吴亚林，王世宁，曹永海，王　伟，史　鑫

(1.哈尔滨工业大学　机电工程学院,黑龙江哈尔滨　 150001;2.中国电子科技集团公司第四十九研究所,黑龙江哈尔滨　150001)



工程与应用

基于原子扩散的蓝宝石芯片键合技术研究

吴亚林1,2，王世宁2，曹永海2，王伟2，史鑫2

(1.哈尔滨工业大学机电工程学院,黑龙江哈尔滨 150001;2.中国电子科技集团公司第四十九研究所,黑龙江哈尔滨150001)

本文基于原子扩散理论模型，试图介绍一种蓝宝石芯片直接键合技术，给出一定扩散距离下键合温度与键合时间的关系；开展了蓝宝石芯片键合的试验研究；初步制作了键合样品。经测试，键合强度达到0.5 MPa，验证了蓝宝石芯片直接键合的可行性。

蓝宝石芯片；原子扩散；直接键合

TP212.14

A

1673-5692(2016)02-178-04

0　引　言

近年来，针对在强电磁干扰环境下使用超高温压力传感器的需求，已开展了基于蓝宝石MEMS技术的微光学压力传感技术研究[1]。采用蓝宝石微结构敏感芯片与高温光纤封装成的压力传感器，能够在600 ℃下长期稳定工作，短时间内工作可达到1000 ℃，可应用于燃烧室连续的超高温动、静态压力监测[2]。

蓝宝石是一种坚硬、抗腐蚀的晶体，熔点超过2000 ℃[3]，这使其成为高温、恶劣环境传感方面的理想材料。用于超高温压力传感器中的蓝宝石压力敏感结构由两片单晶蓝宝石芯片组成，一片芯片用于感知压力，另一片芯片与其封装在一起形成压力敏感腔结构。常规方法是通过使用中间材料层将两个芯片封装在一起，这样会由于蓝宝石材料与中间材料层的热膨胀系数不匹配而在高温环境下失效[4]。目前，国外已掌握了蓝宝石直接键合技术的工艺方法，例如，日本原子能研究所实现了钛-蓝宝石激光器晶体的直接键合[4-5]；美国弗吉尼亚理工大学也通过亲水预处理、预键合、高温键合等工艺方法实现了蓝宝石芯片的直接键合[6]。而在国内目前还没有关于蓝宝石芯片直接键合技术的报道。

本文分析了基于原子扩散原理的蓝宝石芯片直接键合的工艺参数，并在不使用中间材料层的情况下，将两片蓝宝石芯片通过高温键合技术直接键合在一起，这将避免高温环境下不同材料封装结构的应力失配问题[6-7]。

1　蓝宝石芯片键合

1.1蓝宝石芯片键合原理

本文提出的蓝宝石芯片键合原理是将两片蓝宝石芯片采用亲水预处理、预键合、高温键合及退火[7]等工艺方法，最终通过原子扩散实现两片蓝宝石芯片直接键合在一起。其中，亲水预处理将蓝宝石芯片表面的未饱和Al-键吸附OH-基团以达到饱和，再通过氢键来吸附水分子，利用水分子在两个蓝宝石芯片的表面之间形成弱连接，如图1(a)所示；预键合是通过加热以去除多余的水分子，在键合界面形成氢键，如图1(b)所示；此时水分子从键合界面之间扩散到周围材料中，或者水分子与氧化层表面反应以增加OH-基团的数量；高温键合是通过持续加热以完全去除水分子，在键合界面形成Al-O-Al离子键，如图1(c)所示。

图1　蓝宝石键合原理的示意图

1.2原子扩散理论模型

蓝宝石中的α-Al2O3是强键能的离子键，熔点高、硬度大，这使得蓝宝石的键合难度很大。必须在洁净空间(优于1000级)、较高温度(增加Al3+扩散速率)、较大外压力(减小蓝宝石芯片翘曲度的影响)等条件下才能实现蓝宝石芯片的键合。

由于α-Al2O3的晶格结构中存在空隙(如图2所示)，有利于Al3+的扩散，进而在键合面上形成较强的离子键。

图2　α-Al2O3晶格结构的示意图

原子扩散公式表示为[6,8]：

(1)

其中，c为浓度；D为扩散系数；r为位置；t为时间。

假设在三维空间中各向同性扩散，可通过式(1)得到[6]：

(2)

根据爱因斯坦关系式[9]D=〈r2〉/6t，确定了平均正方形扩散距离〈r2〉为：

(3)

而且，扩散系数的方程式[8]为：

(4)

其中，D0为扩散速率系数；R为常数，R=8.314J/(mol·K)=1.987cal/(mol·K)；Q为活化能；T为绝对温度。

通过查找相关文献[10]，确定了蓝宝石(α-Al2O3)中的原子扩散参数，如表1所示。

表1　蓝宝石中不同原子的扩散参数

结合式(3)和式(4)，可得到

(5)

如果预期实现较强的键合质量，需要使Al原子的平均扩散距离达到200 nm以上。根据此要求，可得到不同温度下需要加热的时间(如图3所示)。由图3可见，随着键合温度的升高，键合时间将减少。

