晶圓低溫直接鍵合技術(shù)研究.pdf

1、 華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文晶圓低溫直接鍵合技術(shù)研究姓名：饒瀟瀟申請學(xué)位級別：碩士專業(yè)：機(jī)械電子工程指導(dǎo)教師：廖廣蘭;史鐵林20070530 華 中 科 技 大學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文摘要鍵合技術(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)域里的一項重要工具。晶圓級封裝、三維芯片堆疊和絕緣體上硅技術(shù)是推動晶圓鍵合技術(shù)發(fā)展的三大動力。低溫鍵合技術(shù)與其他鍵合技術(shù)相比，能避免高溫退火帶來的諸多缺陷，在制作封裝微傳感器和絕緣體上硅器件上有著廣闊的應(yīng)用前景。本文以晶圓低溫直接鍵合技術(shù)為研究對象，從鍵合工藝、應(yīng)用研究以及強(qiáng)度分析三個方面開展了如下工作：首先從清洗活化方法、表面物

2、理、化學(xué)特性兩方面對晶圓直接鍵合的機(jī)理做了分析；引入了承載率的概念解釋表面粗糙度對鍵合質(zhì)量的影響，并通過原子力顯微鏡分析了濕法清洗各步驟后表面粗糙度的變化，比較了不同清洗工藝對鍵合效果的影響。接著將低溫直接鍵合技術(shù)引入到圖形化晶圓鍵合中，利用光刻技術(shù)和反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)制作了三種不同特征的空腔結(jié)構(gòu)，測試了空腔的三維形貌；結(jié)合鍵合實驗結(jié)果分析了鍵合缺陷形成的原因及不同結(jié)構(gòu)的空腔對鍵合質(zhì)量的影響。最后對鍵合質(zhì)量的主要指標(biāo)拉伸強(qiáng)度做了測試與分析。設(shè)計了溫濕度雙因素可靠性實驗，測試并分析了實驗前后樣品的拉伸強(qiáng)度的變化，并研究了紫外活化技術(shù)對親水鍵合強(qiáng)度的影響。關(guān)鍵詞：晶圓低溫直接鍵合圖形化晶圓鍵合紫外活

3、化鍵合強(qiáng)度I 華 中 科 技 大學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文AbstractWith rapid development for recent 20 years, wafer bonding has become the basictechnology in MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) packaging and an important tool inMEMS engineering field. WLP (Wafer Level Package), 3-D Chip Stacking and SOI (Silicon-on-insulator

4、) are the three impetuses for the development of wafer bonding technology. Thisthesis throws a sight on low-temperature wafer direct bonding which possesses many uniqueadvantages compared with other bonding technology, such as avoiding of the defects whichbrought by high-temperature annealing proces

5、sing. The technology of micro-fabrication onwafer substrate through bonding the interfaces with cavities has a bright future onapplications. The main contents of this thesis include three aspects: bonding technologyprocess, application study on bonding with cavities and quality analysis.The first pa

6、rt of this thesis gives a detailed analysis on the mechanism of wafer directbonding through cleaning and activation methods and surface physical and chemicalcharacteristics. Bearing ratio is introduced to interpret the effect of surface roughness onbonding quality. The bonding qualities applying dif

7、ferent cleaning methods are comparedwith the help of AFM (Atomic Force Microscope) which is used to measure the exact surfaceroughness before and after each cleaning step.In the second part, the low-temperature direct bonding technology is applied on waferbonding with cavities. Three different types

8、 of cavities are fabricated on wafers usinglithography technology and RIE (Reactive Ion Etching) technology. Three-dimensionalprofiles of the cavities are measured and RF-images after bonding are compared to analyzethe effects of different cavity structures on bonding quality and the forming reasons

9、 ofbonding defects.The last part of the thesis pays attention to tensile strength which is one of the mostimportant evaluation parameters of bonding quality. Temperature-humidity combined test isconducted and the variation of the samples tensile strength before and after the test isanalyzed. Moreove

10、r, the effect of UV activation on bonding strength is assessed.Keywords: low-temperature wafer direct bonding, patterned wafer bonding, UV activation,bonding strengthII 獨創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除文中已經(jīng)標(biāo)明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。對本文的研究做出貢獻(xiàn)的個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識到本聲明

11、的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。學(xué)位論文作者簽名：日期：年月日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)華中科技大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。保密，在不保密。年解密后適用本授權(quán)書。本論文屬于（請在以上方框內(nèi)打“”）學(xué)位論文作者簽名：指導(dǎo)教師簽名：日期：年月日日期：年月日 華 中 科 技 大學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文1 緒論1. 1 課題背景本論文工作是圍繞國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃

12、）項目“高性能電子產(chǎn)品設(shè)計制造精微化、數(shù)字化新原理和新方法”中的子課題“電子制造中的混合約束數(shù)字建模與產(chǎn)品缺陷診斷機(jī)理”（項目編號：2003CB716207）和國家自然科學(xué)基金“MEMS封裝失效的診斷與預(yù)測方法研究”（項目編號：50405033）展開的。1. 2 課題目的及意義1. 2. 1飛速發(fā)展的 MEMS技術(shù)隨著信息時代的到來，微電子工業(yè)發(fā)展迅猛，已成為最引人注目和最具發(fā)展?jié)摿Φ漠a(chǎn)業(yè)之一，微電子技術(shù)的巨大成功正在許多領(lǐng)域引發(fā)一場微小型化革命，以加工微米/納米結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)為目的的微米/納米技術(shù)在此背景下應(yīng)運而生，導(dǎo)致了以形狀尺寸微小或操作尺度極小為特征的微電子機(jī)械系統(tǒng)即 MEMS的出現(xiàn)。ME

