三層硅加速度敏感芯片BCB鍵合工藝研究

劉智輝， 田 雷， 李玉玲， 尹延昭

(中國電子科技集團公司 第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150001)

三層硅加速度敏感芯片BCB鍵合工藝研究

劉智輝， 田 雷， 李玉玲， 尹延昭

(中國電子科技集團公司 第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150001)

采用非光敏苯并環(huán)丁烯(BCB)進行MEMS壓阻式加速度敏感芯片三層結構制作。BCB鍵合具有工藝溫度低、鍵合表面要求低等特點，適用于芯片的圓片級封裝。但是固化過程中BCB粘度隨溫度升高而下降，流動性變大，在毛細作用的影響下沿著微小間隙流淌，導致可動部件粘連，器件失效。通過控制BCB厚度、增加BCB阻擋槽解決了可動部件粘連問題，制作了三層硅結構的加速度敏感芯片。樣品漏率小于1.0×10-10Pa·m3/s，鍵合剪切強度大于20 MPa，能夠滿足航天、工業(yè)、消費電子等各領域的應用需求。

微機電系統(tǒng)； 三層硅； 加速度計； 苯并環(huán)丁烯； 鍵合； 毛細作用

0 引 言

加速度傳感器廣泛應用于汽車、航天、航空、兵器等領域[1]。通常，加速度敏感芯片包含質量塊、彈性梁等可動部件，環(huán)境中的灰塵、氣流、水汽會降低敏感結構可靠性，甚至導致敏感芯片失效，圓片級封裝是解決該問題的有效方法[2]。

常用的圓片級封裝技術有：陽極鍵合、硅直接鍵合(SDB)、共晶鍵合、黏合劑表面鍵合[3]。陽極鍵合強度高,密封性好，但是由于異質材料間的熱膨脹系數(shù)不同而引入的應力會影響器件性能的穩(wěn)定性。共晶鍵合和SDB對鍵合面的狀態(tài)要求非常高，所以，工藝難度大。黏合劑鍵合是指通過環(huán)氧樹脂、玻璃粉等中間材料完成圓片的結合，對表面狀態(tài)要求不高，工藝難度小。

苯并環(huán)丁烯(BCB)鍵合屬于黏合劑鍵合，鍵合溫度低，粘接效果良好，耐酸堿腐蝕，介電常數(shù)低，對鍵合表面的平整度和粗糙度要求較低[4]，能夠用于硅—硅、玻璃—硅等結構的鍵合。中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所很早就開展了BCB鍵合研究[5]和BCB鍵合在加速度傳感器中的應用研究[6]；趙璐冰開展了光敏BCB應用于MEMS鍵合的研究[7]，劉磊研究了旋涂、鍵合壓力等工藝參數(shù)對鍵合效果的影響[8]，何洪濤利用BCB鍵合技術研制了壓阻式慣性傳感器[9]。

鍵合固化前，BCB粘度隨溫度升高而降低，流淌性變大[10]，有可能導致可動部件粘連，器件失效。本文采用干刻蝕型BCB鍵合工藝，制作了三層硅結構的加速度敏感芯片。通過控制膠量和增加阻膠槽的方法解決了可動部件粘連問題。

1 加速度敏感芯片工藝流程

MEMS加速度敏感芯片由硅上蓋、硅敏感結構層、硅下蓋組成，如圖1。

選用厚度400 μm的4 in(1 in=2.54 cm)(100)雙面拋光硅片,敏感芯片制作工藝如下：

1)敏感結構層加工：在結構層正面通過氧化、光刻、離子注入、刻蝕、金屬蒸發(fā)、表面鈍化等工藝制作力敏電阻器并連接成惠斯通電橋，通過雙面對準、KOH各向異性腐蝕在結構層背面制作梁島結構，腐蝕深度380 μm(典型值，可根據(jù)具體性能要求確定，下同)。

圖1 敏感芯片結構示意圖

2)上、下蓋加工：利用ICP刻蝕技術，在下蓋正面和上蓋背面制作間隙，控制器件，刻蝕阻尼深度4 μm；接著光刻、ICP刻蝕在下蓋正面和上蓋背面制作限位結構，提高器件抗沖擊能力，刻蝕深度3 μm。通過兩次ICP刻蝕完成7 μm的阻尼間隙和3 μm高的限位結構。通過雙面光刻和KOH腐蝕(或者ICP刻蝕)在上蓋正面制作引線孔，腐蝕深度350 μm。

