畢業(yè)論文 晏爽

1、湖北工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）摘要 作為半導(dǎo)體制造領(lǐng)域的一項(xiàng)新興的使能技術(shù)，晶圓直接鍵合已經(jīng)在越來越多的領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用。晶圓鍵合可以使得經(jīng)過拋光的半導(dǎo)體晶圓在不使用粘結(jié)劑的情況下結(jié)合在一起。這種技術(shù)可以用于微電子、微機(jī)械、光電子等諸多領(lǐng)域。因此，深入研究晶圓鍵合的技術(shù)和應(yīng)用的細(xì)節(jié)，對于推進(jìn)晶圓鍵合在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用具有重要的意義。晶圓鍵合技術(shù)是微系統(tǒng)封裝的基本技術(shù)之一，經(jīng)過近20年的快速發(fā)展已經(jīng)成為微機(jī)電系統(tǒng)領(lǐng)域的一項(xiàng)重要工具。晶圓級封裝、三維芯片堆疊和絕緣體上硅技術(shù)是推動(dòng)晶圓鍵合技術(shù)發(fā)展的三大動(dòng)力。金屬鍵合技術(shù)與其它鍵合技術(shù)相比，它為芯片提供了電通路。所以在設(shè)計(jì)芯片時(shí)可以引入垂直互聯(lián)金

2、屬層，實(shí)現(xiàn)晶圓堆疊和先進(jìn)封裝技術(shù)，從而進(jìn)一步減小芯片尺寸，降低成本。 本文從晶圓金屬鍵合技術(shù)的機(jī)理入手，通過對晶圓鍵合工藝過程的剖析，總結(jié)了影響鍵合質(zhì)量的若干因素（表面化學(xué)特性、粗糙度、界面形貌、三維微結(jié)構(gòu)以及溫濕度效應(yīng)），并通過了可靠性實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證；與此同時(shí)對圖形化晶圓金屬鍵合工藝做了有益的探索和研究。 關(guān)鍵詞：晶圓金屬鍵合 微電子機(jī)械系統(tǒng) 工藝流程 應(yīng)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(shù)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(yōu)勢及應(yīng)用.7-8 2.3 金屬鍵合工藝相關(guān)建議.8-93 晶圓鍵合質(zhì)量評估及其注意事項(xiàng)9-104 晶圓鍵合應(yīng)用研究104.1 薄晶圓片處理.105 結(jié)論11 致謝12 參考文獻(xiàn)121 緒論晶圓級MEMS（微電子機(jī)械系統(tǒng)）鍵合技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)加速度計(jì)、壓力傳感器和陀螺儀等領(lǐng)域已數(shù)十年。汽車工業(yè)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(jī)和游戲機(jī)產(chǎn)業(yè)的需求導(dǎo)致MEMS消費(fèi)類產(chǎn)品市場爆發(fā)性增長，使得這一行業(yè)發(fā)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(shí)，集成MEMS器件和CMOS控制器或其它IC部件的需求，使得該技術(shù)研究開始轉(zhuǎn)向關(guān)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(chǎn)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(yán)苛要求如顆粒沾污和表層形貌，都具有相對良好的適應(yīng)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(shù)是將不同材料晶片結(jié)合在一起,生產(chǎn)僅用硅難以制作的新型器件和微型元件,使許多

