CN102530844B - 一种微器件的真空封装方法 - Google Patents

Abstract

一种微器件的真空封装方法，涉及一种微器件的封装方法。采用微加工工艺在下硅片上加工硅岛、可动结构及附属金属电极和引线；采用湿法腐蚀法在上硅片正面加工出梯形通孔，在上硅片背面加工出微流道；采用硅-玻璃阳极键合技术将上硅片与玻璃盖板键合在一起；采用玻璃浆料键合技术实现下硅片与上硅片的键合；将键合后的圆片置于真空键合机中，通过微流道将腔体内气体抽走，激光局部加热技术使玻璃盖板的局部熔化，融化后的玻璃将微流道密封起来，最终实现MEMS器件的晶圆级真空封装。

Description

一种微器件的真空封装方法

技术领域

本发明涉及一种微器件的封装方法，尤其是涉及一种采用微流道激光局部加热技术的微电子机械(MEMS)器件真空封装方法，可用于封装谐振式压力传感器、微陀螺仪等需要工作在高气密真空环境下的微小器件。

背景技术

MEMS技术主要用来制作微传感器、微电子、微制动器和微结构等。经过多年的发展，MEMS器件的设计与制造技术已经相当成熟，但是很多芯片仍未作为产品得到实际应用，其主要原因是未解决封装问题。MEMS真空封装是一种采用密封腔体提供高气密真空环境的封装技术，真空封装使MEMS器件的可动部分工作于真空环境下，大大的提高了MEMS器件的品质因数。如MEMS谐振器，在大气环境下的品质因数约为20～40，但当它工作在10^-5Pa的真空环境时，其品质因数可高达5000。随着MEMS技术的发展，越来越多的MEMS器件需要真空封装，如一些电子、机械以及光学传感器，包括微谐振器、微陀螺仪、薄膜压力传感器、射频MEMS元件、真空场发射器以及一些光学MEMS器件等。

MEMS器件的真空封装可以分为器件级和圆片级。所谓器件级真空封装，是指先将单个的芯片从硅圆片上分离出来，然后依次完成封装工序。如Druck公司的RPT200谐振式压力传感器采用玻璃管实现谐振子结构的真空封装，主要采用玻璃浆料键合工艺。晶圆级的真空封装是指以硅圆片为单位进行封装操作，芯片与封装之间的连接等所有封装工序全部以硅圆片为单位进行操作，与单个芯片封装相比，大大节省了封装的成本，并且芯片不受后道工序的影响，如划片等。目前常用的晶圆级真空封装技术包括硅硅直接键合、阳极键合和金硅共晶键合等。其中，硅硅直接键合对表面质量要求较高，需要高温退火以增加键合强度，容易破坏器件中的金属等结构；阳极键合主要应用于玻璃与硅、碳化硅等材料的键合，对衬底的依赖性较强；金硅共晶键合利用金硅共熔点低的特点将金作为中间层实现硅与硅的键合，只能封装硅材料，而且对键合界面要求比较高，必须首先去除SiO₂。以上三种键合方法可以应用在圆片级封装，但是很难引出器件所需要的电极，不利于后续的器件测试。玻璃浆料键合可以应用于圆片级封装，可以封装大部分材料，对表面质量要求也不高，但采用玻璃浆料直接封装，有机溶剂很容易残留在封装腔体内，从而影响器件的长期稳定性。目前，MEMS器件的器件级封装技术相对成熟，通常采用陶瓷外壳和金属外壳对单个器件进行封装，封装过程相对复杂，耗费时间长，封装成本占整个器件成本的50％～80％。Druck公司采用玻璃管对压力传感器进行真空封装，玻璃管长度在1cm以上，造成封装后的器件体积严重增加，而且需要火焰融合玻璃、器件支撑夹具等大型设备，且对单个器件逐一封装，严重降低了封装效率。

