圓片級(jí)疊層鍵合技術(shù)在SOI高溫壓力傳感器中的應(yīng)用

齊 虹, 丁文波, 張 松, 張林超, 田 雷, 吳佐飛

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十九研究所,黑龍江 哈爾濱 150001；2.火箭軍駐哈爾濱地區(qū)軍事代表室,黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

圓片級(jí)鍵合技術(shù)在微機(jī)械加工中廣泛應(yīng)用,它可以將相同的或不同的襯底,通過(guò)機(jī)械或電作用永久地連結(jié)成一體。圓片級(jí)鍵合從技術(shù)上分為兩類(lèi):直接鍵合和中間層鍵合[1]。陽(yáng)極鍵合是圓片級(jí)鍵合技術(shù)中較為典型的工藝,是金屬與玻璃以及其他絕緣體之間的靜電鍵合技術(shù),主要應(yīng)用壓力傳感器、加速度傳感器、微陀螺儀等微傳感器和微執(zhí)行器的封裝領(lǐng)域。

目前,針對(duì)硅-玻璃間的兩層陽(yáng)極鍵合技術(shù)較為成熟,但隨著微系統(tǒng)技術(shù)的快速發(fā)展,對(duì)新型微結(jié)構(gòu)傳感器的封裝技術(shù)提出更高的要求。尤其在航空航天、石油、化工、冶金、汽車(chē)、工業(yè)過(guò)程控制、兵器制造中急需耐高溫壓力傳感器[2],特別是在惡劣的環(huán)境下,比如發(fā)動(dòng)機(jī)、航天飛行器、高速導(dǎo)彈及衛(wèi)星等耐熱腔體和表面各部分的壓力測(cè)量中,對(duì)壓力傳感器的使用溫度要求更高[3]。以硅為襯底材料的絕緣體上硅(silicon on insulator,SOI)是最受矚目的材料,其高溫特性使之成為制作高溫傳感器的優(yōu)質(zhì)材料[4]。無(wú)引線(xiàn)封裝結(jié)構(gòu)的SOI高溫壓力傳感器,利用SOI的單晶硅膜制備出壓敏電阻條,在硅敏感芯片正面和背面分別與玻璃進(jìn)行疊層鍵合,在硅敏感芯片電極與殼體管腳間采用導(dǎo)電的無(wú)引線(xiàn)封裝結(jié)構(gòu),取消了軟引線(xiàn)連接,解決了含油封裝壓力傳感器中硅油耐溫差的問(wèn)題,因此,該結(jié)構(gòu)的SOI高溫壓力傳感器其使用溫度可達(dá)500 ℃[5]。

本文提出了采用兩次鍵合及兩次對(duì)準(zhǔn)工藝方法,實(shí)現(xiàn)玻璃-硅-玻璃三層SOI壓力芯片結(jié)構(gòu),保證了敏感芯片在高溫環(huán)境下的氣密性和鍵合強(qiáng)度,并給出了傳感器在500 ℃下的測(cè)試數(shù)據(jù)。

1 SOI器件中圓片級(jí)疊層鍵合技術(shù)的應(yīng)用

本文采用的圓片級(jí)疊層陽(yáng)極鍵合技術(shù)主要應(yīng)用于SOI高溫壓力傳感器制作中,通常情況下,壓力傳感器采用敏感芯片與玻璃鍵兩層結(jié)構(gòu),但這種結(jié)構(gòu)存在著敏感芯片只有一面鍵合了玻璃,另一面為懸浮結(jié)構(gòu),在不同的溫度條件下,由于玻璃和硅的熱膨脹系數(shù)不同,將引起敏感芯片的形變,從而導(dǎo)致高溫敏感器件在高寬溫區(qū)內(nèi)產(chǎn)生較大的漂移。因此,SOI高溫壓力傳感器更適合于三層鍵合結(jié)構(gòu)。

1.1 SOI壓力敏感芯片結(jié)構(gòu)

SOI高溫壓力傳感器的核心是敏感芯片,其采用了SOI襯底材料,電阻層與硅襯底間有一層絕緣層,經(jīng)過(guò)離子注入、電阻刻蝕、氧化等工藝在器件層表面形成圖形化結(jié)構(gòu),經(jīng)過(guò)異性腐蝕將襯底硅制成硅杯。在硅芯片的兩側(cè)均鍵合有玻璃,將硅芯片置于兩層玻璃中間,形成三明治結(jié)構(gòu),如圖1所示。

圖1 SOI壓力敏感芯片結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 SOI器件陽(yáng)極鍵合

