\`xlD&F@U 硅片鍵合技術(shù)是指通過化學(xué)和物理作用將硅片與硅片、硅片與玻璃或其它材料緊密地結(jié)合起來的方法。硅片鍵合往往與表面硅加工和體硅加工相結(jié)合，用在MEMS的加工工藝中。常見的硅片鍵合技術(shù)包括金硅共熔鍵合、硅/玻璃靜電鍵合、硅/硅直接鍵合以及玻璃焊料燒結(jié)等。
一、金硅共熔
金硅共熔鍵合常用于微電子器件的封裝中，用金硅焊料將管芯燒結(jié)在管座上。1979年這一技術(shù)用在了壓力變送器上。金硅焊料是金硅二相系（硅含量為19at.%），熔點為363°C，要比純金或純硅的熔點低得多（見圖1）。在工藝上使用時，它一般被用作中間過渡層，置于欲鍵合的兩片之間，將它們加熱到稍高于金硅共熔點的溫度。在這種溫度下，金硅混合物將從與其鍵合的硅片中奪取硅原子以達(dá)到硅在金硅二相系中的飽和狀態(tài)，冷卻以后就形成了良好的鍵合。利用這種技術(shù)可以實現(xiàn)硅片之間的鍵合。
然而，金在硅中是復(fù)合中心，能使硅中的少數(shù)載流子壽命大大降低。許多微機械加工是在低溫下處理的，一般硅溶解在流動的金中，而金不會滲入到硅中，硅片中不會有金摻雜。這種硅-硅鍵合在退火以后，由于熱不匹配會帶來應(yīng)力，在鍵合中要控制好溫度。
金硅共熔中的硅-硅鍵合工藝是，先熱氧化P型（100）晶向硅片，后用電子束蒸發(fā)法在硅片上蒸鍍一層厚30nm的鈦膜，再蒸鍍一層120nm的金膜。這是因為鈦膜與SiO2層有更高的粘合力。最后，將兩硅片貼合放在加熱器上，加一質(zhì)量塊壓實，在350~400°C溫度下退火。實驗表明，在退火溫度365°C，時間10分鐘，鍵合面超過90%。鍵合的時間和溫度是至關(guān)重要的。
除金之外，Al、Ti、PtSi、TiSi2也可以作為硅-硅鍵合的中間過渡層。
二、硅玻璃靜電鍵合
靜電鍵合又稱場助鍵合或陽極鍵合。靜電鍵合技術(shù)是Wallis和Pomerantz于1969年提出的。它可以將玻璃與金屬、合金或半導(dǎo)體鍵合在一起而不用任何粘結(jié)劑。這種鍵合溫度低、鍵合界面牢固、長期穩(wěn)定性好。
靜電鍵合裝置如圖2所示。把將要鍵合的硅片接電源正極，玻璃接負(fù)極，電壓500~1000V。將玻璃-硅片加熱到300~500°C。在電壓作用時，玻璃中的Na將向負(fù)極方向漂移，在緊鄰硅片的玻璃表面形成耗盡層，耗盡層寬度約為幾微米。耗盡層帶有負(fù)電荷，硅片帶正電荷，硅片和玻璃之間存在較大的靜電引力，使二者緊密接觸。這樣外加電壓就主要加在耗盡層上。通過電路中電流的變化情況可以反映出靜電鍵合的過程。剛加上電壓時，有一個較大的電流脈沖，后電流減小，最后幾乎為零，說明此時鍵合已經(jīng)完成。
靜電鍵合中，靜電引力起著非常重要的作用。例如，鍵合完成樣品冷卻到室溫后，耗盡層中的電荷不會完全消失，殘存的電荷在硅中誘生出鏡象正電荷，它們之間的靜電力有1M P a左右�？梢娸^小的殘余電荷仍能產(chǎn)生可觀的鍵合力。另外，在比較高的溫度下，緊密接觸的硅/玻璃界面會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成牢固的化學(xué)鍵，如Si-O-Si鍵等。如果硅接電源負(fù)極，則不能形成鍵合，這就是“陽極鍵合”名稱的由來。靜電鍵合后的硅/玻璃界面在高溫、常溫-高溫循環(huán)、高溫且受到與鍵合電壓相反的電壓作用等各種情況下進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)：
�。�1）硅/玻璃靜電鍵合界面牢固、穩(wěn)定的關(guān)鍵是界面有足夠的Si-O鍵形成；
�。�2）在高溫或者高溫時施加相反的電壓作用后，硅/玻璃靜電鍵合界面仍然牢固、穩(wěn)定；
