吳亞林，王世寧，曹永海，王　偉，史　鑫

(1.哈爾濱工業(yè)大學　機電工程學院,黑龍江哈爾濱　 150001;2.中國電子科技集團公司第四十九研究所,黑龍江哈爾濱　150001)

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工程與應(yīng)用

基于原子擴散的藍寶石芯片鍵合技術(shù)研究

吳亞林1,2，王世寧2，曹永海2，王偉2，史鑫2

(1.哈爾濱工業(yè)大學機電工程學院,黑龍江哈爾濱 150001;2.中國電子科技集團公司第四十九研究所,黑龍江哈爾濱150001)

本文基于原子擴散理論模型，試圖介紹一種藍寶石芯片直接鍵合技術(shù)，給出一定擴散距離下鍵合溫度與鍵合時間的關(guān)系；開展了藍寶石芯片鍵合的試驗研究；初步制作了鍵合樣品。經(jīng)測試，鍵合強度達到0.5 MPa，驗證了藍寶石芯片直接鍵合的可行性。

藍寶石芯片；原子擴散；直接鍵合

TP212.14

A

1673-5692(2016)02-178-04

0　引　言

近年來，針對在強電磁干擾環(huán)境下使用超高溫壓力傳感器的需求，已開展了基于藍寶石MEMS技術(shù)的微光學壓力傳感技術(shù)研究[1]。采用藍寶石微結(jié)構(gòu)敏感芯片與高溫光纖封裝成的壓力傳感器，能夠在600 ℃下長期穩(wěn)定工作，短時間內(nèi)工作可達到1000 ℃，可應(yīng)用于燃燒室連續(xù)的超高溫動、靜態(tài)壓力監(jiān)測[2]。

藍寶石是一種堅硬、抗腐蝕的晶體，熔點超過2000 ℃[3]，這使其成為高溫、惡劣環(huán)境傳感方面的理想材料。用于超高溫壓力傳感器中的藍寶石壓力敏感結(jié)構(gòu)由兩片單晶藍寶石芯片組成，一片芯片用于感知壓力，另一片芯片與其封裝在一起形成壓力敏感腔結(jié)構(gòu)。常規(guī)方法是通過使用中間材料層將兩個芯片封裝在一起，這樣會由于藍寶石材料與中間材料層的熱膨脹系數(shù)不匹配而在高溫環(huán)境下失效[4]。目前，國外已掌握了藍寶石直接鍵合技術(shù)的工藝方法，例如，日本原子能研究所實現(xiàn)了鈦-藍寶石激光器晶體的直接鍵合[4-5]；美國弗吉尼亞理工大學也通過親水預(yù)處理、預(yù)鍵合、高溫鍵合等工藝方法實現(xiàn)了藍寶石芯片的直接鍵合[6]。而在國內(nèi)目前還沒有關(guān)于藍寶石芯片直接鍵合技術(shù)的報道。

本文分析了基于原子擴散原理的藍寶石芯片直接鍵合的工藝參數(shù)，并在不使用中間材料層的情況下，將兩片藍寶石芯片通過高溫鍵合技術(shù)直接鍵合在一起，這將避免高溫環(huán)境下不同材料封裝結(jié)構(gòu)的應(yīng)力失配問題[6-7]。

1　藍寶石芯片鍵合

1.1藍寶石芯片鍵合原理

本文提出的藍寶石芯片鍵合原理是將兩片藍寶石芯片采用親水預(yù)處理、預(yù)鍵合、高溫鍵合及退火[7]等工藝方法，最終通過原子擴散實現(xiàn)兩片藍寶石芯片直接鍵合在一起。其中，親水預(yù)處理將藍寶石芯片表面的未飽和Al-鍵吸附OH-基團以達到飽和，再通過氫鍵來吸附水分子，利用水分子在兩個藍寶石芯片的表面之間形成弱連接，如圖1(a)所示；預(yù)鍵合是通過加熱以去除多余的水分子，在鍵合界面形成氫鍵，如圖1(b)所示；此時水分子從鍵合界面之間擴散到周圍材料中，或者水分子與氧化層表面反應(yīng)以增加OH-基團的數(shù)量；高溫鍵合是通過持續(xù)加熱以完全去除水分子，在鍵合界面形成Al-O-Al離子鍵，如圖1(c)所示。

