矽片鍵合技術是指通過化學和物理作用將矽片與矽片、矽片與玻璃或其它材料緊密地結合起來的方法。矽片鍵合往往與表面矽加工和體矽加工相結合，用在MEMS的加工工藝中。常見的矽片鍵合技術包括金矽共熔鍵合、矽/玻璃靜電鍵合、矽/矽直接鍵合以及玻璃焊料燒結等。
基本介紹
- 中文名：矽片鍵合技術
- 類別：技術
- 內容：鍵合
- 對象：矽片
鍵合類別
共熔鍵合
金矽共熔鍵合常用於微電子器件的封裝中，用金矽焊料將管芯燒結在管座上。1979年這一技術用在了壓力變送器上。金矽焊料是金矽二相系（矽含量為19at.%），熔點為363°C，要比純金或純矽的熔點低得多（見圖1）。在工藝上使用時，它一般被用作中間過渡層，置於欲鍵合的兩片之間，將它們加熱到稍高於金矽共熔點的溫度。在這種溫度下，金矽混合物將從與其鍵合的矽片中奪取矽原子以達到矽在金矽二相系中的飽和狀態，冷卻以後就形成了良好的鍵合。利用這種技術可以實現矽片之間的鍵合。
然而，金在矽中是複合中心，能使矽中的少數載流子壽命大大降低。許多微機械加工是在低溫下處理的，一般矽溶解在流動的金中，而金不會滲入到矽中，矽片中不會有金摻雜。這種矽-矽鍵合在退火以後，由於熱不匹配會帶來應力，在鍵合中要控制好溫度。
金矽共熔中的矽-矽鍵合工藝是，先熱氧化P型（100）晶向矽片，後用電子束蒸發法在矽片上蒸鍍一層厚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。最後，將兩矽片貼合放在加熱器上，加一質量塊壓實，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重要的。
除金之外，Al、Ti、PtSi、TiSi2也可以作為矽-矽鍵合的中間過渡層。
靜電鍵合
靜電鍵合(electrostatic bonding)又稱場助鍵合或陽極鍵合(anodic bonding)。靜電鍵合技術是Wallis和Pomerantz於1969年提出的。它可以將玻璃與金屬、合金或半導體鍵合在一起而不用任何粘結劑。這種鍵合溫度低、鍵合界面牢固、長期穩定性好。
靜電鍵合裝置如圖2所示。把將要鍵合的矽片接電源正極，玻璃接負極，電壓500~1000V。將玻璃-矽片加熱到300~500°C。在電壓作用時，玻璃中的Na離子將向負極方向漂移，在緊鄰矽片的玻璃表面形成耗盡層，耗盡層寬度約為幾微米。耗盡層帶有負電荷，矽片帶正電荷，矽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衝，後電流減小，最後幾乎為零，說明此時鍵合已經完成。
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後，耗盡層中的電荷不會完全消失，殘存的電荷在矽中誘生出鏡象正電荷，它們之間的靜電力有1M P a左右。可見較小的殘餘電荷仍能產生可觀的鍵合力。另外，在比較高的溫度下，緊密接觸的矽/玻璃界面會發生化學反應，形成牢固的化學鍵，如Si-O-Si鍵等。如果矽接電源負極，則不能形成鍵合，這就是“陽極鍵合”名稱的由來。靜電鍵合後的矽/玻璃界面在高溫、常溫-高溫循環、高溫且受到與鍵合電壓相反的電壓作用等各種情況下進行處理，發現：
（1）矽/玻璃靜電鍵合界面牢固、穩定的關鍵是界面有足夠的Si-O鍵形成；
（2）在高溫或者高溫時施加相反的電壓作用後，矽/玻璃靜電鍵合界面仍然牢固、穩定；
（3）靜電鍵合失敗後的玻璃可施加反向電壓再次用於靜電鍵合。
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係數要近似匹配，否則在鍵合完成冷卻過程中會因內部應力較大而破碎；
（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，有利於鍵合。矽/玻璃鍵合時，矽上的氧化層厚度一般要小於0.5mm。
靜電鍵合技術還可以套用於金屬與玻璃，FeNiCo合金與玻璃以及金屬與陶瓷等的鍵合。
直接鍵合
兩矽片通過高溫處理可以直接鍵合在一起，不需要任何粘結劑和外加電場，工藝簡單。這種鍵合技術稱為矽-矽直接鍵合（SDB—Silicon Direct Bonding）技術。直接鍵合工藝是由Lasky首先提出的。
矽-矽直接鍵合工藝如下：
（1）將兩拋光矽片（氧化或未氧化均可）先經含 的溶液浸泡處理；
（2）在室溫下將兩矽片拋光面貼合在一起；
（3）貼合好的矽片在氧氣或氮氣環境中經數小時的高溫處理，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，兩矽片表面吸附OH團，在相互接觸區產生氫鍵。在200°C時，形成氫鍵的兩矽片的矽醇鍵之間發生聚合反應，產生水及矽氧鍵，即
