三层硅加速度敏感芯片BCB键合工艺研究

刘智辉， 田 雷， 李玉玲， 尹延昭

(中国电子科技集团公司 第四十九研究所，黑龙江 哈尔滨 150001)

三层硅加速度敏感芯片BCB键合工艺研究

刘智辉， 田 雷， 李玉玲， 尹延昭

(中国电子科技集团公司 第四十九研究所，黑龙江 哈尔滨 150001)

采用非光敏苯并环丁烯(BCB)进行MEMS压阻式加速度敏感芯片三层结构制作。BCB键合具有工艺温度低、键合表面要求低等特点，适用于芯片的圆片级封装。但是固化过程中BCB粘度随温度升高而下降，流动性变大，在毛细作用的影响下沿着微小间隙流淌，导致可动部件粘连，器件失效。通过控制BCB厚度、增加BCB阻挡槽解决了可动部件粘连问题，制作了三层硅结构的加速度敏感芯片。样品漏率小于1.0×10-10Pa·m3/s，键合剪切强度大于20 MPa，能够满足航天、工业、消费电子等各领域的应用需求。

微机电系统； 三层硅； 加速度计； 苯并环丁烯； 键合； 毛细作用

0 引 言

加速度传感器广泛应用于汽车、航天、航空、兵器等领域[1]。通常，加速度敏感芯片包含质量块、弹性梁等可动部件，环境中的灰尘、气流、水汽会降低敏感结构可靠性，甚至导致敏感芯片失效，圆片级封装是解决该问题的有效方法[2]。

常用的圆片级封装技术有：阳极键合、硅直接键合(SDB)、共晶键合、黏合剂表面键合[3]。阳极键合强度高,密封性好，但是由于异质材料间的热膨胀系数不同而引入的应力会影响器件性能的稳定性。共晶键合和SDB对键合面的状态要求非常高，所以，工艺难度大。黏合剂键合是指通过环氧树脂、玻璃粉等中间材料完成圆片的结合，对表面状态要求不高，工艺难度小。

苯并环丁烯(BCB)键合属于黏合剂键合，键合温度低，粘接效果良好，耐酸碱腐蚀，介电常数低，对键合表面的平整度和粗糙度要求较低[4]，能够用于硅—硅、玻璃—硅等结构的键合。中国科学院上海微系统与信息技术研究所很早就开展了BCB键合研究[5]和BCB键合在加速度传感器中的应用研究[6]；赵璐冰开展了光敏BCB应用于MEMS键合的研究[7]，刘磊研究了旋涂、键合压力等工艺参数对键合效果的影响[8]，何洪涛利用BCB键合技术研制了压阻式惯性传感器[9]。

键合固化前，BCB粘度随温度升高而降低，流淌性变大[10]，有可能导致可动部件粘连，器件失效。本文采用干刻蚀型BCB键合工艺，制作了三层硅结构的加速度敏感芯片。通过控制胶量和增加阻胶槽的方法解决了可动部件粘连问题。

1 加速度敏感芯片工艺流程

MEMS加速度敏感芯片由硅上盖、硅敏感结构层、硅下盖组成，如图1。

选用厚度400 μm的4 in(1 in=2.54 cm)(100)双面抛光硅片,敏感芯片制作工艺如下：

1)敏感结构层加工：在结构层正面通过氧化、光刻、离子注入、刻蚀、金属蒸发、表面钝化等工艺制作力敏电阻器并连接成惠斯通电桥，通过双面对准、KOH各向异性腐蚀在结构层背面制作梁岛结构，腐蚀深度380 μm(典型值，可根据具体性能要求确定，下同)。

图1 敏感芯片结构示意图

2)上、下盖加工：利用ICP刻蚀技术，在下盖正面和上盖背面制作间隙，控制器件，刻蚀阻尼深度4 μm；接着光刻、ICP刻蚀在下盖正面和上盖背面制作限位结构，提高器件抗冲击能力，刻蚀深度3 μm。通过两次ICP刻蚀完成7 μm的阻尼间隙和3 μm高的限位结构。通过双面光刻和KOH腐蚀(或者ICP刻蚀)在上盖正面制作引线孔，腐蚀深度350 μm。

