CN102130026B

CN102130026B - 基于金锡合金键合的圆片级低温封装方法

Info

Publication number: CN102130026B
Application number: CN2010106019751A
Authority: CN
Inventors: 毛旭; 杨晋玲; 杨富华
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2010-12-23
Filing date: 2010-12-23
Publication date: 2012-06-27
Anticipated expiration: 2030-12-23
Also published as: CN102130026A

Abstract

本发明公开了一种基于金锡合金键合的圆片级低温封装方法，通过选用富锡Sn合金成分Sn＝54％-71％，设计金锡厚度分别小于2.1μm和0.7μm，在一定压强、温度和时间内进行了金锡合金键合，形成了以具有高维氏硬度的AuSn₂相(即ε相)为主的中间层，实现了低成本、高键合强度的圆片级低温封装方法。键合温度在140-310℃范围内，可实现高达20-64MPa的键合强度。这一低成本、高键合强度的圆片级低温封装方法可应用于任意基片上器件的封装。

Description

基于金锡合金键合的圆片级低温封装方法

技术领域

本发明涉及MEMS器件、光电器件、微电子器件和集成电路领域的封装方法，提供一种低成本、高键合强度的基于金锡(Au-Sn)合金键合的圆片级低温封装方法。

背景技术

微机电系统(MEMS)是微电子学与微机械学相互融合的产物，它将集成电路制造工艺中的硅微细加工技术和机械工业中的微机械加工技术结合起来，制造出光、机、电一体的新器件。经过十几年的发展，MEMS芯片已经相当成熟，但是很多芯片却没有作为产品得到实际应用，其主要原因之一是封装问题。

圆片级封装由于具有成本低、成品率高、尺寸小和可靠性高等优势，在MEMS封装中更具有吸引力。圆片级封装技术包括薄膜封装、熔融键合、阳极键合、热压缩键合、玻璃浆料键合、共晶或焊料键合、聚合物或粘附层键合和局部加热等。共晶或焊料键合是利用淀积在衬底上的材料通过扩散，在一个相对低的温度形成键合层实现键合。

相对来讲，该键合方法的限制因素较少，可以选择的材料和工艺参数范围较大。在键合过程中升温到共晶温度附近时，两个接触面在压力下生成界面连接物质，形成共晶或焊料键合，从而将两个配对表面牢固地粘合在一起。该工艺的优点是能在低温实现圆片级键合，不需要高度平整的表面，金属合金使气体和湿气难以穿过封装层从而实现真空密封。

常用的中间层有Cu-Sn(350℃)，Au-Si(363℃)，Au-Ge(360℃)，Au-Sn(280℃)，Pb-Sn(182℃)等，其中Au-Sn是一种具有优良机械特性的“硬”焊料，具有高键合强度、良好的防腐蚀性、防蠕变性、传热性、导电性、浸润性等特点，而且比起其它Au-Ge和Au-Si等“硬”焊料，其键合温度低，因而被广泛应用于光电子、微电子和MEMS器件领域。

从Au-Sn相图中可以看出存在两个共晶点280℃(重量比Sn∶Au＝20∶80)和217℃(重量比Sn∶Au＝90∶10)，由于217℃材料共晶点形成的材料容易碎裂，因此常用280℃作为键合温度。表1是目前主要Au-Sn合金键合的研究现状，从表中可以看出键合的温度都在第一共晶温度点，Au的厚度都在2μm以上，合金键合层总厚度大于6μm。在280℃的共晶温度点发生合金反应过程为【1】：

Au+Sn→AuSn，(1)

5Au+Sn→Au₅Sn，(2)

从上式(1)和(2)可以看出，反应的最终生成相为AuSn和Au₅Sn。

表1.Au-Sn合金键合研究现状

Au-Sn合金相的维氏硬度研究表明：AuSn₂的维氏硬度最高【7】，如表2所示。

表2.Au-Sn合金材料相的维氏硬度

材料相	Au	Sn	Au₅Sn(ζ)	AuSn(δ)	AuSn₂(ε)	AuSn₄(η)
							H(GPa)	1.03	0.11	2.5	1.1	2.9	1.2

