CN102190276B - 微机电器件及其封装制作工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微机电系统（MEMS）器件及其加工方法。所述MEMS加工方法是为了解决MEMS结构的保护和MEMS器件的封装。所述的MEMS器件包括MEMS结构、电引线和硅衬底，所述的硅衬底上带有硅通孔或空腔，所述的MEMS结构位于硅通孔或空腔内，MEMS结构和硅衬底之间通过弯曲的薄膜连接；从而可以将硅衬底与载体直接倒装连接。本发明的优点在于：将MEMS结构置于硅衬底内侧加以保护，使MEMS结构可以有更大的位移空间，带硅通孔的芯片MEMS结构的正反面可同时使用，被保护的MEMS结构可进行晶片级的封装，直接进行倒装焊，通过单层薄膜或多层薄膜的残余应力致使薄膜连接弯曲以实现MEMS结构的下移，结构简单，节省了大量空间，使用方便。

Description

微机电器件及其封装制作工艺
技术领域
本发明涉及一种微机电系统（MEMS)技术，具体地说是一种微机电器件及其封装制作工艺，属于微机电技术领域。
背景技术
微机电技术（MEMS）及MEMS器件已广泛应用于汽车、喷墨打印机、投影仪及消费电子包挎手机、手提电脑、玩具等，由于对MEMS器件需求量的上升，MEMS制作已逐步实现大规模生产化，其生产成本也在迅速降低。但由于MEMS器件的特殊性，即每个芯片上都有需要机械保护的微结构，其封装难度大、成本高，如图1所示，MEMS结构有可动的悬挂部件，如没有保护，很容易破碎，封装时通常需要加环绕的保护墙3，有时还需加封盖，MEMS结构的控制电连线也需要从芯片表面引出，这将占据较大面积。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述问题，本发明设计了一种微机电器件及其制作工艺，使MEMS结构可以有更大的位移空间，使MEMS结构得以保护，可对被保护的MEMS结构可进行晶片级的封装。
本发明的技术方案为：
一种微机电器件，包括MEMS结构、电引线和硅衬底，所述的硅衬底上设有空腔，所述的MEMS结构置于空腔内，且MEMS结构比硅衬底表面位置低，MEMS结构和硅衬底之间通过薄膜连接；
进一步地，所述的薄膜连接为双层或多层薄膜；
进一步地，所述的各薄膜的热膨胀系数不相同。
另一种微机电器件，包括MEMS结构、电引线和硅衬底，所述的硅衬底上带有硅通孔，所述的MEMS结构位于硅通孔内，MEMS结构和硅衬底之间通过弯曲的薄膜连接；
进一步地，所述的薄膜连接为双层或多层薄膜；
进一步地，所述的各薄膜的热膨胀系数不相同。
用于上述微机电器件的封装制作工艺，将硅衬底与载体直接倒装连接，连接点位于电引线处；
进一步地，所述的连接方式为锡焊连接、导电胶连接或银浆连接中的一种。
本发明的优点在于：将MEMS结构置于硅衬底内侧加以保护，使MEMS结构可以有更大的位移空间，带硅通孔的芯片MEMS结构的正反面可同时使用，被保护的MEMS结构可进行晶片级的封装，直接进行倒装焊，通过单层薄膜或多层薄膜的残余应力致使薄膜连接弯曲以实现MEMS结构的下移，结构简单，节省了大量空间，使用方便。
附图说明
    图1为现有MEMS产品封装的示意图；
    图2本发明实施例1产品的示意图；
    图3本发明实施例1产品的封装示意图；
    图4本发明实施例2产品的示意图；
    图5本发明实施例2产品的封装示意图；
    图6本发明实施例1溅射铝层的示意图；
    图7本发明实施例1硅衬底中空腔的示意图；
    图8本发明实施例1生产的产品示意图。
具体实施方式
以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图2所示，一种微机电器件，包括MEMS结构2、电引线4和硅衬底1，所述的硅衬底1上设有空腔6，所述的MEMS结构2置于空腔6内，且MEMS结构2比硅衬底1表面位置低，MEMS结构2和硅衬底1之间通过薄膜5连接；所述的薄膜5连接为双层薄膜；所述的双层薄膜的热膨胀系数不相同。
通过一个向下弯曲的薄膜连接，MEMS结构下移到比衬底表面低的位置，于是，MEMS结构就被衬底形成的侧壁所保护，关键在于控制薄膜连接的弯曲度，薄膜的弯曲可由薄膜内应力产生，也可由薄膜生长过程中形成的残余应力产生，还可由两层或两层以上薄膜中的热应力产生；最通用的一种方法是利用两层薄膜的双金属效应，即由于两种薄膜材料的热膨胀系数不一样，在薄膜高温生长后形成残余应力，从而导致薄膜结构在经过腐蚀释放后向上或向下弯曲；薄膜弯曲的方向取决于那一层薄膜的热膨胀系数大；如果上层膜的热膨胀系数大，双层膜就向上弯曲；如果下层膜的热膨胀系数大，双层膜就向下弯曲，弯曲的曲率由每层膜的厚度和两层膜热膨胀系数的差值决定。它还和膜生长的温度有关，MEMS结构下移的多少取决于薄膜的曲率和薄膜连接的长度。
