晶圓直接鍵合及室溫鍵合技術研究

冒 薇

（蘇州經貿職業技術學院，江蘇 蘇州 215009）

0 引言

目前，直接鍵合技術已成為工業生產中的重要手段，已經被廣泛應用到各行各業，但由于有些設備的使用條件有限，還存在一些問題，例如：操作過程中容易產生磨損，影響直接鍵合的精度；某些部件的尺寸難以保證，因此需要重新調整，這也增加了人工成本。

1 晶圓直接鍵合工藝研究

直接鍵合工藝在工業上應用廣泛，主要有以下三個方面：（1）直接鍵合尺寸精度高，但由于其工藝性差，因此生產率低，所以一般采用熱沖壓或壓力沖模內沖孔的方法來提高其加工效率。（2）在保證零件質量的前提下，通過改變模具的結構設計，使之具有一定的互換性，從而達到降低成本的目的；（3）使用自動控制的方式來實現對熔融材料的溫度和時間調節，以滿足不同的產品需要。而晶圓直接鍵合是一種新型的無廢料成型工藝，它利用熱傳導的原理將熔融的晶體與固體進行連接，并加熱到特定的溫度和時間后，固化形成制品。它不僅能制造出形狀復雜的鑄件，而且還能制成各種金屬的復合板。

1.1 晶圓直接鍵合理論

晶圓直接鍵合是在普通的直接鍵合機中采用的一種新型的方法，它是利用了高強度的材料來制造的一個非常簡單的連接部件，其主要的特點就是可以實現機械的聯接，而且它的工藝性比較好，在生產過程中的成本也會降低很多，所以在工業上被廣泛的應用；為了使這個復雜的接頭能夠更加的簡便，我們通常會使用一些特殊的結構來進行處理。

1.2 晶圓直接鍵合過程

該工藝是在晶圓通過鍵合的方式進行的直接鍵合，其主要的特點是在晶圓中存在有一個或多個“點”，我們可以利用這些“點”來控制材料的溫度和壓力，從而實現對工件的有效加熱。（1）焊接的方法焊條的焊絲采用的是電弧焊，因為電弧的熔點比較低，所以不需要高溫高壓的條件下，但是由于熔滴的熱傳導，會使熔滴產生大量的熱并且伴隨著較高的熱量而熔化，同時也會使工件的表面質量下降，甚至出現裂紋等缺陷。為了避免這一問題，一般都要使用冷裂技術，這就使得生產效率提高，而且還能夠保證產品的一致性和美觀性。（2）熔體的流動方向的變化在相同的環境下，結晶度的大小與金屬的純度成正比，當純度達到一定時，則所得到的結果為晶體的最大尺寸，因此要對所獲得的數據分析，才能確定出所需的最小壁厚。

1.3 晶圓直接鍵合溫度場分布

在實際應用中，晶面的溫差對直接鍵合工藝的影響比較大，一般情況下，晶面的溫差越大，直接鍵合的質量越好，但如果不加控制，就會使其產生較大誤差，甚至導致直接鍵合停止。因此必須采取有效措施加以避免，使其盡量減小。

2 晶圓直接鍵合對晶圓直接鍵合性能影響的分析

在相同的溫度下，晶圓的單相接點處的切向切應力比在一定的范圍內的情況下，單相直接鍵合的接觸件的表面質量會提高，而當晶圓發生熱裂紋的位置和數量較多時，則會導致其出現燒結現象，這就需要我們對其進行熱處理來消除裂紋。對于普通的直接相鍵合，其主要是通過焊接來實現的；而這種方法的缺點是焊縫的產生比較的困難，并且焊縫的深度不能滿足要求，同時也不容易保證所有的接頭都能得到很好的保護。

2.1 晶體鍵合力學參數

因為在直接鍵合過程中，溫度和晶圓的尺寸都會影響到鍵合的成形質量，所以在制造工藝上有一定要求。（1）在焊接的時候需要保證其的硬度和強度，一般采用的方法是直接焊法，即通過焊條來實現的；（2）為了提高晶體的純度，通常會把控制定位進行改動，這樣可以使晶體的厚度更加均勻，并且還能夠使其變得更薄，但是這種方式也有缺點，比如說結構的改變會使得所需的時間增加，而且由于晶粒的存在還會導致斷裂的可能性也大大的增大；（3）如果直接鍵合是以連續相切作為基，那么它就不容易產生應力集中，同時還不便于消除或減小裂紋等缺陷，因此用量較大，但實際情況下還是不能用。不過隨著科技發展，現在已經使用了一些新技術，如：電弧等離子體等離子弧離子束外延生長法、激光熔覆技術等，這些新技術都能有效地改善晶體的形貌，從而得到理想的結晶狀態。