3)下盖键合：在下盖正面旋涂BCB，利用预留在片上的标记用光刻机将结构层背面和下盖正面进行对准、贴合固定。在键合机中通过工艺控制，完成BCB固化。

4)质量块释放：在完成下盖键合的结构层正面光刻、ICP刻蚀，释放敏感结构。

5)上盖键合：在上盖背面旋涂BCB，利用预留在片上的标记用光刻机将结构层正面和上盖背面对准、贴合固定。在键合机中通过工艺控制，完成BCB固化。

6)电极释放：利用ICP从上盖正面刻蚀硅，直到露出电极。

2 BCB键合工艺

本文选用美国Dow chemical的型号为CYCLOTENE 3022—46的先进电子树脂，含46 %的非光敏型BCB。辅助试剂有T1100清洗液，用于清除BCB；AP3000密着促进剂，用于增强BCB粘附性。BCB键合工艺为：

1)表面处理：用丙酮、无水乙醇兆声清洗待键合片，去除键合面的灰尘、沾污物。

2)旋涂AP3000：转速为3 000 rpm，加速度为10 000 rpm/s，时间为20 s。

3)旋涂BCB：转速为800 rpm，时间为10 s，转速为3 500 rpm，时间20 s，加速度为10 000 rpm/s。BCB厚度与旋涂转速的关系如图2。

图2 BCB厚度与旋涂转速关系

4)清边：为避免BCB流淌进而污染键合机，需要用清洗液T1100清除硅片边缘处3～5 mm内的BCB；转速为1 000 rpm，加速度为10 000 rpm/s，时间为30 s。

5)烘干：105 ℃，时间：120 s。

上述工艺参数得到的BCB厚度约为2.7 μm。涂覆BCB完成后在显微镜下检查BCB状态，BCB层均匀覆盖、无气泡、无杂质。用轮廓仪(3D共聚焦显微镜或者台阶仪)表征BCB表面平整度。

6)对准：用光刻机将待键合片进行图形对准，将待键合片固定到键合卡盘上。

7)键合：键合力为800N，键合温度控制如图3。

图3 键合温度曲线

3 键合工艺问题和优化

第一次加工得到的加速度敏感芯片桥臂电阻正常，但是没有灵敏度，对芯片进行了分析、解剖，发现质量块与上盖背面背BCB粘连，如图4。

图4 上盖与质量块粘连照片

经分析，质量块粘连过程为：固化前，BCB粘度随温度升高而降低，流淌性变大[10]，键合区域的BCB被挤压流向芯片中部；而上盖与质量块之间的间隙仅有7 μm，再减去厚度1 μm的铝引线和1 μm的钝化层，质量块正面与上盖间仅有5 μm的距离，形成了狭小的缝隙，BCB在毛细作用的影响下[11]，沿着阻尼间隙流淌到质量块与上盖之间，经过固化后质量块固定，导致器件失效，如图5。

图5 BCB流淌情况红外照片

同样的间隙和键合条件下，下盖并未发生粘连，这是因为质量块由各项异性腐蚀制成，其上表面远大于下表面，下表面处阻尼间隙周围有很大的空间(见图1)，不满足毛细作用形成的条件；另外，BCB并未流至下盖与质量块间，说明通过控制胶厚能够在保证键合强度的同时减少胶量，避免太多BCB流淌导致粘连。

有两种解决方案：1)将上盖阻尼间隙调大到20 μm，避免毛细作用的影响。该方案会减低器件的阻尼，影响敏感芯片动态特性。2)在上盖处增加阻胶槽，用来收集流淌的BCB，阻挡BCB向质量块方向的流淌，为降低失效风险，下盖也一并增加阻胶槽，该方案增加了工艺步骤和成本。

经试验，方案一能够解决BCB粘连问题，但是器件阻尼和带宽下降明显，按方案一制作的加速度敏感芯片样品频率响应特性见图6，器件处于欠阻尼状态。

图6 方案一样品的幅频特性曲线

方案一工艺简单，但是以牺牲器件动态性能为代价，在很多情况下是无法接受的。方案二需要增加阻胶槽版图和刻蚀工艺，本文对阻胶槽的作用进行了专项试验。

为了观察BCB在各温度点的流淌情况和阻胶槽的作用，将C片背面与玻璃片进行键合，在键合各温度点(100，150，200,250 ℃)取出片子，显微镜下观察BCB在键合面上的流淌情况，如图7。试验发现BCB在150 ℃后流淌性变大，阻胶槽收集了流淌的BCB，该方案彻底解决了BCB流淌性对可动部件的威胁。

