MEMS键合工艺简介PPT课件
合集下载
MEMS键合工艺简介课件
内容
• 晶片制备 • 光刻 • 淀积 • 掺杂 • 键合 • 刻蚀
MEMS键合工艺简介
键合
MEMS键合工艺简介
ห้องสมุดไป่ตู้合
MEMS键合工艺简介
键合工艺
键合：静电键合、热键合、“复合”键合 键合的目的是通过外界作用将多个基片“粘接” 不同的键合方式，键合原理不同
MEMS键合工艺简介
静电键合
静电键合：Wallis和Pomerantz于1969年提出，静电键合可把金属、 合金、半导体与玻璃键合
MEMS键合工艺简介
原理：三个阶段
• 室温~200度：表面吸附的OH根在接触区产生氢键，随温 度增高，OH根得到热能增大迁移率，氢键增多，硅片产 生弹性形变，键合强度增加。在200~400度间，形成氢键 的两硅片的硅醇键聚合反应，产生水合硅氢键，键合强度 迅速增大 Si-OH+HO-Si——Si-O-Si+H2O
MEMS键合工艺简介
静电键合
工艺及工艺参数的影响 •温度： 低温：没有导电电流，键合无法进行 高温：玻璃软化，无法键合 一般：180~500度 •电压： 低压；静电力减弱，
无法键合 高压：击穿玻璃 一般：200~1000伏
MEMS键合工艺简介
静电键合
• 键合产生的应力：热膨胀系数相近、热匹配 • 电极形状：点接触、平行板电极 • 非导电绝缘层的影响；减弱静电力，460nm后，键合失效 • 表面粗糙度的影响 • 极化区中残余电荷的作用；键合完成后在极化区内残余的
• 表面平整度： • 沾污粒子：1微米粒子产生4.2mm孔洞
足够清洗、超净环境、平整表面、高温处理、
低温键合：在小于500度下完成键合
MEMS键合工艺简介
复合键合
• 晶片制备 • 光刻 • 淀积 • 掺杂 • 键合 • 刻蚀
MEMS键合工艺简介
键合
MEMS键合工艺简介
ห้องสมุดไป่ตู้合
MEMS键合工艺简介
键合工艺
键合：静电键合、热键合、“复合”键合 键合的目的是通过外界作用将多个基片“粘接” 不同的键合方式，键合原理不同
MEMS键合工艺简介
静电键合
静电键合：Wallis和Pomerantz于1969年提出，静电键合可把金属、 合金、半导体与玻璃键合
MEMS键合工艺简介
原理：三个阶段
• 室温~200度：表面吸附的OH根在接触区产生氢键，随温 度增高，OH根得到热能增大迁移率，氢键增多，硅片产 生弹性形变，键合强度增加。在200~400度间，形成氢键 的两硅片的硅醇键聚合反应，产生水合硅氢键，键合强度 迅速增大 Si-OH+HO-Si——Si-O-Si+H2O
MEMS键合工艺简介
静电键合
工艺及工艺参数的影响 •温度： 低温：没有导电电流，键合无法进行 高温：玻璃软化，无法键合 一般：180~500度 •电压： 低压；静电力减弱，
无法键合 高压：击穿玻璃 一般：200~1000伏
MEMS键合工艺简介
静电键合
• 键合产生的应力：热膨胀系数相近、热匹配 • 电极形状：点接触、平行板电极 • 非导电绝缘层的影响；减弱静电力，460nm后，键合失效 • 表面粗糙度的影响 • 极化区中残余电荷的作用；键合完成后在极化区内残余的
• 表面平整度： • 沾污粒子：1微米粒子产生4.2mm孔洞
足够清洗、超净环境、平整表面、高温处理、
低温键合：在小于500度下完成键合
MEMS键合工艺简介
复合键合
《MEMS加工工艺》PPT课件
1
MEMS加工工艺
精选ppt
1
控制部分 电子学
机械 部分 传感 执行
微电子学 MEMS
3
MEMS结构的特点
可动 三维 微尺度 形状复杂 材料的多样性
精选ppt
3
MEMS加工工艺分类
4
部件及子系统制造工艺
半导体工艺、集成光学工艺、厚薄膜工艺、微机械加 工工艺等
封装工艺
硅加工技术、激光加工技术、粘接、共熔接合、玻璃 封装、静电键合、压焊、倒装焊、带式自动焊、多芯 片组件工艺
这一反应为络合化反应
精选ppt
19
HF的作用
20
显然，HF的作用在于促进阳极反应，使 阳极反应产物SiO2溶解掉，不然，所生 成的SiO2就会阻碍硅与H2O的电极反应。
精选ppt
20
H＋离子 浓度的影响
21
HF、HNO3可用H2O或CH3COOH稀释。在HNO3溶 液中HNO3几乎全部电离，因此H＋浓度很高，而 CH3COOH是弱酸，电离度较小，HNO3＋ CH3COOH的溶液中，H＋与CH3COO－发生作用， 生成CH3COOH分子，而且CH3COOH的介电场数 （6.15）低于水的介电场数（81），因此在HNO3 ＋CH3COOH混合液中H＋离子浓度低。
铸形成高深宽比微结构的方法。设备昂贵，需特制的X射线掩模 版，加工周期长，与集成电路兼容性差
精选ppt
6
7
硅基微机械加工技术
体硅微机械加工技术
硅各向异性化学湿法腐蚀技术 熔接硅片技术 反应离子深刻蚀技术
表面微机械加工技术
