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1、(10)申请公布号 CN 103145096 A (43)申请公布日 2013.06.12 CN 103145096 A *CN103145096A* (21)申请号 201310100553.X (22)申请日 2013.03.27 B81C 3/00(2006.01) (71)申请人 山东理工大学 地址 255086 山东省淄博市高新技术产业开 发区高创园 D 座 1012 (72)发明人 刘曰涛 肖春雷 王伟 杨明坤 魏修亭 (54) 发明名称 一种硅片与玻璃片的低温超声阳极键合方法 (57) 摘要 一种硅片与玻璃片的低温超声阳极键合方 法， 该方法包括以下具体步骤 ： 将玻璃片夹持在 。
2、一固定工作台上， 将硅片夹持在超声换能器上， 超 声换能器固定在一可动工作台上， 设定工作台的 加热温度， 设置超声参数， 设置阳极键合参数， 可 动工作台带动硅片移动， 并按设定的键合压力使 硅片与玻璃片相互接触， 使硅片与玻璃相互摩擦， 活化键合界面 ； 去掉超声的同时， 施加键合电压 进行阳极键合 ； 键合完成后拆下被键合件。相对 于传统高温阳极键合方法， 本发明的低温超声阳 极键合方法在同样键合强度下， 键合温度， 键合电 压及键合时间均能大大缩减， 提高了 MEMS 器件的 键合性能。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 5 页 (19)中华人民共和国国。
3、家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图5页 (10)申请公布号 CN 103145096 A CN 103145096 A *CN103145096A* 1/1 页 2 1. 一种硅片与玻璃片的低温超声阳极键合方法， 该方法包括以下具体步骤 ： （1） 设定温控键合炉的加热温度 ； （2） 设置超声参数， 超声参数包括超声频率， 超声功率， 超声持续时间 ； （3） 设置阳极键合参数， 阳极键合参数包括键合电压， 键合压力和键合时间 ； （4） 按照阳极键合要求将玻璃片夹持在一手动升降台上， 将硅片夹持在超声变幅杆上， 超声变幅杆固定在一可动工作台上 ； （5） 。
4、可动工作台带动硅片移动， 并按设定的键合压力使硅片与玻璃片相互接触， 然后按 照设定好的超声参数在硅片上施加超声， 使硅片与玻璃相互摩擦， 活化键合界面 ； （6） 去掉超声的同时， 施加键合电压进行阳极键合 ； （7） 键合完成后拆下被键合件。 2. 根据权利要求 1 所述的低温超声阳极键合方法， 其特征在于 ： 温控键合炉的加热温 度为 180220， 尤其是 200。 3. 根据前述任一项权利要求所述的低温超声阳极键合方法， 其特征在于 ： 超声频率为 55-75 kHz， 尤其是 65 kHz 。 4. 根据前述任一项权利要求所述的低温超声阳极键合方法， 其特征在于 ： 超声功率为 3。
5、-5 W， 尤其是 4W。 5. 根据前述任一项权利要求所述的低温超声阳极键合方法， 其特征在于 ： 超声持续时 间为 4-8 秒， 尤其是 5 秒。 6. 根据前述任一项权利要求所述的低温超声阳极键合方法， 其特征在于 ： 键合电压为 350-450 V， 尤其是 400V。 7. 根据前述任一项权利要求所述的低温超声阳极键合方法， 其特征在于 ： 键合压力为 10gf -30gf， 尤其是 20gf。 8. 根据前述任一项权利要求所述的低温超声阳极键合方法， 其特征在于 ： 键合时间为 20-30 秒， 尤其是 25 秒。 9. 根据前述任一项权利要求所述的低温超声阳极键合方法， 其特征在。
