基于晶圆键合的MEMS通用工艺平台技术研究

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MEMS传感器以其小型化、批量化、低成本以及高灵敏度的优势,已应用于机械、光学、生物、化学、通信等多个领域,近年来在消费电子、物联网、智能可穿戴、AR、VR等设备中更是得到了大量的应用。但是由于MEMS传感器缺乏通用的标准化加工工艺导致其开发周期长、成本高,制约了其发展。因此开发通用的MEMS工艺加工技术显得尤为重要。将MEMS传感器与CMOS处理电路集成在同一个芯片上,能够显著提高传感器的性能并降低成本,因此成为现今MEMS器件的发展趋势。在众多CMOS与MEMS一体化芯片技术中,尤以台积电(TSMC)和应美盛(Invensense)所采用的技术路线最为成功。其采用晶圆键合方式将MEMS结构堆叠在CMOS处理电路之上,并利用晶圆级键合封装完成MEMS敏感结构的保护与封装,从而有效的减少了器件的尺寸与加工流程,降低了芯片成本。  本论文对晶圆的扩散键合和金属共晶键合工艺进行深入研究,并在此基础上参照台积电与应美盛公司的技术方案开发出一套通用MEMS工艺加工技术。采用该通用加工技术,本论文设计制作了一种Pirani型真空气压计,并为合作单位实现了二轴及三轴电容差分式加速度计和薄膜电容式压力计的加工。  本论文针对晶圆低温扩散键合技术的特点,开发出了可将制作有多层铝布线并刻蚀有复杂图形的晶圆与MEMS结构晶圆牢固键合的技术,从而为MEMS与CMOS电路的堆叠集成奠定了基础。针对金属共晶键合的特点,开发了一套键合品质电学测试方法,并依靠该方法实现了A1Ge共晶系与AuSn共晶系的最佳键合条件开发。从而实现了两种基于金属共晶键合原理的晶圆级封装方案。  基于所开发出的MEMS晶圆堆叠与晶圆级键合封装技术,开发了一套与CMOS工艺兼容的MEMS通用工艺技术。该技术是一套整合了晶圆堆叠、硅通孔以及晶圆盖帽封装技术于一体的MEMS器件加工与封装技术。在该技术的开发过程中,作者还突破了金属引线图形化及平坦化与深硅刻蚀和钨深孔填充等关键工艺。为了使所开发的工艺流程具有在线可测试性,作者在工艺中设计了一套独特的工艺测试结构,从而实现了工艺流程的在线状态测量。  为了证明所开发的工艺流程可同时满足多种MEMS器件的加工,作者尝试了在同一晶圆上同时加工Pirani型真空气压计、两轴与三轴加速度计、绝压压力传感器等四种MEMS器件。其中Pirani型真空气压计为作者设计,两轴与三轴加速度计、绝压压力传感器这三款MEMS器件由合作单位设计。经测试在同一晶圆上所加工的四种MEMS传感器均满足设计要求。其中即使是自由度最多的三轴加速度计的良率也超过70%。作者所设计的Pirani计量程可达到0.01Torr-20Torr,在1Torr条件下测试灵敏度达到0.68V/Torr,并且其温漂系数小于0.74%/℃。
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