专利名称：一种硅/玻璃激光局部键合方法
技术领域：
本发明属于晶圆键合技术，具体涉及一种硅/玻璃激光局部键合方法。
背景技术：
自从硅被发现具有良好的机械性能、并且能被多种工艺加工成微结构后，它在传感器制造中得到了大量的应用；同时，由于借鉴了硅在IC制造中的成熟工艺，使得在具有传感或执行功能的硅基微系统中集成电路成为可能；而玻璃具有电绝缘性、良好的透光性、高机械强度及化学稳定性，因此，硅和玻璃在微机电系统MEMS(Micro Electro MechanicalSystem)制造中得到了大量的应用，而硅和玻璃之间的键合技术则是决定着MEMS封装成功的关键技术之一。
目前硅和玻璃的键合技术主要有直接/共熔键合技术、阳极键合技术等。直接/共熔键合技术已运用到多种MEMS器件的制造中，如压力传感器、微泵、化学传感器都需要在衬底上键合机械支撑结构。硅的熔融键合大多用在SOI技术上，如Si-SiO2键合和Si-Si键合，然而，该键合工艺需要较高的退火温度。阳极键合的温度为200-400度，低于直接/共熔键合的温度，然而它需要1000-2000V的强电场才能实现高质量的键合，而强电场会对微电路产生威胁，并且阳极键合中玻璃的碱离子可能会对器件带来污染，键合对晶圆表面平整度的严格要求也限制了它在MEMS制造中的应用。
因此，尽管直接/共熔键合和阳极键合在高温、高压情况下能得到很高的键合强度，然而并不适用于已经集成了金属薄膜的压力、化学和热传感MEMS器件的键合封装。当前，越来越多的研究者正致力于利用晶圆表面活化处理来降低阳极键合和熔融键合的外加辅助场强度，但它们都需要在整个器件或衬底上加热，这会导致不必要的应力和温度场分布，而且上述键合技术也不容易实现选择性键合，键合面积和热影响区难以控制。
发明内容
本发明提供一种硅/玻璃激光局部键合方法，目的在于使特定区域局部高温，实现键合，并具有高的键合强度，同时晶圆或器件整体上处于较低的温度，不会产生不必要的温度梯度和应力场分布，以避免已经集成的压力、温度等传感器件的性能受到影响。
本发明的一种硅/玻璃激光局部键合方法，顺序包括(1)清洗步骤，将待键合的硅和玻璃样片浸泡到清洗液中清洗；(2)一次活化步骤，将清洗后的硅和玻璃样片浸泡到氨基活化液中进行活化，活化后取出；(3)二次活化步骤，将一次活化后的硅和玻璃样片浸泡到盐酸基活化液中继续活化，活化后取出；(4)预键合步骤，将二次活化后的硅和玻璃样片吹干，在室温下迅速贴合，使之发生预键合；(5)激光加热步骤，利用激光辐照加热，使贴合后的硅和玻璃发生局部键合。
所述的一种硅/玻璃激光局部键合方法，其特征在于(1)所述清洗步骤中清洗液为H2SO4与H2O2的混合溶液，清洗液温度50～150℃，清洗时间10～30分钟；(2)所述一次活化步骤中，氨基活化液为NH4OH、H2O2和去离子H2O的混合溶液，活化温度50～90℃，活化时间10～30分钟；(3)所述二次活化步骤中，盐酸基活化液为HCl、H2O2和去离子H2O的混合溶液，活化温度50～90℃，活化时间10～30分钟。
所述的一种硅/玻璃激光局部键合方法，其进一步特征在于(1)所述清洗步骤中的H2SO4质量浓度98％、H2O2的质量浓度30％，体积比H2SO4∶H2O2＝2～4∶1；(2)所述一次活化步骤中，NH4OH的质量浓度25％、H2O2的质量浓度30％，体积比NH4OH∶H2O2∶H2O＝1～3∶1∶3～8；(3)所述二次活化步骤中，HCl的质量浓度40％、H2O2的质量浓度30％，体积比HCl∶H2O2∶H2O＝1～3∶1∶3～8。
