RU2789668C1

RU2789668C1 - Method for sealing mems devices

Info

Publication number: RU2789668C1
Application number: RU2022115207A
Authority: RU
Inventors: Николай Алексеевич Дюжев; Максим Александрович Махиборода; Евгений Эдуардович Гусев
Filing date: 2022-06-06
Publication date: 2023-02-07

Abstract

FIELD: MEMS devices sealing.

SUBSTANCE: invention relates to methods for sealing MEMS devices. The method consists in the formation of grooves in the base, the use of temporary bonding technology with the thinning process, the filling of the grooves by the method for atomic layer deposition of material, while the connection busbars are removed from the working area of sealing through the reverse side of the base, the formation of a recess in the base and a working The cavity is produced due to one photomask and one plasma-chemical etching, the formation of protrusions and the getter area on the cover, while the protrusions of the cover and the base recesses have a cylindrical shape, the same diameter and height.

EFFECT: improved sealing of the final MEMS device.

1 cl, 10 dwg

Description

Изобретение относится к электронной технике, в частности к микроэлектронике, и может быть использовано при изготовлении микроэлектромеханических систем (МЭМС), представляющий собой микросборку из кристаллов. The invention relates to electronic engineering, in particular to microelectronics, and can be used in the manufacture of microelectromechanical systems (MEMS), which is a microassembly of crystals.

Известен способ герметизации посредством взаимной диффузии металлов при нагреве основания и герметизирующей крышки [1]. Данный технологический метод требует очень качественной подготовки поверхности материалов: полировка с низким уровнем шероховатости, химическая обработка поверхности перед проведением процесса соединения основания и герметизирующей крышки. Также из недостатков можно отметить отсутствие соединительных шин из рабочей области герметизации.A known method of sealing by means of mutual diffusion of metals during heating of the base and the sealing cover [1]. This technological method requires very high quality surface preparation of materials: polishing with a low level of roughness, chemical surface treatment before carrying out the process of joining the base and the sealing cover. Also, among the shortcomings, one can note the absence of connecting tires from the working area of sealing.

Известен способ формирования герметичного МЭМС устройства с использованием уплотнительных колец и вывод соединяющих шин из рабочей области герметизации осуществляют через обратную сторону основания [2]. Ограничением данного метода является миниатюризация конструкции. Авторы не применяют процесс утонения пластины-основания. Поэтому диаметр канавки, содержащей соединяющие шины из рабочей области герметизации, ограничен аспектным соотношением (высоты канавки к ширине канавки) плазмохимического травления. В результате диаметр канавок может быть выбран не менее 20 мкм, что не позволяет уменьшить габаритные размеры устройства.A known method of forming a sealed MEMS device using sealing rings and the output of the connecting busbars from the working area of the sealing is carried out through the reverse side of the base [2]. The limitation of this method is the miniaturization of the design. The authors do not use the process of thinning the base plate. Therefore, the diameter of the groove containing the connecting bars from the sealing work area is limited by the aspect ratio (groove height to groove width) of the plasma-chemical etching. As a result, the groove diameter can be chosen not less than 20 μm, which does not allow reducing the overall dimensions of the device.

Также известен аналог по способу герметизации на кремниевой подложке, основанный на использовании пасты, слоя SiO₂ толщиной 3-5 мкм и лазерной сварки [3]. Недостатком предложенного технического решения является процесс формирования оксида кремния. В случае использования химического осаждения из газовой фазы (PECVD) будет получена значительная неоднородность по толщине слоя, что приведет к высоким значениям перепада высот, механическим напряжениям и снижению герметичности. В случае использования термического способа необходимо будет затратить значительное время и ресурсы для формирования заданной толщины SiO₂.Also known is an analogue of the method of sealing on a silicon substrate, based on the use of paste, a layer of SiO ₂ with a thickness of 3-5 μm and laser welding [3]. The disadvantage of the proposed technical solution is the process of formation of silicon oxide. If chemical vapor deposition (PECVD) is used, significant inhomogeneity across the layer thickness will be obtained, resulting in high height differences, mechanical stresses and reduced sealing. In the case of using a thermal method, it will be necessary to spend considerable time and resources to form a given thickness of SiO ₂ .

В качестве прототипа выбран способ герметизации МЭМС устройств, включающий в себя в себя формирование канавок, формирование соединяющих шин и емкостей, приведение в контакт основания и крышки [4].As a prototype, a method for sealing MEMS devices was chosen, which includes the formation of grooves, the formation of connecting tires and containers, bringing the base and cover into contact [4].