图3　键合温度与键合时间的关系曲线

根据式(4)和式(5)得到不同温度下的扩散系数和键合时间如表2所示。

表2　不同键合温度下所需要的键合时间

由表2可知，为了使Al原子的平均扩散距离达到200 nm，在选择1200 ℃进行高温键合的情况下，键合时间必须达到50 h以上。

2　蓝宝石芯片键合试验研究

2.1蓝宝石芯片键合工艺设计

在本文中，蓝宝石芯片的键合工艺主要包括：①蓝宝石芯片进行亲水预处理；②蓝宝石芯片对贴形成芯片对，然后放置在键合机中进行预键合；③蓝宝石芯片用高温夹具固定，放置在真空高温炉中进行直接键合；④自然冷却至室温后取出夹具，将蓝宝石芯片再置于真空高温炉中进行退火。

2.2蓝宝石芯片的预键合

在亲水预处理过程中，蓝宝石芯片经过“RCA清洗→去离子水超声清洗→浓磷酸腐蚀→稀硫酸浸泡→去离子水冲洗”的化学处理，在蓝宝石芯片表面形成OH-亲水层。

图4是在预键合之前，蓝宝石芯片放置在键合机内的照片。图5是完成预键合之后，蓝宝石芯片放置在一片硅片上拍摄的照片。在图5中可见在键合面中形成了一层肉眼可见的水膜。

图4　蓝宝石芯片在键合机内进行预键合

图5　蓝宝石芯片完成预键合

2.3蓝宝石芯片的高温键合

在预键合的芯片上施加压力的重物(选取5 kg)，在1200 ℃温度下键合50 h，得到完成键合的蓝宝石芯片。由于芯片弯曲会在芯片对中产生气隙，因此用重物压芯片，以消除芯片之间的气隙。键合时间长是为了使原子摆脱束缚力，能够在两芯片的界面之间自由扩散。

高温键合过程主要包括“升温→保温→降温→去重物→退火”等步骤。将蓝宝石芯片放置在高温炉内，温度从室温开始加热到1200 ℃，温升速率为200 ℃/h，以使蓝宝石芯片的键合界面从“羟基(-OH)层之间的氢键”逐渐过渡到“Al-O-Al键合”，并防止键合界面出现较大的空隙。高温炉保持1200 ℃持续50 h，以使蓝宝石中的Al原子具有较高的活化能而摆脱束缚力，穿过键合界面，在蓝宝石芯片之间形成扩散区域，完成键合并具有较高的键合强度。蓝宝石芯片完成高温键合之后，再进行退火(加热到1200 ℃并保持10 h)，是为了释放蓝宝石芯片中的内应力，防止在使用过程中出现崩裂等损坏情况。蓝宝石芯片的键合样品如图6所示。

图6　蓝宝石芯片键合样品

2.4试验测试

在显微镜下对键合的蓝宝石芯片(约40 mm×20 mm)进行观察：如图7所示，键合横截面存在一条白色的亮线，即为两片芯片之间的键合界面，整个键合界面较为均匀，截取其中一部分进行放大观察，在该截面上未发现明显的空隙。通过拉力试验，键合强度为0.5 MPa，满足制备超高温光纤压力传感器敏感结构的需要。

图7　显微镜下观察蓝宝石的键合界面

3　结　语

本文介绍了一种蓝宝石芯片键合技术，理论分析了基于原子扩散原理的蓝宝石芯片直接键合的工艺参数，试验制作了蓝宝石芯片键合样品，通过显微镜观察和拉力试验验证了基于原子扩散的蓝宝石芯片直接键合的可行性。由于蓝宝石优异的物理特性(熔点高而且耐化学腐蚀)，该技术预期可应用于1000 ℃以上超高温压力传感器的研制。

[1]R.D. Pechstedt. Fibre optic pressure and temperature sensor for applications in harsh environments[C].Proc. of SPIE, Vol. 8794, 879405, 1-4, 2013.

[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.

[6]E. M. Lally, Y. Xu, A. Wang. Sapphire direct bonding as a platform for pressure sensing at extreme high temperatures[C].Proc. of SPIE, 2009, 7316, 73160Y.

[7]J. Yi, E. Lally, A. Wang, Y. Xu. Demonstration of an All-Sapphire Fabry-Perot Cavity for Pressure Sensing[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2011, 23(1): 9-11.

[8]P. G. Shewmon. Diffusion in solids[M] McGraw-Hill, New York, (1963) pp. 31.

[9]H.Mehrer. Diffusion in Solids[M].UniversitätMünster, Germany, p. 60.

[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

吴亚林(1963—)，男，辽宁省昌图人，研究员级高级工程师，主要研究方向为微纳传感器技术研究及系统化应用；

E-mail:caoyonghai1986@163.com

王世宁(1983—)，男，黑龙江省鹤岗人，工程师，主要研究方向为光学传感器技术研究；

曹永海(1986—)，男，黑龙江省哈尔滨市人，工程师，主要研究方向为光纤压力传感器研究；

王伟(1968—)，女，黑龙江省哈尔滨市人，研究员级高级工程师，主要研究方向传感器设计研究及MEMS传感器设计工作；

史鑫(1985—)，女，黑龙江省哈尔滨市人，工程师，主要研究方向为传感器技术研究。