內(nèi)置皮拉尼計的硅通孔圓片級MEMS真空封裝研究

(華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院,湖北 武漢 430074)

0 引言

很多微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)器件，如微陀螺儀、微加速度計等都需要進(jìn)行真空封裝。目前，MEMS器件主要采用器件級真空封裝方式，存在外形尺寸較大、成品率較低、成本較高等問題[1-2]。圓片級真空封裝可縮小真空封裝的外形尺寸、提高成品率并降低成本。但圓片級真空封裝還存在幾個關(guān)鍵問題一直未得到有效解決：1)真空封裝質(zhì)量檢測困難,目前是借用氣密封裝泄漏標(biāo)準(zhǔn)通過氦質(zhì)譜儀測試泄漏率來評價真空封裝質(zhì)量,該方法存在很大誤差，而且真空封裝內(nèi)部的出氣沒法檢測；2)導(dǎo)線互連處極易氣體泄漏，以前采用電信號導(dǎo)線橫向互連方式，橫向互連導(dǎo)線與鍵合面重疊，易導(dǎo)致信號導(dǎo)線鍵合處氣體泄漏[3-7]。在此，采用硅通孔(TSV)縱向互連方式，從而不需要對鍵合面進(jìn)行再磨削或拋光，避免鍵合面凸凹不平或由于磨削或拋光產(chǎn)生新的損傷層，從而將導(dǎo)線互連面與鍵合界面分離，同時將真空檢測芯片集成在真空封裝腔體內(nèi)，實(shí)時監(jiān)測真空封裝內(nèi)部真空度。

1 基于硅通孔真空封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計與加工

設(shè)計的基于硅通孔縱向互連型真空封裝結(jié)構(gòu)，如圖1所示。在硅基底上刻有硅通孔，在硅片表面和通孔內(nèi)均淀積電絕緣層，然后在通孔內(nèi)淀積一層擴(kuò)散阻擋層，再在通孔內(nèi)淀積一層電鍍用金屬種子層，最后在通孔內(nèi)部電鍍金屬以實(shí)現(xiàn)通孔的填充。以該通孔內(nèi)的金屬作為電極，進(jìn)行真空腔內(nèi)外的電信號連接。硅基底上有環(huán)形的鍵合區(qū)域用于在真空環(huán)境下與蓋帽鍵合。硅蓋帽內(nèi)刻有方形凹槽，其與硅基底中間部分形成的空間用于放置MEMS器件。

圖1 基于硅通孔真空封裝結(jié)構(gòu)示意

基于硅通孔真空封裝結(jié)構(gòu)加工主要包括2個方面：硅通孔加工和真空封裝鍵合。

1.1 硅通孔加工

硅通孔技術(shù)的出現(xiàn)為解決圓片級真空封裝導(dǎo)線與鍵合界面分離提供了一個契機(jī)。硅通孔技術(shù)作為繼引線鍵合、載帶自動焊、倒裝焊之后出現(xiàn)的新一代互連技術(shù)，具有互連線路短、電性能和集成度高等優(yōu)點(diǎn)。在此，采用硅通孔技術(shù)，變以前的電信號橫向互連為縱向互連，從而不需要對鍵合面進(jìn)行再磨削或拋光，避免鍵合面凸凹不平或由于磨削或拋光產(chǎn)生新的損傷層，從而將導(dǎo)線互連面與鍵合界面分離。硅通孔加工工藝流程，如圖2所示。主要包括通孔刻蝕、絕緣層沉積、金屬填充等。

圖2 硅通孔加工工藝流程

硅片厚度為370 μm，P型雙拋硅片，電阻率為10～100 Ω/cm，100晶向。通孔直徑為60 μm，深寬比約為6∶1，對于硅片的刻蝕，采用Bosch工藝，刻蝕氣體為SF6,采用STS公司的ICP-DSE反應(yīng)離子刻蝕機(jī)。表1為DRIE刻蝕工藝參數(shù)?？涛g和保護(hù)過程中氣體SF6和氣體C4F8的流量分別為7.5×10-6m3/s和3.2×10-6m3/s，一個刻蝕周期內(nèi)的刻蝕和保護(hù)時長分別為8 s和3 s?？涛g時線圈功率2 300 W、射頻功率50 W并每分鐘增加0.5 W，保護(hù)時線圈功率1 650 W、射頻功率20 W。完成硅通孔刻蝕時間約為1 h。圖3為反應(yīng)離子刻蝕的硅通孔SEM照片。

