专利名称：：一种基于金锡共晶的硅/硅键合方法
技术领域：
：本发明所属领域为微机电系统(MEMS)和集成电路(IC)封装技术，具体涉及一种基于金锡共晶的硅/硅键合方法。现有技术微机电系统(MEMS)是微电子学与微机械学相互融合的产物，它将集成电路(IC)制造工艺中的硅微细加工技术和机械工业中的微机械加工技术结合起来，制造出机、电一体甚至光、机、电一体的新器件。经过十几年的发展，MEMS芯片已经相当成熟，但是很多芯片却没有作为产品得到实际应用，其主要原因是没有解决封装问题。事实上只有已封装的MEMS器件才能成为产品，才能投入使用，否则只能停留在实验室阶段。目前的MEMS封装技术大都是由集成电路封装技术发展和演变而来的，但MEMS封装完全不同于传统IC封装。传统IC封装的目的是提供IC芯片的物理支撑，保护其不受环境的干扰与破坏，同时实现与外界的信号、能源与接地的电气互连。MEMS器件或系统既要感知外部世界，同时又要依据感知结果作出对外部世界的动作反应，由于这种与外部环境的交互作用关系以及自身的复杂结构使得对MEMS的封装除了高密度封装所面临的多层互联、散热问题、可靠性问题、可测试性问题之外，还要考虑将MEMS芯片、封装与工作环境作为一个交互作用的系统来设计MEMS的封装。因此，MEMS封装成本很高，一般占整个MEMS器件成本的70％左右。键合是MEMS及IC工艺中的一项重要技术。在已有的封装工艺中，例如熔融和阳极键合，都面临着温度高，时间长，平面度要求高以及可能对电路造成损害等问题。例如硅/硅直接键合要求两平面底板的键合温度超过1000℃。而硅/玻璃阳极键合要获得成功则要求表面粗糙度＜1μm。另一方面，尽管焊料焊接技术在低温条件下的焊料回流是可能的，并且在MEMS封装的应用方面也是可行的，然而在以往焊料中为了改进防潮能力而用的助焊剂却为气密封装带来一系列污染问题。为了改进当前的键合工艺，新的焊接技术必须朝着低温，低成本以及对表面粗糙程度不太敏感这些方面改进。目前广泛应用的芯片键合材料有四种合金硬焊料，合金软焊料，玻璃焊料和有机焊料。由于有机焊料价格低廉且性能良好，因而在应用方面占主导地位。但由于有机焊料在力学、导电、导热、气密性等方面的明显不足，因而在可靠性要求比较高的场合仍广泛使用合金焊料。合金硬焊料和软焊料有各自的优缺点。软焊料虽可用于大芯片的焊接，但由于焊接过程需要助焊剂，且使用温度低，很少用于MEMS键合。硬焊料键合温度高，速度快，一般不需要助焊剂，焊层强度高且可耐受较高的使用温度，但由于焊层内的残余热应力大，易导致芯片开裂，故一般只适用于芯片尺寸小于1×1mm2，且芯片和衬底的热膨胀系数相差不大的情况下的键合。最常用的硬焊料是Au/Si和Au/Sn共晶焊料。Au/Si键合通常以铬或钛作为中间层，溅射在硅(氧化硅)基体和金膜之间，以获得金与硅之间良好的粘结性能。Au/Si键合是一种经过退火后，硅片之间产生Au/Si共晶反应的键合，键合面之间有共晶硅化物粘结相形成。由于键合面的污染和氧化将严重影响键合的实现，故Au/Si键合需在真空或惰性气体环境中进行，成本较高。Au/Sn共晶键合由于熔点较低(Au/20Sn，表示合金中含20％重量的锡，其共晶温度为280℃)，键合强度高，在微电子封装中应用较多。文献1([1]RickyW.Chuang，DongwookKim，JeonyPark，et.al，AfluxlessAu-Snbondingprocessoftin-richcompositionsachievedinambientair，2002Electroniccomponentsandtechnologyconference.pp134-137)介绍了一种采用多层膜结构、两种合金配比的Au/Sn共晶焊方法，由于在管式炉中进行该键合，升温时的压力控制和测量比较困难；由于金属锡易在空气中氧化，文献2、3([2]GoranS.Matuasevic，ChenY.Wang，ChinC.Lee，Voidfreebondingoflargesilicondiceusinggold-tinalloys，IEEEtransactionsoncomponents，hybridsandmanufacturingtechnology.pp1128-1134，Vol.13，No.4，Dec.1990