1、湖北工業大學畢業設計（論文）摘要 作為半導體制造領域的一項新興的使能技術，晶圓直接鍵合已經在越來越多的領域發揮了重要的作用。晶圓鍵合可以使得經過拋光的半導體晶圓在不使用粘結劑的情況下結合在一起。這種技術可以用于微電子、微機械、光電子等諸多領域。因此，深入研究晶圓鍵合的技術和應用的細節，對于推進晶圓鍵合在半導體產業中的應用具有重要的意義。晶圓鍵合技術是微系統封裝的基本技術之一，經過近20年的快速發展已經成為微機電系統領域的一項重要工具。晶圓級封裝、三維芯片堆疊和絕緣體上硅技術是推動晶圓鍵合技術發展的三大動力。金屬鍵合技術與其它鍵合技術相比，它為芯片提供了電通路。所以在設計芯片時可以引入垂直互聯金

2、屬層，實現晶圓堆疊和先進封裝技術，從而進一步減小芯片尺寸，降低成本。 本文從晶圓金屬鍵合技術的機理入手，通過對晶圓鍵合工藝過程的剖析，總結了影響鍵合質量的若干因素（表面化學特性、粗糙度、界面形貌、三維微結構以及溫濕度效應），并通過了可靠性實驗進行了驗證；與此同時對圖形化晶圓金屬鍵合工藝做了有益的探索和研究。 關鍵詞：晶圓金屬鍵合 微電子機械系統 工藝流程 應用Abstract As one of the newly-emerged enabling technologies,wafer direct bonding has been playing key roles in more and

3、more fields.Without any kind of glue,wfer bonding technology is able to integrate two polished semiconductor wafers and thus be used widely in fields like micro-electronics micro-mechanics and opto-electronics.Researching deeply into detailed aspects of wafer bonding technologies and applications wi

4、ll help to promote its maturity in semiconductor industry.With rapid development for recent 20 years,wafer bonding has become the basic technology in MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) packaging and an important tool in MEMS engineering field.WLP(Wafer Level Package),3-D Chip Stacking and SOI (S

5、ilicon-On-Insulator) are the three impetuses for the development of wafer bonding technology. Metallic bonding technology compared with other bonding technology, it provides electrical pathways for chips. So when designing chips can introduce vertical interconnect metal layer, realize wafer stack an

6、d advanced packaging technology, thus further decrease the size of chip, reduce the cost. This article obtains from the wafer metallic bonding mechanism of closing technique, based on the wafer bonding process analysis, summarizes the several factors affecting the quality of bonding (surface chemica

7、l properties, roughness, interface morphology, 3 d microstructure as well as the effects of temperature and humidity), and adopted the reliability experiment is verified; At the same time for graphical wafer metallic bonding process was made beneficial exploration and research. Key words：wafer metal

8、lic bonding MEMS process flow application目錄1 緒論.41.1 晶圓鍵合概念41.2 金屬鍵合技術51.3 MEMS鍵合要求5-6 2 晶圓金屬鍵合工藝探索6 2.1 金屬鍵合工藝流程.6-7 2.2 金屬鍵合的優勢及應用.7-8 2.3 金屬鍵合工藝相關建議.8-93 晶圓鍵合質量評估及其注意事項9-104 晶圓鍵合應用研究104.1 薄晶圓片處理.105 結論11 致謝12 參考文獻121 緒論晶圓級MEMS（微電子機械系統）鍵合技術應用于生產加速度計、壓力傳感器和陀螺儀等領域已數十年。汽車工業一直以來都是這些MEMS器件的主要最終用戶。但近期例如

9、手機和游戲機產業的需求導致MEMS消費類產品市場爆發性增長，使得這一行業發生了巨大變化。最重大的變化可能就是更大的市場和更低的成本要求。同時，集成MEMS器件和CMOS控制器或其它IC部件的需求，使得該技術研究開始轉向關注怎樣才能制造這些器件。MEMS的晶圓級鍵合方式以往主要為陽極鍵合和玻璃漿料鍵合。這兩種鍵合方式在產品使用壽命期間，都具有十分良好的氣密性，并且對于上游制造方面的嚴苛要求如顆粒沾污和表層形貌，都具有相對良好的適應性。然而，這些方法并不能解決極限尺寸、集成度和垂直封裝的問題。1.1 晶圓鍵合概念晶圓鍵合技術是將不同材料晶片結合在一起,生產僅用硅難以制作的新型器件和微型元件,使許多

