內容

1 直接晶圓鍵合

2 陽極晶圓鍵合

3 晶圓粘合

4 玻璃熔塊晶圓鍵合

5 共晶晶圓鍵合

6 瞬態液相 (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，其中兩個表面之間的粘附是由于兩個表面分子之間建立的化學鍵而發生的。
• 通常，室溫下的粘合力很弱（由范德華力介導），通過高溫熱退火將弱鍵轉變為共價鍵，從而達到最大粘合強度（工藝流程如圖 1 所示）。

• 對于 Si-Si 直接鍵合，疏水鍵合的退火溫度為 >600°C（在鍵合之前用 1-2% HF 從 Si 中去除 SiO2），親水鍵合的退火溫度為 >900°C（使用天然、熱生長或沉積的氧化物） 。經過正確的熱退火后，結合強度達到與硅體斷裂強度相同的范圍。

• 表面活化晶圓鍵合也是一種直接鍵合方法，它使用特殊的表面處理工藝（表面活化），通過控制表面化學來改變和控制鍵合機制。
• 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（甚至共價鍵），因此通過在整個鍵合界面上形成共價鍵來達到最大鍵合強度所需的能量較低。
• 因此，這種情況下的退火溫度和退火時間比標準直接鍵合工藝低得多。此類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。此工藝使用的典型表面活化是使用 EVG®800 系列等離子體室進行等離子體活化，以實現精確的工藝控制。
• 在各種工藝條件下用于直接晶圓鍵合的典型材料有：
  • 硅、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觀粗糙度<0.5 nm（在某些情況下，甚至可以接受更高的值，具體取決于工藝條件邊界）。
  • 微觀粗糙度通常定義為通過原子力顯微鏡 (AFM) 在基板上的 2 x 2 μm² 區域上測量的表面 Rms。

陽極晶圓鍵合

• “陽極鍵合”一詞最初用于將金屬表面連接到玻璃表面，如今主要用于識別硅晶圓與堿金屬氧化物含量高的玻璃晶圓的鍵合（圖 2）。

• 陽極鍵合主要使用的玻璃材料是德國肖特玻璃公司的Borofloat和美國康寧公司的Pyrex7740。
• 當兩個晶片接觸后被加熱并施加電場時，就會發生鍵合。
  • 在一定溫度下（取決于玻璃成分），氧化物解離，移動的堿離子被電場驅動進入玻璃，在硅-玻璃界面處形成富氧層。氧離子被電場驅動到硅表面并產生硅的氧化。由此產生的粘合強度非常高，并且該過程是不可逆的。
• 在設備方面，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. 晶圓粘合

• 晶圓粘合鍵合是一種使用中間層進行鍵合的技術。
• 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。
• 中間層材料的選擇始終要考慮基板材料和形貌。
• 使用這種方法的主要優點是：低溫加工（最高溫度低于400°C）、表面平坦化和對顆粒的耐受性（中間層可以包含直徑在層厚度范圍內的顆粒）。

4. 玻璃熔塊晶圓鍵合

• 這種類型的粘合劑用作粘合低熔點玻璃的中間層。
• 通過施加接觸力加熱基材來實現粘合（圖 4）。

• 玻璃熔塊粘合對表面粗糙度具有較高的耐受性，并且可以結合基材的高形貌。
• 玻璃料材料可以通過絲網印刷沉積或用作玻璃預成型片。
• 該工藝非常可靠，主要 MEMS 器件制造商在大批量生產中用于需要低真空封裝的應用。

5. 共晶晶圓鍵合

• 這是一種晶圓鍵合工藝，使用鍵合過程中形成的共晶合金作為鍵合層。
• 共晶合金是在經過液相的過程中在鍵合界面處形成的：因此，與直接晶圓鍵合方法相比，共晶鍵合對表面平整度不規則性、劃痕以及顆粒不太敏感（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用的一些主要共晶合金。

• 對于成功的共晶鍵合工藝，鍵合機確保整個晶圓表面具有良好的溫度均勻性并很好地控制溫度值（避免超過設定點）非常重要，以獲得可靠的工藝。
• 實驗結果表明，當溫度升高到低于共晶溫度的值（從頂部/底部同時加熱），短時間保持恒定以達到兩片晶圓均勻加熱，然后通過加熱兩個加熱器再次增加時，可以獲得良好質量的界面到超過共晶點的溫度10-20°C（取決于具體的工藝條件和基材限制），然后冷卻到低于共晶溫度的溫度。
• 共晶晶圓鍵合工藝的典型熱曲線如圖 2 所示。6

• 共晶晶圓鍵合不需要施加高接觸力。
• 由于在工藝過程中形成液相，高接觸力總是導致金屬被擠出界面，導致界面層均勻性差以及鍵合工具和鍵合室的污染。
• 所需的輕微接觸力的作用只是保證兩片晶圓良好接觸，以及邦定機的兩個加熱器與晶圓背面良好接觸。
• 共晶晶圓鍵合是高真空應用的良好選擇，因為該工藝僅使用高純度組件，因此具有非常低的特定除氣量。
• 加工過程中形成的液態熔體只能通過在不完美的表面上實現高質量密封來增強高真空兼容性。

6. 瞬態液相 (TLP) 晶圓鍵合

• 對于某些應用，工藝溫度必須低于最常見的共晶合金的粘合溫度 (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。
• 在文獻中，該工藝有不同的名稱，其中可以提到“擴散焊接”或瞬態液相（TLP）鍵合。
• 這種鍵合工藝是一種先進的焊料鍵合，可以在比其他鍵合技術更低的溫度下形成高質量的氣密密封。
• 該技術使用一層薄金屬（通常為 1-10μm 厚），在熱處理過程中擴散到其鍵合伙伴中，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曲線與共晶晶圓鍵合相同（圖 6）。

• 表改編自[G. Humpston 和 D. Jacobson，《焊接原理》，ASM International 2004 年，第 14 頁。231]。時間對應于組分 2 指定厚度的完全擴散。

• 與共晶晶圓鍵合一樣，擴散焊接鍵合對于MEMS真空封裝很有吸引力，因為該工藝在低溫（150°C - 300°C）下完成，并且鍵合后可以承受更高的溫度（見表2），鍵合層是在由金屬制成（低滲透性），并且它們可以平坦化先前工藝產生的表面缺陷或顆粒。

7. 金屬熱壓晶圓鍵合

• 人們常常錯誤地認為熱壓和共晶鍵合是一個單一的過程。
• 在熱壓粘合過程中，由于在加熱下壓在一起的兩個金屬表面之間建立了金屬結合，兩個表面彼此粘附。
• 通過兩個接觸表面的變形增強了粘合機制，以破壞任何介入的表面薄膜并實現金屬與金屬的接觸（圖 7）。
• 通過加熱兩個金屬表面，可以最小化粘合過程中施加的接觸力。整個鍵合區域的力均勻性高，從而實現高產量。

• 有多種金屬用于金屬熱壓接合，如金、銅或鋁。
• 這些被認為對于晶圓鍵合 MEMS 應用很有趣，主要是因為它們在主要微電子應用中的可用性。
• 它們對于一種或另一種類型的應用的使用取決于所使用的基板的類型（例如，不能在CMOS生產線中進一步處理含金基板）。
• 通常，用于此過程的金屬是在表面上蒸發、濺射或電鍍的。在這樣的工藝中，確保金屬結合層與其基底之間有適當的擴散阻擋層或粘附層是極其重要的。
• 金屬鍵合層的表面微觀粗糙度范圍從<1nm到高達幾十nm，具體取決于所使用的金屬、沉積技術和晶圓鍵合工藝條件。