13、MS器件是機(jī)械與微電子在微觀尺度的有機(jī)結(jié)合，大多數(shù)基于硅的 MEMS器件制造時所采用的微加工工藝就是在 IC（Integrated Circuit）產(chǎn)業(yè)的發(fā)展中成熟起來的，集成電路制造的許多工藝可以借鑒到 MEMS領(lǐng)域，但是 MEMS與微電子又有著顯著的不同1,2，如表 1.1所示。MEMS將許多不同種類的技術(shù)集成在一起，已成為人們在微觀領(lǐng)域認(rèn)識和改造客觀世界的一種高新技術(shù)，在材料、生物醫(yī)療、精密儀器檢測、環(huán)境監(jiān)控、國防等眾多領(lǐng)域，尤其是活動空間狹小、操作精度要求高、功能需要高度集成的航空航天等眾多領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景 3-5。 MEMS技術(shù)的發(fā)展日新月異，基礎(chǔ)研究從 LIGA（lithog

14、raphie, galvanoformung and abformung）技術(shù)、體硅技術(shù)到表面微細(xì)加工技術(shù)不斷拓展，而 MEMS技術(shù)的應(yīng)用也從傳感器、執(zhí)行器、光學(xué)器件到微流體器件，在機(jī)械、化學(xué)、光學(xué)和生物技術(shù)領(lǐng)域的前景逐漸顯現(xiàn)。過去 40年 MEMS技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了 80億美元的市場價值，而據(jù)估算，單在下一個十年， MEMS的市場份額將增加至320億美元6。MEMS產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也帶動了與之密切相關(guān)的 MEMS封裝業(yè)的發(fā)展，其重要性越來越突出。MEMS封裝已從早期的為芯片提供機(jī)械支撐、保護(hù)和電熱連接功能，逐漸融入到芯片制造技術(shù)和系統(tǒng)集成技術(shù)之中。當(dāng)前，MEMS技術(shù)在工業(yè)上面臨的最大挑戰(zhàn)1 華 中

15、科 技 大學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文表 1.1微機(jī)電系統(tǒng)與集成電路的比較ICMEMS主要為二維結(jié)構(gòu)復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)很多密封體內(nèi)含有精確移動的固體結(jié)構(gòu)或液體密封腔內(nèi)是靜態(tài)的電路在生物、化學(xué)、光學(xué)以及機(jī)電方面可實現(xiàn)很多特定的功能為實現(xiàn)特定的電子功能傳輸電能芯片通過封裝與工作介質(zhì)隔離很多精確移動的元件或靜止元件需要接觸工作介質(zhì)并在惡劣的環(huán)境下工作涉及各種不同的材料，如單晶硅、硅化合物、GaAs、石英、聚合物以及金屬等有很多元件需要組裝只涉及少數(shù)幾種材料：單晶硅、硅化合物、塑料和陶瓷少量元件需要組裝封裝技術(shù)相對較成熟封裝技術(shù)處于起步階段在設(shè)計、選材、制造以及組裝、封裝和測試方面已有實用的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)缺少可參

16、考的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)大多數(shù) MEMS產(chǎn)品是根據(jù)客戶要求定做的，小批量生產(chǎn)大批量制造封裝成本/商品總成本40%70%平均單件產(chǎn)品的成本1.00完全市場化50%95%（更高）10.00商業(yè)市場還較小之一就是封裝。封裝為 MEMS提供了電源分配、信號分配、散熱通道、機(jī)械支撐和環(huán)境保護(hù)等功能7。微系統(tǒng)的封裝成本是變化的，對于普通塑料密封的壓力傳感器而言，它可以是中等的，占總生產(chǎn)成本的 20%，而對于要求在高壓和溫度急劇變化的極端苛刻的環(huán)境中可持續(xù)工作的特殊壓力傳感器，其封裝成本可以令人吃驚地占到總生產(chǎn)成本的 95%8。因此封裝不但直接影響著 MEMS的電、熱、光和機(jī)械性能，很大程度上還決定了整個系統(tǒng)的小型化、

17、可靠性和成本。微系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的很多研究人員和專家都把包括組裝和測試在內(nèi)的封裝視為產(chǎn)品成功商業(yè)化的唯一最亟需解決的關(guān)鍵問題。20世紀(jì)最后二十年，隨著微電子、光電子工業(yè)的巨變，為封裝技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了許多機(jī)遇和挑戰(zhàn)，各種先進(jìn)的封裝技術(shù)不斷涌現(xiàn)，如球柵陣列封裝（ Ball Grid Array,BGA）、芯片級封裝（Chip Scale Package, CSP）、倒裝芯片封裝（Flip Chip In Package,2 華 中 科 技 大學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文FCIP）、晶圓級封裝（WLP）、多芯片組件封裝（Multi Chip Model, MCM）、系統(tǒng)級封裝（System in a Pack

18、age, SIP）等，市場份額不斷增加，2000年已達(dá) 208億美元，電子封裝技術(shù)已經(jīng)成為 20世紀(jì)發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的技術(shù)之一9。隨著 21世紀(jì)納米電子時代的到來，電子封裝技術(shù)必將面臨著更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，也孕育著更大的發(fā)展。1.2.2 MEMS與晶圓鍵合技術(shù)晶圓鍵合技術(shù)為 MEMS和 MOEMS（Micro-Opto-Electro-Mechanical System）中不同材料、不同結(jié)構(gòu)的結(jié)合提供超薄膜層制造方法，是實現(xiàn)更多 MEMS集成的有效加工技術(shù)。許多 MEMS元件需要晶圓鍵合工藝來制作電極和空腔，晶圓鍵合的技術(shù)可應(yīng)用于許多極具潛力的產(chǎn)業(yè)，從微機(jī)電領(lǐng)域的安全氣囊加速計、生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的微