6、于 ： 所述可动工 作台由 Z 轴自动升降台、 X 轴平台、 Z 轴支架、 Y 轴平台组成。 权 利 要 求 书 CN 103145096 A 2 1/4 页 3 一种硅片与玻璃片的低温超声阳极键合方法 技术领域 0001 本发明涉及一种 MEMS 封装中的焊接方法， 尤其涉及一种基于超声致热的硅片与 玻璃片的低温阳极键合方法。 背景技术 0002 阳极键合和引线键合是 MEMS 封装中的主要键合焊接方法。 0003 引线键合是一种利用超声、 热、 压力将芯片和引线框架上的焊盘用金或铜导线互 相连接起来的工艺过程， 通过超声摩擦能够去除键合界面的氧化物， 软化键合界面， 在热和 压力的作用下将。
7、金或铜与焊盘 （一般为铝焊盘） 焊接在一起， 例如专利文献 ： CN1773688A， 其 主要用于金属之间的焊接。 0004 阳极键合又称静电键合或者场助键合， 在 MEMS 技术领域中， 主要是玻璃与硅的表 面键合工艺， 其基本原理是将直流电源正极接硅片， 负极接玻璃片， 由于玻璃在一定高温下 的性能类似于电解质， 而硅片在温度升高到 300 400时， 电阻率将因本征激发而降至 0.1m， 此时玻璃种的导电粒子 （如 Na+） 在外电场作用下漂移到负电极的玻璃表面， 而 在紧邻硅片的玻璃表面留下负电荷， 由于 Na+ 的漂移使电路中产生电流流动， 紧邻硅片的 玻璃表面会形成一层极薄宽度约。
8、为几 m 的空间电荷区 （或称耗尽层） 。由于耗尽层带负 电荷， 硅片带正电荷， 所以硅片与玻璃之间存在较大的静电吸引力， 使两者紧密接触， 并在 键合面发生物理化学反应， 形成牢固结合的 Si-O 共价键， 将硅与玻璃界面牢固地连接在一 起。 与其它键合技术相比， 阳极键合具有成本低、 工艺简单、 键合强度高和密封性好等优点， 此外相对于硅熔融键合技术还有对超净环境要求不高且能容忍更大表面粗糙度的显著优 势。因此在对密封、 键合强度要求较高的 MEMS 器件， 如真空传感器、 微机械红外探测器、 三 维微加速度计、 机械微陀螺、 微型原子钟铷腔等， 进行后道封装时阳极键合是不可或缺的工 艺手。
9、段。同时也在硅基混合微传感器、 微发生器以及微流控装置等 MEMS 器件的制作、 封装 中广泛地应用。因此阳极键合技术发展水平对 MEMS 技术的不断进步具有重要的影响。 0005 在目前的高温阳极键合技术中， 过低的温度会使玻璃的导电性变差， 同时玻璃无 法软化， 则无法实现玻璃表面微观峰的蠕动， 造成玻璃与硅片的界面无法达到静电力作用 的距离， 因此高温是实现这种阳极键合的必要条件。但高温又使阳极键合容易产生如下问 题 ： 其一， 高温引起 MEMS 器件损坏。对于某些温敏器件而言， 过高的温度会使其精度降低， 甚至会使其破坏而失效， 而这些微结构和电路所能承受的温度是有严格限制的， 否则。
10、就会 造成器件的损坏或者影响其使用寿命， 如 CMOS 电路在 400下超过 15 分钟就会发生 Si-Al 反应， 使电路结构破坏。其二， 高温容易引起残余应力。高温长时间作用于硅 - 玻璃键合基 体上容易产生热应力， 在完成键合冷却后热应力无法释放， 会造成 MEMS 器件工作不稳定和 可靠性降低。其三， 高温诱发离子扩散。在某些 MEMS 器件中， 为了实现特定功能， 往往在硅 基底中掺入某些特定的离子， 而在对这些掺杂过的 MEMS 器件进行键合时， 高温的键合过程 会使掺杂物质重新扩散， 这将改变杂质分布和电学特性， 而且如果界面存在一些污染和缺 陷， 在高温的作用下也会扩散开， 使。
