MEMS圓片級(jí)真空封裝金硅鍵合工藝研究*

張 卓，汪學(xué)方，王宇哲，劉 川，劉 勝

（1. 華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430074；2. 華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430074；3. 華中科技大學(xué)光電國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074）

1 引言

微機(jī)電系統(tǒng)（Micro Electro Mechanical System）是將微機(jī)械元件、微型傳感器、微型執(zhí)行器、信號(hào)處理與控制電路等集成于一體的微系統(tǒng)，是隨著半導(dǎo)體集成電路、微細(xì)加工技術(shù)和超精密機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的[1]。許多MEMS器件，如陀螺儀、加速度傳感器和諧振器等都需要采用真空封裝以降低機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)氣體的阻尼，極大地提高器件的品質(zhì)，從而提高器件的性能。鍵合技術(shù)是一種將MEMS器件中不同材料的部件永久連結(jié)為一體的技術(shù)。近年來鍵合技術(shù)發(fā)展迅速，已成為MEMS器件開發(fā)和實(shí)用化的關(guān)鍵技術(shù)之一。而常用的真空鍵合技術(shù)主要是高真空（< 10-2Pa）環(huán)境下的陽極鍵合、共晶鍵合以及硅-硅直接鍵合等。陽極鍵合一般只限于硅-玻璃鍵合[2]，鍵合溫度為300℃～400℃，偏壓為500V～1000V，鍵合過程中的高電壓對(duì)微電路有影響，而使其應(yīng)用受到極大限制；硅-硅直接鍵合[3]是指兩片拋光硅片在不需要任何粘接劑和外加電場(chǎng)的條件下直接鍵合在一起，其缺點(diǎn)是溫度太高（高于800℃）；而共晶鍵合是利用某些共晶合金熔融溫度較低的特點(diǎn)，將它們作為中間介質(zhì)層，在較低溫度下，通過加熱熔融實(shí)現(xiàn)共晶鍵合。相對(duì)來講，共晶鍵合的限制因素較少，可以選擇的材料和工藝參數(shù)范圍較大。選擇Au/Si共晶鍵合方式是由于Au/Si共晶鍵合液相粘結(jié)性好，鍵合強(qiáng)度高，且鍵合溫度要求不高，對(duì)界面的粗糙度不很敏感，并且避免了鍵合過程中低熔點(diǎn)金屬（如Sn）存在的流動(dòng)性問題。

2 試驗(yàn)

Au/Si共晶鍵合[4]是利用Au/Si共晶合金熔融溫度較低（363℃，比純金或純硅熔點(diǎn)低得多）的特點(diǎn)，將它作為中間介質(zhì)層，在較低的溫度下通過加熱熔融實(shí)現(xiàn)共晶鍵合。本文中鍵合工藝需要達(dá)到以下要求：（1）鍵合溫度不可過高，保證鍵合過程中需要保護(hù)的器件不會(huì)受到損傷；（2）鍵合過程中不破壞腔體內(nèi)的結(jié)構(gòu)；（3）保證鍵合在高真空下（< 10-2Pa）進(jìn)行，且鍵合完成后每個(gè)芯片的泄漏率達(dá)到應(yīng)用要求；（4）保證一定的鍵合強(qiáng)度，保證管芯在劃片、測(cè)試和使用過程中能對(duì)腔體內(nèi)的結(jié)構(gòu)提供很好的機(jī)械保護(hù)。

本文用作鍵合的兩片硅圓片采用P型100硅片，單面拋光，電阻率為0.3Ω·μm ~0.5Ω·μm。作為蓋帽的圓片厚度510 μm，作為基底的圓片厚度380 μ m。鍵合具體工藝流程如下：

（1）蓋帽片清洗（去除顆粒沾污、金屬雜質(zhì)和表面有機(jī)物）；（2）熱氧化，厚度為1.6μm；（3）正反面分別涂覆光刻膠；（4）正面曝光、顯影并用BOE溶液刻蝕出待腐蝕窗口（窗口為6.4mm×6.4mm大小的正方形）；（5）去除殘留光刻膠；（6）濕法腐蝕：將蓋帽片置于20%~25% KOH溶液（75℃~80℃）中3h，腐蝕出槽的深度為110μm ~130μm；（7）用BOE溶液去除殘留SiO2；（8）磁控濺射Ti/Au，厚度分別為50nm和500nm；（9）將制作完成的蓋帽與基底完成鍵合。

