石墨烯MEMS 壓力傳感器Au/Sn 共晶鍵合氣密性封裝

朱澤華，王俊強， ，陳緒文，齊 越

(1.中北大學 儀器與電子學院，山西 太原 030051;2.中北大學 前沿交叉科學研究院，山西 太原 030051)

二維材料石墨烯擁有高達1 TPa 的楊氏模量[1]以及高達20%的拉伸變形[2]，具有優異的壓阻效應特性和極高的MEMS 工藝加工兼容性，已成為壓力傳感器敏感單元的首選材料[3-4]。隨著石墨烯MEMS 壓力傳感器的發展以及量程的不斷增大，高質量氣密性封裝顯得尤為重要[5]。石墨烯大量程壓力傳感器封裝的主要目的是獲得絕壓環境，為確保石墨烯壓力傳感器在大量程壓力下穩定工作，開發一種高質量氣密性封裝是提升石墨烯壓力傳感器工作性能的關鍵。

目前MEMS 壓力傳感器通常使用陽極鍵合與金屬共晶鍵合等技術來實現芯片氣密性封裝[6-9]。陽極鍵合雖然具有工藝簡單、鍵合強度高、適合大批量生產等優點，但是在鍵合過程中要施加大約1 kV 的電壓，遠遠大于石墨烯的擊穿電壓[10]，因此不適用于石墨烯壓力傳感器的氣密性封裝。與陽極鍵合技術相比，金屬共晶鍵合殘余應力和翹曲變形小、強度高、氣密性高[11]。常見的金屬共晶鍵合有Cu/Sn、Au/Sn等[12-13]。目前，應用于石墨烯MEMS 壓力傳感器的氣密性封裝主要采用Cu/Sn 鍵合，但是Cu/Sn 鍵合時間長，一般為15 min 左右[14]，長時間的溫度作用容易引起石墨烯敏感單元電阻發生較大的突變。為此，開發一種時間短、高穩定性石墨烯MEMS 壓力傳感器金屬鍵合方法顯得尤為重要。Au/Sn 鍵合因具有鍵合速度快、工藝兼容性高和氣密性好等優點，常常用于MEMS 器件的氣密性封裝[15-16]。陳繼超等[17]對Au/Sn 焊片共晶鍵合的氣密性進行了研究，通過設計密封環多層材料結構，實現了良好的鍵合效果，其氦泄漏率和鍵合強度均滿足相關標準要求。胥超等[18]研究了Au/Sn 鍵合技術在MEMS 傳感器封裝中的應用，通過工藝優化獲得較高的鍵合質量。

本文基于Au/Sn 鍵合技術對石墨烯MEMS 壓力傳感器氣密性封裝進行了研究。首先通過金屬磁控濺射工藝完成鍵合密封環制備，然后利用倒裝焊鍵合工藝實現石墨烯MEMS 壓力傳感器芯片的氣密性封裝，最后通過對鍵合后芯片的鍵合界面能譜、剪切力、氣密性和電學性能測試，驗證了該技術在石墨烯MEMS 壓力傳感器氣密性封裝中應用的可行性。

1 石墨烯壓力傳感器Au/Sn 鍵合實驗

1.1 石墨烯壓力傳感器密封環設計

利用電子束蒸發工藝在芯片與基板表面制作鍵合密封環，通過倒裝焊技術實現芯片與基板的氣密性封裝。實驗芯片選取2 寸晶圓(N 型，(100)晶向，厚度(250±10) μm，電阻率＞1 kΩ·cm)進行試驗，基板選取2 寸晶圓(N 型，(100)晶向，厚度(400±10) μm，電阻率1～10 Ω·cm)。為確保Au/Sn 在鍵合過程中形成Au5Sn、AuSn 高強度共晶合金，選用質量分數為80%的Au 和20%的Sn。圖1(a)為鍵合密封環形狀尺寸，密封環外圍尺寸為6000 μm×6000 μm，線寬1900 μm。圖1(b)為Au/Sn 鍵合密封環多層結構，在壓力傳感器芯片晶圓上制作Cr/Au 金屬層，在基板上制作Cr/Au/Sn/Au 金屬層，其中Cr 作為Au 與襯底之間的黏附層，由于Sn 暴露在空氣中容易被氧化，為此在Sn 表面蒸發一層3 nm 的Au 用于隔絕空氣，保證鍵合質量。圖1(c)為石墨烯壓力傳感器芯片與基板鍵合后的示意圖。

