基于TSV的MEMS圆片级真空封装关键技术的研究

论文摘要

微机电系统(Micro Electro Mechanical System, MEMS)是将微机械元件、微型传感器、微型执行器、信号处理与控制电路等集成于一体的微系统。很多MEMS器件,如陀螺仪、加速度传感器和谐振器等都需要采用真空封装来降低机械运动部件运动时气体的阻尼,提高器件的品质因数,从而提高器件的性能。目前国内外MEMS真空封装技术仍然不是非常成熟,还存在高成本、低可靠性等问题。因此MEMS真空封装是一个急需重点研究的课题。硅通孔(Through Silicon Via, TSV)技术是一种应用于高密度三维封装中的新兴互连技术。本文提出了一种MEMS真空封装的结构和工艺,根据MEMS圆片级真空封装的要求和TSV技术的特点,将TSV技术应用于MEMS圆片级真空封装中。研究的主要内容和创新点如下:(1)将TSV技术运用于MEMS圆片级真空封装中;(2)研究中比较几种圆片键合工艺的特点,结合项目要求,完成了金硅键合方案拟定、结构设计、工艺流程的设计以及掩膜版图形设计等设计工作;并完成工艺的制作,包括光刻、键合腔体的腐蚀以及键合工艺,并通过多次试验优化键合工艺参数;(3)研究TSV技术的特点,根据MEMS圆片级真空封装的特殊性和要求完成适用于MEMS圆片级真空封装的TSV的工艺的设计,并完成TSV工艺的制作,包括通孔刻蚀、绝缘层的制作、金属薄膜沉积和电镀填充等,最后通过多次试验优化工艺参数;(4)针对封装腔体内部的真空度变化和实时检测的问题,提出薄膜热敏电阻即皮拉尼计的方案,通过设计与计算得到皮拉尼计关键结构尺寸,完成皮拉尼计的加工,最后对皮拉尼计的特性进行了实验研究。(5)对本文中完成的封装进行检测和评价。包括粗检漏和细检漏两种不同的泄漏率的检测和键合强度的检测。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 MEMS 真空封装发展现状
• 1.3 TSV 技术发展现状
• 1.4 本文主要研究工作
• 2 MEMS 圆片级真空封装键合工艺的研究
• 2.1 几种键合方式的比较
• 2.2 Au-Si 键合工艺流程设计
• 2.3 Au-Si 键合工艺制作
• 2.4 泄漏率检测
• 2.5 键合强度检测
• 2.6 本章小结
• 3 TSV 互连工艺的研究
• 3.1 TSV 互连工艺特点
• 3.2 TSV 互连工艺流程设计
• 3.3 TSV 互连工艺制作
• 3.4 本章小结
• 4 皮拉尼真空计的研究
• 4.1 MEMS 真空度检测器件及其工作原理
• 4.2 皮拉尼真空计结构设计与分析
• 4.3 皮拉尼真空计加工工艺流程
• 4.4 真空度标定与结果分析
• 4.5 本章小结
• 5 总结与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 今后工作的建议和展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读硕士学位期间科研成果