晶圆直接键合及室温键合技术研究

冒 薇

（苏州经贸职业技术学院，江苏 苏州 215009）

0 引言

目前，直接键合技术已成为工业生产中的重要手段，已经被广泛应用到各行各业，但由于有些设备的使用条件有限，还存在一些问题，例如：操作过程中容易产生磨损，影响直接键合的精度；某些部件的尺寸难以保证，因此需要重新调整，这也增加了人工成本。

1 晶圆直接键合工艺研究

直接键合工艺在工业上应用广泛，主要有以下三个方面：（1）直接键合尺寸精度高，但由于其工艺性差，因此生产率低，所以一般采用热冲压或压力冲模内冲孔的方法来提高其加工效率。（2）在保证零件质量的前提下，通过改变模具的结构设计，使之具有一定的互换性，从而达到降低成本的目的；（3）使用自动控制的方式来实现对熔融材料的温度和时间调节，以满足不同的产品需要。而晶圆直接键合是一种新型的无废料成型工艺，它利用热传导的原理将熔融的晶体与固体进行连接，并加热到特定的温度和时间后，固化形成制品。它不仅能制造出形状复杂的铸件，而且还能制成各种金属的复合板。

1.1 晶圆直接键合理论

晶圆直接键合是在普通的直接键合机中采用的一种新型的方法，它是利用了高强度的材料来制造的一个非常简单的连接部件，其主要的特点就是可以实现机械的联接，而且它的工艺性比较好，在生产过程中的成本也会降低很多，所以在工业上被广泛的应用；为了使这个复杂的接头能够更加的简便，我们通常会使用一些特殊的结构来进行处理。

1.2 晶圆直接键合过程

该工艺是在晶圆通过键合的方式进行的直接键合，其主要的特点是在晶圆中存在有一个或多个“点”，我们可以利用这些“点”来控制材料的温度和压力，从而实现对工件的有效加热。（1）焊接的方法焊条的焊丝采用的是电弧焊，因为电弧的熔点比较低，所以不需要高温高压的条件下，但是由于熔滴的热传导，会使熔滴产生大量的热并且伴随着较高的热量而熔化，同时也会使工件的表面质量下降，甚至出现裂纹等缺陷。为了避免这一问题，一般都要使用冷裂技术，这就使得生产效率提高，而且还能够保证产品的一致性和美观性。（2）熔体的流动方向的变化在相同的环境下，结晶度的大小与金属的纯度成正比，当纯度达到一定时，则所得到的结果为晶体的最大尺寸，因此要对所获得的数据分析，才能确定出所需的最小壁厚。

1.3 晶圆直接键合温度场分布

在实际应用中，晶面的温差对直接键合工艺的影响比较大，一般情况下，晶面的温差越大，直接键合的质量越好，但如果不加控制，就会使其产生较大误差，甚至导致直接键合停止。因此必须采取有效措施加以避免，使其尽量减小。

2 晶圆直接键合对晶圆直接键合性能影响的分析

在相同的温度下，晶圆的单相接点处的切向切应力比在一定的范围内的情况下，单相直接键合的接触件的表面质量会提高，而当晶圆发生热裂纹的位置和数量较多时，则会导致其出现烧结现象，这就需要我们对其进行热处理来消除裂纹。对于普通的直接相键合，其主要是通过焊接来实现的；而这种方法的缺点是焊缝的产生比较的困难，并且焊缝的深度不能满足要求，同时也不容易保证所有的接头都能得到很好的保护。

2.1 晶体键合力学参数

因为在直接键合过程中，温度和晶圆的尺寸都会影响到键合的成形质量，所以在制造工艺上有一定要求。（1）在焊接的时候需要保证其的硬度和强度，一般采用的方法是直接焊法，即通过焊条来实现的；（2）为了提高晶体的纯度，通常会把控制定位进行改动，这样可以使晶体的厚度更加均匀，并且还能够使其变得更薄，但是这种方式也有缺点，比如说结构的改变会使得所需的时间增加，而且由于晶粒的存在还会导致断裂的可能性也大大的增大；（3）如果直接键合是以连续相切作为基，那么它就不容易产生应力集中，同时还不便于消除或减小裂纹等缺陷，因此用量较大，但实际情况下还是不能用。不过随着科技发展，现在已经使用了一些新技术，如：电弧等离子体等离子弧离子束外延生长法、激光熔覆技术等，这些新技术都能有效地改善晶体的形貌，从而得到理想的结晶状态。

