简述有关键合工艺要求和设备特点

摘要：

声表面波器件向小型化、集成化、更高性能方向发展，需要制作复合单晶薄膜和采用晶圆级封装。该文针对关键工艺中的晶圆键合工艺开展研究，提出工艺要求，简述有关键合工艺要求和设备特点，并进行了金属键合工艺验证。实验证明，设备和工艺能满足产品封装要求。

0 引言

声表面波（ＳＡＷ）器件是利用在压电晶圆上叉指换能器产生的声波对电信号进行处理的固体器件，可用作滤波器、延迟线、振荡器。声表面波器件广泛应用于通信、雷达等电子信息系统中。随着新一代电子信息系统及５Ｇ通信发展，声表面波器件向小型化、可集成化和更高性能方向发展。

为满足ＳＡＷ器件小型化、可集成化的需求，出现了目前体积最小的晶圆级封装（ＷＬＰ）ＳＡＷ器件，这是ＳＡＷ器件小型化重要的发展方向。其封装尺寸几乎与芯片相同，典型尺寸为０．８ｍｍ×０．６ｍｍ×０．２６ｍｍ，并可与有源、无源器件集成，形成系统级封装模块。

传统的ＳＡＷ器件由于具有较大的频率温度系数和低的矩形系数，杂散信号进入通带，导致系统抗干扰能力下降。同时，随着器件频率的升高，ＳＡＷ会以体波的形式向体单晶内辐射能量，导致ＳＡＷ器件的品质因数（Ｑ）值降低，器件性能恶化。为解决以上问题，ＳＡＷ器件通过在衬底上制作复合单晶薄膜，采用慢声速层和高声速层形成的布喇格反射层将能量集中在单晶薄膜表面，防止能量泄漏，以实现具有高Ｑ值、低频率温度系数、良好散热性的高性能ＳＡＷ器件。

1 ＳＡＷ器件晶圆键合技术

ＳＡＷ器件晶圆级封装和制作复合单晶薄膜均需用到晶圆键合技术，此技术可以将同质或异质材料的晶圆结合在一起，是可靠且高强度的晶圆结合工艺技术。

1.1 晶圆级封装键合工艺

根据产品使用要求，ＳＡＷ器件晶圆封装分为非气密封装和气密封装，如图１所示。为保障器件的有效工作，器件非气密性封装利用光敏的聚合物在声表面波功能区周围形成聚合物框，采用粘接键合的方式将封盖晶圆键合到声表面波晶圆上。气密性封装利用金属密封层，通过金属键合工艺，将封盖晶圆和ＳＡＷ器件功能晶圆结合在一起。

1.2 异质晶圆键合工艺

制作高性能ＳＡＷ器件需要使用在衬底上制作压电单晶薄膜的复合晶圆。复合晶圆采用直接键合技术，将压电单晶晶圆与衬底晶圆键合在一起。图２为复合单晶薄膜制作流程图。

由于是异质键合，晶圆之间必然存在着热失配及晶格失配等问题。压电单晶薄膜与衬底存在热膨胀系数差异（ＬｉＮｂＯ３为１５．４×１０－６／Ｋ，ＬｉＴａＯ３为１６．１×１０－６／Ｋ，Ｓｉ为２．６×１０－６／Ｋ），若采用高温键合，晶圆易发生翘曲，导致在后续减薄工艺中单晶薄膜极易破裂，故需采用低温或常温键合工艺。

1.3 键合工艺要求

影响晶圆键合质量的因素主要包括晶圆表面的化学吸附状态、平整度、粗糙度，以及键合温度和时间，通常需要加压来克服表面起伏与增加表面原子间的成键密度，提高键合强度。因此，为了达到良好的键合质量，键合工艺过程主要包括晶圆清洗、表面预处理、待键合晶圆精密对准、键合、键合晶圆退火。

1.3.1 晶圆清洗

首先，利用ＲＣＡ溶液（氨水和双氧水的混合水溶液）或ＳＰＭ溶液（浓硫酸和双氧水的混合溶液）对洁净抛光的晶圆表面进行清洗，去除晶圆表面的颗粒和有机物，防止键合界面产生气泡或空洞，并形成羟基（—ＯＨ）密度较高的亲水表面。然后，在室温条件下将具有亲水表面的两片晶圆贴合到一起。

