热压键合

热压键合（thermocompression bonding）是一种晶圆键合工艺，也称为擴散接合、压力接合、热压焊接或固态焊接。两种金属，例如金-金（Au），在施加力和热的同时达到原子接触。扩散需要表面之间的原子接触以利用原子的热運動。原子基于晶格振动从一个晶格迁移到另一个晶格。这种原子相互作用把界面粘合在一起。扩散过程可由下列三种过程描述：

 表面扩散
 晶界扩散
 体扩散

该方法使得在不额外增加除表面贴装过程外步骤的情况下，实现保护内部结构的器件封装以及直接的电气互连结构成为可能。

 概述 
最常用于热压键合的材料是铜（Cu）、金（Au）和铝（Al），因为它们具有较高的扩散速率。此外，铝和铜是相对较软且具有良好延展性的金属。

用Al或Cu进行键合需要温度≥ 400 °C以确保足够的气密封合。此外，铝需要大量沉积并需较高的施加力以穿透表面氧化层，因为铝本身不能穿透氧化层。

当使用金进行扩散时，需要约300 °C左右的温度以实现成功的键合。与Al或Cu相比，金不形成氧化物，这允许在键合前跳过表面清洁程序。

铜的缺点是其大马士革互连工艺非常复杂。它也会立即在表面形成氧化层，然而可以通过甲酸蒸氣清洁去除。去除氧化物同时起表面钝化作用。

这些金属的扩散需要对两片晶圆之间的热膨胀系数（CTE）差异有充分了解以防止由此产生的应力。因此，两侧加热器的温度需要匹配并从中心到边缘均匀，以实现晶圆同步膨胀。

 流程步骤 

 预处理 
金属薄膜中的氧化物和雜質会通过降低扩散速率影响扩散反应。因此，采用洁净的沉积工艺并结合去氧化和防再氧化的键合步骤。氧化层的去除可通过各种氧化物刻蚀化学方法实现。基于尽量减少浸入液体及由此对钝化层或粘附层的蚀刻，优先采用工艺，即甲酸蒸气清洁。此外，可进行有机物去除的表面处理，例如紫外-臭氧处理。

诸如等离子体表面预处理的方法能通过增加表面接触来加速扩散速率。超平坦化步骤也被考虑用于减少扩散所需的材料输运，从而改善键合。这种改进基于对铜、金和锡的已定义高度控制。

 沉积 
金属薄膜可通过蒸镀、溅射或电镀沉积。蒸镀和溅射能产生高质量、杂质受限的薄膜，但速度慢，因此用于微米级和亚微米层厚。电镀通常用于较厚的薄膜，需对膜的粗糙度和层纯度进行精确监控和控制。

金膜也可以沉积在擴散阻障層上，例如氧化物或氮化物。同时，附加的纳米晶金属薄膜（例如Ta、Cr、W或Ti）可在降低施加压力和键合温度的情况下增强扩散键合的粘接强度。

 键合 
所选温度和施加压力取决于扩散速率。扩散通过晶格振动在晶格间发生。原子不能跨越自由空间（即污染或空位）。除最快的扩散过程（表面扩散）外，还存在晶界扩散和体相扩散。
表面扩散（亦称原子扩散）描述了沿表面界面当原子为降低自由能而从一表面移动到另一表面的过程。

晶界扩散指原子在自由晶格空间的自由迁移。其基础是多晶层及其晶界处原子晶格和晶粒不完全匹配所产生的空间。

体扩散是晶格内原子或空位的交换，从而实现混合。体扩散在材料熔点的30-50%开始，并随温度呈指数增长。

为使扩散过程发生，需施加高力以对薄膜表面粗糙峰（asperities）发生塑性变形，即减小金属的翘曲与弯曲。气体环境有助于热传导并防止晶圆垂直方向的温度梯度和再氧化。基于两片晶圆之间热膨胀差异难以控制，采用精密对准和高质量。

对最常用金属的键合设置如下（针对200 mm晶圆）：

 铝（Al）
 键合温度可在400-450 °C，施加力> 70 kN，持续20-45 min
 金（Au）
 键合温度在260-450 °C之间，施加力> 40 kN，持续20-45 min
 铜（Cu）
 键合温度约在380-450 °C，施加力在20-80 kN之间，持续20-60 min

 示例 
热压键合在CMOS行业中已成熟应用，可实现垂直集成器件和较小外形尺寸的晶圆级封装生产。该键合工艺用于制造压力传感器、加速規、陀螺儀和RF MEMS。

通常，热压键合通过硬面键合工具向接合面传递热和压力来完成。A.Coucoulas, “Compliant Bonding” Proceedings 1970 IEEE 20th Electronic Components Conference, pp. 380-89, 1970. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:CompliantBondingPublic_1-10.pdf  https://www.researchgate.net/publication/225284187_Compliant_Bonding_Alexander_Coucoulas_1970_Proceeding_Electronic_Components_Conference_Awarded_Best_Paper 是一种在金引线与金表面之间形成此类固态键合的独特方法，因为热与压力通过柔性或可变形介质传递。使用柔性介质可通过控制引线的变形程度来保证引线的物理完整性。该工艺还允许同时键合多根不同尺寸的金线，因为柔性介质能确保所有引线接触并发生所需变形。

 技术规格 
材料 铝
 金
 铜温度 铝：≥ 400 °C
 金：≥ 260 °C
 铜：≥ 380 °C优势 局部加热
 快速冷却
 良好气密性缺点 Al、Cu需大量预处理与沉积研究 纳米棒Cu层
 超平坦化技术

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 参考 

Category:半导体技术
Category:電子製造