陽(yáng)極鍵合其實(shí)質(zhì)是固體電化學(xué)反應(yīng),在陽(yáng)極硅氧化釋放電子,陰極玻璃中Na+得到電子還原,硅-玻璃界面中有Si-O鍵生成,使硅片與玻璃形成良好封接。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。硅片/玻璃界面電化學(xué)反應(yīng)如下[6,7]:

陽(yáng)極(硅面):Si+2H2O→SiO2+4H++4e

Si+O-Si-OH→Si-O-Si+H++e

Na2+H+→2Na++OH-

陰極(玻璃面):Na2O+e→Na

從公式中可看出,陽(yáng)極硅被氧化釋放電子,陰極玻璃中Na+被還原得到電子,硅-玻璃界面處形成Si-O-Si鍵結(jié)構(gòu),并與玻璃耗盡層的氧負(fù)離子及網(wǎng)絡(luò)基體構(gòu)成硅氧復(fù)合氧化物,從而完成瞬間鍵合。隨著鍵合時(shí)間的延長(zhǎng),玻璃耗盡層的厚度增加,電流迅速減少,最后穩(wěn)定在一很小的數(shù)值上。在電場(chǎng)力作用下,玻璃中的氧負(fù)離子向界面遷移,使玻璃界面發(fā)生了彈性變形和黏性流動(dòng)與硅界面緊密接觸,最后發(fā)生氧化反應(yīng)生成硅氧復(fù)合化合物,形成永久鍵合。在高溫500 ℃下,Si-O-Si鍵也不會(huì)被破壞,靜電封接的敏感芯片用于高溫壓力傳感器中是可行的。

SOI器件層鍵合不同于單晶硅襯底鍵合,屬于異質(zhì)異構(gòu)3D封裝,因此需要對(duì)鍵合溫度、電壓、時(shí)間等參數(shù)綜合考慮。同時(shí)如果采用傳統(tǒng)的直接施加直流高壓方法鍵合,會(huì)導(dǎo)致直流高壓擊穿SOI材料的中間氧化層,給中間氧化層造成損傷,影響器件的可靠性,如圖2所示。采取側(cè)壁夾具加電方法或襯底無(wú)損加電方式,可以有效避免這種電擊穿的產(chǎn)生。

圖2 SOI材料鍵合中氧化層擊穿示意圖

1.3 工藝方法

SOI壓力敏感芯片圓片級(jí)疊層鍵合采用兩次對(duì)準(zhǔn)和兩次鍵合方法實(shí)現(xiàn)疊層靜電鍵合。硅玻璃鍵合質(zhì)量受溫度、電壓、反應(yīng)室內(nèi)環(huán)境壓力以及電極形狀等諸多因素的影響,任何一步工藝操作不當(dāng),均會(huì)造成鍵合強(qiáng)度降低,甚至鍵合失效,嚴(yán)重降低器件的可靠性[8]。為了提高壓力傳感器耐高溫性能和可靠性,在工藝過(guò)程中要特別注意:

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,同時(shí)考慮耐高溫玻璃材料的選取。

2)與陽(yáng)極接觸的電極形狀會(huì)影響鍵合效果,點(diǎn)接觸電極不會(huì)使鍵合界面產(chǎn)生孔隙,而雙平行板電極會(huì)使鍵合體界面產(chǎn)生部分孔隙,但后者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。

4)鍵合前的圖形對(duì)準(zhǔn)非常重要,由于芯片在鍵合前已形成敏感結(jié)構(gòu),這就需要在鍵合前將玻璃孔與芯片電極精準(zhǔn)的對(duì)位,避免對(duì)準(zhǔn)偏移導(dǎo)致后續(xù)封裝的可靠性降低。將引壓孔與敏感腔精準(zhǔn)對(duì)位,可避免器件的非線(xiàn)性降低。

本文采用AML-AWB04鍵合機(jī)實(shí)現(xiàn)SOI器件圓片疊層鍵合,分別在玻璃和SOI硅片上制作對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記,如圖3所示。玻璃上標(biāo)記是通過(guò)噴砂工藝制作的十字圖形,硅片上的標(biāo)記是通過(guò)光刻制作的金屬方塊圖形,對(duì)準(zhǔn)精度誤差控制在±3 μm以?xún)?nèi)。首先將一片玻璃與硅片正面進(jìn)行第一次對(duì)準(zhǔn)鍵合,然后再將另一片玻璃與一次鍵合后的基片硅杯面進(jìn)行二次對(duì)準(zhǔn)鍵合,完成玻璃-硅-玻璃的三層鍵合。

