CN103676481A

CN103676481A - 聚合物材料及其应用

Info

Publication number: CN103676481A
Application number: CN201210346914.4A
Authority: CN
Inventors: 苏佳乐
Original assignee: Wuxi CSMC Semiconductor Co Ltd
Current assignee: Wuxi CSMC Semiconductor Co Ltd
Priority date: 2012-09-18
Filing date: 2012-09-18
Publication date: 2014-03-26
Also published as: WO2014044120A1

Abstract

本发明提供了一种聚合物材料，该聚合物材料包含有SU8和表面活性剂。SU8为疏水性材料，因此在键合的时候需要先加热至130度以上使其回流，配合一定的压强，使两个硅片（玻璃片）完成键合。通过在SU8内添加少量的表面活性剂，将SU8改为亲水性的材料，这样SU8的表面粘性就非常好，通过光刻固化使得SU8在高温下仍然有很小量的回流，配合一定的压强，即可完成键合，而且键合压强低。本发明还公开了所述聚合物材料在键合中的应用。

Description

聚合物材料及其应用

技术领域

本发明属于半导体制造领域，特别涉及一种聚合物材料及其应用。

背景技术

在MEMS（微机电系统Micro-Electro-Mechanical Systems）的胶键合（Adhesive bonding）工艺中，这种键合方式的工艺温度低（<250°C），但键合强度较高。通常应用于需要低温工艺的MEMS器件和玻璃与玻璃键合。在Adhesive bonding中通常使用BCB或者SU8这两种胶。BCB可以先图形化再进行键合（250°C），但需要很高的压强（>2bar），对于需要低压强键合的MEMS器件无法满足需求。而SU8可以进行低压强键合（1bar）。但是SU8在常温下是固态，类似于光刻胶，这样是无法与另一片硅片粘合在一起的，SU8的特性是在130-150度的时候开始回流，在这种情况下会类似于胶水与另外一片硅片粘上。所以需要回流，如果没有回流就无法键合。对于一些特殊结构，如契形结构（在键合时与上层硅片/玻璃片形成虹膜，参图1），SU8在键合过程中，因为虹膜效应，会流动并聚集在硅片与玻璃片之间，影响键合效果。而在键合前，通过曝光使SU8固化或部分固化的效果不好。如果SU8固化，就因为无法回流而不能键合。SU8部分固化，在键合时仍然表现出较强的回流特性，工艺窗口很小，不易控制。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明解决的技术问题是提供一种聚合物材料，该聚合物材料在应用于胶键合工艺时，不仅可以解决SU8的回流问题，并且降低了SU8的键合压强。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明公开了一种聚合物材料，其中，所述聚合物材料包含有SU8和表面活性剂。

作为本发明的进一步改进，所述表面活性剂在所述聚合物材料中的质量比为9%~11%。

作为本发明的进一步改进，所述表面活性剂在所述聚合物材料中的质量比为10%。

本发明还公开了所述聚合物材料在键合中的应用。

作为本发明的进一步改进，所述键合的温度为170~200度。

作为本发明的进一步改进，所述键合的压强为0.5~1bar。

作为本发明的进一步改进，所述键合包括玻璃/玻璃键合、硅/玻璃键合、硅/硅键合或晶片/硅键合。

与现有技术相比，本发明提供了一种聚合物材料，该聚合物材料包含有SU8和表面活性剂。SU8为疏水性材料，因此在键合的时候需要先加热至130度以上使其回流，配合一定的压强，使两个硅片（玻璃片）完成键合。通过在SU8内添加少量的表面活性剂，将SU8改为亲水性的材料，降低SU8的表面张力，加强它的粘性，使得它更易于黏附，通过光刻固化使得SU8在高温下仍然有很小量的回流，配合一定的压强，即可完成键合，而且键合压强低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1所示为现有技术中SU8胶在硅/玻璃键合中的应用；

