專利名稱：基于金錫合金鍵合的圓片級(jí)低溫封裝方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及MEMS器件、光電器件、微電子器件和集成電路領(lǐng)域的封裝方法，提供 一種低成本、高鍵合強(qiáng)度的基于金錫(Au-Sn)合金鍵合的圓片級(jí)低溫封裝方法。
背景技術(shù)：
微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)是微電子學(xué)與微機(jī)械學(xué)相互融合的產(chǎn)物，它將集成電路制造 工藝中的硅微細(xì)加工技術(shù)和機(jī)械工業(yè)中的微機(jī)械加工技術(shù)結(jié)合起來(lái)，制造出光、機(jī)、電一體 的新器件。經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展，MEMS芯片已經(jīng)相當(dāng)成熟，但是很多芯片卻沒(méi)有作為產(chǎn)品得 到實(shí)際應(yīng)用，其主要原因之一是封裝問(wèn)題。圓片級(jí)封裝由于具有成本低、成品率高、尺寸小和可靠性高等優(yōu)勢(shì)，在MEMS封裝 中更具有吸引力。圓片級(jí)封裝技術(shù)包括薄膜封裝、熔融鍵合、陽(yáng)極鍵合、熱壓縮鍵合、玻璃漿 料鍵合、共晶或焊料鍵合、聚合物或粘附層鍵合和局部加熱等。共晶或焊料鍵合是利用淀積 在襯底上的材料通過(guò)擴(kuò)散，在一個(gè)相對(duì)低的溫度形成鍵合層實(shí)現(xiàn)鍵合。相對(duì)來(lái)講，該鍵合方法的限制因素較少，可以選擇的材料和工藝參數(shù)范圍較大。在 鍵合過(guò)程中升溫到共晶溫度附近時(shí)，兩個(gè)接觸面在壓力下生成界面連接物質(zhì)，形成共晶或 焊料鍵合，從而將兩個(gè)配對(duì)表面牢固地粘合在一起。該工藝的優(yōu)點(diǎn)是能在低溫實(shí)現(xiàn)圓片級(jí) 鍵合，不需要高度平整的表面，金屬合金使氣體和濕氣難以穿過(guò)封裝層從而實(shí)現(xiàn)真空密封。常用的中間層有Cu-Sn (3500C )，Au-Si (363°C )，Au-Ge (360°C )，Au-Sn (280°C )， Pb-Sn(182°C )等，其中Au-Sn是一種具有優(yōu)良機(jī)械特性的“硬”焊料，具有高鍵合強(qiáng)度、良 好的防腐蝕性、防蠕變性、傳熱性、導(dǎo)電性、浸潤(rùn)性等特點(diǎn)，而且比起其它Au-Ge和Au-Si等 “硬”焊料，其鍵合溫度低，因而被廣泛應(yīng)用于光電子、微電子和MEMS器件領(lǐng)域。從Au-Sn相圖中可以看出存在兩個(gè)共晶點(diǎn)(重量比Sn Au = 20 80)和 217°C (重量比Sn Au = 90 10)，由于217°C材料共晶點(diǎn)形成的材料容易碎裂，因此常 用280°C作為鍵合溫度。表1是目前主要Au-Sn合金鍵合的研究現(xiàn)狀，從表中可以看出鍵 合的溫度都在第一共晶溫度點(diǎn)，Au的厚度都在2 μ m以上，合金鍵合層總厚度大于6 μ m。在 280°C的共晶溫度點(diǎn)發(fā)生合金反應(yīng)過(guò)程為1Au+Sn — AuSn，(1)5Au+Sn — Au5Sn, (2)從上式(1)和⑵可以看出，反應(yīng)的最終生成相為AuSn和Au5Sru表1. Au-Sn合金鍵合研究現(xiàn)狀
權(quán)利要求
1.一種基于金錫合金鍵合的圓片級(jí)低溫封裝方法，其特征在于，該方法包括選擇作為蓋片和底片的基片；對(duì)蓋片正面進(jìn)行第一次光刻，通過(guò)刻蝕和腐蝕制作出一個(gè)腔體作為所封裝器件或結(jié)構(gòu) 的放置空間；對(duì)蓋片正面進(jìn)行第二次光刻；按設(shè)計(jì)的金Au和錫Sn的重量百分比蒸發(fā)Cr/ Au/Sn/Au的多層金屬薄膜；剝離該多層金屬薄膜制作出蓋片上的金屬鍵合結(jié)構(gòu)；對(duì)底片背面進(jìn)行第一次光刻，刻蝕制作雙面對(duì)準(zhǔn)用的圖形結(jié)構(gòu)；對(duì)底片進(jìn)行正面第二 次光刻；按設(shè)計(jì)的Au和Sn的重量百分比蒸發(fā)Cr/Au的金屬薄膜；剝離該金屬薄膜制作出底 