專利名稱：：一種基于金錫共晶的硅/硅鍵合方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明所屬領(lǐng)域?yàn)槲C(jī)電系統(tǒng)(MEMS)和集成電路(IC)封裝技術(shù)，具體涉及一種基于金錫共晶的硅/硅鍵合方法。現(xiàn)有技術(shù)微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)是微電子學(xué)與微機(jī)械學(xué)相互融合的產(chǎn)物，它將集成電路(IC)制造工藝中的硅微細(xì)加工技術(shù)和機(jī)械工業(yè)中的微機(jī)械加工技術(shù)結(jié)合起來，制造出機(jī)、電一體甚至光、機(jī)、電一體的新器件。經(jīng)過十幾年的發(fā)展，MEMS芯片已經(jīng)相當(dāng)成熟，但是很多芯片卻沒有作為產(chǎn)品得到實(shí)際應(yīng)用，其主要原因是沒有解決封裝問題。事實(shí)上只有已封裝的MEMS器件才能成為產(chǎn)品，才能投入使用，否則只能停留在實(shí)驗(yàn)室階段。目前的MEMS封裝技術(shù)大都是由集成電路封裝技術(shù)發(fā)展和演變而來的，但MEMS封裝完全不同于傳統(tǒng)IC封裝。傳統(tǒng)IC封裝的目的是提供IC芯片的物理支撐，保護(hù)其不受環(huán)境的干擾與破壞，同時(shí)實(shí)現(xiàn)與外界的信號(hào)、能源與接地的電氣互連。MEMS器件或系統(tǒng)既要感知外部世界，同時(shí)又要依據(jù)感知結(jié)果作出對(duì)外部世界的動(dòng)作反應(yīng)，由于這種與外部環(huán)境的交互作用關(guān)系以及自身的復(fù)雜結(jié)構(gòu)使得對(duì)MEMS的封裝除了高密度封裝所面臨的多層互聯(lián)、散熱問題、可靠性問題、可測(cè)試性問題之外，還要考慮將MEMS芯片、封裝與工作環(huán)境作為一個(gè)交互作用的系統(tǒng)來設(shè)計(jì)MEMS的封裝。因此，MEMS封裝成本很高，一般占整個(gè)MEMS器件成本的70％左右。鍵合是MEMS及IC工藝中的一項(xiàng)重要技術(shù)。在已有的封裝工藝中，例如熔融和陽極鍵合，都面臨著溫度高，時(shí)間長，平面度要求高以及可能對(duì)電路造成損害等問題。例如硅/硅直接鍵合要求兩平面底板的鍵合溫度超過1000℃。而硅/玻璃陽極鍵合要獲得成功則要求表面粗糙度＜1μm。另一方面，盡管焊料焊接技術(shù)在低溫條件下的焊料回流是可能的，并且在MEMS封裝的應(yīng)用方面也是可行的，然而在以往焊料中為了改進(jìn)防潮能力而用的助焊劑卻為氣密封裝帶來一系列污染問題。為了改進(jìn)當(dāng)前的鍵合工藝，新的焊接技術(shù)必須朝著低溫，低成本以及對(duì)表面粗糙程度不太敏感這些方面改進(jìn)。目前廣泛應(yīng)用的芯片鍵合材料有四種合金硬焊料，合金軟焊料，玻璃焊料和有機(jī)焊料。由于有機(jī)焊料價(jià)格低廉且性能良好，因而在應(yīng)用方面占主導(dǎo)地位。但由于有機(jī)焊料在力學(xué)、導(dǎo)電、導(dǎo)熱、氣密性等方面的明顯不足，因而在可靠性要求比較高的場(chǎng)合仍廣泛使用合金焊料。合金硬焊料和軟焊料有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。軟焊料雖可用于大芯片的焊接，但由于焊接過程需要助焊劑，且使用溫度低，很少用于MEMS鍵合。硬焊料鍵合溫度高，速度快，一般不需要助焊劑，焊層強(qiáng)度高且可耐受較高的使用溫度，但由于焊層內(nèi)的殘余熱應(yīng)力大，易導(dǎo)致芯片開裂，故一般只適用于芯片尺寸小于1×1mm2，且芯片和襯底的熱膨脹系數(shù)相差不大的情況下的鍵合。最常用的硬焊料是Au/Si和Au/Sn共晶焊料。Au/Si鍵合通常以鉻或鈦?zhàn)鳛橹虚g層，濺射在硅(氧化硅)基體和金膜之間，以獲得金與硅之間良好的粘結(jié)性能。