CN101941673B - 一种微机电系统圆片级真空封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微机电系统圆片级真空封装方法，该方法包括如下步骤：加工微机电系统圆片；在玻璃圆片上加工作为封装腔体的凹坑，然后在凹坑周围加工过孔；在加工所得到的玻璃片的凹坑内沉积吸气剂薄膜，在玻璃圆片上设有凹坑的一面制作键合金属层；然后在真空条件下将所得到的玻璃盖板圆片和微机电系统圆片进行气密键合；在玻璃盖板圆片的过孔内沉积金属膜制作电极引线；将所得到的封装结构进行划片，得到微机电系统真空封装器件。本发明方法实现了玻璃盖板与微机电结构之间的可靠结合，保证了良好的气密性，并能保护MEMS器件不受外界污染和破坏，提高MEMS器件的成品率，并且还可以实现批量生产，提高生产效率。

Description

一种微机电系统圆片级真空封装方法

技术领域

本发明涉及微机电系统封装方法，特别是涉及一种微机电系统圆片级真空封装方法。

背景技术

微机电系统真空封装技术是当前微机电系统研究的一项重要内容，它能够为微结构提供特定工作气压的环境，并能使微结构免受外界污染的影响而使其性能下降，保证微结构在特定工作气压下长期可靠的工作。真空封装可分为器件级真空封装和圆片级真空封装，圆片级真空封装具有批量加工的特点，能减小成本和提高封装的一致性等优点，因此具有重要的应用前景。

目前微结构的结构常采用SOI结构和玻璃基板上制作硅结构两种形式，为了实现微结构与外界的电气互连，采用金属焊盘或硅掺杂的方式在基板上提供与外界的电连接通道，由于所采用电连接方式的差异，对后续真空键合工艺也提出了不同的要求，比如采用硅掺杂的方式并不会改变基板键合平面，因而不会影响后续键合工艺，而采用玻璃基板时需要制作分立的金属焊盘，由于金属焊盘突出基板平面，为了保证良好的气密性必须同时实现对微结构和焊盘的可靠气密封装，同时还要在焊盘处留出电气连接接口，从而对键合封装工艺提出了更复杂的要求；因此，为了能够使真空封装工艺有更强的可移植性和更广的适用性，有必要对现有的封装方法进行改进或者提供全新的真空封装方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述缺陷，提供一种微机电系统圆片级真空封装方法，该方法实现了玻璃盖板与微机电结构之间的可靠结合，保证了良好的气密性，并能保护MEMS器件不受外界污染和破坏，提高MEMS器件的成品率，并且还可以实现批量生产，提高生产效率。

本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：

一种微机电系统圆片级真空封装方法，包括如下步骤：

(1)在玻璃基板上制作MEMS结构阵列，并制作与外电路电连接的电极金属膜和环形键合金属层，形成包括若干个微机电系统单元的微机电系统圆片；

(2)在玻璃基片上加工作为封装腔体的若干个凹坑，并在每个凹坑的周围加工圆形且带有一定锥度的过孔；

(3)在玻璃基片上的每个凹坑内表面淀积吸气剂薄膜，并在玻璃基片上设有凹坑的一面上制作键合金属层，形成玻璃盖板圆片，键合金属层的厚度为40～100nm，键合方法为溅射、气相沉积或蒸镀，所述键合金属层包括过孔周围分立的金属层，和包围过孔并与金属层分离的封闭环形金属层；

(4)在真空条件下将步骤(1)得到的微机电系统圆片与步骤(3)得到的玻璃盖板圆片进行气密键合，使得一个微机电系统单元与一个凹坑相对应，并使过孔与微机电系统单元的电极金属膜相对应，并且使电极金属膜完全覆盖过孔；

(5)在玻璃盖板圆片的过孔内沉积金属膜制作电极引线，完成封装，并对封装结构进行划片，得到单个微机电系统封装器件。

在上述微机电系统圆片级真空封装方法中，步骤(2)中凹坑为方形或圆形，且深度大于玻璃基板上的MEMS结构的高度。

在上述微机电系统圆片级真空封装方法中，步骤(2)过孔的锥度为60～75°。

在上述微机电系统圆片级真空封装方法中，步骤(3)中金属层与封闭环形金属层的形状均为圆形或方形。

在上述微机电系统圆片级真空封装方法中，步骤(3)中键合金属层为金，铝或铜。

在上述微机电系统圆片级真空封装方法中，步骤(3)中键合金属层的厚度为45～60nm。

在上述微机电系统圆片级真空封装方法中，步骤(4)中微机电系统圆片与玻璃盖板圆片进行气密键合的方法为共晶键合。

在上述微机电系统圆片级真空封装方法中，步骤(5)中在玻璃盖板圆片的过孔内沉积金属膜制作电极引线的方法为溅射、蒸镀或气相沉积。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明实现了玻璃基板上MEMS器件的圆片级真空封装，由于采用圆片级封装方法，因此可以实现批量生产，提高生产效率；

