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)

摘    要:   針對(duì)表面帶有微結(jié)構(gòu)硅晶圓的封裝展開研究，以采用 Ti / Au 作為金屬過渡層的硅—硅共晶鍵合為對(duì)象，提出一種表面帶有微結(jié)構(gòu)的硅—硅共晶鍵合工藝，以親水濕法表面活化處理降低硅片表面雜質(zhì)含量，以微裝配平臺(tái)與鍵合機(jī)控制鍵合環(huán)境及溫度來保證鍵合精度與鍵合強(qiáng)度，使用恒溫爐進(jìn)行低溫退火，解決鍵合對(duì)硅晶圓表面平整度和潔凈度要求極高，環(huán)境要求苛刻的問題。高低溫循環(huán)測(cè)試試驗(yàn)與既定拉力破壞性試驗(yàn)結(jié)果表明: 提出的工藝在保證了封裝組件封裝強(qiáng)度的同時(shí)，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)。

關(guān)鍵詞: 晶片鍵合; 帶有微結(jié)構(gòu)硅晶圓; 共晶鍵合

中圖分類號(hào):   TP 212        文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:   A      文章編號(hào):   1000—9787( 2019) 06—0056—03

Bonding technology of silicon wafer with micro-structure on surface

ZHANG Dongpeng，CAI Anjiang，ZHOU Jiawei，ZHAI Yanzhao

( Shaanxi Key Laboratory of Nano Materials and Technology，Xi’an University of Architecture ＆ Technology， Xi’an 710055，China)

Abstract:  A novel Si-Si wafer bonding method is presented to achieve micro-structured surface silicon wafer package． Ti / Au is chosen as metal transition layer to ensure the bonding force． Hydrophilic wet method is used for surface treatment and to reduce the surface impurity content，micro assembly platform and bonding machine are used to control the bonding environment and temperature to ensure both precision and strength of bonding．Silicon wafer is annealed by using constant temperature furnace． This method can achieve bonding with low level silicon wafer surface and the degree of cleanliness requirements，harsh environmental requirements． The results of high and low temperature cycle test and the established tensile failure test show that this method ensures the strength of the packaging module，and has the advantages of low process temperature，easy realization of graphics and high degree of stress matching．

Keywords:   wafer bonding; micro-structured surface silicon wafer; eutectic bonding

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

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?

2) 120 ℃ 濃硫酸雙氧水混合( SPM) 溶液( 濃 H2 SO4 ∶H2O2= 3∶ 1) 浸泡處理 10 min，去離子水清洗，氮?dú)獯蹈?

1) 70 ℃ 氨水雙氧水混合( ＲCAI) 溶液( NH4 OH∶ H2 O2 =1∶ 1) 浸泡處理 15 min，去離子水清洗，氮?dú)獯蹈伞?/span>

 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。

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) 。

       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。

圖 5 破損的鍵合面

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。

參考文獻(xiàn):

［1］   TEE T Y，F(xiàn)AN X J，LAI Y S． Advances in wafer level packaging ( WLP)  ［J］． Microelectronics Ｒeliability，2010，50 ( 4 ) : 479 － 480．

［2］   TONG Q Y． Low temperature wafer direct bonding［J］． J MEMS，1994，31: 29 － 35．

［3］    CHENG Y T，LIN L W． Localized silicon fusion and eutectic bonding for MEMS fabrication and packaging［J］． J MEMS， 2000，9: 3 － 8．

［4］    ABOUIE M，LIU Q，IVEY D G． Eutectic and solid-state wafer bonding of silicon with gold［J］． Materials Science ＆ Enginee- ring B，2012，177( 20) : 1748 － 1758．

［5］   康興華． 多層硅直接鍵合技術(shù)的研究［D］． 南京: 東南大學(xué)，2011．

［6］ 陳穎慧，施志貴，鄭英彬，等． 金—硅共晶鍵合技術(shù)及其應(yīng)用［J］． 納米技術(shù)與精密工程，2015( 1) : 69 － 73．

［7］ 袁星，陶智，李海旺，等． 從雙層到多層帶有微結(jié)構(gòu)的硅硅直接鍵合技術(shù)研究［J］． 航空動(dòng)力 學(xué) 報(bào)，2016，31 (  11 ) : 2628 －2634．

［8］   王翔，張大成，李婷，等． 壓阻加速度計(jì)的 Au-Si 共晶鍵合［J］．半導(dǎo)體學(xué)報(bào)，2003，24( 3) : 332 － 335．

［9］ 張東梅，丁桂甫，汪紅，等． MEMS 器件氣密性封裝的低溫共晶鍵合工藝研究［J］． 傳感器與微系統(tǒng)，2006，25( 1) : 82 － 84．

［10］ TONG Q Y． Low temperature wafer direct bonding［J］． Journal of Microelectromechanical Systems，1994，3( 1) : 29 － 35．

［11］  WOLFFENBUTTEL Ｒ F． Low-temperature intermediate Au-Si wafer bonding eutectic or silicide bond［J］． Sensors and Actuators A: Physical，1997，62( 1 /2 /3) : 680 － 686．

［12］ JING E Ｒ，XIONG B，WANG Y L． The interface of Au / Si eutec- tic bonding studied by IＲ microscope［J］． Materials Letters， 2010，64( 7) : 827 － 829．

［13］ 陳繼超，趙湛，杜利東，等． 利用銀錫共晶鍵合技術(shù)的 MEMS 壓力傳感器氣密封裝［J］． 納米技術(shù)與精密工程，2013， 11( 2) : 174 － 178．

作者簡(jiǎn)介:

張棟鵬( 1994 － ) ，男，碩士，主要研究方向?yàn)槲⒓{執(zhí)行器件，E—mail: 296387731@ qq． com。

蔡安江( 1965 － ) ，男，教授，博士研究生導(dǎo)師，研究領(lǐng)域?yàn)闄C(jī)械制造。

（聲明：本文為技術(shù)引用，侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系刪除）