CN102275863B - 微机电器件的晶圆级真空封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微机电器件的晶圆级真空封装方法，依次包括如下步骤：S1、准备封盖晶圆和器件晶圆，封盖晶圆为由正、反面硅层和中间二氧化硅层组成的绝缘硅；S2、分别在器件晶圆正面和封盖晶圆正面生长密封环；S3、在封盖晶圆正面的密封环上生长焊料；S4、以密封环为掩模，对封盖晶圆进行深硅刻蚀，形成凹槽；S5、在封盖晶圆正面生长吸气剂薄膜，其图形直接由生长时的掩模版获得；S6、用将键合设备先加热激活吸气剂薄膜，再将封盖晶圆与器件晶圆键合到一起；S7、在封盖晶圆的反面生长增透膜，图形直接由生长时的掩模版获得；S8、割片。本发明通过调整工艺次序，避免了后道工艺对前道工艺结果的影响，特别适用于红外器件的封装。

Description

微机电器件的晶圆级真空封装方法

技术领域

本发明涉及一种微机电器件的晶圆级真空封装方法。

背景技术

对微机电（MEMS）器件来说，传统的封装技术主要是芯片级的封装。工艺流程包括如下步骤：首先在硅晶圆上制备MEMS芯片；然后对晶圆进行割片、释放牺牲层、贴片、引线；最后封盖。这些步骤中，释放牺牲层以后的步骤都是针对单个芯片进行的。由于一个晶圆割片后可以产生成百上千个芯片，因此这种芯片级封装的成本很高。实际上，对一个MEMS器件的成品来说，约90%的成本都消耗在封装上。因此，降低封装成本是MEMS工业的一个主要发展趋势。集成电路（IC）已经实现了晶圆级封装，在借鉴集成电路的晶圆级封装技术的基础上，针对MEMS器件的特性提出了MEMS器件的晶圆级封装工艺的技术方案。

如图1、图1A和图1B所示，传统的MEMS器件的晶圆级真空封装方法中，参与封装的有两片晶圆，MEMS传感器（或集成电路）所在的晶圆称为器件晶圆(Device Wafer)，另一片则称为封盖晶圆(Cap Wafer)。

器件晶圆1上用溅射的方法镀了多层金属形成密封环(Bond Ring)4，密封环4构成一个方形的框。在器件晶圆1的密封环4外侧设有多个引线盘8，引线盘8从器件晶圆1内部穿过密封环4的下方，与器件晶圆1的MEMS传感器（或集成电路）形成电连接。

封盖晶圆2上与器件晶圆1的密封环4相对应位置用溅射的方法镀了多层金属，形成密封环7。

封盖晶圆2的密封环7上还通过电镀或电子印刷的方法镀了一层焊料5。密封环7的作用是既要增强焊料5熔化时的浸润性，又要能阻挡焊料5扩散渗透，避免焊料5与封盖晶圆2接触。

然后使用真空键合设备，将器件晶圆1上的密封环4与封盖晶圆2的密封环7对正并接触，在大气或真空环境下加热使焊料5熔化后停止加热；待焊料5冷却后，两片晶圆就键合在一起了；最后用割片机将键合后形成的一个个单元切割下来，就成为一个完整的管芯，芯片作为管芯的底部，封盖作为管芯的顶部，焊料作为管芯的侧墙。

在该传统的MEMS器件的晶圆级真空封装方法中，由于MEMS传感器通常都含有悬空结构，有一定的高度。在键合的过程中，焊料5会熔解并重新结晶，实际厚度将小于电镀时的厚度，键合后MEMS传感器3的顶端有可能与封盖晶圆2接触，导致失效，该传统方法的封装，失效率非常高。

