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(qiáng)， ，陳緒文，齊 越

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

二維材料石墨烯擁有高達(dá)1 TPa 的楊氏模量[1]以及高達(dá)20%的拉伸變形[2]，具有優(yōu)異的壓阻效應(yīng)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(fā)展以及量程的不斷增大，高質(zhì)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(huán)境，為確保石墨烯壓力傳感器在大量程壓力下穩(wěn)定工作，開(kāi)發(fā)一種高質(zhì)量氣密性封裝是提升石墨烯壓力傳感器工作性能的關(guān)鍵。

目前MEMS 壓力傳感器通常使用陽(yáng)極鍵合與金屬共晶鍵合等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)芯片氣密性封裝[6-9]。陽(yáng)極鍵合雖然具有工藝簡(jiǎn)單、鍵合強(qiáng)度高、適合大批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，但是在鍵合過(guò)程中要施加大約1 kV 的電壓，遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(yáng)極鍵合技術(shù)相比，金屬共晶鍵合殘余應(yīng)力和翹曲變形小、強(qiáng)度高、氣密性高[11]。常見(jiàn)的金屬共晶鍵合有Cu/Sn、Au/Sn等[12-13]。目前，應(yīng)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(shí)間長(zhǎng)，一般為15 min 左右[14]，長(zhǎng)時(shí)間的溫度作用容易引起石墨烯敏感單元電阻發(fā)生較大的突變。為此，開(kāi)發(fā)一種時(shí)間短、高穩(wěn)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(yōu)點(diǎn)，常常用于MEMS 器件的氣密性封裝[15-16]。陳繼超等[17]對(duì)Au/Sn 焊片共晶鍵合的氣密性進(jìn)行了研究，通過(guò)設(shè)計(jì)密封環(huán)多層材料結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了良好的鍵合效果，其氦泄漏率和鍵合強(qiáng)度均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。胥超等[18]研究了Au/Sn 鍵合技術(shù)在MEMS 傳感器封裝中的應(yīng)用，通過(guò)工藝優(yōu)化獲得較高的鍵合質(zhì)量。

本文基于Au/Sn 鍵合技術(shù)對(duì)石墨烯MEMS 壓力傳感器氣密性封裝進(jìn)行了研究。首先通過(guò)金屬磁控濺射工藝完成鍵合密封環(huán)制備，然后利用倒裝焊鍵合工藝實(shí)現(xiàn)石墨烯MEMS 壓力傳感器芯片的氣密性封裝，最后通過(guò)對(duì)鍵合后芯片的鍵合界面能譜、剪切力、氣密性和電學(xué)性能測(cè)試，驗(yàn)證了該技術(shù)在石墨烯MEMS 壓力傳感器氣密性封裝中應(yīng)用的可行性。

1 石墨烯壓力傳感器Au/Sn 鍵合實(shí)驗(yàn)

1.1 石墨烯壓力傳感器密封環(huán)設(shè)計(jì)

利用電子束蒸發(fā)工藝在芯片與基板表面制作鍵合密封環(huán)，通過(guò)倒裝焊技術(shù)實(shí)現(xiàn)芯片與基板的氣密性封裝。實(shí)驗(yàn)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(jìn)行試驗(yàn)，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(guò)程中形成Au5Sn、AuSn 高強(qiáng)度共晶合金，選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%的Au 和20%的Sn。圖1(a)為鍵合密封環(huán)形狀尺寸，密封環(huán)外圍尺寸為6000 μm×6000 μm，線寬1900 μm。圖1(b)為Au/Sn 鍵合密封環(huán)多層結(jié)構(gòu)，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(fā)一層3 nm 的Au 用于隔絕空氣，保證鍵合質(zhì)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(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)

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(xué)氣相沉積(LPCVD)設(shè)備在硅片表面生長(zhǎng)一層厚度為110 nm 的絕緣層SiNx(圖2(a));其次，使用磁控濺射設(shè)備在晶圓背面沉積金屬密封環(huán)，厚度分別為50 nm 的Cr 和400 nm 的Au(圖2(b));第三，使用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)設(shè)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(chǔ)上，將2 寸晶圓放置在質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(yīng)離子刻蝕(RIE)設(shè)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(shè)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(jī)將2 寸晶圓劃成尺寸為15 mm×15 mm 的小片，為后續(xù)石墨烯轉(zhuǎn)移做準(zhǔn)備;第八，通過(guò)濕法轉(zhuǎn)移技術(shù)將石墨烯轉(zhuǎn)移到目標(biāo)襯底上，并使用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)設(shè)備刻蝕石墨烯獲得目標(biāo)圖形(圖2(e));第九，使用機(jī)械劃片機(jī)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(huán)制作工藝流程。首先，利用等離子體化學(xué)氣相沉積(PECVD)設(shè)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(fā)設(shè)備蒸發(fā)厚度分別為50/400/500/3 nm 的Cr/Au/Sn/Au (圖3(b)) ;最后，使用機(jī)械劃片機(jī)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(shí)驗(yàn)使用FC150 型倒裝焊機(jī)進(jìn)行Au/Sn 共晶鍵合，主要包含以下三個(gè)步驟:

