ТЕХНОЛОГИЯ ГЕРМЕТИЗАЦИИ МЭМС НА УРОВНЕ ПЛАСТИНЫ НА БАЗЕ SLID-СТРУКТУР, ВЫРАЩЕННЫХ ИЗ ЭЛЕКТРОЛИТОВ НА ОСНОВЕ МЕТАЛЛООРГАНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ CU-SN

Научная статья УДК 538.975 + 621.316.849 doi:10.24151/1561-5405-2023-28-4-461-470 EDN: IALLZI

Технология герметизации МЭМС на уровне пластины на базе SLID-структур, выращенных из электролитов на основе металлоорганических комплексов Cu-Sn

А. Б. Грабов, Д. Д. Рискин, С. Ю. Суздальцев, Д. Ю. Обижаев, С. А. Жукова

Центральный научно-исследовательский институт химии и механики, г. Москва, Россия

mail@cniihm.ru

Аннотация. В настоящее время для герметизации МЭМС- и НЭМС-приборов используется технология корпусирования на пластине. Наиболее перспективным методом герметизации, применяемым в данной технологии, является твердотельно-жидкостное взаимодиффузионное соединение (Solid-Liquid Inter-Diffusion, SLID). В работе рассмотрен технологический процесс герметизации МЭМС-структур на уровне пластины. Предложен метод гальванического формирования SLID-структуры Cu-Sn пониженной шероховатости из металлоорганических комплексных соединений -глицината меди и метансульфоната олова. Проведена экспериментальная отработка температурного профиля процесса герметизации МЭМС-структур. Результаты исследования герметизированных кристаллов МЭМС получены с помощью сканирующей электронной микроскопии и сканирующей акустической микроскопии. Отработан технологический режим соединения пластин, обеспечивающий выход годных кристаллов более 80 %.

Ключевые слова: МЭМС, корпусирование на пластине, гальваническое осаждение, бондинг, сканирующая акустическая микроскопия, сканирующая электронная микроскопия

Для цитирования: Технология герметизации МЭМС на уровне пластины на базе SLID-структур, выращенных из электролитов на основе металлоорганических комплексов Cu-Sn / А. Б. Грабов, Д. Д. Рискин, С. Ю. Суздальцев и др. // Изв. вузов. Электроника. 2023. Т. 28. № 4. С. 461-470. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2023-28-4-461-470. - EDN: IALLZI.

© А. Б. Грабов, Д. Д. Рискин, С. Ю. Суздальцев, Д. Ю. Обижаев, С. А. Жукова, 2023

Original article

The MEMS wafer-level sealing technology based on SLID structures grown from Cu-Sn organometallic complexes electrolytes

A. B. Grabov, D. D. Riskin, S. Yu. Suzdaltsev, D. Yu. Obizhaev, S. A. Zhukova

Central Scientific-Research Institute of Chemistry and Mechanics, Moscow, Russia

mail@cniihm.ru

Abstract. Nowadays, wafer-level packaging technology is used for sealing MEMS- and NEMS-based devices. The most advanced sealing method in this technology is solid-liquid inter-diffusion (SLID). In this work, procedure specification of MEMS wafer-level sealing is described. A method of galvanic formation of low roughness Cu-Sn SLID structures from organometallic complexes - copper glycinate and tin methanesulphonate - is proposed. An experimental testing of temperature profile of MEMS structures sealing process was conducted. The results of sealed MEMS crystals studies were obtained by scanning electronic microscopy and scanning acoustic microscopy. The technological mode of wafer bonding that provides the 80 % dice yield has been worked out.

Keywords. MEMS, wafer-level packaging, WLP, galvanic deposition, bonding, scanning acoustic microscopy, scanning electronic microscopy

For citation. Grabov A. B., Riskin D. D., Suzdaltsev S. Yu., Obizhaev D. Yu., Zhukova S. A. The MEMS wafer-level sealing technology based on SLID structures grown from Cu-Sn organometallic complexes electrolytes. Proc. Univ. Electronics, 2023, vol. 28, no. 4, pp. 461-470. https://doi.org/ 10.24151/1561-5405-2023-28-4461-470. - EDN. IALLZI.