圖1 鍵合工藝流程

對(duì)于鍵合試驗(yàn)中鍵合區(qū)域的寬度，我們?cè)O(shè)置了3組對(duì)比參數(shù)：0.2mm、0.4mm和1.6mm。鍵合工藝采用SUSS MicroTec公司的BA-6鍵合機(jī)，鍵合的溫度-時(shí)間曲線如圖2所示。開始階段抽真空的同時(shí)升溫至50℃，待鍵合腔體內(nèi)抽真空至10-2Pa左右時(shí)，升溫至363℃，保溫10min，再加熱至440℃，保溫30min，同時(shí)給鍵合的兩片圓片施加300kPa的壓力。接下來降溫至300℃，退火30min。最后階段放氣，使腔體內(nèi)氣壓回復(fù)至常壓，溫度同時(shí)回復(fù)至常溫。

圖2 鍵合溫度-時(shí)間曲線

通過上述工藝，成功將3對(duì)樣品鍵合。鍵合完成后將樣品在Sonoscan公司的D9500超聲掃描儀（CSAM）上觀察鍵合情況。超聲掃描儀的原理是利用不同材料對(duì)超聲波聲阻抗不同、對(duì)聲波的吸收和反射程度不同，來探測(cè)半導(dǎo)體、元器件的結(jié)構(gòu)、缺陷，對(duì)材料做定性分析。鍵合樣片在超聲掃描儀下觀測(cè)圖片如圖3所示（從左至右樣品鍵合區(qū)域?qū)挾确謩e為1.6mm、0.4mm、0.2mm），從整體上看鍵合質(zhì)量良好，但局部仍然存在一些缺陷。

圖3 鍵合樣片在超聲顯微鏡下的圖像

3 性能檢測(cè)

3.1 泄漏率檢測(cè)

泄漏率的檢測(cè)主要由He質(zhì)譜儀細(xì)檢[5]和氟油粗檢完成。He質(zhì)譜儀采用的示蹤氣體為氦氣，采用質(zhì)譜儀的方法對(duì)示蹤氣體的濃度進(jìn)行檢測(cè)。利用He質(zhì)譜儀檢漏儀加壓法測(cè)量泄漏時(shí)，通常按照MIL-STD-883E的標(biāo)準(zhǔn)要求把待測(cè)封閉腔體放置在2~7.5個(gè)大氣壓的He氣環(huán)境下2h~24h[6]，如果存在泄漏，氦氣會(huì)漏入待測(cè)封閉腔體內(nèi)，然后把待測(cè)的密閉腔體放置到He質(zhì)譜儀的檢測(cè)腔體內(nèi)，抽真空到 2.7×10-2Pa左右，這時(shí)如果存在泄漏，氦氣就會(huì)從待測(cè)密閉腔體內(nèi)泄漏出來，用質(zhì)譜儀檢測(cè)泄漏的He濃度。從泄漏的示蹤氣體He的濃度可以計(jì)算出漏孔泄漏的漏率。將3組樣品在壓強(qiáng)為0.4MPa的氦氣中保壓2h后進(jìn)行漏率測(cè)量，測(cè)得鍵合區(qū)域?qū)挾确謩e為0.2mm、0.4mm、1.6mm的三組樣品（分別編號(hào)A、B、C）泄漏率均在2×10-8~5×10-8Pa·m3/s之間。

細(xì)檢合格的全部樣品進(jìn)入下一步的氟油粗檢。將每組在精檢中合格的樣品放入氟油中，觀測(cè)是否有氣泡產(chǎn)生。A組樣品在氟油粗檢中有90%的樣品觀察到了氣泡的產(chǎn)生，判定為失效，故合格率僅為10%；B組樣品在氟油粗檢中的合格率為15%；C組樣品在氟油粗檢中的合格率為60%。統(tǒng)計(jì)鍵合缺陷區(qū)域的比例時(shí)發(fā)現(xiàn)，所有泄露樣品中，鍵合缺陷區(qū)域位于四個(gè)角上和四個(gè)邊上所占比例分別為42.2%和57.8%。可見四個(gè)邊角上出現(xiàn)鍵合缺陷的情況較多。

3.2 鍵合強(qiáng)度檢測(cè)

本文中選用直拉法檢測(cè)鍵合片的強(qiáng)度。直拉法[7]是用拉開鍵合片的最大拉力來表示鍵合強(qiáng)度的。測(cè)試中所使用拉伸試驗(yàn)測(cè)試臺(tái)為實(shí)驗(yàn)室自行研制和裝配。測(cè)試之前需將樣品通過粘結(jié)劑粘到拉伸樣品夾具并固化24h以上以保證其粘合效果。接下來將粘合好樣品的拉伸樣品裝夾在拉伸臺(tái)上，加載直至樣品斷裂。

