基于晶圆键合的MEMS圆片级封装研究综述*

梁亨茂

（华南农业大学电子工程学院（人工智能学院），广州 510642）

1 引言

随着集成电路和微纳加工技术的发展，微机电系统（MEMS）技术可实现传感、执行等各类器件的小型化、低功耗、高可靠、集成量产、智能化和多功能化。MEMS及其封装测试产业逐步发展成为国家解决“卡脖子”问题的关键突破口之一，并已被纳入国家“十四五”相关重点规划。MEMS器件通常具有可动结构而易受器件后道组装工序和实际应用场景的外力冲击及环境气氛、颗粒、湿度的影响[1-2]，因此需要对其进行封装以保护其脆弱的可动结构并实现其与外界环境的隔离。此外，大多数MEMS传感器比如加速度计、陀螺仪、磁力计、压力传感器、射频开关/滤波器及生化类传感器等都以谐振器为基础，而MEMS谐振器则需要通过气密或真空封装实现器件性能及稳定性的提升。在MEMS封装的具体实践中，其成本通常占MEMS器件产品成本的90%以上[1]，因此MEMS封装一直是实现MEMS传感器、执行器、能量采集器等器件性能优化和实用化进程中极具挑战的环节。MEMS封装技术发展至今，主要形成了管壳式器件级封装和盖板式圆片级封装2种实现形式。相比于器件级的逐个MEMS芯片单元封装（在MEMS晶圆划片后，处于半导体制造的后道工艺），圆片级封装能在晶圆层级实现所有MEMS器件结构的一次性、同时性封装（在MEMS晶圆划片前，处于半导体制造的前道工艺），不仅适用于批量化制造来降低成本，也能有效提升封装工艺的一致性、封装的成品率及可靠性，因此MEMS圆片级封装技术的研发已经成为突破MEMS器件产业化瓶颈的必然选择和高效途径。

本文首先对MEMS圆片级封装的基本功能和分类进行阐述，厘清封装重要性及基于晶圆键合的MEMS圆片级封装技术的优势，进而对平面互连型和垂直互连型2类基于晶圆键合的MEMS圆片级封装技术展开综述，最后对其发展趋势进行展望。

2 MEMS圆片级封装的功能及分类

2.1 MEMS圆片级封装的功能

1）机械支撑与保护。MEMS器件通常含有微纳米量级的结构间隙，如果器件裸露工作，那么空气中的悬浮颗粒很容易嵌入到微纳结构的孔隙中，进而导致器件结构粘连甚至失效（比如悬梁结构运动受阻、硅微结构间信号短路等）；同时，MEMS结构也易遭受空气的腐蚀损害，特别是冷凝后的液体在微结构表面形成表面张力，会引发结构粘附失效[3]；此外，封装结构为易受外力损伤的MEMS可动结构提供了支撑保护，特别是MEMS圆片级封装能在晶圆划片、贴片等后道工艺中有效隔离流体的侵入与外力冲击。

2）化学隔离。MEMS微结构的表面积-体积比较高，因此MEMS结构的表面化学反应更显著，比如高湿度下硅微结构表面的氧化硅层持续生长，引起的裂纹最终改变器件的疲劳特性[1,4]。再者，器件工作环境的湿度变化也会引起谐振式器件品质因数的改变[2]，诱发器件谐振性能下降。

3）器件性能的提升。红外MEMS器件需要真空封装以降低热损耗、提升器件性能，谐振式MEMS器件也需要采用真空或气密封装来控制MEMS悬浮结构的运动阻尼，最终改善器件性能。谐振式陀螺仪、磁力计、压力计需要真空封装以降低空气阻尼、提升器件的品质因数。谐振式加速度计则需要一定空气阻尼的气密封装，通过设定封装气压以调节阻尼系数比，来优化器件的动态响应[5]。真空或气密封装在一定程度上也为MEMS器件的高使用寿命、长期稳定工作奠定了基础。

2.2 MEMS圆片级封装的分类

MEMS圆片级封装可分为薄膜封装和盖板晶圆封装2种类型：薄膜封装通常基于表面微机械加工中的牺牲层技术构建微结构空腔，随后在薄膜沉积工艺中的真空条件下利用沉积的薄膜材料（如多晶硅、氧化硅、氮化硅等）作为盖板层，实现对MEMS器件晶圆的封装[6]；而盖板晶圆封装是对盖板晶圆本体进行湿法/干法蚀刻形成空腔，随后通过晶圆键合技术（如硅-硅直接键合、阳极键合、玻璃浆料键合、有机物键合、金属键合等）在晶圆键合机的真空或特定气氛条件下实现盖板晶圆与MEMS器件晶圆之间的接合，完成封装。