利用集成电路的平面加工技术加工微机械装置 整个工艺都基于集成电路制造技术 与IC工艺完全兼容，制造的机械结构基本上都是二维的
MEMS加工工艺
精选ppt
1
控制部分 电子学
机械 部分 传感 执行
微电子学 MEMS
3
MEMS结构的特点
可动 三维 微尺度 形状复杂 材料的多样性
精选ppt
3
MEMS加工工艺分类
4
部件及子系统制造工艺
半导体工艺、集成光学工艺、厚薄膜工艺、微机械加 工工艺等
封装工艺
硅加工技术、激光加工技术、粘接、共熔接合、玻璃 封装、静电键合、压焊、倒装焊、带式自动焊、多芯 片组件工艺
这一反应为络合化反应
精选ppt
19
HF的作用
20
显然，HF的作用在于促进阳极反应，使 阳极反应产物SiO2溶解掉，不然，所生 成的SiO2就会阻碍硅与H2O的电极反应。
精选ppt
20
H＋离子 浓度的影响
21
HF、HNO3可用H2O或CH3COOH稀释。在HNO3溶 液中HNO3几乎全部电离，因此H＋浓度很高，而 CH3COOH是弱酸，电离度较小，HNO3＋ CH3COOH的溶液中，H＋与CH3COO－发生作用， 生成CH3COOH分子，而且CH3COOH的介电场数 （6.15）低于水的介电场数（81），因此在HNO3 ＋CH3COOH混合液中H＋离子浓度低。
铸形成高深宽比微结构的方法。设备昂贵，需特制的X射线掩模 版，加工周期长，与集成电路兼容性差
精选ppt
6
7
硅基微机械加工技术
体硅微机械加工技术
硅各向异性化学湿法腐蚀技术 熔接硅片技术 反应离子深刻蚀技术
表面微机械加工技术
利用集成电路的平面加工技术加工微机械装置 整个工艺都基于集成电路制造技术 与IC工艺完全兼容，制造的机械结构基本上都是二维的
第九讲微系统封装技术-键合技术ppt课件
• 键合良好的硅片，其键合强度可高达12MPa以上，这需要良好的键合 条件。
•
首先是温度，两硅片的键合最终是靠加热来实现的，因此，温度
在键合过程中起着关键的作用。
•
其次是硅片表面的平整度。抛光硅片或热氧化硅片表面并不是理
想的镜面，而总是有一定的起伏和表面粗糙度。如果硅片有较小的粗
糙度，则在键合过程中，会由于硅片的弹性形变或者高温下的粘滞回
•
（1）材料要与焊料玻璃的热胀系数很接近；
•
（2）封接温度要低于被封接材料的耐热极限温度。
•
对于压力传感器芯片与玻璃基座的封接，封接温度至少应
低于550°C，而Al-Si共熔点577°C，芯片上的铝引线不会被
破坏。有文献提出，参考ZnO-B2O3-PbO三元系相图选出一种
结晶性焊料玻璃，其屈服温度为460°C，该焊料与玻璃基座有
效。
玻璃 硅
MEMS器件
• 在高温氧化的硅片上沉积0.35μm的多晶硅作为电极引出，然后在多 晶硅上淀积0.3μm的Si3N4介质层，在介质层上淀积0.5μm的多晶硅与 作为盖板的圆片上的金层进行金硅共晶键合形成密封。 Au/Si键合具 有很高的键合强度，可达到245MPa。同时键合结构具有较好的耐腐 蚀性，并能承受较高的使用温度。但共晶键合的残余应力较大，键合 界面本身硬度较高而不能有效吸收键合结构中的热应力，导致热失配，
•
Si-OH+HO-Si→
•
Si-O-Si+H2O。
•
到400°C时，聚合反应基本完成。
•
第二阶段温度在500~800°C范围内，在形成硅氧键时产生的水
向SiO2中的扩散不明显，而OH团可以破坏桥接氧原子的一个键使其
硅微MEMS加工工艺_图文
EPW腐蚀条件
• 腐蚀温度：115℃左右 • 反应容器在甘油池内加热，加热均匀； • 防止乙二胺挥发，冷凝回流； • 磁装置搅拌，保证腐蚀液均匀； • 在反应时通氮气加以保护。 • 掩膜层：用SiO2，厚度4000埃以上。
腐蚀设备
影响腐蚀质量因素
• 腐蚀液成分
– 新旧腐蚀液 – 试剂重复性
• 温度 • 保护 • 搅拌
– 腐蚀窗口短边存在最小尺寸：
各向异性腐蚀液
• 腐蚀液：
– 无机腐蚀液：KOH, NaOH, LiOH, NH4OH等 ；
– 有机腐蚀液：EPW、TMAH和联胺等。
• 常用体硅腐蚀液：
– 氢氧化钾(KOH)系列溶液； – EPW(E：乙二胺，P：邻苯二酚，W：水)系
列溶液。
• 乙二胺(NH2(CH2) 2NH2) • 邻苯二酚(C6H4(OH) 2)
牺牲层技术
• 属硅表面加工技术。 • 是加工悬空和活动结构的有效途径。 • 采用此种方法可无组装一次制成具有活
动部件的微机械结构。 • 牺牲层材料
影响牺牲层腐蚀的因素
• 牺牲层厚度 • 腐蚀孔阵列 • 塌陷和粘连及防止方法
– 酒精、液态CO2置换水； – 依靠支撑结构防止塌陷。
典型牺牲层腐蚀工艺
• 流程2（不出现针孔）：
• 热氧化SiO2，LPCVD Si3N4； • 背面光刻，腐蚀Si3N4，不去胶； • 正面光刻，腐蚀Si3N4和SiO2，去胶； • 体硅腐蚀。
凸角腐蚀补偿
