利用金属过渡层低温键合硅晶片

在Si/Si之间采用Ti/Au金属过渡层,实现了Si/Si低温键合,键合温度可低至414 ℃.采用拉伸强度测试对Si/Si键合结构的界面特性进行测试,结果表明,键合强度高于1.27MPa;I-V测试表明,Si/Ti/Au/Ti/Si键合界面基本为欧姆接触;X射线光电子能谱(XPS)测试结果进一步表明,界面主要为Si-Au共晶合金.不同温度的变温退火实验表明,键合温度越高,键合强度越大,且渐变退火有利于提高键合强度.     

利用金属过渡层低温键合硅晶片

在Si/Si之间采用Ti/Au金属过渡层,实现了Si/Si低温键合,键合温度可低至414 ℃.采用拉伸强度测试对Si/Si键合结构的界面特性进行测试,结果表明,键合强度高于1.27MPa;I-V测试表明,Si/Ti/Au/Ti/Si键合界面基本为欧姆接触;X射线光电子能谱(XPS)测试结果进一步表明,界面主要为Si-Au共晶合金.不同温度的变温退火实验表明,键合温度越高,键合强度越大,且渐变退火有利于提高键合强度.     

Au/Sn共晶键合技术在MEMS封装中的应用

研究了Au/Sn共晶圆片键合技术在MEMS气密性封装中的应用。设计了共晶键合多层材料的结构和密封环图形,盖帽层采用Ti/Ni/Au/Sn/Au结构,器件层采用Ti/Ni/Au结构,盖帽层腔体尺寸为4.5 mm×4.5 mm×20μm,Au/Sn环的宽度为700μm,优化了键合工艺,对影响气密性的因素(如组分配比、键合前处理和键合温度等)进行了分析。两层硅片在氮气气氛中靠静态的压力实现紧密接触。在峰值温度为300℃、持续时间为2 min的条件下实现了良好的键合效果,其剪切力平均值达到16.663 kg,漏率小于2×10-3 Pa·cm3/s,满足检验标准(GJB548A)的要求,验证了Au/Sn共晶键合技术在MEMS气密封装中的适用性。     

压阻加速度计的Au-Si共晶键合

通过将压阻加速度计上帽与结构片的键合(365℃保温10min),再进行下帽与结构片的键合(380±10℃保温20min),成功进行了三层键合.测得的键合强度约为230MPa.硅片-基体/SiO2/Cr/Au层和硅片之间键合时,SiO2溶解而形成CrSi2硅化物.共晶反应因Cr层而被推迟,键合温度高出共晶温度20℃左右,从而避免了由于Au元素向硅中扩入而造成的污染,进而避免可能造成的对集成微电子器件性能的影响.试验还证明硅基体-SiO2/Cr/Au/Poly-Si/Au键合层结构设计模型也遵循这一键合过程中的原子扩散理论.     

压阻加速度计的Au-Si共晶键合

通过将压阻加速度计上帽与结构片的键合 ( 36 5℃保温 10min) ,再进行下帽与结构片的键合 ( 380± 10℃保温2 0min) ,成功进行了三层键合 .测得的键合强度约为 2 30MPa.硅片 基体 /SiO2 /Cr/Au层和硅片之间键合时 ,SiO2 溶解而形成CrSi2 硅化物 .共晶反应因Cr层而被推迟 ,键合温度高出共晶温度 2 0℃左右 ,从而避免了由于Au元素向硅中扩入而造成的污染 ,进而避免可能造成的对集成微电子器件性能的影响 .试验还证明硅基体 SiO2 /Cr/Au/Poly Si/Au键合层结构设计模型也遵循这一键合过程中的原子扩散理论.     

Ni/Pd/Au镀层的键合可靠性

研究了陶瓷外壳不同厚度Ni/Pd/Au镀层的键合可靠性,并分析了金丝球焊、硅铝丝楔焊和粗铝丝楔焊经300℃不同时间贮存后键合强度变化及键合失效模式变化,并与Ni/Au镀层键合进行了对比。研究结果表明,随着Au层厚度的增加,相同键合参数、相同镀层的金丝球焊的键合强度一致性有明显提升,随高温贮存时间增加,Ni/Pd/Au镀层的金丝键合强度一致性变差;相同实验条件下、不同镀层外壳的硅铝丝键合强度基本一致,300℃、1 h贮存后硅铝丝键合强度降低,随着高温贮存时间的增加,硅铝丝键合强度变化不大;随Au层厚度的增加,粗铝丝楔焊键合强度一致性变差,且失效模式主要为键合点脱落。     

T/R组件基板电极区的互连可靠性

采用化学镀Ni/Pd/Au新工艺制作了T/R组件基板电极区,对比研究了在化学镀Ni/Au基板和Ni/Pd/Au基板上引线键合和钎焊的性能。结果显示:化学镀Ni/Pd/Au基板经过200℃烘烤处理6 h后,φ25μm金丝的引线键合强度大于0.08 N(8 gf),0402元件的焊点剪切强度大于4.9 N(500 gf),引线键合和钎焊性能均优于化学镀Ni/Au基板,有效地提高了T/R组件互连可靠性。     

