面向微流體器件封裝的硅-藍(lán)寶石異質(zhì)結(jié)構(gòu)超快激光微連接及接頭性能

胡一帆，林路禪，李鑄國(guó)

(上海交通大學(xué),上海市激光制造與材料改性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海,200240)

0 序言

硅與藍(lán)寶石的異質(zhì)結(jié)構(gòu)由于其優(yōu)異的結(jié)構(gòu)及功能特性吸引著研究者的廣泛研究興趣，例如在微納機(jī)電系統(tǒng)傳感器中，為保護(hù)硅基板上功能單元的正常使用，藍(lán)寶石常作為窗口材料需要與硅連接封裝實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能[1].藍(lán)寶石(即氧化鋁)具有高透光性、高硬度、耐高溫、耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，即便是在極端的條件下(高溫、海底、腐蝕性環(huán)境等)也可以起到較好的保護(hù)作用[2]，然而氧化鋁極好的穩(wěn)定性使藍(lán)寶石極難被加工，同時(shí)與大差異性的硅之間很難形成有效連接接頭[3]，目前已有的硅-藍(lán)寶石連接方法均需要苛刻的試驗(yàn)條件.表面活化法可以實(shí)現(xiàn)硅與藍(lán)寶石晶圓級(jí)互連，但是需要預(yù)先在氬氣的環(huán)境中對(duì)材料表面進(jìn)行預(yù)處理，過(guò)程較為復(fù)雜，且成本高昂[4]；直接熱壓鍵合的方法可將藍(lán)寶石與硅片連接，但需要連接體系整體加熱、加壓操作[5].實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景下微器件中負(fù)載的溫敏組件和精密功能性單元將難以承受苛刻的力熱環(huán)境，對(duì)整體互連方式提出了挑戰(zhàn).一種簡(jiǎn)便有效、可精準(zhǔn)控制連接區(qū)域的微連接技術(shù)，實(shí)現(xiàn)硅與藍(lán)寶石的高效連接將在微器件(如微流體器件)封裝上具有重要應(yīng)用前景.

作為精密微納加工手段，超快激光近些年來(lái)被廣泛應(yīng)用于同種/異種材料的連接[6].由于極高的脈沖能量密度及極短的脈沖寬度，超快激光可實(shí)現(xiàn)廣泛材料的加工.超快激光作用下，硅可通過(guò)非線性光子吸收效應(yīng)發(fā)生多光子電離、雪崩電離等實(shí)現(xiàn)材料表面的熔化或氣化，并獲得極窄的熱影響區(qū)[7-8].這種可以精準(zhǔn)控制熱輸入將非常適用于半導(dǎo)體材料的微納連接工藝.通過(guò)激光穿透焊接技術(shù)，超快激光已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了玻璃-硅[9]、硅-硅[10]和硅-砷化鎵[11]的連接，測(cè)得的連接強(qiáng)度達(dá)到了兆帕級(jí)別，滿足實(shí)際應(yīng)用需求.然而與硅和玻璃等組合不同，硅和藍(lán)寶石的熱膨脹系數(shù)存在較大差距，在急劇熱作用下容易發(fā)生應(yīng)力開(kāi)裂，導(dǎo)致互連接頭失效[12].通常這種由熱應(yīng)力帶來(lái)的連接失效問(wèn)題可以通過(guò)縮小預(yù)焊接過(guò)程中的材料間隙，控制連接區(qū)域解決.在超快激光硬脆材料的焊接中，研究者證實(shí)可以通過(guò)減少材料間隙遏制熔池的自由流動(dòng)和擴(kuò)張，從而減少裂紋的形成[6].嘗試縮小藍(lán)寶石與硅晶圓間的間隙尺寸，配合適當(dāng)?shù)募す廨斎牍β蕦⒖商剿鞒旒す庠诠?藍(lán)寶石異質(zhì)微連接的可行性.

通過(guò)選用10 ps 脈寬的激光，在1 MHz 的高頻條件下，對(duì)硅-藍(lán)寶石體系進(jìn)行微連接試驗(yàn).為了驗(yàn)證藍(lán)寶石與硅片間隙的影響，二者間隙在1 μm 以下以及4 μm 以上的樣品被分別預(yù)制，并通過(guò)激光透過(guò)焊接技術(shù)進(jìn)行異質(zhì)互連.通過(guò)剪切力測(cè)試發(fā)現(xiàn)在間隙較小時(shí)，超快激光可以實(shí)現(xiàn)藍(lán)寶石與硅片的連接，并得到高強(qiáng)度接頭.此外高強(qiáng)度接頭產(chǎn)生的機(jī)理以及激光功率對(duì)接頭性能的影響被重點(diǎn)討論，并為超快激光在氧化物-半導(dǎo)體等大差異性硬脆材料的微連接提供指導(dǎo).

