基于晶圓鍵合的MEMS圓片級封裝研究綜述*

梁亨茂

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)電子工程學(xué)院（人工智能學(xué)院），廣州 510642）

1 引言

隨著集成電路和微納加工技術(shù)的發(fā)展，微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)可實(shí)現(xiàn)傳感、執(zhí)行等各類器件的小型化、低功耗、高可靠、集成量產(chǎn)、智能化和多功能化。MEMS及其封裝測試產(chǎn)業(yè)逐步發(fā)展成為國家解決“卡脖子”問題的關(guān)鍵突破口之一，并已被納入國家“十四五”相關(guān)重點(diǎn)規(guī)劃。MEMS器件通常具有可動結(jié)構(gòu)而易受器件后道組裝工序和實(shí)際應(yīng)用場景的外力沖擊及環(huán)境氣氛、顆粒、濕度的影響[1-2]，因此需要對其進(jìn)行封裝以保護(hù)其脆弱的可動結(jié)構(gòu)并實(shí)現(xiàn)其與外界環(huán)境的隔離。此外，大多數(shù)MEMS傳感器比如加速度計(jì)、陀螺儀、磁力計(jì)、壓力傳感器、射頻開關(guān)/濾波器及生化類傳感器等都以諧振器為基礎(chǔ)，而MEMS諧振器則需要通過氣密或真空封裝實(shí)現(xiàn)器件性能及穩(wěn)定性的提升。在MEMS封裝的具體實(shí)踐中，其成本通常占MEMS器件產(chǎn)品成本的90%以上[1]，因此MEMS封裝一直是實(shí)現(xiàn)MEMS傳感器、執(zhí)行器、能量采集器等器件性能優(yōu)化和實(shí)用化進(jìn)程中極具挑戰(zhàn)的環(huán)節(jié)。MEMS封裝技術(shù)發(fā)展至今，主要形成了管殼式器件級封裝和蓋板式圓片級封裝2種實(shí)現(xiàn)形式。相比于器件級的逐個MEMS芯片單元封裝（在MEMS晶圓劃片后，處于半導(dǎo)體制造的后道工藝），圓片級封裝能在晶圓層級實(shí)現(xiàn)所有MEMS器件結(jié)構(gòu)的一次性、同時性封裝（在MEMS晶圓劃片前，處于半導(dǎo)體制造的前道工藝），不僅適用于批量化制造來降低成本，也能有效提升封裝工藝的一致性、封裝的成品率及可靠性，因此MEMS圓片級封裝技術(shù)的研發(fā)已經(jīng)成為突破MEMS器件產(chǎn)業(yè)化瓶頸的必然選擇和高效途徑。

本文首先對MEMS圓片級封裝的基本功能和分類進(jìn)行闡述，厘清封裝重要性及基于晶圓鍵合的MEMS圓片級封裝技術(shù)的優(yōu)勢，進(jìn)而對平面互連型和垂直互連型2類基于晶圓鍵合的MEMS圓片級封裝技術(shù)展開綜述，最后對其發(fā)展趨勢進(jìn)行展望。

2 MEMS圓片級封裝的功能及分類

2.1 MEMS圓片級封裝的功能

1）機(jī)械支撐與保護(hù)。MEMS器件通常含有微納米量級的結(jié)構(gòu)間隙，如果器件裸露工作，那么空氣中的懸浮顆粒很容易嵌入到微納結(jié)構(gòu)的孔隙中，進(jìn)而導(dǎo)致器件結(jié)構(gòu)粘連甚至失效（比如懸梁結(jié)構(gòu)運(yùn)動受阻、硅微結(jié)構(gòu)間信號短路等）；同時，MEMS結(jié)構(gòu)也易遭受空氣的腐蝕損害，特別是冷凝后的液體在微結(jié)構(gòu)表面形成表面張力，會引發(fā)結(jié)構(gòu)粘附失效[3]；此外，封裝結(jié)構(gòu)為易受外力損傷的MEMS可動結(jié)構(gòu)提供了支撐保護(hù)，特別是MEMS圓片級封裝能在晶圓劃片、貼片等后道工藝中有效隔離流體的侵入與外力沖擊。