Недостатком данного способа является технологическая сложность изготовления герметичной микросборки в виде формирования нескольких уровней проводников (металлизации). Также необходимо использовать большое количество фотошаблонов, что приводит к снижению рентабельности и надежности конечного изделия. Вывод соединяющих шин из рабочей области герметизации осуществляют через периферийную область основания, что ограничивает возможности процесса разварки контактных площадок. Это также снижает надежность герметизации МЭМС устройства.The disadvantage of this method is the technological complexity of manufacturing a sealed microassembly in the form of the formation of several levels of conductors (plating). It is also necessary to use a large number of photomasks, which leads to a decrease in profitability and reliability of the final product. The output of the connecting busbars from the working area of sealing is carried out through the peripheral area of the base, which limits the possibilities of the process of bonding the pads. It also reduces the sealing reliability of the MEMS device.

Задачей настоящего изобретения является повышение надежности МЭМС устройств за счет улучшения их герметичности.The objective of the present invention is to improve the reliability of MEMS devices by improving their tightness.

Поставленная задача решается тем, что проводят герметизацию МЭМС устройств, включающую в себя формирование канавок, формирование соединяющих шин и обкладок емкостей, формирование вакуумной атмосферы, приведение в контакт основания и герметизирующей крышки, причем для формирования канавок в основании используют процесс утонения, канавки заполняют барьерным слоем и металлом атомно-слоевым осаждением материала, вывод соединяющих шин из рабочей области герметизации осуществляют через обратную сторону основания, в основании формируют углубления и рабочую полость плазмохимическим травлением, на герметизирующей крышке формируют выступы и область геттера, при этом выступы герметизирующей крышки и углубления основания имеют цилиндрическую форму и связаны следующими соотношениями:The problem is solved by sealing MEMS devices, which includes the formation of grooves, the formation of connecting tires and tank linings, the formation of a vacuum atmosphere, bringing the base and the sealing cover into contact, and the thinning process is used to form the grooves in the base, the grooves are filled with a barrier layer and metal by atomic layer deposition of the material, the connection busbars are removed from the sealing working area through the reverse side of the base, recesses and a working cavity are formed in the base by plasma-chemical etching, protrusions and a getter area are formed on the sealing cover, while the protrusions of the sealing cover and the base recesses have a cylindrical form and are related by the following relations:

где а - высота выступа герметизирующей крышки, b - высота углубления основания, d1 - диаметр выступа герметизирующей крышки, d2 - диаметр углубления основания, m - высота канавки, n - диаметр канавки.where a is the height of the protrusion of the sealing cap, b is the height of the base recess, d1 is the diameter of the protrusion of the sealing cap, d2 is the diameter of the base recess, m is the height of the groove, n is the diameter of the groove.

Повышение герметичности МЭМС микросборки достигается за счет расположения контактных площадок с обратной стороны основания и за счет применения выступов и углублений цилиндрической формы. Причем выступы герметизирующей крышки и углубления основания будут иметь одинаковый диаметр и высоту. Способ реализации этого технического решения заключается в формировании сквозных канавок (отверстий) в объеме основания и последующей металлизации их методом атомно-слоевого осаждения. В результате, слой металла конформно покрывает стенки и не образуется пустот в объеме металлического слоя. Для повышения воспроизводимости формирования геометрических размеров сквозных канавок (которые имеют высокий коэффициент глубины т к ширине п полости) используют технологию временного бондинга. Нельзя не отметить, что использование крышки в роли пластины носителя связано с некоторыми технологическими рисками, такими как удаление антиадгезионного слоя. Остатки материала антиадгезионного слоя могут выделять значительную часть газов в процессе температурной обработке структуры, например в процессе бондинга. Поэтому необходимо использовать именно временный бондинг.Improving the tightness of the MEMS microassembly is achieved due to the location of the contact pads on the reverse side of the base and through the use of protrusions and recesses of a cylindrical shape. Moreover, the protrusions of the sealing cover and the recesses of the base will have the same diameter and height. The method for implementing this technical solution consists in the formation of through grooves (holes) in the volume of the base and their subsequent metallization by the method of atomic layer deposition. As a result, the metal layer conformally covers the walls and voids are not formed in the volume of the metal layer. To improve the reproducibility of the formation of the geometric dimensions of the through grooves (which have a high coefficient of depth t to the width n of the cavity), temporary bonding technology is used. It should be noted that the use of a cover as a carrier plate is associated with some technological risks, such as the removal of the release layer. Residues of the material of the release layer can release a significant part of the gases during the thermal treatment of the structure, for example during the bonding process. Therefore, it is necessary to use temporary bonding.

