專利名稱：半導(dǎo)體微器件的一種鍵合方法及其鍵合強(qiáng)度的檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體微器件的鍵合方法及其鍵合強(qiáng)度的檢測方法。
背景技術(shù)：
鍵合和封裝是半導(dǎo)體微器件(包括各種功能芯片、傳感器及其它微電子器件)制備過程中的重要組成部分。研究表明，其成本往往占整個(gè)器件、芯片的70％或以上。目前，半導(dǎo)體微器件中的鍵合技術(shù)主要包括Si-Si鍵合、Si-Glass鍵合和倒裝焊Flip Chip等。其中Si-Si鍵合精度最高，但所使用的溫度也最高，在1000℃左右，給鍵合帶來了不便；Si-Glass鍵合的溫度較低，在400℃左右，但精度較低，而且須加高電壓，對器件中的電極或電路有影響；倒裝焊Flip Chip同樣也是精度較低，且需要加入較多的焊料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種精度較高，成本較低的半導(dǎo)體微器件鍵合方法。
一種半導(dǎo)體微器件的鍵合方法，包括以下步驟1)設(shè)計(jì)并制備需要鍵合的硅結(jié)構(gòu)片的鍵合面膜層結(jié)構(gòu)；2)必要的界面處理；3)進(jìn)行鍵合面間的鍵合對準(zhǔn)；4)實(shí)施鍵合。
所述膜層結(jié)構(gòu)選自以下四種配對面結(jié)構(gòu)組合硅基體-SiO2/Cr/Au與硅Si硅基體-SiO2/Cr/Au與基體-SiO2/Cr硅基體-SiO2/Cr/Au/Poly-Si/Au與硅Si硅基體-SiO2/Cr/Au/Poly-Si/Au與基體-SiO2/Cr其中，Poly-Si多晶硅是由濺射、剝離及退火工藝制得。
為了操作更加準(zhǔn)確，在進(jìn)行所述設(shè)計(jì)并制備需要鍵合的硅結(jié)構(gòu)片的鍵合面膜層結(jié)構(gòu)前，對需要鍵合的硅結(jié)構(gòu)片進(jìn)行寫號。
為了使鍵合更牢固，在進(jìn)行所述鍵合面間的鍵合對準(zhǔn)前，對硅結(jié)構(gòu)片的鍵合面進(jìn)行必要的清洗。尤其對放置時(shí)間過長的硅結(jié)構(gòu)片，須經(jīng)過如下嚴(yán)格的工藝清洗1)在NH4OH∶H2O＝1∶8～12的溶液中漂洗20～40分鐘后，用去離子水沖洗；2)在0.05～0.07M H2SO4溶液中浸泡10～30分鐘后，用去離子水沖洗；
3)在轉(zhuǎn)速為1500～2500轉(zhuǎn)/分甩干機(jī)上甩3～5分鐘。
所述鍵合的工藝參數(shù)為本底真空低于0.3Pa鍵合溫度365～480℃；鍵合時(shí)間10～50分鐘；氮?dú)夤ぷ鲏毫?05Pa；鍵合施加壓力2×105Pa.
鍵合后應(yīng)進(jìn)行鍵合強(qiáng)度的檢測。鍵合強(qiáng)度的檢測采用壓臂法或張開型測試法。
本發(fā)明的第二個(gè)目的是提供方便實(shí)用的檢測半導(dǎo)體微器件鍵合強(qiáng)度的方法。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了兩種檢測方法。
第一種檢測半導(dǎo)體微器件鍵合強(qiáng)度的方法，是根據(jù)式(II)設(shè)計(jì)一組類似的壓臂模型8a3≤l≤50000a----(II)]]>測出在某一長度ι時(shí)，鍵合面開裂，即可算出或比較鍵合強(qiáng)度。
其中，式(II)是由式(I)4a3[σ2]-2Pa3P≤l≤ah2[σ1]3P----(I)]]>代入各相關(guān)參數(shù)，根據(jù)一系列的設(shè)計(jì)計(jì)算近似得到的(測試模型如圖1所示)。由此，可以確定檢測圖形的基本尺寸。經(jīng)估算可知；所需壓力P的數(shù)值范圍在0.5～1.5kg。
本發(fā)明提供的第二種檢測半導(dǎo)體微器件鍵合強(qiáng)度的方法，模型如圖2所示，是在約200μm腐蝕深度處，插入厚度為2h的刀片，硅片的彈性模量如Si(100)E＝1.66×1012dy/cm2，測量刀片到開口處的距離S值，依式(III)計(jì)算鍵合強(qiáng)度σσ=3Em3h28S4----(III)]]>本發(fā)明的半導(dǎo)體微器件鍵合方法具有以下顯著優(yōu)點(diǎn)1)鍵合溫度低所需要的鍵合溫度遠(yuǎn)比Si-Si鍵合的低；與Si-Glass(玻璃)的鍵合溫度(400℃左右)接近，且不須加電壓。
2)共晶液相粘結(jié)性好。
3)對鍵合界面的粗糙度不很敏感。