19、流體元件，以及微電子領(lǐng)域的晶圓級封裝、 SOI材料制作、到光電通訊元件的薄膜轉(zhuǎn)移技術(shù)等，晶圓鍵合技術(shù)逐漸形成制作這些元件的基礎(chǔ)技術(shù) 10。驅(qū)動晶圓鍵合技術(shù)發(fā)展的三種技術(shù)是晶圓級封裝（ WLP）、三維芯片堆疊（ 3-D chip stacking）和絕緣體上硅（SOI）晶圓：（1）晶圓級封裝（WLP）和晶圓級芯片規(guī)模封裝(Wafer Level Chip Scale Package,WLCSP)是同一概念，它是芯片尺寸封裝的一個突破性進(jìn)展，表示的是一類電路封裝完成后仍以晶圓形式存在的封裝，其流行的主要原因是它可將封裝尺寸減至和 IC芯片一樣大?。ㄐ∮?3mm）、較少的 I/O以及其加工的低成本。

20、晶圓級封裝目前正以驚人的速度增長，截止至 2005年，其平均年增長率達(dá) 210，拉動這種增長的器件主要是集成電路、無源元件、高性能存儲器和較少引腳數(shù)的器件。晶圓鍵合的密封方法實際上就是先在晶圓蓋上制作出與器件結(jié)構(gòu)相適的微空腔，再與器件晶圓鍵合從而實現(xiàn)密封 11-14。晶圓級封裝提供了微系統(tǒng)要求的密封的微腔室，以便保護(hù)苛刻環(huán)境對器件的損傷，避免了器件受后續(xù)加工（如劃片等）的污染，同時保證了機(jī)械功能的執(zhí)行。對于一些獨立的微機(jī)械結(jié)構(gòu)（如微流體通道），環(huán)境污染（如灰塵和濕度）應(yīng)該被隔離于封裝體外；如果器件制作過程存在化學(xué)或生物醫(yī)學(xué)物質(zhì)，密封必須要保證在低溫下進(jìn)行；如果有光學(xué)器件，密封過程需要提供良好的

21、光學(xué)通道；如果是制作振動加速度計或微陀螺儀，其機(jī)械共振腔等微諧振器必須要求真空封裝，并且所需要的真空度將由器件的技術(shù)要求來決定15。這些不同的密封要求使得 MEMS封裝工藝變得很復(fù)雜，也對晶圓鍵合技術(shù)提出了更高的要求。（2）3D疊層封裝代表性的產(chǎn)品是系統(tǒng)級封裝，它在封裝觀念上發(fā)生了革命性的變化，從原來的封裝元件概念演變成封裝系統(tǒng)，SIP實際上就是一系統(tǒng)基的多芯片封裝3 華 中 科 技 大學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文(System Multi Chip Package, System MCP)，它是將多個芯片和可能的無源元件集成在同一封裝內(nèi)，形成具有系統(tǒng)功能的模塊，因而可以實現(xiàn)較高的性能密度、更高

22、的集成度、更小的成本和更大的靈活性，與第一代封裝相比，封裝效率提高 60-80，使電子設(shè)備減小 1000倍，性能提高 10倍，成本降低 90，可靠性增加 10倍16-17。（3）絕緣體上硅（silicon-on-insulator, SOI）以其獨特的材料結(jié)構(gòu)有效克服了體硅材料的不足，使得 SOI器件相比體硅器件具有許多優(yōu)勢，如消除了閂鎖效應(yīng)、降低了源漏極電容、改善了短溝道效應(yīng)以及熱載流子效應(yīng)、提高了抗輻射性能等。因此， SOI電路能成功應(yīng)用于高速、低壓、低功耗、抗輻射、耐高溫等領(lǐng)域。突破了體硅材料與集成電路限制的 SOI技術(shù)，必將成為微納電子時代現(xiàn)有體硅材料的核心支撐技術(shù)之一18。所謂 SO

23、I指的是在一絕緣襯底上再生長一層單晶硅薄膜，或者是單晶硅薄膜和支撐襯底中間有一絕緣層（通常是 SiO2）的結(jié)構(gòu)。SOI材料的主流制備技術(shù)之一是“鍵合及背面腐蝕（Bonded and Etched-Back Silicon-On-Insulator, BESOI）技術(shù)”，BESOI是采用鍵合技術(shù)將晶圓與另一氧化晶圓結(jié)合起來，然后采用選擇性化學(xué)腐蝕和化學(xué)機(jī)械拋光等方法將背面硅減薄，獲得 SOI結(jié)構(gòu)，如圖 1.1所示。BESOI表層硅單晶質(zhì)量好，埋層二氧化硅均勻，適用于制備厚膜、高功率器件，也可用于制備 MEMS器件。SiSiSiO2鍵合退火減薄SiO2SiO2支撐晶圓支撐晶圓支撐晶圓圖 1.1 B

