（微电子学与固体电子学专业论文）mems圆片级封装.pdf

摘要 由于m e m s 器件通常含有可动部件，需要制造密闭空腔环境来对其进行封装，以傺证可动部件获 得足够的活动空间，并提供机械保护和环境维持。目前，成熟的m i b i s 器件赢接使用体加工工艺，将 硅、玻璃或者聚合耪等搴耋辩铡成带有微腔结檎的外壳，荐褥外壳和己释放活动部件的l d e m s 圜片在真 空环境中或特定气氛中进行键合，完成封装过程。 玻璃微腔一般由p y r e x 7 7 4 0 玻璃材料制备而成。p y r e x 7 7 4 0 玻璃有着和硅相似的热膨胀系数和 赛好麓光学特性，霞此褥耍i 广泛应用。但是它却是一种缀难进符表面燕工褥满足于篱片级封装要求 的材料，整个圆片上的腔，其尺寸、形状和一致性不易精确控制。针对这问题，本论文给出一种 玻璃微腔的新型制备方法，为m e m s 器件圆片级封装提供了一种崭新的思路。 本文首先对r e m s 封装避行了综述，奔绣了m e m s 封装的特点、功麓、工艺流程、m e m s 中常蹋的 键含工艺。以及脏骼封装方面的新发展，包括b t e k s 圆片级封装技术。 其次，对硅一玻璃封装中的常用材料p y r e x 7 7 4 0 玻璃的特性进行了分析，介绍了硅和p y r e x 7 7 4 0 玻璃之间的阳极键合以及各彝异性湿法刻饿工艺。设计了一种新型的玻璃微腔，通遗湿法刻镪、阳 极键合和热成溅处理等工艺步骤成功制备得到这种微臃。 最后，通过观测腔蹙的厚度分布，测最腔的深度以及整个玻璃微腔的形貌，对玻璃微腔形成的 影晌因素进行了分析。结果表明熟成型温度、腔内外艇差对腔成型影畹很大。 本文设计并加工的新型热膨胀玻璃微腔，不仅可以形成良好形貌，而且可以形成2 0 0l lm 以上的 深槽，具有广泛的应用裁景。 关键词：l v l e m s ，p y r e x 7 7 4 0 玻璃，各向异性湿法刻蚀，阳极键合，热成型，微腔 a b s t r a c t t h em e m sc o m p o n e n t su s u a l l yi n c l u d em o v a b l ep a r t st h a tn e e dt ob ep r o t e c t e d as e a lc a v i t y e n v i r o n m e n ti so f t e ne s s e n t i a lt op r o v i d et h er e q u i r e de n v i r o n m e n t a la n dm e c h a n i c a lp r o t e c t i o n n en o v e l b u b b l em a c h i n i n gt e c h n o l o g yh a sb e e nu s e dt of a b r i c a t es u c hap r o t e c t i o nl i d0 nt h es u b s t r a t eo fs i l i c o n ， g l a s so rp o l y m e r , w h i c hi st h e nb o n d e dt oam e m sw a f e rw i t hr e l e a s e dm o v a b l ep a r t si nv a c u u i n e n v i r o n m e n to ras p e c i f i ca t m o s p h e r et of o r mam i c r o - c a v i t ya l lw e l l 鹤t h ez e r o - l e v e lp a c k a g eo ft h e m e m sd e v i c e s g l a s sm i c r o - c a v i t yi so f t e nf a b r i c a t e du s i n gt h ep y r e x 7 7 4 0g l a s s t h ep y r e xg l a s sh a sa s i m i l a rc o e f f i c i e n to ft e m p e r a t u r e ( c t e ) w i t ht h a to ft h es i l i c o na n da l s os h o w sag o o do p t i c a lp r o p e r t y , s o i ti sw i d e l yu s e di nm o s tm e m sa p p l i c a t i o n s t oa c h i e v eah i g hr e l i a b i l i t yo ft h ew a f e r - l e v e lp a c k a g e ，t h e s i z e ，s h a p ea n dc o n s i s t e n c yo ft h eg l a s sc a v i t i e sn e e dp r e c i s e l yd e