MEMS封装用局部激光键合法及其实现

半导体光电 2008年6月第29卷第3期成 立等: MEMS封装用局部激光键合法及其实现

Si表面。而硅片吸收光能,产生大量的热能,融化靠近芯片界面之局部薄层。因为Si熔融温度很高,所以透过玻璃薄层Si也会融化;两个融化层既避免接触间隙,又保证良好的键合效果,故形成极强的化学贴合;由于激光尺寸和运动都能起到调节作用,所

以激光辐射和熔融区域都得到有效的控制。

在的杂质颗粒大部分与H2SO4反应生成溶于水的硫酸盐,所以可以有效去除表面金属杂质颗粒。实验时明显可见硫酸中浸泡芯片表面集聚了大量的小气泡,经过一段时间后,气泡逐渐减少并消失,这一现象说明了表面杂质已被清除。因HF是腐蚀SiO2的常用剂(SiO2+6HF

2SiF6+2H2O),故

浸入HF中可去除芯片表面的氧化层。

上述每一步处理后先用去离子水冲洗,然后再旋转甩干,以去除表面的水分子;同时用红外光升高温度,以缩短甩干时间。经过这样的一系列工艺处理后,芯片表面悬挂大量的OH-,随即将两芯片在室温下迅速贴合,这样在室温下表面活化预键合就得以完成。处理后的芯片只是暂时地贴合在一起,很小的力就能将其拉开,所以还要经过激光加热以达到足够大小的键合强度。在进行贴合时应当注意:两样片一次性平稳接触并贴合,以后不再改变其

图2 近红外区Si和Pyrex玻璃的吸收/传播率

相对位置,否则容易拉断表面形成的化学键[7~9]。3.3 局部激光加热工序

将表面活化预键合完毕的样片,在无任何外力作用下直接置于激光束下;激光束聚焦在Si 玻璃芯片之间的键合区域,激光功率为70W;激光束以5mm/s的速率直接扫描需键合区域的界面,使所选择区域熔融受热,从而达到局部键合的效果。如此重复上述激光加热工序6次。

3 键合法工艺流程及实验方案

3.1 键合芯片加工流程

在拟定的局部激光键合实验方案中,每一键合芯片对都要经过图3所示的工艺流程。实验中p型硅片直径为38mm、厚380 m、100晶向;厚525 m的7740Pyrex玻璃 Si片切割成6mm 6mm样片;使用波长1064nm、光斑直径500 m的Nd YAG

激光器来完成局部激光加热工序。

4 实验结果与分析讨论

4.1 预键合界面状况

经过表面活化处理后观察Si 玻璃芯片的接触角已明显减少,这说明了:一方面样片表面呈现出亲

水性质,另一方面玻璃盖板也与硅片紧密贴合,Si 玻璃片即产生了自发性键合,也表明预键合工艺完全可在无压力下于极短的时间内完成。4.2 局部激光键合界面状况

实验中激光束划过的轨迹清晰可见,芯片被成功的键合,但也存在着一些预键合的残留区域。4.3 激光扫描路径显微照片

整个激光键合过程如图4所示。激光聚焦焦斑处的光能量呈现高斯分布,聚焦焦斑的中心区先实现键合,见图4(a),此为激光束扫描的起始段,聚焦焦斑中心区域吸收较多的激光能量,因而先实现键合;随着时间延迟,吸收的激光能量增加,扫描轨迹(键合轮廓范围)越来越宽,当达到一定宽度时[见图

图3 局部键合芯片加工流程

3.2 表面活化预键合工艺

表面活化预键合工艺步骤如下:(1)表面清洗:将晶片浸入丙酮溶液,采用超声波清洗20min,再用去离子水洗净。用表面清洗方式目的是去除表面残留的有机物及大颗粒状杂质。(2)表面活化处理:1)在H2SO4 H2O2=(2 1)的溶液中加热浸泡20min;2)浸入稀释的氢孚酸(HF)中30s;3)浸入75 的RCA 1溶液(NH4OH H2O2 H2O=1 1 1.5)15min;4)浸入75 的RCA 2溶液(HCl H2O2 H2O=1 1 5)15min。

经过表面活化处理后的芯片表现出强烈的亲水性质。由于Si本身与H2SO4不产生反应,其表面存