MEMS封装用局部激光键合法及其实现

MEMS封装用局部激光键合法及其实现

半导体光电 2008年6月第29卷第3期成 立等: MEMS封装用局部激光键合法及其实现

材料、结构及工艺

MEMS封装用局部激光键合法及其实现

成 立,王 玲,伊廷荣,植万江,范汉华,王振宇

(江苏大学电气与信息工程学院,江苏镇江212013)

摘 要: 对常规激光键合在Si 玻璃键合工艺中因高温而引起的负面效应进行了分析,从而设计出芯片表面活化预键合与激光键合工艺相结合的方法。该方法已用于微电子机械系统(MEMS)样片封装实验中。实验过程是:先用一种特殊的化学方法形成亲水表面,然后将Si和玻璃置于室温下进行预键合,最后取波长1064nm、光斑直径500 m、功率70W的Nd YAG激光器作局部激光加热。结果表明,该方法在不施加外力下能实现无损伤低温键合,同时拉伸实验也说明了样片键合强度达到2.6~3.0MPa,从而既保证了MEMS芯片的封装质量又降低了其封装成本。

关键词: 微电子机械系统;局部激光键合;表面活化;预键合;固体激光器

中图分类号:TN305.2 文献标识码:A 文章编号:1001-5868(2008)03-0345-04

LocalLaserBondingMethodandItsImplementationonMEMSChipPackage

CHENGLi,WANGLing,YITing rong,ZHIWan jiang,FANHan hua,WANGZhen yu

(InstituteofElectricityandInformation,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,CHN)

Abstract: Itwasanalyzedthatconventionallaserbondingcouldalleviateadverseeffectwhichwascausedbythehightemperatureinsilicon glassbondingprocess.Soanovelmethodthatwasthecombinationofsurfaceactivatedpre bondingandlaserbondingwasdesigned.Thismethodwasusedforanexperimentonmicro electro mechanicalsystem(MEMS)chippackage.Firstly,aspecialchemicalsolutionwasusedtogeneratehydrophilicbondingsurface,thenthesilicon glasspre bondingwasaccomplishedatroomtemperature.Atlasttheselectedlaserwithawavelengthof1064nmwasusedanditsfocusspotdiameterwas500 mandpowerwas70W.Theexperimentresultsshowthatthepre bondingpairsarebondedlocallyandthebondingstrengthevenreaches2.6~3.0MPawithoutanyexternalpressure.Withthesecharacteristics,thismethodimprovesthepackagequalityofMEMSproductionsandreducestheircosts.

Keywords: MEMS;locallaserbonding;surfaceactivated;pre bonding;solidlaser

1 引言

微电子机械系统(MEMS)封装与微电子封装的区别在于:MEMS成品常与外界接触,这使得MEMS微器件封装比集成电路(IC)的封装价格更为昂贵,据统计,一般IC封装成本只有MEMS封装成本的30%左右

[1]

装质量和成品率,造成它的封装成本居高不下。近几年来半导体芯片键合法取得了一些研究成果,如Si-Si阳极键合(300~450 )、Au-Si共晶键合和芯片对的熔融键合等。然而,在MEMS封装中的高键合温度不但会引起大的残余应力,造成玻璃本身破裂,而且还会导致MEMS内部器件结构及性能发生变化,造成MEMS的产品质量下降。为了提高MEMS微器件成品的封装质量,一些新型的激光键合方法应运而生。这些方法采用局部加热法或快速

。诸多因素影响着MEMS的封

收稿日期:2008-03-11.

基金项目:国家 863 计划项目(2006AA10Z258).

