专利名称：硅金键合方法
技术领域：
本发明涉及一种硅金键合方法，尤其是涉及一种基于AAO的MEMS器件键合方法。
背景技术：
封装是MEMS器件生产中最大的问题和挑战，其成本占整个MEMS器件成本的50％～80％。如何降低封装成本，提高封装的可靠性已成为各国MEMS器件研究人员关注的焦点，也是MEMS器件大批量、低成本、高可靠性的工业化生产的关键(参见文献1.C.B.O’Neal，A.P.Malshe，S.B.Singh.Challengers in the packaging of MEMS[C].1999 Int Symp on AdvancedPackaging Materials，199941-47；2.R.Ramesham，R.Ghaffarian.Challenges ininterconnection and packaging of MEMS[C].Proc of the 50th Electronic Components andTechnology Conf，2000666-675.)。MEMS封装技术之硅金共熔键合工艺中，由于硅和金热膨胀系数的差别(金为15.5×10-6/K，硅为3.59×10-6/K)，在退火过程中键合晶片内部会产生内应力，进而影响晶片的键合质量。硅—金键合是一种复合键合，它利用金硅共熔点低的特点将金作为中间层实现Si-Si键合(黄庆安.硅微机械加工技术[M].科学出版社，1996229-256)。
发明内容
本发明的目的在于针对MEMS封装技术的硅金共熔键合工艺中，由于硅和金热膨胀系数的差别，在退火过程中键合晶片内部会产生内应力，进而影响晶片的键合质量等问题，提供一种可提高硅金键合晶片的键合品质，基于硅基多孔氧化铝的新型MEMS器件硅金键合方法。
本发明采用的技术方案是先用两步恒压阳极氧化法制备硅基多孔氧化铝薄膜(Si-basedAAO)，再制备键合晶片，其具体步骤为1)采用两步恒压阳极氧化法制备硅基多孔氧化铝薄膜用电子束蒸发的方法在硅片上制备一层厚度1.0～1.5μm的铝膜，一次氧化后用6wt％的磷酸和1.8wt％的铬酸混合液去除一次氧化膜，再二次氧化后用5wt％的磷酸进行扩孔处理；2)制备键合晶片将2片硅片放入键合器，烘干后在N2保护下退火得键合晶片。
在用电子束蒸发方法在硅片上制备一层铝膜时，铝膜的厚度最好为1.2μm，纯度为99.99％。一次氧化的电压最好为40V，电解液温度最好为20℃，电解时间最好为5min。
用磷酸和铬酸混合液去除一次氧化膜的温度最好为60℃，时间最好为8min。二次氧化的电压最好为40V，电解液温度最好为20℃，电解时间最好为15min。用磷酸进行扩孔处理的温度最好为30℃，时间最好为l0min。一次氧化和二次氧化的电解液最好为草酸水溶液，其浓度最好为0.7mol/L。基底可选用P(1，0，0)的Si衬底。
在制备键合晶片时的烘干温度最好为150℃，烘干时间最好为24h(预处理)，退火温度最好为700℃，退火时间最好为2h(N2保护)。
与传统的硅金键合晶片相比，本发明所述的基于AAO的硅金键合晶片的键合强度由1.78MPa提高到3.03MPa，晶片的键合质量得到了显著提高；而晶片的断裂界面没有发生什么变化，由此说明基于AAO的硅金键合晶片依然遵循硅金键合晶片的断裂特性。AAO将成为一种新型的MEMS器件封装材料。
硅金共熔键合常用于微电子机械器件的封装中，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，将它们加热到高于硅金共熔点(363℃)的温度。在这种温度下，硅金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(参见图1)的饱和状态，冷却以后就形成了良好的键合。
利用AAO改善硅金键合晶片品质的基本原理是AAO薄膜中包含了许多孔洞，其孔径在5～200nm，孔间距在4～460nm，孔密度在109～1011个/cm2。将AAO薄膜加在硅与金之间，利用AAO膜的多孔和柔性，释放降低硅金键合晶片在高温退火过程中由于硅金热膨胀系数不同而产生的内应力，进而减小内应力对晶片键合质量的影响。
图1为本发明实施例的金硅相图。在图1中，上横坐标为质量Weight％Si，下横坐标为原子量Atom％Si，纵坐标为温度Tenperature(℃)。
图2为本发明实施例的横向阳极氧化装置。在图2中，A为万用表，V为电压表，直流电源为0～150V，代号1、2、3和4分别表示硅片、碳棒、水浴槽和氧化槽。