然而，薄膜封装存在诸多局限性：1）薄膜材料本身抗外力冲击的强度较低，因此还需后道封装处理；2）薄膜沉积的温度较高（约1000℃），对封装及互连材料的高温耐受能力要求苛刻，难以采用金属布线；3）仅适用于表面微机械加工的MEMS器件封装，难以适用于体硅工艺制造的具有几十微米量级深腔、大厚度微结构的MEMS器件封装；4）封装结构中难以沉积Getter吸气剂材料，以提升封装的真空度及密封的气压稳定性。与薄膜封装相比，盖板晶圆封装工艺的温度低（大多低于450℃），盖板晶圆具有更高的结构强度而能有力地保护器件，对使用体硅和表面微加工技术制备的MEMS器件封装均可适用，且相应的封装设计及制造具有更高自由度（如金属/多晶硅互连形式及材料选择、微结构空腔的深度设计、吸气剂沉积等）。因此，基于不同键合技术实现盖板晶圆对MEMS器件的圆片级封装已成为近年来MEMS封装研究的焦点。实际上，盖板晶圆封装技术既可按晶圆键合方式进行分类，也可按互连信号引出方式进行分类。由于MEMS封装中互连形式的选择往往需要与其所采用的晶圆键合技术相匹配，本文将从互连形式切入，围绕平面互连型和垂直互连型这2类基于晶圆键合的MEMS封装技术展开论述。

3 平面互连型MEMS圆片级封装技术

3.1 平面互连型MEMS圆片级封装技术背景

最常见的MEMS圆片级封装是采用器件互连线穿出键合密封环区域的平面互连形式，以实现器件信号的引出和接口。平面互连型MEMS封装结构如图1所示，在晶圆键合封装的实施中，器件互连线在键合密封环区域将会产生凸起，引起封装泄漏的“台阶”问题[7-8]，有研究表明，在采用硅-玻璃键合技术的MEMS封装结构中，其互连线的高度须低于50 nm才能保证封装气密性[7]，但与此同时，过薄的互连线在键合工艺的高键合压力作用下，容易在键合密封环边缘产生断裂，引起电学互连开路问题。实际上，不同的晶圆键合技术在MEMS封装中几乎都面临封装气密性及互连可靠性问题，由此也形成了多样化的平面互连式MEMS圆片级封装策略。

图1 平面互连型MEMS封装结构

3.2 平面互连型MEMS圆片级封装策略

对于采用硅-硅键合技术的MEMS封装，一种有效的策略是将硅-硅等离子体激活键合，与Au-Sn共晶键合相结合[9]。硅-硅键合如图2（a）所示，先在封装硅晶圆上腐蚀出100 nm深的腔体并在腔内沉积Au互连线，在器件的晶圆电学引出区设置Au-Sn键合点。在键合实施过程中，Au-Sn共晶焊料先在300℃下形成液态组分，并在键合压力作用下填充盖板晶圆的空腔，使其与作为封装密封区域的硅-硅键合面接触，随后降温至250℃并进行4 h的硅-硅键合。不过该方法需要空腔深度与金属层厚度严格匹配。

一种硅-玻璃键合的MEMS封装（硅基底局部掺杂作为互连线）形式如图2（b）所示，它是在器件硅晶圆上制作反型掺杂的硅外延层作为封装互连引线[10]，从而避免金属互连线跨越密封环而影响封装气密性，但该互连方式存在电流泄漏问题。另一种硅-玻璃键合的MEMS封装（在沟槽内埋置金属作为互连线）形式如图2（c）所示，它是在玻璃晶圆上蚀刻出沟槽，并在槽内沉积埋置金属引线[11]，尽可能降低金属布线在密封环区域形成的凸起高度，确保硅-玻璃键合面有效接触，但该方法不仅需严控互连线厚度，且由于玻璃片的沟槽腐蚀形成的侧壁斜坡也易引入泄漏问题。

采用玻璃浆料键合的MEMS封装如图2（d）所示，通常是利用玻璃浆料的绝缘性和流动特性以及较厚的键合层厚度（约几十微米）来补偿金属布线跨越封装密封环所形成的凸起[12]，从而确保MEMS器件信号接口的封装气密性。然而玻璃浆料键合工艺复杂，需要采用丝网印刷等非标准半导体工艺，且所实现的密封环的宽度高于100μm，仅能满足几十微米的线宽设计，极大地限制了MEMS封装小型集成化的潜力。

