mems陀螺晶圆级真空封装工艺研究

mems陀螺晶圆级真空封装工艺研究

0金硅共晶键合真空封装工艺近年来，螺旋式闸门广泛应用于消费终端、汽车制造、船舶制造等领域。高性能MEMS陀螺对于真空封装气密性要求很高,目前晶圆级真空封装已经成为高性能MEMS陀螺制备的关键工艺技术在目前众多的键合工艺中,静电键合的高电压对MEMS器件性能产生不利影响;硅硅直接键合对键合表面平整度和光洁度要求高,并且键合时的高温无法兼容金属工艺;热压键合需要较高压力,且不兼容金属引线工艺,这几种键合应用于高性能MEMS陀螺的真空封装面临的困难较多。本文采用金硅共晶键合实现了MEMS陀螺晶圆级真空封装。金硅共晶键合是利用金硅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晶键合,其键合温度低、残余应力小、图形化容易、键合强度高且封装气密性好1试验计划和准备1.1利用热氧化地层和化合物实验设计的晶圆级真空封装整体工艺流程如图1所示,用作键合的两片晶圆分别为盖帽晶圆和结构层晶圆,制备工艺具体流程如下:在盖帽晶圆上制作背面对准标记;制作浅腔;进行热氧化,厚度为0.3μm,在氧化层上制备钨金属引线,钨层厚度为0.3μm;在钨引线层上采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺淀积一层氧化层,厚度为0.5μm,在该氧化层上刻蚀接触孔,溅射Ti/Au,并制备金键合环、金焊盘点(PAD),金层厚度为0.5μm;在盖帽浅腔内制备吸气剂,并加入已制备好的结构层晶圆进行共晶键合;键合完成后刻开PAD点上方的结构层晶圆,露出金PAD。1.2金属基导电材料的共晶键合工艺为保证金硅键合顺利进行,需在键合前对硅表面和金表面进行处理:在键合前先漂去硅表面的自然氧化层,再经等离子体清洗去除硅表面和金表面沾污。金硅键合时,在键合压强的作用下,金表面和硅表面紧密接触,当键合温度高于金硅二相系共熔温度时,金硅化合物会从硅表面夺取硅原子,实现硅在金硅二相系中的饱和状态,再经自然冷却可形成良好的金硅键合。由于黏附层钛的存在,在进行键合工艺时,钛向金中扩散形成AuTi/AuTi盖帽层和结构层的共晶键合工艺采用SUSSMicroTec公司的SB6E键合机,键合过程如下:开始阶段先抽取工艺腔室真空,同时衬底升温至100℃;待键合腔体内抽真空至102真空密封性能的测定2.1示踪气体浓度检测将真空封装后的晶圆划成小芯片,对小芯片进行气密性检测,检测主要包括He质谱检漏仪细检和氟油粗检。He质谱检漏仪采用的示踪气体为He气,对示踪气体的浓度进行检测。利用He质谱检漏仪加压法测量泄漏时,按照GJB548A标准,根据本次键合后的内腔体积,将待测小芯片在5个大气压的He气环境下放置4h,取出后置于He质谱检漏仪抽真空至稳定值,如果存在泄漏,将被He质谱检漏仪侦测,从示踪的He的浓度可以计算出泄漏速率2.2结合强度测试采用直拉法进行键合强度剪切力测试,以检测芯片的键合强度3气密性测试应用金硅键合晶圆级真空封装,预期可使MEMS陀螺真空腔室气体泄漏速率小于1.0×10在本文的真空封装方案中,封装气密性与金硅共晶键合质量紧密相关。由于金属引线从键合环下方横向引出,导致键合环在引线表面和引线间隙处存在高度差,该高度差导致键合面存在空隙。在共晶键合时,液相的金硅合金可流入键合环的高度差间隙,防止真空封装泄漏。但间隙过大或金硅合金较少时,无法填满键合面存在的间隙,从而导致气密封装失败,如图3(a)所示。因此,真空封装的成功与下层钨金属引线厚度和金层厚度密切相关:钨引线在满足电连接电阻要求时,应尽量薄以减小键合面上高度差;金层厚度应满足液相金硅合金能填满高度差间隙的要求,如图3(b)所示,间隙被液相金硅合金填满,确保了真空封装的气密性。为此制备新实验片A,其钨引线厚度为0.2μm,金层厚度为0.8μm,其他工艺条件均不变,将实验片A划成小芯片后,其中10个小芯片的气密性测试结果如表3所示,结果显示实验片A小芯片真空泄露速率均小于2.0×10在实际MEMS制造中,虽然键合环越宽、键合面积越大,键合强度越强,但考虑到芯片面积,键合环不宜过宽由于金键合面和下层金属引线仅靠一层PECVD沉积的氧化层绝缘,在金硅键合过程中施加在晶圆上的压力可能会破坏该氧化层,金渗透到下层金属引线上,从而导致相邻引线的短路。因此,需要对芯片的相邻PAD点进行电学性能测试,判断键合是否对金属引线产生不利影响。刻蚀PAD点上方的结构层晶圆露出PAD点,200倍光学显微镜下观察露出的B1芯片的PAD点,如图5所示。测量相邻电绝缘PAD点的绝缘性,结果如表5所示,电压为0～10V时,绝缘电阻均大于7GΩ,表明绝缘性良好,未受金硅键合影响。进一步对完成真空封装的B1陀螺芯片进行功能测试,结果如图6所示。测试方法如下:陀螺的频率测试采用扫频法,用信号发生器(KEY-SIGHT33500B)对陀螺谐振子进行扫频,寻找谐振点,扫频过程可在Labview的程序下进行监控;Q值测试采用时间衰减法,首先由信号发生器对陀螺输入同步反相等伏的驱动信号,将陀螺谐振子驱动在其谐振频率附近,然后去除激励信号,由高速采集卡(NI-DAQ)完成对输出衰减信号的采集,对采集到的衰减信号进行过滤和拟合,得到谐振子的衰减时间常数。最后Q值由公式Q=πτf4社会主义模型特别是表现本文介