谷專元， 何春華,， 何燕華， 趙前程， 張大成

(1.華南理工大學(xué) 電子與信息學(xué)院，廣東 廣州 510640；2.工業(yè)和信息化部 電子第五研究所 電子元器件可靠性物理及其應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗室，廣東 廣州 510610；3北京大學(xué) 微電子學(xué)研究院 微米/納米加工技術(shù)國家級重點(diǎn)實(shí)驗室，北京 100871)

MEMS硅玻璃陽極鍵合工藝評價方法

谷專元1,2， 何春華2,3， 何燕華1， 趙前程3， 張大成3

(1.華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院，廣東廣州510640；2.工業(yè)和信息化部電子第五研究所電子元器件可靠性物理及其應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗室，廣東廣州510610；3北京大學(xué)微電子學(xué)研究院微米/納米加工技術(shù)國家級重點(diǎn)實(shí)驗室，北京100871)

為了得到微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)加速度計硅—玻璃陽極鍵合的鍵合強(qiáng)度，進(jìn)行了剪切破壞測試，并結(jié)合材料力學(xué)相關(guān)理論，得到鍵合強(qiáng)度表征方法。通過對實(shí)驗數(shù)據(jù)的分析，制定鍵合強(qiáng)度的失效判據(jù)，提出了一種評價硅玻璃鍵合工藝質(zhì)量的有效方法，在工程實(shí)際中具有一定的參考價值。

微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)加速度計； 硅玻璃陽極鍵合； 鍵合強(qiáng)度； 剪切力

0 引 言

隨著電子器件不斷功能化、復(fù)雜化和智能化，微機(jī)電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system,MEMS)在越來越多的領(lǐng)域中得到應(yīng)用。在微機(jī)械傳感器中，玻璃具有良好的絕緣性能和絕熱性能，常用作硅器件襯底，使得器件的分布電容小、熱噪聲小[1,2]。陽極鍵合技術(shù)由于具有連接溫度低、速度快、工藝簡單等特點(diǎn)，在MEMS技術(shù)、微電子器件技術(shù)和封裝技術(shù)等方面得到了廣泛應(yīng)用[3～5]。在MEMS器件設(shè)計和加工過程中，硅—玻璃陽極鍵合技術(shù)是體硅工藝中一項關(guān)鍵技術(shù)，鍵合強(qiáng)度成為了MEMS研究和制造的重要參數(shù)。鍵合強(qiáng)度直接決定了MEMS器件的可靠性，鍵合強(qiáng)度過小，在器件加工、使用過程中，兩鍵合片很有可能開裂，導(dǎo)致器件失效；因此,鍵合強(qiáng)度足夠大，才能保證產(chǎn)品的成品率和質(zhì)量[6]。

目前，國內(nèi)外研究主要針對鍵合強(qiáng)度檢測方法和鍵合強(qiáng)度測試系統(tǒng)的研究[7～10]。本文前期研究中，利用微力學(xué)測試儀對少量鍵合較好的硅—玻璃鍵合結(jié)構(gòu)進(jìn)行了橫向剪切破壞和扭轉(zhuǎn)破壞測試[11]，測得鍵合破壞的極限載荷，得出最大剪應(yīng)力，并對微米(μm)級鍵合面進(jìn)行最大抗扭強(qiáng)度測試[12]，得出最大剪切扭矩和相應(yīng)鍵合面積的關(guān)系曲線。

本文針對北京大學(xué)微電子研究院設(shè)計和加工的MEMS加速度計中若干良品和壞品進(jìn)行剪切破壞測試，并制定鍵合強(qiáng)度失效判據(jù)，提出了一種評價硅玻璃鍵合工藝質(zhì)量的有效方法。

1 理論分析

1.1 硅—玻璃陽極鍵合原理

由Wallis和Pomerantz于1969年提出的陽極鍵合又稱為靜電鍵合和場助鍵合，是一種將硅芯片或圓片與玻璃襯底相封接的封裝方法，可將半導(dǎo)體、金屬或合金與玻璃直接封接在一起，且不需要任何粘結(jié)劑。

圖1為硅與玻璃的陽極鍵合示意圖，質(zhì)量塊保證玻璃與硅具有良好接觸，有助于鍵合。鍵合時將對準(zhǔn)后的樣品置于加熱板上，硅片與陽極相接，Pytex7440玻璃與陰極相接。

圖1 硅—玻璃陽極鍵合示意

硅玻璃鍵合質(zhì)量受溫度、電壓、反應(yīng)室內(nèi)環(huán)境壓力以及電極形狀等諸多因素的影響，任何一步工藝操作不當(dāng)，均會造成鍵合強(qiáng)度降低，甚至鍵合失效，嚴(yán)重降低MEMS器件的可靠性。

1.2 剪應(yīng)力理論分析

根據(jù)切應(yīng)力互等定理[13]，薄壁截面桿件截面上的彎曲切應(yīng)力對表達(dá)式為

(1)

