毕业论文 晏爽

1、湖北工业大学毕业设计（论文）摘要 作为半导体制造领域的一项新兴的使能技术，晶圆直接键合已经在越来越多的领域发挥了重要的作用。晶圆键合可以使得经过抛光的半导体晶圆在不使用粘结剂的情况下结合在一起。这种技术可以用于微电子、微机械、光电子等诸多领域。因此，深入研究晶圆键合的技术和应用的细节，对于推进晶圆键合在半导体产业中的应用具有重要的意义。晶圆键合技术是微系统封装的基本技术之一，经过近20年的快速发展已经成为微机电系统领域的一项重要工具。晶圆级封装、三维芯片堆叠和绝缘体上硅技术是推动晶圆键合技术发展的三大动力。金属键合技术与其它键合技术相比，它为芯片提供了电通路。所以在设计芯片时可以引入垂直互联金

2、属层，实现晶圆堆叠和先进封装技术，从而进一步减小芯片尺寸，降低成本。 本文从晶圆金属键合技术的机理入手，通过对晶圆键合工艺过程的剖析，总结了影响键合质量的若干因素（表面化学特性、粗糙度、界面形貌、三维微结构以及温湿度效应），并通过了可靠性实验进行了验证；与此同时对图形化晶圆金属键合工艺做了有益的探索和研究。 关键词：晶圆金属键合 微电子机械系统 工艺流程 应用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目录1 绪论.41.1 晶圆键合概念41.2 金属键合技术51.3 MEMS键合要求5-6 2 晶圆金属键合工艺探索6 2.1 金属键合工艺流程.6-7 2.2 金属键合的优势及应用.7-8 2.3 金属键合工艺相关建议.8-93 晶圆键合质量评估及其注意事项9-104 晶圆键合应用研究104.1 薄晶圆片处理.105 结论11 致谢12 参考文献121 绪论晶圆级MEMS（微电子机械系统）键合技术应用于生产加速度计、压力传感器和陀螺仪等领域已数十年。汽车工业一直以来都是这些MEMS器件的主要最终用户。但近期例如

9、手机和游戏机产业的需求导致MEMS消费类产品市场爆发性增长，使得这一行业发生了巨大变化。最重大的变化可能就是更大的市场和更低的成本要求。同时，集成MEMS器件和CMOS控制器或其它IC部件的需求，使得该技术研究开始转向关注怎样才能制造这些器件。MEMS的晶圆级键合方式以往主要为阳极键合和玻璃浆料键合。这两种键合方式在产品使用寿命期间，都具有十分良好的气密性，并且对于上游制造方面的严苛要求如颗粒沾污和表层形貌，都具有相对良好的适应性。然而，这些方法并不能解决极限尺寸、集成度和垂直封装的问题。1.1 晶圆键合概念晶圆键合技术是将不同材料晶片结合在一起,生产仅用硅难以制作的新型器件和微型元件,使许多

10、新技术和新应用得以实现。MEMS是将微型机械元件、微型传感器、微型执行器、信号处理与控制电路等集成于一体的微系统。它可将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统集成为一个整个单元的微型系统。这种微电子机械系统不仅能够采集、处理与发送信息或指令，还能够按照所获取的信息自主地或根据外部的指令采取行动。MEMS器件和系统具有体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、性能优良、功能强大、可批量生产等传统器件无法比拟的优点。它能够用微电子技术和微加工技术相结合的制造工艺，制备出各种性能优异、价格低廉、微型化的传感器、执行器、驱动器和微系统。如图1.1所示为一些 MEMS 传感器的样品。图1.1 MEMS传感器11

11、.2 金属键合技术金属键合技术大体上可以分为两类：非熔化型扩散法以及自平坦化（熔化）共熔晶反应。在运用这两种技术时，可以根据所希望的技术参数和要求，分别选取适合的金属系。金属扩散键合，是一种典型的热压力键合。首先，使金或铜沉积到需要连接的部件表面，然后将部件相互对准后置入精密晶圆键合机，如SUSS MicroTec公司的CB200中。键合机控制腔室内气氛，加热加压将部件键合到一起。扩散键合是物质界面间原子相互混合的结果，键合结果气密性极好。对于表面粗糙度和形貌都符合一定要求的器件，扩散键合是一种很好的选择。键合中，金属层并不熔化，因此必须与需要键合的表面紧密接触，对于粗糙表面、表面有颗粒或其它

