专利名称：一种局部键合后封装方法
技术领域：
本发明涉及微系统领域中的键合封装方法，特别是涉及带有微结构图形或微部件的硅、玻璃等芯片的局部键合后封装方法。
背景技术：
微系统的成功很大程度上和封装技术有关。微器件除了具有微电子器件的信号处理功能外，还具有传感、制动和传动等功能，封装必须考虑键合过程中热量、气体、电磁、辐射或结构变化以及周围环境如湿度、温度等因素导致的某些活动部件、传感单元或其他功能部件的失效或性能的降低。因此微系统的封装比微电子封装复杂得多，迄今为止，尚未有现比较成熟的可靠的封装方法。上述的诸多因素影响着封装质量和成品率，进而影响封装成本。目前微系统的封装的成本是器件成本的10倍以上，而一般集成电路(IC)的封装成本仅占30％左右。
在需要热处理的各种键合封装方式中，温度或热量的分布是影响键合质量的重要因素。目前的键合技术如阳极键合、直接键合、熔融键合和共晶键合都需要高温处理，以获得足够的键合能(如硅-硅阳极键合300～450℃，硅-硅直接键合＞800℃，熔融键合则需＞1000℃，Si-Au共晶键合363℃)。目前的高温处理方式大都是采用热板或加热器对芯片直接整体加热，使得芯片的各处都处于高温。但是这种整体高温键合方法对于后封装是不适宜的，因为已加工好的芯片的某些部件可能不能承受高温处理，另外高温处理会产生残余应力而导致部件的结构发生变化，偏离设计值，从而导致性能下降，成品率降低。
为了克服上述的困难，人们提出了局部电阻加热键合工艺包括局部硅-金共晶键合、局部硅-玻璃熔融键合、局部焊料键合以及局部CVD键合工艺(参见Liwei Lin，“Thermal challenges in MEMS applicationphasechange phenomena and thermal bonding process”，MicroelectronicsJournal，34，pp179-185，2003.)。局部键合的优点在于当键合部位处于局部高温时芯片整体处于低温，因而热影响区被限定于较小的范围。局部键合的适用范围较宽，对微系统领域的绝大多数材料都是适用的，但利用电阻微加热器加热，加热时间和温度的控制比较复杂，而且微加热线条的功率均分和键合线的均匀性保证很困难。另外，制作微加热器的工艺和微加热器本身都会对芯片带来污染，对芯片的性能有一定程度的影响。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种激光局部加热熔融键合方法，利用激光非接触局部加热效应代替热板整体加热或局部电阻加热键合封装，以达到非接触、无污染、高速、高可靠性和工艺简单的键合。
本发明的另一目的是提供一种激光局部加热辅助阳极键合方法，以激光局部加热源代替传统的阳极键合中的热板整体加热源，达到选择性的局部加热键合，以避免封闭腔体中气体对键合过程的影响。
本发明的一个目的是按如下第一技术方案实现的。其特征是包括以下步骤(1)将拟键合的二芯片清洗，二芯片中，一为在激光波长处透明的芯片，另一为在激光波长处具有较高吸收率的芯片；(2)将所述的二芯片分别放在载片台上，并按键合位置对准，所述的透明芯片所处的载片台也是透明的；加压，使二芯片紧密接触；(3)将激光从所述的透明芯片一侧穿透射入，并聚焦至所述的另一芯片的表面，通过扫描机制，控制所述的激光沿键合线扫描，实施选择性的局部区域加热，使所述的二芯片键合。
本发明的另一目的是按如下第二技术方案实现的。其特征是在第一方案的基础上，不同之处为；上述的步骤(2)中，所述的二载片台是导电的；和在上述的步骤(3)中，在所述的二载片台之间施以电压后，再行激光加热。
此外，所述的芯片为用玻璃或树脂制作的，所述的另一芯片为用硅制作的。
所述的导电透明载片台的结构为在透明载片台的与透明芯片接触的表面上，涂复一层ITO薄膜。
所述的激光的波长为0.7-1.1μm。
所述的芯片表面的粗糙度小于20nm，压力10-30MPa，连续激光功率5-50W。
所述的导电电压为500-1000V，加热温度为250-400℃。
