单片集成MEMS中的阳极键合工艺

　　近年来,单片集成MEMS不断发展,并初步显示了许多优越性。单片集成的微电子机械系统(MEMS)是将微结构部分和信号处理电路部分做在同一块芯片上,这样就不用考虑传感器和处理电路间的连接问题,信号线变短,减小了寄生电容,从而提高了整个系统的抗干扰能力,整个系统的体积也减小了。而且将两次封装变成了一次封装,但这也相应地提高了对封装工艺的要求。阳极键合工艺由于键合温度相对较低,且对键合片的粗糙度和平整度要求不高及良好的机械稳定性和密封性,在单片集成MEMS领域有着广阔的发展前景。但是键合工艺300～400℃的温度、近千伏电压以及玻璃中存在Na+,仍会给片上电路带来许多影响,本文就阳极键合工艺对片上电路的影响进行了研究,比较了两种主要方法,对单片集成MEMS的阳极键合工艺有参考价值。

　　1　阳极键合原理

　　阳极键合工艺是Wallis和Pomerantz于1969年提出的[1],又称静电键合或场助键合。利用阳极键合工艺可将玻璃和金属、合金或半导体键合在一起,而不用任何粘结剂,键合界通常采用热膨胀特性与硅相近的Corning公司的Pyrex7740玻璃。

　　阳极键合的基本机理是由于热激发增强了Na+的可动性,使得Na+在外加电压的作用下发生漂移。如图1所示,由于硅片接电源正极,玻璃接负极,就会在玻璃靠近硅-玻璃界面一侧形成Na+的耗尽层,并在硅片靠近玻璃的一侧感应出等量的负电荷。这样键合高压基本上降落在几个微米的耗尽层中,形成了很高的电场,从而在硅-玻璃界面产生了强大的静电引力使硅和玻璃紧密接触。与此同时由于玻璃和空气中水里含氧,在加热和加压的条件下界面处发生了阳极氧化反应形成了牢固的化学键Si-O键,使得硅-玻璃界面形成了良好的封接,要比硅或玻璃本身牢固(Si-O键的强度约是Si-Si键强度的2.5倍[2])。

　　2　单片集成MEMS中阳极键合技术

　　2.1　CMOS工艺对封装工艺的要求

　　为了改进性能、降低成本、实现SOC,单片集成传感器已经成为MEMS领域的主要研究方向。将CMOS电路和传感器集成到一块芯片上,要求封装工艺能够满足CMOS电路的苛刻要求,如低温、短时间、低浓度重金属和碱性金属离子沾污。因为高温会改变CMOS电路中的杂质分布,破坏器件的铝引线,发生Al-Si合金化等;可动离子沾污(如碱性金属离子)会改变MOS阈值电压,造成pn结特性的漂移。CMOS电路封装材料中的的碱金属离子一般要限制在5×10-6以下,最好是十亿分之一量级。重金属离子,如金、铂,也要低于5×10-5。[3]目前常用于分立MEMS器件的芯片级封装技术有阳极键合、硅-硅直接键合、共晶键合、玻璃焊料烧结及有机材料密封。其中硅-硅直接键合要求的键合温度太高,共晶键合会造成重金属(金)离子沾污,有机材料封接的密封性较差容易受温度影响,有机焊料烧结工艺较复杂且存在热匹配问题。阳极键合工艺由于键合温度相对较低,且Pyrex7740玻璃与硅的热膨胀系数非常接近,引入的热应力小及对键合片的表面要求相对较低(相对于硅-硅直接键合)等特点,在单片集成MEMS领域有着广泛的发展前景。然而,由于较高的键合电压和玻璃中Na+的存在也造成了一些困难。