Данный технологический подход заключается в нанесении адгезионного слоя на основание (рабочую пластину с чувствительными элементами) и антиадгезионного слоя на пластину-носитель. Далее проводят операцию бондинга (соединения) основания и пластины-носителя и осуществляют утонение основания. Желательно проводить процесс формирования сквозных канавок в кремнии методом сухого плазмохимического травления (Bosch-процесс). Это позволяет сформировать цилиндрические полости, то есть очень значительно снижается зависимость от кристаллографической ориентации пластины кремния (в отличие от жидкостного химического травления в растворе KOH или ТМАН). Круглая форма по сравнению с квадратной не имеет концентраторов механических напряжений в углах, что приводит к повышению механической прочности и снижению кривизны (изгиба) пластин перед бондингом, фотолиграфией и/или утонением. В результате повышается полезная площадь контакта пластина-пластина при бондинге, пластина-фотошаблон при фотолитографии, пластина-шлифовальный диск при утонении.This technological approach consists in applying an adhesive layer on the base (working plate with sensitive elements) and an anti-adhesive layer on the carrier plate. Next, the operation of bonding (connection) of the base and the carrier plate is carried out and the base is thinned. It is desirable to carry out the process of forming through grooves in silicon by dry plasma-chemical etching (Bosch process). This allows the formation of cylindrical cavities, that is, the dependence on the crystallographic orientation of the silicon wafer is very significantly reduced (in contrast to liquid chemical etching in a KOH or TMAN solution). The round shape does not have mechanical stress concentrators in the corners, which leads to an increase in mechanical strength and a decrease in the curvature (bending) of the plates before bonding, photoligraphy and/or thinning. As a result, the useful contact area of the plate-plate during bonding, the plate-photomask during photolithography, and the plate-grinding disk during thinning increase.

Стандартный процесс плазмохимического травления имеет вариацию коэффициента m:n в диапазоне от 10 до 15. Следовательно, толщина остаточного слоя пластины (будущая высота канавки) должна составлять не более 150 микрон при диаметре полости п равном 10 микрон. При использовании стандартных пластин диаметром 150 мм при толщине 675 мкм произойдет сужение стенок, в результате которого отверстие не будет получено. Другой путь заключается в увеличении диаметра полости п, но в данном случае значительно возрастает время, необходимое на заполнение канавки (отверстия) металлом. Также увеличение величины п снижает уровень миниатюризации сборки МЭМС устройства.The standard process of plasma-chemical etching has a variation of the coefficient m:n in the range from 10 to 15. Therefore, the thickness of the residual layer of the plate (future groove height) should be no more than 150 microns with a cavity diameter n equal to 10 microns. When using standard inserts with a diameter of 150 mm at a thickness of 675 microns, wall narrowing will occur, as a result of which a hole will not be obtained. Another way is to increase the cavity diameter n, but in this case the time required to fill the groove (hole) with metal increases significantly. Also, an increase in the value of n reduces the level of miniaturization of the MEMS device assembly.

Кроме того, минимизация суммарной толщины микросборки (после утонения) позволяет проводить технологические операции со стандартными роботами загрузчиками в стандартных транспортировочных оснастках.In addition, minimization of the total thickness of the microassembly (after thinning) makes it possible to carry out technological operations with standard loader robots in standard transportation equipment.

Повышение надежности изделия достигается за счет применения одного фотошаблона (и одного плазмохимического травления) для формирования углубления и рабочей полости основания. Принимая в дальнейшем, что а - высота выступа крышки, b - высота углубления основания, dl - диаметр выступа крышки, d2 - диаметр углубления основания, то можно подобрать соотношение между ключевыми параметрами. Используя тот же шаблон (и один процесс плазмохимического травления), но только изменив тип фотолитографии (например, с позитивной на негативную, или наоборот), можно сформировать выступы на герметизирующей крышке. В результате выступы герметизирующей крышки и углубления основания будут иметь цилиндрическую форму, одинаковый диаметр (d1=d2) и высоту (а=b).An increase in the reliability of the product is achieved through the use of one photomask (and one plasma-chemical etching) to form a recess and a working cavity of the base. Assuming further that a is the height of the lid protrusion, b is the height of the base recess, dl is the diameter of the lid protrusion, d2 is the diameter of the base recess, then it is possible to choose the ratio between the key parameters. Using the same template (and the same plasma-etching process), but only by changing the type of photolithography (for example, from positive to negative, or vice versa), it is possible to form protrusions on the sealing cover. As a result, the protrusions of the sealing cover and the recesses of the base will have a cylindrical shape, the same diameter (d1=d2) and height (a=b).