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備和材料

試驗(yàn)所用硅片均為(100)晶面的硼摻雜單晶硅，厚度為1 mm；藍(lán)寶石為C 面雙拋晶圓片，厚度為400 μm；兩種晶圓片均為正方形，寬度1 cm.試驗(yàn)采用的是德國(guó)TRUMPF 公司的TruMicro 2000光纖激光器，中心波長(zhǎng)為1 030 nm，輸出脈沖脈寬10 ps，重復(fù)頻率1 MHz.超快激光束通過(guò)NA=0.1 的透鏡聚焦于硅片與藍(lán)寶石界面處，聚焦光斑直徑40 μm，如圖1a 所示.焊接時(shí)，藍(lán)寶石處于硅片上方，并用特制夾具夾持，激光自上而下垂直輻照，焦點(diǎn)控制在界面位置，如圖1b 所示.預(yù)制連接樣品放在三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，激光運(yùn)動(dòng)路徑如圖1c所示，掃描的速度為1 mm/s.

1.2 材料預(yù)處理

超快激光進(jìn)行連接試驗(yàn)前，首先將硅片與藍(lán)寶石先放入丙酮中超聲清洗5 min，取出后硅片與藍(lán)寶石采用平嘴夾夾緊，隨后放入酒精中超聲5 min.超聲結(jié)束后將被夾持的樣品放入烘箱60 ℃烘干6 h，待樣品完全干燥后，換用專用自制夾具繼續(xù)夾持樣品進(jìn)行連接試驗(yàn).

1.3 抗剪強(qiáng)度測(cè)試

抗剪強(qiáng)度測(cè)試采用萬(wàn)能微力拉伸試驗(yàn)機(jī)，型號(hào)為JHY-5000.如圖2 所示，將兩片玻璃片分別與連接后的硅及藍(lán)寶石表面進(jìn)行粘貼，通過(guò)夾具夾持玻璃片并進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，得到樣品連接接頭斷裂所需要的力.后續(xù)表征出連接接觸面積，通過(guò)剪切力/接觸面積得到最終的抗剪強(qiáng)度.

1.4 結(jié)構(gòu)表征

連接接頭截面以及斷裂表面的形貌均采用RISE-MAGNA 型號(hào)掃描電鏡進(jìn)行表征，三維立體形貌采用VK-X3000VK 型號(hào)的共聚焦顯微鏡進(jìn)行表征，三離子束切割儀EM TIC 3X 用于接頭截面的拋光處理.

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 連接間隙

采用酒精以及丙酮對(duì)硅片和藍(lán)寶石進(jìn)行清潔，去除材料表面絕大多數(shù)的雜質(zhì).由于二者之間的不潤(rùn)濕性，即便是拋光后完全潔凈的硅與藍(lán)寶石，二者的弱分子間作用力無(wú)法維持緊密的連接，硅片與藍(lán)寶石很難實(shí)現(xiàn)光學(xué)接觸[13]；相比于水，乙醇溶液具有更小的表面張力，可以在硅片表面以及藍(lán)寶石表面進(jìn)行鋪展[14-15]；在酒精溶液超聲后，夾緊的硅片與藍(lán)寶石間會(huì)保留一層酒精，乙醇中的羥基可以與氧化鋁配位產(chǎn)生脫氫傾向[16]，而硅表面的氧化硅層也具有吸附乙醇分子的功能[17]，因此硅片與藍(lán)寶石之間的距離在乙醇分子層的作用下可進(jìn)一步拉近.烘干后乙醇分子揮發(fā)，夾具的存在可以繼續(xù)維持藍(lán)寶石與硅之間的微小間隙.在這種預(yù)處理?xiàng)l件下，藍(lán)寶石與硅間隙可以被控制在0.93 μm，如圖3 所示，而未經(jīng)過(guò)預(yù)處理直接采用夾具夾持的硅與藍(lán)寶石間隙為4.07 μm.針對(duì)藍(lán)寶石與硅間隙在1 μm 以下(即小間隙)以及間隙在4 μm 以上(即大間隙)的樣品，將采用不同超快激光功率(7～ 9 W)對(duì)比異質(zhì)微連接接頭的性能.

