CN101362586B - 一种mems密封封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种MEMS密封封装方法，该方法包括：在玻璃片或者硅片上腐蚀出与MEMS器件相匹配的底部开口的微封盖结构，在该微封盖墙体的底端腐蚀出一凹槽；MEMS器件及其电极制备在一衬底上，在上述MEMS器件周围衬底的键合密封区域制备一隔离层，在隔离层上或者微封盖的底端凹槽内设置填充物；将上述微封盖与衬底键合，微封盖的底端凹槽位于隔离层上，形成一填充密封腔；上述填充物位于该填充密封腔内，加热使上述填充物熔融，实现微封盖密封MEMS器件。本发明既可以保留平面引线工艺，利于集成制造，又提高了密封的强度和性能。

Description

一种MEMS密封封装方法

技术领域

本发明是关于MEMS的制备技术，具体涉及一种MEMS密封封装方法。

背景技术

在微电子技术的基础上发展而来的微机电系统(以下简称MEMS)技术是一个新兴的多学科交叉的高科技领域，相应的MEMS器件产品将在国民经济和国家安全等方面发挥越来越重要的作用。对于MEMS微型器件，无论结构尺寸还是气隙都非常小，通常在微米量级，此时即便是环境中普通的水分、灰尘等微小颗粒对MEMS器件都可能是致命的，因此往往需要密封封装，为其稳定的工作、高的可靠性、小的漂移以及抵抗各种恶劣环境提供保证。而大多MEMS器件都包含可动的机械结构，有的MEMS器件更是工作在谐振状态下，空气阻尼直接影响其性能，因此一定真空下的密封封装对这类微型MEMS器件的最终性能将起到决定性作用。MEMS密封封装体积小并且一次可以同时封装许多个微传感器和执行器，它不仅能提高系统集成度，而且能降低测试和封装成本、降低引线电感、提高电容特性、改良散热通道和降低贴装高度等。但是，MEMS器件形式多样、工艺要求高、难度大，其封装费用在产品成本价格中占有很高的比例(超过50％)。因此，MEMS密封封装是目前MEMS研究中的热点。

目前，MEMS密封封装工艺上与该发明相类似的技术主要有两类，一类是熔融焊接密封封盖技术，另一类是先进微加工的键合密封封盖技术。

熔融焊接微封盖技术是利用熔融焊料直接将封盖与衬底焊接在一起，实现MEMS器件的密封封装。这种密封技术需要高温，容易使得MEMS器件或者周边的控制电路产生不良的热力学效应。另外，熔融焊料流动无法控制，容易造成器件区域的污染。局部加热焊接法是对这种技术的改进，其结构是在封装体的周围布有一圈微加热器，微加热器上有焊料，当微加热器里通有电流时，焊料融化完成焊接，这样避免了对整个衬底的加热，较有效的弥补了高温对器件不良影响这一缺陷，但该方法大大增加了工艺的复杂性，也无法控制焊料的流动。

键合微封盖密封封装技术是利用键合工艺使封盖与衬底牢固结合，实现密封封装。此方法步骤简单，与MEMS体加工工艺完全兼容，应用范围较广。但其有一明显缺点，在电极引线线两侧的封盖与衬底键合处无法实现完全密封，会有微小缝隙影响密封的性能。一种改进的方法是，在MEMS器件周围用多晶硅淀积一圈用于键合的墙，采用键合进行封盖密封。此方法虽弥补了连线和硅表面的不平整造成的密封性能不足，但其多晶硅引线电阻较大，且只能用于Si衬底，并且严重限制了器件结构厚度。另一改进的方法是将体加工封装工艺中的平面引线改为衬底背面通孔引线，该方法工艺复杂，降低了封装结构强度，增大了寄生效应。

总之，现有MEMS密封封装技术还非常不成熟，其密封性能还远远不能满足MEMS器件的应用需要，在可集成制造性、封装结构强度和承受力、工艺的复杂度和成本方面都有待改善。

