[發(fā)明專利]一種基于金硅共晶的低溫鍵合方法

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201010189314.2
• 申請(qǐng)日: 2010-06-01
• 公開（公告）號(hào): CN101844740A
• 公開（公告）日: 2010-09-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 熊斌;荊二榮;王躍林
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所
• 主分類號(hào): B81C3/00
• 分類號(hào): B81C3/00
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司 31002
• 代理人: 潘振甦

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種低溫鍵合方法，更確切地說是一種基于金硅共晶的低溫鍵合方法，該鍵合方法不僅可以用于硅材料的鍵合，還可以用于非硅材料的鍵合。屬微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

鍵合可以將表面硅加工和體硅加工有機(jī)地結(jié)合在一起，已成為MEMS器件開發(fā)和實(shí)用化的關(guān)鍵技術(shù)之一。此外，鍵合技術(shù)還可用于芯片的圓片級(jí)封裝、SOI材料制備、三維集成等。與其它鍵合方法相比，低溫鍵合可以防止高溫鍵合(如硅熔融鍵合)引起的下列問題：(1)高溫對(duì)圓片上的溫度敏感電路和微結(jié)構(gòu)造成熱損壞(如超過450℃的高溫就會(huì)對(duì)CMOS鋁電路造成破壞)；(2)高溫易引入雜質(zhì)，造成襯底雜質(zhì)的重新分布；(3)對(duì)于熱膨脹系數(shù)(CTE)差較大的材料間鍵合，高溫導(dǎo)致很大的變形和殘余熱應(yīng)力，直接影響到器件性能和成品率。

目前已研發(fā)出了多種低溫鍵合技術(shù)，如表面活化低溫鍵合、陽(yáng)極鍵合、焊料鍵合、熱壓鍵合等。表面活化低溫鍵合工藝時(shí)間長(zhǎng)(一般為幾小時(shí)到幾十小時(shí))，效率較低，且由于涉及表面處理，難以滿足含圖形和電路的圓片鍵合要求。陽(yáng)極鍵合目前在MEMS器件制備過程中得到了廣泛的應(yīng)用，其缺點(diǎn)是不能對(duì)兩硅片直接進(jìn)行鍵合，而且由于鈉離子的存在，不能和MOS工藝兼容。鍵合過程中的高電壓產(chǎn)生的靜電力也可能使MEMS器件中其他要求可動(dòng)的硅結(jié)構(gòu)粘附到玻璃上，導(dǎo)致器件失效，同時(shí)高電勢(shì)會(huì)使硅材料改變其半導(dǎo)體特性，影響器件性能。

焊料鍵合對(duì)鍵合表面的平整度要求不高，但是焊料表面往往容易氧化，鍵合面的氧化層將嚴(yán)重影響鍵合的實(shí)現(xiàn)，同時(shí)，焊料往往通過電鍍法制備，增加了工藝難度和復(fù)雜性。熱壓鍵合往往需要較大的鍵合壓力，以消除鍵合表面粗糙度的影響。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服現(xiàn)有的低溫鍵合方法的不足，本發(fā)明的目的在于提出一種基于金硅共晶的鍵合方法，依次包括以下步驟：

(1)上基板制備：在拋光的單晶硅片上，熱生長(zhǎng)或化學(xué)氣相沉積一層氧化硅。在氧化硅層上的待鍵合處依次蒸發(fā)或?yàn)R射30-60nm厚的Ti膜和200-400nm厚的Au膜。

(2)下基板制備：在拋光的單晶硅片上，熱生長(zhǎng)或化學(xué)氣相沉積一層氧化硅。在氧化硅層上的待鍵合處化學(xué)氣相沉積一層0.5-2μm厚的非晶硅或多晶硅層，然后在非晶硅或多晶硅層上依次蒸發(fā)或?yàn)R射30-60nm厚的Ti膜和200-400nm厚的Au膜。

(3)將上基板與下基板的鍵合面對(duì)準(zhǔn)并貼合，再送入鍵合機(jī)，升溫至340-450℃，并施加0.2-0.4MPa的壓力，鍵合加壓時(shí)間為20-40分鐘，然后撤除壓力，冷卻到室溫，實(shí)現(xiàn)低溫鍵合。

綜上所述，本發(fā)明涉及一種基于金硅共晶的鍵合方法：

①包括上基板的制備，下基板的制備，上基板與下基板對(duì)準(zhǔn)，鍵合過程，其特征在于以金、鈦和硅為中間鍵合層材料；

②所述的上基板由基板材料和鍵合層材料構(gòu)成，上基板的基板材料可以為帶有氧化層的硅片或包括玻璃、GaN在內(nèi)的非硅材料，上基板的鍵合層材料由Ti/Au多層膜構(gòu)成，其中Ti層是金和基板材料之間的過渡層，用于增強(qiáng)金屬層與基板材料之間的粘附；

③所述的下基板由基板材料和鍵合層材料構(gòu)成，下基板的基板材料可以為帶有氧化層的硅片或包括玻璃、GaN在內(nèi)的非硅材料，下基板的鍵合層材料由Si/Ti/Au多層膜構(gòu)成，其中Si層為非晶硅或多晶硅，Ti層用于除去硅表面的自然氧化層，使Au/Si反應(yīng)在鍵合區(qū)域的各個(gè)點(diǎn)都發(fā)生；

④所述的鍵合溫度大于340℃，這樣鍵合過程中就會(huì)形成液態(tài)的AuSi合金，液態(tài)的合金不僅會(huì)增強(qiáng)硅和金的擴(kuò)散，還可以消除鍵合表面粗糙度的影響，但不宜太高，以340-450℃為宜；

⑤所述的鍵合方法不僅可以用于硅材料的鍵合，也可以用于包括玻璃、GaN的非硅材料。

本發(fā)明利用金硅共晶進(jìn)行鍵合，具有以下突出的優(yōu)點(diǎn)：

(1)作為貴金屬，Au不易氧化，所以鍵合界面沒有金屬氧化層阻礙鍵合反應(yīng)。

(2)當(dāng)鍵合溫度大于Au/Si的共晶溫度時(shí)，反應(yīng)中會(huì)形成液態(tài)的AuSi合金，液態(tài)的合金不僅會(huì)增強(qiáng)Si和Au的擴(kuò)散，還可以消除鍵合表面粗糙度的影響。

(3)非晶硅或多晶硅表面沉積了一層Ti/Au層，其中Ti金屬層用于除去硅表面的自然氧化層，使Au/Si反應(yīng)在鍵合區(qū)域的各個(gè)點(diǎn)都發(fā)生。

(4)該鍵合方法不僅可以用于硅材料的鍵合，還可以用于非硅材料的鍵合。

附圖說明

圖1上基板結(jié)構(gòu)圖

圖2下基板結(jié)構(gòu)圖

圖中各數(shù)字代表的含義為：

1.硅片1，2.氧化硅層，3.Ti層，4.Au層，5.硅片2，6.非晶硅或多晶硅層。

具體實(shí)施方式