2）化學(xué)隔離。MEMS微結(jié)構(gòu)的表面積-體積比較高，因此MEMS結(jié)構(gòu)的表面化學(xué)反應(yīng)更顯著，比如高濕度下硅微結(jié)構(gòu)表面的氧化硅層持續(xù)生長，引起的裂紋最終改變器件的疲勞特性[1,4]。再者，器件工作環(huán)境的濕度變化也會引起諧振式器件品質(zhì)因數(shù)的改變[2]，誘發(fā)器件諧振性能下降。

3）器件性能的提升。紅外MEMS器件需要真空封裝以降低熱損耗、提升器件性能，諧振式MEMS器件也需要采用真空或氣密封裝來控制MEMS懸浮結(jié)構(gòu)的運(yùn)動阻尼，最終改善器件性能。諧振式陀螺儀、磁力計(jì)、壓力計(jì)需要真空封裝以降低空氣阻尼、提升器件的品質(zhì)因數(shù)。諧振式加速度計(jì)則需要一定空氣阻尼的氣密封裝，通過設(shè)定封裝氣壓以調(diào)節(jié)阻尼系數(shù)比，來優(yōu)化器件的動態(tài)響應(yīng)[5]。真空或氣密封裝在一定程度上也為MEMS器件的高使用壽命、長期穩(wěn)定工作奠定了基礎(chǔ)。

2.2 MEMS圓片級封裝的分類

MEMS圓片級封裝可分為薄膜封裝和蓋板晶圓封裝2種類型：薄膜封裝通?；诒砻嫖C(jī)械加工中的犧牲層技術(shù)構(gòu)建微結(jié)構(gòu)空腔，隨后在薄膜沉積工藝中的真空條件下利用沉積的薄膜材料（如多晶硅、氧化硅、氮化硅等）作為蓋板層，實(shí)現(xiàn)對MEMS器件晶圓的封裝[6]；而蓋板晶圓封裝是對蓋板晶圓本體進(jìn)行濕法/干法蝕刻形成空腔，隨后通過晶圓鍵合技術(shù)（如硅-硅直接鍵合、陽極鍵合、玻璃漿料鍵合、有機(jī)物鍵合、金屬鍵合等）在晶圓鍵合機(jī)的真空或特定氣氛條件下實(shí)現(xiàn)蓋板晶圓與MEMS器件晶圓之間的接合，完成封裝。

然而，薄膜封裝存在諸多局限性：1）薄膜材料本身抗外力沖擊的強(qiáng)度較低，因此還需后道封裝處理；2）薄膜沉積的溫度較高（約1000℃），對封裝及互連材料的高溫耐受能力要求苛刻，難以采用金屬布線；3）僅適用于表面微機(jī)械加工的MEMS器件封裝，難以適用于體硅工藝制造的具有幾十微米量級深腔、大厚度微結(jié)構(gòu)的MEMS器件封裝；4）封裝結(jié)構(gòu)中難以沉積Getter吸氣劑材料，以提升封裝的真空度及密封的氣壓穩(wěn)定性。與薄膜封裝相比，蓋板晶圓封裝工藝的溫度低（大多低于450℃），蓋板晶圓具有更高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度而能有力地保護(hù)器件，對使用體硅和表面微加工技術(shù)制備的MEMS器件封裝均可適用，且相應(yīng)的封裝設(shè)計(jì)及制造具有更高自由度（如金屬/多晶硅互連形式及材料選擇、微結(jié)構(gòu)空腔的深度設(shè)計(jì)、吸氣劑沉積等）。因此，基于不同鍵合技術(shù)實(shí)現(xiàn)蓋板晶圓對MEMS器件的圓片級封裝已成為近年來MEMS封裝研究的焦點(diǎn)。實(shí)際上，蓋板晶圓封裝技術(shù)既可按晶圓鍵合方式進(jìn)行分類，也可按互連信號引出方式進(jìn)行分類。由于MEMS封裝中互連形式的選擇往往需要與其所采用的晶圓鍵合技術(shù)相匹配，本文將從互連形式切入，圍繞平面互連型和垂直互連型這2類基于晶圓鍵合的MEMS封裝技術(shù)展開論述。

3 平面互連型MEMS圓片級封裝技術(shù)