圖3 疊層鍵合對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記

在圓片進(jìn)行清洗、對(duì)準(zhǔn)后根據(jù)SOI器件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)采用側(cè)壁加電方式,施加約1 000 V鍵合電壓,鍵合過(guò)程始終保持在380 ℃和10-5mbar的真空環(huán)境中,鍵合時(shí)間約20 min以上。圖4為鍵合疊層鍵合的SOI壓力傳感器圓片。

圖4 疊層鍵合的SOI壓力傳感器圓片

2 性能測(cè)試

2.1 鍵合強(qiáng)度測(cè)試

采用直拉法檢測(cè)鍵合強(qiáng)度,直拉法[9]是用拉開(kāi)鍵合片的最大拉力來(lái)表示鍵合強(qiáng)度。測(cè)試儀器為自制拉伸試驗(yàn)臺(tái),試驗(yàn)前在圓片上、中、下、左、右共5個(gè)位置抽取5只芯片,通過(guò)快速粘結(jié)劑將芯片表面與拉力夾具粘合在一起,充分固化24 h以上再進(jìn)行抗拉強(qiáng)度測(cè)試,加載直接至鍵合界面斷裂,最先開(kāi)裂的封接面即為芯片的鍵合強(qiáng)度。

圖5中給出了不同位置芯片拉斷的顯微鏡照片,觀察拉伸樣品鍵合區(qū)域的斷裂表面,均可觀察到玻璃表面裂開(kāi)的現(xiàn)象,在硅-玻璃鍵合界面并未被拉斷。經(jīng)測(cè)試圓片中上、中、下、左、右位置的芯片拉伸力分別為為49.6,49.6,54.6,54.6,44.5 N,根據(jù)已知鍵合面積,可推算出鍵合強(qiáng)度分別為3.5,3.5,3.85,3.85,3.14 MPa,符合器件鍵合強(qiáng)度合要求。

圖5 不同位置的芯片拉斷顯微鏡照片

2.2 氣密性測(cè)試

采用氦質(zhì)譜檢漏儀,依據(jù)GJB548B-2005方法1014.2對(duì)敏感芯片鍵合后的漏率進(jìn)行檢測(cè)。在上、中、下、左、右的5個(gè)位置抽取5只芯片,將芯片放入充氦箱,對(duì)充氦箱抽真空,加壓壓強(qiáng)517 kPa,加壓時(shí)間2 h,停留時(shí)間10 min,然后用大于20 s的時(shí)間排放充氦箱中的氦氣至表壓,取出芯片,并用氦氣將芯片沖擊5 min。將有氦氣的芯片放入氦質(zhì)樸檢漏儀測(cè)試室中,5只芯片的漏率均低于5×10-9Pa.m3/s拒收極限,滿(mǎn)足器件氣密性要求。

2.3 傳感器性能測(cè)試

選取3只SOI壓力敏感芯片進(jìn)行無(wú)引線(xiàn)封裝,制作成高溫壓力傳感器,通過(guò)轉(zhuǎn)接夾具將傳感器安裝在帶有銅管的壓力接嘴上,將裝有傳感器的一端伸入到箱式電阻爐內(nèi),另一端與電阻爐外面的壓力計(jì)連接,在電阻爐內(nèi)通入N2,升溫至500 ℃,恒溫30 min后,采用1.5 mA恒流源供電,對(duì)傳感器施加3個(gè)標(biāo)定循環(huán)的壓力,測(cè)量上限壓強(qiáng)為700 kPa,壓力-輸出特性曲線(xiàn)如圖6所示。

圖6 傳感器輸出特性曲線(xiàn)(500 ℃)

測(cè)試結(jié)果表明:在500 ℃條件下,3只傳感器的非線(xiàn)性均小于0.2 %,總精度均小于0.5 %。

3 結(jié) 論

本文采用兩次對(duì)準(zhǔn)和兩次鍵合技術(shù),實(shí)現(xiàn)了SOI高溫壓力傳感器敏感芯片的疊層鍵合,測(cè)試結(jié)果表明,敏感芯片滿(mǎn)足鍵合強(qiáng)度和氣密性的要求,采用該敏感芯片制作的無(wú)引線(xiàn)SOI高溫壓力傳感器,在500 ℃環(huán)境下的性能指標(biāo)是穩(wěn)定的,該圓片級(jí)疊層鍵合技術(shù)適用于SOI高溫壓力傳感器的制作。