專利名稱：半導體微器件的一種鍵合方法及其鍵合強度的檢測方法
技術領域：
本發明涉及半導體微器件的鍵合方法及其鍵合強度的檢測方法。
背景技術：
鍵合和封裝是半導體微器件(包括各種功能芯片、傳感器及其它微電子器件)制備過程中的重要組成部分。研究表明，其成本往往占整個器件、芯片的70％或以上。目前，半導體微器件中的鍵合技術主要包括Si-Si鍵合、Si-Glass鍵合和倒裝焊Flip Chip等。其中Si-Si鍵合精度最高，但所使用的溫度也最高，在1000℃左右，給鍵合帶來了不便；Si-Glass鍵合的溫度較低，在400℃左右，但精度較低，而且須加高電壓，對器件中的電極或電路有影響；倒裝焊Flip Chip同樣也是精度較低，且需要加入較多的焊料。
發明內容
本發明的目的是提供一種精度較高，成本較低的半導體微器件鍵合方法。
一種半導體微器件的鍵合方法，包括以下步驟1)設計并制備需要鍵合的硅結構片的鍵合面膜層結構；2)必要的界面處理；3)進行鍵合面間的鍵合對準；4)實施鍵合。
所述膜層結構選自以下四種配對面結構組合硅基體-SiO2/Cr/Au與硅Si硅基體-SiO2/Cr/Au與基體-SiO2/Cr硅基體-SiO2/Cr/Au/Poly-Si/Au與硅Si硅基體-SiO2/Cr/Au/Poly-Si/Au與基體-SiO2/Cr其中，Poly-Si多晶硅是由濺射、剝離及退火工藝制得。
為了操作更加準確，在進行所述設計并制備需要鍵合的硅結構片的鍵合面膜層結構前，對需要鍵合的硅結構片進行寫號。
為了使鍵合更牢固，在進行所述鍵合面間的鍵合對準前，對硅結構片的鍵合面進行必要的清洗。尤其對放置時間過長的硅結構片，須經過如下嚴格的工藝清洗1)在NH4OH∶H2O＝1∶8～12的溶液中漂洗20～40分鐘后，用去離子水沖洗；2)在0.05～0.07M H2SO4溶液中浸泡10～30分鐘后，用去離子水沖洗；
3)在轉速為1500～2500轉/分甩干機上甩3～5分鐘。
所述鍵合的工藝參數為本底真空低于0.3Pa鍵合溫度365～480℃；鍵合時間10～50分鐘；氮氣工作壓力105Pa；鍵合施加壓力2×105Pa.
鍵合后應進行鍵合強度的檢測。鍵合強度的檢測采用壓臂法或張開型測試法。
本發明的第二個目的是提供方便實用的檢測半導體微器件鍵合強度的方法。
為了達到上述目的，本發明提供了兩種檢測方法。
第一種檢測半導體微器件鍵合強度的方法，是根據式(II)設計一組類似的壓臂模型8a3≤l≤50000a----(II)]]>測出在某一長度ι時，鍵合面開裂，即可算出或比較鍵合強度。
其中，式(II)是由式(I)4a3[σ2]-2Pa3P≤l≤ah2[σ1]3P----(I)]]>代入各相關參數，根據一系列的設計計算近似得到的(測試模型如圖1所示)。由此，可以確定檢測圖形的基本尺寸。經估算可知；所需壓力P的數值范圍在0.5～1.5kg。
本發明提供的第二種檢測半導體微器件鍵合強度的方法，模型如圖2所示，是在約200μm腐蝕深度處，插入厚度為2h的刀片，硅片的彈性模量如Si(100)E＝1.66×1012dy/cm2，測量刀片到開口處的距離S值，依式(III)計算鍵合強度σσ=3Em3h28S4----(III)]]>本發明的半導體微器件鍵合方法具有以下顯著優點1)鍵合溫度低所需要的鍵合溫度遠比Si-Si鍵合的低；與Si-Glass(玻璃)的鍵合溫度(400℃左右)接近，且不須加電壓。
2)共晶液相粘結性好。
3)對鍵合界面的粗糙度不很敏感。
