第九講微系統(tǒng)封裝技術(shù)-鍵合技術(shù)

1、硅片鍵合技術(shù),硅片鍵合技術(shù),硅片鍵合技術(shù)是指通過化學(xué)和物理作用將硅片與硅片、硅片與玻璃或其它材料緊密地結(jié)合起來的方法。硅片鍵合往往與表面硅加工和體硅加工相結(jié)合，用在MEMS的加工工藝中。常見的硅片鍵合技術(shù)包括金硅共熔鍵合、硅/玻璃靜電鍵合、硅/硅直接鍵合以及玻璃焊料燒結(jié)等,金硅共熔鍵合,金硅共熔鍵合常用于微電子器件的封裝中，用金硅焊料將管芯燒結(jié)在管座上。1979年這一技術(shù)用在了壓力變送器上。金硅焊料是金硅二相系（硅含量為19at.%），

2、熔點為363°C，要比純金或純硅的熔點低得多。在工藝上使用時，它一般被用作中間過渡層，置于欲鍵合的兩片之間，將它們加熱到稍高于金硅共熔點的溫度。在這種溫度下，金硅混合物將從與其鍵合的硅片中奪取硅原子以達到硅在金硅二相系中的飽和狀態(tài)，冷卻以后就形成了良好的鍵合。利用這種技術(shù)可以實現(xiàn)硅片之間的鍵合,金在硅中是復(fù)合中心，能使硅中的少數(shù)載流子壽命大大降低。許多微機械加工是在低溫下處理的，一般硅溶解在流動的金中，而金不會滲入到硅中，硅片

3、中不會有金摻雜。這種硅-硅鍵合在退火以后，由于熱不匹配會帶來應(yīng)力，在鍵合中要控制好溫度。 　　金硅共熔中的硅-硅鍵合工藝是，先熱氧化P型（100）晶向硅片，后用電子束蒸發(fā)法在硅片上蒸鍍一層厚30nm的鈦膜，再蒸鍍一層120nm的金膜。這是因為鈦膜與SiO2層有更高的粘合力。最后，將兩硅片貼合放在加熱器上，加一質(zhì)量塊壓實，在350~400°C溫度下退火。實驗表明，在退火溫度365°C，時間10分鐘，鍵合面超過90%。

4、鍵合的時間和溫度是至關(guān)重要的。 　　除金之外，Al、Ti、Pt也可以作為硅-硅鍵合的中間過渡層,硅玻璃靜電鍵合,靜電鍵合又稱場助鍵合或陽極鍵合。靜電鍵合技術(shù)是Wallis和Pomerantz于1969年提出的。它可以將玻璃與金屬、合金或半導(dǎo)體鍵合在一起而不用任何粘結(jié)劑。這種鍵合溫度低、鍵合界面牢固、長期穩(wěn)定性好。 　　靜電鍵合裝置如圖所示。把將要鍵合的硅片接電源正極，玻璃接負極，電壓500~1000V。將玻璃-硅片加熱到300~50

5、0°C。在電壓作用時，玻璃中的Na將向負極方向漂移，在緊鄰硅片的玻璃表面形成耗盡層，耗盡層寬度約為幾微米。耗盡層帶有負電荷，硅片帶正電荷，硅片和玻璃之間存在較大的靜電引力，使二者緊密接觸。這樣外加電壓就主要加在耗盡層上。通過電路中電流的變化情況可以反映出靜電鍵合的過程。剛加上電壓時，有一個較大的電流脈沖，后電流減小，最后幾乎為零，說明此時鍵合已經(jīng)完成,靜電鍵合中，靜電引力起著非常重要的作用。例如，鍵合完成樣品冷卻到室溫后，耗盡

6、層中的電荷不會完全消失，殘存的電荷在硅中誘生出鏡象正電荷，它們之間的靜電力有1M P a左右?？梢娸^小的殘余電荷仍能產(chǎn)生可觀的鍵合力。另外，在比較高的溫度下，緊密接觸的硅/玻璃界面會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成牢固的化學(xué)鍵，如Si-O-Si鍵等。如果硅接電源負極，則不能形成鍵合，這就是“陽極鍵合”名稱的由來。靜電鍵合后的硅/玻璃界面在高溫、常溫-高溫循環(huán)、高溫且受到與鍵合電壓相反的電壓作用等各種情況下進行處理，發(fā)現(xiàn)： 　?。?）硅/玻璃靜電鍵合

7、界面牢固、穩(wěn)定的關(guān)鍵是界面有足夠的Si-O鍵形成； 　?。?）在高溫或者高溫時施加相反的電壓作用后，硅/玻璃靜電鍵合界面仍然牢固、穩(wěn)定； 　?。?）靜電鍵合失敗后的玻璃可施加反向電壓再次用于靜電鍵合,影響靜電鍵合的因素有很多，主要包括： 　?。?）兩靜電鍵合材料的熱膨脹系數(shù)要近似匹配，否則在鍵合完成冷卻過程中會因內(nèi)部應(yīng)力較大而破碎； 　　（2）陽極的形狀影響鍵合效果。常用的有點接觸電極和平行板電極。點接觸電極，鍵合界面不會產(chǎn)生孔