圖3 用于超快激光微連接的樣品截面掃描電鏡形貌Fig.3 Cross-sectional SEM images of samples for ultrafast laser microwelding. (a) pretreated sample with small gap (0.93 μm);(b) sample with large gap (4.07 μm)

2.2 抗剪強(qiáng)度

圖4 為連接樣品斷裂后藍(lán)寶石側(cè)斷面的掃描電鏡形貌，可以看出不同激光功率以及不同間隙條件下的樣品在連接過(guò)程后形成了多種形貌特征，通過(guò)識(shí)別連接區(qū)域的寬度，可以計(jì)算出每個(gè)樣品中的連接面積.后續(xù)對(duì)連接后樣品進(jìn)行剪切力測(cè)試，抗剪強(qiáng)度可通過(guò)剪切力/連接面積進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖5 所示.當(dāng)功率為7.5 W 時(shí)，小間隙下接頭強(qiáng)度達(dá)到2.9 MPa，這樣的連接強(qiáng)度滿足微機(jī)電系統(tǒng)中的實(shí)際使用要求[18]，并且接近傳統(tǒng)的粘合劑連接硅與藍(lán)寶石得到的接頭抗剪強(qiáng)度[19]，7.5 W 功率對(duì)應(yīng)了小間隙條件下互連接頭強(qiáng)度最高的情況.當(dāng)激光功率過(guò)低時(shí)，藍(lán)寶石側(cè)斷裂面沒(méi)有出現(xiàn)大量的接頭殘余結(jié)構(gòu)，證明此時(shí)硅與藍(lán)寶石形成的有效連接區(qū)域較?。划?dāng)功率更高時(shí)，此時(shí)小間隙條件下斷裂后的藍(lán)寶石表面出現(xiàn)大量氣孔等缺陷.過(guò)量的能量注入連接區(qū)域后會(huì)造成相爆炸等燒蝕現(xiàn)象，產(chǎn)生硅顆粒、碎片的飛濺行為，從而在接頭中引入氣孔等缺陷[20]，這些缺陷的存在使得功率大于7.5 W 時(shí)接頭強(qiáng)度存在減弱的現(xiàn)象.在大間隙預(yù)制結(jié)構(gòu)中，只有在激光功率大于8.5 W 時(shí)，連接強(qiáng)度才能達(dá)到0.5 MPa 以上，但低于1 MPa.圖4 與圖5 的結(jié)果表明，在7～ 8 W 范圍內(nèi)的激光功率下，小間隙條件下形成的接頭展現(xiàn)出遠(yuǎn)高于大間隙條件下形成的接頭強(qiáng)度，此外功率對(duì)接頭強(qiáng)度產(chǎn)生重要影響，小間隙條件功率為7.5 W 時(shí)形成接頭的強(qiáng)度達(dá)到最高(2.9 MPa)；大間隙條件功率為8.5 W 時(shí)形成接頭的強(qiáng)度達(dá)到最高(0.85 MPa).

圖4 不同功率異質(zhì)接頭藍(lán)寶石側(cè)斷面掃描電鏡形貌Fig.4 SEM images of fracture surface on sapphire side.(a) small-gap pretreated sample;(b) large-gap pretreated sample

圖5 不同功率預(yù)制結(jié)構(gòu)超快激光互連接頭抗剪強(qiáng)度Fig.5 Shear strength of ultrafast laser welded joints under different power of small-gap and large-gap pretreated samples

2.3 接頭形貌

為探究硅與藍(lán)寶石的連接機(jī)理，對(duì)接頭截面形貌進(jìn)行了掃描電鏡觀測(cè)，分析小間隙(7.5 W)與大間隙(8.5 W)的樣品.為了更好的表征接頭，三離子束切割儀對(duì)接頭截面進(jìn)行拋光處理.如圖6 所示，不同的間隙條件形成的接頭表現(xiàn)出截然不同的形貌.小間隙條件下形成的接頭形貌觀察不到明顯的氣孔和裂縫，而大間隙條件下形成的接頭暴露出更多的氣孔與缺陷，這可能與形成的連接區(qū)域大小有關(guān).通過(guò)元素的線掃描分布可以看出，小間隙條件下形成的元素混合區(qū)域?qū)挾戎挥?.1 μm，而大間隙條件下形成的元素混合區(qū)域?qū)挾冗_(dá)到了6.7 μm.

