硅片键合技术摘要

摘要：硅片键合技术是指通过化学和物理作用将硅片与硅片、硅片与玻璃或其它材料紧密地结合起来的方法。硅片键合往往与表面硅加工和体硅加工相结合，用在 MEMS 的加工工艺中。常见的硅片键合技术包括金硅共熔键合、 硅 / 玻璃静电键合、 硅 / 硅直接键合以及玻璃焊料烧结等。 文中将讨论这些键合技术的原理、工艺及优缺点。关键词： MEMS、金硅共熔、阳极键合、硅硅直接键合、烧结文章编号： 1006-883X（ 2002） 09-0002-05 文献标识码： A 中图分类号： TP205一、引言微机电系统 MEMS（ Micro-Electro-Mechanical Systems ）是微电子技术在精密机械加工领域应用的辉煌成果。从广义上讲， MEMS是指集微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的微型机电系统。 MEMS器件和系统具有体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、性能优良、功能强大、可批量生产等传统传感器无法比拟的优点。目前，对 MEMS的研究主要还是基于硅材料。 MEMS中的微机械加工工艺主要有表面硅加工工艺和体硅加工工艺。表面硅加工的关键是硅片表面结构层和牺牲层的制备和腐蚀，以硅（单晶或多晶） 薄膜作为机械结构。 这种工艺可以利用与集成电路工艺兼容或相似的平面加工手段，但它的纵向加工尺寸往往受到限制（只有 2 5 m）。体硅微加工工艺是用湿法或干法腐蚀对硅片进行纵向加工的三维加工技术，但它与集成电路平面工艺兼容性不太好。随着微机械加工工艺的飞速发展， 不断有新的工艺方法出现。 硅片键合技术可以将表面加工和体加工有机地结合在一起。 键合是指通过化学和物理作用将硅片与硅片、 硅片与玻璃或其它材料紧密地结合起来的方法。 硅片键合虽然不是微机械加工的直接手段， 却在微机械加工中有着重要地位。它往往与其他手段结合使用，既可对微结构进行支撑和保护，又可实现机械结构之间或机械结构与电路之间的电学连接。目前，硅片键合技术主要有金硅共熔法、硅 / 玻璃阳极键合法、硅 / 硅直接键合法和玻璃焊料烧结法等。二、金硅共熔金硅共熔键合常用于微电子器件的封装中，用金硅焊料将管芯烧结在管座上。 1979年这一技术用在了压力变送器上。 金硅焊料是金硅二相系（硅含量为 19at.% ），熔点为 363 C， 要比纯金或纯硅的熔点低得多 （见图 1） 。在工艺上使用时，它一般被用作中间过渡层，置于欲键合的两片之间， 将它们加热到稍高于金硅共熔点的温度。 在这种温度下， 金硅混合物将从与其键合的硅片中夺取硅原子以达到硅在金硅二相系中的饱和状态， 冷却以后就形成了良好的键合。利用这种技术可以实现硅片之间的键合。然而，金在硅中是复合中心，能使硅中的少数载流子寿命大大降低。许多微机械加工是在低温下处理的，一般硅溶解在流动的金中，而金不会渗入到硅中，硅片中不会有金掺杂。这种硅 -硅键合在退火以后，由于热不匹配会带来应力，在键合中要控制好温度。金硅共熔中的硅 - 硅键合工艺是，先热氧化 P 型（ 100）晶向硅片，后用电子束蒸发法在硅片上蒸镀一层厚 30nm 的钛膜， 再蒸镀一层 120nm 的金膜。 这是因为钛膜与 SiO 2 层有更高的粘合力。最后，将两硅片贴合放在加热器上，加一质量块压实，在 350 400 C温度下退火。实验表明，在退火温度 365 C，时间 10 分钟，键合面超过 90%。键合的时间和温度是至关重要的。除金之外， Al 、 Ti 、 PtSi 、 TiSi 2 也可以作为硅 - 硅键合的中间过渡层。三、硅玻璃静电键合静电键合又称场助键合或阳极键合。静电键合技术是 Wallis 和 Pomerantz 于 1969 年提出的[1] 。 它可以将玻璃与金属、 合金或半导体键合在一起而不用任何粘结剂。这种键合温度低、键合界面牢固、长期稳定性好。静电键合装置如图 2 所示。 把将要键合的硅片接电源正极， 玻璃接负极， 电压 500 1000V。将玻璃 - 硅片加热到 300 500 C。在电压作用时，玻璃中的 Na+将向负极方向漂移，在紧邻硅片的玻璃表面形成耗尽层，耗尽层宽度约为几微米。耗尽层带有负电荷，硅片带正电荷，硅片和玻璃之间存在较大的静电引力，使二者紧密接触。这样外加电压就主要加在耗尽层上。通过电路中电流的变化情况可以反映出静电键合的过程。