8、隙，而雙平行板電極，鍵合體界面將有部分孔隙，鍵合的速率比前者快； 　?。?）表面狀況對鍵合力也有影響。鍵合表面平整度和清潔度越高，鍵合質(zhì)量越好。表面起伏越大，靜電引力越小。表面相同的起伏幅度，起伏越圓滑的情況靜電引力越大。 　　靜電鍵合時的電壓上限是玻璃不被擊穿，下限是能夠引起鍵合材料彈性、塑性或粘滯流動而變形，有利于鍵合。硅/玻璃鍵合時，硅上的氧化層厚度一般要小于0.5mm。 　　靜電鍵合技術(shù)還可以應(yīng)用于金屬與玻璃，F(xiàn)eNiCo

9、合金與玻璃以及金屬與陶瓷等的鍵合 。,硅硅直接鍵合,兩硅片通過高溫處理可以直接鍵合在一起，不需要任何粘結(jié)劑和外加電場，工藝簡單。這種鍵合技術(shù)稱為硅-硅直接鍵合（SDB—Silicon Direct Bonding）技術(shù)。直接鍵合工藝是由Lasky首先提出的。 　　硅-硅直接鍵合工藝如下： 　?。?）將兩拋光硅片（氧化或未氧化均可）先經(jīng)含 的溶液浸泡處理； 　?。?）在室溫下將兩硅片拋光面貼合在一起； 　　（3）貼合好的硅片在氧氣

10、或氮氣環(huán)境中經(jīng)數(shù)小時的高溫處理，這樣就形成了良好的鍵合。,直接鍵合工藝相當簡單。鍵合的機理可用三個階段的鍵合過程加以描述。 　　第一階段，從室溫到200°C，兩硅片表面吸附OH團，在相互接觸區(qū)產(chǎn)生氫鍵。在200°C時，形成氫鍵的兩硅片的硅醇鍵之間發(fā)生聚合反應(yīng)，產(chǎn)生水及硅氧鍵，即 　　Si-OH+HO-Si→ 　　Si-O-Si+H2O。 　　到400°C時，聚合反應(yīng)基本完成。 　　第二階段溫度在5

11、00~800°C范圍內(nèi)，在形成硅氧鍵時產(chǎn)生的水向SiO2中的擴散不明顯，而OH團可以破壞橋接氧原子的一個鍵使其轉(zhuǎn)變?yōu)榉菢蚪友踉?，即?　　HOH+Si-O-Si=2 +2Si- 。 　　第三階段，溫度高于800°C后，水向SiO2中擴散變得顯著，而且隨溫度的升高擴散量成指數(shù)增大。鍵合界面的空洞和間隙處的水分子可在高溫下擴散進入四周SiO2中，從而產(chǎn)生局部真空，這樣硅片會發(fā)生塑性變形使空洞消除。同時，此溫度下的S

12、iO2粘度降低，會發(fā)生粘滯流動，從而消除了微間隙。超過1000°C時，鄰近原子間相互反應(yīng)產(chǎn)生共價鍵，使鍵合得以完成,在鍵合前，對硅片進行表面處理，使其表面吸附 是至關(guān)重要的。對于熱氧化的鏡面拋光的硅片而言，熱氧化的SiO2具有無定型的石英玻璃網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。在SiO2膜的表面和體內(nèi)，有一些氧原子處于不穩(wěn)定狀態(tài)。在一定條件下，它們可得到能量而離開硅原子，使表面產(chǎn)生懸掛鍵。有許多種方法可以增加熱氧化的硅表面的懸掛鍵。等離子體表面活化處理

13、就是一種方法。對于原始拋光硅片，純凈的的硅片表面是疏水性的，若將其浸入在含有氧化劑的溶液中，瞬間會在硅片表面吸附一層單氧層。隨著溶液溫度的提高（75°C~110°C），單氧層會向一氧化物、二氧化物過渡。由化學(xué)溶液形成的硅氧化物表面有非橋鍵的羥基存在，所以這有利于硅片的室溫鍵合。常用的親水液有硫酸雙氧水、稀硝酸、氨水等。,鍵合良好的硅片，其鍵合強度可高達12MPa以上，這需要良好的鍵合條件。 　　首先是溫度，兩硅片的

14、鍵合最終是靠加熱來實現(xiàn)的，因此，溫度在鍵合過程中起著關(guān)鍵的作用。 　　其次是硅片表面的平整度。拋光硅片或熱氧化硅片表面并不是理想的鏡面，而總是有一定的起伏和表面粗糙度。如果硅片有較小的粗糙度，則在鍵合過程中，會由于硅片的彈性形變或者高溫下的粘滯回流，使兩鍵合片完全結(jié)合在一起，界面不存在孔洞。若表面粗糙度很大，鍵合后就會使界面產(chǎn)生孔洞。 　　最后，就是表面的清潔度。如果鍵合工藝不是在超凈環(huán)境中進行的，則硅片表面就會有一些塵埃顆粒，塵埃

