Au-Al共晶鍵合在MEMS器件封裝中應(yīng)用的研究*

肖 斌, 鄺云斌, 虢曉雙, 侯占強,

(1.國防科技大學(xué) 智能科學(xué)學(xué)院,湖南 長沙 410073；2.湖南省MEMS工程技術(shù)研究中心,湖南 長沙 410073)

0 引 言

隨著微機電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system,MEMS)技術(shù)的飛速發(fā)展,越來越多的行業(yè)開始使用MEMS器件代替現(xiàn)有的儀器設(shè)備。由于MEMS器件尺寸小,受外界環(huán)境的干擾會嚴(yán)重影響測量精度,所以現(xiàn)在廣泛采用真空封裝的方式為器件內(nèi)部系統(tǒng)構(gòu)建穩(wěn)定的工作環(huán)境[1,2]。真空封裝存在加工難度大,良品率低、成本高的問題[3],所以,研究改進封裝工藝,可以提升MEMS器件的可靠性,降低成本[4]。真空封裝方式主要分成兩大類：器件級真空封裝和圓片級真空封裝,圓片級封裝是指將MEMS器件整體在真空環(huán)境下進行封裝、劃片的封裝工藝,這種工藝良品率好,可靠性高,可以減小器件的尺寸,適合批量生產(chǎn)[5]。

圓片級封裝最重要的工藝是鍵合,常見的鍵合方式有硅—硅鍵合、陽極鍵合、玻璃漿料鍵合和共晶鍵合。硅—硅鍵合具有熱應(yīng)力小的優(yōu)點,但是對硅片表面的粗糙度和清潔程度要求較高,工藝難度較大；陽極鍵合工藝成熟,但玻璃和硅兩種材料存在一定的應(yīng)力影響；玻璃漿料鍵合工藝過程耗時長,熱應(yīng)力較大,鍵合區(qū)域所需面積大,不利于后期的集成。共晶鍵合采用金屬作為鍵合材料,可以提供很好的密封性和機械強度,采用較窄的金屬密封圈可以實現(xiàn)對整個MEMS器件的有效封裝。Au和Al兩種金屬是半導(dǎo)體工藝中廣泛應(yīng)用的材料[6],具有成本低、加工工藝成熟的優(yōu)點,易于實現(xiàn)工程化,而且由于Au和Al的可塑性較好,通過升溫和加壓使Au和Al之間形成緊密、均勻的接觸,使得鍵合對Au和Al的表面粗糙度不敏感[7]。為了實現(xiàn)低成本、高可靠性的鍵合工藝,本文主要開展了圖形化的蓋帽和襯底之間的Au-Al共晶鍵合實驗研究,探索不同鍵合溫度、不同金屬層厚度和不同結(jié)構(gòu)的密封圈對Au-Al共晶鍵合質(zhì)量的影響規(guī)律。經(jīng)過比較不同鍵合溫度、不同金屬層厚度和不同結(jié)構(gòu)的密封圈得到的鍵合強度等結(jié)果,分析獲得共晶鍵合的最優(yōu)工藝參數(shù),提高MEMS器件封裝的可靠性。

1 Au-Al共晶鍵合原理

Au-Al共晶鍵合是通過加熱、加壓等方式使Au和Al之間形成共晶化合物的過程。Au-Al相圖如圖1所示,Au-Al共晶體系中共存在5種金屬間化合物相：AuAl2,AuAl,Au2Al,Au5Al2和Au4Al。

圖1 Au-Al相圖

這些金屬間化合物不是同時產(chǎn)生的,而是依次形成的[8,9]。隨著溫度升高,最先在金屬接觸面上出現(xiàn)的是富金化合物,50 ℃時開始出現(xiàn)少量的Au2Al;80 ℃時,Au2Al產(chǎn)生的同時會出現(xiàn)Au5Al2；當(dāng)溫度增高到125 ℃以后,已經(jīng)生成的Au2Al會開始轉(zhuǎn)化為Au5Al2;進一步加熱至175 ℃,產(chǎn)生Au4Al；當(dāng)加熱到230 ℃時,Au2A1將轉(zhuǎn)化為富鋁化合物AuAl2[10]。通過分析可以發(fā)現(xiàn),Au和Al之間的相互擴散機制非常活躍,這就可能會導(dǎo)致柯肯達(dá)爾效應(yīng)的產(chǎn)生,并在鍵合處形成柯肯達(dá)爾空洞[11]。

