基于BCB鍵合的MEMS加速度計圓片級封裝工藝

劉 磊，展明浩，李蘇蘇，陳 博

(1.合肥工業(yè)大學電子科學與應用物理學院，安徽合肥 230009;2.中國兵器工業(yè)集團214研究所工藝1部，安徽蚌埠 233042)

圓片級封裝是指以硅圓片為單位進行封裝操作，即芯片封裝之間的連接等所有封裝工序全部都以硅圓片為單位進行操作。近年來，圓片級封裝已成為MEMS技術發(fā)展和實用化的關鍵技術。由于MEMS器件具有感應外界信號的可動部件，以及長時間接觸工作環(huán)境中的灰塵、氣流、水汽和機械雜質等物質的影響，所以MEMS器件的封裝很重要，而圓片級封裝既能滿足器件所要求的內部環(huán)境，又可以提高器件的性能，同時可以對器件內部環(huán)境進行調整，減少器件尺寸和降低封裝成本。

1 BCB材料特點和鍵合機理

苯并環(huán)丁烯(Benzo－Cyclo－Butene，BCB)是一種目前較常用于圓片級鍵合的有機粘結材料，其具有低的介電常數(shù)、優(yōu)良的熱學、化學和力學穩(wěn)定性。用于圓片級粘結時，優(yōu)點如下［1］:良好的粘結性能;固化溫度較低、無副產(chǎn)品、固化過程中不需要催化劑，且收縮率可以忽略;固化以后BCB對于可見光透明，可用于光學器件;固化的BCB能抵抗多種酸堿溶劑的侵蝕，可用于流體方面;封裝過程中不影響器件及電路的引線;吸水率低，有利于氣密性封裝;BCB可以進行光刻或刻蝕，可以進行選擇性粘結。

實際使用型號為3022－46的非光敏型BCB預聚體膠水，由美國Dow Chemical公司生產(chǎn)。非光敏型BCB樹脂為46%，經(jīng)過高溫固化后BCB會交聯(lián)、聚合。進行BCB圓片級鍵合時，需要用到增粘劑AP3000和清洗劑T1100。表1為3000型系列BCB材料的機械、電、熱特性參數(shù)［2］。

表1 3000型系列BCB材料的機械、電、熱特性參數(shù)

為使以BCB為中間層的兩塊圓片粘結在一起，需要對BCB進行加熱固化，鍵合的目的是實現(xiàn)BCB材料95% ～100%的固化，溫度越高或者時間越長，BCB的聚合度就會越高;固化溫度越低，則固化時間越長。圖1所示的是BCB單體固化程度(%)與溫度和時間的關系［3］。文中所采用的固化流程是美國Dow Chemical公司推薦的BCB標準固化工藝:250℃ ×60 min。如果固化溫度低于250℃，則需要BCB的固化溫度保持1 h以上。通過圖1所示的關系圖可知型號為3022－46的非光敏型BCB預聚體有類似的固化行為，在180℃ ×40 min下聚合度低于50%，而在190～200℃ ×30 min下聚合度約為60%［4］，所以在加熱固化過程中要高于180℃時，BCB固化才會開始加快。

圖1 BCB單體固化程度(%)與溫度和時間的關系

由于待鍵合圓片表面從微觀上看是不平整的，如圖2所示，同大多數(shù)圓片級鍵合原理一樣，BCB鍵合基于原子和分子之間的相互作用力使得兩個圓片緊密粘結在一起，相互作用時兩圓片的間距應 ＜0.5 nm［5］。在粘結劑鍵合中，最關鍵的因素是要通過液體或半液體形態(tài)的聚合物粘結劑將待鍵合表面充分潤濕，升溫過程中，BCB粘度降低，在外部壓力作用下，可以很好地補償圓片表面的微觀、宏觀不平整性。因此在BCB固化過程中需要BCB有足夠的流動性以便使圓片潤濕，形成范德華力，從而使兩個圓片通過BCB牢固地鍵合到一起。圖2(a)兩種固體材料之間的接觸界面;圖2(b)固液材料之間的接觸界面(未潤濕);圖2(c)固液材料之間的接觸界面(潤濕)。

