（微电子学与固体电子学专业论文）mems低温互连键合技术研究.pdf

东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名：1 堑! 卸圣1 日期：pl 奄j f f 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：礁诅导师签名： 摘要 c m o sm e m s 是传感器发展的一大趋势，利用c m o s 标准流程+ m e m s 后处理工艺制 造的微型传感器能够实现低成本、高性能、高度一致性和大规模生产。硅片键合技术，尤 其是低温键合技术在c m o sm e m s 加工中有着重要地位。硅片键合技术往往与其他手段 结合使用，既可对微结构进行支撑和保护，又可实现机械结构或者电路之间的电学连接， 将表面微机械加工和体微机械加工有机地结合在一起。 本论文在简要介绍了c m o sm e m s 技术和键合技术后，设计了一套基于a u i n 共晶的 低温键合方案。通过实验摸索得到了厚胶a z 4 6 2 0 光刻，溅射法制备铟膜的最佳工艺参数。 完成了铟凸点阵列的制备后，进行了a u i n 倒装键合实验，测试了不同条件下的剪切强度。 首先，对铟凸点的制备工艺流程进行设计，采用剥离法和溅射法制备铟凸点阵列。为 了得到较大深宽比的凸点模具，研究了厚胶a z 4 6 2 0 光刻工艺过程，详细讨论了影响光刻 质量的工艺参数：前烘时间、曝光时间、显影时间等。通过实验确定了a z 4 6 2 0 光刻最佳 工艺参数。 其次，介绍了溅射方法实现u b m 层( u n d e rb u m pm e t a l l u r g y 凸点下合金层) 和铟膜制 备工艺。在讨论u b m 的功能与结构后，选定了一个简单且功能完善的u b m 序列。对磁 控溅射的原理、设备特征以及靶材规格做了简单介绍。通过实验确定了制备i n 膜的溅射功 率、气压以及沉积速率。 最后在s e c 8 5 0 型倒装焊机上进行了a u i n 倒装键合实验，讨论了影响a u i n 共晶键 合的工艺条件，测试了不同压力和温度下的剪切强度，并对结果进行了讨论。在3 0 0 ， 0 3 m p a 压力下键合剪切强度达到了1 9 8 n ( 5 m p a ) 。 关键词：低温键合，a u i n 键合，凸点下合金层，溅射，铟凸点，a z 4 6 2 0 a b s t r a c t c m o sm e m sb e c o m e st h et r e n do fs e n s o rd e v e l o p m e n t m i c r o 。s e n s o r sf a b r i c a t e db y s t a n d a r dc m o sp r o c e s s e sa n dm e m sp o s t - p r o c e s s i n gc o u l da c h i e v el o w c o s t , h i i g h p e r f o r m a n c e ，h i g hu n i f o r m i t ya n dm a s sp r o d u c t i o n w a f e rb o n d i n gt e c h n o l o g y , e s p e c i a l l y l o w t e m p e r a u t r et e c h n o l o g yh a sa ni m p o r t a n tr o l ei nc m o sm e m sp r o c e s s i n g w i t ho t h e r m e t h o d s ，w a f e rb o n d i n gc a ns u p p o r ta n dp r o t e c tt h em i c r o s t r u c t u r e ，a c h i e v et h ee l e c t r i c a l c o n n e c t i o nb e t w e e nt h em e c h a n i c a ls t r u c t u r e sa n dc i r c u i t s ，a n dc o m b i n et h es u r f a c e m i c r o m a c h i n i n ga n db u l km i c r o m a c h i n i n g t h ec m o sm e m st e c h n o l o g ya n dw a f e rb o n d i n gt e c h n o l o g ya r ei n t r o d u c e db r i