f i n e d f o rt h i sp u r p o s e ，an o v e lg l a s s m i c r o - c a v i t yp r o c e s si si n t r o d u c e dw h i c ht a k e st h ea d v a n t a g e so fb o t ht h ew a f e r - l e v e lp a c k a g i n ga n dt h e p y r e x # a s s f o rab e t t e ru n d e r s t a n d i n go ft h em i c r o - c a v i t yp a c k a g i n g t h ef u n d a m e n t a l so fm e m sp a c k a g i n gi s r e v i e w e da tf a s t t h ef e a t u r e s ，f u n c t i o n s ，p r o c e s s e so fm e m sp a c k a g i n ga r ci n t r o d u c e d t h er o l eo f c o n v e n t i o n a lb o n d i n gp r o c e s s e si nm e m sf a b r i c a t i o na n dp a c k a g i n gi sd e s c r i b e d a n dn e wd e v e l o p m e n t s i nm e m sp a c k a g e , i n c l u d i n gw a f e r - l e v e lp a c k a g i n gt e c h n o l o g ya 把a l s oi n t r o d u c e d t h ep r o p e r t yo fp y r e x 7 7 4 0g l a s s 勰ab a s i cm a t e r i a li ns i l i c o n - g l a s sp a c k a g i n gi st h e nc h a r a c t e r i z e d u s i n gt h ep y r e xg l a s s ，i n d i v i d u a lp a c k a g i n gp r o c e s s e sa r cc o n d u c t e di ns e q u e n c e ，i n c l u d i n gt h ea n o d i c b o n d i n gb e t w e e ns i l i c o na n dp y r e x7 7 4 0g l a s sa n da n i s o t r o p i cw e te t c h i n go ft h es i l i c o n an o v e lp r o c e s s h a sb e e nd e v e l o p e dt of o r mt h eg l a s sm i c r o - c a v i t yw i t ht h ea i do fa n o d i cb o n d i n go nap r e - e t c h e ds i l i c o n b a s e do nt h ef a b r i c a t e ds p e c i m e n ，t h es h a p e ，p r o p e r t i e so ft h eg l a s sm i c r o - c a v i t ya r ct h e n c h a r a c t e r i z e dw i t hr e s p e c tt op a r a m e t e r ss u c h 鹤t h es i d c - w a l lt h i c k n e s s t h ed e p t ho fs i l i c o nm o l d i n gc a v i t y , a n dt h es p e c i f i e dp r o c e s sc o n d i t i o n s 1 1 h er e s u l t ss h o wt h a tt h e r m a lf o r m i n gt e m p e r a t u r ea n dp l e 3 s l l r e d i f f e r e n c eb e t w e e ni n s i d ea n do u t s i d et h ec a v i t yh a v eag r e a ti m p a c to nc a v i t yf o r m i n g t h en o v e lg l a s s m i c r o - c a v i t ye x h i b i t sar e a s o n a b l eg e o m e t r yw i t hh i g ha s p e c tr