影響晶圓接合品質的因素

晶圓的品質對於晶圓接合的成敗是影響很大，因此在晶圓接合製 程上對於晶圓的品質有很高的要求。底下說明一些在晶圓接合前，要 注意的事項[9]。

1. 晶片表面平坦度

晶 圓 接 合 的 最 主 要 要 求 就 是 平 坦 度 （ Flatness ）、 平 行 度

（Parallelism）和晶圓表面的平滑度（Smoothness），這是晶圓接合 的基本要求，特別是晶圓直接接合之應用。平坦度就是整片晶片的較 為巨觀厚度變化，而平行度就是兩晶片的相對翹曲程度，另外平滑度 就是一般泛指的晶片表面較為微觀的粗糙度。直覺的可以瞭解，當這 些值都很大時晶圓接合成功的比例將大大降低。就算晶圓接合住了，

接合成功的區域比例也是相對的低很多。

2. 晶圓表面不潔物的影響

對以(100)的矽而言 ν = 0.29，利用 4 吋厚大約為 525 μm 的晶 圓，利用上面的式子做運算，一個直徑大約 1μm 大小的粒子大約會 造成約 0.5 cm 的未接合區域，如圖 2-1。因此，不潔粒子對於晶圓 接合良率的影響可見一斑。另一方面，殘留金屬離子影響的範圍則多 在電性，但是這裡不做討論。

圖 2-1 晶片微小不潔粒子對接合介面的影響[9]

3. 均勻而持續的壓力

在晶圓接合時，隨著溫度的升高而施壓力於試片上，使晶圓表面 的原子能互相接觸，進而產生共價鍵結達到接合的目的。不過壓力的 給於必須適當，壓力也大大，晶圓會破裂；若是施加太小，會使晶圓 接合時接觸面積不完全。因此壓力的施加大小去決於接合溫度和接合 材料的不同。

在晶圓接合的過程中，壓力的給於是透過接合夾具因溫度變化而

產生的。在接合過程中如何提供均勻而持續的壓力使一個非常重要的 技術，因此夾具的設計是非常重要的。目前晶圓接合使用的夾具有非 常多的種類，在圖 2-2 所示的夾具為 Z. L. Liau 和 D. E. Mull 在 1990 年設計的晶圓接合器，這是利用石墨與石英熱膨脹不同所設計 的夾具。在夾具的內部的一部份是石英其餘都是石墨，由於石英的熱 膨脹係數（0.5×10^-6/°C）小於石墨（9×10^-6/°C），於是在加熱後石墨 膨脹比較多，可是石英卻比較小。因此石英限制石墨對外的膨脹，而 對試片產生均勻的壓力。

因此很多接合夾具都是利用材料熱膨脹係數不同所設計的。而本 實驗室所採用的接合夾具，則利用此法所設計改進的，如圖 2-3(A)、

圖 2-3(B)。這個夾具主要為三種材料所構成，分別是以鉬（Mo，

5.27×10^-6 /°C）為材料的螺絲組、以不鏽鋼（Stainless Steel，16×10^-6 /°C）為材料的圓片組和以石墨做成的晶圓墊片組。三者熱膨脹係數 不同，不鏽鋼和石墨的膨脹比鉬大，因此升高溫度時鉬螺絲會限制不 鏽鋼和石墨的向外膨脹，而會對晶圓試片產生壓力。利用這個原理，

我們可以經由對溫度的控制，使接合夾具對接合晶圓給於均勻且持久 的壓力。

圖 2-2 Z. L. Liau 和 D. E. Mull 用石墨和石英所設計的夾具[9]

Mo nut

Stainless steel plate

Graphite spacer

Wafer pairs

Mo rod

圖 2-3(A) 本實驗室專用夾具分解示意圖

圖 2-3(B) 本實驗專用夾具結合示意圖 4. 接合溫度的取捨

原則上接合溫度希望是越低越好。這是因為不同材料的晶圓其熱 膨脹係數不同。如果接合的溫度太高，晶圓間熱膨脹係數差異的影響 就會增大。而且高溫製程會影響元件的表現，因此低溫接合已是晶圓 接合一個重要的趨勢了。在接合的過程中，接合界面處的原子數量會 因傳輸而重新分配。原子數量的傳輸在異質界面處是很重要的，可以 使表面的粗糙趨於平緩。

當兩個不同材料要接合，在高溫製程步驟時，會因為熱膨脹係數 的不同導致在接合材料上產生應力場。當應力場超過臨界值，應力將 透過許多不同的方式來釋放應力。釋放應力的方式包括有接合分開、

產生破裂、塑性變形或是形成不匹配的差排。不過如果基底上只有一

層非常薄的薄膜，這樣即使熱應力超過臨界值，差排也不會形成。只 有當薄膜的厚度超過一個臨界值時，由熱應力所產生的差排才會產 生。

因此為了使兩個不同材料的晶圓得到高品質的接合，必須注意兩 個重點。第一個重點是應變能的釋放。第二個重點是在低溫進行晶圓 接合。兩片晶圓的熱膨脹係數差異越大，則越要降低退火時的溫度，

以避免過大的應力產生。