12、表面缺陷的情况，这种键合方式就不合适了。在共熔晶键合过程中，两种金属熔合为合金并固化。可用于共熔晶键合的金属材料有AuSi,、AuSn、AuGe、 CuSn、AlGe，以及其它一些不常用的合金材料。共熔晶键合过程中，基片上的金属层在被称为共熔温度Te的特定温度下相互熔合。合金沉积当量或金属层厚度决定了合金的合金温度Te。金属共熔后发生了数个重要的工艺变化。 首先，金属材料熔化会导致金属层在结合面加速混合和消耗。这提供了一个良好的控制反应，可以形成均匀界面。其次，金属形成流体状态，这样在界面上，包括任何表面异形区域都可以自平坦化。最后，共熔晶键合的重点是在重新凝固后使混合物形成晶体结构

13、，从而获得很高的热稳定性。因此在任何时候T>Te 时，晶圆键合中的合金过程并不会由于一定的合金比例成分而结束，而是在界面处形成一个更稳定的熔融金相。1.3 MEMS键合要求新型MEMS芯片需要满足更小产品尺寸的要求。实现这一目标最合适的方式应当是金属封装技术。相比其它材料，金属具有更低的透气性，因此可以提供更好的气密等级。金属密封材料在晶圆片上占用更小的面积，晶圆也就可以容纳更多的器件，所以在提高气密性的同时，微机械部件的实际尺寸也减小了。金属密封技术的另一个特点是，它为芯片提供了电通路。所以在设计芯片时可以引入垂直互联金属层，实现晶圆堆叠和先进封装技术，从而进一步减小芯片尺寸，降低成本

14、。2 晶圆金属键合工艺探索2.1 金属键合工艺流程 采用金属或多个金属形成的合金作为介质层，通过外加温度和压力使其表面发生扩散或熔融，这样达到两个晶片键合在一起的方法为金属键合。由于金属键合技术的不断飞速发展，人们对键合质量的要求也越来越高。所以，良好有效的键合流程起着重要的作用。通常把金属键合的流程分为以下三个步骤： 1 表面清洗并蒸镀金属 首先需要对半导体和待转移的衬底硅进行化学清洗，以保证表面整洁无垢，平整光滑。使用RCA 标准清洗对硅片清洗，除去硅表面的各种杂质。氮化镓需要用丙酮、乙醇溶液等有机试剂进行超声清洗。最后都用去离子水冲洗并用高纯N2吹干。清洗后的样品在未被再次污染的情况下，

15、利用电子束蒸发或磁控溅射等方法在半导体晶片上蒸镀上一层金属。蒸镀的金属层可形成良好的欧姆接触。2 键合与退火处理 镀完金属层后将半导体与硅片相互正对放入键合机中，首先进行热退火。热退火的目的是为了形成良好的欧姆接触及消除晶格缺陷。设定好键合的各项参数后，即两个晶片间的金属层将通过自扩散，互扩散或熔融等键合在一起。3 去除衬底为了不影响器件的整体制作流程，键合后的样品需要通过化学腐蚀或激光剥离等技术去除原衬底材料。2.2 金属键合的优势及应用金属键合在MEMS器件制造时主要用于将器件密封于真空环境以及为装运而将器件封装。图2显示了不同制造方法和封装方式之间的区别。真空等级不够低或者是随着器件使用

16、时间的增长，真空会降低，传统键合方式的密封环必须很大，芯片尺寸也因此更大。在使用以金属为介质的键合技术后，密封环尺寸可以10倍的量级减小，MEMS器件尺寸也可相应做得更小，一片晶圆片上就可容纳更多芯片。据客户报告，因此在生产制造时总体成本下降达75%。图2 传统的适用于引线键合封装的阳极键合、玻璃浆料键合与金属键合封装的差异对比示意图切片后器件被封装并装配到控制线路板上，有源器件和无源器件通过线焊相互连接。金属键合时，金属层垂直连接，重新分布，或直接与焊球连接，同时MEMS器件可以被堆叠于其它部件的顶部，这样整体上减小了封装尺寸，降低了复杂程度。金属键合主要的优点有：1 工艺简单，易于操作；2

17、 键合界面与发光器件的有源区相距较远，这样不会影响器件的发光效率；3 金属作为键合层还可起着导热层的作用，有利于转移到导热导电性更好的衬底；4 由于金属键合通常采用的温度比较低，这样就避免了高温条件下对器件造成的种种影响；5 键合层所用的金属不但能形成良好的欧姆接触，还能提高某些发光器件的反射率。正是由于金属键合具有以上优点，其在光电器件中的应用大大改善了器件的性能，目前，金属键合逐渐应用到VCSEL 器件上。其重点在于选取合适的金属，金属要满足低熔点、高反射率及与半导体易于形成欧姆接触。 2.3 金属键合工艺相关建议金属系的选择取决于温度的限制，材料的兼容性，以及界面要求：如导电性、光学反射

