晶圓鍵合技術在LED應用中的研究進展（二）

1.2  金屬鍵合

對于高亮度垂直LED（high-brightness vertical LED，HB-VLED）來說，鍵合界面必須具有高熱導和高電導的性能，幸運的是大部分金屬材料導熱性能好的同時導電性能也較好，使金屬鍵合技術成為目前LED產業中最常使用的鍵合技術，即以金屬膜為中間層實現晶圓對的連接。金屬鍵合技術提供了高熱導、低電阻、電流分布均勻及光吸收少的鍵合界面，無論是對于AlInGaP紅光LED還是對于InGaN藍光LED，采用金屬鍵合技術都能有效提高其熱學、電學和光學性能，因此金屬鍵合技術受到了研究者們的廣泛關注。

金屬晶圓鍵合法的一般工藝步驟與黏合劑鍵合法大同小異，不過將黏合劑中間層的旋涂替換為金屬中間層的蒸鍍（或濺射），工藝中要保證金屬的均勻性。在基于金屬鍵合法的HB-VLED制備技術中，金屬中間層實際上是一種“多功能層”，它應該包括接觸層、反射層、阻擋層和鍵合層。接觸層用來提高金屬與外延層的黏附力并形成低比接觸電阻率的歐姆接觸，該層金屬一般很薄，可以避免吸收過多光線。反射層金屬能提高LED的光提取效率，常用的有對可見光反射率高的金屬如Ag，Al，Au，Cu及這些金屬的多層組合。阻擋層用來防止鍵合金屬原子向反射層和器件有源層擴散，避免反射層和有源層質量下降造成器件出光效率的降低，常用的擴散阻擋層有Pt，Ti及Cu等。鍵合層則是由適當的金屬體系在鍵合交界面發生原子互相擴散形成的致密連接層，金屬晶圓鍵合技術通常有兩種基本方法：共晶鍵合和熱壓鍵合。

1.2.1 共晶鍵合

共晶鍵合是有液態金屬參與鍵合的通用術語，其金屬體系很多，這些金屬可以是一種純金屬，也可以是兩元或三元合金。一定組分的鍵合金屬在鍵合溫度下，某種金屬會轉變成液態并在鍵合界面發生固－液擴散，進而形成一種或多種金屬間化合物。在HB-VLED的制備工藝中，通常使用高溫（400℃以上）退火的方法來加固電極，因此選擇的共晶鍵合金屬體系應該能夠生成耐高溫的中間產物。W.S.Wong等人使用Pb-In鍵合法，在200℃下將GaN外延片鍵合至Si襯底，鍵合層生成金屬間化合物PbIn3，熔點為664℃。Y.J.Chen等人使用Cu-Sn-Ag體系完成垂直型GaN基LED的制備，150℃下鍵合30和60min的鍵合層如圖4所示。鍵合30min后鍵合層仍能發現Sn，而60min后鍵合層全部轉化為Cu6Sn5和Ag3Sn。最近，B.Zou等人使用Cu-Sn金屬體系為鍵合層，體系還有Au-Sn，Au-In及Ag-In等。值得一提的是，E．Choi等人采用射頻加熱的方法代替傳統的熱阻加熱法，縮短了Au-Sn鍵合時間，提高了鍵合效率。

（a）30min                                  （b）60min

圖4  150℃下30min和60min Cu-Sn-Ag鍵合界面的SEM橫截面圖

1.2.2 熱壓鍵合

熱壓鍵合與共晶鍵合的區別在于鍵合過程中沒有液態金屬的參與，即在鍵合界面發生固態擴散，是一種沒有中間產物的金屬鍵合。在熱壓鍵合工藝中，兩晶圓表面金屬分子的擴散速率與金屬種類、溫度、壓力和表面粗糙度的關系緊密，加熱和加壓都有助于提升擴散速率，越平坦的表面之間貼合越緊密，也有助于提高擴散速率，作用均勻的壓力能提高鍵合良率。幾乎所有的金屬都是可以通過熱壓方式鍵合到一起的，然而所需要的溫度和壓力卻不都在實際生產應用的范圍之內。LED產業中常用的金屬熱壓鍵合方法有Au-Au，Cu-Cu，Ag-Au和Al-Al鍵合，工藝溫度一般在100～200℃，與HB-VLED制備工藝有很好的兼容性。Au是常用的理想鍵合金屬，Au-Au鍵合的抗氧化能力和抗沾污能力十分突出。H.Kurotaki等人對Au-Au熱壓鍵合的研究表明，在100℃的低溫條件下就能得到無空洞的約20MPa的Au-Au鍵合強度。C.L.Chang等人使用Ag-Au熱壓鍵合法在150℃低溫條件下得到熔點超過950℃的鍵合界面。表1是部分共晶鍵合和熱壓鍵合的主要工藝特性對比。

