專利名稱：一種局部鍵合后封裝方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及微系統(tǒng)領域中的鍵合封裝方法，特別是涉及帶有微結(jié)構(gòu)圖形或微部件的硅、玻璃等芯片的局部鍵合后封裝方法。
背景技術(shù)：
微系統(tǒng)的成功很大程度上和封裝技術(shù)有關(guān)。微器件除了具有微電子器件的信號處理功能外，還具有傳感、制動和傳動等功能，封裝必須考慮鍵合過程中熱量、氣體、電磁、輻射或結(jié)構(gòu)變化以及周圍環(huán)境如濕度、溫度等因素導致的某些活動部件、傳感單元或其他功能部件的失效或性能的降低。因此微系統(tǒng)的封裝比微電子封裝復雜得多，迄今為止，尚未有現(xiàn)比較成熟的可靠的封裝方法。上述的諸多因素影響著封裝質(zhì)量和成品率，進而影響封裝成本。目前微系統(tǒng)的封裝的成本是器件成本的10倍以上，而一般集成電路(IC)的封裝成本僅占30％左右。
在需要熱處理的各種鍵合封裝方式中，溫度或熱量的分布是影響鍵合質(zhì)量的重要因素。目前的鍵合技術(shù)如陽極鍵合、直接鍵合、熔融鍵合和共晶鍵合都需要高溫處理，以獲得足夠的鍵合能(如硅-硅陽極鍵合300～450℃，硅-硅直接鍵合＞800℃，熔融鍵合則需＞1000℃，Si-Au共晶鍵合363℃)。目前的高溫處理方式大都是采用熱板或加熱器對芯片直接整體加熱，使得芯片的各處都處于高溫。但是這種整體高溫鍵合方法對于后封裝是不適宜的，因為已加工好的芯片的某些部件可能不能承受高溫處理，另外高溫處理會產(chǎn)生殘余應力而導致部件的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，偏離設計值，從而導致性能下降，成品率降低。
為了克服上述的困難，人們提出了局部電阻加熱鍵合工藝包括局部硅-金共晶鍵合、局部硅-玻璃熔融鍵合、局部焊料鍵合以及局部CVD鍵合工藝(參見Liwei Lin，“Thermal challenges in MEMS applicationphasechange phenomena and thermal bonding process”，MicroelectronicsJournal，34，pp179-185，2003.)。局部鍵合的優(yōu)點在于當鍵合部位處于局部高溫時芯片整體處于低溫，因而熱影響區(qū)被限定于較小的范圍。局部鍵合的適用范圍較寬，對微系統(tǒng)領域的絕大多數(shù)材料都是適用的，但利用電阻微加熱器加熱，加熱時間和溫度的控制比較復雜，而且微加熱線條的功率均分和鍵合線的均勻性保證很困難。另外，制作微加熱器的工藝和微加熱器本身都會對芯片帶來污染，對芯片的性能有一定程度的影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是提供一種激光局部加熱熔融鍵合方法，利用激光非接觸局部加熱效應代替熱板整體加熱或局部電阻加熱鍵合封裝，以達到非接觸、無污染、高速、高可靠性和工藝簡單的鍵合。
本發(fā)明的另一目的是提供一種激光局部加熱輔助陽極鍵合方法，以激光局部加熱源代替?zhèn)鹘y(tǒng)的陽極鍵合中的熱板整體加熱源，達到選擇性的局部加熱鍵合，以避免封閉腔體中氣體對鍵合過程的影響。
本發(fā)明的一個目的是按如下第一技術(shù)方案實現(xiàn)的。其特征是包括以下步驟(1)將擬鍵合的二芯片清洗，二芯片中，一為在激光波長處透明的芯片，另一為在激光波長處具有較高吸收率的芯片；(2)將所述的二芯片分別放在載片臺上，并按鍵合位置對準，所述的透明芯片所處的載片臺也是透明的；加壓，使二芯片緊密接觸；(3)將激光從所述的透明芯片一側(cè)穿透射入，并聚焦至所述的另一芯片的表面，通過掃描機制，控制所述的激光沿鍵合線掃描，實施選擇性的局部區(qū)域加熱，使所述的二芯片鍵合。
本發(fā)明的另一目的是按如下第二技術(shù)方案實現(xiàn)的。其特征是在第一方案的基礎上，不同之處為；上述的步驟(2)中，所述的二載片臺是導電的；和在上述的步驟(3)中，在所述的二載片臺之間施以電壓后，再行激光加熱。
此外，所述的芯片為用玻璃或樹脂制作的，所述的另一芯片為用硅制作的。
所述的導電透明載片臺的結(jié)構(gòu)為在透明載片臺的與透明芯片接觸的表面上，涂復一層ITO薄膜。
所述的激光的波長為0.7-1.1μm。
所述的芯片表面的粗糙度小于20nm，壓力10-30MPa，連續(xù)激光功率5-50W。
所述的導電電壓為500-1000V，加熱溫度為250-400℃。
