MEMS器件气密性封装的低温共晶键合工艺研究_图文.
用于MEMS器件的单面溅金硅共晶键合技术
１ 引言随着ＭＥＭＳ发展的需要，体硅加工技术也在不断地发展，很多结构复杂的微结构不断出现，但是目前使用最多的就是硅压力传感器的硅杯结构。
绝对压力传感器需要一个密封的腔体，这种结构最简单的制作方法就是先用体硅腐蚀，制作硅杯，然后再通过键合工艺得到，所以键合已经成为硅微加工技术中一项非常重要的工艺。
键合的方法有很多种，一般包括硅玻璃静电键合、硅硅直接键合、金硅共晶键合等。
硅玻璃静电键合是在一定的温度（１５０～５００ ℃），将紧贴在一起的硅片与玻璃在高电压（上千伏）将两者通过化学键的作用牢牢地结合到一起［１］。
这种方法虽然简单易行，但是过高的工作电压限制了它的使用，因为一般键合工艺比较靠后，往往前面很多结构已经做好，比如一些薄膜结构，由于高压的作用，薄膜有可能发生形变，与其他结构粘连从而造成失效［２］。
硅硅直接键合一直是被很多人所看好的，也是目前键合工艺里面研究最多的课题。
硅硅直接键合需要在很高的温度（１０００ ℃以上）下进行，并且要对硅片进行一系列的处理，首先是清洗，硅硅直接键合需要非常清洁的表面，哪怕一点颗粒的沾污也会造成键合失败。
因为是硅直接接触，两个都是刚性比较好的物质，所以很微小的颗粒就可以使密封性遭到破坏，键合失败。
其次是表面活化和亲水性处理，需要很多工艺步骤，比如用一些有机化学试剂浸泡、用等离子进行表面活化等［３］。
另外１０００ ℃以上的高温也限制了这种方法在一些结构中的应用，比如做了铝引线的结构。
金硅共晶键合方法融合了以上两种键合的优用于ＭＥＭＳ器件的单面溅金硅共晶键合技术刘兵武，张兆华，谭智敏，林惠旺，刘理天（清华大学 微电子学研究所，北京 １０００８４）摘要：分析了金硅共晶键合的基本原理，讨论了键合实验的基本工艺，给出了键合的测试结果。
这种键合方法键合温度低，键合工艺简单，与器件制造工艺兼容，对工艺环境要求不高，可以得到满意的键合强度，而且成本低，特别适合于已经做过结构的器件键合封接工艺。
低温阳极键合技术研究--【汉魅HanMei—课程讲义论文分享】
2005年第24卷第9期传感器技术（Journal of Transducer Technology）低温阳极键合技术研究王多笑，邬玉亭，褚家如（中国科学技术大学精密机械及精密仪器系，安徽合肥230027）摘要：通过键合温度220～250℃、键合电压400～600V的硅玻璃低温阳极键合实验，分析了温度和电场分别对键合强度和键合效率的影响，并讨论了键合机理。
关键词：低温；阳极键合；键合机理。
中图分类号：TB42 文献标识码：A 文章编号：1000-9787（2005）09-0037-03 Research on low temperature anodic bonding techniqueWANG Duo-xiao，WU Yu-ting，CHU Jia-ru（Dept of Precision Mach and Precision Instr，University of Science and Technology of China，Hefei230027，China）Abstract：With the bonding temperature ranging from220～250℃and the bonding voltage ranging from400～600V，the effects of temperature and the applied voltage on the bonding strength and the bonding efficiency are analysed by low temperature silicon-glass anodic bonding experiments.The bonding mechanism is discussed.Key words：low temperature；anodic bonding；bonding mechanism0 引言阳极键合技术是由美国Wallis等人提出，又称静电键合或场助键合，是一种将硅芯片或圆片与玻璃衬底相封接的封装方法。
Au-Al共晶键合在MEMS器件封装中应用的研究
