MEMS圆片级真空封装金硅键合工艺研究.docx

MEMS圆片级真空封装金硅键合工艺研究第11卷,第1期 Vo1. 11.NO. 1 电子与封装 ELECTR0NICS&PACKAGING 总第93期 2011年1月 , 一I,t,一一,f, 封装,装与jll试 MEMS圆片级真空封装金硅键合工艺研究水 张卓一,汪学方一,王宇哲一,刘川,刘胜, (1.华中科技大学机械科学与工程学院,武汉430074;2.华中科技大学能源与动力工程学院,武汉430074;3.华中科 技大学光电国家实验室,武汉430074) 摘要:提出一种适用于微机电系统(MEMS)圆片级真空封装的键合结构,通过比较分析各种 键合工艺的优缺点后,选择符合本试验要求的金硅键合工艺.根据所提出键合结构和金硅键合的 特点设计键合工艺流程,在多次试验后优化工艺条件.在此工艺条件下,选用三组不同结构参数 完成键合试验.之后对比不同的结构参数分别测试其键合质量(包括键合腔体泄漏率和键合强度 的检测).完成测试后对不同结构参数导致键合质量的差异做出定性分析,同时得到适用于MEMS 圆片级真空封装的金硅键合结构和键合工艺.最后对试验做出总结和评价,并对试验中的不足之 处提出后续改进建议. 关键词:MEMS;真空封装;金硅键合;圆片级 中图分类号:TN305.94文献标识码:A文章编号:16811070(2011)01000104 StudyonAuSiBondingofWaferLevelMEMSVacuumPackaging ZHANGZhuo,WANGXuefang,WANGYuzhe,LIUChuan,LILTSheng (HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,China) Abstract:AnewkindbondingstructurethatapplicabletoMEMS(MicroElectroMechanicalSystems)wafer levelvacuumpackaginghadbeenreported,AuSibondingwhichmeetstherequirementsisselectedbyanalysing themeritsanddemeritsofallkindsofbondingprocesses.Thebondingprocessconditionaredesignedbythe structurethatputforwardandcharacteristicsofAuSibonding,andoptimizedbyplentyoftests.Inthisbonding processcondition,differentbondingexperimentsarecompletedunder3differentstructureparameters.The differentbondingqualities(includingleakageratetestandbondingstrengthtest)ofdifferentstructureparam? etersaretested.Afterthis,qualitativeanalysisthatdifferentbondingqualitiescausedbydifferentstructure parametersisgiven.AbondingstructureandprocesswhichsuitforAu-Sibondingarereceived.Intheend,the summaryandtheevaluationaregiven,andthedrawbacksandrelatedproposalsofthisexperimentareput forward. Keywords:MEMS;vacuumpackaging;AuSibonding;waferlevel 1引言 微机电系统(MicroElectroMechanicalSystem) 是将微机械元件,微型传感器,微型执行器,信号 处理与控制电路等集成于一体的微系统,是随着半 收稿日期:20101004 基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划)课题:长寿命MEMS圆片级真空封装技术的研究(编号: 2008AA04Z30711) 第11卷第1期电子与封装 导体集成电路,微细加工技术和超精密机械加工技 术的发展而发展起来的.许多MEMS器件,如陀 螺仪,加速度传感器和谐振器等都需要采用真空封 装以降低机械运动部件运动时气体的阻尼,极大地 提高器件的品质,从而提高器件的性能.键合技术 是一种将MEMS器件中不同材料的部件永久连结为 一 体的技术.近年来键合技术发展迅速,已成为 MEMS器件开发和实用化的关键技术之一.而常用 的真空键合技术主要是高真空(<10.Pa)环境下的 阳极键合,共晶键合以及硅-硅直接键合等.