材料擴散互溶實現(xiàn)碳化硅鍵合的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于半導(dǎo)體制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及到一種材料擴散互溶實現(xiàn)碳化硅鍵合 的方法，該方法可以有效實現(xiàn)SiC-SiC之間的鍵合，為靈活制造 SiC MEMS器件及相關(guān)器件 封裝奠定基礎(chǔ)。
【背景技術(shù)】
[0002] 作為第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料SiC由于具有寬的帶隙、高擊穿場強、高電子迀移 率、高的熱導(dǎo)率、抗輻照、高溫穩(wěn)定性以及機械性能好等特點，應(yīng)用于高溫、高頻、大功率、光 電子及抗輻射方面具有獨特的材料優(yōu)勢。同時，對于SiC來說，不僅秉承了一般寬禁帶半導(dǎo) 體材料的優(yōu)勢，還有優(yōu)異的力學(xué)和耐摩擦性能。具體來說，SiC的力學(xué)性能在1000°C甚至更 高溫度下仍能夠保持相對穩(wěn)定，相比Si材料具有更高的硬度、斷裂強度及明顯的耐磨損、 耐腐蝕和抗粘附特性。綜合這些優(yōu)勢，SiC材料是應(yīng)用于極端環(huán)境下MEMS器件的首選材料。
[0003] SiC MEMS相關(guān)器件的構(gòu)造和封裝，需要將有/無結(jié)構(gòu)的兩個SiC片高強度鍵合起 來，達到結(jié)構(gòu)制備或晶圓級封裝功能。SiC材料與Si材料不同，不能在常態(tài)下利用親水處理 過程實現(xiàn)預(yù)鍵合。即使在高溫高真空環(huán)境下實現(xiàn)SiC-SiC直接鍵合，對SiC晶片的表面粗 糙度、晶片翹曲等參數(shù)都有相當(dāng)苛刻的要求，不適用于中間工藝過程或封裝工藝環(huán)節(jié)。
[0004] 采用中間過渡層的方法可以解決SiC-SiC直接鍵合面臨的苛刻條件。一種是在 SiC表面通過加入Si或Si02層實現(xiàn)鍵合，要實現(xiàn)良好的鍵合需要對Si或Si02表面進行 平坦化處理，且所需的熱壓鍵合仍然需要高溫、高壓力條件。另一種方法是在SiC表面通過 低壓化學(xué)氣相沉積方法淀積PSG或采用絲網(wǎng)印刷的玻璃粉漿料作為中間層，利用高溫下中 間層的回流實現(xiàn)鍵合，這種方法很難實現(xiàn)均勻的中間層，鍵合強度也比較低，同時由于中間 層玻璃和SiC之間熱脹系數(shù)的不匹配對SiC MEMS器件高溫下應(yīng)用帶來局限性。文獻報道 的采用PVD淀積厚Ti (1038 μπι)作為中間層在12501300°C、壓力50MPa下保持2小時實現(xiàn) SiC鍵合，但由于中間厚異質(zhì)層與SiC熱脹系數(shù)的差異在Ti中間層中出現(xiàn)了大量的裂紋。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種材料擴散互溶實現(xiàn)碳化硅鍵合的方法，該方法利用薄 膜層材料與SiC在界面擴散互溶機理實現(xiàn)SiC-SiC之間高強度鍵合，解決傳統(tǒng)方法中高溫 高壓的極端鍵合條件及中間異質(zhì)層帶來的問題，為SiC MEMS相關(guān)器件的研制和實用化提供 一種有效方法。
[0006] 為達到上述目的，本發(fā)明提供一種材料擴散互溶實現(xiàn)碳化硅鍵合的方法，包括如 下步驟：
[0007] 步驟1 :取一第一碳化硅片；
[0008] 步驟2 :采用電子束蒸發(fā)或磁控濺射的方法，在第一碳化硅片上制備薄膜層；
[0009] 步驟3 :取一第二碳化硅片；
[0010] 步驟4:采用電子束蒸發(fā)或磁控濺射的方法，在第二碳化硅片上制備薄膜層或不 制備第二碳化硅片；
[0011] 步驟5 :將第一和第二碳化硅片制備有薄膜層的一面相對進行熱壓鍵合或者進行 靜電鍵合，將第一和第二碳化硅片鍵合在一起；
[0012] 步驟6:退火，完成制備。
[0013] 本發(fā)明與已有的技術(shù)相比，有益效果為：