10、新技術(shù)和新應(yīng)用得以實(shí)現(xiàn)。MEMS是將微型機(jī)械元件、微型傳感器、微型執(zhí)行器、信號處理與控制電路等集成于一體的微系統(tǒng)。它可將機(jī)械構(gòu)件、光學(xué)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)部件、電控系統(tǒng)集成為一個(gè)整個(gè)單元的微型系統(tǒng)。這種微電子機(jī)械系統(tǒng)不僅能夠采集、處理與發(fā)送信息或指令，還能夠按照所獲取的信息自主地或根據(jù)外部的指令采取行動(dòng)。MEMS器件和系統(tǒng)具有體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、性能優(yōu)良、功能強(qiáng)大、可批量生產(chǎn)等傳統(tǒng)器件無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。它能夠用微電子技術(shù)和微加工技術(shù)相結(jié)合的制造工藝，制備出各種性能優(yōu)異、價(jià)格低廉、微型化的傳感器、執(zhí)行器、驅(qū)動(dòng)器和微系統(tǒng)。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(shù)金屬鍵合技術(shù)大體上可以分為兩類：非熔化型擴(kuò)散法以及自平坦化（熔化）共熔晶反應(yīng)。在運(yùn)用這兩種技術(shù)時(shí)，可以根據(jù)所希望的技術(shù)參數(shù)和要求，分別選取適合的金屬系。金屬擴(kuò)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(zhǔn)后置入精密晶圓鍵合機(jī)，如SUSS MicroTec公司的CB200中。鍵合機(jī)控制腔室內(nèi)氣氛，加熱加壓將部件鍵合到一起。擴(kuò)散鍵合是物質(zhì)界面間原子相互混合的結(jié)果，鍵合結(jié)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(kuò)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?？捎糜诠踩劬фI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(dāng)量或金屬層厚度決定了合金的合金溫度Te。金屬共熔后發(fā)生了數(shù)個(gè)重要的工藝變化。 首先，金屬材料熔化會導(dǎo)致金屬層在結(jié)合面加速混合和消耗。這提供了一個(gè)良好的控制反應(yīng)，可以形成均勻界面。其次，金屬形成流體狀態(tài)，這樣在界面上，包括任何表面異形區(qū)域都可以自平坦化。最后，共熔晶鍵合的重點(diǎn)是在重新凝固后使混合物形成晶體結(jié)構(gòu)

13、，從而獲得很高的熱穩(wěn)定性。因此在任何時(shí)候T>Te 時(shí)，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(jié)束，而是在界面處形成一個(gè)更穩(wěn)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(chǎn)品尺寸的要求。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)最合適的方式應(yīng)當(dāng)是金屬封裝技術(shù)。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(shí)，微機(jī)械部件的實(shí)際尺寸也減小了。金屬密封技術(shù)的另一個(gè)特點(diǎn)是，它為芯片提供了電通路。所以在設(shè)計(jì)芯片時(shí)可以引入垂直互聯(lián)金屬層，實(shí)現(xiàn)晶圓堆疊和先進(jìn)封裝技術(shù)，從而進(jìn)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(gè)金屬形成的合金作為介質(zhì)層，通過外加溫度和壓力使其表面發(fā)生擴(kuò)散或熔融，這樣達(dá)到兩個(gè)晶片鍵合在一起的方法為金屬鍵合。由于金屬鍵合技術(shù)的不斷飛速發(fā)展，人們對鍵合質(zhì)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(gè)步驟： 1 表面清洗并蒸鍍金屬 首先需要對半導(dǎo)體和待轉(zhuǎn)移的襯底硅進(jìn)行化學(xué)清洗，以保證表面整潔無垢，平整光滑。使用RCA 標(biāo)準(zhǔn)清洗對硅片清洗，除去硅表面的各種雜質(zhì)。氮化鎵需要用丙酮、乙醇溶液等有機(jī)試劑進(jìn)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(fā)或磁控濺射等方法在半導(dǎo)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(dǎo)體與硅片相互正對放入鍵合機(jī)中，首先進(jìn)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(shè)定好鍵合的各項(xiàng)參數(shù)后，即兩個(gè)晶片間的金屬層將通過自擴(kuò)散，互擴(kuò)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(xué)腐蝕或激光剝離等技術(shù)去除原襯底材料。2.2 金屬鍵合的優(yōu)勢及應(yīng)用金屬鍵合在MEMS器件制造時(shí)主要用于將器件密封于真空環(huán)境以及為裝運(yùn)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(qū)別。真空等級不夠低或者是隨著器件使用