• 凸角腐蚀是指在硅岛或硅梁的腐蚀成型 过程中，凸角部分被腐蚀掉的现象，体 硅各向异性腐蚀时经常出现，这是因为 对(100)晶面的硅片体硅腐蚀时，凸角的 边缘与[110]方向平行，而腐蚀液对此方 向的腐蚀速度较快。若要腐蚀出带凸角 的整齐的台面结构，必须采取凸角补偿 。
微机电系统-MEMS简介_图文
分析和遗传诊断 ,利用微加工技术制造各种微泵、微阀、微摄子、微沟槽、
微器皿和微流量计的器件适合于操作生物细胞和生物大分子。所以,微机械
在现代医疗技术中的应用潜力巨大,为人类最后征服各种绝症延长寿命带来
了希望。
*
19
OMOM智能胶囊消化道内窥镜系统
• 金山科技集团研制的胶囊内镜
“胶囊内镜”是集图像处理、信息通讯、光电工程、生物医 学等多学科技术为一体的典型的微机电系统（MEMS） 高科技产品，由智能胶囊、图像记录仪、手持无线监视 仪、影像分析处理软件等组成。
21
微射流MEMS技术应用于糖尿病治疗.
这个一次性胰岛素注射泵融合了Debiotech的胰岛素输注系统技术和ST的微射流 MEMS芯片的量产能力。纳米泵的尺寸只有现有胰岛素泵的四分之一. 微射流技术还能 更好地控制胰岛素液的注射量，更精确地模仿胰岛自然分泌胰岛素的过程，同时还能检 测泵可能发生的故障，更好地保护患者的安全。 成本非常低廉。
微机电系统-MEMS简介_图文.ppt
MEMS定义
早在二十世纪六十年代，在硅集成电路制造技术发 明不久，研究人员就想利用这些制造技术和利用硅很好 的机械特性，制造微型机械部件，如微传感器、微执行 器等。如果把微电子器件同微机械部件做在同一块硅片 上，就是微机电系统——MEMS: Microelectromechanical System。
胆固醇,可探测和清除人体内的癌细胞 ,进行视网膜开刀时 ,大夫可将遥控机
器人放入眼球内,在细胞操作、细胞融合、精细外科、血管、肠道内自动送
药等方面应用甚广。
MEMS的微小可进入很小的器官和组织和能自动地进行细微精确的操作的特
点 ,可大大提高介入治疗的精度 ,直接进入相应病变地进行工作 ,降低手术风
MEMS键合工艺简介
工艺及参数影响
• 表面处理的作用：吸附OH根很关键 NH4OH、H2SO4、等离子体处理 • 温度的影响； • 与温度有关的孔洞；沾污碳氢化合物随温度生高 （200~800度）释放产生孔洞，大于1100高温退 火或先800度退火处理可消除 • 键合强度：随温度生高增加 • 界面氧化层的稳定：三种机制解释 • 表面平整度： • 沾污粒子：1微米粒子产生4.2mm孔洞 足够清洗、超净环境、平整表面、高温处理、 低温键合：在小于500度下完成键合
静电键合
工艺及工艺参数的影响
•温度： 低温：没有导电电流，键合无法进行 高温：玻璃软化，无法键合 一般：180~500度 •电压： 低压；静电力减弱， 无法键合 高压：击穿玻璃 一般：200~1000伏
静电键合
• • • • • 键合产生的应力：热膨胀系数相近、热匹配 电极形状：点接触、平行板电极 非导电绝缘层的影响；减弱静电力，460nm后，键合失效 表面粗糙度的影响 极化区中残余电荷的作用；键合完成后在极化区内残余的 电荷形成静电力，加强键合
例子
键合工艺
热键合：高温处理后，硅片直接键合在一起。Lasky提出 硅直接键合（SDB） 硅熔融键合（SFB） 直接样品键合（DWB） 工艺： • 表面处理 • 表面帖合 • 高温处理 对键合面要求： • 平整度：无凸起 • 粗糙度：Ra<0.6nm • 清洁度：无沾污
原理：三个阶段
• 室温~200度：表面吸附的OH根在接触区产生氢键，随温 度增高，OH根得到热能增大迁移率，氢键增多，硅片产 生弹性形变，键合强度增加。在200~400度间，形成氢键 的两硅片的硅醇键聚合反应，产生水合硅氢键，键合强度 迅速增大 Si-OH+HO-Si——Si-O-Si+H2O • 500~800度：水基本不扩散，OH根破坏桥接氧原子的一个 键，使之转换为非桥接氧原子，使键合面带负电荷 HOH+ Si-O-Si——2H++2Si-O• 800度以上：水扩散显著，间隙和空洞中的水扩散到氧化 硅中，产生局部真空空洞，硅片发生塑性形变消除空洞。 SiO2产生粘滞流动，消除微间隙。大于1000度后，临近 原子相互反应产生共价键，键合完成
MEMS工艺(12键合与封装)
暴露的表面能够抵抗外部杂质的污染
使封装内部避免潮湿，环境的湿度可以导 致精细的微型光机械元件的粘附
机械接口
机械接口涉及到MEMS中可动部分的设
计问题，需同它们的驱动机构连接起来； 不恰当的处理接口会造成微元器件的故障 和损坏
电机械接口
电的绝缘、接地和屏蔽是这类MEMS微系统的
典型问题。这些问题在低电压级的系统中表 现的更为明显