2.2 晶圆直接键合的微观形貌

从晶圆的结晶过程中可以看出，晶面的形貌是由原子运动的结果所决定的，主要体现在以下几个方面：（1）在晶体的生长、成形以及连接的工艺参数中，晶面的形状和大小是影响直接键合的最重要的因素之一。（2）在直接键合的操作方法中，由于控制的不同而产生的温度也会有差异。（3）需要避免焊接时的引脚处的熔丝被击穿。可知，晶面的形貌与直接构成的整体共点的形貌有关，与共点的数量有着密切的关系；间接型的结构比共点的存在要复杂的多，这说明直接键合的实现需要通过加热或保温的方式来完成。

2.3 晶圆直接键合的电学特性

半导体的制造工艺中，键合的电学特性是其最重要的性能指标之一。在实际的生产应用过程中，主要表现在以下几个方面：（1）在绝缘体的工作界面上，由于晶圆的存在导致了绝缘体的损耗和热导率降低，从而造成了光的损失和热导率的下降；（2）在焊接的时候，会产生大量的热量并且容易使温度升高，而影响其正常的运转；（3）使用大功率的设备时，因为键的数量级的增加或者出现的电极数目的增多都会对其的匹配带来困难。

3 晶圆直接键合及室温键合技术

在半导体制造过程中，晶圆通过键合或直接键合与其他元素发生连接，从而实现对所需部件的有效接触。在工业领域中，主要应用的是晶圆直接键合技术。其原理是利用电子的能量来传递，使其具有一定的导电性，而不是将所有的材料一起进行串联。由于这种方法的操作简单，易于控制，所以广泛应用于机械、汽车、航空等行业。对于普通的晶体器件，通常都采用直接键合的方式来完成相对应的焊接工作。但是因为需要使用大量的焊剂，而且还存在着焊剂容易挥发的缺点（如易挥发），因此必须要考虑到这些问题。而随着科技的发展和人们生活质量的提高以及社会的需求量的增加，人们对各种元器件的要求也越来越高，这就促使了许多新的相对应的焊接工艺不断地被开发出来。

3.1 晶圆直接键合测量

由于直接键合的结构比较简单，在实际生产过程中应用也非常广泛，所以在实验室中得到了很好的验证性，但是因为直接键合的复杂性和灵活性，对其进行温度场分析时，必须要考虑到以下几个方面：

晶面点合是通过点接方式实现的一种简单的冷端面的操作方法。在直接键合过程中，主要是利用两个键的相对运动来完成对点接的要求；在直接键合的时候也需要一个与之相匹配的点接，才能够保证其最终的一致性和可靠性。（1）中心轴的轴心线与连接处的圆角，由于晶面上的正六边形的存在，使得其具有了对称性，因此当我们把轴心线上的正八边形的长度加到一维的平面中，就会形成了一条条带状线形，这种图形的特点就是均匀的分布着整个圆的一半区域，并且没有任何的缺陷出现。（2）连接处的圆角因为在直接切试的时候，都会有一定量的接触面积，所以它的半径大小都是比较小，但是不会影响到切试的质量和结果的准确性，而且还可以防止其他的因素对其造成的干扰等。同时它的尺寸很小，容易控制，因而非常适用于一些小型的设备上。

3.2 晶圆直接键合物理性质

键合的原理是在复合材料中的一个或多个相界面上，通过两个相的相互作用实现的；在这个过程中，由于存在大量的热应力，所以在键合点处会产生许多热变形，从而引起了温度的变化；同时，也会出现很多的应变和应力，这些都可以导致晶圆的尺寸发生改变。

4 结束语

在电子工业中，直接键合工艺和普通的间接相配合，是实现无接触自动焊接的主要方法，但是在实际生产过程中，由于各种因素的影响，导致了最终的产品质量不稳定，所以需要对这些问题进行改进，使其能够满足应用需求。