晶圆直接键合技术发展分析

摘 要：晶圆直接键合是通过晶圆界面处的原子在外界能量的作用下，通过范德华力、分子力甚至原子力使晶圆键合成为一体的技术。该键合技术由于避免了中介层引起的污染也无需外部电场的作用而成为研究热点。本文结合专利文献统计情况，对晶圆直接键合技术的发展进行了分析，并从分析结果中得到了有益的结论。

关键词：低温键合 直接键合 晶圆

一、晶圆键合技术发展介绍

20世纪80年代， 由美国IBM公司的Lasky和日本东芝公司的Shimbo等人提出了硅晶圆直接键合技术，该技术是把两片经过镜面抛光的硅晶圆片经表面清洗， 在室温下直接贴合， 再经过退火处理提高键合强度， 将两片晶圆结合成为一个整体的技术。为获得足够高的硅-硅晶圆键合强度， 通常需要施加较高的退火温度 （800～1000℃） ， 该退火温度接近硅材料的熔点 （1410℃）， 因此该方法又被称为硅熔键合或热键合法。由于晶圆直接键合不需要借助于中间层，可实现材料之间的直接连接，并且也没有杂质引入，因此，在其诞生之初便成为了热门的键合方法，但是由于该方法需要在800～1000℃的高温退火条件下才能达到足够的键合强度，而高温退火过程中，则容易诱发内部元件的热应力，同时还可能会导致掺杂元素发生有害扩散，以及对温度敏感元件造成很大损伤，因此很大程度上限制了其在晶圆级封装方面的应用。

为克服直接键合因高温退火所引發的异质材料、结构间的热膨胀和热应力，20世纪90年代以来低温键合（<250℃）方法已成为发展的主流，其相关键合方法的开发和键合机理的研究成为晶圆键合领域的热点，得到国内外研究学者的广泛关注。研究者们围绕着低温晶圆键合做了大量工作，提出了等离子体键合方法，超高真空键合法，表面活化法等键合方法。虽然上述方法在一定条件下可实现低温甚至室温下的晶圆直接键合，为其在电子产业中的实际应用奠定了基础。但其应用条件较为苛刻且会带来相应的污染问题，因此，寻找一种简单易行、键合缺陷少、绿色环保的低温晶圆直接键合方法是目前亟需解决的问题。

二、晶圆直接键合技术的专利申请状况统计分析

图1-2是根据VEN专利数据库中涉及晶圆键合技术的专利申请量进行统计而制作。图1所示为不同国家或地区的相关申请量分布情况，在VEN数据库中，有关于晶圆键合的专利申请量多达17000多件，其中，美国、日本、韩国等电子工业发达国家在该技术领域中仍然发挥了重要作用，申请量也非常可观。可喜的是，中国作为发展中国家也正以迅猛的势头在这场技术革新中稳步前进。图2所示为2000年以后，低温晶圆键合技术专利申请量与整个晶圆键合技术专利申请量的对比图，由图中可以看出，进入2000年以后，低温晶圆键合技术占整个晶圆键合技术的专利申请量的比重高达百分之七十，充分说明了低温晶圆键合技术正以其独特的优势吸引着全球科研工作者的眼球。

结 论

近年来，为了尽可能减小传统的高温硅熔键合所引发的多种材料、结构间的热膨胀和热应力， 如何在较低退火温度条件下实现半导体晶圆键合是研究者们关注的问题。低温键合工艺被认为是发展的主流， 其相关研究已在美国、欧洲和日本等诸多大学和研究机构中广泛开展。其中无需加热的室温键合技术更被视为下一代制造工艺的备选， 半导体制造的相关厂商也均投入大量研究经费， 开发室温键合方法及工艺， 因此开展室温晶圆直接键合研究， 对于推动半导体产业的进步具有重要意义。为了在电子科技领域赶上甚至赶超发达国家的技术水平，中国具有加大投入研发该技术的需求，加强技术改进，并注重自主创新研发，来增强我国的科技实力。

参考文献：

[1] Gueguen P， Ventosa C， Di Cioccio L， et al. Physics of Direct Bonding：Applications to 3D Heterogeneous or Monolithic Integration[J].Microelectronic Engineering， 2010， 87（3）： 477-481.

[2] 林成鲁， 张苗. SOI——二十一世纪的微电子技术[J]. 功能材料与器件学报， 1999， 5（1）： 1-7.

作者简介：刘文杰，单位：国家知识产权局专利局专利审查协作湖北中心。