CN101554987A - 一种微机电系统的圆片级真空封装工艺 - Google Patents

一种微机电系统的圆片级真空封装工艺 Download PDF

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Abstract

一种微机电系统的圆片级真空封装工艺，属于微机电系统的封装方法，解决现有基于薄膜淀积真空封装工艺所存在的淀积薄膜较薄、腔体小，容易损坏，以及封装器件存在真空泄露、使用寿命降低的问题。本发明顺序包括：淀积吸气剂步骤；淀积薄牺牲层步骤；淀积缓冲腔牺牲层步骤；淀积厚牺牲层步骤；制作封装盖步骤；刻蚀释放孔步骤；去除牺牲层步骤和密封步骤。本发明解决了现有封装方法存在的真空保持时间短，密封质量低，封装尺寸大，工艺与标准IC工艺不兼容，成本高的问题，从而保证最里面的腔体气压；同时成本少于基于圆片键合工艺的真空封装，可以在常规的IC生产厂实现生产，极大的推动圆片级MEMS真空封装技术的发展和推广。

Description

一种微机电系统的圆片级真空封装工艺
技术领域
本发明属于微机电系统的封装方法，特别涉及一种微机电系统的圆片级真空封装工艺。
背景技术
绝对压力传感器、基于谐振原理的惯性传感器(如加速度计，角速度传感器，陀螺仪)、微真空电子器件和光学器件(光开关，红外成像传感器，数字微镜器件)等微机电系统(MEMS)器件，需要工作在特定的真空环境，这些器件都需要真空封装。真空封装可分为器件级真空封装与圆片级真空封装。圆片级真空封装具有低成本、高产量、保证划片安全等优点，具有重要的应用前景。目前MEMS圆片级真空封装主要采用两种技术路线：基于圆片键合工艺的真空封装方法和基于薄膜淀积工艺的真空封装方法。基于圆片键合工艺的真空封装是将带有微机电结构的圆片与盖板圆片直接键合，盖板圆片一般是玻璃或硅片，键合工艺可以在密封或半密封状态下进行，防止微机电系统在后道工序受到污染。对于密封键合工艺，微机电系统可以在真空或惰性气体的环境中进行封装。现有基于薄膜淀积工艺的圆片级真空封装工艺，如C.Gillot，J.L.Pornin，A.Amaud等人发表在2005Electronics Packaging TechnologyConference的文章“Wafer Level Thin Film Encapsulation for MEMS”，是由牺牲层上淀积的薄膜形成覆盖器件的封闭空腔，在薄膜上刻蚀释放孔以刻蚀牺牲层，最后，在这层薄膜上淀积另一层薄膜实现封口。
基于薄膜淀积真空封装工艺使用标准的集成电路工艺，并且使用较少的圆片面积，它的成本将少于基于圆片键合工艺的真空封装。但是这一工艺淀积的薄膜很薄、腔体很小，极容易在划片过程中损坏；同时，气体的泄漏率与器件内外的压力差成正比，而真空封装的器件内外压力差较大，造成目前基于薄膜淀积工艺的真空封装器件存在真空泄露，使用寿命降低，不能满足真空封装使用寿命至少十年的使用要求。
发明内容
本发明提供一种微机电系统的圆片级真空封装工艺，解决现有基于薄膜淀积真空封装工艺所存在的淀积薄膜较薄、腔体小，容易损坏，以及封装器件存在真空泄露、使用寿命降低的问题。
本发明的一种微机电系统的圆片级真空封装工艺，顺序包括：
淀积吸气剂步骤：在硅基片上淀积吸气剂薄膜，淀积的吸气剂薄膜厚度为50～200nm，其形状为环绕MEMS器件的两个共中心条状图形；
淀积薄牺牲层步骤：在硅基片上淀积薄牺牲层，淀积的薄牺牲层厚度为200～500nm，薄牺牲层图案制作在内外两圈吸气剂薄膜图形之间的空白区域；
淀积缓冲腔牺牲层步骤：淀积缓冲腔牺牲层，淀积的缓冲腔牺牲层厚度为300nm～1.5um，其图案制作在薄牺牲层边缘并覆盖外圈吸气剂薄膜；