Au-Al共晶键合在MEMS器件封装中应用的研究
肖斌;邝云斌;虢晓双;侯占强
【期刊名称】《传感器与微系统》
【年(卷),期】2022(41)7
【摘要】针对微机电系统(MEMS)器件在实际应用中出现的真空封装可靠性低的问题,进行了Au-Al共晶键合实验研究。
重点研究了键合金属层的厚度、键合温度和作为键合区域的密封圈的结构对键合样品性能的影响,同时借助3D超景深测量显微镜对Au-Al共晶键合样品界面的微观结构进行了分析。
结果表明:当键合温度为300℃,Au层厚度为600 nm,Al层厚度为200 nm,采用宽度为50μm的密封圈,此时键合样品的综合性能最好,力学性能达到最佳。
【总页数】4页(P21-24)
【作者】肖斌;邝云斌;虢晓双;侯占强
【作者单位】国防科技大学智能科学学院;湖南省MEMS工程技术研究中心
【正文语种】中文
【中图分类】TN305
【相关文献】
1.基于Ag-Sn焊片共晶键合的MEMS气密性封装
2.MEMS器件气密性封装的低温共晶键合工艺研究
3.阳极键合在MEMS封装中的研究进展
4.用于MEMS器件的单面溅金硅共晶键合技术
5.石墨烯MEMS压力传感器Au/Sn共晶键合气密性封装
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Au--Si共晶键合技术及翘板式RF MEMS开关的研究的开题报告
Au--Si共晶键合技术及翘板式RF MEMS开关的研究的开题报告尊敬的评审专家：很荣幸能够在众多竞争者中获得您的青睐。
我是来自某大学研究生院的XXX，今天向各位专家提出我即将开展的研究——Au-Si共晶键合技术及翘板式RF MEMS开关的研究。
一、研究背景随着信息技术的不断发展，对通信系统设备的性能更高、尺寸更小、集成度更高的要求越来越高。
射频微机电系统（RF MEMS）是实现高性能射频微波器件的新技术，具有快速开关响应、低损耗和低电力消耗等优势，已成为研究热点。
目前，研究人员在RF MEMS器件制备中广泛使用Au-Si共晶键合技术。
注意到Au和Si的共晶点很低，而共晶点的附近具有较高的扩散活性和易形成金属原子之间的键合。
在共晶温度下，Au与Si之间自发合成Au-Si共晶合金，能够使晶片间永久性地粘结。
此技术在器件制备中具有重要的意义，已在一些器件中得到成功应用，但在实际操作中还有很多问题需要解决。
二、研究目的本研究主要探讨Au-Si共晶键合技术在RF MEMS开关制备中的应用，并结合翘板式开关，研究其在射频器件中的电性能表现。
三、研究内容1、了解Au-Si共晶技术的原理、特点和制备过程。
2、制备Au-Si键合膜，评估其键合质量，并探究影响Au-Si键合质量的因素。
3、设计和制备翘板式RF MEMS开关，以Au-Si键合技术实现晶片之间的连接。
4、对所制备的开关进行性能测试，分析其电性能表现。
四、研究意义本课题研究中，对Au-Si共晶键合技术在RF MEMS器件制备中的应用进行了探讨，在翘板式RF MEMS开关部分进行了实验研究。
研究结果有利于进一步研究RF MEMS器件制备工艺和电性能表现规律，为其在高频微波通信领域的应用提供技术支持和理论指导。
以上就是我的开题报告，谢谢您的耐心阅读！。
mems au键合 工艺
mems au键合工艺工艺是指通过一系列的操作和加工过程，将原材料转化为最终产品的技术过程。
在现代工业生产中，工艺的优化和改进对于提高产品质量、降低成本、提高生产效率至关重要。
而在工艺优化的过程中，MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) 技术发挥着重要作用。
MEMS 是一种集成了微小机械结构、微电子器件和微传感器的技术。
通过精密的工艺和制造步骤，MEMS 技术能够在微米尺度上制造出各种微小的机械结构和电子器件。
这些微小的结构和器件可以实现各种功能，例如传感、控制、放大、滤波等。
MEMS 技术的发展使得制造出微小、高性能、低功耗的传感器和执行器成为可能，广泛应用于计算机、通信、医疗、汽车等领域。
在MEMS 技术的制备过程中，工艺的关键是精确控制微小结构的形状和尺寸。
一般来说，MEMS 的制备包括以下几个主要步骤：掩模制备、光刻、腐蚀、沉积和刻蚀。