10、新技術和新應用得以實現。MEMS是將微型機械元件、微型傳感器、微型執行器、信號處理與控制電路等集成于一體的微系統。它可將機械構件、光學系統、驅動部件、電控系統集成為一個整個單元的微型系統。這種微電子機械系統不僅能夠采集、處理與發送信息或指令，還能夠按照所獲取的信息自主地或根據外部的指令采取行動。MEMS器件和系統具有體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、性能優良、功能強大、可批量生產等傳統器件無法比擬的優點。它能夠用微電子技術和微加工技術相結合的制造工藝，制備出各種性能優異、價格低廉、微型化的傳感器、執行器、驅動器和微系統。如圖1.1所示為一些 MEMS 傳感器的樣品。圖1.1 MEMS傳感器11

11、.2 金屬鍵合技術金屬鍵合技術大體上可以分為兩類：非熔化型擴散法以及自平坦化（熔化）共熔晶反應。在運用這兩種技術時，可以根據所希望的技術參數和要求，分別選取適合的金屬系。金屬擴散鍵合，是一種典型的熱壓力鍵合。首先，使金或銅沉積到需要連接的部件表面，然后將部件相互對準后置入精密晶圓鍵合機，如SUSS MicroTec公司的CB200中。鍵合機控制腔室內氣氛，加熱加壓將部件鍵合到一起。擴散鍵合是物質界面間原子相互混合的結果，鍵合結果氣密性極好。對于表面粗糙度和形貌都符合一定要求的器件，擴散鍵合是一種很好的選擇。鍵合中，金屬層并不熔化，因此必須與需要鍵合的表面緊密接觸，對于粗糙表面、表面有顆粒或其它

12、表面缺陷的情況，這種鍵合方式就不合適了。在共熔晶鍵合過程中，兩種金屬熔合為合金并固化。可用于共熔晶鍵合的金屬材料有AuSi,、AuSn、AuGe、 CuSn、AlGe，以及其它一些不常用的合金材料。共熔晶鍵合過程中，基片上的金屬層在被稱為共熔溫度Te的特定溫度下相互熔合。合金沉積當量或金屬層厚度決定了合金的合金溫度Te。金屬共熔后發生了數個重要的工藝變化。 首先，金屬材料熔化會導致金屬層在結合面加速混合和消耗。這提供了一個良好的控制反應，可以形成均勻界面。其次，金屬形成流體狀態，這樣在界面上，包括任何表面異形區域都可以自平坦化。最后，共熔晶鍵合的重點是在重新凝固后使混合物形成晶體結構

13、，從而獲得很高的熱穩定性。因此在任何時候T>Te 時，晶圓鍵合中的合金過程并不會由于一定的合金比例成分而結束，而是在界面處形成一個更穩定的熔融金相。1.3 MEMS鍵合要求新型MEMS芯片需要滿足更小產品尺寸的要求。實現這一目標最合適的方式應當是金屬封裝技術。相比其它材料，金屬具有更低的透氣性，因此可以提供更好的氣密等級。金屬密封材料在晶圓片上占用更小的面積，晶圓也就可以容納更多的器件，所以在提高氣密性的同時，微機械部件的實際尺寸也減小了。金屬密封技術的另一個特點是，它為芯片提供了電通路。所以在設計芯片時可以引入垂直互聯金屬層，實現晶圓堆疊和先進封裝技術，從而進一步減小芯片尺寸，降低成本

14、。2 晶圓金屬鍵合工藝探索2.1 金屬鍵合工藝流程 采用金屬或多個金屬形成的合金作為介質層，通過外加溫度和壓力使其表面發生擴散或熔融，這樣達到兩個晶片鍵合在一起的方法為金屬鍵合。由于金屬鍵合技術的不斷飛速發展，人們對鍵合質量的要求也越來越高。所以，良好有效的鍵合流程起著重要的作用。通常把金屬鍵合的流程分為以下三個步驟： 1 表面清洗并蒸鍍金屬 首先需要對半導體和待轉移的襯底硅進行化學清洗，以保證表面整潔無垢，平整光滑。使用RCA 標準清洗對硅片清洗，除去硅表面的各種雜質。氮化鎵需要用丙酮、乙醇溶液等有機試劑進行超聲清洗。最后都用去離子水沖洗并用高純N2吹干。清洗后的樣品在未被再次污染的情況下，

