MEMS光敏BCB硅—硅鍵合工藝研究*

趙璐冰， 徐 靜， 鐘少龍， 李紹良， 吳亞明

(1.中國科學(xué)院 上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所 傳感技術(shù)聯(lián)合國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200050； 2.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

MEMS光敏BCB硅—硅鍵合工藝研究*

趙璐冰1,2， 徐 靜1， 鐘少龍1， 李紹良1,2， 吳亞明1

(1.中國科學(xué)院 上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所 傳感技術(shù)聯(lián)合國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200050； 2.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

光敏BCB作為粘結(jié)介質(zhì)進(jìn)行鍵合工藝實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)中選用XUS35078負(fù)性光敏BCB，提出了優(yōu)化的光刻工藝參數(shù)，得到了所需要的BCB圖形層，然后將兩硅片在特定的溫度與壓力條件下完成了BCB鍵合。測試表明：該光敏BCB具有較小的流動性和較低的塌陷率。鍵合后的BCB膠厚約為11.6 μm，剪切強(qiáng)度為18 MPa，He細(xì)檢漏率小于5.0×10-8atm·cm3/s。此鍵合工藝可應(yīng)用于制作需要低溫工藝且不能承受高電壓的MEMS器件。

光敏BCB； 光刻； 低溫鍵合； 剪切強(qiáng)度； 氣密性

0 引 言

在MEMS工藝中，目前常用的鍵合方式有硅—硅直接鍵合、硅—玻璃陽極鍵合以及中間層粘結(jié)鍵合等。硅—硅直接鍵合通常需要小于4 nm的表面粗糙度、高于800 ℃的高溫退火工藝過程，因此,在帶有金屬膜的硅—硅鍵合的應(yīng)用中存在局限性；硅—玻璃鍵合需要施加500～1 000 V的鍵合電壓，整個(gè)基片全局高壓電場的使用有可能導(dǎo)致MEMS器件失效，應(yīng)用上也存在一定的局限性。以上2種鍵合方式的優(yōu)點(diǎn)是工藝成熟，鍵合強(qiáng)度高，技術(shù)可靠[1]。中間層粘結(jié)鍵合是通過介質(zhì)層將兩硅片進(jìn)行粘結(jié)，其中較為常用的方式有共晶鍵合和BCB鍵合。BCB是一種有機(jī)粘結(jié)介質(zhì)，從20世紀(jì)90年代開始商業(yè)化，主要應(yīng)用于IC工藝和MEMS工藝中，可以實(shí)現(xiàn)硅襯底、玻璃襯底等多種材料基底之間的有效鍵合，對襯底表面的平整度和粗糙度要求較低[2]。這種鍵合方式可以在300 ℃以下完成，因此,對于帶有金屬膜圖形的硅片之間或硅—玻璃之間的鍵合具有獨(dú)特優(yōu)勢，避免了高溫或高電壓鍵合條件對于金屬結(jié)構(gòu)的影響。此外，許多MEMS器件中間部分是結(jié)構(gòu)區(qū)，要求粘結(jié)介質(zhì)必須避開這一區(qū)域，僅分布在周圍區(qū)域進(jìn)行粘結(jié)。通過采用光敏BCB作為粘結(jié)介質(zhì)，利用非曝光區(qū)的BCB膠可以完全溶解在顯影液里的特性，易于實(shí)現(xiàn)BCB的圖形化，從而完成基片的局部鍵合。與非光敏BCB鍵合相比，采用光敏BCB完成局部鍵合的工藝步驟更加簡單可行，近年來，光敏BCB鍵合已經(jīng)在一些MEMS器件的圓片級封裝中得到了應(yīng)用[3～5]。

將光敏BCB鍵合技術(shù)應(yīng)用到MEMS器件的結(jié)構(gòu)制作中，對于鍵合前后的BCB膠的厚度變化、圖形邊界的延伸、鍵合強(qiáng)度、鍵合氣密性等都提出了更高的要求。本文開展了硅襯底上的光敏BCB鍵合工藝實(shí)驗(yàn)，詳細(xì)介紹了光敏BCB鍵合的具體工藝流程，提出了優(yōu)化的工藝步驟、光刻工藝及鍵合工藝條件參數(shù)，最后通過對鍵合界面的觀測和對鍵合強(qiáng)度、氣密性的測試，分析了厚膠光敏BCB用于器件制作的可行性。

1 光敏BCB性質(zhì)與鍵合工藝流程

1.1 光敏BCB的性質(zhì)