MEMS封装用局部激光键合法及其实现

SEMICONDUCTOROPTOELECTRONICS Vol.29No.3June2008

加热法,例如电阻微热键合、快速热处理和局部激光键合法等。其中局部激光键合法具有以下优点:(1)局部非接触加热。这避免了对周围材料特别是敏感元器件的热冲击;(2)时间和温度参数可控。针对不同元器件类型实时控制键合工序,通过编程优选键合参数,可重复操作性较强;(3)根据键合材料的性质,选择不同波长的激光器,如CO2激光器、掺钕钇铝石榴石(Nd YAG)激光器或半导体激光器等;(4)利用光纤传输激光能量,灵活性强;(5)对于形状复杂的MEMS芯片具有独到之处,特别是对激光设备难以达到的区域作选择性的加热。

图1是Si 玻璃芯片进行局部激光键合的示意图,先在厚玻璃盖板边缘施加压力,这使被键合芯片得以紧密接触,然后再用激光束完成键合。图示装置虽然简单,但存在着一些缺点:(1)在键合界面对焦前,激光束要穿过玻璃盖板与Si 玻璃芯片之间的界面(见图1),但是Si 玻璃键合芯片相对于玻璃盖板而言较薄。由于两个界面之间距离极短,所以控制激光准确的在界面对焦相当困难;(2)不相等的力及玻璃盖板的凹凸不平会在Si 玻璃芯片上施以不对称的力,这使Si 玻璃芯片产生裂痕;(3)达到紧密贴合界面所需的压力相当大,如此大的力需要安装厚玻璃盖板,而厚玻璃盖板又会吸收掉一些激光能量,因而降低芯片的吸收率,导致盖板局部温升,随之盖板各处的温度不均衡。大的外在压力和非均衡的温度极易损坏玻璃盖板。

为了解决上述问题,设计出表面活化预键合与局部激光键合工艺相结合的方法。

的高机械强度和成熟的制备工艺,使其仍是MEMS微构件、集成传感器和微制动器等的主要材料;而玻璃则是一种电绝缘、光学透明材料,它具有高机械强度和化学稳定性。上述两种材料都能制作高精度微结构件,因而常在MEMS封装中搭配使用。虽然玻璃的种类很多,但在MEMS封装中使用何种玻璃,需考虑它与硅片的热匹配以及处于探测波段内的透明度,以及与生化分析物质的兼容性等问题。常用的玻璃材料有:与Si的热膨胀系数相接近的派来克斯高硼(Pyrex型)玻璃和宽透明光谱的石英玻璃等。由于有的塑料(如聚甲基丙烯酸甲脂PMMA)具有生化兼容的特性,且具有易经过浇铸、热压等工序批量生产的优点,所以目前PMMA正在成为MEMS封装的首选材料。

2.2 激光器的选用

表1给出常用的Si、Pyrex玻璃和PMMA对CO2激光器、Nd YAG激光器和半导体激光器的波长 的透明度。由于大部分玻璃和塑料在CO2激光波长处都有很高的吸收率,而CO2激光器的波长只有10.6 m,故它比较适用于薄膜键合,并不适合MEMS封装。Nd YAG和半导体激光器的波长相差无几,在玻璃和塑料中它们的热效应也大致相当,所以本次实验选用Nd YAG连续式固体激光器。

表1 三种材料对不同激光器波长的光学特性激光器材料SiPyrex玻璃PMMA

CO2Nd YAG半导体 =10.6 m =1.06 m =0.7~1 m

透明不透明不透明

不透明透明透明

不透明透明透明

2.3 局部激光原理

因为激光具有良好的传导和聚焦特性,经过聚焦后可将能量集聚于一点,所以激光束能在短时内使被激区内温度急剧上升,达到选定区域内键合的目的。然而,激光键合需光束聚焦于被键合芯片界面处,这就要求某键合芯片对之一被激光穿透,而另

图1 Si 玻璃芯片的局部激光键合

一片则对激光有良好的吸收率。近红外区域硅的吸收光谱和Pyrex玻璃的传播光谱如图2所示。由图可见:对波长1064nm的Nd YAG激光器Pyrex玻璃是透明的,故激光不但可以完全穿透Pyrex玻璃,而且对于波长1064nm的激光器而言硅片也有良好的吸收率(约35%)[2~6]。

在键合过程中大量的激光束穿过透明材料到达

2 局部激光键合法及其工艺实现

2.1 Si和玻璃等MEMS封装材料

Si、玻璃和塑料是目前MEMS领域最为重要的封装材料。Si作为IC制备中用得最多的材料,它

MEMS封装用局部激光键合法及其实现

半导体光电 2008年6月第29卷第3期成 立等: MEMS封装用局部激光键合法及其实现

Si表面。而硅片吸收光能,产生大量的热能,融化靠近芯片界面之局部薄层。因为Si熔融温度很高,所以透过玻璃薄层Si也会融化;两个融化层既避免接触间隙,又保证良好的键合效果,故形成极强的化学贴合;由于激光尺寸和运动都能起到调节作用,所