Ｓｉ—ＯＨ＋ＨＯ—Ｓｉ→Ｓｉ—Ｏ—Ｓｉ＋Ｈ２Ｏ（１）

由式（１）可知，在高温退火过程中界面之间较弱的分子间作用力（范德华力和氢键）会转化为较强的Ｓｉ—Ｏ—Ｓｉ共价键，从而获得牢固的键合界面。

1.3.2 表面预处理

表面预处理有助于提高晶圆键合强度。金属键合采用Ｏ２等离子体进行处理，可去除表面有机物，增加表面活性。低温直接键合需要使用Ａｒ、Ｏ２和Ｎ２等离子体活化方法，使表面键断裂，产生悬浮键，增加晶圆表面的自由能，当晶圆键合时，可快速形成原子键结，达到所需的键合强度。

1.3.3 精密对准

晶圆级封装工艺中，由于晶圆表面制作有电极和密封环，键合前需要进行精确对准，满足键合后晶圆重合面积大于９０％。通常ＳＡＷ晶圆级封装的通孔直径＞"４０μｍ，密封环的宽度＞２０μｍ，因此，键合后的对准精度需达到２μｍ。

晶圆直接键合工艺中，由于晶圆表面无图形，采用晶圆基准边进行对准，故对准精度达到１０μｍ即可满足要求。

1.3.4 键合

金属键合包括扩散和共晶两种方法。常用的扩散键合金属材料有Ａｕ、Ｃｕ和Ａｌ，其均有优良的延展性和高扩散率。扩散键合在３５０～５００℃完成，工艺温度较高，需要相对较大的压力来实现键合金属表面的紧密接触。金属共晶键合使用由两种及以上的金属按一定比例形成的合金材料，在低温下实现由固相到液相的转变。共晶金属合金在键合过程中会熔解并自动实现界面的平坦化，故对晶圆键合表面的形貌要求不高。在不同的冶金学系统中，如铜－锡，金－锡或金－硅，共晶合金形成于２８０～３９０℃，其中Ａｕ８０Ｓｎ２０合金具有良好的浸润性，且对镀金层的侵蚀程度低，具有高耐腐蚀性、高抗蠕变性和良好的导热、导电性，故Ａｕ８０Ｓｎ２０被广泛用于晶圆级气密性封装。在金属共晶键合过程中，液态的界面要求共晶键合时施加相对较小且一致的压力，以防溢出。为实现良好的键合，针对不同材料和工艺，选择与之匹配的键合温度、键合压力和真空度。金属键合工艺参数如表１所示。

异质直接键合在室温条件下进行，键合压力要求较低。

为了满足４、６英寸（１ｉｎ＝２．５４ｃｍ）晶圆键合需求，一般要求ＳＡＷ器件直接键合设备压力＞１０ｋＮ，金属键合根据键合金属图形面积则需５～４０ｋＮ。若键合材料采用Ａｌ或Ｃｕ，由于它们在大气中易氧化，故而需要在键合前去除氧化物。去除氧化铜需配置蚁酸清洗机，而Ａｌ氧化层较薄，设备配置键合压力＞６０ｋＮ，即可压破氧化层。

1.3.5 退火

直接键合后需要进行低温退火，提高键合强度，目前的退火工艺及设备较为通用。

直接键合对晶圆表面质量要求较高，键合表面的残留颗粒会对退火后的键合强度造成影响，因此，直接键合需要在洁净度１０级的净化环境中进行。同时，在制作工艺过程中配置必要的检测手段，如颗粒度检测和键合界面空隙检测等，以控制和提高键合工艺质量。

2 ＳＡＷ器件用晶圆键合设备特点

金属键合工艺过程主要包括清洗、表面活化、对准和键合工序。直接键合工艺过程包括表面活化、清洗、对准和晶圆键合工序。晶圆键合类设备价值较高，若应用于研发，各工序可以单台配置，但在键合工艺过程中难免会在晶圆表面产生有机物和颗粒污染，影响键合质量。若用于产业化，全自动一体机具有高产出、高质量的优势，其中，金属键合工艺对准精度要求高，需配置对准和键合一体机，具备加热、加压和工艺环境可控功能。异质直接键合对晶圆表面质量要求较高，宜选配活化、清洗、对准和键合一体机，具备工艺环境可控功能。