阳极 键合一般只限于硅一玻璃键合2,键合温度为300C 400,偏压为500V1000V,键合过程中的高电压 对微电路有影响,而使其应用受到极大限制;硅一硅 直接键A【是指两片抛光硅片在不需要任何粘接剂 和外加电场的条件下直接键合在一起,其缺点是温 度太高(高于800);而共晶键合是利用某些共晶 合金熔融温度较低的特点,将它们作为中间介质层, 在较低温度下,通过加热熔融实现共晶键合.相对 来讲,共晶键合的限制因素较少,可以选择的材料 和工艺参数范围较大.选择Au/Si共晶键合方式是 由于Au/Si共晶键合液相粘结性好,键合强度高,且 键合温度要求不高,对界面的粗糙度不很敏感,并 且避免了键合过程中低熔点金属(如Sn)存在的流 动性问题. 2试验 Au/Si共晶键合l4】是利用Au/Si共晶合金熔融温 度较低(363,比纯金或纯硅熔点低得多)的特点, 将它作为中间介质层,在较低的温度下通过加热熔 融实现共品键合.本文中键合工艺需要达到以下要 求:(1)键合温度不可过高,保证键合过程中需要 保护的器件不会受到损伤;(2)键合过程中不破坏 腔体内的结构;(3)保证键合在高真空下(<10.Pa) 进行,且键合完成后每个什.片的泄漏率达到应用要 求;(4)保证一定的键合强度,保证管芯在划片,测 试和使用过程中能对腔体内的结构提供很好的机械 保护. 本文用作键合的两片硅圆片采用P型100硅片, 单面抛光,电阻率为0-3(?m0.5(?m.作为 盖帽的圆片厚度510m,作为基底的圆片厚度380 m.键合具体工艺流程如下: (1)盖帽片清洗(去除颗粒沾污,金属杂质和 . 2 表面有机物);(2)热氧化,厚度为1.6m;(3)正 反面分别涂覆光刻胶;(4)正面曝光,显影并用BOE 溶液刻蚀出待腐蚀窗口(窗口为6.4mm6.4mm大小 的正方形);(5)去除残留光刻胶;(6)湿法腐蚀: 将盖帽片置于20%25%KOH溶液(7580C)中 3h,腐蚀出槽的深度为110m130m;(7)用BOE 溶液去除残留SiO,;(8)磁控溅射Ti/Au,厚度分别 为50nm和500nm;(9)将制作完成的盖帽与基底完 成键合. 9 图1键合工艺流程 对于键合试验中键合区域的宽度,我们设置了 3组对比参数:0.2mm,0.4mm和1.6mm.键合工艺采 用SUSSMicroTec公司的BA.6键合机,键合的温度. 时间曲线如图2所示.开始阶段抽真空的同时升温 至50,待键合腔体内抽真空至10-2Pa左右时,升 温至363,保温10min,再加热至440C,保温30min, 同时给键合的两片圆片施加300kPa的压力.接下来 降温至300,退火30min.最后阶段放气,使腔体 内气压回复至常压,温度同时回复至常温. 500 400 300 z00 l0O O - 2002040608O100l2Ul4Ol60l80200 时间/min 图2键合温度一时间曲线 通过上述工艺,成功将3对样品键合.键合完 成后将样品在Sonoscan公司的D9500超声扫描仪(c. SAM)上观察键合情况.超声扫描仪的原理是利用 不同材料对超声波声阻抗不同,对声波的吸收和反 射程度不同,来探测半导体,元器件的结构,缺陷, 对材料做定性分析.键合样片在超声扫描仪下观测 一.一:一,一一 第11卷第1期张卓,汪学方,王宇哲,等:MEMS圆片级真空封装金硅键合工艺研究 图片如图3所示(从左至右样品键合区域宽度分别 为1.6mm,0.4mm,0.2mm),从整体上看键合质量良 好,但局部仍然存在一些缺陷. 口口一图3键合样片在超声显微镜下的图像 3性能检测 3.1泄漏率检测 泄漏率的检测主要由He质谱仪细检5和氟油粗 检完成.He质谱仪采用的示踪气体为氦气,采用质 谱仪的方法对示踪气体的浓度进行检测.利用He质 谱仪检漏仪加压法测量泄漏时,通常按照MILSTD一 883E的标准要求把待测封闭腔体放置在27.5个大气 压的He气环境下2h24ht,如果存在泄漏,氦气会 漏入待测封闭腔体内,然后把待测的密闭腔体放置 到He质谱仪的检测腔体内,抽真空到2.7x10”2Pa左 右,这时如果存在泄漏,氦气就会从待测密闭腔体 内泄漏出来,用质谱仪检测泄漏的He浓度.从泄漏 的示踪气体He的浓度可以计算出漏孔泄漏的漏率. 将3组样品在压强为0.4MPa的氦气中保压2h后进行 漏率测量,测得键合区域宽度分别为0.2mm,0.4mm, 1.6mm的三组样品(分别编号A,B,C)泄漏率均在 2x105X10-8pa?m/s之间. 细检合格的全部样品进入下一步的氟油粗检. 将每组在精检中合格的样品放入氟油中,观测是否 有气泡产生.A组样品在氟油粗检中有90%的样品 观察到了气泡的产生,判定为失效,故合格率仅为 10%;B组样品在氟油粗检中的合格率为15%;C组样 品在氟油粗检中的合格率为60%.统计键合缺陷区 域的比例时发现,所有泄露样品中,键合缺陷区域 位于四个角上和四个边上所占比例分别为42.2%和 57,8%.