3.1 平面互連型MEMS圓片級封裝技術(shù)背景

最常見的MEMS圓片級封裝是采用器件互連線穿出鍵合密封環(huán)區(qū)域的平面互連形式，以實(shí)現(xiàn)器件信號的引出和接口。平面互連型MEMS封裝結(jié)構(gòu)如圖1所示，在晶圓鍵合封裝的實(shí)施中，器件互連線在鍵合密封環(huán)區(qū)域?qū)a(chǎn)生凸起，引起封裝泄漏的“臺階”問題[7-8]，有研究表明，在采用硅-玻璃鍵合技術(shù)的MEMS封裝結(jié)構(gòu)中，其互連線的高度須低于50 nm才能保證封裝氣密性[7]，但與此同時，過薄的互連線在鍵合工藝的高鍵合壓力作用下，容易在鍵合密封環(huán)邊緣產(chǎn)生斷裂，引起電學(xué)互連開路問題。實(shí)際上，不同的晶圓鍵合技術(shù)在MEMS封裝中幾乎都面臨封裝氣密性及互連可靠性問題，由此也形成了多樣化的平面互連式MEMS圓片級封裝策略。

圖1 平面互連型MEMS封裝結(jié)構(gòu)

3.2 平面互連型MEMS圓片級封裝策略

對于采用硅-硅鍵合技術(shù)的MEMS封裝，一種有效的策略是將硅-硅等離子體激活鍵合，與Au-Sn共晶鍵合相結(jié)合[9]。硅-硅鍵合如圖2（a）所示，先在封裝硅晶圓上腐蝕出100 nm深的腔體并在腔內(nèi)沉積Au互連線，在器件的晶圓電學(xué)引出區(qū)設(shè)置Au-Sn鍵合點(diǎn)。在鍵合實(shí)施過程中，Au-Sn共晶焊料先在300℃下形成液態(tài)組分，并在鍵合壓力作用下填充蓋板晶圓的空腔，使其與作為封裝密封區(qū)域的硅-硅鍵合面接觸，隨后降溫至250℃并進(jìn)行4 h的硅-硅鍵合。不過該方法需要空腔深度與金屬層厚度嚴(yán)格匹配。

一種硅-玻璃鍵合的MEMS封裝（硅基底局部摻雜作為互連線）形式如圖2（b）所示，它是在器件硅晶圓上制作反型摻雜的硅外延層作為封裝互連引線[10]，從而避免金屬互連線跨越密封環(huán)而影響封裝氣密性，但該互連方式存在電流泄漏問題。另一種硅-玻璃鍵合的MEMS封裝（在溝槽內(nèi)埋置金屬作為互連線）形式如圖2（c）所示，它是在玻璃晶圓上蝕刻出溝槽，并在槽內(nèi)沉積埋置金屬引線[11]，盡可能降低金屬布線在密封環(huán)區(qū)域形成的凸起高度，確保硅-玻璃鍵合面有效接觸，但該方法不僅需嚴(yán)控互連線厚度，且由于玻璃片的溝槽腐蝕形成的側(cè)壁斜坡也易引入泄漏問題。

采用玻璃漿料鍵合的MEMS封裝如圖2（d）所示，通常是利用玻璃漿料的絕緣性和流動特性以及較厚的鍵合層厚度（約幾十微米）來補(bǔ)償金屬布線跨越封裝密封環(huán)所形成的凸起[12]，從而確保MEMS器件信號接口的封裝氣密性。然而玻璃漿料鍵合工藝復(fù)雜，需要采用絲網(wǎng)印刷等非標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體工藝，且所實(shí)現(xiàn)的密封環(huán)的寬度高于100μm，僅能滿足幾十微米的線寬設(shè)計(jì)，極大地限制了MEMS封裝小型集成化的潛力。

采用有機(jī)物鍵合的MEMS封裝如圖2（e）所示，其利用有機(jī)樹脂的流動性和天然電絕緣性來解決金屬布線跨越密封環(huán)時的“臺階”問題。有機(jī)物鍵合技術(shù)雖然可以實(shí)現(xiàn)器件短暫的臨時密封，但有機(jī)物本身不是密封材質(zhì)且存在持久的泄漏，僅適用于非氣密封裝，不過有機(jī)物的透明特性使其適合應(yīng)用于光學(xué)MEMS器件封裝中[13]。

圖2 基于不同晶圓鍵合技術(shù)的平面互連型MEMS圓片級封裝策略

采用金屬鍵合的MEMS封裝如圖2（f）所示，利用多晶硅層（離子注入摻雜）和金屬層實(shí)現(xiàn)跨越密封環(huán)的互連布線，即在鍵合密封環(huán)的互連線區(qū)域設(shè)置絕緣鈍化層以確保鍵合金屬與互連線間實(shí)現(xiàn)電隔離[14]，進(jìn)而通過較厚的鍵合金屬層（如由電鍍工藝形成的鍵合金屬層）在鍵合工藝中形成的液態(tài)相來填補(bǔ)鍵合環(huán)處的互連線凸起，解決互連線引起的封裝泄漏問題。但是該方法中較厚的鍵合金屬層不僅增加了薄膜沉積工藝的難度及成本，也會對金屬層的粘附性、鍵合層的空洞分布產(chǎn)生影響。

