晶圆级键合技术的最新发展

《晶圆级键合技术的最新发展》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、晶圆级键合技术的最新发展2011-11-2419:37:28来源：SUSSMicroTec评论：0点击：179晶圆片键合应用于MEMS工业已达数十年时间，业界有责任建立标准规范，设定气密性、键合强度、缺陷检测、批量生产设备。而高级CMP工艺、硅垂直深孔刻蚀、金属填充互联技术的发展将促使CMOS工业继续进步。MEMS和CMOS生产制造技术的交叉彻底变革了整个市场。ShariFarrens博士晶圆键合部-首席科学家SUSSMicroTec1.引言晶圆级MEMS（微电子机械系统）键合技术应用于生产加速度计、压力传感器和陀螺仪等领域已数十年。汽车工业一直以来都是

2、这些MEMS器件的主要最终用户。但近期例如手机和游戏机产业的需求导致MEMS消费类产品市场爆发性增长，使得这一行业发生了巨大变化。最重大的变化可能就是更大的市场和更低的成本要求。同时，集成MEMS器件和CMOS控制器或其它IC部件的需求，使得该技术研究开始转向关注怎样才能制造这些器件。MEMS的晶圆级键合方式以往主要为阳极键合和玻璃浆料键合。这两种键合方式在产品使用寿命期间，都具有十分良好的气密性，并且对于上游制造方面的严苛要求如颗粒沾污和表层形貌，都具有相对良好的适应性。然而，这些方法并不能解决极限尺寸、集成度和垂直封装的问题。2.高级MEMS键合要求

3、新型MEMS芯片需要满足更小产品尺寸的要求。实现这一目标最合适的方式应当是金属封装技术。相比其它材料，金属具有更低的透气性，因此可以提供更好的气密等级。金属密封材料在晶圆片上占用更小的面积，晶圆也就可以容纳更多的器件，所以在提高气密性的同时，微机械部件的实际尺寸也减小了。金属密封技术的另一个特点是，它为芯片提供了电通路。所以在设计芯片时可以引入垂直互联金属层，实现晶圆堆叠和先进封装技术，从而进一步减小芯片尺寸，降低成本。3.金属键合技术金属键合技术大体上可以分为两类：非熔化型扩散法以及自平坦化（熔化）共熔晶反应。在运用这两种技术时，可以根据所希望的技术参

4、数和要求，分别选取适合的金属系。金属扩散键合，是一种典型的热压力键合。首先，使金或铜沉积到需要连接的部件表面，然后将部件相互对准后置入精密晶圆键合机，如SUSSMicroTec公司的CB200中。键合机控制腔室内气氛，加热加压将部件键合到一起。扩散键合是物质界面间原子相互混合的结果，键合结果气密性极好。对于表面粗糙度和形貌都符合一定要求的器件，扩散键合是一种很好的选择。键合中，金属层并不熔化，因此必须与需要键合的表面紧密接触，对于粗糙表面、表面有颗粒或其它表面缺陷的情况，这种键合方式就不合适了。在共熔晶键合过程中，两种金属熔合为合金并固化。可用于共熔晶键

5、合的金属材料有AuSi,、AuSn、AuGe、CuSn、AlGe，以及其它一些不常用的合金材料。共熔晶键合过程中，基片上的金属层在被称为共熔温度Te的特定温度下相互熔合。合金沉积当量或金属层厚度决定了合金的合金温度Te。金属共熔后发生了数个重要的工艺变化。首先，金属材料熔化会导致金属层在结合面加速混合和消耗。这提供了一个良好的控制反应，可以形成均匀界面。其次，金属形成流体状态，这样在界面上，包括任何表面异形区域都可以自平坦化。最后，共熔晶键合的重点是在重新凝固后使混合物形成晶体结构，从而获得很高的热稳定性。因此在任何时候T>Te时，晶圆键合中的合金过程并

6、不会由于一定的合金比例成分而结束，而是在界面处形成一个更稳定的熔融金相。4.金属键合用于MEMS制造的优势金属键合在MEMS器件制造时主要用于将器件密封于真空环境以及为装运而将器件封装。图1显示了不同制造方法和封装方式之间的区别。真空等级不够低或者是随着器件使用时间的增长，真空会降低，传统键合方式的密封环必须很大，芯片尺寸也因此更大。在使用以金属为介质的键合技术后，密封环尺寸可以10倍的量级减小，MEMS器件尺寸也可相应做得更小，一片晶圆片上就可容纳更多芯片。据客户报告，因此在生产制造时总体成本下降达75%。图1传统的适用于引线键合封装的阳极键合、玻璃浆

7、料键合与金属键合封装的差异对比示意图切片后器件被封装并装配到控制线路板上，有源器件和无源器件通过线焊相互连接。金属键合时，金属层垂直连接，重新分布，或直接与焊球连接，同时MEMS器件可以被堆叠于其它部件的顶部，这样整体上减小了封装尺寸，降低了复杂程度。5.其它注意事项金属沉积层会影响键合结果的质量。金属沉积层通常厚3-5um。与此相比，玻璃浆料键合时，浆料层厚达30-150um。当覆盖层不合适时，图形化密封环的宽反会达到几十微米以上。沉积层的产生方法包括电镀、化学气相沉积、溅射和蒸发。溅射和蒸发很少使用，因为这两种方式对目前的厚度要求，沉积速率太慢，不够

8、经济。不同的方式导致不同的金属层纯度和颗粒尺寸。在大多数金属键合技术中，可以认为