微电子封装中的薄膜技术

微电子技术中的半导体薄膜材料摘要：本文着重介绍了用于微电于技术的非晶态、宽带隙、纳米相、超晶格、量子微结构以及多孔硅等半导体薄膜材料并指出，原子组态的无序化，材料禁带的宽带隙化，能带剪裁的任意化以及人工结钩的低维化和量子化，集中体现了半导体薄膜材料的发展特点。

关键词：薄膜材料，结构性质，发展特点1 引言薄膜材料是发展微电子技术的先导条件和制造微电子器件的物质基础，近半个世纪以来，随着各种成膜方法的长足进步，半导体薄膜材料从体单晶到非晶态，从非晶态到纳米相，从窄禁带到宽带隙，从常规制备到人工设计，涌现出了一大批高质量和有重要实用价值的新材料。

目前，关于半导体薄膜材料物理与工艺的研究，已成为真空、微电子和材料科学中一个极其活跃的领域[1]。

半导体薄膜材料研究的核心为新材料的研究和传统材料性能的提高。

前者是按照人为的意志构想新的结构形式和设计新的化学组分，并通过现代超薄层外延技术加以实现；后者则是利用适宜的工艺方法改变材料的微观结构，使其呈现出常规材料所不具有的全新原子组态。

2 不同结构类型的半导体薄膜材料2.1 非晶态材料非晶态半导体是一门在凝聚态物理领域中占据着重要地位且发展十分迅速的新兴学科，研究非晶态材料的意义不仅是在科学技术上获得大量的新材料和新器件，而且可以开拓和加深人们对固体物理领域中许多基本问题的认识与理解。

以促进固体物理学的发展，同时对其许多周边物质，如非晶态合金及多层异质结、超微粒子、多孔硅以及硅系高分子等的研究也将产生积极而深远的影响。

原子结构的无序性和化学组分的多样化，使非晶态半导体具有许多显著不同于晶态半导体的物理特性[2]。

对于大多数非晶态材料而言，其组成原子都是由共价键结合在一起，形成了一种连续的共价键无规网络结构；在非晶态半导体中可以实现连续的物性控制，当连续改变其化学组成时，其禁带宽度、电导率和相变温度等都随之连续变化；在热力学上，非晶态处于一种亚稳状态，仅在一定条件下才可以转变成晶态；此外，非晶态材料的结构特性、电学及光学性质都灵敏地依赖制备方法与工艺条件。

对于微传感器和微执行器，除电信号外，芯片还有 其他物理信息要与外界连接，如光、声、力、磁等， 这样便要求一方面要气密封，另一方面又不能全密封 的情况，加大了封装的难度。
由于这些输入输出的界面往往对MEMS器件的特性 有较大的影响。因此，IC开发的传统封装技术只能应 用于少数的MEMS产品。
典型MEMS 微系统封装示例
多批自组装流程图
自组装结果 LED与衬底的电学装配集成
MEMS芯片级封装技术
概述 MEMS芯片级封装主要功能是为MEMS器件提供
必要的微机械结构支撑、保护、隔离和与其他系统 的电气连接，以提高芯片的机械强度和抗外界冲击 的能力，确保系统在相应的环境中更好地发挥其功 能。
该类封装通常是在圆片级实现，所以又称为圆片 级封装(wafer level package) 。圆片级封装一次可以 同时封装许多个微传感器和执行器，提高了MEMS 前后道工序协作的效益，是目前MEMS封装研究中 的热点。
通常，经过多道工序加工的MEMS硅片表面粗糙 度无法满足其要求，而且直接键合使用的高温也会对 电路和MEMS器件带来损坏。所以，硅片直接键合 大多用于制作SOI圆片而不用于直接封装MEMS硅片。
硅片熔融键合
(2)阳极键合(anodic bonding)
又称静电键合，这种技术将玻璃与金属或硅等半导 体键合起来，不用任何粘合剂，键合界面气密性和 稳定性很好。一般的键合条件：硅片接阳极，玻璃 接阴极，温度为300-4000C，偏压500-1000V。
芯片级装配不仅完全消除了器件加工工艺不兼容对系 统性能的影响，而且整个系统完全模块化，有利于来自不 同领域设计人员之间的协同。
由于MEMS器件尺寸微小，对微装配的精度要求达 到了微米、亚微米级，甚至达到纳米级，这对装配工 艺设计、连接方式、装配设备、操作环境、对准方式 以及操作方法都提出了非常严格的要求。