Введение. Проблема надежной герметизации МЭМС- и НЭМС-приборов в последние десятилетия активно решается путем внедрения технологий корпусирования на пластине (Wafer Level Packaging, WLP). На сегодняшний день наиболее перспективным методом герметизации, применяемым в технологии корпусирования на пластине, является твердотельно-жидкостное взаимодиффузионное соединение (Solid-Liquid InterDiffusion, SLID) [1, с. 1-39]. SLID-соединение - эвтектический сплав в двухкомпонент-ных металлических системах [1]. Первый компонент SLID-системы ML, как правило, это металл с относительно низкой температурой плавления (In или Sn). Второй компонент МН - более тугоплавкий металл (Cu, Ag, Ni, Au). SLID-систему наносят на область контакта двух соединяемых пластин таким образом, чтобы герметизируемый прибор находился внутри замкнутого контура из компонентов SLID-системы. SLID-соединение образуется при температуре плавления ML, но в результате получается интерметаллическое соединение с гораздо более высокой температурой плавления (от 650 до 900 °С). При этом слой ML должен полностью перейти в интерметаллическое соединение, а слой МН должен сохраниться с обеих сторон от SLID-соединения.

В настоящей работе рассматриваются проблемы технологии формирования многослойной SLID-системы для герметизации МЭМС-структур, в которой в качестве ML используется олово (Sn), а в качестве МН - медь (Cu) [2].

Формирование SLID-соединения. Согласно фазовой диаграмме [1] в начале процесса при комнатной температуре существуют две чистые фазы - ^ и Sn

и ^^п (е-фаза). Поэтому в конце процесса образования SLГО-соединения остается 8-фаза и чистая медь с двух сторон.

Рис. 1. Фазовая диаграмма системы Cu-Sn (а) и схематичное изображение процесса

трансформации фаз при формировании SLID-соединения (б) [1] Fig. 1. Phase diagram of Cu-Sn system (a) and scheme of phases transformation process

at SLID junction (b) [1]

Рис. 2. Схема технологического процесса герметизации МЭМС-структур на уровне пластин Fig. 2. Scheme of the MEMS structures sealing at wafer-level technology process

Разработанный технологический процесс изготовления герметизированной МЭМС-структуры включает в себя следующие операции (рис. 2):

- формирование адгезионных и посевных слоев Т1, N1, Си;

- фотолитографию химически стойким резистом;

- гальваническое наращивание Си на открытых участках посевного слоя;

- гальваническое наращивание слоя Би поверх Си;

- удаление непокрытых участков медного подслоя и формирование уплотнитель-ных колец;

- формирование внутри уплотнительных колец МЭМС-структуры или полости крышки;

- бондинг;

- термодиффузию и последующие контрольные операции.

Исследование процесса гальванического наращивания Проведенные работы [3] с использованием сернокислых и фторборатных электролитов показали, что для успешного проведения операции гальванического наращивания Си важна химическая

стойкость фоторезиста, применяемого на этапе фотолитографии. Возможным решением этой проблемы может быть применение менее агрессивных, например рН-ней-тральных, электролитов меднения. Как вариант рН-нейтрального электролита исследован электролит на основе комплексного металлоорганического соединения - гли-цината меди Си(§1у)2.

В ходе исследования нескольких составов электролита установлено, что наилучшее соотношение низкая химическая агрессивность / высокое качество осадка получается при буферизации электролита слабой лимонной кислотой до рН ~ 3,0. Циклическая вольтамперограмма буферизованного глицинатного электролита меднения приведена на рис. 3.

