旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)式真空包裝機(jī)設(shè)計(jì)含4張CAD圖

旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)式真空包裝機(jī)設(shè)計(jì)含4張CAD圖,旋轉(zhuǎn),工作,臺(tái)式,真空,裝機(jī),設(shè)計(jì),cad MEMS真空包裝技術(shù)及應(yīng)用 Jin Yufeng, Zhang Jiaxun 北京大學(xué)深圳研究生院，深圳，518055，中國 中國的微/納米加工技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 Tel: 86-10-62752536, Fax: 86-10-62751789, jinyf@ime.pku.edu.cn 摘 要 許多MEMS（微電子機(jī)械系統(tǒng)）裝置必須要滿足真空包裝的要求。在真空包裝中，滲漏和氣體滲透，這兩個(gè)將影響元件的正常功能，這是一個(gè)主要的問題。密封技術(shù)是一個(gè)最重要的、可靠的真空包裝技術(shù)。在本文中，一些真空包裝的密封技術(shù)將被提及??，其中包括共晶鍵合，粘合連接，玻璃熔塊粘接，硅玻璃靜電鍵合。此外，筆者還將介紹兩種方法來處理由于電密封裝置引起表面密封不完善的情況，電密封裝置是鏈接到MEMS傳感器的小型腔內(nèi)外部。此外，吸氣劑也將被討論到，為了設(shè)備內(nèi)部的空腔保持真空環(huán)境，它是必不可少的，因?yàn)檎婵彰芊夂?，可能?huì)釋放氣體。 1．用于MEMS真空包裝的材料[1] 在MEMS應(yīng)用包裝選擇材料時(shí)，應(yīng)該考慮真空包裝的氣體滲透的情況。同樣的數(shù)量滲透氣體,氣體滲透壓力引起的惡化情況，MEMS明顯高于常規(guī)結(jié)構(gòu),這主要是由于MEMS體積較小的原因。此外，更薄的結(jié)構(gòu)通常也用于MEMS真空包裝。這將導(dǎo)致MEMS器件會(huì)有更嚴(yán)重的滲透問題。例如，當(dāng)減少墻壁或隔膜的厚度從1mm至10um時(shí)，滲透的氣體將是百倍以上。 在氣體滲透的情況下，我們應(yīng)該選擇低滲透率的包裝材料。圖1是來比較水分子的滲透率或者水分子通過多種現(xiàn)代電子制造和包裝的材料。其滲透率，范圍為從 圖1.通過非密封和密封的滲透物料 具有較低的滲透率,例如玻璃，陶瓷，硅氮化物，金屬，和一些純粹的晶體是密封包裝的首選材料。那些具有較高的滲透速率，則是作為非封閉的材料。在我們的工作中，玻璃，陶瓷，膠粘劑等低滲透率的材料被選為包裝結(jié)構(gòu)/材料。 2.密封MEMS結(jié)構(gòu) 對(duì)于許多微系統(tǒng)，密封包裝起著重要的作用。在有害環(huán)境下，密封保護(hù)顯著提高了它們的可靠性以及壽命。除了靜電鍵合，其他連接技術(shù)也已用于密封包裝，其中包括硅-金共晶鍵合，玻璃熔塊粘接，熔融鍵合，以及使用蒸發(fā)玻璃的粘接。這項(xiàng)研究工作的發(fā)展進(jìn)程同樣包括靜電鍵合（或靜電硅玻璃鍵合），共晶鍵合，玻璃熔塊粘接。 2.1焊接接合，共晶鍵合 焊料粘接密封晶圓是基于焊料加入兩個(gè)晶圓使之一起。其中，共晶鍵合被廣泛應(yīng)用于MEMS封裝，它采用共晶合金的優(yōu)勢，以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)基板在一個(gè)較低的溫度下實(shí)施。一個(gè)合適的焊錫之間的粘接面積的材料，可以形成一套基板封裝和設(shè)備。提高溫度，直到焊料流動(dòng)，并創(chuàng)建一個(gè)靜電來封住兩個(gè)基板。