静电键合中，静电引力起着非常重要的作用。例 如，键合完成样品冷却到室温后，耗尽层中的电 荷不会完全消失，残存的电荷在硅中诱生出镜象 正电荷，它们之间的静电力有1M P a左右。可见 较小的残余电荷仍能产生可观的键合力。 另外，在比较高的温度下，紧密接触的硅/玻璃 界面会发生化学反应，形成牢固的化学键，如 Si-O-Si键等。如果硅接电源负极，则不能形成 键合，这就是“阳极键合”名称的由来。
Si-Si或SiO2-SiO2直接键合的关键是 在硅表面的活化处理、表面光洁度、 平整度以及在工艺过程中的清洁度。
硅硅键合表面
缺点：
Si-Si和SiO2-SiO2直接键合需在高温 （700～1100C）下才能完成，而高温处理 过程难以控制，且不便操作；
因此，能否在较低温度或常温下实现Si-Si 直接键合，就成为人们关注的一项工艺。 这项工艺的关键是，选用何种物质对被键合 的表面进行活化处理。
与主要的信号处理电路封装 ； 需要对电路进行电磁屏蔽、恰当的力和热 隔离； 系统级封装的接口问题主要是安装不同尺 寸的元件
微系统封装中的接口问题
接口问题使得为器件和信号处理电 路以及考虑密封工作介质和电磁场 问题而选择合适的封装材料成为微 系统成功设计中的一个关键问题
生物医学接口 光学接口 机械接口 电机械接口 微流体学接口
《键合技能培训》课件
优化工艺参数
通过不断试验和调整，找到最佳的工艺参数 组合，提高键合质量和效率。
建立质量管理体系
制定完善的质量管理体系和规章制度，确保 产品质量得到有效控制和管理。
05
CATALOGUE
键合技术的应用案例
集成电路封装中的键合应用
总结词
集成电路封装中，键合技术主要用于连接芯片与引线框架， 实现电气连接和机械固定。
或分子结合在一起。
键合的物理基础
总结词
键合的物理基础主要包括量子力学和分子运动论。
详细描述
量子力学是描述微观粒子运动和相互作用的科学，它解释了原子和分子的结构 和性质。分子运动论则从宏观角度解释了物质的热性质和分子运动。这些理论 为理解键合的物理基础提供了重要的理论基础。
键合的化学基础
总结词
键合的化学基础主要包括共价键、离子键和金属键等。
VS
详细描述
在传感器封装中，传感器芯片与基板之间 的连接是关键环节。键合技术通过将传感 器芯片与基板上的电极进行连接，实现信 号传输和机械固定。常用的键合技术包括 超声键合、热压键合和球状键合等。
06
CATALOGUE
总结与展望
键合技术的总结
键合技术的基本原理
详细介绍了键合技术的基本原理，包括键合的概念、键合的分类 以及键合的物理机制等。
键合技术广泛应用于电子封装 、微电子器件制造、光电子器 件制造等领域。
键合技术的应用领域
01芯片与基板连接在一 起，实现芯片与外部电路 的互连。
微电子器件制造
在微电子器件制造中，键 合技术用于将不同材料连 接在一起，形成复杂的电 路和结构。
光电子器件制造
无损检测
利用超声波、X射线等技术，在不破 坏产品的情况下进行内部结构和键合 质量的检测。
《MEMS设计技术》课件
案例二：MEMS陀螺仪在导航系统中的应用
总结词
MEMS陀螺仪是导航系统中的关键传感 器，具有高精度、小型化和低成本等特 点。
VS
详细描述
MEMS陀螺仪采用微机械加工技术，将陀 螺仪的机械部分和电路部分集成在一个芯 片上，具有体积小、重量轻、成本低等优 点。它能够测量和保持方向信息，广泛应 用于航空、航天、军事等领域。在导航系 统中，MEMS陀螺仪可以提供高精度的角 度信息，用于计算航向、姿态和位置等参 数。
可靠性测试
进行全面的可靠性测试和评估，确保 MEMS器件的稳定性和可靠性。
06
MEMS设计案例分析
案例一：MEMS压力传感器在汽车中的应用
总结词
汽车压力传感器是MEMS技术的重要应用之一，具有高精度、可靠性和稳定性等特点。
详细描述
汽车压力传感器主要用于监测发动机进气歧管压力、燃油压力、气瓶压力等，以确保发动机正常工作 和提高燃油经济性。MEMS压力传感器采用微型机械加工技术，具有体积小、重量轻、功耗低等优点 ，能够实现高精度、快速响应和长期稳定性。
惯性传感器的设计需要综合考 虑材料、工艺和信号处理等因 素，以确保其性能和可靠性。
化学传感器设计
01
化学传感器是用于检测气体或 液体的化学成分的传感器，其 设计需要考虑选择性、灵敏度 、稳定性等因素。
02
常用的化学传感器类型包括电 化学式、光学式和热导式等， 其工作原理和结构各不相同。
03
化学传感器的设计需要综合考 虑材料、工艺和信号处理等因 素，以确保其性能和可靠性。
MEMS的发展历程与趋势
要点一
总结词
MEMS的发展经历了萌芽期、发展期和成熟期三个阶段， 未来将向更小尺寸、更高精度和智能化方向发展。
MEMS简介3PPT课件
全球微机电系统市场销售额分析：
✓在全球前30名MEMS公司的榜单中，很多公司受惠于智能手机市场的 蓬勃发展。例如瑞声科技（AAC）凭借MEMS麦克风的强劲增长（2012 年营收增长90%，达到6500万美元），首次挤进全球前30名。 ✓中国驻极体麦克风供应商购买英飞凌（Infineon）的MEMS裸片，然后 自己做封装、测试和销售，并成为苹果iPhone的第二货源。
