文章來源：學習那些事

原文作者：前路漫漫

本文介紹了陽極鍵合的原理、步驟和引入的風險。

直接鍵合方式具備較高的對準精度與穩固的鍵合強度，能滿足高端器件的封裝需求，但該技術對晶圓表面的平整度、潔凈度及化學成分均勻性要求極為嚴苛，不僅需控制表面粗糙度在納米級別，還需徹底清除油污、顆粒雜質與氧化層。這一特性直接對半導體工廠的工藝制程管控、產品結構設計、原材料篩選及設備精度維護等全環節，都提出了極高的技術標準。在多數封裝工序中，為降低制造難度與成本，同時兼顧鍵合可靠性，可優先選用對晶圓表面條件要求相對寬松的硅晶圓與玻璃晶圓鍵合方案，即陽極鍵合技術，該技術在MEMS傳感器、微流體芯片等器件的批量生產中應用廣泛。

陽極鍵合原理

陽極鍵合又稱場助鍵合，是一種依托熱-電協同效應的晶圓鍵合技術，其核心操作是在200~500℃的可控溫度環境下，向待鍵合的玻璃晶圓與硅晶圓兩端施加600~1000V高壓直流電場，借助電場與溫度的協同作用實現二者原子級緊密鍵合。其原理如圖1（a）所示，實際應用中通常采用富含鈉離子或鉀離子的硼硅玻璃作為鍵合基材，這類堿金屬離子在高壓電場作用下會向陰極方向定向遷移，在玻璃與硅晶圓的接觸面附近逐漸形成固定空間電荷區，同時硅晶圓一側因電荷感應生成對應鏡像電荷區。這種電荷分布使大部分電壓集中于界面區域，形成極高電場強度，大幅削弱兩晶圓表面原子間的作用力壁壘，縮短接觸距離。在高溫協同作用下，接觸面發生類共價鍵反應，玻璃中的氧離子與硅原子結合形成穩定的Si-O共價鍵，最終完成高質量鍵合。

鍵合過程中，陰極作為非阻塞電極，允許玻璃中遷移而來的鈉離子順利逸出。這些逸出的鈉離子會與鍵合環境中殘留的水蒸氣、空氣中的濕氣發生化學反應，生成氫氧化鈉白色絮狀物質，該物質會聚集在玻璃表面及陰極周邊，不僅污染器件與電極，還會引發玻璃表面化學腐蝕，導致表面粗糙度上升，影響鍵合密封性。因此，鍵合時建議在玻璃晶圓與鍵合機壓板間增設高純度石墨片，石墨片兼具耐高溫、導電性與隔離性，可有效阻隔離子污染，同時保證溫度與壓力均勻傳遞。部分專業設備已將石墨板固定于壓板下方，通過精準結構設計確保與玻璃晶圓緊密貼合，無需手動調整，提升工藝穩定性，圖1（b）為該類設備石墨壓板的構造示意圖。

陽極鍵合的工藝參數

陽極鍵合質量由鍵合溫度、時間、壓力及腔體真空度等關鍵參數共同決定，這些參數相互影響制約，需結合晶圓特性精準調控。依據參數作用時序與工藝目的，可將完整流程分為四個核心階段：

（1）準備階段：通過專用治具將兩片晶圓精準送入鍵合機腔體并固定，確保對準誤差控制在微米級。同時抽取腔體真空至10?3~10??Pa，去除雜質氣體，移除晶圓間間隔物，保證二者后續能緊密貼合，為界面反應創造條件。

（2）加熱階段：將腔體及夾板升溫至預設溫度，升溫速率控制在5~10℃/min，避免產生過大熱應力。通過閉環控制保證晶圓表面溫度均勻，波動不超過±2℃，同時施加0.1~0.5MPa壓力，防止晶圓位移滑移，保障對準精度并減少界面間隙。

