Copper thermocompression for MEMS encapsulation
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2019-05-07
Department
Major/Subject
Chemistry
Mcode
CHEM3023
Degree programme
Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering
Language
en
Pages
92 + 5
Series
Abstract
Copper thermocompression is a promising wafer-level packaging technique, as it allows the bonding of electric contacts simultaneously to hermetic encapsulation. In thermocompression bonding the bond is formed by diffusion of atoms from one bond interface to another. The diffusion is inhibited by barrier forming surface oxide, high surface roughness and low temperature. Aim of this study was to establish a wafer-level packaging process for MEMS (Mi-croElectroMechanical System) mirror and MEMS gyroscope. The cap wafer of the MEMS mirror has an antireflective coating that limits the thermal budget of the bonding process to 250°C. This temperature is below the eutectic temperature of most common eutectic bonding materials, such as Au-Sn (278°C), Au-Ge (361°C) and Au-Si (370°C). Thus a thermocompression bonding method needed to be developed. Copper was used as a bonding material due to its low cost, high self-diffusivity and resistance to oxidation in ambient air. The bond structures were fabricated using three different methods and the bonding was further enhanced by annealing. The bonded structures were characterized with scanning acoustic microscopy, scanning electron microscope and the bond strength was determined by shear testing. Exposing the bond structures to etchant during Cu seed layer removal was found to drastically increase the surface roughness of bond structures. This increase proved detrimental to bond strength and dicing yield and thus covering the bond surface during wet etching is recommended. The native oxidation on copper surfaces was completely removed with combination of ex situ acetic acid wet etch and in situ forming gas anneal. Successful thermocompression bonding process using sputtered copper films was established at a low temperature of 200°C, well below the thermal limitation set by the antireflective coating. The established wafer bonding process had high yield of 97% after dicing. The bond strength was evaluated by maximum shear strength and recorded at 75 MPa, which is well above the MIL-STD-883E standard (METHOD 2019.5) rejection limit of 6.08 MPa.Kuparin lämpöpuristusliitäntä on lupaava kiekkotason pakkausmenetelmä, sillä se mahdollistaa sekä sähköisten liitäntöjen, että hermeettisen suljennan toteuttamisen samanaikaisesti. Lämpöpuristusliitännässä sidos muodostuu atomien diffuusiosta liitospinnalta toiselle. Diffuusiota rajoittavat estokerroksen muodostava pinta oksidi, korkea pinnan karheus ja matala lämpötila. Diplomityön tavoitteena oli luoda kiekkotason pakkausmenetelmä mikroelektromekaaniselle (MEMS, MicroElectroMechanical System) peilille ja MEMS gyroskoopille. Peilin lasisen kansikiekon pinnalla oleva antiheijastava kalvo rajoitti liitännässä käytettävän lämpötilan korkeintaan 250°C:een, mikä on alempi lämpötila kuin useimpien kiekkoliitännässä käytettyjen materiaaliparien eutektinen piste. Esimerkkinä mainittakoon mm. Au-Sn (278°C), Au-Ge (361°C) ja Au-Si (370°C). Kuparin alhainen hinta, korkea ominaisdiffuusio ja hidas hapettuminen ilmakehässä puoltavat sen valintaa liitäntämateriaaliksi. Liitäntärakenteet valmistettiin kolmella menetelmällä ja liitännän vahvuutta parannettiin lämpökäsittelyllä. Liitetyt rakenteet karakterisoitiin pyyhkäisy elektronimikroskoopin, akustisen mikroskoopin ja liitoslujuus-mittauksen avulla. Liitospintojen altistamisen hapolle havaittiin lisäävän pinnankarkeutta ja olevan siten haitallista liitokselle ja laskevan saantoa. Liitospintojen suojaaminen siemenkerroksen syövytyksen aikana on suotavaa. Pintaoksidi pystytään poistamaan täysin suorittamalla oksidin märkäetsaus jääetikalla sekä lämpökäsittely N2/H2 atmosfäärissä. Sputteroidut kuparikalvot pystyttiin liittämään onnistuneesti yhteen 200°C lämpötilassa, mikä on alle anti-heijastavan pinnan asettaman lämpötilarajan. Tällä liitäntä menetelmällä saavutettiin kiekkoliitoksella yhteen liitettyjen sirujen sahauksessa korkea 97% saanto. Liitoslujuus määritettiin maksimi-leikkausvoiman avulla ja sen suuruudeksi mitattiin 75 MPa. Lujuus oli yli kymmenkertainen MIL-STD-883E standardin (METHOD 2019.5) asettamaan hylkäysrajaan 6.08 MPa nähden.Description
Supervisor
Laasonen, KariThesis advisor
Saarilahti, JaakkoKiihamäki, Jyrki
Keywords
wafer-level packaging, thermocompression bonding, wafer bonding, MEMS, Cu