第九講微系統(tǒng)封裝技術(shù)鍵合技術(shù)

第九講微系統(tǒng)封裝技術(shù)鍵合技術(shù)第一頁(yè)，共十九頁(yè)，2022年，8月28日硅片鍵合技術(shù)硅片鍵合技術(shù)是指通過(guò)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(lái)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(jiàn)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)等第二頁(yè)，共十九頁(yè)，2022年，8月28日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.%），熔點(diǎn)為363°C，要比純金或純硅的熔點(diǎn)低得多。在工藝上使用時(shí)，它一般被用作中間過(guò)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(diǎn)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(dá)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(shí)現(xiàn)硅片之間的鍵合第三頁(yè)，共十九頁(yè)，2022年，8月28日金在硅中是復(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(jī)械加工是在低溫下處理的，一般硅溶解在流動(dòng)的金中，而金不會(huì)滲入到硅中，硅片中不會(huì)有金摻雜。這種硅-硅鍵合在退火以后，由于熱不匹配會(huì)帶來(lái)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?yàn)殁伳づcSiO2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(shí)，在350~400°C溫度下退火。實(shí)驗(yàn)表明，在退火溫度365°C，時(shí)間10分鐘，鍵合面超過(guò)90%。鍵合的時(shí)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(guò)渡層第四頁(yè)，共十九頁(yè)，2022年，8月28日硅玻璃靜電鍵合靜電鍵合又稱場(chǎng)助鍵合或陽(yáng)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(zhǎng)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(fù)極，電壓500~1000V。將玻璃-硅片加熱到300~500°C。在電壓作用時(shí)，玻璃中的Na將向負(fù)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(fù)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(guò)電路中電流的變化情況可以反映出靜電鍵合的過(guò)程。剛加上電壓時(shí)，有一個(gè)較大的電流脈沖，后電流減小，最后幾乎為零，說(shuō)明此時(shí)鍵合已經(jīng)完成第五頁(yè)，共十九頁(yè)，2022年，8月28日靜電鍵合中，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，耗盡層中的電荷不會(huì)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1MPa左右。可見(jiàn)較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(huì)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(fù)極，則不能形成鍵合，這就是“陽(yáng)極鍵合”名稱的由來(lái)。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(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)：（1）硅/玻璃靜電鍵合界面牢固、穩(wěn)定的關(guān)鍵是界面有足夠的Si-O鍵形成；（2）在高溫或者高溫時(shí)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；（3）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第六頁(yè)，共十九頁(yè)，2022年，8月28日影響靜電鍵合的因素有很多，主要包括：（1）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(guò)程中會(huì)因內(nèi)部應(yīng)力較大而破碎；（2）陽(yáng)極的形狀影響鍵合效果。常用的有點(diǎn)接觸電極和平行板電極。點(diǎn)接觸電極，鍵合界面不會(huì)產(chǎn)生孔隙，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；（3）表面狀況對(duì)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(shí)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(dòng)而變形，有利于鍵合。硅/玻璃鍵合時(shí)，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合金與玻璃以及金屬與陶瓷等的鍵合。第七頁(yè)，共十九頁(yè)，2022年，8月28日硅硅直接鍵合兩硅片通過(guò)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(chǎng)，工藝簡(jiǎn)單。這種鍵合技術(shù)稱為硅-硅直接鍵合（SDB—SiliconDirectBonding）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：（1）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；（2）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或氮?dú)猸h(huán)境中經(jīng)數(shù)小時(shí)的高溫處理，這樣就形成了良好的鍵合。第八頁(yè)，共十九頁(yè)，2022年，8月28日直接鍵合工藝相當(dāng)簡(jiǎn)單。鍵合的機(jī)理可用三個(gè)階段的鍵合過(guò)程加以描述。第一階段，從室溫到200°C，兩硅片表面吸附OH團(tuán)，在相互接觸區(qū)產(chǎn)生氫鍵。在200°C時(shí)，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(shí)，聚合反應(yīng)基本完成。第二階段溫度在500~800°C范圍內(nèi)，在形成硅氧鍵時(shí)產(chǎn)生的水向SiO2中的擴(kuò)散不明顯，而OH團(tuán)可以破壞橋接氧原子的一個(gè)鍵使其轉(zhuǎn)變?yōu)榉菢蚪友踉樱矗?/p>