對于長度和寬度分別為a和b的矩形截面，切應(yīng)力沿截面寬度方向仍可認(rèn)為均勻分布，因此，薄壁截面桿件截面上的彎曲切應(yīng)力式(1)仍適用。

如圖2所示，y為橫截面距中性軸的距離，式(1)中的靜矩為

(2)

δ=b

(3)

于是橫截面上距離中性軸y處的切應(yīng)力為

(4)

由式(4)知，最大切應(yīng)力發(fā)生在中性軸上各點(diǎn)，其值如式(5)所示

(5)

本文采用該最大剪切應(yīng)力τmax表征鍵合強(qiáng)度，并基于最大剪切應(yīng)力進(jìn)行鍵合質(zhì)量評價和制定鍵合面的失效判據(jù)。

圖2 剪切狀態(tài)下矩形截面剪應(yīng)力分布

2 剪切破壞實(shí)驗設(shè)計

基于MFM1500推拉力測試儀系統(tǒng)進(jìn)行鍵合剪切強(qiáng)度檢測實(shí)驗，MFM1500推拉力測試儀工作臺的X,Y,Z方向最大行程分別為65,55,60mm，運(yùn)動時最大速度為5mm/s；Y方向最大可承受100kgf，Z方向最大可承受20kgf。左、右各一個搖桿便于機(jī)器和軟件操作，MFM1500具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能和簡易的操作模式，弧線形設(shè)計便于調(diào)整顯鏡支架和60倍顯微鏡。MFM1500采用了AUTO—RANGE技術(shù)和VPM垂直定位技術(shù)，分辨率高達(dá)0.0001g。

采用MEMS加速度計作為測試對象，選取加速度計中若干良品和壞品進(jìn)行剪切破壞測試。將樣品固定在推拉力測試儀的底座上，在測試儀作用軸上端安裝探針，使探針運(yùn)動方向和玻璃基底平面平行，調(diào)節(jié)底座，將待測的懸臂梁調(diào)整到針尖行程內(nèi)，通過系統(tǒng)軟件編程控制推拉力測試儀產(chǎn)生一個線性增大的載荷，探針將載荷施加在懸臂梁的根部，探針高度距玻璃表面5μm，推速為100μm/s，如圖3所示。結(jié)合顯微鏡觀察被測樣品，通過操作遙桿器控制測試模塊對樣品進(jìn)行自動剪切力測試，并監(jiān)測力值的動態(tài)變化，在軟件中實(shí)時顯示。

圖3 剪切實(shí)驗示意

3 實(shí)驗結(jié)果分析

如圖4所示，逐漸增加MFM1500推拉力測試儀產(chǎn)生的載荷直至鍵合面斷裂，此時測試儀產(chǎn)生的載荷迅速降低且在軟件中記錄錨點(diǎn)破壞時的最大載荷，根據(jù)式(5)計算出鍵合錨點(diǎn)破壞時的最大剪切應(yīng)力，采用最大剪應(yīng)力來表征鍵合強(qiáng)度的質(zhì)量。

圖4 破壞載荷示意

每個MEMS加速度計包含6個鍵合錨點(diǎn)，對實(shí)驗測得錨點(diǎn)的最大剪應(yīng)力進(jìn)行統(tǒng)計，如圖5所示。由圖可知，壞品錨點(diǎn)的最大剪應(yīng)力明顯小于良品錨點(diǎn)的最大剪應(yīng)力，壞品錨點(diǎn)最大剪應(yīng)力的范圍為(0～7.5)×10-3gf/μm2，良品錨點(diǎn)最大剪應(yīng)力的范圍為(7.5～25)×10-3gf/μm2，因此，可用最大剪應(yīng)力7.5×10-3gf/μm2判斷硅-玻璃鍵合強(qiáng)度是否達(dá)到要求。當(dāng)MEMS加速度計6個錨點(diǎn)中任意一個錨點(diǎn)的最大剪應(yīng)力小于7.5×10-3gf/μm2，則判定該加速度計的鍵合工藝不合格，只有當(dāng)6個錨點(diǎn)的最大剪應(yīng)力均大于7.5×10-3gf/μm2，方可判定該加速度計的鍵合工藝良好。

圖5 錨點(diǎn)的最大剪應(yīng)力

將每個MEMS加速度計中6個錨點(diǎn)的最大剪應(yīng)力隨機(jī)分為2組，構(gòu)成三維坐標(biāo)對描繪在一個三維圖中，并用直線相連，得到加速度計錨點(diǎn)的最大剪切力的三維空間分布，如圖6所示。由圖可知，良品錨點(diǎn)的三維坐標(biāo)對分布在圖中聚類1，壞品錨點(diǎn)的三維坐標(biāo)對分布在圖中聚類2，可見聚類1和聚類2不存在交集。

當(dāng)新測試的加速度計的三維坐標(biāo)對同時分布在聚類1，則可判定該加速度計的鍵合工藝良好，如圖7中樣品1所示；當(dāng)加速度計的三維坐標(biāo)對同時分布在區(qū)域2，則可判定該加速度計的鍵合工藝不合格，如圖7中樣品3所示；當(dāng)加速度計的三維坐標(biāo)對橫跨2個聚類，也判定為鍵合工藝不合格，如圖7中樣品2所示。

