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1、 华中科技大学硕士学位论文晶圆低温直接键合技术研究姓名：饶潇潇申请学位级别：硕士专业：机械电子工程指导教师：廖广兰;史铁林20070530 华 中 科 技 大学 硕 士 学 位 论 文摘要键合技术是微系统封装的基本技术之一，经过近 20年的快速发展已经成为微机电系统领域里的一项重要工具。晶圆级封装、三维芯片堆叠和绝缘体上硅技术是推动晶圆键合技术发展的三大动力。低温键合技术与其他键合技术相比，能避免高温退火带来的诸多缺陷，在制作封装微传感器和绝缘体上硅器件上有着广阔的应用前景。本文以晶圆低温直接键合技术为研究对象，从键合工艺、应用研究以及强度分析三个方面开展了如下工作：首先从清洗活化方法、表面物
2、理、化学特性两方面对晶圆直接键合的机理做了分析；引入了承载率的概念解释表面粗糙度对键合质量的影响，并通过原子力显微镜分析了湿法清洗各步骤后表面粗糙度的变化，比较了不同清洗工艺对键合效果的影响。接着将低温直接键合技术引入到图形化晶圆键合中，利用光刻技术和反应离子刻蚀技术制作了三种不同特征的空腔结构，测试了空腔的三维形貌；结合键合实验结果分析了键合缺陷形成的原因及不同结构的空腔对键合质量的影响。最后对键合质量的主要指标拉伸强度做了测试与分析。设计了温湿度双因素可靠性实验，测试并分析了实验前后样品的拉伸强度的变化，并研究了紫外活化技术对亲水键合强度的影响。关键词：晶圆低温直接键合图形化晶圆键合紫外活
3、化键合强度I 华 中 科 技 大学 硕 士 学 位 论 文AbstractWith rapid development for recent 20 years, wafer bonding has become the basictechnology in MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) packaging and an important tool inMEMS engineering field. WLP (Wafer Level Package), 3-D Chip Stacking and SOI (Silicon-on-insulator
4、) are the three impetuses for the development of wafer bonding technology. Thisthesis throws a sight on low-temperature wafer direct bonding which possesses many uniqueadvantages compared with other bonding technology, such as avoiding of the defects whichbrought by high-temperature annealing proces
5、sing. The technology of micro-fabrication onwafer substrate through bonding the interfaces with cavities has a bright future onapplications. The main contents of this thesis include three aspects: bonding technologyprocess, application study on bonding with cavities and quality analysis.The first pa
6、rt of this thesis gives a detailed analysis on the mechanism of wafer directbonding through cleaning and activation methods and surface physical and chemicalcharacteristics. Bearing ratio is introduced to interpret the effect of surface roughness onbonding quality. The bonding qualities applying dif
7、ferent cleaning methods are comparedwith the help of AFM (Atomic Force Microscope) which is used to measure the exact surfaceroughness before and after each cleaning step.In the second part, the low-temperature direct bonding technology is applied on waferbonding with cavities. Three different types
8、 of cavities are fabricated on wafers usinglithography technology and RIE (Reactive Ion Etching) technology. Three-dimensionalprofiles of the cavities are measured and RF-images after bonding are compared to analyzethe effects of different cavity structures on bonding quality and the forming reasons
9、 ofbonding defects.The last part of the thesis pays attention to tensile strength which is one of the mostimportant evaluation parameters of bonding quality. Temperature-humidity combined test isconducted and the variation of the samples tensile strength before and after the test isanalyzed. Moreove
10、r, the effect of UV activation on bonding strength is assessed.Keywords: low-temperature wafer direct bonding, patterned wafer bonding, UV activation,bonding strengthII 独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明
11、的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密，在不保密。年解密后适用本授权书。本论文属于（请在以上方框内打“”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日 华 中 科 技 大学 硕 士 学 位 论 文1 绪论1. 1 课题背景本论文工作是围绕国家重点基础研究发展计划（973计划
12、）项目“高性能电子产品设计制造精微化、数字化新原理和新方法”中的子课题“电子制造中的混合约束数字建模与产品缺陷诊断机理”（项目编号：2003CB716207）和国家自然科学基金“MEMS封装失效的诊断与预测方法研究”（项目编号：50405033）展开的。1. 2 课题目的及意义1. 2. 1飞速发展的 MEMS技术随着信息时代的到来，微电子工业发展迅猛，已成为最引人注目和最具发展潜力的产业之一，微电子技术的巨大成功正在许多领域引发一场微小型化革命，以加工微米/纳米结构、系统为目的的微米/纳米技术在此背景下应运而生，导致了以形状尺寸微小或操作尺度极小为特征的微电子机械系统即 MEMS的出现。ME
13、MS器件是机械与微电子在微观尺度的有机结合，大多数基于硅的 MEMS器件制造时所采用的微加工工艺就是在 IC（Integrated Circuit）产业的发展中成熟起来的，集成电路制造的许多工艺可以借鉴到 MEMS领域，但是 MEMS与微电子又有着显著的不同1,2，如表 1.1所示。MEMS将许多不同种类的技术集成在一起，已成为人们在微观领域认识和改造客观世界的一种高新技术，在材料、生物医疗、精密仪器检测、环境监控、国防等众多领域，尤其是活动空间狭小、操作精度要求高、功能需要高度集成的航空航天等众多领域有着广阔的应用前景 3-5。 MEMS技术的发展日新月异，基础研究从 LIGA（lithog
14、raphie, galvanoformung and abformung）技术、体硅技术到表面微细加工技术不断拓展，而 MEMS技术的应用也从传感器、执行器、光学器件到微流体器件，在机械、化学、光学和生物技术领域的前景逐渐显现。过去 40年 MEMS技术的发展创造了 80亿美元的市场价值，而据估算，单在下一个十年， MEMS的市场份额将增加至320亿美元6。MEMS产业的发展也带动了与之密切相关的 MEMS封装业的发展，其重要性越来越突出。MEMS封装已从早期的为芯片提供机械支撑、保护和电热连接功能，逐渐融入到芯片制造技术和系统集成技术之中。当前，MEMS技术在工业上面临的最大挑战1 华 中 科 技 大学 硕 士 学 位 论 文表 1.1微机电系统与集成电路的比较ICMEMS主要为二维结构复杂的三维结构很多密封体内含有精确移动的固体结构或液体密封腔内是静态的电路在生物、化学、光学以及机电方面可实现很多特定的功能为实现特定的电子功能传输电能芯片通过封装与工作介质隔离很多精确移动的元件或静