2.2 晶圓直接鍵合的微觀形貌

從晶圓的結晶過程中可以看出，晶面的形貌是由原子運動的結果所決定的，主要體現在以下幾個方面：（1）在晶體的生長、成形以及連接的工藝參數中，晶面的形狀和大小是影響直接鍵合的最重要的因素之一。（2）在直接鍵合的操作方法中，由于控制的不同而產生的溫度也會有差異。（3）需要避免焊接時的引腳處的熔絲被擊穿。可知，晶面的形貌與直接構成的整體共點的形貌有關，與共點的數量有著密切的關系；間接型的結構比共點的存在要復雜的多，這說明直接鍵合的實現需要通過加熱或保溫的方式來完成。

2.3 晶圓直接鍵合的電學特性

半導體的制造工藝中，鍵合的電學特性是其最重要的性能指標之一。在實際的生產應用過程中，主要表現在以下幾個方面：（1）在絕緣體的工作界面上，由于晶圓的存在導致了絕緣體的損耗和熱導率降低，從而造成了光的損失和熱導率的下降；（2）在焊接的時候，會產生大量的熱量并且容易使溫度升高，而影響其正常的運轉；（3）使用大功率的設備時，因為鍵的數量級的增加或者出現的電極數目的增多都會對其的匹配帶來困難。

3 晶圓直接鍵合及室溫鍵合技術

在半導體制造過程中，晶圓通過鍵合或直接鍵合與其他元素發生連接，從而實現對所需部件的有效接觸。在工業領域中，主要應用的是晶圓直接鍵合技術。其原理是利用電子的能量來傳遞，使其具有一定的導電性，而不是將所有的材料一起進行串聯。由于這種方法的操作簡單，易于控制，所以廣泛應用于機械、汽車、航空等行業。對于普通的晶體器件，通常都采用直接鍵合的方式來完成相對應的焊接工作。但是因為需要使用大量的焊劑，而且還存在著焊劑容易揮發的缺點（如易揮發），因此必須要考慮到這些問題。而隨著科技的發展和人們生活質量的提高以及社會的需求量的增加，人們對各種元器件的要求也越來越高，這就促使了許多新的相對應的焊接工藝不斷地被開發出來。

3.1 晶圓直接鍵合測量

由于直接鍵合的結構比較簡單，在實際生產過程中應用也非常廣泛，所以在實驗室中得到了很好的驗證性，但是因為直接鍵合的復雜性和靈活性，對其進行溫度場分析時，必須要考慮到以下幾個方面：

晶面點合是通過點接方式實現的一種簡單的冷端面的操作方法。在直接鍵合過程中，主要是利用兩個鍵的相對運動來完成對點接的要求；在直接鍵合的時候也需要一個與之相匹配的點接，才能夠保證其最終的一致性和可靠性。（1）中心軸的軸心線與連接處的圓角，由于晶面上的正六邊形的存在，使得其具有了對稱性，因此當我們把軸心線上的正八邊形的長度加到一維的平面中，就會形成了一條條帶狀線形，這種圖形的特點就是均勻的分布著整個圓的一半區域，并且沒有任何的缺陷出現。（2）連接處的圓角因為在直接切試的時候，都會有一定量的接觸面積，所以它的半徑大小都是比較小，但是不會影響到切試的質量和結果的準確性，而且還可以防止其他的因素對其造成的干擾等。同時它的尺寸很小，容易控制，因而非常適用于一些小型的設備上。

3.2 晶圓直接鍵合物理性質

鍵合的原理是在復合材料中的一個或多個相界面上，通過兩個相的相互作用實現的；在這個過程中，由于存在大量的熱應力，所以在鍵合點處會產生許多熱變形，從而引起了溫度的變化；同時，也會出現很多的應變和應力，這些都可以導致晶圓的尺寸發生改變。

4 結束語

在電子工業中，直接鍵合工藝和普通的間接相配合，是實現無接觸自動焊接的主要方法，但是在實際生產過程中，由于各種因素的影響，導致了最終的產品質量不穩定，所以需要對這些問題進行改進，使其能夠滿足應用需求。