關(guān)于LTCC晶片和Si晶片之間的陽極鍵合實驗報告

本文描述了我們?nèi)A林科納在LTCC（低溫共燒陶瓷）晶片與硅晶片之間同時建立的陽極鍵合的電連接。本研究首先研究了陽極鍵接前的甲酸蒸汽預處理，以去除鍵接墊上的錫表面氧化物，為了實現(xiàn)更小的芯片尺寸、更高的性能、更高的可靠性和更高的MEMS（微機電系統(tǒng)）的產(chǎn)量，薄片級的密封包裝技術(shù)是必不可少的。

圖2顯示出了所提出的與陽極鍵合并聯(lián)的電連接方法。在硅晶片上制備Cu/Ti電極，在LTCC晶片上制備與Cu/Ti電極連接的Sn/Cu/Cr鍵合墊，Sn應該沉積得足夠厚，以使Sn/Cu/Cr鍵合墊的高度比晶片之間的電極間隙大幾百納米，在陽極鍵合過程中，熔點為232°C的Sn被Cu/Ti反映體熔化并推動以填充電極間隙，而要鍵合的Si和LTCC表面完全形成硬接觸。

該方法利用金屬多層的瞬態(tài)液相(TLP)，因此不需要精確控制粘接墊和電極的高度，也不需要粘接墊周圍的大粘接區(qū)域來吸收它們的突出部分，即高度邊緣。此外，接觸中的Sn和Cu相互擴散，形成在鍵合溫度下不再熔化的金屬間化合物。如前所述，對于薄膜厚度和蝕刻深度之總和，±為0.25μm的公差，因此所提出的方法可以容忍晶片上和批量加工誤差和不均勻性。本研究研究了TLP鍵合條件，并分析了鍵合墊中所得到的金屬結(jié)構(gòu),為此目的，我們特別研制了一種晶圓結(jié)合劑。

我們開發(fā)了一種新的晶片粘合劑，其中金屬表面氧化物去除、晶片對準和晶片粘合可以依次進行，而不打破真空,圖3為晶片粘合器的系統(tǒng)配置,為了去除金屬表面氧化物，晶片被加熱，并在減壓下暴露在甲酸蒸汽中,晶片必須在短時間內(nèi)（例如，幾秒鐘）內(nèi)被加熱到鍵合溫度或至少是Sn的熔點，否則由于金屬與金屬間的相互擴散，在鍵合前產(chǎn)生金屬間化合物,為了這種快速加熱，晶片在預熱晶片轉(zhuǎn)移臺上排列，然后在不破壞真空的情況下轉(zhuǎn)移到預熱粘合室,晶圓片溫度下降了ca,粘接結(jié)束后1分鐘內(nèi)100°C，1分鐘后在空氣散熱器上進一步下降到室溫。

在本研究中，晶圓鍵合在1×10-3Pa或更低的真空中進行,在晶片轉(zhuǎn)移到結(jié)合室后，將結(jié)合壓力和電壓施加到對準晶片上10分鐘,對晶圓溫度進行了校準，發(fā)現(xiàn)其溫度為ca,比已控制的加熱器溫度低100°C,圖4顯示了加熱器和嵌入熱電偶的假晶片的典型溫度變化,從圖中可以看出，在鍵合過程中，溫度并沒有達到平衡。根據(jù)圖中所示的校準，預測了鍵合過程中的實際晶圓溫度。

在陽極鍵合過程中被熔化和擠壓，確保了Si-to-LTCC和金屬對金屬表面的接觸,然而，在空氣中，像Sn這樣的低熔點金屬很容易被表面氧化物覆蓋，這可能會導致接觸電阻和熔點的升高、可靠性的下降等。因此，為了去除表面氧化物，研究了甲酸氣蝕刻。

以上結(jié)果證實了甲酸蒸汽預處理在高溫和/或長期預處理破壞了金屬多層結(jié)構(gòu)，擴散粘接墊的熔點可能高于所需的粘接溫度，使得預期的TLP粘接不可能，同時還證實，在250°C預處理5分鐘后，粘接墊大致保持了金屬多層結(jié)構(gòu)。因此，在本研究中，我們對樣品進行了250°C的鍵合實驗預處理5min，在此條件下可以預期回流效應。

整個厚度的橫截面幾乎呈均勻狀，沒有明顯的空隙，EDX結(jié)果表明，Sn/Cu原子比約為50/50%，厚度方向大致均勻，Ti和Cr含量較少，通過透射電鏡（透射電鏡）詳細觀察了金屬層與硅晶片之間的界面，硅片上仍粘附鉻和鈦層，然而，在Ti粘附層中發(fā)現(xiàn)了一些顏色的差異，這可能是銅，在鈦粘附層附近的銅中也發(fā)現(xiàn)了一些空隙，它們可能會對電氣連接的可靠性有一定的影響。

本研究中描述的TLP鍵合可總結(jié)如下，轉(zhuǎn)移到粘合室的樣品被壓下并加熱到ca，請在幾秒鐘內(nèi)完成350°C，然后，Sn層熔化，下面的銅層和反銅電極開始溶解在熔化的Sn中，當熔化的Sn中的銅濃度達到ca時，在350°C時，固相開始在液相中沉淀，通過陽極鍵建立密封和通過金屬對金屬鍵建立電連接，對于金屬對金屬的鍵合，選擇了Sn和Cu的組合，使其熔化并吸收粘合墊的高度邊緣，當使用Sn等低熔點金屬時，不需要精確控制鍵合墊的高度來確保陽極鍵合表面的整個接觸，此外，建立的錫-銅金屬間化合物/合金組成的電連接的再熔點高于Sn的原熔點。

作為金屬間鍵合的預處理方法，研究了甲酸蒸汽對錫表面氧化物的去除作用，在150°C或更高時進行表面氧化物去除，在250°C時預處理得到光滑的Sn表面，可能是由于再流效應，多層粘接墊中的相互擴散也在250°C下進行，但5min后金屬多層結(jié)構(gòu)仍然存在，將在250°C下預處理5min的樣品進行了鍵合實驗，陽極鍵合和電連接均取得了成功。

審核編輯：鄢孟繁