圖6 不同間隙接頭截面掃描電鏡圖和元素線掃描曲線Fig.6 Cross-sectional SEM images of welded joints and elements line scanning curves along sketched lines at different clearance.(a) SEM images of small-gap pretreated sample;(b)elemental line scanning of small-gap pretreated sample;(c) SEM images of large-gap pretreated sample;(d) elemental line scanning of large-gap pretreated sample

由圖6 可知，大間隙條件下連接時(shí)造成的熱影響區(qū)甚至遠(yuǎn)大于元素混合區(qū)域大小.由此可知，在連接過(guò)程中，當(dāng)連接材料的間隙較大時(shí)，為實(shí)現(xiàn)有效的材料互連，常需要更多的能量注入得到更大的熱影響區(qū)域以填補(bǔ)空隙.空隙的填補(bǔ)主要是由藍(lán)寶石完成,由此可以推斷，盡管硅是能量的首要吸收體，但最終熱量會(huì)通過(guò)熱對(duì)流以及熱擴(kuò)散轉(zhuǎn)移到藍(lán)寶石側(cè)，以此產(chǎn)生的藍(lán)寶石熔融和流動(dòng)，以及熔池內(nèi)藍(lán)寶石與硅的相互擴(kuò)散決定了最終的連接強(qiáng)度[21].當(dāng)藍(lán)寶石與硅的間隙較大時(shí)，藍(lán)寶石所需填補(bǔ)的區(qū)域就更大，在冷卻過(guò)程中更容易產(chǎn)生殘余應(yīng)力[9]，由此在接頭形成時(shí)，應(yīng)力的擴(kuò)展導(dǎo)致缺陷聚集，最終累積形成大的裂紋，同時(shí)過(guò)量的能量輸入導(dǎo)致材料的燒蝕現(xiàn)象嚴(yán)重，材料的損失進(jìn)一步導(dǎo)致氣孔的形成[22].當(dāng)藍(lán)寶石與硅的間隙較小時(shí)，藍(lán)寶石只需填充小的孔隙便可以接觸到硅，小的體積膨脹有利于緩解應(yīng)力的過(guò)度產(chǎn)生，從而遏制接頭處裂紋的形成.3.1 μm 范圍內(nèi)的元素混合區(qū)域表明藍(lán)寶石與硅發(fā)生了相互擴(kuò)散，相互混溶的原子如同無(wú)數(shù)個(gè)錨定點(diǎn)，可以將兩種材料“鎖”在一起[23].截面圖表征還證實(shí)在接頭形成后，硅與藍(lán)寶石之間的間隙進(jìn)一步得到減小.

2.4 斷裂形式

小間隙(7.5 W)以及大間隙(8.5 W)的接頭斷裂表面三維形貌如圖7 所示.二者表現(xiàn)出截然不同的形貌特征，在小間隙預(yù)制結(jié)構(gòu)形成的接頭斷裂后，藍(lán)寶石與硅表面均出現(xiàn)了凹坑和凸起；而大的間隙預(yù)制結(jié)構(gòu)接頭斷裂后出現(xiàn)硅側(cè)斷面大量材料凸起，藍(lán)寶石側(cè)斷面出現(xiàn)大量凹坑.對(duì)表面形貌的高度變化進(jìn)行量化后，所得結(jié)果如圖8 和圖9 所示.

圖7 不同間隙互連接頭斷裂表面三維形貌Fig.7 Three-dimensional topography of fracture surface of different joints.(a) small-gap pretreated sample;(b) largegap pretreated sample

圖8 小間隙互聯(lián)接頭斷裂表面光鏡圖和高度曲線Fig.8 Photographs and height profiles of fracture surfaces in small-gap pretreated sample.(a)photographs on the Si side in small-gap pretreated sample;(b) photographs on sapphire side in small-gap pretreated sample;(c) height profiles of fracture surface in small-gap pretreated sample

圖9 大間隙互聯(lián)接頭斷裂表面光鏡圖和高度曲線Fig.9 Photographs and height profiles of fracture surfaces in large-gap pretreated sample.(a)photographs on the Si side in large-gap pretreated sample;(b) photographs on sapphire side in large-gap pretreated sample;(c) height profiles of fracture surface in large-gap pretreated sample

