基於金誘導非晶矽結晶的低溫鍵合方法
2023-04-27 16:17:06 1
專利名稱：基於金誘導非晶矽結晶的低溫鍵合方法
技術領域：
本發明涉及一種應用於半導體領域的鍵合技術，特別是涉及一種基於金誘導非晶矽結晶的低溫鍵合方法。
背景技術：
鍵合技術是實現微電子機械系統器件開發和實用化的關鍵技術之一，它可將表面矽加工和體矽加工有機地結合在一起，從而能夠實現微電子機械系統與IC工藝的兼容。此外，鍵合技術還可用於晶片的圓片級封裝、SOI材料的製備、三維集成等。與其它鍵合方法相比，低溫鍵合可以防止高溫鍵合(如矽熔融鍵合等)引起的下列問題(1)高溫對圓片上的溫度敏感電路和微結構造成熱損壞(如高於450°c的高溫就對鋁導線造成破壞)；(2)高溫易引入雜質，同時也會造成摻雜區域雜質的重新分布；(3)對於熱膨脹係數差較大的材料間鍵合，高溫會導致很大的變形和殘餘熱應力，直接影響到器件性能和成品率。目前已研發出了多種低溫鍵合技術，如表面活化低溫鍵合、陽極鍵合、焊料鍵合、 熱壓鍵合等。表面活化低溫鍵合工藝時間長(一般為幾小時到幾十小時)，效率較低，且由於涉及表面處理，對含有圖形和電路的圓片表面要求高。陽極鍵合雖然在微電子機械器件製備過程中得到了廣泛的應用，其局限在於(1)不能對兩個矽片直接進行鍵合，而且由於鈉離子的存在，不能和MOS工藝兼容；(2)鍵合過程中的高電壓所產生的靜電力也可能使微電子機械器件中的可動矽結構粘附到玻璃上，導致器件失效；C3)高電壓還會改變矽材料的半導體特性，影響器件性能。焊料鍵合過程中，焊料表面往往容易氧化，從而嚴重影響鍵合的質量。熱壓鍵合往往需要較大的鍵合壓力，以消除鍵合表面粗糙度的影響。因而，如何提供一種低溫鍵合方法，以解決現有技術中低溫鍵合出現的種種缺點及不足，實已成為本領域從業者亟待解決的技術問題。
發明內容
鑑於以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在於提供一種基於金誘導非晶矽結晶的低溫鍵合方法，以達到不僅適用於矽材料的鍵合，還可以用於非矽材料鍵合的目的。為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種基於金誘導非晶矽結晶的低溫鍵合方法，所述低溫鍵合方法至少包括以下步驟上基板製備的步驟，提供一具有預先拋光的鍵合面的上基板，在所述鍵合面上熱生長或化學氣相沉積出一層氧化矽層，在所述氧化矽層上依次蒸發或濺射出鈦膜和金膜，然後通過光刻或刻蝕工藝，去除所述鍵合面上非鍵合區域的鈦膜和金膜；下基板製備的步驟，提供一具有預先拋光的鍵合面的下基板，在所述鍵合面上熱生長或化學氣相沉積出一層氧化矽層，在所述氧化矽層上化學氣相沉積一層非晶矽層，然後在所述非晶矽層上依次蒸發或濺射鈦膜和金膜，最後通過光刻或刻蝕工藝，去除所述鍵合面上非鍵合區域的所述非晶矽層、鈦膜和金膜；鍵合的步驟，將所述上基板及下基板的鍵合面對準並貼合後，送入鍵合機，升溫至250 300°C，並施加0. 2 0. 4MPa的壓力，冷卻到室溫；退火的步驟，將從所述鍵合機取出的鍵合至一起的上基板及下基板送入退火爐，退火3 12小時，冷卻到室溫，完成金誘導非晶矽結晶的低溫鍵合。在本低溫鍵合方法的上基板製備的步驟中，所述鈦膜的厚度為20 60nm，所述金膜的厚度為200 400nm。在本低溫鍵合方法的下基板製備的步驟中，所述鈦膜的厚度為20 60nm，所述金膜的厚度為200 400nm。所述非晶矽層的厚度為0. 5 2 μ m。在本低溫鍵合方法的鍵合的步驟中，所述施加壓力的時間為0. 5 3小時。在本低溫鍵合方法的退火的步驟中，退火的溫度為250 300°C。在本低溫鍵合方法中，所述上基板為單晶矽片、玻璃或GaN材料。所述下基板為單晶矽片、玻璃或GaN材料。如上所述，本發明的基於金誘導非晶矽結晶的低溫鍵合方法，利用金誘導非晶矽結晶進行鍵合，具有以下有益效果1，作為貴金屬，金不易於氧化，所以鍵合界面沒有金屬氧化層阻礙鍵合反應。2，低於300°C的鍵合溫度，能在鍵合過程使溫度敏感的器件或材料免產生熱損壞， 並能夠有效減少熱形變和殘餘熱應力，同時降低摻雜物質進一步擴散的不利影響。3，非晶矽層與金膜之間的鈦膜不僅起到粘附的作用，還能去除非晶矽表面的自然氧化層，使金誘導非晶矽結晶的反應在整個鍵合區域均發生。4，該鍵合方法不僅可用於矽材料的鍵合，還可以用於非矽材料的鍵合。
