2.3 玻璃漿料鍵合

玻璃漿料由玻璃粉和有機溶劑組成，在預燒結過程中有機溶劑揮發，剩下熔融的玻璃，其鍵合強度高，密封性好，不受硅片粗糙度的影響。一般的鍵合工藝步驟為：

1）首先將玻璃粉料與介質混和形成漿料。

2）然后通過絲網印刷工藝，玻璃漿料在刮刀的推動下填入絲網板的網孔內，在硅片上形成了均勻的圖形。

3）進行預燒結揮發掉玻璃漿料中的水分和有機溶劑，并且使印刷后的漿料接近熔融狀態達到表面平整。

4）晶圓鍵合通過對準標記對準接觸后在鍵合機中通過升溫加壓進行鍵合。

由于鍵合過程中玻璃漿料成熔融狀態，因此此技術對鍵合面的粗糙程度有較好的容忍度。玻璃漿料鍵合在一定溫度范圍內膨脹系數與Si和玻璃接近，封接所造成的熱應力較小，因此玻璃漿料鍵合是一種工藝簡單且封裝效果較好的封裝鍵合技術。

 

2.4 粘合劑鍵合

這是利用高分子材料作為中間層的一種低溫鍵合技術。一般用環氧樹脂在固化劑的作用下通過高分子間的范德華力進行鍵合。由于鍵合溫度很低（150℃左右），所以產生的熱應力比較小，但是封裝氣密性受外界環境影響很大。

絕大多數晶圓粘合鍵合工藝都包括以下七個工藝步驟

1）清洗和干燥晶圓

2）在晶圓對一個或者兩個表面上旋涂一層粘合劑，旋涂可以控制涂層的均勻性和厚度，黏合劑的厚度必須能夠補償晶圓表面顆粒和表面粗糙度

3）軟烘或者預固化聚合物，對熱固性黏合劑來說，在鍵合開始之前應該處于未聚合或部分聚合狀態。

4）將晶圓對置于腔室內，并抽真空，然后讓兩晶圓相接觸。腔室氣體壓強通常在10Mpa或者更低，這樣可以使聚合物產生氣體或副產物排出鍵合界面。

5）施壓使需要鍵合的表面緊密接觸

6）重熔或固化黏合劑，控制鍵合溫度曲線

7）冷卻以及鍵合壓強釋放。一般采用氮氣吹掃腔室使晶圓溫度降低完成鍵合。

下圖7示意為一個BCB （benzocyclobutene苯甲基丁烯）有機材料鍵合示意圖

圖7 BCB bonding schematic

2.5 金屬共晶鍵合

 

金屬共晶鍵合（Eutectic bonding），是指在較低溫度下，將某些熔融溫度較低的共晶合金作為中間介質層，通過加熱使材料熔融，實現共晶鍵合。共晶體就是兩種金屬不以原子形式而以晶粒形式相互固溶，結合而成的機械混合物。能形成共晶體的兩種金屬在共晶溫度時相互接觸擴散，在兩金屬間形成共晶合金，時間越長，共晶合金厚度越厚，溫度降低后共晶合金會交替析出兩種金屬，兩種金屬分別按照各自的原始固相繼續結晶析出，因此共晶合金將兩種金屬牢固地結合在一起。合金焊料分為硬焊料和軟焊料，硬焊料是液相線在315℃~425℃之間的焊料。Au/Si二元合金就是其中一種。軟焊料是液相線低于315℃的焊料，主要軟焊料有Pb/In，Pb/Sn，In/Sn等，其鍵合溫度比硬焊料低。下圖為焊接接合面的SEM圖。

圖8 焊接接合面的SEM圖

通常把金屬鍵合流程分為以下三個步驟

圖9 金屬鍵合流程

 

1） 表面清洗并蒸鍍金屬

首先需要對晶圓進行化學清洗，以保證表面整潔，平整光滑。清洗后樣品利用電子束蒸發或磁控濺射等方法在半導體晶片上蒸鍍上一層金屬。蒸鍍的金屬層可形成良好的歐姆接觸。

2） 鍵合與退火處理

鍍完金屬層后將半導體與硅片相互正對放入鍵合機中，首先進行熱退火，退火的目的是為了形成良好的歐姆接觸以及消除晶格缺陷。設定好鍵合的各項參數溫度，壓力以及腔體內部氣氛（金硅共晶溫度363℃，施加溫度范圍350~400℃）后，當溫度高于共晶溫度時，不斷形成新的共晶合金，直到硅或金兩種材料中的一種消耗完為止，冷卻后便可形成共晶鍵合層。

3） 鍵合后的晶圓可以通過晶圓減薄工藝去除原襯底材料。

鍵合優點

1）工藝簡單，易于操作；2）金屬作為鍵合層還可以起到導熱層作用；3）對于發光器件如VCSEL或LED鍵合界面與發光器件有源區相距較遠，這樣不會影響器件的發光效率；4）金屬鍵合通常采用的溫度比其他鍵合溫度低，這樣避免了高溫條件下對器件造成的種種影響。5）鍵合層所用的金屬不但能形成良好的歐姆接觸，還能提高某些發光器件的反射率（如VCSEL激光器制作中布拉格反射鏡上蒸鍍的金層）。

下圖為垂直腔面激光器（VCSEL）采用硅襯底的金屬鍵合結構與鍵合后的SEM圖。

 A)

 B)

 

Fig. 10. A) Schematic structure of a 1.55 pm GaInAsP/InP VCSEL fabricated on Si. B) The cross-sectional SEM photo of the GaInAsP/InP VCSEL

2.6 金屬熱壓鍵合

 

又稱為金屬擴散鍵合，是指將金或者銅沉積到需要連接的部件表面，然后將部件相互對準后放入晶片鍵合機中，控制鍵合腔體內的氣體組分，最后通過對晶片對進行加熱將其鍵合在一起。金屬擴散鍵合是物質界面間原子經過加熱加壓后相互擴散的結果。金屬擴散鍵合對于晶片表面的粗糙度要求很高（粗糙度<5nm）。目前廣泛應用的引線鍵合，載帶鍵合就是利用熱壓鍵合原理的點鍵合技術。

金-金熱壓鍵合的原理是當金-金界面接觸時，在高溫高壓的條件下，金原子相互擴散，形成一層擴散層。擴散層將原來的兩層金層粘在一起，并和兩鍵合金屬形成一個整體，起到了鍵合和密封的作用。一般金-金鍵合的溫度需要300℃左右，壓強在幾百Mpa以上。

3鍵合工藝對比

晶圓鍵合應用于MEMS工業已達數十年時間。各個工藝都有長足的發展。下表為各個工藝的對比。

表1 Wafer bonding methods, conditions and applications