Оптимизированный электролит имеет следующий состав [4]: 16-32 г/л СиБ04; 30-40 г/л глицина; 30-40 г/л лимонной кислоты. Отметим, что каждый из ингредиентов данного электролита в отдельности применяется в технологии микроэлектроники, они коммерчески доступны, даже с квалификацией «ОСЧ», в том числе и отечественного производства. Соответственно, использование глицинатного электролита в микроэлектронной технологии имеет большие перспективы.

Гальваническое осаждение слоя Си проводили при постоянном токе в потенциоста-тическом режиме. Плотность тока у ~ 2 мА/см2. Длительность наращивания слоя Си толщиной 6 мкм составляет 60 мин. Результаты исследования глицинатного электролита с помощью электронного микроскопа (СЭМ) приведены на рис. 4.

При исследовании глицинатного электролита обнаружен эффект управления текстурой осадка при изменении потенциала перенапряжения на подложке. Если осаждение проводится при потенциале менее 200 мВ, то текстура осадка имеет выраженный полиэдрический габитус. Характеристический размер кристаллита в этом случае составляет 400 нм. При увеличении потенциала более 220 мВ текстура приобретает характерный мелкоигольчатый габитус. При этом характеристическая длина кристаллита уменьшается до 300 нм, ширина становится порядка 40 нм, осажденный слой меди приобретает блеск и более светлый оттенок. Эффект изменения габитуса осадка требует дополнительного исследования.

500 0 500

</>, мА

Рис. 3. Циклическая вольтамперограмма оптимизированного электролита на основе глицината меди

Fig. 3. Cyclic voltammogram of the optimized electrolyte based on Cu glycinate

Рис. 4. СЭМ-изображения осадка Cu из глицинатного электролита: а - п < 0,175 В (увеличение 5000 х); б - п < 0,175 В (увеличение 10 000 х); в - п > 0,290 В (увеличение 5000 х); г - п > 0,290 В

Fig. 4. SEM images of Cu deposition from glycinate electrolyte: а - п < 0.175 V (magnification 5000 х); b - п < 0.175 V (magnification 10 000 х); с - п > 0.290 V (magnification 5000 х); d - п > 0.290 V

Осаждение Sn. Гальваническое осаждение Sn - основная сложность в SLID-технологии [5]. Осадок Sn, как правило, матовый с высокой шероховатостью. Блестящие осадки Sn в одностадийном процессе до сих пор никем не получены. Sn - плохой комплексообразователь. При этом водные растворы солей Sn подвержены гидролизу, вследствие чего сложно добиться воспроизводимости процесса гальванического осаждения. Все оловянные электролиты на основе солей имеют очень плохую рассеивающую способность, из-за чего на пластине наблюдается значительная разновысотность осадка. Гальваническое олово образует дендриты. Согласно литературным данным наилучшее качество осадка Sn демонстрируют щелочные электролиты на основе стан-натов [Sn(OH)4]2-. Однако щелочные электролиты растворяют позитивные фоторезисты и, следовательно, несовместимы с процессом фотолитографии.

В ряде источников [6] рекомендуются для применения в микроэлектронике метан-сульфонатные процессы лужения. В этих процессах Sn находится в форме соли метан-сульфоновой кислоты Sn(CH3SO3)2, а в качестве фонового вещества применяется ме-тансульфоновая кислота CH3SO3H. Основные преимущества метансульфоновых электролитов по сравнению, например, с сульфатными - это в семь раз меньшая плотность тока обмена и меньшая склонность к гидролизу.

Для формирования слоя Sn использовали электролит с рабочим наименованием «электролит метансульфонатно-тиокарбамидный для оловянирования» (ЭМСТО) следующего состава: 0,02 М 50%-ного водного раствора метансольфоната олова (II) (Sigma-Aldrich, США); 1 М 99,9%-ного раствора метансульфоновой кислоты (MSA) (Sigma-Aldrich); 0,02 М тиокарбамида (ХЧ). Кроме того, в электролит вводили добавки: 10 мл/л поверхностно-активного вещества Chemeta-D6; 3 г/л желатина; 0,005 мкМ/л полиэтиленгликоля. Циклическая вольтамперограмма ЭМСТО приведена на рис. 5.