另外，以上所述的仅仅是一般性的MEMS晶圆封装方法。不同的MEMS器件，其封装工艺的具体要求是不一样的。某些器件，比如说非致冷式红外热辐射计阵列（IRFPA），其芯片需要在真空环境下才能正常工作，所以需要真空封装，其难度要大于气密性封装和常规封装。因此如何实现真空和长期保持真空度一直是一个挑战。通常的解决方法是使用吸气剂（Getter）材料。吸气剂通常是块体状的，必须安装固定在封装管壳上。这种方式显然不适用于芯片级封装。在晶圆级封装中，吸气材料（Ti、TiZr、TiZrV等）必须以薄膜的形式沉积在晶圆上，通常是沉积在封盖晶圆上，键合之前在真空环境中激活。不选择向器件晶圆沉积吸气材料的原因是：

芯片的工艺流程比较复杂，要经历多次清洗、刻蚀，工艺过程中的高温可能将吸气剂提前激活。

吸气剂占有的区域会增大芯片的面积，同一晶圆上所能包含的芯片数量就会减少，从而降低产能，增加成本。

除此以外，非致冷式红外热辐射计阵列（IRFPA）多用于红外成像或者温度测量，因此需要外界的红外辐射能穿透封装材料入射到芯片上，这对封盖晶圆在红外波段的透过率也提出了要求。在红外器件中，经常用作光学窗口的材料有Si和Ge。Si和Ge在8-12um波段透过率在40%-55%，在12-14um波段透过率则更低，因此单独靠晶圆材料本身还不足以达到透过率的要求。透过率偏低的原因是相当一部分入射光在空气-晶圆的表面被反射了。为了降低反射，经常需要在封盖晶圆一面或两面镀上一层减反增透膜。

吸气剂需要激活后才能使用。薄膜吸气剂的激活方式是在键合前通过加热一段时间来实现的，在这段时间中，必须保证MEMS传感器和增透膜不受高温的影响。由于键合的温度不能太低，因此往往会超过增透膜能承受的最高温度。这样一来也就限制了增透膜不能镀在封盖晶圆的正面。

密封环、吸气剂和增透膜在光窗上占有不同的区域，因此需要有效的图形化方式。密封环可以使用常见的光刻或剥离工艺处理。但高温、酸、碱、等离子体等都有可能改变增透膜或吸气剂的性能，针对红外器件必须得有独特的封装工艺。

发明内容

本发明要解决红外器件的晶圆级封装的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提出如下技术方案：

本发明的微机电器件的晶圆级真空封装方法依次包括如下步骤：

S1、晶圆准备：准备封盖晶圆和已经制备好芯片的器件晶圆，其中该封盖晶圆为绝缘硅，该绝缘硅的结构包括正面硅层、二氧化硅中间层和反面硅层，其中反面硅层为可透红外光线的硅单晶层，双面抛光，晶向<100>；

