载片

载片材料：硅、硅玻璃、派热克斯玻璃、硼硅酸盐、蓝宝石

临时键合胶

液态：热处理、UV处理进行固化

固态：通过压合工艺、其他工艺、电镀工艺

需要考虑的因素：键合强度、最高工艺温度、化学稳定性、厚度及平整度、解键合。

1.热塑性材料

热塑性材料是指形态可发生变化的有机聚合物，受热时熔化为液体，冷却到室温后恢复为固态。天然或人工合成蜡以及专用的临时键合胶都会在120-250℃温度之间液化。随着温度的升高，粘度会降低

可使用旋涂的热塑性材料的有2种：

（1）蜡

通常会先将蜡旋涂在加热的载片上；然后将涂覆蜡的载片与器件晶圆接触，接触时确保二者平行且标识对准；接着对键合体施加几帕的压力并持续加热一段时间；随后再逐渐降温使蜡层固化，待蜡层固化后，载片会牢固地粘附在器件晶圆上；

 

（2）可溶性性键合剂。

在室温下，先将可溶性键合剂涂到载片上:然后通过烘干工艺蒸发掉键合剂中的溶剂，使键合剂逐渐固化。在烘干环节，温度与时间的控制至关重要，因为此时键合剂需要保证一定的黏度，但又不能过于稠密和坚硬:接着将器件品圆(如有必要可以在器件表面涂覆保护层)与载片接触，并对准标识。随后在高温环境下(120~180 C.远低于键合剂液化点温度)对键合体持续施加约几十分钟、大小为儿十帕的压力。临时键合流程如图所示.

2.紫外光（UV）固化材料

UV固化材料对热和化学试剂相对稳定，为便于后续解键合，通常在载片表面旋涂UV固化材料前先要涂覆一层对UV不敏感的释放层。用于临时键合的UV固化材料是种含特殊配方的液 体，在UV的照射下，液体中的聚合物会发生交联”。将器件晶圆与载片接触后，UV会透过载片照射到临时键合胶上，从而使其固化。因此，载片需要具备-定的透光度，并且可以被一定波长的UV穿透。在UV的照射下，液体中的聚合物发生交联，临时键合胶连渐固化，最终将载片和器件品圆稳定地结合在一起。使用UV固化材料临时键合的流程如图所示。

3.复合胶膜

键合所使用的胶膜与某些应用中的胶膜很类似，例如划片时所使用的支撑胶膜和研磨胶带等，特点是使用方便。用于键合的胶膜是多层复合膜，主体呈“三明治”结构，由2个黏附层(压敏黏附层和释放层)和1层基膜构成。除此之外，主体膜外，还贴有保护层。使用复合胶膜键合的具体流程如图5-15所示，首先将复合胶膜外壁的保护层去除，然后再将其粘接到载片上。该复合胶膜可以事先被剪成与载片面积相等的形状。或者是在粘贴完成后用力片或激光来藏剪。待上述工作全部完成后，将载片与器件品圆接触，通过液简或平板对两者施压完成临时键合。

 

4.金属材料

金属热压临时键合也是临时键合技术中的一种。该技术通过铜铜键合形成稳定的临时键合层，具有抵抗高温、高压的优点，在一定程度 上还能耐高pH值溶液的腐蚀。此技术采用错(Zr) 层作为释放层。与热塑性键合材料和复合胶膜键合材料相比，该键合材料的临时键合工艺会在更高的压力或是温度条件下进行。金属热压临时键合工艺如图所示。

四、解键合工艺

工艺完成以后，需将器件晶圆与载片分离。减薄后的器件晶圆会由其他器件晶圆(晶圆级键合，永久键合至另一个晶圆上)或胶膜(芯片-品圆键合时黏附在划片使用的支撑胶膜上)支撑。以提供足够的应力支撑。根据临时键合层或释放层的特性，目前已研发出了多种解键合技术。

1.化学方法

临时键合材料可通过一些特殊的化学物质来去除。由于这些化学物质只会与临时键合胶发生反应，因此只需要将临时键合体浸泡在化学反应槽里即可。一旦临时键合胶被完全溶解，载片与器件品因就会分离开来。为加速溶解作用，可在浸泡的过程中对反应槽加热。下面是两个通过化学反应进行解键合的例子:

（1）有机溶剂在加热的情况下会溶解蜡或热塑性材料:

（2）稀释的HF溶液会快速溶解Zr层(金属临时键合中作为释放层)，但对器件晶圆损伤很小。

上述两个例子中，溶解作用都是先从器件晶圆的边缘开始，井逐渐过渡到器件品圆中心。为了避免边界层和溶解度浓度梯度在晶圆边缘处积聚，降低溶解速率，在溶解的过程中应对溶解液进行适当的搅拌。解键合完成后，应立即对减薄晶圆进行夹持，防止碎片(特别是没有支撑结构的薄晶圆)。