4)工藝簡單，成本低鍵合界面的Au膜層在做電極或電路時同時濺射制得，Si面可直接采用Si基。
5)鍵合精度較高其鍵合精度僅次于Si-Si鍵合，而工藝遠比其簡單。
本發明由于采用了新的鍵合面的膜層結構、鍵合面的清洗處理、鍵合工藝參數優化等措施，進一步穩定和完善了工藝，并建立了兩種檢測Au-Si鍵合強度的方法，方便實用。該技術可廣泛應用于半導體微器件(包括各種功能芯片、傳感器及其它微電子器件)中的鍵合或封裝中，具有很高的實用價值和市場前景。
圖1為壓臂法測試模型及尺寸標示圖2為張開型測試模型及尺寸標示圖3為壓阻加速度計的斷面結構圖4為壓阻加速度計鍵合切片后的斷面形貌具體實施方式
實施例1、壓阻加速度計三層鍵合壓阻加速度計的斷面結構如圖3所示。其三層結構需要通過鍵合組裝在一起。使用4英寸525μm厚的n-(100)型硅結構片，中間層是雙面拋光結構片。首先對硅片進行常規的酸煮工序，即將硅片在硫酸和雙氧水的混合溶液(H2SO4∶H2O2＝4∶1)中煮沸(約120℃)10分鐘，以去除硅片表面的污染物和碳氫化合物。結構片的一表面濺射了200～500的Cr層和約3000的Au層，其結構為硅基體-SiO2/Cr/Au，而另一面分別為純硅基(鍵合前經BHF溶液漂洗，以去除自然氧化層)和基體-SiO2(自然氧化層)/Cr(200)。所有硅片都必須經過嚴格的工藝清洗，其次是對進行多次微加工工序的硅結構片的鍵合面清洗。清洗工藝為先在NH4OH∶H2O＝1∶12的溶液中漂洗30分鐘，最后在0.06MH2SO4溶液中浸泡20分鐘，再在轉速為2000轉/分甩干機上甩4分鐘。清洗過程中的每一步都須用去離子水沖洗。
鍵合實驗是在Karlsuss公司制備的Suss SB6 VAC型鍵合設備和Suss BA6型硅/硅和硅/玻璃鍵合對準設備上進行。先將上帽片與中間結構片在光刻機上對準，置入鍵合機中，在約365℃下鍵合近10分鐘；再與剩下的下帽片對準在約365～480℃下鍵合近30分鐘即可。鍵合腔的本底真空度3×10-4mbar，氮氣工作壓力為1大氣壓。鍵合壓力為2個大氣壓。鍵合后溫度下降到室溫的時間約為1小時。
鍵合試樣切成單個器件單元，單元尺寸為6.5×6.5mm。鍵合好的試樣通過了刃片插入檢測，其鍵合強度為238Mpa。使用光學顯微鏡或掃描電鏡等進行微觀分析檢測。其鍵合切片后的斷面形貌如圖4所示。
在本實施例中，面層還可以采用如下三組配對面的結構硅基體-SiO2/Cr(200)/Au(3000)與基體-SiO2/Cr(200)
硅基體-SiO2/Cr(200)/Au(1000)/Poly-Si(500)/Au(1000)與硅硅基體-SiO2/Cr(200)/Au(1000)/Poly-Si(500)/Au(1000)與基體-SiO2/Cr(200)Poly-Si多晶硅由濺射、剝離及后續的退火工藝制得。
實施例2壓臂法測試鍵合強度壓臂法測試鍵合強度，如圖1所示根據一系列的設計計算，可得壓臂長度范圍4a3[σ2]-2Pa3P≤l≤ah2[σ1]3P----(I)]]>代入各相關參數，可近似得8a3≤l≤50000a----(II)]]>由此，可以確定檢測圖形的基本尺寸。經估算可知；所需壓力P的數值范圍在0.5～1.5kg。
通過測量改變圖中壓臂長度ι數值，設計一組類似的壓臂模型，只要測出在某一長度ι時，鍵合面開裂，即可大致估算或比較鍵合強度。此法還可用于其它鍵合強度的檢測或比較。
通過該檢測模型初略估計實施例1中的壓阻加速度計三層鍵合的鍵合強度為230～242Mpa.