以激光辐射和熔融区域都得到有效的控制。

在的杂质颗粒大部分与H2SO4反应生成溶于水的硫酸盐,所以可以有效去除表面金属杂质颗粒。实验时明显可见硫酸中浸泡芯片表面集聚了大量的小气泡,经过一段时间后,气泡逐渐减少并消失,这一现象说明了表面杂质已被清除。因HF是腐蚀SiO2的常用剂(SiO2+6HF

2SiF6+2H2O),故

浸入HF中可去除芯片表面的氧化层。

上述每一步处理后先用去离子水冲洗,然后再旋转甩干,以去除表面的水分子;同时用红外光升高温度,以缩短甩干时间。经过这样的一系列工艺处理后,芯片表面悬挂大量的OH-,随即将两芯片在室温下迅速贴合,这样在室温下表面活化预键合就得以完成。处理后的芯片只是暂时地贴合在一起,很小的力就能将其拉开,所以还要经过激光加热以达到足够大小的键合强度。在进行贴合时应当注意:两样片一次性平稳接触并贴合,以后不再改变其

图2 近红外区Si和Pyrex玻璃的吸收/传播率

相对位置,否则容易拉断表面形成的化学键[7~9]。3.3 局部激光加热工序

将表面活化预键合完毕的样片,在无任何外力作用下直接置于激光束下;激光束聚焦在Si 玻璃芯片之间的键合区域,激光功率为70W;激光束以5mm/s的速率直接扫描需键合区域的界面,使所选择区域熔融受热,从而达到局部键合的效果。如此重复上述激光加热工序6次。

3 键合法工艺流程及实验方案

3.1 键合芯片加工流程

在拟定的局部激光键合实验方案中,每一键合芯片对都要经过图3所示的工艺流程。实验中p型硅片直径为38mm、厚380 m、100晶向;厚525 m的7740Pyrex玻璃 Si片切割成6mm 6mm样片;使用波长1064nm、光斑直径500 m的Nd YAG

激光器来完成局部激光加热工序。

4 实验结果与分析讨论

4.1 预键合界面状况

经过表面活化处理后观察Si 玻璃芯片的接触角已明显减少,这说明了:一方面样片表面呈现出亲

水性质,另一方面玻璃盖板也与硅片紧密贴合,Si 玻璃片即产生了自发性键合,也表明预键合工艺完全可在无压力下于极短的时间内完成。4.2 局部激光键合界面状况

实验中激光束划过的轨迹清晰可见,芯片被成功的键合,但也存在着一些预键合的残留区域。4.3 激光扫描路径显微照片

整个激光键合过程如图4所示。激光聚焦焦斑处的光能量呈现高斯分布,聚焦焦斑的中心区先实现键合,见图4(a),此为激光束扫描的起始段,聚焦焦斑中心区域吸收较多的激光能量,因而先实现键合;随着时间延迟,吸收的激光能量增加,扫描轨迹(键合轮廓范围)越来越宽,当达到一定宽度时[见图

图3 局部键合芯片加工流程

3.2 表面活化预键合工艺

表面活化预键合工艺步骤如下:(1)表面清洗:将晶片浸入丙酮溶液,采用超声波清洗20min,再用去离子水洗净。用表面清洗方式目的是去除表面残留的有机物及大颗粒状杂质。(2)表面活化处理:1)在H2SO4 H2O2=(2 1)的溶液中加热浸泡20min;2)浸入稀释的氢孚酸(HF)中30s;3)浸入75 的RCA 1溶液(NH4OH H2O2 H2O=1 1 1.5)15min;4)浸入75 的RCA 2溶液(HCl H2O2 H2O=1 1 5)15min。

