MEMS光敏BCB硅—硅键合工艺研究*

赵璐冰， 徐 静， 钟少龙， 李绍良， 吴亚明

(1.中国科学院 上海微系统与信息技术研究所 传感技术联合国家重点实验室,上海 200050； 2.中国科学院大学,北京 100049)

MEMS光敏BCB硅—硅键合工艺研究*

赵璐冰1,2， 徐 静1， 钟少龙1， 李绍良1,2， 吴亚明1

(1.中国科学院 上海微系统与信息技术研究所 传感技术联合国家重点实验室,上海 200050； 2.中国科学院大学,北京 100049)

光敏BCB作为粘结介质进行键合工艺实验研究。实验中选用XUS35078负性光敏BCB，提出了优化的光刻工艺参数，得到了所需要的BCB图形层，然后将两硅片在特定的温度与压力条件下完成了BCB键合。测试表明：该光敏BCB具有较小的流动性和较低的塌陷率。键合后的BCB胶厚约为11.6 μm，剪切强度为18 MPa，He细检漏率小于5.0×10-8atm·cm3/s。此键合工艺可应用于制作需要低温工艺且不能承受高电压的MEMS器件。

光敏BCB； 光刻； 低温键合； 剪切强度； 气密性

0 引 言

在MEMS工艺中，目前常用的键合方式有硅—硅直接键合、硅—玻璃阳极键合以及中间层粘结键合等。硅—硅直接键合通常需要小于4 nm的表面粗糙度、高于800 ℃的高温退火工艺过程，因此,在带有金属膜的硅—硅键合的应用中存在局限性；硅—玻璃键合需要施加500～1 000 V的键合电压，整个基片全局高压电场的使用有可能导致MEMS器件失效，应用上也存在一定的局限性。以上2种键合方式的优点是工艺成熟，键合强度高，技术可靠[1]。中间层粘结键合是通过介质层将两硅片进行粘结，其中较为常用的方式有共晶键合和BCB键合。BCB是一种有机粘结介质，从20世纪90年代开始商业化，主要应用于IC工艺和MEMS工艺中，可以实现硅衬底、玻璃衬底等多种材料基底之间的有效键合，对衬底表面的平整度和粗糙度要求较低[2]。这种键合方式可以在300 ℃以下完成，因此,对于带有金属膜图形的硅片之间或硅—玻璃之间的键合具有独特优势，避免了高温或高电压键合条件对于金属结构的影响。此外，许多MEMS器件中间部分是结构区，要求粘结介质必须避开这一区域，仅分布在周围区域进行粘结。通过采用光敏BCB作为粘结介质，利用非曝光区的BCB胶可以完全溶解在显影液里的特性，易于实现BCB的图形化，从而完成基片的局部键合。与非光敏BCB键合相比，采用光敏BCB完成局部键合的工艺步骤更加简单可行，近年来，光敏BCB键合已经在一些MEMS器件的圆片级封装中得到了应用[3～5]。

将光敏BCB键合技术应用到MEMS器件的结构制作中，对于键合前后的BCB胶的厚度变化、图形边界的延伸、键合强度、键合气密性等都提出了更高的要求。本文开展了硅衬底上的光敏BCB键合工艺实验，详细介绍了光敏BCB键合的具体工艺流程，提出了优化的工艺步骤、光刻工艺及键合工艺条件参数，最后通过对键合界面的观测和对键合强度、气密性的测试，分析了厚胶光敏BCB用于器件制作的可行性。

1 光敏BCB性质与键合工艺流程

1.1 光敏BCB的性质

光敏BCB具有较低的介电常数，较高的化学、热学、力学稳定性，可以抵御多种溶液腐蚀。用于键合工艺时，光敏BCB也具有非常明显的优势：具有良好的粘结性能，键合可靠性高；平整度好，固化过程中的收缩率可以忽略，不需要催化剂也不会生成副产品；可以直接进行光刻图形化，可以很方便地选择有胶键合区域；固化后的光敏BCB对可见光的透过率达到90 %，可以用于光学器件的制作或封装工艺中[6～9]。

