[发明专利]基于局域加热技术的圆片级低温键合系统及装置

说明书

技术领域

本发明涉及微机电系统封装技术领域，具体涉及一种基于局域加热技 术的圆片级低温键合系统及装置。

背景技术

键合技术是微机电系统封装不可或缺的一项基本工艺，其所应用的领 域主要有以下三个方面：晶片之间的键合；将微器件固定到承载基片上； 以及微器件上的输入输出引线以及导电电线的连接。

近几年，圆片级键合以其键合成本方面的绝对优势越来越引起关注。 用于MEMS器件的圆片级键合技术主要有硅熔融键合、阳极键合、热压 键合、黏合剂键合和共晶键合。其中，硅熔融键合，其工艺要求键合温度 在1000℃以上，且对键合表面平整度的要求极为严格，需小于5nm。阳极 键合，只需较低的键合温度(300-450℃)，但需要辅助的高静电场 (400-1200V)，其对键合表面平整度的要求很高，需小于30nm。热压键 合，其键合温度在200-400℃，但所需键合压力极高，约为100Mpa。黏 合剂键合，由于聚合物一般具有高渗透性，其不能用于MEMS器件的气 密性封装。共晶键合，不同的合金焊料有不同的键合温度，在键合过程中， 焊料处于熔融状态，因此对键合表面的平整度要求不高，但是焊料表面易 被氧化形成一层氧化物薄膜，这将严重影响键合质量^[1-2]。

键合温度过高，会对器件微结构造成损坏，对于热膨胀系数差别较大 的材料间键合，高温将产生很大的残余热应力和变形翘曲，这都将直接影 响到器件的性能和成品率。

近年来，随着生化传感器和射频MEMS器件的快速发展，对低温键 合封装的需求日益增加，迫切需要开发具有高质量的圆片级低温键合封装 方法^[2-3]。现有的低温封装方法还是对整个圆片进行加热，加热温度在 300℃左右，对于生化传感器依然是不能接受的。

局域加热键合是一种低温键合方法，在键合过程中，只对键合区域进 行局域加热而保持器件区域在较低温度，这大大降低了温度对器件性能的 影响，提高了器件的可靠性。局域加热主要有电阻加热、感应加热和激光 辅助加热等方法。感应加热需要一个感应线圈以产生磁场，需要铁磁材料 制作的微加热器以产生涡流对键合区加热，工艺复杂；激光辅助加热的设 备昂贵，工艺复杂，同时需要选择合适的材料以高效的吸收激光能量[4]。 电阻加热时，电阻可以在盖板或芯片的衬底上通过刻蚀图形化而得到，工 艺较简单。

现有的圆片级键合装置，如EVG510、SB6和SB6e，不能通过简单的 功能升级实现对晶片的局域加热。在这样的应用需求背景下，本发明提出 了基于局域电阻加热的圆片级低温键合装置。

参考文献：

1、Lin，L.(2000).″MEMS post-packaging by localized heating and  bonding.″Advanced Packaging，IEEE Transactions on 23(4)：608-616.

2、Wei，J.，H.Xie，et al.(2003).″Low temperature wafer anodic bonding.″ Journal of Micromechanics and Microengineering 13：217.

3、Cheng，Y.T.，L.Lin，et al.(2000).″Localized silicon fusion and  eutectic bonding for MEMS fabrication and packaging.″ Microelectromechanical Systems，Journal of 9(1)：3-8.

4、Mitchell J.S.(2008).″Low temperature wafer level vacuum packaging  using Au-Si eutectic bonding and localized heating″PhD thesis University of  Michigan，Ann Arbor，MI

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对现有低温键合方法在实际应用中的限制，本发明的主要目的在于 提供一种基于局域加热技术的MEMS器件的圆片级低温键合系统及键合 装置，以解决MEMS器件键合温度过高产生的可靠性等问题，达到实现 低温高可靠性键合的目的。

(二)技术方案