晶圓鍵合類(lèi)型介紹

晶圓鍵合分為7種類(lèi)型，如下所示：

1 直接晶圓鍵合

2 陽(yáng)極晶圓鍵合

3 粘合劑晶圓鍵合

4 玻璃料晶圓鍵合

5 共晶晶圓鍵合

6 瞬態(tài)液相 (TLP) 晶圓鍵合

7 金屬熱壓晶圓鍵合

1.直接晶圓鍵合

這是一種晶圓鍵合方法，其中兩個(gè)表面之間的粘附是由于兩個(gè)表面的分子之間建立的化學(xué)鍵而發(fā)生的。

通常，粘附力在室溫下較弱，通過(guò)高溫?zé)嵬嘶饘⑷蹑I轉(zhuǎn)變?yōu)楣矁r(jià)鍵可達(dá)到最大鍵合強(qiáng)度（工藝流程如圖 1 所示）。

對(duì)于 Si-Si 直接鍵合，退火溫度 >600°C 用于疏水鍵合（SiO2 在鍵合前通過(guò) 1-2% HF 從 Si 中去除）或 >900°C 用于親水鍵合（使用天然、熱生長(zhǎng)或沉積的氧化物） .經(jīng)過(guò)正確的熱退火處理后，結(jié)合強(qiáng)度達(dá)到了與硅體斷裂強(qiáng)度相同的范圍。

表面活化晶圓鍵合也是一種直接鍵合方法，它使用特殊的表面制備工藝（表面活化）以通過(guò)控制表面化學(xué)來(lái)改變和控制鍵合機(jī)制。

表面活化后，與未活化表面相比，在室溫下形成更高能量的鍵（甚至是共價(jià)鍵），因此通過(guò)在整個(gè)鍵合界面形成共價(jià)鍵達(dá)到最大鍵合強(qiáng)度所需的能量更低。

因此，這種情況下的退火溫度和退火時(shí)間遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)直接鍵合工藝。此類(lèi)工藝的退火溫度范圍為室溫至 400°C，具體取決于要粘合的材料

在各種工藝條件下用于直接晶圓鍵合的典型材料有：

Si、二氧化硅、石英、石英玻璃、其他玻璃（例如 borofloat、BK7、特殊性能玻璃）

化合物半導(dǎo)體（GaAs、InP、GaP等）

氧化物材料（LiNbO3、LiTaO3等）

直接鍵合的一般要求是表面的微粗糙度 <0.5 nm（在某些情況下，甚至更高的值也可以接受，具體取決于工藝條件邊界）。

微粗糙度通常定義為通過(guò)原子力顯微鏡 (AFM) 在整個(gè)基板的 2 x 2 μm2 區(qū)域上測(cè)量的表面 Rms。

2. 陽(yáng)極晶圓鍵合

最初報(bào)道的是將金屬表面連接到玻璃表面，術(shù)語(yǔ)“陽(yáng)極鍵合”如今主要用于識(shí)別硅晶圓與具有高堿金屬氧化物含量的玻璃晶圓的鍵合（圖 2）。

當(dāng)兩個(gè)晶圓接觸并施加電場(chǎng)后被加熱時(shí)，就會(huì)發(fā)生鍵合。

在一定溫度下（取決于玻璃成分），氧化物解離，移動(dòng)的堿離子被電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)進(jìn)入玻璃，在硅-玻璃界面形成富氧層。氧離子被電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)到硅表面并產(chǎn)生Si的氧化。由此產(chǎn)生的粘合強(qiáng)度非常高，并且該過(guò)程是不可逆的。

在設(shè)備方面，鍵合室提供良好的溫度均勻性并確保良好的電接觸非常重要。

3. 粘合劑晶圓鍵合

粘合劑晶圓鍵合是一種使用中間層進(jìn)行鍵合的技術(shù)。

聚合物、旋涂玻璃、抗蝕劑和聚酰亞胺是一些適合用作粘合中間層的材料。

中間層材料的選擇總是要考慮基板材料和形貌。

使用這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)是：低溫加工（最高溫度低于 400°C）、表面平坦化和對(duì)顆粒的耐受性（中間層可以包含直徑在層厚度范圍內(nèi)的顆粒）。

