MEMS后封裝技術

楊建生

（天水華天科技股份有限公司，甘肅 天水 741000)

1 引言

隨著微封裝作為器件商業化的瓶頸出現，微電機系統（MEMS）正在縮小傳感器和驅動器使之進入微納米規模。在傳統的集成電路制造中，封裝成本大約占制造成本的三分之一。MEMS封裝要求嚴格，原因在于易損的微型結構以及通常要考慮的MEMS制造中最昂貴的工藝步驟。建議應把MEMS封裝作為微電機工藝過程的一部分融合在器件制造階段，雖然此方法解決了單個器件的封裝需要，但是它不能解決多個微系統的封裝需要，特別是由芯片制造公司制造的很多MEMS器件以及對軍用產品封裝工藝的需要。

MEMS后封裝工藝必須滿足幾個方面的要求：封裝既不能損壞裝配制造前的MEMS微結構，也不能損傷微電子學方面的狀況；封裝應適用于很多應用領域的不同MEMS工藝過程，封裝應采用比較成熟的技術以節省研發費用；有的MEMS器件要求真空密封，有的要求低溫封裝，為了達到這些要求，應重視幾項關鍵要素：保護MEMS器件的封帽，不透氣密封強壓焊，較低制造成本的晶圓級與成批處理，防止MEMS器件受損的低溫處理。MEMS封裝工藝技術包括對封裝及壓焊技術的研討，以及采用局部加熱和壓焊的MEMS封裝技術的創新方法。

2 MEMS封裝技術

多年來，人們對傳感器微電機及微封裝方面涉及的MEMS封裝技術問題以及微系統的封裝技術和分隔技術問題進行了研討，對化學傳感器采用環氧樹脂焊接玻璃和硅、采用環氧樹脂研發多芯片模塊（MCM）型封裝技術工藝和不同的壓焊及互連材料也進行了討論。涉及到封裝微化學傳感器的專用工藝，研發了用于MEMS封裝技術的專用工藝，如微電機封裝技術、生物化學系統封裝技術及航空系統封裝技術。這些器件型封裝理論主要針對于單系統，還沒有取得作為通用的后封裝技術工藝理論用于有嚴格低溫、氣密性密封和長期穩定性工藝要求的MEMS。

采用表面微電機微殼的集成工藝，應用于犧牲層和LPCVD密封，獲得晶圓片級后封裝技術，例如反應密封方法，密封振動微電機梁。采用外延硅密封微結構，使用氮化硅密封機械梁作為光源，通過埋置微結構和CMOS電路，完成一種新的裝配技術。所有這些理論方法把MEMS工藝與后封裝工藝集成化，不需要額外的壓焊工藝。

近年來，業界研發出了幾種新的用于MEMS的后封裝技術工藝。一種先進的MCM封裝技術采用高密度互連工藝，包括把裸芯片埋置到研磨前的基板之中。因為封裝工藝之后不得不釋放MEMS結構，因此對通用的微系統而言是不理想的。基于環氧樹脂壓焊的CMOS電路的傳送技術雖然克服了表面粗糙問題，但是環氧樹脂不是良好的氣密性封裝材料。使用2μm厚的多晶硅微帽硅-金低共熔壓焊技術的圓片到圓片真空封裝技術工藝，50天后試驗結果表明出現實質性泄漏現象。

3 晶圓壓焊技術

眾所周知，“內部接觸”和“溫度”是壓焊工藝的兩個主要因素，并且壓焊是器件封裝的關鍵，“內部接觸”把兩個分離的表面結合在一起，“溫度”提供壓焊能量。研究粗糙表面對陽極壓焊工藝過程的影響可得出結論，表面有瑕疵會影響壓焊的參數包括溫度、時間和應力。雖然回流焊或機械拋光工藝能夠提高表面平直度，然而這些工藝過程并不方便適用于大部分MEMS制造工藝。在溫度方面，很多平常使用的壓焊方法諸如熔融和陽極壓焊會損壞器件并因高溫而導致熱應力問題。另一方面為了獲得良好壓焊，提高加工溫度是不可避免的。