在第一技術(shù)方案中，待鍵合的兩個芯片一個在激光波長處透明，而另一個在激光波長處具有較高的吸收率。鍵合時，首先使芯片在載片臺上固定并對準，爾后通過外界可控施壓使它們在一定壓力下緊密接觸，隨后讓激光從透明芯片一側(cè)穿透射入并聚焦至另一芯片的表面，通過一定的掃描機制，控制激光沿鍵合線掃描實施選擇性的局部區(qū)域加熱而導致熔融鍵合。
在第二技術(shù)方案中，待鍵合的兩個芯片一個在激光波長處透明，而另一個在激光波長處具有較高的吸收。待鍵合的芯片經(jīng)過清洗后分別置于陽極鍵合工作臺的上透明導電載片臺和下導電載片臺上；在兩芯片對準后，通過覆蓋在透明材料上的上透明導電載片臺施加一定的壓力，使對準后的芯片緊密接觸；然后在上下導電載片臺上施予一定的電壓，在電壓達到通常陽極鍵合的電壓范圍時，讓激光從透明芯片一側(cè)穿透射入并聚焦至另一芯片的表面，對兩芯片的界面進行加熱；通過一定的掃描機制，控制激光沿需要的鍵合線掃描，實施選擇性的局部區(qū)域加熱而形成輔助陽極鍵合。
由于加熱區(qū)域小，時間短，溫度分布出現(xiàn)在局部鍵合線附近，對芯片上其他微結(jié)構(gòu)和封閉腔體的影響小，不會出現(xiàn)常規(guī)陽極鍵合出現(xiàn)的封閉腔中的氣體熱脹冷縮導致鍵合失效的問題。
為了實現(xiàn)上述二目的，本發(fā)明采用發(fā)射波長處于近紅外區(qū)域(0.7～1.1μm)的半導體激光器作為輻射加熱源。此波段對于微系統(tǒng)中采用的玻璃材料是高透明的，而對于硅是不透明的。硅片在這個波段具有較高的吸收，如500μm厚的硅片的吸收率為40％～80％。另外半導體激光裝置的體積小，可靠性高，因而用半導體激光器作為加熱源是優(yōu)先的選擇。
綜上所述，本發(fā)明的主要特點是采用激光局部加熱形式代替熱板整體加熱，直接用于兩材料的穿透熔融鍵合或在陽極鍵合中輔助加熱。與熱板整體加熱熔融鍵合和傳統(tǒng)陽極鍵合方式相比，具有如下優(yōu)點(1)激光是一種非接觸局部加熱源，因而無熱源污染；(2)激光功率密度高，作用時間短，因此熱影響區(qū)小，熱應力小，可靠性高；(3)易于計算機控制，操作方便，鍵合速度高；(4)不僅可以用于裸片的鍵合，而且特別適用于芯片的后封裝；(5)工序簡單，無需淀積淀電阻加熱線或其他處理工序。


圖1為本發(fā)明激光局部加熱熔融直接鍵合示意圖；圖2為本發(fā)明激光局部加熱輔助陽極鍵合示意圖；圖中代號102透明芯片103不透明芯片104透明載片臺105不透明載片臺106作用力107激光108點光束 109微部件110薄膜實施方式本發(fā)明的實施以玻璃-硅的鍵合為例。使用的玻璃芯片102為德國肖特公司生產(chǎn)的Borofloat33，線熱脹系數(shù)為3.25×10-6K-1。采用的硅芯片103厚度為500μm。半導體激光器的波長為808nm，光纖耦合輸出的最大連續(xù)功率為30瓦，光纖芯徑為200μm。從光纖出射口發(fā)出的激光經(jīng)過光學系統(tǒng)變換后可以聚焦成光斑直徑為70μm的光束。
如圖1為本發(fā)明激光局部加熱熔融直接鍵合示意圖，步驟為1、鍵合前先將硅芯片102和玻璃芯片103用常規(guī)的方法進行清洗，去除表面的油污、聚合物分子以及金屬離子。對于裸片，可以用酸洗方法去除金屬離子，對于已有微結(jié)構(gòu)或部件的芯片，可以采用等離子體干法刻蝕或激光清洗。
2、玻璃-硅的激光直接加熱熔融鍵合按圖1方式實施。玻璃芯片102和硅片芯片103，在經(jīng)過常規(guī)準備工藝后，分別固定于載片臺即吸附板104和105上。吸附玻璃芯片的載片臺104為透明玻璃或樹脂板制作，以使激光以高透過率通過；然后調(diào)整兩芯片的間距，使它們靠近，再通過顯微目視系統(tǒng)或CCD顯微成像系統(tǒng)(圖中未畫出)實現(xiàn)待鍵合芯片上的對準標記之間的對準；繼續(xù)調(diào)節(jié)玻璃芯片102和硅芯片103之間的間距，使他們的表面相互接觸，再通過載片臺104和105對兩接觸的芯片施加壓力106，3、從激光器發(fā)出的激光107被光束變換系統(tǒng)聚焦成點光束108后，透過透明載片臺104和待鍵合的玻璃片102作用于硅片103上。硅片吸收激光能量，產(chǎn)生熱量并使接觸面的激光加熱區(qū)溫度上升。當溫度足夠高時，激光加熱區(qū)處的接觸面的表面能發(fā)生變化，當溫度更高時玻璃熔化，則在加熱區(qū)形成熔融，熔融區(qū)域冷卻后即形成高強度的鍵合區(qū)域。激光聚焦光斑直徑為70微米，產(chǎn)生的鍵合區(qū)域(包括熱影響區(qū))可控制在100微米以下，因而鍵合過程對硅片103上的微部件109幾乎沒有影響。