a t i o ，鹤l a r g ea s2 0 0 斗md e p t ho fc a v i t y , a s w e l la si d e a lo p t i c a lp r o p e r t i e s 1 1 1 et e c h n i q u ei sa p p e a l i n gf o ra d v a n c e dp a c k a g i n go fm e m sd e v i c ea tt h e w a f e rl e v e la n df o rh i g he n du s ei no p t i c a la p p l i c a t i o n s k e yw o r d s ：m e m s ，p y r e x7 7 4 0g l a s s ，a n i s o t r o p i cw e te t c h i n g , a n o d i cb o n d i n g ，t h e r m a lf o r m i n g ， m i c r o - c a v i t y i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他入已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获褥东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：圜期：2 壁壁塞：! ：2 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：二孔师签名： 日期：2 0 0 81 i ：z 2 第一章绪论 第一章绪论 m e m s ( m i c r oe l e c t r om e c h a n i c a ls y s t e m s ) 的发展目标在于通过微型化、集成化来探索新原 理，开发新功能的元器件与系统，开辟一个新技术领域和产业，m e m s 封装对确保m e m s 这一目标的 实现起着举足轻重的作用。在商用m e m s 产品中，封装是最终确定其体积，可靠性和成本的关键技术， 期待值极高。随着m e m s 芯片的研究日益成熟，相对落后的封装技术已成为制约m k 孙 s 产品进入市场 的瓶颈。封装会给芯片带来电、热和机械等方面的影响，封装技术将直接影响到芯片封装后的性能， 封装技术的发展已经受到越来越广泛的关注。 1 1l v l e m s 封装概述 大量的m e m s 产品构想陷入了困境，甚至失败，都是因为没有找到有效且合适的封装方法。而在 实际的m e 骼产品生产环节中，封装、组合、测试和调整仍然是最昂贵的部分。封装的发展和应用将 决定一个m e m s 产品的成败。但是，学术机构大都忽略封装技术或者仅仅采用非常简单的方法，而拥 有自己产品的商业集团却对这样的困难和挑战保持了沉默。是它们不具有足够的知识含量和工程 挑战性吗? 恰恰相反，封装、测试和校准从本质上说是属于产业界和商业界的领域；对大学研究人 员而言，他们很难参与到问题的真正知识核心，因为这需要拥有大量的生产设备以及用于进行制造 级封装和修正的工具。而封装、测试和校准的成功与否可以决定整个生产线的商业成败，厂商常对 这些工作的具体细节进行严格保密。产业界的出版物也趋向于泛泛描述而不是具体细节，那些决定 成败的细节往往成为商业机密性1 。 1 1 1 髓m s 封装的特点 众所周知，绝大部分基于硅衬底的m e m s 和微系统是采用与集成电路( i c ) 生产相同的微细加工 技术制作，这就造成了一种普遍的误解，认为m e m s 封装无非是微电子封装的延伸，可以采用标准的 i c 封装实现m e m s 封装。然而，实际上她m s 在许多方面都与i c 有所区别。m e m s 封装不可能直接套 用现成的i c 封装，而呈现自身的特点和难点： ( 1 ) 复杂的几何形状常常需要三维封装 虽然目前i c 的封装仍以d i p 、s o p t s o p 、q f p t q f p 与b g a 等传统封装为主，但是为了满足产品 轻、薄、短、小与系统初步整合的需求，各种新的封装结构正不断涌现。其中又以能符合轻薄短小 与高密度要求的圆片级封装( w a f e rl e v e lp a c k a g i n g ，w l p ) 与3 d 封装日渐受到重视。3 d 封装为 s i p ( s y s t e mi np a c k a g i n g ) 的一种，在结构上具有明显的优点，可以提高封装密度，亦可将不同 型态的芯片与m e m s 、光学及r f 组件结合在一起。3 d 封装的范例如i n t e l 的s t a c k e dc s pb g a ( 图 卜1 ) 。m e m s 产品不像i c 那样主要是二维结构，而是包含了大量可动的灵巧三维结构，因而也就决 定了脏m s 封装即使不是以提高封装密度为目的，也比i c 更需要三维封装。 ( 2 ) 不同的产品需要不同的可靠封装 m e m s 多元化的产品和功能的复杂性使其对封装的具体要求也不同。