晶圓級鍵合技術(shù)的最新發(fā)展

1、晶圓級鍵合技術(shù)的最新發(fā)展晶圓級鍵合技術(shù)的最新發(fā)展2011112419:37:28來源：SUSSMicroTec評論：0點擊：179晶圓片鍵合應(yīng)用于MEMS工業(yè)已達(dá)數(shù)十年時間，業(yè)界有責(zé)任建立標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，設(shè)定氣密性、鍵合強(qiáng)度、缺陷檢測、批量生產(chǎn)設(shè)備。而高級CMP工藝、硅垂直深孔刻蝕、金屬填充互聯(lián)技術(shù)的發(fā)展將促使CMOS工業(yè)繼續(xù)進(jìn)步。MEMS和CMOS生產(chǎn)制造技術(shù)的交叉徹底變革了整個市場。ShariFarrens博士博士晶圓鍵合部首席科學(xué)家SU

2、SSMicroTec1.引言引言晶圓級MEMS（微電子機(jī)械系統(tǒng)）鍵合技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)加速度計、壓力傳感器和陀螺儀等領(lǐng)域已數(shù)十年。汽車工業(yè)一直以來都是這些MEMS器件的主要最終用戶。但近期例如手機(jī)和游戲機(jī)產(chǎn)業(yè)的需求導(dǎo)致MEMS消費類產(chǎn)品市場爆發(fā)性增長，使得這一行業(yè)發(fā)生了巨大變化。最重大的變化可能就是更大的市場和更低的成本要求。同時，集成MEMS器件和CMOS控制器或其它IC部件的需求，使得該技術(shù)研究開始轉(zhuǎn)向關(guān)注怎樣才能制造這些器件。MEMS

3、的晶圓級鍵合方式以往主要為陽極鍵合和玻璃漿料鍵合。這兩種鍵合方式在產(chǎn)品使用壽命期間，都具有十分良好的氣密性，并且對于上游制造方面的嚴(yán)苛要求如顆粒沾污和表層形貌，都具有相對良好的適應(yīng)性。然而，這些方法并不能解決極限尺寸、集成度和垂直封裝的問題。2.高級高級MEMS鍵合要求鍵合要求新型MEMS芯片需要滿足更小產(chǎn)品尺寸的要求。實現(xiàn)這一目標(biāo)最合適的方式應(yīng)當(dāng)是金屬封裝技術(shù)。相比其它材料，金屬具有更低的透氣性，因此可以提供更好的氣密等級。金屬密封材

4、料在晶圓片上占用更小的面積，晶圓也就可以容納更多的器件，所以在提高氣密性的同時，微機(jī)械部件的實際尺寸也減小了。金屬密封技術(shù)的另一個特點是，它為芯片提供了電通路。所以在設(shè)計芯片時可以引入垂直互聯(lián)金屬層，實現(xiàn)晶圓堆疊和先進(jìn)封裝技術(shù)，從而進(jìn)一步減小芯片尺寸，降低成本。3.金屬鍵合技術(shù)金屬鍵合技術(shù)金屬鍵合技術(shù)大體上可以分為兩類：非熔化型擴(kuò)散法以及自平坦化（熔化）共熔晶反應(yīng)。在運用這兩種技術(shù)時，可以根據(jù)所希望的技術(shù)參數(shù)和要求，分別選取適合的金屬系

5、。金屬擴(kuò)散鍵合，是一種典型的熱壓力鍵合。首先，使金或銅沉積到需要連接的部件表面，然后將部件相互對準(zhǔn)后置入精密晶圓鍵合機(jī)，如SUSSMicroTec公司的CB200中。鍵合機(jī)控制腔室內(nèi)氣氛，加熱加壓將部件鍵合到一起。擴(kuò)散鍵合是物質(zhì)界面間原子相互混合的結(jié)果，鍵合結(jié)果氣密性極好。對于表面粗糙度和形貌都符合一定要求的器件，擴(kuò)散鍵合是一種很好的選擇。鍵合中，金屬層并不熔化，因此必須與需要鍵合的表面緊密接觸，對于粗糙表面、表面有顆粒或其它表面缺陷的

6、情況，這種鍵合方式就不合適了。在共熔晶鍵合過程中，兩種金屬熔合為合金并固化?？捎糜诠踩劬фI合的金屬材料有AuSi、AuSn、AuGe、CuSn、AlGe，以及其它一些不常用的合金材料。共熔晶鍵合過程中，基片上的金屬層在被稱為共熔溫度Te的特定溫度下相互熔合。合金沉積當(dāng)量或金屬層厚度決定了合金的合金溫度Te。金屬共熔后發(fā)生了數(shù)個重要的工藝變化。首先，金屬材料熔化會導(dǎo)致金屬層在結(jié)合面加速混合和消耗。這提供了一個良好的控制反應(yīng)，可以形成均勻界

7、面。其次，金屬形成流體狀態(tài)，這樣在界面上，包括任何表面異形區(qū)域都可以自平坦化。最后，共熔晶鍵合的重點是在重新凝固后使混合物形成晶體結(jié)構(gòu)，從而獲得很高的熱穩(wěn)定性。因此在任何時候金屬系的選擇取決于溫度的限制，材料的兼容性，以及界面要求：如導(dǎo)電性、光學(xué)反射率、厚度均勻性等。建議在惰性氣氛中進(jìn)行金屬鍵合，以便傳熱和保證熱均勻性，抑制氧化并且保持腔室潔凈。表I列出了晶圓級鍵合最常用的金屬系和典型工藝變量。根據(jù)圖表顯示，基于金材料的金屬工藝不適用于

8、CMOS制造，但這不包括傳統(tǒng)金線焊在封裝步驟的使用。表I金屬鍵合選項及結(jié)果另一個建議是用化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）處理金屬層。IC工業(yè)中用于200mm和300mm晶圓片的鑲銅工藝發(fā)展已經(jīng)相當(dāng)成熟。但用于銅的小尺寸晶圓片CMP工藝卻很難找到。所以金更適用于小尺寸MEMS器件制造。因為可以使用CMP技術(shù)，故而可以使用擴(kuò)散鍵合。擴(kuò)散鍵合要求相對光滑的表面(粗糙度25nmRMS)。7.薄晶圓片處理薄晶圓片處理金屬鍵合的最大優(yōu)勢是能夠直接轉(zhuǎn)入垂直封裝

9、。3D封裝可以顯著降低生產(chǎn)成本。減薄晶圓片的通常工藝步驟需要將器件附著于臨時性載片上。器件晶圓片正面朝下，附著的粘合層將經(jīng)歷一系列需要在背面進(jìn)行的工藝：包括研磨，拋光和隨后的金屬沉積，用以準(zhǔn)備永久封裝器件。器件晶圓片減薄，以及背面工藝完成后，減薄的晶圓片與載片分離并進(jìn)行最后的封裝。這整個工藝過程被稱為臨時性鍵合。臨時粘合的選擇可以按照附著和拆分載片，溫度穩(wěn)定性，載具通用性這些工藝種類來分類。表II給出了四種主流供應(yīng)商產(chǎn)品的數(shù)據(jù)[47]。