２０１５正 仪表技术与传感器 ２０１５ Ｎｏ．１０ 第１０期 Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ Ｓｅｎｓｏｒ 玻璃一硅微结构封装过程工艺参数对键合质量的影响 李 嘉 ，郭 浩 ，郭志平 ，苗淑静 ，王景祥 （１．内蒙古工业大学机械工程学院，内蒙古呼和浩特０１００５１；２．苏州大学机器人与微系统研究Ｖｐ，ｂ，江苏苏州２１５０２１） 摘要：通过ＭＥＭＳ封装试验平台，对键合过程中的键合温度、键合时间等工艺参数以及试验硅片规格进行试验研究。 通过改变键合温度、键合时间以及试验硅片规格等参数，进行玻璃一硅键合对比试验。计算每组对比试验的键合空隙率， 分析每组对比试验空隙率的数据，归纳总结影响键合质量的因素以及达到键合最佳效果的键合条件。试验结果表明：键 合电压为１ ２００ Ｖ，温度为４４５—４５５℃，键舍时间为６０ Ｓ时，空隙率小于５％，玻璃与硅片的键合质量达到最佳，为提高玻璃 一硅键合质量提供了依据。 关键词：ＭＥＭＳ；玻璃一硅键合；封装试验；空隙率 中图分类号：ＴＨ８７３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２—１８４１（２０１５）１０－０００４－０３ Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｎ Ｇｌａｓｓ．Ｓｉ Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｉｏｎ Ｂｏｎｄｉｎｇ Ｑｕａｌｉｔｙ Ｕ Ｊｉａ ，ＧＵＯ Ｈａｏ ，ＧＵＯ Ｚｈｉ—ｐｉｎｇ ，ＭＩＡＯ Ｓｈｕ￣ｉｎｇ ，ＷＡＮＧ Ｊｉｎｇ—ｘｉａｎｇ （１．Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｉｎｎｅｒ Ｍｏｎｇｏｌｉａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｏｈｏｏｔ ０１００５１，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｒｏｂｏｔ ａｎｄ ｍｉｃｒｏ ｓｙｓｔｅｍ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｃｅｎｔｅｒ ｆ ｏＳｏｏｃｈｏｗ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｕｚｈｏｕ ２１５０２１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ＭＥＭＳ ｐａｃｋａｇｉｎｇ ｔｅｓｔ ｐｌａｔｆｏｒｍ，ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｂｏｎｄｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｂｏｎｄｉｎｇ ｔｉｍｅ ａｎｄ ｔｅｓｔ ｓｉｌｉｃｏｎ ｗａｆｅｒ ｓｐｅｃｉｉｆｃａｔｉｏｎｓ ｅｔｃ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｃｈａｎｇｉｎｇ ｔｈｅ ｂｏｎｄｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｂｏｎｄｉｎｇ ｔｉｍｅ ａｎｄ ｔｅｓｔ ｓｉｌｉ— ｃｏｎ ｗａｆｅｒ ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ ｅｔｃ，ｔｈｅ Ｇｌａｓｓ—Ｓｉ ｂｏｎｄｉｎｇ ｃｏｎｔｒａｓｔ ｔｅｓｔ ｗａｓ ｍａｄｅ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ ｔｈｅ ｂｏｎｄｉｎｇ ｖｏｉｄ ｆｒａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｅａｃｈ ｃｏｍ－ ｐａｒｉｓｏｎ ｔｅｓｔ．