什么是金属共晶键合

来源：芯读者

一、什么是金属共晶键合

金属共晶键合是利用金属间的化学反应，在较低温度下通过低温相变而实现的键合，键合后的金属化合物熔点高于键合温度。该定义更侧重于从材料科学的角度定义。

思考：那么我们如何设计键合工艺呢？合金相图是核心，也就是要考虑温度、合金成分；第二点是，要么形成金属共晶，要么形成金属间化合物，这是金属键合的核心点。

（图片来自，三维集成技术）

所以，基于以上思考，不难引出另外一种基于金属键合的晶圆键合方式，也就是固液间扩散法（Solid Liquid Inter Diffusion，SLID）。即利用低熔点金属熔化为液相，与高熔点金属扩散形成金属间化合物。

常见低熔点金属：Bi，271℃ Sn，231℃ In，156℃ （一般以400℃以下为低熔点）

（图片，来源金属相图手册）

二、常见的共晶合金体系

Al/Si （88.7Al/11.3Si 共晶温度：577℃）

Si/Au（97.1Si/2.9Au 共晶温度：363℃）

Sn/Ag（95Sn/5Ag 共晶温度：221℃）

Au/Ge（88Au/12Ge 共晶温度：356℃）

Au/Sn（80Au/20Sn 共晶温度：280℃）

Pb/Sn（60Pb/40Sn 共晶温度：183℃）

合金相图，小编不再截图，参考我之前文章中附件中的，合金相图手册，自行下载。

三、共晶键合工艺

关于键合工艺的设计，在此小编仅仅从两种键合材料的设计来讨论这段loop的工艺。以Au-Sn合金体系键合为例。

注意，此草图小编没有画氧化层以及种子层等，仅考虑键合层金属。

首先通过金属薄膜沉积，光刻，电镀定义且形成金属凸点结构，然后分别去除光刻胶与种子层，进行键合，回火。

（图片来自，三维集成技术）

键合环节主要工艺参数：时间、温度、键合压力、键合气体环境

四、共晶键合注意事项

1.键合过程中除了施加一定压力温度外，一般还需要通入少量氢气与惰性气体。

2.键合过程形成共晶造成膜层体积减小，可能出现空洞或裂缝，可以通过温度，使低熔点金属充分熔化，同时适当增加压力保证键合界面充分接触。

3.金属共晶键合过程中，键合引起滑移较大，键合后对准精度较低。