首先，通过设计和制备掩模，将所需的微小结构图案化到掩膜上。
然后，利用光刻技术将掩模上的图案转移到硅片上。
接下来，通过腐蚀或刻蚀等化学方法，将硅片上的材料按照图案进行加工。
最后，通过沉积技术，将需要的材料沉积到已加工好的硅片上，形成最终的微小结构。
在MEMS 技术的工艺中，各个步骤都需要高度的精确控制。
例如，光刻过程需要精确控制曝光时间和曝光强度，以确保图案的准确转移。
腐蚀和刻蚀过程需要控制化学溶液的成分和浓度，以控制加工速度和加工深度。
沉积过程需要控制沉积速率和沉积均匀性，以确保最终的微小结构质量。
这些工艺参数的控制需要精密的仪器设备和先进的工艺控制技术。
除了制备工艺，MEMS 技术的封装和测试也是非常重要的环节。
封装是将制备好的MEMS 芯片封装到封装盒中，以保护芯片并提供电气和机械连接。
封装过程需要精确控制温度、湿度和压力等环境参数，以确保封装的可靠性和稳定性。
测试是对封装好的MEMS 芯片进行功能和可靠性测试，以确保其符合设计要求。
mems工艺
mems工艺
MEMS（微机电系统）是指将电子元器件和微机电技术结合起来，集成在一起的微型智能系统。
它是现代科技的重要组成部分，具有广泛的应用范围，如加速度计、压力传感器、惯性导航系统等领域。
其中MEMS工艺是制作微小器件的核心技术之一，下面就来介绍一下MEMS工艺。
1. 典型的MEMS工艺流程包括：制备、图案形成、光刻、腐蚀、衬底退火、封装等步骤。
其中，制备是预处理步骤，主要包括清洗和活化处理。
2. MEMS工艺中的图案形成是关键步骤，它通过制造掩模，将期望形状的板层沉积在硅衬底上，并表现出所需功能。
通常采用的方法有电子束光刻和光刻。
其中光刻是一种投影方法，将掩膜中图案通过紫外线照射投影到硅片上。
3. MEMS工艺中的腐蚀是制造微结构的一种方法。
它通常采用湿法或干法进行，湿法主要是通过氢氟酸溶解，而干法则是利用等离子体腐蚀，使硅片表面产生微细结构。
4. MEMS工艺中衬底退火是为了改善硅片的质量和性能。
它可以消除硅片的残留应力和缺陷，增强硅片的稳定性和可靠性。
5. MEMS工艺中的封装是保护微结构，避免其与环境接触。
它通常包括两种方法：微机械制造的封装和传统的封装。
综上所述，MEMS工艺是一种复杂的工艺流程，需要应用多种技术手段，在制造微小器件时具有重要的应用价值。
而且随着科技的不断进步，MEMS技术在未来将有更广阔的应用前景。
MEMS气体压力传感器的设计与封装研究 开题报告(1)
开题报告MEMS气体压力传感器的设计与封装研究学生姓名：专业班级：机械学号：指导老师：为用扩散方法形成的四个桥臂电阻。
在零压力初始状态时，电桥的输出为：132401234 (1)()()R R R R V R R R R -=++图1 恒压电路原理图 图2恒流电路原理图b.恒流源供电。
采用恒流源供电，桥路连接方法如图2所示。
这时零输出电压为：132400 1234I (2)()R R R R V R R R R -=•+++ 恒流源供电时，输出电压与压敏电阻增量及恒流源电流成正比。
恒流源精度对传感器精度有影响。
这种供电方法的优点是电桥的输出与温度无关，不受温度的影响。
2）压敏电阻的设计压力敏感器件由扩散在硅膜上的四个电阻连成的惠斯顿电桥组成。
电阻的设计直接影响器件的性能。
电阻的阻值范围根据不同的应用场合，从几百欧姆到几千欧姆。
电阻的形状，根据硅膜片的结构和尺寸，一般选用图3所式的两种形状。
电阻的形状确定之后，可用下式计算阻值：图3电阻条常用形状（2）硅膜片上的压阻全桥设计。
硅压阻式压力传感器常用的膜片结构有圆形、方形和矩形三种。
硅膜片的结构不同，在压力作用下，硅膜片上的应力分布也不同，因此，压阻全桥在硅膜片上的设计也不同。
在传统的工业用压阻式压力传感器中，硅膜片用机械研磨方法在硅片背面加工而成(即形成所谓硅杯)。
这种方法加工的硅膜片尺寸较大，一般是直径10mm 左右的圆形硅膜片。
这时，电阻的尺寸可取得较大，电阻位置的偏差影响也比较小。