HOH+Si-O-Si=2+2Si-。第三階段，溫度高于800°C后，水向SiO2中擴(kuò)散變得顯著，而且隨溫度的升高擴(kuò)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(kuò)散進(jìn)入四周SiO2中，從而產(chǎn)生局部真空，這樣硅片會(huì)發(fā)生塑性變形使空洞消除。同時(shí)，此溫度下的SiO2粘度降低，會(huì)發(fā)生粘滯流動(dòng)，從而消除了微間隙。超過(guò)1000°C時(shí)，鄰近原子間相互反應(yīng)產(chǎn)生共價(jià)鍵，使鍵合得以完成第九頁(yè)，共十九頁(yè)，2022年，8月28日在鍵合前，對(duì)硅片進(jìn)行表面處理，使其表面吸附是至關(guān)重要的。對(duì)于熱氧化的鏡面拋光的硅片而言，熱氧化的SiO2具有無(wú)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(kāi)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就是一種方法。對(duì)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(huì)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(huì)向一氧化物、二氧化物過(guò)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。第十頁(yè)，共十九頁(yè)，2022年，8月28日鍵合良好的硅片，其鍵合強(qiáng)度可高達(dá)12MPa以上，這需要良好的鍵合條件。首先是溫度，兩硅片的鍵合最終是靠加熱來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此，溫度在鍵合過(guò)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(guò)程中，會(huì)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(huì)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(jìn)行的，則硅片表面就會(huì)有一些塵埃顆粒，塵埃顆粒是鍵合硅片產(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?？梢?jiàn)，粘污粒子對(duì)鍵合的影響程度。此外，室溫下貼合時(shí)陷入界面的氣體也會(huì)引起孔洞。硅-硅直接鍵合工藝不僅可以實(shí)現(xiàn)Si-Si、Si-SiO2和SiO2-SiO2鍵合，而且還可以實(shí)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(diǎn)的硼硅玻璃等，還可以實(shí)現(xiàn)較低溫度的鍵合，并且也能達(dá)到一定的鍵合強(qiáng)度，這種低溫鍵合可與硅半導(dǎo)體器件常規(guī)工藝兼容。

第十一頁(yè)，共十九頁(yè)，2022年，8月28日玻璃焊料燒結(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(dāng)前，靜電封接是國(guó)內(nèi)外比較流行的一種工藝，它具有封接強(qiáng)度高、重復(fù)性好、氣密性高等優(yōu)點(diǎn)。但是該方法工藝復(fù)雜，條件要求嚴(yán)格，生產(chǎn)效率低、成本高。有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)一些反?，F(xiàn)象（開(kāi)裂、自動(dòng)脫落等）。低溫玻璃焊料封接工藝簡(jiǎn)單、封接強(qiáng)度高、密封效果好，尤其適合大批量生產(chǎn)第十二頁(yè)，共十九頁(yè)，2022年，8月28日所謂燒結(jié)，是將顆粒狀陶瓷坯體（或玻璃粉）置于高溫爐中，使其致密化形成強(qiáng)固體材料的過(guò)程。燒結(jié)開(kāi)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(guò)程必須具備兩個(gè)基本條件：（1）應(yīng)該存在物質(zhì)遷移的機(jī)理；（2）必須有一種能量（熱能）促進(jìn)和維持物質(zhì)遷移。對(duì)于應(yīng)用玻璃焊料進(jìn)行封接的材料來(lái)說(shuō)還要求（1）材料要與焊料玻璃的熱脹系數(shù)很接近；（2）封接溫度要低于被封接材料的耐熱極限溫度。對(duì)于壓力傳感器芯片與玻璃基座的封接，封接溫度至少應(yīng)低于550°C，而Al-Si共熔點(diǎn)577°C，芯片上的鋁引線不會(huì)被破壞。有文獻(xiàn)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(rùn)性。首先進(jìn)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

第十三頁(yè)，共十九頁(yè)，2022年，8月28日基于圓片鍵合工藝的真空封裝技術(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(yáng)極鍵合對(duì)圓片表面平整性的要求比較高，達(dá)到nm量級(jí)。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(duì)微電路有影響。電極的引出易造成鍵合密封面氣密性失效。第十四頁(yè)，共十九頁(yè)，2022年，8月28日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0.3μm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(jìn)行金硅共晶鍵合形成密封。Au/Si鍵合具有很高的鍵合強(qiáng)度，可達(dá)到245MPa。同時(shí)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(duì)成本高

多晶硅鍵合層引線互連層焊盤MEMS器件金層第十五頁(yè)，共十九頁(yè)，2022年，8月28日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)生疲勞失效，不耐高溫，在回流工藝中易產(chǎn)生氣孔。對(duì)于真空封裝，氣孔會(huì)嚴(yán)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(kāi)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，泄漏率為8×10-10Pam3/s，鍵合界面拉伸強(qiáng)度達(dá)到20MPa。經(jīng)-10～80℃高低溫循環(huán)1500周期（約12.5天）后，真空度沒(méi)有衰減。但其真空度約為6650Pa，不滿足現(xiàn)有MEMS器件的真空度要求焊盤密封焊料吸氣劑真空腔MEMS器件第十六頁(yè)，共十九頁(yè)，2022年，8月28日基于硅