内置皮拉尼计的硅通孔圆片级MEMS真空封装研究

(华中科技大学机械科学与工程学院,湖北 武汉 430074)

0 引言

很多微机电系统(MEMS)器件，如微陀螺仪、微加速度计等都需要进行真空封装。目前，MEMS器件主要采用器件级真空封装方式，存在外形尺寸较大、成品率较低、成本较高等问题[1-2]。圆片级真空封装可缩小真空封装的外形尺寸、提高成品率并降低成本。但圆片级真空封装还存在几个关键问题一直未得到有效解决：1)真空封装质量检测困难,目前是借用气密封装泄漏标准通过氦质谱仪测试泄漏率来评价真空封装质量,该方法存在很大误差，而且真空封装内部的出气没法检测；2)导线互连处极易气体泄漏，以前采用电信号导线横向互连方式，横向互连导线与键合面重叠，易导致信号导线键合处气体泄漏[3-7]。在此，采用硅通孔(TSV)纵向互连方式，从而不需要对键合面进行再磨削或抛光，避免键合面凸凹不平或由于磨削或抛光产生新的损伤层，从而将导线互连面与键合界面分离，同时将真空检测芯片集成在真空封装腔体内，实时监测真空封装内部真空度。

1 基于硅通孔真空封装结构设计与加工

设计的基于硅通孔纵向互连型真空封装结构，如图1所示。在硅基底上刻有硅通孔，在硅片表面和通孔内均淀积电绝缘层，然后在通孔内淀积一层扩散阻挡层，再在通孔内淀积一层电镀用金属种子层，最后在通孔内部电镀金属以实现通孔的填充。以该通孔内的金属作为电极，进行真空腔内外的电信号连接。硅基底上有环形的键合区域用于在真空环境下与盖帽键合。硅盖帽内刻有方形凹槽，其与硅基底中间部分形成的空间用于放置MEMS器件。

图1 基于硅通孔真空封装结构示意

基于硅通孔真空封装结构加工主要包括2个方面：硅通孔加工和真空封装键合。

1.1 硅通孔加工

硅通孔技术的出现为解决圆片级真空封装导线与键合界面分离提供了一个契机。硅通孔技术作为继引线键合、载带自动焊、倒装焊之后出现的新一代互连技术，具有互连线路短、电性能和集成度高等优点。在此，采用硅通孔技术，变以前的电信号横向互连为纵向互连，从而不需要对键合面进行再磨削或抛光，避免键合面凸凹不平或由于磨削或抛光产生新的损伤层，从而将导线互连面与键合界面分离。硅通孔加工工艺流程，如图2所示。主要包括通孔刻蚀、绝缘层沉积、金属填充等。

图2 硅通孔加工工艺流程

硅片厚度为370 μm，P型双抛硅片，电阻率为10～100 Ω/cm，100晶向。通孔直径为60 μm，深宽比约为6∶1，对于硅片的刻蚀，采用Bosch工艺，刻蚀气体为SF6,采用STS公司的ICP-DSE反应离子刻蚀机。表1为DRIE刻蚀工艺参数。刻蚀和保护过程中气体SF6和气体C4F8的流量分别为7.5×10-6m3/s和3.2×10-6m3/s，一个刻蚀周期内的刻蚀和保护时长分别为8 s和3 s。刻蚀时线圈功率2 300 W、射频功率50 W并每分钟增加0.5 W，保护时线圈功率1 650 W、射频功率20 W。完成硅通孔刻蚀时间约为1 h。图3为反应离子刻蚀的硅通孔SEM照片。

表1 DRIE刻蚀工艺参数

图3 DRIE刻蚀硅通孔SEM照片

金属与硅基底之间需要沉积绝缘层以确保电互连的稳定，因此硅通孔侧壁上需要沉积一层绝缘薄膜，常用的绝缘材料有SiO2和Si3N4,需采用台阶覆盖特性比较好的工艺，如LPCVD或热氧化等。

硅通孔的金属填充用于实现封装结构内部器件和外界的电信号互连，金属填充致密程度对真空封装气密性和真空度保持有很大影响。金属填充工艺在硅通孔绝缘层沉积之后进行，通过电镀铜实现，采用自底到顶电镀工艺流程，自底向上电镀工艺中使用甲基磺酸铜体系电镀液，通过改变电流密度、电镀时间来获得无空隙电镀铜填充。电镀铜在制作种子层之前要先在硅通孔处溅射粘附阻挡层，用于提高铜和硅之间的粘附力并防止铜粒子向硅中扩散，粘附阻挡层材料可以采用Ni,Cr,Ti和TiW等。

采用自底到顶电镀方法，只在硅片一面溅射粘附阻挡层和种子层，单面电镀将溅射了种子层那面的硅通孔封口，然后进行电镀，铜从封口端向硅通孔另外一端逐渐生长最终实现硅通孔的填充。自底到顶电镀工艺流程，如图4所示。在完成绝缘层沉积的硅片上表面及通孔侧壁溅射50 nm粘附阻挡层Ti和1 μm种子层Cu，单面电镀封口，自底到顶电镀填充硅通孔。为了防止硅片表面铜种子层生长为电镀后去铜带来困难，利用光刻工艺将硅片表面非硅通孔区域的铜用光刻胶遮盖起来。