除了在共晶点形成Au-Sn合金外，也有研究报道了Au-Sn扩散方面的工作【1，8，9】。表3是文献报道的不同Sn重量百分比的合金所形成的中间相和最终生成相组成。当Sn重量百分比为54％时，最终生成相组成为AuSn₂，在Sn重量百分比为54％-71％之间时，最终生成相组成为AuSn₂和AuSn₄。

表3.Sn重量百分比和相变

Sn重量/％	中间相	最终生成相
			100＞x＞71	Sn+AuSn₄+AuSn₂	Sn+AuSn₄
x＝71	Sn+AuSn₄+AuSn₂	AuSn₄
			71＞x＞54	Sn+AuSn₄+AuSn₂	AuSn₂+AuSn₄
x＝54	Sn+AuSn₄+AuSn₂+AuSn	AuSn₂
			54＞x＞38.	Sn+AuSn₄+AuSn₂+AuSn	AuSn₂+AuSn
x＝38	Au+AuSn+AuSn₄	AuSn
			38＞x＞12	Au+AuSn+AuSn₄	Au+AuSn+(Au₅Sn)
12＞x＞0	Au+AuSn+AuSn₄	Au+AuSn+(Au₅Sn)

目前Au-Sn合金键合中所消耗贵金属Au较多、成本较高，键合层较厚以及键合温度对于MEMS器件(特别是微流控器件、BioMEMS器件等)和集成电路来说仍然较高等。圆片级低温封装方法大致分为如下三类：第一种是聚合物或粘附层键合，该方法中聚合物或粘附层导热性能一般都很差，水汽与气体很容易穿过键合层，所以不能实现气密性很好的封装，与真空封装不兼容，键合的可靠性较差。第二种是选择键合温度更低的合金键合材料，如Sn-In合金键合可以在118℃完成，但它属于一种“软”焊料，其键合强度、气密性和可靠性都比Au-Sn合金差。第三种方法是局部加热键合，如局部电阻加热、感应加热、电磁辐射加热、激光辅助加热等局部加热键合方法，但这些工艺具有设备昂贵、工艺复杂和操作难度大等特点。

总之，上述几种低温方法多对MEMS器件的圆片级封装都存在不同的限制，不能完全满足要求，迫切需要开发更简单有效的低成本低温封装方法。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了能够实现低成本、高键合强度的Au-Sn合金圆片级低温键合，实现对光电子、微电子、MEMS器件(特别是微流控器件和BioMEMS器件等器件)的圆片级封装，解决现有技术中的瓶颈，本发明提供了一种低成本、高键合强度的基于Au-Sn合金键合的圆片级低温封装方法。该方法不仅具有键合成本低、键合强度高、键合温度低等特点，而且工艺简单，同IC工艺相兼容。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种基于金锡合金键合的圆片级低温封装方法，该方法包括：

选择作为盖片和底片的基片；

对盖片正面进行第一次光刻，通过刻蚀和腐蚀制作出一个腔体作为所封装器件或结构的放置空间；对盖片正面进行第二次光刻；按设计的金Au和锡Sn的重量百分比蒸发Cr/Au/Sn/Au的多层金属薄膜；剥离该多层金属薄膜制作出盖片上的金属键合结构；

对底片背面进行第一次光刻，刻蚀制作双面对准用的图形结构；对底片进行正面第二次光刻；按设计的Au和Sn的重量百分比蒸发Cr/Au的金属薄膜；剥离该金属薄膜制作出底片上的金属键合结构；

在光刻机下将盖片正面扣在底片正面之上，对盖片和底片进行双面对准，形成双面对准结构，然后放入键合机中，在一定的键合压强、键合温度和键合时间范围实现Au-Sn合金键合。

