CN104591080B - 一种提高金-金热压键合强度的方法 - Google Patents
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Abstract
一种提高金-金热压键合强度的方法，它涉及一种提高金-金热压键合强度的方法。本发明是要解决现有硅微机械传感器利用高温高压进行金-金热压键合，在器件键合面积及键合设备提供压力一定情况下因为作用在键合面上的压力过小无法实现键合的问题。方法：加速度传感器上电极和下电极金属层制作通过两次光刻工艺制作完成，第一次光刻完成器件所需的设计图形，第二次光刻完成进行金-金热压键合所需的图形，金-金热压键合图形面积远小于器件设计图形面积。本发明用于提高金-金热压键合强度。
Description
技术领域
本发明涉及一种提高金-金热压键合强度的方法。
背景技术
目前对硅微机械的研究还主要是基于硅材料。对于硅微机械中的机械加工，有两种技术使用最为广泛,即表面微机械加工技术和体硅微机械加工技术。表面微机械加工技术主要是结构层及牺牲层的制备和腐蚀。由于表面微机械加工技术与IC平面工艺兼容性好，因此它得到了广泛地应用。但是，这种工艺加工的机械部件的纵向尺寸往往受到限制(2～5μm)。体硅加工技术主要是湿法腐蚀和干法腐蚀。它加工的机械部件各方向尺寸几乎没有限制，给系统设计者极大的灵活性，是真正意义上的三维技术。但体硅加工技术与IC工艺兼容性不太好。唯有硅片键合技术才能有效地克服此问题。键合是指通过化学和物理作用将硅片与硅片、硅片与玻璃或其它材料紧密地结合起来的方法。硅片键合虽然不是微机械加工的直接手段，却在微机械加工中有着重要地位。它往往与其他手段结合使用，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。目前，硅片键合技术主要有硅/玻璃阳极键合法、硅/硅直接键合法、金-金热压键合和玻璃焊料烧结法等。
发明内容
本发明是要解决现有硅微机械传感器利用高温高压进行金-金热压键合，在器件键合面积及键合设备提供压力一定情况下因为作用在键合面上的压力过小无法实现键合的问题，而提供一种提高金-金热压键合强度的方法。
本发明一种提高金-金热压键合强度的方法是按以下步骤进行：
一、加工上电极：对硅微机械传感器的上电极的上表面和下表面进行第一次热氧化处理，然后按照所需形状对一次氧化后的上电极的上表面和下表面进行第一次刻蚀，刻蚀后去除SiO2层，再对一次刻蚀后的上电极的上表面和下表面进行第二次热氧化处理，然后按照所需形状对二次氧化后的上电极的上表面和下表面进行第二次刻蚀，刻蚀后去除SiO2层，再对二次刻蚀后的上电极的上表面和下表面进行第三次热氧化处理，然后按照所需形状对三次氧化后的上电极的上表面和下表面进行第三次刻蚀，得到上表面和下表面分别带有厚度为1.5μm的氧化层的三次刻蚀后的上电极，然后在上电极的下表面上厚度为1.5μm的氧化层的表面再溅射或蒸发一层厚度为0.6μm的金膜，然后按照所需图案在厚度为0.6μm的金膜上进行一次光刻，得到下表面带有设计图形层的上电极，再按照所需图案对下表面带有设计图形层的上电极进行二次光刻，最后在二次光刻后的上电极的下表面电镀一层厚度为0.2μm～0.3μm的二次光刻金属层，得到加工后的上电极；所述二次光刻采用的刻版为反版；所述二次光刻金属层面积与一次光刻的设计图形层的面积的比为1:(3～8)；