24、ESOI技術(shù)智能剝離（Smart-Cut）技術(shù)作為一種基于氫離子注入和晶圓鍵合技術(shù)的新型薄層轉(zhuǎn)移技術(shù)，已越來越受到人們的關(guān)注。其原理是利用氫離子注入在晶圓表面形成氣泡層，將注氫晶圓與另一支撐晶圓鍵合（兩片晶圓中至少有一片的表面生長了一層熱氧化SiO2覆蓋層），經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚硎棺渚A從氣泡層處完整裂開，形成 SOI結(jié)構(gòu)。它在工程上的應(yīng)用前景十分廣闊，在塑性襯底上生成單晶硅層，在絕緣材料上生成碳化硅或鍺以及制作多層 SOI結(jié)構(gòu)等只是其中的一部分?？梢灶A(yù)見在 21世紀(jì)的初葉，襯底制造技術(shù)，特別是 Smart-Cut技術(shù)的成熟和廣泛應(yīng)用，必將為 IC制造業(yè)和 MEMS產(chǎn)4 華 中 科 技 大學(xué) 碩

25、 士 學(xué) 位 論 文業(yè)設(shè)計出更復(fù)雜、滿足特殊用途、可以局部加工的襯底19。1.3 本論文的工作本文從晶圓低溫直接鍵合技術(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)），并通過可靠性實驗進(jìn)行了驗證；與此同時對圖形化晶圓低溫鍵合工藝做了有益的探索和研究。最后則對鍵合質(zhì)量的主要指標(biāo)拉伸強(qiáng)度做了測試與分析，并研究了紫外活化技術(shù)對鍵合強(qiáng)度的影響。5 華 中 科 技 大學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文2晶圓低溫直接鍵合工藝研究2.1 晶圓低溫直接鍵合機(jī)理研究晶圓到晶圓的方法為大批量的 3-D集成產(chǎn)品提供了最低成本的制造方案。然而

26、這種集成方法必須考慮芯片的成品率，并且需要被集成的芯片尺寸相同以及晶圓級鍵合和減薄的工藝兼容性。目前，晶圓鍵合技術(shù)針對不同的產(chǎn)品及制程需求，發(fā)展出符合各種功能需求的鍵合法，其中又以低溫鍵合技術(shù)最受矚目，晶圓鍵合過程中高溫退火會帶來很多嚴(yán)重的負(fù)面效應(yīng)。如果鍵合晶圓中已含有一些對溫度敏感的器件結(jié)構(gòu)，高溫退火會導(dǎo)致其性能劣化，甚至失效。此外高溫退火還會導(dǎo)致?lián)诫s源擴(kuò)散、金屬引線熔化變形等。尤其是熱失配較大的異質(zhì)材料在預(yù)鍵合后經(jīng)過高溫退火處理，材料間不同的熱膨脹系數(shù)會產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，熱應(yīng)力又會產(chǎn)生缺陷和位錯，甚至?xí)?dǎo)致晶圓破裂或完全不能鍵合，因此降低退火溫度實現(xiàn)晶圓低溫直接鍵合具有十分重要的意義。2.

27、1.1現(xiàn)有鍵合方法比較晶圓鍵合方法按照溫度高低可分為高 /低溫鍵合，按照有無中介層分為無中介層鍵合技術(shù)和有中介層鍵合技術(shù)兩類，有中介層鍵合技術(shù)又下分為共晶鍵合、黏著鍵合和玻璃介質(zhì)鍵合，無中介層鍵合方法包括陽極鍵合 /靜電鍵合和熔融鍵合。典型鍵合方法的比較如表 2.1所示。表 2.1鍵合方法比較有中介層無中介層黏著鍵合共晶鍵合玻璃介質(zhì)鍵合陽極鍵合熔融鍵合400/過程參數(shù)RT-20040040010002000V密封性低1m5m1000低高1m1m100高1m10m1000高高表面粗糙度光學(xué)對準(zhǔn)精度潔凈室級數(shù)顆粒敏感度2nm0.5-2nm0.5-1m0.5-1m1001中低中高6 華 中 科 技

28、大學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文黏著鍵合是由微型分配器將黏合劑薄層均勻涂布在基片的表面，然后將待鍵合的部件放置在黏合劑薄膜上，通?？梢允┘右粋€機(jī)械力來保證鍵合質(zhì)量。鍵合過程在鍵合腔體內(nèi)進(jìn)行，一般要求腔體保持在真空下，并利用加熱板對基片進(jìn)行加熱，以使基片達(dá)到鍵合所需的溫度，一般這個溫度稍低于玻璃的相變溫度。最常用于這種鍵合的黏合劑是環(huán)氧樹脂。共晶鍵合是共晶合金原子擴(kuò)散到待鍵合材料原子結(jié)構(gòu)的過程，從而形成這些材料的固態(tài)結(jié)合。與硅形成共晶合金的常用材料是金薄膜或是含金的合金薄膜。當(dāng)兩個鍵合表面與金等共晶合金成分材料的組合結(jié)構(gòu)被加熱到共晶溫度以上時，會發(fā)生共晶鍵合。共晶溫度是合金熔化的最低溫度，這個溫度低

29、于合金中各成分材料的熔點。在共晶溫度時，界面材料原子（如金原子）開始快速地擴(kuò)散到所接觸的硅基體中，形成金 -硅合金。這個過程將一直持續(xù)到交界面的共晶合金成分原子（如金原子）消耗殆盡為止。這種方法在固態(tài)鍵合和制作真空密封結(jié)構(gòu)方面的應(yīng)用前景廣闊。玻璃介質(zhì)鍵合是在預(yù)鍵合晶圓上利用紗網(wǎng)印刷（screen print）將低熔點、膠糊狀的玻璃介質(zhì)印刷在晶圓上，經(jīng)過預(yù)烘除去溶劑，再加壓（ 1Bar）經(jīng)過烘烤（400-500）鍵合晶圓。常用于封裝及密封用途，也可用在 GaAs與硅晶圓的鍵合。陽極鍵合是鍵合異質(zhì)材料時最常用的一種鍵合技術(shù)，如圖 2.1所示，也是目前運用最廣泛的鍵合技術(shù)。由于它裝置相對簡單，設(shè)備便

