基于原子扩散的蓝宝石芯片键合技术研究.docx

基于原子集中的蓝宝石芯片键合技术争论吴亚林;王世宁;曹永海;王伟;史鑫【摘 要】本文基于原子集中理论模型,试图介绍一种蓝宝石芯片直接键合技术,给出 肯定集中距离下键合温度与键合时间的关系;开展了蓝宝石芯片键合的试验争论;初 步制作了键合样品.经测试,键合强度到达 0.5 MPa,验证了蓝宝石芯片直接键合的可行性.【期刊名称】中国电子科学争论院学报【年(卷),期】2023(011)002【总页数】4 页(P178-181)【关键词】蓝宝石芯片;原子集中;直接键合【作 者】吴亚林;王世宁;曹永海;王伟;史鑫【作者单位】哈尔滨工业大学机电工程学院,黑龙江哈尔滨 150001;中国电子科技 集团公司第四十九争论所,黑龙江哈尔滨 150001;中国电子科技集团公司第四十九 争论所,黑龙江哈尔滨 150001;中国电子科技集团公司第四十九争论所,黑龙江哈尔 滨 150001;中国电子科技集团公司第四十九争论所,黑龙江哈尔滨 150001;中国电子科技集团公司第四十九争论所,黑龙江哈尔滨 150001【正文语种】中 文【中图分类】TP212.14近年来 ，针对在强电磁干扰环境下使用超高温压力传感器的需求 ，已开展了基于蓝宝石 MEMS 技术的微光学压力传感技术争论1。承受蓝宝石微构造敏感芯片与高温光纤封装成的压力传感器 ，能够在 600 下长期稳定工作 ，短时间内工作可达到 1000 , 可应用于燃烧室连续的超高温动、静态压力监测2。蓝宝石是一种坚硬、抗腐蚀的晶体 ，熔点超过 2023 3 ，这使其成为高温、恶劣环境传感方面的抱负材料。用于超高温压力传感器中的蓝宝石压力敏感构造由两 片单晶蓝宝石芯片组成 ，一片芯片用于感知压力 ，另一片芯片与其封装在一起形成 压力敏感腔构造。常规方法是通过使用中间材料层将两个芯片封装在一起 ，这样会 由于蓝宝石材料与中间材料层的热膨胀系数不匹配而在高温环境下失效 4。目前 ， 国外已把握了蓝宝石直接键合技术的工艺方法 ，例如 ，日本原子能争论所实现了钛-蓝宝石激光器晶体的直接键合4-5；美国弗吉尼亚理工大学也通过亲水预处理、预键合、高温键合等工艺方法实现了蓝宝石芯片的直接键合 6。而在国内目前还没有关于蓝宝石芯片直接键合技术的报道。本文分析了基于原子集中原理的蓝宝石芯片直接键合的工艺参数 ，并在不使用中间 材料层的状况下 ，将两片蓝宝石芯片通过高温键合技术直接键合在一起 ，这将避开高温环境下不同材料封装构造的应力失配问题6-7。1.1 蓝宝石芯片键合原理本文提出的蓝宝石芯片键合原理是将两片蓝宝石芯片承受亲水预处理、预键合、高 温键合及退火7等工艺方法 ，最终通过原子集中实现两片蓝宝石芯片直接键合在 一起。其中 ，亲水预处理将蓝宝石芯片外表的未饱和 Al-键吸附 OH-基团以到达饱 和 ，再通过氢键来吸附水分子 ，利用水分子在两个蓝宝石芯片的外表之间形成弱连接 ，如图 1(a)所示；预键合是通过加热以去除多余的水分子 ，在键合界面形成氢键 ，如图 1(b)所示；此时水分子从键合界面之间集中到四周材料中 ，或者水分子 与氧化层外表反响以增加 OH-基团的数量；高温键合是通过持续加热以完全去除水分子 ，在键合界面形成 Al-O-Al 离子键 ，如图 1(c)所示。1.2 原子集中理论模型蓝宝石中的 -Al2O3 是强键能的离子键 ，熔点高、硬度大 ，这使得蓝宝石的键合 难度很大。必需在干净空间(优于 1000 级)、较高温度(增加 Al3+集中速率)、较大外压力(减小蓝宝石芯片翘曲度的影响)等条件下才能实现蓝宝石芯片的键合。由于 -Al2O3 的晶格构造中存在空隙(如图 2 所示) ，有利于 Al3+的集中 ，进而在键合面上形成较强的离子键。原子集中公式表示为6,8 ：其中 ，c 为浓度；D 为集中系数；r 为位置；t 为时间。假设在三维空间中各向同性集中 ，可通过式(1)得到6 ：依据爱因斯坦关系式9D=r2/6t ，确定了平均正方形集中距离r2为 ：而且 ，集中系数的方程式8为 ：其中 ，D0 为集中速率系数；R 为常数 ，R=8.314 J/(mol · K)=1.987 cal/(mol · K)；Q 为活化能；T 为确定温度。通过查找相关文献10 ，确定了蓝宝石( -Al2O3)中的原子集中参数 ，如表 1 所示。结合式(3)和式(4) ，可得到假设预期实现较强的键合质量 ，需要使 Al 原子的平均集中距离到达 200 nm 以上。 依据此要求 ，可得到不同温度下需要加热的时间(如图 3 所示)。由图 3 可见 ，随着键合温度的上升 ，键合时间将削减。依据式(4)和式(5)得到不同温度下的集中系数和键合时间如表 2 所示。由表 2 可知 ，为了使 Al 原子的平均集中距离到达 200 nm ，在选择 1200 进展高温键合的状况下 ，键合时间必需到达 50 h 以上。2.1 蓝宝石芯片键合工艺设计在本文中 ，蓝宝石芯片的键合工艺主要包括：蓝宝石芯片进展亲水预处理；蓝 宝石芯片对贴形成芯片对 ，然后放置在键合机中进展预键合；蓝宝石芯片用高温夹具固定 ，放置在真空高温炉中进展直接键合；自然冷却至室温后取出夹具 ，将蓝宝石芯片再置于真空高温炉中进展退火。2.2 蓝宝石芯片的预键合在亲水预处理过程中 ，蓝宝石芯片经过“RCA 清洗去离子水超声清洗浓磷酸 腐蚀稀硫酸浸泡去离子水冲洗”的化学处理 ，在蓝宝石芯片外表形成 OH-亲水层。图 4 是在预键合之前 ，蓝宝石芯片放置在键合机内的照片。图 5 是完成预键合之 后 ，蓝宝石芯片放置在一片硅片上拍摄的照片。在图 5 中可见在键合面中形成了一层肉眼可见的水膜。