3.3 平面互連型MEMS圓片級封裝技術(shù)的特點(diǎn)及局限性

MEMS器件互連線的引出可歸納為2種形式：硅本體局部摻雜層互連和沉積導(dǎo)電薄膜層互連（金屬、多晶硅等）。對于硅本體局部摻雜層互連，并未在鍵合密封環(huán)區(qū)域引入“臺階”而保證了封裝氣密性，但是該互連形式利用了PN結(jié)單向?qū)щ娦裕嬖陔娏餍孤┘半y以高壓負(fù)載的問題，也易形成寄生串?dāng)_，影響MEMS器件性能。而沉積薄膜層互連則存在明顯的“臺階”問題，為此有的技術(shù)采用在所制備的溝槽內(nèi)埋置互連層的方法（如硅－硅鍵合和硅－玻璃鍵合）以降低“臺階”高度，有的技術(shù)利用具有液態(tài)流動性的鍵合介質(zhì)實(shí)現(xiàn)“臺階”的補(bǔ)償（如玻璃漿料鍵合、有機(jī)物鍵合和金屬鍵合）。其中溝槽埋置及“臺階”補(bǔ)償方法都增加了工藝的復(fù)雜度及成本，須嚴(yán)控腔深及膜厚的匹配度，對封裝冗余設(shè)計(jì)及工藝的均一性有較高要求。

盡管平面互連型MEMS圓片級封裝日趨成熟，但也面臨諸多局限性：其一，MEMS器件不同位置的電極都須引出至封裝體外，其較長的平面信號布線不僅增加了互連阻抗，也易引起信號線間的串?dāng)_；其二，MEMS器件的結(jié)構(gòu)愈趨復(fù)雜，可動結(jié)構(gòu)內(nèi)部的區(qū)域不僅可以嵌套新的可動結(jié)構(gòu)（如3軸慣性敏感器件），也可以構(gòu)建內(nèi)-外差分驅(qū)動/敏感結(jié)構(gòu)，而平面互連形式無法引出位于可動結(jié)構(gòu)內(nèi)部的電極單元，制約著MEMS圓片級封裝互連結(jié)構(gòu)的深入發(fā)展。

4 垂直互連型MEMS圓片級封裝技術(shù)

4.1 垂直互連型MEMS圓片級封裝技術(shù)背景

現(xiàn)今拓展的摩爾定律不僅深刻地影響著集成電路的產(chǎn)業(yè)發(fā)展和技術(shù)革新，也引領(lǐng)著MEMS封裝由傳統(tǒng)的平面互連形式向以垂直互連為特征的先進(jìn)三維封裝技術(shù)過渡[15]，以滿足MEMS集成制造小型化、高密度互連的需求。一方面，垂直互連路徑的長度取決于封裝晶圓的厚度（約100μm）并可通過晶圓減薄進(jìn)一步縮短，因此極大地降低了互連阻抗及寄生效應(yīng)的影響，同時也提升了芯片面積的利用率，促進(jìn)了封裝小型化；另一方面，對于復(fù)雜的MEMS器件結(jié)構(gòu)來說，垂直互連形式可以實(shí)現(xiàn)器件任意位置垂直信號接口的直接互連，有效打破了平面互連型封裝方法無法對MEMS可動結(jié)構(gòu)內(nèi)部信號接口進(jìn)行互連的局限性。垂直互連型MEMS圓片級封裝技術(shù)發(fā)展至今可分為通孔密填互連介質(zhì)式、通孔側(cè)壁附著互連介質(zhì)式以及低阻體硅硅柱互連式3類。