鍵合的結(jié)果和表面的質(zhì)量與芯片表面的粗糙度、接觸壓力以及激光參量有關(guān)。為了獲得高鍵合強度，芯片的表面粗糙度應控制在幾～二十納米，接觸壓力控制在10～30MPa，連續(xù)激光功率范圍為5～50瓦，依賴于激光光斑尺寸和掃描速度。在激光功率為25瓦，激光掃描速度為5mm/s，聚焦光斑直徑為150微米的情況下，獲得的鍵合強度為5～25MPa，此結(jié)果可以與其他鍵合方法相比擬。
圖2為激光局部加熱輔助陽極鍵合示意圖；圖2中，步驟1、2和圖1一樣，首先將兩芯片清洗、分別固定，對準并施予一定的壓力，使芯片上待鍵合的表面緊密接觸。但和玻璃芯片102接觸的載片臺104，除了需要對激光透明外，還要導電，用作陽極鍵合中的電極板，因此采用透明導電玻璃，本實施例采用在普通玻璃上鍍上一層ITO薄膜110制作。而與硅芯片103接觸的載片臺即電極105采用鋁板，無需透明。
步驟3、在使用激光加熱前，將上、下載片臺通電，在電壓達到通常陽極鍵合的電壓范圍(700伏特左右)時，讓激光從透明載片臺即電極104和鍵合玻璃芯片102一側(cè)穿透射入，并聚焦至硅芯片103的表面，對兩芯片接觸面進行加熱，溫度350℃?？刂萍す庋匦枰逆I合線掃描，實施選擇性的局部區(qū)域加熱而輔助陽極鍵合。
上述方法具有較寬的適用性，同樣適用于塑料與玻璃或硅的鍵合，以及金屬與硅或玻璃的鍵合。
權(quán)利要求
1.一種局部鍵合后封裝方法，其特征是包括以下步驟(1)將擬鍵合的二芯片清洗，二芯片中，一為在激光波長處透明的芯片(102)，另一為在激光波長處具有較高吸收率的芯片(103)(2)將所述的二芯片分別放在載片臺(104、105)上，并按鍵合位置對準，所述的透明芯片(102)所處的載片臺(104)也是透明的；加壓，使二芯片緊密接觸；(3)將激光從所述的透明芯片(102)一側(cè)穿透射入，并聚焦至所述的另一芯片(103)的表面，通過掃描機制，控制所述的激光沿鍵合線掃描，實施選擇性的局部區(qū)域加熱，使所述的二芯片(102、103)鍵合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的局部鍵合后封裝方法，其特征是在所述的步驟(2)中，所述的二載片臺(104、105)是導電的；在所述的步驟(3)中，在所述的二載片臺之間施以電壓后，再行激光加熱。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的局部鍵合后封裝方法，其特征是所述的芯片(102)為用石英玻璃或樹脂制作的，所述的另一芯片(103)為用硅制作的。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的局部鍵合后封裝方法，其特征是所述的導電透明載片臺的結(jié)構(gòu)為在透明載片臺(104)的與透明芯片(102)接觸的表面上，涂復一層ITO薄膜(110)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的局部鍵合后封裝方法，其特征是所述的激光的波長為0.7-1.1μm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的局部鍵合后封裝方法，其特征是所述的芯片表面的粗糙度小于20nm，壓力10-30MPa，連續(xù)激光功率3-50W。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的局部鍵合后封裝方法，其特征是所述的導電電壓為500-1000V，加熱溫度為250-400℃。
全文摘要
一種局部鍵合后封裝方法，包括(1)將擬鍵合的二芯片清洗，二芯片一為在激光波長處透明的芯片(102)，另一為在激光波長處具有較高吸收率的芯片(103)；(2)將二芯片放在載片臺(104、105)上，按鍵合位置對準，透明芯片(102)所處的載片臺(104)也是透明的；加壓，使二芯片緊密接觸；(3)將激光從透明芯片(102)一側(cè)穿透射入，并聚焦至所述的另一芯片(103)的表面，控制激光沿鍵合線掃描，使二芯片(102、103)熔融鍵合。還可為在所述的步驟(2)中，所述的二載片臺(104、105)是導電的；在所述的步驟(3)中，在所述的二載片臺之間施以電壓后，再行激光加熱。其優(yōu)點(1)無熱源污染；(2)熱應力小，可靠性高；(3)鍵合速度高；(4)可用于裸片的鍵合，特別適用于芯片的后封裝；(5)工序簡單。
文檔編號B81C3/00GK1585103SQ03153968
公開日2005年2月23日 申請日期2003年8月22日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月22日
發(fā)明者賴建軍, 汪學方, 劉勝, 易新建 申請人:華中科技大學