图2所示为本发明实施例中聚合物材料在应用于硅片/硅片键合时的电镜图；

图3所示为图2中A的放大图。

具体实施方式

选择键合技术的程序通常依赖于一系列要求，如温度限制、密闭性要求和需要的键合后对准精度。键合的选择包括标准工业工艺，如阳极键合、玻璃浆料键合和黏着键合，以及新发展的低温共晶键合，金属扩散（共熔晶）键合和特定应用中的硅熔融键合。

玻璃浆料键合广泛应用于加速度计的制造和微机电系统的生产。玻璃浆料是一种浆状物质，由铅硅酸玻璃颗粒、钡硅酸盐填充物、浆料和溶剂组成。常见的应用方法是通过丝网印刷技术。通常情况下，图形化后的浆料在每个芯片周围，覆盖30-200微米宽的环形区域，厚度为10-30微米。多余的溶剂在图形化后通过烘烤浆料去除。在晶片对准后进行热压键合。在实际的玻璃浆料键合过程中，玻璃融化并与其中的填充物熔合，从而形成了具有极好密闭性的无空洞封接。

玻璃浆料键合的优势是人们熟悉的它的工艺流程和键合界面特性。融化的浆料和浆状的初始状态使工艺可以允许颗粒或者其他微小的表面缺陷。通过键合机上所加力的不同可以控制浆料线的压缩，通常是40%。浆料键合两个最大的缺点是洁净度较低、密封圈占用面积较大。也许，浆料键合最主要的缺点还在于不能实现高精度的对准，因为在键合过程中，玻璃浆料软化并开始黏性流动从而引起晶片发生滑动。

阳极键合与玻璃浆料键合两种方法，占生产中微机电系统键合应用的80%。阳极键合的机理决定了它只能应用于玻璃和硅片键合。其机理是在穿过玻璃和硅片的界面的电场辅助作用下，离子向界面发生扩散。这种技术可以用于表面为多晶硅层或玻璃层的基底。有一些键合设备也支持三层的叠层键合。阳极键合的优势包括有成熟的工艺和可接受的密封寿命，玻璃可以和很多种基底实现热匹配可用于对器件实现真空封装或者压力封装，并可以接受5nm或更差的微粗糙度。它的劣势是工艺过程中采用了电压而不能兼容CMOS电路，同时具有可移动的Na+离子的应用，当钠聚集在阳极上及其外表面时会污染对离子敏感的其他电路。金属键合属于基于扩散的和共晶的方法。扩散键合在390-450℃的温度下完成，需要相对较大的压力来实现表面的紧密接触。在金属键合中，必须控制表面的粗糙度以及晶片的翘曲度。金属合金在键合过程中会熔解并实现界面的平坦化。液态的界面使共晶键合需要施加相对较小却要一致的压力。在不同的冶金学系统中，如铜-锡，金-锡或金-硅，共晶合金形成于280-390℃之间。

黏着键合可以使用很多聚合物材料，包括BCB、SU8、WL5300以及大部分常见的光刻胶材料。作为一种特殊应用，临时键合采用聚合物实现中等结合强度的键合，将晶片键合到支撑基底上，如玻璃或蓝宝石，以实现对器件晶片背面进行工艺加工。背面加工结束后，通过紫外光，热分解或溶剂可以解除界面的结合。黏着键合中聚合物或者是在室温下通过旋涂涂胶或喷涂胶的方法覆在表面，或者直接是一层干的薄膜。黏着键合对于颗粒、表面厚度偏差和表面粗糙度有好的容忍度，这种键合不是密封的，从而没有高温收缩性。

SU8胶是一种负性、环氧树脂型、近紫外线光刻胶。它适于制超厚、高深宽比的MEMS微结构。SU8胶在近紫外光范围内光吸收度低,故整个光刻胶层所获得的曝光量均匀一致,可得到具有垂直侧壁和高深宽比的厚膜图形;它还具有良好的力学性能、抗化学腐蚀性和热稳定性;SU8胶不导电,在电镀时可以直接作为绝缘体使用。由于它具有较多优点,被逐渐应用于MEMS的多个研究领域。

