關(guān)于LTCC晶片和Si晶片之間的陽(yáng)極鍵合實(shí)驗(yàn)報(bào)告

本文描述了我們?nèi)A林科納在LTCC（低溫共燒陶瓷）晶片與硅晶片之間同時(shí)建立的陽(yáng)極鍵合的電連接。本研究首先研究了陽(yáng)極鍵接前的甲酸蒸汽預(yù)處理，以去除鍵接墊上的錫表面氧化物，為了實(shí)現(xiàn)更小的芯片尺寸、更高的性能、更高的可靠性和更高的MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）的產(chǎn)量，薄片級(jí)的密封包裝技術(shù)是必不可少的。

圖2顯示出了所提出的與陽(yáng)極鍵合并聯(lián)的電連接方法。在硅晶片上制備Cu/Ti電極，在LTCC晶片上制備與Cu/Ti電極連接的Sn/Cu/Cr鍵合墊，Sn應(yīng)該沉積得足夠厚，以使Sn/Cu/Cr鍵合墊的高度比晶片之間的電極間隙大幾百納米，在陽(yáng)極鍵合過(guò)程中，熔點(diǎn)為232°C的Sn被Cu/Ti反映體熔化并推動(dòng)以填充電極間隙，而要鍵合的Si和LTCC表面完全形成硬接觸。

該方法利用金屬多層的瞬態(tài)液相(TLP)，因此不需要精確控制粘接墊和電極的高度，也不需要粘接墊周圍的大粘接區(qū)域來(lái)吸收它們的突出部分，即高度邊緣。此外，接觸中的Sn和Cu相互擴(kuò)散，形成在鍵合溫度下不再熔化的金屬間化合物。如前所述，對(duì)于薄膜厚度和蝕刻深度之總和，±為0.25μm的公差，因此所提出的方法可以容忍晶片上和批量加工誤差和不均勻性。本研究研究了TLP鍵合條件，并分析了鍵合墊中所得到的金屬結(jié)構(gòu),為此目的，我們特別研制了一種晶圓結(jié)合劑。

我們開(kāi)發(fā)了一種新的晶片粘合劑，其中金屬表面氧化物去除、晶片對(duì)準(zhǔn)和晶片粘合可以依次進(jìn)行，而不打破真空,圖3為晶片粘合器的系統(tǒng)配置,為了去除金屬表面氧化物，晶片被加熱，并在減壓下暴露在甲酸蒸汽中,晶片必須在短時(shí)間內(nèi)（例如，幾秒鐘）內(nèi)被加熱到鍵合溫度或至少是Sn的熔點(diǎn)，否則由于金屬與金屬間的相互擴(kuò)散，在鍵合前產(chǎn)生金屬間化合物,為了這種快速加熱，晶片在預(yù)熱晶片轉(zhuǎn)移臺(tái)上排列，然后在不破壞真空的情況下轉(zhuǎn)移到預(yù)熱粘合室,晶圓片溫度下降了ca,粘接結(jié)束后1分鐘內(nèi)100°C，1分鐘后在空氣散熱器上進(jìn)一步下降到室溫。

在本研究中，晶圓鍵合在1×10-3Pa或更低的真空中進(jìn)行,在晶片轉(zhuǎn)移到結(jié)合室后，將結(jié)合壓力和電壓施加到對(duì)準(zhǔn)晶片上10分鐘,對(duì)晶圓溫度進(jìn)行了校準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)其溫度為ca,比已控制的加熱器溫度低100°C,圖4顯示了加熱器和嵌入熱電偶的假晶片的典型溫度變化,從圖中可以看出，在鍵合過(guò)程中，溫度并沒(méi)有達(dá)到平衡。根據(jù)圖中所示的校準(zhǔn)，預(yù)測(cè)了鍵合過(guò)程中的實(shí)際晶圓溫度。

在陽(yáng)極鍵合過(guò)程中被熔化和擠壓，確保了Si-to-LTCC和金屬對(duì)金屬表面的接觸,然而，在空氣中，像Sn這樣的低熔點(diǎn)金屬很容易被表面氧化物覆蓋，這可能會(huì)導(dǎo)致接觸電阻和熔點(diǎn)的升高、可靠性的下降等。因此，為了去除表面氧化物，研究了甲酸氣蝕刻。

以上結(jié)果證實(shí)了甲酸蒸汽預(yù)處理在高溫和/或長(zhǎng)期預(yù)處理破壞了金屬多層結(jié)構(gòu)，擴(kuò)散粘接墊的熔點(diǎn)可能高于所需的粘接溫度，使得預(yù)期的TLP粘接不可能，同時(shí)還證實(shí)，在250°C預(yù)處理5分鐘后，粘接墊大致保持了金屬多層結(jié)構(gòu)。因此，在本研究中，我們對(duì)樣品進(jìn)行了250°C的鍵合實(shí)驗(yàn)預(yù)處理5min，在此條件下可以預(yù)期回流效應(yīng)。

整個(gè)厚度的橫截面幾乎呈均勻狀，沒(méi)有明顯的空隙，EDX結(jié)果表明，Sn/Cu原子比約為50/50%，厚度方向大致均勻，Ti和Cr含量較少，通過(guò)透射電鏡（透射電鏡）詳細(xì)觀察了金屬層與硅晶片之間的界面，硅片上仍粘附鉻和鈦層，然而，在Ti粘附層中發(fā)現(xiàn)了一些顏色的差異，這可能是銅，在鈦粘附層附近的銅中也發(fā)現(xiàn)了一些空隙，它們可能會(huì)對(duì)電氣連接的可靠性有一定的影響。

本研究中描述的TLP鍵合可總結(jié)如下，轉(zhuǎn)移到粘合室的樣品被壓下并加熱到ca，請(qǐng)?jiān)趲酌腌妰?nèi)完成350°C，然后，Sn層熔化，下面的銅層和反銅電極開(kāi)始溶解在熔化的Sn中，當(dāng)熔化的Sn中的銅濃度達(dá)到ca時(shí)，在350°C時(shí)，固相開(kāi)始在液相中沉淀，通過(guò)陽(yáng)極鍵建立密封和通過(guò)金屬對(duì)金屬鍵建立電連接，對(duì)于金屬對(duì)金屬的鍵合，選擇了Sn和Cu的組合，使其熔化并吸收粘合墊的高度邊緣，當(dāng)使用Sn等低熔點(diǎn)金屬時(shí)，不需要精確控制鍵合墊的高度來(lái)確保陽(yáng)極鍵合表面的整個(gè)接觸，此外，建立的錫-銅金屬間化合物/合金組成的電連接的再熔點(diǎn)高于Sn的原熔點(diǎn)。

作為金屬間鍵合的預(yù)處理方法，研究了甲酸蒸汽對(duì)錫表面氧化物的去除作用，在150°C或更高時(shí)進(jìn)行表面氧化物去除，在250°C時(shí)預(yù)處理得到光滑的Sn表面，可能是由于再流效應(yīng)，多層粘接墊中的相互擴(kuò)散也在250°C下進(jìn)行，但5min后金屬多層結(jié)構(gòu)仍然存在，將在250°C下預(yù)處理5min的樣品進(jìn)行了鍵合實(shí)驗(yàn)，陽(yáng)極鍵合和電連接均取得了成功。

審核編輯：鄢孟繁