圆片键合方法研究进展

摘要：本文将圆片键合的各种方法分为三类：无中介层键合、有中介层键合、低温键合。并对其优缺点及各种改进方法进行了分析，为圆片级键合的应用和设计提供了可靠思路。

关键词：阳极键合 熔融键合 共晶键合 黏着键合 玻璃浆料键合 热压键合

1 概述

键合是半导体制造过程中一种不可或缺的技术，绝大多数电子产品的材料、结构间机械及电气的连接都会用到键合技术。它是把两片完整的圆片，包括裸片及已经制备好的器件，通过直接或间接的方法形成良好接触的一种半导体制造技术[1]。

圆片键合是一种把大尺寸圆片材料一次性集成在一起的新兴微电子制造技术，在IC、微机电系统和封装中的应用日益广泛。

圆片键合方法按照有没有中介层可以分为两类：有中介层键合方法及无中介层键合方法。其中有中介层键合方法包括黏着键合、共晶键合、玻璃浆料键合及热压键合四种。无中介层键合方法包括静电键合/阳极键合和圆片熔融键合/直接键合；若按照温度高低可分为高温键合及低温键合两类。

2 有中介层键合

2.1 共晶键合

共晶键合是让两种金属熔合为合金并固化，且使其重新凝固后的混合物能形成晶体结构。常用于共晶键合的金属材料有AuSn、AuSi、CuSn、AuGe及AlGe等。共晶键合过程中，基片上的金属层在特定温度下相互熔合。合金温度决定了合金的沉积量或金属层厚度。金属材料熔化会使金属层在结合面处加速混合及消耗，并且金属可以形成流体状态从而能使其界面上的区域平坦化。最终能在界面处形成一个稳定的熔融金相。该方法的优点是对键合表面的平整度、形貌和洁净度的要求不高，即使在表面起伏较大甚至存在颗粒的情况下，也可以形成良好键合。陈继超等人利用银锡共晶键合技术实现了MEMS压力传感器的气密封装。他们对Ag-Sn共晶键合工艺中3个参数：加热温度、加热时间和静载荷大小做了对比实验与分析。实验结果表明，温度为230℃、加热时间为15 min、静载荷为0.0039MPa～0.0078MPa时都能达到较好效果[2]。

2.2 黏着键合

黏着键合是使用黏合剂将圆片键合的一种技术。键合时需施加压力并且需对基片加热。常用的黏合剂是环氧树脂。除此之外，光刻胶，旋涂玻璃，聚酰亚胺以及有机硅等也常用做黏合剂。黏着键合在微电子封装中使用较为广泛，因为其工艺简单并且成本低。但由于其导热、导电的不足，以及该方法并不能实现完全气密性封装，故在对可靠性要求较高的微机电系统封中的使用受到限制[3]。黏着键合对于表面厚度偏差、颗粒以及表面粗糙度要求不高，故不能完全密封，因此在高温收缩性方面表现较差[4]。

Singh R等对InP进行He离子注入，并利用SOG玻璃作为中间层对InP和Si进行键合，成功的将InP层转移到Si上，厚度为650nm，如图1所示。InP层表面粗糙度为8nm，经过化学机械抛光后，可以作为器件层的衬底[5]。

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2.3 玻璃浆料键合

玻璃浆料键合是一种使用玻璃浆料并利用丝网印刷技术来实现键合的技术。通常，图形化后的浆料厚度为10-30μm，在每个芯片周围覆盖的环形区域为30-200μm宽。利用烘烤的方法去除多余溶剂后，再对准晶片进行热压键合。其优点是能实现气密性封装，且工艺简单，键合界面特性为大众所接受。但其洁净度不高，密封圈占用较大面积以及不能实现高精度对准等缺点影响了其使用范围。

2.4 热压键合

在特定温度和压力下实现的金属间键合即为热压键合。热压键合通常有两个键合点。其优点是键合工艺简单且键合牢固，强度高，在略粗糙的表面上也能实现键合。缺点是对表面清洁度较敏感，且温度对元件的影响不能较大。适用于单片式大规模集成电路。

3 无中介层键合

3.1 静电键合/阳极键合

静电键合又称阳极键合，它可以不用任何粘结剂把玻璃与合金、金属或半导体键合在一起。其工艺如图2所示。将需要键合的硅片接电源正极，玻璃接负极，电压设置为500～1000V。然后把玻璃-硅片加热到300～500°C。在电压作用下，玻璃中的Na将向负极方向漂移，因此会在紧邻硅片的玻璃表面形成耗尽层。而耗尽层带负电，硅片带正电，这样在硅片和玻璃之间就会存在较大的静电引力，从而使它们紧密接触。外加电压主要作用于耗尽层。静电键合的过程可以通过电路中电流的变化情况来显示。当电流脉冲较大时，说明刚加上电压，当电流逐渐减小直至几乎为零时，则说明键合已经结束。

静电键合的优点是不需要中介层，键合温度低，残余应力小、键合强度高，工艺条件简单，气密性和可靠性方面也性能良好，目前广泛应用于微机电系统产品如加速计，压力传感器及微流体等器件的生产过程[6]。但其使用也存在一定局限性，这是因为它是一种非集成电路工艺，存在碱金属离子污染的问题，并且键合过程往往需要使用高电压。