-i-1-(-1-1-

-0,8 -0,7 -0,6 -0,5 -0,4

</>, мА

Рис. 5. Циклическая вольтамперограмма метансульфонатного электролита лужения Fig. 5. Cyclic voltammogram of Sn methanesulphonate electrolyte

В ходе работы выполнено 18 процессов гальванического лужения на кремниевую пластину диаметром 100 мм со сформированной WLP-структурой. Толщину слоя Би варьировали от 2,05 до 8,6 мкм. Время процесса при этом составляло от 85 до 285 мин. ЭМСТО обеспечивает удовлетворительное качество осадка Би. Осадок получается плотный, беспористый, матовый, характеристический размер кристаллита ё ~ 2,74 мкм. Адгезия к подслою Си хорошая. Микроскопическое изображение слоя Би приведено на рис. 6.

SLID-соединение пластин. Формирование БКТО-соединения пластин осуществляли в два этапа: совмещение и соединение; термодиффузия. Совмещение и соединение пластин проводили с помощью полуавтоматического бондера. Метод совмещения - по меткам и сквозным отверстиям в пластине-крышке. Контроль совмещения осуществляли с помощью инфракрасного микроскопа ID0NUS. Вид совмещенных пластин в микроскопе показан на рис. 7.

Рис. 6. СЭМ-изображение осадка Sn при увеличении 5000 х Fig. 6. SEM image of Sn deposition with magnification 5000 х

Рис. 7. Изображение совмещенных пластин

в инфракрасном микроскопе IDONUS Fig. 7. An IR microscopic (IDONUS) image of conjugated wafers

Рис. 8. Температурный профиль соединения пластин Fig. 8. Temperature profile of wafers junction

Совмещение проводили после выдержки пластин в вакууме (10- мм рт. ст.) в течение 10 мин при температуре 75 °С К совмещенным пластинам прикладывали усилие 3500 Н, после чего температуру повышали до 280-300 °С и выдерживали пластины при данной температуре в течение 20 мин. По окончании выдержки без включения охлаждения бондера температуру снижали до 120 °С. Температурный профиль процесса показан на рис. 8. Общее время процесса совмещения и соединения пластин составляет 3-3,5 ч. На стадии соединения слои Sn с обеих пластин сливаются и на границе Sn образуются колоколообразные очаги П-фазы

Термодиффузию проводили в камере повышенной температуры при температуре 220 ^ в течение 48 ч. В ходе термодиффузии остаток Sn реагирует, заполняя весь объем промежутка п-фазой, после чего начинается относительно медленный рост 8-фазы CuзSn. После полного проращивания 8-фазы дальнейшие реакции в SLID-системе прекращаются и образуется механически прочное вакуум-плотное соединение. СЭМ-изображение области сформированного соединения показано на рис. 9.

Методы контроля 8ЬГО-соединения. Для контроля герметичности SLID-соединения после разделения пластин на кристаллы можно применять такие стандартные методы, как пузырьковый тест и масс-спектрометрия. Из одной соединенной пары пластин получено 16 кристаллов, которые протестированы данными методами. При пузырьковом методе обнаружены четыре отказа, а при масс-спектрометрии - один отказ, одиннадцать соединенных кристаллов признаны годными. Все годные кристаллы и один отбракованный исследовали методом сканирующей акустической микроскопии.

