圓片級疊層鍵合技術在SOI高溫壓力傳感器中的應用

齊 虹, 丁文波, 張 松, 張林超, 田 雷, 吳佐飛

(1.中國電子科技集團公司第四十九研究所,黑龍江 哈爾濱 150001；2.火箭軍駐哈爾濱地區軍事代表室,黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

圓片級鍵合技術在微機械加工中廣泛應用,它可以將相同的或不同的襯底,通過機械或電作用永久地連結成一體。圓片級鍵合從技術上分為兩類:直接鍵合和中間層鍵合[1]。陽極鍵合是圓片級鍵合技術中較為典型的工藝,是金屬與玻璃以及其他絕緣體之間的靜電鍵合技術,主要應用壓力傳感器、加速度傳感器、微陀螺儀等微傳感器和微執行器的封裝領域。

目前,針對硅-玻璃間的兩層陽極鍵合技術較為成熟,但隨著微系統技術的快速發展,對新型微結構傳感器的封裝技術提出更高的要求。尤其在航空航天、石油、化工、冶金、汽車、工業過程控制、兵器制造中急需耐高溫壓力傳感器[2],特別是在惡劣的環境下,比如發動機、航天飛行器、高速導彈及衛星等耐熱腔體和表面各部分的壓力測量中,對壓力傳感器的使用溫度要求更高[3]。以硅為襯底材料的絕緣體上硅(silicon on insulator,SOI)是最受矚目的材料,其高溫特性使之成為制作高溫傳感器的優質材料[4]。無引線封裝結構的SOI高溫壓力傳感器,利用SOI的單晶硅膜制備出壓敏電阻條,在硅敏感芯片正面和背面分別與玻璃進行疊層鍵合,在硅敏感芯片電極與殼體管腳間采用導電的無引線封裝結構,取消了軟引線連接,解決了含油封裝壓力傳感器中硅油耐溫差的問題,因此,該結構的SOI高溫壓力傳感器其使用溫度可達500 ℃[5]。

本文提出了采用兩次鍵合及兩次對準工藝方法,實現玻璃-硅-玻璃三層SOI壓力芯片結構,保證了敏感芯片在高溫環境下的氣密性和鍵合強度,并給出了傳感器在500 ℃下的測試數據。

1 SOI器件中圓片級疊層鍵合技術的應用

本文采用的圓片級疊層陽極鍵合技術主要應用于SOI高溫壓力傳感器制作中,通常情況下,壓力傳感器采用敏感芯片與玻璃鍵兩層結構,但這種結構存在著敏感芯片只有一面鍵合了玻璃,另一面為懸浮結構,在不同的溫度條件下,由于玻璃和硅的熱膨脹系數不同,將引起敏感芯片的形變,從而導致高溫敏感器件在高寬溫區內產生較大的漂移。因此,SOI高溫壓力傳感器更適合于三層鍵合結構。

1.1 SOI壓力敏感芯片結構

SOI高溫壓力傳感器的核心是敏感芯片,其采用了SOI襯底材料,電阻層與硅襯底間有一層絕緣層,經過離子注入、電阻刻蝕、氧化等工藝在器件層表面形成圖形化結構,經過異性腐蝕將襯底硅制成硅杯。在硅芯片的兩側均鍵合有玻璃,將硅芯片置于兩層玻璃中間,形成三明治結構,如圖1所示。

圖1 SOI壓力敏感芯片結構示意圖

1.2 SOI器件陽極鍵合

陽極鍵合其實質是固體電化學反應,在陽極硅氧化釋放電子,陰極玻璃中Na+得到電子還原,硅-玻璃界面中有Si-O鍵生成,使硅片與玻璃形成良好封接。緊密接觸的硅/玻璃界面會發生化學反應,形成牢固的化學鍵。硅片/玻璃界面電化學反應如下[6,7]:

陽極(硅面):Si+2H2O→SiO2+4H++4e

Si+O-Si-OH→Si-O-Si+H++e

Na2+H+→2Na++OH-

陰極(玻璃面):Na2O+e→Na

從公式中可看出,陽極硅被氧化釋放電子,陰極玻璃中Na+被還原得到電子,硅-玻璃界面處形成Si-O-Si鍵結構,并與玻璃耗盡層的氧負離子及網絡基體構成硅氧復合氧化物,從而完成瞬間鍵合。隨著鍵合時間的延長,玻璃耗盡層的厚度增加,電流迅速減少,最后穩定在一很小的數值上。在電場力作用下,玻璃中的氧負離子向界面遷移,使玻璃界面發生了彈性變形和黏性流動與硅界面緊密接觸,最后發生氧化反應生成硅氧復合化合物,形成永久鍵合。在高溫500 ℃下,Si-O-Si鍵也不會被破壞,靜電封接的敏感芯片用于高溫壓力傳感器中是可行的。

SOI器件層鍵合不同于單晶硅襯底鍵合,屬于異質異構3D封裝,因此需要對鍵合溫度、電壓、時間等參數綜合考慮。同時如果采用傳統的直接施加直流高壓方法鍵合,會導致直流高壓擊穿SOI材料的中間氧化層,給中間氧化層造成損傷,影響器件的可靠性,如圖2所示。采取側壁夾具加電方法或襯底無損加電方式,可以有效避免這種電擊穿的產生。

