文章來(lái)源：學(xué)習(xí)那些事

原文作者：前路漫漫

本文主要講述金屬中間層鍵合。

金屬中間層鍵合技術(shù)涵蓋金屬熱壓鍵合、金屬共晶鍵合、焊料鍵合及瞬態(tài)液相（transient liquid phase，TLP）鍵合等多種類(lèi)型。圖1展示了這四種類(lèi)型及其對(duì)應(yīng)的鍵合機(jī)制。本文將重點(diǎn)聚焦金屬熱壓鍵合與金屬共晶鍵合，這兩種技術(shù)在微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）領(lǐng)域，尤其是晶圓級(jí)真空封裝場(chǎng)景中應(yīng)用極為廣泛。

金屬熱壓鍵合

金屬熱壓鍵合是微電子封裝領(lǐng)域的核心技術(shù)之一，其借助高溫高壓環(huán)境，通過(guò)固態(tài)擴(kuò)散作用使相同金屬材質(zhì)實(shí)現(xiàn)緊密接合，主要應(yīng)用的鍵合組合包括金-金（Au-Au）、銅-銅（Cu-Cu）及鋁-鋁（Al-Al）。該類(lèi)鍵合技術(shù)的核心優(yōu)勢(shì)在于低電阻率與優(yōu)異的密封性能，但受固態(tài)擴(kuò)散機(jī)制的制約，往往需要施加較高的溫度和壓力，同時(shí)對(duì)晶圓表面的平整度有著嚴(yán)格要求。對(duì)于Cu和Al材質(zhì)的熱壓鍵合，需將溫度控制在400℃以上才能保障鍵合質(zhì)量；此外，Cu與Al表面極易氧化，因此鍵合前必須通過(guò)針對(duì)性的氧化層清除處理，以確保鍵合效果達(dá)到預(yù)期。相較于Cu和Al，Au-Au熱壓鍵合可在300℃左右的較低溫度下開(kāi)展，且Au表面不易形成氧化層，鍵合前的表面預(yù)處理流程更為簡(jiǎn)便。Au薄膜具備優(yōu)良的延展性，在鍵合過(guò)程中可承受一定程度的形變，這使得Au-Au組合成為熱壓鍵合的最優(yōu)材料選擇。不過(guò)，由于Au在多數(shù)材料表面的附著力較差，沉積Au薄膜時(shí)通常需添加鈦（Ti）或鍺（Ge）作為黏附層；同時(shí)，為防止高溫環(huán)境下Au向硅（Si）中擴(kuò)散，還需增設(shè)厚度約20納米的阻擋層，如氮化鈦（TiN）或鎳（Ni）。

以Au-Au熱壓鍵合為例，為實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定牢固接合，保障器件后續(xù)正常運(yùn)行，需遵循規(guī)范的工藝流程（圖2），具體包含以下關(guān)鍵步驟。

（1）金屬化前處理

高質(zhì)量鍵合的前提是Si晶圓表面保持高度潔凈且具備良好的界面狀態(tài)，通常采用乙醇超聲波清洗工藝，去除晶圓表面的大顆粒雜質(zhì)與有機(jī)污染物。

（2）表面金屬化

Au-Au熱壓鍵合的核心原理是Au原子在特定溫度和壓力下通過(guò)擴(kuò)散與熔融實(shí)現(xiàn)結(jié)合，鍍金工藝主要包括濺射鍍金與蒸發(fā)鍍金兩種常見(jiàn)方式。濺射形成的金屬膜表面粗糙度較低，而蒸發(fā)鍍金形成的Au薄膜表面粗糙度較高，因此需采用更厚的Au層以保證鍵合質(zhì)量。圖3為采用蒸發(fā)鍍金工藝，并通過(guò)EVG鍵合設(shè)備完成Au-Au鍵合后的超聲掃描結(jié)果。