Ультразвуковой сканирующий акустический микроскоп (САМ) работает следующим образом: исследуемый объект погружается в иммерсионную жидкость и с помощью

Рис. 9. СЭМ-изображение области SLID-соединения пластин Fig. 9. SEM image of the wafers SLID junction region

ультразвукового преобразователя, состоящего из излучателя и приемника, подвергается воздействию ультразвука. Отраженные от поверхностей объекта волны фиксируются приемником, детектирующим их частоту, амплитуду и фазу. Сигнал приемника обрабатывается специализированным программным обеспечением, с помощью которого выделяются слои, единообразные по свойствам отраженных волн. Информация о геометрической форме и взаимном расположении слоев преобразуется в восстановленное изображение внутренней структуры исследуемого объекта.

Исследование проводили с помощью ультразвукового САМ при следующих параметрах: усиление 27 дБ; иммерсионная жидкость - вода; частота индуктора 75 МГц; скорость сканирования 100 мм/с; пространственное разрешение 20 мкм. В результате в исследованных образцах обнаружены 14 слоев, которые отличаются по характеристикам акустического отражения в них. Область SLГО-соединения наблюдается с 6-го по 14-й слой, считая с верхнего слоя. Восстановленное САМ-изображение слоя 8 приведено на рис. 10. Во всех исследованных кристаллах в месте SLID-соединения наблюдаются замкнутые области более светлого цвета, свидетельствующие об отсутствии в данном локусе вещества, отражающего ультразвуковую волну.

Рис. 10. САМ-изображение кристаллов со сформированным SLID-соединением

Образец, идентифицированный на масс-спектрометре как имеющий течь отличается от других кристаллов наличием двух высветлений. Первое имеет характеристический размер более 4 мм и занимает всю ширину дорожки уплот-нительного кольца. Второе высветление также занимает всю ширину дорожки, но имеет меньшую длину. Оба высветления наблюдаются с 7-го по 14-й слой, что приводит к выводу: данное высветление является полостью, не заполненной металлом.

Заключение. Разработанный технологический процесс герметизации МЭМС на уровне пластины на базе SLID-структур, выращенных из электролитов на основе ме-таллоорганических комплексов Cu-Sn, продемонстрировал свою надежность. Применение технологии герметизации на уровне пластины обеспечивает выход годных кристаллов более 80 %.

Материалы статьи доложены на Российском форуме «Микроэлектроника 2022» (2-8 октября 2022 г., г. Сочи).

Литература

1. Wafer level 3-D ICs process technology / eds Ch. S. Tan, R. J. Gutmann, L. R. Reif. New York: Springer, 2008. XII, 410 p. https://doi.org/10.1007/978-0-387-76534-1

2. Thi Thuy Luu. Solid liquid interdiffusion wafer-level bonding for MEMS packaging: diss. for the PhD. (Eng.). Horten: Buskerud and Vestfold Univ. College, 2015. 108 p.

3. Технология формирования многослойной структуры Cu-Sn для герметизации МЭМС на уровне пластины / А. В. Грабов, С. Ю. Суздальцев, Д. Д. Рискин и др. // Наноиндустрия. 2021. Т. 14. № S7. С. 506-507. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2021.14.7s.506.507

4. А. с. 389169 СССР. Электролит блестящего меднения / Л. П. Шандалова, И. Б. Обухова, В. Н. Зайцев; заявл. 23.02.1971; опубл. 05.07.1973, Бюл. № 29. 2 с.

5. Hilton A., Temple D. S. Wafer-level vacuum packaging of smart sensors // Sensors. 2016. Vol. 16. Iss. 11. Art. No. 1819. https://doi.org/10.3390/s16111819

6. Zhang Z. Nucleation and growth kinetics of tin and tin-silver alloy during initial stages of electrodeposition: diss. for the Dr. Sci. (Chem. Eng.). Durham, NH: Univ. of New Hampshire, 2004. 140 p.

Статья поступила в редакцию 07.03.2023 г.; одобрена после рецензирования 26.04.2023 г.;

принята к публикации 31.05.2023 г.