在微電子領(lǐng)域，最明顯的使用材料是那些使用標(biāo)準(zhǔn)的焊料，但是許多此類焊料材料含有雜質(zhì)。這些在回流焊的過程中會(huì)造成重大出氣。用這樣真空包裝的焊料，將成為一個(gè)重要的問題時(shí)。最近的發(fā)展研究表面，在新的無焊劑焊接材料可以克服這樣的問題 [2]。相比標(biāo)準(zhǔn)焊料，它也有可能使用不同的共晶焊料形式的合金材料的。其中最常見的材料套，是黃金和硅晶。 硅-金晶體是相當(dāng)具有吸引力的，因?yàn)樗窃跍囟葹?63°C形成一個(gè)部分硅和四個(gè)部分黃金。這種材料是常用的MEMS制造。形成共晶時(shí)，通過放氣問題來解決，而且形成的混合物提高溫度和起始原料是純的。在此外，溫度足夠低，是對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用的。 一方面，雖然硅-金共晶鍵合的共晶點(diǎn)是363°C，但是鍵合溫度必須要高。較高的溫度可以促進(jìn)擴(kuò)散黃金和相互轉(zhuǎn)化的硅，增加擴(kuò)散層的厚度，此處的化學(xué)成分可以與共晶靜電需要的所匹配。因此，較高的溫度和較長的粘接時(shí)間，對(duì)于良好的粘接是非常有益的。另一方面，如果粘接溫度過高，可能會(huì)導(dǎo)致黃金分子嚴(yán)重?cái)U(kuò)散到硅，這將降低硅器件的功能。圖2顯示密封晶圓的SAM照片，共晶合金在靜電感應(yīng)硅片和硅晶圓接合溫度為400 - 450℃。 SAM的分析期間過程中，靜電晶圓浸泡在去水離子中。觀察發(fā)現(xiàn)無氣泡，并沒有水被吸入并進(jìn)入腔內(nèi)。這表明腔的密封良好。拉力試驗(yàn)也結(jié)果表明，靜電強(qiáng)度超過5兆帕。 圖2.密封晶圓的SAM照片 2.2粘接 粘接的優(yōu)點(diǎn)是其低溫度的過程以及可以加入不同的材料[3]。這種粘合技術(shù)是利用一個(gè)中間體加入兩個(gè)不同屬性的基板材料作為粘接層。粘合材料可以是環(huán)氧樹脂或聚合物。環(huán)氧樹脂有時(shí)候是用來填充氣體MEMS器件。例如，環(huán)氧樹脂用于微光學(xué)切換為光學(xué)元件組合在一起。 然而，在光路的環(huán)氧樹脂是不可取的，因?yàn)樗哪挲g，漂移或打擊在激光功率水平可能滿高。這會(huì)導(dǎo)致包裝的問題，因?yàn)榘b有保護(hù)設(shè)備的同時(shí)還提供訪問環(huán)境，并與該設(shè)備的聯(lián)系。因此，很多努力已經(jīng)用來開發(fā)保護(hù)/封裝MEMS的媒介。 光纖 玻璃蓋璃蓋 陶瓷板 2 陶瓷板 1 基板 膠粘劑 圖三是粘接的應(yīng)用實(shí)例微型光學(xué)開關(guān)。粘接的進(jìn)程啟動(dòng)應(yīng)用靜電層，其次是聯(lián)系晶圓和熱固化成型靜電，或紫外線（UV） 圖3. 微型光開關(guān)的粘合劑包裝 膠粘劑被廣泛應(yīng)用于MOEMS的包裝，例如縫的填充和密封的精密結(jié)構(gòu)，加入的陶瓷框架、玻璃蓋和PCB基板形成一個(gè)密封封裝。 然而由于水分滲透導(dǎo)致濕度不敏感，這很難得到統(tǒng)一的密封粘接與真空級(jí)。我們可以選擇低滲透率的粘合劑或防滲透材料，比如用 層來解決這樣的問題。 2.3玻璃熔塊粘接 玻璃熔塊粘接的優(yōu)點(diǎn)是能夠產(chǎn)生良好的氣密性密封。玻璃熔塊的粘接工藝是使兩者之間的玻璃層溫度低于400°C，通過靜電鍵合來相結(jié)合各種材料，例如硅，陶瓷和金屬，除了玻璃外的硅片它可能是靜電鍵合晶片。此外，它可以用于陶瓷層之間的密封粘接。圖4其應(yīng)用的一個(gè)例子。 硅膠蓋 玻璃熔塊 基板 圖4. 玻璃粉粘接包裝原理 這個(gè)過程可以描述如下。第一次合適的熔塊通過絲網(wǎng)印刷基板，粘貼到MEMS芯片上。