1.2 光敏BCB键合工艺流程

光敏BCB键合实验工艺流程如图1所示。首先在硅片上旋涂一层光敏BCB，在特定条件下进行光敏BCB的光刻，得到图形化的BCB。将待键合的硅片置于键合机中进行升温、加压、冷却过程，使得键合区域的粘结介质完全固化，同时将两硅片进行可靠粘合。最后将键合后的硅片进行划片，得到样品单元。

图1 光敏BCB键合工艺流程Fig 1 Photosensitive BCB bonding process

2 光敏BCB键合工艺实验

2.1 光敏BCB的图形化

光敏BCB键合的其中一项重要优势是可以方便地实现键合区域的选择，所以,大大拓宽了使用范围。实验版图如图2所示，中间白色区域为不透光区，与可动结构区域相对应，光刻后结构区的BCB胶会溶于显影液而完全去掉，使得胶仅仅分布在版图中有颜色的区域。显然，如果光敏BCB的流动性太大，会进入中间结构区而造成器件的失效，因此，实验中需要考虑BCB流动性的影响。紫色部分是光敏BCB的边缘标记，在硅片上用Deep RIE刻蚀得到，作为观察键合后BCB流动范围的参照物。

图2 实验版图Fig 2 Experiment layout

实验中，采用N型(100)双面抛光硅片，厚度为(450±10) μm，键合粘结介质XUS35078光敏BCB为负胶，曝光部分的BCB胶发生光固化反应形成不可溶物质而留下，没有曝光的部分通过显影而去掉。此种光敏BCB为厚胶，使用范围在10～30 μm之间。胶厚与转速的关系曲线如图3[10]所示。实验中，选择3 000 r/min的转速，由图3可知，理论上得到胶厚为12 μm左右。光敏BCB的涂胶光刻和显影的具体步骤如下：

图3 XUS35078型光敏BCB胶厚与转速关系曲线(后烘之后)Fig 3 Curves of relationship between XUS35078 photosensitive BCB thicknesses and spining speed(after baking)

1)对两片双面抛光硅片进行清洗，除去表面杂质。

2)在两硅片上用Deep RIE干法刻蚀出划片槽和用于观察BCB胶流动性的标记。

3)实验中涂胶用的是RC8涂胶机。先涂上BCB增粘剂，然后涂光敏BCB，设置涂胶机程序为开盖500 r/min,时间为10 s;闭盖3 000 r/min,时间为30 s；开盖500 r/min，时间为10 s。

4)将涂好光敏BCB胶的硅片放在110 ℃的热板上前烘90 s。

5)将带胶硅片放在光刻机里进行曝光，功率350 W，时间75 s。

6)曝光后将硅片放在90 ℃的热板上烘60 s。

7)将DS3000显影液置于41 ℃恒温环境，硅片在此显影液中静置3 min后，开始慢慢搅拌4 min，然后将硅片取出，放入室温显影液中搅拌1～2 min，停止显影。

8)取出硅片后立即吹干，放在90 ℃的热板上后烘60 s，将残留的有机溶剂挥发掉。

9)观察显影后的BCB图形。

显影温度与时间的良好控制是保证显影成功的关键因素。显影时间过长会导致光敏BCB留胶区域胶的脱落，因此，实验过程中要严格控制显影时间。光敏BCB光刻之后在显微镜下观察得到的图像如图4所示，显影成功的单元图形边缘清晰，用台阶仪测得胶厚约为12 μm，与预计值相符。而结构区的胶已经通过显影完全去除，没有残留，也没有出现胶的塌陷现象。良好的区域选择性是光敏BCB具有的优势，从而简化了工艺步骤，提高了工艺可靠性。