二、加工下电极：对硅微机械传感器的下电极的上表面和下表面进行第一次热氧化处理，然后按照所需形状对一次氧化后的下电极的上表面和下表面进行第一次刻蚀，刻蚀后去除SiO2层，再对一次刻蚀后的下电极的上表面和下表面进行第二次热氧化处理，然后按照所需形状对二次氧化后的下电极的上表面和下表面进行第二次刻蚀，刻蚀后去除SiO2层，再对二次刻蚀后的下电极的上表面和下表面进行第三次热氧化处理，然后按照所需形状对三次氧化后的下电极的上表面和下表面进行第三次刻蚀，得到上表面和下表面分别带有厚度为1.5μm的氧化层的三次刻蚀后的下电极，然后在下电极的上表面上厚度为1.5μm的氧化层的表面再溅射或蒸发一层厚度为0.6μm的金膜，然后按照所需图案在厚度为0.6μm的金膜上进行一次光刻，得到上表面带有对称图形层的下电极，再按照所需图案对上表面带有对称图形层的下电极进行二次光刻，最后在二次光刻后的下电极的上表面电镀一层厚度为0.2μm～0.3μm的二次光刻对称金属层，得到加工后的下电极；所述二次光刻采用的刻版为反版；所述二次光刻对称金属层面积与一次光刻的对称图形层的面积的比为1:(3～8)；
三、加工敏感芯片中间电极：对硅微机械传感器的敏感芯片中间电极的表面进行热氧化处理，然后对敏感芯片中间电极的上表面和下表面进行一次光刻，然后采用KOH湿法腐蚀在敏感芯片中间电极的上表面和下表面上制作V型槽，去除氧化层，以光刻胶为掩膜层采用刻蚀技术将梁膜刻透，得到带有弹性折叠梁的敏感芯片中间电极，然后分别在带有弹性折叠梁的敏感芯片中间电极的上表面和下表面上再溅射或蒸发一层厚度为0.8μm～0.9μm的中间电极金属层，得到加工后的敏感芯片中间电极；
四、键合：将步骤一得到的加工后的上电极的下表面与步骤三得到的加工后的敏感芯片中间电极的上表面相对设置，然后在温度为385℃～400℃、压力为3000N～5000N的条件下进行金-金热压键合，得到一步键合元件，然后再将一步键合元件中的敏感芯片中间电极的下表面与步骤二得到的加工后的下电极的上表面相对设置，然后在温度为385℃～400℃、压力为3000N～5000N的条件下进行金-金热压键合，得到键合后的硅微机械传感器；
五、加工外侧金属层：在步骤四得到的键合后的硅微机械传感器的上表面和下表面溅射或蒸发一层厚度为0.6μm的金膜，完成芯片制作。
本发明的有益效果：
本发明在不改变器件所需要的金属层的设计面积，可以通过减小键合面积来改善键合效果，提高键合强度。其方法是在原设计的金属层的基础上，通过电镀工艺生长一层较所需设计面积小很多的键合层，由于键合面积的减小，键合时单位面积的压力增加，从而改善键合效果，增加键合强度。
附图说明
图1为步骤一中一次氧化后的上电极的结构示意图；
图2为步骤一中一次刻蚀后的上电极的结构示意图；
图3为步骤一中二次氧化后的上电极的结构示意图；
图4为步骤一中二次刻蚀后的上电极的结构示意图；
图5为步骤一中三次氧化后的上电极的结构示意图；
图6为步骤一中三次刻蚀后的上电极的结构示意图；
图7为步骤一中所述在厚度为0.6μm的金膜上进行一次光刻后得到的上电极的结构示意图；
图8为步骤三中对敏感芯片中间电极的上表面和下表面进行一次光刻后的结构示意图；
图9为步骤三中采用KOH湿法腐蚀在敏感芯片中间电极的上表面和下表面上制作V型槽的结构示意图；
图10为步骤三中带有弹性折叠梁的敏感芯片中间电极的结构示意图；
图11为步骤一中所述设计图形层版图图形；
图12为步骤一中所述二次光刻金属层版图图形；
图13为步骤一中所述设计图形层与所述二次光刻金属层叠加示意图；
图14为步骤一得到的加工后的上电极的结构示意图；其中1为设计图形层，2为二次光刻金属层；
图15为芯片制作完成后的结构示意图；其中3为加工后的上电极，4为键合界面，5为加工后的敏感芯片中间电极，6为中间电极金属层，7为加工后的下电极。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1～图15说明，本实施方式一种提高金-金热压键合强度的方法是按以下步骤进行：