這個(gè)過程之后，熔塊必須徹底保持干燥。這個(gè)可以用烘箱烘干來實(shí)現(xiàn)。然后提高溫度至約400℃，熔塊軟化點(diǎn)，在溫度降低前，到5保持10分鐘。密封周期取決于密封界面的幾何形狀和大小。最重要的加熱過程中的參數(shù)是起點(diǎn)實(shí)驗(yàn)，熱溫度，保溫封溫度，每一步的加熱速度，所應(yīng)遵循的熔塊給定的規(guī)范。在腔內(nèi)隨時(shí)保持靜電環(huán)境是必要的。 2.4靜電鍵合 靜電鍵合，可用于靜電兩種材料，例如玻璃和硅，硅和硅，陶瓷和金屬，近年來，靜電鍵合已廣泛應(yīng)用于MEMS真空包裝。它是對(duì)于密封硅片玻璃硅片或石英基片一個(gè)可靠的，并且有效的過程。靜電鍵合通常是恒定的溫度和電壓下進(jìn)行。 陰極接觸玻璃基板，而靜電連接到硅片。通過加熱，在200?500°C和200?1500伏直流電壓晶圓堆疊，玻璃的正離子，鈉離子這從分離，移動(dòng)到陰極，離開非橋氧離子（氧離子靜電只有一個(gè)硅原子）后面。因此，一種帶負(fù)電荷的耗盡層相鄰的形成靜電。這種負(fù)一層和靜電作用力靜電周圍產(chǎn)生的正電荷，使雙方密切與對(duì)方聯(lián)系。這股力量，使得相關(guān)玻璃的軟化，密封表面之間的靜電是不完善的。 低溫靜電鍵合密封被開發(fā)。接口的完整性下觀察掃描電子顯微鏡（SEM）。圖5顯示了一個(gè)典型保稅硅和玻璃的橫截面。它證明了硅和玻璃被密集粘合在一起。 圖5. 一個(gè)典型的保稅硅和玻璃的橫截面 元素Si，O分布的測量和Na在Si和玻璃之間的接口也表明硅含量降低，而在硅片玻璃基板側(cè)的一面O含量增加。被發(fā)現(xiàn)的Na無明顯變化元素。原因是，我們?cè)诮Y(jié)合的過程中使用低溫度。雖然鈉離子可能遷移到陰極，但是遷移水平比高溫低得多。 2.5不完善表面密封粘接 電氣貫穿件，它鏈接到外部全密封結(jié)構(gòu)，使基材表面不完善的。因此，電氣密封包裝密封裝置是要考慮許多微系統(tǒng)[5,6]。一般的電氣貫穿件需要連接微型傳感器或執(zhí)行元件外界的密封結(jié)構(gòu)的內(nèi)部。例如，電力需要提供的密封區(qū)和電氣傳感信號(hào)需要提取密封包裝。 金屬導(dǎo)體的橫向電氣貫穿件常用于很長一段時(shí)間。在標(biāo)準(zhǔn)制造半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的過程中，如電子電鍍，氣相沉積，磁控濺射，使橫向的電氣穿透技術(shù)非常方便。然而，厚重的金屬硅片或玻璃基板界面上的涂料由于空氣泄漏或粘接剝離接口，會(huì)導(dǎo)致在靜電硅和玻璃之間的粘接失敗。 有兩種方法來實(shí)現(xiàn)密封，通過厚的金屬或者表面上的饋通靜電鍵合硅玻璃 [7]。它們的圖案嵌入式電極，垂直通過電極法與MEMS器件的互連。 由CMP MEMS結(jié)構(gòu)準(zhǔn)備接口拋光 靜電鍵合 金屬電極制造 SiO2成形 刻蝕淺溝 圖6. 一個(gè)流程嵌入式電極法 嵌入式電極法的制造過程如圖 6。玻璃和硅片可在這一進(jìn)程中獲得。首先在晶體表面上蝕刻圖案的淺溝。第二個(gè)硅片，額外薄膜的沉積，以形成一個(gè)保溫層。在此之后，金屬沉積形成的圖案晶圓溝槽內(nèi)嵌入厚的電極。進(jìn)行化工機(jī)械拋光（CMP）工藝，開展 形成一個(gè)光滑和水平的粘接面。最后，硅和玻璃晶圓粘合在一起靜電粘接。 試驗(yàn)結(jié)果表明，CMP后玻璃晶圓的粗糙度是13納米，對(duì)于硅玻璃靜電連接密封是足夠的。嵌入式玻璃基板上的電極硅片已經(jīng)成功地制作。電極可從20微米至80微米的制造，厚度從0.5微米到1.9微米。使用MEMS壓力傳感器的氣密性進(jìn)行調(diào)查，我們發(fā)現(xiàn)，平整、打磨的嵌入式電極的玻璃基板與硅片靜電鍵合。 