硅片真空鍵合設(shè)備研制

李安華

（中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西太原030024）

硅片真空鍵合設(shè)備研制

李安華

（中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西太原030024）

為了將硅片與硅片有效的鍵合在一起，研發(fā)了一款硅片鍵合設(shè)備。介紹了硅片鍵合原理及硅片真空鍵合設(shè)備的主要技術(shù)指標(biāo)、設(shè)備結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)等。

硅片鍵合；真空；加壓；加熱

硅片鍵合技術(shù)是指將硅片與硅片、硅片與玻璃或其它材料通過物理作用和化學(xué)作用緊密地結(jié)合起來的技術(shù)方法。硅片鍵合通常與表面硅加工技術(shù)和體硅加工技術(shù)相結(jié)合，常用在MEMS的加工工藝中。硅片鍵合技術(shù)通常分為金硅共熔鍵合、硅/玻璃靜電鍵合、硅/硅直接鍵合以及玻璃焊料燒結(jié)等[1]。

本設(shè)備就是在真空環(huán)境中，對硅片經(jīng)高溫處理，加載壓力使硅片直接鍵合在一起。這種鍵合技術(shù)稱為硅-硅直接鍵合（SDB—Silicon Direct Bonding）技術(shù)。硅-硅直接鍵合工藝如下：

（1）將經(jīng)拋光處理的硅片（氧化或未氧化均可）先經(jīng)化學(xué)溶液浸泡處理。

（2）在常溫下將兩硅片拋光面貼合在一起。

（3）貼合好的硅片在真空或氮?dú)猸h(huán)境中經(jīng)數(shù)小時(shí)的高溫處理，這樣就形成了良好的鍵合[1]。

1 設(shè)備主要技術(shù)指標(biāo)

（1）加載壓力：3 t，可連續(xù)加壓（可根據(jù)用戶要求選擇氣動(dòng)加壓或液壓加壓）

（2）加熱溫度：1 000℃

（3）溫度均勻性：±3℃，上下壓盤溫差＜5℃

（4）控溫精度：±1℃

（5）充氣壓力：＜0.1 MPa

（6）極限真空：5 Pa

（7）熱鍵合最大尺寸：8寸

（8）壓頭行程：120 mm

（9）上下壓頭平行度：±0.05 mm

2 設(shè)備主要構(gòu)成部件

如圖1所示，該設(shè)備主要由真空腔室、加熱工作平臺(tái)、上活動(dòng)加壓系統(tǒng)、加壓系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等多部分組成。

圖1 硅片真空鍵合設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 真空腔室

如圖2所示，真空腔室采用立式單層外繞水冷套結(jié)構(gòu)，腔門開啟方式為前開門，其結(jié)構(gòu)亦為立式單層外繞水冷套結(jié)構(gòu)。腔室材料全部采用優(yōu)質(zhì)SUS304不銹鋼。單層腔室外壁上設(shè)有加熱引線接口、控溫?zé)犭娕家€接口、手自動(dòng)充放氣口、規(guī)管安裝接口、真空抽氣接口、下加壓固定平臺(tái)等。腔室上還設(shè)有測溫接口，用于檢測平臺(tái)及工件溫度，該結(jié)構(gòu)簡單，密封良好，拆卸方便。腔門與腔殼使用活動(dòng)鉸鏈連接，采用O型橡膠圈密封，同時(shí)用壓緊機(jī)構(gòu)將腔門壓緊，保證真空腔室的密封性，確保腔室的真空度[2]。

圖2 真空腔室結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 加熱工作平臺(tái)

加熱工作平臺(tái)分為上加熱工作平臺(tái)和下加熱工作平臺(tái)，上加熱平臺(tái)與上活動(dòng)加壓系統(tǒng)相連接，下加熱平臺(tái)安裝固定在下加壓固定平臺(tái)上。鍵合硅片及工裝放置在下加熱工作平臺(tái)上，加熱工作平臺(tái)向被處理硅片提供所需熱能。加熱工作平臺(tái)選用高絕緣性耐高溫的云母板為芯，均勻布置鎳鉻合金電阻絲，外套等靜壓石墨保護(hù)，結(jié)構(gòu)簡單拆卸方便，易于更換。加熱元件在加熱室內(nèi)均勻分布，一點(diǎn)控溫，保證平臺(tái)溫場的均勻性。平臺(tái)耐壓，熱變形小。

2.3 上活動(dòng)加壓系統(tǒng)

上活動(dòng)加壓系統(tǒng)，如圖3所示，由動(dòng)作氣缸或油缸、測力環(huán)、傳動(dòng)軸、萬向節(jié)、密封水冷套、上加熱工作平臺(tái)組成，其主要作用是將力傳遞給工件，保證上下加熱工作平臺(tái)的平行度及減少熱損失，得以實(shí)現(xiàn)對硅片的加壓鍵合。上活動(dòng)加壓系統(tǒng)與真空腔室之間的密封結(jié)構(gòu)為動(dòng)靜結(jié)合形式，選用骨架密封圈作為動(dòng)密封元件和O型密封圈為靜密封元件，采用這種動(dòng)靜密封結(jié)構(gòu)形式，既能保證在運(yùn)動(dòng)過程中上活動(dòng)加壓系統(tǒng)與腔室的密封性能，又能保證在加壓過程中上活動(dòng)加壓系統(tǒng)與腔室之間有微小的調(diào)整余量，這樣就能更好地確保上、下加熱工作平臺(tái)與硅片及工裝夾具之間的同軸度、平行度。