4.2 垂直互連型MEMS圓片級封裝策略

4.2.1 通孔密填互連介質(zhì)式

通孔密填互連介質(zhì)式MEMS圓片級封裝是利用硅通孔（TSV）技術(shù)或者玻璃通孔（TGV）技術(shù)[16]，在不同基底材料的晶圓（如硅、玻璃等）上刻蝕出通孔，進(jìn)而在通孔內(nèi)部填充多晶硅、銅、鎢等導(dǎo)電介質(zhì)作為垂直互連通路。該封裝形式典型的工藝流程包括高深寬比通孔的蝕刻、通孔內(nèi)絕緣層/種子層/導(dǎo)電層的致密性電鍍填充和實(shí)現(xiàn)平坦化的多道化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）工藝。通孔密填互連介質(zhì)式MEMS圓片級封裝策略如圖3所示，通孔密填互連介質(zhì)式MEMS圓片級封裝策略可依據(jù)TSV或TGV引出的位置分為3類，即從MEMS襯底晶圓[17]、蓋板晶圓[17]和器件結(jié)構(gòu)晶圓[18]處引出。雖然TSV技術(shù)近年來已應(yīng)用于集成電路封裝集成中，然而MEMS三維封裝與之不同，其不僅需要考慮對復(fù)雜懸浮結(jié)構(gòu)的保護(hù)，而且MEMS器件的I/O接口遠(yuǎn)少于集成電路器件[17]，這導(dǎo)致互連密度極高的傳統(tǒng)TSV技術(shù)在MEMS三維封裝中難以發(fā)揮優(yōu)勢，同時也面臨諸多挑戰(zhàn)：1）通孔刻蝕要求通孔尺寸一致、無殘?jiān)嬖凇⒏呱顚挶?、孔壁平坦等[19]；2）通孔的再填充對填充的致密性要求苛刻[20]；3）CMP工藝成本較高，且減薄過程極易造成含有懸浮微結(jié)構(gòu)的MEMS晶圓翹曲、產(chǎn)生碎片或器件損壞[19]。

圖3 通孔密填互連介質(zhì)式MEMS圓片級封裝策略

4.2.2 通孔側(cè)壁附著互連介質(zhì)式

通孔側(cè)壁附著互連介質(zhì)式的MEMS圓片級3D封裝只需要在晶圓上蝕刻出V型通孔，并通過蒸鍍或?yàn)R射實(shí)現(xiàn)通孔側(cè)壁附著金屬層，將其作為3D互連通路，再通過引線鍵合或植球?qū)崿F(xiàn)電極引出。這不僅避免了通孔高深寬比的刻蝕及通孔致密填充，也避免了CMP工藝，從而簡化了封裝流程，降低了制造成本。該類封裝方法中的通孔制備有不同的思路。密歇根州立大學(xué)CHAE等[21]提出的結(jié)構(gòu)如圖4（a）所示，以硅-玻璃鍵合實(shí)現(xiàn)MEMS器件封裝后，通過HF濕法減薄玻璃片至150μm，并以濕法腐蝕制作通孔。為避免玻璃片減薄工藝，北京大學(xué)ZHAO等[22]提出的結(jié)構(gòu)如圖4（b）所示，以噴砂工藝先在玻璃片一側(cè)形成盲孔，在硅-玻璃鍵合后，再用濕法腐蝕將盲孔蝕穿。ADI公司[23]提出的結(jié)構(gòu)如圖4（c）所示，采用兩步深反應(yīng)離子刻蝕在硅晶圓上形成斜坡通孔（通孔側(cè)壁的絕緣由熱氧化工藝實(shí)現(xiàn)），隨后以玻璃漿料鍵合實(shí)現(xiàn)器件封裝。現(xiàn)有的通孔側(cè)壁附著互連介質(zhì)式的MEMS圓片級3D封裝的實(shí)現(xiàn)大多需要噴膠的深腔光刻工藝，這增加了制造難度，且主要依賴硅-玻璃鍵合和玻璃漿料鍵合等技術(shù)。近年來的研究表明，玻璃填充物存在氦氣滲透的問題[27]，而玻璃漿料鍵合本身需要復(fù)雜的絲網(wǎng)印刷工藝并且其線寬局限在幾十微米量級，此外采用玻璃材料也會面臨與集成電路制造工藝難以兼容的問題，制約著MEMS器件與CMOS電路3D集成封裝的潛力。