[0014] (1)本發(fā)明利用鍵合材料與SiC擴散互溶的原理實現(xiàn)SiC-SiC的有效鍵合，其中鍵 合材料為薄膜，可以通過常規(guī)淀積工藝很容易得到，同時薄層鍵合材料如薄層金屬的存在 及良好的延展性使得鍵合對SiC材料的表面平整度、表面粗糙度的要求大大降低。
[0015] (2)本發(fā)明利用了鍵合材料與SiC的擴散互溶原理，在鍵合界面實現(xiàn)了鍵合材料 與SiC的充分互溶，不存在厚的金屬中間層或回流中間層，可以大大增加鍵合強度。
[0016] (3)本發(fā)明采用的鍵合過程包括低溫?zé)釅侯A(yù)鍵合/靜電預(yù)鍵合和高溫退火，在低 溫預(yù)鍵合過程中使得SiC晶片之間已經(jīng)具備了一定的結(jié)合力，在高溫退火過程中無需再額 外施加壓力，僅需要溫度（或溫度與真空）的外部條件即可完成鍵合，避免了已有技術(shù)中所 需的高溫高壓苛刻條件。
[0017] (4)本發(fā)明中間層很薄并具有過渡性質(zhì)，大大降低了中間層和SiC材料熱應(yīng)力不 匹配導(dǎo)致的龜裂問題。
【附圖說明】
[0018] 為進一步說明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合實施例和附圖，對本發(fā)明進一步詳細 說明，其中：
[0019] 圖1是本發(fā)明的截面示意圖。
[0020] 圖2是本發(fā)明方法的工藝流程圖。
【具體實施方式】
[0021] 請參閱圖1及圖2所示，本發(fā)明提供一種材料擴散互溶實現(xiàn)碳化硅鍵合的方法，包 括如下步驟：
[0022] 步驟1 :取一第一碳化硅片1 ;碳化硅片1可以是多種類型的碳化硅襯底，也可以 是碳化硅襯底或其它種類如硅等襯底上采用同質(zhì)或異質(zhì)外延技術(shù)得到的碳化硅外延層；采 用無機清洗、有機清洗及稀釋的氫氟酸漂洗等基片處理工藝將碳化硅片1清洗干凈。
[0023] 步驟2 :采用電子束蒸發(fā)或磁控濺射的方法，在第一碳化硅片1上制備薄膜層2， 該薄膜層2的材料是單層金屬或多層金屬，金屬種類為Ni、Ti或W，或Ni、Ti或W基的化合 物；多層組合可以為11附、附1、111、11附1、附1'代等，厚度為1〇11111-100〇11111。
[0024] 步驟3 :取一第二碳化硅片3 ;碳化硅片3可以是多種類型的碳化硅襯底，也可以 是碳化硅襯底或其它種類如硅等襯底上采用同質(zhì)或異質(zhì)外延技術(shù)得到的碳化硅外延層；采 用無機清洗、有機清洗及稀釋的氫氟酸漂洗等基片處理工藝將碳化硅片3清洗干凈。
[0025] 步驟4 :采用電子束蒸發(fā)或磁控濺射的方法，在第二碳化硅片3上制備薄膜層2 或不制備第二碳化硅片3 ;薄膜層2的材料是單層金屬或多層金屬，金屬種類為Ni、Ti或 W，或Ni、Ti或W基的化合物；多層組合可以為TiNi、NiW、TiW、TiNiW、NiTiW等，厚度為 Onm-lOOOnm。
[0026] 步驟5 :將第一和第二碳化硅片1、3制備有薄膜層2的一面相對進行熱壓鍵合 或者進行靜電鍵合，將第一和第二碳化硅片1、3鍵合在一起，所述的熱壓鍵合或者靜電鍵 合的溫度為100-600°C ;鍵合設(shè)備采用SUSS鍵合機，溫度為100-600°C，通過點加壓或盤 加壓的方式對需要鍵合的片子施加壓力，壓力為100-10000N ;或者采用靜電鍵合方式，施 加100-1000V的電壓，通過點加壓或盤加壓的方式對需要鍵合的片子施加壓力，壓力為 100-10000N。在一定條件下保持一定的時間，使得第一和第二碳化硅片1、3之間實現(xiàn)預(yù)鍵 合。
[0027] 步驟6 :退火，所述退火的溫度為100-1200°C，退火的過程為：分段升降溫，根據(jù)所 用薄膜層2的材料種類和實際鍵合界面要求，可以在高溫快速退火后，將具有一定鍵合強 度的片子放入真空烘箱中，進行200-500°C條件下的長時間處理，以增加鍵合界面處互溶材 料的擴散，最終完成制備。
[0028] 實施例，具體過程如下：
[0029] (1)取一第一碳化硅片1，該片為雙拋N型4H_SiC襯底片，進行無機清洗，并用緩 沖氫氟酸溶液漂洗片子表面；
