表面有微結(jié)構(gòu)的硅片鍵合技術(shù)

張棟鵬， 蔡安江， 周嘉瑋， 翟彥昭

(西安建筑科技大學(xué) 陜西省納米材料與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710055)

0 引 言

封裝技術(shù)對(duì)微機(jī)電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system,MEMS)器件尺寸及功能的影響巨大，已成為MEMS技術(shù)發(fā)展和實(shí)用化的關(guān)鍵技術(shù)[1]。實(shí)現(xiàn)封裝的技術(shù)手段很多，其中較關(guān)鍵的工藝步驟就是鍵合工藝。隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的器件封裝需要用到表面帶有微結(jié)構(gòu)的硅片鍵合,然而MEMS器件封裝一般采用硅—硅直接鍵合(silicon directly bonding,SDB)技術(shù)[2]。由于表面有微結(jié)構(gòu)的硅片界面已經(jīng)受到極大的損傷,其平整度和光滑度遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到SDB的要求,要進(jìn)行復(fù)雜的拋光處理, 這大大加大了工藝的復(fù)雜性和降低了器件的成品率[3]。

Abouie M等人[4]針對(duì)金—硅共晶鍵合過程中凹坑對(duì)鍵合質(zhì)量的影響展開研究，提出一種以非晶硅為基材的金—硅共晶鍵合工藝以減少凹坑的形成，但非晶硅的實(shí)際應(yīng)用限制較大?？蹬d華等人[5]加工了簡(jiǎn)單的多層硅—硅結(jié)構(gòu)，但不涉及對(duì)準(zhǔn)問題，實(shí)際應(yīng)用的價(jià)值較小。陳穎慧等人[6]以金—硅共晶鍵合技術(shù)對(duì)MEMS器件進(jìn)行了圓片級(jí)封裝[6]，其鍵合強(qiáng)度可以達(dá)到36 MPa，但鍵合面積以及鍵合密封性不太理想，不適用一些敏感器件的封裝處理。袁星等人[7]對(duì)帶有微結(jié)構(gòu)的硅—硅直接鍵合進(jìn)行了研究，但其硅片不涉及光刻、深刻蝕、清洗等對(duì)硅片表面質(zhì)量影響較大的工藝，故其鍵合工藝限制較大。

目前關(guān)于晶片鍵合的研究很多，工藝日漸成熟，但是對(duì)于表面帶有微結(jié)構(gòu)的硅片鍵合研究很少，鍵合效果很差。

本文針對(duì)表面帶有微結(jié)構(gòu)硅晶圓的封裝問題，提出一種基于采用Ti/Au作為金屬過渡層的硅—硅共晶鍵合的鍵合工藝，實(shí)現(xiàn)表面帶有微結(jié)構(gòu)硅晶圓之間的鍵合，解決鍵合對(duì)硅晶圓表面要求極高，環(huán)境要求苛刻的問題。

1 鍵合試驗(yàn)

1.1 鍵合理論

共晶鍵合[8,9]是利用某些共晶合金熔融溫度較低的特點(diǎn)，以其作為中間鍵合介質(zhì)層，通過加熱熔融產(chǎn)生金屬—半導(dǎo)體共晶相來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此,中間介質(zhì)層的選取可以很大程度影響共晶鍵合的工藝以及鍵合質(zhì)量。中間金屬鍵合介質(zhì)層種類很多，通常有鋁、金、鈦、鉻、鉛—錫等。雖然金—硅共熔溫度不是最低(363 ℃)的，但其共晶體的一種成分即為預(yù)鍵合材料硅本身，可以降低鍵合工藝難度，且其液相粘結(jié)性好，故本文采用金—硅合金共晶相作為中間鍵合介質(zhì)層進(jìn)行表面有微結(jié)構(gòu)的硅—硅共晶鍵合技術(shù)的研究。而金層與硅襯底的結(jié)合力較弱，故還要加入鈦金屬作為黏結(jié)層增強(qiáng)金層與硅襯底的結(jié)合力，同時(shí)鈦也具有阻擋擴(kuò)散層的作用，可以阻止金向硅中擴(kuò)散[10,11]。

表面帶有微結(jié)構(gòu)硅晶圓的界面已受到極大的損傷，其表面粗糙度遠(yuǎn)高于拋光硅片(Ra<0.5 nm)，有時(shí)甚至可以達(dá)到1 μm以上。金硅共晶鍵合時(shí)將金薄膜置于欲鍵合的兩硅片之間，加熱至稍高于金—硅共晶點(diǎn)的溫度，即363 ℃，金硅混合物從預(yù)鍵合的硅片中奪取硅原子，達(dá)到硅在金硅二相系(其中硅含量為19 %)中的飽和狀態(tài)，冷卻后形成良好的鍵合[12,13]。而光刻、深刻蝕、清洗等工藝帶來(lái)的雜質(zhì)對(duì)于金硅二相系的形成有很大的影響。以表面粗糙度極高且有雜質(zhì)的硅晶圓完成鍵合，達(dá)到既定的鍵合質(zhì)量成為研究重點(diǎn)。