光敏BCB具有較低的介電常數(shù)，較高的化學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)穩(wěn)定性，可以抵御多種溶液腐蝕。用于鍵合工藝時(shí)，光敏BCB也具有非常明顯的優(yōu)勢：具有良好的粘結(jié)性能，鍵合可靠性高；平整度好，固化過程中的收縮率可以忽略，不需要催化劑也不會生成副產(chǎn)品；可以直接進(jìn)行光刻圖形化，可以很方便地選擇有膠鍵合區(qū)域；固化后的光敏BCB對可見光的透過率達(dá)到90 %，可以用于光學(xué)器件的制作或封裝工藝中[6～9]。

1.2 光敏BCB鍵合工藝流程

光敏BCB鍵合實(shí)驗(yàn)工藝流程如圖1所示。首先在硅片上旋涂一層光敏BCB，在特定條件下進(jìn)行光敏BCB的光刻，得到圖形化的BCB。將待鍵合的硅片置于鍵合機(jī)中進(jìn)行升溫、加壓、冷卻過程，使得鍵合區(qū)域的粘結(jié)介質(zhì)完全固化，同時(shí)將兩硅片進(jìn)行可靠粘合。最后將鍵合后的硅片進(jìn)行劃片，得到樣品單元。

圖1 光敏BCB鍵合工藝流程Fig 1 Photosensitive BCB bonding process

2 光敏BCB鍵合工藝實(shí)驗(yàn)

2.1 光敏BCB的圖形化

光敏BCB鍵合的其中一項(xiàng)重要優(yōu)勢是可以方便地實(shí)現(xiàn)鍵合區(qū)域的選擇，所以,大大拓寬了使用范圍。實(shí)驗(yàn)版圖如圖2所示，中間白色區(qū)域?yàn)椴煌腹鈪^(qū)，與可動結(jié)構(gòu)區(qū)域相對應(yīng)，光刻后結(jié)構(gòu)區(qū)的BCB膠會溶于顯影液而完全去掉，使得膠僅僅分布在版圖中有顏色的區(qū)域。顯然，如果光敏BCB的流動性太大，會進(jìn)入中間結(jié)構(gòu)區(qū)而造成器件的失效，因此，實(shí)驗(yàn)中需要考慮BCB流動性的影響。紫色部分是光敏BCB的邊緣標(biāo)記，在硅片上用Deep RIE刻蝕得到，作為觀察鍵合后BCB流動范圍的參照物。

圖2 實(shí)驗(yàn)版圖Fig 2 Experiment layout

實(shí)驗(yàn)中，采用N型(100)雙面拋光硅片，厚度為(450±10) μm，鍵合粘結(jié)介質(zhì)XUS35078光敏BCB為負(fù)膠，曝光部分的BCB膠發(fā)生光固化反應(yīng)形成不可溶物質(zhì)而留下，沒有曝光的部分通過顯影而去掉。此種光敏BCB為厚膠，使用范圍在10～30 μm之間。膠厚與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線如圖3[10]所示。實(shí)驗(yàn)中，選擇3 000 r/min的轉(zhuǎn)速，由圖3可知，理論上得到膠厚為12 μm左右。光敏BCB的涂膠光刻和顯影的具體步驟如下：

圖3 XUS35078型光敏BCB膠厚與轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線(后烘之后)Fig 3 Curves of relationship between XUS35078 photosensitive BCB thicknesses and spining speed(after baking)

1)對兩片雙面拋光硅片進(jìn)行清洗，除去表面雜質(zhì)。

2)在兩硅片上用Deep RIE干法刻蝕出劃片槽和用于觀察BCB膠流動性的標(biāo)記。

3)實(shí)驗(yàn)中涂膠用的是RC8涂膠機(jī)。先涂上BCB增粘劑，然后涂光敏BCB，設(shè)置涂膠機(jī)程序?yàn)殚_蓋500 r/min,時(shí)間為10 s;閉蓋3 000 r/min,時(shí)間為30 s；開蓋500 r/min，時(shí)間為10 s。

4)將涂好光敏BCB膠的硅片放在110 ℃的熱板上前烘90 s。

5)將帶膠硅片放在光刻機(jī)里進(jìn)行曝光，功率350 W，時(shí)間75 s。

6)曝光后將硅片放在90 ℃的熱板上烘60 s。

7)將DS3000顯影液置于41 ℃恒溫環(huán)境，硅片在此顯影液中靜置3 min后，開始慢慢攪拌4 min，然后將硅片取出，放入室溫顯影液中攪拌1～2 min，停止顯影。