• 意法半导体于2006 年成为全球首家以200 mm 晶圆生产MEMS 传感 器的厂商；
• IHS iSuppli 的统计数据显示：
a. 2012 年全球MEMS 芯片市场成长约5%，规模达到83 亿美元； b. 意法半导体与博世并列全球第一大MEMS 供应商，其中意法半导体营收年成长率23%
，博世年成长率为8%；
MEMS产业现状 及全球MEMS市场
(1)美国
MEMS的研究在60年代首先从斯坦福大学开始，逐步扩展到佐治亚理 工学院和加利福尼亚大学洛杉矶分校等大学，众多美国大学拥有了 100～150mm晶圆生产线。
(2)法国
法国有关MEMS的研发基地较为集中，主要由国立研究所法国LETI（ Laboratoire dElectronique de Technologie de lInformation，电子和信息 技术实验室）承担。
➢ MEMS与CMOS制程技术的整合
➢ 3D 封装技术在异质整合特性下，可进一步整合模拟RF、数字Logic、 Memory、Sensor、混合讯号、MEMS 等各种组件
MEMS产业现状 及全球MEMS市场
MEMS产业现状 及全球MEMS市场
3.2.3 MEMS晶圆代工厂
• 近几年以来美国也有几家规模较小的晶圆代工厂，持续投入资源用 于MEMS晶圆代工；
✓在全球前30名MEMS公司的榜单中，很多公司受惠于智能手机市场的 蓬勃发展。例如瑞声科技（AAC）凭借MEMS麦克风的强劲增长（2012 年营收增长90%，达到6500万美元），首次挤进全球前30名。 ✓中国驻极体麦克风供应商购买英飞凌（Infineon）的MEMS裸片，然后 自己做封装、测试和销售，并成为苹果iPhone的第二货源。
• 意法半导体于2006 年成为全球首家以200 mm 晶圆生产MEMS 传感 器的厂商；
• IHS iSuppli 的统计数据显示：
a. 2012 年全球MEMS 芯片市场成长约5%，规模达到83 亿美元； b. 意法半导体与博世并列全球第一大MEMS 供应商，其中意法半导体营收年成长率23%
，博世年成长率为8%；
MEMS产业现状 及全球MEMS市场
(1)美国
MEMS的研究在60年代首先从斯坦福大学开始，逐步扩展到佐治亚理 工学院和加利福尼亚大学洛杉矶分校等大学，众多美国大学拥有了 100～150mm晶圆生产线。
(2)法国
法国有关MEMS的研发基地较为集中，主要由国立研究所法国LETI（ Laboratoire dElectronique de Technologie de lInformation，电子和信息 技术实验室）承担。
➢ MEMS与CMOS制程技术的整合
➢ 3D 封装技术在异质整合特性下，可进一步整合模拟RF、数字Logic、 Memory、Sensor、混合讯号、MEMS 等各种组件
MEMS产业现状 及全球MEMS市场
MEMS产业现状 及全球MEMS市场
3.2.3 MEMS晶圆代工厂
• 近几年以来美国也有几家规模较小的晶圆代工厂，持续投入资源用 于MEMS晶圆代工；
MEMS工艺(12键合与封装)
微流体学接口
微流体的密封和通道的接触壁与流体之间的
接口是与接口相关联的两个主要的封装问题
三、封装技术
1、芯片准备 2、表面键合 3、引线键合 4、密封
1、芯片准备
使用一个完整的硅晶片只生产一个芯片或者
使用一个晶片制作一个装臵，这在MEMS和微 系统中是很少见的
2、表面键合
微系统元件的键合是在微系统封装中最具有
MEMS封装的特点
具有可动结构；目前的技术水平难以实现单 片集成；有些MEMS器件的检测信号比较微 弱，需要减小传输损耗，进行微封装；需要 电、声、光、流体等多种I/O端口，而电路部 分需要气密封装；需要研究封装与MEMS器 件之间的应力、温度传导。 气密MEMS封装能给芯片提供气密环境，减 少了恶劣环境中的酸性气体、水汽、灰尘等 对微机构的腐蚀和破坏。
试验证明： 惰性气体（如氩气Ar ）与硅表面上的原 子不发生反应，但却能激活硅表面。 在真空环境下，采用Ar离子束对已预处 理过的硅表面进行腐蚀，并使表面清洁 化，经过这样的处理的一对硅表面，在 室温、真空条件下，便能实现牢固的键 合。其键合强度与高温下直接键合的强 度等同。
键合的过程
先对要键合的一对硅片进行表面处理和清洗；
5）、金属共熔键合
所谓金属共熔键合，是指在被键合的 金属表面夹上一层金属材料膜，形成3 层结构，然后在适当的温度和压力下 实现熔接。 共熔键合常用材料： 金－硅，共熔温度为360～400C
铝－硅，共熔温度接近600C
金硅共熔
金硅共熔键合常用于微电子器件的 封装中，用金硅焊料将管芯烧结在 管座上。金硅焊料是金硅二相系 （硅含量为19at.%），熔点为363C， 要比纯金或纯硅的熔点低得多。
