晶圓直接鍵合技術發展分析

摘 要：晶圓直接鍵合是通過晶圓界面處的原子在外界能量的作用下，通過范德華力、分子力甚至原子力使晶圓鍵合成為一體的技術。該鍵合技術由于避免了中介層引起的污染也無需外部電場的作用而成為研究熱點。本文結合專利文獻統計情況，對晶圓直接鍵合技術的發展進行了分析，并從分析結果中得到了有益的結論。

關鍵詞：低溫鍵合 直接鍵合 晶圓

一、晶圓鍵合技術發展介紹

20世紀80年代， 由美國IBM公司的Lasky和日本東芝公司的Shimbo等人提出了硅晶圓直接鍵合技術，該技術是把兩片經過鏡面拋光的硅晶圓片經表面清洗， 在室溫下直接貼合， 再經過退火處理提高鍵合強度， 將兩片晶圓結合成為一個整體的技術。為獲得足夠高的硅-硅晶圓鍵合強度， 通常需要施加較高的退火溫度 （800～1000℃） ， 該退火溫度接近硅材料的熔點 （1410℃）， 因此該方法又被稱為硅熔鍵合或熱鍵合法。由于晶圓直接鍵合不需要借助于中間層，可實現材料之間的直接連接，并且也沒有雜質引入，因此，在其誕生之初便成為了熱門的鍵合方法，但是由于該方法需要在800～1000℃的高溫退火條件下才能達到足夠的鍵合強度，而高溫退火過程中，則容易誘發內部元件的熱應力，同時還可能會導致摻雜元素發生有害擴散，以及對溫度敏感元件造成很大損傷，因此很大程度上限制了其在晶圓級封裝方面的應用。

為克服直接鍵合因高溫退火所引發的異質材料、結構間的熱膨脹和熱應力，20世紀90年代以來低溫鍵合（<250℃）方法已成為發展的主流，其相關鍵合方法的開發和鍵合機理的研究成為晶圓鍵合領域的熱點，得到國內外研究學者的廣泛關注。研究者們圍繞著低溫晶圓鍵合做了大量工作，提出了等離子體鍵合方法，超高真空鍵合法，表面活化法等鍵合方法。雖然上述方法在一定條件下可實現低溫甚至室溫下的晶圓直接鍵合，為其在電子產業中的實際應用奠定了基礎。但其應用條件較為苛刻且會帶來相應的污染問題，因此，尋找一種簡單易行、鍵合缺陷少、綠色環保的低溫晶圓直接鍵合方法是目前亟需解決的問題。

二、晶圓直接鍵合技術的專利申請狀況統計分析

圖1-2是根據VEN專利數據庫中涉及晶圓鍵合技術的專利申請量進行統計而制作。圖1所示為不同國家或地區的相關申請量分布情況，在VEN數據庫中，有關于晶圓鍵合的專利申請量多達17000多件，其中，美國、日本、韓國等電子工業發達國家在該技術領域中仍然發揮了重要作用，申請量也非常可觀。可喜的是，中國作為發展中國家也正以迅猛的勢頭在這場技術革新中穩步前進。圖2所示為2000年以后，低溫晶圓鍵合技術專利申請量與整個晶圓鍵合技術專利申請量的對比圖，由圖中可以看出，進入2000年以后，低溫晶圓鍵合技術占整個晶圓鍵合技術的專利申請量的比重高達百分之七十，充分說明了低溫晶圓鍵合技術正以其獨特的優勢吸引著全球科研工作者的眼球。

結 論

近年來，為了盡可能減小傳統的高溫硅熔鍵合所引發的多種材料、結構間的熱膨脹和熱應力， 如何在較低退火溫度條件下實現半導體晶圓鍵合是研究者們關注的問題。低溫鍵合工藝被認為是發展的主流， 其相關研究已在美國、歐洲和日本等諸多大學和研究機構中廣泛開展。其中無需加熱的室溫鍵合技術更被視為下一代制造工藝的備選， 半導體制造的相關廠商也均投入大量研究經費， 開發室溫鍵合方法及工藝， 因此開展室溫晶圓直接鍵合研究， 對于推動半導體產業的進步具有重要意義。為了在電子科技領域趕上甚至趕超發達國家的技術水平，中國具有加大投入研發該技術的需求，加強技術改進，并注重自主創新研發，來增強我國的科技實力。

參考文獻：

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作者簡介：劉文杰，單位：國家知識產權局專利局專利審查協作湖北中心。