双层薄膜的材料可以多种多样，热膨胀系数大的材料通常用金属，如铝，金，铂，铜等；而热膨胀系数小的材料可以用介电质如二氧化硅，氮化硅等，或者各种树脂如PDMS，Polyimide，PMMI等。
制作工艺的关键在于形成空腔时要保护MEMS结构不被腐蚀，空腔的形成可以是干法刻蚀如RIE或DRIE，也可用湿法腐蚀如KOH腐蚀。
一个可以实现上述器件的具体制作工艺如下（这个例子中使用铝和钨作为双层膜的两种材料，其中，铝的人膨胀系数比钨的大）：
(1)     在硅衬底上热生长或淀积一层二氧化硅（SiO2）；
(2)     进行加掩膜光刻后浓扩散后，在衬底中形成P+掺杂层；
(3)     化学腐蚀掉二氧化硅后再热生长或淀积一层二氧化硅（SiO2），接着溅射一层铝（如图6所示）；
(4)     在上述铝层上淀积一层金属钨并用刻蚀或Lift-off技术形成图形；
(5)     在步骤（4）的铝层上淀积一层二氧化硅并刻蚀；
(6)     在步骤（5）的二氧化硅和钨层上均淀积一层氮化硅，依次刻蚀Si3N4层、SiO2层、Al层、SiO2层，一直到硅衬底界面；
(7)     湿法腐蚀硅，在MEMS结构下的硅衬底中形成一个空腔（如图7所示）；
(8)     MEMS结构悬空后，多层薄膜组成的梁产生弯曲，使MEMS结构向上或向下位移；
(9)     最后干法腐蚀氮化硅，从而把引线脚露出（如图8所示）。
上述步骤中所用到的氮化硅、二氧化硅、铝、钨等金属材料，可以相互替换，多种多样，其中有热膨胀系数大的材料通常用金属，如铝，金，铂，铜等；以及热膨胀系数小的材料可以用介电质如二氧化硅，氮化硅等，还可以是各种树脂如PDMS，Polyimide，PMMI等。
由于MEMS结构已受保护，如图3所示，MEMS器件2可以直接倒装焊，从而大大降低封装成本，并减小封装尺寸，将硅衬底1与载体9直接倒装连接，连接点8位于电引线处；所述的连接方式为锡焊连接、导电胶连接或银浆连接中的一种。
实施例2
如图4所示，一种微机电器件，包括MEMS结构2、电引线4和硅衬底1，所述的硅衬底1上带有硅通孔7，所述的MEMS结构2位于硅通孔7内，MEMS结构2和硅衬底1之间通过弯曲的薄膜5连接；所述的薄膜5连接为双层薄膜；所述的双层薄膜的热膨胀系数不相同。
MEMS结构位于硅通孔之中，通过一个向下弯曲的薄膜连接使MEMS结构下移到比衬底表面低的位置，薄膜连接的向下弯曲也是通过两种薄膜材料的热膨胀系数不一样来实现的。
本设计方案的优势有：（1）MEMS结构可以有更大的位移空间；（2）MEMS结构的背面可以作为正面使用，这对光学器件尤为重要；（3）可用SOI（Silicon on Insulator，基于绝缘体的硅晶片）硅片，使MEMS结构由单晶硅构成，所以MEMS结构可以非常平，这对光学和惯性器件都很有用。
由于MEMS结构已受保护，如图5所示，MEMS器件2可以直接倒装焊，从而大大降低封装成本，并减小封装尺寸，将硅衬底1与载体9直接倒装连接，连接点8位于电引线处；所述的连接方式为锡焊连接、导电胶连接或银浆连接中的一种。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1. 微机电器件，包括MEMS 结构、电引线和硅衬底，其特征在于：所述硅衬底上带有硅通孔，所述的MEMS 结构位于硅通孔内，MEMS 结构和硅衬底之间通过弯曲的薄膜连接；所述MEMS 结构比硅衬底表面位置低；所述薄膜连接为双层或多层薄膜；所述双层或多层薄膜的热膨胀系数不相同；在封装制作中，将硅衬底与载体直接倒装连接，连接点位于电引线处；所述连接为锡焊连接、导电胶连接或银浆连接中的一种。
2.一种权利要求1所述的微机电器件的封装制作工艺，其特征在于，包括以下步骤：
(1) 在硅衬底上热生长或淀积一层二氧化硅；
(2) 进行加掩膜光刻后浓扩散后，在衬底中形成P+掺杂层；
(3) 化学腐蚀掉二氧化硅后再热生长或淀积一层二氧化硅，接着溅射一层铝；
(4) 在上述铝层上淀积一层金属钨并用刻蚀或Lift-off 技术形成图形；
(5) 在步骤（4）的铝层上淀积一层二氧化硅并刻蚀；
(6) 在步骤（5）的二氧化硅和钨层上均淀积一层氮化硅，依次刻蚀Si3N4 层、SiO2 层、Al层、SiO2 层，一直到硅衬底界面；
(7) 湿法腐蚀硅，在MEMS 结构下的硅衬底中形成一个空腔；
(8)MEMS 结构悬空后，多层薄膜组成的梁产生弯曲，使MEMS 结构向上或向下位移；
(9) 最后干法腐蚀氮化硅，从而把引线脚露出。
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