玻璃-硅微結(jié)構(gòu)封裝過程工藝參數(shù)對鍵合質(zhì)量的影響

李 嘉，郭 浩，郭志平,苗淑靜，王景祥

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010051；2.蘇州大學(xué)機(jī)器人與微系統(tǒng)研究中心，江蘇蘇州 215021)

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玻璃-硅微結(jié)構(gòu)封裝過程工藝參數(shù)對鍵合質(zhì)量的影響

李 嘉1，郭 浩2，郭志平1,苗淑靜1，王景祥1

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010051；2.蘇州大學(xué)機(jī)器人與微系統(tǒng)研究中心，江蘇蘇州 215021)

通過MEMS封裝試驗(yàn)平臺，對鍵合過程中的鍵合溫度、鍵合時(shí)間等工藝參數(shù)以及試驗(yàn)硅片規(guī)格進(jìn)行試驗(yàn)研究。通過改變鍵合溫度、鍵合時(shí)間以及試驗(yàn)硅片規(guī)格等參數(shù)，進(jìn)行玻璃-硅鍵合對比試驗(yàn)。計(jì)算每組對比試驗(yàn)的鍵合空隙率，分析每組對比試驗(yàn)空隙率的數(shù)據(jù)，歸納總結(jié)影響鍵合質(zhì)量的因素以及達(dá)到鍵合最佳效果的鍵合條件。試驗(yàn)結(jié)果表明：鍵合電壓為1 200 V，溫度為445～455 ℃，鍵合時(shí)間為60 s時(shí)，空隙率小于5%，玻璃與硅片的鍵合質(zhì)量達(dá)到最佳，為提高玻璃-硅鍵合質(zhì)量提供了依據(jù)。

MEMS；玻璃-硅鍵合；封裝試驗(yàn)；空隙率

0 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、信號處理與控制電路等集成于一體的微系統(tǒng)。直接鍵合技術(shù)，就是兩塊晶片間不加中間層，直接用陽極鍵合的方式進(jìn)行鍵合[1]。 有些鍵合工藝，會使用一些表面預(yù)處理方法，對晶片表面進(jìn)行改性，達(dá)到降低鍵合溫度和提高鍵合強(qiáng)度等目的。硅和玻璃是最常用的直接鍵合材料，具有反應(yīng)溫度低，鍵合強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)。玻璃-硅直接陽極鍵合是微傳感器封裝過程中的重要工序。其封裝質(zhì)量直接影響傳感器的工作性能和工作的可靠性。

影響陽極鍵合質(zhì)量的主要因素有很多，例如鍵合玻璃的熱膨脹系數(shù)、玻璃層的厚度、硅片的表面清潔度和平整度及封裝的結(jié)構(gòu)。鍵合的工藝參數(shù)主要是指鍵合的溫度和施加的直流電壓，控制鍵合溫度和電壓的目的是為了使玻璃層內(nèi)的導(dǎo)電離子遷移，以建立必要的電場。普遍認(rèn)為，鍵合溫度控制在300～500 ℃較適宜，在此溫度范圍內(nèi)，導(dǎo)電的鈉離子具有足夠的遷移速率，超過500 ℃的鍵合，將導(dǎo)致硅微電子工藝中的某些材料(如鋁)失效以及和其他微加工工藝不相容。推薦的施加電壓一般在200～1 200 V之間，其范圍較寬，視具體玻璃材料性質(zhì)及所選鍵合溫度來決定。隨著施加電壓的增加，導(dǎo)電離子的遷移速率增加，達(dá)到平衡所需的時(shí)間縮短，即完成鍵合的時(shí)間減少[2]。

目前，玻璃-硅陽極鍵合技術(shù)在300～500 ℃和200～1 200 V的條件下進(jìn)行。當(dāng)鍵合溫度超過300 ℃時(shí)，由于玻璃和硅的熱膨脹系數(shù)會有所變化，溫度越高，變化越大，鍵合溫度過高，不但會引起大的殘余應(yīng)力，造成玻璃本身炸裂，嚴(yán)重影響鍵合成品率，從而增加其封裝成本，而且還會導(dǎo)致已存在部件的結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生變化，甚至使之產(chǎn)生變形，使得鍵合質(zhì)量降低。而鍵合溫度過低時(shí)，鍵合強(qiáng)度與鍵合效率變低，鍵合面的氣泡和空洞也難以減小或消除。所以鍵合溫度對鍵合質(zhì)量有很大的影響，在保證鍵合質(zhì)量的前提下，降低鍵合溫度，具有重要意義。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)所用設(shè)備為蘇州博實(shí)機(jī)器人公司所設(shè)計(jì)的MEMS封裝實(shí)驗(yàn)平臺，它主要用于無塵干燥環(huán)境下的材料封裝，主要結(jié)構(gòu)包括料盤進(jìn)料機(jī)構(gòu)、機(jī)械手自動化搬運(yùn)模塊、爐體組合、料盤夾緊運(yùn)動機(jī)構(gòu)、顯微鏡機(jī)構(gòu)、料盤出料機(jī)構(gòu)等。