15、利用電子束蒸發或磁控濺射等方法在半導體晶片上蒸鍍上一層金屬。蒸鍍的金屬層可形成良好的歐姆接觸。2 鍵合與退火處理 鍍完金屬層后將半導體與硅片相互正對放入鍵合機中，首先進行熱退火。熱退火的目的是為了形成良好的歐姆接觸及消除晶格缺陷。設定好鍵合的各項參數后，即兩個晶片間的金屬層將通過自擴散，互擴散或熔融等鍵合在一起。3 去除襯底為了不影響器件的整體制作流程，鍵合后的樣品需要通過化學腐蝕或激光剝離等技術去除原襯底材料。2.2 金屬鍵合的優勢及應用金屬鍵合在MEMS器件制造時主要用于將器件密封于真空環境以及為裝運而將器件封裝。圖2顯示了不同制造方法和封裝方式之間的區別。真空等級不夠低或者是隨著器件使用

16、時間的增長，真空會降低，傳統鍵合方式的密封環必須很大，芯片尺寸也因此更大。在使用以金屬為介質的鍵合技術后，密封環尺寸可以10倍的量級減小，MEMS器件尺寸也可相應做得更小，一片晶圓片上就可容納更多芯片。據客戶報告，因此在生產制造時總體成本下降達75%。圖2 傳統的適用于引線鍵合封裝的陽極鍵合、玻璃漿料鍵合與金屬鍵合封裝的差異對比示意圖切片后器件被封裝并裝配到控制線路板上，有源器件和無源器件通過線焊相互連接。金屬鍵合時，金屬層垂直連接，重新分布，或直接與焊球連接，同時MEMS器件可以被堆疊于其它部件的頂部，這樣整體上減小了封裝尺寸，降低了復雜程度。金屬鍵合主要的優點有：1 工藝簡單，易于操作；2

17、 鍵合界面與發光器件的有源區相距較遠，這樣不會影響器件的發光效率；3 金屬作為鍵合層還可起著導熱層的作用，有利于轉移到導熱導電性更好的襯底；4 由于金屬鍵合通常采用的溫度比較低，這樣就避免了高溫條件下對器件造成的種種影響；5 鍵合層所用的金屬不但能形成良好的歐姆接觸，還能提高某些發光器件的反射率。正是由于金屬鍵合具有以上優點，其在光電器件中的應用大大改善了器件的性能，目前，金屬鍵合逐漸應用到VCSEL 器件上。其重點在于選取合適的金屬，金屬要滿足低熔點、高反射率及與半導體易于形成歐姆接觸。 2.3 金屬鍵合工藝相關建議金屬系的選擇取決于溫度的限制，材料的兼容性，以及界面要求：如導電性、光學反射

18、率、厚度均勻性等。建議在惰性氣氛中進行金屬鍵合，以便傳熱和保證熱均勻性，抑制氧化并且保持腔室潔凈。表I 列出了晶圓級鍵合最常用的金屬系和典型工藝變量。根據圖表顯示，基于金材料的金屬工藝不適用于CMOS制造，但這不包括傳統金線焊在封裝步驟的使用。表I 金屬鍵合選項及結果 另一個建議是用化學機械拋光（CMP）處理金屬層。IC工業中用于200mm和300mm晶圓片的鑲銅工藝發展已經相當成熟。但用于銅的小尺寸晶圓片CMP工藝卻很難找到。所以金更適用于小尺寸MEMS器件制造。因為可以使用CMP技術，故而可以使用擴散鍵合。擴散鍵合要求相對光滑的表面(粗糙度<2-5nm RMS)。3 晶圓鍵