上述方案中，所述Cr/Au/Sn/Au的多层金属薄膜中，金属Sn层同其它金属层在同一步金属蒸发剥离工艺中完成，且在Sn层表面有防氧化层Au。

上述方案中，所述Cr/Au的金属薄膜中，金属Au层同Cr层在同一步金属蒸发剥离工艺中完成，且Au层位于Cr层表面。

上述方案中，所述所封装器件或结构的放置空间通过光刻、刻蚀或腐蚀方法实现。

上述方案中，所述盖片上的金属键合结构和底片上的金属键合结构通过光刻和剥离方法实现。

上述方案中，所述双面对准结构通过光刻、刻蚀底片介质层方法实现。

上述方案中，所述键合压强为1至10MPa，所述键合时间为10至90min，所述键合温度为140至310℃。

上述方案中，所述实现Au-Sn合金键合后，形成以合金ε相为主的键合层，该键合层总厚度小于3μm，金属Au的重量百分比在29％-46％之间。

上述方案中，所述基片为Si圆片或玻璃圆片。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：通过提高Sn、降低Au的重量百分比，使键合合金结构形成以AuSn₂相为主的结构，减少贵金属Au的消耗，并降低键合层总厚度，实现了成本低、键合温度低、键合强度高的圆片级Au-Sn合金键合。并且，本发明工艺实施简单，同IC工艺相兼容。在MEMS器件(特别是生物芯片、微流控芯片等)、光电器件、微电子器件和集成电路等的圆片级键合封装方面具有重要应用，并将推动这些器件和电路快速、可靠的实现产业化和商业化。

附图说明

下面结合附图和实施实例对本发明进一步说明。

图1是键合盖片工艺流程图；

图2(a)是室温下盖片上材料扩散XRD衍射图(生成AuSn，AuSn₂，AuSn₄相)，图2(b)是室温下盖片上扩散结构图；

图3是键合底片工艺流程图；

图4(a)是键合最终生成相1结构的XRD衍射图(生成AuSn₂相)，(b)键合最终生成相1结构图；

图5(a)是键合最终生成相2结构XRD衍射图(生成AuSn₂，AuSn₄相)，(b)键合最终生成相2结构图；

图6是键合工艺流程图；

图中：1是SiO₂；2是Si或者玻璃；3是光刻胶；4是Cr/Au/Sn/Au；5是Cr/Au；6是AuSn合金键合层。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下以Si盖片和Si底片键合为例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明提供了一种基于Au-Sn合金键合的圆片级低温封装方法，该方法包括：选择作为盖片和底片的基片；对盖片正面进行第一次光刻，通过刻蚀和腐蚀制作出一个腔体作为所封装器件或结构的放置空间；对盖片正面进行第二次光刻；按设计的Au和Sn的重量百分比蒸发Cr/Au/Sn/Au的多层金属薄膜；剥离该多层金属薄膜制作出盖片上的金属键合结构；对底片背面进行第一次光刻，刻蚀制作双面对准用的图形结构；对底片进行正面第二次光刻；按设计的Au和Sn的重量百分比蒸发Cr/Au的金属薄膜；剥离该金属薄膜制作出底片上的金属键合结构；在光刻机下将盖片正面扣在底片正面之上，对盖片和底片进行双面对准，形成双面对准结构，然后放入键合机中，在一定的键合压强、键合温度和键合时间范围实现Au-Sn合金键合。

在上述工艺中采用的盖片和底片可以是任意基片，如Si圆片和玻璃圆片等，具体工艺包括：

(1)利用光刻对盖片正面进行第一次光刻；通过刻蚀和腐蚀的方法制作出一个腔体，为将来要封装的器件预留空间；对盖片正面进行第二次光刻；按设计的Au和Sn的重量百分比蒸发Cr/Au/Sn/Au多层金属薄膜材料，设计中有效减小Au的比例和厚度，增加价格便宜的Sn比例，减小Sn的总厚度，从而降低成本；剥离金属薄膜制作出盖片上的键合区结构。

(2)对底片背面进行第一次光刻；刻蚀制作双面对准用的图形结构；对底片进行正面第二次光刻；按设计的Au和Sn的重量百分比蒸发Cr/Au金属薄膜材料，设计中有效降低Au的厚度从而降低成本；通过剥离金属薄膜从而制作出底片上的键合区结构。

(3)在光刻机下将盖片正面扣在底片正面之上，对盖片和底片进行双面对准，形成双面对准结构，然后放入键合机中，在一定的键合压强、键合温度和键合时间范围实现Au-Sn合金键合。

(4)对微结构测试表明Au-Sn合金形成了以维氏硬度较高AuSn₂相为主的合金，剪切强度测试表明键合强度很高。实现了低成本、140-310℃低键合温度和高键合强度的Au-Sn合金圆片级键合。