e f l yi nt h i s p 印e r t h e nal o w - t e m p e r a t u r eb o n d i n gi m p l e m e n t a t i o n sb a s e do nt h ea u - i ne u t e c t i cb o n d i n gi s d e s i g n e d t h el i t h o g r a p h yp r o c e s sp a r a m e t e r so ft h i c kp h o t o r e s i s ta z 4 6 2 0 ，a n di n d i u mf i l m s p u t t e r i n ga r es t u d i e db ye x p e r i m e n t a f t e rf a b r i c a t i n gt h ei n d i u mb u m pa r r a y , t h ea u i n f l i p - b o n d i n ge x p e r i m e n ti sc o n d u c t e dt ot e s tt h es h e a rs t r e n g t hu n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s f i r s t l y , t h ef a b r i c a t i n gp r o c e s so ft h ei n d i u mb u m pa r r a y si sd e s i g n e d ，u s i n gs t r i p p i n ga n d s p u t t e r i n gt e c h n o l o g y h ao r d e rt og e tab u m pm o l do fl a r g ea s p e c tr a t i o ，t h el i t h o g r a p h yp r o c e s s o fa z 4 6 2 0i ss t u d i e d ，a n dt h ed e t a i l e dp r o c e s sp a r a m e t e r st h o s ea f f e c tt h eq u a l i t yo fl i t h o g r a p h y ： s o f t - b a k i n gt i m e ，e x p o s u r et i m e ，d e v e l o p i n gt i m ea r ed i s c u s s e d t h eb e s tp r o c e s sp a r a m e t e r so f a z 4 6 2 0l i t h o g r a p h yi sd e t e r m i n e db ye x p e r i m e n t t h e n , t h es p u t t e r i n gt e c h n o l o g yt oa c h i e v eu b ml a y e r ( u n d e rb u m pm e t a l l u r g y ) a n d i n d i u mf i l mi si n t r o d u c e d t h ef u n c t i o na n ds t r u c t u r eo fu b ma r ed i c u s s e d ，t h et h e nas i m p l e a n df u l l yf u n c t i o n a lu b mi ss e l e c t e d t h ep r i n c i p l eo fm a g n e t r o ns p u t t e r i n g ，e q u i p m e n ta n d t a r g e ta r ei n t r o d u c e d t h es p u t t e r i n gp o w e r , p r e s s u r ea n dd e p o s i t i o nr a t e i sd e t e r m i n e db y e x p e r i m e n t s f i n a l l y , a u i nf l i p - c h i pb o n d i n ge x p e r i m e n t si sd o n eo ns e c 8 5 0m a c h i n e w ed i s c u s st h e p r o c e s sc o n d i t i o no fa u - l ne u t e c t i cb o n d i n g , a n dt e s tt h es h e a rs t r e n g t ha n dt h eb u m pc o n n e c t i o n r e s i s t a n c ep e r f o r m a n c eu n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s w i t h3 0 0 a n d0 3 m p ab o n d i n gs t r e s s t h e d i es h e a rs t r e n g t hi s5 m p a 。 