CN103420330B - 一种应用于微器件圆片级封装通孔金属互联的制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种应用于微器件圆片级封装通孔金属互联的制作方法，涉及微器件封装工艺。提供基于气浮沉积技术，可实现各种形状通孔互联的一种适用于微机电系统中微器件圆片级封装通孔金属互联的制作方法，所述适用于微机电系统中微器件圆片级封装通孔金属互联的制作方法包括适用于微机电系统中微器件圆片级封装前通孔金属互联的制作方法或适用于微机电系统中微器件圆片级封装后通孔金属互联的制作方法。可克服现有圆片级封装过程中，通孔底部普遍存在影响电学可靠性的崩边现象，以及带有通孔结构晶圆表面难以图案化等问题。
Description
技术领域
本发明涉及微器件封装工艺，尤其是涉及一种应用于微机电系统中微器件圆片级封装通孔金属互联的制作方法。
背景技术
微机电系统（MEMS）中的微器件（如传感器）广泛应用于航空、汽车、电子等方面，例如微加速度计、陀螺仪、压力传感器等。由于惯性传感器的性能与其工作真空度有着直接关系，因此其封装工艺是MEMS制造的关键工艺。MEMS封装可以分为两类，圆片级封装与器件级封装，由于圆片级封装在器件的封装效果以及成本上大大高于芯片级封装，因此采用圆片级封装是目前的主流趋势。
例如，采用圆片级封装结构所制作的传感器，由于需要保持活动结构层密封在制备的真空腔室内，电学信号通常要求通过跨层的电极来实现，因此实现传感器信号读取与输入是圆片级封装中一项核心技术。针对典型圆片级封装传感器结构，即三层结构——用以承载可动结构的基底层，MEMS的核心活动结构层，带有通孔的盖帽层，例如全硅结构、玻璃/硅/玻璃结构、SOI/玻璃结构等。其电极跨层连接制作方案通常概括为以下步骤：
1、由基底层、结构层、带有通孔的盖帽层组成的三层结构真空封装；
2、在盖帽层表面、通孔侧壁以及孔底未键合面沉积金属制作电极，从而实现电信号在表面电极与结构层之间相连。
在电极跨层连接中，盖帽层上的通孔制备与通孔互联金属制作工艺是圆片级封装通孔互联技术的两大关键工艺。具体来说，通孔制备通常是指在盖帽层基材上通过微加工工艺，如腐蚀、喷砂、激光、机械钻等方式，制作完全贯穿的孔结构。而通孔金属互联制作是针对键合后的通孔结构进行金属化，包括通孔内金属沉积以及外延至盖帽层表面用以引线键合焊盘。针对不同的通孔形状以及尺寸，需要采用不同的微加工工艺金属化。
目前通孔金属互联制作的工艺难点以及技术困境：
1、由于通孔制作工艺各异导致通孔形状不尽相同，并且MEMS器件的真空封装工艺顺序千差万别。没有一种通用化适用于MEMS通孔互联金属制作工艺方法。如Moon Chul Lee(Ahigh yield rate MEMS gyroscopewith a packaged SiOG process)针对梯形通孔硬质掩膜版辅助磁控溅射工艺，实现互联结构制作。中国专利CN1834000A（具有底深宽比通孔的圆片级气密性封装工艺）中针对Y型通孔则采用电镀工艺制备互联结构。
2、在实际情况下，通孔制备工艺中由于材料与工艺特性决定，无论采用机械方式或者化学方式，制作通孔底部都会存在崩边现象，并且崩边的高度离散度较大，从几微米至几十微米不等。如图1所示斜通孔即为采用喷砂工艺所制备的通孔结构以及对应崩边现象特写。因此，采用传统单次溅射或者蒸镀工艺，是肯定无法直接连接崩边。因此传统解决方式是采用多次加工以克服这一现象，但是这就极大增加了工艺成本。并且由于崩边离散度通常达到10μm以上，这也极大的降低了电学连接的可靠性，会导致传感器失效。
3、微加工工艺中金属材料与结构层硅之间的接触电阻是影响MEMS中的一项重要指标。通常要求金属材料与硅之间形成小电阻的欧姆接触，即必须满足金属与硅的功函数（或者解释为势垒高度）接近，且需要热处理。铝、钛、金等能够在较低热处理温度下与硅形成欧姆接触的金属是MEMS常用电极材料。而其他金属例如银等也可以用于MEMS，但是通常受限制于其热处理温度过高（850℃）。在这类金属与硅的欧姆接触处理中，通常需要对硅面进行掺杂以降低两者势垒高度，使这类金属同样能够在较低热处理温度下与硅形成欧姆接触。中国专利CN101349602B（高掺杂点电极SOI压阻式压力传感器及制造方法）中就同样考虑到金属电极与半导体间势垒问题，利用掺杂工艺在低温下实现欧姆接触。
4、通孔金属互联中盖帽层表面的由于存在通孔结构，无法采用传统的光刻工艺，因此难于实现图案化引线键合焊盘图案化。
气浮沉积法是一种新近开发的、按需喷印的表面涂层制备方法。气浮沉积装置主要由喷嘴，粉末雾化室等组成。气浮沉积法所喷印基底温度可以为常温，沉积温度低；基底可选择金属或者聚合物，材料适应性好；喷印表面可以是平面、斜面或者曲面、基底形貌兼容性强。通常气浮沉积材料为银等纳米导电颗粒制备而成的墨水，通过对墨水烧结处理，去除其中有机成分，并且使纳米导电颗粒熔融。目前，气浮沉积法技术结合精密运动平台配合已经开始应用于MEMS柔性器件的按需喷印加工当中。