圖3 上活動(dòng)加壓系統(tǒng)示意圖

2.4 加壓系統(tǒng)

加壓系統(tǒng)是硅片鍵合設(shè)備的關(guān)鍵部分，加壓系統(tǒng)及（壓力、位移）測量控制裝置滿足精密鍵合需要，其原理如圖4所示。在加壓系統(tǒng)中，選用壓力控制精度較高的電氣比例閥或電液伺服閥控制動(dòng)作缸輸出壓力值，選用壓力試驗(yàn)機(jī)用測力傳感器測量壓力值輸出，電氣比例閥或電液伺服閥、動(dòng)作缸、測力傳感器形成閉合控制系統(tǒng)，控制壓力的輸出。加壓系統(tǒng)輸力機(jī)構(gòu)采用四立柱結(jié)構(gòu)，動(dòng)作缸法蘭固定，由上向下加壓。工作時(shí)，上活動(dòng)加壓系統(tǒng)向下運(yùn)動(dòng)，球頭壓盤自動(dòng)調(diào)整壓緊位置。工作結(jié)束時(shí)，上活動(dòng)加壓系統(tǒng)收回，可取放硅片工裝夾具。加壓系統(tǒng)在加壓過程中可任意位置停止，壓力與溫度形成閉環(huán)PID控制，保證鍵合工藝需求。

圖4 加壓系統(tǒng)原理圖

2.5 真空系統(tǒng)

真空系統(tǒng)由真空獲得部分和真空測量部分組成。

根據(jù)設(shè)備工作環(huán)境和工作真空度的要求，本設(shè)備選用XDS35I無油干泵（埃地沃茲）、GDQ-J40（b）A氣動(dòng)真空擋板閥（寧波閥門）。在真空抽氣管路中選用性能可靠的閥門、管道以及真空測量裝置，并采用可調(diào)節(jié)、柔性波紋管聯(lián)接，用于減震，各接口均為KF快卸接頭，便于拆裝。閥門均采用氣動(dòng)控制，電磁感應(yīng)聯(lián)動(dòng)互鎖，確保在斷電時(shí)，閥門自動(dòng)關(guān)閉，確保腔室為真空狀態(tài)[3]。

真空測量由數(shù)顯電子真空計(jì)、真空規(guī)管及連接電纜線等組成[4]。

2.6 循環(huán)水系統(tǒng)

循環(huán)水系統(tǒng)主要對以下各部分進(jìn)行循環(huán)水冷，包括：腔殼部分、腔門部分、腔殼法蘭、上活動(dòng)加壓系統(tǒng)水冷套，上加壓水冷平臺(tái)、下加壓水冷平臺(tái)。循環(huán)水通過水泵從水槽流出，進(jìn)入總進(jìn)水管流經(jīng)各個(gè)水路分配器到達(dá)各冷卻部位，經(jīng)循環(huán)水道返回總回水管，流回水槽。在總進(jìn)水管上裝有水流檢測系統(tǒng)，水流量不足時(shí)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)關(guān)閉所有動(dòng)力開關(guān)，同時(shí)聲光報(bào)警，切斷加熱電源。

2.7 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由工控機(jī)、溫控儀表、電壓調(diào)壓器、記錄儀器、真空測量、壓力反饋控制系統(tǒng)和可編程序控制器（PLC）等組成，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化程序操作，并兼有手動(dòng)操作功能。設(shè)備所有功能均可通過一臺(tái)計(jì)算機(jī)集成控制，并實(shí)現(xiàn)對壓力、溫度、真空等關(guān)鍵工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，采集記錄工藝數(shù)據(jù)。

2.7.1 主要功能

設(shè)備在抽真空、加壓、升溫、保溫、冷卻全過程由可編程序控制系統(tǒng)控制，同時(shí)各系統(tǒng)具有手/自動(dòng)兩種操作功能。控制操作界面如圖5所示。

圖5 控制操作界面

各種閥門的開關(guān)控制，泵的啟動(dòng)、停止控制及溫度的控制均由可編程序控制器即PLC來完成。

（1）真空泵及氣動(dòng)閥采用可編程控制器控制，具有手動(dòng)啟停及自動(dòng)啟停兩種功能。

（2）溫控系統(tǒng)采用低電壓、大電流方式供電，電壓調(diào)壓器與溫控儀配合，實(shí)現(xiàn)溫度的連續(xù)控制，控溫系統(tǒng)具有手動(dòng)/自動(dòng)兩種操作方式，控制簡明、運(yùn)行可靠，并加入了短路保護(hù)等安全措施，確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。其控制原理是：溫度傳感器（熱電偶）采集的現(xiàn)場環(huán)境的溫度信號與設(shè)定值比較，通過溫控表的PID運(yùn)算，輸出控制信號，調(diào)節(jié)功率控制器的輸出電壓，從而改變負(fù)載的加熱功率，起到調(diào)節(jié)加熱工作平臺(tái)溫度的作用[3]。