11、产品失效区域变得不可控， 同时使键合界面电学特性劣 说 明 书 CN 103145096 A 3 2/4 页 4 化， 严重地影响了 MEMS 器件的性能。 0006 高温键合过程中存在的这些问题越来越不能适应 MEMS 器件高性能发展的需求。 针对高温阳极键合对 MEMS 器件所产生的不利影响， 目前有介质阻挡等离子体放电表面处 理的方法实现低温阳极键合， 例如专利文献 ： CN102659071A， 但此方法需要的放电电压为 500-2000V， 这对某些对高电压敏感的 MEMS 器件来说是不可行的， 高压容易击穿 MEMS 器件 中的电路， 从而损坏需要键合的 MEMS 器件， 另外， 。
12、其工作台加热温度范围为 250-350， 温 度对于有的 MEMS 器件而言， 仍然过高， 会影响了 MEMS 器件的性能。 0007 因此， 针对上述现有技术中存在的问题， 有必要提供一种能够在低温条件下， 实现 阳极键合的装置和方法， 以克服上述缺陷。 发明内容 0008 本发明的目的在于提供一种基于超声致热的硅片与玻璃片的超声阳极键合方法， 在施加较低温度下即能实现性能良好的阳极键合。 0009 为了实现上述目的， 本发明提供如下技术方案 ： 一种硅片与玻璃片的低温超声阳极键合方法， 该方法包括以下具体步骤 ： （1） 设定温控键合炉的加热温度 ； （2） 设置超声参数， 超声参数包括超。
13、声频率， 超声功率， 超声持续时间 ； （3） 设置阳极键合参数， 阳极键合参数包括键合电压， 键合压力和键合时间 ； （4） 按照阳极键合要求将玻璃片夹持在一手动升降台上， 将硅片夹持在超声变幅杆上， 超声变幅杆固定在一可动工作台上 ； （5） 可动工作台带动硅片移动， 并按设定的键合压力使硅片与玻璃片相互接触， 然后按 照设定好的超声参数在硅片上施加超声， 使硅片与玻璃相互摩擦， 活化键合界面 ； （6） 去掉超声的同时， 施加键合电压进行阳极键合 ； （7） 键合完成后拆下被键合件。 0010 优选的， 在上述超声阳极键合方法中， 温控键合炉的加热温度为 180220， 尤其 是 200。
14、。 0011 优选的， 在上述超声阳极键合方法中， 超声频率为 55-75 kHz， 尤其是 65 kHz。 0012 优选的， 在上述超声阳极键合方法中， 超声功率为 3-5 W， 尤其是 4W。 0013 优选的， 在上述超声阳极键合方法中， 超声持续时间为 4-8 秒， 尤其是 5 秒。 0014 优选的， 在上述超声阳极键合方法中， 键合电压为 350-450 V， 尤其是 400V。 0015 优选的， 在上述超声阳极键合方法中， 键合压力为 10gf -30gf， 尤其是 20gf。 0016 优选的， 在上述超声阳极键合方法中， 键合时间为 20-30 秒， 尤其是 25 秒。 。
15、0017 优选的， 所述可动工作台由 Z 轴自动升降台、 X 轴平台、 Z 轴支架、 Y 轴平台组成。 0018 与现有技术相比， 本发明具有以下有益效果 ： （1） 由于现有的超声一般是用于有金线或者铜线或者铝线引线键合， 而在键合领域中， 引线键合是不会用在硅和玻璃键合当中的， 本发明创造性地将超声键合应用到阳极键合 中， 相对于传统高温阳极键合方法， 本发明的低温超声阳极键合方法在同样键合强度下， 键 合温度， 键合电压及键合时间均能大大缩减， 提高了 MEMS 器件的键合效率。 0019 （2） 降低了键合的残余应力， 避免了高温导致的温度梯度的出现而造成比较大的 说 明 书 CN 1。
16、03145096 A 4 3/4 页 5 热应力， 使键合界面出现裂纹或者键合片破损， 提高了 MEMS 器件的稳定性、 可靠性、 耐疲劳 性以及一致性等性能指标。 0020 （3） 能够为其它半导体封装方法提供借鉴， 在不适用高温的领域引入超声不失为 一种切实可行的能量施加方法， 为半导体封装工艺提供新的思路。 附图说明 0021 图 1 是本发明的低温超声阳极键合装置整体装配示意图。 0022 图 2 是本发明的低温超声阳极键合装置的玻璃片夹持器示意图。 0023 图 3 是本发明的低温超声阳极键合装置的硅片夹持器示意图。 0024 图 4 是本发明的低温超声阳极键合装置的硅片夹持器的夹持。