圖1　藍寶石鍵合原理的示意圖

1.2原子擴散理論模型

藍寶石中的α-Al2O3是強鍵能的離子鍵，熔點高、硬度大，這使得藍寶石的鍵合難度很大。必須在潔凈空間(優(yōu)于1000級)、較高溫度(增加Al3+擴散速率)、較大外壓力(減小藍寶石芯片翹曲度的影響)等條件下才能實現(xiàn)藍寶石芯片的鍵合。

由于α-Al2O3的晶格結(jié)構(gòu)中存在空隙(如圖2所示)，有利于Al3+的擴散，進而在鍵合面上形成較強的離子鍵。

圖2　α-Al2O3晶格結(jié)構(gòu)的示意圖

原子擴散公式表示為[6,8]：

(1)

其中，c為濃度；D為擴散系數(shù)；r為位置；t為時間。

假設(shè)在三維空間中各向同性擴散，可通過式(1)得到[6]：

(2)

根據(jù)愛因斯坦關(guān)系式[9]D=〈r2〉/6t，確定了平均正方形擴散距離〈r2〉為：

(3)

而且，擴散系數(shù)的方程式[8]為：

(4)

其中，D0為擴散速率系數(shù)；R為常數(shù)，R=8.314J/(mol·K)=1.987cal/(mol·K)；Q為活化能；T為絕對溫度。

通過查找相關(guān)文獻[10]，確定了藍寶石(α-Al2O3)中的原子擴散參數(shù)，如表1所示。

表1　藍寶石中不同原子的擴散參數(shù)

結(jié)合式(3)和式(4)，可得到

(5)

如果預(yù)期實現(xiàn)較強的鍵合質(zhì)量，需要使Al原子的平均擴散距離達到200 nm以上。根據(jù)此要求，可得到不同溫度下需要加熱的時間(如圖3所示)。由圖3可見，隨著鍵合溫度的升高，鍵合時間將減少。

圖3　鍵合溫度與鍵合時間的關(guān)系曲線

根據(jù)式(4)和式(5)得到不同溫度下的擴散系數(shù)和鍵合時間如表2所示。

表2　不同鍵合溫度下所需要的鍵合時間

由表2可知，為了使Al原子的平均擴散距離達到200 nm，在選擇1200 ℃進行高溫鍵合的情況下，鍵合時間必須達到50 h以上。

2　藍寶石芯片鍵合試驗研究

2.1藍寶石芯片鍵合工藝設(shè)計

在本文中，藍寶石芯片的鍵合工藝主要包括：①藍寶石芯片進行親水預(yù)處理；②藍寶石芯片對貼形成芯片對，然后放置在鍵合機中進行預(yù)鍵合；③藍寶石芯片用高溫夾具固定，放置在真空高溫爐中進行直接鍵合；④自然冷卻至室溫后取出夾具，將藍寶石芯片再置于真空高溫爐中進行退火。

2.2藍寶石芯片的預(yù)鍵合

在親水預(yù)處理過程中，藍寶石芯片經(jīng)過“RCA清洗→去離子水超聲清洗→濃磷酸腐蝕→稀硫酸浸泡→去離子水沖洗”的化學處理，在藍寶石芯片表面形成OH-親水層。

圖4是在預(yù)鍵合之前，藍寶石芯片放置在鍵合機內(nèi)的照片。圖5是完成預(yù)鍵合之后，藍寶石芯片放置在一片硅片上拍攝的照片。在圖5中可見在鍵合面中形成了一層肉眼可見的水膜。

圖4　藍寶石芯片在鍵合機內(nèi)進行預(yù)鍵合

圖5　藍寶石芯片完成預(yù)鍵合

2.3藍寶石芯片的高溫鍵合

在預(yù)鍵合的芯片上施加壓力的重物(選取5 kg)，在1200 ℃溫度下鍵合50 h，得到完成鍵合的藍寶石芯片。由于芯片彎曲會在芯片對中產(chǎn)生氣隙，因此用重物壓芯片，以消除芯片之間的氣隙。鍵合時間長是為了使原子擺脫束縛力，能夠在兩芯片的界面之間自由擴散。

