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第一部分 技术2

A．黏合剂和阳极键合2

第1章 玻璃料晶圆键合2

1.1 玻璃料键合原理2

1.2 玻璃料材料3

1.3 丝网印刷：将玻璃料涂覆到晶圆上的工艺4

1.4 热处理：将印刷浆料转变为玻璃的键合工艺5

1.5 晶圆键合工艺：由玻璃料中间层形成基本的晶圆到晶圆黏合8

1.6 玻璃料键合的特性10

1.7 玻璃料晶圆键合的应用12

1.8 结论12

参考文献12

第2章 利用旋涂玻璃作为键合材料的晶圆键合13

2.1 旋涂玻璃材料13

2.2 采用SOG层的晶圆键合14

2.2.1 试验14

2.2.2 利用硅酸盐SOG层的晶圆键合15

2.2.3 平坦化SOG的晶圆键合19

2.2.4 利用SOG层进行晶圆键合的应用21

2.2.5 结论21

参考文献22

第3章 聚合物晶圆键合23

3.1 引言23

3.2 聚合物黏合剂23

3.2.1 聚合物黏结机制23

3.2.2 聚合物黏合剂的性能25

3.2.3 用于晶圆键合的聚合物黏合剂26

3.3 聚合物黏合剂晶圆键合技术30

3.3.1 聚合物黏合剂晶圆键合工艺30

3.3.2 局部聚合物黏合剂晶圆键合34

3.4 在聚合物黏合剂晶圆键合中晶圆到晶圆对准36

3.5 聚合物黏合剂晶圆键合工艺和流程实例37

3.5.1 用热固性聚合物键合进行永久晶圆键合（BCB）或临时晶圆键合（mr-I9000）37

3.5.2 采用热塑性聚合物（HD-3007）的临时和永久性晶圆键合39

3.6 总结和结论40

参考文献40

第4章 阳极键合43

4.1 引言43

4.2 阳极键合机制43

4.2.1 玻璃极化43

4.2.2 实现紧密接触44

4.2.3 界面反应45

4.3 键合电流45

4.4 阳极键合所用的玻璃46

4.5 键合质量的表征47

4.6 真空密封腔体内的气压48

4.7 阳极键合对柔性结构的影响48

4.8 阳极键合过程中器件的电学退化48

4.8.1 钠污染导致的退化49

4.8.2 高电场导致的退化50

4.9 薄膜键合51

4.10 结论52

参考文献52

B．直接晶圆键合56

第5章 直接晶圆键合56

5.1 引言56

5.2 表面化学与物理56

5.3 晶圆键合技术58

5.3.1 亲水性表面晶圆键合58

5.3.2 疏水性晶圆键合60

5.3.3 低温晶圆键合61

5.3.4 超高真空下的晶圆键合61

5.4 键合的界面特性62

5.5 晶圆键合的应用64

5.5.1 先进微电子的衬底64

5.5.2 微机电系统（MEMS）和纳机电系统（NEMS）65

5.6 结论66

参考文献66

第6章 等离子体活化键合71

6.1 引言71

6.2 理论71

6.2.1 （硅）直接键合71

6.2.2 硅表面等离子体的机理72

6.2.3 等离子体的物理定义73

6.3 PAB的分类73

6.3.1 低压PAB73

6.3.2 常压下的PAB74

6.4 PAB工序75

6.4.1 工艺流程75

6.4.2 技术表征76

6.4.3 实验结果77

6.5 PAB的应用78

6.5.1 压力传感器79

6.5.2 光学微系统79

6.5.3 微流体封装79

6.5.4 背照式CMOS图像传感器80

6.5.5 低压PAB的CMOS适用性81

6.6 结论81

参考文献81

C．金属键合84

第7章 Au/Sn焊料84

7.1 引言84

7.2 Au/Sn焊料合金85

7.3 回流焊90

7.4 热电极焊接92

7.5 三维集成和晶圆级组装的特性95

7.6 总结和结论97

参考文献97

第8章 共晶Au-In键合99

8.1 引言99

8.2 有机／金属混合键合99

8.3 有机／In-Au混合键合101

8.3.1 In-Au相图和键合原理101

8.3.2 通过平坦化剥离法制备In-Au微凸点103

8.3.3 共晶In-Au键合和环氧树脂黏合剂注入104

8.3.4 In-Au微凸点的电学特性105

8.4 通过共晶In-Au键合制造的三维LSI测试芯片106