S2、分别在该器件晶圆正面和该封盖晶圆正面生长密封环；

S3、在该封盖晶圆正面的密封环上生长一层焊料；

S4、利用密封环为掩模，使用反应离子刻蚀工艺对封盖晶圆正面进行深硅刻蚀，刻蚀深度为将正面硅层刻蚀到底，到达二氧化硅中间层时自然截止，形成凹槽；

S5、使用反应离子刻蚀技术对封盖晶圆上的二氧化硅中间层进行刻蚀，到达反面硅层时自然截止，曝露出反面硅层的硅晶面；

S6、在该封盖晶圆正面用溅射或蒸发工艺生长吸气剂薄膜，其图形直接由生长时的掩模版获得；

S7、使用晶圆键合设备，先通过加热激活吸气剂薄膜，再将器件晶圆和封盖晶圆键合在一起；

S8、在该封盖晶圆反面用蒸发工艺生长增透膜，其图形直接由生长时的掩模版获得；

S9、割片。

其中，所述步骤S1中绝缘硅的三层材料的厚度分别为：

正面硅层      100～500um

二氧化硅     0.5～2um

反面硅层      400～700um

优选地，所述步骤S1中绝缘硅的三层材料的厚度分别为：

正面硅层      200um

二氧化硅      1um

反面硅层      500um

其中，所述步骤S2中的密封环由内向外依次为：

优选地，所述密封环由内向外依次为：

其中，所述步骤S3中，该焊料厚度为20～55um。

其中，所述步骤S3中，该焊料是锡、铅锡合金、锡银合金或金锡合金。

其中，所述步骤S6中，该吸气剂的材料是钛、钛锆合金或者钛锆钒合金。

其中，所述步骤S8中，该封盖晶圆上的增透膜材料为硫化锌、锗和硒化锌的一种或多种。

本发明的微机电器件的晶圆级真空封装方法的优点和积极效果是：本发明通过调整密封环生长、焊料沉积、吸气剂生长、增透膜生长这几个步骤的工艺次序，并且吸气剂和增透膜的图形都是直接通过掩模版在薄膜生长阶段就直接成型，从原则上就避开了可能改变这两种薄膜性能的光刻和刻蚀工艺，即避免了后道工艺对前道工艺结果的影响。同时，本发明的方法中，以已经形成的密封环做掩模，对封盖晶圆进行深硅刻蚀，刻蚀过程中所用的气体只与硅反应，不与密封环7中的金属反应，因此不会损害密封环和焊料。深硅刻蚀在封盖晶圆上形成了凹槽，从而增加了键合后MEMS传感器的顶端有可能与封盖晶圆之间的距离，确保了MEMS传感器和封盖晶圆不会接触，所以能够避免因二者接触而导致的失效，故本发明的方法最大程度地降低了失效率；同时，由于采用绝缘硅作为封盖晶圆，绝缘体由正面硅层、中间二氧化硅层和反面硅层三层材料组成，在刻蚀凹槽时，很容易精确控制刻蚀后凹槽的深度，并且有利于保证封盖晶圆表面的平整度，从而使得封盖晶圆的红外透过率不会出现明显的降低。所以本发明的方法不仅适用于普通微机电器件的晶圆级真空封装，还特别适用于红外微机电器件的晶圆级真空封装。

附图说明

图1是传统的微机电器件的晶圆级真空封装原理示意图；

图1A表示图1所示的微机电器件中器件晶圆的密封环结构示意图；

图1B表示图1所示的微机电器件中封盖晶圆的密封环结构示意图；

图2表示本发明的微机电器件的晶圆级真空封装方法中所使用的封盖晶圆的结构示意图；

图3A-图3I表示以非致冷式红外微测热辐射计的封装为例来说明本发明的微机电器件的晶圆级真空封装方法的流程示意图；

图4表示本发明的微机电器件的晶圆级真空封装方法中生长吸气剂所使用的掩模版的一个单元的结构示意图，图中只显示了掩模版的一个单元图形，实际掩模版包括多个这样的图形单元，覆盖整个晶圆，图中的虚线示出了密封环的位置；

图5表示本发明的微机电器件的晶圆级真空封装方法中生长增透膜步骤所使用的掩模版的结构示意图，图中只显示了掩模版的一个单元图形，实际掩模版包括多个这样的图形单元，覆盖整个晶圆，图中的虚线示出了密封环的位置。

图中附图标记：1.器件晶圆；2.封盖晶圆；2a.正面硅层；2b.中间二氧化硅层；2c.反面硅层；3.MEMS传感器；4.器件晶圆密封环；5.焊料；6.吸气剂薄膜；7.封盖晶圆密封环；8.引线盘；9.封盖晶圆反面增透膜。

具体实施方式

下面以非致冷式红外微测热辐射计芯片的封装为例来说明微机电器件的晶圆级真空封装方法。

参照图3A-图3H、图4和图5。依照本发明的方法，非致冷式红外微测热辐射计芯片30的晶圆级真空封装方法依次包括如下步骤：

S1、晶圆准备：准备封盖晶圆2和器件晶圆1。器件晶圆1内已经制备有非致冷式红外微测热辐射计30和引线盘8。图2所示，本发明的微机电器件的晶圆级真空封装方法中所使用的封盖晶圆为绝缘硅，该绝缘硅材料包括正面硅层2a、二氧化硅中间层2b和反面硅层2c，其中反面硅层为可透红外光线的硅单晶层，双面抛光，晶向<100>；正面硅层2a、二氧化硅中间层2b和反面硅层2c的厚度分别为200μm，1μm，500um。当然正面硅层2a、二氧化硅中间层2b和反面硅层2c的厚度不限于上面的数值，它们的厚度分别在100～500μm，0.5～2μm，400～700um范围内均是可行的。S2、分别在器件晶圆1正面和封盖晶圆2正面生长密封环4，7，具体步骤为：