4)工藝簡單，成本低鍵合界面的Au膜層在做電極或電路時(shí)同時(shí)濺射制得，Si面可直接采用Si基。
5)鍵合精度較高其鍵合精度僅次于Si-Si鍵合，而工藝遠(yuǎn)比其簡單。
本發(fā)明由于采用了新的鍵合面的膜層結(jié)構(gòu)、鍵合面的清洗處理、鍵合工藝參數(shù)優(yōu)化等措施，進(jìn)一步穩(wěn)定和完善了工藝，并建立了兩種檢測Au-Si鍵合強(qiáng)度的方法，方便實(shí)用。該技術(shù)可廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體微器件(包括各種功能芯片、傳感器及其它微電子器件)中的鍵合或封裝中，具有很高的實(shí)用價(jià)值和市場前景。


圖1為壓臂法測試模型及尺寸標(biāo)示圖2為張開型測試模型及尺寸標(biāo)示圖3為壓阻加速度計(jì)的斷面結(jié)構(gòu)圖4為壓阻加速度計(jì)鍵合切片后的斷面形貌具體實(shí)施方式
實(shí)施例1、壓阻加速度計(jì)三層鍵合壓阻加速度計(jì)的斷面結(jié)構(gòu)如圖3所示。其三層結(jié)構(gòu)需要通過鍵合組裝在一起。使用4英寸525μm厚的n-(100)型硅結(jié)構(gòu)片，中間層是雙面拋光結(jié)構(gòu)片。首先對硅片進(jìn)行常規(guī)的酸煮工序，即將硅片在硫酸和雙氧水的混合溶液(H2SO4∶H2O2＝4∶1)中煮沸(約120℃)10分鐘，以去除硅片表面的污染物和碳?xì)浠衔铩＝Y(jié)構(gòu)片的一表面濺射了200～500的Cr層和約3000的Au層，其結(jié)構(gòu)為硅基體-SiO2/Cr/Au，而另一面分別為純硅基(鍵合前經(jīng)BHF溶液漂洗，以去除自然氧化層)和基體-SiO2(自然氧化層)/Cr(200)。所有硅片都必須經(jīng)過嚴(yán)格的工藝清洗，其次是對進(jìn)行多次微加工工序的硅結(jié)構(gòu)片的鍵合面清洗。清洗工藝為先在NH4OH∶H2O＝1∶12的溶液中漂洗30分鐘，最后在0.06MH2SO4溶液中浸泡20分鐘，再在轉(zhuǎn)速為2000轉(zhuǎn)/分甩干機(jī)上甩4分鐘。清洗過程中的每一步都須用去離子水沖洗。
鍵合實(shí)驗(yàn)是在Karlsuss公司制備的Suss SB6 VAC型鍵合設(shè)備和Suss BA6型硅/硅和硅/玻璃鍵合對準(zhǔn)設(shè)備上進(jìn)行。先將上帽片與中間結(jié)構(gòu)片在光刻機(jī)上對準(zhǔn)，置入鍵合機(jī)中，在約365℃下鍵合近10分鐘；再與剩下的下帽片對準(zhǔn)在約365～480℃下鍵合近30分鐘即可。鍵合腔的本底真空度3×10-4mbar，氮?dú)夤ぷ鲏毫?大氣壓。鍵合壓力為2個(gè)大氣壓。鍵合后溫度下降到室溫的時(shí)間約為1小時(shí)。
鍵合試樣切成單個(gè)器件單元，單元尺寸為6.5×6.5mm。鍵合好的試樣通過了刃片插入檢測，其鍵合強(qiáng)度為238Mpa。使用光學(xué)顯微鏡或掃描電鏡等進(jìn)行微觀分析檢測。其鍵合切片后的斷面形貌如圖4所示。
在本實(shí)施例中，面層還可以采用如下三組配對面的結(jié)構(gòu)硅基體-SiO2/Cr(200)/Au(3000)與基體-SiO2/Cr(200)
硅基體-SiO2/Cr(200)/Au(1000)/Poly-Si(500)/Au(1000)與硅硅基體-SiO2/Cr(200)/Au(1000)/Poly-Si(500)/Au(1000)與基體-SiO2/Cr(200)Poly-Si多晶硅由濺射、剝離及后續(xù)的退火工藝制得。
實(shí)施例2壓臂法測試鍵合強(qiáng)度壓臂法測試鍵合強(qiáng)度，如圖1所示根據(jù)一系列的設(shè)計(jì)計(jì)算，可得壓臂長度范圍4a3[σ2]-2Pa3P≤l≤ah2[σ1]3P----(I)]]>代入各相關(guān)參數(shù)，可近似得8a3≤l≤50000a----(II)]]>由此，可以確定檢測圖形的基本尺寸。經(jīng)估算可知；所需壓力P的數(shù)值范圍在0.5～1.5kg。
通過測量改變圖中壓臂長度ι數(shù)值，設(shè)計(jì)一組類似的壓臂模型，只要測出在某一長度ι時(shí)，鍵合面開裂，即可大致估算或比較鍵合強(qiáng)度。此法還可用于其它鍵合強(qiáng)度的檢測或比較。
通過該檢測模型初略估計(jì)實(shí)施例1中的壓阻加速度計(jì)三層鍵合的鍵合強(qiáng)度為230～242Mpa.
