CN102862947B - 一种mems器件及其晶圆级真空封装方法 - Google Patents
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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
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(MicroElectro-MechanicalSystems,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shadowmask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(shadowmask)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shadowmask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 (1)
1.一种MEMS器件晶圆级真空封装方法,所述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,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),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shadowmask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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