一种真空度可调的圆片级封装技术

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国电子科技集团公司第十三研究所 作者:罗 蓉

  提出了一种MEMS器件的圆片级封装技术。通过金硅键合和DRIE通孔制备等关键工艺技术,可以实现真空度从102Pa到2个大气压可调的圆片级封装。作为工艺验证,成功实现了圆片级真空封装MEMS陀螺仪的样品制备。对封装后的陀螺仪样品进行了剪切力和品质因数Q值测试,剪切力测试结果证明封装样品键合强度达到5kg以上,圆片级真空封装后陀螺的品质因数Q 值约为75000,对该陀螺的品质因数进行了历时1年的跟踪测试,在此期间品质因数Q的最大变化量小于7‰,品质因数测试结果表明封装具有较好的真空特性。

引言

  微电子机械系统(MEMS)产品除了具有微电子产品的电性能指标外还具有可动微结构的机械性能指标,封装可使MEMS产品避免受到灰尘和潮气等对可动结构的影响,另外通过真空(或气密)封装还可改变MEMS产品内部阻尼情况提高产品的性能。目前,MEMS器件的封装成本最多已经占到了产品总成本的95%,滞后的封装技术与高昂的封装成本严重制约了MEMS器件的产业化发展,降低封装成本与真空封装技术是目前MEMS技术研究中急需解决的技术难题,也是实现MEMS技术最终产业化的重要前提。圆片级封装技术采用键合技术在MEMS器件的圆片上加装盖板来完成封装,具有批量的优点,并且由于可以省去昂贵的封装外壳,可使封装成本降到最低,是实现MEMS器件高性能、低成本和批量化的主要解决途径。因此圆片级气密封装成为MEMS封装技术发展的必然趋势。

  本文提出一种真空度可调的MEMS器件圆片级封装技术,利用该技术已实现了MEMS陀螺仪的圆片级真空封装。该技术可根据器件的不同要求实现真空或最高到两个大气压间任意压力的圆片级封装,降低了封装成本和体积,并具有大批量生产的优点,对于降低MEMS产品封装成本、提高器件性能和加快MEMS技术产业化具有重要意义。

1、工艺设计

  本文设计的圆片级封装结构形式如图1所示。采用盖板上通孔实现电信号导出,形成垂直互连,这种电互连较传统的互连具有电连接距离短、密度高、寄生和串扰等效应小的优点。外围加密封环后利用圆片键合工艺实现圆片级封装。

圆片级封装结构示意图

图1 圆片级封装结构示意图

  为了防止封装后各电极间产生漏电,采用高阻硅材料做为圆片级封装工艺的盖板,首先在高阻硅需要键合的一面进行光刻并干法刻蚀形成供MEMS可动结构活动的腔体,腔体深度可根据设计需要自由调节,一般不超过30μm。

  接下来进行电极引出通孔的制备,目前在硅片上形成通孔的方法主要有湿法腐蚀和干法刻蚀工艺,湿法腐蚀工艺简单、成本较低,但是湿法腐蚀会导致孔径较大,降低了封装密度,因此作者采用干法刻蚀工艺制备通孔。首先双面光刻形成通孔窗口,之后采用反应离子刻蚀(RIE)刻蚀干净窗口处的氮化硅和氧化硅,接下来用深反应离子刻蚀(DRIE)刻蚀出通孔,最后采用四甲基氢氧化铵(TMAH)对通孔侧壁进行抛光形成最终电极引出通孔。

  为了进一步保证各电极隔离,在形成通孔的硅片表面热氧化生长一层致密的二氧化硅,接下来在氧化硅层上进行键合密封环的的制备。圆片级封装对键合工艺的要求是具有气密性,避免外界湿气污染或封装后漏气导致微结构失效;同时为了避免高温引起器件的失效或者性能退化,需要具较低的工艺温度;键合后应力较低避免对器件的性能产生不利影响。针对这些要求对比了目前国内外常用的几种圆片键合技术。GlassFrit键合温度偏高,精度较低且不易实现洁净的封装;阳极键合通过在Si和玻璃间加电形成场助键合,键合温度300~600℃,优点是强度高和气密性较好,缺点是在玻璃上制备深的封装腔体以及通孔较难、成本较高和应力匹配较差,不适合用于圆片级封装。硅硅键合通过Si片和Si片间热退火形成Si—O—Si共价键形成键合,优点是键合强度高、气密性和应力匹配性好,缺点是键合温度高(约1 000 ℃),键合难度较大,对表面要求极高,键合前需要对表面进行特殊处理,而加工好具有可动结构的MEMS器件圆片多已不适于进行此处理,因此硅硅键合也不适合用于圆片级封装。金属-硅共晶键合技术通过选用合适的金属或者合成金属可以实现共晶键合,键合温度较低、残余应力小、键合强度较高、气密性好、容易实现图形化且精度高。

