(yè)中的實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。但其應(yīng)用條件較為苛刻且會(huì)帶來相應(yīng)的污染問題，因此，尋找一種簡(jiǎn)單易行、鍵合缺陷少、綠色環(huán)保的低溫晶圓直接鍵合方法是目前亟需解決的問題。

二、晶圓直接鍵合技術(shù)的專利申請(qǐng)狀況統(tǒng)計(jì)分析

圖1-2是根據(jù)VEN專利數(shù)據(jù)庫中涉及晶圓鍵合技術(shù)的專利申請(qǐng)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)而制作。圖1所示為不同國家或地區(qū)的相關(guān)申請(qǐng)量分布情況，在VEN數(shù)據(jù)庫中，有關(guān)于晶圓鍵合的專利申請(qǐng)量多達(dá)17000多件，其中，美國、日本、韓國等電子工業(yè)發(fā)達(dá)國家在該技術(shù)領(lǐng)域中仍然發(fā)揮了重要作用，申請(qǐng)量也非常可觀。可喜的是，中國作為發(fā)展中國家也正以迅猛的勢(shì)頭在這場(chǎng)技術(shù)革新中穩(wěn)步前進(jìn)。圖2所示為2000年以后，低溫晶圓鍵合技術(shù)專利申請(qǐng)量與整個(gè)晶圓鍵合技術(shù)專利申請(qǐng)量的對(duì)比圖，由圖中可以看出，進(jìn)入2000年以后，低溫晶圓鍵合技術(shù)占整個(gè)晶圓鍵合技術(shù)的專利申請(qǐng)量的比重高達(dá)百分之七十，充分說明了低溫晶圓鍵合技術(shù)正以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)吸引著全球科研工作者的眼球。

結(jié) 論

近年來，為了盡可能減小傳統(tǒng)的高溫硅熔鍵合所引發(fā)的多種材料、結(jié)構(gòu)間的熱膨脹和熱應(yīng)力， 如何在較低退火溫度條件下實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體晶圓鍵合是研究者們關(guān)注的問題。低溫鍵合工藝被認(rèn)為是發(fā)展的主流， 其相關(guān)研究已在美國、歐洲和日本等諸多大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)中廣泛開展。其中無需加熱的室溫鍵合技術(shù)更被視為下一代制造工藝的備選， 半導(dǎo)體制造的相關(guān)廠商也均投入大量研究經(jīng)費(fèi)， 開發(fā)室溫鍵合方法及工藝， 因此開展室溫晶圓直接鍵合研究， 對(duì)于推動(dòng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步具有重要意義。為了在電子科技領(lǐng)域趕上甚至趕超發(fā)達(dá)國家的技術(shù)水平，中國具有加大投入研發(fā)該技術(shù)的需求，加強(qiáng)技術(shù)改進(jìn)，并注重自主創(chuàng)新研發(fā)，來增強(qiáng)我國的科技實(shí)力。

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作者簡(jiǎn)介：劉文杰，單位：國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作湖北中心。