mems晶圆键合技术的发展与应用

mems晶圆键合技术的发展与应用

景圆锁合技术是将不同材料的晶体结合起来，创建新的设备和小型硅设备，并使用硅来生产新的产品和硅源。许多新技术和应用可以实现。MEMS是将微型机械元件、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,利用IC工艺制作的电子器件和系统、微机械工艺制作的微机械组件,有选择地刻蚀掉部分硅层或增加的新结构层以形成机械和机电器件。并且与光器件结合在一起,形成微光电子机械系统(MOEMS)。随着信息技术、光通信技术的发展,MOEMS将成为应用的重点。晶圆键合技术为MEMS和MOEMS中不同材料、不同结构的结合提供超薄膜层制造方法,是实现更多MEMS集成的有效加工技术。晶圆键合技术与MEMS制造技术及应用相辅相成,发展速度相当快,实现了MEMS种类多样化。1晶圆键合技术晶圆键合技术始于微电子机械系统(MEMS)制造。这种微系统多用于汽车工业,如:加速度计、微反射镜和陀螺仪等微系统要求密封的微腔室,以便保护苛刻环境对器件的损伤,同时保证了机械功能的执行;红外探测器或谐振器等其它器件则要求真空封装。随后,晶圆键合技术用于MOEMS制造,MOEMS是将光学和电子功能组合在一起,应用于听力辅助器和红外焦面阵列等。除MEMS和MOEMS外,驱动晶圆键合技术发展的另三种技术是晶圆级封装(WLP)、三维芯片堆叠(3-Dchipstacking)和绝缘体上硅(SOI)晶圆。如此众多的应用已经推动了键合方法的发展(如图1所示)。而且,新型晶圆键合技术的应用组合了各种材料,作为一种新颖器件的设计加工方法。这些工程定制的基片使已经梦想多年的材料组合得以实现,如;用于光电子器件的硅上砷化镓(GaAs-on-silicon)和硅上磷化铟(InP-on-silicon)等。键合要求因用途不同而变化。对于MEMS,整个晶圆平面温度和压力的均匀性是必要条件,晶圆尺寸一般在75～150mm。对于SOI应用,既不需要施加高温,也不需要施加高压力。对纳米级制造,而晶圆的洁净度为前提条件,并且必须适应200mm和300mm晶圆。300mm晶圆的驱动力一方面在SOI,另一方面在3-D互连。尤其是3-D互连,对准精度要求在1μm以内。EVG公司为晶圆级3-D互连新推出了一种对准技术,采用双显微镜使每次对准聚焦校准在公用轴上,每个物镜观察晶圆表面上的一个对准标记。两水平工作台可以以0.1μm的步距单独移动。图2展示了面对面晶圆键合对准步骤。1.1晶圆级封装键合技术晶圆键合是唯一的晶圆平面高均温性与高均压性结合的半导体加工技术。由于各种用途,反应室腔压必须能快速抽空到1.333×10对晶圆级封装,键合精度、键合一致性以及被键合晶圆的共面性尤为重要。同时,基片键合允许更灵活的工艺。芯片级倒装键合,由于可采用氮或氮氢混合气体或氙控制环境,因而,可在室温常压下进行倒装键合。半导体器件或传感器采用晶圆级封装,避免了器件受后续加工(如划片等)的污染。1.2硅-玻璃共价键合晶圆键合技术可用来结合任何两个具有不同晶向和晶格常量的平坦镜面抛光表面。一般常用温度、力或中间层来实现键合。硅直接键合、阳极键合、共晶键合以及热压键合应用最为普遍,而临时性键合逐渐地用于智能卡超薄晶圆键合。阳极键合是将硅片与碱金属氧化物含量高(通常为硼硅酸玻璃)的玻璃片结合在一起。在高温(200～500℃)、高压电场情形下,分解氧化物,并使金属离子进入玻璃。该工艺在硅与玻璃界面产生富氧层。电场力迫使氧离子到达硅表面,导致不可逆转的强键。在硅与玻璃结合的情形中,阳极键合采用玻璃的导电性产生共价键和气密密封。阳极键合多用于WLP和传感器密封。当要求气密或真空密封,如传感器,一般采用共晶键合。采用中间键合材料在特定温度形成共晶合金,如金硅、金锡或铅硅合金等。金属通常采用电镀淀积,而硅源可以是晶圆,或者化学汽相淀积(CVD)膜层,在略高于共晶点温度和高接触压力(40kN)情形下发生固液混合,冷却后形成气密密封。粘合剂键合采用光刻胶、旋涂玻璃或聚合物在两晶圆间淀积一种平面化材料。