可见四个边角上出现键合缺陷的情况较多. 3.2键合强度检测 本文中选用直拉法检测键合片的强度.直拉法 是用拉开键合片的最大拉力来表示键合强度的. 测试中所使用拉伸试验测试台为实验室自行研制和 装配.测试之前需将样品通过粘结剂粘到拉伸样品 夹具并固化24h以上以保证其粘合效果.接下来将 粘合好样品的拉伸样品装夹在拉伸台上,加载直至 样品断裂. 每组选取15个样品进行拉伸试验.测得的结果 为:A,B,C三组平均最大拉伸力分别为39.62N,73. 99N和248.40N.由于键合区域面积可知,可以算出 三组样品单位面积的键合强度分别为I5.24MPa,14. 01MPa,10.76MPa.可以看出键合区域面积的增加对 键合强度增大的影响比较显着,这是因为键合区域 分布在整个圆片上而存在一定的不平整,致使局部 键合质量受到影响的缘故. 图4为键合样品在拉伸试验后断面在金相显微 镜下的图片,观察3组拉伸样品键合区域的断裂表 面,均可观察到硅表面裂开的现象,这表明局部区 域金硅键合强度已经超过了单晶硅本身的强度. 一一图4键合样品拉伸断面显微镜照片(500倍) 4结论 本文对圆片级MEMS真空封装金硅键合工艺进 行了初步的研究,通过对键合工艺的选择和优化, 键合质量的分析,键合强度和气密性的检测,得出 以下结论: (1)金硅键合的优点是其液相粘结性好,键合 强度高,键合温度较低,且可以避免焊料键合中熔 点较低的金属(如Sn)存在焊料流动从而影响键合 腔体内结构的现象. (2)经过大量参数试验,得到圆片级金硅键合 的理想条件为:溅射Ti厚度50nm左右,Au厚度500nm 左右,键合温度430左右,键合时间30min,键合 时所施加压力300kPa左右. (3)对于圆片级金硅键合,由于在大面积的键 合中整个圆片存在着一定的高度差,因此键合之前 圆片上所沉积金的厚度应该尽量大.但是考虑到成 本和溅射的工艺限制,选择沉积金的厚度为500nm. (4)由3组键合区域宽度不同的试验数据对比 可以看出,键合的结构(尤其是键合区域面积的大 小)与键合质量(泄漏率,键合强度)有着很密切 的关系.键合区域面积过小时,腔体的真空度对键 .一 第11卷第1期电子与封装 合区域出现缺陷的容忍度较差,成品率较低.键合 区域宽度增大到1mm以上时,键合成品率可以提升 到50%以上. (5)氟油检测中发现四个边角上发生泄露的现 象比较多,分析其原因,是由于在进行湿法腐蚀工 艺时各项异性腐蚀导致边角上出现向内过刻的现象 (见图5),这样角上区域的面积变小,这也是导致角 上出现泄露的原因之一.之后可以通过修改键合区 域图形来改进这个问题,从而提高键合的合格率. 图5键合样品角上出现的过刻现象 参考文献: 1】张东梅,叶枝灿,丁桂甫,等.用于MEMS器件的键合 工艺研究进展【J.电子工艺技术,2005,26(6):678? 683. 【2】Jung?tangHuang,HsuehanYang.Improvementofbonding timeandqualityofanodicbondingusingthespiralarrange mentofmultiplepointelectrodesJ.SensorsandActua torsA,2002,102(12):1-5. 【3】J.B.Lasky,Stiffier.S.R.,White.F.R,eta1.SiliconOil-insula- torbybondingandetchbackC.Proc.Int.ElectronDevice Meeting,USE,1985.684687. 【4】LiuBingWU,ZhangZhao?hua,TanZhimin,eta1.AuSi eutecticbondingtechnologyforMEMSdevice.2006,31 f12):896899. 5】甘志银.MEMS器件真空封装的研究D】.华中科技大学 博士学位论文,2008:87.95. 6MSD.TestMethodStandardMieroeireuits.USAS.MIL STD,1998.MILSTD一883Evo1.AuSieutecticbondingtech nologyforMEMSdevice. 【71TakaoAbe,TokioTakei,AtsuoUchiyama,eta1.Silicon waferbondingmechanismforsiliconon-insulatorsn.uctures J】.JapJApplPhys,1990,29(12):23l1-2314. 作者简介: 张卓(1986-),男,湖北黄石人, 华中科技大学机械科学与工程学院硕 士研究生,主要从事微加工工艺和 MEMS真空封装的研究. ,信息报道, 安捷伦科技任命第三位在中国培养的本土化全球副总裁 安捷伦科技公司日前宣布,任命严中毅为安捷伦科技 全球副总裁兼电子测量业务集团大中华区总经理,