但是，在集成化和微型化的压力传感器中，硅膜的尺寸大大缩小，电阻值和位置偏差引起的灵敏度偏LPCVD法生长多晶硅离子注入硼退火刻电阻条淀积SiO2Si3O4SiO2光刻蒸铝合金化铝电极光刻硅杯窗口套刻硅杯腐蚀去除SiO2Si3O4切片验收芯片热老化图4 工艺流程图（2）MEMS气体压力传感器的封装对于压力传感器的封装，概括起来，应该满足以下几方面的要求：1）机械上是坚固的，抗振动，抗冲击；2）避免热应力对芯片的影响；3）电气上要求芯片与环境或大地是绝缘的；4）电磁上要求是屏敝的；5）用气密的方式隔离腐蚀气体或流体，或通过非气密隔离方式隔离水气；6）低的价格，封装形式与标准制造工艺兼容。
用于 MEMS 器件的单面溅金硅共晶键合技术
用于ME MS器件的键合工艺研究进展张东梅,叶枝灿,丁桂甫,汪 红(上海交通大学微米/纳米加工技术国家重点实验室,上海 200030)摘 要:随着ME MS器件的广泛研究和快速进步,非硅基材料被广泛用于ME MS器件中。
键合技术成为ME MS器件制作、组装和封装的关键性技术之一,它不仅可以降低工艺的复杂性,而且使许多新技术和新应用在ME MS器件中得以实现。
目前主要的键合技术包括直接键合、阳极键合、粘结剂键合和共晶键合。
关键词:直接键合;阳极键合;粘结剂键合;共晶键合中图分类号:T N605 文献标识码:A 文章编号:1001-3474(2005)06-0315-04 Developi n g Trend of Bondi n g Technology for M E M SZHANG D ong-m e i,Y E Zh i-can,D I NG Gu i-fu,W ANG Hong(Shangha i J i a otong Un i versity,Shangha i 200030,Ch i n a)Abstract:W ith the devel opment of m icr o-electr omechanical syste m s,non-silicon materials have been widely used in ME MS.W afer bonding technol ogy is one of the key technol ogy f or fabricati on,as2 se mbly and packaging of ME MS devices.It can make the p r ocess si m p ler.The main bonding technol ogy is direct bonding,anodic bonding,adhesive bonding and eutectic bonding.Key words:D irect bonding;Anodic bonding;Adhesive bonding;Eutectic bonding.D ocu m en t Code:A Arti cle I D:1001-3474(2005)06-0315-04 微机电系统(ME MS)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体的微系统,是随着半导体集成电路、微细加工技术和超精密机械加工技术的发展而发展起来的。
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传感器与微系统(Transducer and M icr osyste m Technol ogy 2006年第25卷第1期前沿技术
M E M S器件气密性封装的低温共晶键合工艺研究3 张东梅,丁桂甫,汪 红,姜 政,姚锦元 (上海交通大学微纳科学技术研究院微米/纳米加工技术国家重点实验室 薄膜与微细技术教育部重点实验室,上海200030 摘 要:介绍了一种采用Pb2Sn共晶合金作为中间层的键合封装技术,通过电镀的方法在芯片与基片上
形成Cr/N i/Cu/Pb2Sn多金属层,在温度为190℃、压强为150Pa的真空中进行键合,键合过程不需使用助
焊剂,避免了助焊剂对微器件的污染。试验表明:这种键合工艺具有较好的气密性,键合区合金分布均匀、
无缝隙、气泡等脱焊区,键合强度较高,能够满足电子元器件和微机电系统(M E MS可动部件低温气密性
封装的要求。 关键词:微机电系统;气密性封装;共晶键合;低温封装 中图分类号:T N305.99 文献标识码:A 文章编号:1000-9787(200601-0082-03
