專利名稱：一種硅/玻璃激光局部鍵合方法
技術領域：
本發(fā)明屬于晶圓鍵合技術，具體涉及一種硅/玻璃激光局部鍵合方法。
背景技術：
自從硅被發(fā)現(xiàn)具有良好的機械性能、并且能被多種工藝加工成微結構后，它在傳感器制造中得到了大量的應用；同時，由于借鑒了硅在IC制造中的成熟工藝，使得在具有傳感或執(zhí)行功能的硅基微系統(tǒng)中集成電路成為可能；而玻璃具有電絕緣性、良好的透光性、高機械強度及化學穩(wěn)定性，因此，硅和玻璃在微機電系統(tǒng)MEMS(Micro Electro MechanicalSystem)制造中得到了大量的應用，而硅和玻璃之間的鍵合技術則是決定著MEMS封裝成功的關鍵技術之一。
目前硅和玻璃的鍵合技術主要有直接/共熔鍵合技術、陽極鍵合技術等。直接/共熔鍵合技術已運用到多種MEMS器件的制造中，如壓力傳感器、微泵、化學傳感器都需要在襯底上鍵合機械支撐結構。硅的熔融鍵合大多用在SOI技術上，如Si-SiO2鍵合和Si-Si鍵合，然而，該鍵合工藝需要較高的退火溫度。陽極鍵合的溫度為200-400度，低于直接/共熔鍵合的溫度，然而它需要1000-2000V的強電場才能實現(xiàn)高質量的鍵合，而強電場會對微電路產生威脅，并且陽極鍵合中玻璃的堿離子可能會對器件帶來污染，鍵合對晶圓表面平整度的嚴格要求也限制了它在MEMS制造中的應用。
因此，盡管直接/共熔鍵合和陽極鍵合在高溫、高壓情況下能得到很高的鍵合強度，然而并不適用于已經集成了金屬薄膜的壓力、化學和熱傳感MEMS器件的鍵合封裝。當前，越來越多的研究者正致力于利用晶圓表面活化處理來降低陽極鍵合和熔融鍵合的外加輔助場強度，但它們都需要在整個器件或襯底上加熱，這會導致不必要的應力和溫度場分布，而且上述鍵合技術也不容易實現(xiàn)選擇性鍵合，鍵合面積和熱影響區(qū)難以控制。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供一種硅/玻璃激光局部鍵合方法，目的在于使特定區(qū)域局部高溫，實現(xiàn)鍵合，并具有高的鍵合強度，同時晶圓或器件整體上處于較低的溫度，不會產生不必要的溫度梯度和應力場分布，以避免已經集成的壓力、溫度等傳感器件的性能受到影響。
本發(fā)明的一種硅/玻璃激光局部鍵合方法，順序包括(1)清洗步驟，將待鍵合的硅和玻璃樣片浸泡到清洗液中清洗；(2)一次活化步驟，將清洗后的硅和玻璃樣片浸泡到氨基活化液中進行活化，活化后取出；(3)二次活化步驟，將一次活化后的硅和玻璃樣片浸泡到鹽酸基活化液中繼續(xù)活化，活化后取出；(4)預鍵合步驟，將二次活化后的硅和玻璃樣片吹干，在室溫下迅速貼合，使之發(fā)生預鍵合；(5)激光加熱步驟，利用激光輻照加熱，使貼合后的硅和玻璃發(fā)生局部鍵合。
所述的一種硅/玻璃激光局部鍵合方法，其特征在于(1)所述清洗步驟中清洗液為H2SO4與H2O2的混合溶液，清洗液溫度50～150℃，清洗時間10～30分鐘；(2)所述一次活化步驟中，氨基活化液為NH4OH、H2O2和去離子H2O的混合溶液，活化溫度50～90℃，活化時間10～30分鐘；(3)所述二次活化步驟中，鹽酸基活化液為HCl、H2O2和去離子H2O的混合溶液，活化溫度50～90℃，活化時間10～30分鐘。
所述的一種硅/玻璃激光局部鍵合方法，其進一步特征在于(1)所述清洗步驟中的H2SO4質量濃度98％、H2O2的質量濃度30％，體積比H2SO4∶H2O2＝2～4∶1；(2)所述一次活化步驟中，NH4OH的質量濃度25％、H2O2的質量濃度30％，體積比NH4OH∶H2O2∶H2O＝1～3∶1∶3～8；(3)所述二次活化步驟中，HCl的質量濃度40％、H2O2的質量濃度30％，體積比HCl∶H2O2∶H2O＝1～3∶1∶3～8。