1.2 試驗(yàn)方案

本文采用封裝組件的上下板與中間可動(dòng)件為材料進(jìn)行雙面濺金鍵合試驗(yàn)，通過不斷改善表面清洗及處理工藝和預(yù)鍵合工藝，實(shí)現(xiàn)表面有微結(jié)構(gòu)的硅—硅鍵合，確定合適的鍵合工藝參數(shù)，為后續(xù)的工藝優(yōu)化與改良打下基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)的鍵合主要流程如圖1所示。

圖1 硅—硅鍵合主要工藝流程

1.2.1 表面清洗和親水處理

硅—硅鍵合表面清洗和處理方法分為親水處理與疏水處理兩種，本文采用親水處理方法，其工藝較簡(jiǎn)單：

1)丙酮超聲清洗5 min，去離子水清洗，氮?dú)獯蹈桑?/p>

2)120 ℃濃硫酸雙氧水混合(SPM)溶液(濃H2SO4∶H2O2=3∶1)浸泡處理10 min，去離子水清洗，氮?dú)獯蹈桑?/p>

3)70 ℃氨水雙氧水混合(RCAI)溶液(NH4OH∶H2O2=1∶1)浸泡處理15 min，去離子水清洗，氮?dú)獯蹈伞?/p>

1.2.2 預(yù)鍵合

1)在預(yù)鍵合表面濺射一層30 nmTi薄膜，再濺射一層200 nmAu薄膜，濺射完成后如圖2所示。

圖2 濺射完成后預(yù)鍵合晶片

2)將預(yù)鍵合晶片與中間可動(dòng)件(圖3)在微裝配平臺(tái)上進(jìn)行預(yù)裝配(圖4)。

圖3 中間可動(dòng)件

圖4 預(yù)裝配示意

3)將預(yù)裝配好的組件緊貼在一起放入鍵合臺(tái)上，設(shè)定壓力為40 kPa，加熱至363 ℃，保溫10 min，隨后加熱至380 ℃，保溫15 min，自然降溫。

1.2.3 退火處理

將預(yù)鍵合好的Si片在氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下進(jìn)行快速退火處理,退火溫度為300 ℃,退火時(shí)間為15 min。

2 結(jié)果分析

顯微鏡下可以觀測(cè)到有些樣片上下板之間有間隙，原因?yàn)閺奈⒀b配平臺(tái)轉(zhuǎn)移至鍵合臺(tái)的過程可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)對(duì)準(zhǔn)出現(xiàn)偏差，影響鍵合效果。

取其中5片進(jìn)行檢測(cè)，在既定拉力下均未分開，加大拉力進(jìn)行破壞性檢測(cè)，得到破損的鍵合面(圖5)。

圖5 破損的鍵合面

由圖可以看出實(shí)驗(yàn)樣品存在的鍵合類型有兩種:

1)在金—硅界面發(fā)生的共晶鍵合

金—硅界面在高于其共晶溫度363 ℃時(shí)生成金硅化合物。該過程對(duì)金、硅的質(zhì)量比例要求極其嚴(yán)格，硅含量略微偏離19 %，其共晶溫度就立刻上升。

2)在互相接觸的金—金界面發(fā)生的熱壓鍵合

在對(duì)金層施加一定的壓力和溫度時(shí)，金層發(fā)生流動(dòng)、互融，從而形成鍵合。該過程對(duì)金的純度要求較高，即當(dāng)金層發(fā)生氧化就會(huì)影響鍵合質(zhì)量。

將剩余5片置入恒溫爐中進(jìn)行高低溫循環(huán)測(cè)試，隨后在既定拉力下進(jìn)行檢測(cè)，樣片均未分開。破壞性測(cè)試后，可觀測(cè)到樣片鍵合率在10 %左右，低于標(biāo)準(zhǔn)水平。

3 結(jié) 論

1)由既定拉力測(cè)試高低溫循環(huán)測(cè)試結(jié)果可以看出，該鍵合工藝在滿足實(shí)際應(yīng)用所需鍵合強(qiáng)度的同時(shí)，解決了鍵合對(duì)硅晶圓表面平整度和潔凈度要求極高、對(duì)環(huán)境要求苛刻的問題。

2)由高低溫循環(huán)測(cè)試結(jié)果可以看出，該鍵合工藝可以適應(yīng)復(fù)雜的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，且具有工藝溫度低，容易實(shí)現(xiàn)圖形化，應(yīng)力匹配度高等優(yōu)點(diǎn)。

3)由破壞性試驗(yàn)結(jié)果可以看出，該鍵合工藝在圖形邊沿的鍵合率并不高，鍵合效果不太理想，還需對(duì)工藝流程進(jìn)一步優(yōu)化，對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)，以期達(dá)到更高的鍵合強(qiáng)度與鍵合率。