18、率、厚度均匀性等。建议在惰性气氛中进行金属键合，以便传热和保证热均匀性，抑制氧化并且保持腔室洁净。表I 列出了晶圆级键合最常用的金属系和典型工艺变量。根据图表显示，基于金材料的金属工艺不适用于CMOS制造，但这不包括传统金线焊在封装步骤的使用。表I 金属键合选项及结果 另一个建议是用化学机械抛光（CMP）处理金属层。IC工业中用于200mm和300mm晶圆片的镶铜工艺发展已经相当成熟。但用于铜的小尺寸晶圆片CMP工艺却很难找到。所以金更适用于小尺寸MEMS器件制造。因为可以使用CMP技术，故而可以使用扩散键合。扩散键合要求相对光滑的表面(粗糙度<2-5nm RMS)。3 晶圆键

19、合质量评估及其它注意事项金属沉积层会影响键合结果的质量。金属沉积层通常厚3-5um。与此相比，玻璃浆料键合时，浆料层厚达30-150um。当覆盖层不合适时，图形化密封环的宽反会达到几十微米以上。沉积层的产生方法包括电镀、化学气相沉积、溅射和蒸发。溅射和蒸发很少使用，因为这两种方式对目前的厚度要求，沉积速率太慢，不够经济。不同的方式导致不同的金属层纯度和颗粒尺寸。在大多数金属键合技术中，可以认为金属层纯度越高，反应速率越快。此外，当温度较低时，晶粒界线对原子运动起到主要作用，较小的晶粒尺寸会更好。金属的表面氧化作用也会阻碍界面反应，并且导致电特性很差。在对准和键合前进行表面处理能够帮助去除这些反

20、应层。具体方法有几种，例如用等离子干法处理和化学湿法清洗。此外，键合机舱室的质量也会对预防热压键合时粘污层的重新生长造成重大影响。高级金属键合需要精确的对准和键合设备。生产设备解决方案，例如SUSSMicroTec公司的XBC系列中的键合机，键合腔室以电解法抛光，生产型载入窗口，正向压等措施差可以有效避免舱室和样品暴露于外界环境。高精确对准机可以保证微米级别的对准精度，化学方法的使用确保了高电性良率。 4晶圆键合应用研究 晶圆键合具有非常广泛的应用：在功能材料制备方面，体硅晶圆键合可以用于制备多种多样的SOI晶圆，而这些SOI晶圆可以用于制备MOS晶体管等半导体元器件；此外，在MEMS领域具体

21、结构制备方面，晶圆键合已经成为一个重要的使能技术，应用于特定材料的集成以及特殊结构，特殊器件的制备。4.1 薄晶圆片处理金属键合的最大优势是能够直接转入垂直封装。3D封装可以显著降低生产成本。减薄晶圆片的通常工艺步骤需要将器件附着于临时性载片上。器件晶圆片正面朝下，附着的粘合层将经历一系列需要在背面进行的工艺：包括研磨，抛光和随后的金属沉积，用以准备永久封装器件。器件晶圆片减薄，以及背面工艺完成后，减薄的晶圆片与载片分离并进行最后的封装。这整个工艺过程被称为临时性键合。临时粘合的选择可以按照附着和拆分载片，温度稳定性，载具通用性这些工艺种类来分类。表II给出了四种主流供应商产品的数据4-7。其

22、它因素还包括产量、COO建模和需要的厚度范围。表II 临时键合材料供应商及其基本粘合特性 5 结论 晶圆片键合应用于MEMS工业已达数十年时间，业界有责任建立标准规范，设定气密性、键合强度、缺陷检测、批量生产设备。而高级CMP工艺、硅垂直深孔刻蚀、金属填充互联技术的发展将促使CMOS工业继续进步。MEMS和CMOS生产制造技术的交叉彻底变革了整个市场。 向金属键合技术转变，满足了工业生产和薄晶圆片处理的需要，促进了先进MEMS生产消费市场的快速成长。目前实现衬底转移主要通过晶圆键合技术，若采用直接键合技术则存在严重的晶格失配和热失配等问题；若采用阳极键合，需在高温下进行，会造成元件损坏及产生热

23、应力等问题；而采用已成熟的金属键合技术能有效解决上述问题，还能在界面形成良好的欧姆接触，以金属半导体共晶形成键合。 致谢 文末要特别感谢我的指导老师张冉老师的悉心指导。感谢张老师在课题研究方向上高屋建瓴的点拨，在实验设备和研究条件相对较薄弱的情况下，带领学生开拓进取，走出了一条自主创新、自强不息的学术道路。张冉老师海纳百川的胸怀和正直谦逊、平易近人的风范深深感染着身边的每一个人，也值得我永远学习。感谢老师们为我所付出的一切，学生唯有在今后的工作道路上更加努力，才能不辜负老师的期望和嘱托。 晏爽 二零一五年五月于湖工 参考文献1.刘志强;王良臣;伊晓燕;郭恩卿;王国宏;李晋闽;垂直结构GaN基LEDs热压键合应力损伤分 析J;半导体技术;20