Au/Si鍵合是一種經(jīng)過退火后，硅片之間產(chǎn)生Au/Si共晶反應(yīng)的鍵合，鍵合面之間有共晶硅化物粘結(jié)相形成。由于鍵合面的污染和氧化將嚴(yán)重影響鍵合的實(shí)現(xiàn)，故Au/Si鍵合需在真空或惰性氣體環(huán)境中進(jìn)行，成本較高。Au/Sn共晶鍵合由于熔點(diǎn)較低(Au/20Sn，表示合金中含20％重量的錫，其共晶溫度為280℃)，鍵合強(qiáng)度高，在微電子封裝中應(yīng)用較多。文獻(xiàn)1([1]RickyW.Chuang，DongwookKim，JeonyPark，et.al，AfluxlessAu-Snbondingprocessoftin-richcompositionsachievedinambientair，2002Electroniccomponentsandtechnologyconference.pp134-137)介紹了一種采用多層膜結(jié)構(gòu)、兩種合金配比的Au/Sn共晶焊方法，由于在管式爐中進(jìn)行該鍵合，升溫時(shí)的壓力控制和測(cè)量比較困難；由于金屬錫易在空氣中氧化，文獻(xiàn)2、3([2]GoranS.Matuasevic，ChenY.Wang，ChinC.Lee，Voidfreebondingoflargesilicondiceusinggold-tinalloys，IEEEtransactionsoncomponents，hybridsandmanufacturingtechnology.pp1128-1134，Vol.13，No.4，Dec.1990)[3]MasanoriNishiguchi，NoboruGotoandHideakiNishizawa，HighlyreliableAu-SneutecticbondingwithbackgroundGaAsLSIchips，IEEEtransactionsoncomponents，hybridsandmanufacturingtechnology.pp1128-1134，Vol.14，No.3，Sept.1991)采用共晶成分的Au/Sn焊片，分別在充填N2的退火爐和吹H2的鍵合機(jī)中實(shí)現(xiàn)了Au/Sn共晶焊，通過手動(dòng)擦試法(scrubbingaction)去除表面氧化層，鍵合質(zhì)量高，但對(duì)于有圖形的鍵合對(duì)準(zhǔn)造成不便(焊料片厚度為20-50um，難以操作)，且成本較高；文獻(xiàn)4(見[4]ViorelAvramescu，klasHjort.EpitaxiallayertransferusingthinfilmSnsoldering，suitableforhybridintegrationinacoplanartechnology[J].IEEEtransactionsoncomponents，hybridsandmanufacturingtechnology.p395-398，Vol.24，No.3，Sept.2001)采用厚度為0.9um的金屬錫層在電熱板上實(shí)現(xiàn)了InP和Si鍵合，由于錫層較薄，鍵合面積僅為1mm2。等溫凝固過程是液體/固體的相互擴(kuò)散、反應(yīng)的過程。在這一過程中，一種低熔點(diǎn)元素和一種高熔點(diǎn)元素在比低熔點(diǎn)元素的熔點(diǎn)略高的溫度下發(fā)生反應(yīng)擴(kuò)散，最終可形成熔點(diǎn)比擴(kuò)散溫度高的金屬間化合物或固溶體。由于反應(yīng)過程中液相的出現(xiàn)，該過程比一般固相擴(kuò)散要快得多。文獻(xiàn)5(見[5]王鐵兵，施建中，謝曉明.Au/In等溫凝固芯片焊接工藝研究[J].功能材料與器件學(xué)報(bào)，Vol.5，No.4，1999.12)介紹了在硅襯底和鐵合金襯底上基于等溫凝固原理的Au/In鍵合。