16、時(shí)間的增長，真空會降低，傳統(tǒng)鍵合方式的密封環(huán)必須很大，芯片尺寸也因此更大。在使用以金屬為介質(zhì)的鍵合技術(shù)后，密封環(huán)尺寸可以10倍的量級減小，MEMS器件尺寸也可相應(yīng)做得更小，一片晶圓片上就可容納更多芯片。據(jù)客戶報(bào)告，因此在生產(chǎn)制造時(shí)總體成本下降達(dá)75%。圖2 傳統(tǒng)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(shí)，金屬層垂直連接，重新分布，或直接與焊球連接，同時(shí)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(fù)雜程度。金屬鍵合主要的優(yōu)點(diǎn)有：1 工藝簡單，易于操作；2

17、 鍵合界面與發(fā)光器件的有源區(qū)相距較遠(yuǎn)，這樣不會影響器件的發(fā)光效率；3 金屬作為鍵合層還可起著導(dǎo)熱層的作用，有利于轉(zhuǎn)移到導(dǎo)熱導(dǎo)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(fā)光器件的反射率。正是由于金屬鍵合具有以上優(yōu)點(diǎn)，其在光電器件中的應(yīng)用大大改善了器件的性能，目前，金屬鍵合逐漸應(yīng)用到VCSEL 器件上。其重點(diǎn)在于選取合適的金屬，金屬要滿足低熔點(diǎn)、高反射率及與半導(dǎo)體易于形成歐姆接觸。 2.3 金屬鍵合工藝相關(guān)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(dǎo)電性、光學(xué)反射

18、率、厚度均勻性等。建議在惰性氣氛中進(jìn)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(jù)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(tǒng)金線焊在封裝步驟的使用。表I 金屬鍵合選項(xiàng)及結(jié)果 另一個(gè)建議是用化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）處理金屬層。IC工業(yè)中用于200mm和300mm晶圓片的鑲銅工藝發(fā)展已經(jīng)相當(dāng)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?yàn)榭梢允褂肅MP技術(shù)，故而可以使用擴(kuò)散鍵合。擴(kuò)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(zhì)量評估及其它注意事項(xiàng)金屬沉積層會影響鍵合結(jié)果的質(zhì)量。金屬沉積層通常厚3-5um。與此相比，玻璃漿料鍵合時(shí)，漿料層厚達(dá)30-150um。當(dāng)覆蓋層不合適時(shí)，圖形化密封環(huán)的寬反會達(dá)到幾十微米以上。沉積層的產(chǎn)生方法包括電鍍、化學(xué)氣相沉積、濺射和蒸發(fā)。濺射和蒸發(fā)很少使用，因?yàn)檫@兩種方式對目前的厚度要求，沉積速率太慢，不夠經(jīng)濟(jì)。不同的方式導(dǎo)致不同的金屬層純度和顆粒尺寸。在大多數(shù)金屬鍵合技術(shù)中，可以認(rèn)為金屬層純度越高，反應(yīng)速率越快。此外，當(dāng)溫度較低時(shí)，晶粒界線對原子運(yùn)動(dòng)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(yīng)，并且導(dǎo)致電特性很差。在對準(zhǔn)和鍵合前進(jìn)行表面處理能夠幫助去除這些反

20、應(yīng)層。具體方法有幾種，例如用等離子干法處理和化學(xué)濕法清洗。此外，鍵合機(jī)艙室的質(zhì)量也會對預(yù)防熱壓鍵合時(shí)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(zhǔn)和鍵合設(shè)備。生產(chǎn)設(shè)備解決方案，例如SUSSMicroTec公司的XBC系列中的鍵合機(jī)，鍵合腔室以電解法拋光，生產(chǎn)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(huán)境。高精確對準(zhǔn)機(jī)可以保證微米級別的對準(zhǔn)精度，化學(xué)方法的使用確保了高電性良率。 4晶圓鍵合應(yīng)用研究 晶圓鍵合具有非常廣泛的應(yīng)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(dǎo)體元器件；此外，在MEMS領(lǐng)域具體