小間隙互連接頭中，斷裂表面形貌的起伏高度在5 μm 以下，從高度曲線的變化趨勢(shì)可以看出在硅片表面的凹坑/凸起可以與藍(lán)寶石表面的凸起/凹坑相互對(duì)應(yīng)，這印證了互鎖結(jié)構(gòu)的存在.斷裂可以發(fā)生在硅片一側(cè)，也可以發(fā)生在藍(lán)寶石一側(cè)，這是由于形成互鎖結(jié)構(gòu)中，元素的擴(kuò)散混合是均勻的，接頭處并沒(méi)有應(yīng)力聚集易誘發(fā)斷裂的位置，因此斷裂均勻發(fā)生在連接區(qū)域.大間隙互連接頭中，斷裂表面形貌起伏更劇烈，硅表面凸起最高點(diǎn)甚至高于硅片表面14 μm，考慮到此時(shí)的材料連接區(qū)域在縱向高度只有不到7 μm，證明此處斷裂主要發(fā)生在藍(lán)寶石內(nèi)部.圖6 結(jié)果顯示，大間隙條件下形成的接頭容易在藍(lán)寶石側(cè)引入孔隙裂紋等缺陷，因此在施加外力破壞的過(guò)程中，缺陷會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)展直至臨界尺寸，最終導(dǎo)致斷裂發(fā)生，而接頭的斷裂會(huì)優(yōu)先選擇發(fā)生在藍(lán)寶石側(cè).

經(jīng)過(guò)以上分析可知，小間隙預(yù)制結(jié)構(gòu)形成穩(wěn)定的接頭得益于高能狀態(tài)下硅與藍(lán)寶石小范圍內(nèi)發(fā)生充分的相互擴(kuò)散，材料的適當(dāng)混合形成了互鎖結(jié)構(gòu)，斷開(kāi)時(shí)則需要足夠大的力破壞這一穩(wěn)定結(jié)構(gòu).相比之下，大間隙預(yù)制結(jié)構(gòu)為了形成有效連接，需要大量的能量注入到連接區(qū)域.雖然通過(guò)材料的混合實(shí)現(xiàn)了連接，但藍(lán)寶石內(nèi)部在冷卻過(guò)程中形成了大量缺陷.即便在8.5 和9 W 大功率條件下實(shí)現(xiàn)了連接，由于斷裂可以發(fā)生在脆弱的缺陷聚集位點(diǎn)處，使得接頭的連接強(qiáng)度并不高.

通過(guò)使用縮小晶圓片間隙的策略，在適當(dāng)?shù)娜肷浼す夤β氏?，超快激光將可?shí)現(xiàn)硅-藍(lán)寶石之間的有效微連接，并獲得抗剪強(qiáng)度達(dá)到2.9 MPa 的異質(zhì)接頭，滿足了微器件(如微流體器件)的實(shí)際應(yīng)用要求.值得注意的是，微連接過(guò)程中的熱影響區(qū)域被嚴(yán)格限定在異質(zhì)界面附近3 μm 的距離，極大緩解了超快激光連接過(guò)程中對(duì)晶圓片母材內(nèi)部造成過(guò)度損傷的可能.另外超快激光繼承了激光加工的可操作性強(qiáng)、選區(qū)加工等特點(diǎn)，相比于表面活化法、直接鍵合法，超快激光實(shí)現(xiàn)硅與藍(lán)寶石等大差異硬脆材料的連接的方法，并不需要苛刻的試驗(yàn)條件和復(fù)雜的試驗(yàn)步驟，同時(shí)精準(zhǔn)的熱輸入有利于保護(hù)晶圓片和可能的負(fù)載元件，從而使得超快激光微連接技術(shù)在晶圓片級(jí)別的微連接制造領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景.

3 結(jié)論

(1) 硅片與藍(lán)寶石預(yù)制結(jié)構(gòu)間隙小于1 μm 時(shí)，選用適當(dāng)?shù)募す夤β蔬M(jìn)行連接，可以通過(guò)硅與藍(lán)寶石的擴(kuò)散在界面位置形成互鎖結(jié)構(gòu)，從而強(qiáng)化接頭.

(2) 硅片與藍(lán)寶石預(yù)制結(jié)構(gòu)間隙大于4 μm 時(shí)，為填補(bǔ)大的空隙需采用較大的激光功率制造大的連接區(qū)域，但也因此在材料內(nèi)部引入了過(guò)度缺陷，造成了接頭的弱化.

(3) 縮小硅片與藍(lán)寶石的間隙可以減小連接的熱影響區(qū)，同時(shí)增加接頭的抗剪強(qiáng)度.

(4) 硅-藍(lán)寶石異質(zhì)結(jié)構(gòu)的微連接可以獲得最高2.9 MPa 的抗剪強(qiáng)度，同時(shí)連接區(qū)域控制在3 μm.