中国专利CN1561944公开一种可体内降解高分子材料微器件真空热融封装方法，首先采用准LIGA技术的厚胶紫外光刻微制造工艺制作带有凸台的微阵列结构的PDMS微器件模具，再用PDMS微器件模具建立带有凹槽的微阵列结构的可体内降解高分子材料微器件；将药物放入可体内降解高分子材料微器件的凹槽内，根据微器件的结构尺寸，制作封装垫板，将制成的可体内降解高分子材料微器件放入封装垫板中，连同垫板一并放入真空恒温槽中使真空度达到-0.1MPa；对真空恒温槽加温至40～45℃，保温25～35min，在真空干燥箱干燥即可。本发明利用高分子材料分子自身的扩散特性，经加温后，接触表面分子相互扩散，使接触面自身相互融合，达到密封目的，可防止封装中添加辅助材料所带来的不良影响。

中国专利CN101905855A公开一种晶片级微器件的封装方法。该方法包括：在第一硅晶片的顶面上制备微器件；在第一硅晶片的顶面上沉积第一遮蔽碳膜层，覆盖微器件；通过第一遮蔽碳膜层来支撑第一硅晶片的顶面，由此从第一硅晶片的底面来完成晶片背面制备工艺；通过与碳进行选择性气体反应将第一遮蔽碳膜层移除；将封装晶片封装在第一硅晶片的顶面。本发明通过化学方法沉积和移除第一遮蔽碳膜层，从而在进行晶片背面制备工艺时对晶片顶面的微器件进行保护，避免了机械损伤和背面制备工艺带来的化学污染。对晶片顶面的保护无需在进行晶片背面制备工艺之前就使用封装晶片进行封装，使得在随后的晶片背面制备工艺过程中转移的晶片很轻薄，转移操作便捷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种MEMS器件的晶圆级或器件级真空封装方法及其工艺，进一步降低MEMS器件真空封装的成本。

本发明的另一目的在于提出一种采用微流道激光局部加热技术实现腔体密封的方法，使MEMS器件的可动结构工作于高气密真空环境，提高MEMS器件的品质因数等性能。

本发明包括以下步骤：

1)采用微加工工艺在下硅片上加工硅岛、可动结构及附属金属电极和引线；

2)采用湿法腐蚀法在上硅片正面加工出梯形通孔，在上硅片背面加工出微流道；

3)采用硅-玻璃阳极键合技术将上硅片与玻璃盖板键合在一起；

4)采用玻璃浆料键合技术实现下硅片与上硅片的键合；

5)将键合后的圆片置于真空键合机中，通过微流道将腔体内气体抽走，激光局部加热技术使玻璃盖板的局部熔化，融化后的玻璃将微流道密封起来，最终实现MEMS器件的晶圆级真空封装。

本发明所述MEMS器件真空封装方法，其中，下硅片上的可动结构及附属金属电极通过硅微加工技术制作而成；

本发明所述MEMS器件真空封装方法，其中，上硅片包括微流道和梯形通孔，梯形通孔通过各向异性湿法腐蚀工艺制作而成，湿法腐蚀和ICP干法刻蚀技术均可制作微流道，微流道4的形状采可用“S”形折线形式；

本发明所述MEMS器件真空封装方法，其中，盖板选择7740玻璃，采用阳极键合技术将上硅片与玻璃盖板键合起来；

本发明所述MEMS器件真空封装方法，其中，玻璃浆料的热膨胀系数与硅片接近，玻璃浆料通过丝网印刷涂覆在上硅片正面，下硅片和上硅片在晶片键合机中进行对准和键合。玻璃浆料键合对硅片的表面质量要求较低，键合温度要低于MEMS结构和金属电极的承受温度，以免对其造成损坏。

本发明所述MEMS器件真空封装方法，其中，最关键的是微流道的封闭，在真空键合机中，腔体内气体通过微流道被抽走，当腔体真空度达到目标值后，激光局部加热使盖板位于“S”形折线上方区域的玻璃熔化，融化后的玻璃填充到“S”形微流道中，同时将真空键合机内的气压迅速恢复到大气压，或者使键合机内的压强继续降低1～2个数量级，靠器件腔体内外的压强差值使融化后的玻璃充满微流道，实现封装腔体的密封。

相对于现有的MEMS器件级封装成本较高、晶圆级封装真空度较低等问题，该发明不仅更容易获得较高的真空度，而且节约了封装成本。整个封装过程所涉及的刻蚀、硅-玻璃阳极键合、玻璃浆料键合和激光局部加热等技术已经比较成熟，可以保证MEMS器件真空封装的顺利实现。