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提出一種基于金錫共晶的硅/硅鍵合方法，該方法克服了上述Au/Sn共晶鍵合存在的兩大難題錫表面易氧化影響鍵合質(zhì)量和只能實(shí)現(xiàn)小面積鍵合。本發(fā)明提供的一種基于金錫共晶的硅/硅鍵合方法，依次包括以下步驟(1)清洗待鍵合的硅片表面；(2)硅帽層制備通過濺射法，在帽層的待鍵合處表面鍍10-20nm厚的Cr膜，然后蒸發(fā)或電鍍3-10um厚Au膜；(3)硅襯底制備通過濺射法，在襯底的待鍵合處表面依次鍍10-20nm厚的Cr膜和200-500nm厚的Au膜，然后通過蒸發(fā)或電鍍法鍍2-8um的Sn膜和100-200nm厚的Au膜；(4)將硅襯底和硅帽層的鍍膜面相對(duì)并放置在用于鍵合的電熱板上，電熱板通電升溫至320-350℃，并施加0.2-1.0MPa的壓力，加壓時(shí)間為3-5分鐘，然后撤除壓力，鍵合硅片繼續(xù)保留在電熱板上直至AuSn反應(yīng)充分，冷卻后即可得到金錫共晶鍵合片；在鍵合過程中向電熱板區(qū)通入惰性氣體，以防止Sn氧化。本發(fā)明利用金屬錫的等溫凝固過程和金錫共晶焊原理進(jìn)行硅/硅鍵合。它采用Au/Sn的多層膜結(jié)構(gòu)，通過在電熱板上加溫加壓的方式實(shí)現(xiàn)了Au/Sn共晶鍵合。由于錫層表面鍍有一定厚度的金膜(鍍錫、鍍金膜在真空中一次完成)，在短時(shí)間加熱鍵合過程中，通過在熱板區(qū)通惰性氣體，減少了錫層的氧化。通過調(diào)整Au、Sn膜層厚度，完成了較大面積的硅片間的Au/Sn共晶鍵合。本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)中錫表面易氧化影響鍵合質(zhì)量和只能實(shí)現(xiàn)小面積鍵合的問題，且無須在真空條件下封裝，具有鍵合速度快、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)。圖1-1為硅帽層膜結(jié)構(gòu)圖，1-2為硅襯底膜層結(jié)構(gòu)圖；圖2為帽層表面掃描電鏡(SEM)照片(10000×)；圖3為襯底掃描電鏡(SEM)照片(10000×)；圖4為實(shí)例1鍵合面剖開后襯底表面的掃描電鏡(SEM)照片(5000×)；圖5為實(shí)例2鍵合面剖開后襯底表面顯微照片(400×)。具體實(shí)施例方式實(shí)例11)清洗硅片單面拋光的P型<100>硅圓片采用濃硫酸和雙氧水(體積比為4∶1)配置的硅片清洗液加熱煮沸10min，再用丙酮超聲清洗10min，然后用無水乙醇超聲清洗10min，再用去離子水(DI)超聲10min，最后用DI漂洗干凈，在勻膠機(jī)上甩干并在熱板上加熱去濕，熱板溫度為120℃，時(shí)間10min；2)帽層制備通過濺射法在硅園片3表面鍍10nm厚的Cr膜2，然后蒸發(fā)3um厚Au膜1。帽層膜結(jié)構(gòu)如圖1-1所示，微觀結(jié)構(gòu)如圖2所示；3)襯底制備通過濺射法在硅園片8表面依次鍍20nm厚的Cr膜7和200nm厚的Au膜6，然后通過蒸發(fā)鍍2um的Sn膜5和200nm厚的Au膜4。襯底結(jié)構(gòu)如圖1-2所示，微觀結(jié)構(gòu)如圖3所示；4)將鍍膜完畢的硅圓片切割成1cm×1cm大小的劃片；5)將置于底板上的電熱板通電升溫至330±10℃，然后將配對(duì)好(鍍膜面相對(duì))的襯底和帽層一起放置在電熱板上，通過調(diào)節(jié)彈簧施加1.0MPa的壓力(壓力通過壓力傳感器測(cè)定)，為防止因硅片厚度不均所導(dǎo)致的局部受力不均勻、或壓力過大引起的鍵合片碎裂，在鍵合襯底片下墊上一層厚度為0.1mm的聚四氟乙烯生料帶，加壓時(shí)間為3min，然后撤除壓力，鍵合片繼續(xù)保留在電熱板上一定時(shí)間以使AuSn反應(yīng)充分，冷卻后即可得到完整的金錫共晶片。鍵合過程中向電熱板區(qū)通N2以防止Sn氧化，氣體流量為1-2l/min。這一步驟可以采用共晶貼片機(jī)或其它鍵合設(shè)備完成。