淀积厚牺牲层步骤：淀积厚牺牲层，淀积的厚牺牲层制作在薄牺牲层中的空白区域，与薄牺牲层相连并覆盖MEMS器件，厚度为500nm～2um；
制作封装盖步骤：采用低压化学气相沉积工艺、电镀工艺或溅射工艺中的一种在薄牺牲层、缓冲腔牺牲层和厚牺牲层上制作封装盖，所述封装盖厚度为0.5um～2um；
刻蚀释放孔步骤：采用化学同相刻蚀、异向刻蚀或者光刻刻蚀工艺中的一种或几种，在薄牺牲层的封装盖上刻蚀出释放孔，释放孔面积为50um2～100um2；
去除牺牲层步骤：用高密度等离子体干法刻蚀工艺去除薄牺牲层、缓冲腔牺牲层和厚牺牲层；
密封步骤：采用等离子增强型化学气相沉积工艺在封装盖上淀积封装材料，对刻蚀腔通道进行密封，所述封装材料厚度为1um～3um。
所述的微机电系统的圆片级真空封装工艺，其特征在于：
所述淀积吸气剂步骤中，淀积方法为磁控溅射或丝网印刷中的一种；
所述淀积薄牺牲层、淀积缓冲腔牺牲层和淀积厚牺牲层步骤中，淀积方法为化学气相沉积、低压化学气相沉积、溅射或蒸镀中的一种；
所述淀积薄牺牲层、淀积缓冲腔牺牲层和淀积厚牺牲层步骤中，所述薄牺牲层、缓冲腔牺牲层和厚牺牲层的材料为磷硅酸盐玻璃、光刻胶或多晶硅中的一种或多种；
所述制作封装盖步骤和密封步骤中，所述封装盖和封装材料的材料为氮化硅，多晶硅，金属和介质的组合。
本发明是一个低温真空封装工艺(＜350℃)，与IC工艺兼容。本发明针对现在圆片级真空封装技术存在的真空保持时间短，密封质量低，封装尺寸大，工艺与标准IC工艺不兼容，成本高的问题，在封装结构上创新，增加了缓冲腔体，并在缓冲腔中淀积吸气剂，气体泄漏途径从外界通过中间的真空缓冲腔，大部分气体被缓冲腔吸气剂吸收，只有极少量气体从缓冲腔泄漏到封装腔体内，从而保证最里面的腔体气压无大的变化。由于引入了缓冲腔，并在缓冲腔中淀积吸气剂，使气体泄漏途径变为从外界通过中间的真空缓冲腔，再从缓冲腔泄漏到封装腔体内，从而保证最里面的腔体气压；同时由于基于薄膜淀积工艺的封装使用了标准的集成电路技术，并且使用较少的圆片面积，它的成本少于基于圆片键合工艺的真空封装。此外，它没有圆片对准和背部工艺的要求，因而可以在常规的IC生产厂实现生产，可极大的推动圆片级MEMS真空封装技术的发展和推广。对于绝对压力传感器，加速度计，角速度传感器，陀螺仪等，采用本发明进行真空封装，可以得到绝对压力的近似零点或和更高的品质因素。
附图说明
图1为本发明的淀积吸气剂步骤示意图；
图2为本发明的淀积薄牺牲层步骤示意图；
图3为本发明的淀积缓冲腔牺牲层步骤示意图；
图4为本发明的淀积厚牺牲层步骤示意图；
图5为本发明的制作封装盖步骤示意图；
图6为本发明的刻蚀释放孔步骤示意图；
图7为图6的俯视图；
图8为本发明的去除牺牲层步骤示意图；
图9为本发明的密封步骤示意图。
图中标记：硅基片1、MEMS器件2、吸气剂3、薄牺牲层4、缓冲腔牺牲层5、厚牺牲层6、封装盖7、释放孔8、刻蚀通道9、缓冲腔10、空腔11、密封层12。
具体实施方式
本发明是在硅基片1上做好MEMS器件2，并在硅片上淀积吸气剂薄膜后，进行封装。
实施例1
淀积吸气剂步骤：如图1所示，用磁控溅射工艺在硅基片1上淀积Zr-V-Fe吸气剂薄膜2，淀积的吸气剂薄膜厚度为50nm，其形状为环绕MEMS器件2的两个共中心条状图形；
淀积薄牺牲层步骤：如图2所示，用低压化学气相沉积工艺在硅基片1上淀积磷硅酸盐玻璃薄牺牲层4，淀积的薄牺牲层厚度为200nm，薄牺牲层图案制作在内外两圈吸气剂薄膜图形之间的空白区域；
淀积缓冲腔牺牲层步骤：如图3所示，用化学气相沉积工艺淀积磷硅酸盐玻璃缓冲腔牺牲层5，淀积的缓冲腔牺牲层厚度为300nm，其图案制作在薄牺牲层4边缘并覆盖外圈吸气剂薄膜；
淀积厚牺牲层步骤：如图4所示，用蒸镀工艺淀积磷硅酸盐玻璃厚牺牲层6，淀积的厚牺牲层制作在薄牺牲层中的空白区域，与薄牺牲层4相连并覆盖MEMS器件2，厚度为500nm；