[0030] (2)取一第二碳化硅片3,該片為雙拋N型4H-SiC襯底片，進行無機清洗，并用緩 沖氫氟酸溶液漂洗片子表面；
[0031] (3)采用丹頓磁控濺射系統(tǒng)，在第一碳化硅片1和第二碳化硅片3上制備薄膜層 2,該薄膜層2的材料TiNi，其中Ti層厚度為300A，Ni層厚度為800A。
[0032] (4)將第一和第二碳化硅片1、3制備有薄膜層2的一面相對放置在SUSS鍵合機 中，先升溫到500°C，采用盤加壓方式對需要鍵合的片子施加2000N的壓力，在500°C、2000N 壓力條件下保持30分鐘，然后降至室溫，使得第一和第二碳化硅片1、3之間實現(xiàn)預(yù)鍵合。
[0033] (5)將預(yù)鍵合后的第一和第二碳化硅片1、3放入高溫快速退火爐中，通入氮氣，先 將溫度升到500°C保持1分鐘，然后再升溫至1000°C，保持1分鐘，并重復(fù)此過程3次，總的 尚溫退火時間為3分鐘，完成制備。
[0034] 以上所述的【具體實施方式】和實施例，對本發(fā)明的目的和技術(shù)方案做了進一步的詳 細說明，實施例提供了一種利用TiNi金屬層與SiC反應(yīng)擴散實現(xiàn)SiC鍵合的過程，基于這 一思想，可以根據(jù)SiC片的具體類型與結(jié)構(gòu)、工藝要求與兼容性、器件結(jié)構(gòu)或封裝需求等來 靈活設(shè)計。
[0035] 應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在 本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護 范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種材料擴散互溶實現(xiàn)碳化硅鍵合的方法，包括如下步驟： 步驟1:取一第一碳化硅片； 步驟2 :采用電子束蒸發(fā)或磁控濺射的方法，在第一碳化硅片上制備薄膜層； 步驟3:取一第二碳化硅片； 步驟4 :采用電子束蒸發(fā)或磁控濺射的方法，在第二碳化硅片上制備薄膜層或不制備 第二碳化硅片； 步驟5 :將第一和第二碳化硅片制備有薄膜層的一面相對進行熱壓鍵合或者進行靜電 鍵合，將第一和第二碳化硅片鍵合在一起； 步驟6 :退火，完成制備。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的材料擴散互溶實現(xiàn)碳化硅鍵合的方法，其中薄膜層的材料是 單層金屬或多層金屬，金屬種類為Ni、Ti或W，或Ni、Ti或W基的化合物。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的材料擴散互溶實現(xiàn)碳化硅鍵合的方法，其中所述的熱壓鍵合 或者靜電鍵合的溫度為100_600°C。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的材料擴散互溶實現(xiàn)碳化硅鍵合的方法，其中退火的溫度為 100-1200°C，退火的過程為：分段升降溫。
【專利摘要】一種材料擴散互溶實現(xiàn)碳化硅鍵合的方法，包括如下步驟：步驟1：取一第一碳化硅片；步驟2：采用電子束蒸發(fā)或磁控濺射的方法，在第一碳化硅片上制備薄膜層；步驟3：取一第二碳化硅片；步驟4：采用電子束蒸發(fā)或磁控濺射的方法，在第二碳化硅片上制備薄膜層或不制備第二碳化硅片；步驟5：將第一和第二碳化硅片制備有薄膜層的一面相對進行熱壓鍵合或者進行靜電鍵合，將第一和第二碳化硅片鍵合在一起；步驟6：退火，完成制備。本發(fā)明解決了傳統(tǒng)方法中高溫高壓的極端鍵合條件及中間異質(zhì)層帶來的問題，為SiC MEMS相關(guān)器件的研制和實用化提供一種有效方法。
【IPC分類】B81C3-00
【公開號】CN104876180
【申請?zhí)枴緾N201510213917
【發(fā)明人】趙永梅, 何志, 季安, 劉勝北, 黃亞軍, 楊香, 段瑞飛, 張明亮, 王曉東, 楊富華
【申請人】中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所
【公開日】2015年9月2日
【申請日】2015年4月29日