基于BCB键合的MEMS加速度计圆片级封装工艺

刘 磊，展明浩，李苏苏，陈 博

(1.合肥工业大学电子科学与应用物理学院，安徽合肥 230009;2.中国兵器工业集团214研究所工艺1部，安徽蚌埠 233042)

圆片级封装是指以硅圆片为单位进行封装操作，即芯片封装之间的连接等所有封装工序全部都以硅圆片为单位进行操作。近年来，圆片级封装已成为MEMS技术发展和实用化的关键技术。由于MEMS器件具有感应外界信号的可动部件，以及长时间接触工作环境中的灰尘、气流、水汽和机械杂质等物质的影响，所以MEMS器件的封装很重要，而圆片级封装既能满足器件所要求的内部环境，又可以提高器件的性能，同时可以对器件内部环境进行调整，减少器件尺寸和降低封装成本。

1 BCB材料特点和键合机理

苯并环丁烯(Benzo－Cyclo－Butene，BCB)是一种目前较常用于圆片级键合的有机粘结材料，其具有低的介电常数、优良的热学、化学和力学稳定性。用于圆片级粘结时，优点如下［1］:良好的粘结性能;固化温度较低、无副产品、固化过程中不需要催化剂，且收缩率可以忽略;固化以后BCB对于可见光透明，可用于光学器件;固化的BCB能抵抗多种酸碱溶剂的侵蚀，可用于流体方面;封装过程中不影响器件及电路的引线;吸水率低，有利于气密性封装;BCB可以进行光刻或刻蚀，可以进行选择性粘结。

实际使用型号为3022－46的非光敏型BCB预聚体胶水，由美国Dow Chemical公司生产。非光敏型BCB树脂为46%，经过高温固化后BCB会交联、聚合。进行BCB圆片级键合时，需要用到增粘剂AP3000和清洗剂T1100。表1为3000型系列BCB材料的机械、电、热特性参数［2］。

表1 3000型系列BCB材料的机械、电、热特性参数

为使以BCB为中间层的两块圆片粘结在一起，需要对BCB进行加热固化，键合的目的是实现BCB材料95% ～100%的固化，温度越高或者时间越长，BCB的聚合度就会越高;固化温度越低，则固化时间越长。图1所示的是BCB单体固化程度(%)与温度和时间的关系［3］。文中所采用的固化流程是美国Dow Chemical公司推荐的BCB标准固化工艺:250℃ ×60 min。如果固化温度低于250℃，则需要BCB的固化温度保持1 h以上。通过图1所示的关系图可知型号为3022－46的非光敏型BCB预聚体有类似的固化行为，在180℃ ×40 min下聚合度低于50%，而在190～200℃ ×30 min下聚合度约为60%［4］，所以在加热固化过程中要高于180℃时，BCB固化才会开始加快。

图1 BCB单体固化程度(%)与温度和时间的关系

由于待键合圆片表面从微观上看是不平整的，如图2所示，同大多数圆片级键合原理一样，BCB键合基于原子和分子之间的相互作用力使得两个圆片紧密粘结在一起，相互作用时两圆片的间距应 ＜0.5 nm［5］。在粘结剂键合中，最关键的因素是要通过液体或半液体形态的聚合物粘结剂将待键合表面充分润湿，升温过程中，BCB粘度降低，在外部压力作用下，可以很好地补偿圆片表面的微观、宏观不平整性。因此在BCB固化过程中需要BCB有足够的流动性以便使圆片润湿，形成范德华力，从而使两个圆片通过BCB牢固地键合到一起。图2(a)两种固体材料之间的接触界面;图2(b)固液材料之间的接触界面(未润湿);图2(c)固液材料之间的接触界面(润湿)。

图2 两种材料键合

2 BCB键合封装结构和工艺实现

为实现对加速度计器件的正面保护，采用如图3所示的BCB键合封装结构，硅盖板腐蚀有浅坑和通孔，通过BCB材料将上盖板硅片与器件硅片粘结在一起后，所形成的空腔将MEMS器件核心部分保护起来;而硅盖板上的通孔可将器件硅片上的焊盘通过压焊后实现电路的互连。硅盖板和芯片键合之后铝线被埋置在BCB材料中，从而达到将加速度计器件芯片中心区域保护起来的目的。采用半导体前道工序(体硅工艺)制作出盖板后，在盖板上旋涂BCB胶，然后将其与芯片圆片粘结以实现对芯片的圆片级正面保护。具体BCB键合的工艺实现如图4所示。

2.1 硅盖板的制作工艺

(1)起始硅片:n型(100)硅片，双面抛光。硅片厚度为435 μm。

(2)正面浅坑腐蚀:先氧化(厚度 0.4 μm)，再进行正面光刻、BOE漂氧化层窗口、去胶，在50℃的40%KOH中进行硅的浅坑腐蚀(腐蚀深度30 μm)，最后去除硅片的氧化层。为了在硅盖板上制作出与芯片中心区域对应的浅坑，以便形成空腔，实现对芯片内部的保护。

(3)穿通腐蚀:先二次氧化(厚度2 μm)，然后进行背面套刻、BOE漂氧化层窗口、去胶，在50℃的40%KOH中进行硅的穿通腐蚀，最后去除硅片的氧化层。在硅盖板上制作出与芯片焊盘对应的穿通槽，可以使盖板与器件硅片键合之后将焊盘漏出来，通过引线键合实现引出电信号。最后对整个硅片进行氧化，形成绝缘层。制备出来的硅盖板如图5所示。