17、部示意图。 0025 图 5 是本发明的低温超声阳极键合装置的硅片夹持器剖面图 具体实施方式 0026 下面结合附图对本发明作进一步说明。 0027 如图1所示的一种低温超声阳极键合装置， 包括底板1， 手动升降台2， 温控键合炉 3， 玻璃片夹持器 4， 硅片夹持器 5， 超声变幅杆 6， Z 轴自动升降台 7， 显微镜 8， X 轴平台 9， Z 轴支架 10， Y 轴平台 11， 超声波发生器 12， 直流电源 13， 电器支架 14， 控制系统 15。 0028 其中如图 2 所示， 玻璃片夹持器 4 由高压气体接头 4-1， 第一夹持片 4-2， 第一预紧 弹簧4-3， 第一预紧片4。
18、-4， 第一预紧螺钉4-5， 第二夹持片4-6， 第二预紧弹簧4-7， 第二预紧 片 4-8， 第二预紧螺钉 4-9 组成。 0029 其中如图 3- 图 5 所示， 硅片夹持器 5 由变幅杆连接块 5-1， 绝缘垫片 5-2， 高压气 体接头 5-3， 真空吸附接头 5-4， 高压电接片 5-5， 硅片夹持腔体 5-6， 第三预紧螺钉 5-7， 第 三预紧片 5-8， 第三预紧弹簧 5-9， 第三夹持片 5-10， 真空吸附口 5-11， 第四预紧螺钉 5-12， 第四预紧片5-13， 第四预紧弹簧5-14， 第四夹持片5-15， 高压气体通道5-16， 真空吸附通道 5-17 组成。 00。
19、30 运用本发明的低温超声阳极键合装置进行键合的方法如下 ： 首先， 控制系统15控制温控键合炉3设定至温度为180200， 当温控键合炉温度稳定 后， 控制系统 15 将连接玻璃片夹持器 4 上高压气体接头 4-1 的电磁阀打开， 高压气体接头 4-1接通高压气体， 高压气体推动玻璃片夹持器4上的第一夹持片4-2和第二夹持片4-6张 开一定距离， 将玻璃片放置在玻璃片夹持器4上， 然后控制系统15控制电磁阀关闭， 撤掉高 压气体， 第一夹持片4-2和第二夹持片4-6分别在第一预紧弹簧4-3和第二预紧弹簧4-7的 压力作用下， 推动第一夹持片4-2和第二夹持片4-6压紧玻璃片， 将玻璃片固定在。
20、玻璃片夹 持器 4 上。夹紧力的大小可由第一预紧片 4-4、 第一预紧弹簧 4-3 以及第二预紧片 4-8、 第 二预紧弹簧 4-7 来决定， 当第一预紧螺钉 4-5 和第二预紧螺钉 4-9 往玻璃片夹持器 4 内部 拧紧时， 会相应推动预紧片第一预紧片 4-4 和及第二预紧片 4-8 压紧第一预紧弹簧 4-3 和 第二预紧弹簧 4-7， 从而使得夹紧力增大。反之， 夹紧力减小。 0031 将硅片放置在玻璃片夹持器 4 的右前端， 调整硅片位置使硅片的两边与玻璃片夹 持器 4 的两外边缘对齐。控制系统 15 控制 X 轴平台 9 和 Y 轴平台 11 运动， 将显微镜 8 对 准硅片， 控制系。
21、统 15 控制 X 轴平台 9 和 Y 轴平台 11， 将硅片夹持器 5 运动至硅片上方， 将连 说 明 书 CN 103145096 A 5 4/4 页 6 接硅片夹持器 5 上高压气体接头 5-3 的电磁阀打开， 高压气体接头 5-3 接通高压气体， 高压 气体推动硅片夹持器 5 上的第三夹持片 5-10 和第四夹持片 5-15 张开一定距离， 控制系统 15 控制 Z 轴自动升降台 7 往下运动， 直至集成在超声变幅杆 6 上的传感器检测到硅片夹持 器 5 接触到硅片时， Z 轴自动升降台 7 停止运动。然后将连接硅片夹持器 5 上真空吸附接头 5-4 的电磁阀打开， 真空吸附接头 5-。