k e y w o r d ：l o w - t e m p e r a t u r eb o n d i n g , a u - i nb o n d i n g u b m ，m a g n e t r o n - s p u r t i n g , i n d i u m b u m p s ，a z 4 6 2 0 1 1 摘要 a b s t r a c t 目录。 目录 1 绪论 1 1 课题研究背景l 1 1 1c m o sm e m s 简介2 1 1 2c m o sm e m s 后处理工艺3 1 2 单晶硅基c m o sm e m s 集成总体工艺方案设计6 1 2 1 单晶硅基c m o sm e m s 总体工艺方案7 1 2 2 关键工艺7 1 3 课题研究目的和内容9 1 3 1 研究目的9 1 3 2 研究内容9 1 4 本章小结9 2 硅圆片的低温键合技术 l o 2 1 弓i 言l ( ) 2 2 低温键合互连技术的重要性1 0 2 3 共晶键合技术1 1 2 3 1 金硅共晶键合。1 2 2 3 2 金锡共晶键合13 2 3 3 其它低温共晶键合。1 3 2 4 本章小结1 4 3a u i n 低温互连键合工艺设计 3 1 弓l 言15 3 2 a u i n 共晶键合方案1 5 3 3i n 凸点阵列制备方案设计1 7 3 4u b m 层的选择与铟膜制备方法19 3 4 1u b m 的功能及组成1 9 3 4 2 溅射法与蒸发法制膜2 0 3 5 对光刻的要求。21 3 6a u i n 键合工艺总体方案2 2 3 7 铟凸点阵列版图设计2 3 3 8 本章小结2 4 4 铟凸点制备工艺研究2 5 4 1 引言2 5 4 2 厚胶a z a 6 2 0 光刻工艺。2 5 4 1 1 厚胶光刻实验与分析2 5 4 1 2 厚胶a z a 6 2 0 光刻条件及工艺过程2 7 i i i 4 3 4u b m 层与铟膜制备工艺过程3 2 4 4 剥离3 3 4 4 1 剥离对于光刻的要求3 3 4 4 2 剥离工艺过程。3 4 4 5i n 凸点阵列制备结果3 4 4 6 本章小结3 6 5a u i n 键合实验与结果讨论 5 1 引言3 7 5 2a u - i n 低温键合实验3 7 5 3 不同键合条件下的剪切强度测试3 8 5 4 本章小结4 0 6 结论与展望 6 1 结论4 1 6 2 展望4 l 致谢。 参考文献 附录i 攻读硕士学位期间发表的论文目录4 6 1 绪论 1 1 课题研究背景 1 绪论 m e m s 是英文m i c r oe l e c t r om e c h a n i c a ls y s t e m s 的缩写，即微电子机械系统。各国对 于该技术的称为方式不同，日本称微机器( m i c r om a c h i n e ) ，美国称m e m s ，欧洲则为微系 统( m i c r os y s t e m ) 。微电子机械系统( m e m s ) 技术是建立在微米纳米技术基础上的2 l 世纪 前沿技术，是指对微米纳米材料进行设计加工、制造、测量和控制的技术。系统的尺寸范 围在1 9 m 到i m m 之间，图1 1 为意法半导体( s t ) 推出的已成功商业化的m e m s 加速度传感 器l i s 3 3 1 a l i ，已广泛应用于手机以及其它电子产品。 图1 1 意法半导体( s t ) 公司传感器l i $ 3 3 1 a i 完整的m e m s 是由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通讯接口和电源等组 成的一体化微型器件系统。其目的是把信息的获取、处理和执行集成在一起，组成具有多功 能的微型系统，完成大尺寸机电系统所不能完成的任务，嵌入大尺寸系统中可大幅度提高 系统的自动化、智能化和可靠性水平。由于微系统的尺寸在毫米到微米范围，因此具有体积 小，集成度高，质量轻，耗能低，可靠性高，成本低，可批量生产等优点。