一种SOI硅片与玻璃的晶圆级键合方法与流程

一种soi硅片与玻璃的晶圆级键合方法
1.技术领域：本发明涉及微系统(mems)及晶圆级封装领域，具体涉及一种soi硅片与玻璃的晶圆级阳极键合方法。


背景技术：

2.目前在微机械系统、微电子以及光电子领域，晶圆级键合技术正在被广泛应用。晶圆级键合技术主要分为直接键合和中间层键合等，直接键合技术包括硅-硅熔融键合和硅-玻璃阳极键合，中间层键合主要是在键合晶圆之间增加中间层介质作为粘接剂。在微机械器件制造过程中，键合封装环节占据了微机械器件大部分成本。对于那些需要与外部环境隔离的微机械器件来说，阳极键合可以实现高质量和低成本键合，因此阳极键合技术在微机械系统封装工艺中扮演了非常重要的角色。
3.阳极键合是通过对硅和玻璃加热到300~400℃，然后施加600~1000v的直流电压来实现的。阳极键合过程是一种电化学反应过程，富含钠离子的bf33玻璃和硅片是典型的阳极键合材料。其中阳极键合中直流电源负极与玻璃相连，直流电源正极与硅片相连。在热与电场的双重作用下，玻璃中的碱金属离子(主要为na+) 向电源负极方向移动，在玻璃片与正极界面附近产生极化的碱金属离子耗尽层。
4.在强电场作用下，键合硅片和玻璃界面产生了巨大的静电吸引力，驱使玻璃片通过弹性变形及其粘性流动与硅片表面紧密接触，同时高电场力促使氧负离子向电源正极移动并与硅片在界面处反应形成氧化硅从而形成永久键合。键合时间一般为数十分钟。温度、电压和键合时间是对阳极键合比较重要的几个键合参数，一般厚度的bf33玻璃阳极键合需要600~800v的键合电压，键合玻璃片越厚，所需阳极键合电压就越高。
5.绝缘体上的硅(silicon-on-insulator，简称soi) 是指绝缘层上的硅，它是一种独特的“si/绝缘埋层/si”三层结构的硅基半导体材料，它通过绝缘埋层(通常为sio2) 实现了硅器件层和硅衬底层的全介质隔离。
6.在soi硅片与玻璃片进行阳极键合过程中，由于受到soi硅片绝缘埋层限制，阳极键合工艺无法在正常电压下进行。因此，为保证soi硅片和玻璃片完成阳极键合，需要很高的键合电压来击穿绝缘埋层，这会对硅器件层造成损伤。同时由于soi硅片绝缘埋层厚度不同，其需要键合电压也不尽相同，无法实现soi硅片和玻璃片阳极键合的通用性。在较高电场作用下，soi硅片器件层（一般包含pn结）在高电场作用下，离子分布也会随之改变，这对传感器器件性能有不利影响。
7.