制作封装盖步骤：如图5所示，采用电镀工艺在薄牺牲层、缓冲腔牺牲层和厚牺牲层上制作氮化硅封装盖7，所述封装盖厚度为0.5um；
刻蚀释放孔步骤：如图6、图7所示，采用光刻刻蚀工艺，在薄牺牲层的封装盖上刻蚀出释放孔8，释放孔面积为50um2；
去除牺牲层步骤：如图8所示，用高密度等离子体干法刻蚀工艺去除薄牺牲层、缓冲腔牺牲层和厚牺牲层，薄牺牲层刻蚀后即可形成刻蚀通道9，缓冲腔牺牲层刻蚀后即可形成缓冲腔10，厚牺牲层刻蚀后即可形成空腔11；
密封步骤：如图9所示，采用等离子增强型化学气相沉积工艺在封装盖上淀积多晶硅封装材料12，对刻蚀腔通道进行密封，所述封装材料厚度为1um。
实施例2
淀积吸气剂步骤：如图1所示，用磁控溅射工艺在硅基片1上淀积Zr-Al吸气剂薄膜2，淀积的吸气剂薄膜厚度为200nm，其形状为环绕MEMS器件2的两个共中心条状图形；
淀积薄牺牲层步骤：如图2所示，在硅基片1上旋涂光刻胶并制作薄牺牲层4图案，淀积的薄牺牲层厚度为500nm，薄牺牲层图案制作在内外两圈吸气剂薄膜图形之间的空白区域；
淀积缓冲腔牺牲层步骤：如图3所示，旋涂光刻胶并制作缓冲腔牺牲层5图案，淀积的缓冲腔牺牲层厚度为1.5um，其图案制作在薄牺牲层4边缘并覆盖外圈吸气剂薄膜；
淀积厚牺牲层步骤：如图4所示，旋涂光刻胶制作厚牺牲层6图案，淀积的厚牺牲层制作在薄牺牲层中的空白区域，与薄牺牲层4相连并覆盖MEMS器件2，厚度为2um；
制作封装盖步骤：如图5所示，采用低压化学气相沉积工艺在薄牺牲层、缓冲腔牺牲层和厚牺牲层上制作氮化硅封装盖7，所述封装盖厚度为2um；
刻蚀释放孔步骤：如图6、图7所示，采用化学同相刻蚀工艺，在薄牺牲层的封装盖上刻蚀出释放孔8，释放孔面积为100um2；
去除牺牲层步骤：如图8所示，用高密度等离子体干法刻蚀工艺去除薄牺牲层、缓冲腔牺牲层和厚牺牲层，薄牺牲层刻蚀后即可形成刻蚀通道9，缓冲腔牺牲层刻蚀后即可形成缓冲腔10，厚牺牲层刻蚀后即可形成空腔11；
密封步骤：如图9所示，采用等离子增强型化学气相沉积工艺在封装盖上淀积封装材料12，材料为金属和介质的组合，对刻蚀腔通道进行密封，所述封装材料厚度为3um。
实施例3
淀积吸气剂步骤：如图1所示，用丝网印刷工艺在硅基片1上淀积Ti-Mo吸气剂薄膜2，淀积的吸气剂薄膜厚度为200nm，其形状为环绕MEMS器件2的两个共中心条状图形；
淀积薄牺牲层步骤：如图2所示，用低压化学气相沉积工艺在硅基片1上淀积磷硅酸盐玻璃薄牺牲层4，淀积的薄牺牲层厚度为500nm，薄牺牲层图案制作在内外两圈吸气剂薄膜图形之间的空白区域；
淀积缓冲腔牺牲层步骤：如图3所示，用化学气相沉积工艺淀积磷硅酸盐玻璃缓冲腔牺牲层5，淀积的缓冲腔牺牲层厚度为1.5um，其图案制作在薄牺牲层4边缘并覆盖外圈吸气剂薄膜；
淀积厚牺牲层步骤：如图4所示，用蒸镀工艺淀积磷硅酸盐玻璃厚牺牲层6，淀积的厚牺牲层制作在薄牺牲层中的空白区域，与薄牺牲层4相连并覆盖MEMS器件2，厚度为2um；
制作封装盖步骤：如图5所示，采用溅射工艺在薄牺牲层、缓冲腔牺牲层和厚牺牲层上制作金属封装盖7，所述封装盖厚度为2um；
刻蚀释放孔步骤：如图6、图7所示，采用异向刻蚀工艺，在薄牺牲层的封装盖上刻蚀出释放孔8，释放孔面积为100um2；
去除牺牲层步骤：如图8所示，用高密度等离子体干法刻蚀工艺去除薄牺牲层、缓冲腔牺牲层和厚牺牲层，薄牺牲层刻蚀后即可形成刻蚀通道9，缓冲腔牺牲层刻蚀后即可形成缓冲腔10，厚牺牲层刻蚀后即可形成空腔11；
密封步骤：如图9所示，采用等离子增强型化学气相沉积工艺在封装盖上淀积封装材料12，材料为金属和介质的组合，对刻蚀腔通道进行密封，所述封装材料厚度为3um。

