CN102963864B

CN102963864B - 一种基于bcb胶的晶片级微空腔的密封方法

Info

Publication number: CN102963864B
Application number: CN201210532250.0A
Authority: CN
Inventors: 张威; 苏卫国; 邓康发; 李宋; 周浩楠; 江少波; 郑焕
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2012-12-11
Filing date: 2012-12-11
Publication date: 2015-05-20
Anticipated expiration: 2032-12-11
Also published as: CN102963864A

Abstract

本发明公开了一种基于BCB胶的晶片级微空腔的密封方法。本发明采用先在半导体晶片上旋涂BCB胶及软烘，然后旋涂一定厚度的光刻胶，之后利用光刻胶作为掩膜分别刻蚀BCB胶和微空腔，最后将具有微空腔的半导体晶片与MEMS器件的器件晶片进行对准键合。本发明采用BCB胶作粘附剂，平整高、键合温度低，工艺实现方便，具有与集成电路兼容的特性；并采用光刻胶作为刻蚀BCB胶和微空腔的软掩膜，使得BCB胶平整性好，在键合过程中受力均匀，从而能有效降低BCB胶的形变，避免BCB胶流入腔体和粘附在MEMS器件上，提高了MEMS器件可靠性。

Description

一种基于BCB胶的晶片级微空腔的密封方法

技术领域

本发明属于半导体制造技术，具体涉及一种基于BCB胶的晶片级微空腔的密封方法。

背景技术

对于精密复杂的MEMS器件，比如冲击开关和三明治结构的加速度计，需要进行真空密封封装，从而保护器件内部的可动结构。晶片级键合方法是实现密封的最有效的方法之一，其中晶片盖是由预先制作的微空腔形成，并与器件晶片进行键合，从而为器件晶片上的MEMS器件提供密封和保护的作用。这种密封为之后的切割工序以及对于封装的MEMS器件在使用寿命内免受环境污染的影响提供了第一层保护。同时因为这种密封方法在采用晶片级封装，能在一个晶片上同时对几百个器件同时密封封装，相对传统密封工艺，能有效提高生产效率并降低封装成本。

现有的晶片级键合方法主要包括硅硅键合、阳极键合、金硅键合及粘附剂键合。其中硅硅键合因为其键合温度高，一般在600~1200℃范围内，及对表面洁净度要求高，导致成品率下降。而阳极键合因为两静电键合材料的热膨胀系数可能不匹配，导致在键合完成冷却过程中会因内部应力较大而破碎；另外，由于需要用到高电压，降低了工艺的兼容性。而金硅键合需要对硅片进行预处理，先热氧化，再进行镀Au薄膜，键合效果取决于氧化层的质量；而且其预处理工艺有局限性，例如对不希望镀金属薄膜的器件，无法使用金硅键合。而粘附剂键合因为涉及到聚合物，如BCB胶和SU-8等，一般先做微空腔，然后再在微空腔上面旋涂粘附剂，由于粘附剂表面不平整，则在键合过程中会由于键合外力和一定温度条件下，粘附剂受力不均，导致形变过大，可能会流入腔体并粘附在MEMS器件上导致器件失效。

发明内容

针对以上现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于BCB胶的晶片级微空腔的密封方法，利用BCB键合工艺的优点，能有效避免由聚合物形变而导致的器件失效的问题。

本发明的目的在于提供一种：基于BCB胶的晶片级微空腔的密封方法。

本发明的基于BCB胶的晶片级微空腔的密封方法，包括以下步骤：

1）旋涂BCB胶及软烘：在半导体晶片上先旋涂BCB胶，之后软烘来部分聚合化BCB胶；

2）光刻形成微空腔的图形；

3）刻蚀BCB胶，然后刻蚀半导体晶片，形成微空腔；

4）表面有旋涂有BCB胶的微空腔的半导体晶片，与设置有MEMS器件的器件晶片进行对准并键合。

其中，在步骤1）中，软烘在温度100~250℃之间，及时间1~60分钟内。

在步骤2）中，光刻胶作为刻蚀BCB胶和微空腔的软掩膜，光刻胶需要一定的厚度，在1~50μm之间，以保证在刻蚀完微空腔后还有剩余的光刻胶，从而避免裸露BCB胶。本发明只需一次光刻，即可完成微空腔的制备，制备工艺简单，易操作。

在步骤3）中，刻蚀BCB胶时需要优化刻蚀气体的组分，其中刻蚀气体六氟化硫SF6和氧气O₂比例在1:1至1:10之间，以保证刻蚀效果。

在步骤4）中，键合过程中需要控制好键合压力1~3.5ba等参数。

刻蚀有微空腔的半导体晶片采用硅或玻璃等。

本发明的晶片级键合采用苯并环丁烯（benzo-cyclo-butene)BCB胶作粘附剂，BCB键合具有以下优点：1）高度的平整化能力；2）固化温度较低250°，固化过程中不需催化剂、没有副产品，固化过程中收缩率可以忽略；3）良好的粘结性能。因此，能为MEMS器件提供密封真空环境，同时因键合温度低，其工艺兼容性好。

