晶圓鍵合類型介紹

晶圓鍵合分為7種類型，如下所示：

1 直接晶圓鍵合

2 陽極晶圓鍵合

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，其中兩個表面之間的粘附是由于兩個表面的分子之間建立的化學鍵而發(fā)生的。

通常，粘附力在室溫下較弱，通過高溫熱退火將弱鍵轉變?yōu)楣矁r鍵可達到最大鍵合強度（工藝流程如圖 1 所示）。

對于 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 1-2% HF 從 Si 中去除）或 >900°C 用于親水鍵合（使用天然、熱生長或沉積的氧化物） .經過正確的熱退火處理后，結合強度達到了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，它使用特殊的表面制備工藝（表面活化）以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（甚至是共價鍵），因此通過在整個鍵合界面形成共價鍵達到最大鍵合強度所需的能量更低。

因此，這種情況下的退火溫度和退火時間遠低于標準直接鍵合工藝。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

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原子力顯微鏡 (AFM) 在整個基板的 2 x 2 μm2 區(qū)域上測量的表面 Rms。

2. 陽極晶圓鍵合

最初報道的是將金屬表面連接到玻璃表面，術語“陽極鍵合”如今主要用于識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）。

當兩個晶圓接觸并施加電場后被加熱時，就會發(fā)生鍵合。

在一定溫度下（取決于玻璃成分），氧化物解離，移動的堿離子被電場驅動進入玻璃，在硅-玻璃界面形成富氧層。氧離子被電場驅動到硅表面并產生Si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. 粘合劑晶圓鍵合

粘合劑晶圓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。

中間層材料的選擇總是要考慮基板材料和形貌。

使用這種方法的主要優(yōu)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. 玻璃料晶圓鍵合

這種類型的粘合劑用作粘合低熔點玻璃的中間層。

通過在施加的接觸力下加熱基材實現粘合（圖 4）。

玻璃料粘合對表面粗糙度具有很高的容忍度，并且可以結合基板的高形貌。

玻璃料材料可通過絲網印刷沉積或用作玻璃預成型板。

該工藝非?？煽浚饕?MEMS 設備制造商將其用于需要低真空封裝的應用的大批量生產。

5. 共晶晶圓鍵合

這是一種晶圓鍵合工藝，它使用在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用的一些主要共晶合金。

實驗結果表明，當溫度升高到低于共晶溫度（從頂部/底部同時加熱）的值時，可以獲得良好質量的界面，并在短時間內保持恒定以實現兩個晶圓的均勻加熱，而不是通過加熱兩個加熱器再次升高達到超過共晶點 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。

由于工藝過程中形成的液相，高接觸力總是導致金屬從界面擠出，導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，以及鍵合機的兩個加熱器與晶圓背面接觸良好。

共晶晶圓鍵合是高真空應用的良好候選者，因為由于僅使用高純度組件，該過程具有非常低的特定除氣。

工藝過程中形成的液態(tài)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(tài)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結合溫度 (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，這個過程以不同的名稱而為人所知，其中可以提到“擴散焊接”或瞬態(tài)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），該金屬在熱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分布與共晶晶圓鍵合相同（圖 6）。

與共晶晶圓鍵合相同，擴散焊接鍵合對 MEMS 真空封裝具有吸引力，因為該過程在低溫（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生的顆粒。

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鍵，因此兩個表面彼此粘附。

通過兩個接觸表面的變形來增強粘合機制，以破壞任何中間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，可以將鍵合過程中施加的接觸力降至最低。整個鍵合區(qū)域的高力均勻性導致高產量。

有幾種金屬可用于金屬熱壓接合，如 Au、Cu 或 Al。

這些被認為對晶圓鍵合 MEMS 應用很感興趣，主要是因為它們在主要微電子應用中的可用性。

它們用于一種或另一種類型的應用取決于所用襯底的類型（例如，不能在 CMOS 生產線中進一步處理含 Au 襯底）。

通常，用于此過程的金屬會在表面上蒸發(fā)、濺射或電鍍。在這樣的過程中，確保金屬結合層與其基底之間的適當擴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、沉積技術和晶圓鍵合工藝條件。

審核編輯：劉清