化学解键合的缺点是侵泡时间过长，通常可达几个小时。虽然化学药剂可循环使用，但仍需要考虑原料购买及废料处理所带来的成本。

2.热处理方法

当键合胶变为液态时，器件晶圆与载片可轻易地分离开来。这对使用热塑性粘合材料的键合体特别有效，因为加热会降低其粘度，如图1所示，当胶层粘度降低到1~2泊时，键合体处于可分离状态。通过以下2种方法的任意一种，可将键合体完全分离(07-40) ;

1)滑动剥离，在水平方向上分离载片和器件品圆;
2)楔人剥离，在垂直方向上分离载片和器件品圆。

两种剥离方法示意如图示.

大多数复合键合胶也是通过楔人剥离的方法来到离的。某些复合键合胶中含有专用的热释放层，加热后这些释放层会膨胀，变成泡沫状，这样就减小了载片与器件晶圆的接触面积。由于空隙较多，这种材料特性也随之变差。在UV的照射下，某些复合键合收的释放层的机械完整性会遭到破坏，从而减弱键合强度。在这种情况下，只需要施加极小的机械力就可实现载片的剥离。

3.激光处理

对于某些临时键合胶不能通过腐蚀或热处理来剥离的情况( 如UV固化材料)，需要在临时键合胶中加人释放层。目前比较先进的释放层为一种光一热转换材料(L.THC), 当这种材料曝光F适当频率的激光下时，高能激光会在其表面形成微孔，削弱键合强度。此后，再通过楔入分离的方法将载片与器件晶圆分离开来明。

4.解键合的后处理

当器件晶圆与载片分离后，需要对载片进行清洗，去除表面残余键合胶和其他颗粒。载片能否重新使用由载片数量及后续工艺要求来决定，如果载片缺陷程度较高、存在翘曲、表面光洁度不达标等问题，那么载片将无法重新使用。在计算整套工艺流程的成本时，必须将器具、耗材的成本和产能一并考虑在内。

两大平台：EVG和SUSS

https://www.evgroup.com/ EVG301, EVG Gemini

http://www.suss.com/    CL8, ABC200,CBC models

五、晶圆键合技术

1.粘合剂和阳极键合

（1）玻璃料晶圆键合

概念

玻璃料键合技术也称为密封玻璃键合，可实现工艺温度低于450℃下的晶圆键合，主要优点有气密性好、工艺良率高、键合界面机械应力低、可贯穿金属线、键合强度高、可靠性好。

原理

要键合的晶圆间玻璃被加热达到润湿温度（润湿温度即玻璃呈液态流动并润湿晶体表面），玻璃流动并与晶圆形成原子水平接触，最后实现完美的密封性。

优势　　

该技术所实现的键合机械强度高，密封性能好，所要求的剥离熔点低。

可满足一般性的键合要求，包括键合强度、良率、气密键合、普遍可用性等，可用于CMOS晶圆键合，无需表面活化，机械应力非常低。

表面微机械传感器的封装

材料
　　400-500℃可以回流的低熔点玻璃——铅锌硅酸盐玻璃、铅硼酸盐玻璃
　　丝网印刷需要材料的选用：www.koenen.de
　　粘合剂供应商：Ferro公司、Schott Glass、DIMAT公司
　　常用的是 Ferro FX-11-036(包含铅硅酸盐+鋇酸盐玻璃填充物+有溶剂的有机粘合剂)

工艺路线

 

 

（2）旋涂玻璃材料（SOG）晶圆键合

材料

　　旋涂玻璃材料（SOG）

设备
　　用KLA Tencor公司的Alpha-step 500 分析仪测SOG层厚度
　　EVG 520 半自动键合系统进行键合
　　利用EVG 20红外（IR）检查站和Sonscan D9000扫描声学显微镜（SAM）对键合表面质量检查
　　利用裂纹开口法、拉伸实验（Si/GaAs 接头）估算表面能

特性
　　低温工艺性好（低于400℃），工艺清洁（和COMS兼容）
　　允许应力补偿的弹性行为、与多种衬底材料兼容

应用

　　适合于Si和GaAs衬底键合

工艺路线

（3）聚合物晶圆键合概述

概念

　　中间聚合物在两个晶圆表面形成并将其保持在一起的键合，晶圆界面结合后，通过加压让晶圆界面紧密接触。

原理

　　在需键合的两个晶圆间涂覆聚合物层，承受粘结两个晶圆表面的作用力，聚合物与晶圆界面间的聚合力，由一种或多种基本的分子键和相互作用力，包括共价键、离子键、偶极子-偶极子交互作用、范德瓦斯交互作用等，目前提出关于键合的理论有吸附理论、化学键合、扩散理论、静电吸引、机械互锁、弱边界层理论等。

