硅基钽酸锂异质晶圆键合工艺研究

5G移动通信的发展对声表面波滤波器提出了高频、小型化、集成化的要求。相较于传统压电体单晶材料,采用硅基压电单晶薄膜材料制备的声表面波滤波器具有高频、低插入损耗、高温稳定性等优势,是高性能声表面波器件发展的核心基础材料。Smart-Cut^(TM)是制备硅基压电单晶薄膜材料的主要方法,键合工艺是其中的核心工序,键合质量决定了硅基压电单晶薄膜晶圆材料的质量,并影响器件性能。本文通过低温直接键合工艺,对等离子活化、兆声清洗、预键合、键合加固四道工序展开优化,最终实现了键合强度高达1.84 J/m^(2)、键合面积超过99.9%的高质量硅基钽酸锂异质晶圆键合。

金丝球焊近壁键合技术

在引线键合工艺应用中,由于球焊键合工艺具有键合方向灵活、键合速度快等优势,在半导体芯片的封装互联领域被广泛应用。针对金丝球焊键合工艺中的近壁键合问题进行了研究,从键合方式、劈刀设计两个方面进行优化、改进,制定了两种不同的解决方案,并分析了两种方案的应用局限性。

晶圆直接键合及室温键合技术研究进展

晶圆直接键合技术可以使经过抛光的半导体晶圆,在不使用粘结剂的情况下结合在一起,该技术在微电子制造、微机电系统封装、多功能芯片集成以及其他新兴领域具有广泛的应用。对于一些温度敏感器件或者热膨胀系数差异较大的材料进行键合时,传统的高温键合方法已经不再适用。如何在较低退火温度甚至无需加热的室温条件下,实现牢固的键合是晶圆键合领域的一项挑战。本文以晶圆直接键合为主题,简单介绍了硅熔键合、超高真空键合、表面活化键合和等离子体活化键合的基本原理、技术特点和研究现状。除此之外,以含氟等离子体活化键合方法为例,介绍了近年来在室温键合方面的最新进展,并探讨了晶圆键合技术的未来发展趋势。

欠键合/过键合与功率设置及温度关系的研究

在热超声引线键合过程中,低功率设置和低温下容易导致欠键合,高功率设置和高温下则容易出现过键合。通过实验采集了不同超声功率设置、不同温度下大量键合过程中换能杆末端轴向的速度信号、换能杆两端驱动电压和电流信号,并测量其键合强度,计算得到不同温度下换能杆的振幅。分析了超声功率和键合温度对振幅的影响规律,解释了功率设置和键合温度导致欠键合和过键合的可能原因,建立了功率设置和温度对换能杆振幅影响的模型。这些实验数据和结果有助于进一步研究键合过程中参数间的相互影响规律。

Chiplet晶圆混合键合技术研究现状与发展趋势

半导体产业对国防安全和国民经济发展意义重大,高端半导体装备也是国外对华技术封锁的重点领域。混合键合技术作为微电子封装和先进制造领域的一种新型连接技术,已经成为实现芯片堆叠、未来3D封装的一项关键技术,是实现高性能、高密度和低功耗芯片设计的关键技术之一。分析了Chiplet晶圆混合键合技术应用背景,梳理了典型工艺及设备研究的现状,并展望了晶圆混合键合技术发展趋势。

引线键合工艺介绍及质量检验

介绍了引线键合工艺流程、键合材料及键合工具,讨论分析了影响引线键合可靠性的主要工艺参数,说明了引线键合质量的评价方法,并提出了增强引线键合可靠性的措施。

黏结剂辅助微流控芯片异种键合及可行性探究

以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯(PS)、铝合金Al5052为研究对象,采用黏结剂与热压键合相结合的方法,分别进行了PMMA-PS、PMMA-Al5052异种键合正交实验。旨在探讨键合层厚度及表观形貌的变化规律,研究键合温度、压力和时间对异种键合强度的影响。结果表明:键合层厚度随温度和压力的增大而减小,而时间对键合层厚度无明显影响;聚酰亚胺(PI)辅助PMMA-PS和PMMA-Al5052的键合强度受时间影响最大,温度次之,压力最小;而溶解PMMA粉末的丙酮溶液[丙酮溶液(PMMA)]辅助PMMA-Al5052的键合强度受压力影响最大,温度次之,时间最小;同参数下PMMA-PS的键合强度远高于PMMA-Al5052。分别确立了异种键合的最优参数并得到了对应的键合强度:PI辅助PMMA-PS键合的最优参数为105℃,50 min,2.5 MPa,对应键合强度0.87 MPa;PI辅助PMMA-Al5052键合的最优参数为110℃,50 min,1.25 MPa,对应键合强度0.21 MPa;丙酮溶液(PMMA)辅助PMMA-Al5052键合的最优参数为110℃,2.5 MPa,20 min,对应键合强度0.41 MPa,均高于正交实验设计方案中的所有结果。参数一定时,PMMA-PS的键合强度远高于PMMA-Al5052的键合强度。采用丙酮溶液(PMMA)辅助键合PMMA-Al5052时,键合强度高于PI辅助的键合强度。

