SOI压力传感器阳极键合残余应力研究

李玉玲， 王明伟， 张林超， 吴佐飞

(中国电子科技集团公司第四十九研究所，黑龙江 哈尔滨 150001)

0 引 言

绝缘体上硅(silicon on insulator,SOI)硅片的引入将压力传感器的工作温度上限从125℃拓宽到了450 ℃，促进了微电机系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)压力传感器在汽车、探井、航天、航空、兵器等高温场合的推广应用。阳极键合强度高、密封性好，可用于SOI硅片和硼硅玻璃片的圆片级封装，实现压力参考腔的密封[1～3]。阳极键合是一种电化学工艺，依赖于键合玻璃中碱金属离子的极化，需要将键合片加热到300～450 ℃，使玻璃片具有足够的导电性[4]，工艺结束降温至室温(约25 ℃)；由于硅片和键合玻璃的热膨胀系数不同[5](硅：2.6×10-6/K，键合玻璃：3.3×10-6/K)，所以,随温度变化引起的形变量不同，具体为玻璃收缩形变比硅的收缩形变大，在硅片表面及内部产生了应力和应变，这种热应力是影响压力传感器零点漂移、满量程输出温度漂移等性能的主要因素。

本文研究了阳极键合的残余应力，基于热力学基础建立了热应力分析模型，分析了玻璃厚度对应力大小的影响，提出了通过调整键合玻璃厚度实现应力匹配来控制残余应力的方法，通过工艺试验验证了残余应力的抑制效果。

1 热应力分析模型[6]

阳极键合的SiO2/Si双层复合层如图1所示，x向为圆片径向，x=0处为圆片中心，其中,tox为玻璃的厚度，tsi为硅的厚度。假设键合温度为T′，硅和玻璃长度均为L′，该温度不存在内应变(即固有应变)。

假设玻璃和硅没有键合，没有互相约束，冷却到室温T，玻璃的长度将变为

Lox=L′ (1-αoxΔT),ΔT=T′-T

(1)

式中αox=3.3×10-6/K为玻璃的热膨胀系数。硅的长度变为

LSi=L′ (1-αSiΔT)

(2)

式中αsi=2.6×10-6/K为硅的热膨胀系数。硅的弹性模量Esi=1.7×1011Pa，玻璃的弹性模量Eox=0.7×1011Pa，键合温度T'=360 ℃，室温T=20 ℃。

图1 键合后SiO2/Si芯片结构

实际上,在完成阳极键合的复合结构中，因为αox大于αsi，所以,在温度T时，SiO2/Si复合结构的玻璃层被拉伸，硅层被压缩受压应力,则复合结构在温度T时的长度L介于Lox与Lsi之间，即Lox>L>Lsi。又因为αoxΔT和αsiΔT远小于1，玻璃和硅的应变分别为

(3)

由于圆片末端为自由端，末端总受力为零。可得

(4)

将上述关系式整理后，温度T的复合结构长为[4]

(5)

式中αeff为复合结构的有效热膨胀系数。

SiO2/Si双层复合结构末端受到的合力为零，在除去结构末端的其他位置，复合结构的弯曲引起的应变用来形成力矩平衡，硅层受到因弯曲引起的拉应力。如果定义复合结构位移函数为w(x)，弯曲引起应力为-(z-z0)w′(x)。其中，z0为中性面的位置，中性面既没有被压缩，也没有被拉伸，正应力为0；w′(x)为复合结构的曲率。若考虑弯曲引起的应变，硅的应力为

(6)

中性面的位置为

(7)

用相对于中性面力矩平衡条件可算出复合结构曲率

(8)

求得曲率表达式为

w″=

(9)

计算应力结果为

(10)

可知，当硅片厚度为500 μm时，玻璃片厚度取200，500，1 200 μm，对应硅片表面应力分别为8.45，6.91，-1.92 MPa。玻璃层的厚度会影响硅层表面的应力大小和方向，合适玻璃片的厚度可以实现硅表面压应力和拉应力的相互抵消，即可以通过调节玻璃片厚度来实现零应力(玻璃片厚度1 033 μm)，如图2。

图2 热应力与玻璃层厚度关系

2 工艺试验

阳极键合工艺的热应力会导致圆片在键合前后的翘曲情况发生变化，通过翘曲曲率半径的测量可以表征应力的量值，圆片曲率半径测试原理如图3。

图3 曲率半径测试原理

本文开展了热应力分析试验，试验过程如下：

1)取厚度500 μm的N型(100)单晶双面抛光硅片；2)测量硅片正面初始曲率半径R0；3)用氢氟酸(HF)缓冲液漂净自然氧化层，0#，2#液标准清洗；4)将硅片背面与玻璃片阳极键合；5)测量圆片曲率半径R1；6)计算硅表面应力。

本文进行了3组试验，玻璃片厚度分别为1#样品300 μm,2#样品500 μm,3#样品1 000 μm。

使用薄膜应力测试仪测量3#样品R0结果如图4。表1为三个样品的曲率半径测量结果，通过比较R0和R1可见，键合工艺前后圆片的曲率半径发生了显著变化,玻璃片越厚，曲率半径变化越大。

图4 3#样品初始曲率半径测量结果

表1 曲率半径测量结果

薄膜应力测试仪测得由于结构弯曲引起的拉应力分布如图5，图中最大应力小于20 MPa，平均应力小于5 MPa。

图5 3#样品应力分布

3 芯片验证

为验证硅表面压应力和拉应力的抵消效果，采用525 μm SOI硅片，分别用制备了11#样品(玻璃片300 μm厚)、12#样品(玻璃片500 μm厚)、13#样品(玻璃片1 000 μm厚)三片SOI压力传感器芯片，并用未键合的10#样品作为参考。

长期稳定性是验证应力大小的重要指标，对上述20只样品的零点输出长期稳定性进行考核，测试温度为25 ℃，压力载荷为100 kPa，考核周期为12个月，测试结果：13#样品零点稳定性可以达到0.097 %，11#和12#样品零点稳定性分别为0.015 %与0.024 %，10#样品的零点稳定性为0.086 %。数据表明，13#的零点稳定性优于11#和12#样品，与10#样品的零点稳定性比较接近，验证了通过调整玻璃片厚度实现应力匹配的分析结果。

4 结 论

本文研究了应用于SOI压力传感器的阳极键合技术，通过力学模型分析发现：通过调整键合玻璃片的厚度实现硅表面压应力和拉应力相互抵消，从而通过应力匹配降低阳极键合产生的热应力。通过工艺试验和SOI压力传感器的研制、测试，验证了力学模型分析的正确性。