内容

1 直接晶圆键合

2 阳极晶圆键合

3 晶圆粘合

4 玻璃熔块晶圆键合

5 共晶晶圆键合

6 瞬态液相 (TLP) 晶圆键合

7 金属热压晶圆键合

1. 直接晶圆键合

• 这是一种晶圆键合方法，其中两个表面之间的粘附是由于两个表面分子之间建立的化学键而发生的。
• 通常，室温下的粘合力很弱（由范德华力介导），通过高温热退火将弱键转变为共价键，从而达到最大粘合强度（工艺流程如图 1 所示）。

• 对于 Si-Si 直接键合，疏水键合的退火温度为 >600°C（在键合之前用 1-2% HF 从 Si 中去除 SiO2），亲水键合的退火温度为 >900°C（使用天然、热生长或沉积的氧化物） 。经过正确的热退火后，结合强度达到与硅体断裂强度相同的范围。

• 表面活化晶圆键合也是一种直接键合方法，它使用特殊的表面处理工艺（表面活化），通过控制表面化学来改变和控制键合机制。
• 表面活化后，与未活化表面相比，在室温下形成更高能量的键（甚至共价键），因此通过在整个键合界面上形成共价键来达到最大键合强度所需的能量较低。
• 因此，这种情况下的退火温度和退火时间比标准直接键合工艺低得多。此类工艺的退火温度范围为室温至 400°C，具体取决于要粘合的材料。此工艺使用的典型表面活化是使用 EVG®800 系列等离子体室进行等离子体活化，以实现精确的工艺控制。
• 在各种工艺条件下用于直接晶圆键合的典型材料有：
  • 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）
  • 化合物半导体（GaAs、InP、GaP等）
  • 氧化物材料（LiNbO3、LiTaO3等）
• 直接键合的一般要求是表面的微观粗糙度<0.5 nm（在某些情况下，甚至可以接受更高的值，具体取决于工艺条件边界）。
  • 微观粗糙度通常定义为通过原子力显微镜 (AFM) 在基板上的 2 x 2 μm² 区域上测量的表面 Rms。

阳极晶圆键合

• “阳极键合”一词最初用于将金属表面连接到玻璃表面，如今主要用于识别硅晶圆与碱金属氧化物含量高的玻璃晶圆的键合（图 2）。

• 阳极键合主要使用的玻璃材料是德国肖特玻璃公司的Borofloat和美国康宁公司的Pyrex7740。
• 当两个晶片接触后被加热并施加电场时，就会发生键合。
  • 在一定温度下（取决于玻璃成分），氧化物解离，移动的碱离子被电场驱动进入玻璃，在硅-玻璃界面处形成富氧层。氧离子被电场驱动到硅表面并产生硅的氧化。由此产生的粘合强度非常高，并且该过程是不可逆的。
• 在设备方面，键合室提供良好的温度均匀性并确保良好的电接触非常重要。

3. 晶圆粘合

• 晶圆粘合键合是一种使用中间层进行键合的技术。
• 聚合物、旋涂玻璃、抗蚀剂和聚酰亚胺是一些适合用作粘合中间层的材料。
• 中间层材料的选择始终要考虑基板材料和形貌。
• 使用这种方法的主要优点是：低温加工（最高温度低于400°C）、表面平坦化和对颗粒的耐受性（中间层可以包含直径在层厚度范围内的颗粒）。

4. 玻璃熔块晶圆键合

• 这种类型的粘合剂用作粘合低熔点玻璃的中间层。
• 通过施加接触力加热基材来实现粘合（图 4）。

• 玻璃熔块粘合对表面粗糙度具有较高的耐受性，并且可以结合基材的高形貌。
• 玻璃料材料可以通过丝网印刷沉积或用作玻璃预成型片。
• 该工艺非常可靠，主要 MEMS 器件制造商在大批量生产中用于需要低真空封装的应用。