柯肯達(dá)爾效應(yīng)是指兩種金屬產(chǎn)生共晶反應(yīng)后,由于其中一種金屬向另一種金屬中的擴散速度更快,在擴散速度快的一側(cè)將會留下大量的空位,這些空位聚集以后將會形成孔洞被稱為柯肯達(dá)爾空洞,這會導(dǎo)致封裝后的器件難以長時間保持較高的真空度,并且會降低鍵合的強度。在Au-Al共晶反應(yīng)中,Au向A1中的擴散速度要比A1向Au中的擴散速度快得多,因此，在Au一側(cè)將會留下大量的空位[12]。在持續(xù)的加熱過程中,擴散過程會持續(xù)擴散直至所有的Au或Al被消耗完。這意味著即使是在降溫退火的過程中,在其他條件不變的情況下,只要溫度符合共晶反應(yīng)的條件,那么共晶反應(yīng)仍然會繼續(xù)發(fā)生,所以，最終化合物的特性不但取決于鍵合的時間和原料的比例,退火溫度和時間也會造成影響。

為了避免柯肯達(dá)爾空洞對鍵合效果的影響,在實際的加工中選擇合適的工藝參數(shù)是非常重要的。理想的情況是，鍵合面上形成足夠多的共晶化合物,保證鍵合強度；同時Au層和Al層不會被消耗完,防止鍵合層與硅分離,影響鍵合效果。綜上所述,鍵合溫度、金屬層的厚度和作為鍵合區(qū)域的密封圈的結(jié)構(gòu)是影響鍵合質(zhì)量的關(guān)鍵因素。對于溫度,既要保證有足夠的溫度加快反應(yīng)產(chǎn)生足夠的Au-Al化合物,還要避免持續(xù)的高溫產(chǎn)生柯肯達(dá)爾空洞；對于金屬層厚度,既要考慮要有足夠量的金屬,還要考慮在實際加工中,是否能將金屬和硅襯底有效粘連；對于密封圈的結(jié)構(gòu),由于原片的加工環(huán)境不是完全無塵的,在實際的加工過程中,可能會出現(xiàn)顆粒粘附在密封圈上的情況,這會導(dǎo)致該區(qū)域的金屬由于顆粒的存在不能緊密地接觸而無法有效鍵合,因此,有必要研究如何避免顆粒對鍵合效果的影響。

2 實驗設(shè)計

本文使用蓋帽和襯底的鍵合模擬實際的MEMS器件的封裝過程,觀察Au厚度分別是200,400,600 nm以及鍵合溫度分別是250,300,350 ℃時的鍵合效果。結(jié)構(gòu)設(shè)計為硅片經(jīng)過濕法腐蝕后形成空腔作為蓋帽,取另一張硅片作為襯底,將兩張硅片進行鍵合。在空腔四周設(shè)計不同結(jié)構(gòu)的密封圈,密封圈的結(jié)構(gòu)分別是50 μm單環(huán)密封圈、150 μm單環(huán)密封圈、250 μm單環(huán)密封圈和50 μm三環(huán)密封圈,如圖2所示。

圖2 鍵合實驗所設(shè)計的密封圈結(jié)構(gòu)

蓋帽和襯底主要加工流程如圖3所示。

圖3 Au-Al共晶鍵合實驗工藝流程

蓋帽選用的硅片是4 in(1 in=2.54 cm)N型(100)雙拋硅片,厚度240 μm,襯底選用的是4 in N型(100)雙拋硅片,厚度500 μm。

1)首先清洗240 μm的硅片,烘干后在硅片上勻膠光刻,制作5 μm腔體；

2)在制作完腔體的一側(cè)濺射200 nm的Al層,勻膠光刻,制作出蓋帽上的密封圈圖形；

3)清洗500 μm硅片,烘干后在硅片上分別濺射200,400,600 nm的Au層,勻膠光刻,制作出襯底上的密封圈；

4)將蓋帽層硅片和襯底層硅片對準(zhǔn)；

5)設(shè)定以下參數(shù)進行鍵合：真空度5.73×10-5mBar,壓力1.11×104N,溫度分別為250,300,350 ℃,鍵合時間45 min,鍵合后40 min降至常溫。