ｔｈｅ ｖｏｉｄ ｆｒａｃｔｉｏｎ ｄａｔａ ｏｆ ｅａｃｈ ｇｒｏｕｐ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｂｏｎｄｉｎｇ ｑｕａｌｉｔｙ ｆａｃｔｏｒｓ ｗａｓ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｕｍ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｂｏｎｄｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｗａｓ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｂｏｎｄｉｎｇ ｖｏｈａｇｅ ｉｓ １２００Ｖ，ｂｏｎｄｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｓ ｆｒｏｍ ４４５℃ｔｏ ４５５℃，ｔｈｅ ｂｏｎｄｉｎｇ ｔｉｍｅ ｉｓ ６０ Ｓ，ａｎｄ ｔｈｅ ｖｏｉｄ ｆｒａｃｔｉｏｎ ｉｓ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ５％，ｂｏｎｄｉｎｇ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｇｌａｓｓ ａｎｄ ｓｉｌｉｃｏｎ ｗａｆｅｒ ｃａｎ ａｃｈｉｅｖｅ ｔｈｅ ｂｅｓｔ，ｔｈｕｓ ｐｒｏｖｉｄｉｎｇ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｂａｓｉｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｇｌａｓｓ ｓｉｌｉｃｏｎ ｂｏｎｄｉｎｇ ｑｕａｌｉｔｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＭＥＭＳ；Ｇｌａｓｓ—Ｓｉ ｂｏｎｄｉｎｇ；ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｉｏｎ；ｖｏｉｄ ｆｒａｃｔｉｏｎ ０引言 （如铝）失效以及和其他微加工工艺不相容。推荐的施加电压 一微机电系统（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）是将微机械 元件、微型传感器、微型执行器、信号处理与控制电路等集成于 一般在２００—１ ２００ Ｖ之间，其范围较宽，视具体玻璃材料性质 及所选键合温度来决定。随着施加电压的增加，导电离子的迁 体的微系统。直接键合技术，就是两块晶片间不加中间层， 移速率增加，达到平衡所需的时间缩短，即完成键合的时间减 少 。 直接用阳极键合的方式进行键合 。有些键合工艺，会使用一 些表面预处理方法，对晶片表面进行改性，达到降低键合温度 和提高键合强度等目的。硅和玻璃是最常用的直接键合材料， 具有反应温度低，键合强度高的优点。玻璃一硅直接阳极键合 目前，玻璃一硅阳极键合技术在３００～５００℃和２００～ １ ２００ Ｖ的条件下进行。当键合温度超过３００℃时，由于玻璃和 硅的热膨胀系数会有所变化，温度越高，变化越大，键合温度过 是微传感器封装过程中的重要工序。其封装质量直接影响传 感器的工作性能和工作的可靠性。 影响阳极键合质量的主要因素有很多，例如键合玻璃的热 膨胀系数、玻璃层的厚度、硅片的表面清洁度和平整度及封装 高，不但会引起大的残余应力，造成玻璃本身炸裂，严重影响键 合成品率，从而增加其封装成本，而且还会导致已存在部件的 结构和性能发生变化，甚至使之产生变形，使得键合质量降低。 而键合温度过低时，键合强度与键合效率变低，键合面的气泡 的结构。键合的工艺参数主要是指键合的温度和施加的直流 电压，控制键合温度和电压的目的是为了使玻璃层内的导电离 子迁移，以建立必要的电场。普遍认为，键合温度控制在３００— ５００℃较适宜，在此温度范围内，导电的钠离子具有足够的迁移 速率，超过５００℃的键合，将导致硅微电子工艺中的某些材料 基金项目：内蒙古自治区自然科学基金项目（２０１２ＭＳ０７３０）；中国博士后 科学基金项目（２０１４Ｍ５５ １６５５） 收稿日期：２０１４—１２－２５ 收修改稿日期：２０１５－０６－２７ 和空洞也难以减小或消除。所以键合温度对键合质量有很大 的影响，在保证键合质量的前提下，降低键合温度，具有重要意 义。 １试验方案 １．１试验设备 试验所用设备为苏州博实机器人公司所设计的ＭＥＭＳ封 装实验平台，它主要用于无尘干燥环境下的材料封装，主要结 构包括料盘进料机构、机械手自动化搬运模块、炉体组合、料盘 ６ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ Ｓｅｎｓｏｒ Ｏｃｔ．２０１５ 表２ ３９５－４８５ ｏＣ温度键合空隙率 硅片面积为４．