专利名称：一种有腔体的SiC-SiC真空键合方法
技术领域：
本发明涉及SiC微机械电子系统(MEMQ制造中的键合工艺，特别是涉及一种有腔体的SiC-SiC片真空键合方法，它适用于MEMS中的键合工艺。
背景技术：
SiC材料在高温下具有非常出色的热、力和电学性能，这为制造适用于高温恶劣环境下的SiC-MEMS传感器提供了保证。SiC-MEMS传感器的潜在市场包括以下几个方面射频MEMS、超高温压力传感器、发动机中的加速度计、光学MEMS等。在制备SiC-MEMS器件时，需要将两个SiC片键合在一起，其中一个SiC片上要制作一定尺寸的腔体，而且腔体在键合后要保证一定的真空度。SiC不同于Si材料，常态下经亲水处理后不能实现预键合。G. N. Yushin (Mat. Res. Soc. Symp. Proc. Vol. 742)等通过加载 20ΜΙ^的压力，在800°C 1100°C高真空环境中实现SiC-SiC直接键合。US49615^提出通过Ti3SiC2可以实现SiC-SiC键合，这两种键合方法均不能实现SiC与SiC之间绝缘。US4352120发明了一种新的键合方法实现SiC与SiC之间绝缘，该方法在至少一片SiC上制备SiO2,然后在SiA上面制备金属层，最终通过焊接方法实现了 SiC与SiC的键合。但是由于金属焊层的存在，限制了其在高温环境中的使用。US5098494通过在SiC表面制备Si或SW2等实现SiC与SiC的键合。键合温度为1150°C，压力0. 3kgf。由于没有对Si或者SW2表面进行平坦化处理，键合只能采用热压的方法。在热压键合过程中不易实现片与片之间的对准，而且不能实现带有腔体的SiC-SiC
真空键合。
发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有技术的不足，提供一种有腔体的SiC-SiC真
空键合方法。本发明的技术解决方案是一种有腔体的SiC-SiC真空键合方法，方法需要将带有腔体的SiC片和无腔体SiC片进行键合，步骤如下(1)利用低压化学气相淀积方法在带有腔体的SiC片和无腔体SiC片表面生长磷硅玻璃PSG，生长厚度500nm IOOOnm ；(2)对步骤(1)处理后的两个SiC片上生成的PSG进行抛光处理，抛光后PSG表面粗糙度小于0. 5nm ；(3)对抛光处理后的两个SiC片进行清洗和活化处理，首先擦洗抛光后的PSG表面，并在PH< 11的碱性溶液中进行超声清洗；接着进行亲水化处理，甩干；(4)对活化处理后的两个SiC片进行预键合，预键合后进行高温退火，完成有腔体的SiC-SiC真空键合。所述步骤中的预键合为将两个SiC片按照对准标记对准后贴合，并施加 0. 5MPa 5MPa的压力，升温360°C 450°C，保持压力3Omin 6Omin。
所述步骤中的高温退火过程为室温至800°C升温速率不超过10°C /min, 800°C保温40min 60min，后续退火温度900°C 1100°C，气氛为Ar或N2，保温时间2h 6h。本发明与现有技术相比有益效果为(1)本发明利用PSG作为键合中间层，可以有效实现两个SiC片之间的绝缘，且其高温回流性能弥补SiC片面型参数的不足，通过化学机械抛光易于获得小于0. 5nm的表面粗糙度，将键合率提高到80%以上。(2)抛光后的PSG利用聚乙烯醇擦洗和稀碱溶液超声，可以有效去除表面残留的抛光液和颗粒，有效消除二次沾污，提高键合晶片表面光洁度。(3)键合过程分为低温预键合和高温退火。在低温预键合过程中可以实现图形的对准，并保证键合密封腔体的真空度小于10_2Pa，高温退火过程可以增加键合强度。由于 SiC晶片预键合成功之后已经具备了一定的结合力，因此在高温退火过程中无需施加额外压力，避免了高温高压下对腔体结构的损坏和对晶片表面的扩散沾污。
图1本发明的带有腔体的SiC片的示意图；图2本发明的表面长有PSG的带有腔体图形和无图形的SiC片的示意图；图3本发明的带有腔体图形的SiC片和无腔体SiC片真空键合的示意图。
具体实施例方式下面结合具体实施例子及附图，对本发明做进一步详细说明。本发明的带有腔体的SiC-SiC真空键合方法，包括以下工艺步骤(1)准备SiC单晶片2片，其导电类型可以是N型或P型，清洗干净。(2)在SiC片1上溅射沉积刻蚀掩蔽膜，光刻图形化。对SiC片1进行干法刻蚀， 设备为Alcatel公司AMS200。掩蔽膜3为Ti和Ni，其中Ti厚度约20nm，Ni厚度不小于 300nm。刻蚀温度0°C 30°C, SF6气体流量40sccm lOOsccm，O2气体流量5sccm 25sccm， 刻蚀深度5 μ m 10 μ m。本例中刻蚀温度20°C，SF6气体流量80sccm，O2气体流量20sccm，刻蚀深度8 μ m， 如图1所示。刻蚀结束后用HNO3溶液去除掩蔽膜3。