3)下蓋鍵合：在下蓋正面旋涂BCB，利用預留在片上的標記用光刻機將結構層背面和下蓋正面進行對準、貼合固定。在鍵合機中通過工藝控制，完成BCB固化。

4)質量塊釋放：在完成下蓋鍵合的結構層正面光刻、ICP刻蝕，釋放敏感結構。

5)上蓋鍵合：在上蓋背面旋涂BCB，利用預留在片上的標記用光刻機將結構層正面和上蓋背面對準、貼合固定。在鍵合機中通過工藝控制，完成BCB固化。

6)電極釋放：利用ICP從上蓋正面刻蝕硅，直到露出電極。

2 BCB鍵合工藝

本文選用美國Dow chemical的型號為CYCLOTENE 3022—46的先進電子樹脂，含46 %的非光敏型BCB。輔助試劑有T1100清洗液，用于清除BCB；AP3000密著促進劑，用于增強BCB粘附性。BCB鍵合工藝為：

1)表面處理：用丙酮、無水乙醇兆聲清洗待鍵合片，去除鍵合面的灰塵、沾污物。

2)旋涂AP3000：轉速為3 000 rpm，加速度為10 000 rpm/s，時間為20 s。

3)旋涂BCB：轉速為800 rpm，時間為10 s，轉速為3 500 rpm，時間20 s，加速度為10 000 rpm/s。BCB厚度與旋涂轉速的關系如圖2。

圖2 BCB厚度與旋涂轉速關系

4)清邊：為避免BCB流淌進而污染鍵合機，需要用清洗液T1100清除硅片邊緣處3～5 mm內的BCB；轉速為1 000 rpm，加速度為10 000 rpm/s，時間為30 s。

5)烘干：105 ℃，時間：120 s。

上述工藝參數(shù)得到的BCB厚度約為2.7 μm。涂覆BCB完成后在顯微鏡下檢查BCB狀態(tài)，BCB層均勻覆蓋、無氣泡、無雜質。用輪廓儀(3D共聚焦顯微鏡或者臺階儀)表征BCB表面平整度。

6)對準：用光刻機將待鍵合片進行圖形對準，將待鍵合片固定到鍵合卡盤上。

7)鍵合：鍵合力為800N，鍵合溫度控制如圖3。

圖3 鍵合溫度曲線

3 鍵合工藝問題和優(yōu)化

第一次加工得到的加速度敏感芯片橋臂電阻正常，但是沒有靈敏度，對芯片進行了分析、解剖，發(fā)現(xiàn)質量塊與上蓋背面背BCB粘連，如圖4。

圖4 上蓋與質量塊粘連照片

經分析，質量塊粘連過程為：固化前，BCB粘度隨溫度升高而降低，流淌性變大[10]，鍵合區(qū)域的BCB被擠壓流向芯片中部；而上蓋與質量塊之間的間隙僅有7 μm，再減去厚度1 μm的鋁引線和1 μm的鈍化層，質量塊正面與上蓋間僅有5 μm的距離，形成了狹小的縫隙，BCB在毛細作用的影響下[11]，沿著阻尼間隙流淌到質量塊與上蓋之間，經過固化后質量塊固定，導致器件失效，如圖5。

圖5 BCB流淌情況紅外照片

同樣的間隙和鍵合條件下，下蓋并未發(fā)生粘連，這是因為質量塊由各項異性腐蝕制成，其上表面遠大于下表面，下表面處阻尼間隙周圍有很大的空間(見圖1)，不滿足毛細作用形成的條件；另外，BCB并未流至下蓋與質量塊間，說明通過控制膠厚能夠在保證鍵合強度的同時減少膠量，避免太多BCB流淌導致粘連。

有兩種解決方案：1)將上蓋阻尼間隙調大到20 μm，避免毛細作用的影響。該方案會減低器件的阻尼，影響敏感芯片動態(tài)特性。2)在上蓋處增加阻膠槽，用來收集流淌的BCB，阻擋BCB向質量塊方向的流淌，為降低失效風險，下蓋也一并增加阻膠槽，該方案增加了工藝步驟和成本。

經試驗，方案一能夠解決BCB粘連問題，但是器件阻尼和帶寬下降明顯，按方案一制作的加速度敏感芯片樣品頻率響應特性見圖6，器件處于欠阻尼狀態(tài)。

圖6 方案一樣品的幅頻特性曲線

方案一工藝簡單，但是以犧牲器件動態(tài)性能為代價，在很多情況下是無法接受的。方案二需要增加阻膠槽版圖和刻蝕工藝，本文對阻膠槽的作用進行了專項試驗。

為了觀察BCB在各溫度點的流淌情況和阻膠槽的作用，將C片背面與玻璃片進行鍵合，在鍵合各溫度點(100，150，200,250 ℃)取出片子，顯微鏡下觀察BCB在鍵合面上的流淌情況，如圖7。試驗發(fā)現(xiàn)BCB在150 ℃后流淌性變大，阻膠槽收集了流淌的BCB，該方案徹底解決了BCB流淌性對可動部件的威脅。