自1 9 8 9 年美国 国家自然科学基金会洲s t ) 首次提出m e m s 以来，m e m s 技术在航空、航天、军事、医学、 生物等领域得到了广泛发展，被认为是微电子技术的又一次革命。m e m s 己成为当前世界 上极有发展前景的领域之一。 m e m s 微传感器的特点在于尺寸很小，可以在微观空间内完成传统传感器所不能完成的 功能，它的加工方法与传统传感器的加工有所不同，在加工技术上可以分为三类1 2 j ： ( 1 ) 以日本为代表的传统机械加工方法，日本研究m e m s 的重点是超精密机械加工，它 更多的是传统机械加工的微型化，这种加工方法利用大机器制造小机器，再利用小机器制造 微机器，可以用于加工一些在特殊场合应用的微机械装置，例如微型机械手、微型工作台等。 ( 2 ) 以德国为代表的l i g a 工艺，l i g a 方法是指采用同步x 射线深层光刻、微电铸制模 和注塑复制等主要工艺步骤组成的一种综合性微机械加工技术。l i g a 技术首先利用同步x 射线光刻技术光刻出所需要的图形，然后利用电铸方法制作出与光刻图形相反的金属模具， 再利用微注塑制造微机械结构。它可以制成高数百微米而宽仅约1 p m 的微机械结构，可加工 多种金属材料和塑料、陶瓷等非金属材料，它是进行非硅材料三维立体加工的首选工艺。已 经用l i g a 方法制作出电磁马达，其扭矩比静电马达大为提高。但由于要使用同步辐射x 射 线光源，使这种技术的工业应用受到了限制，近年来已经出现了一种在工艺上更容易实现的 准l i g a 技术。l i g a 技术弥补了表面微加工技术的不足，可用来制作高纵横比的三维立体结 构，并可实现大批量生产，使成本大大降低。 东南大学硕士学位论文 ( 3 ) 以美国为代表的与传统i c 工艺兼容半导体硅微机械加工方法，利用化学腐蚀或集成 电路工艺技术对硅材料进行加工，形成硅微电子机械系统的器件，可以实现微电子与微机械 的系统集成，并适合于批量生产，已经成为m e m s 的主流技术。 由于m e m s 的目标是制成高集成、高稳定的智能微系统，因此，具有工艺成熟，集成 度高等优点的c m o s 技术从众多制造m e m s 的技术中脱颖而出，形成了以标准c m o s 技 术为基础的较为成熟的c m o sm e m s 技术。 1 1 1c m o sm e m s 简介 c m o sm e m s 技术，即单片集成m e m s 技术，先利用标准l c 技术( 主要是c m o s 、b i c m o s 技术) 形成微结构层，再利用各向异性腐蚀和表面牺牲层技术将微结构释放。与双极型晶体 管技术和其他m o s 技术相比，c m o s 技术具有高集成、低功耗、高稳定、工艺成熟等优点， 同时可适用于模拟电路和数字电路，因此是最适于制作m e m s 外围电路的i c 技术。利用 c m o s 技术制造m e m s 可以充分利用己成熟的c m o s 技术和现有的生产设备，只需在原有 c m o s 工艺基础上适当改变版图设计并结合微机械工艺即可将微传感器、微执行器、信号处 理、通讯接口和控制电路制作在同一芯片上，真正实现高稳定、低成本的微系统。并可借助 m u m p s 工艺同时制造多种芯片，降低研发及生产成本，因此是目前最适合制造m e m s 微结 构的1 c 技术。目前，c m o sm e m s 已经成为m e m s 的主流技术。 m e m s 器件与c m o s 电路的单片集成有许多突出优点，主要体现在如下几方面【3 】： ( a ) 可以实现高信噪比。一般而言，随着传感器的面积减小，其输出的信号也变小，对于输 出信号变化在h a ( 电流输出) 、v ( 电压输出) 或i f ( 电容输出) 量级的传感器，敏感位置与 外部仪器引线的寄生效应会严重影响测量，而单片集成可降低寄生效应和交叉影响； ( b ) 可以制备大阵列的敏感单元。大阵列的单元信号连接到片外仪器时，互连线制各和可靠 性是主要问题。对于较小阵列，引线键合等技术就可以满足要求，但对于较大阵列，互连问 题会影响生产成本、成品率甚至造成大阵列不可能实现。因此，采用片上多路转换器串行读 出，不仅降低了信号调理电路的复杂性，而且大大降低了键合引线的数量，提高了可靠性和 成品率； ( c ) 可以实现智能化。除信号处理功能外，诸如校准、控制以及自测试等功能也可以在芯片 上实现。 ( d ) 可以采用标准f o u n d r y 进行c m o s 电路和部分m e m s 工艺加工，提高了器件的加工可 靠性，同时c m o s 与m e m s 的集成也方便了m e m s 系统的封装。 由于这些优点，c m o sm e m s 技术正成为近年国际前沿研究领域之一。 