22、4 接通真空泵， 将硅片吸附在硅片夹持器 5 上， 控制系 统 15 控制连接高压气体接头 5-3 的电磁阀关闭， 撤掉高压气体， 第三夹持片 5-10 和第四夹 持片 5-15 分别在第三预紧弹簧 5-9 和第四预紧螺钉 5-12 的压力作用下， 推动第三夹持片 5-10 和第四夹持片 5-15 压紧硅片， 将硅片固定在硅片夹持器 5 上， 夹紧力的大小可由第三 预紧片 5-8、 第三预紧弹簧 5-9 以及第四预紧片 5-13、 第四预紧弹簧 5-14 来决定， 当第三预 紧螺钉 5-7 和第四预紧螺钉 5-12 往硅片夹持器 5 内部拧紧时， 会相应推动第三预紧片 5-8 和第四预紧片 5。
23、-13 压紧第三预紧弹簧 5-9 和第四预紧弹簧 5-14， 从而使得夹紧力增大 ； 反 之， 夹紧力减小。Z 轴自动升降台 7 向上运动一定距离。 0032 控制系统 15 控制 X 轴平台 9 和 Y 轴平台 11 运动， 将硅片移动至玻璃片上方， 并完 成硅片与玻璃片的自动对齐， Z 轴自动升降台 7 带动硅片向下运动， 直至集成在超声变幅杆 6 上的传感器检测到硅片接触到玻璃片时， Z 轴自动升降台 7 停止运动。超声变幅杆 6 末端 的力控制器， 施加 20gf 的键合压力， 控制系统 15 控制超声波发生器输出持续时间 5 秒的超 声， 其中超声频率为 65kHz， 超声功率为 4。
24、W， 超声施加完毕后， 控制系统 15 控制直流电源 13 输出持续时间 25 秒的 400V 的电压， 电压施加完毕后， 此时硅片与玻璃片键合到一起。 0033 控制系统 15 控制连接硅片夹持器 5 上高压气体接头 5-3 的电磁阀打开， 高压气体 接头 5-3 接通高压气体， 高压气体推动硅片夹持器 5 上的第三夹持片 5-10 和第四夹持片 5-15 张开一定距离， 使硅片夹持器 5 不再夹持硅片， 控制系统 15 控制 Z 轴自动升降台 7 向 上运动一段距离， 关闭连接高压气体接头 5-3 的电磁阀， 撤掉高压气体， 使第三夹持片 5-10 和第四夹持片 5-15 回复至初始位置。。
25、 0034 控制系统 15 控制连接玻璃片夹持器 4 上高压气体接头 4-1 的电磁阀打开， 高压气 体接头 4-1 接通高压气体， 高压气体推动玻璃片夹持器 4 上的第一夹持片 4-2 和第二夹持 片4-6张开一定距离， 使玻璃片夹持器4不再夹持玻璃片， 将键合好的硅片与玻璃片从玻璃 片夹持器中4取出， 关闭连接高压气体接头4-1的电磁阀， 撤掉高压气体， 使第一夹持片4-2 和第二夹持片 4-6 回复至初始位置， 完成硅片与玻璃片的低温超声阳极键合。 0035 采用此该低温超声阳极键合方法后的硅片与玻璃片键合强度测得为 9.8MPa， 键合 时间为 25 秒。 0036 下表为采用传统高温。
26、阳极键合方法在不同的键合参数下测得的键合强度。 编号 压力 （gf）温度 （）电压 （V）时间 （min）键合强度 （MPa） 13040080057.8 23040070056.5 33035070056.2 0037 从以上对比可以看出， 在阳极键合工艺中加入超声能够大大改善阳极键合工艺， 在达到同样键合强度下， 键合温度， 键合电压及键合时间均能大大缩减， 对 MEMS 阳极键合 工艺的发展具有重要意义。 说 明 书 CN 103145096 A 6 1/5 页 7 图 1 说 明 书 附 图 CN 103145096 A 7 2/5 页 8 图 2 说 明 书 附 图 CN 103145096 A 8 3/5 页 9 图 3 说 明 书 附 图 CN 103145096 A 9 4/5 页 10 图 4 说 明 书 附 图 CN 103145096 A 10 5/5 页 11 图 5 说 明 书 附 图 CN 103145096 A 11 。