MEMS陀螺芯片的晶圓級真空封裝

劉福民， 張樂民， 張樹偉， 劉 宇， 王學鋒

(北京航天控制儀器研究所，北京 100039)

0 引 言

微機電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system，MEMS)陀螺[1,2]的微結構需要工作在真空環(huán)境下以實現高諧振Q值并確保其檢測靈敏度[3,4]。當前，采用晶圓級真空封裝是國外發(fā)展MEMS陀螺的主流工藝方案[4,5]，它通過采用晶圓級封裝，可以避免MEMS微結構在后續(xù)芯片劃切中的粘連、顆粒污染，還可以降低真空封裝成本、提高芯片的加工成品率。此外，晶圓級真空封裝可實現器件的小型化、集成化，是實現慣性微系統(tǒng)的必由之路，對于進一步提高MEMS陀螺性能和可靠性，滿足工程應用需求具有重要的意義。

目前開展MEMS慣性器件晶圓級真空封裝的代表性研究機構有德國Bosch、加拿大DALSA、美國Inversense[6]和瑞典Silex[7,8]等公司，他們的技術方案各具特色，并已經實現了工程化應用產品。MEMS慣性器件的晶圓級真空封裝在實現微可動敏感結構真空密封的同時也要實現可動結構與封裝結構外的電氣互聯[4]。整個晶圓級封裝的工藝設計需要兼顧這兩方面的要求。

本文圍繞MEMS陀螺的工程化需求，進行晶圓級真空封裝的工藝技術研究，采取全硅(Si)基的芯片結構設計，開展了相關關鍵工藝技術研究，實現了晶圓級真空封裝的MEMS陀螺儀芯片，實現了約為2 Pa的真空度，晶圓級真空封裝達到MEMS陀螺工程化研制需求。

1 MEMS陀螺晶圓級封裝結構與工藝流程

本文設計的芯片整體結構如圖1所示，芯片由三層結構組成，包括襯底層、器件層和封帽層。其中，在器件層的MEMS陀螺微結構是整個芯片的核心部分，其周邊是鍵合環(huán)，用于與襯底層和封帽層進行鍵合，形成密封空腔結構；封帽層與器件層之間有一層圖形化的二氧化硅(SiO2)，通過硅—二氧化硅(Si-SiO2)直接鍵合將器件層與封帽層鍵合在一起，SiO2確保了器件層與封帽層的絕緣；襯底層上布有電極圖形，與器件層之間通過金—硅(Au-Si)共晶鍵合[5]使兩層結合在一起，形成一個可供器件層的梳齒微結構自由活動的空腔，并采用側面電極引出的方式實現空腔結構內的器件層結構與空腔外電極焊盤的互聯。

圖1 晶圓級封裝MEMS陀螺結構示意

上述結構的工藝加工流程如圖2所示。其中，圖2(a)所示完成陀螺芯片封帽以及微結構芯片加工的各工序。首先，在封帽層上通過干法刻蝕形成表面帶有SiO2的錨區(qū)結構及凹腔結構；然后，封帽層通過Si-SiO2直接鍵合實現與器件層的鍵合；最后，器件層經減薄拋光后，在其上用干法刻蝕工藝刻蝕出陀螺的微可動結構。

陀螺襯底層的加工如圖2(b)所示。首先，通過濕法腐蝕在襯底層上形成凹腔結構，并通過熱氧化形成絕緣層；然后，在絕緣層上制作電極層，并生長第二層SiO2絕緣層；接下來，在第二層SiO2絕緣層上刻蝕出接觸孔，以便于電極與后續(xù)的金層相連接；最后，在襯底層上形成吸氣劑薄膜[9]和Au電極，后者用于電氣互聯并作為后續(xù)Au-Si鍵合的介質。

