CN102862947A - 一种mems器件及其晶圆级真空封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种MEMS器件及其晶圆级真空封装方法，其特征在于：采用硅硅直接键合技术实现晶圆级真空封装，硅衬底（10）上键合的硅结构层（15）采用低阻硅片，直接在硅结构层上刻蚀形成电互联引线（5），在硅盖帽（12）中引线通孔（13）中的电互联引线压焊区（4）上溅射铝电极（14）。本发明具有如下优点：采用全硅结构，键合后无残余应力，能够大大提高器件工作性能；利用低阻硅作为电极引线，避免了硅硅直接键合过程中高温对金属电极的破坏；硅硅直接键合气密性极好，大大降低了封装成本；这种方法一致性和可靠性高，工艺易于实现。

Description

一种MEMS器件及其晶圆级真空封装方法

技术领域

本发明属于微电子机械技术领域，特别涉及一种基于硅硅键合技术的MEMS器件及其真空封装方法。

背景技术

微机电系统（Micro Electro-Mechanical Systems,MEMS）是以微电子、微机械以及材料科学为基础，研究、设计、制造具有特定功能的微型装置，包括微传感器、微执行器等，MEMS器件具有体积小、重量轻、功耗低、批量化生产等诸多优点。

通常MEMS器件是由一些可动结构组成，这些可动结构非常脆弱，易碎，易被灰尘、水汽等破坏，为了不影响后续的加工和装配，需要对其进行晶圆级封装，以提供良好的机械支撑以及环境保护等功能。此外，很多具有重要应用的MEMS器件都需要进行真空封装，如MEMS陀螺仪、MEMS加速度计、MEMS射频器件等，采用真空封装可以有效降低可动结构运动时的空气阻尼，提高器件的品质因数，从而能够极大的提高器件工作性能。

实现MEMS器件的真空封装方法较多，但基本思想一致，就是将带有空腔结构的盖帽圆片在真空腔室中与MEMS器件结构圆片进行键合，使得每个器件同时实现真空封装，真空度要求较高的器件还需要添加吸气剂。一般MEMS器件中的电互联导线是采用在结构上溅射金属薄膜引出的，真空封装的难点在于如何将电互联引出，同时又能保证器件腔室的密封性。通常的做法是将盖帽圆片压焊点处制作通孔，并在通孔四周制作密封键合环，通过常用的键合方法实现器件的密封，一般所用的键合方法有：静电键合、共晶键合、粘合剂键合等。这些键合方法都有各自的缺陷，例如：静电键合是将硅片与玻璃键合，难免存在残余应力，影响器件性能；共晶键合需要添加吸气剂；粘合剂在真空状态下会放出气体，影响腔室真空度。

发明内容

本发明的目的是为了解决MEMS器件晶圆级真空封装气密性差、电互联引出困难的问题，提出了一种MEMS器件晶圆级真空封装方法，这种方法具有简单可行，易于实现的特点。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种MEMS器件，由硅盖帽层、硅结构层和硅衬底经硅硅直接键合后组成，硅结构层中设有可动结构，其特征在于：硅结构层采用可作为导体的低阻硅片，并且直接在硅结构层上制作出电互联引线，硅盖帽层中设置的引线通孔与电互联引线压焊区对应，并在电互联引线压焊区上溅射铝电极。

一种MEMS器件晶圆级真空封装方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）硅衬底制作：利用光刻技术、ICP深硅刻蚀技术在硅衬底上形成浅腔，并经氧化工艺使硅衬底表面生长一定厚度的氧化层；

（2）硅盖帽制作：利用光刻工艺以及KOH腐蚀工艺形成结构浅腔以及电极引线通孔，并氧化使其表面形成一定厚度的氧化层；

（3）硅衬底与硅结构层直接键合：中间的硅结构层采用可作为导体的低阻硅片，采用硅硅直接键合工艺，将硅衬底与硅结构层直接键合；

（4）中间硅结构层中的可动结构以及电互联引线的制作：利用CMP减薄抛光技术将与硅衬底键合的低阻硅片减薄到需要的厚度，通过光刻工艺获得硅结构层中的可动结构以及电极引线图形，再利用ICP深硅刻蚀技术释放可动结构，同时刻蚀形成低阻硅电极引线两侧隔离槽；

中间低阻硅结构层采用电阻率为0.001-0.01Ω·cm的N型或P型硅片，一般电容式器件均可采用这种低阻硅作为电极引线，对电极引线电阻率没有严格要求的其他器件也可采用这种结构；

（5）将硅盖帽与硅结构层直接键合，使硅盖帽的引线孔对准硅结构层中的电极引线压焊区；

（6）压焊区域金属化：利用掩蔽shadow mask溅射工艺在引线孔中的电极引线压焊区上溅射铝，形成金属化的压焊点。

本发明提供的MEMS器件采用全硅结构，电互联引线不再采用金属引线，硅结构层采用低阻硅片，可利用低阻硅作为电极引线，在结构释放的同时，刻蚀形成低阻硅电极引线两侧的隔离槽，实现低阻硅电极引线间的电绝缘，从而克服了金属引线无法承受硅硅直接键合高温过程的难题；利用KOH腐蚀技术在硅盖帽上制作引线孔，引线孔的面积要小于硅电极引线压焊区域面积，完成盖帽键合后，压焊区域最外围一周是键合面，从而达到了密封的目的；利用真空硅硅直接键合技术将三层结构键合在一起，实现器件的真空封装，这种全硅结构封装形式气密性极好，不需要添加吸气剂；利用掩蔽（shadow mask）溅射工艺在引线孔中溅射铝，形成压焊点。