В процессе бондинга выступы канавки соединяются с углублениями основания, что приводит к повышению точности совмещения двух пластин.During the bonding process, the protrusions of the groove are connected to the recesses of the base, which leads to an increase in the accuracy of matching the two plates.

На фиг. 1-8 схематично показан пример реализации предлагаемого способа, где:1 - основание (кремниевая пластина), 2 - рабочая полость, 3 - углубление, 4 -чувствительные элементы, 5 - фоторезист, 6 - антиадгезионный слой, 7 - пластина-носитель, 8 - канавки (отверстия), 9 - крышка (кремниевая пластина), 10 -выступы, 11 - геттер, 12 - металл.In FIG. 1-8 schematically shows an example of the implementation of the proposed method, where: 1 - base (silicon wafer), 2 - working cavity, 3 - recess, 4 - sensitive elements, 5 - photoresist, 6 - anti-adhesion layer, 7 - carrier plate, 8 - grooves (holes), 9 - cover (silicon wafer), 10 - protrusions, 11 - getter, 12 - metal.

На фиг. 9, 10 представлены экспериментальные структуры. Изображение пластины с антиадгезионным слоем представлено на фиг. 9. Изображение утоненной основы до толщины 112±5 мкм, включающей в себя цилиндрическую полость, показано на фиг. 10.In FIG. 9, 10 show the experimental structures. An image of a plate with an anti-adhesive layer is shown in Fig. 9. An image of a thinned base up to a thickness of 112±5 µm, including a cylindrical cavity, is shown in FIG. 10.

Основание может представлять собой кремниевую пластину 1. На первом этапе формируют рабочую полость 2 и углубления 3. Углубления в основании представляют собой цилиндрическую полость диаметром d2 и высотой Ь. Для этого проводят операцию фотолитографии (наносят защитную маску толщиной 1.5 мкм из фоторезиста и экспонируют фоторезист через шаблон). Затем посредством плазмохимического сухого травления создают углубления 3 в объеме пластины глубиной 60 микрон и диаметром 7 мкм (то есть, b=60 мкм, d2=7 мкм). Следующим шагом, создают чувствительные элементы 4 в рабочей полости посредством осаждения 0.3 мкм платины, фотолитографии и плазмохимического сухого травления платины (фиг. 2). После этого, снова проводят операцию фотолитографии на основании. В результате на основании остается фоторезист 5. Затем, пластину-носитель 7 наносят антиадгезионный слой толщиной в несколько десятков нанометров 6. Следующим шагом, соединяют две пластины (фиг. 3)The base can be a silicon wafer 1. At the first stage, a working cavity 2 and recesses 3 are formed. The recesses in the base are a cylindrical cavity with a diameter d2 and a height b. To do this, a photolithography operation is carried out (a protective mask 1.5 μm thick is applied from a photoresist and the photoresist is exposed through a template). Then, by means of plasma-chemical dry etching, recesses 3 are created in the volume of the plate with a depth of 60 microns and a diameter of 7 microns (ie, b=60 microns, d2=7 microns). The next step is to create sensitive elements 4 in the working cavity by deposition of 0.3 μm platinum, photolithography and plasma-chemical dry etching of platinum (Fig. 2). Thereafter, the photolithography operation is again carried out on the base. As a result, photoresist 5 remains on the base. Then, an anti-adhesive layer several tens of nanometers thick is applied to the carrier plate 7 6. The next step is to connect the two plates (Fig. 3)

Затем выполняют процесс утонения (шлифовка и полировка) с обратной стороны кремниевой пластины 1 до остаточной толщины не более 150 мкм. Затем проводят фотолитографию и плазмохимическое сухое травление с обратной стороны кремниевой пластины 1 для формирования сквозных отверстий (канавок) 8 в кремнии. Каждое сформированное сквозное отверстие (канавка) заполняют методом атомно-слоевого осаждения металлом 12. Затем разъединяют пластины.Then, the process of thinning (grinding and polishing) is performed on the reverse side of the silicon wafer 1 to a residual thickness of not more than 150 μm. Then, photolithography and plasma-chemical dry etching are carried out on the reverse side of the silicon wafer 1 to form through holes (grooves) 8 in silicon. Each formed through hole (groove) is filled by atomic layer deposition with metal 12. Then the plates are separated.