（3）電壓施加階段：這是陽極鍵合的核心反應階段，待腔體溫度達到預設值并穩定后，高壓電源向晶圓兩端施加設定電壓。此時，與正極相連的玻璃晶圓中，鈉離子在強電場力作用下向陰極快速遷移，玻璃與硅界面逐漸形成高電阻率的離子耗盡層。同時，耗盡層中的氧離子在電場驅動下向硅界面定向移動，與硅原子發生氧化反應，生成致密的SiO?復合氧化層，構成穩固鍵合界面的核心。隨著反應推進，離子遷移速率降低，回路電流逐步減小，當達到預設鍵合時間且電流降至初始電流的10%以下（設定閾值）時，移除外加電場，核心鍵合過程完成。

（4）冷卻階段：冷卻速率直接影響晶圓結構完整性，需以3~8℃/min的可控速率通過冷水循環系統降溫，避免因降溫過快產生熱應力，導致晶圓翹曲、開裂。待晶圓溫度降至室溫并穩定后，停止抽真空，緩慢恢復腔體至常壓，防止氣壓突變沖擊鍵合界面。隨后通過機械臂取出晶圓，后續還需進行外觀檢測、鍵合強度測試及密封性檢測，確保鍵合質量達標，整個陽極鍵合流程正式結束。

陽極鍵合的電化學反應特性可通過電壓-電流曲線直觀表征，圖2為典型的電流隨時間變化曲線，能清晰反映離子遷移與界面反應的動態過程。工藝參數對電流變化影響顯著：較高的溫度與電壓可加快玻璃中堿金屬離子遷移速率，增大初始放電電流，提升電子遷移率與界面反應效率，從而縮短鍵合耗時。而玻璃晶圓厚度與電流呈負相關，較厚晶圓的離子遷移路徑更長、體電阻更大，會降低硅-玻璃界面有效電壓，削弱電子躍遷與離子遷移效果，不僅延長鍵合時間，還可能降低界面鍵合強度，需結合晶圓厚度、材質特性優化工藝參數，平衡效率與質量。

選用薄玻璃晶圓可提升鍵合質量，但薄晶圓剛度低，易因重力夾帶氣體，高壓下可能引發破裂。工廠通常限定玻璃晶圓厚度不低于100μm，或在高真空環境中完成對準貼合，減少氣體夾帶。需警惕腔體內殘留氣體，其可能參與反應影響鍵合穩定性。

陽極鍵合過程中器件的電化學退化

純機械結構器件（如微流體通道、噴墨打印頭）的陽極鍵合無明顯性能風險，鍵合質量僅影響結構強度與密封性。但對于集成薄膜電阻、二極管、電容器、晶體管等敏感電子元件的器件，陽極鍵合過程中存在兩類電化學退化風險：

（1）鈉離子污染：鈉離子是導致MOS器件性能不穩定的核心因素，在SiO?絕緣層中具備良好導電性與高溫可遷移性，若絕緣層被污染，鈉離子會自由遷移，引發器件表面電勢不規則波動，影響電阻穩定性與信號精度，還會導致MOS晶體管閾值電壓漂移、PN結二極管漏電流與擊穿電壓改變，大幅降低器件可靠性，嚴重時引發器件失效。

（2）高壓電場損傷:鍵合時施加的600到1000V高壓電場，可能穿透玻璃晶圓對內部封裝的電子器件造成電應力損傷，引發電路擊穿、短路或性能衰減。針對該問題，行業內已有成熟解決方案：一是在CMOS電路上方的玻璃表面，通過濺射或蒸發工藝沉積連續金屬平面層并可靠接地，形成靜電屏蔽層，阻擋高壓電場滲透；二是采用定制玻璃容器封裝器件后與多晶硅鍵合，該方案可采用2000V高壓、320℃溫度及10分鐘鍵合時長，2毫米深的腔室結合多晶硅屏蔽特性，能有效阻隔電場，兼顧鍵合質量與器件安全性。