本发明采用玻璃浆料键合技术形成封装腔体，通过微流道将封装腔体内的气体抽走，随后采用激光局部加热方法将微流道封闭，最终实现MEMS器件的晶圆级或器件级真空封装。该封装方法简单有效，不仅实现了MEMS器件与外部的电学连接，可以在玻璃浆料中的有机成分完全挥发后再进行真空封装，使得封装腔体的真空度得以保证，在MEMS器件的真空封装领域具有广阔的前景。

附图说明

图1为在下硅片上加工可动结构的一种实施方案。

图2为在上硅片上加工微流道和梯形通孔的一种实施方案。

图3为上硅片和盖板的配合关系示意图。

图4为三层结构装配完成后的整体视图。

图5为三层结构的爆炸示意图。

图6为三层结构装配完成后的的剖视图。

在图1～6中，各主要配件的标记为：1可动结构，2硅岛，3融化后的玻璃，4微流道，5梯形通孔，01下硅片，02上硅片，03盖板。

具体实施方式

本发明包括以下步骤：

参见图1，采用微加工工艺在下硅片01上加工出如图1所示的硅岛2、MEMS可动结构1及附属金属电极和引线；

参见图2，通过硅片的各向异性湿法腐蚀在上硅片02正面腐蚀出梯形通孔5，玻璃浆料键合时，可动机构1置于梯形通孔5内；上硅片02背面的微流道4的尺寸在微米量级，微流道4的形状采用“S”形折线形式，通过湿法腐蚀或ICP干法刻蚀技术制作而成；

参见图3，盖板03选择7740玻璃，采用阳极键合技术将上硅片02与玻璃盖板03键合在一起；

参见图4～6，上硅片02正面通过丝网印刷涂覆一层玻璃浆料，玻璃浆料的热膨胀系数与上硅片02接近。预烧结后，在晶圆键合机中进行对准，使可动机构置于梯形通孔5内，再对玻璃浆料进行烧结，将下硅片01与上硅片02键合在一起；

键合后的圆片放在真空键合机中，腔体内的气体通过微流道4被抽走，当腔体真空度达到目标值后，激光局部加热，使盖板特定区域的玻璃熔化，融化后的玻璃3填充到微流道4中，同时将真空键合机内的气压迅速恢复到大气压，或者使键合机内的压强继续降低1～2个数量级，靠器件腔体内外的压强差值使融化后的玻璃3充满微流道，最终将封装腔体密封起来，使封装腔体的真空度保持在一个较高量级，最终实现MEMS器件的晶圆级真空封装。

Claims (1)

1.一种微器件的真空封装方法，其特征在于包括以下步骤：

1)采用微加工工艺在下硅片上加工硅岛、MEMS可动结构及附属金属电极和引线；

2)采用湿法腐蚀法在上硅片正面加工出梯形通孔，玻璃浆料键合时，可动机构置于梯形通孔内；上硅片背面的微流道的尺寸在微米量级，微流道的形状采用“S”形折线形式，通过湿法腐蚀或ICP干法刻蚀技术，在上硅片背面加工出微流道；

3)采用硅-玻璃阳极键合技术将上硅片与玻璃盖板键合在一起；

4)在上硅片正面通过丝网印刷涂覆一层玻璃浆料，玻璃浆料的热膨胀系数与上硅片接近，预烧结后，在晶圆键合机中进行对准，使可动机构置于梯形通孔内，再对玻璃浆料进行烧结，将下硅片与上硅片键合在一起；

5)将键合后的圆片放在真空键合机中，腔体内的气体通过微流道被抽走，当腔体真空度达到目标值后，激光局部加热，使盖板特定区域的玻璃熔化，融化后的玻璃填充到微流道中，同时将真空键合机内的气压迅速恢复到大气压，或者使键合机内的压强继续降低1～2个数量级，靠器件腔体内外的压强差值使融化后的玻璃充满微流道，最终将封装腔体密封起来，使封装腔体的真空度保持在一个较高量级，最终实现MEMS器件的晶圆级真空封装。