一種真空度可調的圓片級封裝技術(shù)

　　提出了一種MEMS器件的圓片級封裝技術(shù)。通過(guò)金硅鍵合和DRIE通孔制備等關(guān)鍵工藝技術(shù)，可以實(shí)現真空度從10²Pa到2個(gè)大氣壓可調的圓片級封裝。作為工藝驗證，成功實(shí)現了圓片級真空封裝MEMS陀螺儀的樣品制備。對封裝后的陀螺儀樣品進(jìn)行了剪切力和品質(zhì)因數Q值測試，剪切力測試結果證明封裝樣品鍵合強度達到5kg以上，圓片級真空封裝后陀螺的品質(zhì)因數Q 值約為75000，對該陀螺的品質(zhì)因數進(jìn)行了歷時(shí)1年的跟蹤測試，在此期間品質(zhì)因數Q的最大變化量小于7‰，品質(zhì)因數測試結果表明封裝具有較好的真空特性。

引言

　　微電子機械系統(MEMS)產(chǎn)品除了具有微電子產(chǎn)品的電性能指標外還具有可動(dòng)微結構的機械性能指標，封裝可使MEMS產(chǎn)品避免受到灰塵和潮氣等對可動(dòng)結構的影響，另外通過(guò)真空(或氣密)封裝還可改變MEMS產(chǎn)品內部阻尼情況提高產(chǎn)品的性能。目前，MEMS器件的封裝成本最多已經(jīng)占到了產(chǎn)品總成本的95%，滯后的封裝技術(shù)與高昂的封裝成本嚴重制約了MEMS器件的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，降低封裝成本與真空封裝技術(shù)是目前MEMS技術(shù)研究中急需解決的技術(shù)難題，也是實(shí)現MEMS技術(shù)最終產(chǎn)業(yè)化的重要前提。圓片級封裝技術(shù)采用鍵合技術(shù)在MEMS器件的圓片上加裝蓋板來(lái)完成封裝，具有批量的優(yōu)點(diǎn)，并且由于可以省去昂貴的封裝外殼，可使封裝成本降到最低，是實(shí)現MEMS器件高性能、低成本和批量化的主要解決途徑。因此圓片級氣密封裝成為MEMS封裝技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。

　　本文提出一種真空度可調的MEMS器件圓片級封裝技術(shù)，利用該技術(shù)已實(shí)現了MEMS陀螺儀的圓片級真空封裝。該技術(shù)可根據器件的不同要求實(shí)現真空或最高到兩個(gè)大氣壓間任意壓力的圓片級封裝，降低了封裝成本和體積，并具有大批量生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)，對于降低MEMS產(chǎn)品封裝成本、提高器件性能和加快MEMS技術(shù)產(chǎn)業(yè)化具有重要意義。

1、工藝設計

　　本文設計的圓片級封裝結構形式如圖1所示。采用蓋板上通孔實(shí)現電信號導出，形成垂直互連，這種電互連較傳統的互連具有電連接距離短、密度高、寄生和串擾等效應小的優(yōu)點(diǎn)。外圍加密封環(huán)后利用圓片鍵合工藝實(shí)現圓片級封裝。

圖1　圓片級封裝結構示意圖

　　為了防止封裝后各電極間產(chǎn)生漏電，采用高阻硅材料做為圓片級封裝工藝的蓋板，首先在高阻硅需要鍵合的一面進(jìn)行光刻并干法刻蝕形成供MEMS可動(dòng)結構活動(dòng)的腔體，腔體深度可根據設計需要自由調節，一般不超過(guò)30μm。

　　接下來(lái)進(jìn)行電極引出通孔的制備，目前在硅片上形成通孔的方法主要有濕法腐蝕和干法刻蝕工藝，濕法腐蝕工藝簡(jiǎn)單、成本較低，但是濕法腐蝕會(huì )導致孔徑較大，降低了封裝密度，因此作者采用干法刻蝕工藝制備通孔。首先雙面光刻形成通孔窗口，之后采用反應離子刻蝕(RIE)刻蝕干凈窗口處的氮化硅和氧化硅，接下來(lái)用深反應離子刻蝕(DRIE)刻蝕出通孔，最后采用四甲基氫氧化銨(TMAH)對通孔側壁進(jìn)行拋光形成最終電極引出通孔。