Информация об авторах

Грабов Алексей Борисович - ведущий инженер Центрального научно-исследовательского института химии и механики (Россия, 115487, г. Москва, ул. Нагатинская, 16а), mail@cniihm.ru

Рискин Дмитрий Дмитриевич - ведущий инженер Центрального научно-исследовательского института химии и механики (Россия, 115487, г. Москва, ул. Нагатинская, 16а), mail@cniihm.ru

Суздальцев Сергей Юрьевич - кандидат технических наук, начальник лаборатории Центрального научно-исследовательского института химии и механики (Россия, 115487, г. Москва, ул. Нагатинская, 16а), mail@cniihm.ru

Обижаев Денис Юрьевич - кандидат технических наук, доцент, начальник отдела Центрального научно-исследовательского института химии и механики (Россия, 115487, г. Москва, ул. Нагатинская, 16а), mail@cniihm.ru

Жукова Светлана Александровна - кандидат технических наук, доцент, заместитель начальника научно-исследовательского центра Центрального научно-исследовательского института химии и механики (Россия, 115487, г. Москва, ул. Нагатинская, 16а), mail@cniihm.ru

References

1. Tan Ch. S., Gutmann R. J., Reif L. R. (eds). Wafer level 3-D ICs process technology. New York, Springer, 2008. xii, 410 p. https://doi.org/10.1007/978-0-387-76534-1

2. Thi Thuy Luu. Solid liquid interdiffusion wafer-level bonding for MEMS packaging, diss. for the PhD. (Eng.). Horten, Buskerud and Vestfold Univ. College, 2015. 108 p.

3. Grabov A. V., Suzdal'tsev S. Yu., Riskin D. D., Obizhayev D. Yu., Turkov V. Ye., Zhukova S. A. The forming technology for a Cu-Sn multilayer structure for sealing MEMS at the plate level. Nanoidustriya = Nanoindustry, 2021, vol. 14, no. S7, pp. 506-507. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2021.14.7s.506.507. (In Russian).

4. Shandalova L. P., Obukhova I. B., Zaytsev V. N. Electrolyte of bright copper plating. Inventor's certificate 389169 USSR, publ. 05.07.1973, Bul. no. 29. 2 p. (In Russian).

5. Hilton A., Temple D. S. Wafer-level vacuum packaging of smart sensors. Sensors, 2016, vol. 16, iss. 11, art. no. 1819. https://doi.org/10.3390/s16111819

6. Zhang Z. Nucleation and growth kinetics of tin and tin-silver alloy during initial stages of electrodeposition, diss. for the Dr. Sci. (Chem. Eng.). Durham, NH, Univ. of New Hampshire, 2004. 140 p.

The article was submitted 07.03.2023; approved after reviewing 26.04.2023;

accepted for publication 31.05.2023.

Information about the authors

Alexey B. Grabov - Senior Engineer, Central Research Institute of Chemistry and Mechanics (Russia, 115487, Moscow, Nagatinskaya st., 16a), mail@cniihm.ru

Dmitry D. Riskin - Senior Engineer, Central Research Institute of Chemistry and Mechanics (Russia, 115487, Moscow, Nagatinskaya st., 16a), mail@cniihm.ru

Sergey Yu. Suzdaltsev - Cand. Sci. (Eng.), Head of the Laboratory, Central Research Institute of Chemistry and Mechanics (Russia, 115487, Moscow, Nagatinskaya st., 16a), mail@cniihm.ru

Denis Yu. Obizhaev - Cand. Sci. (Eng.), Assoc. Prof., Head of Department, Central Research Institute of Chemistry and Mechanics (Russia, 115487, Moscow, Nagatinskaya st., 16a), mail@cniihm.ru

Svetlana A. Zhukova - Cand. Sci. (Eng.), Assoc. Prof., Deputy Head of the Research Center, Central Research Institute of Chemistry and Mechanics (Russia, 115487, Moscow, Nagatinskaya st., 16a), mail@cniihm.ru