實施例3張開型測試鍵合強度張開型測試鍵合強度，如圖2所示。
在有一定腐蝕深度(約200μm)處，插入厚度為2h的刀片。已知硅片的彈性模量如Si(100)E＝1.66×1012dy/cm2，在顯微鏡(光學顯微鏡或掃描電子顯微鏡)下，測量刀片到開口處的距離S值，依公式計算鍵合強度σσ=3Em3h28S4----(III)]]>根據該方法計算實施例1中的壓阻加速度計三層鍵合的鍵合強度為238Mpa.
權利要求
1.一種半導體微器件的鍵合方法，包括以下步驟1)設計并制備需要鍵合的硅結構片的鍵合面膜層結構；2)必要的界面處理；3)進行鍵合面間的鍵合對準；4)實施鍵合。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于在進行所述設計并制備需要鍵合的硅結構片的鍵合面膜層結構前，對需要鍵合的硅結構片進行寫號。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于在進行所述鍵合面間的鍵合對準前，對硅結構片的鍵合面進行清洗。
4.根據權利要求3所述的方法，其特征在于所述清洗過程包括以下步驟1)在NH4OH∶H2O＝1∶8～12的溶液中漂洗20～40分鐘后，用去離子水沖洗；2)在0.05～0.07M H2SO4溶液中浸泡10～30分鐘后，用去離子水沖洗；3)在轉速為1500～2500轉/分甩干機上甩3～5分鐘。
5.根據權利要求1所述的方法，其特征在于所述鍵合后進行鍵合強度的檢測。
6.根據權利要求1或2或3或4或5所述的方法，其特征在于所述膜層結構選自以下四種配對面結構組合硅基體-SiO2/Cr/Au與硅Si硅基體-SiO2/Cr/Au與基體-SiO2/Cr硅基體-SiO2/Cr/Au/Poly-Si/Au與硅Si硅基體-SiO2/Cr/Au/Poly-Si/Au與基體-SiO2/Cr所述Poly-Si多晶硅由濺射、剝離及退火工藝制得。
7.根據權利要求1或2或3或4所述的方法，其特征在于所述鍵合的工藝參數為本底真空低于0.3Pa鍵合溫度365～480℃；鍵合時間10～50分鐘；氮氣工作壓力105Pa鍵合施加壓力2×105Pa
8.根據權利要求1或2或3或4所述的方法，其特征在于所述鍵合強度的檢測采用壓臂法或張開型測試法。
9.一種檢測半導體微器件鍵合強度的方法，是根據式(II)設計一組類似的壓臂模型8a3≤l≤50000a---(II)]]>測出在某一長度l時，鍵合面開裂，即可算出或比較鍵合強度。
10.一種檢測半導體微器件鍵合強度的方法，是在約200μm腐蝕深度處，插入厚度為2h的刀片，硅片的彈性模量如Si(100)E＝1.66×1012dy/cm2，測量刀片到開口處的距離S值，依式(III)計算鍵合強度σσ=3Em3h28S4---(III)]]>
全文摘要
本發明公開了半導體微器件的一種鍵合方法及其鍵合強度的檢測方法。鍵合方法包括以下步驟1)設計并制備需要鍵合的硅結構片的鍵合面膜層結構；2)必要的界面處理；3)進行鍵合面間的鍵合對準；4)實施鍵合。本發明還提供了兩種鍵合強度的檢測方法，分別為壓臂法和張開型測試法。本發明的方法具有工藝簡便、可操作性強、精度高、鍵合溫度低以及成本低等優勢，可廣泛應用于半導體微器件中的鍵合或封裝中，具有很高的實用價值。
文檔編號H01L21/66GK1549302SQ0313064
公開日2004年11月24日 申請日期2003年5月6日 優先權日2003年5月6日
發明者王翔, 張大成, 李婷, 王瑋, 王穎, 王 翔 申請人:北京大學