采用有机物键合的MEMS封装如图2（e）所示，其利用有机树脂的流动性和天然电绝缘性来解决金属布线跨越密封环时的“台阶”问题。有机物键合技术虽然可以实现器件短暂的临时密封，但有机物本身不是密封材质且存在持久的泄漏，仅适用于非气密封装，不过有机物的透明特性使其适合应用于光学MEMS器件封装中[13]。

图2 基于不同晶圆键合技术的平面互连型MEMS圆片级封装策略

采用金属键合的MEMS封装如图2（f）所示，利用多晶硅层（离子注入掺杂）和金属层实现跨越密封环的互连布线，即在键合密封环的互连线区域设置绝缘钝化层以确保键合金属与互连线间实现电隔离[14]，进而通过较厚的键合金属层（如由电镀工艺形成的键合金属层）在键合工艺中形成的液态相来填补键合环处的互连线凸起，解决互连线引起的封装泄漏问题。但是该方法中较厚的键合金属层不仅增加了薄膜沉积工艺的难度及成本，也会对金属层的粘附性、键合层的空洞分布产生影响。

3.3 平面互连型MEMS圆片级封装技术的特点及局限性

MEMS器件互连线的引出可归纳为2种形式：硅本体局部掺杂层互连和沉积导电薄膜层互连（金属、多晶硅等）。对于硅本体局部掺杂层互连，并未在键合密封环区域引入“台阶”而保证了封装气密性，但是该互连形式利用了PN结单向导电性，存在电流泄漏及难以高压负载的问题，也易形成寄生串扰，影响MEMS器件性能。而沉积薄膜层互连则存在明显的“台阶”问题，为此有的技术采用在所制备的沟槽内埋置互连层的方法（如硅－硅键合和硅－玻璃键合）以降低“台阶”高度，有的技术利用具有液态流动性的键合介质实现“台阶”的补偿（如玻璃浆料键合、有机物键合和金属键合）。其中沟槽埋置及“台阶”补偿方法都增加了工艺的复杂度及成本，须严控腔深及膜厚的匹配度，对封装冗余设计及工艺的均一性有较高要求。

尽管平面互连型MEMS圆片级封装日趋成熟，但也面临诸多局限性：其一，MEMS器件不同位置的电极都须引出至封装体外，其较长的平面信号布线不仅增加了互连阻抗，也易引起信号线间的串扰；其二，MEMS器件的结构愈趋复杂，可动结构内部的区域不仅可以嵌套新的可动结构（如3轴惯性敏感器件），也可以构建内-外差分驱动/敏感结构，而平面互连形式无法引出位于可动结构内部的电极单元，制约着MEMS圆片级封装互连结构的深入发展。

4 垂直互连型MEMS圆片级封装技术

4.1 垂直互连型MEMS圆片级封装技术背景

现今拓展的摩尔定律不仅深刻地影响着集成电路的产业发展和技术革新，也引领着MEMS封装由传统的平面互连形式向以垂直互连为特征的先进三维封装技术过渡[15]，以满足MEMS集成制造小型化、高密度互连的需求。一方面，垂直互连路径的长度取决于封装晶圆的厚度（约100μm）并可通过晶圆减薄进一步缩短，因此极大地降低了互连阻抗及寄生效应的影响，同时也提升了芯片面积的利用率，促进了封装小型化；另一方面，对于复杂的MEMS器件结构来说，垂直互连形式可以实现器件任意位置垂直信号接口的直接互连，有效打破了平面互连型封装方法无法对MEMS可动结构内部信号接口进行互连的局限性。垂直互连型MEMS圆片级封装技术发展至今可分为通孔密填互连介质式、通孔侧壁附着互连介质式以及低阻体硅硅柱互连式3类。

4.2 垂直互连型MEMS圆片级封装策略

4.2.1 通孔密填互连介质式

通孔密填互连介质式MEMS圆片级封装是利用硅通孔（TSV）技术或者玻璃通孔（TGV）技术[16]，在不同基底材料的晶圆（如硅、玻璃等）上刻蚀出通孔，进而在通孔内部填充多晶硅、铜、钨等导电介质作为垂直互连通路。该封装形式典型的工艺流程包括高深宽比通孔的蚀刻、通孔内绝缘层/种子层/导电层的致密性电镀填充和实现平坦化的多道化学机械抛光（CMP）工艺。通孔密填互连介质式MEMS圆片级封装策略如图3所示，通孔密填互连介质式MEMS圆片级封装策略可依据TSV或TGV引出的位置分为3类，即从MEMS衬底晶圆[17]、盖板晶圆[17]和器件结构晶圆[18]处引出。虽然TSV技术近年来已应用于集成电路封装集成中，然而MEMS三维封装与之不同，其不仅需要考虑对复杂悬浮结构的保护，而且MEMS器件的I/O接口远少于集成电路器件[17]，这导致互连密度极高的传统TSV技术在MEMS三维封装中难以发挥优势，同时也面临诸多挑战：1）通孔刻蚀要求通孔尺寸一致、无残渣存在、高深宽比、孔壁平坦等[19]；2）通孔的再填充对填充的致密性要求苛刻[20]；3）CMP工艺成本较高，且减薄过程极易造成含有悬浮微结构的MEMS晶圆翘曲、产生碎片或器件损坏[19]。