键合时间对粗铝丝超声引线键合强度的影响

试验研究了不同超声功率条件下,键合时间对粗铝丝引线键合强度的影响规律。试验中记录了每种键合试验的键合时间,采集了每一个键合点的剪切测试力作为键合点抗剪强度的表征,记录了每个键合点的状态。结果表明:(1)在小超声功率条件下,键合强度对键合时间敏感;在大超声功率条件下,敏感性下降;(2)短键合时间条件下主要键合失败形式为剥离和无粘接,表明键合界面的原子扩散不够;(3)大超声功率长键合时间条件下的键合失败形式多为根切,表明键合界面的原子扩散虽然足够,但长时间的超声振动也会使粗铝丝产生疲劳断裂,形成过键合。

多层堆叠中晶圆级金金键合的可靠性提升

基于电学互联的贯穿硅通孔技术和高精度金金圆片键合技术,开发了一套可应用于制备三维集成射频(RF)收发系统的工艺,并利用反应离子刻蚀机(RIE)中氧气加六氟化硫的键合前处理技术解决了多层堆叠中键合强度较弱的问题。经过扫描电镜(SEM)观察和分析,键合强度弱确认为芯片贴装过程中晶圆表面沾污所致。传统的湿法前处理有一定的局限性,氧气等离子体方法去污能力较弱,均无法用于去除遗留的沾污。利用反应离子刻蚀机氧气加六氟化硫的前处理方式进行键合前处理,不仅增强了去污能力,而且将旧金表面低活性的金层去除,露出干净、活性高的新金表面,有效提升了金金键合的强度,为多层金金键合提供了一种有效的键合前处理方法。

金薄膜辅助玻璃与砷化镓阳极键合

采用磁控溅射技术在砷化镓(GaAs)表面沉积一层厚度为1μm的金薄膜,将其作为中间层成功实现了Borofloat(BF33)玻璃与GaAs的连接。阳极键合实验结果表明键合电流在短时间内达到峰值,之后迅速降低并且稳定在一个很小的数值范围内,且键合电流峰值随着键合温度与键合电压的升高而增大。通过扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)对玻璃-GaAs键合界面进行微观形貌观察。结果表明键合界面良好,在400℃、700 V的条件下,玻璃-GaAs键合强度可达到1.53 J/m^(2),且键合强度随着键合温度与键合电压的升高而增大。

高密度球键合质量的影响因素和解决方法

随着焊盘间距的减小和引线数目的增多,键合失效的发生也越来越频繁。系统分析了影响高密度球键合质量的各种主要因素得出在诸多因素中金属熔球(FAB free air ball)直径,引线摆动幅度和劈刀顶端形状等三个因素对键合质量的影响最大。文中介绍了线弧固定技术,紫外线金属熔球控制工艺和新型劈刀等三种能有效减少键合失效的新工艺和新方法。

圆片级封装中的二次硅-玻璃键合工艺研究

针对MEMS谐振器真空封装更高的要求,将盖帽硅片、器件硅片(Si)和玻璃衬底通过二次Si—玻璃(D-SOG)阳极键合工艺,实现了MEMS谐振器加工的同时,完成MEMS谐振器的6in圆片级高真空度封装。通过优化两次键合工艺参数,第二次键合温度由第一次键合温度350℃调整到380℃,键合压力分别为800N(第二次键合)和600N(第一次键合);优化第二次键合封装密封环的键合面积宽度为700μm;达到良好的MEMS谐振器封装效果,器件的泄漏速率为3.85×10^(-9) Pa·m^(3)/s。该研究可以有效降低加工成本和工艺难度、提高器件可靠性,满足了MEMS器件对封装密封性的要求,后续可广泛应用到基于D-SOG的MEMS谐振器封装工艺中,具有良好的应用前景。

引线键合技术进展

引线键合以工艺简单、成本低廉、适合多种封装形式而在连接方式中占主导地位。对引线键合工艺、材料、设备和超声引线键合机理的研究进展进行了论述与分析,列出了主要的键合工艺参数和优化方法,球键合和楔键合是引线键合的两种基本形式,热压超声波键合工艺因其加热温度低、键合强度高、有利于器件可靠性等优势而取代热压键合和超声波键合成为键合法的主流,提出了该技术的发展趋势,劈刀设计、键合材料和键合设备的有效集成是获得引线键合完整解决方案的关键。

