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1、 华 中 科 技 大学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大学 硕 士 学 位 论 文 I摘摘 要要 低温直接键合技术由于键合温度低，键合质量好，键合材料限制少等优点，在绝缘体上硅（SOI）制备、微机电系统（MEMS）器件封装等众多领域逐步得到应用，并日益受到重视。本论文在已有的低温硅片直接键合研究基础上，引入了 UV 光照，开展 UV 辅助的低温硅片直接键合试验研究，讨论了 UV 辅助活化硅片表面的机理，并对键合质量及键合可靠性进行了多方面的研究。主要工作如下： 1、研究了 UV 光的特点及其在清洗与活化中的物理、化学作用，讨论了短波长UV 光清洗及光活化改质的机理，为硅片直接键合工艺研
2、究提供了理论基础； 2、从粗糙度及承载率出发，研究了不同 UV 光照时间对硅片表面质量及硅硅直接键合强度的影响，获得了不同 UV 光照对硅片表面粗糙度与键合强度的影响，结果表明，采用合适的 UV 光照时间如 3 分钟辅助活化，可以得到最高的硅硅键合强度； 3、系统地研究了退火温度与退火时间对键合强度的影响，结果表明，在不超过350的退火温度范围内，退火温度越高，键合强度越大；在一定的退火时间范围内（20 小时） ，退火时间越长，键合强度越大； 4、从高低温循环、恒温恒湿、振动和冲击环境应力试验出发，研究了 UV 辅助低温硅片直接键合的质量及可靠性。结果表明，经历环境试验后，硅片键合强度有所下降
3、，但仍保持有较高的键合强度，具有较高的可靠性。 关键词：关键词：低温硅片直接键合 紫外光光照 键合质量 可靠性 华 中 科 技 大学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大学 硕 士 学 位 论 文 IIAbstract Low-temperature direct bonding has been widely used in the fabrication of silicon-on- insulator (SOI) and micro-electro-mechanical-systems (MEMS) devices packaging in terms of its low temp
4、erature, good bonding quality and fewer restriction on bonding materials. Based on the past research of low-temperature silicon direct bonding, this thesis introduced UV exposure into silicon direct bonding, performed investigation on the experiment of low- temperature silicon direct bonding, discus
5、sed the mechanism of UV activation on the silicon surface, and researched the bonding quality and bonding reliability in many aspects. The main content of this thesis comprises: 1. Researched the property of UV light and its physical and chemical function in cleaning and activation, and discussed th
6、e mechanism of short wave UV cleaning and activation, to provide theoretical foundation for the investigation on silicon direct bonding process; 2. Investigated the influence of different UV exposure time on the quality of silicon surface and silicon-silicon direct bonding strength from the roughnes
7、s and bear ratio. Results showed that with a probable time of UV activation, like 3 minutes, the flattest surface and strongest silicon-silicon bonding strength could be attained; 3. Researched the influence of annealing temperature and annealing time on bonding strength systematically. Results show
8、ed that within a probable annealing temperature, like 350 centigrade, the bonding strength increased as the annealing temperature rised; within a probable annealing time, like 20 hours, the bonding strength increased as the annealing time extended; 4. Researched the reliability of UV enhanced low-te