单片集成m e m s 技术根据m e m s 器件部分与c m o s 电路部分加工顺序不同可以分为前 c m o s ( p r e - c m o s ) 、混合c m o s ( i n t e r m e d i a t e c m o s ) 及c m o s 后处理( p o s t - c m o s ) 集成方法 【4 1 。 p r e c m o s 集成方法是先制造m e m s 结构、后制造c m o s 电路，这种集成c m o s 技术 虽然克服p o s t - c m o s 方法中m e m s 高温工艺对c m o s 电路的影响，但由于存在垂直的微结 构，所以，存在传感器与电路互连台阶覆盖性问题，而且，在c m o s 电路工艺过程中对微 结构的保护也是一个需要考虑的问题。 i n t e r m e d i a t e - c m o s 是在c m o s 电路生产过程中插入一些m e m s 微细加工工艺来实现单 片集成m e m s 的方法。由于需要对现有的标准c m o s 工艺进行较大的修改，因此，这种方 法的使用有一定限制。 p o s t - c m o s 方法是在加工完c m o s 电路的硅片上，附加一些m e m s 微加工技术以实现单 片集成m e m s 系统，目前单片集成m e m s 技术以这种方法为主，一般我们称之为m e m s 后处 2 1 绪论 理工艺。这种方法对c m o s i 艺线的要求是最低的，微系统制造可以全部在代工厂加工完成。 c m o s i 艺流程完成之后，后c m o s 微机械加工步骤可在专门的m e m s t _ 厂完成。图1 2 是本 实验室采用p o s t - c m o s 方法制造集成压力传感器的工艺流程。 露黧歪o 出：! 譬徽鬻_ ? ：k f 镶鼯繇赣獭 麟、， ，、i 。 _，、 灶=n 监d ii 出出7 l 曲l 划迥盐 p - s u b 藤露i 习冈”。：篓鬈连器誓1 j k i j f ；麓缀繇鬻瀚 ”、。lj、i 。 i，o 锄 h ： ( c ) 图1 2 本实验室单片集成电容式压力传感器制造流程【5 】o ( a ) 标准c m o s 工艺制造电路；( b ) p n 结自停止腐蚀释放结构：( c ) 阳极键合形成密封腔 这种方法对c m o s 工艺线的要求是最低的，但其主要问题是m e m s 加工工艺温度会对 前面的c m o s 电路性能产生影响，更为严重的是后面某些高温m e m s 加工工艺温度与 c m o s 工艺不兼容。值得庆幸的是，绝大部分的m e m s 后处理工艺都可以不影响c m o s 工 艺中的晶体管和无源器件的性能，而且这种方法可以大大降低了无生产线设计公司的成本， 因此，p o s t - m e m s 是目前最流行的c m o sm e m s 集成工艺。 1 1 2c m o sm e m s 后处理工艺 c m o s 工艺+ m e m s 后处理被认为是制造m e m s 传感器的主流技术之一，由m e m s 后处理完成传感器的结构部分。m e m s 后处理工艺包含的范围非常广泛，任何c m o s 兼 容的低温工艺如光刻、低温键合、溅射、湿法刻蚀、干法刻蚀等工艺都可以被归纳进m e m s 后处理工艺的范围，需要考虑的是这些后处理工艺对c m o s 部分的影响，如后续的工艺步 骤改变了结构的应力分布以及湿法刻蚀破坏了芯片表面结构和焊盘等。 简单来说，m e m s 后处理工艺又可分为两种：一种是在c m o s 结构层上面再淀积结构层， 即表面微机械加工1 6 j ；另一种是直接以c m o s 原有的结构层作为m e m s 结构层，即体微机械 加工【，j 。后者的微结构已经在常规的工艺流程基本形成，仅需刻蚀就可以释放微结构。 ( 1 ) 体微机械加工 体微加工是对硅的衬底进行加工的技术，一般采用各向异性化学腐蚀，利用某些腐蚀液 在硅的各个晶向上以不同的腐蚀速率来制作不同的微机械结构或微机械零件，另一种常用技 3 东南大学硕士学位论文 术为电化学腐蚀，现己发展为电化学自停止腐蚀，它主要用于硅的腐蚀以制备薄面均匀的硅 膜。体微加工技术主要通过对硅的深腐蚀和硅片的整体键合来实现，能够将几何尺寸控制在 微米级。由于各向异性化学腐蚀可以对大硅片进行，使得m e m s 器件可以高精度地批量生产， 同时又消除了研磨加工所带来的残余机械应力，提高了m e m s 器件的稳定性和成品率。 最常见的体微机械加工方法是利用k o h ，t m a h 和e d p 等溶液的各向异性腐蚀特性，腐 蚀释放出薄膜，悬臂梁等微结构。为了控制腐蚀的效果，除了时间停止腐蚀之外，常常利用 二氧化硅( 氮化硅) 、重掺杂的p ”区和p n 结作为腐蚀停止层。在背面腐蚀的工艺中，需 要在硅片的背面淀积一层阻挡层如p e c v d 氮化硅作为掩模，同时需要对正面进行保护。