例如，对用于汽车安全气囊 配备系统的惯性传感器的封装就与普通压力传感器封装的要求有很大的不同，它涉及对包括防止移 动质量块的系统密封，要求器件能够工作在灰尘、温度剧烈变化和有腐蚀性介质的环境下，以及在 汽车行驶状态的强烈振动中正常一i ：作；对微流体和微光开关系统的封装也比常规微型器件的封装要 求严格得多，通常需要采用真空密封。这些冈系统使用环境而定的封装要求，使得m e m s 封装迄今为 止未能形成如i c 封装那样的j = 业标准，厂家需要为每一个新的m e m s 产品投入巨额资金来研究新的 东南 擘顿 墙 位论立 封裴方法、封装设备等，运使得脏惦封装成本一直居高不f ，甚至占到了总生产成本的9 5 5 6 ”这 是制约8 f 2 s 产业化的一个重要因素。 酗卜1i n t c l3 0 封装实例 ( 3 ) 尺寸效应给m f m s 封装带来许多特殊的要求 m e m s 诱人的魅力就在于“微型化”实现了系统集成。但是微小尺目给封装和纽装带来了许多 特殊的问题。首先，大部分封装j 艺过程实质上都是物理化学过程这常常导致各种不是的附 加效应，如精密部件间的静摩擦、形状畸变甚至封装元件发生分层等：其次m e 、i s 在封装和纽装 时应该有恰当的容限要求，这对组装精度和成品质量部是至关重要的，但是由于艇m s 尺寸很小，而 且在微加_ 过程之中年_ 】2 厉都缺乏对组件或元件表面形态的控制，何况太部分元件的表面粗糙座均 达到了纳米甚至微米量缴，使得如何确定冶当的_ k 寸容限成为工业界一个人头痛的问题。 ( 4 ) 特殊的封装界面要求 ) i e m s 器件与r 作介质以及恶劣环境之间的界面要求是m e m s 封装区别于i c 封装的一个重要标 忐，8 f a i s 依据功能不同而相应地有如下类别的界面要求：生物医学界面、光学界面、机电界面、微 流体界面等。方面封装要满足器件本束的能够实现功能的界面要求，另一方面又要认识到恶劣环 境可能埘些旯敏和精密微器件糟米的严重影响。例如，真空封装的m f 2 m s 系统使用黏台荆键台或者 密封，段时间历，老化的有机物可能会释放出气体这些气体可能会引入水汽，不仪破坏了真空 环境，j 五可能会腐蚀元件或产生静态摩擦；应用丁航空航天的m e m s 封装时则应当考虑剑宇宙空间辐 射性离f 帛粒子所带来的影响。 1 12 l e m s 封装的功能 封装的根本目的在丁以虽小的尺寸和重量、屋低的价格取】尽町能简单的结构服务丁具有特定功 能的组元器件。封粒必须提供元器件与外部系统的接口。归纳起来，k r s m s 封装的功能包拓r 微电 于封装的功能部分，即原先的电源分配、信号分础、散热通道，机械立撑和环境保护等外”1 ，还应 增加蝗特殊的功能和要求。 ( 1 ) 机械支撑：r e ) l s 器件是种占 损器件，冈此需要机械支撑束保护器件在运输、存储和_ t 忭时避免热年扪机械冲t * 、振动、高的加速度、灰尘希】其它物理损坏。另外对r 某e ；特殊功能的器 件需要有定协用的机械支撑点，如加速应传感器等。 ( 2 ) 环境隔离：环境隔离芏1 两种功能，种是仅仅用作机械隔离，即封装外壳仅仅起到保护m e m s 器件不受到像跌落或者操作不肖时受到机械损坏。另种是气密年非气密保护，对可靠性要求十分 严格的戊h 领域必须采用气峦性保护h 装，防止m e m s 器件在环境中受到化学腐蚀乖嘞理损坏。同时 在制造和密封时要防j t 襁气可能被引进到封装腔内。对l 作环境较好的应州领域可粟t j 1 = 气密封装。 ( 3 ) 提供与外界系统年媒质的接口：由丁封鼗外壳是m e ) j s 器什及系统与外界的主要接口，外 壳必 6 1 能完成电源、电信司或射频信号。，外界的1 连接同时人部分的m e m s 芯片还要求提供与外界 媒质的接f 1 。 ( 4 ) 提供热的传输通道：对带有功率地人器、 在封装j 殳计时热的释放是一个戍该认真对待的问题 2 其它人信号电路和高集成度封装的m e m s 器什， 封装外壳必颈提供热量传递的通道。由于m 酬s 第一章绪论 的特殊性和复杂性，而鼠种类繁多，封装的功能还要增加如下几点： ( 1 ) 低庞力。在醚e d s 器彳孛中，用三维鸯瑟工技术截造微米或纳米尺度的零件或部件，如悬臂粱、 微镜、深槽、扇片等，精度高，但十分脆弱，因煳s 封装应产生对器件最小的应力。 ( 2 ) 裹真空度。这是大多数m e m s 器件的要求，以使可动部件具有活动性，并运动自如。因为 在材囊空”串，就可以大大减小甚至消除摩擦，既麓减小麓源消耗，又能达到长期、可靠地工作目 标。 ( 3 ) 高气密性。些m e m s 器件，如陀螺仪，必须在稳定地气密性条件下方能可靠、长期地工 幸# 。严格遗说，封装都是不气密的，所以只有用高气密镶的封装采解决稳定的气密性闷题。有酌髓潞 封装气密性要求达到1 1 0 1 2 p a m 3 s 。 ( 4 ) 高隔离度。m e m s 的目标是把集成电路、微细加工元件和和m e m s 器侔集成在一起形成微系 统，完成信息豹获取、传输、处理和执行等功能。m e m s 常需要有尚的隔离度，对程弱射频开关更为 重要。 ( 5 ) 特殊的封装环境与弓l 出。