19、合質量評估及其它注意事項金屬沉積層會影響鍵合結果的質量。金屬沉積層通常厚3-5um。與此相比，玻璃漿料鍵合時，漿料層厚達30-150um。當覆蓋層不合適時，圖形化密封環的寬反會達到幾十微米以上。沉積層的產生方法包括電鍍、化學氣相沉積、濺射和蒸發。濺射和蒸發很少使用，因為這兩種方式對目前的厚度要求，沉積速率太慢，不夠經濟。不同的方式導致不同的金屬層純度和顆粒尺寸。在大多數金屬鍵合技術中，可以認為金屬層純度越高，反應速率越快。此外，當溫度較低時，晶粒界線對原子運動起到主要作用，較小的晶粒尺寸會更好。金屬的表面氧化作用也會阻礙界面反應，并且導致電特性很差。在對準和鍵合前進行表面處理能夠幫助去除這些反

20、應層。具體方法有幾種，例如用等離子干法處理和化學濕法清洗。此外，鍵合機艙室的質量也會對預防熱壓鍵合時粘污層的重新生長造成重大影響。高級金屬鍵合需要精確的對準和鍵合設備。生產設備解決方案，例如SUSSMicroTec公司的XBC系列中的鍵合機，鍵合腔室以電解法拋光，生產型載入窗口，正向壓等措施差可以有效避免艙室和樣品暴露于外界環境。高精確對準機可以保證微米級別的對準精度，化學方法的使用確保了高電性良率。 4晶圓鍵合應用研究 晶圓鍵合具有非常廣泛的應用：在功能材料制備方面，體硅晶圓鍵合可以用于制備多種多樣的SOI晶圓，而這些SOI晶圓可以用于制備MOS晶體管等半導體元器件；此外，在MEMS領域具體

21、結構制備方面，晶圓鍵合已經成為一個重要的使能技術，應用于特定材料的集成以及特殊結構，特殊器件的制備。4.1 薄晶圓片處理金屬鍵合的最大優勢是能夠直接轉入垂直封裝。3D封裝可以顯著降低生產成本。減薄晶圓片的通常工藝步驟需要將器件附著于臨時性載片上。器件晶圓片正面朝下，附著的粘合層將經歷一系列需要在背面進行的工藝：包括研磨，拋光和隨后的金屬沉積，用以準備永久封裝器件。器件晶圓片減薄，以及背面工藝完成后，減薄的晶圓片與載片分離并進行最后的封裝。這整個工藝過程被稱為臨時性鍵合。臨時粘合的選擇可以按照附著和拆分載片，溫度穩定性，載具通用性這些工藝種類來分類。表II給出了四種主流供應商產品的數據4-7。其

22、它因素還包括產量、COO建模和需要的厚度范圍。表II 臨時鍵合材料供應商及其基本粘合特性 5 結論 晶圓片鍵合應用于MEMS工業已達數十年時間，業界有責任建立標準規范，設定氣密性、鍵合強度、缺陷檢測、批量生產設備。而高級CMP工藝、硅垂直深孔刻蝕、金屬填充互聯技術的發展將促使CMOS工業繼續進步。MEMS和CMOS生產制造技術的交叉徹底變革了整個市場。 向金屬鍵合技術轉變，滿足了工業生產和薄晶圓片處理的需要，促進了先進MEMS生產消費市場的快速成長。目前實現襯底轉移主要通過晶圓鍵合技術，若采用直接鍵合技術則存在嚴重的晶格失配和熱失配等問題；若采用陽極鍵合，需在高溫下進行，會造成元件損壞及產生熱

23、應力等問題；而采用已成熟的金屬鍵合技術能有效解決上述問題，還能在界面形成良好的歐姆接觸，以金屬半導體共晶形成鍵合。 致謝 文末要特別感謝我的指導老師張冉老師的悉心指導。感謝張老師在課題研究方向上高屋建瓴的點撥，在實驗設備和研究條件相對較薄弱的情況下，帶領學生開拓進取，走出了一條自主創新、自強不息的學術道路。張冉老師海納百川的胸懷和正直謙遜、平易近人的風范深深感染著身邊的每一個人，也值得我永遠學習。感謝老師們為我所付出的一切，學生唯有在今后的工作道路上更加努力，才能不辜負老師的期望和囑托。 晏爽 二零一五年五月于湖工 參考文獻1.劉志強;王良臣;伊曉燕;郭恩卿;王國宏;李晉閩;垂直結構GaN基LEDs熱壓鍵合應力損傷分 析J;半導體技術;20