《炬丰科技-半导体工艺》半导体晶圆键合
书籍：《炬丰科技-半导体工艺》
文章：半导体晶圆键合
编号：JFKJ-21-412
作者：炬丰科技
摘要
当几乎任何材料的镜面抛光、平坦和干净的晶片在室温下接触时，它们会通过范德华力局部相互吸引并粘附或粘合。这种现象称为晶圆键合。晶圆键合最突出的应用是绝缘体上硅 (SOI) 器件、硅基传感器和执行器，以及光学器件。描述了晶圆键合技术的基础知识，包括微洁净室方法、防止界面气泡、III-V 族化合物键合、低温键合、超高真空键合、减薄方法（例如智能切割程序）和扭曲用于兼容基板的晶圆键合。
介绍
晶圆键合是指几乎任何材料的镜面抛光、平坦和干净的晶片，当在室温下接触时，会通过范德华力局部相互吸引并粘附或粘合。晶圆键合也称为直接键合、熔合键合，或更通俗地说是无胶粘合。
目前，晶圆键合最突出的应用是在绝缘体上硅 (SOI) 器件和硅基传感器和执行器领域。SOI 结构由一层薄薄的单晶硅顶层、一层二氧化硅 (SiO2) 和用作机械支撑的硅处理衬底组成。在通过晶片键合制造 SOI 衬底时，形成顶层的硅晶片必须在键合前氧化，键合后减薄至 0.1 至 10 µm。抗辐射的 SOI 器件能够在高温下运行，并且与传统硅衬底上的器件相比，具有更高的封装密度和更低的功耗。这些特性使此类设备对手持和电池供电的电子设备特别有吸引力。
晶圆键合的历史
1734 年，Desaguliers 报告说，表面的摩擦力随着表面粗糙度的降低而降低，直到表面抛光得非常好以至于它们粘在一起。 将这种现象归因于紧密接触的两种固体的粘附。他已经证明，两片铅压在一起时仍然粘在一起。将两个球体分开，每个区域需要大约相同的力，就好像它们是一个整体一样。这可能是第一次报道的“冷焊”案例，其中至少两个伙伴中的一个已经充分塑性变形，以至于两个物体的原子紧密接触导致牢固的（在这种情况下为金属）结合。通常，这只能使用可塑性变形的材料来完成。对于玻璃等脆性材料，大约在 1900 年左右，在新兴的光学行业中观察到，抛光至光学质量的玻璃碎片往往会相互粘连。对光学抛光的所谓金属末端件也进行了相同的观察，用作精密测量的参考长度刻度。
硅晶圆键合
概述
硅晶片键合通常包括以下步骤，下面将更详细地讨论这些步骤。
两个镜面抛光的硅晶片的表面可能包含空腔等结构，它们的表面经过调理并准备用于键合过程。晶片可以被热氧化或仅包含通过适当的表面处理而变得亲水的天然氧化物。然后晶片表面通常被一层或两层单层水覆盖。表面氧化物也可以通过在氢氟酸中浸渍来去除，这导致硅表面的疏水性氢覆盖。
表面要求
室温粘合步骤
晶片本身包含颗粒或障碍物，这是抛光不充分的结果，导致晶片之间出现未粘合区域，通常称为界面气泡或简称为气泡或空隙。即使是直径约 1 µm 的颗粒也会产生横向直径为几毫米的气泡。这种气泡的存在可以通过标准的非破坏性检测方法来显示，例如红外透射、超声波显微镜、X 射线形貌或所谓的魔镜方法，该方法以光学方式检测由界面引起的键合晶片的微小表面偏转。气泡。界面蚀刻和透射电子显微镜 (TEM) 等破坏性分析方法也可应用于较小的特征尺寸。通过适当的清洁和使用足够高质量的洁净室（10 级或更好）或其他专门设计的晶圆键合设备，可以避免由颗粒引起的界面气泡。一个例子是杜克大学开发的简单微型洁净室 。
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