�。�3）靜電鍵合失敗后的玻璃可施加反向電壓再次用于靜電鍵合。
影響靜電鍵合的因素有很多，主要包括：
�。�1）兩靜電鍵合材料的熱膨脹系數(shù)要近似匹配，否則在鍵合完成冷卻過程中會因內(nèi)部應(yīng)力較大而破碎；
�。�2）陽極的形狀影響鍵合效果。常用的有點接觸電極和平行板電極。點接觸電極，鍵合界面不會產(chǎn)生孔隙，而雙平行板電極，鍵合體界面將有部分孔隙，鍵合的速率比前者快；
（3）表面狀況對鍵合力也有影響。鍵合表面平整度和清潔度越高，鍵合質(zhì)量越好。表面起伏越大，靜電引力越小。表面相同的起伏幅度，起伏越圓滑的情況靜電引力越大。
靜電鍵合時的電壓上限是玻璃不被擊穿，下限是能夠引起鍵合材料彈性、塑性或粘滯流動而變形，有利于鍵合。硅/玻璃鍵合時，硅上的氧化層厚度一般要小于0.5mm。
靜電鍵合技術(shù)還可以應(yīng)用于金屬與玻璃，F(xiàn)eNiCo合金與玻璃以及金屬與陶瓷等的鍵合。
三、硅硅直接鍵合
兩硅片通過高溫處理可以直接鍵合在一起，不需要任何粘結(jié)劑和外加電場，工藝簡單。這種鍵合技術(shù)稱為硅-硅直接鍵合（SDB—Silicon Direct Bonding）技術(shù)。直接鍵合工藝是由Lasky首先提出的。
硅-硅直接鍵合工藝如下：
�。�1）將兩拋光硅片（氧化或未氧化均可）先經(jīng)含 的溶液浸泡處理；
�。�2）在室溫下將兩硅片拋光面貼合在一起；
（3）貼合好的硅片在氧氣或氮氣環(huán)境中經(jīng)數(shù)小時的高溫處理，這樣就形成了良好的鍵合。
直接鍵合工藝相當(dāng)簡單。鍵合的機理可用三個階段的鍵合過程加以描述。
第一階段，從室溫到200°C，兩硅片表面吸附OH團，在相互接觸區(qū)產(chǎn)生氫鍵。在200°C時，形成氫鍵的兩硅片的硅醇鍵之間發(fā)生聚合反應(yīng)，產(chǎn)生水及硅氧鍵，即
Si-OH+HO-Si→
Si-O-Si+H2O。
到400°C時，聚合反應(yīng)基本完成。
第二階段溫度在500~800°C范圍內(nèi)，在形成硅氧鍵時產(chǎn)生的水向SiO2中的擴散不明顯，而OH團可以破壞橋接氧原子的一個鍵使其轉(zhuǎn)變?yōu)榉菢蚪友踉�，即�?
HOH+Si-O-Si=2 +2Si- 。
第三階段，溫度高于800°C后，水向SiO2中擴散變得顯著，而且隨溫度的升高擴散量成指數(shù)增大。鍵合界面的空洞和間隙處的水分子可在高溫下擴散進(jìn)入四周SiO2中，從而產(chǎn)生局部真空，這樣硅片會發(fā)生塑性變形使空洞消除。同時，此溫度下的SiO2粘度降低，會發(fā)生粘滯流動，從而消除了微間隙。超過1000°C時，鄰近原子間相互反應(yīng)產(chǎn)生共價鍵，使鍵合得以完成（見圖3）。
在鍵合前，對硅片進(jìn)行表面處理，使其表面吸附 是至關(guān)重要的。對于熱氧化的鏡面拋光的硅片而言，熱氧化的SiO2具有無定型的石英玻璃網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。在SiO2膜的表面和體內(nèi)，有一些氧原子處于不穩(wěn)定狀態(tài)。在一定條件下，它們可得到能量而離開硅原子，使表面產(chǎn)生懸掛鍵。有許多種方法可以增加熱氧化的硅表面的懸掛鍵。等離子體表面活化處理就是一種方法。對于原始拋光硅片，純凈的的硅片表面是疏水性的，若將其浸入在含有氧化劑的溶液中，瞬間會在硅片表面吸附一層單氧層。隨著溶液溫度的提高（75°C~110°C），單氧層會向一氧化物、二氧化物過渡。由化學(xué)溶液形成的硅氧化物表面有非橋鍵的羥基存在，所以這有利于硅片的室溫鍵合。常用的親水液有硫酸雙氧水、稀硝酸、氨水等。