本发明与传统MEMS器件及晶圆级真空封装方法相比有如下优点：器件采用全硅结构，键合后无残余应力，能够大大提高器件工作性能；利用低阻硅作为电极引线，避免了硅硅直接键合过程中高温对金属电极的破坏；硅硅直接键合气密性极好，键合后两硅片融为一体，无需额外添加吸气剂，大大降低了封装成本；这种方法一致性和可靠性高，工艺易于实现，便于推广和应用。

附图说明

图1为本发明MEMS器件晶圆级真空封装原理示意图；

图2为本发明MEMS器件晶圆级真空封装剖视图；

图3为MEMS器件晶圆级真空封装工艺流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

一、MEMS器件结构：

如图1、图2所示，MEMS器件由硅衬底层10、硅结构层15以及硅盖帽层12组成。

硅衬底10表面刻蚀形成浅腔8，使可动结构6与衬底之间形成一定间距，避免阻碍可动结构运动。硅盖帽层12腐蚀浅腔9以及引线通孔13，浅腔9与硅衬底上的浅腔8位置及形状对应一致。硅衬底10与硅盖帽12表面分别有一定厚度氧化层7与氧化层11，与硅结构层15键合后起到绝缘作用。硅结构层15由可动结构6、电互联引线5、隔离槽2、键合环1、键合环3以及压焊区4组成，隔离槽2能够实现电互联引线间的电绝缘；键合环3与压焊区4为一体结构，在盖帽键合时，压焊区4对应硅盖帽引线孔13，引线孔13周围一圈为键合区域，即键合环3。压焊区域4表面溅射铝电极14，形成金属化的压焊点。

二、MEMS器件晶圆级真空封装工艺流程：

图3中图（a）-（i）为MEMS器件的主要工艺过程的示意图，具体如下：

图（a）-（b）是硅衬底的制作：利用光刻工艺在硅衬底10上制作空腔图形，之后用ICP深硅刻蚀工艺刻蚀形成浅腔8，最后经氧化工艺使其表面形成一定厚度的氧化层7。

图（c）是硅结构层与硅衬底直接键合：硅结构层15为低阻硅片，利用硅硅直接键合技术将硅结构层15与硅衬底层10键合在一起。

图（d）硅结构层减薄抛光：利用化学机械抛光机（CMP）将硅结构层15减薄到所需厚度，再将表面抛光。

图（e）是可动结构以及电互联引线刻蚀：利用光刻工艺形成可动结构6以及电互联引线5的图形，经ICP深槽刻蚀释放可动结构，同时刻蚀形成电互联引线5、压焊区域4、键合环3、键合环1以及隔离槽2。

图（f）-（h）是硅盖帽制作：利用光刻、KOH腐蚀工艺在硅盖帽下表面形成浅腔9；光刻出引线孔13的图形，利用KOH腐蚀液将引线孔腐通；将表面氧化，生产一定厚度绝缘层11。

图（i）是硅盖帽与硅结构层键合：利用双面对准原理，将硅盖帽12与硅结构层15对准，采用真空硅硅直接键合技术，实现硅盖帽12与硅结构层15的键合封装。

图2是压焊点金属化：利用掩蔽shadow mask溅射工艺在引线孔中溅射铝电极14。

经上述工艺流程，实现了MEMS器件晶圆级真空封装。

Claims (2)

1.一种MEMS器件，由硅盖帽（12）、硅结构层（15）和硅衬底（10）经硅硅直接键合后组成，硅结构层（15）中设有可动结构，其特征在于：硅结构层（15）采用可作为导体的低阻硅片，并且直接在硅结构层上刻蚀形成电互联引线（5）以及压焊区（4），硅盖帽（12）中设置的引线通孔（13）与压焊区（4）相对应，并在压焊区（4）上溅射铝电极（14）。

2.一种MEMS器件晶圆级真空封装方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）硅衬底制作：利用光刻技术、ICP深硅刻蚀技术在硅衬底上形成浅腔，并经氧化工艺使硅衬底表面生长一定厚度的氧化层；

（2）硅盖帽制作：利用光刻工艺以及KOH腐蚀工艺形成结构浅腔以及电极引线通孔，并氧化使其表面形成一定厚度的氧化层；

（3）硅衬底与硅结构层直接键合：中间的硅结构层采用可作为导体的低阻硅片，采用硅硅直接键合工艺，将硅衬底与硅结构层直接键合；

（4）可动结构以及电互联引线的制作：利用CMP减薄抛光技术将与硅衬底键合的低阻硅片减薄到需要的厚度，通过光刻工艺获得硅结构层中的可动结构以及电互联引线图形，再利用ICP深硅刻蚀技术释放可动结构，同时刻蚀形成低阻硅电极引线两侧隔离槽；

（5）将硅盖帽与硅结构层直接键合，使硅盖帽的引线孔对准硅结构层中的电极引线压焊区；

（6）压焊区域金属化：利用掩蔽shadow mask溅射工艺在引线孔中的电互联引线压焊区上溅射金属铝，形成压焊点。

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