Study of low te mperature eutecti c bondi n g process for M E M S her meti c package Z HANG Dong2mei,D I N G Gui2fu,WANG Hong,J I A NG Zheng,Y AO J in2yuan (Na ti ona l Key Lab of Nano/M i cro Fabr i ca ti on Technology,Key Lab for Th i n F il m and M i crofabr i ca ti on of M i n istry of Educa ti on,I n stitute of M i cro and Nano Sc i ence and Technology,Shangha i J i a otong
Un i versity,Shangha i200030,Ch i n a Abstract:A fluxless bonding technique using eutectic Pb2Sn all oy as j oint is p resented.Cr/N i/Cu/Pb2Sn
multilayer on substrate and chi p is electr op lated,then bonded at190℃and150Pa in vacuu m.This fluxless
bonding p r ocess can p revent m icr o device being polluted.This bonding p r ocess is her metic.The thickness of the
j oint is f ound t o be very unif or m al ong the entire cr oss secti on.The strength of the j oint is high,it can meet the
require ment of her metic packaging of electr onic device and M E MS movable parts at l ow te mperature.
Key words:m icr oelectr omechanical syste m s(M E M S;her metic package;eutectic bonding;l ow te mperature
bonding 0 引 言 封装技术一直是困扰ME M S器件开发和实用化的关键技术之一,气密性封装尤其困难。然而,许多包含高速运动结构器件的工作特性强烈依赖于密封腔室的真空度,因此,气密性好坏对这类器件的使用性能具有决定性作用。如M E MS陀螺仪,真空封装能使其性能得以更好发挥,若真空度不足,腔体内气体将对运动部件产生阻 尼,器件的响应灵敏度降低,整体性能严重受损[1]。很多情况下,气密性封装不但能够显著提高可动部件的工作能力,而且,可以隔绝部分环境干扰,改善长期工作可靠性。但是,如何长久维持气密封装的真空度一直是没有很好解决的困难问题之一,探索新的封装工艺和研究气密封装的基础工艺问题,受到广泛的重视。
收稿日期:2005-06-19 3基金项目:国家自然科学基金资助项目(10377009 目前,M E MS器件制备中,常用的气密性键合技术主要是高真空(<10-2Pa环境下的阳极键合、共晶键合以及薄膜密封工艺等。阳极键合一般只限于硅玻璃键合[2],键合温度为300~400℃,偏压为500~1000V,键合过程中的高温、高电压使其应用受到极大限制,特别是很难应用于非硅基材料结构上;薄膜密封技术利用牺牲层方法刻蚀出空腔结构,通过空腔上的小孔和沉积薄膜时的真空环境,使空腔具有一定真空度,薄膜有选择地沉积在小孔密封处,完成真空封装,但空腔的真空度受薄膜沉积工艺限制,同时,沉积时的高温环境和后续封孔薄膜刻蚀工艺也会影响该方法在器件中的应用;共晶键合是利用某些共晶合金熔融温度较低的特点,将它们作为中间介质层,在较低温度下,通过加热熔融实现共晶键合。相对来讲,共晶键合的限制因素较少,