这 涉及到背面腐蚀的两个难点：双面光刻和正面夹具保护。正面腐蚀工艺通过在微结构设计中， 通过有源区、接触孔、通孔和压焊块的开孔来定义腐蚀窗口，从而在常规c m o s 工艺流程 结束时，利用各向异性腐蚀液在凸角处的钻蚀或对芯片表面图形方向的敏感性实现桥和悬臂 梁的释放。在正面腐蚀时，利用掺硅的t m a h 溶液对铝的腐蚀速率慢的特点，可用在短时 间内实现对芯片铝压焊块的保护。目前，绝大部分的m e m s 器件如压力传感器，微流量传 感器等都采用这种湿法腐蚀的方法进行加工。随着干法刻蚀的广泛应用，利用d r i e 设备进 行体微机械加工也成为可能。利用干法刻蚀的加工工艺可以实现高深宽比的结构，如梳状谐 振器，加速度计等。典型的体硅m e m s 和c m o s 的集成工艺主要是s c r e a m 工艺和c m o s 的 集成【8 】，以及卡耐基梅隆大学基于干法刻蚀工艺的正面体微机械加工工艺p j ，如图1 3 所示。 北京大学在卡耐基一梅隆大学干法体硅工艺的基础上提出了采用介质隔离实现m e m s 器件的 电隔离和支撑的c m o sm e m s 工艺方案并申请了相关专利l i 叭。 打娥鑫确窿越两 l a y e r s 商e e d 抖cl 窖批噶 g 枉0 0 翱硅i s l r 霜 缝 口硝ep t 哪嘶b n m n , m t 椭a i 俺日o 疗 c m o s 哺嘧嘲 c = 3 i 暑 f - 。+ 一 t 3 ；二 蘑羞雾齿 譬譬“弱 图1 3 干法刻蚀工艺正面体微机械加工工艺 ( 2 ) 表面微机械加工 表面微加工是在硅片正面上形成薄膜并按一定要求对薄膜进行加工形成微结构的技术， 加工工艺仅涉及到硅片正面的薄膜。最常用的表面微机械加工工艺是牺牲层刻蚀，这种工艺 的微结构是通过去除之前淀积在微结构之下的牺牲层薄膜材料而释放形成的。通过去除二氧 化硅牺牲层薄膜来释放多晶硅微结构是最常见的表面微机械加工技术。 4 1 绪论 表面微机械加工工艺的典型代表是伯克利大学开发的集成c m o s 与m e m s 的工艺模块 ( m o d u l a ri n t e g r a t i o no f c m o sw i t hm i c r o s t r u c t u r e s ，m i c s ) 1 1 如图1 4 所示，这种方案是以 多晶硅为微结构层，磷硅玻璃( p s g ) 作为牺牲层的表面微细加工技术。采用难熔金属钨的金 属化互连代替铝金属化互连以承受后面的生长多晶硅微结构所需要的高温。但是，在6 0 0 时，钨容易与硅形成反应，伯克利是通过在接触孔上放一层t i n 阻挡层来解决这一问题的。 m i c s 工艺基本流程是：完成钨金属化的c m o s 工艺后，淀积低温氧化物( l t o ) ，然后，低压 化学气相淀积氮化硅薄膜保护已加工的c m o s 电路，腐蚀完微结构与c m o s 电路的接触孔 后，淀积第1 层掺杂多晶硅作为c m o s 电路与微结构的互连线，再在上面淀积l 岫厚的p s g 作为牺牲层以及淀积厚度为2 9 m 多晶硅结构层。通过在第2 层多晶硅上再淀积一层0 5 9 m 的 p s g ，以及在氮气环境下的1 0 0 0 快速退火1 m i n 来降低作为结构层的多晶硅应力。最后，刻 蚀多晶硅结构图形以及腐蚀掉其下面的牺牲层( p s g ) 以释放微结构。 图1 4 钨金属互连替代铝金属互连的表面微机械工艺结构剖面图 由于多晶硅的生长温度过高，比利时i m e c 的研究人员采用多晶锗硅代替多晶硅，实现 了c m o s 和m e m s 的单片集成1 1 2 。多晶硅锗不仅有与多晶硅相似的优良机械性能，而且淀 积温度低与c m o s - v 艺兼容。此外，不得不提的是t e x a si n s t r u m e n t s 公司开发的低温表面微 细加工技术，其利用光刻胶作为牺牲层材料，金属铝作为结构材料【13 1 。利用这种工艺制备 的d m d ( 数字微镜器件) 是最早商业化的m e m s 器件之一。 5 东南大学硕士学位论文 图1 5 表面微机械工艺加工出来的梁结构 本实验室封装可靠性课题组也利用表面微机械加工工艺制作了不同长度的悬臂梁用 于疲劳特性测试，如图1 5 。 ( 3 ) 键合技术 硅片键合技术可以将表面微机械加工和体微机械加工有机地结合在一起。键合是指通 过化学和物理作用将硅片与硅片、硅片与玻璃或其它材料紧密地结合起来的方法。硅片键 合虽然不是微机械加工的直接手段，但却在c m o sm e m s 加工中有着重要地位。它往往 与其他手段结合使用，既可对微结构进行支撑和保护，又可实现机械结构之间或机械结构 与电路之间的电学连接。 