所述的一種硅/玻璃激光局部鍵合方法，其特征在于所述激光加熱步驟中，激光功率25～100W，掃描速度0.5～20mm/s。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術的對比結果如表1所示表1 各種鍵合技術的比較

本發(fā)明使用激光做為加熱源，激光鍵合的關鍵是保證熱量能在兩鍵合片之間很好的傳遞，為此必須使鍵合片能夠緊密的接觸在一起，在激光鍵合前需要利用親水性表面活化工藝對樣片進行表面活化，對鍵合片進行表面活化處理將會使其表面能增大，呈強烈親水性，將樣片在室溫下迅速貼合在一起，樣片受到界面處的氫鍵和范德華爾斯力作用，無需外壓力就能在室溫下緊密接觸在一起，可以避免施加外壓力鍵合后產生較大的殘余應力；激光對玻璃透射，對硅片吸收，因此鍵合過程無需中介層；激光經過聚焦透鏡后可以將能量集中于一點，因此，可以在很短的時間內使被照射的局部區(qū)域溫度急劇上升，而周圍區(qū)域溫度變化不大，從而達到選擇區(qū)域局部鍵合的目的；激光具有良好的可控性，經過設置不同的激光工藝參數(shù)可以實現(xiàn)不同的鍵合要求，使工藝具有很好的柔性。綜上所述，本發(fā)明具有鍵合整體溫度低，鍵合區(qū)域選擇性好，工藝可控性強等優(yōu)點，將成為MEMS制造與封裝的新型鍵合工藝。


圖1為本發(fā)明的工藝流程圖；圖2為激光功率75W，掃描速度1mm/s，激光鍵合軌跡初始段，每標尺刻度50μm；圖3為激光功率75W，掃描速度1mm/s，激光鍵合軌跡中間段圖，每標尺刻度50μm，鍵合線寬750μm；圖4為激光功率75W，掃描速度1mm/s，激光鍵合軌跡結束段圖，每標尺刻度50μm；圖5為激光功率90W，掃描速度10mm/s，激光鍵合軌跡中間段圖，每標尺刻度50μm，鍵合線寬1000μm。
具體實施例方式
本發(fā)明工藝流程如圖1所示。
實施例1
1、清潔樣片，將待鍵合樣片浸泡到清洗液(H2SO4∶H2O2＝2∶1)中，控制溫度在120℃，清洗20分鐘；2、將待鍵合樣片浸泡到氨基活化液(NH4OH∶H2O2∶H2O＝1∶1∶5)中進行一次活化，活化溫度70℃，樣片活化20分鐘；3、將待鍵合樣片浸泡到鹽酸基活化液(HCl∶H2O2∶H2O＝1∶1∶5)中進行二次活化，活化溫度70℃，樣片活化20分鐘；4、將活化后的硅片和玻璃片吹干后，在室溫下迅速貼合在一起，使之發(fā)生預鍵合；5、使用德國Rofin-Sinar公司生產的Nd:YAG激光器、采用連續(xù)式激光發(fā)射方式進行激光局部鍵合。鍵合所選的激光參數(shù)為激光功率75W，波長1064nm，光斑直徑200μm，激光掃描速度為1mm/s。
通過圖2、3、4可以明顯看到本實施例激光鍵合的整個過程。圖2是激光鍵合的初始階段，因為此時鍵合界面吸收的激光功率還比較少，溫度還未上升到穩(wěn)定鍵合的程度。此時激光束的能量分布滿足高斯分布，光斑中心點能量密度比較高，因此光斑中心位置升溫較快，光斑中心點首先發(fā)生了鍵合。隨著激光照射時間的增加，鍵合界面吸收的激光能量也越來越多，因此鍵合區(qū)域開始向垂直于光束掃描方向的兩端擴大，即鍵合線條的寬度越來越大。當鍵合線寬擴大到一定的尺度時，單位時間內鍵合片吸收的能量與激光提供給鍵合界面的能量相等，此時鍵合達到了一種準穩(wěn)態(tài)能量平衡，因此鍵合線寬也就不再增加而維持在一個固定的尺寸，如圖3所示。圖3中標尺每刻度是50μm，從圖3中可見鍵合線寬大約是750μm。當然準穩(wěn)態(tài)平衡的建立和激光功率、鍵合界面散熱效率等因素都有關系。圖4為激光鍵合軌跡的結束端，可以很明顯看到半圓型的鍵合區(qū)域，清楚表明了圓型激光光斑形成的鍵合區(qū)域。