圖2 兩種材料鍵合

2 BCB鍵合封裝結構和工藝實現(xiàn)

為實現(xiàn)對加速度計器件的正面保護，采用如圖3所示的BCB鍵合封裝結構，硅蓋板腐蝕有淺坑和通孔，通過BCB材料將上蓋板硅片與器件硅片粘結在一起后，所形成的空腔將MEMS器件核心部分保護起來;而硅蓋板上的通孔可將器件硅片上的焊盤通過壓焊后實現(xiàn)電路的互連。硅蓋板和芯片鍵合之后鋁線被埋置在BCB材料中，從而達到將加速度計器件芯片中心區(qū)域保護起來的目的。采用半導體前道工序(體硅工藝)制作出蓋板后，在蓋板上旋涂BCB膠，然后將其與芯片圓片粘結以實現(xiàn)對芯片的圓片級正面保護。具體BCB鍵合的工藝實現(xiàn)如圖4所示。

2.1 硅蓋板的制作工藝

(1)起始硅片:n型(100)硅片，雙面拋光。硅片厚度為435 μm。

(2)正面淺坑腐蝕:先氧化(厚度 0.4 μm)，再進行正面光刻、BOE漂氧化層窗口、去膠，在50℃的40%KOH中進行硅的淺坑腐蝕(腐蝕深度30 μm)，最后去除硅片的氧化層。為了在硅蓋板上制作出與芯片中心區(qū)域對應的淺坑，以便形成空腔，實現(xiàn)對芯片內部的保護。

(3)穿通腐蝕:先二次氧化(厚度2 μm)，然后進行背面套刻、BOE漂氧化層窗口、去膠，在50℃的40%KOH中進行硅的穿通腐蝕，最后去除硅片的氧化層。在硅蓋板上制作出與芯片焊盤對應的穿通槽，可以使蓋板與器件硅片鍵合之后將焊盤漏出來，通過引線鍵合實現(xiàn)引出電信號。最后對整個硅片進行氧化，形成絕緣層。制備出來的硅蓋板如圖5所示。

圖5 制備出的硅蓋板

2.2 BCB的鍵合工藝

正面旋涂BCB增粘劑。增粘劑可以使圓片粘結強度提高將近一倍。在蓋板硅片的背面貼上藍膜，然后在正面旋涂BCB增粘劑AP3000，工藝參數(shù)為:1500～3000 r/min ×20 s。

(1)正面旋涂 BCB膠。工藝參數(shù)為:1000～5000 r/min×20～30 s。不同轉速對應著不同的膠層厚度，如圖6所示。文中采用的工藝參數(shù)為1500～2500 r/min ×20 s，膠層厚度約為1.5 ～5 μm。在旋涂BCB膠后將貼在蓋板背面的藍膜撕掉，同時擦洗干凈背面。

圖6 不同轉速對應的BCB膠的厚度

(1)去除硅蓋板邊緣的BCB膠。經(jīng)過正面旋涂BCB膠后，硅蓋板邊緣會有些許殘留的BCB膠，為了避免污染SB6鍵合機，采用BCB清洗劑T1100擦除硅蓋板邊緣的BCB膠，再用丙酮擦洗干凈即可。

(2)熱盤烘干。在65～90℃下將圓片烘干，熱盤烘干過程中，BCB的聚合度基本不變。這樣做是為了將有機溶劑和易揮發(fā)物質揮發(fā)掉，有利于獲得沒有孔洞的BCB膠粘結層。

(3)圖形對準。利用蓋板圓片和芯片圓片的對準標記，通過光刻機可實現(xiàn)這兩個圓片圖形的精確對準。

(4)鍵合。將對準過后的蓋板圓片和芯片圓片進行BCB鍵合。

主要的鍵合參數(shù):鍵合溫度;鍵合壓力;鍵合環(huán)境;待鍵合的圓片的表面結構形貌和粘結劑BCB的厚度。

標準升溫曲線如圖7所示，BCB固化溫度在200～300℃之間，根據(jù) Dow Chemical公司的標準工藝:250℃ ×1 h。當鍵合溫度低于250℃時，需要保溫幾小時;而鍵合溫度高于250℃時，則迅速固化，時間＜1 h。鍵合過程中需要真空環(huán)境或者氮氣氛圍，同時對硅片施加壓力。

