CN101955152B - 具有倒y形通孔的圆片级气密性封装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有倒Y形通孔的圆片级气密性封装方法，该方法包括以下步骤：1、淀积；2、形成密封用空腔和划片槽用V形空腔；3、电镀；4、焊接；5、形成绝缘层；6、去除绝缘层；7、形成导电金属；8、填充。本发明通过在盖子圆片和MEMS圆片之间的金属与金属键合密封一空穴来达到气密性封装MEMS器件的目的。同时，通过倒Y形低深宽比通孔以方便金属淀积从而保证成品率，并且减小通孔所占面积，即作为引线将MEMS信号引到盖子圆片背面的焊盘上。本发明的低深宽比通孔制造技术具有工艺易于实现、设备投资少和成品率高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，简称MEMS)的封装技术，特别是涉及一种具有倒Y形通孔的圆片级气密性封装方法。
背景技术
随着MEMS技术发展和商业化进程的推进，MEMS器件的封装成为关键问题之一，尤其是低成本、高可靠性、多功能的圆片(圆片也可称“晶圆”)级气密封装技术是MEMS技术产业化的重点研究方向。MEMS圆片级气密封装不仅能防止外部环境对内部器件的污染，还能防止划片工艺对MEMS器件内部结构的破坏；而气密封装可以提高多种MEMS器件(如RFMEMS开关——射频微机电系统开关、微谐振器、加速度计、陀螺等)的性能，对MEMS技术的发展和应用具有至关重要的影响。
圆片级MEMS系统气密性封装与传统气密性封装相比，具有体积小、后续加工简单、易与其它器件集成、成本低等优点。就其技术而言，目前主要有两种封装工艺：一是薄膜集成工艺。它通过在MEMS微结构释放之前在牺牲层上沉积一层薄膜，然后通过薄膜上工艺腐蚀孔去掉牺牲层，再沉积一层薄膜密封这些工艺腐蚀孔，从而完成MEMS的气密性封装。此工艺具有工序简单、成本低等优点，但沉积的薄膜一般只有几微米的厚度，这很难在随后的圆片切片和圆片拾取等操作中保证完好无损，成品率较低。而且没有外引线，需要二次封装，尚不能直接作为MEMS器件的最终外封装。二是MEMS圆片和盖子圆片通过无介质的硅硅键合或阳极键合，或者通过介质材料而结合在一起，形成气密性封装。使用介质材料封装工艺比较灵活，材料主要包括金属焊料、粘结剂或玻璃浆料等。其中，金属与金属键合工艺是可靠性最高、适用性最广的技术，能在密封MEMS器件的同时，将MEMS信号引出，在盖子圆片背面或MEMS圆片背面布上外引线及焊盘，就可作为最终外封装直接使用。专利号为CN200610039668.2的中国专利“具有低深宽比通孔的圆片级气密性封装工艺”就介绍了一种可将MEMS结构内部引至盖子圆片背面的圆片级气密性封装方法，但该工艺流程比较复杂，并且在通孔内制作电镀导线的成品率比较低，制作成本较高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术的缺陷，提供一种具有倒Y形通孔的圆片级气密性封装方法，其通过在盖子圆片和MEMS圆片之间的金属与金属键合密封一空穴来达到气密性封装MEMS器件的目的。同时，通过倒Y形低深宽比通孔以方便金属淀积从而保证成品率，并且减小通孔所占面积，即作为引线将MEMS信号引到盖子圆片背面的焊盘上。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种具有倒Y形通孔的圆片级气密性封装方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
a、淀积：将硅基片的两面抛光作为盖子圆片材料；然后在表面通过氧化生长二氧化硅或CVD工艺淀积二氧化硅，再通过CVD工艺淀积氮化硅；
b、形成密封用空腔和划片槽用倒V形空腔：再在经过上述处理后的盖子圆片正面进行光刻，刻蚀氮化硅和二氧化硅，湿法或干法去除光刻胶，用湿法刻蚀溶液刻蚀硅基片，在盖子圆片正面形成梯形密封用空腔，以及划片槽用空腔为梯形作为倒Y形低深宽比通孔的倒V部分；
c、电镀：在盖子圆片正面的密封用空腔和划片槽用空腔的硅表面生长或淀积二氧化硅作为绝缘层，在盖子圆片正面溅射金属层作为电镀种子层，光刻后暴露出需要电镀的区域，在盖子圆片正面电镀金属焊料，形成密封和导线金属层；
d、焊接：焊接盖子圆片和MEMS圆片，形成密封腔和电连接；
e、形成绝缘层：在盖子圆片背面进行光刻，干法刻蚀出垂直通孔，暴露出盖子圆片正面的电镀种子层，然后再用低温生长绝缘层；
f、去除绝缘层：利用盖子圆片正面的氮化硅作刻蚀停止层，用干法刻蚀的方法去除盖子圆片背面和通孔底部的绝缘层，在通孔侧壁形成绝缘层；
g、形成导电金属：在盖子圆片背面溅射凸块下金属层，进行光刻形成焊盘图形，利用电镀形成导电金属；然后去除光刻胶，直接用导电金属层作为掩模去除圆片背面其余部分的凸块下金属层；
h、填充：用刀片切盖子圆片，形成划片槽，将导电金属层断开，用液态绝缘材料填充划片槽，加热固化，然后通过普通切割方法切割焊接后的MEMS圆片，得到单个封装好的MEMS器件。