(1)前處理。分別使用丙酮、異丙醇及去離子水對(duì)樣品各超聲清洗5 min，并用氮?dú)鈽尨蹈伞ｋS后使用Ar 離子體設(shè)備處理鍵合表面以活化鍵合金屬層;

(2)密封環(huán)對(duì)準(zhǔn)。使用內(nèi)置顯微鏡將芯片密封環(huán)與基板密封環(huán)進(jìn)行對(duì)準(zhǔn);

(3)鍵合條件。鍵合初始階段，在30 s 內(nèi)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(duì)Au/Sn 鍵合質(zhì)量的影響，最后在1 min 內(nèi)將溫度降至室溫。在0～120 s 內(nèi)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(xù)通入N2來(lái)去除甲酸殘留物并提供無(wú)氧的鍵合環(huán)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(jié)果與討論

2.1 密封環(huán)厚度分析

使用聚焦離子束(Helios 5 UX，Thermo Scientific)設(shè)備對(duì)石墨烯壓力傳感器芯片及基板密封環(huán)的實(shí)際厚度進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如圖6 所示。由圖6(a)可以看出，壓力傳感器芯片密封環(huán)Cr/Au 厚度分別為49.99 和405.9 nm。圖6(b)展示了基板密封環(huán)Cr/Au/Sn/Au實(shí)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(huán)分析Fig.6 Au/Sn bonding sealing ring test chart

2.2 鍵合界面分析

通過(guò)SEM(Quanta 250，F(xiàn)EI)對(duì)Au/Sn 鍵合界面微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如圖7(a)所示，鍵合界面無(wú)空洞，質(zhì)量較高。利用能譜分析儀(EDS)對(duì)鍵合面金屬元素進(jìn)行分析，測(cè)試結(jié)果如圖7(b)所示，結(jié)果表明Au 和Sn 元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為81.62%和16.70%。此外鍵合界面元素分析結(jié)果可以得到Au 和Sn 的原子個(gè)數(shù)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(cè)試

使用拉力剪切力測(cè)試儀(DAGE-4000，Nordson Dage)對(duì)鍵合后的石墨烯MEMS 壓力傳感器芯片進(jìn)行剪切力測(cè)試，結(jié)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(shí)驗(yàn)鍵合密封環(huán)面積為31.16 mm2，依據(jù)GJB548B-2005 計(jì)算出樣品的最小剪切力為7.60 MPa，測(cè)試結(jié)果均滿足要求，此外樣品失效類型為g 級(jí)——基板斷裂。

圖8 剪切力測(cè)試結(jié)果Fig.8 Test results of the shear strength

2.4 氣密性測(cè)試

依據(jù)GJB548B-2005，采用氦質(zhì)譜檢漏儀(UL1000 FAB，Inficon)對(duì)鍵合后的石墨烯壓力傳感器進(jìn)行氣密性測(cè)試，本實(shí)驗(yàn)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(gè)待測(cè)鍵合傳感器樣品放入氣密檢漏臺(tái)中，在517 kPa 壓力環(huán)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(zhì)譜檢漏儀中進(jìn)行氦氣檢測(cè)。氣密性測(cè)試結(jié)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(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的漏率值。

圖9 氣密性測(cè)試結(jié)果Fig.9 Test results of the hermeticity

2.5 電學(xué)測(cè)試

為了驗(yàn)證石墨烯壓力傳感器在280 ℃環(huán)境下鍵合完成后敏感結(jié)電阻的穩(wěn)定性，使用探針臺(tái)(B1500A，Agilent)測(cè)試5 個(gè)芯片敏感結(jié)鍵合前后電阻值，測(cè)試結(jié)果如表1 所示。鍵合前敏感結(jié)電阻在6.912～7.782 kΩ之間，平均值為7.423 kΩ。鍵合后敏感結(jié)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(jié)電阻平均值變化了1.1%，優(yōu)于Wang 等[14]采用Cu/Sn 鍵合后石墨烯敏感結(jié)電阻平均值變化量4.2%，表現(xiàn)出較高的穩(wěn)定性。

表1 導(dǎo)電性測(cè)試結(jié)果Tab.1 Conductivity test results

3 結(jié)論

本文對(duì)石墨烯MEMS 壓力傳感器Au/Sn 共晶鍵合氣密性封裝進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)制備了石墨烯壓力傳感器鍵合芯片與基板，利用倒裝焊實(shí)現(xiàn)壓力傳感器芯片鍵合封裝。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鍵合界面金屬化合物Au 和Sn 原子個(gè)數(shù)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(duì)于傳統(tǒng)的Au/Sn，鍵合成本更低，剪切力和氣密性較高。此外，電學(xué)測(cè)試結(jié)果表明，鍵合溫度280 ℃，持續(xù)時(shí)間6 min，鍵合完成后石墨烯敏感結(jié)平均值變化了1.1%，相比于Cu/Sn 鍵合，其鍵合時(shí)間較短，敏感結(jié)電阻穩(wěn)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(chǔ)。