图3 通孔密填互连介质式MEMS圆片级封装策略

4.2.2 通孔侧壁附着互连介质式

通孔侧壁附着互连介质式的MEMS圆片级3D封装只需要在晶圆上蚀刻出V型通孔，并通过蒸镀或溅射实现通孔侧壁附着金属层，将其作为3D互连通路，再通过引线键合或植球实现电极引出。这不仅避免了通孔高深宽比的刻蚀及通孔致密填充，也避免了CMP工艺，从而简化了封装流程，降低了制造成本。该类封装方法中的通孔制备有不同的思路。密歇根州立大学CHAE等[21]提出的结构如图4（a）所示，以硅-玻璃键合实现MEMS器件封装后，通过HF湿法减薄玻璃片至150μm，并以湿法腐蚀制作通孔。为避免玻璃片减薄工艺，北京大学ZHAO等[22]提出的结构如图4（b）所示，以喷砂工艺先在玻璃片一侧形成盲孔，在硅-玻璃键合后，再用湿法腐蚀将盲孔蚀穿。ADI公司[23]提出的结构如图4（c）所示，采用两步深反应离子刻蚀在硅晶圆上形成斜坡通孔（通孔侧壁的绝缘由热氧化工艺实现），随后以玻璃浆料键合实现器件封装。现有的通孔侧壁附着互连介质式的MEMS圆片级3D封装的实现大多需要喷胶的深腔光刻工艺，这增加了制造难度，且主要依赖硅-玻璃键合和玻璃浆料键合等技术。近年来的研究表明，玻璃填充物存在氦气渗透的问题[27]，而玻璃浆料键合本身需要复杂的丝网印刷工艺并且其线宽局限在几十微米量级，此外采用玻璃材料也会面临与集成电路制造工艺难以兼容的问题，制约着MEMS器件与CMOS电路3D集成封装的潜力。

图4 通孔侧壁附着互连介质式MEMS圆片级封装策略

4.2.3 低阻体硅硅柱互连式

低阻体硅硅柱互连式的MEMS圆片级3D封装是在低阻硅晶圆上刻蚀出绝缘沟槽，以形成独立的硅柱结构作为垂直互连通路来传输器件封装结构的内部电学信号。其中的绝缘沟槽既可以保持中空，也可以填充氧化硅层或聚合物，以增强硅柱结构的机械稳定性。低阻硅柱互连结构能有效避免非硅材料与硅本体的热膨胀系数失配而产生的应力及可靠性问题，且适用于MEMS全硅集成封装，该项技术已不局限于学术研究，在部分MEMS代工厂已经提供多项目晶圆流片服务。

在学界，TORUNBALCI等[24]提出的以SOI盖板片制备硅柱互连结构的封装方法如图5（a）所示。即先在SOI基底层以KOH腐蚀形成穿透基底层的窗口，随后进行深腔光刻并刻蚀埋氧层形成接触窗口，然后在SOI器件层以深硅刻蚀形成空腔及硅柱互连结构，紧接着通过硅－玻璃键合实现低阻硅柱互连式3D封装。而LEE等[25]提出的结构如图5（b）所示，由硅片与玻璃片通过阳极键合形成盖板晶圆，随后在玻璃侧刻蚀形成通孔并在孔内沉积金属，而在硅片侧则以深硅刻蚀形成空腔和硅柱互连结构，最后通过阳极键合完成封装。LIANG等[26]提出的结构如图5（c）所示，先在普通低阻盖板硅片形成的器件整体四周将密封环与硅柱互连结构的键合电极及其相应的独立键合密封环进行键合，随后采用深硅刻蚀形成盖板空腔，并通过金硅共晶键合完成封装，最后在盖板顶侧沉积金属并刻蚀体硅，形成环形绝缘沟槽以释放硅柱互连结构。