　　為了進(jìn)一步保證各電極隔離，在形成通孔的硅片表面熱氧化生長(cháng)一層致密的二氧化硅，接下來(lái)在氧化硅層上進(jìn)行鍵合密封環(huán)的的制備。圓片級封裝對鍵合工藝的要求是具有氣密性，避免外界濕氣污染或封裝后漏氣導致微結構失效;同時(shí)為了避免高溫引起器件的失效或者性能退化，需要具較低的工藝溫度;鍵合后應力較低避免對器件的性能產(chǎn)生不利影響。針對這些要求對比了目前國內外常用的幾種圓片鍵合技術(shù)。GlassFrit鍵合溫度偏高，精度較低且不易實(shí)現潔凈的封裝;陽(yáng)極鍵合通過(guò)在Si和玻璃間加電形成場(chǎng)助鍵合，鍵合溫度300～600℃，優(yōu)點(diǎn)是強度高和氣密性較好，缺點(diǎn)是在玻璃上制備深的封裝腔體以及通孔較難、成本較高和應力匹配較差，不適合用于圓片級封裝。硅硅鍵合通過(guò)Si片和Si片間熱退火形成Si—O—Si共價(jià)鍵形成鍵合，優(yōu)點(diǎn)是鍵合強度高、氣密性和應力匹配性好，缺點(diǎn)是鍵合溫度高(約1　000 ℃)，鍵合難度較大，對表面要求極高，鍵合前需要對表面進(jìn)行特殊處理，而加工好具有可動(dòng)結構的MEMS器件圓片多已不適于進(jìn)行此處理，因此硅硅鍵合也不適合用于圓片級封裝。金屬-硅共晶鍵合技術(shù)通過(guò)選用合適的金屬或者合成金屬可以實(shí)現共晶鍵合，鍵合溫度較低、殘余應力小、鍵合強度較高、氣密性好、容易實(shí)現圖形化且精度高。

　　通過(guò)以上分析作者最終選用金硅鍵合技術(shù)進(jìn)行圓片級封裝。首先采用濺射工藝在氧化層上濺射Ti/Au做為電鍍種子層，接下來(lái)采用選擇性電鍍工藝制備厚度為1μm的金鍵合密封環(huán)。密封環(huán)形成后在需要實(shí)現真空封裝的蓋板腔體內生長(cháng)吸氣劑薄膜，不需要真空封裝的可省略這一步。接下來(lái)采用金硅鍵合實(shí)現圓片級封裝：首先將硅蓋板與加工好MEMS結構的圓片在SUSS　BA6對位設備上進(jìn)行預對準，接下來(lái)編制鍵合程序在SUSS　SB6圓片鍵合機上實(shí)現金硅共晶鍵合，鍵合溫度峰值400℃，峰值溫度處維持10～15　min，根據器件要求在鍵合過(guò)程中從102　Pa到2個(gè)大氣壓間調節腔體壓力，從而達到真空或氣密封裝的目的。鍵合后采用磁控濺射工藝對通孔進(jìn)行金屬化形成凸點(diǎn)下金屬層(UBM)，UBM 包括Ti/Au;制作完UBM 后，采用電鍍工藝在UBM 上生長(cháng)SnPb焊層，光刻去除焊盤(pán)周?chē)�金�?回流形成SnPb凸點(diǎn)。最后劃片完成加工。

2、工藝實(shí)驗

　　2.1、金硅共晶鍵合

　　為了實(shí)現氣密或真空封裝，首先要保證氣密鍵合，影響鍵合質(zhì)量的主要因素是鍵合溫度。當高阻硅蓋板與結構圓片對位后放置于真空鍵合臺上加熱時(shí)，硅結構與金之間通過(guò)合金熔解以及再凝固而結合在一起。整個(gè)合金過(guò)程分為升溫、恒溫和降溫三個(gè)階段，當溫度低于金硅共晶溫度(363 ℃)時(shí)，金硅不發(fā)生作用，當溫度等于共晶溫度時(shí)，金硅在交界面上相互擴散，形成金硅溶液，恒溫一段時(shí)間合金溶液中硅原子達到飽和，在緩慢降溫時(shí)，硅原子將從溶液中析出，形成金硅的再結晶層。因此，為了形成共晶鍵合，鍵合溫度要高于金硅共晶，但溫度過(guò)高也會(huì )影響鍵合質(zhì)量，同時(shí)高溫對已形成的MEMS硅結構會(huì )有較大影響并且會(huì )引入更大的殘余應力，因此為了找到最佳的鍵合溫度，設計了不同的工藝條件進(jìn)行金硅鍵合實(shí)驗，實(shí)驗結果如表1所示。

