微系统封装技术-键合技术

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硅硅直接键合
• 两硅片通过高温处理可以直接键合在一起，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—Silicon Direct Bonding）技术。直接键合工艺是由Lasky首先提 出的。
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硅-硅直接键合工艺如下：
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（1）将两抛光硅片（氧化或未氧化均可）先
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第三阶段，温度高于800°C后，水向SiO2中扩散变得显著，而
且随温度的升高扩散量成指数增大。键合界面的空洞和间隙处的水分
子可在高温下扩散进入四周SiO2中，从而产生局部真空，这样硅片会
发生塑性变形使空洞消除。同时，此温度下的SiO2粘度降低，会发生
粘滞流动，从而消除了微间隙。超过1000°C时，邻近原子间相互反
则在键合完成冷却过程中会因内部应力较大而破碎；
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（2）阳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；
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（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
应产生共价键，使键合得以完成
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• 在键合前，对硅片进行表面处理，使其表面吸附 是至关重要的。对于热氧化的镜面抛光的硅片而 言，热氧化的SiO2具有无定型的石英玻璃网格结 构。在SiO2膜的表面和体内，有一些氧原子处于 不稳定状态。在一定条件下，它们可得到能量而 离开硅原子，使表面产生悬挂键。有许多种方法 可以增加热氧化的硅表面的悬挂键。等离子体表 面活化处理就是一种方法。对于原始抛光硅片， 纯净的的硅片表面是疏水性的，若将其浸入在含 有氧化剂的溶液中，瞬间会在硅片表面吸附一层 单氧层。随着溶液温度的提高 （75°C~110°C），单氧层会向一氧化物、二 氧化物过渡。由化学溶液形成的硅氧化物表面有 非桥键的羟基存在，所以这有利于硅片的室温键 合。常用的亲水液有硫酸双氧水、稀硝酸、氨水 等。
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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
聚合反应，产生水及硅氧键，即
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Si-OH+HO-Si→
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Si-O-Si+H2O。
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到400°C时，聚合反应基本完成。
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第二阶段温度在500~800°C范围内，在形成硅氧键时产生的水
向SiO2中的扩散不明显，而OH团可以破坏桥接氧原子的一个键使其
转变为非桥接氧原子，即：
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HOH+Si-O-Si=2 +2Si- 。
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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。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
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• 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1M P a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 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：
硅片键合技术
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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
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• 除金之外，Al、Ti、Pt也可以作为硅-硅键合的 中间过渡层
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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。
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（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；
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（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
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• 影响静电键合的因素有很多，主要包括：
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（1）两静电键合材料的热膨胀系数要近似匹配，否
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。
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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 。
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• 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。
经含 的溶液浸泡处理；
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（2）在室温下将两硅片抛光面贴合在一起；
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（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。
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• 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。
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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之间发生