图7 BCB流淌情况试验

4 样品制作和测试

应用优化过的BCB键合方案制作了三层硅结构加速度敏感芯片，如图8。经过封装、测试，性能合格。该工艺方案可控性强、重复性好，能够满足批量生产要求。

图8 三层硅圆片和封装样品

按照GJB 548B—2005中方法1014.2和2019.2测试了10个芯片的密封性和键合剪切强度。氦作为示踪气体的放射性同位素细检和氟油粗检测试了样品密封性，样品漏率小于1.0×10-10Pa·m3/s。用剪切强度测试机测得样品剪切强度大于20 MPa，见表1。样品密封性和键合强度满足MEMS器件应用要求。

表1 剪切强度测试结果

5 结 论

本文研究了应用于三层硅加速度敏感芯片的BCB键合技术，通过试验发现，固化过程中BCB流动性变大，在表面张力作用下，沿着细小的阻尼间隙流淌到质量块与盖板之间，导致质量块粘连，器件失效。

通过在上下盖上增加阻胶槽，收集流淌的BCB，阻挡BCB向质量块的流淌，很好地解决了可动部件粘连问题。

用BCB键合技术制作了三层硅加速度芯片，样品漏率小于1.0×10-10Pa·m3/s，键合剪切强度大于20 MPa。利用该工艺方案可以制作振动、冲击、过载等各类加速度传感器，适用于航空、工业、消费电子等各个领域。

[1] 樊尚春,彭春荣.硅压阻式传感器的温度特性及其补偿[J].微纳电子技术,2003,8(7)：484-488.

[2] 袁明权，孙远程.基于圆片级阳极键合封装的高g值压阻式微加速度计[J].传感器与微系统，2013,32(5)：111-117.

[3] Hsu Tai-Ran.MEMS Packaging.微机电系统封装[M].姚 军,译.北京：清华大学出版社,2006：19-34.

[4] 李苏苏，陈 博.苯并环丁烯作为键合介质的硅硅键合研究[J].集成电路通讯，2011,29(1)：3-12.

[5] 刘玉菲，吴亚明，李四华,等.一种圆片级微机械器件和光电器件的低温气密性封装方法：中国，CN1821052A[P].2006—01—13.

[6] Yang Yongliang.A dynamic collision model for improved over-range protection of cantilever-mass micromechanical accelerometers[J].Microelectronics Journal,2010(41)：331-337.

[7] 赵璐冰,徐 静,钟少龙.MEMS光敏BCB硅—硅键合工艺研究[J].传感器与微系统，2014,33(8)：48-51.

[8] 刘 磊.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] The Dow Chemical Company．Processing Procedures for CYCLOTENE 3000 Series Dry Etch Resins[M]．USA:The Dow Chemical Company，2008．

[11] 王永刚，田 雷，刘智辉.基于毛细作用的圆片级互联技术[C]∥第十二届全国敏感元件与传感器学术会议论文集，昆山，2012：269-270.

Research on BCB bonding process of acceleration sensitive chip made of three-layer Si wafer

LIU Zhi-hui， TIAN Lei， LI Yu-ling， YIN Yan-zhao

(The 49th Research Institute,China Electronics Technology Group Corporation， Harbin 150001，China)

Fabrication of three-layer Si structure MEMS piezoresistive acceleration sensitive chips by BCB bonding is carried out.Bonding with Benzo-cyclo-butene(BCB)is suitable for MEMS wafer level packaging because of its low process temperature and low requirement for surface.But viscosity of BCB reduce and liquidity increase while the temperature rise,BCB flows along the micro-gaps due to the capillary-effect,which leads to conglutination of movable structure and failure of the device.By controlling thickness of BCB,and adding overcome groove resolve problem of conglutination of movable structure three-layer Si structure acceleration chips is fabricated.Cell samples is tested，bonding shear strength is more than 20 MPa and hemeticity is less than 1.0×10-10Pa·m3/s，which meets requirement for fields such as aviation，industry and consumptive device.

MEMS；three-layer Si； accelerometer； BCB； bonding； capillary-effect

10.13873/J.1000—9787(2015)03—0037—03

2015—01—06

TN 305.9

A

1000—9787(2015)03—0037—03

刘智辉(1987-)，男，山西吕梁人，助理工程师，主要从事加速度传感器研究。