На следующем этапе формируют крышку 9. Крышка может представлять собой кремниевую пластину. Проводят фотолитографию и плазмохимическое сухое травление кремниевой пластины 9 для формирования выступов 10 (фиг. 5). Выступы представляют собой цилиндрические фигуры высотой а=60 мкм и диаметром d1=7MKM. Затем методом магнетронного напыления формируют слой геттера 11 толщиной 500 нм из Ti/Cr/Ti/Cr для поглощения газов. Проводят фотолитографию и плазмохимическое сухое травление Ti/Cr/Ti/Cr (фиг. 6).In the next step, cover 9 is formed. The cover may be a silicon wafer. Spend photolithography and plasma-chemical dry etching of the silicon wafer 9 to form protrusions 10 (Fig. 5). The protrusions are cylindrical figures with a height a=60 µm and a diameter d1=7MKM. Then, by magnetron sputtering, a 500-nm thick Ti/Cr/Ti/Cr getter layer 11 is formed to absorb gases. Spend photolithography and plasma-chemical dry etching of Ti/Cr/Ti/Cr (Fig. 6).

Наконец, соединяют крышку, включающую в себя выступы и слой геттера, с основанием, включающего в себя углубления и канавки с металлом (фиг. 7). Термокомпрессионный процесс соединения (бондинг) осуществляется при температуре 200°С в течение 30 минут при давлении плит 400 мбар и давлении внутри рабочей камеры 1 мбар. Трехмерный вид микросборки до бондинга представлен на фигуре 8. Формируют вакуумную атмосферу (1 мбар) в рабочей камере установки для бондинга перед контактированием крышки и основания. Материал геттера поглощает газы, попавшие в объем рабочей полости, что позволяет сохранить рабочую полость МЭМС устройства в герметичном виде (сформированный уровень вакуума будет постоянным) значительный период времени.Finally, the cover, which includes protrusions and the getter layer, is connected to the base, which includes recesses and grooves, with metal (Fig. 7). The thermocompression process of joining (bonding) is carried out at a temperature of 200°C for 30 minutes at a plate pressure of 400 mbar and a pressure inside the working chamber of 1 mbar. A three-dimensional view of the microassembly prior to bonding is shown in Figure 8. A vacuum atmosphere (1 mbar) is formed in the working chamber of the bonding machine before contacting the lid and base. The getter material absorbs gases that have entered the volume of the working cavity, which makes it possible to keep the working cavity of the MEMS device in a sealed form (the formed vacuum level will be constant) for a significant period of time.

Таким образом, данное техническое решение по сравнению с прототипом обладает рядом преимуществ. Особенно следует выделить значительное повышение надежности МЭМС устройства за счет улучшения герметизации. Источники информации:Thus, this technical solution in comparison with the prototype has a number of advantages. Of particular note is the significant increase in the reliability of the MEMS device due to improved sealing. Information sources:

1. Патент РФ №2536076.1. RF patent No. 2536076.

2. Патент США №8349635 В1.2. US patent No. 8349635 B1.

3. Патент РФ №2594958.3. RF patent No. 2594958.

4. Патент РФ №2662061 - прототип.4. RF patent No. 2662061 - prototype.

Claims

A method for sealing MEMS devices, including the formation of grooves, the formation of connecting busbars and tank linings, the formation of a vacuum atmosphere, bringing the base and the sealing cover into contact, characterized in that the thinning process is used to form the grooves in the base, the grooves are filled with a barrier layer and metal atomically. - layered material deposition, the connecting busbars are removed from the sealing working area through the reverse side of the base, recesses and a working cavity are formed in the base by plasma-chemical etching, protrusions and a getter area are formed on the sealing cover, while the protrusions of the sealing cover and the base recesses are cylindrical and connected the following ratios:

where a is the height of the protrusion of the sealing cap, b is the height of the base recess, d1 is the diameter of the protrusion of the sealing cap, d2 is the diameter of the base recess, m is the height of the groove, n is the diameter of the groove.