圆片键合方法研究进展

本文将圆片键合的各种方法分为三类:无中介层键合、有中介层键合、低温键合。并对其优缺点及各种改进方法进行了分析,为圆片级键合的应用和设计提供了可靠思路。

用于MEMS器件的键合工艺研究进展

随着MEMS器件的广泛研究和快速进步,非硅基材料被广泛用于MEMS器件中。键合技术成为MEMS器件制作、组装和封装的关键性技术之一,它不仅可以降低工艺的复杂性,而且使许多新技术和新应用在MEMS器件中得以实现。目前主要的键合技术包括直接键合、阳极键合、粘结剂键合和共晶键合。

用于压电单晶薄膜晶圆制备的键合面清洗技术研究

高性能薄膜声表面波滤波器对压电单晶薄膜晶圆键合面的洁净度提出了严苛的要求。目前采用的常规清洗技术对因离子注入后而残留的大量颗粒等污染物的去除效率低,导致键合晶圆存在较多气泡或者空洞,因此提出了一种采用硫酸与过氧化氢混合溶液(SPM)清洗和新型复合清洗液刷洗清洗技术的两步清洗法。采用此工艺后,晶圆表面的颗粒数由离子注入后的148000降到23,有效去除了晶圆键合面沾污、颗粒等污染物,显著提高了键合晶圆的质量。该清洗技术已成功应用于压电单晶薄膜晶圆LTOI材料的制备。

应用于三维集成的金铟键合技术研究

由于埋置芯片耐受温度的限制,圆片级低温键合技术是MEMS三维集成的关键工艺之一。金属In凭借自身熔点低而金属间化合物(Intermetallic compound, IMC)熔点高且性质稳定的特点,使得Au-In固液扩散键合法成为颇具前景的低温键合技术之一。本文采用Au-In二元共晶化合物进行圆片级低温键合,在键合衬底上先后制备了0.4μm的SiO/SiN介质层、3.5μm的Au层和1.7μm的In层,然后分别研究了先预加热键合极板再贴合圆片和先贴合再加热两种键合方式。电性能测试、An/In组分分析和剪切试验结果表明:先贴合再加热的键合样品芯片形成了性质稳定的IMC组分,具有良好的电学互连特性稳定性,且剪切强度达到100 MPa。一定样本容量的实验结果证明隔绝键合前Au-In的相互扩散能够有效增强键合的可靠性。

半导体晶圆键合加压精确控制方法

晶圆键合质量受键合压力控制精度显著影响。对于本身有一定翘曲度的晶圆,容易在键合过程中产生非预期位移,造成键合工艺偏差,甚至碎片。因此,提出了一种基于模糊PID(比例-积分-微分)和RBF(Radial Basis Function)径向基函数神经网络算法的半导体晶圆键合压力控制方法。由于加入了模糊PID和深度学习算法控制,使得键合工艺过程响应更迅速,控制更精准,且安全性更高。采用铝样片进行加压试验,结果表明RBF神经网络模糊PID控制算法能够满足压力精度为±1%的控制需求。

硅/硅低温直接键合的工艺调控及应用

为了满足微机电系统(MEMS)对高强度、低成本、灵活性好、通用性强硅/硅低温直接键合技术的迫切需求,开展基于氧等离子活化的硅/硅低温直接键合工艺调控方法及应用研究。通过正交实验分析了活化功率、活化时间、氧气流量对键合率和键合强度的影响,优化了氧等离子活化工艺,350℃氮气保护下退火2 h后,键合率为98.52%,平均抗剪切强度为20.2 MPa,键合界面连续无空洞,且形成了3.58 nm的非晶氧化层,表明实现了分子间的键合。最后,采用三层低温硅/硅键合工艺实现了微型振动能量收集器的限幅封装,成功将能量收集器的频带拓展到215 Hz~229 Hz。结果表明,该硅/硅键合工艺满足MEMS器件的加工及使用要求,其工艺调控方法具有较好的通用性。

晶圆键合设备对准和传送机构研究综述

随着微机电系统和3D集成封装的快速发展,多功能高性能器件、小体积低功耗器件、耐高温耐高压器件以及小型化高集成度器件是目前封装领域研究的重点。晶圆键合设备对于这些高性能、多功能、小型化、耐高温、耐高压、低功耗的集成封装器件的量产起着至关重要的作用,因此对晶圆键合设备及其对准机构和传送机构的研究也十分重要。介绍了常用的晶圆键合设备与晶圆键合工艺、对准机构和传送机构的工作原理以及主要的晶圆键合设备厂商现状,同时对晶圆键合设备对准和传送机构的发展趋势进行展望,其未来将朝着高精度、高对准速度、高吸附度和高可靠性的方向发展。