一、加工上电极：对硅微机械传感器的上电极的上表面和下表面进行第一次热氧化处理，然后按照所需形状对一次氧化后的上电极的上表面和下表面进行第一次刻蚀，刻蚀后去除SiO2层，再对一次刻蚀后的上电极的上表面和下表面进行第二次热氧化处理，然后按照所需形状对二次氧化后的上电极的上表面和下表面进行第二次刻蚀，刻蚀后去除SiO2层，再对二次刻蚀后的上电极的上表面和下表面进行第三次热氧化处理，然后按照所需形状对三次氧化后的上电极的上表面和下表面进行第三次刻蚀，得到上表面和下表面分别带有厚度为1.5μm的氧化层的三次刻蚀后的上电极，然后在上电极的下表面上厚度为1.5μm的氧化层的表面再溅射或蒸发一层厚度为0.6μm的金膜，然后按照所需图案在厚度为0.6μm的金膜上进行一次光刻，得到下表面带有设计图形层1的上电极，再按照所需图案对下表面带有设计图形层1的上电极进行二次光刻，最后在二次光刻后的上电极的下表面电镀一层厚度为0.2μm～0.3μm的二次光刻金属层2，得到加工后的上电极3；所述二次光刻采用的刻版为反版；所述二次光刻金属层2面积与一次光刻的设计图形层1的面积的比为1:(3～8)；
二、加工下电极：对硅微机械传感器的下电极的上表面和下表面进行第一次热氧化处理，然后按照所需形状对一次氧化后的下电极的上表面和下表面进行第一次刻蚀，刻蚀后去除SiO2层，再对一次刻蚀后的下电极的上表面和下表面进行第二次热氧化处理，然后按照所需形状对二次氧化后的下电极的上表面和下表面进行第二次刻蚀，刻蚀后去除SiO2层，再对二次刻蚀后的下电极的上表面和下表面进行第三次热氧化处理，然后按照所需形状对三次氧化后的下电极的上表面和下表面进行第三次刻蚀，得到上表面和下表面分别带有厚度为1.5μm的氧化层的三次刻蚀后的下电极，然后在下电极的上表面上厚度为1.5μm的氧化层的表面再溅射或蒸发一层厚度为0.6μm的金膜，然后按照所需图案在厚度为0.6μm的金膜上进行一次光刻，得到上表面带有对称图形层的下电极，再按照所需图案对上表面带有对称图形层的下电极进行二次光刻，最后在二次光刻后的下电极的上表面电镀一层厚度为0.2μm～0.3μm的二次光刻对称金属层，得到加工后的下电极7；所述二次光刻采用的刻版为反版；所述二次光刻对称金属层面积与一次光刻的对称图形层的面积的比为1:(3～8)；
三、加工敏感芯片中间电极：对硅微机械传感器的敏感芯片中间电极的表面进行热氧化处理，然后对敏感芯片中间电极的上表面和下表面进行一次光刻，然后采用KOH湿法腐蚀在敏感芯片中间电极的上表面和下表面上制作V型槽，去除氧化层，以光刻胶为掩膜层采用刻蚀技术将梁膜刻透，得到带有弹性折叠梁的敏感芯片中间电极，然后分别在带有弹性折叠梁的敏感芯片中间电极的上表面和下表面上再溅射或蒸发一层厚度为0.8μm～0.9μm的中间电极金属层6，得到加工后的敏感芯片中间电极5；
四、键合：将步骤一得到的加工后的上电极3的下表面与步骤三得到的加工后的敏感芯片中间电极5的上表面相对设置，然后在温度为385℃～400℃、压力为3000N～5000N的条件下进行金-金热压键合，得到一步键合元件，然后再将一步键合元件中的敏感芯片中间电极5的下表面与步骤二得到的加工后的下电极7的上表面相对设置，然后在温度为385℃～400℃、压力为3000N～5000N的条件下进行金-金热压键合，得到键合后的硅微机械传感器；