SU8可以进行低压强键合（1bar）。但是SU8通常在130度的时候开始回流，对于一些特殊结构，如契形结构（在键合时与上层硅片/玻璃片形成虹膜，参图1），SU8在键合过程中,因为虹膜效应，会流动并聚集在硅片与玻璃片之间，影响键合效果。而在键合前，通过曝光使SU8固化或部分固化的效果不好。如果SU8固化，就因为无法回流而不能键合。SU8部分固化，在键合时仍然表现出较强的回流特性，工艺窗口很小，不易控制。

鉴于上述问题，本发明提供了一种聚合物材料，所述聚合物材料包含有SU8和表面活性剂。

SU8为疏水性材料，因此在键合的时候需要先加热至130度以上使其回流，配合一定的压强，使两个硅片（玻璃片）完成键合。通过在SU8内添加少量的表面活性剂，将SU8改为亲水性的材料，这样SU8的表面粘性就非常好，通过光刻固化使得SU8在高温下仍然有很小量的回流，配合一定的压强，即可完成键合，而且键合压强低。

下面对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种聚合物材料，该聚合物材料包含有SU8和表面活性剂。

SU8胶可以选自美国的Microlithography Chemical公司生产的SU8系列光刻胶,如SU8-5和SU8-50,或者瑞士Sotec Microsystems公司生产的SM系列光刻胶。

表面活性剂(surfactant)，是指具有固定的亲水亲油基团，在溶液的表面能定向排列，并能使表面张力显著下降的物质。表面活性剂的分子结构具有两亲性：一端为亲水基团，另一端为憎水基团；亲水基团常为极性的基团，如羧酸、磺酸、硫酸、氨基或胺基及其盐，也可是羟基、酰胺基、醚键等；而憎水基团常为非极性烃链，如8个碳原子以上烃链。表面活性剂分为离子型表面活性剂和非离子型表面活性剂等。本实施例中的表面活性剂可以选自任何可以将表面从疏水变为亲水的活性剂，作为优选的，表面活性剂为Silwet618,GE。

SU8胶是疏水性材料，表面活性剂是亲水物质，将表面活性剂与SU8结合应用于胶键合，可以将SU8改为亲水性的材料。如此SUB表面粘性就非常好，在一定的温度和压强下可完成键合。键合效果参图2和图3所示。优选的，表面活性剂的质量比例为9%~11%，更优选为10%；完成键合的温度为170~200度；键合的压强为0.5~1bar。

上述聚合物材料可以应用于玻璃/玻璃键合、硅/玻璃键合、硅/硅键合或晶片/硅键合。

在键合过程中，可以先将聚合物材料在室温下通过旋涂涂胶或喷涂胶的方法覆在玻璃或硅的表面，然后再将玻璃、硅或晶片对准后置于胶的上方。

综上所述，本发明提供了一种聚合物材料，该聚合物材料包含有SU8和表面活性剂。SU8为疏水性材料，因此在键合的时候需要先加热至130度以上使其回流，配合一定的压强，使两个硅片（玻璃片）完成键合。通过在SU8内添加少量的表面活性剂，将SU8改为亲水性的材料，这样SU8的表面粘性就非常好，通过光刻固化使得SU8在高温下仍然有很小量的回流，配合一定的压强，即可完成键合，而且键合压强低。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims

1.一种聚合物材料，其特征在于：所述聚合物材料包含有SU8和表面活性剂。

2.根据权利要求1所述的聚合物材料，其特征在于：所述表面活性剂在所述聚合物材料中的质量比为9%~11%。

3.根据权利要求2所述的聚合物材料，其特征在于：所述表面活性剂在所述聚合物材料中的质量比为10%。

4.权利要求1至3任一所述的聚合物材料在键合中的应用。

5.根据权利要求4所述的聚合物材料，其特征在于：所述键合的温度为170~200度。

6.根据权利要求4所述的聚合物材料，其特征在于：所述键合的压强为0.5~1bar。

7.根据权利要求4所述的聚合物材料，其特征在于：所述键合包括玻璃/玻璃键合、硅/玻璃键合、硅/硅键合或晶片/硅键合。