實(shí)施例3張開型測試鍵合強(qiáng)度張開型測試鍵合強(qiáng)度，如圖2所示。
在有一定腐蝕深度(約200μm)處，插入厚度為2h的刀片。已知硅片的彈性模量如Si(100)E＝1.66×1012dy/cm2，在顯微鏡(光學(xué)顯微鏡或掃描電子顯微鏡)下，測量刀片到開口處的距離S值，依公式計(jì)算鍵合強(qiáng)度σσ=3Em3h28S4----(III)]]>根據(jù)該方法計(jì)算實(shí)施例1中的壓阻加速度計(jì)三層鍵合的鍵合強(qiáng)度為238Mpa.
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體微器件的鍵合方法，包括以下步驟1)設(shè)計(jì)并制備需要鍵合的硅結(jié)構(gòu)片的鍵合面膜層結(jié)構(gòu)；2)必要的界面處理；3)進(jìn)行鍵合面間的鍵合對準(zhǔn)；4)實(shí)施鍵合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在進(jìn)行所述設(shè)計(jì)并制備需要鍵合的硅結(jié)構(gòu)片的鍵合面膜層結(jié)構(gòu)前，對需要鍵合的硅結(jié)構(gòu)片進(jìn)行寫號。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在進(jìn)行所述鍵合面間的鍵合對準(zhǔn)前，對硅結(jié)構(gòu)片的鍵合面進(jìn)行清洗。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于所述清洗過程包括以下步驟1)在NH4OH∶H2O＝1∶8～12的溶液中漂洗20～40分鐘后，用去離子水沖洗；2)在0.05～0.07M H2SO4溶液中浸泡10～30分鐘后，用去離子水沖洗；3)在轉(zhuǎn)速為1500～2500轉(zhuǎn)/分甩干機(jī)上甩3～5分鐘。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述鍵合后進(jìn)行鍵合強(qiáng)度的檢測。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4或5所述的方法，其特征在于所述膜層結(jié)構(gòu)選自以下四種配對面結(jié)構(gòu)組合硅基體-SiO2/Cr/Au與硅Si硅基體-SiO2/Cr/Au與基體-SiO2/Cr硅基體-SiO2/Cr/Au/Poly-Si/Au與硅Si硅基體-SiO2/Cr/Au/Poly-Si/Au與基體-SiO2/Cr所述Poly-Si多晶硅由濺射、剝離及退火工藝制得。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4所述的方法，其特征在于所述鍵合的工藝參數(shù)為本底真空低于0.3Pa鍵合溫度365～480℃；鍵合時(shí)間10～50分鐘；氮?dú)夤ぷ鲏毫?05Pa鍵合施加壓力2×105Pa
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4所述的方法，其特征在于所述鍵合強(qiáng)度的檢測采用壓臂法或張開型測試法。
9.一種檢測半導(dǎo)體微器件鍵合強(qiáng)度的方法，是根據(jù)式(II)設(shè)計(jì)一組類似的壓臂模型8a3≤l≤50000a---(II)]]>測出在某一長度l時(shí)，鍵合面開裂，即可算出或比較鍵合強(qiáng)度。
10.一種檢測半導(dǎo)體微器件鍵合強(qiáng)度的方法，是在約200μm腐蝕深度處，插入厚度為2h的刀片，硅片的彈性模量如Si(100)E＝1.66×1012dy/cm2，測量刀片到開口處的距離S值，依式(III)計(jì)算鍵合強(qiáng)度σσ=3Em3h28S4---(III)]]>
全文摘要
本發(fā)明公開了半導(dǎo)體微器件的一種鍵合方法及其鍵合強(qiáng)度的檢測方法。鍵合方法包括以下步驟1)設(shè)計(jì)并制備需要鍵合的硅結(jié)構(gòu)片的鍵合面膜層結(jié)構(gòu)；2)必要的界面處理；3)進(jìn)行鍵合面間的鍵合對準(zhǔn)；4)實(shí)施鍵合。本發(fā)明還提供了兩種鍵合強(qiáng)度的檢測方法，分別為壓臂法和張開型測試法。本發(fā)明的方法具有工藝簡便、可操作性強(qiáng)、精度高、鍵合溫度低以及成本低等優(yōu)勢，可廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體微器件中的鍵合或封裝中，具有很高的實(shí)用價(jià)值。
文檔編號H01L21/66GK1549302SQ0313064
公開日2004年11月24日 申請日期2003年5月6日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月6日
發(fā)明者王翔, 張大成, 李婷, 王瑋, 王穎, 王 翔 申請人:北京大學(xué)