优选地，所述步骤b中的湿法刻蚀溶液为氢氧化钾、四甲基氢氧化铵、乙二胺+邻苯二酚水溶液。
优选地，所述密封和导线金属层包括引线和焊盘。
优选地，所述盖子圆片具有密封用空腔、倒V形开口和倒V形开口里的通孔垂直部分，倒V形开口和通孔垂直部分组成倒Y形通孔。
优选地，所述压焊块和密封环是通过溅射电镀工艺在盖子圆片上的倒V形通孔内填充金属后形成的，使倒V形通孔具有导电功能。
优选地，所述引线和焊盘是通过溅射、光刻、电镀和刻蚀工艺在盖子圆片上和倒V形开口上方的垂直孔内形成的。
本发明的积极进步效果在于：本发明通过在盖子圆片和MEMS圆片之间的金属与金属键合密封一空穴来达到气密性封装MEMS器件的目的。同时，通过倒Y形低深宽比通孔以方便金属淀积从而保证成品率，并且减小通孔所占面积，即作为引线将MEMS信号引到盖子圆片背面的焊盘上。相比于传统的高深宽比通孔技术，本发明的低深宽比通孔制造技术具有工艺易于实现、设备投资少和成品率高的优点。
附图说明
图1为本发明在盖子圆片上淀积二氧化硅和氮化硅步骤的示意图。
图2为本发明形成密封用空腔和划片槽用空腔步骤的示意图。
图3为本发明电镀步骤的示意图。
图4为本发明焊接步骤的示意图。
图5为本发明形成绝缘层步骤的示意图。
图6为本发明去除绝缘层步骤的示意图。
图7为本发明形成导电金属步骤的示意图。
图8为本发明填充步骤的示意图。
图9所示为裂片后的最终单个MEMS器件立体结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。
本发明涉及的具有倒Y形通孔的圆片级气密性封装方法流程，是在硅基片上完成盖子圆片的制造，然后与MEMS圆片焊接，切割盖子圆片和填充绝缘材料，最后分片。其包括以下步骤：
S1、如图1所示，淀积步骤：将硅基片两面均抛光，或直接购买两面抛光圆片，作为盖子圆片1的材料。通过氧化或CVD(化学气相淀积)工艺生长或淀积二氧化硅21，然后CVD(化学气相淀积)淀积氮化硅22，作为硅湿法腐蚀的掩模。其中氮化硅作为主要的硅湿法腐蚀的掩膜材料，二氧化硅的作用是作为氮化硅和盖子圆片1的硅之间的应力缓冲层。
S2、如图2所示，形成密封用空腔和划片槽用倒V形空腔的步骤：在盖子圆片1的正面(即下面)涂光刻胶，对盖子圆片1进行光刻，刻蚀掉暴露部分的二氧化硅21和氮化硅22，然后去除光刻胶，用KOH(氢氧化钾)，EPW(乙二胺+邻苯二酚水溶液)，四甲基氢氧化铵，或其它湿法刻蚀溶液刻蚀硅基片，在盖子圆片1正面形成密封用空腔3和划片槽用空腔4，其中密封用空腔3的形状为梯形，划片槽用空腔4的形状也为梯形且作为倒Y形低深宽比通孔的倒V部分。
S3、如图3所示，电镀步骤：在盖子圆片1正面的密封用空腔3和划片槽用空腔4的硅表面生长或淀积二氧化硅6作为绝缘层，然后通过溅射淀积UBM层(凸块下金属层)。UBM层作为电镀种子层和提供电连接的阻焊层材料。在盖子圆片1正面涂光刻胶，光刻盖子圆片1，电镀金属焊料，然后去除光刻胶，以镀金层和焊料层作为掩模去除圆片1正面其余部分的UBM层，在盖子圆片上形成密封和导线金属层5，该密封和导线金属层5包括引线和焊盘。
S4、如图4所示，焊接步骤：对准及加热焊接盖子圆片1与具有相应压焊块10和密封环11的MEMS圆片7，形成圆片划片腔20和密封MEMS结构8的MEMS密封腔19和电连接。
S5、如图5所示，形成绝缘层步骤：在盖子圆片背面进行光刻，干法刻蚀出垂直通孔13，暴露出盖子圆片正面的电镀种子层，然后再用低温生长绝缘层12。
S6、如图6所示，去除绝缘层步骤：利用盖子圆片正面的氮化硅作刻蚀停止层，用干法刻蚀的方法去除盖子圆片背面和通孔13底部的绝缘层12，在通孔13侧壁处保留绝缘层。
S7、如图7所示，形成导电金属步骤：在盖子圆片背面溅射UBM金属层，进行光刻形成焊盘图形，利用电镀形成导电金属14。然后去除光刻胶，直接用导电金属层14作为掩模去除圆片1背面其余部分的UBM层。
S8、如图8所示，填充步骤：用宽刀片切盖子圆片1，形成宽划片槽16，将相邻盖子的导电金属层14断开。用液态绝缘材料15，如环氧树脂，填充宽划片槽，加热固化，使盖子圆片上1的硅和导电金属层14绝缘。然后通过普通芯片切割方法裂片，形成封装好的MEMS器件。液态绝缘材料15加热固化后也可作为绝缘材料保护倒Y形通孔内的引线。
图9为裂片后的最终单个MEMS器件立体结构示意图。如图9所示，在盖子圆片和MEMS圆片之间的形成密封空穴的圆片级芯片尺寸密封封装，盖子圆片由空穴、倒V形开口和通孔垂直部分组成。倒V形开口和通孔垂直部分组成倒Y形通孔，它有低深宽比的几何图形的特征。这样通孔可以很容易通过溅射和电镀覆盖金属层。倒Y形通孔是用来连接盖子圆片正面的压焊块及引线和盖子圆片背面的引线及焊盘的。盖子圆片正面的压焊块和密封环与MEMS圆片正面的压焊块和密封环通过加温焊料密封焊接，形成MEMS圆片与盖子背面焊盘的电连接，和保护MEMS结构的密封腔，该密封腔可有效地提高MEMS器件性能。压焊块和密封环是通过溅射电镀工艺在盖子圆片上的倒Y形通孔内填充金属后形成的，使倒Y形通孔具有导电功能。