硅片键合往往与表面微加工或者体硅加工相结合用于c m o sm e m s 的加工工艺中。常见 的硅片键合技术包括硅玻璃阳极键合，硅硅直接键合( 热键合技术) ，共晶焊料键合， 玻璃焊料烧结，有机材料粘接等。其中共晶键合具有温度低，速度快，一般不需要助焊剂， 机械强度高，重复性好，实现电学互连等优点受到了广泛的研究【l 孓1 8 】。低温键合具有以下 优点：( a ) 避免高温对c m o s 电路的影响；( b ) 避免异质材料的热应力；( c ) 减少缺陷和空洞的 产生； ( d ) 避免杂质互扩散。所以研究键合技术，尤其是低温键合互连技术对于c m o sm e m s 的发展有着重要的意义。 总体来说，由于可以在电路区域进行淀积刻蚀等加工，表面微机械与c m o s 的集成可以有 效减小芯片面积，但生长温度限制、薄膜应力控制和释放、膜的有限厚度等问题限制了其通 用性，目前只能对某些特殊的m e m s 进行加工；体硅m e m s 和c m o s 的集成正好弥补了表面 微机械的不足，但m e m s 结构的隔离变得难以实现，卡耐基一梅隆大学的工艺采用器件表面 的介质膜实现器件的悬浮和隔离，工艺可靠性难以控制且强度受到限制，北京大学提出的专 利方案中采用介质预填充隔离深槽，虽然很好地解决了隔离和支撑的问题，但由于在c m o s 电 路后进行的工艺较多，如深槽介质填充、c m p 磨平、金属引线重新布线等，工艺复杂且难度 较大。 因此需要开发一套简单、廉价的c m o s 后处理工艺，以满足大多数m e m s 器件与c m o s 的集成。 1 2 单晶硅基c m o sm e m s 集成总体工艺方案设计 根据目前c m o sm e m s i 艺技术现状，我们提出了一种基于体硅的m e m s 结构和c m o s 电路进行单片集成制造思想，并借助规范化的封装技术实现电路m e m s 完全集成的方案。该 方案是属于c m o s + m e m s 后处理技术，即完全采用标准c m o sf o u n d r y - v 艺先进行i c 电路的 6 1 绪论 制造，然后进行c m o s 硅晶圆与玻璃的键合，再通过硅片的减薄和m e m s 的后处理加工，最 终实现c m o s 与m e m s 的集成制造通过电容式压力传感器与典型梳齿静电执行器的设 计制造验证方案的可实现性，由于工艺条件与时间等因素的限制，研究方案中涉及的低温键 合工艺即是我的研究工作。 本节将介绍该课题拟定的c m o sm e m s 集成总体设计工艺方案，其中研究了可能涉及的 关键工艺，分析了集成方案中存在的工艺问题，为后续器件的加工打下基础。 1 2 1 单晶硅基c m o sm e m s 总体工艺方案 与多晶硅基m e m s 相比，单晶硅基m e m s 具有应力小、无粘连问题、结构强度高、可靠 性好和厚度可控等多项突出的优点。我们根据实验室几年来的研究经验和参考比较目前已有 的c m o sm e m s j i 工方案的基础上，提出了如图1 6 所示的单晶硅基c m o sm e m s i j h 工方案。 该方案的基本工艺流程简述如下：首先利用f o u n d r y 厂商的标准i c 工艺线进行电路的制造， 这样可以保证电路工艺的质量；然后在玻璃上设计和制造互连线和焊点，用于将硅芯片上的 电引线通过键合转移到玻璃上来，便于芯片的最终引线键合；接下来实现硅玻璃的低温键 合和硅片的减薄；最后进行硅背面的i c p 亥0 蚀以实现m e m s 结构的释放。 该方案避免了表面微机械结构的应力控制和释放等问题。与卡耐基梅隆大学开发的正 面体硅加工工艺相比，本方案中m e m s 结构的电互连是通过玻璃转接的，避免了较薄的 c m o s 薄膜结构支撑互连线所带来的工艺复杂性和可靠性问题。与s o i 上实现的c m o s m e m s 相比，虽然工艺稍嫌复杂，但避免了采用昂贵的s o i 材料进行加工，也方便片上电路 的f o u n d r y 带1 造。加工方法具有工艺简单、无高温处理和结构设计灵活等特点。 图1 6 单晶硅基c m o sm e i _ s 工艺总体方案示意图 在上述工艺流程中，根据不同的m e m s 结构，可以调整部分工艺次序和加工方法，如先 进行硅片的正面或背面的刻蚀形成m e m s 悬梁或膜，然后进行硅玻璃键合( 根据器件结构 也可不要进行键合) 。体硅微机械加工技术目前的应用最广，大多数硅微传感器的生产均采 用此技术完成。 1 2 2 关键工艺 本课题中的集成方案是基于体硅的m e m s 技术，体硅工艺是一种通过腐蚀技术将硅基片 有选择性地除去一部分以形成微机械结构的工艺。典型的体硅工艺是应用光刻掩膜、腐蚀和 键合方法来对硅片进行微机械加工，其加工厚度为几十至数百微米，设备和工艺简单，在微 机械的研究中具有重要地位。 