微機電系統應用之接合技術微機電系統應用之接合技術

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微機電系統應用之接合技術微機電系統應用之接合技術

Bonding technology in MEMS applications Bonding technology in MEMS applications

楊啟榮博士

教授

國立台灣師範大學機電科技學系

Department of Mechatronic Technology National Taiwan Normal University

Tel: 02-23583221 ext. 14

E-mail:ycr@ntnu.edu.tw

(2)

綱綱要要

z 接合技術

z 接合檢驗技術

z 對準接合技術

z 接合技術之基本限制

z 接合技術的應用

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簡簡介介

接合除了有保護元件的功能外，更重要的是基於製程的需要將將兩片或以上的基板以各種方式接合在一起，或將製作好之各個基板組合成具特定要求或功能的元件，由於接合技術使元件設計的廣度增加，並適度的突破體型或面型微機 械加工的 2-D 或 3-D 限制，因而我們可以設計更複雜且更實用的元件。如製 作壓力感測器、微閥、微幫浦、加速規等許多微機械元件都必須利用接合技術

；又如在玻璃或矽晶片上製作微通道配合微閥與微幫浦接合成為微流體系統；

或者利用玻璃的抗氫氧化鉀蝕刻的特性，將晶片接合在玻璃上，接著執行體型微機械加工，以氫氧化鉀蝕刻單晶矽製作壓力感測器、加速規與其他元件所需的隔膜結構。

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接合技術可以說是建立在基板準備、雙面對準以及接合三個步驟下，不論是哪一種接合，都必須將基板表面清洗乾淨，或者在基板表面形成一層適合接 合的薄膜，如 pyrex #7740 、二氧化矽、氮化矽、金、環氧樹脂 (epoxy

resin) 、有機物等，接著選擇正確的雙面對準方式，將兩片基板對準完全，

最後利用基板接合機，施予適當的溫度、電壓、真空度、壓力來進行接合。

就接合之基板來說，一般有晶片與晶片、晶片與玻璃、玻璃與玻璃、玻璃與其他金屬、石英與石英等數種接合，若就接合之方法來說，應用最廣的是接 合晶片與玻璃的陽極接合 (anodic bonding) ，其他還有共晶接合 (eutectic bonding) 、融熔接合 (fusion bonding) 、直接接合 (direct bonding) 、黏著接 合 (adhesive bonding) 等。

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Flow channels formed by silicon-glass bonding

A microaccelerometer using wafer bonding.

(6)

接合技術接合技術

Bonding Technology

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矽晶片

加熱裝置

玻璃 ~ 1000 V

~ 400 C

陽極接合適用於接合玻璃與晶片，接合強度達數 kg/cm² ，首先將玻璃置於晶片上並將晶 片加熱至 400 °C 左右，同時加 200-1000 V 左右的直流電壓，晶片接正極，玻璃接負極，

隨著溫度的增加，玻璃中的帶正電鈉離子逐漸變得可移動而往負極漂移 (drift) ，所以在 玻璃靠晶片的部分會逐漸形成空乏層 (depletion layer) ，造成很大的電場在晶片與玻璃的 介面間，這個電場會使玻璃中的氧原子與矽鍵結 (bond) 在一起，造成一定的接合力量。

陽極接合陽極接合 (anodic bonding) (anodic bonding)

陽極接合基本示意圖

正極：矽晶片負極：玻璃

Corning 7740 (Pyrex)最佳

因其熱膨脹係數與矽接近

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陽極接合陽極接合 (anodic bonding) (anodic bonding) 原理原理

300~500℃

O Si

O Si O

Si

O Si

NaOH

Glass pyrex 7740 200 ~ 1000V

Power supply

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熱膨脹係數之比較熱膨脹係數之比較

30.9×10

^-7

/℃

Silicon

32.5×10

^-7

/℃

PYREX 7740

Thermal expansion

coefficient

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Newton's ring 牛頓環

Bonded

Un-Bond

glass

silicon Before bonding

Newton Ring

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陽極接合過程

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陽極接合所需設備

1 2

3

4

1. 電源供應器 2. 陰極電極 3. 陽極電極板 4. 陶瓷加熱板

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如果需要接合兩片晶片，可以在兩片晶片或其中一片晶片上濺鍍一層玻璃