五、加工外侧金属层：在步骤四得到的键合后的硅微机械传感器的上表面和下表面溅射或蒸发一层厚度为0.6μm的金膜，完成芯片制作。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述二次光刻金属层2面积与一次光刻的设计图形层1的面积的比为1:4。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一中所述二次光刻金属层2面积与一次光刻的设计图形层1的面积的比为1:5。其他与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一中所述二次光刻金属层2面积与一次光刻的设计图形层1的面积的比为1:6。其他与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤一中所述二次光刻金属层2面积与一次光刻的设计图形层1的面积的比为1:7。其他与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤一得到的加工后的上电极3与步骤二得到的加工后的下电极7互为镜像。其他与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤四中在温度为390℃、压力为4000N的条件下进行金-金热压键合，得到一步键合元件。其他与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤一中所述二次光刻的版图为四周设置有一圈闭合的矩形框，矩形框的宽度为50μm～150μm，在贴合边框的位置设置有阵列圆形结构。他与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤五中所述上表面和下表面溅射或蒸发一层厚度为0.6μm的金膜的键合后的硅微机械传感器为三层硅结构，上下两层为固定电极层，中间为梁-质量块结构，四根折叠梁设置在质量块中间。他与具体实施方式一至八之一相同。
通过以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：一种提高金-金热压键合强度的方法是按以下步骤进行：
一、加工上电极：对硅微机械传感器的上电极的上表面和下表面进行第一次热氧化处理，然后按照所需形状对一次氧化后的上电极的上表面和下表面进行第一次刻蚀，刻蚀后去除SiO2层，再对一次刻蚀后的上电极的上表面和下表面进行第二次热氧化处理，然后按照所需形状对二次氧化后的上电极的上表面和下表面进行第二次刻蚀，刻蚀后去除SiO2层，再对二次刻蚀后的上电极的上表面和下表面进行第三次热氧化处理，然后按照所需形状对三次氧化后的上电极的上表面和下表面进行第三次刻蚀，得到上表面和下表面分别带有厚度为1.5μm的氧化层的三次刻蚀后的上电极，然后在上电极的下表面上厚度为1.5μm的氧化层的表面再溅射或蒸发一层厚度为0.6μm的金膜，然后按照所需图案在厚度为0.6μm的金膜上进行一次光刻，得到下表面带有设计图形层1的上电极，再按照所需图案对下表面带有设计图形层1的上电极进行二次光刻，最后在二次光刻后的上电极的下表面电镀一层厚度为0.2μm～0.3μm的二次光刻金属层2，得到加工后的上电极3；所述二次光刻采用的刻版为反版；所述二次光刻金属层2面积与一次光刻的设计图形层1的面积的比为1:(3～8)；所述二次光刻的版图为四周设置有一圈闭合的矩形框，矩形框的宽度为50μm～150μm，在贴合边框的位置设置有阵列圆形结构；
二、加工下电极：对硅微机械传感器的下电极的上表面和下表面进行第一次热氧化处理，然后按照所需形状对一次氧化后的下电极的上表面和下表面进行第一次刻蚀，刻蚀后去除SiO2层，再对一次刻蚀后的下电极的上表面和下表面进行第二次热氧化处理，然后按照所需形状对二次氧化后的下电极的上表面和下表面进行第二次刻蚀，刻蚀后去除SiO2层，再对二次刻蚀后的下电极的上表面和下表面进行第三次热氧化处理，然后按照所需形状对三次氧化后的下电极的上表面和下表面进行第三次刻蚀，得到上表面和下表面分别带有厚度为1.5μm的氧化层的三次刻蚀后的下电极，然后在下电极的上表面上厚度为1.5μm的氧化层的表面再溅射或蒸发一层厚度为0.6μm的金膜，然后按照所需图案在厚度为0.6μm的金膜上进行一次光刻，得到上表面带有对称图形层的下电极，再按照所需图案对上表面带有对称图形层的下电极进行二次光刻，最后在二次光刻后的下电极的上表面电镀一层厚度为0.2μm～0.3μm的二次光刻对称金属层，得到加工后的下电极7；所述二次光刻采用的刻版为反版；所述二次光刻对称金属层面积与一次光刻的对称图形层的面积的比为1:(3～8)；所述二次光刻的版图为四周设置有一圈闭合的矩形框，矩形框的宽度为50μm～150μm，在贴合边框的位置设置有阵列圆形结构；