表1 DRIE刻蝕工藝參數(shù)

圖3 DRIE刻蝕硅通孔SEM照片

金屬與硅基底之間需要沉積絕緣層以確保電互連的穩(wěn)定，因此硅通孔側(cè)壁上需要沉積一層絕緣薄膜，常用的絕緣材料有SiO2和Si3N4,需采用臺階覆蓋特性比較好的工藝，如LPCVD或熱氧化等。

硅通孔的金屬填充用于實(shí)現(xiàn)封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)部器件和外界的電信號互連，金屬填充致密程度對真空封裝氣密性和真空度保持有很大影響。金屬填充工藝在硅通孔絕緣層沉積之后進(jìn)行，通過電鍍銅實(shí)現(xiàn)，采用自底到頂電鍍工藝流程，自底向上電鍍工藝中使用甲基磺酸銅體系電鍍液，通過改變電流密度、電鍍時間來獲得無空隙電鍍銅填充。電鍍銅在制作種子層之前要先在硅通孔處濺射粘附阻擋層，用于提高銅和硅之間的粘附力并防止銅粒子向硅中擴(kuò)散，粘附阻擋層材料可以采用Ni,Cr,Ti和TiW等。

采用自底到頂電鍍方法，只在硅片一面濺射粘附阻擋層和種子層，單面電鍍將濺射了種子層那面的硅通孔封口，然后進(jìn)行電鍍，銅從封口端向硅通孔另外一端逐漸生長最終實(shí)現(xiàn)硅通孔的填充。自底到頂電鍍工藝流程，如圖4所示。在完成絕緣層沉積的硅片上表面及通孔側(cè)壁濺射50 nm粘附阻擋層Ti和1 μm種子層Cu，單面電鍍封口，自底到頂電鍍填充硅通孔。為了防止硅片表面銅種子層生長為電鍍后去銅帶來困難，利用光刻工藝將硅片表面非硅通孔區(qū)域的銅用光刻膠遮蓋起來。

圖4 自底到頂電鍍流程

電鍍使用上海新陽公司生產(chǎn)的甲基磺酸銅體系電鍍液，電鍍液配比是：甲基磺酸濃度10 g/L，銅離子濃度110 g/L，抑制劑濃度2 mL/L，加速劑濃度8 mL/L。電流密度為200 A/m2。電鍍完成后的硅片如圖5所示。電鍍填充后的剖面光學(xué)顯微鏡照片如圖6所示。

圖5 自底到頂電鍍完成后的硅片 圖6 自底向上電鍍后的硅通孔剖面顯微鏡照片

1.2 真空封裝鍵合工藝

常用的真空鍵合技術(shù)主要是陽極鍵合、金硅共晶鍵合等。金硅共晶鍵合的基底硅片空腔刻蝕是將待腐蝕硅圓片置于KOH和IPA混合溶液中，進(jìn)行濕法腐蝕。濕法腐蝕工藝參數(shù)是：KOH濃度25%～30%；IPA濃度5%～8%；時間3～4 h；溫度75～80 ℃。腐蝕完后在臺階儀上測試槽深約為110 μm左右。在基底硅片上沉積粘附層與Au層，然后將基底硅片與另一硅片進(jìn)行金硅共晶鍵合。金硅共晶鍵合工藝參數(shù)是：鍵合溫度400 ℃；環(huán)境真空10-3Pa；壓力1 MPa。2005年利用自制鍵合設(shè)備進(jìn)行的金硅共晶鍵合效果，如圖7所示(本刊2005年第6期第34頁圖4及其說明更正為本文圖7及其說明)。將金硅共晶鍵合后的兩硅片拉開，由圖7a可知，鍵合后分開的表面鍍金的硅片在鍵合環(huán)上顯露出硅材料。由圖7b可知，分開的另一片硅片上有金材料的殘留。

圖7 自制鍵合設(shè)備進(jìn)行的金硅共晶鍵合效果

陽極鍵合的蓋板玻璃片空腔刻蝕是采用濕法腐蝕，玻璃的濕法腐蝕需要金屬掩膜保護(hù)，由于玻璃的濕法腐蝕速率較慢，掩膜容易被腐蝕液損壞，選擇Cr(50 nm)/Cu(1 μm)/Cr(500 nm)的3層金屬掩膜可耐腐蝕。腐蝕液采用HF(10)∶ HCl(1)的混合液。陽極鍵合工藝參數(shù)：鍵合電壓為650 V；鍵合溫度為450 ℃；鍵合壓力為0.6 MPa；鍵合時間為30 min。硅片表面有一層氮化硅，不影響與玻璃的陽極鍵合。帶有硅通孔的硅圓片和帶空腔的玻璃蓋板陽極鍵合效果，如圖8所示。

