MEMS封装用局部激光键合法及其实现(2)

加热法,例如电阻微热键合、快速热处理和局部激光键合法等。其中局部激光键合法具有以下优点:(1)局部非接触加热。这避免了对周围材料特别是敏感元器件的热冲击;(2)时间和温度参数可控。针对不同元器件类型实时控制键合工序,通过编程优选键合参数,可重复操作性较强;(3)根据键合材料的性质,选择不同波长的激光器,如CO2激光器、掺钕钇铝石榴石(Nd YAG)激光器或半导体激光器等;(4)利用光纤传输激光能量,灵活性强;(5)对于形状复杂的MEMS芯片具有独到之处,特别是对激光设备难以达到的区域作选择性的加热。

图1是Si 玻璃芯片进行局部激光键合的示意图,先在厚玻璃盖板边缘施加压力,这使被键合芯片得以紧密接触,然后再用激光束完成键合。图示装置虽然简单,但存在着一些缺点:(1)在键合界面对焦前,激光束要穿过玻璃盖板与Si 玻璃芯片之间的界面(见图1),但是Si 玻璃键合芯片相对于玻璃盖板而言较薄。由于两个界面之间距离极短,所以控制激光准确的在界面对焦相当困难;(2)不相等的力及玻璃盖板的凹凸不平会在Si 玻璃芯片上施以不对称的力,这使Si 玻璃芯片产生裂痕;(3)达到紧密贴合界面所需的压力相当大,如此大的力需要安装厚玻璃盖板,而厚玻璃盖板又会吸收掉一些激光能量,因而降低芯片的吸收率,导致盖板局部温升,随之盖板各处的温度不均衡。大的外在压力和非均衡的温度极易损坏玻璃盖板。

为了解决上述问题,设计出表面活化预键合与局部激光键合工艺相结合的方法。

的高机械强度和成熟的制备工艺,使其仍是MEMS微构件、集成传感器和微制动器等的主要材料;而玻璃则是一种电绝缘、光学透明材料,它具有高机械强度和化学稳定性。上述两种材料都能制作高精度微结构件,因而常在MEMS封装中搭配使用。虽然玻璃的种类很多,但在MEMS封装中使用何种玻璃,需考虑它与硅片的热匹配以及处于探测波段内的透明度,以及与生化分析物质的兼容性等问题。常用的玻璃材料有:与Si的热膨胀系数相接近的派来克斯高硼(Pyrex型)玻璃和宽透明光谱的石英玻璃等。由于有的塑料(如聚甲基丙烯酸甲脂PMMA)具有生化兼容的特性,且具有易经过浇铸、热压等工序批量生产的优点,所以目前PMMA正在成为MEMS封装的首选材料。

2.2 激光器的选用

表1给出常用的Si、Pyrex玻璃和PMMA对CO2激光器、Nd YAG激光器和半导体激光器的波长的透明度。由于大部分玻璃和塑料在CO2激光波长处都有很高的吸收率,而CO2激光器的波长只有10.6 m,故它比较适用于薄膜键合,并不适合MEMS封装。Nd YAG和半导体激光器的波长相差无几,在玻璃和塑料中它们的热效应也大致相当,所以本次实验选用Nd YAG连续式固体激光器。

表1 三种材料对不同激光器波长的光学特性激光器材料SiPyrex玻璃PMMA

CO2Nd YAG半导体 =10.6 m =1.06 m =0.7~1 m

透明不透明不透明

不透明透明透明

2.3 局部激光原理

因为激光具有良好的传导和聚焦特性,经过聚焦后可将能量集聚于一点,所以激光束能在短时内使被激区内温度急剧上升,达到选定区域内键合的目的。然而,激光键合需光束聚焦于被键合芯片界面处,这就要求某键合芯片对之一被激光穿透,而另

图1 Si 玻璃芯片的局部激光键合

一片则对激光有良好的吸收率。近红外区域硅的吸收光谱和Pyrex玻璃的传播光谱如图2所示。由图可见:对波长1064nm的Nd YAG激光器Pyrex玻璃是透明的,故激光不但可以完全穿透Pyrex玻璃,而且对于波长1064nm的激光器而言硅片也有良好的吸收率(约35%)[2~6]。

在键合过程中大量的激光束穿过透明材料到达

2 局部激光键合法及其工艺实现

2.1 Si和玻璃等MEMS封装材料

Si、玻璃和塑料是目前MEMS领域最为重要的封装材料。Si作为IC制备中用得最多的材料,它