基于UV光照的圆片直接键合技术

研究了UV辅助活化与湿化学清洗活化相结合的圆片直接键合技术,并利用红外测试系统、单轴拉伸测试仪和场发射扫描电子显微镜,结合恒温恒湿实验、高低温循环实验对键合质量进行了测试.结果表明,采用该技术可以实现较好的圆片直接键合,提高键合强度,控制合适的UV光照时间可以获得更高的强度,对键合硅片进行恒温恒湿和高低温交变循环处理后,硅片仍能保持较高的键合强度.因此,该工艺对于改进圆片直接键合技术是行之有效的,具有很大的应用潜力.     

基于UV光照的圆片直接键合技术

研究了UV辅助活化与湿化学清洗活化相结合的圆片直接键合技术,并利用红外测试系统、单轴拉伸测试仪和场发射扫描电子显微镜,结合恒温恒湿实验、高低温循环实验对键合质量进行了测试.结果表明,采用该技术可以实现较好的圆片直接键合,提高键合强度,控制合适的UV光照时间可以获得更高的强度,对键合硅片进行恒温恒湿和高低温交变循环处理后,硅片仍能保持较高的键合强度.因此,该工艺对于改进圆片直接键合技术是行之有效的,具有很大的应用潜力.     

薄膜金属化低温共烧陶瓷基板的阻碍层对共晶焊的影响

讨论了低温共烧陶瓷基板薄膜金属化技术中,有效阻碍层的选择对基板共晶焊的剪切强度、互连阻抗、可焊性的影响。试验结果表明,Ti / Ni是一种高可靠性的阻碍层,且Ti / Ni / Au也是一种较理想的低温共烧陶瓷基板薄膜金属化结构。     

Study on the failure temperature of Ti/Pt/Au and Pt5Si2-Ti/Pt/Au metallization systems

The Ti/Pt/Au metallization system has an advantage of resisting KOH or TMAH solution etching. To form a good ohmic contact, the Ti/Pt/Au metallization system must be alloyed at 400℃. However, the process temperatures of typical MEMS packaging technologies, such as anodic bonding, glass solder bonding and eutectic bonding, generally exceed 400℃. It is puzzling if the Ti/Pt/Au system is destroyed during the subsequent packaging process. In the present work, the resistance of doped polysilicon resistors contacted by the Ti/Pt/Au metallization system that have undergone different temperatures and time are measured. The experimental results show that the ohmic contacts will be destroyed if heated to 500℃. But if a 20 nm Pt film is sputtered on heavily doped polysilicon and alloyed at 700℃ before sputtering Ti/Pt/Au films, the Pt₅Si₂-Ti/Pt/Au metallization system has a higher service temperature of 500℃, which exceeds process temperatures of most typical MEMS packaging technologies.     

基于硼酸溶液处理的GaAs/InP低温晶片键合技术

提出了一种基于硼酸溶液的GaAs/InP低温晶片键合技术,实现了GaAs/InP基材料间简单、无毒性的高质量、低温(290℃)晶片键合。GaAs/InP键合晶片解理截面的扫描电子显微镜(SEM)图显示,键合界面整齐,没有裂缝和气泡。通过键合过程,InP上的In0.53Ga0.47As/InP多量子阱结构转移到了GaAs基底上。X射线衍射及荧光谱显示,键合后的多量子阱晶体质量未变。二次离子质谱(SIMS)和Raman光谱图显示,GaAs/InP键合晶片的中间层厚度约为17 nm,界面处B元素有较高的浓度,键合晶片的中间层很薄,因此可以得到较好的电学、光学特性。     

界面热应力对InP/Si键合质量的影响

通过实验和理论计算,分析了InP/Si键合过程中,界面热应力的分布情况、影响键合结果的关键应力因素及退火温度的允许范围。分析结果表明,由剪切应力和晶片弯矩决定的界面正应力是晶片中心区域大面积键合失败的主要原因,为保证良好的键合质量,InP/Si键合退火温度应该在300～350℃范围内选取。具体实验验证表明,该理论计算值与实验结果相一致。最后,在300℃退火条件下,很好地实现了2inInP/Si晶片键合,红外图像显示,界面几乎没有空洞和裂隙存在,有效键合面积超过90%。     

用于高亮LED的Si键合研究

在Si和外延层之间使用一层薄金属层作为高效反射镜的所谓"镜面衬底",不但有助于提高芯片的出光效率,同时把键合温度降低到300℃以下。利用Au/In合金的方法,来实现用于高亮LED的Si片与AlGaInP四元外延片的键合。实验表明,在温度为250℃时,利用Au/In作为焊料,Si片与AlGaInP四元外延片可以实现比较好的键合,键合面可以达到60%。通过研磨减薄、X-ray测试和扫描电镜(SEM)测试得出键合面的界面特性,通过能谱分析得出键合面的物质分别为AuIn2和AuIn,实验测试得出此时Au的原子数占33.31%,In的原子数占36.64%。     