實施例21、樣片清洗。將待鍵合樣片浸泡到清洗液(H2SO4∶H2O2＝2∶1)中，控制溫度在120℃，清洗20分鐘；2、對樣片進行一次活化。將待鍵合樣片浸泡到氨基活化液溶液(NH4OH∶H2O2∶H2O＝1∶1∶5)，活化溫度70℃，樣片活化20分鐘；3、對樣片進行二次活化。將待鍵合樣片浸泡到鹽酸基活化液溶液(HCl∶H2O2∶H2O＝1∶1∶5)，活化溫度70℃，樣片活化20分鐘；4、樣片預鍵合。將硅片和玻璃片吹干后，在室溫下迅速貼合在一起，發(fā)生預鍵合；5、激光局部鍵合。激光功率90W，波長1064nm，光斑直徑200μm，激光掃描速度為10mm/s。
圖5為激光功率90W，掃描速度為10mm/s的激光鍵合軌跡中間段圖，從圖可以看到鍵合結果與實施例1十分相似，只是鍵合軌跡寬度相對較大。
實施例31、樣片清洗。將待鍵合樣片浸泡到清洗液(H2SO4∶H2O2＝4∶1)中，控制溫度在50℃，清洗30分鐘；2、對樣片進行一次活化。將待鍵合樣片浸泡到氨基活化液溶液(NH4OH∶H2O2∶H2O＝1∶1∶3)，活化溫度50℃，樣片活化30分鐘；3、對樣片進行二次活化。將待鍵合樣片浸泡到鹽酸基活化液溶液(HCl∶H2O2∶H2O＝1∶1∶3)，活化溫度50℃，樣片活化30分鐘；4、樣片預鍵合。將硅片和玻璃片吹干后，在室溫下迅速貼合在一起，發(fā)生預鍵合；5、激光局部鍵合。激光功率25W，波長1064nm，光斑直徑200μm，激光掃描速度為0.5mm/s。
實施例41、樣片清洗。將待鍵合樣片浸泡到清洗液(H2SO4∶H2O2＝2∶1)中，控制溫度在150℃，清洗10分鐘；
2、對樣片進行一次活化。將待鍵合樣片浸泡到氨基活化液溶液(NH4OH∶H2O2∶H2O＝3∶1∶8)，活化溫度90℃，樣片活化10分鐘；3、對樣片進行二次活化。將待鍵合樣片浸泡到鹽酸基活化液溶液(HCl∶H2O2∶H2O＝3∶1∶8)，活化溫度90℃，樣片活化10分鐘；4、樣片預鍵合。將硅片和玻璃片吹干后，在室溫下迅速貼合在一起，發(fā)生預鍵合；5、激光局部鍵合。激光功率100W，波長1064nm，光斑直徑200μm，激光掃描速度為20mm/s。
實施例51、樣片清洗。將待鍵合樣片浸泡到清洗液(H2SO4∶H2O2＝2∶1)中，控制溫度在120℃，清洗20分鐘；2、對樣片進行一次活化。將待鍵合樣片浸泡到氨基活化液溶液(NH4OH∶H2O2∶H2O＝3∶1∶3)，活化溫度70℃，樣片活化10分鐘；3、對樣片進行二次活化。將待鍵合樣片浸泡到鹽酸基活化液溶液(HCl∶H2O2∶H2O＝1∶1∶8)，活化溫度70℃，樣片活化30分鐘；4、樣片預鍵合。將硅片和玻璃片吹干后，在室溫下迅速貼合在一起，發(fā)生預鍵合；5、激光局部鍵合。激光功率50W，激光掃描速度為5mm/s。
實施例61、樣片清洗。將待鍵合樣片浸泡到清洗液(H2SO4∶H2O2＝2∶1)中，控制溫度在110℃，清洗20分鐘；2、對樣片進行一次活化。將待鍵合樣片浸泡到氨基活化液溶液(NH4OH∶H2O2∶H2O＝1∶1∶8)，活化溫度50℃，樣片活化30分鐘；3、對樣片進行二次活化。將待鍵合樣片浸泡到鹽酸基活化液溶液(HCl∶H2O2∶H2O＝3∶1∶8)，活化溫度50℃，樣片活化10分鐘；4、樣片預鍵合。將硅片和玻璃片吹干后，在室溫下迅速貼合在一起，發(fā)生預鍵合；5、激光局部鍵合。激光功率75W，激光掃描速度為10mm/s。