1.2 試驗(yàn)材料

本文用作鍵合的樣品是厚度為0.5 mm、邊長為4 mm，電阻率為0.01～1 Ω·cm的正方形單晶硅片以及厚度為2 mm、直徑為10 mm的BF33環(huán)形玻璃。一般情況下，硅片表面有氧化層，且有灰塵等雜質(zhì)，在鍵合前必須對硅片和玻璃進(jìn)行酒精清洗。

1.3 試驗(yàn)步驟

MEMS封裝試驗(yàn)流程圖如圖1所示。首先啟動軟件，如圖2所示，初始化并設(shè)定鍵合參數(shù)。其次，將玻璃和硅片放入料盤中，開始鍵合，通過鍵合監(jiān)測窗口(圖2)監(jiān)測電流、電壓、溫度變化情況。最后，觀測試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算空隙率。完成不同參數(shù)的試驗(yàn)。

圖1 MEMS封裝試驗(yàn)工作流程圖

圖2 MEMS封裝軟件程序界面

1.4 試驗(yàn)參數(shù)

為探究溫度、時(shí)間、硅片規(guī)格對鍵合過程的影響，設(shè)計(jì)了20組對比試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)見表1，鍵合電壓為1 200 V，鍵合壓力為1 N。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 鍵合溫度對鍵合電流及鍵合質(zhì)量的影響

由于傳統(tǒng)對玻璃硅片鍵合的溫度，一般選為300～500 ℃，加直流高壓(大約為1 000 V)，加熱溫度范圍較大，為探究最佳鍵合溫度，設(shè)定此次試驗(yàn)，選用395～485 ℃鍵合，并通過安裝在加熱爐的霍爾傳感器，對鍵合的溫度、電壓、電流進(jìn)行檢測。鍵合完成后，將玻璃與硅片分離，用顯微鏡觀察計(jì)算空隙率。

空隙率是表征玻璃-硅陽極鍵合質(zhì)量的重要參數(shù)之一?？障堵实亩x為：測界面處未發(fā)生鍵合的空洞面積占硅片總面積的百分率，表達(dá)式見式(1)：

(1)

式中：Vm為空隙率；SV為空洞總面積；SW為硅片總面積[1]。

表1 玻璃-硅片鍵合試驗(yàn)參數(shù)

圖3(a)-圖3(d)的鍵合溫度分別為395～405 ℃、425～435 ℃、455～465 ℃、465～475 ℃，鍵合時(shí)間60 s，通過顯微鏡觀察鍵合結(jié)果。圖中玻璃表面有損傷面積和殘留硅片面積為發(fā)生鍵合面積，玻璃表面無損傷面積為未發(fā)生鍵合面積，根據(jù)式(1)，計(jì)算出不同溫度下的鍵合空隙率，結(jié)果如表2。

通過表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制空隙率分布圖，觀察圖4，表明空隙率會隨著溫度的逐漸升高而逐漸減小，在445～455 ℃時(shí)達(dá)到5%以下(表明鍵合面積已經(jīng)達(dá)到95%以上，鍵合質(zhì)量很好)，隨著溫度的繼續(xù)升高，空隙率仍保持在5%以下。

(a)樣品1

(b)樣品4

(c)樣品7

(d)樣品8

樣品面積/mm2時(shí)間/s溫度/℃空隙率/%11660395～405≥9521660405～41579.1731660415～42543.7541660425～43533.3351660435～44516.6761660445～455≤571660455～465≤581660465～475≤591660475～485≤5