此类材料可低温退火以提供低应力晶圆堆叠。热压键合采用悬浮在载体软膏中的玻璃珠(玻璃釉料),淀积在基片上或采用丝网印刷技术形成一个表面层。淀积后,通过脱气除去溶剂,然后加热、加压获得气密密封。热压键合用于混合电路制造,有些公司正在研究将其用于3-D互连生产。临时性键合一般采用旋涂蜡或干粘合剂实现,将晶圆面朝下键合到载体上,背面进行研磨和抛光。随后,溶解蜡,紫外辐射曝光聚合粘合剂,自动解除该键合。智能卡和其它便携式应用中采用的超薄器件需要临时性键合。在有些情况下,这些薄基片厚度可小于100μm,所以它们非常脆,如果不进行键合处理,危及其成品率。最常用的载体是蓝宝石,由于它们可以加工,并可获得非常高的厚度公差。1.2.1等离子体热熔焊技术硅直接键合又称融焊,加温和加压使两种材料晶片结合,通常为氧化硅晶圆(器件晶圆)和硅移植晶圆。然后,剥离或平面化处理上方晶圆,以便形成SOI片。在高性能微处理器中,硅器件层一般为500nm或更薄,而SOI传感器晶圆一般具有2μm以上的硅层。融焊的主要缺陷是激活此键要求高温退火。作为一种替代技术,采用等离子体加工可使退火温度从1000℃左右降低到200～300℃。等离子体改变了晶圆表面,使其成为亲水性的;然后使晶圆变成非均质的,以便更容易用较低温度,所以在降低温度情形下可以进行融焊。硅融焊有三个步骤:第一步,清洗与等离子体处理,产生具有特定接触角的亲水性表面;第二步,微粒去除结合表面活化并键合;第三步,在标准的立式炉,200～1000℃温度范围进行高温退火。当晶圆非常接近时开始键合,在晶圆边缘处施加压力,预键合力遍布键合界面,以其自身冲量(10～30mm蛐s),并发生融焊。该工艺在2～6s内完成,键合时间取决于晶圆尺寸和表面能量。从批量生产的角度看,目前键合晶圆用量最大的是SOI。应用范围含盖智能功率器件,微波元件,光电器件、先进模拟IC(所有的厚SOI应用)、抗辐射强的ASIC以及高速微处理器(薄SOI应用)。1.2.2材料键si工程基片指的是不同晶圆组合而形成新的材料。目前最热门的是各向异性薄膜材料集成,如砷化镓(GaAs)上磷化铟(InP)或锗(Ge)与硅(Si)键合。光电子应用中一种特别有意义的结合是锗上砷化镓,由于这两种材料键几乎接近完美的晶格匹配。有一种避免高温的晶圆键合技术,采用一系列化学处理,然后除去化学试剂,使晶圆接触,并在不同材料间形成共价键。最初实用化的是钽酸锂玻璃(LiTaO1.2.3晶圆键合工艺3-D叠层堆积有助于改进器件的封装密度和信号延时,且不影响芯片级系统(SoC)器件的成品率。实现这一高精度工艺的关键是不采用背面对准时晶片与晶片对准,而其它晶圆键合工艺通常采用背面对准,3-D互连最普遍考虑的界面是铜和聚合物层。由于此工艺在已制作的芯片间进行互连,要求超洁净键合,只能允许低温和低接触压力。相对于多数金属与金属键,此种键合的主要好处是用苯并环丁烯(BCB)聚合物作中间层,工艺温度低(100～300℃)。尽管器件叠积的兴趣非常高,但这种晶圆键合应用仍处在研究开发阶段。3mems制造采用硅材料MEMS技术是采用半导体制造技术制作的微传感器和执行器的集成体。自从20世纪90年代,MEMS开始用到气囊传感器和喷墨打印头。高性能磁盘驱动是MEMS器件应用富有前景的新舞台。美国国防预研计划局(DARPA)、欧洲委员会(NEXUS)和日本的微机械中心等大力支持MEMS开发,我国在科技部、国家自然基金委、教育部和总装备部的资助下,积极开展MEMS研究。MEMS应用遍布精密汽车气囊传感器、高科技安全器件用显微手术、生物传感器等智能医学器件;也用于惯性制导、分布传感与控制、信息技术等领域。硅是MEMS制造的一种理想材料,其机械和电特性已得到精确定性,而且对硅材料的微加工技术比其它任何材料都成熟。许多MEMS应用要求表面微机械加工,是在硅晶圆上要求形成异种材料,随后通过成像和刻蚀制作特殊结构。SiO然而对MEMS制造采用淀积多晶硅膜却涉及一些特殊挑战。这些挑战包括多晶硅的热导率低、粗糙性、膜厚度(MEMS应用一般要求更厚的膜层)、以及不利于高纵横比悬臂结构多晶硅膜的固有应力和应力梯度等,这种膜通常用于MEMS应用。