  通过以上分析作者最终选用金硅键合技术进行圆片级封装。首先采用溅射工艺在氧化层上溅射Ti/Au做为电镀种子层,接下来采用选择性电镀工艺制备厚度为1μm的金键合密封环。密封环形成后在需要实现真空封装的盖板腔体内生长吸气剂薄膜,不需要真空封装的可省略这一步。接下来采用金硅键合实现圆片级封装:首先将硅盖板与加工好MEMS结构的圆片在SUSS BA6对位设备上进行预对准,接下来编制键合程序在SUSS SB6圆片键合机上实现金硅共晶键合,键合温度峰值400℃,峰值温度处维持10~15 min,根据器件要求在键合过程中从102 Pa到2个大气压间调节腔体压力,从而达到真空或气密封装的目的。键合后采用磁控溅射工艺对通孔进行金属化形成凸点下金属层(UBM),UBM 包括Ti/Au;制作完UBM 后,采用电镀工艺在UBM 上生长SnPb焊层,光刻去除焊盘周围金属;回流形成SnPb凸点。最后划片完成加工。

2、工艺实验

  2.1、金硅共晶键合

  为了实现气密或真空封装,首先要保证气密键合,影响键合质量的主要因素是键合温度。当高阻硅盖板与结构圆片对位后放置于真空键合台上加热时,硅结构与金之间通过合金熔解以及再凝固而结合在一起。整个合金过程分为升温、恒温和降温三个阶段,当温度低于金硅共晶温度(363 ℃)时,金硅不发生作用,当温度等于共晶温度时,金硅在交界面上相互扩散,形成金硅溶液,恒温一段时间合金溶液中硅原子达到饱和,在缓慢降温时,硅原子将从溶液中析出,形成金硅的再结晶层。因此,为了形成共晶键合,键合温度要高于金硅共晶,但温度过高也会影响键合质量,同时高温对已形成的MEMS硅结构会有较大影响并且会引入更大的残余应力,因此为了找到最佳的键合温度,设计了不同的工艺条件进行金硅键合实验,实验结果如表1所示。

表1 金硅键合结果

金硅键合结果

  从实验结果看出,400℃的工艺条件达到的键合强度已经可以满足应用需要,该工艺温度较低,对键合器件的破坏性较小,因此选用该工艺条件实现金硅圆片级气密键合。

  在实验中发现金硅键合质量与键合前圆片的表面状况也有很大关系。硅片表面的沾污容易导致键合界面形成空洞,从而降低键合质量。分析后发现等离子清洗能够有效去除表面的沾污,同时优化的等离子处理能够有效改善键合表面性质、提高键合化学键的强度。为此作者编制了特殊的等离子处理程序,在键合前用等离子处理键合界面,获得了致密、没有空洞的键合界面,键合成品率大于85%。

  2.2、通孔制备

  倒V形或者垂直的通孔不利于为了后续的通孔金属化,因此需要实现正V 形通孔。首先分析了影响干法刻蚀角度的因素,主要因素为刻蚀气体SF6与保护气体C4F8的流量比,因此编制了特殊的DRIE刻蚀程序,增加了C4F8的流量,同时在通入SF6的同时通入一定量的C4F8,但是C4F8的增加在改善刻蚀角度的同时也容易引起底面黑硅从而导致通孔不能被刻透,通过对工艺条件进行优化和大量实验最终实现了如图2所示的正V形通孔,通孔开口直径80μm,通孔深度250μm。由于干法刻蚀原理所致,通孔侧壁存在一定的凹凸起伏,过大的粗糙度会对后续的通孔金属化工艺造成困难,因此在通孔形成后,增加一次TMAH 工艺对侧壁进行了抛光,抛光后的通孔侧壁粗糙度小于100nm,便于后续的通孔金属化工艺。

DRIE刻蚀出的通孔SEM 照片

图2 DRIE刻蚀出的通孔SEM 照片

3、实验结果

  采用MEMS惯性器件的代表产品MEMS陀螺仪做为圆片级封装工艺的验证样品,最终加工出样品的扫描电镜照片如图3所示。

圆片级真空封装陀螺样品照片

图3 圆片级真空封装陀螺样品照片

  3.1、键合强度检测

  采用半导体技术中通用的剪切强度测试技术对圆片级真空封装的陀螺样品进行键合强度测试。测试设备为DAGE4000焊接强度和剪切强度测试仪。测试温度25℃,湿度RH40%,表2给出了测试结果,结果显示抽检样品全部合格。

表2 剪切力测试结果

剪切力测试结果

  3.2、圆片级封装真空度测试

  由于圆片级封装后的芯片内部腔体较小,普通技术无法直接测试出封装腔体的真空值。为此分析了MEMS器件的特点,由于MEMS结构的品质因数Q 值与腔体真空度成正比,因此通过测试圆片级真空封装陀螺样品品质因数Q 值的方法来推算芯片内部的真空大小。分别测试了陀螺封装前后的品质因数,常压下该陀螺的Q 值约为150,圆片级封装后其品质因数约为75000,可以看出较好地实现了真空封装。对该陀螺的品质因数进行了历时1年的跟踪测试,测试结果如图4所示。在此期间品质因数变化非常小,最大变化量小于7‰。测试结果表明封装具有较好的真空保持特性。

1年内圆片级真空封装陀螺的品质因数Q 值的变化

图4 1年内圆片级真空封装陀螺的品质因数Q 值的变化

4、结论

  通过工艺实验成功实现了MEMS器件的圆片级封装,通过对圆片级真空封装陀螺样品的品质因数测试表明封装具有较好的真空保持特性。本文提出的圆片级封装办法可使封装成本和体积得到显著降低,同时可根据不同器件的要求实现真空封装或最高到两个大气压之间任意压力的封装,并具有大批量生产的优点,可以广泛应用于多种MEMS器件的封装制造中,对于促进MEMS技术的实用化具有重要意义。

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