吳亞林，王世寧，曹永海，王　偉，史　鑫

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)　機(jī)電工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱　 150001;2.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)

?

工程與應(yīng)用

基于原子擴(kuò)散的藍(lán)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(xué)機(jī)電工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱 150001;2.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)

本文基于原子擴(kuò)散理論模型，試圖介紹一種藍(lán)寶石芯片直接鍵合技術(shù)，給出一定擴(kuò)散距離下鍵合溫度與鍵合時(shí)間的關(guān)系；開(kāi)展了藍(lán)寶石芯片鍵合的試驗(yàn)研究；初步制作了鍵合樣品。經(jīng)測(cè)試，鍵合強(qiáng)度達(dá)到0.5 MPa，驗(yàn)證了藍(lán)寶石芯片直接鍵合的可行性。

藍(lán)寶石芯片；原子擴(kuò)散；直接鍵合

TP212.14

A

1673-5692(2016)02-178-04

0　引　言

近年來(lái)，針對(duì)在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下使用超高溫壓力傳感器的需求，已開(kāi)展了基于藍(lán)寶石MEMS技術(shù)的微光學(xué)壓力傳感技術(shù)研究[1]。采用藍(lán)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(zhǎng)期穩(wěn)定工作，短時(shí)間內(nèi)工作可達(dá)到1000 ℃，可應(yīng)用于燃燒室連續(xù)的超高溫動(dòng)、靜態(tài)壓力監(jiān)測(cè)[2]。

藍(lán)寶石是一種堅(jiān)硬、抗腐蝕的晶體，熔點(diǎn)超過(guò)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(lán)寶石壓力敏感結(jié)構(gòu)由兩片單晶藍(lán)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(guò)使用中間材料層將兩個(gè)芯片封裝在一起，這樣會(huì)由于藍(lán)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(guó)外已掌握了藍(lán)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(shí)現(xiàn)了鈦-藍(lán)寶石激光器晶體的直接鍵合[4-5]；美國(guó)弗吉尼亞理工大學(xué)也通過(guò)親水預(yù)處理、預(yù)鍵合、高溫鍵合等工藝方法實(shí)現(xiàn)了藍(lán)寶石芯片的直接鍵合[6]。而在國(guó)內(nèi)目前還沒(méi)有關(guān)于藍(lán)寶石芯片直接鍵合技術(shù)的報(bào)道。

本文分析了基于原子擴(kuò)散原理的藍(lán)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(lán)寶石芯片通過(guò)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(wèn)題[6-7]。

1　藍(lán)寶石芯片鍵合

1.1藍(lán)寶石芯片鍵合原理

本文提出的藍(lán)寶石芯片鍵合原理是將兩片藍(lán)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(guò)原子擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)兩片藍(lán)寶石芯片直接鍵合在一起。其中，親水預(yù)處理將藍(lán)寶石芯片表面的未飽和Al-鍵吸附OH-基團(tuán)以達(dá)到飽和，再通過(guò)氫鍵來(lái)吸附水分子，利用水分子在兩個(gè)藍(lán)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(guò)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(shí)水分子從鍵合界面之間擴(kuò)散到周?chē)牧现?，或者水分子與氧化層表面反應(yīng)以增加OH-基團(tuán)的數(shù)量；高溫鍵合是通過(guò)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(lán)寶石鍵合原理的示意圖

1.2原子擴(kuò)散理論模型

藍(lán)寶石中的α-Al2O3是強(qiáng)鍵能的離子鍵，熔點(diǎn)高、硬度大，這使得藍(lán)寶石的鍵合難度很大。必須在潔凈空間(優(yōu)于1000級(jí))、較高溫度(增加Al3+擴(kuò)散速率)、較大外壓力(減小藍(lán)寶石芯片翹曲度的影響)等條件下才能實(shí)現(xiàn)藍(lán)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A(yíng)l3+的擴(kuò)散，進(jìn)而在鍵合面上形成較強(qiáng)的離子鍵。

