微系统封装技术键合技术

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1、硅片键合技术硅片键合技术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金硅共熔键合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。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

2、。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SiO2层有更高的粘合力。最后，将两硅片贴合放

3、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、Pt也可以作为硅-硅键合的中间过渡层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。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

4、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1MPa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

5、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，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

6、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0.5mm。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。硅硅直接键合两硅片通过高温处理可以直接键

7、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—SiliconDirectBonding）技术。直接键合工艺是由Lasky首先提出的。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