键合技术

键合技术
键合技术定义：在室温下两个硅片受范德瓦耳斯力作用相互吸引，硅片表面基团发生化学作用而键合在一起的技术。

键合技术广泛应于MEMS 器件领域，是一项充满活力的高新技术，对我国新技术的发展有十分重要的意义。

在MEMS 制造中，键合技术成为微加工中重要的工艺之一，它是微系统封装技术中重要的组成部分，主要包括以下几方面：
1、阳极键合技术优点及应用
优点
:具有键合温度较低，与其他工艺相容性较好，键合强度及稳定性高，键合设备简单等优点。

应用:阳极键合主要应用于硅/硅基片之间的键合、非硅材料与硅材料、以及玻璃、金属、半导体、陶瓷之间的互相键合。

1、1 阳极键合机理
阳极静电键合的机理：在强大的静电力作用下，将二个被键合的表面紧压在一起；在一定温度下，通过氧一硅化学价键合，将硅及淀积有玻璃的硅基片牢固地键合在一起。

1、2 阳极键合质量控制的主要因素
（1）在硅片上淀积玻璃的种类
硅-硅基片阳极键合是一种间接键合，间接键合界面需引入材料与硅基片热学性质匹配，否则会产生强大的内应力，严重影响键合质量。

因此对硅-硅基片阳极键合时淀积的玻璃种类要认真选择。

（2）高质量的硅基片准备工艺
为了提高硅-硅阳极键合的质量，硅基片表面必须保持清洁，无有机残留物污染，无任何微小颗粒，表面平整度高。

为确保硅基片平整，光滑，表面绝对清洁，为此要采用合适的抛光工艺，然后施以适当的清洗工艺。

清洗结束后，应立刻进行配对键合，以免长期搁置产生表面污染。

（3）控制阳极键合工艺参数保证键合质量
阳极键合的主要工艺参数：键合温度，施加的直流电压。

为了使玻璃层内的导电钠离子迁移，以建立必要的静电场。

普遍认为键合温度控制在200℃- 500℃较适宜。

推荐的施加电压一般在20V-1000V之间，其范围较宽，具体视玻璃材料性质及所选的键合温度来决定。

1、3 阳极键合技术的应用
硅/硅阳极键合的许多实例是在微电子器件中制造SOI结构，此处介绍一种具体工艺流程，如图1-1所示。

（1）在第一块硅基片上用各向异性刻蚀技术刻出U型沟槽，并作氧化处理。

（2）在上述氧化处理的表面上沉积100μm厚的多晶硅。

图1-1
2、硅-硅基片直接键合技术
硅-硅基片直接键合，就是将两个抛光硅片经化学清洗和活化处理后在室温下粘贴在一起，再经过高温退火处理，使键合界面发生剧烈的物理化学反应，形
成强度很大的化学共价键连接，增加键合强度而形成统一整体。

当硅片在清洗后提出水面时，表面不沾水为疏水性处理，提出水面时，表面吸附一层水膜为亲水性处理。

应用这种键合技术必须符合两个要求：
（1）抛光的两个基片表面必须紧密接触；
（2）两者界面处的硅原子能形成稳定的键。

前者可能通过精心抛光和精洗两基片，将它们对合并施以一定的机械压力来实现；而后者必须对基片加热。

2、1 硅-硅基片直接键合技术优点及应用
优点：硅-硅直接键合技术工艺简单，两键合片的晶向、电阻率、导电类型可自由选择，且与半导体工艺完全兼容。

应用：硅-硅直接键合技术已经从制备SOI材料发展到亲水键合、疏水键合、低温键合等新技术，广泛应于SOI材料，功率器件和MEMS器件等领域。

2、2 硅-硅直接键合工艺
硅-硅直接键合工艺如下: (1)将两抛光硅片(氧化或未氧化均可)先经溶液浸泡处理; (2)在室温下将两硅片抛光面贴合在一起; (3)贴合好的硅片在氧气或氮气环境中经数小时的高温处理，这样就形成了良好的键合。

