一种晶圆级阳极键合方法

摘要

本发明涉及一种晶圆级阳极键合方法。所述晶圆级阳极键合方法，包括如下步骤：将待键合的硅或金属样片和玻璃样片浸泡到清洗液中清洗；将清洗后的硅或金属样片和玻璃样片吹干，放入键合装置中，一边加热，一边抽真空，到达预设工作温度和真空度后，加电压到单点阴极，使贴合后的硅和玻璃发生第一次阳极键合；将第一次阳极键合后的样片，放入键合装置中，一边加热，一边抽真空，到达预设工作温度和真空度后，加电压和压力到平板阴极，使第一次键合后的样片中未键合部分全部完成键合。本发明使用两步键合的方法，能够实现大面积、键合界面无气泡的高质量、高效率的阳极键合，工艺过程简单，可控性强。

说明书

技术领域

本发明涉及一种晶圆级键合方法，尤其是涉及一种晶圆级阳极键合方法。

背景技术

目前在微机械系统、微电子以及光电子领域，晶圆级键合技术正被广泛应 用。在过去几十年，各种键合技术已经被开发出来，主要分为直接键合和中间 层键合，直接键合技术包括硅-硅熔融键合，硅-玻璃阳极键合。在微机械器件的 制造过程中，封装环节占据了大部分微机械器件成本，对于那些需要与外部环 境隔离的微机械器件来说，阳极键合可以实现良好气密性，高键合强度和低残 余应力，因此阳极键合技术在微机械器件封装工艺中扮演了非常重要的角色。

阳极键合是通过对硅(金属)，玻璃三明治结构加热到150-500℃，然后施 加400-1200V的直流电压来实现的。一种被称为Pyrex7740的玻璃和P型硅片 是典型的阳极键合材料，其中直流电源阴极与玻璃相连，直流电源阳极与硅片 相连。一般0.5mm厚Pyrex7740玻璃需要600-800V，玻璃越厚需要电压越高。 阳极键合的基本过程就是电化学反应过程。在热与电的双重作用下，玻璃中的 碱金属离子(主要为Na+)从阳极附近向阴极移动，在玻璃与阳极界面附近产生极 化的碱金属离子耗尽层。高强电场在阳极硅(或金属)和玻璃界面产生了巨大的静 电场吸引力，驱使玻璃通过弹性变形及其粘性流动金属阳极表面紧密接触，同 时高的电场力促使氧离子向阳极移动并与硅反应形成氧化硅从而形成永久键 合。键合机制包括氢键和固相化学反应。键合时间一般为数十分钟。温度，电 压，键合时间，真空度，这是对阳极键合比较重要的几个参数。除此之外，接 触阴极的形状也显著影响键合效果。常用的有点接触电极(单点或者多点)、线 阴极以及平行板电极。单点接触电极，键合界面一般不会产生气泡，但是键合 速率非常低，多点阴极虽然可以改善键合速率，但是多点分布设计复杂而且可 能在界面处封住少量气泡，线阴极也有类似的效果。在而双平行板电极，静电 场均匀分布键合界面，所以键合速率最快，但是在键合界面键合体界面将出现 较多的气泡，其键合质量远不如前者。

发明内容

本发明的目的在于提供一种晶圆级阳极键合方法，能够同时实现大面积、 键合界面无气泡的高质量和高效率阳极键合。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种晶圆级阳极键合方法，包括如下步骤：

(1)将待键合的硅或金属样片和玻璃样片浸泡到清洗液中清洗；

(2)将清洗后的所述硅或金属样片和玻璃样片吹干，放入键合装置中，一 边加热，一边抽真空，到达预设工作温度和真空度后，加电压到单点阴极，使 贴合后的硅或金属样片和玻璃发生第一次阳极键合；

(3)将所述第一次阳极键合后的样片，放入所述键合装置中，一边加热， 一边抽真空，到达预设工作温度和真空度后，加电压和压力到平板阴极，使所 述第一次键合后的样片中未键合部分全部完成键合。

上述方案中，所述步骤(1)中所述清洗液为H₂SO₄与H₂O₂的混合溶液， 其中H₂SO₄的质量浓度为98％，H₂O₂的质量浓度为30％，体积比H₂SO₄∶ H₂O₂＝1-4∶1，所述清洗液的温度为120-170℃，清洗时间为15-40min。