某些跹蹒器件的工作环境是液体、气体戏透光的环境，m e m s 封 装必须构成稳定的环境，并能使液体、气体稳定流动，使光纤输入具有低损耗、高精度对位的特性 等。 1 2m e m s 真空封装 虽然m e m s 封装酶基本技术都是和壬e 封装密切耗关的，毽篷由于m e m s 使用费广泛性，特殊姓帮 复杂性，它的封装形式和i c 封装有着很大的区别。对予m e m s 封装来说。除了对芯片和引线等内部 结构提供支持和保护，馒之不受外部环境的干扰和腐蚀破坏外，更重要的是m e m s 器件要和外部环境 之间形成一个接魑界瑟诼获取菲电信号，丽外部环境对灵敏度极高的m f m s 敏感元件来说都是非常苛 刻的，它要有承受各方面环境影响的能力，比如机械的( 应力，摆动，冲击等) 、化学的( 气体、 温度、腐蚀介质等) 、物理的( 温度压力，加速度) 等；并且大部分m e m s 器件都含有可活动的郝件； 同时，由于溉瓣器件体积小，因此都必须采用特殊的技术和封装。m e m s 真空封装就是其中之一， 它是一种采用密封的腔体提供高气密真空环境的封装技术，使m e m s 器件的可动部分工作于真空环境 下，大大的提离了这些m 雕s 器件的黠质因数。如m e m s 谐振器，在大气环境。f 的品质因素约为2 0 - - - - 4 0 ， 僵是肖它工作在l o 弓阮的真空环境下的时候，其品质因数可高达5 0 0 0 。随着m e m s 技术的发展，越来越 多的m e m s 器件需要真空封装，如一些电子、机械以及光学传感器，包括微谐振器、微陀螺仪、薄膜压 力传感器、射频m e m s 元件，真空场发射器以及一些光学m e m s 器件等。 传统豹真空封装技术在早期的电子技术革命时期就已经萌芽，如电子囊空灯泡。但是穰难将传 统的真空封装技术直接用到m e m s 封装中。m e m s 真空封装的主要挑战来自于微型的结构和腔体、材 料特性的微小变化、微小的泄露等。这些对大尺寸的器体可戆没有影响，但却严重的影响m e m s 器件 的性能。 m e m s 真空封装可以分为器件级的真空封装和圆片级的真空封装。所谓器件级真空封装，是指先 将擎个的芯片从硅圆片上分离出来，然后依次分别完成封装工序。一般是采用焊接的方法将芯片密 封于金属或陶瓷夕卜壳内，焊接的方法包括电阻焊，激光焊，低熔点的玻璃熔融焊及焊料焊接等。困片级 的真空封装是指以硅圆片为单位进行封装操作，芯片与封装之问的连接等所有封装工序，全部都以 硅圆片为单位进行操作，与单片裰魄，大大节省了封装的成本，并且使芯冀不受后遂：序如划茸等 的影响。圆片级的真空封装常用的方法有阳极键合、金一硅共晶键合等。 m 删s 的真空封装正越来越受到重视，各种封装方法层出不穷，归纳起来有厚膜的方法及键会的 方法，其中键仑又包括隧片壹接键会及焊料焊接。厚膜的方法封装成本较低，可以实现低温、大藤 积的真空封装，但存在着封装腔体真空度低、保真空能力差、封装强度低、封装腔体较小等不足， 应用范围比较狭窄。采州键合的方法可获得较高的连接强度、较高的真空度、可以进行器件级与圆 片级的真空封装，遂逑使臻吸气荆能获得长达踅年的保真空性熊。阂诧，爨前研究的重点教在键含 3 东南大学硕士学位论文 方法研究上。但是，因键合引起的高温、应力等工艺力学问题，加上m e m s 芯片本身十分柔弱，使整 个封装工艺变得十分复杂，涉及到很多学科。目前，国内外无论在理论、设备和工艺方面都还不成 熟，存在很多不足，如何进一步提高真空封装的可靠性、降低封装的成本、形成一种或几种比较可 行的通用的工艺规范，还需要进行更深层次的研究。 因此，我们在国家“8 6 3 ”基金的资助下，展开了对真空封装理论、设备及若干关键工艺的研究， 这其中包括器件级的真空封帽、圆片级的阳极键合、共晶键合等。 1 3m e m s 封装工艺流程 m e i 惦s 产品的封装在早期试图沿用i c 封装工艺，但是不同产品间的巨大差异，使得胍m s 封装至 今不能形成i c 封装那样的标准工艺，也不可能存在一套适用于所有产品的通用流程。图1 - 2 给出一 个相对常用的一般工艺流程。 为了成功实现m e m s 的商业化，近年来发展了很多新的封装技术，其中最为基本、最为实用的技 术有晶片切割和密封技术等。 1 3 1 晶片切割 制作m e m s 组件时，首先要在掩膜上生成组件的图案，再利用光刻技术将图案印制到晶片表面。 接着用适当的微细加工工艺在同一块晶片的基底之上或者基底本身制作这些组件。这些组件需要通 过晶片切割来分成独立小块。晶片切割是由金刚石树脂或者金刚石镍等复合材料做成的锯片实现 的。 1 3 2 密封技术 里圃 图1 - 2 常用m e l v i s 封装工艺流程 许多m e m s 器件，尤其是包含可动部件的m e m s 器件都需要对其关键部分进行气密封装，以 隔离大气、尘埃、湿气和其他的污染物，甚至防止机械或辐射对器件的破坏和对性能的影响。此外， 对有些器件来说，腔体内的环境对其j i ：作特性具有相当人的影响，比如微谐振器在空气环境中有较 大的阻尼，微热辐射仪的热导率则会随环境气体发生变化。这时候维持封装内部的气体组分和压力 的长期稳定就显得十分重要了。