8.5 高密度与窄间距微凸点技术108

8.6 结论112

参考文献112

第9章 全覆铜和图案化晶圆的Cu-Cu热压键合115

9.1 引言115

9.2 Cu键合技术的分类115

9.2.1 热压Cu键合115

9.2.2 表面活化Cu键合116

9.3 Cu键合的基本特性116

9.3.1 Cu键合层的形态和氧化物检验116

9.3.2 Cu键合过程中的微结构演变117

9.3.3 Cu键合过程中晶向演变118

9.4 Cu键合的发展118

9.4.1 Cu键合焊盘的制作和表面清理118

9.4.2 Cu键合参数119

9.4.3 结构设计119

9.5 Cu键合质量表征120

9.5.1 机械测试121

9.5.2 图像分析121

9.5.3 电学表征121

9.5.4 热可靠性122

9.6 Cu-Cu键合的对准精度122

9.7 可靠的Cu键合和多层堆叠122

9.8 未全部覆盖的Cu-Cu键合125

9.9 低温（＜300℃）Cu-Cu键合126

9.10 Cu晶圆键合的应用127

9.11 总结127

参考文献127

第10章 晶圆级固液互扩散键合130

10.1 背景130

10.1.1 固液互扩散键合工艺130

10.1.2 SLID键合与焊接的对比131

10.1.3 SLID键合的材料系统132

10.2 Cu-Sn SLID键合136

10.2.1 Cu-Sn材料特性及需要的金属层厚度136

10.2.2 键合工艺138

10.2.3 SLID键合的预处理要求141

10.2.4 无助焊剂键合141

10.3 Au-Sn SLID键合143

10.3.1 Au-Sn材料性质和要求的金属层厚度143

10.3.2 键合工艺144

10.4 SLID键合的应用145

10.4.1 Cu-Sn键合145

10.4.2 Au-Sn键合148

10.5 SLID键合完整性149

10.5.1 电学可靠性和电迁移测试149

10.5.2 SLID键合的机械强度149

10.6 总结152

参考文献152

D．混合金属／电介质键合155

第11章 混合金属／聚合物晶圆键合平台155

11.1 引言155

11.2 使用混合铜／BCB键合的三维平台157

11.3 混合Cu/BCB键合平台的基准键合工艺159

11.4 Cu/BCB混合键合工艺问题的评价160

11.4.1 部分固化的BCB的CMP和键合160

11.4.2 Cu/BCB CMP表面形貌161

11.4.3 混合Cu/BCB键合界面162

11.4.4 部分固化BCB的形貌适应能力164

11.4.5 混合Cu/BCB键合的电学表征167

11.5 总结和结论168

参考文献169

第12章 Cu/SiO2混合键合172

12.1 引言172

12.2 覆盖Cu/SiO2的直接键合原理173

12.2.1 化学机械抛光参数173

12.2.2 键合质量和对准177

12.3 覆盖铜的直接键合原理178

12.4 电学表征182

12.5 芯片到晶圆键合185

12.5.1 菊花链结构186

12.6 总结187

参考文献187

第13章 金属／二氧化硅混合键合189

13.1 引言189

13.2 金属／非黏合剂混合键合-金属DBI？189

13.3 金属／二氧化硅DBI？190

13.3.1 金属／二氧化硅DBI？表面制造190

13.3.2 金属／二氧化硅DBI？表面图形191

13.3.3 金属／二氧化硅DBI？表面形貌191

13.3.4 金属／二氧化硅DBI？表面粗糙度191

13.3.5 金属／二氧化硅DBI？表面的活化与终止191

13.3.6 金属／二氧化硅DBI？对准和混合表面接触192

13.3.7 与DBI？表面加工和电学互连相关的金属参数194

13.3.8 DBI？金属／二氧化硅的技术发展水平195

13.4 金属／氮化硅DBI？196

13.5 金属／二氧化硅DBI？混合键合应用197

13.5.1 像素化的3D IC197

13.5.2 三维异构集成199

13.5.3 CMOS（超）低-k 3D集成200

13.6 总结200

参考文献201

第二部分 应用203