圖2　α-Al2O3晶格結(jié)構(gòu)的示意圖

原子擴(kuò)散公式表示為[6,8]：

(1)

其中，c為濃度；D為擴(kuò)散系數(shù)；r為位置；t為時(shí)間。

假設(shè)在三維空間中各向同性擴(kuò)散，可通過(guò)式(1)得到[6]：

(2)

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

(3)

而且，擴(kuò)散系數(shù)的方程式[8]為：

(4)

其中，D0為擴(kuò)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(duì)溫度。

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

表1　藍(lán)寶石中不同原子的擴(kuò)散參數(shù)

結(jié)合式(3)和式(4)，可得到

(5)

如果預(yù)期實(shí)現(xiàn)較強(qiáng)的鍵合質(zhì)量，需要使Al原子的平均擴(kuò)散距離達(dá)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(shí)間(如圖3所示)。由圖3可見(jiàn)，隨著鍵合溫度的升高，鍵合時(shí)間將減少。

圖3　鍵合溫度與鍵合時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)

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

表2　不同鍵合溫度下所需要的鍵合時(shí)間

由表2可知，為了使Al原子的平均擴(kuò)散距離達(dá)到200 nm，在選擇1200 ℃進(jìn)行高溫鍵合的情況下，鍵合時(shí)間必須達(dá)到50 h以上。

2　藍(lán)寶石芯片鍵合試驗(yàn)研究

2.1藍(lán)寶石芯片鍵合工藝設(shè)計(jì)

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

2.2藍(lán)寶石芯片的預(yù)鍵合

在親水預(yù)處理過(guò)程中，藍(lán)寶石芯片經(jīng)過(guò)“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(xué)處理，在藍(lán)寶石芯片表面形成OH-親水層。

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

圖4　藍(lán)寶石芯片在鍵合機(jī)內(nèi)進(jìn)行預(yù)鍵合

圖5　藍(lán)寶石芯片完成預(yù)鍵合

2.3藍(lán)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(lán)寶石芯片。由于芯片彎曲會(huì)在芯片對(duì)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(shí)間長(zhǎng)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(kuò)散。

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

圖6　藍(lán)寶石芯片鍵合樣品

2.4試驗(yàn)測(cè)試

在顯微鏡下對(duì)鍵合的藍(lán)寶石芯片(約40 mm×20 mm)進(jìn)行觀(guān)察：如圖7所示，鍵合橫截面存在一條白色的亮線(xiàn)，即為兩片芯片之間的鍵合界面，整個(gè)鍵合界面較為均勻，截取其中一部分進(jìn)行放大觀(guān)察，在該截面上未發(fā)現(xiàn)明顯的空隙。通過(guò)拉力試驗(yàn)，鍵合強(qiáng)度為0.5 MPa，滿(mǎn)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(guān)察藍(lán)寶石的鍵合界面

3　結(jié)　語(yǔ)

本文介紹了一種藍(lán)寶石芯片鍵合技術(shù)，理論分析了基于原子擴(kuò)散原理的藍(lán)寶石芯片直接鍵合的工藝參數(shù)，試驗(yàn)制作了藍(lán)寶石芯片鍵合樣品，通過(guò)顯微鏡觀(guān)察和拉力試驗(yàn)驗(yàn)證了基于原子擴(kuò)散的藍(lán)寶石芯片直接鍵合的可行性。由于藍(lán)寶石優(yōu)異的物理特性(熔點(diǎn)高而且耐化學(xué)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。

[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].Universit?tMünster, 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

吳亞林(1963—)，男，遼寧省昌圖人，研究員級(jí)高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)槲⒓{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?yàn)楣鈱W(xué)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?yàn)楣饫w壓力傳感器研究；

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

史鑫(1985—)，女，黑龍江省哈爾濱市人，工程師，主要研究方向?yàn)閭鞲衅骷夹g(shù)研究。