MEMS光敏BCB硅—硅鍵合工藝研究*

趙璐冰， 徐 靜， 鐘少龍， 李紹良， 吳亞明

(1.中國科學院 上海微系統與信息技術研究所 傳感技術聯合國家重點實驗室,上海 200050； 2.中國科學院大學,北京 100049)

MEMS光敏BCB硅—硅鍵合工藝研究*

趙璐冰1,2， 徐 靜1， 鐘少龍1， 李紹良1,2， 吳亞明1

(1.中國科學院 上海微系統與信息技術研究所 傳感技術聯合國家重點實驗室,上海 200050； 2.中國科學院大學,北京 100049)

光敏BCB作為粘結介質進行鍵合工藝實驗研究。實驗中選用XUS35078負性光敏BCB，提出了優化的光刻工藝參數，得到了所需要的BCB圖形層，然后將兩硅片在特定的溫度與壓力條件下完成了BCB鍵合。測試表明：該光敏BCB具有較小的流動性和較低的塌陷率。鍵合后的BCB膠厚約為11.6 μm，剪切強度為18 MPa，He細檢漏率小于5.0×10-8atm·cm3/s。此鍵合工藝可應用于制作需要低溫工藝且不能承受高電壓的MEMS器件。

光敏BCB； 光刻； 低溫鍵合； 剪切強度； 氣密性

0 引 言

在MEMS工藝中，目前常用的鍵合方式有硅—硅直接鍵合、硅—玻璃陽極鍵合以及中間層粘結鍵合等。硅—硅直接鍵合通常需要小于4 nm的表面粗糙度、高于800 ℃的高溫退火工藝過程，因此,在帶有金屬膜的硅—硅鍵合的應用中存在局限性；硅—玻璃鍵合需要施加500～1 000 V的鍵合電壓，整個基片全局高壓電場的使用有可能導致MEMS器件失效，應用上也存在一定的局限性。以上2種鍵合方式的優點是工藝成熟，鍵合強度高，技術可靠[1]。中間層粘結鍵合是通過介質層將兩硅片進行粘結，其中較為常用的方式有共晶鍵合和BCB鍵合。BCB是一種有機粘結介質，從20世紀90年代開始商業化，主要應用于IC工藝和MEMS工藝中，可以實現硅襯底、玻璃襯底等多種材料基底之間的有效鍵合，對襯底表面的平整度和粗糙度要求較低[2]。這種鍵合方式可以在300 ℃以下完成，因此,對于帶有金屬膜圖形的硅片之間或硅—玻璃之間的鍵合具有獨特優勢，避免了高溫或高電壓鍵合條件對于金屬結構的影響。此外，許多MEMS器件中間部分是結構區，要求粘結介質必須避開這一區域，僅分布在周圍區域進行粘結。通過采用光敏BCB作為粘結介質，利用非曝光區的BCB膠可以完全溶解在顯影液里的特性，易于實現BCB的圖形化，從而完成基片的局部鍵合。與非光敏BCB鍵合相比，采用光敏BCB完成局部鍵合的工藝步驟更加簡單可行，近年來，光敏BCB鍵合已經在一些MEMS器件的圓片級封裝中得到了應用[3～5]。

將光敏BCB鍵合技術應用到MEMS器件的結構制作中，對于鍵合前后的BCB膠的厚度變化、圖形邊界的延伸、鍵合強度、鍵合氣密性等都提出了更高的要求。本文開展了硅襯底上的光敏BCB鍵合工藝實驗，詳細介紹了光敏BCB鍵合的具體工藝流程，提出了優化的工藝步驟、光刻工藝及鍵合工藝條件參數，最后通過對鍵合界面的觀測和對鍵合強度、氣密性的測試，分析了厚膠光敏BCB用于器件制作的可行性。

1 光敏BCB性質與鍵合工藝流程

1.1 光敏BCB的性質

光敏BCB具有較低的介電常數，較高的化學、熱學、力學穩定性，可以抵御多種溶液腐蝕。用于鍵合工藝時，光敏BCB也具有非常明顯的優勢：具有良好的粘結性能，鍵合可靠性高；平整度好，固化過程中的收縮率可以忽略，不需要催化劑也不會生成副產品；可以直接進行光刻圖形化，可以很方便地選擇有膠鍵合區域；固化后的光敏BCB對可見光的透過率達到90 %，可以用于光學器件的制作或封裝工藝中[6～9]。

1.2 光敏BCB鍵合工藝流程

光敏BCB鍵合實驗工藝流程如圖1所示。首先在硅片上旋涂一層光敏BCB，在特定條件下進行光敏BCB的光刻，得到圖形化的BCB。將待鍵合的硅片置于鍵合機中進行升溫、加壓、冷卻過程，使得鍵合區域的粘結介質完全固化，同時將兩硅片進行可靠粘合。最后將鍵合后的硅片進行劃片，得到樣品單元。