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离子镀的优点1
离子镀的主要优点在于它所制备的薄膜结构致密，且 薄膜与衬底之间具有良好的附着力 离子镀具有上述优点的原因在于:
在薄膜沉积前及沉积的同时,用离子轰击衬底和薄膜表 面，可在薄膜与衬底之间形成粗糙、洁净的界面；形 成均匀致密的薄膜结构。其作用与偏压溅射的作用相 类似
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高电导率 与半导体接触部分能形成欧姆接触 对电路元件不产生有害影响 高热导率 良好的高温性能 大附着力 易于成膜和图形化 可进行Au丝、Al丝引线键合及焊接
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薄膜材料
电阻薄膜：电阻率100～2000µ Ω•cm
金属类：Ta、W、Cr、Ti、Ge、Re 合金类：Ta-Au、Cr-Ti、Ni-Co、Pd-Ag、 Ni-Cr-Al-Cu 陶瓷类:
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薄膜置备方法
气相沉积
物理气相沉积：真空蒸发、溅射、离子镀、外延生长 化学气相沉积：传统CVD、激光CVD、光CVD、PECVD
液相沉积
电渡 化学镀 阳极氧化 溶胶-凝胶 丝网印刷
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薄膜材料与真空技术
薄膜材料的制备过程是: atom by atom 几乎所有的现代薄膜材料都是在真空或是在较低的气 体压力下制备的，都涉及到气相的产生、输运以及气 相反应的过程。
金属陶瓷：Cr-SiO、Cr-MgF2、Au-SiO 非金属陶瓷：Ta2N、(Ti，Al)N、 (Ta，Al)N、 (Ti，Si)N
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薄膜材料
介质薄膜：主要用于形成电容器和实现绝缘 与表面钝化的作用
表面钝化：SiO2、Si3N4 电容器：SiO2(介电常数＝3.8) Si3N4 (介电常数＝7) Ta2O5 (介电常数＝28) Y2O3 (介电常数＝16)

• 许多薄膜以及薄膜的组合，可以用来形成欧姆 接触以及集成电路器件之间的互连。有些膜还 可以完成器件的功能，如在肖特基二极管及肖 特基栅场效应晶体管中。
第一节 物理气相沉积
• 在集成电路制造中，沉积金属薄膜最常用的方法是物理气相 沉积技术。它包括真空蒸发、直流溅射和RF(射频)溅射。新 近发展起来的磁控溅射和离子束沉积，是RF溅射方法的进一 步改进。
2．RF(射频)溅射
• 直流溅射只能溅射金属而无法溅射绝缘材料，因为在 绝缘材料上加上直流负高压后，带正电荷的离子撞击 到绝缘材料的靶上时，正电荷会堆积在靶表面，从而 排斥后续正离子继续向靶轰击，阻止了溅射的进行。 而RF溅射是在绝缘材料的背面加上一个金属电极，并 在此电极上加上高频电压，从而在绝缘材料中感应产 生位移电流。这样，在负半周内绝缘材料表面积聚的 正电荷就可以在正半周内被中和，使溅射可以继续进 行，从而实现了绝缘材料薄膜的溅射沉积。
三、溅射沉积
溅射是与气体辉光放电相联系的一种薄膜 沉积技术。若在真空室内充入放电所需要 的惰性气体(如氩气)，则在高压电场作用 下气体分子因电离而产生大量正离子。带 电离子被强电场加速，便形成高能量的离 子流轰击蒸发源材料(称为靶)。在离子轰 击下，蒸发源材料的原子将离开固体表面， 以高速度溅射到阳极(基片)上并沉积成薄 膜。这种薄膜沉积技术称为溅射。图5—2 为溅射示意图。
溅射的方法很多，有直流溅射、RF溅 射和反应溅射等，而用得较多的是直流二 极溅射、RF溅射和离子束溅射。
1．直流二极溅射(阴极溅射)
直流二极溅射是最早采用的溅射方法。图5— 3为直流二极溅射示意图。溅射室中有一个阴极和 一个阳极。溅射源材料接负高压，作为阴极，基 片放在阳极上，单，能在大面积基片 上沉积均匀的薄膜。其缺点是放电电流容易随电 压和气体的压强而变化，沉积速率不易控制。由 于直流二极溅射是冷阴极气体放电，需要使用较 高的电压和气压，而较高的气压会使沉积速率降 低，沉积膜中的杂质含量增加。另外，直流二极 溅射只适用于溅射导电材料，而不能用来溅射介 质。