以前在MEMS器件中多采用硅壓焊技術，諸如壓力傳感器、微泵、生物醫學傳感器或化學傳感器等，要求在基板上壓焊機械互連。通常在溫度大約為300℃～450℃的狀況下，把玻璃作為壓焊材料進行陽極壓焊。在超過1000℃的超高溫度狀況下，采用不同種類的硅熔融壓焊和Si-SiO2壓焊工藝，把低共熔壓焊用于不同的應用中。

硅熔融壓焊大部分用于絕緣體上硅（SOI）技術中，諸如Si-SiO2壓焊和Si-Si壓焊。理論證明其壓焊強度很高。由于溫度要求通常高于1000℃，因此它不適用于MEMS后封裝技術。近年來出現了很多低溫Si-Si壓焊工藝，這些新方法不得不使用專門針對MEMS后封裝不理想的表面處理。

陽極壓焊是在200℃～400℃低于玻璃熔點并在高電場協助下，把玻璃與金屬壓焊到一起。此技術已廣泛應用于保護生物傳感器中的板上電子器件和壓力傳感器中的密封腔。對通過不同機理降低壓焊溫度的可能性進行了討論，由于玻璃中過度的堿金屬污染、高電場對微電子器件可能的損壞以及壓焊平直表面的要求限制了把陽極壓焊技術應用于MEMS后封裝中。

除了以上固態類硅壓焊技術之外，液態型壓焊機理已被證明，金一直是用于硅低共熔壓焊技術的最普通的材料。在363℃金能夠與硅形成低共晶合金，其熔化溫度大大低于純金或硅。為了得到良好的低共熔鍵合，包括溫度和時間的工藝狀況不得不控制好。

表1總結了所有MEMS封裝和壓焊技術及其限制，也概述了采用局部加熱和壓焊的創新型壓焊方法，此方法目的是在確定的區域提供高溫以便獲得良好的壓焊強度。并且為了保護MEMS微結構和微電子學狀況，在晶圓級狀態下保持低溫。局部加熱方法引進幾種新的機會，首先獲得了更好、更快的溫度控制，其次應用較高的溫度來提高壓焊質量，再次在MEMS應用中進行探索要求高溫諸如釬焊的新的壓焊機理。

表1 壓焊機理匯總表（LH=局部加熱）

4 MEMS后封裝技術

圖1示出了由Analog Device公司制造的微加速度計，此器件上最易損的部件是中心的力學傳感器，該傳感器為獨立式力學質量彈簧微結構，在封裝和處置過程中保護此力學部件很重要。再者，在諸如共振加速度計或陀螺儀的應用中，這些微結構要求真空密封。圖2示出了局部加熱和壓焊的MEMS后封裝技術簡圖。裝配有恰當設計的微型腔的封裝帽、絕緣層、微加熱器和微膠層，以便密封并保護易受損的MEMS結構作為第一級MEMS后封裝工藝。隨后按如圖3所示把晶圓劃片，并按現有封裝技術完成最后的封裝。

圖1 有集成電路的MEMS傳感器

圖2 通過局部加熱壓焊的MEMS后封裝簡圖

4.1 全局加熱的MEMS后封裝技術

在基于全局加熱計劃之前已證明幾種MEMS后封裝技術工藝，采用LPCVD的集成真空密封工藝。與局部加熱和壓焊工藝進行比較，在晶圓級真空狀態下全局加熱工藝能夠密封梳狀形態微共振器。

圖3 MEMS后封裝技術概念簡圖

圖4給出了制造工藝的橫斷面圖，首先采用四個掩模確定第一多晶硅層、基底固定器、凹痕以及第二多晶硅層，完成如圖4（a）所示的標準的表面微電機工藝。在標準表面微電機工藝中，蝕刻犧牲層（氧化物）以便釋放微結構。在MEMS后封裝工藝中，淀積7μm厚的PSG玻璃覆蓋微結構，并采用5∶1 BHF布圖來確定如圖4（b）所示的微殼區域。接著淀積1μm薄的PSG層并確定以便形成如圖4（c）所示的蝕刻通道。淀積1μm厚的微殼材料低應力氮化硅，確定蝕刻孔并采用等離子蝕刻機在氮化硅上打開。封裝殼內部的二氧化硅通過集中的HF蝕刻，采用超臨界二氧化硅干燥工藝干燥晶圓片。完成這些步驟之后，應用圖4（d）所示的工藝，在淀積壓力為3×108的狀況下淀積2μm厚的LPCVD低應力氮化物，以便在真空狀況下密封封裝殼。隨后打開如圖4（e）所示的接觸焊盤。