第14章 微机电系统203

14.1 引言203

14.2 MEMS封装中的晶圆键合203

14.2.1 晶圆划片中的保护203

14.2.2 电学信号线的布线204

14.3 构造先进MEMS结构的晶圆键合205

14.3.1 几个晶圆的堆叠205

14.3.2 键合晶圆的后处理205

14.4 MEMS案例及键合工艺要求206

14.5 一些常见晶圆键合工艺的集成207

14.5.1 图形化晶圆的熔融键合207

14.5.2 图形化晶圆的阳极键合209

14.5.3 图形化晶圆的共晶键合：AuSn211

14.6 总结214

参考文献214

第15章 三维集成217

15.1 定义217

15.2 3D集成技术中晶圆键合的应用218

15.3 转向3D集成的动机219

15.4 三维集成技术的应用221

15.4.1 演化而非革命的三维集成应用221

15.4.2 微凸点键合／无TSV222

15.4.3 TSV的形成／没有堆叠223

15.4.4 存储器226

15.4.5 逻辑存储器232

15.4.6 逻辑重新分区233

15.4.7 代工厂和OSAT动态233

15.4.8 其他3D应用234

15.5 结论235

参考文献235

第16章 用于三维集成和封装中的临时键合238

16.1 引言238

16.2 临时键合技术的选择238

16.2.1 关键的要求239

16.2.2 最重要的临时键合技术240

16.3 成功处理的边界条件243

16.3.1 均匀无空洞键合243

16.3.2 在减薄和后续处理过程中晶圆边缘的保护244

16.4 热机械的剥离方法证明的三维集成工艺245

16.4.1 在CMOS图像传感器的器件晶圆上的后制作过孔工艺245

16.4.2 宽长比2：1的后制作过孔工艺246

16.4.3 采用高温TEOS工艺的50μm深的后制作过孔工艺247

16.4.4 使用互连过孔固液相互扩散工艺实现芯片到晶圆的堆叠248

16.5 结束语248

参考文献249

第17章 用于三维系统集成的合格芯片重构的临时黏合剂键合250

17.1 采用SLID键合技术的芯片组装250

17.2 重构251

17.3 晶圆到晶圆SLID键合组装252

17.4 超薄芯片的重构253

17.5 结论254

参考文献255

第18章 250℃以上处理和冷键合剥离的薄晶圆支撑系统256

18.1 引言256

18.2 工艺流程256

18.2.1 剥离层处理257

18.2.2 载体晶圆处理257

18.2.3 键合工艺258

18.2.4 减薄259

18.2.5 键合剥离工艺260

18.2.6 设备260

18.3 性能260

18.3.1 器件晶圆厚度260

18.3.2 厚度均匀性261

18.3.3 稳定性261

18.4 应用261

18.4.1 带凸点晶圆的键合262

18.4.2 超薄芯片的封装262

18.4.3 TSV处理262

18.4.4 载体的重复利用263

18.5 结论263

参考文献263

第19章 临时键合：静电264

19.1 基本原理：平行板之间的静电力264

19.1.1 在一个平板电容器中的电场与静电力264

19.1.2 在一个双极结构中的静电引力265

19.1.3 Johnsen-Rahbek效应266

19.2 制造移动静电吸盘的技术概念267

19.2.1 衬底材料的选择267

19.2.2 薄膜介电层的选择268

19.2.3 电极模式：材料与几何形状268

19.2.4 可移动静电吸盘的实例270

19.3 静电吸盘的特性270

19.3.1 电学和热学特性，泄漏电流270

19.3.2 CMOS器件上静电场可能带来的影响272

19.4 用于加工薄的和柔性衬底的静电吸盘272

19.4.1 薄半导体晶圆的处理与转移272

19.4.2 晶圆减薄和背面金属化273

19.4.3 等离子工艺中的静电吸盘273

19.4.4 静电吸盘形成薄晶圆的凸点273

19.4.5 湿法化学环境中的静电吸盘274

19.4.6 单芯片的静电操作274

19.4.7 箔和绝缘衬底的加工274

19.5 小结与展望275

参考文献275