mems陀螺晶圓級(jí)真空封裝工藝研究

mems陀螺晶圓級(jí)真空封裝工藝研究

0金硅共晶鍵合真空封裝工藝近年來，螺旋式閘門廣泛應(yīng)用于消費(fèi)終端、汽車制造、船舶制造等領(lǐng)域。高性能MEMS陀螺對(duì)于真空封裝氣密性要求很高,目前晶圓級(jí)真空封裝已經(jīng)成為高性能MEMS陀螺制備的關(guān)鍵工藝技術(shù)在目前眾多的鍵合工藝中,靜電鍵合的高電壓對(duì)MEMS器件性能產(chǎn)生不利影響;硅硅直接鍵合對(duì)鍵合表面平整度和光潔度要求高,并且鍵合時(shí)的高溫?zé)o法兼容金屬工藝;熱壓鍵合需要較高壓力,且不兼容金屬引線工藝,這幾種鍵合應(yīng)用于高性能MEMS陀螺的真空封裝面臨的困難較多。本文采用金硅共晶鍵合實(shí)現(xiàn)了MEMS陀螺晶圓級(jí)真空封裝。金硅共晶鍵合是利用金硅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,其鍵合溫度低、殘余應(yīng)力小、圖形化容易、鍵合強(qiáng)度高且封裝氣密性好1試驗(yàn)計(jì)劃和準(zhǔn)備1.1利用熱氧化地層和化合物實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的晶圓級(jí)真空封裝整體工藝流程如圖1所示,用作鍵合的兩片晶圓分別為蓋帽晶圓和結(jié)構(gòu)層晶圓,制備工藝具體流程如下:在蓋帽晶圓上制作背面對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記;制作淺腔;進(jìn)行熱氧化,厚度為0.3μm,在氧化層上制備鎢金屬引線,鎢層厚度為0.3μm;在鎢引線層上采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)工藝淀積一層氧化層,厚度為0.5μm,在該氧化層上刻蝕接觸孔,濺射Ti/Au,并制備金鍵合環(huán)、金焊盤點(diǎn)(PAD),金層厚度為0.5μm;在蓋帽淺腔內(nèi)制備吸氣劑,并加入已制備好的結(jié)構(gòu)層晶圓進(jìn)行共晶鍵合;鍵合完成后刻開PAD點(diǎn)上方的結(jié)構(gòu)層晶圓,露出金PAD。1.2金屬基導(dǎo)電材料的共晶鍵合工藝為保證金硅鍵合順利進(jìn)行,需在鍵合前對(duì)硅表面和金表面進(jìn)行處理:在鍵合前先漂去硅表面的自然氧化層,再經(jīng)等離子體清洗去除硅表面和金表面沾污。金硅鍵合時(shí),在鍵合壓強(qiáng)的作用下,金表面和硅表面緊密接觸,當(dāng)鍵合溫度高于金硅二相系共熔溫度時(shí),金硅化合物會(huì)從硅表面奪取硅原子,實(shí)現(xiàn)硅在金硅二相系中的飽和狀態(tài),再經(jīng)自然冷卻可形成良好的金硅鍵合。由于黏附層鈦的存在,在進(jìn)行鍵合工藝時(shí),鈦向金中擴(kuò)散形成AuTi/AuTi蓋帽層和結(jié)構(gòu)層的共晶鍵合工藝采用SUSSMicroTec公司的SB6E鍵合機(jī),鍵合過程如下:開始階段先抽取工藝腔室真空,同時(shí)襯底升溫至100℃;待鍵合腔體內(nèi)抽真空至102真空密封性能的測(cè)定2.1示蹤氣體濃度檢測(cè)將真空封裝后的晶圓劃成小芯片,對(duì)小芯片進(jìn)行氣密性檢測(cè),檢測(cè)主要包括He質(zhì)譜檢漏儀細(xì)檢和氟油粗檢。He質(zhì)譜檢漏儀采用的示蹤氣體為He氣,對(duì)示蹤氣體的濃度進(jìn)行檢測(cè)。