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低温圆片键合理论与工艺研究

聂磊  
【摘要】: 圆片键合是一种新兴的微电子制造技术,其特点是可将大尺寸的圆片材料一次性集成到一起,因此在材料制备、三维微结构集成和IC、MEMS器件制造及封装中应用日趋广泛。传统圆片键合技术通常需要在高温条件(400℃)下进行,由此导致的热应力问题会造成器件工作不稳定和可靠性降低;同时过高的温度还会使圆片材料中的功能成分再度扩散,致使电学特性劣化。因此,低温,即400℃甚至300℃以下的圆片键合技术日益被重视,正逐步成为圆片级封装实用化和产业化的基础。所以,需要深入地研究低温圆片键合工艺机理,探索可行的键合手段并建立相应的抽象模型,为圆片级封装提供有效的方法和工具。 本文立足于硅基圆片材料,对低温圆片键合的理论模型与机理、工艺、以及相应的检测技术进行了深入的研究,内容包括: 对表面活化直接键合试验进行深入分析,研究了硅-硅直接键合的机理。通过分析各种分子原子力在键合过程中的作用,确定了低温键合模型。综合了各因素对最终键合质量的影响,提出了根据圆片表面形貌判定能否键合成功的标准。 设计并完成了疏水性和亲水性表面活化直接键合的工艺试验,明确了各种活化配方和工艺流程对活化效果的影响。通过试验发现亲水性表面活化键合适用于低温键合,并根据试验结果提出了最佳活化配方和工艺。 提出了一种将表面活化直接键合与激光局部键合相结合的键合技术。试验首先使用了亲水性表面活化溶液对键合片进行表面活化处理,并在室温下成功地完成了预键合。然后在不使用任何夹具施加外力辅助的情况下,利用波长1064nm的Nd:YAG连续式激光器,实现了激光局部键合,并取得了比较好的键合强度。试验结果表明,这种以表面活化预键合代替加压的激光局部键合技术克服了传统激光键合存在的激光对焦困难,压力不匀易损害键合片和玻璃盖板等缺点,同时缩短了表面活化直接键合的退火时间,提高了键合效率。 将亲水性表面活化键合应用于图形圆片键合中,实验表明适合于裸片键合的活化工艺同样也能应用于低温图形圆片键合。 利用低转化温度的玻璃中介材料实现了硅-硅中介键合,而且此玻璃中介材料膨胀系数与硅相接近,避免了热膨胀系数不匹配带来的热应力问题。试验结果表明键合界面均匀一致,界面两边的物质发生相互扩散,形成了牢固的连接,因此取得了较好的键合强度。 对表现圆片键合质量的指标进行了全面的论述,并介绍了相应的检测手段及其优点和存在的问题。根据低温键合的特点,自行设计制造了红外检测系统。该系统主要用于对键合片进行红外透射无损检测,可对键合圆片进行静态和动态测试,为圆片键合的质量控制提供了高效快速的检测手段。


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