8)取出硅片后立即吹干，放在90 ℃的熱板上后烘60 s，將殘留的有機(jī)溶劑揮發(fā)掉。

9)觀察顯影后的BCB圖形。

顯影溫度與時(shí)間的良好控制是保證顯影成功的關(guān)鍵因素。顯影時(shí)間過長會導(dǎo)致光敏BCB留膠區(qū)域膠的脫落，因此，實(shí)驗(yàn)過程中要嚴(yán)格控制顯影時(shí)間。光敏BCB光刻之后在顯微鏡下觀察得到的圖像如圖4所示，顯影成功的單元圖形邊緣清晰，用臺階儀測得膠厚約為12 μm，與預(yù)計(jì)值相符。而結(jié)構(gòu)區(qū)的膠已經(jīng)通過顯影完全去除，沒有殘留，也沒有出現(xiàn)膠的塌陷現(xiàn)象。良好的區(qū)域選擇性是光敏BCB具有的優(yōu)勢，從而簡化了工藝步驟，提高了工藝可靠性。

圖4 光敏BCB膠光刻之后得到的圖形Fig 4 Image of photosensitive BCB after photolithography

2.2 BCB硅—硅鍵合

兩硅片的鍵合是在Karl Suss SB6鍵合機(jī)中進(jìn)行的，鍵合過程如圖5所示。上下兩個(gè)硅片上都有對應(yīng)的圖形，鍵合之前通過兩個(gè)硅片上的對準(zhǔn)標(biāo)記進(jìn)行預(yù)對準(zhǔn)，用鍵合機(jī)自帶夾具在光刻機(jī)上進(jìn)行對準(zhǔn)操作。鍵合過程需要氮?dú)獗Ｗo(hù)，將帶有兩硅片的夾具放入鍵合腔內(nèi)，釋放夾具，在待鍵合的硅片上施加1 900 mbar的壓力。逐漸升溫，腔內(nèi)溫度曲線如圖6[2,6]所示。當(dāng)溫度高于250 ℃時(shí)，光敏BCB迅速固化，在250 ℃條件下維持1 h，然后緩慢降溫冷卻到室溫，取出鍵合片。

圖5 在Karl Suss SB6鍵合機(jī)中硅片的鍵合過程Fig 5 Bonding process of silicon wafer in Karl Suss SB6

圖6 光敏BCB鍵合過程升溫降溫折線圖Fig 6 Temperature curve of photosensitive BCB bonding process

3 鍵合效果表征

3.1 鍵合面形貌觀察

鍵合片用紅外顯微鏡觀察得到的圖像如圖7所示。測量得出BCB膠向內(nèi)最大流動范圍在5 μm左右，由此得出，經(jīng)過曝光顯影后烘過程的光敏BCB在鍵合過程中幾乎失去了流動性，鍵合過程中對兩硅片施加的壓力并沒有使得膠發(fā)生嚴(yán)重流淌現(xiàn)象。因此，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，只要在設(shè)計(jì)器件時(shí)為光敏BCB留出一定的流淌空間，就不會引起中間結(jié)構(gòu)區(qū)器件的失效。鍵合面的BCB膠完整均勻，沒有出現(xiàn)斷膠或者氣泡的現(xiàn)象，邊緣也比較整齊清晰，中間的結(jié)構(gòu)區(qū)比較干凈，BCB膠已經(jīng)完全去除。

圖7 鍵合片紅外顯微鏡觀察到的圖形Fig 7 Observed image of bonded wafer through infrared microscope

3.2 鍵合側(cè)面效果

將鍵合好的硅片進(jìn)行劃片，分成單個(gè)的小單元。本實(shí)驗(yàn)中劃片后每個(gè)單元尺寸約為3 mm×3 mm，單元側(cè)面如圖8所示。由截面圖可以看出,光敏BCB分布均勻，鍵合效果良好。測得鍵合之后的膠厚約為11.6 μm。對比鍵合之前的光敏BCB膠厚，發(fā)現(xiàn)鍵合僅僅使得膠的厚度減小了不到0.5 μm，此型號的光敏BCB在經(jīng)過光刻步驟之后幾乎已經(jīng)定型，其微小的流動和壓縮可忽略不計(jì)。

圖8 鍵合面?zhèn)让嫘Ч麍DFig 8 Lateral effect view of bonding plane

3.3 鍵合強(qiáng)度

鍵合強(qiáng)度是一個(gè)衡量鍵合質(zhì)量的重要指標(biāo)。若鍵合強(qiáng)度小，鍵合片很有可能開裂，導(dǎo)致工藝失敗。只有保證鍵合強(qiáng)度足夠大，才能提高成品率和器件質(zhì)量。

