微系統(tǒng)封裝技術-鍵合技術

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1、硅片鍵合技術硅片鍵合技術硅片鍵合技術是指通過化學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合起來的方法。硅片鍵合往往與表面硅加工和體硅加工相結合，用在MEMS的加工工藝中。常見的硅片鍵合技術包括金硅共熔鍵合、硅/玻璃靜電鍵合、硅/硅直接鍵合以及玻璃焊料燒結等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在管座上。1979年這一技術用在了壓力變送器上。金硅焊料是金硅二相系（硅含量為19at.%），熔點為363°C，要比純金或純硅的熔點低得多。在工藝上使用時，它一般被用作中

2、間過渡層，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。利用這種技術可以實現(xiàn)硅片之間的鍵合金在硅中是復合中心，能使硅中的少數(shù)載流子壽命大大降低。許多微機械加工是在低溫下處理的，一般硅溶解在流動的金中，而金不會滲入到硅中，硅片中不會有金摻雜。這種硅-硅鍵合在退火以后，由于熱不匹配會帶來應力，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

3、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。這是因為鈦膜與SiO2層有更高的粘合力。最后，將兩硅片貼合放在加熱器上，加一質量塊壓實，在350~400°C溫度下退火。實驗表明，在退火溫度365°C，時間10分鐘，鍵合面超過90%。鍵合的時間和溫度是至關重要的。除金之外，Al、Ti、Pt也可以作為硅-硅鍵合的中間過渡層硅玻璃靜電鍵合靜電鍵合又稱場助鍵合或陽極鍵合。靜電鍵合技術是Wallis和Pomerantz于1969年提出的。它可以將玻璃與金屬、合金或半導體鍵合在一起而不用任何

4、粘結劑。這種鍵合溫度低、鍵合界面牢固、長期穩(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，玻璃接負極，電壓500~1000V。將玻璃-硅片加熱到300~500°C。在電壓作用時，玻璃中的Na將向負極方向漂移，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。通過電路中電流的變化情況可以反映出靜電鍵合的過程。剛加上電壓時，有一個較大的電流脈沖，后電流減小，最后幾乎為零，說明此時

5、鍵合已經(jīng)完成靜電鍵合中，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/玻璃界面會發(fā)生化學反應，形成牢固的化學鍵，如Si-O-Si鍵等。如果硅接電源負極，則不能形成鍵合，這就是“陽極鍵合”名稱的由來。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行處理，發(fā)現(xiàn)：（1）硅/玻璃

6、靜電鍵合界面牢固、穩(wěn)定的關鍵是界面有足夠的Si-O鍵形成；（2）在高溫或者高溫時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程中會因內部應力較大而破碎；（2）陽極的形狀影響鍵合效果。常用的有點接觸電極和平行板電極。點接觸電極，鍵合界面不會產(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）表面狀況對鍵合力也有影響

7、。鍵合表面平整度和清潔度越高，鍵合質量越好。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、塑性或粘滯流動而變形，有利于鍵合。硅/玻璃鍵合時，硅上的氧化層厚度一般要小于0.5mm。靜電鍵合技術還可以應用于金屬與玻璃，F(xiàn)eNiCo合金與玻璃以及金屬與陶瓷等的鍵合。硅硅直接鍵合兩硅片通過高溫處理可以直接鍵合在一起，不需要任何粘結劑和外加電場，工藝簡單。這種鍵合技術稱為硅-硅直接鍵合（SDB—SiliconDirec

8、tBonding）技術。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氣環(huán)境中經(jīng)數(shù)小時的高溫處理，這樣就形成了良好的鍵合。直接鍵合工藝相當簡單。鍵合的機理可用三個階段的鍵合過程加以描述。第一階段，從室溫到200°C，兩硅片表面吸附OH團，在相互接觸區(qū)產(chǎn)生氫鍵。在200°C時，形成氫鍵的兩硅片的硅醇鍵