圖7 BCB流淌情況試驗

4 樣品制作和測試

應用優(yōu)化過的BCB鍵合方案制作了三層硅結構加速度敏感芯片，如圖8。經過封裝、測試，性能合格。該工藝方案可控性強、重復性好，能夠滿足批量生產要求。

圖8 三層硅圓片和封裝樣品

按照GJB 548B—2005中方法1014.2和2019.2測試了10個芯片的密封性和鍵合剪切強度。氦作為示蹤氣體的放射性同位素細檢和氟油粗檢測試了樣品密封性，樣品漏率小于1.0×10-10Pa·m3/s。用剪切強度測試機測得樣品剪切強度大于20 MPa，見表1。樣品密封性和鍵合強度滿足MEMS器件應用要求。

表1 剪切強度測試結果

5 結 論

本文研究了應用于三層硅加速度敏感芯片的BCB鍵合技術，通過試驗發(fā)現(xiàn)，固化過程中BCB流動性變大，在表面張力作用下，沿著細小的阻尼間隙流淌到質量塊與蓋板之間，導致質量塊粘連，器件失效。

通過在上下蓋上增加阻膠槽，收集流淌的BCB，阻擋BCB向質量塊的流淌，很好地解決了可動部件粘連問題。

用BCB鍵合技術制作了三層硅加速度芯片，樣品漏率小于1.0×10-10Pa·m3/s，鍵合剪切強度大于20 MPa。利用該工藝方案可以制作振動、沖擊、過載等各類加速度傳感器，適用于航空、工業(yè)、消費電子等各個領域。

[1] 樊尚春,彭春榮.硅壓阻式傳感器的溫度特性及其補償[J].微納電子技術,2003,8(7)：484-488.

[2] 袁明權，孫遠程.基于圓片級陽極鍵合封裝的高g值壓阻式微加速度計[J].傳感器與微系統(tǒng)，2013,32(5)：111-117.

[3] Hsu Tai-Ran.MEMS Packaging.微機電系統(tǒng)封裝[M].姚 軍,譯.北京：清華大學出版社,2006：19-34.

[4] 李蘇蘇，陳 博.苯并環(huán)丁烯作為鍵合介質的硅硅鍵合研究[J].集成電路通訊，2011,29(1)：3-12.

[5] 劉玉菲，吳亞明，李四華,等.一種圓片級微機械器件和光電器件的低溫氣密性封裝方法：中國，CN1821052A[P].2006—01—13.

[6] Yang Yongliang.A dynamic collision model for improved over-range protection of cantilever-mass micromechanical accelerometers[J].Microelectronics Journal,2010(41)：331-337.

[7] 趙璐冰,徐 靜,鐘少龍.MEMS光敏BCB硅—硅鍵合工藝研究[J].傳感器與微系統(tǒng)，2014,33(8)：48-51.

[8] 劉 磊.基于BCB鍵合的MEMS加速度計圓片級封裝工藝[J].電子科技，2012,25(9)：9-12.

[9] 何洪濤.一種基于BCB鍵合技術的新型MEMS圓片級封裝工藝[J].微納電子技術，2010,47(10)：629-633.

[10] The Dow Chemical Company．Processing Procedures for CYCLOTENE 3000 Series Dry Etch Resins[M]．USA:The Dow Chemical Company，2008．

[11] 王永剛，田 雷，劉智輝.基于毛細作用的圓片級互聯(lián)技術[C]∥第十二屆全國敏感元件與傳感器學術會議論文集，昆山，2012：269-270.

Research on BCB bonding process of acceleration sensitive chip made of three-layer Si wafer

LIU Zhi-hui， TIAN Lei， LI Yu-ling， YIN Yan-zhao

(The 49th Research Institute,China Electronics Technology Group Corporation， Harbin 150001，China)

Fabrication of three-layer Si structure MEMS piezoresistive acceleration sensitive chips by BCB bonding is carried out.Bonding with Benzo-cyclo-butene(BCB)is suitable for MEMS wafer level packaging because of its low process temperature and low requirement for surface.But viscosity of BCB reduce and liquidity increase while the temperature rise,BCB flows along the micro-gaps due to the capillary-effect,which leads to conglutination of movable structure and failure of the device.By controlling thickness of BCB,and adding overcome groove resolve problem of conglutination of movable structure three-layer Si structure acceleration chips is fabricated.Cell samples is tested，bonding shear strength is more than 20 MPa and hemeticity is less than 1.0×10-10Pa·m3/s，which meets requirement for fields such as aviation，industry and consumptive device.

MEMS；three-layer Si； accelerometer； BCB； bonding； capillary-effect

10.13873/J.1000—9787(2015)03—0037—03

2015—01—06

TN 305.9

A

1000—9787(2015)03—0037—03

劉智輝(1987-)，男，山西呂梁人，助理工程師，主要從事加速度傳感器研究。