（3）熱壓前的鍵合預(yù)處理

固態(tài)擴(kuò)散鍵合對(duì)Si晶圓表面的顆粒雜質(zhì)與有機(jī)物殘留極為敏感，通常采用硫酸（H?SO?）與過(guò)氧化氫（H?O?）的混合溶液進(jìn)行浸泡清洗，清除加工過(guò)程中產(chǎn)生的汗液、光刻劑殘留等污染物。此外，為提升晶圓表面的化學(xué)活性，增強(qiáng)鍵合過(guò)程中的結(jié)合力，還可根據(jù)需求采用等離子活化處理工藝。

（4）熱壓鍵合

溫度與壓力是影響Au-Au鍵合質(zhì)量的核心因素。較高的溫度可使Au薄膜軟化，強(qiáng)化原子擴(kuò)散效果，進(jìn)而提升鍵合質(zhì)量；同時(shí)，合理增大鍵合壓力能確保Au薄膜之間充分接觸，為良好鍵合提供保障。

金屬共晶鍵合

金屬共晶鍵合是指兩種或多種金屬組合在特定條件下，直接從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的相變過(guò)程，該過(guò)程不經(jīng)過(guò)固液混合階段，其共晶溫度通常低于參與組合的各金屬熔點(diǎn)。這種鍵合技術(shù)在MEMS產(chǎn)業(yè)中被廣泛應(yīng)用于氣密封裝、壓力封裝及真空封裝等場(chǎng)景，常見(jiàn)的金屬-合金組合有鋁-鍺（Al-Ge）、金-硅（Au-Si）及金-銦（Au-In）等。由于共晶鍵合過(guò)程中所有參與金屬均會(huì)經(jīng)歷液相階段，對(duì)表面不平整、劃痕及顆粒雜質(zhì)的容忍度較高，有利于實(shí)現(xiàn)規(guī)模化量產(chǎn)。

金屬共晶鍵合過(guò)程通常分為兩個(gè)核心階段，反應(yīng)流程如圖4所示。

第一階段

低熔點(diǎn)金屬先熔化形成液相，與高熔點(diǎn)金屬接觸后發(fā)生快速相互擴(kuò)散。由于高熔點(diǎn)金屬表面形成的金屬間化合物籽晶具有較高的形成能，會(huì)加速金屬間化合物的生成。隨著高熔點(diǎn)金屬的持續(xù)消耗與低熔點(diǎn)金屬的補(bǔ)充，化學(xué)反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，金屬間化合物區(qū)域不斷擴(kuò)展，直至高熔點(diǎn)金屬層完全接合，阻斷液相金屬的進(jìn)一步擴(kuò)散。

第二階段

金屬間化合物通過(guò)高熔點(diǎn)金屬擴(kuò)散生長(zhǎng)，此過(guò)程速率較慢，通常需要較長(zhǎng)時(shí)間以完全消耗低熔點(diǎn)金屬。隨著高熔點(diǎn)金屬濃度的變化，金屬間化合物的熔點(diǎn)逐漸升高，當(dāng)溫度高于鍵合溫度時(shí)，金屬間化合物開(kāi)始固化。持續(xù)加熱過(guò)程中，固態(tài)金屬相逐步轉(zhuǎn)變?yōu)楦€(wěn)定的金屬間化合物結(jié)構(gòu)。需注意的是，高熔點(diǎn)金屬與低熔點(diǎn)金屬的厚度配比需精準(zhǔn)控制，避免高熔點(diǎn)金屬過(guò)早耗盡，導(dǎo)致金屬間化合物與Si晶圓的粘接強(qiáng)度下降。

共晶鍵合的品質(zhì)受溫度、壓力、金屬膜層選擇等多重因素影響，具體如下：

（1）溫度

共晶鍵合需精確控制溫度，溫度分布不均、測(cè)量誤差及雜質(zhì)摻雜均可能導(dǎo)致實(shí)際溫度與理論共晶點(diǎn)出現(xiàn)偏差。實(shí)際操作中，通常將鍵合溫度設(shè)定為略高于理論共晶點(diǎn)，確保材料充分熔合。