圖2 MEMS陀螺芯片各層工藝流程

MEMS陀螺芯片的晶圓級真空封裝通過Au-Si共晶鍵合實現，在真空條件下，襯底層上的Au與器件層的硅發(fā)生共晶反應，形成芯片的真空封裝。在Au-Si共晶鍵合過程中的加溫過程可以實現吸氣劑的激活，從而提高真空密封的真空度。最后，芯片經過劃切即可得到如圖1所示的MEMS陀螺芯片。

2 晶圓級真空封裝關鍵工藝研究

2.1 Si-SiO2直接鍵合工藝

在圖2(a)所示的器件層與封帽層的加工流程中，器件層與封帽層的Si-SiO2直接鍵合是其核心工藝，實現器件層微結構與封帽層上錨區(qū)的機械連接。

Si-SiO2直接鍵合的原理[10]是，裸Si片和帶有氧化層的Si片，經清洗后會形成羥基(-OH)密度較高的親水表面，將具有親水表面的兩片晶圓貼合到一起，分子間作用力(范德華力和氫鍵)會使兩片晶片鍵合在一起。晶片經退火后，互相結合的活性氫氧基團開始進行脫水，會轉化為穩(wěn)定的Si-O-Si共價鍵，形成Si-SiO2永久性鍵合界面。其反應式為

Si-OH + HO-Si → Si-O-Si + H2O

(1)

在上述過程中，晶片表面的羥基是晶片實現鍵合的重要媒介，因此在Si片的清洗過程中，經標準清洗的Si片不再用氫氟(HF)酸去除自然氧化層，以確保晶片表面的親水狀態(tài)。為了提高鍵合強度，對待鍵合裸Si片和帶氧化層的Si片表面分別進行了氧等離子和氮等離子激活處理。通過等離子體激活處理后，會增加待鍵合晶片表面的活性氫氧基團懸掛鍵，有利于提高鍵合強度。

為確保陀螺穩(wěn)定可靠工作，需要陀螺微結構上所有錨點均具有高的鍵合強度。為評估芯片結構上各個錨點(面積為50 μm×50 μm～200 μm×200 μm)的鍵合強度，本文通過對芯片上所有錨點進行破壞性剪切測試的方法進行鍵合強度統(tǒng)計評估。界定一個錨區(qū)鍵合強度合格的判據為破壞性測試時，鍵合面斷裂時應有50 %面積的SiO2留在器件層Si上。對采用400 ℃低溫退火的樣品進行測試，結果如表1所示，結果表明，大約有一半的芯片上至少有一個錨區(qū)鍵合強度不合格，而存在缺陷的芯片中，平均有5～7個錨區(qū)鍵合強度不合格。

表1 采用400 ℃退火的錨區(qū)鍵合強度破壞性測試結果

基于以上結果，對鍵合的退火溫度進行了優(yōu)化，由原來的400 ℃低溫退火，調整為高溫退火。經退火工藝優(yōu)化后，晶片的鍵合強度得到了顯著的提高。圖3(a)中顯示的是經400 ℃低溫退火的晶圓封帽層上錨區(qū)結構，其上只有部分面積的SiO2被撕裂；圖3(b)圖中顯示的是經高溫退火的器件層的結構，鍵合面斷裂后將封帽層上的全部面積的SiO2撕裂并留在器件層上，表明經高溫退火能夠有效提高鍵合強度，而且Si-SiO2的鍵合強度已經超過了熱氧化法生長的SiO2的強度。多個晶圓測試表明，晶圓內Si-SiO2直接鍵合強度合格的芯片比例達到97 %上，并且不合格芯片平均不合格錨區(qū)數控制在2個以內。由于在本文的工藝流程設計中，Si-SiO2直接鍵合不存在其他金屬，因而高溫對結構本身無影響，因此經高溫退火的Si-SiO2直接鍵合工藝可以滿足MEMS陀螺芯片的加工需求。本文利用Dage4000剪切力測試儀對Si-SiO2晶圓鍵合的樣品進行剪切測試，結果表明鍵合強度可以達到56.5 MPa。