Claims (2)

1.一种微机电系统的圆片级真空封装工艺，顺序包括：
淀积吸气剂步骤：在硅基片上淀积吸气剂薄膜，淀积的吸气剂薄膜厚度为50～200nm，其形状为环绕MEMS器件的两个共中心条状图形；
淀积薄牺牲层步骤：在硅基片上淀积薄牺牲层，淀积的薄牺牲层厚度为200～500nm，薄牺牲层图案制作在内外两圈吸气剂薄膜图形之间的空白区域；
淀积缓冲腔牺牲层步骤：淀积缓冲腔牺牲层，淀积的缓冲腔牺牲层厚度为300nm～1.5um，其图案制作在薄牺牲层边缘并覆盖外圈吸气剂薄膜；
淀积厚牺牲层步骤：淀积厚牺牲层，淀积的厚牺牲层制作在薄牺牲层中的空白区域，与薄牺牲层相连并覆盖MEMS器件，厚度为500nm～2um；
制作封装盖步骤：采用低压化学气相沉积工艺、电镀工艺或溅射工艺中的一种在薄牺牲层、缓冲腔牺牲层和厚牺牲层上制作封装盖，所述封装盖厚度为0.5um～2um；
刻蚀释放孔步骤：采用化学同相刻蚀、异向刻蚀或者光刻刻蚀工艺中的一种或几种，在薄牺牲层的封装盖上刻蚀出释放孔，释放孔面积为50um2～100um2；
去除牺牲层步骤：用高密度等离子体干法刻蚀工艺去除薄牺牲层、缓冲腔牺牲层和厚牺牲层；
密封步骤：采用等离子增强化学气相沉积工艺在封装盖上淀积封装材料，对刻蚀腔通道进行密封，所述封装材料厚度为1um～3um。
2.如权利要求1所述的微机电系统的圆片级真空封装工艺，其特征在于：
所述淀积吸气剂步骤中，淀积方法为磁控溅射或丝网印刷中的一种；
所述淀积薄牺牲层、淀积缓冲腔牺牲层和淀积厚牺牲层步骤中，淀积方法为化学气相沉积、低压化学气相沉积、溅射、旋涂或蒸镀中的一种；
所述淀积薄牺牲层、淀积缓冲腔牺牲层和淀积厚牺牲层步骤中，所述薄牺牲层、缓冲腔牺牲层和厚牺牲层的材料为磷硅酸盐玻璃、光刻胶或多晶硅中的一种或多种；
所述制作封装盖步骤和密封步骤中，所述封装盖和封装材料的材料为氮化硅，多晶硅，金属和介质的组合。
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