总之，密封在器件的可靠性和长期特性漂移中起着重要作用5 】【6 1 。 4 习习 习 一绷一 一躺一 一掀一 一蹦 一黼圈囱应豳囱 = 一豳囱 ，f；【 口固靠一习 一一一一一 第一章绪论 密封或腔的形成毫无疑问是器件封装的郝分。缀明显需要尽可能降低空腔的形成工艺对器件 性熊的影响。因丽必须照低温工艺，不麓弓i 入任何腐蚀剂。并且簧是低成本。一般来说器件密封有 两种途径。密封可以在一级封装中实现，这也就是通常意义上的封装。芯片封壳和引线将芯片与外 界连接起来。典型的一级封装陶瓷密封结构如圈1 1 3 瘊示，酋先将m e m s 器件贴装在管壳内，通过 引线键台实现芯片到管脚的互连，在管座和管帽上分剐镪| 俸金属纯层和焊接材料，最终通过焊接来 实现整个器件的密封【5 】1 6 】。在一级封装中实现空腔是一种常见的方法，并且对密封气体和压力的成 分有一定的灵活性。但另外一方霹，需要昂责的陶瓷或金属外壳。此外，脆弱的m e m s 器件需要在 划片和后续的清洗中暴露出来，容易受到沾污。近来的研究希望在芯片翻造的过程中同时实现密封， 或者说在圆片级实现封装。这样低廉的塑料封装就可以用到最终的密封中来。圆片级封装则一般称 为是零级封装。 零级封装通常采用两种方法：网片键合翘表面微机械【7 珏l 。后者是通过牺牲层释放先腐蚀出带 有间隙的空腔，然后将间隙封闭实现密封。封闭间隙通常采用反应密封技术。比如生长一个l p c v d 层，轰接将间隙盖住；也有用氧化戆方法，靛内的氧气阋对在氧化中耗尽。这种方法最明显的优点 是可以让大量的圆片同时密封。批艇工艺允许低成本制造。缺点魑腔内气体缺乏可控制性，环境气 体和压力取决予密封工艺的条件。 警瓣 i 压力 上 誊瓣管撰 ， 图1 - 3 一级封装结构示意图 1 4 用于m e m s 封装的常用键合工艺 键合技术是m 删s 封装过程不可或缺的基本技术，键合技术在胍m e s 封装中有独特的应用。键 合技术鲍应用领域主要有三个方嚣： ( 1 ) 基片之间的键含，例如将硅晶片键合到硅晶片或者将硅晶片键合到玻璃、石英、蓝宝石、 陶瓷和金属材料制成的承载晶片上。 ( 2 ) 将微元件豳定剜承载晶片上，铡如将硅模片阉定到由玻璃或陶瓷制成的基扳上。 ( 3 ) 微器件上转换器的输入输出引线以及导电电线的连接。 以上( 1 ) 和( 2 ) 是嗣体的面键合技术，( 3 ) 是线键合技术。对两个器件进行的表面键合不仅 仅耀予构成所期望的微器馋结构，在许多情况还有密封、导热及导电的功缝。 为获得良好的微器件表面键合效果，主要有两个要求：表面之间的紧密接合和温度。表面紧密 接合是键合质懿的要求，温度提供键合所需要的能量。表面紧密接合不仅要求足够的键含接合压力， 恧且还需要一定憨纯学处理来获褥清洁的接会表蘧。一些表面键合技术需要使用特殊的化学溶裁对 表面进行处理。 常用的键含技术主要有粘合刺键合、共品键合、随l 极键合和磁融合。 5 束南 学碗 位谴女 41 粘台剂表面键合 这种键台拉术己彝问世几十年了在集成电路中对许多模片进行吲定采_ l j 的就是这种方法。它 是将分离的两个表面踺台到一起的屉经济的一种方法，阿1 4 为粘台剂表面键台的示意图。键合过 程在键台腔体内进彳亍，腔体可以对基片进行加热，以使基片达到键台所需的温度。键台的温度一般 接近并且稍低于玻璃的相变温度t m 枯合刺薄层由微型分配器( m i c r od is p e n s e r ) 徒步1 0 基片的 表面，然后将待键台的部仆放置到粘台剂膜层上，通常施加一个机械力来保证键台的质量。键合腔 体要保持沾挣，不能含有灰尘及其它固体污染物，一般说来，这种键合操作需要在真空环境中进行。 t 拦薛 蕊矿。 j r 图卜4 粘台剂表面键台方法结构示意留 往胍m s 中，对器件进行键合最常用的是珂= 氧树脂。许多环氧树脂粘台剂需要与硬化剂混合使用。 m e m s 中连用的粘舍剂需要具有如下的理想特征。 ( 1 ) 强抵抗性：抗机械冲击和振动；抗热循环性耐高温；抗化学腐蚀；可以在水和油等介 质中正常工作。 ( 2 ) 低粘滞性，便于产生键台薄膜。 ( 3 ) 良好的物理强度：抗剪切力和张力。 ( 4 ) 对符种塑料、金属和玻璃有良好的粘接性能。 ( 5 ) 在不同的应用中具有良好的导电性和良好的绝缘性。 ( 6 ) 在l 目化过程中以及过后，八q 收缩小，有良好的尺寸稳定性。 ( 7 ) 快速粘牢和嗣化的性能。 ( 8 ) 用r 密封时具有定的柔软性。 ( 9 ) 释易辟j 化学溶剂击除。 ( 1 0 j 持a 性。 进行键合时，需要在m e m s 器件的微小表面上沫布微量的粘台荆。精确的分配粘合荆滁布剂量是 保证有效键合的关键尉素，剂量不足会导致键合无效，粘合剂过簧可能影响严格要求的微结构尺寸， 同时还会导致多余的粘台剂溢出键台区域。在执定粘台剂的剂攮时，还需要确定粘合剂本身尺寸变 化的容许范围和由此引起的键台表面形状变化的容许范围。对枯台剂涂布饪置的精确定位是键台准 备过程的一项关键要求。 微分配器是片 来涂布微量粘合剂的器件，通常川于将纳升或者皮升韫级的粘合剂棣布划键台面 l ，它在表面键台过程中有至荚重要的作州。