(2)本发明真空封装方法通过在玻璃盖板上制作金属键合层，并采用共晶键合的方法使微机电系统单元与玻璃盖板之间实现可靠的结合，该方法大大提高了微机电系统与玻璃盖板的键合能力，保证了微机电系统封装器件良好的气密性，并能保护MEMS器件不受外界污染和破坏，提高MEMS器件的成品率；

(3)本发明真空封装方法中键合层的厚度为40～100nm，优选45～60nm，键合层金属选则金、铝或铜，大量实验表明通过使用上述键合层，封装得到的微机电系统器件具有最佳的气密性，可靠性最高，可以适应各种恶劣的环境。

附图说明

图1为本发明微机电结构真空封装后的结构示意图；

图2为本发明玻璃基片示意图；

图3为本发明玻璃基片上加工凹坑后的结构示意图；

图4为本发明玻璃基片上加工过孔后的结构示意图；

图5a为本发明玻璃基片的凹坑内淀积吸气剂薄膜后的结构示意图；

图5b为本发明玻璃基片的凹坑内淀积吸气剂，并且在键合面淀积键合金属层后的结构示意图；

图6为本发明制备好的微机电系统圆片结构示意图；

图7为本发明玻璃盖板圆片与微机电系统圆片键合封装后的结构示意图；

图8为本发明玻璃基片过孔内淀积金属膜后的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

如图1所示为本发明微机电结构真空封装后的结构示意图，由图可知本发明微机电系统封装器件主要由微机电系统圆片9和玻璃盖板圆片10组成，一个微机电系统圆片9上有若干个微机电系统单元，每个微机电系统单元包括玻璃基板1上设置的MEMS结构阵列11，及与外电路电连接的金属膜12和环形键合金属层13，为了对每一个微机电系统单元进行真空封装，在玻璃盖板圆片10上加工出若干个凹坑3，凹坑3与微机电系统单元一一对应，在将微机电系统圆片9和玻璃盖板圆片10键合封装后形成若干个封装真空腔3，真空腔3的玻璃表面淀积一层吸气剂薄膜4，凹坑3的周围加工圆形且带有一定锥度的过孔8，过孔8内的金属膜层5作为微机电系统的电极引线，过孔8与微机电系统单元的电连接区域(即金属膜层12)相对应，并且使电极金属膜12完全覆盖过孔8。

微机电系统是玻璃基板上制作硅结构的形式，微机电系统与外界的电连接是金属焊盘(即金属膜层12)的形式。通过在玻璃基片2键合面上淀积金属层6和7(如图5b所示)，通过共晶键合工艺实现微机电系统圆片9与玻璃盖板圆片10的键合封装，在玻璃基片2键合面的过孔8周围淀积分立的金属层6，同时包围各分立金属层6制作封闭环形金属层7，将玻璃盖板圆片10和微机电系统圆片9对准，如图7所示，使每个微机电系统单元的MEMS容纳在玻璃盖板圆片10的一个凹坑3内，过孔8与微机电系统单元的金属膜层12相对应，键合金属层7与微机电系统的环形键合金属层13相对应，然后键合形成气密真空封装，通过后续的金属淀积工艺制作电连接金属层5。

本发明微机电系统圆片级真空封装方法包括如下几个主要部分：玻璃盖板圆片10的加工、微机电系统圆片9的加工、玻璃盖板圆片10与微机电系统圆片9的键合、和过孔8的电极引线金属膜层5淀积。下面分别描述：

玻璃盖板圆片10加工：

步骤一、如图2所示为本发明玻璃基片示意图，采用超声加工的方法在玻璃基片2上加工出方形或圆形凹坑，加工好的玻璃基片2如图3所示。

步骤二、对步骤一得到的玻璃基片2，采用腐蚀或超声加工的方法在玻璃基片2的凹坑3周围加工过孔8，过孔8为圆形且带有一定锥度，锥度为60～75°，并且过孔8的尺寸小于微机电系统圆片9中金属膜12的尺寸，以保证封装的密封性。如图4所示为玻璃基片上加工过孔后的结构示意图。

步骤三、在玻璃基片2的凹坑3内表面淀积吸气剂薄膜层4，如图5a所示。

步骤四、在玻璃基片2上有凹坑3的一面(即键合面)上制作键合金属层6、7，其中在过孔8周围制作分立的金属层6，制作包围过孔8并与金属层6分离的封闭环形金属层7，金属层6与金属层7形状为均为方形或圆形，金属层6被金属层7完全包围以实现微结构与外界可靠的气密封装和电气连接。键合金属层6、7的厚度为40～100nm，优选45～60nm，金属层选取金，铝或铜，键合方法为溅射、气相沉积或蒸镀，如图5b所示为本发明玻璃基片的凹坑内淀积吸气剂膜层，并且在键合面淀积键合金属层后的结构示意图，经过上述步骤制备得到玻璃盖板圆片10。