利用He質(zhì)譜檢漏儀加壓法測(cè)量泄漏時(shí),按照GJB548A標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)本次鍵合后的內(nèi)腔體積,將待測(cè)小芯片在5個(gè)大氣壓的He氣環(huán)境下放置4h,取出后置于He質(zhì)譜檢漏儀抽真空至穩(wěn)定值,如果存在泄漏,將被He質(zhì)譜檢漏儀偵測(cè),從示蹤的He的濃度可以計(jì)算出泄漏速率2.2結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試采用直拉法進(jìn)行鍵合強(qiáng)度剪切力測(cè)試,以檢測(cè)芯片的鍵合強(qiáng)度3氣密性測(cè)試應(yīng)用金硅鍵合晶圓級(jí)真空封裝,預(yù)期可使MEMS陀螺真空腔室氣體泄漏速率小于1.0×10在本文的真空封裝方案中,封裝氣密性與金硅共晶鍵合質(zhì)量緊密相關(guān)。由于金屬引線從鍵合環(huán)下方橫向引出,導(dǎo)致鍵合環(huán)在引線表面和引線間隙處存在高度差,該高度差導(dǎo)致鍵合面存在空隙。在共晶鍵合時(shí),液相的金硅合金可流入鍵合環(huán)的高度差間隙,防止真空封裝泄漏。但間隙過大或金硅合金較少時(shí),無法填滿鍵合面存在的間隙,從而導(dǎo)致氣密封裝失敗,如圖3(a)所示。因此,真空封裝的成功與下層鎢金屬引線厚度和金層厚度密切相關(guān):鎢引線在滿足電連接電阻要求時(shí),應(yīng)盡量薄以減小鍵合面上高度差;金層厚度應(yīng)滿足液相金硅合金能填滿高度差間隙的要求,如圖3(b)所示,間隙被液相金硅合金填滿,確保了真空封裝的氣密性。為此制備新實(shí)驗(yàn)片A,其鎢引線厚度為0.2μm,金層厚度為0.8μm,其他工藝條件均不變,將實(shí)驗(yàn)片A劃成小芯片后,其中10個(gè)小芯片的氣密性測(cè)試結(jié)果如表3所示,結(jié)果顯示實(shí)驗(yàn)片A小芯片真空泄露速率均小于2.0×10在實(shí)際MEMS制造中,雖然鍵合環(huán)越寬、鍵合面積越大,鍵合強(qiáng)度越強(qiáng),但考慮到芯片面積,鍵合環(huán)不宜過寬由于金鍵合面和下層金屬引線僅靠一層PECVD沉積的氧化層絕緣,在金硅鍵合過程中施加在晶圓上的壓力可能會(huì)破壞該氧化層,金滲透到下層金屬引線上,從而導(dǎo)致相鄰引線的短路。因此,需要對(duì)芯片的相鄰PAD點(diǎn)進(jìn)行電學(xué)性能測(cè)試,判斷鍵合是否對(duì)金屬引線產(chǎn)生不利影響?？涛gPAD點(diǎn)上方的結(jié)構(gòu)層晶圓露出PAD點(diǎn),200倍光學(xué)顯微鏡下觀察露出的B1芯片的PAD點(diǎn),如圖5所示。測(cè)量相鄰電絕緣PAD點(diǎn)的絕緣性,結(jié)果如表5所示,電壓為0～10V時(shí),絕緣電阻均大于7GΩ,表明絕緣性良好,未受金硅鍵合影響。進(jìn)一步對(duì)完成真空封裝的B1陀螺芯片進(jìn)行功能測(cè)試,結(jié)果如圖6所示。測(cè)試方法如下:陀螺的頻率測(cè)試采用掃頻法,用信號(hào)發(fā)生器(KEY-SIGHT33500B)對(duì)陀螺諧振子進(jìn)行掃頻,尋找諧振點(diǎn),掃頻過程可在Labview的程序下進(jìn)行監(jiān)控;Q值測(cè)試采用時(shí)間衰減法,首先由信號(hào)發(fā)生器對(duì)陀螺輸入同步反相等伏的驅(qū)動(dòng)信號(hào),將陀螺諧振子驅(qū)動(dòng)在其諧振頻率附近,然后去除激勵(lì)信號(hào),由高速采集卡(NI-DAQ)完成對(duì)輸出衰減信號(hào)的采集,對(duì)采集到的衰減信號(hào)進(jìn)行過濾和擬合,得到諧振子的衰減時(shí)間常數(shù)。最后Q值由公式Q=πτf4社會(huì)主義模型特別是表現(xiàn)本文介