刚加上电压时，有一个较大的电流脉冲，后电流减小，最后几乎为零，说明此时键合已经完成。静电键合中，静电引力起着非常重要的作用。例如，键合完成样品冷却到室温后，耗尽层中的电荷不会完全消失，残存的电荷在硅中诱生出镜象正电荷，它们之间的静电力有 1M P a左右。可见较小的残余电荷仍能产生可观的键合力。另外，在比较高的温度下，紧密接触的硅/ 玻璃界面会发生化学反应，形成牢固的化学键，如 Si-O-Si 键等。如果硅接电源负极，则不能形成键合，这就是“阳极键合”名称的由来。静电键合后的硅 / 玻璃界面在高温、常温 - 高温循环、高温且受到与键合电压相反的电压作用等各种情况下进行处理 [2] ，发现：（ 1）硅 / 玻璃静电键合界面牢固、稳定的关键是界面有足够的 Si-O 键形成；（ 2）在高温或者高温时施加相反的电压作用后，硅 / 玻璃静电键合界面仍然牢固、稳定；（ 3）静电键合失败后的玻璃可施加反向电压再次用于静电键合。影响静电键合的因素有很多，主要包括：（ 1）两静电键合材料的热膨胀系数要近似匹配，否则在键合完成冷却过程中会因内部应力较大而破碎；（ 2）阳极的形状影响键合效果。常用的有点接触电极和平行板电极。点接触电极，键合界面不会产生孔隙，而双平行板电极，键合体界面将有部分孔隙，键合的速率比前者快；（ 3）表面状况对键合力也有影响。键合表面平整度和清洁度越高，键合质量越好。表面起伏越大，静电引力越小。表面相同的起伏幅度，起伏越圆滑的情况静电引力越大。静电键合时的电压上限是玻璃不被击穿， 下限是能够引起键合材料弹性、 塑性或粘滞流动而变形，有利于键合。硅 / 玻璃键合时，硅上的氧化层厚度一般要小于 0.5 m[3] 。静电键合技术还可以应用于金属与玻璃， FeNiCo 合金与玻璃以及金属与陶瓷等的键合。四、硅硅直接键合两硅片通过高温处理可以直接键合在一起，不需要任何粘结剂和外加电场，工艺简单。这种键合技术称为硅 - 硅直接键合 （ SDB— Silicon Direct Bonding ）技术。直接键合工艺是由 Lasky 首先提出的 [4] 。硅 - 硅直接键合工艺如下：（ 1） 将两抛光硅片 （氧化或未氧化均可） 先经含的溶液浸泡处理；（ 2）在室温下将两硅片抛光面贴合在一起；（ 3） 贴合好的硅片在氧气或氮气环境中经数小时的高温处理， 这样就形成了良好的键合。直接键合工艺相当简单。键合的机理 [5] 可用三个阶段的键合过程加以描述。第一阶段，从室温到 200 C，两硅片表面吸附 OH团，在相互接触区产生氢键。在 200 C时，形成氢键的两硅片的硅醇键之间发生聚合反应，产生水及硅氧键，即Si-OH+HO-Si →Si-O-Si+H 2O。到 400 C时，聚合反应基本完成。第二阶段温度在 500 800 C范围内， 在形成硅氧键时产生的水向 SiO2 中的扩散不明显， 而OH团可以破坏桥接氧原子的一个键使其转变为非桥接氧原子，即：HOH+Si-O-Si=2 +2Si- 。第三阶段，温度高于 800 C后，水向 SiO 2中扩散变得显著，而且随温度的升高扩散量成指数增大。键合界面的空洞和间隙处的水分子可在高温下扩散进入四周 SiO2 中，从而产生局部真空，这样硅片会发生塑性变形使空洞消除。同时，此温度下的 SiO 2 粘度降低，会发生粘滞流动，从而消除了微间隙。 超过 1000 C 时， 邻近原子间相互反应产生共价键， 使键合得以完成 （见图 3） 。在键合前， 对硅片进行表面处理， 使其表面吸附是至关重要的。对于热氧化的镜面抛光的硅片而言 [6] ，热氧化的 SiO2 具有无定型的石英玻璃网格结构。 在 SiO 2 膜的表面和体内，有一些氧原子处于不稳定状态。在一定条件下，它们可得到能量而离开硅原子，使表面产生悬挂键。有许多种方法可以增加热氧化的硅表面的悬挂键。 等离子体表面活化处理就是一种方法。 对于原始抛光硅片，纯净的的硅片表面是疏水性的，若将其浸入在含有氧化剂的溶液中，瞬间会在硅片表面吸附一层单氧层。随着溶液温度的提高（ 75 C 110 C），单氧层会向一氧化物、二氧化物过渡。由化学溶液形成的硅氧化物表面有非桥键的羟基存在， 所以这有利于硅片的室温键合。常用的亲水液有硫酸双氧水、稀硝酸、氨水等。键合良好的硅片，其键合强度可高达 12MPa以上，这需要良好的键合条件。首先是温度，两硅片的键合最终是靠加热来实现的，因此，温度在键合过程中起着关键的作用。其次是硅片表面的平整度。 抛光硅片或热氧化硅片表面并不是理想的镜面， 而总是有一定的起伏和表面粗糙度。