微机电结构圆片9的加工：

在玻璃基板1上制作MEMS结构阵列11，并制作与外电路电连接的金属膜12和环形键合金属层13，形成包括若干个微机电系统单元的微机电系统圆片9，如图6所示为本发明制备好的微机电系统圆片结构示意图(图中仅示出一个微机电系统单元)。

微机电系统圆片9和玻璃盖板圆片10的键合：

在真空条件下将图5b所示的玻璃盖板圆片10和图6所示的微机电系统圆片9用共晶键合的方法进行气密键合，使得一个微机电结构单元与一个凹坑3相对应，并使过孔8与微机电系统圆片9的电连接区域(金属膜12)一一对应，保证电极金属膜12完全覆盖过孔8，同时微机电系统圆片9的环形键合金属层13与玻璃盖板圆片10的键合金属层7相对应。如图7所示为本发明玻璃盖板圆片与微机电系统圆片键合封装后的结构示意图。

本发明微机电系统圆片级真空封装方法中微机电系统圆片9和玻璃盖板圆片10的键合也可以采用阳极键合的方法，只是在玻璃盖板圆片10加工过程中省去步骤四中在玻璃基片2上键合金属层6、7的步骤即可。

过孔8的电极引线金属膜层5淀积：

对于如图7所示的微机电系统圆片9和玻璃盖板圆片10的键合结构，采用溅射、气相沉积或蒸镀工艺在过孔8内淀积金属层5作为电极引线，最后经过划片得到单个的微机电系统封装器件，如8所示为本发明玻璃基片过孔内淀积金属膜后的结构示意图。

本发明采用键合工艺实现玻璃盖板与微机电结构之间的可靠结合，微机电结构是基于玻璃基板制作的微系统结构单元，并且包围每个单元在玻璃基板上制作环形键合金属层；玻璃盖板上加工作为封装腔体的凹坑，并且制作过孔用于实现微机电结构与外界的电气连接，过孔位置与微机电结构电连接焊盘相对应，在每个过孔周围制作相互分离的键合金属层实现微机电结构电连接焊盘与玻璃盖板的气密键合，在玻璃盖板单元外围边沿制作金属层，使其能够完全包围所有过孔周围的金属层；将玻璃盖板和微机电结构进行对准，使玻璃盖板单元的外围金属层与微机电结构单元环形键合金属层相对应，并且使玻璃盖板过孔与微机电结构电连接焊盘相对应，采用键合的方法实现玻璃盖板与微机电结构之间的可靠结合。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知技术。

Claims (5)

1.一种微机电系统圆片级真空封装方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)在玻璃基板(1)上制作MEMS结构(11)阵列，并制作与外电路电连接的电极金属膜(12)和环形键合金属层(13)，形成包括若干个微机电系统单元的微机电系统圆片(9)；

(2)在玻璃基片(2)上加工作为封装腔体的若干个凹坑(3)，并在每个凹坑(3)的周围加工圆形且带有一定锥度的过孔(8)；

(3)在玻璃基片(2)上的每个凹坑(3)内表面淀积吸气剂薄膜(4)，并在玻璃基片(2)上设有凹坑(3)的一面上制作键合金属层，形成玻璃盖板圆片(10)，键合金属层的厚度为45～60nm，键合方法为溅射、气相沉积或蒸镀，所述键合金属层包括过孔(8)周围分立的金属层(6)，和包围过孔(8)并与金属层(6)分离的封闭环形金属层(7)；

(4)在真空条件下将步骤(1)得到的微机电系统圆片(9)与步骤(3)得到的玻璃盖板圆片(10)进行气密键合，气密键合的方法为共晶键合，使得一个微机电系统单元与一个凹坑(3)相对应，并使过孔(8)与微机电系统单元的电极金属膜(12)相对应，并且使电极金属膜(12)完全覆盖过孔(8)；

(5)在玻璃盖板圆片(10)的过孔(8)内沉积金属膜(5)制作电极引线，方法为溅射、蒸镀或气相沉积，完成封装，并对封装结构进行划片，得到单个微机电系统封装器件。

2.根据权利要求1所述的一种微机电系统圆片级真空封装方法，其特征在于：所述步骤(2)中凹坑(3)为方形或圆形，且深度大于玻璃基板(1)上的MEMS结构(11)的高度。

3.根据权利要求1所述的一种微机电系统圆片级真空封装方法，其特征在于：所述步骤(2)过孔(8)的锥度为60～75°。

4.根据权利要求1所述的一种微机电系统圆片级真空封装方法，其特征在于：所述步骤(3)中金属层(6)与封闭环形金属层(7)的形状均为圆形或方形。

5.根据权利要求1所述的一种微机电系统圆片级真空封装方法，其特征在于：所述步骤(3)中键合金属层为金，铝或铜。

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