图5 制备出的硅盖板

2.2 BCB的键合工艺

正面旋涂BCB增粘剂。增粘剂可以使圆片粘结强度提高将近一倍。在盖板硅片的背面贴上蓝膜，然后在正面旋涂BCB增粘剂AP3000，工艺参数为:1500～3000 r/min ×20 s。

(1)正面旋涂 BCB胶。工艺参数为:1000～5000 r/min×20～30 s。不同转速对应着不同的胶层厚度，如图6所示。文中采用的工艺参数为1500～2500 r/min ×20 s，胶层厚度约为1.5 ～5 μm。在旋涂BCB胶后将贴在盖板背面的蓝膜撕掉，同时擦洗干净背面。

图6 不同转速对应的BCB胶的厚度

(1)去除硅盖板边缘的BCB胶。经过正面旋涂BCB胶后，硅盖板边缘会有些许残留的BCB胶，为了避免污染SB6键合机，采用BCB清洗剂T1100擦除硅盖板边缘的BCB胶，再用丙酮擦洗干净即可。

(2)热盘烘干。在65～90℃下将圆片烘干，热盘烘干过程中，BCB的聚合度基本不变。这样做是为了将有机溶剂和易挥发物质挥发掉，有利于获得没有孔洞的BCB胶粘结层。

(3)图形对准。利用盖板圆片和芯片圆片的对准标记，通过光刻机可实现这两个圆片图形的精确对准。

(4)键合。将对准过后的盖板圆片和芯片圆片进行BCB键合。

主要的键合参数:键合温度;键合压力;键合环境;待键合的圆片的表面结构形貌和粘结剂BCB的厚度。

标准升温曲线如图7所示，BCB固化温度在200～300℃之间，根据 Dow Chemical公司的标准工艺:250℃ ×1 h。当键合温度低于250℃时，需要保温几小时;而键合温度高于250℃时，则迅速固化，时间＜1 h。键合过程中需要真空环境或者氮气氛围，同时对硅片施加压力。

图7 键合标准升温曲线

3 实验结果及注意事项

(1)在BCB键合过程中，BCB胶粘度会下降和渗透。BCB这种流动性或是由于待键合的两个圆片之间的微小间隙造成的毛细作用力的结果。因为BCB胶倾向于从高压区域流向低压区域，所以在键合时所施加的压力会促进BCB胶的流动。实验结果表明，在100℃以上的升温过程中，特别是在150～200℃之间，BCB胶具有明显的流动，此时BCB胶具有较低的黏度。通过大量实验表明，在这个温度区域没有均温或均温时间不够，BCB胶流动不充分，会影响键合质量。因为在压力作用下，BCB胶需要浸润到锯齿状的微观表面中才能有效地形成范德华力而牢固地键合。

(2)在实际进行BCB圆片级键合时，有少量BCB胶会流入芯片中心区域且分布在中心区域的四周，因为进入芯片中心区域的BCB胶会严重影响芯片的器件性能，要保证BCB胶不流进或尽量少流进芯片中心区域。通过分析表明，键合压力对流入芯片中心区域的BCB胶有重要影响，如图8所示。压力大，被挤压流入芯片中心区域的BCB胶会多一点。当键合压力为1.5 bar时，流入的BCB胶深度可控制在100 μm以内。

图8 芯片中心区域横截面观察

(3)在实际使用SB6键合机进行BCB键合的过程中，为避免污染键合机，采用如图9硅盖板在上芯片在下的圆片级键合结构，同时在硅盖板上放置临时垫片，键合结果发现3个圆片粘结到一起。经分析发现在实际键合过程中，会有少量BCB胶从硅盖板上的每个焊接通孔溢出，造成这一现象的原因是甩胶时有部分BCB胶附着在腐蚀侧壁上，在高温下通过毛细作用力向盖板和垫片之间的粘结界面流动。实验结果表明，键合压力对垫片和硅盖板的粘结强度有重要影响，压力越大，盖板上的垫片就粘结的越紧。这里使用玻璃垫片而不是硅垫片，是因为玻璃比硅垫片容易变形，在键合完成后方便将玻璃垫片揭开。当键合压力为1.5 bar时，硅盖板和芯片的键合强度最高，且玻璃垫片能够揭开，从而解决了实际键合过程中盖板背面被垫片粘结的问题。

图9 硅盖板在上芯片在下的键合结构

4 结束语

基于BCB材料的物理和化学特性，结合半导体加工工艺、设备条件，针对MEMS器件的圆片级低温封装进行了研究。通过大量工艺实验，采用3000型BCB材料实现了MEMS加速度计的圆片级键合，解决了圆片级封装问题，在低温250℃和适当压力辅助下≤2.5 bar实现了加速度计的圆片级封装，并对相关的旋涂、键合、压力、气氛等几个工艺参数进行了优化。采用的圆片级封装方法具有低温键合、工艺兼容性好、工艺适应性强等优点，可广泛地应用于MEMS器件的制造中，有利于加速MEMS器件的产业化发展。

［1］ 王靖，张富新，沈学宁，等.苯并环丁烯及其材料:Ⅰ［J］.玻璃钢/复合材料，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，KÄLVESTEN E，et al.Low －temperaturefull wafer adhesive bonding ［J］.Journal of Micromech Microeng，2001，11(2):1－8.