15、顆粒是鍵合硅片產(chǎn)生孔洞的主要根源之一。例如，若硅片厚350μm，顆粒直徑1μm，則引起的孔洞直徑為4.2mm。可見，粘污粒子對鍵合的影響程度。此外，室溫下貼合時陷入界面的氣體也會引起孔洞。 　　硅-硅直接鍵合工藝不僅可以實現(xiàn)Si-Si、Si-SiO2和SiO2-SiO2鍵合，而且還可以實現(xiàn)Si-石英、Si-GaAs或InP、Ti-Ti和Ti-SiO2鍵合。另外，在鍵合硅片之間夾雜一層中間層，如低熔點的硼硅玻璃等，還可以實現(xiàn)較低溫度的鍵

16、合，并且也能達到一定的鍵合強度，這種低溫鍵合可與硅半導(dǎo)體器件常規(guī)工藝兼容。,玻璃焊料燒結(jié),壓力傳感器芯片與基座的封接質(zhì)量是影響傳感器性能的重要因素。當前，靜電封接是國內(nèi)外比較流行的一種工藝，它具有封接強度高、重復(fù)性好、氣密性高等優(yōu)點。但是該方法工藝復(fù)雜，條件要求嚴格，生產(chǎn)效率低、成本高。有時還會出現(xiàn)一些反常現(xiàn)象（開裂、自動脫落等）。低溫玻璃焊料封接工藝簡單、封接強度高、密封效果好，尤其適合大批量生產(chǎn),所謂燒結(jié)，是將顆粒狀陶瓷坯體（或玻璃

17、粉）置于高溫爐中，使其致密化形成強固體材料的過程。燒結(jié)開始后首先排除坯料顆粒間空隙，使相應(yīng)的相鄰粒子結(jié)合成緊密體。燒結(jié)過程必須具備兩個基本條件： 　?。?）應(yīng)該存在物質(zhì)遷移的機理； 　?。?）必須有一種能量（熱能）促進和維持物質(zhì)遷移。 　　對于應(yīng)用玻璃焊料進行封接的材料來說還要求 　　（1）材料要與焊料玻璃的熱脹系數(shù)很接近； 　?。?）封接溫度要低于被封接材料的耐熱極限溫度。 　　對于壓力傳感器芯片與玻璃基座的封接，封接溫度

18、至少應(yīng)低于550°C，而Al-Si共熔點577°C，芯片上的鋁引線不會被破壞。有文獻提出，參考ZnO-B2O3-PbO三元系相圖選出一種結(jié)晶性焊料玻璃，其屈服溫度為460°C，該焊料與玻璃基座有良好浸潤性。首先進行玻璃焊料配制，然后在900°C高溫爐內(nèi)熔化，接著玻璃液淬火，研磨得焊料，再用去離子水將焊粉調(diào)糊涂于封接處，最后紅外干燥，530°C燒結(jié)30min，自然冷卻,基于圓片鍵合工藝的真

19、空封裝技術(shù),,MEMS器件,,玻璃,,硅,,將表面鏡面拋光的硅片和玻璃片緊密接觸，升溫至220～500℃，并在硅片和玻璃片兩端加800～2000V左右的高壓，幾分鐘后即可形成緊密鍵合。陽極鍵合對圓片表面平整性的要求比較高，達到nm量級。硅片和玻璃片的翹曲也將大大影響鍵合質(zhì)量，翹曲度越大，鍵合質(zhì)量越差。高壓對微電路有影響。電極的引出易造成鍵合密封面氣密性失效。,,在高溫氧化的硅片上沉積0.35μm的多晶硅作為電極引出，然后在多晶硅上淀積0

20、.3μm的Si3N4介質(zhì)層，在介質(zhì)層上淀積0.5μm的多晶硅與作為蓋板的圓片上的金層進行金硅共晶鍵合形成密封。 Au/Si鍵合具有很高的鍵合強度，可達到245MPa。同時鍵合結(jié)構(gòu)具有較好的耐腐蝕性，并能承受較高的使用溫度。但共晶鍵合的殘余應(yīng)力較大，鍵合界面本身硬度較高而不能有效吸收鍵合結(jié)構(gòu)中的熱應(yīng)力，導(dǎo)致熱失配，而且相對成本高,,,金屬焊料鍵合的鍵合溫度可較低，焊料硬度較低，能夠吸收由于溫度變化產(chǎn)生的熱應(yīng)力。但鍵合界面處塑性較大，易產(chǎn)生

21、疲勞失效，不耐高溫，在回流工藝中易產(chǎn)生氣孔。對于真空封裝，氣孔會嚴重影響器件的真空性能 . W.F. Huang等人采用In-Sn合金作為圓片鍵合中間層，開發(fā)了一種基于軟焊料鍵合的低溫圓片鍵合工藝（溫度低于160℃）。其實驗結(jié)果表明，泄漏率為8×10-10Pam3/s，鍵合界面拉伸強度達到20MPa。經(jīng)-10～80℃高低溫循環(huán)1500周期（約12.5天）后，真空度沒有衰減。但其真空度約為6650Pa，不滿足現(xiàn)有MEMS器件的真