另外，为解决BCB胶在键合过程中形变问题，本发明提出采用光刻胶作为刻蚀BCB胶和微空腔的软掩膜，使得BCB胶平整性好，在键合过程中受力均匀，从而能有效降低BCB胶的形变，避免BCB胶流入腔体和粘附在MEMS器件上。本发明的优点：

本发明采用先在半导体晶片上旋涂BCB胶及软烘，然后旋涂一定厚度的光刻胶，之后利用光刻胶作为掩膜分别刻蚀BCB胶和微空腔，最后将具有微空腔的半导体晶片与MEMS器件的器件晶片进行对准键合。本发明采用BCB胶作粘附剂，平整高、键合温度低，工艺实现方便，具有与集成电路兼容的特性；并采用光刻胶作为刻蚀BCB胶和微空腔的软掩膜，解决粘附剂键合工艺中聚合物的形变问题，提高了MEMS器件可靠性。

附图说明

图1为本发明的基于BCB胶的晶片级微空腔的密封方法密封的一个实施例的示意图；

图2为本发明的基于BCB胶的晶片级微空腔的密封方法的一个实施例的流程图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。

图1是本发明的基于BCB胶的晶片级微空腔的密封方法密封的一个实施例的示意图，包括：半导体晶片1、器件晶片2、BCB胶3、MEMS器件4和微空腔5；MEMS器件4设置在器件晶片2上；微空腔5与MEMS器件4相对应设置在半导体晶片1内；器件晶片2与半导体晶片1通过BCB胶3粘附在一起；半导体晶片1采用单晶硅。

如图2所示，本实施例的基于BCB胶的晶片级微空腔的密封方法，包括以下步骤：

1）BCB涂胶及软烘：此时器件晶片2上的MEMS器件已经完成，如图2（a）所示，半导体晶片1选用单晶硅，在半导体晶片1的正面，根据所需BCB胶3的厚度，1~20μm，调整转速，旋涂BCB胶3，之后放入氮气烘箱进行软烘，完成部分聚合化，软烘温200℃，时间为40min，如图2（b）所示；

2）光刻：涂覆光刻胶6，与器件晶片2上的MEMS器件相对应，形成微空腔5的图形，光刻胶6作为刻蚀BCB胶3和微空腔5的软掩膜，如图2（c）所示，其中，采用AZ4620光刻胶，光刻胶6与BCB胶3的刻蚀比为1:1，而光刻胶6与半导体晶片的刻蚀比为1:5，根据刻蚀比确定光刻胶6的厚度为7μm；

3）刻蚀BCB及微空腔：干法刻蚀BCB胶3，刻蚀气体六氟化硫SF6和O2比例为1:5，如图2（d）所示，之后干法刻蚀半导体晶片1，刻蚀气体SF6，如图2（e）所示，之后采用显影液去除残余光刻胶，形成微空腔5，如图2（f）所示；

4）BCB键合：将刻蚀有微空腔5的半导体晶片1倒扣过来，先采用光刻机进行对准，之后在键合机将半导体晶片1与器件晶片2进行BCB键合，控制键合条件为键合温度250℃，维持60分钟，确保BCB胶完全聚合化，同时需要施加一定的键合压力1.3ba和保持腔室高真空度（1e-4mbar），完成封装，如图2（g）所示。

最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims

1.一种晶片级微空腔的密封方法，其特征在于，所述密封方法包括以下步骤：

1)旋涂BCB胶及软烘：在半导体晶片上先旋涂BCB胶，之后软烘来部分聚合化BCB胶；

2)光刻形成微空腔的图形；

3)刻蚀BCB胶，然后刻蚀半导体晶片，然后采用显影液去除残余光刻胶，形成微空腔；

4)表面有旋涂有BCB胶的微空腔的半导体晶片，与设置有MEMS器件的器件晶片进行对准并键合。

2.如权利要求1所述的密封方法，其特征在于，在步骤1)中，软烘在温度100～250℃之间，及时间1～60分钟内。

3.如权利要求1所述的密封方法，其特征在于，在步骤2)中，光刻胶的厚度在1～50μm之间。

4.如权利要求1所述的密封方法，其特征在于，在步骤3)中，刻蚀气体六氟化硫SF6和氧气O₂的体积比例在1:1至1:10之间。

5.如权利要求1所述的密封方法，其特征在于，在步骤4)中，键合压力在1～3.5bar之间。

6.如权利要求1所述的密封方法，其特征在于，在步骤1)中，BCB胶的厚度在1～20μm之间。

7.如权利要求1所述的密封方法，其特征在于，所述半导体晶片采用硅或玻璃。