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MEMS圆片级真空封装金硅键合工艺研究

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第11卷,第1期 Vo111.NO1 ..电子与封装 ELECTR0NICS&PACKAGING 总第93期 201 1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:1681—1070(2011)01—0001—04 Study on Au—Si Bonding of Wafer Level MEMS Vacuum Packaging ZHANG Zhuo,WANG Xue—fang,WANG Yu—zhe,LIU Chuan,LILT Sheng (Huazhong University ofScience and Technology,Wuhan 430074,China) Abstract:A new kind bonding structure that applicable to MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)wafer level vacuum packaging had been reported,Au—Si bonding which meets the requirements is selected by analysing the merits and demerits of all kinds of bonding processes.The bonding process condition are designed by the structure that put forward and characteristics ofAu—Si bonding,and optimized by plenty oftests.In this bonding process condition,different bonding experiments are completed under 3 different structure parameters.The different bonding qualities(including leakage rate test and bonding strength test)of different structure param・ eters are tested.After this,qualitative analysis that different bonding qualities caused by different structure parameters is given.A bonding structure and process which suit for Au-Si bonding are received.In the end,the summary and the evaluation are given,and the drawbacks and related proposals of this experiment are put forward. Key words:MEMS;vacuum packaging;Au—Si bonding;wafer level 微机电系统(Micro Electro Mechanical System) 1 引言 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:2010—10—04 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: 2008AA04Z3071 1) 第1 1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 表面有机物);(2)热氧化,厚度为1.6 m;(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6.4mm×6.4mm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(75℃ ̄80 ̄C)中 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300 ̄C~ 400℃,偏压为500V~1000V,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。 一。一:一,一2 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( ・ m~0.5( ・ m。作为 盖帽的圆片厚度510 m,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 3h,腐蚀出槽的深度为110 m~130 m;(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SUSS 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10-一 MicroTec公司的BA.6键合机,键合的温度. 2Pa左右时,升 温至363℃,保温10min,再加热至440 ̄C,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 -20 0 20 40 60 8O 100l2Ul4Ol60l80200 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 第1 1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 样品断裂。 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。 每组选取1 5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. 口口一 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著,这是因为键合区域 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MIL—STD一 883E的标准要求把待测封闭腔体放置在2~7.5个大气 压的He气环境下2h ̄24ht ,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2.7x 10"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 2x 10 ~5X 10-8pa・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 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1 1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1 mm以上时,键合成品率可以提升 到50%以上。 【2】Jung・tangHuang,Hsueh—anYang.Improvementofbonding time and quality ofanodic bonding using the spiral arrange— ment of multiple point electrodes[J].Sensors and Actua— torsA,2002,102(1—2):1-5. (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。 【3】J.B.Lasky,Stiier.fS.R.,White.F.R,et a1..Silicon—Oil-insula- tor by bonding and etch back[C].Proc.Int.Electron Device Meeting,USE,1985.684—687. 【4】Liu Bing—WU,Zhang Zhao・hua,Tan Zhi—min,et a1..Au—Si eutectic bonding technology for MEMS device.2006,3 1 f12):896—899. [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. [6]MSD.Test Method Standard Mieroeireuits.USA[S].MIL— STD,1 998.MIL—STD一883Evo1.Au—Si eutectic bonding tech— nology ofr MEMS device. 【7 1 Takao Abe,Tokio Takei,Atsuo Uchiyama,et a1..Silicon wafer bonding mechanism for silicon—on-insulator sn。uctures 图5键合样品角上出现的过刻现象 [J】.Jap J Appl Phys,1990,29(12):23l1-2314. 作者简介: 参考文献: 张卓(1986-),男,湖北黄石人, [1】张东梅,叶枝灿,丁桂甫,等.用于MEMS器件的键合 华中科技大学机械科学与工程学院硕 工艺研究进展【J].电子工艺技术,2005,26(6):678・ 士研究生,主要从事微加工工艺和 683. 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 我相信,安捷伦科技电子测量业务集团大中华区在严中毅的 全球副总裁兼电子测量业务集团大中华区总经理,负责安捷 带领下,将继续发挥安捷伦在行业中世界领先的优势,抓住 伦科技在中国大陆和港、台地区电子测量销售业务整体战略 中国市场蓬勃发展的机遇,在新的一年里创造新的辉煌。” 的制定和实施。这是安捷伦科技今年在中国任命的第三位在 严中毅先生于1990年加入中国惠普/安捷伦科技公司 中国培养的本土化全球副总裁。此前,安捷伦前后任命霍丰 电子测量仪器部任销售工程师,历任电子测量仪器部华东 担任安捷伦科技全球副总裁兼大中华区总裁,牟一萍为安捷 区、南方区、中国区经理等要职,负责电子仪器与系统事业 伦科技全球副总裁兼化学分析和生命科学两大业务集团大中 部在中国市场的销售业务。严中毅先生对中国电子测试测量 华区总经理。 行业有着深刻的理解和丰富的实践经验,并拥有扎实的管理 安捷伦科技公司副总裁、电子测量业务集团全球销售 学理论知识和丰富的跨区域工作经验。1997年以来,在严中 总裁Saleem Odeh在宣布此项任命时表示:“随着近年来中国 毅先生的带领下,电子测量仪器部连续为安捷伦中国赢得 业务的飞速发展,中国已发展成为安捷伦仅次于美国本土的 10%以上的销售增长,由他主管的安捷伦深圳业务近年来更 全球第二大市场。在过去的一年里,安捷伦在大中华区的业 是创下每年以30%-50%的速度增长的业绩,使安捷伦在深 务成绩斐然,安捷伦中国领导团队也发挥着日益重要的作 圳的业务取得了长足进展,进而成为安捷伦继北京、上海和 用。严中毅在惠普/安捷伦供职20多年,积累了丰富的经验。 成都三大战略发展城市之后的又一亮点。 (本刊通讯员) ..4.. 

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