9、mperature silicon direct bonding with environmental tests, like high-low temperature cycle, constant temperature and humidity, vibration and shock. Results showed that although the bonding strength decreased a little after undergoing those environmental tests, silicon wafer can still keep high bondi
10、ng strength and reliability. Keywords: Low-temperature Silicon Direct Bonding, UV exposure, Bonding quality, Reliability 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：马沧海 日期： 2008 年 6 月 2 日 学位论
11、文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本论文属于 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名：马沧海 指导教师签名：廖广兰 日期： 2008 年 6 月 2 日 日期： 2008 年 6 月 2 日保密，在 年解密后适用本授权书。 不保密。 华 中 科 技 大学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪绪
12、 论论 1.1 课题来源课题来源 本课题来源于： 1) 国家重点基础研究发展计划“973”项目“高性能电子产品设计制造精微化、数字化新原理和新方法”中的课题 7“电子制造中的混合约束数字建模与产品缺陷诊断机理”（项目编号：2003CB716207） ； 2) 国家自然科学基金“MEMS 封装失效的诊断与预测方法研究”（项目编号：50405033） ； 3) 国家自然科学基金“具有气体检测功能的仿蝴蝶翅膀三维微纳结构制备技术研究” （项目编号：50775091） 。 1.2 课题背景课题背景 微机电系统1,2 (Micro-electro-mechanical-systems，MEMS) 是指集
13、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的微型机电系统。MEMS器件和系统具有体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、性能优良、功能强大、可批量生产等传统传感器无法比拟的优点3。它能够用微电子技术和微加工技术（包括体硅微加工工艺、表面微加工工艺、LIGA工艺和硅片键合工艺等）相结合的制造工艺，制备出性能优异、价格低廉、微型化的传感器4-7、执行器、驱动器和微系统8。 MEMS 中的微机械加工工艺主要有表面硅加工工艺和体硅加工工艺9。表面硅加工10的关键是硅片表面结构层和牺牲层的制备和腐蚀，以硅薄膜作为机械结构。这种工艺可以利用与集成电路工艺兼容或相似的平面加工手段，但
14、它的纵向加工尺寸往往受到限制(只有 25m)。体硅微加工工艺11是用湿法或干法腐蚀对硅片进行纵向加工的三维加工技术，但它与集成电路平面工艺兼容性不好。 硅片键合技术12是一种新的工艺方法，可以将表面硅加工和体硅加工有机地结合在一起，成为 MEMS 加工工艺的研究热点。常见的键合技术分为硅片直接键合技术、阳极键合技术、激光局部键合技术和玻璃焊料键合技术。硅片键合技术虽然不是微机械加工的直接手段，却在微机电系统加工中有着重要的地位。它通过与其它手段结合使用，既可对微结构进行支撑和保护，又可实现机械结构之间或机械结构与电路之间的电学连接。此外，硅片键合技术还在许多 MEMS 元件工艺流程中，用于制作
15、电极和华 中 科 技 大学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大学 硕 士 学 位 论 文 2 空腔13，硅片键合技术可应用于许多极具潜力的产业，从微机电领域的安全气囊加速计、生物医学领域的微流体元件，以及微电子领域的硅片级封装、SOI 材料制作、到光电通讯元件的薄膜转移技术等。硅片键合正逐渐成为制作这些元件的基础技术。 1.3 UV 辅助低温硅片直接键合辅助低温硅片直接键合 Lasky J.B. 14首先提出了硅片直接键合工艺。将室温下粘贴的两硅片经过高温退火处理直接键合在一起，不需要任何粘结剂和外加电场，且具有良好的结合强度，这种键合技术称为硅片直接键合技术(SDB)15。常规硅片直接
16、键合工艺包括三个步骤： （1）对两抛光硅片进行清洗和表面活化处理； （2）在室温下将两硅片抛光面贴合在一起； （3）将贴合好的硅片经过高温(1100) 退火处理。 键合良好的硅片，其键合强度可高达 12MPa 以上，这需要良好的键合条件：首先是温度，两硅片的键合最终是靠加热来实现的，因此，温度在键合过程中起着关键的作用；其次是硅片表面的粗糙度和平整度。抛光硅片或热氧化硅片表面并不是理想的镜面，而总是有一定的起伏和表面粗糙度。如果硅片表面粗糙度较小，则键合过程中，由于硅片的弹性形变或高温下的粘滞回流，两键合片将完全结合在一起，界面不存在孔洞。若表面粗糙度很大，键合后就会使界面产生孔洞甚至无法键合；还有一个关键的键合条件就是表面的清洁度。如果键合工艺不是在超洁净环境中进行，则硅片表面就会有一些尘埃颗粒，尘埃颗粒是键合硅片产生孔洞的主要根源之一。例如，若硅片厚 350m，颗粒直径 1m，则引起的孔洞直径大约为 4
