【記者林昕璿綜合報導】
晶圓鍵合為使兩片晶圓相互接合的應用技術,傳統是以高溫處理方式,透過熱能使材料接面結合。國立中央大學機械工程學系教授李天錫與研究團隊,發現銅與矽的表面鍵合關鍵來自電子轉移,而非退火溫度,可望進一步縮短製程、降低元件製作成本。此研究成果刊載於金屬頂尖期刊《材料學報》(Acta Materialia)。
團隊透過電能取代熱能,使銅與矽不受限於溫度直接鍵結,增加鍵合強度與穩定性。此外,由於過程不需於高溫下進行,除減少能量耗損之外,因在短時間就能達成,也可縮短製程並降低生產成本。另一方面,亦避免原先高溫狀態下可能造成的元件毀損,「因物質的熱膨脹係數(註)不同,當兩相異物質在高溫狀態接合,膨脹係數大的一方會向外拉扯,反之則會收縮,在這過程中容易導致元件破裂。」李天錫補充說。
註:指物質在熱漲冷縮效應下,物體體積隨溫度變化成比例改變。熱膨脹係數不同,意及在相同溫度變化幅度下,不同物質的體積變化不一。
晶圓鍵合技術為製作半導體材料的關鍵技術之一,不用膠黏合而是透過材料接觸表面形成鍵結,傳統是在高溫下進行,而製成的半導體元件則可應用於手機、電腦等電子設備。然因矽屬共價鍵,銅屬金屬鍵,兩者鍵結方式不同,不易結合,故現有銅矽鍵合技術是應用壓縮鍵合法,需先於矽晶圓表面鍍上一層黏著層,再將此黏著層與隨後鍍上的銅薄膜相黏,最後經熱處理與另一銅材質表面結合。團隊成員中大機械系學生簡伯諺表示,此製程較為耗時與耗能。
團隊所運用的「電化學」方式,可透過銅片表面游離化的原子與矽的懸掛鍵相互接合,「就像魔鬼氈上的鉤子一樣,讓矽勾住銅離子。」李天錫解釋。此外,實驗在攝氏負70度下的低溫進行,更證實銅與矽的鍵合與熱能並無太大關聯,是應用電子轉移產生離子直接鍵合。簡伯諺說明,因為銅是金屬鍵,在電場下會失去電子、形成帶正電的離子,進而受到矽表層未配對的電子吸引並產生鍵結。
其實此原理是在合成奈米矽晶實驗中意外發現的成果。李天錫提及,團隊過往拆卸電化學實驗樣品時,發現有一層殘餘的銅薄膜緊密黏於矽晶圓上,經三代研究生的實驗皆發生此現象,因而從自身所學與研究經驗,提出電子轉移造成鍵合的原理。
國立臺灣大學化學工程學系學生利昀陽認為,此技術提供一種於低溫下進行製程的方式,在不需以熱能形式給予活化能的情況下,就有更大彈性選擇操作溫度,以調整反應速率。在未來應用上,李天錫表示,就現有技術而言,此原理可應用於現今半導體元件製造所用的銅製程,也能進一步擴展至其他金屬與矽的鍵合。