先进的晶圆进程

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先进的晶圆进程 [复制链接]

虽然微机电系统 (MEMS)源自三十年前的传感器及促动器制造，但是其技术最近几年才受到国际之认可。然而，许多新兴的微电子应用领域用来处理非电子的主系统；因此，需要对像压力或流量的参数进行量测，并将其转换为可由计算机处理的电气信号。在进行必要的电子决定性控制之后，合成的电子信号可输入到促动器来控制主系统的参数。 由于 MEMS 组件通常为三维架构，因此出现新制程技术的需求。晶圆结合法就是作为 MEMS组件制造与封装的最有力的技术其中之一，在MEMS产业也使用不同的晶圆结合方法：熔融、黏着、共晶、热压缩结合方式一般用作组件的制造和三维结构的产生，尽管阳极结合法是最常用的晶圆阶段封装程序的其中之一方法。 本文将提出今日先进的晶圆结合技术之概要：尤其是多个晶圆(三层堆栈结合)的结合法与以高真空兼容键结作为接口材料。 为何要晶圆级结合? 作为MEMS组件的晶圆阶段结合功能可概括如下： 前段封装：组装与封装的主要目的不是将两半的组件附着一起(一般用在块状微机传感器) 就是提供一保护外壳(一般作为表面机械零件)。在进行晶圆切割前，于晶圆阶段的MST组件密合则要提供高阶的清洁度。在没有保护下，对粒子敏感的MST特性可能无法进行切割齿b切割之后，芯片清洗并非是非常有效。至于帽晶圆结合传感器之表面微机技术，则提供所需的保护来作为随后需要较少的清洁制程步骤。在晶圆阶段，表面微机的特色经常作为前段封装用，来保护敏感的机械悬吊特性免于受到环境影响。 应力隔离：一结合过的晶圆对可提供作为密合的基座至最终封装用。起因于封装与基板之间接口的机械应力，则必须跟传感器硅芯片进行隔离。晶圆阶段的结合方法可提供足够的机械稳定性，因而对于传感器芯片封装时之机械应力进行去耦。对于压力传感器，则使用薄玻璃垫柱作为硅传感器芯片的坚硬机械基座用。在晶圆阶段会形成阳极结合的玻璃垫柱，而且吸收任何最后封装时所引起的应力。 周围控制：MST组件内部可控压力之密合对于调整移动功能之机械特性是必要的。在精确的压力控制之下，可由周围压缩的气体来调整加速度计或陀螺仪的阻尼属性。 高阶整合：随着优先级的增加，晶圆的结合视为增加组件的功能密度之可能性。具有不同功能的晶圆像机械传感器用的晶圆及ASIC 晶圆，则可在晶圆阶段进行结合。在晶圆阶段，3D相互连接技术则允许组件之间形成电气连接。 新使用材料：晶圆结合可提供新使用的材料作为 MEMS 组件用。最佳的已知范例就是作为产生压力传感器的微镜组件或特殊工程基材用的薄膜SOI 晶圆。 结合制程必须小心选用来实现某些上述所列的特性，而且也能适应组件的需要及特色。 身为设备制造商则要有一种非常好的整体了解，来符合许多制作组件规格所使用的制程。许多制造厂今日正使用成熟且高良率的结合技术。尽管有许多有关结合制程的文章发表，但是只有少数非常可*的制程可用来制造大多数的组件 最先进的结合制程总结 阳极结合法(Anodic Bonding)是最常用的封装方式，而电场能协助离子热扩散横越接合接口来完成玻璃及硅的固态混合[3]。 阳极结合法用在许多将组装及压力传感器封装内的射流组件。阳极结合法也相当常用在MOEMS (光学MEMS) 组件中，因为需要使用透明的外壳。阳极结合法考量MEMS封装机器的负荷，以及所有大多数的封装应用。在整个的晶圆制程期间，晶圆固定的先进技术以及独立的上下垫块热处理为控制热膨胀差异并维持次微米对准之关键。 直接结合法(Silicon Direct Bonding)在1990年代[1]成为普遍使用。许多材料可使用此技术来进行结合，假如其表面符合坚硬粗糙度及平坦度的标准。经由吸附水群之间的凡得瓦力，使得湿化学作用或电浆活化所形成的亲水面能马上结合。在结合制程之后，整批热退火用来转换为Si-O-Si共价键并完成等效于块状硅的键结强度。因为直接硅圆法需要将接口上的原子紧密结合，所以在高量产中必须注意清洗的要点。能够进行清理、活化、排列与结合的现代晶簇用具可达到每小时25-40 颗晶圆的产量，而且在等级 1 微型环境中进行控制。 硅直接结合法就是结合SOI 晶圆的关键，其预期取代50%的块状硅市场并在2005年达到180万片晶圆(200mm) [2]，这些SOI 晶圆用在IC 制造和 MEMS制造上。