圖5為在頂部有受保護微殼的完成器件的掃描電子顯微鏡（SEM）照片。封裝總面積（微殼）大約為400μm×400μm，可見去掉覆蓋氮化物的接觸焊盤。由于集成封裝工藝，在微殼表面上反射出微諧振器形狀為長150μm、寬2μm的梁?？煽闯隽⒂诨逯系餁さ目偢叨葹?2μm，封裝內部梳狀諧振器的光譜測量表明已完成了大約2×108的真空級。

圖4 通過全局加熱集成MEMS后封裝工藝

圖5 采用全局LPCVD密封集成MEMS后封裝工藝封裝的微共振器SEM照片

4.2 局部加熱MEMS后封裝技術

以上全局加熱的MEMS后封裝技術存在幾個方面的缺點：其一，在標準的表面微電機工藝之后使用了幾個高溫步驟，由于局部加熱影響，電路或溫度敏感性材料很容易受到破壞；其二，這一后封裝工藝依賴于工藝過程，MEMS封裝公司或研究機構不得不采用具有自身微制造工藝技術的后封裝工藝，而不能用于多個用戶的MEMS封裝；其三，采用通常為幾個微米范圍的薄膜淀積限制了微殼的厚度，在最后的封裝工藝階段薄型微殼要承受高壓塑料模塑，存在很大的隱患。

局部加熱壓焊的MEMS后封裝技術解決了全局加熱影響的問題。本文中使用電阻微加熱器提供局部加熱。為了控制壓焊和封裝工藝，使微加熱器具有熱傳遞性是很重要的。以線形微加熱器能量守恒為基礎建立一維電熱模型，使用熱傳導形體因素計算熱傳遞并得出公式：

這里T為微加熱器的溫度，t表示時間，?為加熱器的熱擴散性，ε和Tr為與結構尺寸、熱特性、輸入電流和熱傳導形體因素有函數關系的參數。溫度曲線穩定狀態的解為：

L為微加熱器的總長度，圖6示出了涂磷多晶硅電阻器（50μm×2μm×0.5μm）輸入電流-溫度模擬圖。可看出在輸入電流為11mA的狀況下，加熱器可產生大約300℃的溫度。更重要的是，在加熱器的中央區域溫度曲線是均勻一致的，這有助于在局部加熱壓焊工藝中的溫度控制。

圖6 50μm長多晶硅微加熱器上的溫度分布圖

當加熱壓焊材料時，用有限元法分析模擬斷面熱傳遞過程，此模擬把硅用作基底材料，把單個二氧化硅層用作鈍化層，在高溫狀況下把加熱器置于器件基底的頂部，如圖7所示，斷面圖上的穩定狀態等溫線表明高溫區域被限制在圍繞加熱器的小范圍之內。例如，即使微加熱器上溫度為1000℃，在進入絕緣層不到1μm的距離之內溫度快速下降到10%，僅為100℃。在加熱期間硅基板保持室溫，因此在晶圓級狀況下局部加熱不影響微電子或別的對溫度敏感的材料。