為了檢驗(yàn)光敏BCB鍵合強(qiáng)度，本文選擇有效鍵合的10個(gè)樣品單元進(jìn)行測試。剪切強(qiáng)度測試是一種破壞性測試方法，通過對樣品單元施加剪切方向的推力，將鍵合片的上下片進(jìn)行分離，從而測量出上下片鍵合強(qiáng)度值[1]。將挑選出的10個(gè)樣品進(jìn)行編號1～10#，用型號為Ablebond 84—3的藍(lán)膠分別將10個(gè)樣品粘固在PCB板上，然后把PCB板放入150 ℃的烘箱內(nèi)保持1 h，將藍(lán)膠固化，然后逐漸冷卻到室溫。將PCB板水平放在Dage Series 4000剪切強(qiáng)度測試機(jī)上，將剪切劈刀抬高到一定位置，平行于PCB板平面施加水平剪切力，使得鍵合片上下分開。測試中數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 樣品剪切強(qiáng)度測試結(jié)果Tab 1 Results of shear strength test of sample

鍵合區(qū)就是光敏BCB的分布區(qū)域，約占整個(gè)單元面積的30 %。測試得到樣品平均剪切強(qiáng)度大小為18 MPa，符合一般MEMS器件鍵合強(qiáng)度要求。

3.4 氣密性檢測

檢漏試驗(yàn)條件為示蹤氣體氦(He)細(xì)檢和氟油粗檢。細(xì)檢是在氣密性檢測儀器VARIAN auto-test 947中進(jìn)行，具體過程是：將被測樣品置于一個(gè)充滿He的保壓腔，保持2h后取出，在空氣里放置一段時(shí)間后將其放入帶有真空系統(tǒng)和He質(zhì)譜儀的容器內(nèi)，通過測量從器件結(jié)構(gòu)腔體內(nèi)逃逸出的He量，可得出其漏率為3.8×10-8atm·cm3/s。依次將10個(gè)被測單元樣品放入氟油內(nèi)進(jìn)行粗檢，觀察發(fā)現(xiàn)沒有器件出現(xiàn)氣泡，樣品氣密性合格。

4 結(jié) 論

本文介紹了一種應(yīng)用于MEMS器件的低溫光敏BCB鍵合工藝。通過實(shí)驗(yàn)研究得到工藝步驟中的各個(gè)參數(shù)值，最后驗(yàn)證了光敏BCB鍵合的強(qiáng)度、氣密性等特性。同時(shí)，確定了適合的光刻、鍵合條件，在300 ℃以下實(shí)現(xiàn)了兩硅片的粘結(jié)鍵合。劃片后測得器件單元剪切強(qiáng)度為18 MPa，強(qiáng)度較高，且光敏BCB流動性很小，不會流淌到中間無膠的器件區(qū)，氣密性檢測得到樣品漏率小于5.0×10-8atm·cm3/s He，滿足要求。此種型號的光敏BCB可以簡單方便地實(shí)現(xiàn)鍵合區(qū)域的圖形化，并且這種鍵合方式對所粘結(jié)材料表面質(zhì)量要求不高，容易實(shí)現(xiàn)可靠鍵合，工藝簡單方便。此外，BCB是一種絕緣膠，可以對上下兩硅片進(jìn)行電隔離。此種光敏BCB鍵合的應(yīng)用范圍很廣，具有較好的發(fā)展前景。

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Research on Si—Si bonding technique with photosensitive BCB for MEMS devices*

ZHAO Lu-bing1,2, XU Jing1, ZHONG Shao-long1, LI Shao-liang1,2, WU Ya-ming1

(1.State Key Laboratory of Transducer Technology,Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology,Chinese Academy of Sciences,Shanghai 200050,China;2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)

A kind of bonding technique with photosensitive benzo-cyclo-butene(BCB)is presented.In our experiments,by employing a kind of negative photosensitive BCB(XUS35078)and optimizing photolithography parameters,well-patterned BCB is obtained，then BCB bonding is carried out under particular temperature and pressure.Test shows that the BCB shows low flow characteristic and collapsing rate.The thickness of BCB photoresist after bonding is 11.6 μm,shear strength of each cell is 18 MPa,and hermeticity is better than 5.0×10-8atm·cm3/s He.This bonding process can be applied for production of MEMS devices which needs low temperature process and cannot bear high voltage .

photosensitive BCB; photolithography; low-temperature bonding; shear strength; hermeticity

10.13873/J.1000—9787(2014)08—0048—04

2014—01—07

微系統(tǒng)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金資助項(xiàng)目

TN 305

A

1000—9787(2014)08—0048—04

趙璐冰(1988 - )，女，山東煙臺人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楣鈱W(xué)MEMS器件。