如果硅片有较小的粗糙度，则在键合过程中，会由于硅片的弹性形变或者高温下的粘滞回流，使两键合片完全结合在一起，界面不存在孔洞。若表面粗糙度很大，键合后就会使界面产生孔洞。最后，就是表面的清洁度。如果键合工艺不是在超净环境中进行的，则硅片表面就会有一些尘埃颗粒，尘埃颗粒是键合硅片产生孔洞的主要根源之一。例如，若硅片厚 350μ m，颗粒直径 1μ m，则引起的孔洞直径为 4.2mm。可见，粘污粒子对键合的影响程度。此外，室温下贴合时陷入界面的气体也会引起孔洞。硅 - 硅直接键合工艺不仅可以实现 Si-Si 、 Si-SiO 2 和 SiO 2-SiO 2 键合，而且还可以实现 Si-石英、 Si-GaAs 或 InP 、 Ti-Ti 和 Ti-SiO 2 键合。另外，在键合硅片之间夹杂一层中间层，如低熔点的硼硅玻璃等，还可以实现较低温度的键合，并且也能达到一定的键合强度，这种低温键合可与硅半导体器件常规工艺兼容 [7] 。五、玻璃焊料烧结压力传感器芯片与基座的封接质量是影响传感器性能的重要因素。 当前， 静电封接是国内外比较流行的一种工艺，它具有封接强度高、重复性好、气密性高等优点。但是该方法工艺复杂，条件要求严格，生产效率低、成本高。有时还会出现一些反常现象（开裂、自动脱落等）。低温玻璃焊料封接工艺简单、封接强度高、密封效果好，尤其适合大批量生产（见图 4 普通封接结构）。所谓烧结，是将颗粒状陶瓷坯体（或玻璃粉）置于高温炉中，使其致密化形成强固体材料的过程。烧结开始后首先排除坯料颗粒间空隙，使相应的相邻粒子结合成紧密体。烧结过程必须具备两个基本条件：（ 1）应该存在物质迁移的机理；（ 2）必须有一种能量（热能）促进和维持物质迁移。对于应用玻璃焊料进行封接的材料来说还要求（ 1）材料要与焊料玻璃的热胀系数很接近；（ 2）封接温度要低于被封接材料的耐热极限温度。对于压力传感器芯片与玻璃基座的封接，封接温度至少应低于 550 C，而 Al-Si 共熔点 577 C， 芯片上的铝引线不会被破坏。 有文献 [8] 提出， 参考 ZnO-B2O3-PbO 三元系相图选出一种结晶性焊料玻璃，其屈服温度为 460 C，该焊料与玻璃基座有良好浸润性。 首先进行玻璃焊料配制，然后在 900 C高温炉内熔化，接着玻璃液淬火，研磨得焊料，再用去离子水将焊粉调糊涂于封接处，最后红外干燥， 530 C烧结 30min ，自然冷却。六、结论以上介绍的一些硅片键合技术，都有各自的优点和缺点，可以根据情况选择使用。比如，静电键合大多数用于密封封接，作为传感器芯片的一部分，但这可能会存在电信号干扰；采用硅 - 硅直接键合就不存在静电问题，也没有玻璃与硅片热胀系数不同而带来的应力问题，并且工艺简单。但是现在在这方面的应用还不成熟。其实，不论哪种技术，都需要继续研究探索，需要从实际应用中积累经验，扩展应用领域，甚至发现其它的硅片键合技术。参考文献[1]. G.Wallis, et al.,Field assisted glass-metal sealing[J]. Appl. Phys. , 1969, Vol40(10):3946[2]. 王蔚， 刘晓为， 刘玉强， 王喜莲 . 静电键合在高温压力传感器中的应用 [J]. 传感器技术，1999, Vol.18(1): 42[3]. 黄庆安，童勤义 . SiO 2 钝化膜对硅 / 玻璃静电键合的影响 [J]. 半导体学报， 1995, Vol.16(5):391[4]. J.B.Lasky, et al., Silicon-on-insulator by bonding and etch back[C], Proc.Int.Electron Device Meeting, USE, 684 ～ 687(1985)[5]. 黄庆安 . 硅微机械加工技术 [M]. 科学出版社， 1996， 229～ 256[6]. 赵策洲，高勇 . 半导体硅基材料及其光波导 [M]. 电子工业出版社， 1997， 50～ 58[7]. L.A.Field, et al., Fusing Silicon Wafers with Low Melting Temperature Glass[J], Sensors and Actuators , Vol.A21~23, p.935, 1990 [8]. 沈今楷等，压力传感器芯片的低温玻璃封接技术 [J]. 传感器技术， 1999, Vol.18(1):1012