所述的一种硅/玻璃激光局部键合方法，其特征在于所述激光加热步骤中，激光功率25～100W，扫描速度0.5～20mm/s。
本发明与现有技术的对比结果如表1所示表1 各种键合技术的比较
本发明使用激光做为加热源，激光键合的关键是保证热量能在两键合片之间很好的传递，为此必须使键合片能够紧密的接触在一起，在激光键合前需要利用亲水性表面活化工艺对样片进行表面活化，对键合片进行表面活化处理将会使其表面能增大，呈强烈亲水性，将样片在室温下迅速贴合在一起，样片受到界面处的氢键和范德华尔斯力作用，无需外压力就能在室温下紧密接触在一起，可以避免施加外压力键合后产生较大的残余应力；激光对玻璃透射，对硅片吸收，因此键合过程无需中介层；激光经过聚焦透镜后可以将能量集中于一点，因此，可以在很短的时间内使被照射的局部区域温度急剧上升，而周围区域温度变化不大，从而达到选择区域局部键合的目的；激光具有良好的可控性，经过设置不同的激光工艺参数可以实现不同的键合要求，使工艺具有很好的柔性。综上所述，本发明具有键合整体温度低，键合区域选择性好，工艺可控性强等优点，将成为MEMS制造与封装的新型键合工艺。
图1为本发明的工艺流程图；图2为激光功率75W，扫描速度1mm/s，激光键合轨迹初始段，每标尺刻度50μm；图3为激光功率75W，扫描速度1mm/s，激光键合轨迹中间段图，每标尺刻度50μm，键合线宽750μm；图4为激光功率75W，扫描速度1mm/s，激光键合轨迹结束段图，每标尺刻度50μm；图5为激光功率90W，扫描速度10mm/s，激光键合轨迹中间段图，每标尺刻度50μm，键合线宽1000μm。
具体实施例方式
本发明工艺流程如图1所示。
实施例1
1、清洁样片，将待键合样片浸泡到清洗液(H2SO4∶H2O2＝2∶1)中，控制温度在120℃，清洗20分钟；2、将待键合样片浸泡到氨基活化液(NH4OH∶H2O2∶H2O＝1∶1∶5)中进行一次活化，活化温度70℃，样片活化20分钟；3、将待键合样片浸泡到盐酸基活化液(HCl∶H2O2∶H2O＝1∶1∶5)中进行二次活化，活化温度70℃，样片活化20分钟；4、将活化后的硅片和玻璃片吹干后，在室温下迅速贴合在一起，使之发生预键合；5、使用德国Rofin-Sinar公司生产的Nd:YAG激光器、采用连续式激光发射方式进行激光局部键合。键合所选的激光参数为激光功率75W，波长1064nm，光斑直径200μm，激光扫描速度为1mm/s。
通过图2、3、4可以明显看到本实施例激光键合的整个过程。图2是激光键合的初始阶段，因为此时键合界面吸收的激光功率还比较少，温度还未上升到稳定键合的程度。此时激光束的能量分布满足高斯分布，光斑中心点能量密度比较高，因此光斑中心位置升温较快，光斑中心点首先发生了键合。随着激光照射时间的增加，键合界面吸收的激光能量也越来越多，因此键合区域开始向垂直于光束扫描方向的两端扩大，即键合线条的宽度越来越大。当键合线宽扩大到一定的尺度时，单位时间内键合片吸收的能量与激光提供给键合界面的能量相等，此时键合达到了一种准稳态能量平衡，因此键合线宽也就不再增加而维持在一个固定的尺寸，如图3所示。图3中标尺每刻度是50μm，从图3中可见键合线宽大约是750μm。当然准稳态平衡的建立和激光功率、键合界面散热效率等因素都有关系。图4为激光键合轨迹的结束端，可以很明显看到半圆型的键合区域，清楚表明了圆型激光光斑形成的键合区域。