圖4 395～485 ℃溫度鍵合空隙率分布圖

觀察不同溫度下的鍵合電流分布圖5，可以發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的增加，溫度越高鍵合過程中的初始電流越大。在鍵合開始時(shí)，電流發(fā)生變化，但最后都下降至20～40 mA左右，鍵合完成。通過分析空隙率≤5%的電流數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，提高質(zhì)量需要一個(gè)最低的穩(wěn)定電流70 mA,鍵合質(zhì)量會有所提高。

圖5 395～485 ℃溫度鍵合電流分布圖

2.2 鍵合材料規(guī)格對鍵合質(zhì)量的影響

由于鍵合所用的硅片和玻璃的規(guī)格都十分微小，受封裝結(jié)構(gòu)的限制，鍵合所用硅片的大小對封裝的質(zhì)量也有一定的影響，為探索材料規(guī)格對空隙率的關(guān)系，對不同大小的硅片進(jìn)行鍵合試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3。

表3 不同硅片規(guī)格的鍵合空隙率

從表3可以看出，空隙率與鍵合所用硅片的大小有著密切關(guān)系，當(dāng)鍵合硅片面積逐漸減小時(shí)，空隙率逐漸增大，鍵合質(zhì)量逐漸下降。由于施加鍵合壓力的壓盤面積遠(yuǎn)大于硅片面積，當(dāng)硅片面積為4.5 mm時(shí)，空隙率高達(dá)95%，鍵合質(zhì)量很低。

2.3 鍵合時(shí)間對鍵合質(zhì)量的影響

為了研究鍵合時(shí)間對鍵合結(jié)果的影響，設(shè)置了鍵合電壓1 200 V，溫度445～455 ℃，鍵合時(shí)間20 s、30 s、40 s、50 s、60 s、120 s、180 s的對比試驗(yàn)，結(jié)果見表4。從表4可以看出，鍵合時(shí)間大于60 s時(shí)，鍵合空隙率小于5%，鍵合質(zhì)量較好，因此為提高鍵合效率，減少鍵合能源消耗，鍵合時(shí)間一般控制在60 s。

表4 20 s～180 s鍵合時(shí)間的鍵合空隙率

3 結(jié)論

試驗(yàn)表明，利用MEMS封裝試驗(yàn)平臺能夠提高封裝過程中的操作準(zhǔn)確性，準(zhǔn)確控制鍵合的溫度、電壓和鍵合時(shí)間。鍵合的質(zhì)量依賴于鍵合溫度、材料規(guī)格、鍵合時(shí)間以及制作工藝。試驗(yàn)表明，施加電壓為1 200 V，鍵合時(shí)間60 s，鍵合溫度在445～485 ℃，空隙率均能達(dá)到5%以下，鍵合質(zhì)量良好。鍵合所用硅片的規(guī)格越小，空隙率越大。鍵合時(shí)間長短對鍵合質(zhì)量影響較小，達(dá)到鍵合最低穩(wěn)定電流后，鍵合在很短時(shí)間內(nèi)完成。

[1] 劉學(xué)如，胡澤，鄒修慶.用于高壓器件的實(shí)用硅一硅鍵合技術(shù).微電子學(xué)，1994,24(3)：10-12.

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Effects of Process Parameters on Glass-Si MicrostructureEncapsulation Bonding Quality

LI Jia1,GUO Hao2,GUO Zhi-ping1,MIAO Shu-jing1,WANG Jing-xiang1

(1.Mechanical Engineering College of Inner Mongolia University of Technology，Hohoot 010051，China；2.Robot and micro system research center of Soochow University，Suzhou 215021，China)

Based on the MEMS packaging test platform,the process parameters such as bonding temperature,bonding time and test silicon wafer specifications etc were studied in this paper.Through changing the bonding temperature,bonding time and test silicon wafer specifications etc,the Glass-Si bonding contrast test was made.Through calculating the bonding void fraction of each comparison test.the void fraction data of each group comparison were analyzed and the effect of bonding quality factors was summarized and the optimum effect of bonding temperature was summarized.Experimental results indicate that when the bonding voltage is 1200V,bonding temperature is from 445 ℃ to 455 ℃,the bonding time is 60 s,and the void fraction is less than 5%,bonding quality of glass and silicon wafer can achieve the best,thus providing important basis for the glass silicon bonding quality.

MEMS;Glass-Si bonding;encapsulation;void fraction

內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2012MS0730)；中國博士后科學(xué)基金項(xiàng)目(2014M551655)

2014-12-25 收修改稿日期：2015-06-27

TH873

A

1002-1841(2015)10-0004-03