目前已有两种类型的微分配器商晶：环氧树脂直接潦 柑装置羊环氧树脂一硬化剂涸台；糸布装置。 微分配器的i 作原理娄似丁喷墨打印机的打印头，其主要部件为个压力泵和一害微型喷嘴。 通常，这些部什与一个内置加热器装配在起，以辅助牯台剐流动。t 作部什通常嘲定在一个增量 为微米量级的高糟度移动平台上。有多种泉压力可川，礅分配器系统。其中培常片j 的足压电式驱动 泵压m 】，兄外气动成泵压任猫台荆微分配器系统中也有广泛的应用1 1 。 第一章绪论 1 4 2 其晶键合 共品键台为共晶舟金原子扩散到特键台材料原于结构的卟过程，从而形成这些材料的闻志站 台一为r 实现菇品键，首先必须选择一种能与待键音材料产生共晶畚金的成分材料，与硅形成共 品台金的常用材料是金薄膜或者含金的合金薄膜。 当两十键台表面与金等其晶台垒成分材料的组音结构被加热到共晶温度以上时，会发生共晶键 台。共晶温度是台金挤化的虽低温度，这个温度低于台金中再成分材料形成的任何其他混合物的熔 点。在兆品温度时，界面材料原干( 例如金原子) 开始快速的扩散到所接触的硅晶片中，当足量的 台原了进入硅品片表而后它们将形成共晶台金，例如金一硅台金。当温度继续上升超过共晶温度时， 会有更多的共品舍金形成这个过程将直持续到交界面的共品合金成分原于消耗殆尽为i t 。在空 界面处新产生的共晶台金可以作为许多州s 应用中的吲态键台以及真空密封结构。 共晶键台过程涉及到使用一片预先制备的盒或者合金薄膜，井夹茬在压电电阻硅基片和硅基底 之间，如咧l 一5 所示，将个驻物施加在上面的硅摹片衷层，蛆确保合金薄膜与硅基片的键台表面 在键合过程中紧密接触。这个组合结构被放置在个真空密封的、可被加热的洁净键台腔内。缓缓 的将键合腔 u 热到共晶温度，并保持温度一定时间，然后再经段时间将键台腔冷却到皋温。 目卜5 共晶键台腔示意图 菸品键台方法依赖予所选择的界面成分村料，因为它将与键台材料形成共品台金。金是硅基片 键台中常用的妊品合台成分材料，一种菇品合金产品由9 7 9 6 的会和28 3 的硅形成的，其共晶温度为 3 6 3 另一种常片j 的共品台金是由6 2 的锡和3 8 的铅形成的，具有1 8 3 c 的辩品温度。相比较而言 舒卜锡台金比盒硅台盒便宜，而且可以用r 大多数金属材料的键台。住这些情况f ，对乖金属材料 进行键台就必须对其键台表面溅射一层儿微米的盎属薄层，以便于进行共品键台。 如同枯台荆键合方法一样共品键台方法也需要止确的进行过程控制。 14 3 阳极键合 刚极键台是在键不同村科品片时最普遍采用的一种键台技术，也被称为静电键台或电场辅助 热键台。f 1 于h 】极键台的装置相对简单，而且使用的设备便宜，该方法在g e m s 封装的应用中非常广 泛。刚极键台可提供可靠的真空密封性能，这对于微流体网络中的微阀门和微流体管道以及微型压 力传感器模片的麻用是十分重要盼。阳极键台还有另一个要优点，键台过程盯以在耩低r 高温的 1 8 0 5 0 0 c 范吲进行，这样可以减弱键合后材科残余席力利应变的影响。 刚极键台已经在以r 材料的晶片键台巾得i 嘁州玻璃与玻璃、玻璃与硅、玻璃与硅化台物、 玻璃与金属、硅与硅。引极键合方法盛，泛的麻川是硅酸硼玻璃( p y r e x 玻璃) 或l i 英品j l 与砖晶 片的键台。 玻璃与硅晶片之间的阳极键合 蚓卜6 给i l 】r 富禽钻，c 袭的品片( 例如p y r e x 7 7 4 0 跛璃) ”“与砗品“日i 极键台的结构示意酗。 通常将个重苗适应的重物施加矗i 时热玻璃之 以确保品片2 间n 仃良盯的接触压力，计对诲系统 施加十2 0 0i o o o v 的直流l “臆l u 场。夹在两个电极之间的绝缘p y r e x 玻璃和半母体砘基片膨成了 东南 学砸 。学位论立 个宙敏的平扳i n 容器，加载枉两个电捉p 的电压产生的静电力使埘块晶片紧密的结台在一起 图i6 硅与玻璃间的刚极键台 硅与玻璃的踺合过程实际上是在施加电场的作用f 在交界面形成了层极薄的s 0 2 来实现的。 在施加电场的影响下，玻璃中的钠离子在电场引力吸引f 向带负电电荷的阴极移动，形成钠离子耗 尽而只舍0 2 的负电荷区域。通过对系统加热，这些鸣负离子将下接触的s - + 离子产生化学结合 并在界面处形成约2 0 r a n 的非常薄的s i o ，膜，选层膜即是硅和玻璃2 问的结合层。由于p y r e x ? 7 4 0 这种特别的玻璃含有丰富的铀，所以经常用作键台到硅基片e 的玻璃晶片。 玻璃晶片之问的阳极键合 采刚阳撖键台技术对两块玻璃晶片进彳_ 键合不如硅晶片与玻璃晶片的键台月口么直接。首先利用 玻璃与硅的附极键合技术把玻璃晶片键合到硅晶片上，然后将已键合到玻璃片上的硅晶片用刻蚀的 方法除去，得到带有s n 薄层的玻璃晶片。接下来，e l j 阳极键台的方法将s i o z 玻璃品片与另一块 玻璃晶片键台。很明硅，这种方法在刻蚀除硅时需要定的时间以及过分浪费村料，使其远远没有 玻璃硅品片的键合那样有吸引力。因此。该键台技术在m e m s 中并不常用。 硅晶片之闻的阳极键台 刖极键台方法也崩于硅晶hz 的键合，但是其过程小同于硅晶片和玻璃晶片之间的键合那样 直接。