圖7 顯示溫度等溫線的FEM模擬斷面圖

5 局部壓焊工藝

根據局部加熱的概念，介紹了MEMS后封裝技術的幾個局部壓焊工藝，包括局部低共熔壓焊、局部熔融壓焊、局部焊料壓焊和局部CVD壓焊。

5.1 局部硅-金低共熔壓焊

硅-金低共熔壓焊已廣泛應用于微裝配中，在相對較低的壓焊溫度（363℃）下，提供高壓焊強度和良好的穩定性。在局部硅-金低共熔壓焊中，首先把硅基板進行熱氧化，生成1μm厚的氧化物作為熱電絕緣層，使用0.05μm厚的鉻層作為粘附材料淀積0.45μm厚的金。線型微加熱器的寬度為7μm，通過提起工藝確定。使用大約1MPa的壓力把干凈的硅帽基板放置到這些器件基板的頂部，依次通過全局加熱和局部加熱引導和比較兩個低共熔壓焊試驗，對傳統的低共熔壓焊工藝而言，使溫度上升到410℃大約需要1h，保持10min并冷卻到室溫。通過采用輸入電流依據公式（2）的電熱模型達到大約800℃的溫度，局部低共熔壓焊工藝需要少于5min的時間，實驗設置如圖8所示。在完成壓焊工藝并在掃描電子顯微鏡下檢查器件基板之后，打開硅-金低共熔壓焊。圖9和圖10依次示出了采用全局和局部加熱法的壓焊結果。在圖9中可鑒別不一致的壓焊特性，在圖10中整個金線被剝掉，然而顯示出封帽部分的硅破裂，留在器件基板上。這些試驗結果表明局部硅-金低共熔壓焊是一致的，具有的壓焊強度和硅的斷裂韌性一樣強。

5.2 局部硅-玻璃熔融壓焊

通過使用如圖8所示的相同的實驗設置，完成局部硅-玻璃熔融壓焊。硅器件基板的結構采用1μm厚熱氧化物和1.1μm厚多晶硅為微加熱器。放置硼硅酸耐熱玻璃并壓焊到多晶硅微加熱器的頂部。31mA的輸入電流加熱微加熱器5min內獲得的溫度非常接近多晶硅的熔點溫度。在顯微鏡下實時觀察微加熱器的發光顏色以便確認高溫狀態。不同于常規的需要超過2h的熔融壓焊試驗，局部硅-玻璃熔融壓焊在5min之內完成。

圖8 局部加熱壓焊試驗的實驗設置

圖9 通過全局加熱法的硅-金低共熔壓焊結果

圖10 采用局部硅-金低共熔壓焊的結果

用力使熔融壓焊破裂，在掃描電子顯微鏡下檢查，圖11示出了在硅器件基板上拍攝的SEM微照片，可清晰地發現二氧化硅層、多晶硅微加熱器和玻璃帽。在此照片中，可看出在靠近接觸微加熱器區域的玻璃熔化并再成形，微照片呈現出兩個非常重要的局部熔融壓焊試驗特征。其一，很容易在非常短的時間內升高溫度達到高于玻璃軟化熔點820℃的熔化溫度；其二，使用壓力足夠高導致玻璃帽和壓焊器件基板之間親密接觸。接著把圖11的樣品浸泡在與氧化物和玻璃反應而不與硅或多晶硅反應的HF溶液中，圖12示出了在圖11相同位置顯示的結果，清楚地描繪出了多晶硅加熱器的外形。在圖11中不能觀察到多晶硅-玻璃接口，而僅僅在HF浸泡之后顯示出來的事實暗示出形成了強大的熔融壓焊。然而，此多晶硅-玻璃熔融壓焊看起來比原來的多晶硅-氧化物粘附壓焊牢固得多，原因在于破裂軌跡看上去發生在多晶硅-氧化物接口處。所有這些結果表明通過局部加熱壓焊能夠獲得良好的硅-玻璃熔融壓焊。

圖11 局部硅-玻璃融合壓焊（用力打破壓焊之后）

圖12 在HF溶液浸泡后多晶硅微加熱器狀況

5.3 局部焊料壓焊

焊料壓焊技術廣泛應用于集成電路封裝中的連接芯片工藝中，例如在360℃的溫度狀況下常用的Pb-Sn焊料壓焊工藝。依據全局加熱，把幾種焊料材料應用于MEMS封裝。在局部焊料壓焊試驗中引入了中間層的概念，圖13示出了樣品準備的簡圖。在硅器件基板上生長1μm厚的熱氧化物層，此工藝繼續用1μm厚的磷摻雜多晶硅淀積并確定來仿真互連線。在互連線的頂部淀積一層0.15μm厚的LPCVD氧化硅作為電隔離層。接著把磷摻雜多晶硅微加熱器進行淀積并布圖形成微加熱器，淀積一層0.15μm厚的LPCVD氧化硅進行電隔離。焊接材料包括0.05μm的鉻，0.45μm的金為粘附材料，并淀積3μm厚的銦。