特性

　　优势：相对较低的键合温度、晶圆表面不平度的不敏感、适用于标准CMOS晶圆与任何晶圆材料的结合
　　问题：有限的温度稳定性、不能对气体/水分密封键合

影响因素

　　聚合物粘合剂性能——对晶圆表面提供足够的浸润性
　　晶圆表面颗粒数量和尺寸——无颗粒表面是最佳表面
　　晶圆表面不平度
　　聚合物粘合剂层厚度
　　键合压力——键合夹具施加的作用力除以键合面积
　　晶圆键合开始前键合腔室大气条件——气压在100mbar下足以使气体不停留在键合界面
　　晶圆刚度——薄晶圆和低杨氏模量的晶圆更容易变形以补充表面不均匀性

工艺路线

聚合物晶圆键合对准方式

数字图像进行的晶圆背面对准、SmartView方法、衬底间的显微技术、红外透射显微技术、光学显微镜观察对准技术等 

防止对准偏移的措施

　　1）使用在键合过程中不回流并且不会转变成低粘度相的聚合物粘合剂。缺点是只适用于具有较低或没有表面形貌的晶圆键合，此时聚合物不必重新分布，以防止孔洞形成。

　　2）在晶圆引入不涂覆聚合物粘合剂以及键合过程中不回流的表面结构；

　　3）引入键对准结构，机械式地使晶圆互锁防止偏移。

（4）阳极键合

概念

　　阳极键合技术也称为场辅助密封、静电键合。

原理

　　含碱玻璃极化——将键合的两晶圆放置在一个加热板（300-450℃）上，在两端加上约400-1000V的DC电压
　　实现紧密接触——初始状态由于表面粗糙型晶圆和玻璃会有间隙，后由于电压降产生间电力将接触区域全部拉紧，保持晶圆处于较强的静电压力下
　　界面反应——界面发生化学反应，使Si衬底氧化，实现与玻璃永久性键合

材料

　　所需玻璃的标准：碱性金属离子含量使玻璃在键合温度下有足够大的导电性　　
　　玻璃和阳极材料之间的热失配程度
　　常用：Corning 770 （耐热）、 Schott Borofloat

影响因素
　　特殊：HOYA’S SD-2玻璃，专为硅晶圆的阳极键合设计

　　温度、电压越高，峰值电流越大，完成键合时间越短
　　玻璃越厚，电阻大，降低有效电压，形成弱键合
　　真空中进行要比在大气压下进行的慢
　　键合强度：断裂实验，5-45MPa
　　密封性：测谐振微机械器件压敏品质因数
　　热残余压力：由键合引起的压力由键合工艺前后测量的曲率计算得到

工艺路线

2.直接晶圆键合

（1）硅直接键合

 两种不同的方法：

（2）等离子体活化键合（PAB）

3.金属键合 

（1）Au/Sn焊料

比其他键合方法适应更高的表面形貌和非平面度

合金质量分数比例

Au/Sn合金，常用的合金质量分数分别为80%的Au和20%的Sn，这种成分比例的Au/Sn焊料能够在280C下形成共品和金，在合金温度点附近，主要包括AusSn相和AuSn相”。

 a. 采用氮气与氧气等离子清洗相结合的前处理方法能够有效去除无机与有机沾污，得到一个清洁的键合表面。

　　氮气清洗属于物理清洗方法，去除表面吸附的颗粒以及无机物;

　　氧气清洗属于化学清洗方法，采用微波氧气等离子体，通过微波提高氧活性和等离子体密度，与金属表面的有机物迅速反应去除残留的有机沾污。

　　除此之外，同时使用氮气与氧气等离子处理能够显著改善键合面金属的表面性质，提高金锡焊料的浸润性，减少界面空洞的形成。

b.在键合的过程中，两层硅片靠静态的压力实现紧密接触

　　键合的环境必须在真空或惰性气体下，以防止Sn氧化影响键合的效果。

　　加热的峰值温度为300C，持续时间2min,由于Au/Sn合金的共熔温度为280C.略高于共熔温度是为了保证焊料的充分互熔，由于峰值温度远高于Sn的熔点(231.9 C)。在升温的过程中，界面的Sn首先熔化，熔化的Sn溶解了两面接触的Au，实现了金属间的互熔，

　　降温时通人氮气加速冷却，快速降温有利于生成的金属间化合物更小、结构更致密

c.将键合完成的硅片按照器件的尺寸划片形成独立的芯片单元

特性

可以使用无焊剂键合方法

良好的浸润性能

300℃左右的相对较低的焊接温度

可能高于200℃的操作温度

能够瞬态液相键合，并在512℃重熔

高抗蠕变和屈服强度

优异的耐腐蚀性

（2）共晶Au-In键合