30、宜，因而在微系統(tǒng)封裝中的應(yīng)用非施加接觸壓力的重物 *陰極硅SiO2層（約2微米）Na+ Na+ Na+Na+ Na+富含Na的SiO2層濃縮NaCl蒸氣硅Na原子富集腔加熱板*陽極圖 2.1陽極鍵合原理7 華 中 科 技 大學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文常廣泛。陽極鍵合可提供可靠的真空密封性能，這種技術(shù)對于微流體管道、閥門以及微型壓力傳感器膜片等的制作非常有效。該技術(shù)的一大優(yōu)勢是鍵合過程可以在稍低于高溫的 180500的范圍進(jìn)行。溫度的降低可以減弱鍵合后材料殘余應(yīng)力和應(yīng)變的影響。另外，陽極鍵合還具有對鍵合晶圓粗糙度要求不高、鍵合力強(qiáng)等特點。應(yīng)用于硅-硅鍵合的陽極鍵合方法要求先在兩片晶圓表面生長一層

31、約 2微米厚的二氧化硅，并將其中一片晶圓的氧化表面放入充滿濃縮氯化鈉蒸氣的鈉原子富集腔，以添加鈉原子。再將兩晶圓疊放在一起接上電極利用 Na和O2離子的遷移形成新的 SiO2薄膜結(jié)合+ 層。鍵合過程需要在 1700V直流電壓以上的電場和 500以上的溫度下進(jìn)行。熔融鍵合（Fusion bonding）技術(shù)實際上就像是兩塊硅晶片的焊接，它是微機(jī)電系統(tǒng)和微系統(tǒng)封裝中非常重要的一種技術(shù)，其應(yīng)用可以追溯到 20世紀(jì) 60年代分離晶體管芯片的鍵合。Peterson等人利用這種技術(shù)制作了尺寸非常小的微型壓力傳感器模片。硅熔融鍵合過程主要利用界面的化學(xué)力，在氧化環(huán)境下“自發(fā)”完成鍵合，之后需要進(jìn)行高溫退火。

32、 SFB對鍵合表面平整度的要求（ 4nm）比陽極鍵合（ 1 m）更加嚴(yán)格，硅晶圓的鍵合強(qiáng)度可以高達(dá) 20MPa，與單晶硅的斷裂強(qiáng)度相近。硅熔融鍵合強(qiáng)度的強(qiáng)弱取決于這個物理-化學(xué)鍵合過程后退火過程的溫度。在 300以下，鍵合強(qiáng)度僅有極小的增加或者根本沒有變化。一般認(rèn)為，高退火溫度將在水合和親水鍵合過程中驅(qū)逐水分子，因此可形成更好和更牢固的鍵合。當(dāng)退火溫度為 700以上時，鍵合強(qiáng)度將顯著增加。大多數(shù)應(yīng)用中常見的退火溫度范圍為 11001400。2.1.2低溫直接鍵合原理為了獲得良好的微元件表面鍵合效果，主要有兩個要求：（1）表面之間的緊密接合；（2）溫度；溫度主要是提供鍵合所需的能量。但是大多數(shù)鍵

33、合方法，需要的預(yù)鍵合溫度都較高，如陽極鍵合的鍵合溫度高達(dá) 450，硅融合鍵合的溫度高達(dá) 1000以上。當(dāng)將兩種不同熱膨脹系數(shù)的晶片在高溫下鍵合到一起的時候，在鍵合過程中和鍵合結(jié)束后自然的會產(chǎn)生熱應(yīng)力和應(yīng)變，過大的殘余熱應(yīng)力可在較小熱膨脹系數(shù)晶片的鍵合表面造成裂痕，而過大的殘余應(yīng)變則可能導(dǎo)致膨脹系數(shù)較大的晶片（例如玻璃與硅晶片鍵合中的玻璃晶片）鍵合表面變形凸起。高溫退火還會導(dǎo)致?lián)诫s源擴(kuò)散，金屬引線熔化變形等。雖然陽極鍵合技術(shù)應(yīng)用于無表面層的微元件鍵合，可以降低溫度效應(yīng)對微元件的損傷，但是陽極鍵合所需的更高的電壓將產(chǎn)生更強(qiáng)的電場，會嚴(yán)重干擾微元件的電流，尤其是對于大規(guī)模集成電路20。8 華 中 科

34、 技 大學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文因此，降低退火溫度實現(xiàn)晶圓低溫鍵合，并達(dá)到需求的鍵合力具有十分重要的意義。雖然低溫鍵合技術(shù)還存在著鍵合強(qiáng)度低及鍵合時間長等缺點，但其發(fā)展已產(chǎn)生廣泛的研究及應(yīng)用。目前發(fā)展的低溫鍵合法主要有以下幾種：（ 1）表面活化低溫鍵合（Surface activated bonding, SAB）；利用電漿離子撞擊晶圓表面破壞鍵接，在預(yù)鍵合表面產(chǎn)生懸浮鍵，增加晶圓表面的自由能，當(dāng)晶圓鍵合時，可快速形成原子鍵結(jié)，達(dá)到所需的鍵合強(qiáng)度。（2）真空鍵合；當(dāng)兩片晶圓在真空中進(jìn)行預(yù)鍵合，可在較低的退火溫度達(dá)到所需的鍵合強(qiáng)度，所以目前所有晶圓鍵合設(shè)備的預(yù)鍵合動作都在真空環(huán)境中進(jìn)行，真空鍵