圖8 帶有硅通孔的硅圓片和帶空腔的玻璃蓋板陽極鍵合效果

1.3 檢測封裝殼體內(nèi)部真空度的皮拉尼計

檢測封裝殼體內(nèi)部真空度的皮拉尼真空計是基于皮拉尼原理。硅片上金屬薄膜的溫度隨真空度的變化而變化，溫度的變化導(dǎo)致金屬薄膜的電阻率發(fā)生變化。測量金屬薄膜的電阻即可獲得真空度的大小。為了提高金屬薄膜感知真空度變化的靈敏度，需使金屬薄膜懸空，采用Pt作為金屬薄膜材料，金屬薄膜的電阻設(shè)為600 Ω，金屬薄膜電阻寬度為10 μm，間隔為20 μm，金屬薄膜形狀為折線形。

1.4 內(nèi)置皮拉尼真空計的基于TSV的真空封裝

現(xiàn)將TSV、皮拉尼計一起集成在真空封裝腔體內(nèi)，其工藝流程如下：

a. 先在硅片上做TSV。

b. 在沉積皮拉尼計的金屬薄膜和腔體內(nèi)部互連線。

c. 然后沉積1層氮化硅保護(hù)金屬薄膜和TSV等。

d. 腐蝕金屬薄膜下面的硅以使金屬薄膜懸浮。

e. 進(jìn)行硅玻璃的陽極鍵合。

設(shè)計的內(nèi)置皮拉尼真空計的基于TSV的真空封裝三維結(jié)構(gòu)，如圖9所示。

圖9 設(shè)計的內(nèi)置皮拉尼真空計的基于TSV的真空封裝三維結(jié)構(gòu)

設(shè)計的內(nèi)置皮拉尼真空計的基于TSV的真空封裝三維結(jié)構(gòu)在加工腐蝕后的皮拉尼計實(shí)物，如圖10所示。內(nèi)置皮拉尼計的4英寸硅通孔圓片級真空封裝實(shí)物，如圖11所示。

圖10 集成了TSV的皮拉尼計實(shí)物

圖11 內(nèi)置皮拉尼計的4英寸硅通孔圓片級真空封裝實(shí)物

2 非蒸散型吸氣劑

為了封裝長時間保持真空度，還研制了吸氣劑。吸氣劑分為蒸散型和非蒸散型2大類。蒸散型吸氣劑主要依靠金屬蒸散后形成的薄膜進(jìn)行吸氣, 以Ba，Sr，Mg，Ca及其合金為主。這種材料的缺點(diǎn)是容易蒸散到空腔各處, 降低MEMS電極間的絕緣性能,造成漏電或影響MEMS器件工作。非蒸散型吸氣劑通常包括Ti，Zr，V，F(xiàn)e以及其合金。此類吸氣劑適于應(yīng)用在不能使用蒸散型吸氣劑的器件里。

由于Zr-V-Fe具有激活溫度低、吸氣速率高、吸氣容量大等優(yōu)點(diǎn),已被廣泛應(yīng)用于各種顯示器件及電真空器件中。設(shè)計了具有較低激活溫度的鋯釩鐵吸氣劑，并將該吸氣劑制成薄膜樣品。由具有吸氣劑性能測試能力的南京忠銘電子科技有限公司對制備的吸氣劑薄膜樣品做了性能測試。具體結(jié)果如圖12和表2所示。測試結(jié)果表明設(shè)計的鋯釩鐵吸氣劑與國外著名賽思公司某型號吸氣劑的吸氣性能一致，但成本更低。

圖12 吸氣劑特性曲線

表2 非蒸散吸氣劑測試數(shù)據(jù)

3 結(jié)束語

研制了內(nèi)置皮拉尼計的4英寸硅通孔圓片級真空封裝，解決了現(xiàn)有的圓片級真空封裝存在檢測難、易泄漏等問題。研制了低溫激活非蒸散型鋯釩鐵吸氣劑，解決了長時間保持封裝真空度問題。