挑战性的问题； 微系统工业对发展新的，更有效的键合技术 和工艺进行了顽强的努力
MEMS工艺(13微系统设计)PPT课件
制造工艺选择
制造工艺的优点和缺点的汇总：
体硅微制造
➢操作中相对直接。包括规范成文的加工工 艺，主要是腐蚀工艺；
➢在三种制造技术中成本最低； ➢适合简单的几何形状，例如微压力传感器
芯片； ➢主要缺点是深宽比低。工艺包含去除基底
材料——导致材料用量增加。
表面微制造
➢ 需要在基底上面生成一些材料层； ➢ 需要为工艺过程中的淀积和腐蚀设计和加工复杂的掩模； ➢ 牺牲层的腐蚀必需在建立牺牲层后——是一定的浪费； ➢ 比体硅微加工技术的成本高，因为加工流程复杂； ➢ 主要优点包括：
有限元方法力学设计
1 有限元方程 2 微加工工艺仿真
1 有限元方程
•离散化 •单元方程的推导
•加勒金方法
•瑞利-里茨方法
2 微加工工艺仿真
• 表面微加工和LIGA工艺仿真
微加工是加法工艺，在这些工艺中使用的伪单元是加 单元。下面是仿真的流程：
➢ 第一步：加单元包括在初始有限元网格中。每个加单 元的厚度等于要在基底上堆积的添加材料层的厚度。
在扩散工艺中能很好的阻挡水和钠； 在深层腐蚀和离子注入的时候是好的掩模材料； 是极好的光波导材料； 是好的高强度电绝缘保护材料。
➢多晶硅：
可以用做电阻、晶体管门、和薄膜晶体管； 是控制基底电性能的好材料；
➢封装材料
陶瓷（氧化铝，碳化硅）； 玻璃（耐热玻璃，石英）； 粘接剂（焊接合金、环氧树脂、硅橡胶）； 引线（金、银、铝、铜、钨）； 端板和外壳（塑料、铝、不锈钢）； 芯片保护装置（硅酮凝胶、硅油）。
材料和信号转换技术的概要
➢ 压敏电阻
在微传感器中硅压敏电阻是最常用到的，因为尺 寸小，信号传输灵敏度高。压敏电阻可以在除 了硅以外的其它基底上制造，例如砷化镓和聚 合物等材料。使用压敏电阻的最大缺点是掺杂 工艺需要严格控制以获得好的质量，另一个更 严重的缺点是电阻率的温度依赖性，压敏电阻 的灵敏度随着温度升高急剧变坏。在高温中使 用时，信号处理中需要适当的温度补偿。
8MEMS工艺 键合
Anneal Time (Hours)
(Annealed for 24 hrs.)
(Annealed at 600 ºC)
Toughness increases with temperature and time Strength approaches that of bulk silicon at high temperatures and long times Temperatures as low as 400℃ may produce strong bonds with special surface treatments (i.e. plasma activation) Suitable for high temperature, high pressure, high strength applications: Microengine, Microvalve, Microrocket (Allen Epstein), Microreactor, Thermophotovoltaic Micro-Generator (Jensen)
The mechanism of the anodic bonding Ions migration
Sodium-depleted layer Top electrode formation Electrostatic pull Oxide layer at the bonding interface
Thermal Treatment
4
4 Toughness (J/m )
2
Toughness(J/m )
2
3.5 3 2.5 2 1.5 1 400 500 600 700 800 900
3.5 3 2.5 2 1.5 1 0 50 100 150 200 250 300 350
MEMS键合工艺简介PPT课件
第2页/共16页
键合工艺
键合：静电键合、热键合、“复合”键合 键合的目的是通过外界作用将多个基片“粘接” 不同的键合方式，键合原理不同
第3页/共16页
静电键合
静电键合：Wallis和Pomerantz于1969年提出，静电键合可把金属、 合金、半导体与玻璃键合
原理： • 硼硅玻璃、磷硅玻璃在一定
电荷形成静电力，加强键合
第6页/共16页
例子
第7页/共16页
键合工艺
热键合：高温处理后，硅片直接键合在一起。Lasky提出 硅直接键合（SDB） 硅熔融键合（SFB） 直接样品键合（DWB）
工艺： • 表面处理 • 表面帖合 • 高温处理
对键合面要求： • 平整度：无凸起 • 粗糙度：Ra<0.6nm • 清洁度：无沾污
第11页/共16页
金硅共晶键合
第12页/共16页
键合技术比较
第13页/共16页
键合对准
第14页/共16页
键合质量检测