关于工艺(3)中的键合压强为1-10MPa，键合时间为10-90min；工艺(3)和工艺(4)中的键合温度为140-310℃；工艺(4)中的键合压强为20-64MPa。

图1为盖片工艺流程，工艺步骤包括：(a)热氧化，(b)第一步光刻，刻蚀氧化硅，(c)刻蚀Si，(d)去胶，(e)蒸发剥离Cr/Au/Sn/Au，其中Au总厚度小于0.2μm，Sn厚度小于2.1μm。图2(a)是Au-Sn合金在室温扩散的XRD衍射图，表明结构中存在AuSn、AuSn₂、AuSn₄相，其结构截面示意图如图2(b)所示，表明室温扩散发生如下反应【1】：

Au+4Sn→AuSn₄，(3)

随后，AuSn在Au/AuSn₄界面上形成，并消耗掉部分AuSn₄和Au：

3Au+AuSn₄→4AuSn，(4)

随着时间延长，形成连续的层状AuSn相之后，Au原子扩散穿过AuSn层，与AuSn/AuSn₄界面处的AuSn₄发生反应(4)。随着反应(4)的进行，AuSn层越来越厚，到达AuSn/AuSn₄界面处的Au原子数目减少，反应(4)速度减慢，一部分被反应(5)代替，生成AuSn₂：

Au+AuSn₄→2AuSn₂，(5)

图3为底片工艺流程，工艺包括：(a)热氧化，(b)Si圆片背面光刻，(c)刻蚀氧化硅，(d)Si圆片正面蒸发剥离Cr/Au，其中Au总厚度小于0.5μm。从而使盖片和底片中Sn的重量百分比满足54～71％。

在光刻机下对盖片和底片进行双面对准，对准后用夹具夹牢，放入键合机中，在键合压强为1～10MPa、键合温度为140～310℃、键合时间为10～90min范围内实现Au-Sn合金键合。

键合过程中，加热作用使Au层原子和Sn层原子进一步快速扩散，Au原子通过AuSn和AuSn₂层进入Sn中继续发生反应(3)形成AuSn₄，发生反应(4)，使AuSn层厚度增加，发生反应(5)，形成AuSn₂代替AuSn层使AuSn₂层厚度增加。对于本发明中所选富Sn键合结构，对于不同的富Sn键合结构分两大类型分别讨论：

(I)对于Au层总重量百分比为46％，Sn重量百分比为54％时，从表1中可以看出，最终生成相全部为AuSn₂，反应过程有两种类型：

(i)Au先耗尽，当Au耗尽时的结构为AuSn/AuSn₂/Sn，然后继续反应：

Sn+AuSn→AuSn₂，(6)

在Sn耗尽时形成AuSn₂，其键合最终生成相结构XRD衍射图如图4(a)，基本都形成了AuSn₂，结构截面示意图如图4(b)；

(ii)Sn先耗尽，结构为Au/AuSn₂/AuSn₄，然后按照式(5)继续反应，最终在Au耗尽时形成AuSn₂，其键合最终生成相结构XRD衍射图如图4(a)，说明基本都形成了AuSn₂，结构截面示意图如图4(b)。

(II)对于Au层总重量百分比小于46％而大于29％，Sn重量百分比大于54％而小与71％时，当Au原子耗尽时，形成结构为AuSn/AuSn₂/AuSn₄/Sn。之后Sn在加热条件下继续扩散，进入AnSn层中，使AuSn层发生反应(6)形成AuSn₂，并发生反应3Sn+AuSn→AuSn₄，形成AuSn₄，从而最终生成相为AuSn₂+AuSn₄，其键合最终生成相结构XRD衍射图如图5(a)，表明成分中既有AuSn₂相也有AuSn₄相，结构截面示意图如图5(b)。

