文章來源：學(xué)習(xí)那些事

原文作者：前路漫漫

本文介紹了陽極鍵合的原理、步驟和引入的風(fēng)險(xiǎn)。

直接鍵合方式具備較高的對(duì)準(zhǔn)精度與穩(wěn)固的鍵合強(qiáng)度，能滿足高端器件的封裝需求，但該技術(shù)對(duì)晶圓表面的平整度、潔凈度及化學(xué)成分均勻性要求極為嚴(yán)苛，不僅需控制表面粗糙度在納米級(jí)別，還需徹底清除油污、顆粒雜質(zhì)與氧化層。這一特性直接對(duì)半導(dǎo)體工廠的工藝制程管控、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、原材料篩選及設(shè)備精度維護(hù)等全環(huán)節(jié)，都提出了極高的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。在多數(shù)封裝工序中，為降低制造難度與成本，同時(shí)兼顧鍵合可靠性，可優(yōu)先選用對(duì)晶圓表面條件要求相對(duì)寬松的硅晶圓與玻璃晶圓鍵合方案，即陽極鍵合技術(shù)，該技術(shù)在MEMS傳感器、微流體芯片等器件的批量生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。

陽極鍵合原理

陽極鍵合又稱場(chǎng)助鍵合，是一種依托熱-電協(xié)同效應(yīng)的晶圓鍵合技術(shù)，其核心操作是在200~500℃的可控溫度環(huán)境下，向待鍵合的玻璃晶圓與硅晶圓兩端施加600~1000V高壓直流電場(chǎng)，借助電場(chǎng)與溫度的協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)二者原子級(jí)緊密鍵合。其原理如圖1（a）所示，實(shí)際應(yīng)用中通常采用富含鈉離子或鉀離子的硼硅玻璃作為鍵合基材，這類堿金屬離子在高壓電場(chǎng)作用下會(huì)向陰極方向定向遷移，在玻璃與硅晶圓的接觸面附近逐漸形成固定空間電荷區(qū)，同時(shí)硅晶圓一側(cè)因電荷感應(yīng)生成對(duì)應(yīng)鏡像電荷區(qū)。這種電荷分布使大部分電壓集中于界面區(qū)域，形成極高電場(chǎng)強(qiáng)度，大幅削弱兩晶圓表面原子間的作用力壁壘，縮短接觸距離。在高溫協(xié)同作用下，接觸面發(fā)生類共價(jià)鍵反應(yīng)，玻璃中的氧離子與硅原子結(jié)合形成穩(wěn)定的Si-O共價(jià)鍵，最終完成高質(zhì)量鍵合。

鍵合過程中，陰極作為非阻塞電極，允許玻璃中遷移而來的鈉離子順利逸出。這些逸出的鈉離子會(huì)與鍵合環(huán)境中殘留的水蒸氣、空氣中的濕氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成氫氧化鈉白色絮狀物質(zhì)，該物質(zhì)會(huì)聚集在玻璃表面及陰極周邊，不僅污染器件與電極，還會(huì)引發(fā)玻璃表面化學(xué)腐蝕，導(dǎo)致表面粗糙度上升，影響鍵合密封性。因此，鍵合時(shí)建議在玻璃晶圓與鍵合機(jī)壓板間增設(shè)高純度石墨片，石墨片兼具耐高溫、導(dǎo)電性與隔離性，可有效阻隔離子污染，同時(shí)保證溫度與壓力均勻傳遞。部分專業(yè)設(shè)備已將石墨板固定于壓板下方，通過精準(zhǔn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確保與玻璃晶圓緊密貼合，無需手動(dòng)調(diào)整，提升工藝穩(wěn)定性，圖1（b）為該類設(shè)備石墨壓板的構(gòu)造示意圖。

陽極鍵合的工藝參數(shù)

陽極鍵合質(zhì)量由鍵合溫度、時(shí)間、壓力及腔體真空度等關(guān)鍵參數(shù)共同決定，這些參數(shù)相互影響制約，需結(jié)合晶圓特性精準(zhǔn)調(diào)控。依據(jù)參數(shù)作用時(shí)序與工藝目的，可將完整流程分為四個(gè)核心階段：

（1）準(zhǔn)備階段：通過專用治具將兩片晶圓精準(zhǔn)送入鍵合機(jī)腔體并固定，確保對(duì)準(zhǔn)誤差控制在微米級(jí)。同時(shí)抽取腔體真空至10?3~10??Pa，去除雜質(zhì)氣體，移除晶圓間間隔物，保證二者后續(xù)能緊密貼合，為界面反應(yīng)創(chuàng)造條件。

（2）加熱階段：將腔體及夾板升溫至預(yù)設(shè)溫度，升溫速率控制在5~10℃/min，避免產(chǎn)生過大熱應(yīng)力。通過閉環(huán)控制保證晶圓表面溫度均勻，波動(dòng)不超過±2℃，同時(shí)施加0.1~0.5MPa壓力，防止晶圓位移滑移，保障對(duì)準(zhǔn)精度并減少界面間隙。