另一種方法被稱為垂直通過電極方法。通過標(biāo)準(zhǔn)的微結(jié)構(gòu)制備MEMS工藝和靜電靜電。在蝕刻孔后，通過孔后形成垂直電極金屬薄膜的沉積和圖案。然后，金屬通過應(yīng)用過程中形成三維電互連。在同時(shí)，它也填充到孔的金屬材料作為密封過程。最后工序，如填充聚合物絕緣（PI），沉積UBM和晶圓凸塊，進(jìn)行三維（3-D）由通孔形成互連。圖7顯示了通過對(duì)硅片的電動(dòng)顯微鏡。 頂部電極electrode 頂部電極 垂直互連 圖7. 通過對(duì)硅片的電鏡照片 3. MEMS封裝的真空維護(hù) 密封后，小規(guī)模的內(nèi)壁腔可能釋放氣體，從而影響真空維護(hù)。隨著吸附能力的優(yōu)勢，用商業(yè)非蒸散型吸氣劑（NEG）已被勇于真空電子包裝維修。它被準(zhǔn)備成條狀或片狀并涂料吸氣材料，通過機(jī)械切割或激光束削成理想的形狀和大小。然后NEG被緊固在設(shè)備的結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面上。然而，這是難以適用NEG保持較高的真空環(huán)境中微觀尺度腔，以配合小型化MEMS器件。處理薄膜或厚膜吸氣材料的方法是在內(nèi)表面的微結(jié)構(gòu)成為一個(gè)解決方案，以保持在微真空腔[8,9]。 關(guān)鍵的工藝步驟的原理圖8。由層面設(shè)計(jì)的前過程，使吸氣劑混合粘貼，ZR-V-Fe合金粉，石墨，MEMS芯片的制造。首先，吸氣劑被粘貼在兩面拋光過的Pyrex7740玻璃基板表面形成一個(gè)模式。然后NEG被鋪在厚膜表面上。經(jīng)過在120°C的條件下預(yù)烘半小時(shí)，含有MEMS結(jié)構(gòu)的玻璃晶圓和硅晶片用來清理消除表面的顆粒和其他污染。玻璃晶體將被與硅片靜電鍵合來形成密封。粘接工藝在壓力為1×托兒并且60分鐘的1000伏特的直流電壓下使用EV501粘合機(jī)。粘接溫度為450°C。 我們測試的吸收能力來研究吸氣劑薄膜的性能。試驗(yàn)壓力對(duì)時(shí)間的變化如圖 9。在6.5Pa L/ s的吸氣的條件下測出具有良好的吸附能力為4.88×Pa L/。 晶圓粘合和吸氣劑激活 MSMS結(jié)構(gòu)制造 在玻璃基板涂上厚的吸氣劑薄膜 圖9. NEG與厚膜的MEMS包裝流 圖10.吸附能力測試：壓力變化與時(shí)間 閃動(dòng)的吸氣材料因?yàn)槠湮说奶攸c(diǎn)也被用于點(diǎn)MEMS封裝的研究，如性能穩(wěn)定，一致的吸氣產(chǎn)量在蒸發(fā)過程中的材料和最小出氣。通過蒸發(fā)，它可以在薄膜形式的微腔的內(nèi)壁上很容易沉積。我們的研究是的吸氣劑市售下的，貿(mào)易名稱的BI5U1HFG21，含有鋇，鋁，鎳，以及其有效成分合金。除了其高效率的吸附性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明，它具有良好的附著力薄膜。涂吸氣劑薄膜的厚度晶圓是可以控制的范圍在幾個(gè)到幾百通過調(diào)整加熱器的溫度和處理時(shí)間的微米。采用物理膜之間的吸氣源和目標(biāo)用來在蓋子上形成一個(gè)圖案的吸氣劑薄膜表面這也是可行的。 4．結(jié)論 硅-金共晶粘合，是形成一個(gè)允許對(duì)非平面表面的粘接軟晶，它可以做到比共晶溫度（363℃）更高，本身不會(huì)有其他方法生產(chǎn)出的毒氣問題。靜電有一個(gè)低的工藝溫度，并且它可以加入不同的材料。但其水分的滲透需要計(jì)算出來。此外玻璃塊靜電擁有能夠產(chǎn)生良好的氣密性密封的能力。對(duì)于玻璃基片粘接硅片，陽極粘合具有良好的性能。在腔內(nèi)NEG是有效保持內(nèi)部的真空環(huán)境。