表1　金硅鍵合結果

　　從實(shí)驗結果看出，400℃的工藝條件達到的鍵合強度已經(jīng)可以滿(mǎn)足應用需要，該工藝溫度較低，對鍵合器件的破壞性較小，因此選用該工藝條件實(shí)現金硅圓片級氣密鍵合。

　　在實(shí)驗中發(fā)現金硅鍵合質(zhì)量與鍵合前圓片的表面狀況也有很大關(guān)系。硅片表面的沾污容易導致鍵合界面形成空洞，從而降低鍵合質(zhì)量。分析后發(fā)現等離子清洗能夠有效去除表面的沾污，同時(shí)優(yōu)化的等離子處理能夠有效改善鍵合表面性質(zhì)、提高鍵合化學(xué)鍵的強度。為此作者編制了特殊的等離子處理程序，在鍵合前用等離子處理鍵合界面，獲得了致密、沒(méi)有空洞的鍵合界面，鍵合成品率大于85%。

　　2.2、通孔制備

　　倒V形或者垂直的通孔不利于為了后續的通孔金屬化，因此需要實(shí)現正V 形通孔。首先分析了影響干法刻蝕角度的因素，主要因素為刻蝕氣體SF6與保護氣體C4F8的流量比，因此編制了特殊的DRIE刻蝕程序，增加了C4F8的流量，同時(shí)在通入SF6的同時(shí)通入一定量的C4F8，但是C4F8的增加在改善刻蝕角度的同時(shí)也容易引起底面黑硅從而導致通孔不能被刻透，通過(guò)對工藝條件進(jìn)行優(yōu)化和大量實(shí)驗最終實(shí)現了如圖2所示的正V形通孔，通孔開(kāi)口直徑80μm，通孔深度250μm。由于干法刻蝕原理所致，通孔側壁存在一定的凹凸起伏，過(guò)大的粗糙度會(huì )對后續的通孔金屬化工藝造成困難，因此在通孔形成后，增加一次TMAH 工藝對側壁進(jìn)行了拋光，拋光后的通孔側壁粗糙度小于100nm，便于后續的通孔金屬化工藝。

圖2　DRIE刻蝕出的通孔SEM 照片

3、實(shí)驗結果

　　采用MEMS慣性器件的代表產(chǎn)品MEMS陀螺儀做為圓片級封裝工藝的驗證樣品，最終加工出樣品的掃描電鏡照片如圖3所示。

圖3　圓片級真空封裝陀螺樣品照片

　　3.1、鍵合強度檢測

　　采用半導體技術(shù)中通用的剪切強度測試技術(shù)對圓片級真空封裝的陀螺樣品進(jìn)行鍵合強度測試。測試設備為DAGE4000焊接強度和剪切強度測試儀。測試溫度25℃，濕度RH40%，表2給出了測試結果，結果顯示抽檢樣品全部合格。

表2　剪切力測試結果

　　3.2、圓片級封裝真空度測試

　　由于圓片級封裝后的芯片內部腔體較小，普通技術(shù)無(wú)法直接測試出封裝腔體的真空值。為此分析了MEMS器件的特點(diǎn)，由于MEMS結構的品質(zhì)因數Q 值與腔體真空度成正比，因此通過(guò)測試圓片級真空封裝陀螺樣品品質(zhì)因數Q 值的方法來(lái)推算芯片內部的真空大小。分別測試了陀螺封裝前后的品質(zhì)因數，常壓下該陀螺的Q 值約為150，圓片級封裝后其品質(zhì)因數約為75000，可以看出較好地實(shí)現了真空封裝。對該陀螺的品質(zhì)因數進(jìn)行了歷時(shí)1年的跟蹤測試，測試結果如圖4所示。在此期間品質(zhì)因數變化非常小，最大變化量小于7‰。測試結果表明封裝具有較好的真空保持特性。

圖4　1年內圓片級真空封裝陀螺的品質(zhì)因數Q 值的變化

4、結論

　　通過(guò)工藝實(shí)驗成功實(shí)現了MEMS器件的圓片級封裝，通過(guò)對圓片級真空封裝陀螺樣品的品質(zhì)因數測試表明封裝具有較好的真空保持特性。本文提出的圓片級封裝辦法可使封裝成本和體積得到顯著(zhù)降低，同時(shí)可根據不同器件的要求實(shí)現真空封裝或最高到兩個(gè)大氣壓之間任意壓力的封裝，并具有大批量生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)，可以廣泛應用于多種MEMS器件的封裝制造中，對于促進(jìn)MEMS技術(shù)的實(shí)用化具有重要意義。