S2a、分别在器件晶圆1正面和封盖晶圆2正面旋涂2um左右的光刻胶（正胶）；

S2b、曝光显影，刻出密封环图形；

S2c、在密封环图形上面依次溅射生长：

当然组成密封环的各个层的厚度不限于上述的点值，各层厚度在下列范围内都是可行的：

其中的钛（Ti）也可以由铬（Cr）或者钒（V）代替，金（Au）也可以由铂（Pt）或钯（Pd）代替；

S2d、用丙酮分别将器件晶圆1和封盖晶圆2在超声清洗机里清洗，剥离去掉光刻胶和密封环上方多余的金属膜；

S2e、在300℃下退火8分钟。

S3、在封盖晶圆2正面的密封环7上，用微滴喷射、电镀或化学镀的方法生长一层用作焊料5的灰锡（Sn），灰锡的厚度为50±5um，灰锡的厚度在20～55um内均是可行的。

以电镀或化学镀方法生长灰锡时，要在电镀或化学镀之前在封盖晶圆2正面旋涂2um左右的光刻胶（正胶）；之后曝光显影，露出密封环7；然后进行电镀或化学镀；最后去除残留的光刻胶。

S4、以密封环7和其上的焊料5为掩模，用反应离子刻蚀工艺对封盖晶圆的正面硅层2a进行深硅刻蚀，刻蚀深度为将正面硅层刻蚀到底，到达二氧化硅中间层2b时自然截止，形成凹槽；

S5、继续使用反应离子刻蚀技术，选用不同的气体，对封盖晶圆上的二氧化硅中间层2b进行刻蚀，到达反面硅层2c时自然截止，曝露出反面硅层2c的硅晶面；该S4，S5步骤中，由于封盖晶圆由三层材料构成，而每次刻蚀均是到达特定的层为止，因此，刻蚀深度非常容易精确控制，并且刻蚀后的表面平整度高，特别有利于提高红外光线的透过率。

S6、在封盖晶圆2正面用溅射或蒸发工艺生长吸气剂薄膜6，吸气剂材料为钛锆合金，生长过程中用掩模版挡住不需要长膜的区域。需要长膜的生长区域11（见图4）约为1×6mm，掩模版的厚度仅为0.5mm，在生长区域11内不会产生明显的遮挡效应，也就是说，生长区域11的尺寸比掩模板厚度大很多，则掩模版不会明显遮挡生长区域11的边缘，这样薄膜在绝大部分长生长区域11内都是比较均匀的。吸气剂的材料也可以选用钛或者钛锆钒合金等。

S7、使用晶圆键合设备先通过加热激活吸气剂薄膜；然后将该封盖晶圆与该器件晶圆的密封环对准并接触，在真空条件下加该热封盖晶圆直至该焊料完全熔化，再冷却至室温，从而将封盖晶圆1与器件晶圆2键合到一起。

S8、在封盖晶圆2正面用电子束蒸发工艺生长增透膜9，增透膜材料为硫化锌（ZnS）、锗（Ge）和硒化锌（ZnSe）中的一种或多种，生长过程中用掩模版挡住不需要长膜的区域。需要长膜的生长区域12（见图5）约为8×8mm，掩模版的厚度仅为0.5mm，在生长区域12内不会产生明显的遮挡效应（Shadow effect），也就是说，生长区域12的尺寸比掩模板厚度大很多，则掩模版不会明显遮挡生长区域12的边缘，这样薄膜在绝大部分长生长区域12内都是比较均匀的。