图4 光敏BCB胶光刻之后得到的图形Fig 4 Image of photosensitive BCB after photolithography

2.2 BCB硅—硅键合

两硅片的键合是在Karl Suss SB6键合机中进行的，键合过程如图5所示。上下两个硅片上都有对应的图形，键合之前通过两个硅片上的对准标记进行预对准，用键合机自带夹具在光刻机上进行对准操作。键合过程需要氮气保护，将带有两硅片的夹具放入键合腔内，释放夹具，在待键合的硅片上施加1 900 mbar的压力。逐渐升温，腔内温度曲线如图6[2,6]所示。当温度高于250 ℃时，光敏BCB迅速固化，在250 ℃条件下维持1 h，然后缓慢降温冷却到室温，取出键合片。

图5 在Karl Suss SB6键合机中硅片的键合过程Fig 5 Bonding process of silicon wafer in Karl Suss SB6

图6 光敏BCB键合过程升温降温折线图Fig 6 Temperature curve of photosensitive BCB bonding process

3 键合效果表征

3.1 键合面形貌观察

键合片用红外显微镜观察得到的图像如图7所示。测量得出BCB胶向内最大流动范围在5 μm左右，由此得出，经过曝光显影后烘过程的光敏BCB在键合过程中几乎失去了流动性，键合过程中对两硅片施加的压力并没有使得胶发生严重流淌现象。因此，根据实验结果，只要在设计器件时为光敏BCB留出一定的流淌空间，就不会引起中间结构区器件的失效。键合面的BCB胶完整均匀，没有出现断胶或者气泡的现象，边缘也比较整齐清晰，中间的结构区比较干净，BCB胶已经完全去除。

图7 键合片红外显微镜观察到的图形Fig 7 Observed image of bonded wafer through infrared microscope

3.2 键合侧面效果

将键合好的硅片进行划片，分成单个的小单元。本实验中划片后每个单元尺寸约为3 mm×3 mm，单元侧面如图8所示。由截面图可以看出,光敏BCB分布均匀，键合效果良好。测得键合之后的胶厚约为11.6 μm。对比键合之前的光敏BCB胶厚，发现键合仅仅使得胶的厚度减小了不到0.5 μm，此型号的光敏BCB在经过光刻步骤之后几乎已经定型，其微小的流动和压缩可忽略不计。

图8 键合面侧面效果图Fig 8 Lateral effect view of bonding plane

3.3 键合强度

键合强度是一个衡量键合质量的重要指标。若键合强度小，键合片很有可能开裂，导致工艺失败。只有保证键合强度足够大，才能提高成品率和器件质量。

为了检验光敏BCB键合强度，本文选择有效键合的10个样品单元进行测试。剪切强度测试是一种破坏性测试方法，通过对样品单元施加剪切方向的推力，将键合片的上下片进行分离，从而测量出上下片键合强度值[1]。将挑选出的10个样品进行编号1～10#，用型号为Ablebond 84—3的蓝胶分别将10个样品粘固在PCB板上，然后把PCB板放入150 ℃的烘箱内保持1 h，将蓝胶固化，然后逐渐冷却到室温。将PCB板水平放在Dage Series 4000剪切强度测试机上，将剪切劈刀抬高到一定位置，平行于PCB板平面施加水平剪切力，使得键合片上下分开。测试中数据如表1所示。

表1 样品剪切强度测试结果Tab 1 Results of shear strength test of sample

键合区就是光敏BCB的分布区域，约占整个单元面积的30 %。测试得到样品平均剪切强度大小为18 MPa，符合一般MEMS器件键合强度要求。

3.4 气密性检测

检漏试验条件为示踪气体氦(He)细检和氟油粗检。细检是在气密性检测仪器VARIAN auto-test 947中进行，具体过程是：将被测样品置于一个充满He的保压腔，保持2h后取出，在空气里放置一段时间后将其放入带有真空系统和He质谱仪的容器内，通过测量从器件结构腔体内逃逸出的He量，可得出其漏率为3.8×10-8atm·cm3/s。依次将10个被测单元样品放入氟油内进行粗检，观察发现没有器件出现气泡，样品气密性合格。