圖3 不同退火溫度下錨區(qū)的典型破壞性測試結果

2.2 吸氣劑工藝研究

在晶圓級封裝MEMS陀螺中，吸氣劑薄膜[9,11]制備是高真空度獲得進而確保陀螺諧振高Q值的必要方法。吸氣劑材料需要在真空的條件下對其進行加熱激活恢復其吸氣能力。吸氣劑的激活通常需要與芯片最終的真空封裝過程同時進行，因此在本文所設計的工藝流程中，吸氣劑的激活需要與Au-Si共晶鍵合過程相兼容，吸氣劑的激活溫度要低于Au-Si鍵合的共晶溫度(363 ℃)。

本文選擇Ti基的非蒸散型吸氣劑[11]材料，非蒸散型吸氣劑薄膜的制備可以通過磁控濺射工藝來實現。磁控濺射生長Ti薄膜的微觀結構與生長過程中的襯底溫度、射頻功率、濺射氣壓等工藝參數緊密相關，通過工藝參數優(yōu)化，最終生長出具有柱狀晶粒結構的多孔Ti薄膜吸氣劑薄膜，形成的薄膜表面及斷面微觀形貌如圖4所示。

圖4 掃描電鏡下薄膜吸氣劑的微觀形貌

在確定濺射生長參數的基礎上，在Si片上生長了兩片吸氣劑薄膜樣品，一種是單Ti薄膜，另一種是以Cr為黏附層的Ti薄膜。在真空條件下對兩片樣品在300,340,380 ℃下進行加熱30 min激活處理，并用定壓法[12]測試了兩片樣品的吸氫性能曲線。測試結果如圖5所示。測試結果表明，在兩種薄膜吸氣劑在300 ℃下已經具備吸氣能力，隨著激活溫度升高，吸氣能力逐漸增大，其最大初始吸氣速率在380 ℃激活條件下達到130 cm3/(s·cm2)；在300 ℃激活的條件下，Cr/Ti薄膜具有比單層Ti膜更高的吸氣能力，而隨著激活溫度的提高，兩者的吸氣能力趨于一致，表明Cr/Ti薄膜具有比Ti更低的激活溫度，這可以解釋Cr層的存在會在一定程度上增加Ti膜的孔隙率。因此對于較低的晶圓級鍵合封裝溫度，Cr/Ti薄膜更有利于獲得較高的這空度。在Au-Si鍵合晶圓級真空封裝中，實際鍵合溫度最高可以到400 ℃，此時Ti和Cr/Ti的吸氣性能已趨于一致，因此兩者均可用于Au-Si共晶晶圓級真空封裝，其吸氣能力足以能夠滿足晶圓級真空封裝的要求。

圖5 兩種薄膜吸氣劑樣品在不同激活溫度下的吸氫性能曲線(1#：Ti；2#：Cr/Ti)

2.3 Au-Si共晶鍵合真空封裝工藝

MEMS陀螺的晶圓級真空封裝通過Au-Si共晶鍵合實現，Au-Si鍵合是晶圓級真空封裝中的關鍵環(huán)節(jié)，在實現MEMS結構晶圓級真空封裝的同時，也實現了MEMS結構與電路引線間的電學連接。將圖2(a)和圖2(b)所示加工好的襯底片與器件層和封帽層在鍵合對準機下進行對準，然后放入鍵合機中進行Au-Si鍵合。鍵合過程中經高溫除氣后，兩組晶圓開始接觸并加以5 000 N的壓力，溫度升至363 ℃共晶點后，保持15 min，然后繼續(xù)升至400 ℃并保持15 min，以確保Au-Si共晶反應充分。

Au-Si共晶鍵合對Si表面存在的氧化層十分敏感，Au在SiO2表面的浸潤性非常差，而Si片的自然氧化層會阻止Au-Si接觸，使共晶共熔無法實現。因此，為確保Au-Si鍵合具有足夠的鍵合強度，鍵合前需要用稀氫氟酸將Si表面的自然氧化層去掉。然而在稀氫氟酸濕法清洗過程中，水分子的表面張力易造成梳齒或梁結構的粘連。為避免微結構的粘連，采用氣態(tài)氫氟酸干法腐蝕工藝，將表面的自然氧化層腐蝕掉。由于該工藝梳齒結構無需浸泡在液體中，因此不會造成結構粘連。