每組選取15個(gè)樣品進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。測(cè)得的結(jié)果為：A、B、C三組平均最大拉伸力分別為39.62N、73.99N和248.40N。由于鍵合區(qū)域面積可知，可以算出三組樣品單位面積的鍵合強(qiáng)度分別為15.24MPa、14.01MPa、10.76MPa?？梢钥闯鲦I合區(qū)域面積的增加對(duì)鍵合強(qiáng)度增大的影響比較顯著，這是因?yàn)殒I合區(qū)域分布在整個(gè)圓片上而存在一定的不平整，致使局部鍵合質(zhì)量受到影響的緣故。

圖4為鍵合樣品在拉伸試驗(yàn)后斷面在金相顯微鏡下的圖片，觀察3組拉伸樣品鍵合區(qū)域的斷裂表面，均可觀察到硅表面裂開的現(xiàn)象，這表明局部區(qū)域金硅鍵合強(qiáng)度已經(jīng)超過了單晶硅本身的強(qiáng)度。

圖4 鍵合樣品拉伸斷面顯微鏡照片（500倍）

4 結(jié)論

本文對(duì)圓片級(jí)MEMS真空封裝金硅鍵合工藝進(jìn)行了初步的研究，通過對(duì)鍵合工藝的選擇和優(yōu)化、鍵合質(zhì)量的分析、鍵合強(qiáng)度和氣密性的檢測(cè)，得出以下結(jié)論：

（1）金硅鍵合的優(yōu)點(diǎn)是其液相粘結(jié)性好、鍵合強(qiáng)度高、鍵合溫度較低，且可以避免焊料鍵合中熔點(diǎn)較低的金屬（如Sn）存在焊料流動(dòng)從而影響鍵合腔體內(nèi)結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象。

（2）經(jīng)過大量參數(shù)試驗(yàn)，得到圓片級(jí)金硅鍵合的理想條件為：濺射Ti厚度50nm左右，Au厚度500nm左右，鍵合溫度430℃左右，鍵合時(shí)間30min，鍵合時(shí)所施加壓力300kPa左右。

（3）對(duì)于圓片級(jí)金硅鍵合，由于在大面積的鍵合中整個(gè)圓片存在著一定的高度差，因此鍵合之前圓片上所沉積金的厚度應(yīng)該盡量大。但是考慮到成本和濺射的工藝限制，選擇沉積金的厚度為500nm。

（4）由3組鍵合區(qū)域?qū)挾炔煌脑囼?yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，鍵合的結(jié)構(gòu)（尤其是鍵合區(qū)域面積的大?。┡c鍵合質(zhì)量（泄漏率、鍵合強(qiáng)度）有著很密切的關(guān)系。鍵合區(qū)域面積過小時(shí)，腔體的真空度對(duì)鍵合區(qū)域出現(xiàn)缺陷的容忍度較差，成品率較低。鍵合區(qū)域?qū)挾仍龃蟮?mm以上時(shí)，鍵合成品率可以提升到50%以上。

（5）氟油檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)四個(gè)邊角上發(fā)生泄露的現(xiàn)象比較多，分析其原因，是由于在進(jìn)行濕法腐蝕工藝時(shí)各項(xiàng)異性腐蝕導(dǎo)致邊角上出現(xiàn)向內(nèi)過刻的現(xiàn)象（見圖5），這樣角上區(qū)域的面積變小，這也是導(dǎo)致角上出現(xiàn)泄露的原因之一。之后可以通過修改鍵合區(qū)域圖形來改進(jìn)這個(gè)問題，從而提高鍵合的合格率。

圖5 鍵合樣品角上出現(xiàn)的過刻現(xiàn)象

［1］張東梅，葉枝燦，丁桂甫，等.用于MEMS器件的鍵合工藝研究進(jìn)展[J]. 電子工藝技術(shù)，2005，26（6）：678-683.

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［4］Liu Bing-wu, Zhang Zhao-hua, Tan Zhi-min,et al..Au-Si eutectic bonding technology for MEMS device. 2006,31(12): 896-899.

［5］甘志銀. MEMS器件真空封裝的研究[D].華中科技大學(xué)博士學(xué)位論文，2008：87-95.

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