此外，硅直接结合法用来作为形成分布式的布拉格镜、复杂3D 微射流系统和泵浦之薄层结构，以及异质结构的晶圆阶段封装。 热压缩结合法(Thermal Compression Bonding)包含了三种主要次种类： 玻璃熔块、共晶与扩散。当加热超过玻璃软化温度时，在接口的玻璃熔块和玻璃结合中间层受到压力影响下开始流动，玻璃可经由喷出、丝网印刷、喷溅或沉积法来进行应用。 使用像中间层的金属结合技术，则一般会形成一密合且高真空兼容(低气体处理的低导磁性材料)： (1)结合前的金硅接口 (2)在温度与压力影响下金硅接口扩散在一起 (3)共晶合金，18.6%硅/81.4%金在共晶温度363℃ 以上形成液体，而且一冷却就固化。 共晶结合法(Eutectic bonding)利用一种金属相态的转换，在组成要素所形成的双相具有比任一溶质还要低的熔点。本质上，共晶结合法是一种扩散键结的特殊范例，其提供在相当低温下形成非常强的金属接口键结。当两种金属扩散时，就会彼此形成混合，此混合物在共晶合成时具有非常低的熔点。一旦共晶形成而且变为液体之后，在液相扩散影响之下则会加速液态固态接口之反应。在熔化重新固化之后，开始形成相互扩散和共晶的反应。 固态热压缩结合法(Solid-state thermo compression bonding)跟共晶结合法相似，因为均会形成合金。然而，这些反应不会涉及扩散接口层的熔化。在固态接合中，鉴别低温固相转换和快速扩散系数系统是关键。所形成的相态是一种最常使用的非常坚固的金属接口化合物，而且给予结合结构上的稳定性。经由扩散及原子重新排列，将型态排列成化学计量结构。 扩散结合法一般适用于扩散系数相当低温时的快速系统。此状况发生于有些FCC金属像金与铜。因此，其可能在使用扩散动能的低温下形成金傧鷋P铜-铜接合面或甚至铜傧鳛策X面。在这些范例中，并无合金形成而且接口是两种溶质的混合物，像糖水。在某些应用中，由于这些合金的易脆本质，因此扩散接合法比金属接口或共晶合金结构还要好。 晶圆级结合的新需求和新趋势 CMOS 兼容性： 当和CMOS晶圆进行结合时，玻璃熔块上的铅(Pb)，阳极结合法的钠(Na)或垫压缩结合的金(Au)都是顾虑。混合CMOS ASICS+MEMS的晶圆级结合愈来愈具吸引力。晶圆级结合的高产出及结合的精准度(3mm@ 3 sigma)成为极佳选择。 高真空兼容性： 当MEMS产品目标指向行动消费产品，就增加高真空制品的需求。不同于汽车用MEMS，此时电力消耗和尺寸成为主要挑战，例如：low-g加速计，高感度陀螺仪和行动IT产品。对结合制程要求低溢气材料，不透气密封和结合温度许可使用垫吸附介质(thermally fired getters)以达到高真空(<1E-4mbar)，新型的焊材(solder)，扩散结合和共晶合金似乎足以符合需求。 低温结合(Low Temperature Bonding) 新的中介层材料如高分子(Epoxy, BCB, Su-8)，共晶合金和干式活化晶圆结合已经发展来将褪火温度由400-500℃(硅直接结合温度甚至高过1000℃)降至200蚓。部分技术原来用在3D相互连接应用，现在在MEMS领域找到了新的应用。 低温结合技术开启了生化应用及其它有温度限制的材料(如 CTE mismatched substrate)。 有一特殊制程干式活化结合(Dry Activated Bonding)原本用于SOI制程，现在已使用在MEMS封装了。典型达到结合强度 >1 J/m2于SiO2层的温度为500蚓，若于结合前施予电浆表面处理时，同样的结合强度只要200℃。另一种选择是SOG(Spin on Glass)。 除了这种制程所提供的不透气密封和高真空之外，典型硅直接结合的条件─表面奈米级平整度，低TTV和低卷曲度─都是良率的基本条件。目前此种制程的R&D及量产机型都已经上市。 多层结合(Multi-Stack Bonding) 同时结合两片以上晶圆用在多种结合技术上，为制程上的需要(保持三层晶圆结合的应力低且均匀)，或因经济效应(增加产量)。 结论 众多MEMS厂藉由在R&D阶段确定正确结合技术而成功。幸好很多成功的量产，高良率制程已可运用，当然各种制程的限制和优缺点都已大致清晰为众人所知。而一些新兴制程必须进一步发展，最有可能发展可能就是低温，高真空，CMOS兼容结合技术了。

ljmin

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