圖1 光敏BCB鍵合工藝流程Fig 1 Photosensitive BCB bonding process

2 光敏BCB鍵合工藝實驗

2.1 光敏BCB的圖形化

光敏BCB鍵合的其中一項重要優勢是可以方便地實現鍵合區域的選擇，所以,大大拓寬了使用范圍。實驗版圖如圖2所示，中間白色區域為不透光區，與可動結構區域相對應，光刻后結構區的BCB膠會溶于顯影液而完全去掉，使得膠僅僅分布在版圖中有顏色的區域。顯然，如果光敏BCB的流動性太大，會進入中間結構區而造成器件的失效，因此，實驗中需要考慮BCB流動性的影響。紫色部分是光敏BCB的邊緣標記，在硅片上用Deep RIE刻蝕得到，作為觀察鍵合后BCB流動范圍的參照物。

圖2 實驗版圖Fig 2 Experiment layout

實驗中，采用N型(100)雙面拋光硅片，厚度為(450±10) μm，鍵合粘結介質XUS35078光敏BCB為負膠，曝光部分的BCB膠發生光固化反應形成不可溶物質而留下，沒有曝光的部分通過顯影而去掉。此種光敏BCB為厚膠，使用范圍在10～30 μm之間。膠厚與轉速的關系曲線如圖3[10]所示。實驗中，選擇3 000 r/min的轉速，由圖3可知，理論上得到膠厚為12 μm左右。光敏BCB的涂膠光刻和顯影的具體步驟如下：

圖3 XUS35078型光敏BCB膠厚與轉速關系曲線(后烘之后)Fig 3 Curves of relationship between XUS35078 photosensitive BCB thicknesses and spining speed(after baking)

1)對兩片雙面拋光硅片進行清洗，除去表面雜質。

2)在兩硅片上用Deep RIE干法刻蝕出劃片槽和用于觀察BCB膠流動性的標記。

3)實驗中涂膠用的是RC8涂膠機。先涂上BCB增粘劑，然后涂光敏BCB，設置涂膠機程序為開蓋500 r/min,時間為10 s;閉蓋3 000 r/min,時間為30 s；開蓋500 r/min，時間為10 s。

4)將涂好光敏BCB膠的硅片放在110 ℃的熱板上前烘90 s。

5)將帶膠硅片放在光刻機里進行曝光，功率350 W，時間75 s。

6)曝光后將硅片放在90 ℃的熱板上烘60 s。

7)將DS3000顯影液置于41 ℃恒溫環境，硅片在此顯影液中靜置3 min后，開始慢慢攪拌4 min，然后將硅片取出，放入室溫顯影液中攪拌1～2 min，停止顯影。

8)取出硅片后立即吹干，放在90 ℃的熱板上后烘60 s，將殘留的有機溶劑揮發掉。

9)觀察顯影后的BCB圖形。

顯影溫度與時間的良好控制是保證顯影成功的關鍵因素。顯影時間過長會導致光敏BCB留膠區域膠的脫落，因此，實驗過程中要嚴格控制顯影時間。光敏BCB光刻之后在顯微鏡下觀察得到的圖像如圖4所示，顯影成功的單元圖形邊緣清晰，用臺階儀測得膠厚約為12 μm，與預計值相符。而結構區的膠已經通過顯影完全去除，沒有殘留，也沒有出現膠的塌陷現象。良好的區域選擇性是光敏BCB具有的優勢，從而簡化了工藝步驟，提高了工藝可靠性。

圖4 光敏BCB膠光刻之后得到的圖形Fig 4 Image of photosensitive BCB after photolithography

2.2 BCB硅—硅鍵合

兩硅片的鍵合是在Karl Suss SB6鍵合機中進行的，鍵合過程如圖5所示。上下兩個硅片上都有對應的圖形，鍵合之前通過兩個硅片上的對準標記進行預對準，用鍵合機自帶夾具在光刻機上進行對準操作。鍵合過程需要氮氣保護，將帶有兩硅片的夾具放入鍵合腔內，釋放夾具，在待鍵合的硅片上施加1 900 mbar的壓力。逐漸升溫，腔內溫度曲線如圖6[2,6]所示。當溫度高于250 ℃時，光敏BCB迅速固化，在250 ℃條件下維持1 h，然后緩慢降溫冷卻到室溫，取出鍵合片。

圖5 在Karl Suss SB6鍵合機中硅片的鍵合過程Fig 5 Bonding process of silicon wafer in Karl Suss SB6

圖6 光敏BCB鍵合過程升溫降溫折線圖Fig 6 Temperature curve of photosensitive BCB bonding process

3 鍵合效果表征

3.1 鍵合面形貌觀察

鍵合片用紅外顯微鏡觀察得到的圖像如圖7所示。測量得出BCB膠向內最大流動范圍在5 μm左右，由此得出，經過曝光顯影后烘過程的光敏BCB在鍵合過程中幾乎失去了流動性，鍵合過程中對兩硅片施加的壓力并沒有使得膠發生嚴重流淌現象。因此，根據實驗結果，只要在設計器件時為光敏BCB留出一定的流淌空間，就不會引起中間結構區器件的失效。鍵合面的BCB膠完整均勻，沒有出現斷膠或者氣泡的現象，邊緣也比較整齊清晰，中間的結構區比較干凈，BCB膠已經完全去除。