35、合在 200就可以獲得在空氣中退火至 1,100的鍵合能。（3）中間介質(zhì)鍵合；中間介質(zhì)鍵合主要是在兩晶圓表面涂布一層低熔點的介質(zhì)，以較低退火溫度達(dá)到所需的鍵合強(qiáng)度。使用中間介質(zhì)鍵合法有共晶鍵合（ Eutectic Bonding）、黏著鍵合（Adhesive Bonding）及玻璃介質(zhì)鍵合法（Glass Frit Bonding）。晶圓低溫直接鍵合技術(shù)結(jié)合了低溫鍵合和晶圓級集成制造的優(yōu)點，日益成為工程師們關(guān)注的焦點。低溫晶圓鍵合技術(shù)主要是利用界面的化學(xué)力，在氧化環(huán)境下自發(fā)完成鍵合的。在潔凈的環(huán)境中對經(jīng)過鏡面拋光的晶圓進(jìn)行去除污染物處理、親水化表面處理和表面活化處理，然后在室溫下將兩表面貼合，最

36、后進(jìn)行退火處理完成鍵合過程。其優(yōu)點體現(xiàn)在：（1）將低摻雜晶圓與高摻雜晶圓鍵合的方法取代耗費時間的深度摻雜擴(kuò)散過程；（2）形成純度高、缺陷少的單晶層取代厚晶圓外延生長；（3）通過鍵合被氧化的晶圓制作絕緣體上硅（SOI）晶圓；（4）通過鍵合帶溝槽或孔洞的表面對晶圓襯底進(jìn)行微加工21。整個晶圓鍵合過程可以簡單地概括為表面處理、預(yù)鍵合和熱處理 3個部分。（1）表面處理；主要是利用化學(xué)機(jī)械拋光來降低鍵合晶圓的表面粗糙度（均方根值一般要小于 1nm），然后利用化學(xué)溶液或等離子體對晶圓進(jìn)行清洗，去除晶圓表面上附著的各種沾污，提高親水性和表面活性，同時獲得特定的表面化學(xué)狀態(tài)和表面終止。（ 2）預(yù)鍵合；主要是在

37、室溫下將表面處理好的晶圓對準(zhǔn)，并施加一定的外力，促使晶圓對開始鍵合，同時采取一定的措施來避免鍵合表面上引入灰塵或顆粒。（3）熱處理；主要是通過一定溫度的退火在鍵合界面間形成共價鍵，增強(qiáng)界面間的鍵合強(qiáng)度，同時減少鍵合界面上形成的氣泡或空洞。晶圓低溫鍵合的機(jī)理（如圖 2.2所示）是首先將氧化晶圓在酸性溶液中浸泡，利用氫原子引發(fā)的范德華力形成親水性表面；然用去離子水漂洗，在此過程中發(fā)生水合作用在鍵合界面上引入氧原子和氫原子的 O-H鍵，稱為硅烷醇鍵（silanol bond）。然后將9 華 中 科 技 大學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文DI水Acetone/SPM/APM/HPMO-H鍵T預(yù)鍵合含硅氧烷網(wǎng)

38、絡(luò)的鍵合晶圓對退火脫水生成硅烷醇鍵OOOOOOOOOSiOSiOSiOSiSiSiH2OH2OH2OHHHHHHHHHHOOOOOOSiSiSiSiSiSiOOOOOOOOO圖 2.2低溫直接鍵合原理圖（晶圓經(jīng)過濕法清洗流程形成親水性表面，通過水合作用生成硅烷醇鍵，退火過程硅烷醇鍵間脫水，形成聯(lián)結(jié)緊密的硅氧烷網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)鍵合）兩片表面含有 O-H鍵的晶圓緊密接觸，兩片晶圓此時已可以在室溫下實現(xiàn)鍵合；接著10 華 中 科 技 大學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文進(jìn)行退火處理，水蒸氣會在兩晶圓接觸界面處形成并逸散到周圍環(huán)境中去，即發(fā)生脫水。剩下過多的氧原子在界面形成硅氧烷網(wǎng)絡(luò)（siloxane networ

39、k），從而在兩片晶圓表面產(chǎn)生牢固的鍵合22。這個過程的化學(xué)反應(yīng)如式 2.1所示：(Si OH) + (OH Si) H 2O + (Si O Si)(2.1)O-H的鍵長為 0.101nm，隨著溫度的不斷上升，脫水過程越徹底，硅氧烷網(wǎng)絡(luò)越致密。研究表明，在退火溫度達(dá)到 700時，鍵合晶圓間硅-硅的平均距離縮小到0. 16nm。2.1.3濕化學(xué)法清洗活化工藝流程晶圓潔凈方法一般分為濕法和干法兩種。干法利用高能量（熱能、電能、放射能）產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行表面潔凈，優(yōu)點是使用的化學(xué)品較少；相比之下，濕法（又稱濕化學(xué)法）則利用溶劑、酸性溶液、界面活性劑以及去離子水進(jìn)行洗滌、氧化、浸蝕以及溶解等清洗，效率

40、較高，能有效去除微粒、金屬離子、有機(jī)物或自然氧化物。因此，濕法清洗較普遍使用，根據(jù)制程需要搭配干法清洗以加強(qiáng)清洗效果。低溫晶圓鍵合是建立在濕化學(xué)法清洗工藝的基礎(chǔ)上的。表面潔凈的目的主要是清除所有的微量污染物（有機(jī)物、金屬離子、微粒以及自然氧化層等），并且控制表面形成的薄氧化層厚度。有機(jī)污染物多來自光阻的殘留物，另外機(jī)油、塑膠容器以及工作人員的身體和衣物都是可能的來源。金屬離子污染物主要來自離子注入、干式刻蝕。微粒的污染是因范德華力、虹吸現(xiàn)象或化學(xué)鍵而吸附于晶圓表面，或者陷入晶圓表面細(xì)微凹凸而生成的溝渠中，一般來自工藝過程中所使用的水、氣體、化學(xué)品以及工作人員。而自然氧化層則是由于晶圓表面暴露于