Si-OH+HO-Si→
Si-O-Si+H2O。
到400°C時，聚合反應基本完成。
第二階段溫度在500~800°C範圍內，在形成矽氧鍵時產生的水向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變為非橋接氧原子，即：
HOH+Si-O-Si=2 +2Si- 。
第三階段，溫度高於800°C後，水向SiO2中擴散變得顯著，而且隨溫度的升高擴散量成指數增大。鍵合界面的空洞和間隙處的水分子可在高溫下擴散進入四周SiO2中，從而產生局部真空，這樣矽片會發生塑性變形使空洞消除。同時，此溫度下的SiO2粘度降低，會發生粘滯流動，從而消除了微間隙。超過1000°C時，鄰近原子間相互反應產生共價鍵，使鍵合得以完成（見圖3）。
在鍵合前，對矽片進行表面處理，使其表面吸附 是至關重要的。對於熱氧化的鏡面拋光的矽片而言，熱氧化的SiO2具有無定型的石英玻璃格線結構。在SiO2膜的表面和體內，有一些氧原子處於不穩定狀態。在一定條件下，它們可得到能量而離開矽原子，使表面產生懸掛鍵。有許多種方法可以增加熱氧化的矽表面的懸掛鍵。電漿表面活化處理就是一種方法。對於原始拋光矽片，純淨的的矽片表面是疏水性的，若將其浸入在含有氧化劑的溶液中，瞬間會在矽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。由化學溶液形成的矽氧化物表面有非橋鍵的羥基存在，所以這有利於矽片的室溫鍵合。常用的親水液有硫酸雙氧水、稀硝酸、氨水等。
鍵合良好的矽片，其鍵合強度可高達12MPa以上，這需要良好的鍵合條件。
首先是溫度，兩矽片的鍵合最終是靠加熱來實現的，因此，溫度在鍵合過程中起著關鍵的作用。
其次是矽片表面的平整度。拋光矽片或熱氧化矽片表面並不是理想的鏡面，而總是有一定的起伏和表面粗糙度。如果矽片有較小的粗糙度，則在鍵合過程中，會由於矽片的彈性形變或者高溫下的粘滯回流，使兩鍵合片完全結合在一起，界面不存在孔洞。若表面粗糙度很大，鍵合後就會使界面產生孔洞。
最後，就是表面的清潔度。如果鍵合工藝不是在超淨環境中進行的，則矽片表面就會有一些塵埃顆粒，塵埃顆粒是鍵合矽片產生孔洞的主要根源之一。例如，若矽片厚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。
矽-矽直接鍵合工藝不僅可以實現Si-Si、Si-SiO2和SiO2-SiO2鍵合，而且還可以實現Si-石英、Si-GaAs或InP、Ti-Ti和Ti-SiO2鍵合。另外，在鍵合矽片之間夾雜一層中間層，如低熔點的硼矽玻璃等，還可以實現較低溫度的鍵合，並且也能達到一定的鍵合強度，這種低溫鍵合可與矽半導體器件常規工藝兼容。
焊燒鍵合
壓力感測器晶片與基座的封接質量是影響感測器性能的重要因素。當前，靜電封接是國內外比較流行的一種工藝，它具有封接強度高、重複性好、氣密性高等優點。但是該方法工藝複雜，條件要求嚴格，生產效率低、成本高。有時還會出現一些反常現象（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（見圖4普通封接結構）。
所謂燒結，是將顆粒狀陶瓷坯體（或玻璃粉）置於高溫爐中，使其緻密化形成強固體材料的過程。燒結開始後首先排除坯料顆粒間空隙，使相應的相鄰粒子結合成緊密體。燒結過程必須具備兩個基本條件：
（1）應該存在物質遷移的機理；
（2）必須有一種能量（熱能）促進和維持物質遷移。
對於套用玻璃焊料進行封接的材料來說還要求
（1）材料要與焊料玻璃的熱脹係數很接近；
（2）封接溫度要低於被封接材料的耐熱極限溫度。
對於壓力感測器晶片與玻璃基座的封接，封接溫度至少應低於550°C，而Al-Si共熔點577°C，晶片上的鋁引線不會被破壞。有文獻提出，參考ZnO-B2O3-PbO三元系相圖選出一種結晶性焊料玻璃，其屈服溫度為460°C，該焊料與玻璃基座有良好浸潤性。首先進行玻璃焊料配製，然後在900°C高溫爐內熔化，接著玻璃液淬火，研磨得焊料，再用去離子水將焊粉調糊塗於封接處，最後紅外乾燥，530°C燒結30min，自然冷卻。
以上介紹的一些矽片鍵合技術，都有各自的優點和缺點，可以根據情況選擇使用。比如，靜電鍵合大多數用於密封封接，作為感測器晶片的一部分，但這可能會存在電信號干擾；採用矽-矽直接鍵合就不存在靜電問題，也沒有玻璃與矽片熱脹係數不同而帶來的應力問題，並且工藝簡單。但是現在在這方面的套用還不成熟。其實，不論哪種技術，都需要繼續研究探索，需要從實際套用中積累經驗，擴展套用領域，甚至發現其它的矽片鍵合技術。