圖6 加速度計良品和壞品的聚類

圖7 新測試樣品的聚類判斷

4 結(jié) 論

硅玻璃陽極鍵合質(zhì)量是影響MEMS器件可靠性的重要因素之一，利用推拉力剪切儀對硅—玻璃陽極鍵合進(jìn)行剪切破壞測試，測得鍵合破壞的極限載荷，并結(jié)合材料力學(xué)的相關(guān)理論，得到了鍵合強(qiáng)度表征方法。通過對實(shí)驗數(shù)據(jù)的分析，制定鍵合強(qiáng)度失效判據(jù)，提出了一種評價硅玻璃鍵合工藝質(zhì)量的有效方法，有利于提高M(jìn)EMS器件的質(zhì)量和可靠性。

[1] 姚雅紅,呂 苗.微傳感器制造中的硅—玻璃靜電鍵合技術(shù)[J].半導(dǎo)體技術(shù),1999,24(4):19-23.

[2] Henmi H. Vacuum packaging for microsensors by glass-silicon anodic bonding[J].Sensors & Actuators A:Physical,1994,43(1):243-248.

[3] 張廷凱,甘志銀,張鴻海.兩電極多層陽極鍵合實(shí)驗研究[J].傳感器與微系統(tǒng),2009,28(7):21-23.

[4] Bellaredj M,Bourbon G,Walter V,et al.Anodic bonding using SOI wafer for fabrication of capacitive micromachined ultrasonic transducers[J].Journal of Micromechanics & Microengineering,2014,24(2):1135-1140.

[5] 林智鑫,王盛貴,劉 琦,等.帶有Si3N4薄膜的玻璃—硅—玻璃三層結(jié)構(gòu)的陽極鍵合[J].傳感器與微系統(tǒng),2013,32(8):63-66.

[6] 肖瀅瀅,王建華,黃慶安,等.硅片鍵合強(qiáng)度測試方法的進(jìn)展[J].電子器件,2004,27(2):360-365.

[7] Farrens S N,Hunt C E,Roberds B E,et al.Kinetics study of the bond strength of direct bonded wafers[J].Journal of the Electrochemical Society,1993,141:3225-3230.

[8] 陳立國,孫立寧,黃慶安,等.硅片鍵合強(qiáng)度測試系統(tǒng)研究[J].測試技術(shù)學(xué)報,2005,19(2):137-140.

[9] 李仁鋒.微電子機(jī)械系統(tǒng)鍵合強(qiáng)度檢測方法研究進(jìn)展[J].微納電子技術(shù),2009,46(11):678-683.

[10] 曹 欣,李 宏,杜 蕓.陽極鍵合強(qiáng)度及其評價方法[J].傳感器與微系統(tǒng),2007,26(3):10-12.

[11] 郇 勇,張?zhí)┤A,楊業(yè)敏,等.微力學(xué)測試儀在MEMS鍵合強(qiáng)度測試中的應(yīng)用[J].機(jī)械強(qiáng)度,2005,27(3):331-334.

[12] 阮 勇,賀學(xué)鋒,張大成,等.微米尺度下鍵合強(qiáng)度的評價方法和測試結(jié)構(gòu)[J].微電子學(xué)與計算機(jī),2005,22(8):110-113.

[13] 范欽珊,章梓茂,殷雅俊.材料力學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2005:120-138.

EvaluationmethodforMEMSsilicon-glassanodicbondingprocess

GU Zhuan-yuan1,2, HE Chun-hua2,3, HE Yan-hua1, ZHAO Qian-cheng3, ZHANG Da-cheng3

(1.SchoolofElectronicandInformationEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,China;2.ScienceandTechnologyonReliabilityPhysicsandApplicationofElectronicComponentLaboratory,TheFifthElectronicResearchInstitute，MinistryofIndustryandInformationTechnology,Guangzhou510610,China;3.NationalKeyLaboratoryofScienceandTechnologyonMicro/NanoFabrication,InstituteofMicroelectronics,PekingUniversity,Beijing100871,China)

In order to obtain bonding strength of silicon-glass anodic bonding of micro-electro-mechanical system(MEMS) accelerometers,shear experiments are applied.Bonding strength characterization method is set up according to related theory of mechanics of materials.Failure criterion is established based on analysis on experimental data,and an effective method is proposed to evaluate the quality of the silicon-glass bonding process,which has certain reference value in engineering application.

micro-electro-mechanical system(MEMS) accelerometer; silicon-glass anodic bonding; bonding strength; shear stress

10.13873/J.1000—9787(2017)10—0054—03

2016—10—20

TP 212

A

1000—9787(2017)10—0054—03

谷專元(1990-)，男，碩士研究生，研究方向為MEMS可靠性。何燕華，女，通訊作者，助理工程師，E—mail：1001213445@pku.edu.cn。