低温阳极键合技术研究--【汉魅HanMei—课程讲义论文分享】

2005年第24卷第9期传感器技术（Journal of Transducer Technology）
低温阳极键合技术研究
王多笑，邬玉亭，褚家如
（中国科学技术大学精密机械及精密仪器系，安徽合肥230027）
摘要：通过键合温度220～250℃、键合电压400～600V的硅玻璃低温阳极键合实验，分析了温度和电场分别对键合强度和键合效率的影响，并讨论了键合机理。

关键词：低温；阳极键合；键合机理。

中图分类号：TB42 文献标识码：A 文章编号：1000-9787（2005）09-0037-03 Research on low temperature anodic bonding technique
WANG Duo-xiao，WU Yu-ting，CHU Jia-ru
（Dept of Precision Mach and Precision Instr，University of Science and Technology of China，
Hefei230027，China）
Abstract：With the bonding temperature ranging from220～250℃and the bonding voltage ranging from400～600V，the effects of temperature and the applied voltage on the bonding strength and the bonding efficiency are analysed by low temperature silicon-glass anodic bonding experiments.The bonding mechanism is discussed.
Key words：low temperature；anodic bonding；bonding mechanism
0 引言
阳极键合技术是由美国Wallis等人提出，又称静电键合或场助键合，是一种将硅芯片或圆片与玻璃衬底相封接的封装方法。

键合时，将对准好的样品放在加热板上，硅芯片或圆片与阳极相接，玻璃与阴极相接，当温度升高后，玻璃中Na+离子的迁移率提高，在电场作用下，Na+向阴极迁移，并在阴极被中性化，然而，在玻璃中固定的束缚负离子O2-保持不动，并在硅的表面感应形成一层空间正电荷层，使得硅片和玻璃之间产生静电力完成键合。

阳极键合的工艺简单、残余应力小、结合强度高、密封性好等优良特点使得其广泛应用于MEMS技术、微电子器件技术和封装技术等领域中。

目前，硅玻璃阳极键合技术在300～450℃和200～1200V的条件下发展得很成熟。

由于Pyrex7740#玻璃和硅的热膨胀系数在300℃时相当，在阳极键合中，通常使用Pyrex7740#玻璃和硅键合。

然而，当温度超过300℃时，Py-rex7740#玻璃和硅的热膨胀系数会有所变化，温度越高，变化越大，因此，键合完成后，会在键合处产生内应力。

键合时产生的内应力对器件的耐疲劳性有很大的影响，并且，会产生变形等不良效果。

随着温度降低，键合强度与键合效率随之降低，结合面的气泡和空洞也难以减小或消除。

本文研究了温度在220～250℃，电压在400～600V范收稿日期：2005-04-08
围的硅玻璃阳极键合，分析了硅玻璃结合面的强度和键合效率。

1 实验与理论基础
1.1 样品准备
样品采用厚为400µm、电阻率为8～12Ω・cm的P型（100）硅片，厚为350µm的pyrex7740#玻璃。

在每个实验过程中，都在pyrex7740#玻璃上溅射了一层镍，并通过模板制作、光刻、显影，制作出镍膜十字电极［1］。

1.2 样品清洗
在一般情况下，硅片都存在几个埃（1Aº=0.1nm）的本征氧化层，在硅片的表面含有灰尘、有机物和很多金属杂质，所以，在键合前，必须要对样品进行清洗。

首先，将样品放在丙酮里面浸泡10min，然后，超声振荡5min，再放在无水乙醇里面浸泡5min，目的是为了清除硅片表面的有机物和灰尘颗粒。

结束这两步以后，将硅片用标准RCA清洗方法清洗［2］。

RCA工艺方法由RCA1和RCA2两部分组成，RCA1是由5份去离子水+1份30%双氧水+1份29%氨水组成碱性过氧化物混合液，溶液温度为70～80℃，样品浸泡20min；RCA2是由6份去离子水+ 1份30%双氧水+1份37%盐酸组成酸性过氧化物混合液，溶液温度为70～80℃，样品浸泡20min。

最后，经过亲水处理。

RCA1溶液的作用主要是为去除晶圆表面之尘粒
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传感器技术第24卷
吸附，並可氧化及去除轻微的有机物污染及部分金属粒子，RCA2溶液可溶解碱金属离子和铝、铁及镁之氢氧化物。

亲水处理能大量增加待键合表面的OH原子团的数量。

在完成每一步工序后，都要用大量的去离子水清洗，这样，不会造成每一步的交叉污染。

对于玻璃的清洗，就用前两步就可以了。

样品清洗好以后，用高纯N
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吹干，放在烘干炉里，烘干炉内温度为110℃，保持15min。