7 东南大学硕士学位论文 根据1 2 1 节提出的总体工艺方案，涉及的一些关键工艺有：( 1 ) 硅p n 结自停止腐蚀工艺； ( 2 ) 硅玻璃低温键合工艺；( 3 ) 硅片的减薄。 ( 1 ) 硅p n 结自停止腐蚀工艺 该工艺的目的是建立与c m o sm e m s 兼容的，并能精确控制m e m s 结构尺寸的硅腐蚀 技术。采用电化学p n 结自停止腐蚀形成的单晶硅膜具有膜的均匀性好，厚度可控等优点。 结合我们目前在这方面的工作基础，将继续开展如下的研究工作： a )硅长时间自停止腐蚀过程中电路的保护： b )漏电对腐蚀质量的影响与防范； c )腐蚀电流曲线与硅电阻率的关系； d )硅正面腐蚀过程中的引线方法及保护； e )膜的质量的影响因素和工艺控制条件。 最终需要建立硅p n 结三电极系统自停止腐蚀工艺规范，给出芯片上建立p n 结自停止 腐蚀的电路引线设计规则，建立硅基c m o s 电路在正面结构释放和背面结构形成过程中的保 护方法，解决保护薄膜的粘附性、去除和图形光刻等问题。 与其他自停止腐蚀技术比较，p n 结自停止腐蚀有以下优势：( 1 ) 在c m o s 工艺中， n 阱和p 衬底形成的p n 结可以应用于p n 结自停止腐蚀中，该技术与c m o s 工艺兼容。 ( 2 ) 可以有效实现停止，精确控制膜厚度。( 3 ) 对m e m s 结构和版图的要求较低，应用 广泛。因此p n 结腐蚀自停止技术是实现传感器单片集成以及获得较高控制精度是最佳选 择。 常见的p n 结自停止腐蚀系统有：二电极系统、三电极系统和四电极系统。二电极系 统的电位无法精确控制，往往很少使用。与二电极系统比较，三电极系统增加了一个参比 电极，使得n 型硅( w e ：w o r ke l e c t r o d e ，工作电极) 与溶液间的电位相对固定。由于 w e 相对于溶液的电位可以精确控制，因此可以采用一个较小的电位，有助于减少p n 结 漏电流，腐蚀变得均匀而且容易控制。四电极系统增加了一个控制p 型衬底电位的电极， 可更精确的控制膜厚引。 ( 2 ) 硅，玻璃低温键合工艺 该工艺的作用主要有三个方面，首先要保证有足够的强度能开展后续的工艺加工( 如 c m p ) ，其次是实现芯片上的压焊点可靠地转移到玻璃上来；最后可能对某些m e m s 结构 来说，需要实现密封键合。 为了避免温度过高对c m o s 芯片造成影响，需要采用低温键合工艺。我们拟采用a u - i n 共晶键合实现，研究键合工艺条件对键合强度的影响，键合工艺对芯片电路的影响，键合引 线的接触电阻等工艺问题。 此部分工艺即为作者将要开展的研究工作。 ( 3 ) 硅的背面减薄 为了实现背面结构的释放，需要对硅片进行减薄。拟采用化学腐蚀和化学机械抛光( c l p ) 相结合的方法实现硅的减薄。在进行化学腐蚀过程中，解决硅片和玻璃键合面的密封保护， 防止水汽渗透；采用c m p 方法进行硅片的减薄抛光，通过工艺和结构设计解决减薄精度控制 问题，研究减薄工艺如沾污和应力等问题对电路和m e m s 器件性能的影响。 在集成方案设计中我们拟采用化学腐蚀与c m p 相结合的方法实现硅片的背面减薄。在 硅片c m p 系统中，硅片、抛光液及抛光垫是组成硅片化学机械抛光系统的3 个主要组成要素。 c m p 是利用化学和机械复合作用去除材料的，硅片表面的损伤较小。 8 1 绪论 1 3 课题研究目的和内容 1 3 1 研究目的 本论文的目标是建立一种与c m o sm e m s 工艺兼容的低温键合互连技术，以实现上 述单晶硅基c m o sm e m s 方案中c m o s 芯片与操作片( 玻璃或者硅片) 的互连键合。具 体工作包括： ( 1 ) 研究一套金属凸点阵列的制造方法，其中包括u b m 和凸点的制备。针对整套工艺方案 的进行探讨，通过实验证明方案的可行性并最终实现之，并研究工艺参数对制备得到的 u b m 及凸点之质量的影响。 ( 2 ) 在成功制备金属凸点的基础上，研究一套低温键合技术，对温度压力等条件对键合质量 的影响进行研究，并对键合的剪切强度与电连接性能进行测试。 1 3 2 研究内容 ( 1 ) 对厚胶a z 4 6 2 0 光刻工艺进行研究。在实验室曝光机的基础上对曝光，显影时间进行研 究，最终制得边缘垂直度较好的厚胶模具 ( 2 ) 通过溅射方法完成u b m 和铟膜的制备。由实验总结出溅射t i 、i n 金属膜的功率、气 压等参数，确定溅射t i i n 的沉积速率以及溅射的最优工艺参数，得出溅射所需厚度i n 膜 的时间。 ( 3 ) 在倒装焊机上对制备得的a u 、i n 凸点进行低温键合实验，研究在不同压力温度条件对 键合质量的影响，测试不同键合条件下的剪切强度和电连接性能。