SOI壓力傳感器陽(yáng)極鍵合殘余應(yīng)力研究

李玉玲， 王明偉， 張林超， 吳佐飛

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

絕緣體上硅(silicon on insulator,SOI)硅片的引入將壓力傳感器的工作溫度上限從125℃拓寬到了450 ℃，促進(jìn)了微電機(jī)系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system,MEMS)壓力傳感器在汽車、探井、航天、航空、兵器等高溫場(chǎng)合的推廣應(yīng)用。陽(yáng)極鍵合強(qiáng)度高、密封性好，可用于SOI硅片和硼硅玻璃片的圓片級(jí)封裝，實(shí)現(xiàn)壓力參考腔的密封[1～3]。陽(yáng)極鍵合是一種電化學(xué)工藝，依賴于鍵合玻璃中堿金屬離子的極化，需要將鍵合片加熱到300～450 ℃，使玻璃片具有足夠的導(dǎo)電性[4]，工藝結(jié)束降溫至室溫(約25 ℃)；由于硅片和鍵合玻璃的熱膨脹系數(shù)不同[5](硅：2.6×10-6/K，鍵合玻璃：3.3×10-6/K)，所以,隨溫度變化引起的形變量不同，具體為玻璃收縮形變比硅的收縮形變大，在硅片表面及內(nèi)部產(chǎn)生了應(yīng)力和應(yīng)變，這種熱應(yīng)力是影響壓力傳感器零點(diǎn)漂移、滿量程輸出溫度漂移等性能的主要因素。

本文研究了陽(yáng)極鍵合的殘余應(yīng)力，基于熱力學(xué)基礎(chǔ)建立了熱應(yīng)力分析模型，分析了玻璃厚度對(duì)應(yīng)力大小的影響，提出了通過(guò)調(diào)整鍵合玻璃厚度實(shí)現(xiàn)應(yīng)力匹配來(lái)控制殘余應(yīng)力的方法，通過(guò)工藝試驗(yàn)驗(yàn)證了殘余應(yīng)力的抑制效果。

1 熱應(yīng)力分析模型[6]

陽(yáng)極鍵合的SiO2/Si雙層復(fù)合層如圖1所示，x向?yàn)閳A片徑向，x=0處為圓片中心，其中,tox為玻璃的厚度，tsi為硅的厚度。假設(shè)鍵合溫度為T′，硅和玻璃長(zhǎng)度均為L(zhǎng)′，該溫度不存在內(nèi)應(yīng)變(即固有應(yīng)變)。

假設(shè)玻璃和硅沒(méi)有鍵合，沒(méi)有互相約束，冷卻到室溫T，玻璃的長(zhǎng)度將變?yōu)?/p>

Lox=L′ (1-αoxΔT),ΔT=T′-T

(1)

式中αox=3.3×10-6/K為玻璃的熱膨脹系數(shù)。硅的長(zhǎng)度變?yōu)?/p>

LSi=L′ (1-αSiΔT)

(2)

式中αsi=2.6×10-6/K為硅的熱膨脹系數(shù)。硅的彈性模量Esi=1.7×1011Pa，玻璃的彈性模量Eox=0.7×1011Pa，鍵合溫度T'=360 ℃，室溫T=20 ℃。

圖1 鍵合后SiO2/Si芯片結(jié)構(gòu)

實(shí)際上,在完成陽(yáng)極鍵合的復(fù)合結(jié)構(gòu)中，因?yàn)棣羙x大于αsi，所以,在溫度T時(shí)，SiO2/Si復(fù)合結(jié)構(gòu)的玻璃層被拉伸，硅層被壓縮受壓應(yīng)力,則復(fù)合結(jié)構(gòu)在溫度T時(shí)的長(zhǎng)度L介于Lox與Lsi之間，即Lox>L>Lsi。又因?yàn)棣羙xΔT和αsiΔT遠(yuǎn)小于1，玻璃和硅的應(yīng)變分別為

(3)

由于圓片末端為自由端，末端總受力為零。可得

(4)

將上述關(guān)系式整理后，溫度T的復(fù)合結(jié)構(gòu)長(zhǎng)為[4]

(5)

式中αeff為復(fù)合結(jié)構(gòu)的有效熱膨脹系數(shù)。

SiO2/Si雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)末端受到的合力為零，在除去結(jié)構(gòu)末端的其他位置，復(fù)合結(jié)構(gòu)的彎曲引起的應(yīng)變用來(lái)形成力矩平衡，硅層受到因彎曲引起的拉應(yīng)力。如果定義復(fù)合結(jié)構(gòu)位移函數(shù)為w(x)，彎曲引起應(yīng)力為-(z-z0)w′(x)。其中，z0為中性面的位置，中性面既沒(méi)有被壓縮，也沒(méi)有被拉伸，正應(yīng)力為0；w′(x)為復(fù)合結(jié)構(gòu)的曲率。若考慮彎曲引起的應(yīng)變，硅的應(yīng)力為