，通常是 pyrex #7740 ，就可以接合這兩片晶片，事實上其他金屬或半導 體也可以和玻璃接合，例如鋁、鐵鎳鈷合金等都可以和玻璃接合，但是白金與金等不易氧化的金屬，或銀等會產生在玻璃中移動的離子的金屬，就不適合與玻璃接合。

陽極接合陽極接合 ( ( 續續 ) )

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共晶接合共晶接合 (eutectic bonding) (eutectic bonding)

共晶接合主要是基於兩種材料合金 (alloy) 之熔點，會低於這兩種材料的熔點，而最低熔 點的材料混合比例則稱為共晶點，金常常應用於接合矽晶片與矽晶片，金與矽的共晶溫 度約 363 °C ，比例分別是 97.11 wt.% 的金與 2.9 wt.% 的矽，因此在矽晶片上濺鍍一層 金，施予適合的溫度即可進行兩個矽晶片的接合，其優點為可以在較低的溫度進行接合

，但是如果接合完成後，仍須使用高溫製程，則金會擴散到矽中而使接合強度降低。

矽晶片

加熱裝置

矽晶片金

共晶接合示意圖

z金與矽共晶接合溫度370℃

z金的熔點1063 ℃

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熔融接合熔融接合 (fusion bonding) (fusion bonding)

熔融接合主要用來接合兩片或更多片的矽晶片，典型的融熔接合包括兩個步驟，首先 經過一連串的清洗程序，使晶片表面呈親水性，例如以 NH₄

OH/H

₂

O

₂

/H

₂

O 、

此時會因為凡得瓦力而黏合，再置入高溫中 (如 1100 °C) ，使接合晶片的表面形成矽- 二氧化矽-矽的鍵結，此時接合力量大約與矽的降伏強度同等級。

矽晶片矽晶片

(a)

矽晶片矽晶片晶片表面親水性處理

高溫熱處理

(b)

熔融接合基本步驟

加壓

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熔融接合熔融接合 ( ( 續續 ) )

z 玻璃 – 玻璃直接接合

z 矽 – 矽直接接合

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直接接合直接接合 (direct bonding) (direct bonding)

z 玻璃 – 玻璃直接接合

z 矽 – 矽直接接合 直接接合技術為利用化學藥品活化晶片表面，使晶片結合。接合界面不使用介質，

其接合溫度在100~200℃屬於低溫接合。

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黏著接合黏著接合 (adhesive bonding) (adhesive bonding)

黏著接合是在兩基板之間塗抹一層黏著物質，例如環氧樹脂、有機物、高分子

，甚至光阻等，施予適當的溫度與壓力進行接合，黏著接合可以填滿基板上凹凸不一的表面輪廓，因此可以達到某種程度的氣密，以隔絕外界的溫度與濕度變化，而接合的基板範圍也比較廣，如矽晶片、金屬、陶瓷、玻璃、高分子等 基板，操作溫度相對比較低，約介於常溫到 150 °C 左右，但黏著層的厚度控制 比較不精確，且一般厚度比較厚，另外黏著接合之後如果有高溫製程，可能造成黏著層的特性改變使兩片基板失去接合力，甚至或產生氣泡。

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玻璃介質接合玻璃介質接合

以低熔點的玻璃為介質，將晶片接合的方式。膠糊狀玻璃介質以旋轉塗佈或經紗網印刷至晶片上，先經預烤去除溶劑，再將晶片接觸加壓烘烤。膠糊玻璃介質可整平晶片表面，在工業上常用於封裝及密封用途。

z 玻璃介質接合過程

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低溫玻璃接合低溫玻璃接合

低溫玻璃接合使用氫氟酸(HF)為接 著劑，進行玻璃–玻璃界面接合，

其流程如右圖所示。首先使用丙酮

(acetone)移除玻璃晶片有機污染物

，再使用硫酸(H₂

SO

₄

)＋雙氧水 (H

₂

O

₂

)清潔，最後使用1% HF進行

表面蝕刻及接合。

晶片清潔

將

1wt%HF

^注入晶片

置於室溫中並施加壓 力(0.04~1.3Mpa)