)[3]MasanoriNishiguchi，NoboruGotoandHideakiNishizawa，HighlyreliableAu-SneutecticbondingwithbackgroundGaAsLSIchips，IEEEtransactionsoncomponents，hybridsandmanufacturingtechnology.pp1128-1134，Vol.14，No.3，Sept.1991)采用共晶成分的Au/Sn焊片，分别在充填N2的退火炉和吹H2的键合机中实现了Au/Sn共晶焊，通过手动擦试法(scrubbingaction)去除表面氧化层，键合质量高，但对于有图形的键合对准造成不便(焊料片厚度为20-50um，难以操作)，且成本较高；文献4(见[4]ViorelAvramescu，klasHjort.EpitaxiallayertransferusingthinfilmSnsoldering，suitableforhybridintegrationinacoplanartechnology[J].IEEEtransactionsoncomponents，hybridsandmanufacturingtechnology.p395-398，Vol.24，No.3，Sept.2001)采用厚度为0.9um的金属锡层在电热板上实现了InP和Si键合，由于锡层较薄，键合面积仅为1mm2。等温凝固过程是液体/固体的相互扩散、反应的过程。在这一过程中，一种低熔点元素和一种高熔点元素在比低熔点元素的熔点略高的温度下发生反应扩散，最终可形成熔点比扩散温度高的金属间化合物或固溶体。由于反应过程中液相的出现，该过程比一般固相扩散要快得多。文献5(见[5]王铁兵，施建中，谢晓明.Au/In等温凝固芯片焊接工艺研究[J].功能材料与器件学报，Vol.5，No.4，1999.12)介绍了在硅衬底和铁合金衬底上基于等温凝固原理的Au/In键合。
发明内容本发明的目的在于提出一种基于金锡共晶的硅/硅键合方法，该方法克服了上述Au/Sn共晶键合存在的两大难题锡表面易氧化影响键合质量和只能实现小面积键合。本发明提供的一种基于金锡共晶的硅/硅键合方法，依次包括以下步骤(1)清洗待键合的硅片表面；(2)硅帽层制备通过溅射法，在帽层的待键合处表面镀10-20nm厚的Cr膜，然后蒸发或电镀3-10um厚Au膜；(3)硅衬底制备通过溅射法，在衬底的待键合处表面依次镀10-20nm厚的Cr膜和200-500nm厚的Au膜，然后通过蒸发或电镀法镀2-8um的Sn膜和100-200nm厚的Au膜；(4)将硅衬底和硅帽层的镀膜面相对并放置在用于键合的电热板上，电热板通电升温至320-350℃，并施加0.2-1.0MPa的压力，加压时间为3-5分钟，然后撤除压力，键合硅片继续保留在电热板上直至AuSn反应充分，冷却后即可得到金锡共晶键合片；在键合过程中向电热板区通入惰性气体，以防止Sn氧化。本发明利用金属锡的等温凝固过程和金锡共晶焊原理进行硅/硅键合。它采用Au/Sn的多层膜结构，通过在电热板上加温加压的方式实现了Au/Sn共晶键合。由于锡层表面镀有一定厚度的金膜(镀锡、镀金膜在真空中一次完成)，在短时间加热键合过程中，通过在热板区通惰性气体，减少了锡层的氧化。通过调整Au、Sn膜层厚度，完成了较大面积的硅片间的Au/Sn共晶键合。本发明克服了现有技术中锡表面易氧化影响键合质量和只能实现小面积键合的问题，且无须在真空条件下封装，具有键合速度快、生产成本低等优点。图1-1为硅帽层膜结构图，1-2为硅衬底膜层结构图；图2为帽层表面扫描电镜(SEM)照片(10000×)；图3为衬底扫描电镜(SEM)照片(10000×)；图4为实例1键合面剖开后衬底表面的扫描电镜(SEM)照片(5000×)；图5为实例2键合面剖开后衬底表面显微照片(400×)。具体实施例方式实例11)清洗硅片单面抛光的P型<100>硅圆片采用浓硫酸和双氧水(体积比为4∶1)配置的硅片清洗液加热煮沸10min，再用丙酮超声清洗10min，然后用无水乙醇超声清洗10min，再用去离子水(DI)超声10min，最后用DI漂洗干净，在匀胶机上甩干并在热板上加热去湿，热板温度为120℃，时间10min；2)帽层制备通过溅射法在硅园片3表面镀10nm厚的Cr膜2，然后蒸发3um厚Au膜1。