在Au-Si共晶鍵合過程中，Au-Si生成的液相共晶合金在壓力作用下，容易出現外溢的現象。Au-Si共晶外溢容易造成微結構間短路，影響芯片成品率。為了保證良好的鍵合質量，防止共晶液的溢出，本文在陀螺四周的密封鍵合環(huán)上設計了防溢出淺槽結構，如圖6所示。在鍵合過程中，液態(tài)Au-Si共晶體在壓力的作用下首先填充到淺槽中，從而避免了Au-Si共晶液的外溢，避免了結構的短路。

圖6 鍵合環(huán)上的防Au-Si共晶溢出淺槽結構

對于完成Au-Si共晶鍵合的芯片樣品，本文對芯片鍵合環(huán)部位進行了破壞性剪切強度測試，測試仍采用Dage4000剪切力測試儀，相關測試數據如表2所示，測試后的樣品如圖7所示。結果表明，Au-Si共晶鍵合晶圓的剪切強度可以達到35 MPa以上，并且鍵合面斷裂時襯底層將芯片層的一部分Si撕裂了下來，表明Au-Si共晶鍵合的強度超過了Si材料的強度，進一步表明了本文的Au-Si共晶鍵合強度可以滿足晶圓級真空封裝的要求。

表2 Au-Si鍵合剪切強度測試數據

圖7 Au-Si共晶鍵合面破壞性測試結果

3 晶圓級真空封裝MEMS陀螺芯片的測試

按照上述工藝進行MEMS陀螺芯片晶圓級真空封裝進行制備，晶圓經常規(guī)切割，形成MEMS陀螺芯片。將實現的MEMS陀螺芯片置于探針臺上，施以驅動信號，對其進行掃頻測試，從而得到其品質因數。經測試，芯片實現的最高Q值為103 879。而不使用吸氣劑的晶圓級真空封裝的芯片Q值最高僅為1 500，表明吸氣劑已經在封裝過程中被激活并發(fā)揮了作用。

為便于標定Q值與真空度之間的對應關系，本文在真空探針臺下測試了非晶圓級真空封裝的相同結構陀螺芯片的Q值與氣體壓強，其關系曲線如圖8所示。

圖8 MEMS陀螺芯片品質因數Q與氣壓關系曲線

對比上述測試結果可知，本文晶圓級真空封裝的實際真空度可以達到2 Pa左右。為進一步提高真空封裝的真空度，需要進一步優(yōu)化吸氣劑的制備及激活工藝，提高吸氣能力，同時還需要優(yōu)化襯底層上其他金屬層的濺射工藝，減少氬氣等惰性氣體在薄膜內的吸附和擴散，減小惰性氣體在真空封裝后的微腔內的殘留[13，14]。

4 結 論

本文提出了一種MEMS晶圓級真空封裝結構方案，并對Si-SiO2直接鍵合、吸氣劑制備、Au-Si鍵合等關鍵工藝技術進行了研究，Si-SiO2直接鍵合剪切強度達到56.5 MPa；薄膜吸氣劑經380 ℃高溫激活，其初始吸氣速率可達到130 cm3/(s·cm2)；Au-Si共晶鍵合成功解決了液態(tài)Au-Si共晶體的外溢的問題，實現了大于35 MPa的鍵合剪切強度，最終實現了MEMS芯片的晶圓級真空封裝。測試結果表明:晶圓級封裝中各層晶圓之間形成了足夠強度的鍵合，吸氣劑在鍵合過程中被成功激活，實現最低可達2 Pa的晶圓級真空封裝的真空壓力，并實現最高為103 879的陀螺結構諧振Q值。本文研制的晶圓級真空封裝MEMS陀螺芯片可以滿足MEMS陀螺工程化的需要。