根據(jù)上述介紹的方法和步驟，實(shí)際完成了1cm×1cm大小硅片的硅/硅鍵合，經(jīng)檢測(cè)，鍵合面積達(dá)到90％以上，鍵合面的剪切強(qiáng)度達(dá)到3.5MPa。鍵合面剖開后的掃描電鏡照片(SEM)如圖4所示。實(shí)例2按照實(shí)例1工藝進(jìn)行，調(diào)整內(nèi)容為帽層制備中采用電鍍法獲得Au膜1，厚度為7um，襯底制備中濺射Au膜6厚度為500nm，電鍍Sn膜5厚度為5um，鍵合時(shí)電熱板溫度為340±10℃，施加壓力為0.5MPa，加壓時(shí)間為5min，所得到的鍵合面的剪切強(qiáng)度為3.7MPa，其它參數(shù)如圖實(shí)例1相同。鍵合面破開后的微觀照片如圖5所示。實(shí)例3按照實(shí)例1工藝進(jìn)行，調(diào)整內(nèi)容為帽層制備中采用電鍍法獲得Au膜1，厚度為10um，襯底制備中濺射Au膜6厚度為500nm，電鍍Sn膜5厚度為8um，鍵合時(shí)電熱板溫度為340±10℃，施加壓力為0.2MPa，加壓時(shí)間為5min，所得到的鍵合面的剪切強(qiáng)度為4.0MPa。其它參數(shù)如圖實(shí)例1相同。本發(fā)明中，硅帽層和硅襯底上的Au層厚度之和與Sn層厚度之比約為3∶2時(shí)，其技術(shù)效果更好。權(quán)利要求1.一種基于金錫共晶的硅/硅鍵合方法，依次包括以下步驟(1)清洗待鍵合的硅片表面；(2)硅帽層制備通過濺射法，在帽層的待鍵合處表面鍍10-20nm厚的Cr膜，然后蒸發(fā)或電鍍3-10um厚Au膜；(3)硅襯底制備通過濺射法，在襯底的待鍵合處表面依次鍍10-20nm厚的Cr膜和200-500nm厚的Au膜，然后通過蒸發(fā)或電鍍法鍍2-8um的Sn膜和100-200nm厚的Au膜；(4)將硅襯底和硅帽層的鍍膜面相對(duì)并放置在用于鍵合的電熱板上，電熱板通電升溫至320-350℃，并施加0.2-1.0MPa的壓力，加壓時(shí)間為3-5分鐘，然后撤除壓力，鍵合硅片繼續(xù)保留在電熱板上直至AuSn反應(yīng)充分，冷卻后即可得到金錫共晶鍵合片；在鍵合過程中向電熱板區(qū)通入惰性氣體，以防止Sn氧化。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟(4)中，在硅襯底下墊一層耐高溫柔性薄層。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于步驟(2)和(3)中，鍍膜過程中控制硅襯底和硅帽層中的Au/Sn膜的厚度比約為3∶2。全文摘要本發(fā)明屬于MEMS和IC封裝技術(shù)，具體為一種基于金錫共晶的硅/硅鍵合方法。該方法采用Au/Sn的多層膜結(jié)構(gòu)，通過在電熱板上加溫加壓的方式實(shí)現(xiàn)了Au/Sn共晶鍵合。由于錫層表面鍍有一定厚度的金膜(鍍錫、鍍金膜在真空中一次完成)，在短時(shí)間加熱鍵合過程中，通過在熱板區(qū)通惰性氣體，減少了錫層的氧化。在鍵合襯底片下墊上一層耐高溫柔性墊層，可有效防止因硅片厚度不均所導(dǎo)致的局部受力不均勻、或壓力過大引起的鍵合片碎裂。通過調(diào)整Au、Sn膜層厚度，完成了較大面積的硅片間的Au/Sn共晶鍵合。本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)中錫表面易氧化影響鍵合質(zhì)量和只能實(shí)現(xiàn)小面積鍵合的問題，且無須在真空條件下封裝，具有鍵合速度快、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)。文檔編號(hào)H01L21/00GK1529343SQ200310111228公開日2004年9月15日申請(qǐng)日期2003年10月13日優(yōu)先權(quán)日2003年10月13日發(fā)明者陳明祥,陳四海,易新建,李靜文,董珊,劉勝申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)