表面有微结构的硅片键合技术

传感器与微系统（Transducer and Microsystem Technologies）2019年第38卷第6期DOI：10．13873/J．1000—9787（2019）06—0056—03表面有微结构的硅片键合技术张栋鹏，蔡安江，周嘉玮，翟彦昭（西安建筑科技大学陕西省纳米材料与技术重点实验室，陕西西安710055）摘要：针对表面带有微结构硅晶圆的封装展开研究，以采用Ti/Au作为金属过渡层的硅—硅共晶键合为对象，提出一种表面带有微结构的硅—硅共晶键合工艺，以亲水湿法表面活化处理降低硅片表面杂质含量，以微装配平台与键合机控制键合环境及温度来保证键合精度与键合强度，使用恒温炉进行低温退火，解决键合对硅晶圆表面平整度和洁净度要求极高，环境要求苛刻的问题。

高低温循环测试试验与既定拉力破坏性试验结果表明：提出的工艺在保证了封装组件封装强度的同时，具有工艺温度低、容易实现图形化、应力匹配度高等优点。

关键词：晶片键合；带有微结构硅晶圆；共晶键合中图分类号：TP212文献标识码：A文章编号：1000—9787（2019）06—0056—03Bonding technology of silicon wafer withmicro-structure on surfaceZHANG Dongpeng，CAI Anjiang，ZHOU Jiawei，ZHAI Yanzhao（Shaanxi Key Laboratory of Nano Materials and Technology，Xi’an University of Architecture＆Technology，Xi’an710055，China）Abstract：A novel Si-Si wafer bonding method is presented to achieve micro-structured surface silicon waferpackage．Ti/Au is chosen as metal transition layer to ensure the bonding force．Hydrophilic wet method is used forsurface treatment and to reduce the surface impurity content，micro assembly platform and bonding machine areused to control the bonding environment and temperature to ensure both precision and strength of bonding．Siliconwafer is annealed by using constant temperature furnace．This method can achieve bonding with low level siliconwafer surface and the degree of cleanliness requirements，harsh environmental requirements．The results of highand low temperature cycle test and the established tensile failure test show that this method ensures the strength ofthe packaging module，and has the advantages of low process temperature，easy realization of graphics and highdegree of stress matching．Keywords：wafer bonding；micro-structured surface silicon wafer；eutectic bonding0引言封装技术对微机电系统（micro-electro-mechanical system，MEMS）器件尺寸及功能的影响巨大，已成为MEMS 技术发展和实用化的关键技术［1］。

实现封装的技术手段很多，其中较关键的工艺步骤就是键合工艺。

随着MEMS 技术的发展，越来越多的器件封装需要用到表面带有微结构的硅片键合，然而MEMS器件封装一般采用硅—硅直接键合（silicon directly bonding，SDB）技术［2］。

由于表面有微结构的硅片界面已经受到极大的损伤，其平整度和光滑度远远达不到SDB的要求，要进行复杂的抛光处理，这大大加大了工艺的复杂性和降低了器件的成品率［3］。

Abouie M等人［4］针对金—硅共晶键合过程中凹坑对键收稿日期：2018—03—14合质量的影响展开研究，提出一种以非晶硅为基材的金—硅共晶键合工艺以减少凹坑的形成，但非晶硅的实际应用限制较大。

康兴华等人［5］加工了简单的多层硅—硅结构，但不涉及对准问题，实际应用的价值较小。

陈颖慧等人［6］以金—硅共晶键合技术对MEMS器件进行了圆片级封装［6］，其键合强度可以达到36MPa，但键合面积以及键合密封性不太理想，不适用一些敏感器件的封装处理。

袁星等人［7］对带有微结构的硅—硅直接键合进行了研究，但其硅片不涉及光刻、深刻蚀、清洗等对硅片表面质量影响较大的工艺，故其键合工艺限制较大。

目前关于晶片键合的研究很多，工艺日渐成熟，但是对于表面带有微结构的硅片键合研究很少，键合效果很差。

65第6期张栋鹏，等：表面有微结构的硅片键合技术本文针对表面带有微结构硅晶圆的封装问题，提出一种基于采用Ti /Au 作为金属过渡层的硅—硅共晶键合的键合工艺，实现表面带有微结构硅晶圆之间的键合，解决键合对硅晶圆表面要求极高，环境要求苛刻的问题。