上述方案中，所述步骤(2)中加热温度为150-400℃，真空度为 0.0001-1000Pa，加至所述单点阴极的电压为400-1200V，时间为10-30min。

上述方案中，所述步骤(3)中加热温度为150-400℃，真空度为 0.0001-1000Pa，加至所述平板阴极的电压为400-1200V，压力为0-20000N，时 间为10-30min。

与现有技术方案相比，本发明采用的技术方案产生的有益效果如下：

本发明使用两步键合的方法，能够实现大面积、键合界面无气泡的高质量、 高效率的阳极键合，工艺过程简单，可控性强，能够成为微机械器件制造与封 装的新型阳极键合工艺。

附图说明

图1为本发明实施例提供的晶圆级阳极键合方法的流程图；

图2为本发明实施例制备所得的晶圆级阳极键合样品的光学照片；

图3为本发明实施例制备所得的晶圆级阳极键合样品横断面在扫描电子显 微镜下的形貌图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明技术方案进行详细描述。

如图1所示，本发明实施例提供一种晶圆级阳极键合方法，

(1)将待键合的硅和玻璃样片浸泡到清洗液中清洗；清洗液为H₂SO₄与 H₂O₂的混合溶液，其中H₂SO₄的质量浓度为98％，H₂O₂的质量浓度为30％，体 积比H₂SO₄∶H₂O₂＝1-4∶1，优选地体积比为H₂SO₄∶H₂O₂＝2∶1；清洗液的温度为 120-170℃，优选地温度为150℃；清洗时间为15-40min，优选地清洗时间为 20min；然后用去离子水冲洗10min，最后用氮气枪吹干待键合样品。

(2)将待键合样品放入键合装置中，用真空系统将键合装置抽成真空环境， 真空度为0.0001-1000Pa，优选地真空度为0.001Pa，同时使用智能温度控制系统， 将键合装置温度控制在150-400℃，优选地温度控制在300℃，施加电压 400-1200V到单点阴极，优选地施加电压为800V，使贴合后的硅和玻璃发生第 一次阳极键合，键合时间为10-30min，优选地键合时间为10分钟。

(3)将第一次阳极键合后的样片，再次放入键合装置中，用真空系统将键 合装置抽成真空环境，真空度为0.0001-1000Pa，优选地真空度为0.001Pa，同时 使用智能温度控制系统，将键合装置温度控制在150-400℃，优选地温度控制在 300℃，到达温度后施加0-20000N压力给第一次阳极键合后的样品，优选地施 加压力为1000N，最后施加400-1200V到平板阴极，优选地的施加电压为800V， 使第一次键合后的样片中未键合部分全部完成键合，键合时间为10-30min，优 选地键合时间20分钟。

由本发明制备出的阳极键合样品，如图2和图3所示。图2是晶圆级阳极 键合光学照片，显然可见，制备所得的样品界面呈现均匀深灰色，在界面处用 肉眼无法分辨出气泡。图3是将制备所得的键合样品的横断面放置于扫描电子 显微镜下观察得到的图像，可以看出，界面处结合紧密，无气泡存在，键合质 量高。

本发明实施例所提供的方法还可以用来键合金属样片和玻璃样片，键合金 属样片和玻璃样片的工艺步骤与键合硅和玻璃样片的工艺步骤相同。

本发明所提供的晶圆级阳极键合方法，包括两步键合，首先使用单点阴极 阳极键合方法，由于单点阴极阳极键合初始键合发生在电极接触位置，随着键 合过程发生，其键合区域从点电极处向四周扩散，在真空环境中，键合晶圆对 界面处的气泡将在键合波扩散过程中被挤出界面，在单点阴极作用过程中，键 合面积的扩展速率非常缓慢，为了加速这一过程，再利用平板电极阳极键合在 较短时间内完成大面积阳极键合。综上所述，本发明使用简单电极方式，能够 实现大面积、键合界面无气泡的高质量、高效率的阳极键合，工艺过程简单， 可控性强，能够成为微机械器件制造与封装的新型阳极键合工艺。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领 域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则 之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之 内。