在第一技术方案中，待键合的两个芯片一个在激光波长处透明，而另一个在激光波长处具有较高的吸收率。键合时，首先使芯片在载片台上固定并对准，尔后通过外界可控施压使它们在一定压力下紧密接触，随后让激光从透明芯片一侧穿透射入并聚焦至另一芯片的表面，通过一定的扫描机制，控制激光沿键合线扫描实施选择性的局部区域加热而导致熔融键合。
在第二技术方案中，待键合的两个芯片一个在激光波长处透明，而另一个在激光波长处具有较高的吸收。待键合的芯片经过清洗后分别置于阳极键合工作台的上透明导电载片台和下导电载片台上；在两芯片对准后，通过覆盖在透明材料上的上透明导电载片台施加一定的压力，使对准后的芯片紧密接触；然后在上下导电载片台上施予一定的电压，在电压达到通常阳极键合的电压范围时，让激光从透明芯片一侧穿透射入并聚焦至另一芯片的表面，对两芯片的界面进行加热；通过一定的扫描机制，控制激光沿需要的键合线扫描，实施选择性的局部区域加热而形成辅助阳极键合。
由于加热区域小，时间短，温度分布出现在局部键合线附近，对芯片上其他微结构和封闭腔体的影响小，不会出现常规阳极键合出现的封闭腔中的气体热胀冷缩导致键合失效的问题。
为了实现上述二目的，本发明采用发射波长处于近红外区域(0.7～1.1μm)的半导体激光器作为辐射加热源。此波段对于微系统中采用的玻璃材料是高透明的，而对于硅是不透明的。硅片在这个波段具有较高的吸收，如500μm厚的硅片的吸收率为40％～80％。另外半导体激光装置的体积小，可靠性高，因而用半导体激光器作为加热源是优先的选择。
综上所述，本发明的主要特点是采用激光局部加热形式代替热板整体加热，直接用于两材料的穿透熔融键合或在阳极键合中辅助加热。与热板整体加热熔融键合和传统阳极键合方式相比，具有如下优点(1)激光是一种非接触局部加热源，因而无热源污染；(2)激光功率密度高，作用时间短，因此热影响区小，热应力小，可靠性高；(3)易于计算机控制，操作方便，键合速度高；(4)不仅可以用于裸片的键合，而且特别适用于芯片的后封装；(5)工序简单，无需淀积淀电阻加热线或其他处理工序。
图1为本发明激光局部加热熔融直接键合示意图；图2为本发明激光局部加热辅助阳极键合示意图；图中代号102透明芯片103不透明芯片104透明载片台105不透明载片台106作用力107激光108点光束 109微部件110薄膜实施方式本发明的实施以玻璃-硅的键合为例。使用的玻璃芯片102为德国肖特公司生产的Borofloat33，线热胀系数为3.25×10-6K-1。采用的硅芯片103厚度为500μm。半导体激光器的波长为808nm，光纤耦合输出的最大连续功率为30瓦，光纤芯径为200μm。从光纤出射口发出的激光经过光学系统变换后可以聚焦成光斑直径为70μm的光束。
如图1为本发明激光局部加热熔融直接键合示意图，步骤为1、键合前先将硅芯片102和玻璃芯片103用常规的方法进行清洗，去除表面的油污、聚合物分子以及金属离子。对于裸片，可以用酸洗方法去除金属离子，对于已有微结构或部件的芯片，可以采用等离子体干法刻蚀或激光清洗。
2、玻璃-硅的激光直接加热熔融键合按图1方式实施。玻璃芯片102和硅片芯片103，在经过常规准备工艺后，分别固定于载片台即吸附板104和105上。吸附玻璃芯片的载片台104为透明玻璃或树脂板制作，以使激光以高透过率通过；然后调整两芯片的间距，使它们靠近，再通过显微目视系统或CCD显微成像系统(图中未画出)实现待键合芯片上的对准标记之间的对准；继续调节玻璃芯片102和硅芯片103之间的间距，使他们的表面相互接触，再通过载片台104和105对两接触的芯片施加压力106，3、从激光器发出的激光107被光束变换系统聚焦成点光束108后，透过透明载片台104和待键合的玻璃片102作用于硅片103上。硅片吸收激光能量，产生热量并使接触面的激光加热区温度上升。当温度足够高时，激光加热区处的接触面的表面能发生变化，当温度更高时玻璃熔化，则在加热区形成熔融，熔融区域冷却后即形成高强度的键合区域。激光聚焦光斑直径为70微米，产生的键合区域(包括热影响区)可控制在100微米以下，因而键合过程对硅片103上的微部件109几乎没有影响。