发明内容

本发明克服了现有技术中的不足，提供了一种密封效果好的MEMS密封封装方法。

本发明的技术方案是：

一种MEMS密封封装方法，其步骤包括：

1)制备微封盖，即在玻璃片或者硅片上腐蚀出与MEMS器件相匹配的底部开口的微封盖结构，在该微封盖墙体的底端腐蚀出一凹槽；

2)MEMS器件及其电极制备在一衬底上，在上述MEMS器件周围衬底的键合密封区域制备一隔离层；

3)在上述隔离层上或者微封盖墙体底端的凹槽内设置填充物；

4)将上述微封盖与所述衬底键合，微封盖墙体底端的凹槽位于所述隔离层上，形成一填充密封腔，上述填充物位于该填充密封腔内；

5)加热使上述填充物熔融，实现微封盖密封MEMS器件。

步骤1)所述微封盖的凹槽可采用ICP工艺或RIE工艺制备。

步骤2)所述隔离层可为SiO₂或Si₃N₄，制备方法采用化学气相沉积或溅射。

步骤3)所述填充物可为铟或锡以及上述金属的合金材料，或填充物为玻璃，上述填充物制备采用化学气相沉积、溅射、蒸发、丝网印刷、旋涂或喷涂方法。

步骤4)所述键合采用阳极键合、硅片直接键合或者中间层辅助键合方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明中微封盖与被密封器件的衬底对准键合实现了初次键合密封；同时，微封盖底部的凹槽与衬底上的隔离层形成一填充物的密闭腔，加温填充物使填充物熔融并在密闭腔体中漫延，冷却后该填充物使衬底和微封盖的墙体紧密结合实现了二次填充熔融密封，因此最终实现双重密封。本发明将现代微加工键合密封技术和传统熔融填充密封技术结合在一起，从而既可以保留平面引线工艺，利于集成制造，并能提高密封结构的强度和密封性能，而且该技术具有广泛适用性，不受封盖和衬底材料以及被密封器件制造工艺的限制。

附图说明

图1为本发明的处理流程图。

(a)为MEMS器件及其电极的结构示意图；

(b)为制备微封盖结构的示意图；

(c)为制备隔离层的示意图；

(d)为在隔离层上制备填充物的示意图；

(e)为微封盖和衬底键合的示意图；

(f)为填充物熔融的示意图。

具体实施方式

下面结合图1和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

步骤1、制备微封盖：在一玻璃片或者硅片上腐蚀出与MEMS器件相匹配的底部开口的微封盖结构，并在该微封盖墙体的底端腐蚀出一凹槽，腐蚀工艺为ICP或RIE方法。

步骤2、制备隔离层：利用化学气相沉积、溅射等方法，在MEMS器件周围的电极上制备SiO₂或Si₃N₄隔离层，该隔离层位于微封盖将与衬底相密封结合区域。

步骤3、制备填充物：利用化学气相沉积、溅射、蒸发、丝网印刷、旋涂、喷涂等方法在隔离层上制备图形化的填充物，填充物材料采用锡、铟及其合金、玻璃等，要求其熔点低于450度。

步骤4、键合密封：利用对准键合技术，如采用阳极键合、硅片直接键合或者中间层辅助键合方法，将微封盖与MEMS器件衬底键合在一起，且微封盖墙体底端的凹槽位于隔离层上，形成一填充密封腔，上述填充物位于该填充密封腔内；

步骤5、熔融填充密封：加热使填充物熔融，然后冷却，实现填充物与微封盖凹槽以及MEMS器件衬底紧密结合。

在上述实施例中，本发明填充物的制备是在隔离层上制备图形化的填充物，除此之外，还可以通过在微封盖墙体底端的凹槽内填置填充物来实现。

此外，在真空密封封装时，微封盖与MEMS器件衬底的对准键合技术可采用在一定真空度下进行上述键合方法。

以上通过详细实施例描述了本发明所提供的MEMS密封封装方法，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明实质的范围内，可以对本发明做一定的变形或修改；其制备方法也不限于实施例中所公开的内容。

Claims (5)

1.一种MEMS密封封装方法，其步骤包括：

1)制备微封盖，即在玻璃片或者硅片上腐蚀出与MEMS器件相匹配的底部开口的微封盖结构，在该微封盖墙体的底端腐蚀出一凹槽；

2)MEMS器件及其电极制备在一衬底上，在上述MEMS器件周围衬底的键合密封区域制备一隔离层；

3)在上述隔离层上或者微封盖墙体底端的凹槽内设置填充物；

4)将上述微封盖与所述衬底键合，微封盖墙体底端的凹槽位于所述隔离层上，形成一填充密封腔，上述填充物位于该填充密封腔内；

5)加热使上述填充物熔融，实现微封盖密封MEMS器件。

2.如权利要求1所述的MEMS密封封装方法，其特征在于，步骤1)所述微封盖的凹槽采用ICP工艺或RIE工艺制备。

3.如权利要求1所述的MEMS密封封装方法，其特征在于，步骤2)所述隔离层为SiO₂或Si₃N₄，制备方法采用化学气相沉积或溅射。

4.如权利要求1所述的MEMS密封封装方法，其特征在于，步骤3)所述填充物为铟或锡，上述填充物制备采用化学气相沉积、溅射、蒸发、丝网印刷、旋涂或喷涂方法。

5.如权利要求1所述的MEMS密封封装方法，其特征在于，步骤4)所述键合采用阳极键合、硅片直接键合或者中间层辅助键合方法。

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