4 结 论

本文介绍了一种应用于MEMS器件的低温光敏BCB键合工艺。通过实验研究得到工艺步骤中的各个参数值，最后验证了光敏BCB键合的强度、气密性等特性。同时，确定了适合的光刻、键合条件，在300 ℃以下实现了两硅片的粘结键合。划片后测得器件单元剪切强度为18 MPa，强度较高，且光敏BCB流动性很小，不会流淌到中间无胶的器件区，气密性检测得到样品漏率小于5.0×10-8atm·cm3/s He，满足要求。此种型号的光敏BCB可以简单方便地实现键合区域的图形化，并且这种键合方式对所粘结材料表面质量要求不高，容易实现可靠键合，工艺简单方便。此外，BCB是一种绝缘胶，可以对上下两硅片进行电隔离。此种光敏BCB键合的应用范围很广，具有较好的发展前景。

[1] 张志强.硅/玻璃激光键合技术及芯片级原子钟气密性[D].上海：中科院上海微系统与信息技术研究所,2012.

[2] 蒋玉齐.高量程MEMS加速度计封装研究[D].上海：中科院上海微系统与信息技术研究所,2004.

[3] Tang Jiajie,Sun Xiaowei,Luo Le.A wafer-level multi-chip module process with thick photosensitive benzocyclobutene as the dielectric for microwave application[J].Journal of Micromechanics and Microengineering,2011,21(6):065035—1-065035—8.

[4] Wang C H,Zeng J,Zhao K,et al.Chip scale studies of BCB-based polymer bonding for MEMS packaging[C]∥Electronic Components and Technology Conference,2008.

[5] Polyakov A,Bartek M,Burghartz J N.Area-selective adhesive bonding using photosensitive BCB for WL CSP applications[J].Journal of Electronic Packaging,2005,127:7-11.

[6] 刘玉菲,李四华,吴亚明.用苯并环丁烯进行圆片级硅—硅气密性键合[J].电子元件与材料,2006,25(2):55-57.

[7] 王文婧,王 鹏,陈 博.光敏型BCB在MEMS圆片级封装中的应用[J].集成电路通讯,2012,30(2):22-26.

[8] 刘 磊,展明浩,李苏苏,等.基于BCB键合的MEMS加速度计圆片级封装工艺[J].电子科技,2012,25(9):9-12.

[9] 何洪涛.一种基于BCB键合技术的新型MEMS圆片级封装工艺[J].微纳电子技术,2010,47(10):629-633.

[10] CYCLOTENETMadvanced electronics resins(photo BCB)proce-ssing procedures for 20 μm photo-BCB layers using XUS35078 type 3[DB/OL].[2013—04—30].http:∥www.dow.com/.

Research on Si—Si bonding technique with photosensitive BCB for MEMS devices*

ZHAO Lu-bing1,2, XU Jing1, ZHONG Shao-long1, LI Shao-liang1,2, WU Ya-ming1

(1.State Key Laboratory of Transducer Technology,Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology,Chinese Academy of Sciences,Shanghai 200050,China;2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)

A kind of bonding technique with photosensitive benzo-cyclo-butene(BCB)is presented.In our experiments,by employing a kind of negative photosensitive BCB(XUS35078)and optimizing photolithography parameters,well-patterned BCB is obtained，then BCB bonding is carried out under particular temperature and pressure.Test shows that the BCB shows low flow characteristic and collapsing rate.The thickness of BCB photoresist after bonding is 11.6 μm,shear strength of each cell is 18 MPa,and hermeticity is better than 5.0×10-8atm·cm3/s He.This bonding process can be applied for production of MEMS devices which needs low temperature process and cannot bear high voltage .

photosensitive BCB; photolithography; low-temperature bonding; shear strength; hermeticity

10.13873/J.1000—9787(2014)08—0048—04

2014—01—07

微系统技术国家重点实验室基金资助项目

TN 305

A

1000—9787(2014)08—0048—04

赵璐冰(1988 - )，女，山东烟台人，硕士研究生，主要研究方向为光学MEMS器件。