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顾杰斌团队研发的MEMS-Casting™技术实现了MEMS和铸造的完美结合

日期:2019-04-25 21:51

  金属沉积是制造微电子器件(这里指广义半导体器件,包括LED、MEMS、模拟器件等)的重要工艺技术。在许多器件制造需要用到的厚金属(大于数十微米)工艺中,电镀几乎是目前厚金属沉积的唯一方式。但如何处理有毒害电镀废液,简化工艺流程,以及解决沉积时间长等问题,成为多年来困扰行业发展的核心要素。

  金属铸造是一种被广泛使用的金属制造方法。人类使用铸造的历史有5000多年,铸造的基本原理是将金属或者合金熔化后注入预制模具中,待固化后,脱模取出成型铸件。据考证,铸造技术已有上千年的发展历史,约1500BC年前青铜器铸造开始出现。随着近代科学和技术的发展,铸造技术也随之不断发展。上世纪60年代,应喷气式发动机的需要,一种新的熔模单晶铸造技术应运而生。该技术以单晶形式铸造喷气式发动机的叶片,从而满足超高温度和转速的使用要求。80年代末,真空铸造的研发减少了铸件中的气泡缺陷,促使铸件的成型质量大幅提高。

  MEMS技术与铸造的结合,缘自它们之间的一个共通点:两者都是机械部件制造技术,区别在于尺度上存在几个数量级差异。相对于其他机械加工方法,例如车,铣,抛等,铸造的长处在于它几乎一次成形,可免机械加工或少量加工,降低了成本并在一定程度上缩短了加工周期,而且可成型复杂结构的机械部件。而MEMS技术是近几十年从微电子技术中发展出来的一项微加工技术。通过在硅片或者其它衬底上制造出微米尺度的机械部件,来实现传感、执行、能量采集等功能。MEMS与铸造结合的基本概念是通过体硅刻蚀工艺在硅片(或者其它材料衬底)上制造出需要成型的微模具,然后将微量金属熔化注入填充并固化成型。

  如何将新兴的MEMS技术与传统的铸造技术结合并应用在微电子领域从而创造了一项全新的金属沉积方法,实现MEMS和铸造的完美结合,是中国科学院上海微系统与信息技术研究所顾杰斌博士及其团队的主要研发方向。经过努力,他们终于开发并掌握了MEMS-Casting关键技术。此技术的开发运用对微电子相关领域带来了革命性的突破, 大大降低了成本、节省了工艺流程、缩短了工艺周期同时避免了废液对环境的污染及对人体的危害。但是这个结合也面临巨大的技术挑战。首先,对于宏观的铸件,存在的问题是铸件内部容易产生气泡或者空洞,这些气泡或者空洞的尺寸可以达到毫米级别,已经远超MEMS结构的尺寸。其次,铸造通常用于机械部件而不是电子元件的制造,MEMS铸件在电性能方面能否满足器件的要求也需要深入研究。最后,MEMS与铸造的结合,不仅仅是将宏观的模具换成体硅刻蚀的硅微模具这么简单,因为铸件尺寸缩小几个数量级带来的表面效应和温度效应等,在硅微模具的制造、合模、熔融合金的微流控填充,固化过程中的体积收缩问题以及脱模等方面均无法采用宏观铸造的方法解决。只有引入相关的微纳尺度效应,才能真正意义上实现MEMS和铸造的结合。

  据麦姆斯咨询报道,多年来,为了实现MEMS和铸造的结合,顾杰斌博士在英国帝国理工(Imperial College London)读博期间就开展这项技术的相关研究工作,历经十余年,攻破了MEMS和铸造结合中的一个个关键技术点。这项研究在国际核心学术期刊发表文章十余篇,并在MEMS相关国际顶级会议上与同行进行过多次报告分享。2018年3月,上海迈铸半导体科技有限公司成立,同年即获得中科院旗下中科创星的天使轮投资。公司致力于MEMS-Casting技术的产业化应用。目前,拥有从技术,设备到工艺的多项完全自主知识产权。随着研发进一步深入,该项技术的产业化方面日趋成熟,并已开放试样服务。

  MEMS-Casting技术被分为六个步骤,如上图所示,分别为合模、合金填充、“切割”、固化、脱模和表面处理。

  第一步:合模,即通过在刻蚀有微模具的硅片增加上下盖板(硅片或者玻璃片),将微模具形成一个闭合的空间结构。合模的挑战在于,上下盖板在填充过程施加的压力下会有形变,因为晶圆的薄片形状,产生的形变量很容易达到铸件本身的特征尺寸。因此模具和盖板需要进行专门的结构设计以使形变量控制在一定的限度内。

  第二步:合金填充,高温熔化下金属在微米尺度的微槽中流动填充虽然类似于微流控,但是因为合金的表面张力、粘滞系数,以及与硅模具侧壁的浸润性等因素相较于传统微流控中的水溶液不一样,所以产生了特殊的流动填充机理。合金填充的最大挑战是减少流动过程中气泡或者空洞,气泡/空洞对造成器件产生致命的断路缺陷。

  第三步:“切割”,其目的是将填充入硅微模具的合金与外界合金进行“切割”。该步骤至关重要,因为如果无法实现“切割”,硅片中的合金与外界合金始终是连成一体,在这种情况下固化后硅片与外界合金连成一体,则无法实现这项技术的实际应用。顾博士团队研发了一项基于“液桥”的切割技术,这项历时三年的研发技术,可以在下盖板(MEMS喷嘴片)中实现填充后合金与外界合金的有效分离。

  第四步:固化,绝大部分金属在从液相到固相的固化过程中,体积会经历一个收缩,收缩量约在2%~7%之间。在宏观铸造中,体积收缩的问题是靠补偿方式来实现的。即通过控制铸件从下往上冷却,最后顶部冒口处的金属熔化,这样在冷却过程可以一直补偿其下方的合金固化收缩。

  但是在MEMS-Casting中,因为晶圆的扁平结构加上硅材料本身的高热导性,补偿需要的温度梯度是无法实现的。如何挑战MEMS-Casting固化过程中收缩产生的缺陷问题?顾博士给出的解答是:“我们从固化理论着手,提出并研发一项均匀固化技术。通过该技术可以将缺陷化整为零,从而将收缩缺陷控制住。”

  第五步:脱模,上下盖板在固化完成后需要与铸件体硅片进行分离。因为合金熔化后进行填充,固化后容易出现上下盖板被合金粘住无法分离的情况。顾博士团队研发出纳米分子层脱模技术,即通过在盖板的表面沉积特种纳米分子层材料以减少其表面能,从而实现轻松的分片。

  第六步:表面处理,这不是必须步骤。根据实际情况,脱模后可能需要进行化学机械研磨(CMP)来平整化,或者在铸件表面进行薄层电镀的方式来达到某些具体应用要求。

  作为一项厚金属沉积工艺,MEMS-Casting 技术可以作为电镀的替代和补充,并且具有成型速度快,过程清洁无污染等优点。可应用于以下三个微电子领域:(1)半导体先进封装的硅过孔互连(TSV)/玻璃过孔互连(TGV);(2)MEMS器件,例如MEMS磁通门、电磁式能量采集器等;(3)三维堆叠微波组件及集成无源器件(IPD)。

  上海迈铸半导体科技有限公司新研制的MEMS-Casting专用设备

  上海迈铸半导体科技有限公司利用MEMS-Casting实现150匝磁通门探头的图片

  上海迈铸半导体科技有限公司利用MEMS-Casting技术实现的螺线电感IPD的图片

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