圖4 通孔側(cè)壁附著互連介質(zhì)式MEMS圓片級封裝策略

4.2.3 低阻體硅硅柱互連式

低阻體硅硅柱互連式的MEMS圓片級3D封裝是在低阻硅晶圓上刻蝕出絕緣溝槽，以形成獨(dú)立的硅柱結(jié)構(gòu)作為垂直互連通路來傳輸器件封裝結(jié)構(gòu)的內(nèi)部電學(xué)信號。其中的絕緣溝槽既可以保持中空，也可以填充氧化硅層或聚合物，以增強(qiáng)硅柱結(jié)構(gòu)的機(jī)械穩(wěn)定性。低阻硅柱互連結(jié)構(gòu)能有效避免非硅材料與硅本體的熱膨脹系數(shù)失配而產(chǎn)生的應(yīng)力及可靠性問題，且適用于MEMS全硅集成封裝，該項(xiàng)技術(shù)已不局限于學(xué)術(shù)研究，在部分MEMS代工廠已經(jīng)提供多項(xiàng)目晶圓流片服務(wù)。

在學(xué)界，TORUNBALCI等[24]提出的以SOI蓋板片制備硅柱互連結(jié)構(gòu)的封裝方法如圖5（a）所示。即先在SOI基底層以KOH腐蝕形成穿透基底層的窗口，隨后進(jìn)行深腔光刻并刻蝕埋氧層形成接觸窗口，然后在SOI器件層以深硅刻蝕形成空腔及硅柱互連結(jié)構(gòu)，緊接著通過硅－玻璃鍵合實(shí)現(xiàn)低阻硅柱互連式3D封裝。而LEE等[25]提出的結(jié)構(gòu)如圖5（b）所示，由硅片與玻璃片通過陽極鍵合形成蓋板晶圓，隨后在玻璃側(cè)刻蝕形成通孔并在孔內(nèi)沉積金屬，而在硅片側(cè)則以深硅刻蝕形成空腔和硅柱互連結(jié)構(gòu)，最后通過陽極鍵合完成封裝。LIANG等[26]提出的結(jié)構(gòu)如圖5（c）所示，先在普通低阻蓋板硅片形成的器件整體四周將密封環(huán)與硅柱互連結(jié)構(gòu)的鍵合電極及其相應(yīng)的獨(dú)立鍵合密封環(huán)進(jìn)行鍵合，隨后采用深硅刻蝕形成蓋板空腔，并通過金硅共晶鍵合完成封裝，最后在蓋板頂側(cè)沉積金屬并刻蝕體硅，形成環(huán)形絕緣溝槽以釋放硅柱互連結(jié)構(gòu)。

圖5 學(xué)術(shù)研究中提出的低阻體硅硅柱互連式MEMS圓片級封裝結(jié)構(gòu)

在工業(yè)界，Murata Electronics Oy公司[27]提出的結(jié)構(gòu)如圖6（a）所示，先在蓋板硅片上腐蝕出硅凸臺，隨后利用劃片工藝形成硅凸臺的隔離溝槽，并在900℃下將熔融玻璃填充到溝槽內(nèi)，在玻璃固化后研磨拋光，暴露出硅凸臺并沉積金屬電極，緊接著通過硅-玻璃鍵合完成封裝，最后對蓋板頂側(cè)研磨拋光實(shí)現(xiàn)硅柱互連結(jié)構(gòu)的獨(dú)立。ST Microelectronics公司[28]提出的結(jié)構(gòu)如圖6（b）所示，在硅襯底上以熱氧化及多晶硅沉積的工藝組合形成多晶硅平面互連線，進(jìn)一步外延生長多晶硅作為MEMS的器件層。此時器件的非金屬電極即可引出至外延硅柱互連結(jié)構(gòu)，最后通過玻璃漿料鍵合完成封裝。Silex Microsystems公司[29]提出的結(jié)構(gòu)如圖6（c）所示，在硅片上刻蝕出盲孔槽，并通過熱氧化實(shí)現(xiàn)溝槽填充，接著采用研磨拋光以隔離出獨(dú)立的硅柱互連結(jié)構(gòu)。此時鍵合平面已經(jīng)平坦化，因此可采用多種鍵合技術(shù)完成封裝。Teledyne DALSA公司[30]提出的結(jié)構(gòu)如圖6（d）所示，在蓋板硅片鍵合面形成微米量級凸起的硅凸臺結(jié)構(gòu)，以深硅刻蝕進(jìn)一步形成環(huán)形溝槽，并對環(huán)形溝槽進(jìn)行熱氧化及In-Situ Doped Poly填充，隨后對蓋板硅片的另一側(cè)進(jìn)行減薄拋光，以形成獨(dú)立的硅柱互連結(jié)構(gòu)，最后通過在1100℃下的硅-硅熔融鍵合完成封裝。