圖7 鍵合標準升溫曲線

3 實驗結果及注意事項

(1)在BCB鍵合過程中，BCB膠粘度會下降和滲透。BCB這種流動性或是由于待鍵合的兩個圓片之間的微小間隙造成的毛細作用力的結果。因為BCB膠傾向于從高壓區(qū)域流向低壓區(qū)域，所以在鍵合時所施加的壓力會促進BCB膠的流動。實驗結果表明，在100℃以上的升溫過程中，特別是在150～200℃之間，BCB膠具有明顯的流動，此時BCB膠具有較低的黏度。通過大量實驗表明，在這個溫度區(qū)域沒有均溫或均溫時間不夠，BCB膠流動不充分，會影響鍵合質量。因為在壓力作用下，BCB膠需要浸潤到鋸齒狀的微觀表面中才能有效地形成范德華力而牢固地鍵合。

(2)在實際進行BCB圓片級鍵合時，有少量BCB膠會流入芯片中心區(qū)域且分布在中心區(qū)域的四周，因為進入芯片中心區(qū)域的BCB膠會嚴重影響芯片的器件性能，要保證BCB膠不流進或盡量少流進芯片中心區(qū)域。通過分析表明，鍵合壓力對流入芯片中心區(qū)域的BCB膠有重要影響，如圖8所示。壓力大，被擠壓流入芯片中心區(qū)域的BCB膠會多一點。當鍵合壓力為1.5 bar時，流入的BCB膠深度可控制在100 μm以內。

圖8 芯片中心區(qū)域橫截面觀察

(3)在實際使用SB6鍵合機進行BCB鍵合的過程中，為避免污染鍵合機，采用如圖9硅蓋板在上芯片在下的圓片級鍵合結構，同時在硅蓋板上放置臨時墊片，鍵合結果發(fā)現(xiàn)3個圓片粘結到一起。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)在實際鍵合過程中，會有少量BCB膠從硅蓋板上的每個焊接通孔溢出，造成這一現(xiàn)象的原因是甩膠時有部分BCB膠附著在腐蝕側壁上，在高溫下通過毛細作用力向蓋板和墊片之間的粘結界面流動。實驗結果表明，鍵合壓力對墊片和硅蓋板的粘結強度有重要影響，壓力越大，蓋板上的墊片就粘結的越緊。這里使用玻璃墊片而不是硅墊片，是因為玻璃比硅墊片容易變形，在鍵合完成后方便將玻璃墊片揭開。當鍵合壓力為1.5 bar時，硅蓋板和芯片的鍵合強度最高，且玻璃墊片能夠揭開，從而解決了實際鍵合過程中蓋板背面被墊片粘結的問題。

圖9 硅蓋板在上芯片在下的鍵合結構

4 結束語

基于BCB材料的物理和化學特性，結合半導體加工工藝、設備條件，針對MEMS器件的圓片級低溫封裝進行了研究。通過大量工藝實驗，采用3000型BCB材料實現(xiàn)了MEMS加速度計的圓片級鍵合，解決了圓片級封裝問題，在低溫250℃和適當壓力輔助下≤2.5 bar實現(xiàn)了加速度計的圓片級封裝，并對相關的旋涂、鍵合、壓力、氣氛等幾個工藝參數(shù)進行了優(yōu)化。采用的圓片級封裝方法具有低溫鍵合、工藝兼容性好、工藝適應性強等優(yōu)點，可廣泛地應用于MEMS器件的制造中，有利于加速MEMS器件的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

［1］ 王靖，張富新，沈學寧，等.苯并環(huán)丁烯及其材料:Ⅰ［J］.玻璃鋼/復合材料，2002，3(2):50 －53.

［2］ The Dow Chemical Company.Processing procedures for Dry－Etch CYCLOTENE advanced electronics resins(Dry－Etch BCB)［M］.USA:The Dow Chemical Company，1997.

［3］ CHOU T K A，NAJAFI K.3D MEMS fabrication using low －temperature wafer bonding with benzocyclobutene(BCB)［J］.Transducers，2001(11):1570 －1573.

［4］ NIKLAUS F，ANDERSSON H，ENOKSSON P.Low temperature full wafer adhesive bonding of structured wafers［J］.Actuators A，2001，92(7):235 －241.

［5］ NIKLAUS F，ENOKSSON P，K?LVESTEN E，et al.Low －temperaturefull wafer adhesive bonding ［J］.Journal of Micromech Microeng，2001，11(2):1－8.