片上的金屬鍵合結(jié)構(gòu)；在光刻機(jī)下將蓋片正面扣在底片正面之上，對(duì)蓋片和底片進(jìn)行雙面對(duì)準(zhǔn)，形成雙面對(duì) 準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，然后放入鍵合機(jī)中，在一定的鍵合壓強(qiáng)、鍵合溫度和鍵合時(shí)間范圍實(shí)現(xiàn)Au-Sn合金 鍵合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于金錫合金鍵合的圓片級(jí)低溫封裝方法，其特征在于，所 述Cr/Au/Sn/Au的多層金屬薄膜中，金屬Sn層同其它金屬層在同一步金屬蒸發(fā)剝離工藝中 完成，且在Sn層表面有防氧化層Au。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于金錫合金鍵合的圓片級(jí)低溫封裝方法，其特征在于，所 述Cr/Au的金屬薄膜中，金屬Au層同Cr層在同一步金屬蒸發(fā)剝離工藝中完成，且Au層位 于Cr層表面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于金錫合金鍵合的圓片級(jí)低溫封裝方法，其特征在于，所 述所封裝器件或結(jié)構(gòu)的放置空間通過(guò)光刻、刻蝕或腐蝕方法實(shí)現(xiàn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于金錫合金鍵合的圓片級(jí)低溫封裝方法，其特征在于，所 述蓋片上的金屬鍵合結(jié)構(gòu)和底片上的金屬鍵合結(jié)構(gòu)通過(guò)光刻和剝離方法實(shí)現(xiàn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于金錫合金鍵合的圓片級(jí)低溫封裝方法，其特征在于，所 述雙面對(duì)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)通過(guò)光刻、刻蝕底片介質(zhì)層方法實(shí)現(xiàn)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于金錫合金鍵合的圓片級(jí)低溫封裝方法，其特征在于，所 述鍵合壓強(qiáng)為1至lOMPa，所述鍵合時(shí)間為10至90min，所述鍵合溫度為140至310°C。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于金錫合金鍵合的圓片級(jí)低溫封裝方法，其特征在于，所 述實(shí)現(xiàn)Au-Sn合金鍵合后，形成以合金ε相為主的鍵合層，該鍵合層總厚度小于3 μ m，金屬 Au的重量百分比在-46%之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于金錫合金鍵合的圓片級(jí)低溫封裝方法，其特征在于，所 述基片為Si圓片或玻璃圓片。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于金錫合金鍵合的圓片級(jí)低溫封裝方法，通過(guò)選用富錫Sn合金成分Sn＝54％-71％，設(shè)計(jì)金錫厚度分別小于2.1μm和0.7μm，在一定壓強(qiáng)、溫度和時(shí)間內(nèi)進(jìn)行了金錫合金鍵合，形成了以具有高維氏硬度的AuSn2相(即ε相)為主的中間層，實(shí)現(xiàn)了低成本、高鍵合強(qiáng)度的圓片級(jí)低溫封裝方法。鍵合溫度在140-310℃范圍內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)高達(dá)20-64MPa的鍵合強(qiáng)度。這一低成本、高鍵合強(qiáng)度的圓片級(jí)低溫封裝方法可應(yīng)用于任意基片上器件的封裝。
文檔編號(hào)H01L21/60GK102130026SQ20101060197
公開(kāi)日2011年7月20日 申請(qǐng)日期2010年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月23日
發(fā)明者楊富華, 楊晉玲, 毛旭 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所