圖6 產(chǎn)業(yè)研發(fā)中形成的低阻體硅硅柱互連式MEMS圓片級封裝結(jié)構(gòu)

4.3 垂直互連型MEMS圓片級封裝技術(shù)特點(diǎn)及挑戰(zhàn)

通孔密填互連介質(zhì)式結(jié)構(gòu)主要基于傳統(tǒng)TSV或TGV技術(shù)，因此對通孔刻蝕效果及通孔填充致密性的要求苛刻。其次，反復(fù)的CMP工藝導(dǎo)致其制造成本較高且易損傷晶圓，特別是通孔所填充的導(dǎo)電介質(zhì)與硅本體存在熱膨脹系數(shù)失配而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，使得對應(yīng)力敏感的MEMS器件性能弱化。通孔側(cè)壁附著互連介質(zhì)式結(jié)構(gòu)雖然避免了通孔的高深寬比刻蝕/致密填充及CMP工藝，但要求深腔光刻，且涉及到的硅-玻璃及玻璃漿料的鍵合不僅面臨氦氣滲透泄漏的挑戰(zhàn)[27]，也難與集成電路工藝的全硅集成兼容（玻璃中的鈉離子及玻璃漿料會導(dǎo)致沾污）。低阻體硅硅柱互連式結(jié)構(gòu)有的也存在硅-玻璃及玻璃漿料鍵合技術(shù)的缺點(diǎn)，有的則涉及復(fù)雜的深腔光刻，有的還涉及通孔高深寬比刻蝕及致密填充、CMP工藝，因此封裝工藝整體略顯復(fù)雜。但低阻體硅硅柱互連式3D封裝可以在最簡化的情況下，僅需2次光刻工藝就得以實(shí)現(xiàn)，這在一定程度上能提升MEMS封裝的高效性[26]。

垂直互連型MEMS圓片級封裝技術(shù)在發(fā)展改進(jìn)中也面臨著挑戰(zhàn)，特別是在MEMS多元敏感原理應(yīng)用及性能優(yōu)化驅(qū)動下，MEMS器件及其互連結(jié)構(gòu)愈加復(fù)雜，這導(dǎo)致了諸多問題。比如，離面運(yùn)動的電容式MEMS器件需在可動結(jié)構(gòu)的上下兩側(cè)異面布置差分電容以提升靜電力或電容敏感量（如射頻開關(guān)、扭轉(zhuǎn)微鏡、z軸加速度計(jì)/陀螺儀、面內(nèi)磁場計(jì)等）[31]，但目前異面布線的信號接口欠缺共平面標(biāo)準(zhǔn)化，難以發(fā)揮出垂直互連型封裝技術(shù)在堆疊鍵合集成中的優(yōu)勢。又比如，基于電磁感應(yīng)的MEMS磁傳感、致動、能量采集器等，都需在可動結(jié)構(gòu)上進(jìn)行金屬布線，并通過多層布線提升洛倫茲力或感應(yīng)電勢來改進(jìn)器件性能[32]，但現(xiàn)有的垂直互連型封裝技術(shù)主要針對諧振器本身進(jìn)行驅(qū)動/檢測電極的引線接口，在多層布線情況中的探索和實(shí)踐仍是空白。

5 結(jié)束語

在超越摩爾定律的驅(qū)動下，MEMS圓片級封裝已從早期的平面互連型逐步向垂直互連型3D封裝形式過渡，但與集成電路的封裝要求顯著不同，其可動結(jié)構(gòu)的保護(hù)需要空腔型封裝結(jié)構(gòu)，器件封裝信號接口數(shù)量有限，封裝信號接口互連須與氣密性兼顧和協(xié)同。因此，雖然MEMS圓片級封裝技術(shù)各有利弊，但在實(shí)際應(yīng)用中可互相借鑒形成新的封裝方法，如垂直互連型封裝技術(shù)的研發(fā)可從平面互連型封裝策略中獲得啟發(fā)。鑒于MEMS封裝及堆疊集成工藝繁復(fù)，在實(shí)施過程中存在對器件結(jié)構(gòu)的潛在影響，且MEMS器件的愈加復(fù)雜導(dǎo)致電極布線布局異面化、多層化等，其對封裝信號接口互連產(chǎn)生了特殊要求?？梢灶A(yù)見，MEMS圓片級3D封裝技術(shù)將向著低成本、工藝簡化、高可靠、普適兼容的方向發(fā)展。