沖去離子水並吹乾

玻璃晶片玻璃晶片

夾具

夾具玻璃晶片

玻璃晶片 1wt%HF

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有機介質接合

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PMMA介質接合 PMMA 介質接合

利用PMMA溶液為接著介質層，提供 黏膠方式接合。由於PMMA溶液具有 極高黏度，塗佈時必須避免破壞結構

。由於PMMA軟化溫度約94℃，而

PMMA介質接合時所需溫度較低(室溫

至60℃)，將可避免因溫度所造成的結 構變形。

(23)

PMMA PMMA 融合接合融合接合

融合接合技術將PMMA經由高溫(160℃)熱融合，而接合在一起的方法。

由於融合過程採用高溫處理，為避免融合後降至室溫時所產生翹曲現象，

因此進行退火(anneal)時須花費較長的時間進行。

接合實驗步驟：

z 清洗PMMA晶片

z 將PMMA晶片吹乾或旋乾

z 將PMMA晶片接觸並加壓

z 置於烘箱(160℃)十分鐘

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接合檢驗技術

(25)

Bond Strength measurement techniques

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對準接合技術對準接合技術

Alignment Bonding Technology

(27)

對準接合技術

對準接合技術 (alignment bonding technology) (alignment bonding technology)

在進行接合前，必須利用接合對準技術將欲接合之兩片基板對準，接著利用特殊的夾具固定，再送入基板接合機進行接合。又因為基板的透明與否、元件位置、對準記號的位置不同，以及圖案位於基板哪一面，而有不一樣的對準方式，一般使用的設備脫離不了紅外線對準曝光機、雙面對準曝光機以及接合對準曝光機。如果是玻璃與晶片的接合，

而晶片與玻璃的對準記號都位於接合的那一面，因為玻璃本身可以透光，所以對準方式如圖所示，首先對準矽晶片之對準記號，再移動玻璃的位置，使對準記號重疊。

矽晶片

顯微鏡螢幕

玻璃

對準記號

(31)

Source: KarlSuss technology report

接合設備接合設備 ( I ) ( I )

(32)

接合設備接合設備 ( II ) ( II )

Source: EVG technology report

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接合技術之基本限制

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接合技術之基本限制接合技術之基本限制

接合基板的限制：並不是任意一種基板都可以進行接合，必須視接合的方法而定，而且即使某兩種基板可以進行接合，但如果熱膨脹係數相差太大

，也會使接合失敗，以陽極接合為例，接合溫度與電壓其實與玻璃本身的材質和欲接合的基板性質有關，兩個接合的基板熱膨脹係數必須大致接近

，才不會在升降溫時因為熱膨脹係數差異過大而造成接合失敗，或者產生影響元件結構或機械特性的殘留應力。

製程的限制：進行接合步驟後，如果還有熱處理，也會影響到接合的效果

，產生不必要的氣泡、氣密性變差、甚至完全失去接合的力量，尤其黏著接合與共晶接合，即使熱處理溫度不是很高，都足以讓接合力量完全失去

，因此在設計製程應該考慮熱處理的先後，避免影響到接合。

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立體形狀的限制：整個接合技術的理念與設備都是建立在平面基板與平面基板間的接合，所以不太可能以現有設備進行非平面結構之間的接合，因此雖然接 合技術已經大大提高元件設計的彈性與結構的變化性，但仍不能達到真正的 3-

D 。

接合基板表面平滑度的要求：基板上表面輪廓太大的變化會增加接合的難度，

即使接合成功也有氣密性不夠的問題，亦即空氣將會從表面輪廓較低的地方滲入元件，對於需要密閉空間的壓力感測器、微閥、微幫浦等元件有很大的負面 影響，所以基板的表面輪廓凹凸程度一般須控制在 1 到 2 μm 以下，這個限制 同時也增加元件設計的困難度。

(36)

接合技術的應用

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A silicon wafer

A silicon wafer - - bonded pressure sensor bonded pressure sensor

Die photo.

(38)

A method for integration of electronics and A method for integration of electronics and

mechanical devices using wafer bonding.

Chip containing accelerometers,

pressure sensors, and complementary

(39)

PHS MEMS Inc.

Adhesive bonding

Glass frit bonding

Process Innovation -MEMS Package

(40)

參考文獻參考文獻

z 林裕城, 微機電系統製程之接合技術, 機械月刊, 25(11), 314-321

z

微機電系統應用之接合技術 微機電系統應用之接合技術