（3）電壓施加階段：這是陽極鍵合的核心反應(yīng)階段，待腔體溫度達(dá)到預(yù)設(shè)值并穩(wěn)定后，高壓電源向晶圓兩端施加設(shè)定電壓。此時(shí)，與正極相連的玻璃晶圓中，鈉離子在強(qiáng)電場(chǎng)力作用下向陰極快速遷移，玻璃與硅界面逐漸形成高電阻率的離子耗盡層。同時(shí)，耗盡層中的氧離子在電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下向硅界面定向移動(dòng)，與硅原子發(fā)生氧化反應(yīng)，生成致密的SiO?復(fù)合氧化層，構(gòu)成穩(wěn)固鍵合界面的核心。隨著反應(yīng)推進(jìn)，離子遷移速率降低，回路電流逐步減小，當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)鍵合時(shí)間且電流降至初始電流的10%以下（設(shè)定閾值）時(shí)，移除外加電場(chǎng)，核心鍵合過程完成。

（4）冷卻階段：冷卻速率直接影響晶圓結(jié)構(gòu)完整性，需以3~8℃/min的可控速率通過冷水循環(huán)系統(tǒng)降溫，避免因降溫過快產(chǎn)生熱應(yīng)力，導(dǎo)致晶圓翹曲、開裂。待晶圓溫度降至室溫并穩(wěn)定后，停止抽真空，緩慢恢復(fù)腔體至常壓，防止氣壓突變沖擊鍵合界面。隨后通過機(jī)械臂取出晶圓，后續(xù)還需進(jìn)行外觀檢測(cè)、鍵合強(qiáng)度測(cè)試及密封性檢測(cè)，確保鍵合質(zhì)量達(dá)標(biāo)，整個(gè)陽極鍵合流程正式結(jié)束。

陽極鍵合的電化學(xué)反應(yīng)特性可通過電壓-電流曲線直觀表征，圖2為典型的電流隨時(shí)間變化曲線，能清晰反映離子遷移與界面反應(yīng)的動(dòng)態(tài)過程。工藝參數(shù)對(duì)電流變化影響顯著：較高的溫度與電壓可加快玻璃中堿金屬離子遷移速率，增大初始放電電流，提升電子遷移率與界面反應(yīng)效率，從而縮短鍵合耗時(shí)。而玻璃晶圓厚度與電流呈負(fù)相關(guān)，較厚晶圓的離子遷移路徑更長(zhǎng)、體電阻更大，會(huì)降低硅-玻璃界面有效電壓，削弱電子躍遷與離子遷移效果，不僅延長(zhǎng)鍵合時(shí)間，還可能降低界面鍵合強(qiáng)度，需結(jié)合晶圓厚度、材質(zhì)特性優(yōu)化工藝參數(shù)，平衡效率與質(zhì)量。

選用薄玻璃晶圓可提升鍵合質(zhì)量，但薄晶圓剛度低，易因重力夾帶氣體，高壓下可能引發(fā)破裂。工廠通常限定玻璃晶圓厚度不低于100μm，或在高真空環(huán)境中完成對(duì)準(zhǔn)貼合，減少氣體夾帶。需警惕腔體內(nèi)殘留氣體，其可能參與反應(yīng)影響鍵合穩(wěn)定性。

陽極鍵合過程中器件的電化學(xué)退化

純機(jī)械結(jié)構(gòu)器件（如微流體通道、噴墨打印頭）的陽極鍵合無明顯性能風(fēng)險(xiǎn)，鍵合質(zhì)量?jī)H影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與密封性。但對(duì)于集成薄膜電阻、二極管、電容器、晶體管等敏感電子元件的器件，陽極鍵合過程中存在兩類電化學(xué)退化風(fēng)險(xiǎn)：

（1）鈉離子污染：鈉離子是導(dǎo)致MOS器件性能不穩(wěn)定的核心因素，在SiO?絕緣層中具備良好導(dǎo)電性與高溫可遷移性，若絕緣層被污染，鈉離子會(huì)自由遷移，引發(fā)器件表面電勢(shì)不規(guī)則波動(dòng)，影響電阻穩(wěn)定性與信號(hào)精度，還會(huì)導(dǎo)致MOS晶體管閾值電壓漂移、PN結(jié)二極管漏電流與擊穿電壓改變，大幅降低器件可靠性，嚴(yán)重時(shí)引發(fā)器件失效。

（2）高壓電場(chǎng)損傷:鍵合時(shí)施加的600到1000V高壓電場(chǎng)，可能穿透玻璃晶圓對(duì)內(nèi)部封裝的電子器件造成電應(yīng)力損傷，引發(fā)電路擊穿、短路或性能衰減。針對(duì)該問題，行業(yè)內(nèi)已有成熟解決方案：一是在CMOS電路上方的玻璃表面，通過濺射或蒸發(fā)工藝沉積連續(xù)金屬平面層并可靠接地，形成靜電屏蔽層，阻擋高壓電場(chǎng)滲透；二是采用定制玻璃容器封裝器件后與多晶硅鍵合，該方案可采用2000V高壓、320℃溫度及10分鐘鍵合時(shí)長(zhǎng)，2毫米深的腔室結(jié)合多晶硅屏蔽特性，能有效阻隔電場(chǎng)，兼顧鍵合質(zhì)量與器件安全性。