3 性能結(jié)果與分析

3.1 金屬層厚度對鍵合效果的影響

本項實驗基于鍵合溫度為300 ℃條件下,對比厚度分別為200,400,600 nm的Au層對鍵合效果的影響。使用基恩士VHX—600 3D超景深測量顯微鏡對鍵合樣品的鍵合區(qū)域進行觀察和表征。Au層厚度為200 nm的鍵合樣品在鍵合完成后即上下片分離,說明沒有有效地鍵合到一起,該厚度的Au層不能滿足共晶鍵合的要求。使用3D超景深測量顯微鏡對剩余鍵合樣品的整體效果進行觀察,灰黑色的是鍵合好的區(qū)域,黃色的是沒有反應(yīng)的Au,白色的是空洞。可以看出,當(dāng)Au層厚度為400 nm時,鍵合樣品在拉力的作用下從Au和Al接觸面斷裂,如圖4,鍵合面上能看到較多沒有進行共晶反應(yīng)的Au,寬度為250 μm的密封圈鍵合面上存在明顯的空洞,如圖4(c)；當(dāng)Au層厚度為600 nm時,可以看到合面上的沒有進行共晶反應(yīng)的Au明顯減少,如圖5,寬度為250 μm的密封圈沒有出現(xiàn)空洞,寬度為50 μm和150 μm的密封圈上部分區(qū)域出現(xiàn)鍵合金屬層和硅分離的現(xiàn)象,有Au和硅分離,如圖5(b)和Al和硅分離,如圖5(c),說明此處的鍵合強度大于金屬和硅的粘連強度。

圖4 Au層厚度為400 nm

圖5 Au層厚度為600 nm

通過上述分析可以看出:當(dāng)Au層厚度為400 nm時,寬度為250 μm的密封圈存在明顯的空洞,其他結(jié)構(gòu)的密封圈均可以有效地避免空洞的產(chǎn)生。產(chǎn)生這種情況的原因是：密封圈寬度越大,對應(yīng)的壓強越小,較小的壓強不能使Au和Al產(chǎn)生致密的接觸,使得共晶反應(yīng)不活躍,無法形成符合要求的鍵合區(qū)域；Au層厚度為600 nm樣品的鍵合效果整體好于Au層厚度為400 nm的樣品。最優(yōu)的金屬層厚度分別是Au層600 nm,Al層200 nm。

3.2 鍵合溫度對鍵合效果的影響

本項實驗基于Au層厚度為400 nm條件下,對比溫度分別為250,300,350 ℃的Au層對鍵合效果的影響。觀測鍵合溫度為250,300,350 ℃的鍵合樣品,如圖6。可以看出,當(dāng)鍵合溫度為250 ℃時,鍵合樣品的鍵合界面在拉力的作用下從Au和Al接觸面斷裂,三種結(jié)構(gòu)的密封圈均出現(xiàn)了明顯的空洞,如圖中圓圈處；當(dāng)鍵合溫度為300 ℃時的鍵合情況見圖4；當(dāng)鍵合溫度為350 ℃時,鍵合樣品的鍵和界面在拉力的作用下均從Au和硅接觸面上斷裂,如圖7,三種結(jié)構(gòu)密封圈上的鍵合區(qū)域沒有明顯的空洞,說明在此溫度下,共晶反應(yīng)的速度比前兩種要快,導(dǎo)致Au層被完全消耗。