(6)

中性面的位置為

(7)

用相對(duì)于中性面力矩平衡條件可算出復(fù)合結(jié)構(gòu)曲率

(8)

求得曲率表達(dá)式為

w″=

(9)

計(jì)算應(yīng)力結(jié)果為

(10)

可知，當(dāng)硅片厚度為500 μm時(shí)，玻璃片厚度取200，500，1 200 μm，對(duì)應(yīng)硅片表面應(yīng)力分別為8.45，6.91，-1.92 MPa。玻璃層的厚度會(huì)影響硅層表面的應(yīng)力大小和方向，合適玻璃片的厚度可以實(shí)現(xiàn)硅表面壓應(yīng)力和拉應(yīng)力的相互抵消，即可以通過(guò)調(diào)節(jié)玻璃片厚度來(lái)實(shí)現(xiàn)零應(yīng)力(玻璃片厚度1 033 μm)，如圖2。

圖2 熱應(yīng)力與玻璃層厚度關(guān)系

2 工藝試驗(yàn)

陽(yáng)極鍵合工藝的熱應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致圓片在鍵合前后的翹曲情況發(fā)生變化，通過(guò)翹曲曲率半徑的測(cè)量可以表征應(yīng)力的量值，圓片曲率半徑測(cè)試原理如圖3。

圖3 曲率半徑測(cè)試原理

本文開(kāi)展了熱應(yīng)力分析試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程如下：

1)取厚度500 μm的N型(100)單晶雙面拋光硅片；2)測(cè)量硅片正面初始曲率半徑R0；3)用氫氟酸(HF)緩沖液漂凈自然氧化層，0#，2#液標(biāo)準(zhǔn)清洗；4)將硅片背面與玻璃片陽(yáng)極鍵合；5)測(cè)量圓片曲率半徑R1；6)計(jì)算硅表面應(yīng)力。

本文進(jìn)行了3組試驗(yàn)，玻璃片厚度分別為1#樣品300 μm,2#樣品500 μm,3#樣品1 000 μm。

使用薄膜應(yīng)力測(cè)試儀測(cè)量3#樣品R0結(jié)果如圖4。表1為三個(gè)樣品的曲率半徑測(cè)量結(jié)果，通過(guò)比較R0和R1可見(jiàn)，鍵合工藝前后圓片的曲率半徑發(fā)生了顯著變化,玻璃片越厚，曲率半徑變化越大。

圖4 3#樣品初始曲率半徑測(cè)量結(jié)果

表1 曲率半徑測(cè)量結(jié)果

薄膜應(yīng)力測(cè)試儀測(cè)得由于結(jié)構(gòu)彎曲引起的拉應(yīng)力分布如圖5，圖中最大應(yīng)力小于20 MPa，平均應(yīng)力小于5 MPa。

圖5 3#樣品應(yīng)力分布

3 芯片驗(yàn)證

為驗(yàn)證硅表面壓應(yīng)力和拉應(yīng)力的抵消效果，采用525 μm SOI硅片，分別用制備了11#樣品(玻璃片300 μm厚)、12#樣品(玻璃片500 μm厚)、13#樣品(玻璃片1 000 μm厚)三片SOI壓力傳感器芯片，并用未鍵合的10#樣品作為參考。

長(zhǎng)期穩(wěn)定性是驗(yàn)證應(yīng)力大小的重要指標(biāo)，對(duì)上述20只樣品的零點(diǎn)輸出長(zhǎng)期穩(wěn)定性進(jìn)行考核，測(cè)試溫度為25 ℃，壓力載荷為100 kPa，考核周期為12個(gè)月，測(cè)試結(jié)果：13#樣品零點(diǎn)穩(wěn)定性可以達(dá)到0.097 %，11#和12#樣品零點(diǎn)穩(wěn)定性分別為0.015 %與0.024 %，10#樣品的零點(diǎn)穩(wěn)定性為0.086 %。數(shù)據(jù)表明，13#的零點(diǎn)穩(wěn)定性優(yōu)于11#和12#樣品，與10#樣品的零點(diǎn)穩(wěn)定性比較接近，驗(yàn)證了通過(guò)調(diào)整玻璃片厚度實(shí)現(xiàn)應(yīng)力匹配的分析結(jié)果。

4 結(jié) 論

本文研究了應(yīng)用于SOI壓力傳感器的陽(yáng)極鍵合技術(shù)，通過(guò)力學(xué)模型分析發(fā)現(xiàn)：通過(guò)調(diào)整鍵合玻璃片的厚度實(shí)現(xiàn)硅表面壓應(yīng)力和拉應(yīng)力相互抵消，從而通過(guò)應(yīng)力匹配降低陽(yáng)極鍵合產(chǎn)生的熱應(yīng)力。通過(guò)工藝試驗(yàn)和SOI壓力傳感器的研制、測(cè)試，驗(yàn)證了力學(xué)模型分析的正確性。