帽层膜结构如图1-1所示，微观结构如图2所示；3)衬底制备通过溅射法在硅园片8表面依次镀20nm厚的Cr膜7和200nm厚的Au膜6，然后通过蒸发镀2um的Sn膜5和200nm厚的Au膜4。衬底结构如图1-2所示，微观结构如图3所示；4)将镀膜完毕的硅圆片切割成1cm×1cm大小的划片；5)将置于底板上的电热板通电升温至330±10℃，然后将配对好(镀膜面相对)的衬底和帽层一起放置在电热板上，通过调节弹簧施加1.0MPa的压力(压力通过压力传感器测定)，为防止因硅片厚度不均所导致的局部受力不均匀、或压力过大引起的键合片碎裂，在键合衬底片下垫上一层厚度为0.1mm的聚四氟乙烯生料带，加压时间为3min，然后撤除压力，键合片继续保留在电热板上一定时间以使AuSn反应充分，冷却后即可得到完整的金锡共晶片。键合过程中向电热板区通N2以防止Sn氧化，气体流量为1-2l/min。这一步骤可以采用共晶贴片机或其它键合设备完成。根据上述介绍的方法和步骤，实际完成了1cm×1cm大小硅片的硅/硅键合，经检测，键合面积达到90％以上，键合面的剪切强度达到3.5MPa。键合面剖开后的扫描电镜照片(SEM)如图4所示。实例2按照实例1工艺进行，调整内容为帽层制备中采用电镀法获得Au膜1，厚度为7um，衬底制备中溅射Au膜6厚度为500nm，电镀Sn膜5厚度为5um，键合时电热板温度为340±10℃，施加压力为0.5MPa，加压时间为5min，所得到的键合面的剪切强度为3.7MPa，其它参数如图实例1相同。键合面破开后的微观照片如图5所示。实例3按照实例1工艺进行，调整内容为帽层制备中采用电镀法获得Au膜1，厚度为10um，衬底制备中溅射Au膜6厚度为500nm，电镀Sn膜5厚度为8um，键合时电热板温度为340±10℃，施加压力为0.2MPa，加压时间为5min，所得到的键合面的剪切强度为4.0MPa。其它参数如图实例1相同。本发明中，硅帽层和硅衬底上的Au层厚度之和与Sn层厚度之比约为3∶2时，其技术效果更好。权利要求1.一种基于金锡共晶的硅/硅键合方法，依次包括以下步骤(1)清洗待键合的硅片表面；(2)硅帽层制备通过溅射法，在帽层的待键合处表面镀10-20nm厚的Cr膜，然后蒸发或电镀3-10um厚Au膜；(3)硅衬底制备通过溅射法，在衬底的待键合处表面依次镀10-20nm厚的Cr膜和200-500nm厚的Au膜，然后通过蒸发或电镀法镀2-8um的Sn膜和100-200nm厚的Au膜；(4)将硅衬底和硅帽层的镀膜面相对并放置在用于键合的电热板上，电热板通电升温至320-350℃，并施加0.2-1.0MPa的压力，加压时间为3-5分钟，然后撤除压力，键合硅片继续保留在电热板上直至AuSn反应充分，冷却后即可得到金锡共晶键合片；在键合过程中向电热板区通入惰性气体，以防止Sn氧化。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(4)中，在硅衬底下垫一层耐高温柔性薄层。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于步骤(2)和(3)中，镀膜过程中控制硅衬底和硅帽层中的Au/Sn膜的厚度比约为3∶2。全文摘要本发明属于MEMS和IC封装技术，具体为一种基于金锡共晶的硅/硅键合方法。该方法采用Au/Sn的多层膜结构，通过在电热板上加温加压的方式实现了Au/Sn共晶键合。由于锡层表面镀有一定厚度的金膜(镀锡、镀金膜在真空中一次完成)，在短时间加热键合过程中，通过在热板区通惰性气体，减少了锡层的氧化。在键合衬底片下垫上一层耐高温柔性垫层，可有效防止因硅片厚度不均所导致的局部受力不均匀、或压力过大引起的键合片碎裂。通过调整Au、Sn膜层厚度，完成了较大面积的硅片间的Au/Sn共晶键合。本发明克服了现有技术中锡表面易氧化影响键合质量和只能实现小面积键合的问题，且无须在真空条件下封装，具有键合速度快、生产成本低等优点。文档编号H01L21/00GK1529343SQ200310111228公开日2004年9月15日申请日期2003年10月13日优先权日2003年10月13日发明者陈明祥,陈四海,易新建,李静文,董珊,刘胜申请人:华中科技大学