圖6 鍵合溫度為250 ℃

圖7 鍵合溫度為350 ℃

對上述分析可以看出,當(dāng)鍵合溫度在250 ℃時，三種結(jié)構(gòu)的密封圈均有明顯的空洞,這是因為溫度過低,Au-Al共晶反應(yīng)不充分沒有形成致密的鍵合區(qū)域而造成的；300 ℃時寬度為250 μm的密封圈空洞明顯,另外兩種密封圈結(jié)構(gòu)鍵合效果較好；350 ℃時,溫度較高,共晶反應(yīng)最充分,但三種寬度的密封圈都出現(xiàn)了經(jīng)過拉伸試驗后Au完全被消耗導(dǎo)致鍵合層與硅分離的情況,所以，在350 ℃的鍵合溫度下需要的Au比其他溫度更多。濺射較厚的Au層會增加工藝的復(fù)雜性和成本,綜合考慮,300 ℃是最佳溫度,但在此溫度下不能采用寬度為250 μm的密封圈。

3.3 不同結(jié)構(gòu)密封圈對鍵合效果的影響

為防止加工中出現(xiàn)粘附在密封圈上的顆粒,致使密封區(qū)域不能有效接觸導(dǎo)致無法鍵合,設(shè)計了單環(huán)密封圈和三環(huán)密封圈來進行驗證,如圖8。

圖8 鍵合溫度為350 ℃,Au層厚度為600 nm

通過對單環(huán)密封圈和三環(huán)密封圈對比,通過觀察發(fā)現(xiàn)通過共晶反應(yīng),在鍵合面上生成的共晶化合物會將顆粒包裹,所以即使粘附在鍵合區(qū)域顆粒,對于鍵合效果的影響可以忽略不計。

3.4 鍵合強度測試

使用數(shù)顯式推拉力計對樣品進行了鍵合強度拉伸試驗。根據(jù)上文實驗觀測和分析的結(jié)果,選擇鍵合溫度為300 ℃、Au層厚度為600 nm的鍵合樣品中的部分器件進行測試。結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同結(jié)構(gòu)密封圈的拉伸強度

對不同寬度密封圈的拉伸強度取平均值,得到相應(yīng)結(jié)構(gòu)的拉伸強度,如表1。

表1 鍵合樣品拉伸強度平均值

由實驗結(jié)果可知,鍵合時間、金屬層厚度和鍵合溫度相同的情況下,寬度為50 μm的單環(huán)密封圈鍵合拉伸強度最大,達(dá)到12.1MPa,經(jīng)過拉伸試驗斷裂處在金屬層和硅之間,說明該結(jié)構(gòu)共晶鍵合反應(yīng)充分,效果較好；50 μm三環(huán)結(jié)構(gòu)和50 μm單環(huán)結(jié)構(gòu)密封圈的寬度相同,區(qū)別在于環(huán)數(shù)不同,所以理論上兩種結(jié)構(gòu)具有相同的拉伸強度,但是實驗中兩種結(jié)構(gòu)的拉伸強度值不同,考慮到加工對準(zhǔn)和測試的誤差,可以認(rèn)為實驗結(jié)果符合理論預(yù)期；寬度為150 μm和250 μm的密封圈的鍵合強度相對較小,兩種結(jié)構(gòu)經(jīng)過拉伸的斷裂區(qū)域均在鍵合面上,說明在本實驗施加的溫度和壓力下共晶鍵合反應(yīng)不充分。

根據(jù)上述實驗,得到進行鍵合實驗的金屬層厚度、鍵合溫度和密封圈結(jié)構(gòu)的最佳參數(shù),其中金屬層厚度為Al層200 nm,Au層600 nm,鍵合溫度為300 ℃,密封圈寬度為50 μm。

4 結(jié) 論

本文研究了一種新的基于Au-Al共晶鍵合的封裝方法,這種方法具有可靠性好,易于加工的優(yōu)點,可以為MEMS器件選擇鍵合工藝提供參考。通過實驗重點研究了鍵合金屬層的厚度、鍵合溫度和作為鍵合區(qū)域的密封圈的結(jié)構(gòu)對鍵合樣品性能的影響,同時借助3D超景深測量顯微鏡對Au-Al共晶鍵合樣品界面的微觀結(jié)構(gòu)進行了分析。結(jié)果表明：當(dāng)鍵合溫度為300 ℃,Au層厚度為600 nm,Al層厚度為200 nm,采用寬度為50 μm的密封圈,此時鍵合樣品的綜合性能最好,力學(xué)性能達(dá)到最佳。證明Au-Al共晶鍵合等方法可以在MEMS器件真空封裝中應(yīng)用。