2.3 蓝宝石芯片的高温键合在预键合的芯片上施加压力的重物(选取 5 kg) ，在 1200 温度下键合 50 h ，得 到完成键合的蓝宝石芯片。由于芯片弯曲会在芯片对中产生气隙 ，因此用重物压芯 片 ，以消退芯片之间的气隙。键合时间长是为了使原子摆脱束缚力 ，能够在两芯片的界面之间自由集中。高温键合过程主要包括“升温保温降温去重物退火”等步骤。将蓝宝石芯片放置在高温炉内 ，温度从室温开头加热到 1200 , 温升速率为 200 /h ，以使蓝宝石芯片的键合界面从“羟基(-OH)层之间的氢键”渐渐过渡到“Al-O-Al 键合”，并防止键合界面消灭较大的空隙。高温炉保持 1200 持续 50 h ，以使蓝宝石中的 Al 原子具有较高的活化能而摆脱束缚力 ，穿过键合界面 ，在蓝宝石芯片之间形成集中区域 ，完成键合并具有较高的键合强度。蓝宝石芯片完成高温键合之 后 ，再进展退火(加热到 1200 并保持 10 h) ，是为了释放蓝宝石芯片中的内应力 ，防止在使用过程中消灭崩裂等损坏状况。蓝宝石芯片的键合样品如图 6 所示。2.4 试验测试在显微镜下对键合的蓝宝石芯片(约 40 mm×20 mm)进展观看：如图 7 所示 ，键合横截面存在一条白色的亮线 ，即为两片芯片之间的键合界面 ，整个键合界面较为均匀 ，截取其中一局部进展放大观看 ，在该截面上未觉察明显的空隙。通过拉力试验 ，键合强度为 0.5 MPa ，满足制备超高温光纤压力传感器敏感构造的需要。本文介绍了一种蓝宝石芯片键合技术 ，理论分析了基于原子集中原理的蓝宝石芯片 直接键合的工艺参数 ，试验制作了蓝宝石芯片键合样品 ，通过显微镜观看和拉力试 验验证了基于原子集中的蓝宝石芯片直接键合的可行性。由于蓝宝石优异的物理特 性(熔点高而且耐化学腐蚀) ，该技术预期可应用于 1000 以上超高温压力传感器的研制。吴亚林(1963) ，男 ，辽宁省昌图人 ，争论员级高级工程师 ，主要争论方向为微纳传感器技术争论及系统化应用；E-mail:*王世宁(1983) ，男 ，黑龙江省鹤岗人 ，工程师 ，主要争论方向为光学传感器技术争论；曹永海(1986) ，男 ，黑龙江省哈尔滨市人 ，工程师 ，主要争论方向为光纤压力传感器争论；王 伟(1968) ，女 ，黑龙江省哈尔滨市人 ，争论员级高级工程师 ，主要争论方向传感器设计争论及 MEMS 传感器设计工作；史 鑫(1985) ，女 ，黑龙江省哈尔滨市人 ，工程师 ，主要争论方向为传感器技术争论。【相关文献】1 R.D. Pechstedt. Fibre optic pressure and temperature sensor for applications in harsh environmentsC.Proc. of SPIE, Vol. 8794, 879405, 1-4, 2023.2 A. Winterburn, R. Pechstedt, F. Maillaud, et al. Exrension of an optical dynamic pressure sensor to measure temperature and absolute pressure in combustionapplicationsC. The Future of Gas Turbine Technology, 6th International Conference, 17-18 October 2023, Brussels,Belgium.3 E.R. Dobrovinskaya, L. A. Lytvynov, V. Pishchik. Sapphire: Material, Manufacturing, ApplicationsM. Springer Science + Business Media, LLC 2023.4 A. Sugiyama, H. Fukuyama, T. Sasuga, et al. Direct bonding of Ti : sapphire laser crystals J. Applied Optics, 1998, 37(12): 2407-2410.5 A. Sugiyama. Feasibility study of a direct bonding technique for laser crystals C. SPIE, 2023, 4231, 261-268.6 E. M. Lally, Y. Xu, A. Wang. Sapphire direct bonding as a platform for pressure sensing at extreme high temperaturesC.Proc. of SPIE, 2023, 7316, 73160Y.7 J. Yi, E. Lally, A. Wang, Y. Xu. Demonstration of an All-Sapphire Fabry-Perot Cavity for Pressure SensingJ. IEEE Photonics Technology Letters, 2023, 23(1): 9-11.8 P. G. Shewmon. Diffusion in solidsM McGraw-Hill, New York, (1963) pp. 31.9 H.Mehrer. Diffusion in SolidsM.UniversitätMünster, Germany, p. 60. 10Y. Adda, J.Philibert. La Diffusion danslesSolidesM, Vol.2, 1996.