引线和焊盘是通过溅射、光刻、电镀和刻蚀工艺在盖子圆片上和倒Y形开口上方的垂直孔内形成的。盖子圆片用宽刀片切割，将相邻盖子的金属层断开，然后在切割后的宽划片槽填充液态绝缘材料，用来使硅侧壁和盖子圆片上的金属层绝缘，并能保护侧壁和金属导线。当绝缘材料固化后，密封了的MEMS圆片通过普通划片分割成单个封装好的成品MEMS器件。
虽然以上描述本发明的具体实施方式，本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改。因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。
Claims (2)
1.一种具有倒Y形通孔的圆片级气密性封装方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
a、淀积：将硅基片的两面抛光作为盖子圆片材料；然后在表面通过氧化生长二氧化硅或CVD工艺淀积二氧化硅，再通过CVD工艺淀积氮化硅；
b、形成密封用空腔和划片槽用倒V形空腔：再在经过上述处理后的盖子圆片正面进行光刻，刻蚀氮化硅和二氧化硅，湿法或干法去除光刻胶，用湿法刻蚀溶液刻蚀硅基片，在盖子圆片正面形成梯形密封用空腔，以及划片槽用空腔为梯形作为倒Y形低深宽比通孔的倒V部分；
c、电镀：在盖子圆片正面的密封用空腔和划片槽用空腔的硅表面生长或淀积二氧化硅作为绝缘层，在盖子圆片正面溅射金属层作为电镀种子层，光刻后暴露出需要电镀的区域，在盖子圆片正面电镀金属焊料，形成密封和导线金属层；
d、焊接：焊接盖子圆片和MEMS圆片，形成密封腔和电连接；
e、形成绝缘层：在盖子圆片背面进行光刻，干法刻蚀出垂直通孔，暴露出盖子圆片正面的电镀种子层，然后再用低温生长绝缘层；
f、去除绝缘层：利用盖子圆片正面的氮化硅作刻蚀停止层，用干法刻蚀的方法去除盖子圆片背面和通孔底部的绝缘层，在通孔侧壁形成绝缘层；
g、形成导电金属：在盖子圆片背面溅射凸块下金属层，进行光刻形成焊盘图形，利用电镀形成导电金属；然后去除光刻胶，直接用导电金属层作为掩模去除圆片背面其余部分的凸块下金属层；
h、填充：用刀片切盖子圆片，形成划片槽，将导电金属层断开，用液态绝缘材料填充划片槽，加热固化，然后通过普通切割方法切割焊接后的MEMS圆片，得到单个封装好的MEMS器件。
2.如权利要求1所述的具有倒Y形通孔的圆片级气密性封装方法，其特征在于，所述步骤b中的湿法刻蚀溶液为氢氧化钾、四甲基氢氧化铵、乙二胺+邻苯二酚水溶液。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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Assignee: Danyang deep well Microelectronics Technology Co.,Ltd. Assignor: SENODIA TECHNOLOGIES (SHANGHAI) Co.,Ltd. Contract record no.: 2012320000413 Denomination of invention: Method of wafer-level airtight package with inverted Y-shaped through hole License type: Common License Open date: 20110126 Record date: 20120406 |
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| CP02 | Change in the address of a patent holder |
Address after: 201203, room 306, building A, building 3000, 1 East Dragon Road, Shanghai, Pudong New Area Patentee after: SENODIA TECHNOLOGIES (SHANGHAI) Co.,Ltd. Address before: 201203 Shanghai City Chenhui Road, Zhangjiang hi tech Park No. 88 Building No. 1 room 307 Patentee before: SENODIA TECHNOLOGIES (SHANGHAI) Co.,Ltd. |