由于等离子体活化对键合晶圆质量影响较大，根据工艺要求，选择多路工艺气体配置（Ａｒ，Ｏ２或Ｎ２／Ｈ２混合气体），采用射频或低频的等离子源，实现离子轰击功能。关于ＳＡＷ器件晶圆级封装，由于金属键合设备可以覆盖光敏聚合物粘接键合工艺要求，故在针对晶圆级封装设备选配时，重点考虑金属键合工艺要求。

目前，ＳＡＷ器件主流使用４、６英寸压电晶圆，根据市场上各厂家设备应用范围，主要有德国ＳＵＳＳ ＭｉｃｒｏＴｅｃ、奥地利ＥＶ Ｇｒｏｕｐ（以下简称ＥＶＧ）、英国Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍｉｃｒｏｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｌｔｄ（以下简称ＡＭＬ）和日本Ａｙｕｍｉ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ ＣｏｍｐａｎｙＬｉｍｉｔｅｄ（以下简称Ａｙｕｍｉ）等可提供用于ＳＡＷ器件晶圆级封装使用的金属键合设备。ＳｕＳＳ、ＥＶＧ、Ａｙｕｍｉ和日本Ｍｉｔｓｕｂｉｓｈｉ Ｈｅａｖｙ ＩｎｄｕｓｔｒｉｅｓＭａｃｈｉｎｅ Ｔｏｏｌ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．（以下简称ＭＨＩ）等可提供用于制作单晶复合薄膜使用的晶圆异质室温直接键合设备。各厂家根据不同的结构方式（模块集成或在同一腔室完成不同功能），可将部分功能集成。各厂家在精确对准、加压和加热等设备方案有所区别，例如ＳｕＳＳ加强对准精度，采用高精度ＩＳＡ对准系统和自动对准精度校准系统，识别和自动校准误差；采用激光预键合功能固定晶圆片以防止对准精度变动；加压系统采用三柱外置加压柱、分区加压、Ａｃｔｉｖｅ ａｎｔｉ－ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ、高精度的ＳｉＣ加压板和加压加热隔离等措施保证工艺压力的高均匀性。ＥＶＧ在对准后采用专用夹持工具拿到键合机里防止对准精度变动；采用自动低压楔形补偿、适应性缓冲软垫和压头压力独立于腔室气压保障压力稳定均匀；快速冷却和加热，键合上、下板，加热质量块设计完全相同，良好热性能匹配，保障温度均匀性，其强制水冷系统没有气流扰动，保证了冷却均匀性。Ａｙｕｍｉ公司全自动低温直接键合，包括对准模块和活化键合模块，活化工艺与键合在同一真空腔室以保障晶圆表面的洁净度。

3 验证

根据上述研究，针对ＳＡＷ器件晶圆级封装的金属扩散键合和共晶键合进行了工艺验证。金属扩散采用金作为键合材料，在氮气环境下进行键合，键合温度为３５０℃，键合压力为７ ５００Ｎ，键合时间为７０ｍｉｎ。升温过程中缓慢升温和自然降温，避免晶圆碎裂。扩散键合工艺加热曲线如图３所示。

金属共晶键合使用由ＡｕＳｎ２０合金材料，共晶温度为２８３℃，在充氮环境下进行。根据夹具的热容量设计了分段共晶温度曲线如图４所示，其保障了共晶材料的充分融化，同时施加合适的压力。

利用砂轮划片刀将键合片切割成１ｍｍ×１ｍｍ的小片，其截面图如图５、６所示。由图可见，键合面没有崩裂。用粘接剂粘住并进行拉力测试，大于１０ＭＰａ时，分离面为小片与夹具胶粘接面。工艺参数满足器件封装要求。

4 结束语

本文研究了ＳＡＷ器件小型化、集成化、高性能器件研制中涉及的晶圆键合关键工艺，即晶圆级封装键合工艺和异质晶圆键合工艺的特点和要求，并简述了其设备配置特点及参考厂家。对ＳＡＷ器件晶圆级封装的金属扩散键合和共晶键合进行工艺试验验证，验证结果满足产品要求。