郑志霞等人运用阳极键合技术，对绝缘体上硅（SOI）/玻璃进行阳极键合实验，从平板式阳极引一根探针电极到SOI器件层表面，使键合电压直接加在耗尽层上，避免埋氧层厚度对键合的影响，提高键合静电力[7]。

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3.2 圆片熔融键合/直接键合

圆片熔融键合是把两块表面光滑的硅片在不使用任何中间层材料和粘结剂的情况下经过特殊处理后在特定温度和压力下键合起来的技术。其工艺过程如图3所示。该技术主要用于Si-SiO2、Si-Si，SiO2-SiO2间的键合，由于该键合过程无需外加电场且与键合材料的点阵参数、晶向及结构无关，也没有键合热应力问题，故其原理、方法较简单，因此广泛应用于微机电系统封装，例如压电、光电、声电等器件的制造过程。

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圆片熔融键合又可分为亲水性键合和疏水性键合两种。何福林等人利用硅片表面的接触角等研究比较了不同清洗方式对硅片亲水性的影响，并采用红外透视仪及拉伸测试法对键合质量测试比较，试验结果表明RCA1的清洗处理对硅片表面亲水性提高程度较大，等离子体处理能够大幅提高硅片亲水性但要严格控制处理时长[8]。

4 低温键合

低温键合是把两片抛光硅片经表面清洁处理后在一定温度和压力下键合的技术[9]。目前，低温键合法主要有四种：①表面活化低温键合：利用离子撞击作用破坏晶圆表面原有化学键而形成新化学键实现的键合；②真空键合：首先在真空中对两片晶圆实现预键合，然后在较低的退火温度下实现所需键合强度，最后完成键合；③中间介质键合：在较低退火温度下，通过在两晶圆表面涂布低熔点的介质实现的键合；④湿法活化低温键合：利用不同溶液的化学作用在硅晶圆表面增加悬浮键，以增加硅晶圆表面的活化能实现键合。其中，真空键合要求环境为真空，故成本较高，而中间介质键合不适用高温环境，对气密性要求良好的封装也不适用。因此，表面活化低温键合以及湿法活化低温键合较为常用。

葛羽屏研究了使用非光敏BCB的水平式低温晶圆级键合在谐振式压力传感器封装中的应用。这种键合技术工续简单，成本低，产量高，温度低，可用于玻璃-硅和硅-硅键合[10]。

另外，王伟等人研究了玻璃浆料在低温下真空封装MEMS 器件的工艺。封装过程中，采用了丝网印刷技术，丝网的线宽设计为100μm，印刷后玻璃浆料线宽为160 μm左右，从而能够减小封装器件的尺寸，节省成本；另外，对玻璃浆料键合工艺做了研究，找到了较好的工艺条件，采用该工艺（ 预烧结温度425℃，键合温度430℃），得到的封装结构具有较高的封接强度（ 剪切力>20kgf）和良好的真空度，测得的漏率为10-9cm3/s[11]。

5 结语

圆片键合是一种新兴的半导体制造技术，发展迅猛。目前在三维微结构的集成、新材料制备、IC和MEMS 器件的生产和封装上都得到了广泛应用。越来越多的研究机构参与到圆片键合的研究中来，各大公司也加大了对键合技术的投入，并积极研制相应的设备。这些迹象都表明，圆片键合是一项具有光明前景和强大竞争力的微加工技术。本文对圆片键合的各种方法进行了分类，并对其适用环境和优缺点进行了分析，于此同时还对各种改进方法进行了总结，为圆片级键合的应用和设计提供了可靠的思路。

参考文献：

[1]李和太，李晔辰.硅片键合技术的研究进展[J].传感器世界，2002，9：6-10.

[2]陈继超.利用银锡共晶键合技术的MEMS压力传感器气密封装[J].纳米技术与精密工程，2013，3（2）：174-178.

[3]C-T Pan，H Yang，S-CShen.A low-temperature wafer bonding technique using patternable materials[J].Micromech Microeng，2002，12：611～615.

[4]Shari Farrens，SUSS MicroTec. 晶片键合基础介绍[J].集成电路应用，2007（5）：52.

[5]Singh R，Radu I，Scholz R etal.Low temperature InP layer transfer onto Si by helium in plantation and direct wafer bonding[J].Semicond Scitechnol，2006，21（9）：1311-1314.

[6]何国荣，陈松岩.Si-Si直接键合的研究及其应用[J].半导体光电，2003，24（3）：149～153.

[7]郑志霞.埋氧层对SOI/玻璃键合的影响及其键合工艺的改进[J].厦门大学学报（自然科学版），2012，11（6）：1011-1015.

[8]何福林.低温直接键合硅片亲水性及其键合效果评价[J].航空精密制造技术，2011，47（3）：40-43.

[9]王凌云.基于干湿法活化相结合的硅-硅低温键合[J].厦门大学学报（自然科学版），2013，3（2）：165-171.

[10]葛羽屏.MEMS低温圆片级键合密封工艺研究[J].压电与声光，2013，2（1）：105-107.

[11]王伟.低温玻璃浆料圆片级真空封装的研究[J].传感器与微系统，2012，31（1）：62-64.

作者简介：胡燕妮（1982-），女，讲师，湖北武汉人，研究方向为芯片封装。