28 第1期 张东梅等:ME M S器件气密性封装的低温共晶键合工艺研究
可以选择的材料和工艺参数范围较大。本文结合微继电器封装的需要,介绍了一种采用低熔点共晶合金作为中间层的多金属层结构键合封装工艺。
1 试验设计 为了实现低温键合,首先,在基底与锡铅合金之间形成Cr/N i/Cu多金属层,如图1(a所示,Cr作为粘结层增强金属与基片的结合力;N i作为阻挡层,因为N i与Sn形成金属间化合物的反应速率比通常所用的Cu与Sn的反应速度慢得多[3],可以防止 Sn向芯片扩散,同时,也作为过渡层,Pb2 Sn合金的热膨胀系数为25×10-6/K,而硅为2.6×10-6/K 相差较大,利用N i的弹性性能减少在加热和冷却过程中产生的热应力;Cu作为可焊层,在加热过程中,Cu与Sn生成金属间化合物Cu
6 Sn5,根据L iu和Jang的研究[4,5],Pb/ 63Sn共晶合金、金属间化合物Cu6Sn5与N i能形成稳定的粘结。
图1 芯片与基片上的多金属层结构 F i g1 M ultil ayer th i n2f il m structure on d i e and substra te Pb2Sn合金共晶点的成分为63%Sn,37%Pb,共晶温度为183℃,在高于183℃时,共晶合金转化为液相;低于183℃时,液相转化为两固相,图1(b为键合后芯片与基片间的多金属层结构。
2 试验方法 根据图1设计的多金属层结构,首先,在基片和芯片上溅射Cr0.08μm,N i0.08μm,再电镀N i2μm,Cu0.1μm, Pb2Sn4μm。将芯片和基片分别切成3mm×3mm和5mm×5mm。Pb2Sn合金在空气中易氧化形成很薄的氧化层,它将阻止键合,因此,在放入真空室键合前,应去除自然生成的氧化层,采用等离子体清洗或稀酸清洗都可以去除氧化层,而电镀多金属层的镀液为强酸性,采用稀酸清洗与此工艺兼容,且十分简单。用BG A2000精密对准系统将基片和芯片面对面对准后固定在一起,放入真空炉中加热到190℃,保温10m in,冷却至室温,完成键合。将键合好的试样切断,并抛光,用S-2150电子显微镜观察断口形貌。再对试样进行拉伸试验,观察断裂区形貌。
为了测量键合的气密性,首先,利用单晶硅制作密封外壳,工艺流程如图2所示。将硅外壳放在基片上,并施加一定压力,以使外壳与基片紧密接触,将样品放入真空炉中,进行加热至190℃,保温10m in后,在真空炉中冷却至室温。由于硅密封外壳内具有一定的真空度,且单晶硅具有很好的弹性性能,在受到外界大气的压力后,会发生弹 性变形,用Veeco表面轮廓仪扫描密封表面的变形曲线,并用工程软件Ansys计算出密封外壳在受到大气压力下的变形曲线,两者对比可以得出键合是否具有气密性,并在一段时间后,观察其是否有漏气现象。
图2 封装外壳的制作工艺流程 F i g2 Flowchart of fabr i ca ti on process of package crust 3 结果与讨论 3.1 键合区结构测试 通过对键合区横截面的扫描电镜图像观测可以看出:键合区合金均匀,无缝隙、气泡等脱焊区。对键合区进行拉伸后,断裂部分沿Cr与N i的接触区断开,证明键合区的强度超过了多金属层之间的粘结强度。
3.2 气密性测试 3.2.1 封装外壳变形的Ansys计算 由于键合好的密封外壳置于空气中,受到的大气压力是恒定的,因此,它的变形由内部压强决定。用Ansys软件对具有不同内部压强的密封外壳的变形进行计算,单元类型为S OL I D92四面体10节点,对长为9mm、宽为9mm、高为500μm、侧壁厚为1.5mm、顶部膜厚为140μm的密封外壳进行计算,由于侧壁厚度远远大于顶部薄膜厚度,因此,主要变形都集中在顶部薄膜上,根据模拟结果可知,最大变形位于膜的中心点处,顶部薄膜的平分线变形情况能够集中反映密封外壳的变形情况。图3为内外压强差分别为101225,100000,70000,50000Pa的密封外壳顶部薄膜的平分线的变形曲线,其中,压强差Δp为101225Pa和100000Pa 的变形曲线十分接近。
图3 An sys计算封装外壳变形曲线 F i g3 D efor m ed curve of package crust com puted by An sys