圖2 SOI材料鍵合中氧化層擊穿示意圖

1.3 工藝方法

SOI壓力敏感芯片圓片級疊層鍵合采用兩次對準和兩次鍵合方法實現疊層靜電鍵合。硅玻璃鍵合質量受溫度、電壓、反應室內環境壓力以及電極形狀等諸多因素的影響,任何一步工藝操作不當,均會造成鍵合強度降低,甚至鍵合失效,嚴重降低器件的可靠性[8]。為了提高壓力傳感器耐高溫性能和可靠性,在工藝過程中要特別注意:

1)兩靜電鍵合材料的熱膨脹系數要近似匹配,否則在鍵合完成冷卻過程中會因內部應力較大而破碎,同時考慮耐高溫玻璃材料的選取。

2)與陽極接觸的電極形狀會影響鍵合效果,點接觸電極不會使鍵合界面產生孔隙,而雙平行板電極會使鍵合體界面產生部分孔隙,但后者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。

4)鍵合前的圖形對準非常重要,由于芯片在鍵合前已形成敏感結構,這就需要在鍵合前將玻璃孔與芯片電極精準的對位,避免對準偏移導致后續封裝的可靠性降低。將引壓孔與敏感腔精準對位,可避免器件的非線性降低。

本文采用AML-AWB04鍵合機實現SOI器件圓片疊層鍵合,分別在玻璃和SOI硅片上制作對準標記,如圖3所示。玻璃上標記是通過噴砂工藝制作的十字圖形,硅片上的標記是通過光刻制作的金屬方塊圖形,對準精度誤差控制在±3 μm以內。首先將一片玻璃與硅片正面進行第一次對準鍵合,然后再將另一片玻璃與一次鍵合后的基片硅杯面進行二次對準鍵合,完成玻璃-硅-玻璃的三層鍵合。

圖3 疊層鍵合對準標記

在圓片進行清洗、對準后根據SOI器件結構特點采用側壁加電方式,施加約1 000 V鍵合電壓,鍵合過程始終保持在380 ℃和10-5mbar的真空環境中,鍵合時間約20 min以上。圖4為鍵合疊層鍵合的SOI壓力傳感器圓片。

圖4 疊層鍵合的SOI壓力傳感器圓片

2 性能測試

2.1 鍵合強度測試

采用直拉法檢測鍵合強度,直拉法[9]是用拉開鍵合片的最大拉力來表示鍵合強度。測試儀器為自制拉伸試驗臺,試驗前在圓片上、中、下、左、右共5個位置抽取5只芯片,通過快速粘結劑將芯片表面與拉力夾具粘合在一起,充分固化24 h以上再進行抗拉強度測試,加載直接至鍵合界面斷裂,最先開裂的封接面即為芯片的鍵合強度。

圖5中給出了不同位置芯片拉斷的顯微鏡照片,觀察拉伸樣品鍵合區域的斷裂表面,均可觀察到玻璃表面裂開的現象,在硅-玻璃鍵合界面并未被拉斷。經測試圓片中上、中、下、左、右位置的芯片拉伸力分別為為49.6,49.6,54.6,54.6,44.5 N,根據已知鍵合面積,可推算出鍵合強度分別為3.5,3.5,3.85,3.85,3.14 MPa,符合器件鍵合強度合要求。

圖5 不同位置的芯片拉斷顯微鏡照片

2.2 氣密性測試

采用氦質譜檢漏儀,依據GJB548B-2005方法1014.2對敏感芯片鍵合后的漏率進行檢測。在上、中、下、左、右的5個位置抽取5只芯片,將芯片放入充氦箱,對充氦箱抽真空,加壓壓強517 kPa,加壓時間2 h,停留時間10 min,然后用大于20 s的時間排放充氦箱中的氦氣至表壓,取出芯片,并用氦氣將芯片沖擊5 min。將有氦氣的芯片放入氦質樸檢漏儀測試室中,5只芯片的漏率均低于5×10-9Pa.m3/s拒收極限,滿足器件氣密性要求。

2.3 傳感器性能測試

選取3只SOI壓力敏感芯片進行無引線封裝,制作成高溫壓力傳感器,通過轉接夾具將傳感器安裝在帶有銅管的壓力接嘴上,將裝有傳感器的一端伸入到箱式電阻爐內,另一端與電阻爐外面的壓力計連接,在電阻爐內通入N2,升溫至500 ℃,恒溫30 min后,采用1.5 mA恒流源供電,對傳感器施加3個標定循環的壓力,測量上限壓強為700 kPa,壓力-輸出特性曲線如圖6所示。

圖6 傳感器輸出特性曲線(500 ℃)

測試結果表明:在500 ℃條件下,3只傳感器的非線性均小于0.2 %,總精度均小于0.5 %。

3 結 論

本文采用兩次對準和兩次鍵合技術,實現了SOI高溫壓力傳感器敏感芯片的疊層鍵合,測試結果表明,敏感芯片滿足鍵合強度和氣密性的要求,采用該敏感芯片制作的無引線SOI高溫壓力傳感器,在500 ℃環境下的性能指標是穩定的,該圓片級疊層鍵合技術適用于SOI高溫壓力傳感器的制作。