4. 玻璃料晶圓鍵合

這種類(lèi)型的粘合劑用作粘合低熔點(diǎn)玻璃的中間層。

通過(guò)在施加的接觸力下加熱基材實(shí)現(xiàn)粘合（圖 4）。

玻璃料粘合對(duì)表面粗糙度具有很高的容忍度，并且可以結(jié)合基板的高形貌。

玻璃料材料可通過(guò)絲網(wǎng)印刷沉積或用作玻璃預(yù)成型板。

該工藝非常可靠，主要 MEMS 設(shè)備制造商將其用于需要低真空封裝的應(yīng)用的大批量生產(chǎn)。

5. 共晶晶圓鍵合

這是一種晶圓鍵合工藝，它使用在鍵合過(guò)程中形成的共晶合金作為鍵合層。

共晶合金是在經(jīng)過(guò)液相的過(guò)程中在鍵合界面形成的：因此，與直接晶圓鍵合方法（金屬層可以摻入直徑小于共晶層厚度的顆粒）。

表 1 列出了用于晶圓鍵合應(yīng)用的一些主要共晶合金。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)溫度升高到低于共晶溫度（從頂部/底部同時(shí)加熱）的值時(shí)，可以獲得良好質(zhì)量的界面，并在短時(shí)間內(nèi)保持恒定以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)晶圓的均勻加熱，而不是通過(guò)加熱兩個(gè)加熱器再次升高達(dá)到超過(guò)共晶點(diǎn) 10-20°C 的溫度（取決于特定工藝條件和基材限制），然后冷卻至低于共晶溫度的溫度。

共晶晶圓鍵合不需要施加高接觸力。

由于工藝過(guò)程中形成的液相，高接觸力總是導(dǎo)致金屬?gòu)慕缑鏀D出，導(dǎo)致界面層均勻性差以及鍵合工具和鍵合室的污染。

所需要的輕微接觸力的作用只是保證兩晶圓接觸良好，以及鍵合機(jī)的兩個(gè)加熱器與晶圓背面接觸良好。

共晶晶圓鍵合是高真空應(yīng)用的良好候選者，因?yàn)橛捎趦H使用高純度組件，該過(guò)程具有非常低的特定除氣。

工藝過(guò)程中形成的液態(tài)熔體只能通過(guò)在不完美的表面上實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量密封來(lái)增強(qiáng)高真空兼容性。

6. 瞬態(tài)液相 (TLP) 晶圓鍵合

對(duì)于某些應(yīng)用，工藝溫度必須低于最常見(jiàn)的共晶合金的結(jié)合溫度 (300°C - 400°C)。

在這種情況下，可以使用替代工藝，從而形成金屬間化合物鍵合層。

在文獻(xiàn)中，這個(gè)過(guò)程以不同的名稱而為人所知，其中可以提到“擴(kuò)散焊接”或瞬態(tài)液相 (TLP) 鍵合。

這種鍵合工藝是一種先進(jìn)的焊料鍵合，可以在比其他鍵合技術(shù)更低的溫度下形成高質(zhì)量的氣密密封。

該技術(shù)使用一層薄金屬（通常為 1-10μm 厚），該金屬在熱過(guò)程中擴(kuò)散到其鍵合伙伴中，形成金屬間化合物層，其重熔溫度高于鍵合溫度（表 2）。工藝流程和推薦的熱分布與共晶晶圓鍵合相同（圖 6）。

與共晶晶圓鍵合相同，擴(kuò)散焊接鍵合對(duì) MEMS 真空封裝具有吸引力，因?yàn)樵撨^(guò)程在低溫（150°C - 300°C）下完成，并且鍵合后可以承受更高的溫度，鍵合層形成由金屬制成（低滲透性），并且它們可以平坦化表面缺陷或先前工藝產(chǎn)生的顆粒。

7. 金屬熱壓晶圓鍵合

人們常常錯(cuò)誤地認(rèn)為熱壓和共晶鍵合是一個(gè)單一的過(guò)程。

在熱壓粘合過(guò)程中，由于在加熱下壓在一起的兩個(gè)金屬表面之間建立了金屬鍵，因此兩個(gè)表面彼此粘附。

通過(guò)兩個(gè)接觸表面的變形來(lái)增強(qiáng)粘合機(jī)制，以破壞任何中間表面薄膜并實(shí)現(xiàn)金屬與金屬的接觸（圖 7）。

通過(guò)加熱兩個(gè)金屬表面，可以將鍵合過(guò)程中施加的接觸力降至最低。整個(gè)鍵合區(qū)域的高力均勻性導(dǎo)致高產(chǎn)量。

有幾種金屬可用于金屬熱壓接合，如 Au、Cu 或 Al。

這些被認(rèn)為對(duì)晶圓鍵合 MEMS 應(yīng)用很感興趣，主要是因?yàn)樗鼈冊(cè)谥饕㈦娮討?yīng)用中的可用性。

它們用于一種或另一種類(lèi)型的應(yīng)用取決于所用襯底的類(lèi)型（例如，不能在 CMOS 生產(chǎn)線中進(jìn)一步處理含 Au 襯底）。

通常，用于此過(guò)程的金屬會(huì)在表面上蒸發(fā)、濺射或電鍍。在這樣的過(guò)程中，確保金屬結(jié)合層與其基底之間的適當(dāng)擴(kuò)散阻擋層或粘附層是極其重要的。

金屬鍵合層的表面微粗糙度范圍從<1nm 到幾十nm，這取決于所使用的金屬、沉積技術(shù)和晶圓鍵合工藝條件。

審核編輯：劉清