1.3 键合机理
硅片与玻璃键合的具体原因一般被归结于2个方面，一方面是硅与氧之间的键合；另一方面是氢氧根引起的键合。

硅片表面有很多的自由的硅原子。

而通过亲水处理以后，硅片表面会形成一层薄薄的氧化层，该氧化层表面包含了大量的H-和OH-，而Si表面含有2种类型的水分子和OH原子团［3］，一种是和≡Si-OH相连的；另一种是和基片表面已经吸收的水分子相连。

由于和≡Si-OH相连是以H键的方式进行，当2个待键合的样品表面紧密接触以后，2个样品表面的OH-会引起氢键键合，使2个样品预键合。

在阳极键合过程中，通过静电力吸引硅片和玻璃，然后，在结合面发生反应使键合完成。

接近结合面的氧离子直接和硅发生反应生成硅氧化合物。

温度越高，就越能促进这种反应，并且，会使键合质量更好，静电力越大，就越能使结合面的水分子被挤压出去，使结合面没有气泡产生。

图1表示了键合机理原理图［4］。

图1 键合机理原理图
Fig1 Principle diagram of bonding mechanism
2 实验结果
将准备好的硅片和玻璃放在自制的阳极键合机上进行阳极键合。

样品Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ（3个样品都是15mm×15mm）全部采用线阴极方式键合［1］，键合温度约为250℃，键合电压分别为400，500，600V，键合的峰值电流分别为1900，2200，2800µA，3个样品在键合开始后300s，键合电流都下降到几十微安，结束键合。

图2是在相同温度不同电压下的键合电流关系图。

样品Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ（3个样品是15mm×15mm）也全部采用线阴极方式键合，键合温度分别为220，230，250℃，键合电压为500V，在键合过程中，键合电流峰值分别为1200，1400，2200µA，前2个样品在键合开始后
图2 相同温度不同电压下的键合电流关系图
Fig2 Relation diagram of current-time under different voltages 360s，键合电流下降到十几微安，结束键合。

图3是在相同电压不同温度下的键合电流关系图。

图3 相同电压不同温度下的键合电流关系图
Fig3 Relation diagram of current-time under
different temperatures
通过电子显微镜观察第一组实验的键合界面，发现几乎全部的界面都已键合，硅片和玻璃边缘的4个端点由于在结合体上所加的压力不均匀而产生轻微的键合斑，约占0.5%，键合斑是指没有键合的区域（非键合区）。

通过拉力测试，每个样品的键合强度都超过了15MPa，并且，3个样品的键合强度相差比较小。

图4显示键合强度和电压的关系。

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第9期 王多笑等：低温阳极键合技术研究 图4 键合强度和电压的关系图
Fig 4 Relation diagram of bonding strength and
bonding voltage
第二组实验是在相同电压不同温度下完成的键合实验，图5显示了键合强度和温度的关系。

从实验结果可以看出：温度越高，非键合区越小，在220℃下的非键合区大
图5 键合强度和温度的关系图
Fig 5 Relation diagram of bonding strength and
ebonding temperatur
概占到整个区域的1.5%，而250℃下的非键合区占到整个区域的0.5%。

对这3个样品进行拉力试验，结果发现：在220℃下，键合强度为8.6MPa ，与250℃下的键合强度有比较大的差距，由此可见，温度对于键合效率和键合强度的影响都是主要的。

3 结 论
本文讨论了在不同温度相同电场作用以及相同温度不同电场作用下，硅玻璃低温阳极键合的强度和表面质量。

通过实验看出：键合温度是影响阳极键合质量的最重要因
素，低温键合使键合强度有所降低，并且，扩大了未键合区域，但是，键合温度在220℃时，键合强度仍然大于8MPa ，未键合率不超过2%；而在250℃时，键合强度大于15MPa ，未键合率不超过0.5%，说明低温键合仍然有很大的应用前景。

本文还讨论了键合机理，键合包括硅和氧之间的键合以及氢氧根引起的键合。

参考文献：
［1］ 吴登峰，邬玉亭，褚家如.采用线阴极的快速阳极键合方法［J ］.
传感器技术，2003，22（5）：17-19.
［2］ Inomata C R ，Ogawa H ，Ishikawa K ，et al .Infrared spectroscopy
study of chemical oxides formed by asequence of RCA standard cleaning treatments ［J ］.J Electroche Soc ，1996，143（9）：2995.
［3］ Thompson k ，Gianchandani Y B ，Booske J ，et al .Direct silicon-silicon bonding by electromagnetic induction heating ［J ］.Journal of Microelectromechanical Systems ，2002，11（4）：285-292.
［4］ 吴东平，黄宜平，竺士炀.晶片键合技术及其在微电子学中的
应用［J ］.微电子学，1999，29（1）：44-49.
作者简介：
王多笑（1979-），男，安徽寿县人，现在中国科学技术大学攻读硕士学位，主要研究方向是微系统封装技术==============================================。

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