关于LTCC晶片和Si晶片之间的阳极键合实验报告

本文描述了我们华林科纳在LTCC（低温共烧陶瓷）晶片与硅晶片之间同时建立的阳极键合的电连接。本研究首先研究了阳极键接前的甲酸蒸汽预处理，以去除键接垫上的锡表面氧化物，为了实现更小的芯片尺寸、更高的性能、更高的可靠性和更高的MEMS（微机电系统）的产量，薄片级的密封包装技术是必不可少的。

图2显示出了所提出的与阳极键合并联的电连接方法。在硅晶片上制备Cu/Ti电极，在LTCC晶片上制备与Cu/Ti电极连接的Sn/Cu/Cr键合垫，Sn应该沉积得足够厚，以使Sn/Cu/Cr键合垫的高度比晶片之间的电极间隙大几百纳米，在阳极键合过程中，熔点为232°C的Sn被Cu/Ti反映体熔化并推动以填充电极间隙，而要键合的Si和LTCC表面完全形成硬接触。

该方法利用金属多层的瞬态液相(TLP)，因此不需要精确控制粘接垫和电极的高度，也不需要粘接垫周围的大粘接区域来吸收它们的突出部分，即高度边缘。此外，接触中的Sn和Cu相互扩散，形成在键合温度下不再熔化的金属间化合物。如前所述，对于薄膜厚度和蚀刻深度之总和，±为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误差和不均匀性。本研究研究了TLP键合条件，并分析了键合垫中所得到的金属结构,为此目的，我们特别研制了一种晶圆结合剂。

我们开发了一种新的晶片粘合剂，其中金属表面氧化物去除、晶片对准和晶片粘合可以依次进行，而不打破真空,图3为晶片粘合器的系统配置,为了去除金属表面氧化物，晶片被加热，并在减压下暴露在甲酸蒸汽中,晶片必须在短时间内（例如，几秒钟）内被加热到键合温度或至少是Sn的熔点，否则由于金属与金属间的相互扩散，在键合前产生金属间化合物,为了这种快速加热，晶片在预热晶片转移台上排列，然后在不破坏真空的情况下转移到预热粘合室,晶圆片温度下降了ca,粘接结束后1分钟内100°C，1分钟后在空气散热器上进一步下降到室温。

在本研究中，晶圆键合在1×10-3Pa或更低的真空中进行,在晶片转移到结合室后，将结合压力和电压施加到对准晶片上10分钟,对晶圆温度进行了校准，发现其温度为ca,比已控制的加热器温度低100°C,图4显示了加热器和嵌入热电偶的假晶片的典型温度变化,从图中可以看出，在键合过程中，温度并没有达到平衡。根据图中所示的校准，预测了键合过程中的实际晶圆温度。

在阳极键合过程中被熔化和挤压，确保了Si-to-LTCC和金属对金属表面的接触,然而，在空气中，像Sn这样的低熔点金属很容易被表面氧化物覆盖，这可能会导致接触电阻和熔点的升高、可靠性的下降等。因此，为了去除表面氧化物，研究了甲酸气蚀刻。

以上结果证实了甲酸蒸汽预处理在高温和/或长期预处理破坏了金属多层结构，扩散粘接垫的熔点可能高于所需的粘接温度，使得预期的TLP粘接不可能，同时还证实，在250°C预处理5分钟后，粘接垫大致保持了金属多层结构。因此，在本研究中，我们对样品进行了250°C的键合实验预处理5min，在此条件下可以预期回流效应。

整个厚度的横截面几乎呈均匀状，没有明显的空隙，EDX结果表明，Sn/Cu原子比约为50/50%，厚度方向大致均匀，Ti和Cr含量较少，通过透射电镜（透射电镜）详细观察了金属层与硅晶片之间的界面，硅片上仍粘附铬和钛层，然而，在Ti粘附层中发现了一些颜色的差异，这可能是铜，在钛粘附层附近的铜中也发现了一些空隙，它们可能会对电气连接的可靠性有一定的影响。

本研究中描述的TLP键合可总结如下，转移到粘合室的样品被压下并加热到ca，请在几秒钟内完成350°C，然后，Sn层熔化，下面的铜层和反铜电极开始溶解在熔化的Sn中，当熔化的Sn中的铜浓度达到ca时，在350°C时，固相开始在液相中沉淀，通过阳极键建立密封和通过金属对金属键建立电连接，对于金属对金属的键合，选择了Sn和Cu的组合，使其熔化并吸收粘合垫的高度边缘，当使用Sn等低熔点金属时，不需要精确控制键合垫的高度来确保阳极键合表面的整个接触，此外，建立的锡-铜金属间化合物/合金组成的电连接的再熔点高于Sn的原熔点。

作为金属间键合的预处理方法，研究了甲酸蒸汽对锡表面氧化物的去除作用，在150°C或更高时进行表面氧化物去除，在250°C时预处理得到光滑的Sn表面，可能是由于再流效应，多层粘接垫中的相互扩散也在250°C下进行，但5min后金属多层结构仍然存在，将在250°C下预处理5min的样品进行了键合实验，阳极键合和电连接均取得了成功。

审核编辑：鄢孟繁