41、空氣中，或與水中溶解的氧氣發(fā)生反應(yīng)，晶圓表面的硅氫鍵（ Si-H）氧化成羥基（ Si-OH），或是將硅氧化為二氧化硅所生成。其中反應(yīng)的速率與氧的濃度/浸泡時間有關(guān)。濕法清洗的溶液很多，需要根據(jù)實驗的需要和目標(biāo)進(jìn)行選擇，目前采用的常規(guī)濕法清洗溶液主要有：APM、HPM、SPM、DHF、BHF等。實驗所采用的濕法清洗方法一共 10步（表 2.2），依次使用 4種化學(xué)溶液，分別是丙酮、APM、HPM和 SPM，其作用、配置方法和清洗步驟如下23,24：（1）丙酮（Acetone）；丙酮超聲清洗可以去除各種油脂類雜質(zhì)，由于這種分子型11 華 中 科 技 大學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文表 2.2晶圓清洗活

42、化流程步驟Step 1Step 2Step 3Step 4清洗活化流程作用丙酮超聲清洗 10分鐘&棉簽擦拭DI水沖洗溶解有機(jī)殘留物SPM - H 2SO4 : H 2O2熱 DI水快速浸洗去除有機(jī)殘留物Step 5 APM Meg（超聲） DI: NH 4OH : H 2O2去除有機(jī)殘留物/薄膜；Step 6Step 7Step 8Step 9Step 10快速浸洗HPM DI: HCl : H 2O2快速浸洗氧化硅去除金屬離子；氧化硅最后漂洗水合作用生成硅烷醇鍵甩干表面過多水分干燥（高速甩干）雜質(zhì)吸附力較差，因此在清洗晶圓時首先采用有機(jī)溶劑丙酮清除此類雜質(zhì)。丙酮浸泡拋光晶圓，超聲清洗 10分

43、鐘后觀察晶圓表面，如有可見顆粒，用棉簽蘸丙酮擦拭清除，完成后用去離子水沖洗干凈。（2）SPM/SC3；SPM是硫酸（Sulphuric acid）和雙氧水（hydrogen peroxide）的混合溶液，又被稱為“標(biāo)準(zhǔn)清洗-3”（standard clean-3, SC-3），配置有效期為 24小時。SPM是典型的用于去除有機(jī)污染物的清洗液，硫酸可以使有機(jī)物脫水而碳化，而雙氧水可將碳化產(chǎn)物氧化成一氧化碳或二氧化碳?xì)怏w。在晶圓低溫鍵合實驗中采用的 SPM清洗配置比例是 H 2SO4 : H 2O2 = 2 :1加熱至 120，浸泡晶圓 20分鐘。完成后用 50的去離子水快速浸洗，去離子水加溫的目

44、的是防止?jié)饬蛩嵊隼渌鹁植糠序v導(dǎo)致飛濺。（3）APM/SC1/RCA-1；RCA清洗方法是 Werner Kern于 1965年在 RCA（美國無線電公司）實驗室發(fā)明的，用于去除晶圓表面有機(jī)殘留物或薄膜。 RCA清洗分兩步進(jìn)行，需分別配置 RCA-1和 RCA-2溶液。 RCA-1清洗有時被成為“標(biāo)準(zhǔn)清洗 -1”（ standard clean-1, SC-1），是氨水（ Ammonium hydroxide）、雙氧水（ hydrogenperoxide）和去離子水的混合溶液，因而又被稱為 APM，有效期為 24小時。RCA-1溶液利用帶氧化特性的解吸附特性，以氧化和微刻蝕來底切和去除表面顆

45、粒，還可去除晶圓表面的輕微有機(jī)殘留物或有機(jī)物薄膜以及部分金屬化污染物，氨水可以與許多金屬離子反應(yīng)生成氫氧化物沉淀，如式 2.2所示：12 華 中 科 技 大學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文3NH 4OH + Fe3+ 3NH 4+ + Fe(OH)3 (2.2)氨水中加入了雙氧水，氨水更充當(dāng)了絡(luò)合劑的作用，能與 Cu 2+、Ag子發(fā)生絡(luò)合作用生成可溶性的絡(luò)合物溶于水中，如式 2.3所示：+等許多重金屬離Cu + H 2O2 + 4NH 3 Cu(NH 3)4(OH)2(2.3)過程中氧化了 Si，在晶圓表面形成了很薄的一層氧化層，如式 2.4所示：Si + 2H 2O2 SiO2 + 2H 2O(2

46、.4)但是在硅氧化和刻蝕的同時會導(dǎo)致表面粗糙。RCA-1溶液的配置和清洗過程是先在燒杯中加入 5份的去離子水，接著加入 27%的氨水 1份，加熱燒杯待溶液升溫至 70后加入 1份 30%的雙氧水，1- 2分鐘后溶液冒泡劇烈，然后將晶圓浸入配置好的溶液 15分鐘，在此過程中保持混合溶液溫度在 705。最后等浸泡時間到后用去離子水快速浸洗。（4）HPM/SC2/RCA-2；RCA-2清洗一般在 RCA-1清洗之后進(jìn)行，RCA-2清洗有時被成為“標(biāo)準(zhǔn)清洗-2”（standard clean-2, SC-2），溶液是鹽酸（Hydrochloric acid）、雙氧水（hydrogen peroxide