需要记住的是钠离子干u 氧离子的迁移是刚极键合的首要田祟。因l 比在待键台硅晶片表面进 行特定预处理侨就可能使埘这赫方法实现硅晶片之间的键台。 在两块科品片的键音袁面都生长偿薄的s i o z ，然后将其中块硅品片的氧化表面放 富卉钠 的腔室中添加钠元素。再将两块吐品片舜放在一起进行阳极键台富音钠的硅晶h 与佴 极相连接。 硅品片间的键台过程需要在1 7 0 0 v 的直流电压醴上的电场剌5 0 0 c 阱上的温度r 进行，键台两块直 径为l o o r 的硅品片通常需要5 小时。 144 硅融合 硅融合( s i l i c o n - f u s i o nb c n d i n g s f b ) 是m e _ l s 封装中经常采用的种键台技术。对硅品片而 言，这种键台是一种简单和经济的过程。硅融台已应州丁如f 晶片组台的键台。p ”“：硅与硅、氧化 硅与硅、氧化硅与氧化硅、砷化镓与硅、l ，英与硅、硅与玻璃。 与h j 板键台币i 坷，硅融台的键台过程不依赖丁电场，而是主要利川抖面的化学力，在氧化环境 f “自发”的完成键台的，2 后需要进行高温退火。硅融台对键台表面的平整度的要求更加严格， 为4 n , n 。砘品片的键台强度可咀高达2 0 m p a 与靼晶硅的断裂强度相近。 水合作崩是硅融合中的个过样。这种键台过程所涉及的第一步是通过庶作_ l j ( h y d r a t i o n ) 在键台界面上引入氧原子( 0 ) 和氢原f ( 1 1 ) 的o _ h 键，称为砷烷眸键。将两块袁而霄柏0l i 键的 品片紧密接触，在接r 米的r 苛温f 姬火过判中。水蒸气将台在外面址形成，f 逸散到例阿的环境中上 即发，上脱水。剩r 过多的氧原r 在羿面处形成酢氧烷网络，w 而冉两块品片表面，1 j # l 刊的键台。 这个过牲的化学反应如r 所”i ( s lo l t ) + ( o l t s i j h ：。( s i 一0 一s 1 ) 8 量 第一章绪论 图卜7 给出了这个反应过程的示意图。在水合过程中，首先将两块氧化的硅晶片在酸性( h z o - h 2 s 0 4 ) 溶液中浸润，然后从酸溶液中将晶片取出并放入去离子水中漂洗，这时。一h 键将在晶片氧化表面生 成。在很多情况下，会采用氧等离子体溅射的方式o _ h 键中的氧原子。之后即可将两块晶片叠放在 一起进行键合。对叠在一起的晶片进行加热将使相互接触的o _ h 键的氧分子和氢分子形成水汽逸出， 从而形成两块晶片间新的s i 廿s i 键，如图1 - 7 所示。 t 。r 。- - _ _ 卜_ _ - _ 。 s d 以c 蝗) s i ，蹇疆下s 0 0 s i 分i i 每水凳子智 楚 了雏一 s d b o i 酬i 善o ) , 球划铲子培台形成 s 幻障o 垤x 键 s d 豁蠛o c 溪台弄菌饿 $ i n s i 艇 图i - 7 水合作用的硅融合化学过程示意图 另一种常用的硅融合技术涉及使用亲水过程，即将晶片浸在沸腾的硝酸液中产生键合需要的 亲水性表面。两块晶片的键合甚至可以在室温下实现，但是一般需要一个高温过程来加强键合效果。 亲水性键合的机理与水合作用键合的不一样，氢原子引发的烦的瓦耳斯力被认为是亲水过程中最重 要的晶片键合力。 硅融合过程键合强度的强弱取决于这个物理一化学键合过程后退火过程的温度。在3 0 0 以下， 键合强度仅有极小的增加或者根本没有变】。一般认为，高退火温度将在水合和亲水键合过程中驱逐 水分子，因此可形成更好和更牢固的键合。当退火温度为7 0 0 以上时，键合强度将显著增加。大 多数应用中常见的退火温度范围为1 1 0 0 一1 4 0 0 。 1 4 5 表面键合工艺的比较 前面介绍了粘合剂键合、共晶键合、阳极键合和硅融合等四种键合技术，表卜1 是各种主要键 合技术效果的简单对比。由表可见，阳极键合工艺有着键合强度高、反应温度适中、键合后应力小 和气密性好等诸多优点，是目前用于m e m s 气密或真空封装的主要封装键合方法。阳极键合中的主要 材料：p y r e x 7 7 4 0 玻璃，是美国c o m i n g 公司研制生产的一种含钠元素的玻璃。它主要应用于阳极 键合，也可以用于粘合剂键合和热键合。这种玻璃具有和硅相近的热膨胀系数( c t e ) ，以及良好的 强度特性，是一种理想的封装硅器件的材料。 键合方法反应温度键合强度键合后密封可靠性其 他 c t e 粘合剂键合 低低 由 差良好的热和 化学稳定性 共晶键合高高差好较高的热和 化学稳定性 阳极键合中高 好好 键合表面质量 要求高 硅融合高高 好好键合表面质量 要求高 表卜l 各种主要表面键合方法对比 9 审声 东南 学顾1 擘位论土 1 5m e m s 封装技术的新发展 m 刚s 封装根人程度上还是借鉴了i c 封装，沿用了i c 封装中许多成熟适用的技术。如 b g a ( h a l 卜g r l da r r d y ) 技术，f c ( f l i pc h i p ) 技术，m 删技术等这也是壮m s 封装技术实现突破 的途径之一“：但同时也出现了许多新的发展。 151k t e m s 圆片级封装技术 近3 0 年来，i c 的集成度直遵循雕