(3)利用LPCVD在带有腔体图形SiC片1和无图形的SiC片2表面生长磷硅玻璃 (PSG) 4，生长温度 695°C 740°C，TEOS 温度 24. 4°C，O2 气体流量 150sccm 200sccm，PH3 (N2 稀释)气体流量50sccm 150sccm，工作时腔体压力250mTorr，生长厚度500nm IOOOnm.本例中的O2气体流量180sccm，PH3(N2稀释)气体流量lOOsccm，生长厚度780nm， 如图2所示。(4)利用CMP设备对SiC片上制备的PSG薄膜4进行抛光。抛光时，抛光压力 lkgf-4kgf，抛光盘转速30rpm 70rpm，抛光头转速20rpm 40rpm，抛光液为SiR悬浊液， 其中SiA颗粒IOnm lOOnm。抛光后PSG表面粗糙度小于0. 5nm。本例中抛光压力Ikgf ^gf,抛光盘转速60rpm，抛光头转速40rpm，抛光液为氧化硅悬浊液，其中氧化硅颗粒20nm 50nm，抛光垫为IC1000。抛光后PSG表面粗糙度为0. 42nm。( 用聚乙烯醇或性能相似的材料擦洗抛光后的PSG表面，并在1 20稀释的氨水溶液中进行超声清洗IOmin 15min。最后进行亲水处理，甩干。(6)对抛光后的片子进行低温预键合。键合设备采用AML公司的AWB-04键合机。 将带有腔体图形的SiC片1放入底部托盘，无图形的SiC片2固定在上部托盘。关闭腔体抽真空，当系统真空度小于时，将两个SiC片对准后贴合并施加0. 5MPa 5MPa的压力，升温至360°C 450°C，保持温度和压力30min 60min，待保温结束后卸压。在温度低于100°C后将键合片取出。本例中施加的压力为IMPa 2MPa，升温温度为400°C 450°C，保持压力45min。(7)将已经预键合的SiC-SiC片放入高温炉进行高温退火。室温至800°C升温速率不超过10°c /min，800°C保温40min 60min，后续退火温度900°C 1100°C，气氛为Ar 或N2，保温时间池 他，最终实现带有腔体的SiC-SiC片的真空键合。本例中室温至800°C的升温速率8°C /min,在800°C保温Ih后，升温至1000°C，保温时间池，气氛为Ar，最终实现带有腔体5的SiC片的真空键合。键合后结构如图3所示。(8)使用拉力测试仪检验SiC-SiC键合强度，拉伸强度可达5MPa。键合界面扫描电镜可以观察到上下SiC片上的键合中间层已经融为一体6。本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。
权利要求
1.一种有腔体的SiC-SiC真空键合方法，方法需要将带有腔体的SiC片和无腔体SiC 片进行键合，其特征在于步骤如下(1)利用低压化学气相淀积方法在带有腔体的SiC片和无腔体SiC片表面生长磷硅玻璃PSG，生长厚度500nm IOOOnm ；(2)对步骤(1)处理后的两个SiC片上生成的PSG进行抛光处理，抛光后PSG表面粗糙度小于0. 5nm ；(3)对抛光处理后的两个SiC片进行清洗和活化处理，首先擦洗抛光后的PSG表面，并在PH < 11的碱性溶液中进行超声清洗；接着进行亲水化处理，甩干；(4)对活化处理后的两个SiC片进行预键合，预键合后进行高温退火，完成有腔体的 SiC-SiC真空键合。
2.根据权利要求1所述的一种有腔体的SiC-SiC真空键合方法，其特征在于所述步骤中的预键合为将两个SiC片按照对准标记对准后贴合，并施加0. 5MPa 5MPa的压力，升温360°C 450°C，保持压力3Omin 6Omin。
3.根据权利要求1所述的一种有腔体的SiC-SiC真空键合方法，其特征在于所述步骤⑷中的高温退火过程为室温至800°C升温速率不超过10°C /min，800°C保温40min 60min，后续退火温度900°C 1100°C，气氛为Ar或N2，保温时间2h 6h。
全文摘要
一种有腔体的SiC-SiC真空键合方法，方法需要将带有腔体的SiC片和无腔体SiC片进行键合，步骤如下(1)利用低压化学气相淀积方法在带有腔体的SiC片和无腔体SiC片表面生长磷硅玻璃PSG，生长厚度500nm～1000nm；(2)对步骤(1)处理后的两个SiC片上生成的PSG进行抛光处理，抛光后PSG表面粗糙度小于0.5nm；(3)对抛光处理后的两个SiC片进行清洗和活化处理，首先擦洗抛光后的PSG表面，并在pH＜11的碱性溶液中进行超声清洗；接着进行亲水化处理，甩干；(4)对活化处理后的两个SiC片进行预键合，预键合后进行高温退火，完成有腔体的SiC-SiC真空键合。
文档编号B81C3/00GK102502482SQ201110439289
公开日2012年6月20日 申请日期2011年12月23日 优先权日2011年12月23日
发明者刘文亮, 尹玉刚, 张世名, 邹黎明 申请人:北京遥测技术研究所, 航天长征火箭技术有限公司