生產應用當中應根據器件的生長襯底和鍵合目標襯底的性質（熱膨脹系數差異及表面特性等）選擇合適的金屬鍵合方法，如共晶鍵合中由于有液相金屬的參與，使得工藝對晶圓表面平坦度的要求較低，適合InGaN基LED的制備；而對于AlInGaPLED，因AlInGaP與GaAs生長襯底之間的晶格失配很小，外延薄膜表面較平坦，則Au-Au鍵合技術使用十分頻繁。

然而，金屬鍵合存在引入應力較大的問題，使晶片易在鍵合過程中受損，同時會為后續剝離工藝帶來負面影響。而且，為了保證鍵合質量，通常使用的鍵合層較厚，增加了金屬鍵合的應用成本。因此，還需尋找有 效的輔助鍵合方法和新的金屬體系，來減少應力并降低應用成本。

表1    共晶鍵合和熱壓鍵合主要工藝特性對比

1.3  直接鍵合

直接鍵合是在待鍵合表面之間形成強化學鍵的鍵合技術，廣 泛應用于創新性結構工程。優點在于無需加入中間介質層，且通過對待鍵合表面的活化處理，能顯著降低鍵合溫度，減少不同材料熱失配帶來的影響。表2給出的是在半導體器件制造中的典型直接鍵合技術的實例。因在HB-VLED制備當中常常在GaN外延層上積淀金屬反射層來提高光效，所以在LED領域人們更關注金屬與襯底材料的直接鍵合。

表2 半導體器件制造中的典型直接鍵合技術

其中陽極鍵合用于堿玻璃與其他材料的鍵合，本文不多作介紹。對于化合物半導體的熔融鍵合在20世紀90年代便得到了應用，包括使用對發射波長透明的襯底替換Si襯底來提高光效的AlGaInP/GaPLED。熔融鍵合的工藝過程：首先對待鍵合表面作親水處理，引入大量親水基團（－OH），然后在空氣中兩晶圓能依靠表面自由羥基及水分子間的氫鍵作用而完成預鍵合，然而這個鍵合強度在沒有后續處理的情況下是不夠的。因此，早期的熔融鍵合都需要通過高溫熱處理來形成高強度的化學鍵，W.L.Goh等人在800℃以上的溫度條件下完成Ti-Si體系的熔融晶圓鍵合；后來由J．Yu等人改進鍵合技術，在真空環境下完成了基于固態非晶化的Ti-Si鍵合，將鍵合溫度降低到了400℃，鍵合時間為2h。

等離子體活化鍵合的研究發展是為了降低后續退火溫度，研究發現通過O，N或Ar等離子體輻射晶圓表面，結合濕法化學處理能有 效地將退火溫度降低至150～400℃而得到高強度的鍵合，一種解釋是等離子體活化提高了晶圓表面的親水性，使晶圓最初互相接觸時的鍵能比未經等離子體活化時大2～3倍。許維等人使用Ar等離子體分別對Si晶圓和積淀有Ni的Si晶圓表面進行活化，隨后在溫度400℃、壓強0.5MPa的條件下進行2英寸（1英寸=2.54cm）晶圓的Ni-Si鍵合，反應生成NixSiy化合物。鍵合界面空洞的數量隨Ar氣體流量的增大而減少，表明Ar等離子體的活化有助于提高Ni-Si鍵合的質量，但鍵合空洞并不能WAN QUAN消除，這是由于退火過程極易形成鍵合空洞，因此，研究低溫下的鍵合技術是極其必要的。

表面活化鍵合是一種全程在超真空條件下進行的改進技術，也是ZUI有發展前景的鍵合技術。采用Ar離子束轟擊待鍵合表面，以去除惰性層如自然氧化層和有機物沾污，使晶圓表面活性增強，甚至在室溫下也能自發地形成化學鍵。為提高鍵合良率，工藝當中應對晶圓進行充分的預處理，同時避免來自環境或藥品的沾污。采用表面活化鍵合已經成功實現金屬、Si以及III-V族半導體的鍵合，但該方法對晶圓表面的清潔度和粗糙度要求很高，使鍵合前的清洗工藝十分復雜，要達到大尺寸、無空洞的鍵合仍然十分困難。因此，工藝優化及降低鍵合溫度將是今后研究工作的重點。

2  結語

新型垂直結構LED以其*的性能突破傳統結構LED的發展瓶頸，滿足光電器件大功率化的需求。晶圓鍵合技術作為HB-VLED器件制備工序的第一步，直接影響產品的性能和良率。黏合劑鍵合法工藝簡便、生產成本低，適合大規模生產應用，且黏合劑材料模量小，可在柔性襯底LED中發揮很好作用，但其鍵合可靠性還有待提高。金屬鍵合法能提供高熱導、高電導和高強度的鍵合界面，與HB-VLED制備工序兼容性好，但鍵合過程引入的應力較大，易造成晶圓損壞。因此，還需研發室溫下的晶圓鍵合技術來減少晶圓損傷，同時通過省去加熱和冷卻的時間來提高產能，而直接鍵合技術中的表面活化鍵合技術有望實現室溫鍵合，但仍難以得到大尺寸的無空洞鍵合。相信通過科研人員的努力，表面活化鍵合技術會在新型LED工業生產中大展身手。