圖1顯示為本發明的低溫鍵合方法中所製備的上基板結構示意圖。圖2顯示為本發明的低溫鍵合方法中所製備的下基板結構示意圖。圖3顯示為本發明的低溫鍵合方法中將上、下基板的鍵合面對準結構示意圖。
具體實施例方式以下通過特定的具體實例說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭示的內容輕易地了解本發明的其他優點與功效。本發明還可以通過另外不同的具體實施方式
加以實施或應用，本說明書中的各項細節也可以基於不同觀點與應用，在不背離本發明的精神下進行各種修飾或改變。請參閱圖1至圖3，顯示為本發明的低溫鍵合方法所涉及的步驟中上、下基板呈現的結構示意圖。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發明的基本構想，遂圖式中僅顯示與本發明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數目、形狀及尺寸繪製，其實際實施時各組件的型態、數量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態也可能更為複雜。如圖所示，本發明提供一種基於金誘導非晶矽結晶的低溫鍵合方法，用於對具有預先拋光的鍵合面的上、下基板11、12進行低溫鍵合，在本實施例中，所述上基板11為單晶矽片、或包括玻璃、GaN材料等在內的非晶矽材料；所述下基板12為單晶矽片、或包括玻璃、 GaN材料等在內的非晶矽材料。所述低溫鍵合方法至少包括以下步驟上基板11製備的步驟，提供一具有預先拋光的鍵合面的單晶矽片111，在所述鍵合面上熱生長或化學氣相沉積出一層氧化矽層112，在所述氧化矽層112上依次蒸發或濺射出鈦膜113和金膜114，然後通過光刻或刻蝕工藝，去除所述鍵合面上非鍵合區域的鈦膜 113和金膜114 ；在本實施例中，所述鈦膜113的厚度為20 60nm，所述金膜114的厚度為 200 400nm。換言之，所述上基板11由基板材料(即圖示中的單晶矽片111)和鍵合層 (即圖示中的鈦膜113和金膜114)材料構成，上基板11的基板材料可以為帶有氧化層的矽片或包括玻璃、GaN在內的非矽材料，上基板的鍵合層材料由鈦、金多層膜構成，其他鈦膜是金膜和基板材料之間的過渡層，用於增強金膜與基板材料之間的粘附。下基板12製備的步驟，提供一具有預先拋光的鍵合面的單晶矽片121，在所述鍵合面上熱生長或化學氣相沉積出一層氧化矽層122，在所述氧化矽層122上化學氣相沉積一層非晶矽層123，然後在所述非晶矽層123上依次蒸發或濺射鈦膜IM和金膜125，最後通過光刻或刻蝕工藝，去除所述鍵合面上非鍵合區域的所述非晶矽層123、鈦膜IM和金膜 125 ；在本實施例中，所述非晶矽層123的厚度為0. 5 2 μ m。所述鈦膜IM的厚度為20 60nm，所述金膜125的厚度為200 400nm。換言之，所述下基板12由基板材料(即圖示中的單晶矽片121)和鍵合層(即圖示中的非晶矽層123、鈦膜IM和金膜125)材料構成， 下基板12的基板材料可以為帶有氧化層的矽片或包括玻璃、GaN在內的非矽材料，下基板 12的鍵合層材料由非晶矽、鈦、金多層膜構成，其中非晶矽層123通過化學氣相沉積生長在基板材料的鍵合面上，鈦膜1 除了增強金膜125與非晶矽層123粘附外，還可去除非晶矽 123表面的自然氧化層，使金誘導非晶矽結晶在整個鍵合區域發生。上基板11及下基板12鍵合的步驟，將所述上基板11及下基板12的鍵合面對準並貼合後，送入鍵合機(未予以圖示)，升溫至250 300°C，並施加0. 2 0. 4MPa的壓力， 所述施加壓力的時間為0. 5 3小時，然後撤除壓力，冷卻到室溫。由於所述的鍵合條件為 250 300°C溫度、0. 2 0. 4MPa的壓力，在此條件下的下基板12的金膜125與非晶矽層 123的界面會發生相互擴散，進入金膜125的矽原子會與金原子發生反應形成金的矽化物， 該矽化物會進一步促進非晶矽向金層擴散，同時會使非晶矽再結晶成單晶矽顆粒。退火的步驟，將從所述鍵合機取出的鍵合至一起的上基板11及下基板12送入退火爐(未予以圖示)，在退火溫度為250 300°C以及真空或者氮氣的環境下退火3 12 小時，然後冷卻到室溫，完成金誘導非晶矽結晶的低溫鍵合。