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Denomination of invention: Method of wafer-level airtight package with inverted Y-shaped through hole Effective date of registration: 20140108 Granted publication date: 20120418 Pledgee: Bank of Beijing Limited by Share Ltd. Shanghai branch Pledgor: SENODIA TECHNOLOGIES (SHANGHAI) Co.,Ltd. Registration number: 2014310000001 |
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Date of cancellation: 20140808 Granted publication date: 20120418 Pledgee: Bank of Beijing Limited by Share Ltd. Shanghai branch Pledgor: SENODIA TECHNOLOGIES (SHANGHAI) Co.,Ltd. Registration number: 2014310000001 |
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| PLDC | Enforcement, change and cancellation of contracts on pledge of patent right or utility model | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Method of wafer-level airtight package with inverted Y-shaped through hole Effective date of registration: 20151228 Granted publication date: 20120418 Pledgee: Bank of Shanghai Limited by Share Ltd. Pudong branch Pledgor: SENODIA TECHNOLOGIES (SHANGHAI) Co.,Ltd. Registration number: 2015310000052 |
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| PLDC | Enforcement, change and cancellation of contracts on pledge of patent right or utility model | ||
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Date of cancellation: 20210208 Granted publication date: 20120418 Pledgee: Bank of Shanghai Limited by Share Ltd. Pudong branch Pledgor: Senodia Technologies (Shanghai) Co.,Ltd. Registration number: 2015310000052 |
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Address after: 312030 Building 5, intelligent innovation center, 487 Kebei Avenue, Keqiao Economic and Technological Development Zone, Keqiao District, Shaoxing City, Zhejiang Province Patentee after: Shendi semiconductor (Shaoxing) Co.,Ltd. Address before: Room 306, building a, building 1, 3000 Longdong Avenue, Pudong New Area, Shanghai 201203 Patentee before: Senodia Technologies (Shanghai) Co.,Ltd. |
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| CP03 | Change of name, title or address | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20120418 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |