CN109909610A - 一种硅片和玻璃的焊接方法及焊接系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光微纳加工领域，涉及一种硅片和玻璃的焊接方法。本发明的焊接方法包括以下步骤：S100：在硅片上镀上金属膜，形成金属镀膜层；S200：将硅片镀膜面与玻璃贴合前，将玻璃用无水乙醇或者丙酮溶液超声清洗2～5分钟；S300：将硅片镀膜面与玻璃贴合；S400：纳秒激光焊接。本发明方法不仅能够降低加工成本、实现产业化要求，并且由于镀入的金属镀膜层具有极好的导电性等性能，激光焊接的技术能够更广泛地应用于微电子器件加工领域，极大地拓宽了这一技术的应用范围。

Description

一种硅片和玻璃的焊接方法及焊接系统

技术领域

本发明属于激光微纳加工领域，具体涉及一种纳秒激光用于具 有镀金属膜层的硅片和玻璃的焊接方法及焊接系统。

背景技术

应微电子器件开发的要求，为了解决超晶格半导体微制冷器的接 触电阻问题，在硅片表面上制备金属接触膜的技术得到了很大的发 展。单晶硅有着非常广泛的应用，是电子计算机、自动控制系统等现 代科学技术中不可缺少的基本材料，不仅渗透到人们生活中的各个角 落，而且是航天飞机、宇宙飞船、人造卫星必不可少的原材料，并且 广泛应用于太阳能电池中，实现了迈向绿色能源革命的开始。玻璃由 于其良好的透明度和材料的稳定性，在电子封装、生物芯片、精密仪 器的制作等领域有着广泛的应用。

因此对于玻璃和硅的键合技术提出了更高的要求。现有的超快激 光用于玻璃和硅片的焊接技术，机器设备的成本相对较高，生产效率 较低，不利于工业化地推广，尤其不适用于加工精密度要求不高、追 求产业化经济效益的应用领域。

发明内容

鉴于此，有必要针对上述问题提供一种硅片和玻璃的焊接方法， 该方法不仅能够降低加工成本、实现产业化要求，并且由于镀入的金 属镀膜层具有极好的导电性等性能，激光焊接的技术能够更广泛地应 用于微电子器件加工领域，极大地拓宽了这一技术的应用范围。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种硅片和玻璃的焊接方法，包括以下步骤：

S100：在硅片上镀上至少一层的金属膜，形成金属镀膜层；

S300：将硅片镀膜面与玻璃贴合；

S400：纳秒激光焊接。

进一步的，所述步骤S100中硅片厚度范围为0.5mm～4.1mm。

进一步的，所述步骤S100中金属镀膜层厚度为10～1000nm。

进一步的，所述步骤S100中金属镀膜可以为：铜膜、钛膜、镍 膜、铝膜甚至合金膜等。

进一步的，所述步骤S100中，当金属镀膜层由至少两层金属膜 叠加而成时，所述金属膜可以是相同金属的金属膜，也可以是不同金 属的金属膜。

进一步的，所述方法还包括S200：将硅片镀膜面与玻璃贴合前， 将玻璃用无水乙醇或者丙酮溶液超声清洗2～5分钟。

进一步的，所述步骤S300所述玻璃厚度范围为0.1mm～3.1mm。

进一步的，所述步骤S300中将玻璃与镀膜的硅片进行光学接触 处理(采用吸水、挤压的方式，将两个样品之间的空气排除，两个界 面受分子间的范德华力贴合紧密)使得玻璃和硅片贴合紧密。

进一步的，所述步骤S400中纳秒激光的发射器的功率为10W～ 20W。

进一步的，所述步骤S400中激光束的波长为355nm～1064nm。

进一步的，所述步骤S400中激光的脉宽范围为50ns～100ns。

进一步的，所述步骤S400中激光的聚焦光斑的直接范围为 10um～20um。

进一步的，所述步骤S400的焊接方式为线加工的方式。

进一步的，所述步骤S400的加工速度1～10000mm/s。

在一些实施例中，所述方法中的硅片还可以替换成多晶硅、砷化 镓、磷化锢、锑化锢、碳化硅、硫化镉及镓砷硅等传统半导体材料， 以及包括氧化物玻璃和非氧化物玻璃的非晶体无定形半导体材料替 代。

一种硅和玻璃焊接系统，包括激光器、光学传导系统、振镜扫描 系统、工作台、待焊接样品；激光器位于光学传导系统的一侧，振镜 扫描系统位于光学传导系统的下方，工作台位于振镜扫描系统的下 方，待焊接样品至于工作台上并位于振镜扫描系统的下方。

进一步的，所述激光器为红外纳秒激光器。

本发明有益效果：

本发明硅片(或者其他能替代硅片的材料)、金属镀膜层和玻璃 的厚度在本发明所公开的范围内，能保证三者厚度、质量相匹配，使 用寿命更长。

在硅片(或者其他能替代硅片的材料)的表面镀上金属镀膜层后， 用纳秒激光实现玻璃和硅片(或者其他能替代硅片的材料)的焊接， 不仅能够降低加工成本、实现产业化要求，并且由于镀入的金属镀膜 层具有极好的导电性等性能，激光焊接的技术能够更广泛地应用于微 电子器件加工领域，极大地拓宽了这一技术的应用范围。

附图说明

图1为本发明实施例的镀金属膜的硅和玻璃焊接系统的结构示 意图；

图2为本发明实施例的待加工样品结构示意图；

图3是本发明实施例的镀金属膜的硅和玻璃焊接系统的流程图。

附图标记：10-激光器、20-光学传导系统、30-振镜扫描系统、 40-工作台、50-待焊接样品；51-玻璃、52-硅片(或者其他能替代硅 片的材料)、53-金属镀膜层、54-激光作用区域。

具体实施方式

为了更好的说明本发明技术方案所要解决的问题、采用的技术方 案和达到的有益效果，现结合具体实施方式进一步阐述。值得说明的 是，本发明技术方案包含但不限于以下实施方式。

本发明实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献 所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注 明生产厂商者，均为可以通过市购等途径获得的常规产品。

实施例1本发明的硅片和玻璃的焊接方法

包括以下步骤：

S100：在0.5mm～4.1mm厚度的硅片52上镀10～1000nm厚度的 金属镀膜层53；

S200：玻璃51用无水乙醇或者丙酮溶液超声清洗2～5分钟；

S300：将S200的玻璃51与硅片52的镀膜面进行光学接触处理， 使二者贴合；

S400：在硅和玻璃焊接系统中用纳秒激光对步骤(2)贴合的材 料进行焊接。

在一些实施例中，所述金属镀膜层53可为铜膜、钛膜、镍膜、 铝膜等。

在一些实施例中，所述步骤S100中的金属镀膜层53由至少一层 金属膜叠加而成；当金属镀膜层53由至少两层金属膜叠加而成时， 所述至少两层的金属膜可以是相同的金属膜，也可以是不同的金属 膜。

在一些实施例中，所述步骤S400中纳秒激光的发射器(即激光 器10)的功率为10W～20W间任意取值。

在一些实施例中，所述步骤S400中激光束的波长为355nm-～ 1064nm间任意取值。

在一些实施例中，所述步骤S400中激光的脉宽范围为50ns～ 100ns间任意取值。

在一些实施例中，所述步骤S400中激光的聚焦光斑的直接范围 为10um～20um间任意取值。

在一些实施例中，所述步骤S400的焊接方式为线加工的方式。

在一些实施例中，所述步骤S400的加工速度1～10000mm/s间任 意取值。

在一些实施例中，所述方法中的硅片52还可以替换成多晶硅、 砷化镓、磷化锢、锑化锢、碳化硅、硫化镉及镓砷硅等传统半导体材 料，以及包括氧化物玻璃和非氧化物玻璃的非晶体无定形半导体材料 替代。

其中，参阅图1，是步骤S400所述的硅(或者其他能替代硅片 的材料)和玻璃焊接系统的结构示意图。本发明实施例的硅(或者其 他能替代硅片的材料)和玻璃焊接系统包括激光器10、光学传导系 统20、振镜扫描系统30、工作台40、待焊接样品50；激光器10位 于光学传导系统20的一侧，振镜扫描系统30位于光学传导系统20 的下方，工作台40位于振镜扫描系统30的下方，待焊接样品50至 于工作台40上并位于振镜扫描系统30的下方。

本发明实施例的镀金属膜的硅(或者其他能替代硅片的材料)和 玻璃焊接系统的焊接原理为：通过激光器10发射激光束，发射的激 光束经过光学传导系统20后入射至振镜扫描系统30，通过振镜扫描 系统30对激光束进行聚焦处理，使激光束在待焊接工件50内部形成 光斑，并利用聚焦光斑对待焊接工件50进行焊接；振镜扫描系统30 对于不同厚度的待焊接工件50可设定相应的工艺参数进行切割，工 艺参数包括激光功率、切割速度及焦点位置等；激光焊接过程中，高 能量密度的激光束聚焦到待焊接工件50的玻璃51(参见图2)和硅 片52(参见图2)(或者其他能替代硅片的材料)的交界面金属镀膜 层53(参见图2)处，金属材料吸收激光能量后熔融，使得玻璃51 和硅片52(或者其他能替代硅片的材料)粘接在一起，达到焊接效 果。

所述金属镀膜层53与半导体材料层52和玻璃层51的连接方式 为全部熔接或部分熔接。当所述金属镀膜层53与半导体材料层52和 玻璃层51的连接方式为部分熔接时，激光作用区域54为金属膜熔融 连接区域；当所述金属镀膜层53与半导体材料层52和玻璃层51的 连接方式为全部熔接时，金属连接层53为金属膜熔融连接区域。参 见图2，为金属镀膜层53与半导体材料层52和玻璃层51的连接方 式为部分熔接时的一种实施例。在其他一些实施例中，所述激光作用 区域54还可以是任意尺寸的圆形、多边形或其他任何所需的形状等。

在本发明实施例中，激光器10为光纤红外激光器，激光器10的 功率为10W～20W，激光器10所发射激光束的波长为1064nm，脉宽范 围为50ns～100ns，聚焦光斑的直接范围为10um～20um，通过利用激 光束较小的脉冲宽度和较短的波长以非接触方式实现待焊接工件50 的焊接，由于其波长短，光斑小，热影响区域小，获得高精度和高质 量的焊接加工效果。

在本发明实施例中，所述待焊接工件50为玻璃51和镀有金属镀 膜层53后的硅片52(或者其他能替代硅片的材料)贴合后的样品， 其中玻璃51厚度范围为0.1mm～3.1mm，硅片52(或者其他能替代硅 片的材料)厚度范围为0.5mm～4.1mm,镀在51抛光面处的金属镀膜 层53厚度范围为10nm～1000nm。

采用低功率输出激光对其进行焊接，激光作为加热源作用在金属 镀膜层53上使得玻璃51和硅片53(或者其他能替代硅片的材料) 键合，除了激光的能量分布和密度的影响外，材料对激光的吸收阈值 同样对焊接效果产生很大的影响，因此综合考虑各种因素，选取本发 明的激光输出功率对样品进行加工，成功实现玻璃51和硅片52(或 者其他能替代硅片的材料)的键合。

将金属膜采用镀膜的方式镀在硅片52(或者其他能替代硅片的 材料)上，当激光作用在金属镀膜层53使得两材料焊接成功的同时， 使得有镀膜层53的硅片52(或者其他能替代硅片的材料)实现电、 磁、光性能要求。在激光作用后玻璃51和硅片52(或者其他能替代 硅片的材料)焊接成功的区域，透过玻璃可以明显地观察到激光作用 后硅片52(或者其他能替代硅片的材料)上的金属镀膜层53全部或 者部分消散(取决于是全部熔接还是部分熔接方式)，纳秒激光作为 热源使得金属镀膜层53全部或部分熔融后成功地将玻璃51和硅片 52(或者其他能替代硅片的材料)紧密地粘接在一起。

实施例2用本发明的焊接方法焊接硅片和玻璃

请参阅图3，是本发明实施例的镀金属膜的硅53(或者其他能替 代硅片的材料)和玻璃51焊接方法的流程图。包括以下步骤：

步骤S100：使用镀膜机在硅片52(或者其他能替代硅片的材料) 的抛光表面形成50nm厚的金属镀膜层53，金属镀膜层53厚度的控 制范围在10nm～1000nm，并及时进行隔离处理，防止金属镀膜层 53受到污染和刮伤。

步骤S200：对玻璃51进行超声波清洗，将玻璃51放入无水乙 醇或丙酮溶液中清洗2～5分钟，为了保证激光作为加热源使得能量 能在两键合片之间很好地传递，必须使键合片能够紧密地接触在一 起，用无水乙醇或丙酮溶液清洗后的玻璃51其表面能增大，呈比较强烈的亲水性。

步骤S300：将玻璃51和加金属镀膜层53的硅片52(或者其他 能替代硅片的材料)在室温下贴合在一起，如果所镀金属膜较为牢固 则在贴合的过程中对两个试样进行光学接触处理，使得两样品贴合地 更加紧密。样品受到界面处的氢键和范德华力作用，无需外加压力就 能在室温下紧密接触在一起，可以避免施加外压力键合后产生较大的 残余应力。金属镀膜层53处在玻璃51和硅片53(或者其他能替代 硅片的材料)的交界面处。