三、加工敏感芯片中间电极：对硅微机械传感器的敏感芯片中间电极的表面进行热氧化处理，然后对敏感芯片中间电极的上表面和下表面进行一次光刻，然后采用KOH湿法腐蚀在敏感芯片中间电极的上表面和下表面上制作V型槽，去除氧化层，以光刻胶为掩膜层采用刻蚀技术将梁膜刻透，得到带有弹性折叠梁的敏感芯片中间电极，然后分别在带有弹性折叠梁的敏感芯片中间电极的上表面和下表面上再溅射或蒸发一层厚度为0.8μm～0.9μm的中间电极金属层6，得到加工后的敏感芯片中间电极5；
四、键合：将步骤一得到的加工后的上电极3的下表面与步骤三得到的加工后的敏感芯片中间电极5的上表面相对设置，然后在温度为385℃～400℃、压力为3000N～5000N的条件下进行金-金热压键合，得到一步键合元件，然后再将一步键合元件中的敏感芯片中间电极5的下表面与步骤二得到的加工后的下电极7的上表面相对设置，然后在温度为385℃～400℃、压力为3000N～5000N的条件下进行金-金热压键合，得到键合后的硅微机械传感器；
五、加工外侧金属层：在步骤四得到的键合后的硅微机械传感器的上表面和下表面溅射或蒸发一层厚度为0.6μm的金膜，完成芯片制作。
本发明在不改变器件所需要的金属层的设计面积，可以通过减小键合面积来改善键合效果，提高键合强度。其方法是在原设计的金属层的基础上，通过电镀工艺生长一层较所需设计面积小很多的键合层，由于键合面积的减小，键合时单位面积的压力增加，从而改善键合效果，增加键合强度。
Claims (9)
1.一种提高金-金热压键合强度的方法，其特征在于提高金-金热压键合强度的方法是按以下步骤进行：
一、加工上电极：对硅微机械传感器的上电极的上表面和下表面进行第一次热氧化处理，然后按照所需形状对一次氧化后的上电极的上表面和下表面进行第一次刻蚀，刻蚀后去除SiO2层，再对一次刻蚀后的上电极的上表面和下表面进行第二次热氧化处理，然后按照所需形状对二次氧化后的上电极的上表面和下表面进行第二次刻蚀，刻蚀后去除SiO2层，再对二次刻蚀后的上电极的上表面和下表面进行第三次热氧化处理，然后按照所需形状对三次氧化后的上电极的上表面和下表面进行第三次刻蚀，得到上表面和下表面分别带有厚度为1.5μm的氧化层的三次刻蚀后的上电极，然后在上电极的下表面上厚度为1.5μm的氧化层的表面再溅射或蒸发一层厚度为0.6μm的金膜，然后按照所需图案在厚度为0.6μm的金膜上进行一次光刻，得到下表面带有设计图形层(1)的上电极，再按照所需图案对下表面带有设计图形层(1)的上电极进行二次光刻，最后在二次光刻后的上电极的下表面电镀一层厚度为0.2μm～0.3μm的二次光刻金属层(2)，得到加工后的上电极(3)；所述二次光刻采用的刻版为反版；所述二次光刻金属层(2)面积与一次光刻的设计图形层(1)的面积的比为1:(3～8)；