键合的结果和表面的质量与芯片表面的粗糙度、接触压力以及激光参量有关。为了获得高键合强度，芯片的表面粗糙度应控制在几～二十纳米，接触压力控制在10～30MPa，连续激光功率范围为5～50瓦，依赖于激光光斑尺寸和扫描速度。在激光功率为25瓦，激光扫描速度为5mm/s，聚焦光斑直径为150微米的情况下，获得的键合强度为5～25MPa，此结果可以与其他键合方法相比拟。
图2为激光局部加热辅助阳极键合示意图；图2中，步骤1、2和图1一样，首先将两芯片清洗、分别固定，对准并施予一定的压力，使芯片上待键合的表面紧密接触。但和玻璃芯片102接触的载片台104，除了需要对激光透明外，还要导电，用作阳极键合中的电极板，因此采用透明导电玻璃，本实施例采用在普通玻璃上镀上一层ITO薄膜110制作。而与硅芯片103接触的载片台即电极105采用铝板，无需透明。
步骤3、在使用激光加热前，将上、下载片台通电，在电压达到通常阳极键合的电压范围(700伏特左右)时，让激光从透明载片台即电极104和键合玻璃芯片102一侧穿透射入，并聚焦至硅芯片103的表面，对两芯片接触面进行加热，温度350℃。控制激光沿需要的键合线扫描，实施选择性的局部区域加热而辅助阳极键合。
上述方法具有较宽的适用性，同样适用于塑料与玻璃或硅的键合，以及金属与硅或玻璃的键合。
权利要求
1.一种局部键合后封装方法，其特征是包括以下步骤(1)将拟键合的二芯片清洗，二芯片中，一为在激光波长处透明的芯片(102)，另一为在激光波长处具有较高吸收率的芯片(103)(2)将所述的二芯片分别放在载片台(104、105)上，并按键合位置对准，所述的透明芯片(102)所处的载片台(104)也是透明的；加压，使二芯片紧密接触；(3)将激光从所述的透明芯片(102)一侧穿透射入，并聚焦至所述的另一芯片(103)的表面，通过扫描机制，控制所述的激光沿键合线扫描，实施选择性的局部区域加热，使所述的二芯片(102、103)键合。
2.根据权利要求1所述的局部键合后封装方法，其特征是在所述的步骤(2)中，所述的二载片台(104、105)是导电的；在所述的步骤(3)中，在所述的二载片台之间施以电压后，再行激光加热。
3.根据权利要求1或2所述的局部键合后封装方法，其特征是所述的芯片(102)为用石英玻璃或树脂制作的，所述的另一芯片(103)为用硅制作的。
4.根据权利要求2所述的局部键合后封装方法，其特征是所述的导电透明载片台的结构为在透明载片台(104)的与透明芯片(102)接触的表面上，涂复一层ITO薄膜(110)。
5.根据权利要求1或2所述的局部键合后封装方法，其特征是所述的激光的波长为0.7-1.1μm。
6.根据权利要求1或2所述的局部键合后封装方法，其特征是所述的芯片表面的粗糙度小于20nm，压力10-30MPa，连续激光功率3-50W。
7.根据权利要求2所述的局部键合后封装方法，其特征是所述的导电电压为500-1000V，加热温度为250-400℃。
全文摘要
一种局部键合后封装方法，包括(1)将拟键合的二芯片清洗，二芯片一为在激光波长处透明的芯片(102)，另一为在激光波长处具有较高吸收率的芯片(103)；(2)将二芯片放在载片台(104、105)上，按键合位置对准，透明芯片(102)所处的载片台(104)也是透明的；加压，使二芯片紧密接触；(3)将激光从透明芯片(102)一侧穿透射入，并聚焦至所述的另一芯片(103)的表面，控制激光沿键合线扫描，使二芯片(102、103)熔融键合。还可为在所述的步骤(2)中，所述的二载片台(104、105)是导电的；在所述的步骤(3)中，在所述的二载片台之间施以电压后，再行激光加热。其优点(1)无热源污染；(2)热应力小，可靠性高；(3)键合速度高；(4)可用于裸片的键合，特别适用于芯片的后封装；(5)工序简单。
文档编号B81C3/00GK1585103SQ03153968
公开日2005年2月23日 申请日期2003年8月22日 优先权日2003年8月22日
发明者赖建军, 汪学方, 刘胜, 易新建 申请人:华中科技大学