MEMS键合工艺简介
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内容
• • • • • • • • 一个典型的IC制作工艺 简介 晶片制备 光刻 淀积 掺杂 键合 刻蚀
键合
键合
键合工艺
键合：静电键合、热键合、“复合”键合 键合的目的是通过外界作用将多个基片“粘接”
wenku.baidu.com
不同的键合方式，键合原理不同
静电键合
静电键合：Wallis和Pomerantz于1969年提出，静电键合可把金属、 合金、半导体与玻璃键合 原理： • 硼硅玻璃、磷硅玻璃在一定 温度下软化，行为类似电解 质，外加电压下，正离子 （Na）向阴极漂移，在阳极形成空间电荷区， 外加电压落于空间电荷区，漂移停止 • 如硅接阳极，玻璃接阴极，硅玻璃接触， 在界面形成的负空间电荷区与硅发生化学 反应，形成化学键Si-O-Si，完成键合 • 可通过检测电流监测键合 是否完成
复合键合
“复合”键合 原理利用中间层之间的反应完成键合 • 带硅化物的键合：NiSi，PtSi，TiSi2等 • 金硅键合：利用金硅互熔点低的特点（400度左右） • 非晶硅
金硅共晶键合
键合技术比较
键合对准
键合质量检测
红外检测
划片
SEM观察
工艺及参数影响
• 表面处理的作用：吸附OH根很关键 NH4OH、H2SO4、等离子体处理 • 温度的影响； • 与温度有关的孔洞；沾污碳氢化合物随温度生高 （200~800度）释放产生孔洞，大于1100高温退 火或先800度退火处理可消除 • 键合强度：随温度生高增加 • 界面氧化层的稳定：三种机制解释 • 表面平整度： • 沾污粒子：1微米粒子产生4.2mm孔洞 足够清洗、超净环境、平整表面、高温处理、 低温键合：在小于500度下完成键合
例子
键合工艺
热键合：高温处理后，硅片直接键合在一起。Lasky提出 硅直接键合（SDB） 硅熔融键合（SFB） 直接样品键合（DWB） 工艺： • 表面处理 • 表面帖合 • 高温处理 对键合面要求： • 平整度：无凸起 • 粗糙度：Ra<0.6nm • 清洁度：无沾污
原理：三个阶段
• 室温~200度：表面吸附的OH根在接触区产生氢键，随温 度增高，OH根得到热能增大迁移率，氢键增多，硅片产 生弹性形变，键合强度增加。在200~400度间，形成氢键 的两硅片的硅醇键聚合反应，产生水合硅氢键，键合强度 迅速增大 Si-OH+HO-Si——Si-O-Si+H2O • 500~800度：水基本不扩散，OH根破坏桥接氧原子的一个 键，使之转换为非桥接氧原子，使键合面带负电荷 HOH+ Si-O-Si——2H++2Si-O• 800度以上：水扩散显著，间隙和空洞中的水扩散到氧化 硅中，产生局部真空空洞，硅片发生塑性形变消除空洞。 SiO2产生粘滞流动，消除微间隙。大于1000度后，临近 原子相互反应产生共价键，键合完成
静电键合
工艺及工艺参数的影响
•温度： 低温：没有导电电流，键合无法进行 高温：玻璃软化，无法键合 一般：180~500度 •电压： 低压；静电力减弱， 无法键合 高压：击穿玻璃 一般：200~1000伏
静电键合
• • • • • 键合产生的应力：热膨胀系数相近、热匹配 电极形状：点接触、平行板电极 非导电绝缘层的影响；减弱静电力，460nm后，键合失效 表面粗糙度的影响 极化区中残余电荷的作用；键合完成后在极化区内残余的 电荷形成静电力，加强键合
• • • • • • • • 一个典型的IC制作工艺 简介 晶片制备 光刻 淀积 掺杂 键合 刻蚀
键合
键合
键合工艺
键合：静电键合、热键合、“复合”键合 键合的目的是通过外界作用将多个基片“粘接”
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不同的键合方式，键合原理不同
静电键合
静电键合：Wallis和Pomerantz于1969年提出，静电键合可把金属、 合金、半导体与玻璃键合 原理： • 硼硅玻璃、磷硅玻璃在一定 温度下软化，行为类似电解 质，外加电压下，正离子 （Na）向阴极漂移，在阳极形成空间电荷区， 外加电压落于空间电荷区，漂移停止 • 如硅接阳极，玻璃接阴极，硅玻璃接触， 在界面形成的负空间电荷区与硅发生化学 反应，形成化学键Si-O-Si，完成键合 • 可通过检测电流监测键合 是否完成
复合键合
“复合”键合 原理利用中间层之间的反应完成键合 • 带硅化物的键合：NiSi，PtSi，TiSi2等 • 金硅键合：利用金硅互熔点低的特点（400度左右） • 非晶硅
金硅共晶键合
键合技术比较
键合对准
键合质量检测
红外检测
划片
SEM观察
工艺及参数影响
• 表面处理的作用：吸附OH根很关键 NH4OH、H2SO4、等离子体处理 • 温度的影响； • 与温度有关的孔洞；沾污碳氢化合物随温度生高 （200~800度）释放产生孔洞，大于1100高温退 火或先800度退火处理可消除 • 键合强度：随温度生高增加 • 界面氧化层的稳定：三种机制解释 • 表面平整度： • 沾污粒子：1微米粒子产生4.2mm孔洞 足够清洗、超净环境、平整表面、高温处理、 低温键合：在小于500度下完成键合
例子
键合工艺
热键合：高温处理后，硅片直接键合在一起。Lasky提出 硅直接键合（SDB） 硅熔融键合（SFB） 直接样品键合（DWB） 工艺： • 表面处理 • 表面帖合 • 高温处理 对键合面要求： • 平整度：无凸起 • 粗糙度：Ra<0.6nm • 清洁度：无沾污
原理：三个阶段
• 室温~200度：表面吸附的OH根在接触区产生氢键，随温 度增高，OH根得到热能增大迁移率，氢键增多，硅片产 生弹性形变，键合强度增加。在200~400度间，形成氢键 的两硅片的硅醇键聚合反应，产生水合硅氢键，键合强度 迅速增大 Si-OH+HO-Si——Si-O-Si+H2O • 500~800度：水基本不扩散，OH根破坏桥接氧原子的一个 键，使之转换为非桥接氧原子，使键合面带负电荷 HOH+ Si-O-Si——2H++2Si-O• 800度以上：水扩散显著，间隙和空洞中的水扩散到氧化 硅中，产生局部真空空洞，硅片发生塑性形变消除空洞。 SiO2产生粘滞流动，消除微间隙。大于1000度后，临近 原子相互反应产生共价键，键合完成
静电键合
工艺及工艺参数的影响
•温度： 低温：没有导电电流，键合无法进行 高温：玻璃软化，无法键合 一般：180~500度 •电压： 低压；静电力减弱， 无法键合 高压：击穿玻璃 一般：200~1000伏
静电键合
• • • • • 键合产生的应力：热膨胀系数相近、热匹配 电极形状：点接触、平行板电极 非导电绝缘层的影响；减弱静电力，460nm后，键合失效 表面粗糙度的影响 极化区中残余电荷的作用；键合完成后在极化区内残余的 电荷形成静电力，加强键合