21、結(jié)構(gòu)制備方面，晶圓鍵合已經(jīng)成為一個(gè)重要的使能技術(shù)，應(yīng)用于特定材料的集成以及特殊結(jié)構(gòu)，特殊器件的制備。4.1 薄晶圓片處理金屬鍵合的最大優(yōu)勢是能夠直接轉(zhuǎn)入垂直封裝。3D封裝可以顯著降低生產(chǎn)成本。減薄晶圓片的通常工藝步驟需要將器件附著于臨時(shí)性載片上。器件晶圓片正面朝下，附著的粘合層將經(jīng)歷一系列需要在背面進(jìn)行的工藝：包括研磨，拋光和隨后的金屬沉積，用以準(zhǔn)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(jìn)行最后的封裝。這整個(gè)工藝過程被稱為臨時(shí)性鍵合。臨時(shí)粘合的選擇可以按照附著和拆分載片，溫度穩(wěn)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(yīng)商產(chǎn)品的數(shù)據(jù)4-7。其

22、它因素還包括產(chǎn)量、COO建模和需要的厚度范圍。表II 臨時(shí)鍵合材料供應(yīng)商及其基本粘合特性 5 結(jié)論 晶圓片鍵合應(yīng)用于MEMS工業(yè)已達(dá)數(shù)十年時(shí)間，業(yè)界有責(zé)任建立標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，設(shè)定氣密性、鍵合強(qiáng)度、缺陷檢測、批量生產(chǎn)設(shè)備。而高級CMP工藝、硅垂直深孔刻蝕、金屬填充互聯(lián)技術(shù)的發(fā)展將促使CMOS工業(yè)繼續(xù)進(jìn)步。MEMS和CMOS生產(chǎn)制造技術(shù)的交叉徹底變革了整個(gè)市場。 向金屬鍵合技術(shù)轉(zhuǎn)變，滿足了工業(yè)生產(chǎn)和薄晶圓片處理的需要，促進(jìn)了先進(jìn)MEMS生產(chǎn)消費(fèi)市場的快速成長。目前實(shí)現(xiàn)襯底轉(zhuǎn)移主要通過晶圓鍵合技術(shù)，若采用直接鍵合技術(shù)則存在嚴(yán)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(jìn)行，會造成元件損壞及產(chǎn)生熱

23、應(yīng)力等問題；而采用已成熟的金屬鍵合技術(shù)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(dǎo)體共晶形成鍵合。 致謝 文末要特別感謝我的指導(dǎo)老師張冉老師的悉心指導(dǎo)。感謝張老師在課題研究方向上高屋建瓴的點(diǎn)撥，在實(shí)驗(yàn)設(shè)備和研究條件相對較薄弱的情況下，帶領(lǐng)學(xué)生開拓進(jìn)取，走出了一條自主創(chuàng)新、自強(qiáng)不息的學(xué)術(shù)道路。張冉老師海納百川的胸懷和正直謙遜、平易近人的風(fēng)范深深感染著身邊的每一個(gè)人，也值得我永遠(yuǎn)學(xué)習(xí)。感謝老師們?yōu)槲宜冻龅囊磺?，學(xué)生唯有在今后的工作道路上更加努力，才能不辜負(fù)老師的期望和囑托。 晏爽 二零一五年五月于湖工 參考文獻(xiàn)1.劉志強(qiáng);王良臣;伊?xí)匝?郭恩卿;王國宏;李晉閩;垂直結(jié)構(gòu)GaN基LEDs熱壓鍵合應(yīng)力損傷分 析J;半導(dǎo)體技術(shù);20