独立行政机构国立产业技术综合研究所[会长中钵良二]（以下简称“AIST”）集成微系统研究中心[研究中心主任前田龙太郎]大规模集成研究小组研究员仓岛雄一和研究小组组长高木秀树拥有超光滑表面牺牲层我们开发了一种技术，通过电镀在薄膜上形成图案，然后去除牺牲薄膜，从而形成超光滑的电镀表面。通过将其应用于器件封装的接合技术，我们在室温下在大气中实现了金属之间的高强度接合。
MEMS（微机电系统）的封装采用金属对金属的接合，使用凸块电极和通过厚膜金属电镀形成的密封框架。然而，由于厚膜镀层表面的表面粗糙度较大，因此需要在300℃以上的高温下进行压制，使金属变形，以实现接合面的紧密粘合。另一方面，由于MEMS具有由各种材料制成的微小而精密的机械运动部件，因此存在器件可能因热和压力而损坏的担忧，并且包装是必须的。这次，我们利用牺牲层薄膜去除工艺，将原子级的光滑表面形状转移到金属电镀表面，实现了超光滑电镀表面。通过激活这种超光滑的电镀表面，我们开发了一种在室温下在空气中形成牢固结合的技术。传统的键合工艺需要配备真空环境和加热机构的大型键合设备，但新开发的键合技术可以在室温下在空气中键合，这有望显着简化设备并提高制造效率。
此成就的详细信息微电子工程2014 年 6 月 21 日。
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| 传统接合方法和新开发的接合方法 |
当前加速度传感器是啊陀螺仪传感器、显示镜像设备已经商业化。另一方面，MEMS 器件需要保护微小的机械运动部件并与 IC 集成，这使得封装成本在总成本中所占比例非常高。在MEMS器件的封装中，通过电镀和形成的密封框架凸点电极晶圆键合用于同时保护机械运动部件、确保气密性和电气连接。然而，由于通过电镀形成的表面具有较大的表面粗糙度，因此需要在300℃以上的高温下软化金属的同时对其进行压制，以使金属接合面变形并接合。采用这种类型的接合方法，加热和冷却过程需要时间，这会降低产量，并且热膨胀系数不同材料之间残余热应力MEMS 器件的性能恶化。为了扩大未来新型MEMS器件的市场，需要采用晶圆级键合的低成本、高可靠性封装技术。
产业技术研究所拥有使用8英寸晶圆的MEMS量产原型生产线，正在与企业合作进行各种MEMS器件的原型开发。 2013年，我们开发了一种工艺，可以在原子水平上平滑硅和其他半导体晶圆的表面，并实现了高可靠的室温键合（2013 年 8 月 28 日 AIST 新闻稿）。然而，在MEMS封装中，需要粘合通过厚膜电镀形成的金属，例如器件周围的密封框架和电极上的凸块。因此，这次我们致力于开发一种技术，将抛光形成的原子级光滑表面形状高精度地转移到电镀表面上，形成超光滑电镀表面，并在室温下在空气中封装MEMS器件。
这项研究和开发是在研究项目“微系统融合研究和开发（核心研究员：东北大学教授Masaki Esashi）”下进行的，该项目得到了日本学术振兴会根据科学技术政策委员会制定的尖端研究和开发支持计划（2009-2015）的资助。
在新开发的工艺中，首先在超光滑抛光硅片等临时基板上沉积薄薄的牺牲层，并在其顶部形成厚厚的镀金图案（图1（a））。该镀金图案和密封基板上的金薄膜通过热压接合进行接合（图1（b））。之后，通过浸入化学溶液中选择性地溶解牺牲层，并将具有超光滑表面的镀金图案转移到密封基板上（图1（c））。这种超光滑的电镀表面和 MEMS 基板上的金属薄膜在室温下在空气中粘合（图 1(d)）。这里，临时衬底上的牺牲层薄膜和MEMS衬底上的金属薄膜是溅射成膜制成并且非常薄，因此保持光滑的表面。另外，在热压接或在大气中进行室温粘合之前氩射频等离子体激活。
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| 图 1 开发的加入流程 |
图2为采用常规方法表面镀金原子力显微镜图像镀金表面的原子力显微镜图像（a）和（b），已使用新开发的工艺将其转移到超光滑临时基材的表面形状。传统的镀金表面有几十纳米的凹凸不平，表面粗糙度为162纳米有效值12144_12258
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| 图2 原子力显微镜图像 |
图3显示了传统镀金形成的粗糙表面和新开发工艺形成的超光滑表面在相同条件下在室温下在空气中粘合时的粘合强度。虽然粗糙表面上传统粘合的平均粘合强度非常弱，为 30 MPa，但开发的工艺实现了 256 MPa 的高平均粘合强度。该粘合强度与 200°C 下热压粘合获得的粘合强度相当。
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| 图3 室温下粘合样品的粘合强度（与粗糙镀层表面和开发工艺比较） |
图4显示了拉伸测试后的粘合界面。在室温空气中使用粗糙镀层表面接合的那些在接合表面处剥落，而使用开发工艺与超光滑表面接合的那些被确认从硅晶片基材断裂。这是因为键合界面的附着力非常好，键合牢固。
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| 图4拉伸测试后的粘合界面 |
在这个实验中，我们使用金作为密封框架材料，但未来我们计划开发一种工艺，减少接头中金的使用量。最终，我们将开发不使用金的键合技术，以降低封装成本。随着这些开发的进行，我们计划评估密封性能并将其应用于实际设备，并将其应用扩展到MEMS等需要低温处理的各种微型设备领域。此外，通过与MEMS开发公司合作，我们的目标是通过实现器件应用和低成本、高可靠性封装来扩大MEMS市场。