用单晶硅替代多晶硅可以有两种可行的方法,首先是体硅微机械加工,在体硅中深刻蚀从基片中分离出体硅晶圆区域,这种技术适合纵向尺寸达到甚至超过100μm。然而,此种情况正在挑战刻蚀深度的精密控制,MEMS结构甚至更难。第二种方法是采用SOI,SOI提供了单晶硅的所有优点,加上良好地限定膜厚,保证了运动部件振荡的精确频率。2.1soi技术原理SOI技术最初是为军用和宇航领域的高可靠电子器件制造开发的,而目前用于高性能IC成为主流,如超高速微处理器;在电子应用方面,SOI很快受到了MEMS、MOEMS以及微光子电路设计者重视;在其它领域需要类似的材料特性。SOI结构对这些应用具有许多优点,SOI中的单晶硅膜是从单晶硅基片分割的,用来埋入无定形SiOSOI晶片的大批量生产主要是由于智能剥离技术使用,图3为智能剥离工艺的步骤。注氢能量决定于由“籽晶”晶片转移到另一“操作”晶片的单晶硅层厚度和均匀性。籽晶晶片可以继续再利用。埋入氧化物为常规的热氧化物。硅膜厚度达1.5μm,厚度均匀性<5%(3σ),可以由标准的注入设备获得。增加离子能量到200keV以上能够产生更厚的膜层,但通常更方便地在SOI上采用传统的外延生长技术使膜层扩展到几微米。智能剥离技术的优点是它不受SOI限制。此工艺更适合MEMS共性受益的其它多层材料包括融硅或石英上硅、玻璃上硅、氧化硅上碳化硅(SiC)、氧化硅上InP或GaAs。2.2光波导开关和小型光开关SOI中MEMS结构制造类似于硅表面微机械加工。图4展示了法国MEMS代工厂的SOI晶圆上微机械加工的工艺步骤。随着光纤通信扩展和密集波分复用(DWDM)技术的出现,管理光纤束中成百上千个光学数据流的能力成为关键。在只有光网络中,光束的改向是通过微反光镜的2D或3D阵列,一般反光镜直径在100～1000μm,间隔约为100μm～2mm。此种小反光镜阵列,每个芯片上数量从几十个到几千个,最好通过一个SOI晶片中切槽形成。SOI基片对制作光波导开关和小型光开关十分有益,由于单晶硅在近红外光范围有良好的光学特性。SOI层可以形成波导,在一个SOI芯片中可以实现几种光学功能。也可以在一个光学芯片制作小型光开关。图5为电子器件与光学器件集成的实例。这种光学微电子机械系统集成单晶硅光学元件、MOS晶体管、激光二极管、发光二极管、光二极管和多晶硅铰链等于一体,以SOI晶片为基底。2.3铜驱动线圈的制作MEMS器件增强了硬磁盘驱动的性能。MEMS制造技术使微执行器实用化主要是由于它能生产所需尺寸的器件以及在晶圆面批生产的固有成本优势。磁性微执行器(MAGMA)滑块电平微执行器实际上是一种非常小的电磁音圈电机。MAGMA电磁微执行器的主要元件是永久磁体和导电驱动铜线圈,如图6所示。此外,高导磁性金属“保持器”元件用在磁体和铜线圈的上下维持电磁场。最后,硅用来产生具有高纵横比硅弹性褶皱片的转子和定子结构。铜驱动线圈的制造可采用多种方法(如图7所示)。用光成形的高纵横比光刻胶模型通过电镀成形铜线圈(如图8所示)。接着除去光刻胶,允许除去导电性镀制籽晶层。然后用自旋可光学成型的环氧树脂(MicrochemSU8)密封每个线圈。这些元件做在金属圆片上,而不是做在硅基片上。最后将从其背侧湿法蚀刻这一金属基片,以便生成上保持器元件。其余元件采用传统(非MEMS)技术制作。通过湿法蚀刻或机械压制生成金属下保持器。磁体制造商可以将磁体划切到所需尺寸。图8展示了MAGMA中硅结构的制作工艺。250μm厚、双面抛光的硅片一侧蚀刻形成约50μm高的机械间隙。这些机械的隔断确定了上线圈结构和硅转子蛐磁体间的精密隔离。然后,在另一侧用热氧化或等离子体增强化学汽相(PECVD)淀积氧化物。这层氧化物膜用蚀刻硅的硬掩模。前后接触对准机用作标准光刻技术制作柱体、滑块槽穴、磁体蛐下保持器孔穴的结构。然后,用干法蚀刻工艺成形氧化物,如反应离子蚀刻(RIE)。DRIE工艺用来获得狭窄通道中的立式墙,形成柱体。这些柱体一般为10～50μm宽,作为弹性褶皱片连接转子和定子元件。这种器件中通道一