详解芯片制造中的中间层键合技术-电子发烧友网

文章来源：学习那些事

原文作者：前路漫漫

本文主要讲述芯片制造中的中间层键合。

依据中间层所采用的材料不同，中间层键合可划分为黏合剂键合与金属中间层键合两大类，下文将分别对其进行详细阐述。

黏合剂键合

黏合剂键合技术所选用的中间键合层材料，通常为玻璃浆料、聚合物等各类黏合介质。该方法能够在相对较低的温度环境下（最高温度不超过450℃）实现较高的表面结合能，进而获得优异的结合强度。这一特性对于缓解不同材料间因温差产生的热应力，以及避免由此引发的键合失效问题具有重要意义。与此同时，黏性键合层的存在提升了对被键合表面颗粒杂质、污渍及各类缺陷的适配能力，即便表面存在一定瑕疵，也可顺利完成晶圆间的键合操作。

1. 玻璃浆料黏合剂键合

玻璃浆料黏合剂键合的核心原理，是采用低熔点玻璃作为专用中间层材料，且该玻璃的熔点需严格控制在450℃以下。该技术在晶圆级封装与密封领域应用广泛，具备密封性优良、工艺合格率高、界面应力小以及可靠性强等诸多优势。玻璃浆料黏合剂键合的完整流程主要包含以下几个关键阶段，具体如图1所示。

（1）首先，将玻璃粉末与特定溶剂充分混合，调配成均匀的浆料状物质。

（2）随后借助丝网印刷技术，在刮刀的作用下，将玻璃浆料填充至丝网模板的孔隙中，在硅晶圆表面形成分布均匀的预设图案。

（3）进行预烧结处理，目的是彻底去除浆料中含有的水分与有机溶剂，使图案表面达到近熔融状态，以保障其平整度符合后续工艺要求。

（4）在最终的键合工序中，通过对准标记实现晶圆的精准对位贴合，之后在键合设备中通过升温加压的方式完成键合操作。

由于玻璃浆料黏合剂在键合过程中会转变为熔融状态，因此其对键合面的粗糙度具有较强的容忍性。在该键合技术中，玻璃浆料在特定温度区间内的热膨胀系数与硅、玻璃材料相近，由此产生的热应力较小，这使得玻璃浆料黏合剂键合成为一种工艺简便且封装效果理想的键合技术。

通常而言，玻璃浆料黏合剂键合对丝网印刷工艺的精度要求极高，这也是整个流程中极具挑战性的环节。晶圆自身的几何结构特征、网版的定位移动精度、丝网印刷时刮刀的压力与运行速度，以及浆料自身的物理特性（如黏度大小、颗粒尺寸等），都会对最终图案的成型质量与位置精度产生显著影响。因此，在开展具体键合操作前，需对以下几个关键环节进行细致考量与优化。

（1）网版孔洞的结构设计参数；

（2）印刷过程中图案在微观尺度上的扩展规律；

（3）丝网印刷过程中出现的偏差，以及丝网自身因受力产生的伸展变形问题。

该设备的印刷头上配备了透明保护罩，能够为玻璃浆料的印刷作业提供稳定良好的环境条件。在整个印刷过程中，通过对各项印刷参数的精准调控，玻璃浆料在刮刀压力的作用下，经由丝网孔洞均匀分布在晶圆表面，可形成一致性良好的密封环结构。

需要重点说明的是，采用丝网印刷成型的玻璃浆料黏合剂框架为三维实体结构，其中玻璃层的厚度主要由网版设计参数（线宽与预设膜厚）决定，但同时也会受到多种因素的综合影响。为确保器件具备可靠的密封性，玻璃层的厚度必须设定明确的设计标准，即便玻璃浆料黏合剂在键合过程中会发生一定程度的流动，也需保证最终形成气密性键合效果。由于线宽是影响丝网印刷结构厚度的核心因素（图3展示了不同线宽对结构厚度的影响关系），因此在设计阶段需确保晶圆上所有结构的线宽保持一致。即便在矩形结构的拐角处厚度会出现轻微增加，这种厚度增量也必须控制在合理范围内，以保障整个工艺过程的稳定性。

聚合物黏合剂键合

聚合物黏合剂是由大量小分子（单体）通过聚合反应连接形成的大分子（高分子）化合物，单体之间的连接过程被称为聚合反应。聚合物黏合剂通常可分为热塑性、热固性、弹性体及混合型四大类。在键合工艺中，聚合物黏合剂需以液态、半液态或黏弹性体的形态存在，以保证与被键合表面实现紧密接触；后续通过特定处理，聚合物黏合剂需转变为固态，从而能够承受键合过程中施加的温度与压力。

不同类型的聚合物黏合剂具有各自独特的性能特点，因此选择适配的聚合物黏合剂至关重要。聚合物黏合剂及其所含的溶剂、添加剂，必须与晶圆表面材料、内部器件保持良好的兼容性，同时还要适配前期的薄膜沉积工艺以及键合后的后续处理工序。例如，在选型过程中，需要充分考虑聚合物的热稳定性、机械稳定性、蠕变强度，以及在后续工序中对SC-1、SC-2、酸碱溶液及SPM等有机溶剂的耐腐蚀性能。

在采用黏合剂材料进行临时键合的工艺中，解键合过程是不可或缺的关键环节。根据临时键合所用黏合剂的性能特点，解键合方法通常可分为三大类。

（1）化学方法

部分临时键合材料能够对特定化学反应剂产生响应，在接触反应剂后自身特性发生改变，从而实现载片与器件晶圆的分离。为加快溶剂与黏合剂的反应速率，可对浸泡在解键合溶剂中的晶圆进行加热处理及超声波辅助处理，以促进黏合剂的溶解。但化学解键合存在明显不足：浸泡时间较长，通常需要数小时；且晶圆表面与溶剂直接接触，在取放晶圆的过程中可能会对其造成损伤。此外，即便化学反应剂可循环利用，也需充分考虑其消耗速度快、易产生废弃物等潜在问题及环境影响。

（2）热处理方法

当键合所用黏合剂被加热至液态时，可较为轻松地将载片与器件晶圆分离。该方法尤其适用于热塑性黏合剂材料，因为加热会导致这类黏合剂的黏度显著下降，当黏度降至1~2Pa·s时，键合的两片晶圆便会开始自然分离。常见的分离方式主要有两种：滑动剥离法与楔入剥离法。滑动剥离法是沿水平方向使载片与器件晶圆分离，而楔入剥离法则是沿垂直方向完成分离操作。多数解键合工艺中会优先采用楔入剥离法，部分复合黏合材料中还专门增设了紫外光敏感层，在紫外光照射下，该敏感层会发生破坏，导致键合强度大幅降低，此时仅需施加较小的外力即可完成分离。

此外，采用的多层复合膜呈现“三明治”结构，由两层黏附层与一层核心基膜构成（图4），且两层黏附层的外侧均设有保护膜，以防止褶皱或污物影响键合效果。该键合工艺的具体流程如下：首先去除外层保护膜，将复合膜精准贴合在器件晶圆表面；随后将该晶圆与一块可透过紫外光的石英玻璃紧密贴合，并在特定温度下施加足够压力，确保两者实现牢固结合；接着采用特定波段（波长405nm）的紫外光穿透石英玻璃照射复合膜表面，使复合膜固化并强化两者间的结合力；完成该步骤后，即可开展刻蚀、光刻、晶圆减薄等一系列后续工艺；最终，将待解键合的石英晶圆置于特定紫外光（波长254nm）下照射，该过程会促使氮气释放，从而完成解键合操作，具体流程如图5所示。