圖7 鍵合片紅外顯微鏡觀察到的圖形Fig 7 Observed image of bonded wafer through infrared microscope

3.2 鍵合側面效果

將鍵合好的硅片進行劃片，分成單個的小單元。本實驗中劃片后每個單元尺寸約為3 mm×3 mm，單元側面如圖8所示。由截面圖可以看出,光敏BCB分布均勻，鍵合效果良好。測得鍵合之后的膠厚約為11.6 μm。對比鍵合之前的光敏BCB膠厚，發現鍵合僅僅使得膠的厚度減小了不到0.5 μm，此型號的光敏BCB在經過光刻步驟之后幾乎已經定型，其微小的流動和壓縮可忽略不計。

圖8 鍵合面側面效果圖Fig 8 Lateral effect view of bonding plane

3.3 鍵合強度

鍵合強度是一個衡量鍵合質量的重要指標。若鍵合強度小，鍵合片很有可能開裂，導致工藝失敗。只有保證鍵合強度足夠大，才能提高成品率和器件質量。

為了檢驗光敏BCB鍵合強度，本文選擇有效鍵合的10個樣品單元進行測試。剪切強度測試是一種破壞性測試方法，通過對樣品單元施加剪切方向的推力，將鍵合片的上下片進行分離，從而測量出上下片鍵合強度值[1]。將挑選出的10個樣品進行編號1～10#，用型號為Ablebond 84—3的藍膠分別將10個樣品粘固在PCB板上，然后把PCB板放入150 ℃的烘箱內保持1 h，將藍膠固化，然后逐漸冷卻到室溫。將PCB板水平放在Dage Series 4000剪切強度測試機上，將剪切劈刀抬高到一定位置，平行于PCB板平面施加水平剪切力，使得鍵合片上下分開。測試中數據如表1所示。

表1 樣品剪切強度測試結果Tab 1 Results of shear strength test of sample

鍵合區就是光敏BCB的分布區域，約占整個單元面積的30 %。測試得到樣品平均剪切強度大小為18 MPa，符合一般MEMS器件鍵合強度要求。

3.4 氣密性檢測

檢漏試驗條件為示蹤氣體氦(He)細檢和氟油粗檢。細檢是在氣密性檢測儀器VARIAN auto-test 947中進行，具體過程是：將被測樣品置于一個充滿He的保壓腔，保持2h后取出，在空氣里放置一段時間后將其放入帶有真空系統和He質譜儀的容器內，通過測量從器件結構腔體內逃逸出的He量，可得出其漏率為3.8×10-8atm·cm3/s。依次將10個被測單元樣品放入氟油內進行粗檢，觀察發現沒有器件出現氣泡，樣品氣密性合格。

4 結 論

本文介紹了一種應用于MEMS器件的低溫光敏BCB鍵合工藝。通過實驗研究得到工藝步驟中的各個參數值，最后驗證了光敏BCB鍵合的強度、氣密性等特性。同時，確定了適合的光刻、鍵合條件，在300 ℃以下實現了兩硅片的粘結鍵合。劃片后測得器件單元剪切強度為18 MPa，強度較高，且光敏BCB流動性很小，不會流淌到中間無膠的器件區，氣密性檢測得到樣品漏率小于5.0×10-8atm·cm3/s He，滿足要求。此種型號的光敏BCB可以簡單方便地實現鍵合區域的圖形化，并且這種鍵合方式對所粘結材料表面質量要求不高，容易實現可靠鍵合，工藝簡單方便。此外，BCB是一種絕緣膠，可以對上下兩硅片進行電隔離。此種光敏BCB鍵合的應用范圍很廣，具有較好的發展前景。

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Research on Si—Si bonding technique with photosensitive BCB for MEMS devices*

ZHAO Lu-bing1,2, XU Jing1, ZHONG Shao-long1, LI Shao-liang1,2, WU Ya-ming1

(1.State Key Laboratory of Transducer Technology,Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology,Chinese Academy of Sciences,Shanghai 200050,China;2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)

A kind of bonding technique with photosensitive benzo-cyclo-butene(BCB)is presented.In our experiments,by employing a kind of negative photosensitive BCB(XUS35078)and optimizing photolithography parameters,well-patterned BCB is obtained，then BCB bonding is carried out under particular temperature and pressure.Test shows that the BCB shows low flow characteristic and collapsing rate.The thickness of BCB photoresist after bonding is 11.6 μm,shear strength of each cell is 18 MPa,and hermeticity is better than 5.0×10-8atm·cm3/s He.This bonding process can be applied for production of MEMS devices which needs low temperature process and cannot bear high voltage .

photosensitive BCB; photolithography; low-temperature bonding; shear strength; hermeticity

10.13873/J.1000—9787(2014)08—0048—04

2014—01—07

微系統技術國家重點實驗室基金資助項目

TN 305

A

1000—9787(2014)08—0048—04

趙璐冰(1988 - )，女，山東煙臺人，碩士研究生，主要研究方向為光學MEMS器件。