在實際的退火過程中，隨著退火時間的增加，下基板12非晶矽層123與金膜界面發生的金誘導非晶矽結晶反應會逐步向上基板12，進而實現金誘導非晶矽結晶的低溫鍵合。本發明的低溫鍵合方法採用金和非晶矽為鍵合材料，通過加溫加壓退火的方式實現了鍵合。當鍵合溫度在250°C 300°C範圍時，下基板的金膜與非晶矽層界面就會發生金誘導非晶矽結晶反應，隨後的退火過程中，該誘導反應會從金膜和非晶矽層的界面縱向擴展到上基板的金膜，從而實現上、下基板的鍵合。再者，由於金膜和非晶矽層之間沉積了一層非常薄的鈦膜，其在作為粘附層的同時還能去除非晶矽表面的自然氧化層，使金誘導非晶矽結晶反應能在整個鍵合區域均發生。該鍵合方法不僅適用於矽材料的鍵合，還適用於非矽材料的鍵合，並且由於低溫的特性，具有很廣的應用範圍。所以，本發明有效克服了現有技術中的種種缺點而具高度產業利用價值。上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及範疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發明的權利要求所涵蓋。
權利要求
1.一種基於金誘導非晶矽結晶的低溫鍵合方法，其特徵在於，所述低溫鍵合方法至少包括以下步驟上基板製備的步驟，提供一具有預先拋光的鍵合面的上基板，在所述鍵合面上熱生長或化學氣相沉積出一層氧化矽層，在所述氧化矽層上依次蒸發或濺射出鈦膜和金膜，然後通過光刻或刻蝕工藝，去除所述鍵合面上非鍵合區域的鈦膜和金膜；下基板製備的步驟，提供一具有預先拋光的鍵合面的下基板，在所述鍵合面上熱生長或化學氣相沉積出一層氧化矽層，在所述氧化矽層上化學氣相沉積一層非晶矽層，然後在所述非晶矽層上依次蒸發或濺射鈦膜和金膜，最後通過光刻或刻蝕工藝，去除所述鍵合面上非鍵合區域的所述非晶矽層、鈦膜和金膜；鍵合的步驟，將所述上基板及下基板的鍵合面對準並貼合後，送入鍵合機，升溫至 250 300°C，並施加0. 2 0. 4MPa的壓力，冷卻到室溫；退火的步驟，將從所述鍵合機取出的鍵合至一起的上基板及下基板送入退火爐，退火 3 12小時，冷卻到室溫，完成金誘導非晶矽結晶的低溫鍵合。
2.根據權利要求1所述的基於金誘導非晶矽結晶的低溫鍵合方法，其特徵在於在所述上基板製備的步驟中，所述鈦膜的厚度為20 60nm，所述金膜的厚度為200 400nm。
3.根據權利要求1所述的基於金誘導非晶矽結晶的低溫鍵合方法，其特徵在於在所述下基板製備的步驟中，所述鈦膜的厚度為20 60nm，所述金膜的厚度為200 400nm。
4.根據權利要求1所述的基於金誘導非晶矽結晶的低溫鍵合方法，其特徵在於在所述下基板製備的步驟中，所述非晶矽層的厚度為0. 5 2 μ m。
5.根據權利要求1所述的基於金誘導非晶矽結晶的低溫鍵合方法，其特徵在於在所述鍵合的步驟中，所述施加壓力的時間為0. 5 3小時。
6.根據權利要求1所述的基於金誘導非晶矽結晶的低溫鍵合方法，其特徵在於在所述退火的步驟中，退火的溫度為250 300°C。
7.根據權利要求1所述的基於金誘導非晶矽結晶的低溫鍵合方法，其特徵在於所述上基板為單晶矽片、玻璃或GaN材料。
8.根據權利要求1所述的基於金誘導非晶矽結晶的低溫鍵合方法，其特徵在於所述下基板為單晶矽片、玻璃或GaN材料。
全文摘要
本發明提供一種基於金誘導非晶矽結晶的低溫鍵合方法，首先在上基板的鍵合面上製備出氧化矽層，在氧化矽層上依次蒸發或濺射出鈦、金膜，並去除非鍵合區域的鈦、金膜；其次在下基板的鍵合面上製備出氧化矽層及非晶矽層，在非晶矽層上依次蒸發或濺射鈦、金膜，並去除非鍵合區域的所述非晶矽層、及鈦、金膜；然後，將上、下基板的鍵合面對準並貼合後，送入鍵合機，升溫至250~300℃，並施加0.2~0.4MPa的壓力，冷卻到室溫；最後，將從鍵合機取出的鍵合至一起的上、下基板送入退火爐，退火3~12小時，冷卻到室溫，完成金誘導非晶矽結晶的低溫鍵合。本發明的低溫鍵合方法不僅適用於矽圓片的鍵合，還可以用於非矽圓片的鍵合，並且由於低溫的特性，具有很廣的應用範圍。
文檔編號B81C1/00GK102485639SQ20111029826
公開日2012年6月6日 申請日期2011年9月28日 優先權日2011年9月28日
發明者劉米豐, 徐德輝, 熊斌, 王躍林 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所