高溫鍵合過程主要包括“升溫→保溫→降溫→去重物→退火”等步驟。將藍寶石芯片放置在高溫爐內(nèi)，溫度從室溫開始加熱到1200 ℃，溫升速率為200 ℃/h，以使藍寶石芯片的鍵合界面從“羥基(-OH)層之間的氫鍵”逐漸過渡到“Al-O-Al鍵合”，并防止鍵合界面出現(xiàn)較大的空隙。高溫爐保持1200 ℃持續(xù)50 h，以使藍寶石中的Al原子具有較高的活化能而擺脫束縛力，穿過鍵合界面，在藍寶石芯片之間形成擴散區(qū)域，完成鍵合并具有較高的鍵合強度。藍寶石芯片完成高溫鍵合之后，再進行退火(加熱到1200 ℃并保持10 h)，是為了釋放藍寶石芯片中的內(nèi)應(yīng)力，防止在使用過程中出現(xiàn)崩裂等損壞情況。藍寶石芯片的鍵合樣品如圖6所示。

圖6　藍寶石芯片鍵合樣品

2.4試驗測試

在顯微鏡下對鍵合的藍寶石芯片(約40 mm×20 mm)進行觀察：如圖7所示，鍵合橫截面存在一條白色的亮線，即為兩片芯片之間的鍵合界面，整個鍵合界面較為均勻，截取其中一部分進行放大觀察，在該截面上未發(fā)現(xiàn)明顯的空隙。通過拉力試驗，鍵合強度為0.5 MPa，滿足制備超高溫光纖壓力傳感器敏感結(jié)構(gòu)的需要。

圖7　顯微鏡下觀察藍寶石的鍵合界面

3　結(jié)　語

本文介紹了一種藍寶石芯片鍵合技術(shù)，理論分析了基于原子擴散原理的藍寶石芯片直接鍵合的工藝參數(shù)，試驗制作了藍寶石芯片鍵合樣品，通過顯微鏡觀察和拉力試驗驗證了基于原子擴散的藍寶石芯片直接鍵合的可行性。由于藍寶石優(yōu)異的物理特性(熔點高而且耐化學腐蝕)，該技術(shù)預(yù)期可應(yīng)用于1000 ℃以上超高溫壓力傳感器的研制。

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[2]A. Winterburn, R. Pechstedt, F. Maillaud, et al. Exrension of an optical dynamic pressure sensor to measure temperature and absolute pressure in combustion applications[C]. The Future of Gas Turbine Technology, 6th International Conference, 17-18 October 2012, Brussels,

Belgium.

[3]E.R. Dobrovinskaya, L. A. Lytvynov, V. Pishchik. Sapphire: Material, Manufacturing, Applications[M]. Springer Science + Business Media, LLC 2009.

[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, 2000, 4231, 261-268.

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[10]Y. Adda, J.Philibert. La Diffusion danslesSolides[M], Vol.2, 1996.

The Research of Sapphire Chip Bonding Technique Based on Atomicdiffusion

WU Ya-lin1,2, WANG Shi-ning2, CAO Yong-hai2, WANG Wei2, SHI Xin2

(1. Harbin Institute of Technology, School of Mechatronics Engineering, Harbin 150001, China;2.The 49th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Harbin 150001, China)

A direct bonding technique of sapphire chip is introduced. Based on atomic diffusion theory model, relationship between bonding temperature and time at a certain distance of diffusion is given; test research on bonding of sapphire chip is developed; specimen of bonding is produced primarily. Through test, bonding strength reaches 0.5 MPa, and feasibility of direct bonding of sapphire chip is verified.

Sapphirechip; Atomic diffusion; Directbonding

10.3969/j.issn.1673-5692.2016.02.011

2015-11-30

2016-01-22

吳亞林(1963—)，男，遼寧省昌圖人，研究員級高級工程師，主要研究方向為微納傳感器技術(shù)研究及系統(tǒng)化應(yīng)用；

E-mail:caoyonghai1986@163.com

王世寧(1983—)，男，黑龍江省鶴崗人，工程師，主要研究方向為光學傳感器技術(shù)研究；

曹永海(1986—)，男，黑龍江省哈爾濱市人，工程師，主要研究方向為光纖壓力傳感器研究；

王偉(1968—)，女，黑龍江省哈爾濱市人，研究員級高級工程師，主要研究方向傳感器設(shè)計研究及MEMS傳感器設(shè)計工作；

史鑫(1985—)，女，黑龍江省哈爾濱市人，工程師，主要研究方向為傳感器技術(shù)研究。