实施例21、样片清洗。将待键合样片浸泡到清洗液(H2SO4∶H2O2＝2∶1)中，控制温度在120℃，清洗20分钟；2、对样片进行一次活化。将待键合样片浸泡到氨基活化液溶液(NH4OH∶H2O2∶H2O＝1∶1∶5)，活化温度70℃，样片活化20分钟；3、对样片进行二次活化。将待键合样片浸泡到盐酸基活化液溶液(HCl∶H2O2∶H2O＝1∶1∶5)，活化温度70℃，样片活化20分钟；4、样片预键合。将硅片和玻璃片吹干后，在室温下迅速贴合在一起，发生预键合；5、激光局部键合。激光功率90W，波长1064nm，光斑直径200μm，激光扫描速度为10mm/s。
图5为激光功率90W，扫描速度为10mm/s的激光键合轨迹中间段图，从图可以看到键合结果与实施例1十分相似，只是键合轨迹宽度相对较大。
实施例31、样片清洗。将待键合样片浸泡到清洗液(H2SO4∶H2O2＝4∶1)中，控制温度在50℃，清洗30分钟；2、对样片进行一次活化。将待键合样片浸泡到氨基活化液溶液(NH4OH∶H2O2∶H2O＝1∶1∶3)，活化温度50℃，样片活化30分钟；3、对样片进行二次活化。将待键合样片浸泡到盐酸基活化液溶液(HCl∶H2O2∶H2O＝1∶1∶3)，活化温度50℃，样片活化30分钟；4、样片预键合。将硅片和玻璃片吹干后，在室温下迅速贴合在一起，发生预键合；5、激光局部键合。激光功率25W，波长1064nm，光斑直径200μm，激光扫描速度为0.5mm/s。
实施例41、样片清洗。将待键合样片浸泡到清洗液(H2SO4∶H2O2＝2∶1)中，控制温度在150℃，清洗10分钟；
2、对样片进行一次活化。将待键合样片浸泡到氨基活化液溶液(NH4OH∶H2O2∶H2O＝3∶1∶8)，活化温度90℃，样片活化10分钟；3、对样片进行二次活化。将待键合样片浸泡到盐酸基活化液溶液(HCl∶H2O2∶H2O＝3∶1∶8)，活化温度90℃，样片活化10分钟；4、样片预键合。将硅片和玻璃片吹干后，在室温下迅速贴合在一起，发生预键合；5、激光局部键合。激光功率100W，波长1064nm，光斑直径200μm，激光扫描速度为20mm/s。
实施例51、样片清洗。将待键合样片浸泡到清洗液(H2SO4∶H2O2＝2∶1)中，控制温度在120℃，清洗20分钟；2、对样片进行一次活化。将待键合样片浸泡到氨基活化液溶液(NH4OH∶H2O2∶H2O＝3∶1∶3)，活化温度70℃，样片活化10分钟；3、对样片进行二次活化。将待键合样片浸泡到盐酸基活化液溶液(HCl∶H2O2∶H2O＝1∶1∶8)，活化温度70℃，样片活化30分钟；4、样片预键合。将硅片和玻璃片吹干后，在室温下迅速贴合在一起，发生预键合；5、激光局部键合。激光功率50W，激光扫描速度为5mm/s。
实施例61、样片清洗。将待键合样片浸泡到清洗液(H2SO4∶H2O2＝2∶1)中，控制温度在110℃，清洗20分钟；2、对样片进行一次活化。将待键合样片浸泡到氨基活化液溶液(NH4OH∶H2O2∶H2O＝1∶1∶8)，活化温度50℃，样片活化30分钟；3、对样片进行二次活化。将待键合样片浸泡到盐酸基活化液溶液(HCl∶H2O2∶H2O＝3∶1∶8)，活化温度50℃，样片活化10分钟；4、样片预键合。将硅片和玻璃片吹干后，在室温下迅速贴合在一起，发生预键合；5、激光局部键合。激光功率75W，激光扫描速度为10mm/s。