（3）加壓系統(tǒng)采用通過電氣比例閥/電液伺服閥調(diào)節(jié)氣體/油量流量大小來控制動(dòng)作缸輸出力值的大小，保證工件鍵合需求。

為了確保設(shè)備運(yùn)行安全，軟、硬件中均采用了自鎖與互鎖保護(hù)功能、聲光報(bào)警。超溫、斷水、停氣等異常現(xiàn)象時(shí)，系統(tǒng)具有安全保護(hù)功能和故障顯示功能，界面見圖6，具體為：

（1）真空度報(bào)警：真空度不到設(shè)定值，加熱工作平臺(tái)不能加熱。若加熱過程中，真空度低于設(shè)定值時(shí)，切斷電源，系統(tǒng)發(fā)出聲光警示。

（2）循環(huán)水報(bào)警：循環(huán)水水壓或水流量低于設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出聲光警示，并及時(shí)切斷相關(guān)位置電源。

（3）超溫報(bào)警：加熱工作平臺(tái)溫度超過報(bào)警設(shè)定值或控溫偶異常時(shí)，切斷加熱工作平臺(tái)供給電源，系統(tǒng)發(fā)出聲光警示。

（4）停電保護(hù)：真空閥、氣路閥將自動(dòng)關(guān)閉，真空腔室仍處在真空或氣氛保護(hù)，當(dāng)再次來電后，工藝過程可以在人工手動(dòng)操作方式繼續(xù)進(jìn)行。

（5）壓縮空氣斷氣報(bào)警：當(dāng)壓縮空氣斷氣或壓力不足時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出聲光報(bào)警。

（6）調(diào)壓器故障保護(hù)：調(diào)壓器出現(xiàn)過流或短路情況時(shí)，設(shè)備自動(dòng)斷電并發(fā)出聲光警示[4]。

圖6 報(bào)警、監(jiān)控、查詢界面

2.7.2 電氣控制的主要配置

（1）低壓電氣元件：包括斷路器、接觸器、中間繼電器、按鈕等低壓元件。

（2）控制面板上裝有急停按鈕，在出現(xiàn)緊急情況時(shí)使用。

（3）壓力控制顯示與溫度控制選取相同的儀表。

儀表精度等級0.1級，帶有數(shù)字顯示和PID控制。可分別對溫度和壓力進(jìn)行曲線設(shè)置，可根據(jù)用戶工藝設(shè)定參數(shù)（溫度曲線、壓力曲線）。

（4）真空計(jì)可數(shù)字顯示瞬時(shí)真空度值，具有真空檢測及繼電器信號輸出功能。

（5）選用工控機(jī)，安裝組態(tài)軟件，可分析記錄設(shè)備運(yùn)行時(shí)的各類數(shù)據(jù)，繪制曲線、圖表，實(shí)現(xiàn)設(shè)備智能化。

3 結(jié)束語

硅片鍵合設(shè)備已投入市場數(shù)臺(tái)，用戶反應(yīng)良好，本設(shè)備現(xiàn)最大可以鍵合8寸硅片。它的研制與開發(fā)很好的解決了硅片貼合問題，大大提高了生產(chǎn)效率，滿足了目前飛速發(fā)展的硅片產(chǎn)業(yè)對其關(guān)鍵設(shè)備的要求。

[1]李和太，李曄辰.硅片鍵合技術(shù)的研究進(jìn)展[J].傳感器世界，2002（09）：6-10.

[2]張紅梅.五工位真空壓力擴(kuò)散焊設(shè)備的研制[J].電子與封裝，2009（09）：41-44.

[3]達(dá)道安.真空設(shè)計(jì)[M].北京：國防工業(yè)出版社，1991.

[4]張聞華.ZHS-50真空焊接設(shè)備的控制系統(tǒng)[J].山西電子技術(shù)，2012（02）：40-42.

Development of Silicon Wafer Vacuum Bonding Equipment

LI An-hua
（The Second Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Taiyuan Shanxi 030024，China）

The paper is aimed at the effective bonding between silicon wafer and silicon wafer，so the device of the silicon bonding was developed.In this paper，the principle of silicon bonding and the main technical specifications，equipment structure and control system of silicon slice vacuum bonding equipment are introduced.

silicon bonding；vacuum；forcing；heating

TB79

A < class="emphasis_bold">文章編號：1

1672-545X（2017）05-0159-03

2017-02-16

李安華（1981-），男，四川眉山人，工程師，工學(xué)學(xué)士，研究方向?yàn)殡娮訉Ｓ迷O(shè)備。