红外检测
SEM观察
划片
第15页/共16页
感谢您的观看。
第16页/散，OH根破坏桥接氧原子的一个 键，使之转换为非桥接氧原子，使键合面带负电荷 HOH+ Si-O-Si——2H++2Si-O-
• 800度以上：水扩散显著，间隙和空洞中的水扩散到氧化 硅中，产生局部真空空洞，硅片发生塑性形变消除空洞。 SiO2产生粘滞流动，消除微间隙。大于1000度后，临近 原子相互反应产生共价键，键合完成
温度下软化，行为类似电解 质，外加电压下，正离子 （Na）向阴极漂移，在阳极形成空间电荷区， 外加电压落于空间电荷区，漂移停止 • 如硅接阳极，玻璃接阴极，硅玻璃接触， 在界面形成的负空间电荷区与硅发生化学 反应，形成化学键Si-O-Si，完成键合 • 可通过检测电流监测键合 是否完成
键合工艺
键合：静电键合、热键合、“复合”键合 键合的目的是通过外界作用将多个基片“粘接” 不同的键合方式，键合原理不同
第3页/共16页
静电键合
静电键合：Wallis和Pomerantz于1969年提出，静电键合可把金属、 合金、半导体与玻璃键合
原理： • 硼硅玻璃、磷硅玻璃在一定
电荷形成静电力，加强键合
第6页/共16页
例子
第7页/共16页
键合工艺
热键合：高温处理后，硅片直接键合在一起。Lasky提出 硅直接键合（SDB） 硅熔融键合（SFB） 直接样品键合（DWB）
工艺： • 表面处理 • 表面帖合 • 高温处理
对键合面要求： • 平整度：无凸起 • 粗糙度：Ra<0.6nm • 清洁度：无沾污
第11页/共16页
金硅共晶键合
第12页/共16页
键合技术比较
第13页/共16页
键合对准
第14页/共16页
键合质量检测
红外检测
SEM观察
划片
第15页/共16页
感谢您的观看。
第16页/散，OH根破坏桥接氧原子的一个 键，使之转换为非桥接氧原子，使键合面带负电荷 HOH+ Si-O-Si——2H++2Si-O-
• 800度以上：水扩散显著，间隙和空洞中的水扩散到氧化 硅中，产生局部真空空洞，硅片发生塑性形变消除空洞。 SiO2产生粘滞流动，消除微间隙。大于1000度后，临近 原子相互反应产生共价键，键合完成
温度下软化，行为类似电解 质，外加电压下，正离子 （Na）向阴极漂移，在阳极形成空间电荷区， 外加电压落于空间电荷区，漂移停止 • 如硅接阳极，玻璃接阴极，硅玻璃接触， 在界面形成的负空间电荷区与硅发生化学 反应，形成化学键Si-O-Si，完成键合 • 可通过检测电流监测键合 是否完成
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
内容
• 一个典型的IC制作工艺 • 简介 • 晶片制备 • 光刻 • 淀积 • 掺杂 • 键合 • 刻蚀
.
键合
.
键合
.
键合工艺
键合：静电键合、热键合、“复合”键合 键合的目的是通过外界作用将多个基片“粘接” 不同的键合方式，键合原理不同
.
静电键合
静电键合：Wallis和Pomerantz于1969年提出，静电键合可把金属、 合金、半导体与玻璃键合
• 800度以上：水扩散显著，间隙和空洞中的水扩散到氧化 硅中，产生局部真空空洞，硅片发生塑性形变消除空洞。 SiO2产生粘滞流动，消除微间隙。大于1000度后，临近 原子相互反应产生共价键，键合完成
.
工艺及参数影响
• 表面处理的作用：吸附OH根很关键 NH4OH、H2SO4、等离子体处理
• 温度的影响； • 与温度有关的孔洞；沾污碳氢化合物随温度生高 （200~800度）释放产生孔洞，大于1100高温退火 或先800度退火处理可消除 • 键合强度：随温度生高增加 • 界面氧化层的稳定：三种机制解释
电荷形成静电力，加强键合
.
例子
.
键合工艺
热键合：高温处理后，硅片直接键合在一起。Lasky提出 硅直接键合（SDB） 硅熔融键合（SFB） 直接样品键合（DWB）
工艺： • 表面处理 • 表面帖合 • 高温处理
对键合面要求： • 平整度：无凸起 • 粗糙度：Ra<0.6nm • 清洁度：无沾污
.
.
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
静电键合
工艺及工艺参数的影响 •温度： 低温：没有导电电流，键合无法进行 高温：玻璃软化，无法键合 一般：180~500度 •电压： 低压；静电力减弱，
无法键合 高压：击穿玻璃 一般：200~1000伏
.
静电键合
• 键合产生的应力：热膨胀系数相近、热匹配 • 电极形状：点接触、平行板电极 • 非导电绝缘层的影响；减弱静电力，460nm后，键合失效 • 表面粗糙度的影响 • 极化区中残余电荷的作用；键合完成后在极化区内残余的
• 表面平整度： • 沾污粒子：1微米粒子产生4.2mm孔洞
足够清洗、超净环境、平整表面、高温处理、
低温键合：在小于500度下完成键合
.