通过对前述不同重量百分比的对准键合片施加一定的键合压强，加热到一定的键合温度，维持一定的键合时间后，得到键合结构截面示意图如图6所示的键合圆片。

剪切强度测试表明：圆片键合的剪切强度在20-64MPa之间。

上述实施方案表明，通过设计Sn重量百分比为54％-71％的富Sn结构，在Sn的厚度小于2.1μm，总厚度小于3μm时，能大幅减少贵金属Au的消耗使其厚度小于0.7μm；在一定键合压强(1-10MPa)、键合温度(140-310℃)和键合时间(10-90min)范围内键合，形成了具有高维氏硬度的AuSn₂相(即ε相)为主的中间层，其Au-Sn合金键合的键合强度达到20-64MPa，实现了低成本、高键合强度的圆片级低温Au-Sn合金键合封装方法。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

引用文献

【1】Wenming Tang，et al.，“Room temperature interfacial reactions inelectrodeposited Au-Sn couples，”Acta Materialia 56，5818-5827，2008

【2】Qian wang，et al.，Application of Au-Sn Eutectic Bonding inHermetic Radio-Frequency Microelectromechanical System Wafer LevelPackaging，Journal of electronic materials，35(3)，425-432，2006

【3】Chen Y.Wang，et al.，“A Eutectic bonding technology at atemperature below the Eutectic point，”1992IEEE，502-507(1992)

【4】Warren C.Welch，“Vacuum and Hermetic Packaging of MEMSUsing Solder，”PhD thesis，2008

【5】Jong S.Kim，et al.，“Fluxless silicon-to-alumina bonding usingelectroplated Au-Sn-Au structure at eutectic composition，”Materials Scienceand Engineering A 458，101-107，2007

【6】K.Wang，et al.，“Surface evolution and bonding properties ofelectroplated Au/Sn/Au，”2nd Electronics Systemintegration TechnologyConference，1131-1133，2008

【7】R.R.Chromik，et al.，“Mechanical properties of intermtallicompounds in the Au-Sn System，”Journal of Materials Research，20(8)，pp.2161-2172，2005

【8】L.Buene，et al.，“A Study of Evaporated Gold-Tin Films UsingTransmission Electron Microscopy，”Thin Solid Films，67，95-102，1980

【9】陈松等，“Au/Sn界面互扩散特征”，稀有金属，29(4)，413-417，2005

Claims

1.一种基于金锡合金键合的圆片级低温封装方法，其特征在于，该方法包括：

选择作为盖片和底片的基片；

对盖片正面进行第一次光刻，通过刻蚀制作出一个腔体作为所封装器件或结构的放置空间；对盖片正面进行第二次光刻；按设计的金Au和锡Sn的重量百分比蒸发Cr/Au/Sn/Au的多层金属薄膜；剥离该多层金属薄膜制作出盖片上的金属键合结构；其中，所述设计的金Au和锡Sn的重量百分比中，Sn重量百分比为54％-71％，Sn的厚度小于2.1μm；

对底片背面进行第一次光刻，刻蚀制作双面对准用的图形结构；对底片进行正面第二次光刻；按设计的Au和Sn的重量百分比蒸发Cr/Au的金属薄膜，Au总厚度小于0.5μm，从而使盖片和底片中Sn的重量百分比满足54～71％；剥离该金属薄膜制作出底片上的金属键合结构；

在光刻机下将盖片正面扣在底片正面之上，对盖片和底片进行双面对准，形成双面对准结构，然后放入键合机中，在一定的键合压强、键合温度和键合时间范围实现Au-Sn合金键合；其中，所述键合压强为1至10MPa，所述键合时间为10至90min，所述键合温度为140至310℃；

所述实现Au-Sn合金键合后，形成以合金ε相为主的键合层，该键合层总厚度小于3μm，金属Au的重量百分比在29％-46％之间。

2.根据权利要求1所述的基于金锡合金键合的圆片级低温封装方法，其特征在于，所述盖片Cr/Au/Sn/Au薄膜和底片Cr/Au薄膜中，Au层总重量百分比为46％，Sn重量百分比为54％时，最终生成相全部为具有高维氏硬度的AuSn₂。

3.根据权利要求1所述的基于金锡合金键合的圆片级低温封装方法，其特征在于，所述双面对准结构通过光刻、刻蚀底片介质层方法实现。

4.根据权利要求1所述的基于金锡合金键合的圆片级低温封装方法，其特征在于，所述基片为Si圆片或玻璃圆片。