1键合试验1．1键合理论共晶键合［8，9］是利用某些共晶合金熔融温度较低的特点，以其作为中间键合介质层，通过加热熔融产生金属—半导体共晶相来实现。

因此，中间介质层的选取可以很大程度影响共晶键合的工艺以及键合质量。

中间金属键合介质层种类很多，通常有铝、金、钛、铬、铅—锡等。

虽然金—硅共熔温度不是最低（363ħ）的，但其共晶体的一种成分即为预键合材料硅本身，可以降低键合工艺难度，且其液相粘结性好，故本文采用金—硅合金共晶相作为中间键合介质层进行表面有微结构的硅—硅共晶键合技术的研究。

而金层与硅衬底的结合力较弱，故还要加入钛金属作为黏结层增强金层与硅衬底的结合力，同时钛也具有阻挡扩散层的作用，可以阻止金向硅中扩散［10，11］。

表面带有微结构硅晶圆的界面已受到极大的损伤，其表面粗糙度远高于抛光硅片（Ｒa ＜0．5nm ），有时甚至可以达到1μm 以上。

金硅共晶键合时将金薄膜置于欲键合的两硅片之间，加热至稍高于金—硅共晶点的温度，即363ħ，金硅混合物从预键合的硅片中夺取硅原子，达到硅在金硅二相系（其中硅含量为19%）中的饱和状态，冷却后形成良好的键合［12，13］。

而光刻、深刻蚀、清洗等工艺带来的杂质对于金硅二相系的形成有很大的影响。

以表面粗糙度极高且有杂质的硅晶圆完成键合，达到既定的键合质量成为研究重点。

1．2试验方案本文采用封装组件的上下板与中间可动件为材料进行双面溅金键合试验，通过不断改善表面清洗及处理工艺和预键合工艺，实现表面有微结构的硅—硅键合，确定合适的键合工艺参数，为后续的工艺优化与改良打下基础。

设计的键合主要流程如图1所示。

图1硅—硅键合主要工艺流程1．2．1表面清洗和亲水处理硅—硅键合表面清洗和处理方法分为亲水处理与疏水处理两种，本文采用亲水处理方法，其工艺较简单：1）丙酮超声清洗5min ，去离子水清洗，氮气吹干；2）120ħ浓硫酸双氧水混合（SPM ）溶液（浓H 2SO 4ʒH 2O 2=3ʒ1）浸泡处理10min ，去离子水清洗，氮气吹干；3）70ħ氨水双氧水混合（ＲCAI ）溶液（NH 4OHʒH 2O 2=1ʒ1）浸泡处理15min ，去离子水清洗，氮气吹干。

1．2．2预键合1）在预键合表面溅射一层30nmTi 薄膜，再溅射一层200nmAu 薄膜，溅射完成后如图2所示。

图2溅射完成后预键合晶片2）将预键合晶片与中间可动件（图3）在微装配平台上进行预装配（图4）。

图3中间可动件图4预装配示意3）将预装配好的组件紧贴在一起放入键合台上，设定压力为40kPa ，加热至363ħ，保温10min ，随后加热至380ħ，保温15min ，自然降温。

1．2．3退火处理将预键合好的Si 片在氮气的保护下进行快速退火处理，退火温度为300ħ，退火时间为15min 。

2结果分析显微镜下可以观测到有些样片上下板之间有间隙，原因为从微装配平台转移至键合台的过程可能导致结构对准出现偏差，影响键合效果。

取其中5片进行检测，在既定拉力下均未分开，加大拉力进行破坏性检测，得到破损的键合面（图5）。

由图可以看出实验样品存在的键合类型有两种：1）在金—硅界面发生的共晶键合金—硅界面在高于其共晶温度363ħ时生成金硅化合75传感器与微系统第38卷图5破损的键合面物。

该过程对金、硅的质量比例要求极其严格，硅含量略微偏离19%，其共晶温度就立刻上升。

2）在互相接触的金—金界面发生的热压键合在对金层施加一定的压力和温度时，金层发生流动、互融，从而形成键合。

该过程对金的纯度要求较高，即当金层发生氧化就会影响键合质量。

将剩余5片置入恒温炉中进行高低温循环测试，随后在既定拉力下进行检测，样片均未分开。

破坏性测试后，可观测到样片键合率在10%左右，低于标准水平。

3结论1）由既定拉力测试高低温循环测试结果可以看出，该键合工艺在满足实际应用所需键合强度的同时，解决了键合对硅晶圆表面平整度和洁净度要求极高、对环境要求苛刻的问题。

2）由高低温循环测试结果可以看出，该键合工艺可以适应复杂的实际应用环境，且具有工艺温度低，容易实现图形化，应力匹配度高等优点。

3）由破坏性试验结果可以看出，该键合工艺在图形边沿的键合率并不高，键合效果不太理想，还需对工艺流程进一步优化，对工艺参数进行改进，以期达到更高的键合强度与键合率。

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