MEMS圆片级真空封装的关键工艺研究

摘要

基于谐振结构的MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems,微机电系统)在消费电子品和高速无线网络领域展露了焕然一新的操作体验和迅猛的性能优势,具有尺寸小、批量成本低优势的MEMS圆片级真空封装的商业潜力日益显现。基于键合工艺和牺牲层工艺的制程是MEMS圆片级真空封装的实现方式,这两种制程和纵向互连TSV(Through Silicon Via,硅通孔)结构、用于实时测试腔体内真空度的皮拉尼计、提高封装的寿命的吸气剂与缓冲腔结构都可以用微加工工艺实现。本文研究了上述微结构的实现制程并开展了相关的工艺实验,获得了如下研究结果:
　　提出了一种基于键合工艺的真空封装结构和制程,结构包括TSV(Through Silicon Via,硅通孔)、吸气剂、缓冲腔和皮拉尼计,验证了制程可行。
　　获得了DRIE(Deep Reactive Ion Etch,深反应离子刻蚀)刻蚀TSV通孔工艺和双面电镀、自下而上两种无孔隙的电镀填充工艺。双面电镀工艺后表面沉积的铜层存在较大应力破坏硅片。喷氦测试验证了自下而上的电镀填充工艺获得的TSV具有气密性。
　　实验证明了热氧化沉积的SiO2、PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition,等离子增强化学气相沉积)沉积的Si3N4、LPCVD(Low-Pressure Chemical Vapor Deposition,低压化学气相沉积)沉积的Si3N4三种薄膜只有LPCVD沉积的Si3N4薄膜能够在湿法腐蚀工艺后完整保留并满足作为支撑结构的要求;利用湿法腐蚀获得了薄膜释放工艺。溅射沉积的Ti、Pt金属薄膜在长时间湿法腐蚀中脱落,需要重新考虑材料选择或添加保护薄膜。
　　实验证明了光刻-溅射-剥离的工艺组合可以在盖帽底部沉积Zr-V-Fe吸气剂,并具有较好的吸气性能。湿法腐蚀工艺可以制作普通或带有缓冲腔结构的盖帽,键合环宽度大于400μm,其腐蚀深度小于100μm时不会产生因凸角腐蚀现象引起的键合环失效。
　　在自下而上电镀工艺中由于设备和条件的限制,保护用光刻胶部分脱落导致键合表面残留的颗粒;电镀不均匀产生的凸出铜柱导致金硅共晶键合工艺的失败,硅片破裂。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪 论

1.1引言

1.2 MEMS圆片级真空封装工艺发展现状

1.3课题来源、研究内容和论文组织结构

2 MEMS圆片级真空封装的基本微加工工艺

2.1光刻

2.2薄膜制备

2.3 刻蚀工艺

2.4键合工艺

2.5电镀和减薄、CMP

2.6本章小结

3 MEMS圆片级真空封装的方案选择与整体设计

3.1腔体形成方案

3.2 TSV方案选择和工艺设计

3.3寿命改善方法

3.4皮拉尼计

3.5整体设计

3.6本章小结

4 MEMS圆片级真空封装的工艺实验

4.1 TSV 工艺

4.2皮拉尼计工艺

4.3盖帽和吸气剂

4.4集成的键合工艺实验

4.5本章小结

5 总结与展望

5.1全文总结

5.2对今后工作的展望

致谢

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间科研成果