二、加工下电极：对硅微机械传感器的下电极的上表面和下表面进行第一次热氧化处理，然后按照所需形状对一次氧化后的下电极的上表面和下表面进行第一次刻蚀，刻蚀后去除SiO2层，再对一次刻蚀后的下电极的上表面和下表面进行第二次热氧化处理，然后按照所需形状对二次氧化后的下电极的上表面和下表面进行第二次刻蚀，刻蚀后去除SiO2层，再对二次刻蚀后的下电极的上表面和下表面进行第三次热氧化处理，然后按照所需形状对三次氧化后的下电极的上表面和下表面进行第三次刻蚀，得到上表面和下表面分别带有厚度为1.5μm的氧化层的三次刻蚀后的下电极，然后在下电极的上表面上厚度为1.5μm的氧化层的表面再溅射或蒸发一层厚度为0.6μm的金膜，然后按照所需图案在厚度为0.6μm的金膜上进行一次光刻，得到上表面带有对称图形层的下电极，再按照所需图案对上表面带有对称图形层的下电极进行二次光刻，最后在二次光刻后的下电极的上表面电镀一层厚度为0.2μm～0.3μm的二次光刻对称金属层，得到加工后的下电极(7)；所述二次光刻采用的刻版为反版；所述二次光刻对称金属层面积与一次光刻的对称图形层的面积的比为1:(3～8)；
三、加工敏感芯片中间电极：对硅微机械传感器的敏感芯片中间电极的表面进行热氧化处理，然后对敏感芯片中间电极的上表面和下表面进行一次光刻，然后采用KOH湿法腐蚀在敏感芯片中间电极的上表面和下表面上制作V型槽，去除氧化层，以光刻胶为掩膜层采用刻蚀技术将梁膜刻透，得到带有弹性折叠梁的敏感芯片中间电极，然后分别在带有弹性折叠梁的敏感芯片中间电极的上表面和下表面上再溅射或蒸发一层厚度为0.8μm～0.9μm的中间电极金属层(6)，得到加工后的敏感芯片中间电极(5)；
四、键合：将步骤一得到的加工后的上电极(3)的下表面与步骤三得到的加工后的敏感芯片中间电极(5)的上表面相对设置，然后在温度为385℃～400℃、压力为3000N～5000N的条件下进行金-金热压键合，得到一步键合元件，然后再将一步键合元件中的敏感芯片中间电极(5)的下表面与步骤二得到的加工后的下电极(7)的上表面相对设置，然后在温度为385℃～400℃、压力为3000N～5000N的条件下进行金-金热压键合，得到键合后的硅微机械传感器；
五、加工外侧金属层：在步骤四得到的键合后的硅微机械传感器的上表面和下表面溅射或蒸发一层厚度为0.6μm的金膜，完成芯片制作。
2.根据权利要求1所述的一种提高金-金热压键合强度的方法，其特征在于步骤一中所述二次光刻金属层(2)面积与一次光刻的设计图形层(1)的面积的比为1:4。
3.根据权利要求1所述的一种提高金-金热压键合强度的方法，其特征在于步骤一中所述二次光刻金属层(2)面积与一次光刻的设计图形层(1)的面积的比为1:5。
4.根据权利要求1所述的一种提高金-金热压键合强度的方法，其特征在于步骤一中所述二次光刻金属层(2)面积与一次光刻的设计图形层(1)的面积的比为1:6。
5.根据权利要求1所述的一种提高金-金热压键合强度的方法，其特征在于步骤一中所述二次光刻金属层(2)面积与一次光刻的设计图形层(1)的面积的比为1:7。
6.根据权利要求1所述的一种提高金-金热压键合强度的方法，其特征在于步骤一得到的加工后的上电极(3)与步骤二得到的加工后的下电极(7)互为镜像。
7.根据权利要求1所述的一种提高金-金热压键合强度的方法，其特征在于步骤四中在温度为390℃、压力为4000N的条件下进行金-金热压键合，得到一步键合元件。
8.根据权利要求1所述的一种提高金-金热压键合强度的方法，其特征在于步骤一中所述二次光刻的版图为四周设置有一圈闭合的矩形框，矩形框的宽度为50μm～150μm，在贴合边框的位置设置有阵列圆形结构。
9.根据权利要求1所述的一种提高金-金热压键合强度的方法，其特征在于步骤五中所述上表面和下表面溅射或蒸发一层厚度为0.6μm的金膜的键合后的硅微机械传感器为三层硅结构，上下两层为固定电极层，中间为梁-质量块结构，四根折叠梁设置在质量块中间。
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2015
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