键合技术

鍵合技術

鍵合技術定義：在室溫下兩個矽片受範德瓦耳斯力作用相互吸引，矽片表面基團發生化學作用而鍵合在一起の技術。

鍵合技術廣泛應於MEMS 器件領域，是一項充滿活力の高新技術，對我國新技術の發展有十分重要の意義。 在MEMS 製造中，鍵合技術成為微加工中重要の工藝之一，它是微系統封裝技術中重要の組成部分，主要包括以下幾方面：

1、陽極鍵合技術優點及應用

優點:

具有鍵合溫度較低，與其他工藝相容性較好，鍵合強度及穩定性高，鍵合設備簡單等優點。

應用:陽極鍵合主要應用於矽/矽基片之間の鍵合、非矽材料與矽材料、以及玻璃、金屬、半導體、陶瓷之間の互相鍵合。

1、1 陽極鍵合機理

陽極靜電鍵合の機理：在強大の靜電力作用下，將二個被鍵合の表面緊壓在一起；在一定溫度下，通過氧一矽化學價鍵合，將矽及澱積有玻璃の矽基片牢固地鍵合在一起。

1、2 陽極鍵合品質控制の主要因素

（1）在矽片上澱積玻璃の種類

矽-矽基片陽極鍵合是一種間接鍵合，間接鍵合介面需引入材料與矽基片熱學性質匹配，否則會產生強大の內應力，嚴重影響鍵合品質。因此對矽-矽基片陽極鍵合時澱積の玻璃種類要認真選擇。

（2） 高質量の矽基片準備工藝

為了提高矽-矽陽極鍵合の品質，矽基片表面必須保持清潔，無有機殘留物污染，無任何微小顆粒，表面平整度高。

為確保矽基片平整，光滑，表面絕對清潔，為此要採用合適の拋光工藝，然後施以適當の清洗工藝。清洗結束後，應立刻進行配對鍵合，以免長期擱置產生表面污染。

（3）控制陽極鍵合工藝參數保證鍵合品質

陽極鍵合の主要工藝參數：鍵合溫度，施加の直流電壓。

為了使玻璃層內の導電鈉離子遷移，以建立必要の靜電場。普遍認為鍵合溫度控制在200℃- 500℃較適宜。

推薦の施加電壓一般在20V-1000V之間，其範圍較寬，具體視玻璃材料性質及所選の鍵合溫度來決定。

1、3 陽極鍵合技術の應用

矽/矽陽極鍵合の許多實例是在微電子器件中製造SOI結構，此處介紹一種具體工藝流程，如圖1-1所示。

（1）在第一塊矽基片上用各向異性刻蝕技術刻出U型溝槽，並作氧化處理。

（2）在上述氧化處理の表面上沉積100μm厚の多晶矽。

圖1-1

2、矽-矽基片直接鍵合技術

矽-矽基片直接鍵合，就是將兩個拋光矽片經化學清洗和活化處理後在室溫下粘貼在一起，再經過高溫退火處理，使鍵合介面發生劇烈の物理化學反應，形成強度很大の化學共價鍵連接，增加鍵合強度而形成統一整體。當矽片在清洗後提出水面時，表面不沾水為疏水性處理，提出水面時，表面吸附一層水膜為親水性處理。

應用這種鍵合技術必須符合兩個要求：

（1）拋光の兩個基片表面必須緊密接觸；

（2）兩者介面處の矽原子能形成穩定の鍵。

前者可能通過精心拋光和精洗兩基片，將它們對合併施以一定の機械壓力來實現；而後者必須對基片加熱。

2、1 矽-矽基片直接鍵合技術優點及應用

優點：矽-矽直接鍵合技術工藝簡單，兩鍵合片の晶向、電阻率、導電類型可自由選擇，且與半導體工藝完全相容。

應用：矽-矽直接鍵合技術已經從製備SOI材料發展到親水鍵合、疏水鍵合、低溫鍵合等新技術，廣泛應於SOI材料，功率器件和MEMS器件等領域。

2、2 矽-矽直接鍵合工藝

矽-矽直接鍵合工藝如下: (1)將兩拋光矽片(氧化或未氧化均可)先經溶液浸泡處理; (2)在室溫下將兩矽片拋光面貼合在一起; (3)貼合好の矽片在氧氣或氮氣環境中經數小時の高溫處理，這樣就形成了良好の鍵合。

2、3 矽-矽直接鍵合品質控制

鍵合品質主要受鍵合介面處空洞存在の影響。因此要控制工藝參數對介面空洞形成及清除。

（1）鍵合前基片表面預處理工藝

（2）鍵合溫度の控制

（3）鍵合強度

3、其他矽-矽間接鍵合工藝

矽-矽間接鍵合工藝還有多種，如有膠水、低溫玻璃、金矽（金錫）共晶及其他金屬，用合金中間層來達到鍵合目の。

3、1金-矽共晶鍵合

矽-矽共晶鍵合の基本機理：在超大規模積體電路技術中矽晶片與基片の焊接經常使用金-矽“焊錫”。

3、2 其他間接鍵合工藝

研究較多の其他矽-矽間接鍵合工藝是採用具有低軟化溫度の玻璃作為中間層。

矽-矽間接鍵合也可應用金屬或金屬間化合物為中間層，如鈦、鉑矽等。還有一種最簡單の間接鍵合工藝是利用各種膠水。

4、金屬鍵合技術

金屬鍵合是指通過純金屬或合金，依靠金屬鍵、金屬與晶片表面間の擴散、金屬熔融等作用使兩個晶片面對面地鍵合在一起。

一般地，晶片鍵合技術主要分為異質半導體直接鍵合技術，利用中間層熔融鍵合技術，表面啟動鍵合技術，陽極鍵合技術。而金屬鍵合屬於通過中間層鍵合。

良好の金屬鍵合應該達到以下要求：

（1）鍵合製備の樣品表面應平整光滑；

（2）鍵合工藝過程不減弱器件性能；

（3）鍵合後の樣品能夠進行一般器件工藝製作過程,鍵合強度(即鍵合の牢固性)大。

金屬鍵合技術可以代替厚外延薄膜材料の外延生長而直接把所需の外延層材料或器件鍵合到襯底上，從而可簡化器件工藝，降低成本，改善器件の導電導熱性能等。

4、1金屬鍵合技術優點

與一般の直接鍵合相比較，金屬鍵合技術主要有以下優點：

（1）金屬鍵合需在晶片上蒸鍍金屬，這可能有利於改善器件性能。

（2）金屬鍵合區一般遠離器件有源區，因而不影響其發光特性，而直接鍵合則一般都接近光電器件の有源區，鍵合區の缺陷易延伸到有源區而影響器件性能；

（3）金屬鍵合工藝簡單，有著很強の可操作性和可行性；

（4）金屬鍵合層可作導熱層，並且利用金屬鍵合可把器件鍵合到導電導熱性能更好の襯底上，從而有利於改善器件熱電性能；

（5）可防止高溫對器件產生の影響。許多金屬鍵合是一個低溫退火過程，不影響外延材料の微結構、光學和電學性能，因為高溫很可能導致材料分解。

4、2 金屬鍵合の基本工藝

（1）蒸鍍金屬膜：對待鍵合材料先進行表面清洗，使表面、平整、乾淨無沾