技术实现要素：
本发明就是为了克服上述现有技术中的不足，提供一种soi硅片与玻璃的晶圆级阳极键合方法。
8.本技术提供以下技术方案：一种soi硅片与玻璃的晶圆级键合方法，其特征在于：它包括以下步骤：1）取一片soi硅片和至少一片玻璃片，soi硅片上具有绝缘埋层；
2）对soi硅片与玻璃片进行表面处理；3）将soi硅片和玻璃片对齐贴合在一起，而后将soi硅片或玻璃片旋转一定角度，将soi硅片部分贴合面裸露在玻璃片之外，该贴合面为键合层；4）将soi硅片和玻璃片放置于键合设备中，在玻璃片上连接有点状电极，在点状电极外侧的玻璃片上覆盖有平板电极，点状电极和平板电极具与电源负极连通；将键合层与电源正极连通，而后进行键合。
9.在上述技术方案的基础上，还可以有以下进一步的技术方案：所述的玻璃片为肖特bf33玻璃，并且富含钠元素。
10.所述步骤3）中soi硅片或玻璃片水平旋转90度，使得soi硅片和玻璃片上的两个切口成90度分布。
11.所述4）中键合时键合温度提升为350~400℃，真空度保持为0.1pa~1pa，键合压力为300~500n，键合电压为600~800v，时间为5~10min，键合电流为13~15ma。
12.所述步骤4）中点状电极和平板电极之间间隔一定距离，二者不连通，点状电极和平板电极与电源负极并联。
13.在所述步骤1）中的soi硅片上制备有器件层，在所述步骤4）中器件层与电极零位连通。
14.在所述步骤1）和3）中取两片玻璃片，两片玻璃片从两片玻璃片从两侧与soi硅片键合。
15.发明优点：本发明操作简单、步骤简要，在键合时玻璃片和soi硅片的键合层处于高电场中，键合电流无需通过绝缘埋层，避免soi硅片绝缘埋层对阳极键合电压的限制，实现不同厚度绝缘埋层的soi硅片与玻璃片之间的通用性阳极键合。同时因soi硅片的器件层没有处于高电场中，soi硅片器件层中离子分布不受键合电场影响，这对器件性能有重要影响。
16.附图说明书：图1是本发明实施例1中玻璃片和soi硅片贴合时的示意图；图2是实施例1中玻璃片和soi硅片键合时的示意图；图3是实施例2中玻璃片和soi硅片键合时的示意图。
17.具体实施方式：实施例1如图1和2所示，一种soi硅片与玻璃的晶圆级键合方法，其特征在于：它包括以下步骤：1）取一片soi硅片1和一片含有钠元素的肖特bf33型玻璃片2，其内富含钠元素。在soi硅片的绝缘埋层1a下方的soi硅片上制备有器件层1c。
18.2）soi硅片1和玻璃片2的外形尺寸相同，soi硅片1和玻璃片2为圆形，在soi硅片1和玻璃片2上均有切口a。对soi硅片与玻璃片2的表面进行处理。
19.对玻璃片进行清洗，采用的清洗液为h2so4与h2o2的混合溶液，其中h2so4的质量浓度为98％，h2o2的质量浓度为30％，体积比h2so4∶h2o2＝4：1，清洗液的温度为120~130℃，清洗时间为15~20min，然后用去离子水冲洗10min，最后用甩干机干燥键合样品。
20.对soi硅片采用气态hf处理表面，时间10s，气态hf浓度99.999%，腔室压力5mtorr。
21.3）soi硅片1和玻璃片2对齐贴合在一起，而后将soi硅片或玻璃片2水平旋转90度，使得soi硅片1和玻璃片2上的切口a成90度直角分布。这样使得部分soi硅片1贴合面裸露在玻璃片2之外，该贴合面为键合层1b。
22.4）将soi硅片1和玻璃片2放置于键合设备中，在玻璃片2上连接有点状电极9，在点状电极9外侧的玻璃片2上覆盖有平板电极10。点状电极9和平板电极10之间间隔一定距离，二者不连通，点状电极9和平板电极10与键合设备的电源负极4并联。
23.所述器件层1c与键合设备中电极零位连通，裸露在玻璃片2之外的键合层1b与键合设备电源正极连通。而后进行键合，首先利用点电极对键合晶圆施加800v的电压，保持2~3min，而后再利用平板电极作用在玻璃片上，对键合晶圆施加600v电压，保持3~7min。最后撤去电压，键合腔室温度缓慢降至室温。整个键合过程中键合温度提升为350~400℃，真空度保持为0.1pa~1pa，键合压力为300~500n，键合电流为13~15ma。
24.实施例2：如图3所示，实施例1和2的不同之处在于，取两片肖特bf33型玻璃片2，贴合在soi硅片1的上、下表面上，形成三明治状结构。将两片玻璃片2从上、下两侧分别与soi硅片1键合到一起。
25.这时soi硅片上、下表面都是贴合面，即键合层1b，所以就无需设置器件层1c和接键合设备中电极零位。