2.3.5　晶圆键合

随着超大规模集成电路、抛光研磨技术的发展，直接键合技术广泛应用于微电子机械系统和压电、声光器件中，为大批量生产器件提供了低成本的制造方案，成为一种重要的器件制备技术。直接键合技术不需要任何外加电场和黏合剂，键合过程主要包含表面处理、预键合和热处理过程。表面处理过程通过化学机械抛光降低了键合晶圆表面的粗糙度，为了提高晶圆的表面活性和亲水性，使用化学溶液（或等离子体）清洗；预键合过程对处理过的晶圆（清除表面灰尘或颗粒）施加压力，使晶圆表面的分子膜形成氢键并完成键合；热处理过程使预键合的晶圆在一定温度下退火，使键合界面形成共价键，减少气泡及空洞，提高键合强度。直接键合机理取决于晶圆表面悬挂键终端原子，与材料的结构、晶向、点阵参数无关。针对不同的产品和制作需求，出现了不同的键合方法，键合方法比较如表2-1所示。

大多数键合方法的预键合温度较高，如阳极键合、熔融键合等。如果待键合晶圆含有对温度敏感的器件，则高温退火会使金属引线熔化变形、掺杂源扩散，导致性能下降或失效；如果晶圆采用热失配较大的异质材料，则不同材料间会产生很大的热应力，从而产生缺陷，使晶圆破裂，影响键合，因此需要降低退火温度。低温硅片直接键合（Low-temperature Silicon Wafer Direct Bonding，LSDB）技术结合了低温键合与晶圆级集成制造的优点，已成功应用于硅之间及硅与石英之间的直接键合，成为制备复合材料及实现微机械加工的最优技术，其优点如下。

（1）可以通过将低掺杂晶圆与高掺杂晶圆键合来实现深度掺杂扩散，缩短时间。

（2）可以得到高纯度、低缺陷的单晶层，使其代替厚晶圆外延生长。

（3）可以将被氧化的晶圆与晶圆直接键合，以制作绝缘体上硅（SOI）晶圆。

（4）通过键合孔洞或带沟槽的表面对晶圆衬底进行加工。

低温键合主要包括表面活化低温键合、中间介质键合及真空键合。表面活化低温键合通过使离子撞击晶圆表面产生悬浮键，增大晶圆表面的自由能，从而快速达到所需的键合强度；中间介质键合将一层熔点较低的介质置于晶圆表面，只需要较低的退火温度就可以达到所需的键合强度，主要包括共晶键合、黏着键合及玻璃介质键合；真空键合在真空中对晶圆进行预键合，200℃就能达到退火至1100℃（在空气中）的键合能，因此目前键合设备大多在真空中进行预键合。

晶圆键合广泛应用于MEMS器件，其必须满足一些具体要求。例如，将温度限制在450℃，以防止出现与温度相关的晶圆损伤；防止出现过于激烈的情况，以避免金属腐蚀；由于晶圆加工到这一阶段时花费的成本很高，因此要求有较高的良率；保证键合的机械强度、气密性和可靠性。