圖1 Au/Sn 鍵合結構示意圖Fig.1 Schematic of Au/Sn bonding structure

1.2 石墨烯壓力傳感器工藝流程設計

圖2 所示為2 寸晶圓石墨烯壓力傳感器的工藝制作流程。首先，利用低壓力化學氣相沉積(LPCVD)設備在硅片表面生長一層厚度為110 nm 的絕緣層SiNx(圖2(a));其次，使用磁控濺射設備在晶圓背面沉積金屬密封環，厚度分別為50 nm 的Cr 和400 nm 的Au(圖2(b));第三，使用反應離子刻蝕(RIE)設備刻蝕待腐蝕方腔表面的SiNx，刻蝕速率200 nm/min;第四，在第三步的基礎上，將2 寸晶圓放置在質量分數為48%KOH 溶液中水浴加熱至85 ℃腐蝕硅杯壓力腔，腐蝕速率1.12 μm/min (圖2(c));第五，利用雙面光刻方法，并使用反應離子刻蝕(RIE)設備刻蝕2 寸晶圓正面表面的SiNx以形成劃片槽;第六，使用磁控濺射設備在晶圓正面沉積厚度分別為15 nm 的Cr 和25 nm 的Au 以形成底電極(圖2(d));第七，使用隱形激光劃片機將2 寸晶圓劃成尺寸為15 mm×15 mm 的小片，為后續石墨烯轉移做準備;第八，通過濕法轉移技術將石墨烯轉移到目標襯底上，并使用反應離子刻蝕(RIE)設備刻蝕石墨烯獲得目標圖形(圖2(e));第九，使用機械劃片機將晶圓裂成6.5 mm×6.5 mm 的小芯片。

圖2 石墨烯壓力傳感器芯片工藝流程示意圖Fig.2 Schematic of graphene pressure sensor chip process

圖3 所示為基板上Au/Sn 鍵合密封環制作工藝流程。首先，利用等離子體化學氣相沉積(PECVD)設備在2 寸晶圓表面沉積一層厚度為200 nm 的絕緣層SiNx(圖3(a));隨后，使用電子束蒸發設備蒸發厚度分別為50/400/500/3 nm 的Cr/Au/Sn/Au (圖3(b)) ;最后，使用機械劃片機將晶圓裂成6.5 mm×6.5 mm 的小芯片。

圖3 基板工藝流程示意圖Fig.3 Schematic diagram of substrate process

1.3 石墨烯壓力傳感器Au/Sn 鍵合工藝流程

本實驗使用FC150 型倒裝焊機進行Au/Sn 共晶鍵合，主要包含以下三個步驟:

(1)前處理。分別使用丙酮、異丙醇及去離子水對樣品各超聲清洗5 min，并用氮氣槍吹干。隨后使用Ar 離子體設備處理鍵合表面以活化鍵合金屬層;

(2)密封環對準。使用內置顯微鏡將芯片密封環與基板密封環進行對準;

(3)鍵合條件。鍵合初始階段，在30 s 內將溫度升至280 ℃，隨后在280 ℃溫度下施加8 kN 的壓力并保持6 min。為避免氧氣對Au/Sn 鍵合質量的影響，最后在1 min 內將溫度降至室溫。在0～120 s 內通入流量為3.75 mL/min 的甲酸氣體，用以防止Sn 氧化，隨后持續通入N2來去除甲酸殘留物并提供無氧的鍵合環境。具體鍵合條件如圖4 所示。鍵合完成后的石墨烯MEMS 壓力傳感器如圖5 所示。

圖4 Au/Sn 鍵合條件Fig.4 Au/Sn bonding conditions

圖5 石墨烯MEMS 壓力傳感器鍵合樣品Fig.5 Graphene MEMS pressure sensor bonding device

2 結果與討論

2.1 密封環厚度分析

使用聚焦離子束(Helios 5 UX，Thermo Scientific)設備對石墨烯壓力傳感器芯片及基板密封環的實際厚度進行測量，結果如圖6 所示。由圖6(a)可以看出，壓力傳感器芯片密封環Cr/Au 厚度分別為49.99 和405.9 nm。圖6(b)展示了基板密封環Cr/Au/Sn/Au實際厚度，分別為50.12，403.9，506.4，2.739 nm。