實施例71、樣片清洗。將待鍵合樣片浸泡到清洗液(H2SO4∶H2O2＝2∶1)中，控制溫度在100℃，清洗20分鐘；2、對樣片進行一次活化。將待鍵合樣片浸泡到氨基活化液溶液(NH4OH∶H2O2∶H2O＝3∶1∶6)，活化溫度70℃，樣片活化30分鐘；3、對樣片進行二次活化。將待鍵合樣片浸泡到鹽酸基活化液溶液(HCl∶H2O2∶H2O＝1∶1∶8)，活化溫度70℃，樣片活化30分鐘；4、樣片預鍵合。將硅片和玻璃片吹干后，在室溫下迅速貼合在一起，發(fā)生預鍵合；5、激光局部鍵合。激光功率100W，激光掃描速度為20mm/s。
實施例81、樣片清洗。將待鍵合樣片浸泡到清洗液(H2SO4∶H2O2＝2∶1)中，控制溫度在150℃，清洗20分鐘；2、對樣片進行一次活化。將待鍵合樣片浸泡到氨基活化液溶液(NH4OH∶H2O2∶H2O＝2∶1∶8)，活化溫度50℃，樣片活化30分鐘；3、對樣片進行二次活化。將待鍵合樣片浸泡到鹽酸基活化液溶液(HCl∶H2O2∶H2O＝1∶1∶5)，活化溫度90℃，樣片活化10分鐘；4、樣片預鍵合。將硅片和玻璃片吹干后，在室溫下迅速貼合在一起，發(fā)生預鍵合；5、激光局部鍵合。激光功率100W，激光掃描速度為20mm/s。
權利要求
1.一種硅/玻璃激光局部鍵合方法，順序包括(1)清洗步驟，將待鍵合的硅和玻璃樣片浸泡到清洗液中清洗；(2)一次活化步驟，將清洗后的硅和玻璃樣片浸泡到氨基活化液中進行活化，活化后取出；(3)二次活化步驟，將一次活化后的硅和玻璃樣片浸泡到鹽酸基活化液中繼續(xù)活化，活化后取出；(4)預鍵合步驟，將二次活化后的硅和玻璃樣片吹干，在室溫下迅速貼合，使之發(fā)生預鍵合；(5)激光加熱步驟，利用激光輻照加熱，使貼合后的硅和玻璃發(fā)生局部鍵合。
2.如權利要求1所述的一種硅/玻璃激光局部鍵合方法，其特征在于(1)所述清洗步驟中清洗液為H2SO4與H2O2的混合溶液，清洗液溫度50～150℃，清洗時間10～30分鐘；(2)所述一次活化步驟中，氨基活化液為NH4OH、H2O2和去離子H2O的混合溶液，活化溫度50～90℃，活化時間10～30分鐘；(3)所述二次活化步驟中，鹽酸基活化液為HCl、H2O2和去離子H2O的混合溶液，活化溫度50～90℃，活化時間10～30分鐘。
3.如權利要求2所述的一種硅/玻璃激光局部鍵合方法，其特征在于(1)所述清洗步驟中的H2SO4質量濃度98％、H2O2的質量濃度30％，體積比H2SO4∶H2O2＝2～4∶1；(2)所述一次活化步驟中，NH4OH的質量濃度25％、H2O2的質量濃度30％，體積比NH4OH∶H2O2∶H2O＝1～3∶1∶3～8；(3)所述二次活化步驟中，HCl的質量濃度40％、H2O2的質量濃度30％，體積比HCl∶H2O2∶H2O＝1～3∶1∶3～8。
4.如權利要求1、2或3所述的一種硅/玻璃激光局部鍵合方法，其特征在于所述激光加熱步驟中，激光功率25～100W，掃描速度0.5～20mm/s。
全文摘要
一種硅/玻璃激光局部鍵合方法，屬于晶圓鍵合技術，目的在于使特定區(qū)域局部高溫，實現(xiàn)鍵合，并具有高的鍵合強度，晶圓或器件整體上處于較低溫度，不產生不必要的溫度梯度和應力場分布，以避免已經集成的壓力、溫度等傳感器件的性能受到影響。本發(fā)明順序包括(1)清洗步驟；(2)一次活化步驟；(3)二次活化步驟；(4)預鍵合步驟；(5)激光加熱步驟。經過表面活化處理后玻璃和硅片結合緊密，無需外壓力作用就能實現(xiàn)硅和玻璃的激光局部鍵合。本發(fā)明所需設備簡單，且在局部溫度控制及鍵合效率上有明顯優(yōu)勢。
文檔編號H01L21/02GK101050066SQ200710052170
公開日2007年10月10日 申請日期2007年5月11日 優(yōu)先權日2007年5月11日
發(fā)明者史鐵林, 廖廣蘭, 湯自榮, 馬子文, 聶磊, 林曉輝, 彭平 申請人:華中科技大學