经过表面活化处理后的芯片表现出强烈的亲水性质。由于Si本身与H2SO4不产生反应,其表面存

MEMS封装用局部激光键合法及其实现

SEMICONDUCTOROPTOELECTRONICS Vol.29No.3June2008

4(b)]将不再有大的变化,进入一个固定的熔融受热状态,即激光辐射吸收的能量等效扩散到键合区,此为中间段;图4(c)是尾段,此部位形成明显的环状键合轮廓线,如4(c)中较亮的圆弧轨迹所示,至

此局部激光键合工序全部完成。

件制造工艺之后,不致产生有害的影响,同时也避免了键合工序中的一些工艺难点(如聚焦困难、板片易破裂等)。在这种情况下该法可用于后处理工艺中的MEMS芯片封装。

由于该方法采用Si、玻璃和塑料等键合材料,实验设备为固体激光器和拉力测试机等,简便易行,工艺流程也不复杂,经济价值较高,所以该法在MEMS晶片封装中具有实用价值。

(a) 首段 (b) 中间段 (c) 尾段

图4 局部激光扫描路径的显微镜照片

参考文献:

[1] MeschederU,AlaviM,HitmannK,etal.Locallaser

bondingforlowtemperaturebudget[J].SensorsandActuatorsA:Physical,2002,97 98:422 427.[2] 马子文,唐自荣,廖广兰,等.激光键合的有限元仿

真及工艺参数优化[J].半导体学报,2007,28(6):995 999.

[3] WildMJ,GillnerA,PoprawerR,etal.Locally

selectivebondingofsiliconandglasswithlaser[J].SensorsandActuatorsA:Physical,2001,93(1):63 69.

[4] 田艳红,王春青,孔令超,等.激光键合技术在封装

中的应用及研究成果[J].电子工业专用设备,2007:22 28.

[5] 赖建军,陈西曲,周 宏,等.应用于微系统封装的

激光局部加热键合技术[J].微纳电子技术,2003,7(8):257 261.

[6] 王 琦,黄 辉,王兴妍,等.低温晶片键合技术及

在通信光电子器件中的应用[J].半导体技术,2004,29(10):3 7.

[7] ShiTS,NieL,TangZR,etal.Surfaceactivated

pre bondinginlocallaserbondingofsiliconandglass[J].IEEELaserBonding,2007,2(7):155 158.[8] TsengAA,ParkJS.Effectsofsurfaceroughness

andoxidelayeronwaferbondingstrengthusingtransmissionlaserbondingtechnique[J].IEEE,2006,7(6):1349 1357.

[9] 林晓辉,廖广兰,史铁林,等.硅片低温键合湿化学

法表面活化工艺[J].传感技术学报,2006,19(5):1384 1387.1403.

4.4 样本键合强度拉伸实验

所设计的局部激光法的样片拉伸测试在江苏大

学光子科技中心材料力学实验室进行,采用德国Rofin Sinar公司制造的Nd YAG连续式固体激光机,性能指标为:波长1064nm,光斑直径500 m,功率70W。实验过程为:对样片A、B、C键合区域做上标记后,切割成6mm 6mm的样片,在拉力测试机上进行拉伸测试,测得的拉伸曲线如图5所示。可见三样片的拉力F与拉伸长度L之间呈指数变化规律,表明拉伸长度L在约达0.4mm后,拉力F增长较快;但每个样片都在某一L点达到拉伸强度 ,具体计算如下:图5中样片A的Q:109/(6 6) 3.0MPa;样片B的 :94/(6 6) 2.6MPa;样片C的 :98/(6 6) 2.7MPa。拉伸测试后三样片均无裂痕,三个被测样本的 值都在2.6~3.0MPa范围内,其平均键合强度 mean约达2.9MPa,

实现了无拉伤紧密贴合。

图5 三个样片的拉伸测试曲线

5 结论

设计了局部激光键合和表面活化预键合相结合的方法。实验结果表明,表面活化预键合代替了传统的压力法,局部激光加热则将高温限制在小范围内,不加热于整个衬底,因而装配工艺可安排在元器

作者简介:

成 立(1952-),男,江苏如皋人,现任江苏大学教授,电子信息工程系主任,近期感兴趣的研究课题包括光电技术应用和CMOS/BiCMOS技术。E mail:Lcheng@

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/lh61.html