鍵合良好的硅片，其鍵合強度可高達(dá)12MPa以上，這需要良好的鍵合條件。
首先是溫度，兩硅片的鍵合最終是靠加熱來實現(xiàn)的，因此，溫度在鍵合過程中起著關(guān)鍵的作用。
其次是硅片表面的平整度。拋光硅片或熱氧化硅片表面并不是理想的鏡面，而總是有一定的起伏和表面粗糙度。如果硅片有較小的粗糙度，則在鍵合過程中，會由于硅片的彈性形變或者高溫下的粘滯回流，使兩鍵合片完全結(jié)合在一起，界面不存在孔洞。若表面粗糙度很大，鍵合后就會使界面產(chǎn)生孔洞。
最后，就是表面的清潔度。如果鍵合工藝不是在超凈環(huán)境中進(jìn)行的，則硅片表面就會有一些塵埃顆粒，塵埃顆粒是鍵合硅片產(chǎn)生孔洞的主要根源之一。例如，若硅片厚350μm，顆粒直徑1μm，則引起的孔洞直徑為4.2mm。可見，粘污粒子對鍵合的影響程度。此外，室溫下貼合時陷入界面的氣體也會引起孔洞。
硅-硅直接鍵合工藝不僅可以實現(xiàn)Si-Si、Si-SiO2和SiO2-SiO2鍵合，而且還可以實現(xiàn)Si-石英、Si-GaAs或InP、Ti-Ti和Ti-SiO2鍵合。另外，在鍵合硅片之間夾雜一層中間層，如低熔點的硼硅玻璃等，還可以實現(xiàn)較低溫度的鍵合，并且也能達(dá)到一定的鍵合強度，這種低溫鍵合可與硅半導(dǎo)體器件常規(guī)工藝兼容。
四、玻璃焊料燒結(jié)
壓力傳感器芯片與基座的封接質(zhì)量是影響傳感器性能的重要因素。當(dāng)前，靜電封接是國內(nèi)外比較流行的一種工藝，它具有封接強度高、重復(fù)性好、氣密性高等優(yōu)點。但是該方法工藝復(fù)雜，條件要求嚴(yán)格，生產(chǎn)效率低、成本高。有時還會出現(xiàn)一些反�，F(xiàn)象（開裂、自動脫落等）。低溫玻璃焊料封接工藝簡單、封接強度高、密封效果好，尤其適合大批量生產(chǎn)（見圖4普通封接結(jié)構(gòu)）。
所謂燒結(jié)，是將顆粒狀陶瓷坯體（或玻璃粉）置于高溫爐中，使其致密化形成強固體材料的過程。燒結(jié)開始后首先排除坯料顆粒間空隙，使相應(yīng)的相鄰粒子結(jié)合成緊密體。燒結(jié)過程必須具備兩個基本條件：
（1）應(yīng)該存在物質(zhì)遷移的機理；
�。�2）必須有一種能量（熱能）促進(jìn)和維持物質(zhì)遷移。
對于應(yīng)用玻璃焊料進(jìn)行封接的材料來說還要求
�。�1）材料要與焊料玻璃的熱脹系數(shù)很接近；
�。�2）封接溫度要低于被封接材料的耐熱極限溫度。
對于壓力傳感器芯片與玻璃基座的封接，封接溫度至少應(yīng)低于550°C，而Al-Si共熔點577°C，芯片上的鋁引線不會被破壞。有文獻(xiàn)提出，參考ZnO-B2O3-PbO三元系相圖選出一種結(jié)晶性焊料玻璃，其屈服溫度為460°C，該焊料與玻璃基座有良好浸潤性。首先進(jìn)行玻璃焊料配制，然后在900°C高溫爐內(nèi)熔化，接著玻璃液淬火，研磨得焊料，再用去離子水將焊粉調(diào)糊涂于封接處，最后紅外干燥，530°C燒結(jié)30min，自然冷卻。
L YF| 以上介紹的一些硅片鍵合技術(shù)，都有各自的優(yōu)點和缺點，可以根據(jù)情況選擇使用。比如，靜電鍵合大多數(shù)用于密封封接，作為傳感器芯片的一部分，但這可能會存在電信號干擾；采用硅-硅直接鍵合就不存在靜電問題，也沒有玻璃與硅片熱脹系數(shù)不同而帶來的應(yīng)力問題，并且工藝簡單。但是現(xiàn)在在這方面的應(yīng)用還不成熟。其實，不論哪種技術(shù)，都需要繼續(xù)研究探索，需要從實際應(yīng)用中積累經(jīng)驗，擴展應(yīng)用領(lǐng)域，甚至發(fā)現(xiàn)其它的硅片鍵合技術(shù)。