5. 共晶晶圆键合

• 这是一种晶圆键合工艺，使用键合过程中形成的共晶合金作为键合层。
• 共晶合金是在经过液相的过程中在键合界面处形成的：因此，与直接晶圆键合方法相比，共晶键合对表面平整度不规则性、划痕以及颗粒不太敏感（金属层可以掺入直径小于共晶层厚度的颗粒）。

• 表 1 列出了用于晶圆键合应用的一些主要共晶合金。

• 对于成功的共晶键合工艺，键合机确保整个晶圆表面具有良好的温度均匀性并很好地控制温度值（避免超过设定点）非常重要，以获得可靠的工艺。
• 实验结果表明，当温度升高到低于共晶温度的值（从顶部/底部同时加热），短时间保持恒定以达到两片晶圆均匀加热，然后通过加热两个加热器再次增加时，可以获得良好质量的界面到超过共晶点的温度10-20°C（取决于具体的工艺条件和基材限制），然后冷却到低于共晶温度的温度。
• 共晶晶圆键合工艺的典型热曲线如图 2 所示。6

• 共晶晶圆键合不需要施加高接触力。
• 由于在工艺过程中形成液相，高接触力总是导致金属被挤出界面，导致界面层均匀性差以及键合工具和键合室的污染。
• 所需的轻微接触力的作用只是保证两片晶圆良好接触，以及邦定机的两个加热器与晶圆背面良好接触。
• 共晶晶圆键合是高真空应用的良好选择，因为该工艺仅使用高纯度组件，因此具有非常低的特定除气量。
• 加工过程中形成的液态熔体只能通过在不完美的表面上实现高质量密封来增强高真空兼容性。

6. 瞬态液相 (TLP) 晶圆键合

• 对于某些应用，工艺温度必须低于最常见的共晶合金的粘合温度 (300°C - 400°C)。
• 在这种情况下，可以使用替代工艺，从而形成金属间化合物键合层。
• 在文献中，该工艺有不同的名称，其中可以提到“扩散焊接”或瞬态液相（TLP）键合。
• 这种键合工艺是一种先进的焊料键合，可以在比其他键合技术更低的温度下形成高质量的气密密封。
• 该技术使用一层薄金属（通常为 1-10μm 厚），在热处理过程中扩散到其键合伙伴中，形成金属间化合物层，其重熔温度高于键合温度（表 2）。工艺流程和推荐的热曲线与共晶晶圆键合相同（图 6）。

• 表改编自[G. Humpston 和 D. Jacobson，《焊接原理》，ASM International 2004 年，第 14 页。231]。时间对应于组分 2 指定厚度的完全扩散。

• 与共晶晶圆键合一样，扩散焊接键合对于MEMS真空封装很有吸引力，因为该工艺在低温（150°C - 300°C）下完成，并且键合后可以承受更高的温度（见表2），键合层是在由金属制成（低渗透性），并且它们可以平坦化先前工艺产生的表面缺陷或颗粒。

7. 金属热压晶圆键合

• 人们常常错误地认为热压和共晶键合是一个单一的过程。
• 在热压粘合过程中，由于在加热下压在一起的两个金属表面之间建立了金属结合，两个表面彼此粘附。
• 通过两个接触表面的变形增强了粘合机制，以破坏任何介入的表面薄膜并实现金属与金属的接触（图 7）。
• 通过加热两个金属表面，可以最小化粘合过程中施加的接触力。整个键合区域的力均匀性高，从而实现高产量。

• 有多种金属用于金属热压接合，如金、铜或铝。
• 这些被认为对于晶圆键合 MEMS 应用很有趣，主要是因为它们在主要微电子应用中的可用性。
• 它们对于一种或另一种类型的应用的使用取决于所使用的基板的类型（例如，不能在CMOS生产线中进一步处理含金基板）。
• 通常，用于此过程的金属是在表面上蒸发、溅射或电镀的。在这样的工艺中，确保金属结合层与其基底之间有适当的扩散阻挡层或粘附层是极其重要的。
• 金属键合层的表面微观粗糙度范围从<1nm到高达几十nm，具体取决于所使用的金属、沉积技术和晶圆键合工艺条件。