（2）壓力

施加合理的壓力是保障鍵合質(zhì)量的關(guān)鍵，可確保芯片與載體均勻接觸，促進(jìn)鍵合反應(yīng)充分進(jìn)行。壓力過(guò)小易導(dǎo)致芯片與基板間出現(xiàn)空隙或虛焊點(diǎn)，壓力過(guò)大則可能造成芯片破損。

（3）金屬選擇

選用成分穩(wěn)定、不易氧化、表面平整的金屬焊料，能有效減少空洞及其他缺陷的產(chǎn)生，是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量共晶鍵合的核心前提。

（4）清潔度

鍵合操作前需確保焊片及待鍵合表面的潔凈度，任何污物、油污或殘留雜質(zhì)均會(huì)影響鍵合接口的結(jié)合質(zhì)量。

（5）氧化

表面氧化層會(huì)降低鍵合材料的浸潤(rùn)性，導(dǎo)致鍵合強(qiáng)度下降，因此鍵合前必須進(jìn)行充分的表面處理，清除氧化層。

（6）熱應(yīng)力

為最大限度降低熱應(yīng)力帶來(lái)的不良影響，需保證芯片具備合適的厚度，同時(shí)使載體與芯片的熱膨脹系數(shù)相匹配或接近。

共晶鍵合是一項(xiàng)復(fù)雜且高精度的工藝，核心目標(biāo)是確保上下層晶圓在鍵合設(shè)備內(nèi)精準(zhǔn)對(duì)齊固定，最終通過(guò)加熱加壓實(shí)現(xiàn)密封連接。以鋁-硅（Al-Si）共晶鍵合為例，整個(gè)流程可細(xì)化為四個(gè)關(guān)鍵步驟：

（1）氣體置換

對(duì)鍵合設(shè)備的密封腔室進(jìn)行氣體置換，清除腔體內(nèi)的氧氣（O?），并填充氮?dú)猓∟?）等化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、不與工藝材料發(fā)生反應(yīng)的氣體，營(yíng)造適宜的鍵合環(huán)境，避免O?與材料發(fā)生不必要的化學(xué)反應(yīng)。

（2）預(yù)熱

通過(guò)加熱裝置快速加熱腔體內(nèi)的上下壓板，溫度達(dá)到預(yù)設(shè)值后，維持該溫度使晶圓靜置30至45分鐘，充分釋放晶圓內(nèi)部殘留的氣體，降低對(duì)器件最終性能的潛在影響。

（3）共晶鍵合

移除晶圓間的墊片，使上下晶圓緊密貼合，隨后緩慢升溫至共晶點(diǎn)溫度并施加適當(dāng)壓力，促使晶圓間發(fā)生共晶反應(yīng)，形成穩(wěn)固的鍵合結(jié)構(gòu)。

（4）冷卻與解壓

共晶反應(yīng)完成后，通過(guò)冷卻系統(tǒng)降低晶圓溫度，逐步卸除施加的壓力。待溫度降至安全范圍后，開(kāi)啟腔室取出已完成鍵合的晶圓組合。

實(shí)際鍵合操作中，需妥善處理諸多細(xì)節(jié)問(wèn)題以保障鍵合效果，例如控制晶圓鍵合前的清潔度、防止晶圓表面Al層氧化、避免Al-Ge共晶過(guò)程中溢出的共晶物影響器件功能等，這些均是半導(dǎo)體制造過(guò)程中需攻克的技術(shù)挑戰(zhàn)。圖5為采用全自動(dòng)EVG鍵合設(shè)備完成Al-Ge共晶鍵合后的超聲掃描圖像。

除Al-Ge、Au-Si及Au-In組合外，共晶鍵合的常用金屬組合還包括Al-Si、Au-Ge、Au-錫（Sn）、銦-錫（In-Sn）、鉛（Pb）-Sn等，不同金屬組合對(duì)應(yīng)的鍵合溫度要求存在差異。受溫度分布不均及雜質(zhì)影響，實(shí)際共晶鍵合溫度通常略高于理論共晶點(diǎn)。表1列出了部分常見(jiàn)共晶鍵合組合及其對(duì)應(yīng)的鍵合溫度。