５ ｍｌｌ＇ｌ时，空隙率高达９５％，键合质量很低。 ２．３键合时间对键合质量的影响 为了研究键合时间对键合结果的影响，设置了键合电压 １ ２００ Ｖ，温度４４５—４５５℃，键合时间２０ Ｓ、３０ Ｓ、４０ Ｓ、５０ Ｓ、６０ ｓ、 １２０ Ｓ、１８０ ｓ的对比试验，结果见表４。从表４可以看出，键合时 间大于６０ Ｓ时，键合空隙率小于５％，键合质量较好，因此为提 高键合效率，减少键合能源消耗，键合时间一般控制在６０ Ｓ。 表４ ２０ ｓ一１８０ Ｓ键合时间的键合空隙率 蔷 餐 州 ３结论 试验表明，利用ＭＥＭＳ封装试验平台能够提高封装过程中 图４ ３９５～４８５℃温度键合空隙率分布图 的操作准确性，准确控制键合的温度、电压和键合时间。键合 的质量依赖于键合温度、材料规格、键合时间以及制作工艺。 观察不同温度下的键合电流分布图５，可以发现，随着温度 的增加，温度越高键合过程中的初始电流越大。在键合开始 时，电流发生变化，但最后都下降至２０￣４０ ｍＡ左右，键合完成。 通过分析空隙率≤５％的电流数据发现，提高质量需要一个最 低的稳定电流７０ ｍＡ，键合质量会有所提高。 １６０ １４０ 《１２０ 试验表明，施加电压为１ ２００ Ｖ，键合时间６０ ｓ，键合温度在 ４４５～４８５℃，空隙率均能达到５％以下，键合质量良好。键合所 用硅片的规格越小，空隙率越大。键合时间长短对键合质量影 响较小，达到键合最低稳定电流后，键合在很短时间内完成。 参考文献： ［１］刘学如，胡泽，邹修庆．用于高压器件的实用硅一硅键合技术．微电 子学，１９９４，２４（３）：１０－１２． 昌ｉ００ 煺脚８０ ６Ｏ ４０ ２Ｏ （） ［２］李宏，微机电系统低温阳极键合用微晶玻璃的研究：［学位论文］． 武汉：武汉理工大学，２００８：５０－１３０． ［３］ 陈颖慧，施志贵，郑英彬，等，不同键合温度对低温硅一硅共晶键合 ５ １０ ｌ５ Ｚ０ ２５ ：ｊＵ ３５ ４【】 ４５ ５Ｏ ５５ ６ＩＪ ６６ 时间／ｓ 的影响．微纳电子技术，２０１３（９）：５７６—５８０． ［４］ ＧＥＯＲＧＥ Ｗ，ＤＡＮＩＥＬ Ｉ Ｐ．Ｆｉｅｌｄ ａｓｓｉｓｔｅｄ ｇｌａｓｓ－ｍｅｔａｌ ｓｅａｌｉｎｇ．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，１９６９，４０：３９４６． 图５ ３９５—４８５℃温度键合电流分布图 ２．２键合材料规格对键合质量的影响 ［５］ 张卓，汪学方，王宇哲，等．ＭＥＭＳ圆片级真空封装金硅键合工艺研 究．电子与封装，２０１１，１１（１）：１—４． 由于键合所用的硅片和玻璃的规格都十分微小，受封装结 构的，键合所用硅片的大小对封装的质量也有一定的影 响，为探索材料规格对空隙率的关系，对不同大小的硅片进行 键合试验，试验结果如表３。 表３不同硅片规格的键合空隙率 ［６］ 刘玉岭，王新，张文智，等．硅／硅键合新方法的研究．稀有金属， ２０００，２４（１）：１６—２４． ［７］ ＡＮＩＳＨ Ｓ．Ａｎｏｄｉｃ ｂｏｎｄｉｎｇ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒｓ—ｔｏ—ｓｉｌｉｃｏｎ ｆｏｒ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｎｇ ＭＥＭＳ ｄｅｖｉｃｅｓ ａｎｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒｓ．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｍｉ－ ｃｒｏｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．２００３，１３：３４６—３５１． ［８］林智鑫，王盛贵，刘琦，等．带有Ｓｉ３Ｎ４薄面的玻璃一硅一玻璃三层 结构的阳极键合．传感器与微系统，２０１３，３２（８）：６３—７Ｏ． 作者简介：李嘉（１９９０一），硕士研究生，主要从事微机电系统方面的研 究。Ｅ—ｍａｉｌ：１２１０１１７０７＠ｑｑ．ｃｏｎ 郭浩（１９８４一），博士，讲师，主要从事机器人及微机电领域的 从表３可以看出，空隙率与键合所用硅片的大小有着密切 研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｇｕｏ＠ｓｕｄａ．ｅｄｕ．ｃｎ 关系，当键合硅片面积逐渐减小时，空隙率逐渐增大，键合质量 逐渐下降。由于施加键合压力的压盘面积远大于硅片面积，当