实施例71、样片清洗。将待键合样片浸泡到清洗液(H2SO4∶H2O2＝2∶1)中，控制温度在100℃，清洗20分钟；2、对样片进行一次活化。将待键合样片浸泡到氨基活化液溶液(NH4OH∶H2O2∶H2O＝3∶1∶6)，活化温度70℃，样片活化30分钟；3、对样片进行二次活化。将待键合样片浸泡到盐酸基活化液溶液(HCl∶H2O2∶H2O＝1∶1∶8)，活化温度70℃，样片活化30分钟；4、样片预键合。将硅片和玻璃片吹干后，在室温下迅速贴合在一起，发生预键合；5、激光局部键合。激光功率100W，激光扫描速度为20mm/s。
实施例81、样片清洗。将待键合样片浸泡到清洗液(H2SO4∶H2O2＝2∶1)中，控制温度在150℃，清洗20分钟；2、对样片进行一次活化。将待键合样片浸泡到氨基活化液溶液(NH4OH∶H2O2∶H2O＝2∶1∶8)，活化温度50℃，样片活化30分钟；3、对样片进行二次活化。将待键合样片浸泡到盐酸基活化液溶液(HCl∶H2O2∶H2O＝1∶1∶5)，活化温度90℃，样片活化10分钟；4、样片预键合。将硅片和玻璃片吹干后，在室温下迅速贴合在一起，发生预键合；5、激光局部键合。激光功率100W，激光扫描速度为20mm/s。
权利要求
1.一种硅/玻璃激光局部键合方法，顺序包括(1)清洗步骤，将待键合的硅和玻璃样片浸泡到清洗液中清洗；(2)一次活化步骤，将清洗后的硅和玻璃样片浸泡到氨基活化液中进行活化，活化后取出；(3)二次活化步骤，将一次活化后的硅和玻璃样片浸泡到盐酸基活化液中继续活化，活化后取出；(4)预键合步骤，将二次活化后的硅和玻璃样片吹干，在室温下迅速贴合，使之发生预键合；(5)激光加热步骤，利用激光辐照加热，使贴合后的硅和玻璃发生局部键合。
2.如权利要求1所述的一种硅/玻璃激光局部键合方法，其特征在于(1)所述清洗步骤中清洗液为H2SO4与H2O2的混合溶液，清洗液温度50～150℃，清洗时间10～30分钟；(2)所述一次活化步骤中，氨基活化液为NH4OH、H2O2和去离子H2O的混合溶液，活化温度50～90℃，活化时间10～30分钟；(3)所述二次活化步骤中，盐酸基活化液为HCl、H2O2和去离子H2O的混合溶液，活化温度50～90℃，活化时间10～30分钟。
3.如权利要求2所述的一种硅/玻璃激光局部键合方法，其特征在于(1)所述清洗步骤中的H2SO4质量浓度98％、H2O2的质量浓度30％，体积比H2SO4∶H2O2＝2～4∶1；(2)所述一次活化步骤中，NH4OH的质量浓度25％、H2O2的质量浓度30％，体积比NH4OH∶H2O2∶H2O＝1～3∶1∶3～8；(3)所述二次活化步骤中，HCl的质量浓度40％、H2O2的质量浓度30％，体积比HCl∶H2O2∶H2O＝1～3∶1∶3～8。
4.如权利要求1、2或3所述的一种硅/玻璃激光局部键合方法，其特征在于所述激光加热步骤中，激光功率25～100W，扫描速度0.5～20mm/s。
全文摘要
一种硅/玻璃激光局部键合方法，属于晶圆键合技术，目的在于使特定区域局部高温，实现键合，并具有高的键合强度，晶圆或器件整体上处于较低温度，不产生不必要的温度梯度和应力场分布，以避免已经集成的压力、温度等传感器件的性能受到影响。本发明顺序包括(1)清洗步骤；(2)一次活化步骤；(3)二次活化步骤；(4)预键合步骤；(5)激光加热步骤。经过表面活化处理后玻璃和硅片结合紧密，无需外压力作用就能实现硅和玻璃的激光局部键合。本发明所需设备简单，且在局部温度控制及键合效率上有明显优势。
文档编号H01L21/02GK101050066SQ200710052170
公开日2007年10月10日 申请日期2007年5月11日 优先权日2007年5月11日
发明者史铁林, 廖广兰, 汤自荣, 马子文, 聂磊, 林晓辉, 彭平 申请人:华中科技大学