薄膜基板芯片共晶焊技术研究

共晶焊是微电子组装技术中的一种重要焊接工艺,在混合集成电路中得到了越来越多的应用。文章简要介绍了共晶焊接的原理,分析了影响薄膜基板与芯片共晶焊的各种因素,并且选用Ti/Ni/Au膜系和AuSn焊料,利用工装夹具在真空环境下通入氮、氢保护气体的方法进行薄膜基板芯片共晶焊技术的研究。试验证明:焊接基板金属化Au层厚度1.5μm,焊接压力为2kPa,焊接温度330℃,时间30s可有效地使空洞面积控制在10%以下。并在150℃高温贮存以及-65℃~150℃温度循环后对共晶焊接样品的剪切强度和接触电阻进行了试验。在可靠性试验后,样品的剪切强度满足GJB548B-2005的要求,接触电阻变化率小于5%。     

不锈钢表面激光熔覆无钴镍基合金涂层研究

为满足某装置用阀门密封面材料不能含有钴的要求,通过激光熔覆两种无钴镍基合金粉末,在0Cr18Ni10Ti不锈钢表面制备出具有梯度硬度分布的较厚涂层,分析了涂层的微观组织、硬度及界面结合强度。结果表明,采用硬度较低的镍基合金涂层作为过渡层,解决了具有较高硬度镍基合金涂层的开裂问题;涂层与基体及两种镍基合金涂层之间界面连续过渡,硬度呈梯度变化,涂层表面硬度达HRC47;涂层与基体界面为完全冶金结合,其界面结合强度大于565MPa;经弯曲及热震试验后,涂层未出现开裂及剥落现象,说明涂层具有良好的抗热震性能。     

Pt层对Ni/Si(100)固相反应NiSi薄膜高温稳定性的增强效应

研究了顺次淀积在Si(100)衬底上的Ni/Pt和Pt/Ni的固相硅化反应．研究发现,当1nm Pt作为中间层或覆盖层加入Ni/Si体系中时,延缓了NiSi向NiSi2的转变,相变温度提高．对于这种双层薄膜体系,800℃退火后,XRD测试未检测到NiSi2相存在;850℃退火后的薄膜仍有一些NiSi衍射峰存在．800℃退火后的薄膜呈现较低的电阻率,在23—25μΩ*cm范围．上述薄膜较Ni/Si直接反应生成膜的热稳定性提高了100℃以上．这有利于NiSi薄膜材料在Si基器件制造中的应用．     

Manufacturability issues related to transient thermal annealing oftitanium silicide films in a rapid thermal processor

Transient thermal annealing of sputtered titanium films in a rapid thermal processor (RTP) is critically evaluated from the viewpoint of manufacturability-related considerations. In particular, the thin-film properties of the resulting titanium silicide on polysilicon and silicon, process uniformity, and unit step wafer yield of high-density scaled device structures are investigated. The experimental results suggest that RTP silicides show good thin-film properties for manufacturability on planar wafer surfaces. Transient thermal gradients in an RTP system are shown to cause substantial variations in the electrical and structural properties of TiSi_x films formed on silicon substrates with varying substrate thicknesses. Closed-loop temperature control in an RTP reactor provided stoichiometrically identical TiSi_x films with negligible substrate thickness dependence. The experimental results also suggest that careful wafer surface temperature control is needed when forming titanium silicide films on nonplanar silicon surfaces, silicon trenches, and process monitor wafers without predetermined wafer thicknesses     

Co/a-GeSi/Ti/Si多层薄膜固相反应外延生长CoSi_2薄膜

研究了在 Co/Ti/Si结构中加入非晶 Ge Si层对 Co Si2 /Si异质固相外延的影响 ,用离子束溅射方法在Si衬底上制备 Co/Ge Si/Ti/Si结构多层薄膜 ,通过快速热退火使多层薄膜发生固相反应。采用四探针电阻仪、AES、XRD、RBS等方法进行测试。实验表明 ,利用 Co/Ge Si/Ti/Si固相反应形成的 Co Si2 薄膜具有良好的外延特性和电学特性 ,Ti中间层和非晶 Ge Si中间层具有促进和改善 Co Si2 外延质量 ,减少衬底耗硅量的作用。Ge原子的存在能够改善外延 Co Si2 薄膜的晶格失配率     

基于BCB键合的MEMS加速度计圆片级封装工艺

对基于BCB的圆片级封装工艺进行了研究,该工艺代表了MEMS加速度计传感器封装的发展趋势,是MEMS加速度计产业化的关键。选用3000系列BCB材料进行MENS传感器的粘结键合工艺试验,解决了圆片级封装问题,在低温250℃和适当压力辅助下≤2．5bar（1bar=100kPa）实现了加速度计的圆片级封装,并对相关的旋涂、键合、气氛、压力等诸多工艺参数进行了优化。