复合键合
“复合”键合 原理利用中间层之间的反应完成键合
• 带硅化物的键合：NiSi，PtSi，TiSi2等 • 金硅键合：利用金硅互熔点低的特点（400度左右） • 非晶硅
原理：三个阶段
• 室温~200度：表面吸附的OH根在接触区产生氢键，随温 度增高，OH根得到热能增大迁移率，氢键增多，硅片产 生弹性形变，键合强度增加。在200~400度间，形成氢键 的两硅片的硅醇键聚合反应，产生水合硅氢键，键合强度 迅速增大 Si-OH+HO-Si——Si-O-Si+H2O
• 500~800度：水基本不扩散，OH根破坏桥接氧原子的一个 键，使之转换为非桥接氧原子，使键合面带负电荷 HOH+ Si-O-Si——2H++2Si-O-
.
金硅共晶键合
.
键合技术比较
.
键合对准
.
键合质量检测
红外检测
划片
SEM观察
.
原理： • 硼硅玻璃、磷硅玻璃在一定
温度下软化，行为类似电解 质，外加电压下，正离子 （Na）向阴极漂移，在阳极形成空间电荷区， 外加电压落于空间电荷区，漂移停止 • 如硅接阳极，玻璃接阴极，硅玻璃接触， 在界面形成的负空间电荷区与硅发生化学 反应，形成化学键Si-O-Si，完成键合 • 可通过检测电流监测键合 是否完成
• 一个典型的IC制作工艺 • 简介 • 晶片制备 • 光刻 • 淀积 • 掺杂 • 键合 • 刻蚀
.
键合
.
键合
.
键合工艺
键合：静电键合、热键合、“复合”键合 键合的目的是通过外界作用将多个基片“粘接” 不同的键合方式，键合原理不同
.
静电键合
静电键合：Wallis和Pomerantz于1969年提出，静电键合可把金属、 合金、半导体与玻璃键合
• 800度以上：水扩散显著，间隙和空洞中的水扩散到氧化 硅中，产生局部真空空洞，硅片发生塑性形变消除空洞。 SiO2产生粘滞流动，消除微间隙。大于1000度后，临近 原子相互反应产生共价键，键合完成
.
工艺及参数影响
• 表面处理的作用：吸附OH根很关键 NH4OH、H2SO4、等离子体处理
• 温度的影响； • 与温度有关的孔洞；沾污碳氢化合物随温度生高 （200~800度）释放产生孔洞，大于1100高温退火 或先800度退火处理可消除 • 键合强度：随温度生高增加 • 界面氧化层的稳定：三种机制解释
电荷形成静电力，加强键合
.
例子
.
键合工艺
热键合：高温处理后，硅片直接键合在一起。Lasky提出 硅直接键合（SDB） 硅熔融键合（SFB） 直接样品键合（DWB）
工艺： • 表面处理 • 表面帖合 • 高温处理
对键合面要求： • 平整度：无凸起 • 粗糙度：Ra<0.6nm • 清洁度：无沾污
.
.
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
静电键合
工艺及工艺参数的影响 •温度： 低温：没有导电电流，键合无法进行 高温：玻璃软化，无法键合 一般：180~500度 •电压： 低压；静电力减弱，
无法键合 高压：击穿玻璃 一般：200~1000伏
.
静电键合
• 键合产生的应力：热膨胀系数相近、热匹配 • 电极形状：点接触、平行板电极 • 非导电绝缘层的影响；减弱静电力，460nm后，键合失效 • 表面粗糙度的影响 • 极化区中残余电荷的作用；键合完成后在极化区内残余的
• 表面平整度： • 沾污粒子：1微米粒子产生4.2mm孔洞
足够清洗、超净环境、平整表面、高温处理、
低温键合：在小于500度下完成键合
.
复合键合
“复合”键合 原理利用中间层之间的反应完成键合
• 带硅化物的键合：NiSi，PtSi，TiSi2等 • 金硅键合：利用金硅互熔点低的特点（400度左右） • 非晶硅
原理：三个阶段
• 室温~200度：表面吸附的OH根在接触区产生氢键，随温 度增高，OH根得到热能增大迁移率，氢键增多，硅片产 生弹性形变，键合强度增加。在200~400度间，形成氢键 的两硅片的硅醇键聚合反应，产生水合硅氢键，键合强度 迅速增大 Si-OH+HO-Si——Si-O-Si+H2O
• 500~800度：水基本不扩散，OH根破坏桥接氧原子的一个 键，使之转换为非桥接氧原子，使键合面带负电荷 HOH+ Si-O-Si——2H++2Si-O-
.
金硅共晶键合
.
键合技术比较
.
键合对准
.
键合质量检测
红外检测
划片
SEM观察
.
原理： • 硼硅玻璃、磷硅玻璃在一定
温度下软化，行为类似电解 质，外加电压下，正离子 （Na）向阴极漂移，在阳极形成空间电荷区， 外加电压落于空间电荷区，漂移停止 • 如硅接阳极，玻璃接阴极，硅玻璃接触， 在界面形成的负空间电荷区与硅发生化学 反应，形成化学键Si-O-Si，完成键合 • 可通过检测电流监测键合 是否完成