2、3 硅-硅直接键合质量控制
键合质量主要受键合界面处空洞存在的影响。

因此要控制工艺参数对界面空洞形成及清除。

（1）键合前基片表面预处理工艺
（2）键合温度的控制
（3）键合强度
3、其他硅-硅间接键合工艺
硅-硅间接键合工艺还有多种，如有胶水、低温玻璃、金硅（金锡）共晶及其他金属，用合金中间层来达到键合目的。

3、1金-硅共晶键合
硅-硅共晶键合的基本机理：在超大规模集成电路技术中硅芯片与基片的焊接经常使用金-硅“焊锡”。

3、2 其他间接键合工艺
研究较多的其他硅-硅间接键合工艺是采用具有低软化温度的玻璃作为中间层。

硅-硅间接键合也可应用金属或金属间化合物为中间层，如钛、铂硅等。

还有一种最简单的间接键合工艺是利用各种胶水。

4、金属键合技术
金属键合是指通过纯金属或合金，依靠金属键、金属与晶片表面间的扩散、金属熔融等作用使两个晶片面对面地键合在一起。

一般地，晶片键合技术主要分为异质半导体直接键合技术，利用中间层熔融键合技术，表面激活键合技术，阳极键合技术。

而金属键合属于通过中间层键合。

良好的金属键合应该达到以下要求：
（1）键合制备的样品表面应平整光滑；
（2）键合工艺过程不减弱器件性能；
（3）键合后的样品能够进行一般器件工艺制作过程,键合强度(即键合的牢固性)大。

金属键合技术可以代替厚外延薄膜材料的外延生长而直接把所需的外延层材料或器件键合到衬底上，从而可简化器件工艺，降低成本，改善器件的导电导热性能等。

4、1金属键合技术优点
与一般的直接键合相比较，金属键合技术主要有以下优点：
（1）金属键合需在晶片上蒸镀金属，这可能有利于改善器件性能。

（2）金属键合区一般远离器件有源区，因而不影响其发光特性，而直接键合则一般都接近光电器件的有源区，键合区的缺陷易延伸到有源区而影响器件性能；
（3）金属键合工艺简单，有着很强的可操作性和可行性；
（4）金属键合层可作导热层，并且利用金属键合可把器件键合到导电导热性能更好的衬底上，从而有利于改善器件热电性能；
（5）可防止高温对器件产生的影响。

许多金属键合是一个低温退火过程，不影响外延材料的微结构、光学和电学性能，因为高温很可能导致材料分解。

4、2 金属键合的基本工艺
（1）蒸镀金属膜：对待键合材料先进行表面清洗，使表面、平整、干净无沾污，并达到后面蒸镀金属膜所需的合适界面能和易于欧姆接触。

（2）键合：蒸镀完金属膜的晶片有时需要快速退火，主要是为了保证待键合材料与金属间形成良好的欧姆接触以及牢靠的黏结。

（3）腐蚀去除衬底：利用化学溶液等腐蚀对金属键合好的晶片去除衬底，以便进行器件制作的后步工序。

4、3 金属键合的选择方法
金属键合的关键是选择合适的金属膜，即选择的金属膜要与晶片材料保持良好的欧姆接触，小的扩散系数，以及低的金属熔点等。

在光电器件的金属键合中，有时还需考虑到选择的金属膜能改善光电器件的热学、电学、光学等性能。

目前国内外金属键合通常采用的金属有Au、Cu、In、Ti、Pt、Cr、Ge、Ni等。

4、4 金属键合在光电器件中的应用
金属键合技术大量地应用于光电器件结构的制作中。

在国外，金属键合可应用在二极管的器件制作中。

在国内，最近也兴起了把金属键合应用到各种光电器件结构制作中的热潮。

孙元平等利用金属In 的低熔点成功地把GaNED 结构键合到新衬底Si上，此金属键合并没有影响GaN 的外延层的光学性质。

杨道虹等则运Si/Ti/Au/Au/Ti/Si在420℃左右N2保护下成功地实现了Au/Si共熔键合，成品率达到90%以上，该金属键合方法能选择区域键合，完全避免了由于Si/Si熔融键合过程中高温退火给微机电系统(MEMS) 器件带来的畸变甚至失效，为新型室温红外探测器的研制奠定了良好的工艺基础。