晶圓直接鍵合技術(shù)發(fā)展分析

摘 要：晶圓直接鍵合是通過晶圓界面處的原子在外界能量的作用下，通過范德華力、分子力甚至原子力使晶圓鍵合成為一體的技術(shù)。該鍵合技術(shù)由于避免了中介層引起的污染也無需外部電場的作用而成為研究熱點(diǎn)。本文結(jié)合專利文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)情況，對晶圓直接鍵合技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了分析，并從分析結(jié)果中得到了有益的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：低溫鍵合 直接鍵合 晶圓

一、晶圓鍵合技術(shù)發(fā)展介紹

20世紀(jì)80年代， 由美國IBM公司的Lasky和日本東芝公司的Shimbo等人提出了硅晶圓直接鍵合技術(shù)，該技術(shù)是把兩片經(jīng)過鏡面拋光的硅晶圓片經(jīng)表面清洗， 在室溫下直接貼合， 再經(jīng)過退火處理提高鍵合強(qiáng)度， 將兩片晶圓結(jié)合成為一個整體的技術(shù)。為獲得足夠高的硅-硅晶圓鍵合強(qiáng)度， 通常需要施加較高的退火溫度 （800～1000℃） ， 該退火溫度接近硅材料的熔點(diǎn) （1410℃）， 因此該方法又被稱為硅熔鍵合或熱鍵合法。由于晶圓直接鍵合不需要借助于中間層，可實(shí)現(xiàn)材料之間的直接連接，并且也沒有雜質(zhì)引入，因此，在其誕生之初便成為了熱門的鍵合方法，但是由于該方法需要在800～1000℃的高溫退火條件下才能達(dá)到足夠的鍵合強(qiáng)度，而高溫退火過程中，則容易誘發(fā)內(nèi)部元件的熱應(yīng)力，同時還可能會導(dǎo)致?lián)诫s元素發(fā)生有害擴(kuò)散，以及對溫度敏感元件造成很大損傷，因此很大程度上限制了其在晶圓級封裝方面的應(yīng)用。

為克服直接鍵合因高溫退火所引發(fā)的異質(zhì)材料、結(jié)構(gòu)間的熱膨脹和熱應(yīng)力，20世紀(jì)90年代以來低溫鍵合（<250℃）方法已成為發(fā)展的主流，其相關(guān)鍵合方法的開發(fā)和鍵合機(jī)理的研究成為晶圓鍵合領(lǐng)域的熱點(diǎn)，得到國內(nèi)外研究學(xué)者的廣泛關(guān)注。研究者們圍繞著低溫晶圓鍵合做了大量工作，提出了等離子體鍵合方法，超高真空鍵合法，表面活化法等鍵合方法。雖然上述方法在一定條件下可實(shí)現(xiàn)低溫甚至室溫下的晶圓直接鍵合，為其在電子產(chǎn)業(yè)中的實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。但其應(yīng)用條件較為苛刻且會帶來相應(yīng)的污染問題，因此，尋找一種簡單易行、鍵合缺陷少、綠色環(huán)保的低溫晶圓直接鍵合方法是目前亟需解決的問題。

二、晶圓直接鍵合技術(shù)的專利申請狀況統(tǒng)計(jì)分析

圖1-2是根據(jù)VEN專利數(shù)據(jù)庫中涉及晶圓鍵合技術(shù)的專利申請量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)而制作。圖1所示為不同國家或地區(qū)的相關(guān)申請量分布情況，在VEN數(shù)據(jù)庫中，有關(guān)于晶圓鍵合的專利申請量多達(dá)17000多件，其中，美國、日本、韓國等電子工業(yè)發(fā)達(dá)國家在該技術(shù)領(lǐng)域中仍然發(fā)揮了重要作用，申請量也非?？捎^?？上驳氖?，中國作為發(fā)展中國家也正以迅猛的勢頭在這場技術(shù)革新中穩(wěn)步前進(jìn)。圖2所示為2000年以后，低溫晶圓鍵合技術(shù)專利申請量與整個晶圓鍵合技術(shù)專利申請量的對比圖，由圖中可以看出，進(jìn)入2000年以后，低溫晶圓鍵合技術(shù)占整個晶圓鍵合技術(shù)的專利申請量的比重高達(dá)百分之七十，充分說明了低溫晶圓鍵合技術(shù)正以其獨(dú)特的優(yōu)勢吸引著全球科研工作者的眼球。

結(jié) 論

近年來，為了盡可能減小傳統(tǒng)的高溫硅熔鍵合所引發(fā)的多種材料、結(jié)構(gòu)間的熱膨脹和熱應(yīng)力， 如何在較低退火溫度條件下實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體晶圓鍵合是研究者們關(guān)注的問題。低溫鍵合工藝被認(rèn)為是發(fā)展的主流， 其相關(guān)研究已在美國、歐洲和日本等諸多大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)中廣泛開展。其中無需加熱的室溫鍵合技術(shù)更被視為下一代制造工藝的備選， 半導(dǎo)體制造的相關(guān)廠商也均投入大量研究經(jīng)費(fèi)， 開發(fā)室溫鍵合方法及工藝， 因此開展室溫晶圓直接鍵合研究， 對于推動半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步具有重要意義。為了在電子科技領(lǐng)域趕上甚至趕超發(fā)達(dá)國家的技術(shù)水平，中國具有加大投入研發(fā)該技術(shù)的需求，加強(qiáng)技術(shù)改進(jìn)，并注重自主創(chuàng)新研發(fā)，來增強(qiáng)我國的科技實(shí)力。

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作者簡介：劉文杰，單位：國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作湖北中心。