圖13 局部焊料壓焊試驗樣品簡圖

如圖8所示在壓焊階段實施壓焊工藝，施壓0.2MPa，微加熱器的溫度估計升高到300℃，壓焊工藝在2min內完成。用力使壓焊破裂，檢查壓焊接口，圖14示出了淀積和布圖工藝之后焊接材料的狀況，在此圖中示出了兩個重要的封裝問題：其一，所示的互連形成上升步驟，此表面粗糙度問題是現存壓焊工藝諸如熔融或陽極壓焊的失效根源；其二，雖然作為淀積的焊接材料具有粒狀結構，但是在局部焊料壓焊工藝之后，焊料實際上可回流形成如圖15所示的平整表面。因此，局部焊料壓焊法可克服表面粗糙問題，并通過焊料回流形成良好的覆蓋面。

圖14 局部銦焊料壓焊（在焊料壓焊之前銦淀積之后）

圖15 局部銦壓焊之后銦焊料回流圖

5.4 局部CVD壓焊

全局LPCVD真空密封在前面MEMS后封裝技術中進行了闡述，雖然高溫問題和相關工藝已對潛在的MEMS封裝應用形成阻礙，但是局部加熱提供了完成CVD密封的方法，從而避免了那些缺陷。

為了顯示局部CVD壓焊工藝，做好如圖16（a）所示的兩個基板的準備工作，基板由硅構成并加熱生長一層1.2μm厚的熱氧化物作為隔離層。淀積磷摻雜多晶硅并依次在器件基板上進行布圖作為互連線和在封裝帽上的微加熱器，接著在器件基板上淀積一層1.4μm厚的等離子加強化學汽相淀積（PECVD）作為電熱隔離層。把器件和封裝基板壓在一起并置于硅烷室中，通過輸入40mA電流生成高溫來激活局部硅烷的分解。根據公式（2）的電熱模型，估計溫度大約為800℃。CVD填充和壓焊工藝如圖16（b）所示，在兩個小時內完成，用力使CVD壓焊破裂以便檢查。圖17和圖18依次示出了器件基板和封裝帽的照片，發現最初淀積在封裝帽上的微加熱器如圖18所示被分離，粘附在如圖17所示的器件基板上。局部CVD多晶硅層徹底填補了器件與封帽基板之間的縫隙。再者，CVD多晶硅壓焊比多晶硅熱氧化物粘附壓焊更牢固。在圖18中只有兩個痕跡的材料可看出，它們是微加熱器邊緣上淀積的CVD多晶硅。

圖16 局部CVD壓焊工藝簡圖

圖17 粘附于器件基板上的微加熱器局部CVD壓焊

圖18 在封裝帽上發現只有兩個痕跡的淀積的多晶硅

6 結束語

局部加熱和壓焊的MEMS后封裝技術，在微系統封裝工藝研發方面提供了獨特的機遇。涉及到MEMS器件封裝技術的基本問題和方法，并為將來的研究指明了方向。

通過全局加熱工藝證明已成功完成了集成LPCVD密封工藝。此工藝始于標準的表面微電機工藝的末端并使用多種微裝配工藝構建微殼，有選擇性地密封微器件。全局加熱工藝的缺點是高溫和牢固工藝的依賴性，因此通常對MEMS后封裝應用而言是不適用的。局部加熱和壓焊工藝可解決這些問題，并通過試驗證明，包括局部硅-金低共熔壓焊、局部硅-玻璃熔融壓焊、局部焊料壓焊和局部CVD壓焊，這些新工藝提供了完成MEMS后封裝技術的有效方法。

在成功地把局部加熱和壓焊應用于MEMS后封裝技術之前，在理論和試驗領域應仔細研究幾個基本且具有挑戰性的問題。研討的特定范圍如下：（1）對穩定狀態、瞬時運作及在晶圓級狀況下加熱的影響而言，局部加熱與壓焊的模型和模擬；（2）局部壓焊機理和工藝諸如溫度、時間、施加壓力和表面粗糙度的影響的特征；（3）局部壓焊長期穩定性的調研諸如張力試驗、剪切試驗、氣密性及與時間、惡劣環境和加速試驗有關的泄漏；（4）通過實施批量生產局部加熱和壓焊MEMS后封裝制定大規模生產的計劃及工藝。

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