[发明专利]一种基于金硅共晶的低温键合方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种低温键合方法，更确切地说是一种基于金硅共晶的低温键合方法，该键合方法不仅可以用于硅材料的键合，还可以用于非硅材料的键合。属微电子机械系统(MEMS)领域。

背景技术

键合可以将表面硅加工和体硅加工有机地结合在一起，已成为MEMS器件开发和实用化的关键技术之一。此外，键合技术还可用于芯片的圆片级封装、SOI材料制备、三维集成等。与其它键合方法相比，低温键合可以防止高温键合(如硅熔融键合)引起的下列问题：(1)高温对圆片上的温度敏感电路和微结构造成热损坏(如超过450℃的高温就会对CMOS铝电路造成破坏)；(2)高温易引入杂质，造成衬底杂质的重新分布；(3)对于热膨胀系数(CTE)差较大的材料间键合，高温导致很大的变形和残余热应力，直接影响到器件性能和成品率。

目前已研发出了多种低温键合技术，如表面活化低温键合、阳极键合、焊料键合、热压键合等。表面活化低温键合工艺时间长(一般为几小时到几十小时)，效率较低，且由于涉及表面处理，难以满足含图形和电路的圆片键合要求。阳极键合目前在MEMS器件制备过程中得到了广泛的应用，其缺点是不能对两硅片直接进行键合，而且由于钠离子的存在，不能和MOS工艺兼容。键合过程中的高电压产生的静电力也可能使MEMS器件中其他要求可动的硅结构粘附到玻璃上，导致器件失效，同时高电势会使硅材料改变其半导体特性，影响器件性能。

焊料键合对键合表面的平整度要求不高，但是焊料表面往往容易氧化，键合面的氧化层将严重影响键合的实现，同时，焊料往往通过电镀法制备，增加了工艺难度和复杂性。热压键合往往需要较大的键合压力，以消除键合表面粗糙度的影响。

发明内容

为了克服现有的低温键合方法的不足，本发明的目的在于提出一种基于金硅共晶的键合方法，依次包括以下步骤：

(1)上基板制备：在抛光的单晶硅片上，热生长或化学气相沉积一层氧化硅。在氧化硅层上的待键合处依次蒸发或溅射30-60nm厚的Ti膜和200-400nm厚的Au膜。

(2)下基板制备：在抛光的单晶硅片上，热生长或化学气相沉积一层氧化硅。在氧化硅层上的待键合处化学气相沉积一层0.5-2μm厚的非晶硅或多晶硅层，然后在非晶硅或多晶硅层上依次蒸发或溅射30-60nm厚的Ti膜和200-400nm厚的Au膜。

(3)将上基板与下基板的键合面对准并贴合，再送入键合机，升温至340-450℃，并施加0.2-0.4MPa的压力，键合加压时间为20-40分钟，然后撤除压力，冷却到室温，实现低温键合。

综上所述，本发明涉及一种基于金硅共晶的键合方法：

①包括上基板的制备，下基板的制备，上基板与下基板对准，键合过程，其特征在于以金、钛和硅为中间键合层材料；

②所述的上基板由基板材料和键合层材料构成，上基板的基板材料可以为带有氧化层的硅片或包括玻璃、GaN在内的非硅材料，上基板的键合层材料由Ti/Au多层膜构成，其中Ti层是金和基板材料之间的过渡层，用于增强金属层与基板材料之间的粘附；

③所述的下基板由基板材料和键合层材料构成，下基板的基板材料可以为带有氧化层的硅片或包括玻璃、GaN在内的非硅材料，下基板的键合层材料由Si/Ti/Au多层膜构成，其中Si层为非晶硅或多晶硅，Ti层用于除去硅表面的自然氧化层，使Au/Si反应在键合区域的各个点都发生；

④所述的键合温度大于340℃，这样键合过程中就会形成液态的AuSi合金，液态的合金不仅会增强硅和金的扩散，还可以消除键合表面粗糙度的影响，但不宜太高，以340-450℃为宜；

⑤所述的键合方法不仅可以用于硅材料的键合，也可以用于包括玻璃、GaN的非硅材料。

本发明利用金硅共晶进行键合，具有以下突出的优点：

(1)作为贵金属，Au不易氧化，所以键合界面没有金属氧化层阻碍键合反应。

(2)当键合温度大于Au/Si的共晶温度时，反应中会形成液态的AuSi合金，液态的合金不仅会增强Si和Au的扩散，还可以消除键合表面粗糙度的影响。

(3)非晶硅或多晶硅表面沉积了一层Ti/Au层，其中Ti金属层用于除去硅表面的自然氧化层，使Au/Si反应在键合区域的各个点都发生。

(4)该键合方法不仅可以用于硅材料的键合，还可以用于非硅材料的键合。

附图说明

图1上基板结构图

图2下基板结构图

图中各数字代表的含义为：

1.硅片1，2.氧化硅层，3.Ti层，4.Au层，5.硅片2，6.非晶硅或多晶硅层。

具体实施方式