材料扩散互溶实现碳化硅键合的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于半导体制造技术领域，具体涉及到一种材料扩散互溶实现碳化硅键合 的方法，该方法可以有效实现SiC-SiC之间的键合，为灵活制造 SiC MEMS器件及相关器件 封装奠定基础。
【背景技术】
[0002] 作为第三代宽禁带半导体材料SiC由于具有宽的带隙、高击穿场强、高电子迀移 率、高的热导率、抗辐照、高温稳定性以及机械性能好等特点，应用于高温、高频、大功率、光 电子及抗辐射方面具有独特的材料优势。同时，对于SiC来说，不仅秉承了一般宽禁带半导 体材料的优势，还有优异的力学和耐摩擦性能。具体来说，SiC的力学性能在1000°C甚至更 高温度下仍能够保持相对稳定，相比Si材料具有更高的硬度、断裂强度及明显的耐磨损、 耐腐蚀和抗粘附特性。综合这些优势，SiC材料是应用于极端环境下MEMS器件的首选材料。
[0003] SiC MEMS相关器件的构造和封装，需要将有/无结构的两个SiC片高强度键合起 来，达到结构制备或晶圆级封装功能。SiC材料与Si材料不同，不能在常态下利用亲水处理 过程实现预键合。即使在高温高真空环境下实现SiC-SiC直接键合，对SiC晶片的表面粗 糙度、晶片翘曲等参数都有相当苛刻的要求，不适用于中间工艺过程或封装工艺环节。
[0004] 采用中间过渡层的方法可以解决SiC-SiC直接键合面临的苛刻条件。一种是在 SiC表面通过加入Si或Si02层实现键合，要实现良好的键合需要对Si或Si02表面进行 平坦化处理，且所需的热压键合仍然需要高温、高压力条件。另一种方法是在SiC表面通过 低压化学气相沉积方法淀积PSG或采用丝网印刷的玻璃粉浆料作为中间层，利用高温下中 间层的回流实现键合，这种方法很难实现均匀的中间层，键合强度也比较低，同时由于中间 层玻璃和SiC之间热胀系数的不匹配对SiC MEMS器件高温下应用带来局限性。文献报道 的采用PVD淀积厚Ti (1038 μπι)作为中间层在12501300°C、压力50MPa下保持2小时实现 SiC键合，但由于中间厚异质层与SiC热胀系数的差异在Ti中间层中出现了大量的裂纹。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种材料扩散互溶实现碳化硅键合的方法，该方法利用薄 膜层材料与SiC在界面扩散互溶机理实现SiC-SiC之间高强度键合，解决传统方法中高温 高压的极端键合条件及中间异质层带来的问题，为SiC MEMS相关器件的研制和实用化提供 一种有效方法。
[0006] 为达到上述目的，本发明提供一种材料扩散互溶实现碳化硅键合的方法，包括如 下步骤：
[0007] 步骤1 :取一第一碳化硅片；
[0008] 步骤2 :采用电子束蒸发或磁控溅射的方法，在第一碳化硅片上制备薄膜层；
[0009] 步骤3 :取一第二碳化硅片；
[0010] 步骤4:采用电子束蒸发或磁控溅射的方法，在第二碳化硅片上制备薄膜层或不 制备第二碳化硅片；
[0011] 步骤5 :将第一和第二碳化硅片制备有薄膜层的一面相对进行热压键合或者进行 静电键合，将第一和第二碳化硅片键合在一起；
[0012] 步骤6:退火，完成制备。
[0013] 本发明与已有的技术相比，有益效果为：
[0014] (1)本发明利用键合材料与SiC扩散互溶的原理实现SiC-SiC的有效键合，其中键 合材料为薄膜，可以通过常规淀积工艺很容易得到，同时薄层键合材料如薄层金属的存在 及良好的延展性使得键合对SiC材料的表面平整度、表面粗糙度的要求大大降低。
[0015] (2)本发明利用了键合材料与SiC的扩散互溶原理，在键合界面实现了键合材料 与SiC的充分互溶，不存在厚的金属中间层或回流中间层，可以大大增加键合强度。
[0016] (3)本发明采用的键合过程包括低温热压预键合/静电预键合和高温退火，在低 温预键合过程中使得SiC晶片之间已经具备了一定的结合力，在高温退火过程中无需再额 外施加压力，仅需要温度（或温度与真空）的外部条件即可完成键合，避免了已有技术中所 需的高温高压苛刻条件。
[0017] (4)本发明中间层很薄并具有过渡性质，大大降低了中间层和SiC材料热应力不 匹配导致的龟裂问题。
【附图说明】
[0018] 为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例和附图，对本发明进一步详细 说明，其中：
[0019] 图1是本发明的截面示意图。
[0020] 图2是本发明方法的工艺流程图。
【具体实施方式】
[0021] 请参阅图1及图2所示，本发明提供一种材料扩散互溶实现碳化硅键合的方法，包 括如下步骤：
[0022] 步骤1 :取一第一碳化硅片1 ;碳化硅片1可以是多种类型的碳化硅衬底，也可以 是碳化硅衬底或其它种类如硅等衬底上采用同质或异质外延技术得到的碳化硅外延层；采 用无机清洗、有机清洗及稀释的氢氟酸漂洗等基片处理工艺将碳化硅片1清洗干净。
[0023] 步骤2 :采用电子束蒸发或磁控溅射的方法，在第一碳化硅片1上制备薄膜层2， 该薄膜层2的材料是单层金属或多层金属，金属种类为Ni、Ti或W，或Ni、Ti或W基的化合 物；多层组合可以为11附、附1、111、11附1、附1'代等，厚度为1〇11111-100〇11111。