圖6 Au/Sn 鍵合金屬密封環分析Fig.6 Au/Sn bonding sealing ring test chart

2.2 鍵合界面分析

通過SEM(Quanta 250，FEI)對Au/Sn 鍵合界面微觀結構進行檢測，結果如圖7(a)所示，鍵合界面無空洞，質量較高。利用能譜分析儀(EDS)對鍵合面金屬元素進行分析，測試結果如圖7(b)所示，結果表明Au 和Sn 元素的質量分數分別為81.62%和16.70%。此外鍵合界面元素分析結果可以得到Au 和Sn 的原子個數比為3.14，即Au/Sn 鍵合界面由Au5Sn 和AuSn相組成，符合Au/Sn 共晶合金組分。

圖7 Au/Sn 鍵合界面分析Fig.7 Au/Sn bonding interface test chart

2.3 剪切力測試

使用拉力剪切力測試儀(DAGE-4000，Nordson Dage)對鍵合后的石墨烯MEMS 壓力傳感器芯片進行剪切力測試，結果如圖8 所示。鍵合完成的樣品最大剪切力和最小剪切力分別為24.23 MPa 和15.51 MPa，平均剪切力為20.88 MPa。本實驗鍵合密封環面積為31.16 mm2，依據GJB548B-2005 計算出樣品的最小剪切力為7.60 MPa，測試結果均滿足要求，此外樣品失效類型為g 級——基板斷裂。

圖8 剪切力測試結果Fig.8 Test results of the shear strength

2.4 氣密性測試

依據GJB548B-2005，采用氦質譜檢漏儀(UL1000 FAB，Inficon)對鍵合后的石墨烯壓力傳感器進行氣密性測試，本實驗空腔體積約為0.1 mm3，漏率限值為5×10-3Pa·cm3/s。首先選取10 個待測鍵合傳感器樣品放入氣密檢漏臺中，在517 kPa 壓力環境下保壓2 h，隨后將去除表面氦氣的壓力傳感器樣品放入氦質譜檢漏儀中進行氦氣檢測。氣密性測試結果如圖9 所示。平均漏率為4.91×10-4Pa·cm3/s，此外最大漏率為6.26×10-4Pa·cm3/s，遠小于標準規定的漏率值。

圖9 氣密性測試結果Fig.9 Test results of the hermeticity

2.5 電學測試

為了驗證石墨烯壓力傳感器在280 ℃環境下鍵合完成后敏感結電阻的穩定性，使用探針臺(B1500A，Agilent)測試5 個芯片敏感結鍵合前后電阻值，測試結果如表1 所示。鍵合前敏感結電阻在6.912～7.782 kΩ之間，平均值為7.423 kΩ。鍵合后敏感結電阻在7.194～7.506 kΩ 之間，平均值為7.353 kΩ。與鍵合前相比，鍵合后敏感結電阻平均值變化了1.1%，優于Wang 等[14]采用Cu/Sn 鍵合后石墨烯敏感結電阻平均值變化量4.2%，表現出較高的穩定性。

表1 導電性測試結果Tab.1 Conductivity test results

3 結論

本文對石墨烯MEMS 壓力傳感器Au/Sn 共晶鍵合氣密性封裝進行研究，設計制備了石墨烯壓力傳感器鍵合芯片與基板，利用倒裝焊實現壓力傳感器芯片鍵合封裝。實驗結果表明，鍵合界面金屬化合物Au 和Sn 原子個數比為3.14，符合Au/Sn 共晶合金成分，平均剪切力為20.88 MPa，平均漏率為4.91×10-4Pa·cm3/s，滿足GJB548B-2005 的要求，相對于傳統的Au/Sn，鍵合成本更低，剪切力和氣密性較高。此外，電學測試結果表明，鍵合溫度280 ℃，持續時間6 min，鍵合完成后石墨烯敏感結平均值變化了1.1%，相比于Cu/Sn 鍵合，其鍵合時間較短，敏感結電阻穩定性較高，為石墨烯壓力傳感器低成本、高效率氣密性封裝奠定了基礎。