晶圆低温直接键合技术研究.pdf

华中科技大学 硕士学位论文 晶圆低温直接键合技术研究 姓名：饶潇潇 申请学位级别：硕士 专业：机械电子工程 指导教师：廖广兰;史铁林 20070530 华 中 科 技 大学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大学 硕 士 学 位 论 文 I 摘摘 要要 键合技术是微系统封装的基本技术之一，经过近 20 年的快速发展已经成为微机电 系统领域里的一项重要工具晶圆级封装、三维芯片堆叠和绝缘体上硅技术是推动晶 圆键合技术发展的三大动力低温键合技术与其他键合技术相比，能避免高温退火带 来的诸多缺陷，在制作封装微传感器和绝缘体上硅器件上有着广阔的应用前景本文 以晶圆低温直接键合技术为研究对象，从键合工艺、应用研究以及强度分析三个方面 开展了如下工作： 首先从清洗活化方法、表面物理、化学特性两方面对晶圆直接键合的机理做了分 析；引入了承载率的概念解释表面粗糙度对键合质量的影响，并通过原子力显微镜分 析了湿法清洗各步骤后表面粗糙度的变化，比较了不同清洗工艺对键合效果的影响 接着将低温直接键合技术引入到图形化晶圆键合中，利用光刻技术和反应离子刻 蚀技术制作了三种不同特征的空腔结构，测试了空腔的三维形貌；结合键合实验结果 分析了键合缺陷形成的原因及不同结构的空腔对键合质量的影响。

最后对键合质量的主要指标——拉伸强度做了测试与分析设计了温湿度双因素 可靠性实验，测试并分析了实验前后样品的拉伸强度的变化，并研究了紫外活化技术 对亲水键合强度的影响 关键词：关键词：晶圆低温直接键合 图形化晶圆键合 紫外活化 键合强度 华 中 科 技 大学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract With rapid development for recent 20 years, wafer bonding has become the basic technology in MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) packaging and an important tool in MEMS engineering field. WLP (Wafer Level Package), 3-D Chip Stacking and SOI (Silicon- on-insulator) are the three impetuses for the development of wafer bonding technology. This thesis throws a sight on low-temperature wafer direct bonding which possesses many unique advantages compared with other bonding technology, such as avoiding of the defects which brought by high-temperature annealing processing. The technology of micro-fabrication on wafer substrate through bonding the interfaces with cavities has a bright future on applications. The main contents of this thesis include three aspects: bonding technology process, application study on bonding with cavities and quality analysis. The first part of this thesis gives a detailed analysis on the mechanism of wafer direct bonding through cleaning and activation methods and surface physical and chemical characteristics. Bearing ratio is introduced to interpret the effect of surface roughness on bonding quality. The bonding qualities applying different cleaning methods are compared with the help of AFM (Atomic Force Microscope) which is used to measure the exact surface roughness before and after each cleaning step. In the second part, the low-temperature direct bonding technology is applied on wafer bonding with cavities. Three different types of cavities are fabricated on wafers using lithography technology and RIE (Reactive Ion Etching) technology. Three-dimensional profiles of the cavities are measured and RF-images after bonding are compared to analyze the effects of different cavity structures on bonding quality and the forming reasons of bonding defects. The last part of the thesis pays attention to tensile strength which is one of the most important evaluation parameters of bonding quality. Temperature-humidity combined test is conducted and the variation of the samples’ tensile strength before and after the test is analyzed. Moreover, the effect of UV activation on bonding strength is assessed. Keywords: low-temperature wafer direct bonding, patterned wafer bonding, UV activation, bonding strength 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。

尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 本论文属于 （请在以上方框内打“√” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 保密□，在 年解密后适用本授权书 不保密□ 华 中 科 技 大学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪绪 论论 1.1 课题背景 1.1 课题背景 本论文工作是围绕国家重点基础研究发展计划（973 计划）项目“高性能电子产品 设计制造精微化、数字化新原理和新方法”中的子课题“电子制造中的混合约束数字 建模与产品缺陷诊断机理” （项目编号：2003CB716207）和国家自然科学基金“MEMS 封装失效的诊断与预测方法研究” （项目编号：50405033）展开的。

1.2 课题目的及意义 1.2.1 1.2 课题目的及意义 1.2.1 飞速发展的飞速发展的 MEMS 技术技术 随着信息时代的到来，微电子工业发展迅猛，已成为最引人注目和最具发展潜力 的产业之一，微电子技术的巨大成功正在许多领域引发一场微小型化革命，以加工微 米/纳米结构、系统为目的的微米/纳米技术在此背景下应运而生，导致了以形状尺寸微 小或操作尺度极小为特征的微电子机械系统即 MEMS 的出现MEMS 器件是机械与微 电子在微观尺度的有机结合，大多数基于硅的 MEMS 器件制造时所采用的微加工工艺 就是在 IC（Integrated Circuit）产业的发展中成熟起来的，集成电路制造的许多工艺可 以借鉴到 MEMS 领域，但是 MEMS 与微电子又有着显著的不同[1,2]，如表 1.1 所示 MEMS 将许多不同种类的技术集成在一起，已成为人们在微观领域认识和改造客观世 界的一种高新技术，在材料、生物医疗、精密仪器检测、环境监控、国防等众多领 域，尤其是活动空间狭小、操作精度要求高、功能需要高度集成的航空航天等众多领 域有着广阔的应用前景 [3-5]MEMS 技术的发展日新月异，基础研究从 LIGA （lithographie, galvanoformung and abformung）技术、体硅技术到表面微细加工技术不 断拓展，而 MEMS 技术的应用也从传感器、执行器、光学器件到微流体器件，在机 械、化学、光学和生物技术领域的前景逐渐显现。

过去 40 年 MEMS 技术的发展创造 了 80 亿美元的市场价值，而据估算，单在下一个十年，MEMS 的市场份额将增加至 320 亿美元[6] MEMS 产业的发展也带动了与之密切相关的 MEMS 封装业的发展，其重要性越来 越突出MEMS 封装已从早期的为芯片提供机械支撑、保护和电热连接功能，逐渐融 入到芯片制造技术和系统集成技术之中当前，MEMS 技术在工业上面临的最大挑战 华 中 科 技 大学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大学 硕 士 学 位 论 文 2 表 1.1 微机电系统与集成电路的比较 IC MEMS 主要为二维结构 复杂的三维结构 密封腔内是静态的电路 很多密封体内含有精确移动的固体结构或 液体 为实现特定的电子功能传输电能 在生物、化学、光学以及机电方面可实现 很多特定的功能 芯片通过封装与工作介质隔离 很多精确移动的元件或静止元件需要接触 工作介质并在恶劣的环境下工作 只涉及少数几种材料：单晶硅、硅 化合物、塑料和陶瓷 涉及各种不同的材料，如单晶硅、硅化合 物、GaAs、石英、聚合物以及金属等 少量元件需要组装 有很多元件需要组装 封装技术相对较成熟 封装技术处于起步阶段 在设计、选材、制造以及组装、封 装和测试方面已有实用的工业标准 缺少可参考的工业标准 大批量制造 大多数 MEMS 产品是根据客户要求定做 的，小批量生产 封装成本/商品总成本≈40%～70%50%～95%（更高） 平均单件产品的成本＜＄1.00 ≥＄10.00 完全市场化 商业市场还较小 之一就是封装。

封装为 MEMS 提供了电源分配、信号分配、散热通道、机械支撑和环 境保护等功能[7]微系统的封装成。