S9、割片。

本发明的微机电器件的晶圆级真空封装方法中，生长密封环和焊料的步骤安排在生长吸气剂和生长增透膜步骤前面，这样密封环图形成型所需要的光刻刻蚀工艺、密封环退火的高温、以及电镀液中的化学成分都不会影响到吸气剂和增透膜的性质。另外，本发明中，密封环中的镍（Ni）采用分层结构。太厚的镍薄膜可能会由于应力过大而导致脱膜。在中间插入一层500～1000的钛薄膜可以有效地缓解应力。总厚度为1.2um的镍薄膜起的是阻挡焊料扩散的作用。400～1000

的金可以增强焊料的润湿性。利用反应离子刻蚀技术中刻蚀气体对材料的选择性，以密封环和其上的焊料作为掩模，可直接对封盖晶圆进行深硅刻蚀，节省了光刻的步骤。所以，本发明的微机电器件的晶圆级真空封装方法，特别适用于红外微机电器件的晶圆级真空封装。本发明的微机电器件的晶圆级真空封装方法，工艺简单，便于实现，可以大大缩短微机电器件的封装周期，提高产能，降低封装成本。

虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种微机电器件的晶圆级真空封装方法，其特征在于，该方法依次包括如下步骤：

S1、晶圆准备：准备封盖晶圆和已经制备好芯片的器件晶圆，其中该封盖晶圆为绝缘硅，该绝缘硅的结构包括正面硅层、二氧化硅中间层和反面硅层，其中反面硅层为可透红外光线的硅单晶层，双面抛光，晶向<100>；

S2、分别在该器件晶圆正面和该封盖晶圆正面生长密封环；

S3、在该封盖晶圆正面的密封环上生长一层焊料；

S4、利用密封环为掩模，使用反应离子刻蚀工艺对封盖晶圆正面进行深硅刻蚀，刻蚀深度为将正面硅层刻蚀到底，到达二氧化硅中间层时自然截止，形成凹槽；

S5、使用反应离子刻蚀技术对封盖晶圆上的二氧化硅中间层进行刻蚀，到达反面硅层时自然截止，曝露出反面硅层的硅晶面；

S6、在该封盖晶圆正面用溅射或蒸发工艺生长吸气剂薄膜，其图形直接由生长时的掩模版获得；

S7、使用晶圆键合设备，先通过加热激活吸气剂薄膜，再将器件晶圆和封盖晶圆键合在一起；

S8、在该封盖晶圆反面用蒸发工艺生长增透膜，其图形直接由生长时的掩模版获得；

S9、割片；

其中，所述步骤S2中的密封环由内向外依次为：

2.根据权利要求1所述的微机电器件的晶圆级真空封装方法，其特征在于，所述步骤S1中绝缘硅的三层材料的厚度分别为：

正面硅层      100～500um

二氧化硅     0.5～2um

反面硅层      400～700um。

3.根据权利要求2所述的微机电器件的晶圆级真空封装方法，其特征在于，所述步骤S1中绝缘硅的三层材料的厚度分别为：

正面硅层      200um

二氧化硅      1um

反面硅层     500um。

4.根据权利要求1所述的微机电器件的晶圆级真空封装方法，其特征在于，所述密封环由内向外依次为：

5.根据权利要求1所述的微机电器件的晶圆级真空封装方法，其特征在于，所述步骤S3中，该焊料厚度为20～55um。

6.根据权利要求5所述的微机电器件的晶圆级真空封装方法，其特征在于，所述步骤S3中，该焊料是锡、铅锡合金、锡银合金或金锡合金。

7.根据权利要求6所述的微机电器件的晶圆级真空封装方法，其特征在于，所述步骤S6中，该吸气剂的材料是钛、钛锆合金或者钛锆钒合金。

8.根据权利要求1-7之任一所述的微机电器件的晶圆级真空封装方法，其特征在于，所述步骤S8中，该封盖晶圆上的增透膜材料为硫化锌、锗和硒化锌的一种或多种。

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