图4 自底到顶电镀流程

电镀使用上海新阳公司生产的甲基磺酸铜体系电镀液，电镀液配比是：甲基磺酸浓度10 g/L，铜离子浓度110 g/L，抑制剂浓度2 mL/L，加速剂浓度8 mL/L。电流密度为200 A/m2。电镀完成后的硅片如图5所示。电镀填充后的剖面光学显微镜照片如图6所示。

图5 自底到顶电镀完成后的硅片 图6 自底向上电镀后的硅通孔剖面显微镜照片

1.2 真空封装键合工艺

常用的真空键合技术主要是阳极键合、金硅共晶键合等。金硅共晶键合的基底硅片空腔刻蚀是将待腐蚀硅圆片置于KOH和IPA混合溶液中，进行湿法腐蚀。湿法腐蚀工艺参数是：KOH浓度25%～30%；IPA浓度5%～8%；时间3～4 h；温度75～80 ℃。腐蚀完后在台阶仪上测试槽深约为110 μm左右。在基底硅片上沉积粘附层与Au层，然后将基底硅片与另一硅片进行金硅共晶键合。金硅共晶键合工艺参数是：键合温度400 ℃；环境真空10-3Pa；压力1 MPa。2005年利用自制键合设备进行的金硅共晶键合效果，如图7所示(本刊2005年第6期第34页图4及其说明更正为本文图7及其说明)。将金硅共晶键合后的两硅片拉开，由图7a可知，键合后分开的表面镀金的硅片在键合环上显露出硅材料。由图7b可知，分开的另一片硅片上有金材料的残留。

图7 自制键合设备进行的金硅共晶键合效果

阳极键合的盖板玻璃片空腔刻蚀是采用湿法腐蚀，玻璃的湿法腐蚀需要金属掩膜保护，由于玻璃的湿法腐蚀速率较慢，掩膜容易被腐蚀液损坏，选择Cr(50 nm)/Cu(1 μm)/Cr(500 nm)的3层金属掩膜可耐腐蚀。腐蚀液采用HF(10)∶ HCl(1)的混合液。阳极键合工艺参数：键合电压为650 V；键合温度为450 ℃；键合压力为0.6 MPa；键合时间为30 min。硅片表面有一层氮化硅，不影响与玻璃的阳极键合。带有硅通孔的硅圆片和带空腔的玻璃盖板阳极键合效果，如图8所示。

图8 带有硅通孔的硅圆片和带空腔的玻璃盖板阳极键合效果

1.3 检测封装壳体内部真空度的皮拉尼计

检测封装壳体内部真空度的皮拉尼真空计是基于皮拉尼原理。硅片上金属薄膜的温度随真空度的变化而变化，温度的变化导致金属薄膜的电阻率发生变化。测量金属薄膜的电阻即可获得真空度的大小。为了提高金属薄膜感知真空度变化的灵敏度，需使金属薄膜悬空，采用Pt作为金属薄膜材料，金属薄膜的电阻设为600 Ω，金属薄膜电阻宽度为10 μm，间隔为20 μm，金属薄膜形状为折线形。

1.4 内置皮拉尼真空计的基于TSV的真空封装

现将TSV、皮拉尼计一起集成在真空封装腔体内，其工艺流程如下：

a. 先在硅片上做TSV。

b. 在沉积皮拉尼计的金属薄膜和腔体内部互连线。

c. 然后沉积1层氮化硅保护金属薄膜和TSV等。

d. 腐蚀金属薄膜下面的硅以使金属薄膜悬浮。

e. 进行硅玻璃的阳极键合。

设计的内置皮拉尼真空计的基于TSV的真空封装三维结构，如图9所示。

图9 设计的内置皮拉尼真空计的基于TSV的真空封装三维结构

设计的内置皮拉尼真空计的基于TSV的真空封装三维结构在加工腐蚀后的皮拉尼计实物，如图10所示。内置皮拉尼计的4英寸硅通孔圆片级真空封装实物，如图11所示。

图10 集成了TSV的皮拉尼计实物

图11 内置皮拉尼计的4英寸硅通孔圆片级真空封装实物

2 非蒸散型吸气剂

为了封装长时间保持真空度，还研制了吸气剂。吸气剂分为蒸散型和非蒸散型2大类。蒸散型吸气剂主要依靠金属蒸散后形成的薄膜进行吸气, 以Ba，Sr，Mg，Ca及其合金为主。这种材料的缺点是容易蒸散到空腔各处, 降低MEMS电极间的绝缘性能,造成漏电或影响MEMS器件工作。非蒸散型吸气剂通常包括Ti，Zr，V，Fe以及其合金。此类吸气剂适于应用在不能使用蒸散型吸气剂的器件里。

由于Zr-V-Fe具有激活温度低、吸气速率高、吸气容量大等优点,已被广泛应用于各种显示器件及电真空器件中。设计了具有较低激活温度的锆钒铁吸气剂，并将该吸气剂制成薄膜样品。由具有吸气剂性能测试能力的南京忠铭电子科技有限公司对制备的吸气剂薄膜样品做了性能测试。具体结果如图12和表2所示。测试结果表明设计的锆钒铁吸气剂与国外著名赛思公司某型号吸气剂的吸气性能一致，但成本更低。

图12 吸气剂特性曲线

表2 非蒸散吸气剂测试数据

3 结束语

研制了内置皮拉尼计的4英寸硅通孔圆片级真空封装，解决了现有的圆片级真空封装存在检测难、易泄漏等问题。研制了低温激活非蒸散型锆钒铁吸气剂，解决了长时间保持封装真空度问题。