图3为硅基多孔氧化铝薄膜的SEM图(正面)。
图4为硅基多孔氧化铝薄膜的SEM图(侧壁)。
图5为键合晶片的示意图。
图6为拉伸曲线图。在图6中，横坐标为拉力Force(N)，纵坐标为长度Length(mm)。上下曲线分别为Si-Ti-Au和Si-AAO-Ti-Au。
图7为Si-AAO-Ti-Au-Ti-Si断裂界面的EDS能谱(Si-Ti-Au)。
图8为Si-AAO-Ti-Au-Ti-Si断裂界面的EDS能谱(Si-AAO-Ti-Au)。
具体实施例方式
先采用两步恒压阳极氧化法制备硅基多孔氧化铝薄膜，用电子束蒸发的方法在经标准清洗的硅片上制备一层厚度1.0～1.5μm的铝膜，铝膜的厚度最好取1.2μm，纯度为99.99％。一次氧化后用6wt％的磷酸和1.8wt％的铬酸混合液去除一次氧化膜，一次氧化的电压为40V，电解液温度为20℃，电解时间为5min。用磷酸和铬酸混合液去除一次氧化膜的温度为60℃，时间为8min。再二次氧化后用5wt％的磷酸进行扩孔处理；二次氧化的电压为40V，电解液温度为20℃，电解时间为15min。用磷酸进行扩孔处理的温度为30℃，时间为10min。一次氧化和二次氧化的电解液为草酸水溶液，其浓度为0.7mol/L。基底可选用P(1，0，0)的Si衬底。所采用的氧化装置为横向阳极氧化装置(参见图2)。
在获得硅基多孔氧化铝薄膜后再制备键合晶片，为了比较含有不同金属过渡层的键合晶片品质，制备两种不同的键合晶片(参见图3和4)。具体工艺过程如下将2片硅片(1cm×1cm)放入键合器(参见图5)，然后放入150℃的真空烘箱中烘24h(预处理)，最后放入700℃的高温退火炉中进行退火2h(N2保护)。
以下对键合晶片进行测试。
1、测试工具拉力测试仪和LEO-1530扫描电镜系统。
2、测试结果1)键合晶片的键合强度晶片(Si-AAO-Ti-Au-Ti-Si)为3.03MPa；晶片(Si-Ti-Au-Ti-Si)为1.78MPa。其测试结果参见图6。
2)EDS能谱图加入AAO的硅金键合晶片的断裂界面和传统的硅金键合晶片断裂界面一样，均发生在Ti、Au面上。其结果参见图7和8。
权利要求
1.硅金键合方法，其特征在于其具体步骤为1)采用两步恒压阳极氧化法制备硅基多孔氧化铝薄膜用电子束蒸发的方法在硅片上制备一层厚度1.0～1.5μm的铝膜，一次氧化后用6wt％的磷酸和1.8wt％的铬酸混合液去除一次氧化膜，再二次氧化后用5wt％的磷酸进行扩孔处理；2)制备键合晶片将2片硅片放入键合器，烘干后在N2保护下退火得键合晶片。
2.如权利要求1所述的硅金键合方法，其特征在于所述的铝膜厚度为1.2μm。
3.如权利要求1或2所述的硅金键合方法，其特征在于所述的铝膜纯度为99.99％。
4.如权利要求1所述的硅金键合方法，其特征在于所述的一次氧化的电压为40V，电解液温度为20℃，电解时间为5min。
5.如权利要求1所述的硅金键合方法，其特征在于所述的用磷酸和铬酸混合液去除一次氧化膜的温度为60℃，时间为8min。
6.如权利要求1所述的硅金键合方法，其特征在于所述的二次氧化的电压为40V，电解液温度为20℃，电解时间为15min。
7.如权利要求1所述的硅金键合方法，其特征在于所述的用磷酸进行扩孔处理的温度为30℃，时间为10min。
8.如权利要求1所述的硅金键合方法，其特征在于所述的一次氧化和二次氧化的电解液为草酸水溶液，草酸水溶液浓度为0.7mol/L。
9.如权利要求1所述的硅金键合方法，其特征在于所述的用电子束蒸发的方法在硅片上制备一层厚度1.0～1.5μm的铝膜的基底为P(1，0，0)的Si衬底。
10.如权利要求1所述的硅金键合方法，其特征在于在制备键合晶片时的烘干温度为150℃，烘干时间为24h，退火温度为700℃，退火时间为2h。
全文摘要
硅金键合方法，涉及一种硅金键合方法。提供一种可提高硅金键合晶片的键合品质，基于硅基多孔氧化铝的新型MEMS器件硅金键合方法。步骤为采用两步恒压阳极氧化法制备硅基多孔氧化铝薄膜用电子束蒸发方法在硅片上制备一层厚度1.0～1.5μm的铝膜，一次氧化后用6wt％的磷酸和1.8wt％的铬酸混合液去除一次氧化膜，再二次氧化后用5wt％的磷酸进行扩孔处理；制备键合晶片将2片硅片放入键合器，烘干后在N
文档编号B81C3/00GK1958437SQ20061013526
公开日2007年5月9日 申请日期2006年11月28日 优先权日2006年11月28日
发明者孙道恒, 吕文龙, 王凌云, 刘益芳, 吴德志 申请人:厦门大学