47、）和去離子水的混合溶液，因而又被稱為 HPM，有效期為 12小時。RCA-2溶液用于進(jìn)一步清潔表面，去除金屬離子（可溶解堿金屬離子和鋁、鐵及鎂之氫氧化物），另外鹽酸中的氯離子與殘留金屬離子發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)形成易溶于水溶液的絡(luò)合物，可從硅的底層去除金屬污染物；過程中氧化了 Si，在晶圓表面形成了很薄的一層氧化層。RCA-2溶液的配置和清洗過程與 RCA-1類似，先在燒杯中加入 6份的去離子水，接著加入 27%的鹽酸 1份，加熱燒杯待溶液升溫至 70后加入 1份 30%的雙氧水，1- 2分鐘后溶液冒泡劇烈，然后將晶圓浸入配置好的溶液 10分鐘，在此過程中保持混合溶液溫度在 705。最后等浸泡時間到后用

48、去離子水快速浸洗。經(jīng)過了丙酮、SPM、APM、HPM四種溶液的依次清洗后，晶圓表面已經(jīng)生成一層薄氧化層，并形成親水性氛圍，在漂洗過程中發(fā)生水合作用生成硅烷醇鍵。為了不破壞晶圓的親水性表面，同時避免沾染灰塵顆粒，在預(yù)鍵合之前沒有采用烘干的方法，而是使用了勻膠機(jī)甩干晶圓表面在漂洗時沾附的多余水分，設(shè)定轉(zhuǎn)速為 3000轉(zhuǎn)/分，13 華 中 科 技 大學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文承載深度(a)承載深度(b)圖 2.3紅外系統(tǒng)下觀測的預(yù)鍵合晶圓圖 2.4晶圓表面接觸模型甩干時間為 3分鐘。然后將經(jīng)過表面活化處理的晶圓對準(zhǔn)貼合，并在晶圓中心接觸部位施加約 3N大小的壓力，使得晶圓由中心向四周迅速貼合在一起。

49、預(yù)鍵合后在搭建的紅外測試系統(tǒng)下拍攝的圖片如圖 2.3所示。2.1.4濕化學(xué)法清洗對晶圓表面粗糙度的影響Abbot和 Fireman提出了“承載面積”（bearing area）的概念來表征表面質(zhì)量25。承載面積被定義為表面上高于一個指定深度的區(qū)域的面積。這個指定的高度被稱為“承載深度”（bearing depth），承載率（bearing ratio）則被定義為承載面積與整個樣品表面積的比值。在低溫晶圓鍵合工藝研究中，設(shè)定承載深度等于預(yù)鍵合時晶圓表面的水膜的厚度，則此時的承載面積可以近似看作晶圓鍵合的實際接觸面積。這個承載深度就是下面在進(jìn)行粗糙度評定時定義的基準(zhǔn)線（輪廓中線）。晶圓低溫鍵合對其

50、表面的形貌要求很高，影響鍵合效果的因素主要是表面波度和表面粗糙度 26-29。表面粗糙度是表面的微觀幾何形狀誤差，通常用表面高度的標(biāo)準(zhǔn)方差來表征表面粗糙度的高低，然而，對于直接鍵合來說 并不適合用來概括表面的這一特性。如圖 2.4所示，兩個表面擁有相同的標(biāo)準(zhǔn)方差，但是顯然表面（b）的形貌比起表面（a）更容易與裸晶圓直接鍵合。因此選擇輪廓算術(shù)平均偏差 Ra和均方根RMS來表征粗糙度。14 華 中 科 技 大學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文實驗證明，晶圓濕化學(xué)法清洗的步驟復(fù)雜煩瑣，配液過程長，保持時間相對較短，各種濕法清洗的溶液對硅表面有刻蝕、氧化和碳化的作用，對晶圓表面形貌的影響不容忽視。對于親水性晶

51、圓鍵合，要求表面粗糙度均方根值（RMS）小于 0.5nm才能實現(xiàn)無須施加外力的直接鍵合 30。因此有必要在清洗活化晶圓過程的每一步驟進(jìn)行后對晶圓表面的粗糙度進(jìn)行檢定，研究各種溶液對晶圓表面粗糙度的影響及粗糙度變化趨勢，指導(dǎo)清洗活化工藝的改進(jìn)。采用 Veeco NanoScope MultiMode掃描探針顯微鏡對拋光晶圓的表面以及 Acetone（a）RMS（拋光晶圓）（b）RMS（丙酮）（c）RMS (SPM)（d）RMS (RCA)圖 2.5各步驟清洗活化之后晶圓的表面粗糙度15 華 中 科 技 大學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文表 2.3粗糙度統(tǒng)計表RMS(nm) Ra(nm)Bare Si0.2900.3520.2250.282AcetoneSPMRCA1.9210.4651.1320.349圖 2.6粗糙度變化曲線清洗、SPM清洗、RCA清洗各步之后的粗糙度做了測試，結(jié)果如圖 2.5所示。對照粗糙度統(tǒng)計表 2.3和粗糙度變化曲線圖 2.6，可以看出，經(jīng)過化學(xué)機(jī)械拋光的晶圓的粗糙度是最低的（均方根值 RMS遠(yuǎn)小于 1nm），但是為了形成親水性表面，并對晶圓表面進(jìn)行活化處理，生成一層氧化層薄膜和硅烷醇鍵，必須對表面進(jìn)行處理。經(jīng)過丙酮超聲清洗后的晶圓表面粗糙度略有上升，但是經(jīng)過 SPM（ H 2SO4 + H