步骤S400：在硅52(或者其他能替代硅片的材料)和玻璃51焊 接系统中，采用线加工的方式对样品进行焊接，加工速度的可控范围 为1～10000mm/s，并且采用连线成面的加工方式作用于样品上，即 通过控制软件随意控制加工图形，采用合适的填充方式和填充间距 (采用线填充方式，可以选择S型、直线型、螺旋环绕型等方式，也 可以是几种方式的叠加；填充间距一般控制在0.001～0.1mm)，使得 振镜按照设计参数在加工范围内连续走线，完成整个加工区域的焊 接。

采用激光加工方式，灵活易于操作，采用纳秒激光器，成本低廉， 易于工业化应用的推广；在半导体材料上镀金属膜层后，再使用激光 加工的方式，利用金属膜层的受热熔融效应，实现半导体材料和透明 材料的成功键合。这一技术在实现材料键合的同时，激光束灵活地加 工方式还能够根据要求在金属膜层上加工不同的形状和厚度，相对于 传统的芯片制造工艺，可以将金属膜层上的线路设计，材料的键合两 种工艺合二为一，简化加工流程，大大地提高生产效率，同时还能够 减轻环境污染，符合绿色节能环保的要求。

本发明方法部分熔接时，通过控制激光作用区域54的形状，获 取满足要求的未熔融的金属镀膜层53的形状，利用未熔融的金属镀 膜层53区域设计出所需的电路图等。激光作用区域54起到粘合玻璃 51和硅片52的作用，通过本方法控制加工参数使得53区域不受损 伤。

玻璃与硅片目前最多使用的焊接方式为阳极焊(300-450℃)，整 体加工温度较高，残余应力较高，易在键合面上出现裂纹甚至破裂。 本发明控制的激光焊接可以实现局部高温加工，避免对非加工区域产 生破坏，硅片的正面烧蚀影响区域在1mm，玻璃正面是几乎没影响， 其稳定性、可靠性、耐疲劳性都较优秀。阳极焊的抗拉强度在10-20MPa (键合强度为6.2-9.8MPa)，激光焊接的抗拉强度20-40MPa。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具 体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指 出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前 提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。 因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种硅片和玻璃的焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：

S100：在硅片上镀上至少一层的金属膜，形成金属镀膜层；

S300：将硅片镀膜面与玻璃贴合；

S400：纳秒激光焊接。

2.根据权利要求1所述的硅片和玻璃的焊接方法，其特征在于，所述步骤S100中硅片厚度范围为0.5mm～4.1mm，所述步骤S300所述玻璃厚度范围为0.1mm～3.1mm。

3.根据权利要求1所述的硅片和玻璃的焊接方法，其特征在于，所述步骤S100中金属镀膜层厚度为10～1000nm。

4.根据权利要求1所述的硅片和玻璃的焊接方法，其特征在于，所述步骤S100中金属膜可以为：铜膜、钛膜、镍膜、铝膜或合金膜。

5.根据权利要求1所述的硅片和玻璃的焊接方法，其特征在于，当金属镀膜层由至少两层金属膜叠加而成时，所述金属膜为至少一种金属的金属膜。

6.根据权利要求1所述的硅片和玻璃的焊接方法，其特征在于，所述方法还包括S200：将硅片镀膜面与玻璃贴合前，将玻璃用无水乙醇或者丙酮溶液超声清洗2～5分钟。

7.根据权利要求1所述的硅片和玻璃的焊接方法，其特征在于，所述步骤S300中将玻璃与镀膜的硅片进行光学接触处理使得玻璃和硅片贴合紧密。

8.根据权利要求1所述的硅片和玻璃的焊接方法，其特征在于，所述步骤S400中纳秒激光的发射器的功率为10W～20W，波长为355nm～1064nm，脉宽范围为50ns～100ns，聚焦光斑的直接范围为10um～20um；所述步骤S400的焊接方式为线加工的方式，加工速度1～10000mm/s。

9.根据权利要求1至8任意一项所述的硅片和玻璃的焊接方法，其特征在于，所述硅片的替代材料包括多晶硅、砷化镓、磷化锢、锑化锢、碳化硅、硫化镉、镓砷硅或非晶体无定形半导体材料。

10.一种硅和玻璃焊接系统，其特征在于，包括激光器、光学传导系统、振镜扫描系统、工作台、待焊接样品；激光器位于光学传导系统的一侧，振镜扫描系统位于光学传导系统的下方，工作台位于振镜扫描系统的下方，待焊接样品至于工作台上并位于振镜扫描系统的下方。