图5 学术研究中提出的低阻体硅硅柱互连式MEMS圆片级封装结构

在工业界，Murata Electronics Oy公司[27]提出的结构如图6（a）所示，先在盖板硅片上腐蚀出硅凸台，随后利用划片工艺形成硅凸台的隔离沟槽，并在900℃下将熔融玻璃填充到沟槽内，在玻璃固化后研磨抛光，暴露出硅凸台并沉积金属电极，紧接着通过硅-玻璃键合完成封装，最后对盖板顶侧研磨抛光实现硅柱互连结构的独立。ST Microelectronics公司[28]提出的结构如图6（b）所示，在硅衬底上以热氧化及多晶硅沉积的工艺组合形成多晶硅平面互连线，进一步外延生长多晶硅作为MEMS的器件层。此时器件的非金属电极即可引出至外延硅柱互连结构，最后通过玻璃浆料键合完成封装。Silex Microsystems公司[29]提出的结构如图6（c）所示，在硅片上刻蚀出盲孔槽，并通过热氧化实现沟槽填充，接着采用研磨抛光以隔离出独立的硅柱互连结构。此时键合平面已经平坦化，因此可采用多种键合技术完成封装。Teledyne DALSA公司[30]提出的结构如图6（d）所示，在盖板硅片键合面形成微米量级凸起的硅凸台结构，以深硅刻蚀进一步形成环形沟槽，并对环形沟槽进行热氧化及In-Situ Doped Poly填充，随后对盖板硅片的另一侧进行减薄抛光，以形成独立的硅柱互连结构，最后通过在1100℃下的硅-硅熔融键合完成封装。

图6 产业研发中形成的低阻体硅硅柱互连式MEMS圆片级封装结构

4.3 垂直互连型MEMS圆片级封装技术特点及挑战

通孔密填互连介质式结构主要基于传统TSV或TGV技术，因此对通孔刻蚀效果及通孔填充致密性的要求苛刻。其次，反复的CMP工艺导致其制造成本较高且易损伤晶圆，特别是通孔所填充的导电介质与硅本体存在热膨胀系数失配而产生的结构应力，使得对应力敏感的MEMS器件性能弱化。通孔侧壁附着互连介质式结构虽然避免了通孔的高深宽比刻蚀/致密填充及CMP工艺，但要求深腔光刻，且涉及到的硅-玻璃及玻璃浆料的键合不仅面临氦气渗透泄漏的挑战[27]，也难与集成电路工艺的全硅集成兼容（玻璃中的钠离子及玻璃浆料会导致沾污）。低阻体硅硅柱互连式结构有的也存在硅-玻璃及玻璃浆料键合技术的缺点，有的则涉及复杂的深腔光刻，有的还涉及通孔高深宽比刻蚀及致密填充、CMP工艺，因此封装工艺整体略显复杂。但低阻体硅硅柱互连式3D封装可以在最简化的情况下，仅需2次光刻工艺就得以实现，这在一定程度上能提升MEMS封装的高效性[26]。

垂直互连型MEMS圆片级封装技术在发展改进中也面临着挑战，特别是在MEMS多元敏感原理应用及性能优化驱动下，MEMS器件及其互连结构愈加复杂，这导致了诸多问题。比如，离面运动的电容式MEMS器件需在可动结构的上下两侧异面布置差分电容以提升静电力或电容敏感量（如射频开关、扭转微镜、z轴加速度计/陀螺仪、面内磁场计等）[31]，但目前异面布线的信号接口欠缺共平面标准化，难以发挥出垂直互连型封装技术在堆叠键合集成中的优势。又比如，基于电磁感应的MEMS磁传感、致动、能量采集器等，都需在可动结构上进行金属布线，并通过多层布线提升洛伦兹力或感应电势来改进器件性能[32]，但现有的垂直互连型封装技术主要针对谐振器本身进行驱动/检测电极的引线接口，在多层布线情况中的探索和实践仍是空白。

5 结束语

在超越摩尔定律的驱动下，MEMS圆片级封装已从早期的平面互连型逐步向垂直互连型3D封装形式过渡，但与集成电路的封装要求显著不同，其可动结构的保护需要空腔型封装结构，器件封装信号接口数量有限，封装信号接口互连须与气密性兼顾和协同。因此，虽然MEMS圆片级封装技术各有利弊，但在实际应用中可互相借鉴形成新的封装方法，如垂直互连型封装技术的研发可从平面互连型封装策略中获得启发。鉴于MEMS封装及堆叠集成工艺繁复，在实施过程中存在对器件结构的潜在影响，且MEMS器件的愈加复杂导致电极布线布局异面化、多层化等，其对封装信号接口互连产生了特殊要求。可以预见，MEMS圆片级3D封装技术将向着低成本、工艺简化、高可靠、普适兼容的方向发展。