[0024] 步骤3 :取一第二碳化硅片3 ;碳化硅片3可以是多种类型的碳化硅衬底，也可以 是碳化硅衬底或其它种类如硅等衬底上采用同质或异质外延技术得到的碳化硅外延层；采 用无机清洗、有机清洗及稀释的氢氟酸漂洗等基片处理工艺将碳化硅片3清洗干净。
[0025] 步骤4 :采用电子束蒸发或磁控溅射的方法，在第二碳化硅片3上制备薄膜层2 或不制备第二碳化硅片3 ;薄膜层2的材料是单层金属或多层金属，金属种类为Ni、Ti或 W，或Ni、Ti或W基的化合物；多层组合可以为TiNi、NiW、TiW、TiNiW、NiTiW等，厚度为 Onm-lOOOnm。
[0026] 步骤5 :将第一和第二碳化硅片1、3制备有薄膜层2的一面相对进行热压键合 或者进行静电键合，将第一和第二碳化硅片1、3键合在一起，所述的热压键合或者静电键 合的温度为100-600°C ;键合设备采用SUSS键合机，温度为100-600°C，通过点加压或盘 加压的方式对需要键合的片子施加压力，压力为100-10000N ;或者采用静电键合方式，施 加100-1000V的电压，通过点加压或盘加压的方式对需要键合的片子施加压力，压力为 100-10000N。在一定条件下保持一定的时间，使得第一和第二碳化硅片1、3之间实现预键 合。
[0027] 步骤6 :退火，所述退火的温度为100-1200°C，退火的过程为：分段升降温，根据所 用薄膜层2的材料种类和实际键合界面要求，可以在高温快速退火后，将具有一定键合强 度的片子放入真空烘箱中，进行200-500°C条件下的长时间处理，以增加键合界面处互溶材 料的扩散，最终完成制备。
[0028] 实施例，具体过程如下：
[0029] (1)取一第一碳化硅片1，该片为双抛N型4H_SiC衬底片，进行无机清洗，并用缓 冲氢氟酸溶液漂洗片子表面；
[0030] (2)取一第二碳化硅片3,该片为双抛N型4H-SiC衬底片，进行无机清洗，并用缓 冲氢氟酸溶液漂洗片子表面；
[0031] (3)采用丹顿磁控溅射系统，在第一碳化硅片1和第二碳化硅片3上制备薄膜层 2,该薄膜层2的材料TiNi，其中Ti层厚度为300A，Ni层厚度为800A。
[0032] (4)将第一和第二碳化硅片1、3制备有薄膜层2的一面相对放置在SUSS键合机 中，先升温到500°C，采用盘加压方式对需要键合的片子施加2000N的压力，在500°C、2000N 压力条件下保持30分钟，然后降至室温，使得第一和第二碳化硅片1、3之间实现预键合。
[0033] (5)将预键合后的第一和第二碳化硅片1、3放入高温快速退火炉中，通入氮气，先 将温度升到500°C保持1分钟，然后再升温至1000°C，保持1分钟，并重复此过程3次，总的 尚温退火时间为3分钟，完成制备。
[0034] 以上所述的【具体实施方式】和实施例，对本发明的目的和技术方案做了进一步的详 细说明，实施例提供了一种利用TiNi金属层与SiC反应扩散实现SiC键合的过程，基于这 一思想，可以根据SiC片的具体类型与结构、工艺要求与兼容性、器件结构或封装需求等来 灵活设计。
[0035] 应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在 本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护 范围之内。
【主权项】
1. 一种材料扩散互溶实现碳化硅键合的方法，包括如下步骤： 步骤1:取一第一碳化硅片； 步骤2 :采用电子束蒸发或磁控溅射的方法，在第一碳化硅片上制备薄膜层； 步骤3:取一第二碳化硅片； 步骤4 :采用电子束蒸发或磁控溅射的方法，在第二碳化硅片上制备薄膜层或不制备 第二碳化硅片； 步骤5 :将第一和第二碳化硅片制备有薄膜层的一面相对进行热压键合或者进行静电 键合，将第一和第二碳化硅片键合在一起； 步骤6 :退火，完成制备。
2. 根据权利要求1所述的材料扩散互溶实现碳化硅键合的方法，其中薄膜层的材料是 单层金属或多层金属，金属种类为Ni、Ti或W，或Ni、Ti或W基的化合物。
3. 根据权利要求1所述的材料扩散互溶实现碳化硅键合的方法，其中所述的热压键合 或者静电键合的温度为100_600°C。
4. 根据权利要求1所述的材料扩散互溶实现碳化硅键合的方法，其中退火的温度为 100-1200°C，退火的过程为：分段升降温。
【专利摘要】一种材料扩散互溶实现碳化硅键合的方法，包括如下步骤：步骤1：取一第一碳化硅片；步骤2：采用电子束蒸发或磁控溅射的方法，在第一碳化硅片上制备薄膜层；步骤3：取一第二碳化硅片；步骤4：采用电子束蒸发或磁控溅射的方法，在第二碳化硅片上制备薄膜层或不制备第二碳化硅片；步骤5：将第一和第二碳化硅片制备有薄膜层的一面相对进行热压键合或者进行静电键合，将第一和第二碳化硅片键合在一起；步骤6：退火，完成制备。本发明解决了传统方法中高温高压的极端键合条件及中间异质层带来的问题，为SiC MEMS相关器件的研制和实用化提供一种有效方法。
【IPC分类】B81C3-00
【公开号】CN104876180
【申请号】CN201510213917
【发明人】赵永梅, 何志, 季安, 刘胜北, 黄亚军, 杨香, 段瑞飞, 张明亮, 王晓东, 杨富华
【申请人】中国科学院半导体研究所
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年4月29日