发明内容
本发明的目的在于克服现有圆片级封装过程中，通孔底部普遍存在影响电学可靠性的崩边现象，以及带有通孔结构晶圆表面难以图案化等问题，提供基于气浮沉积技术，可实现各种形状通孔互联的一种适用于微机电系统中微器件圆片级封装通孔金属互联的制作方法，所述适用于微机电系统中微器件圆片级封装通孔金属互联的制作方法包括适用于微机电系统中微器件圆片级封装前通孔金属互联的制作方法或适用于微机电系统中微器件圆片级封装后通孔金属互联的制作方法。
所述适用于微机电系统中微器件圆片级封装前通孔金属互联的制作方法，包括以下步骤：
1）在硅片正面采用扩散工艺掺杂，得到具有高掺杂硅层的硅片；
2）采用微加工工艺，在第一基片正面上加工出的第一槽结构，并在第一基片的厚度方向制作出通孔结构，将所述具有高掺杂硅层的硅片与第一基片两者正面相对键合，使硅片与第一基片形成键合组合片，并将键合组合片中硅片减薄、抛光至所需厚度，然后采用DRIE工艺刻蚀硅片，得到带有可动结构的键合组合片；
3）采用气浮沉积工艺配合精密XY平台，在具有可动结构的键合组合片带孔表面喷印纳米导电墨水，使纳米导电墨水将通孔底面与通孔侧壁连接，并使纳米导电墨水由通孔内延伸至第一基片表面，形成引线键合焊盘图案，然后置于退火炉中烧结，得到具有导电结构的键合组合片，同时，导电结构与键合组合片中通孔结构底面的未键合高掺杂硅面在烧结过程中自然形成欧姆接触，从而完成本发明所述微器件圆片级封装前的通孔金属互联的制作；
4）将具有导电结构的键合组合片的硅面与第二基片的第二槽结构对准，使硅片上可动结构置于第二基片的第二槽结构内，在真空条件下，采用键合工艺，实现可动结构的圆片级真空封装。
在步骤1）中，所述掺杂的元素可以为硼、磷、砷等，以提高硅片表面的功函数。
在步骤2）中，所述第一基片的通孔结构的截面形状可为正梯形、倒梯形、垂柱形等不同单一形状，也可以是由不同单一形状组合的形状；所述通孔结构的侧壁与通孔结构底面的过渡部位可以是具有崩边的非自然过渡，也可以是无崩边的自然过渡。
在步骤3）中，所述导电材料的材料可以是银、金等，也可以是导电胶、导电环氧树脂等。
所述适用于微机电系统中微器件圆片级封装后通孔金属互联的制作方法，包括以下步骤：
1）在封装后结构的带孔表面溅射金属，然后置于退火炉中，使通孔结构底面未键合硅区域与金属形成欧姆接触，得到沉积金属且具有欧姆接触特性的封装后结构；
2）采用气浮沉积工艺配合精密XY平台，在沉积金属且具有欧姆接触特性的封装后结构的带孔表面喷印纳米导电墨水，使纳米导电墨水将通孔底面与通孔侧壁连接，并使纳米导电墨水由通孔内延伸至第一基片表面，形成引线键合焊盘图案，然后置于退火炉中烧结，得到具有导电结构的封装后结构；
3）采用湿法腐蚀工艺，去除第一基片表面未被导电结构覆盖的金属，从而完成本发明所述微器件圆片级封装后的通孔金属互联。
在步骤1）中，所述金属可以是铝、钛等单一金属，也可以是多种金属层复合的组合金属，如铝/金、钛/氮化钛/铂等组合金属；所述金属与硅功函数接近，且能够在温度低于600℃以下经热处理形成欧姆接触。
与现有技术比较，本发明的有益效果如下：
1、基于气浮沉积的按需喷印特性，可以实现纳米导电墨水的局部喷印，提高了通孔互联的制作中由于底部崩边现象所导致的低可靠性。并且相比于传统的溅射、蒸镀等方式极大地节省了互联的制作成本；
2、采用气浮沉积工艺，配合精密XY运动平台。直接实现的通孔金属互联以及带孔表面引线键合焊盘图案制作。无需传统的光刻、掩膜等工艺，简化步骤；
3、通过以上技术方案，可以在兼容绝大多数MEMS圆片级封装工艺流程，是一类通用化的应用于微机电系统特别是微器件圆片级封装中通孔金属互联制作方法。该方案不受通孔形状、硅片电阻率等实验条件的限制，极大地扩宽了应用范围。
附图说明
图1为背景技术所述的现常用的喷砂制作方法所制备的通孔结构截面SEM示意图。在图1中，各标记表示：1.可动结构；2.第一槽结构；4.通孔结构；01.硅片；02.第一基片。
图2为本发明第一技术方案所述在微器件圆片级封装前的通孔金属互联制作方法的流程示意图。在图2中，各标记表示：1.可动结构；2.第一槽结构；3.第二槽结构；4.通孔结构；6.导电材料；7.高掺杂硅层；601.表面引线键合焊盘；602.通孔内导电结构；01.硅片；02.第一基片；03.第二基片。
图3为本发明第一技术方案所述在微器件圆片级封装前的通孔金属互联制作方法所得通孔互联结构的SEM示意图。在图3中，各标记表示：601.表面引线键合焊盘；602.通孔内导电结构；02.第一基片。
图4为本发明第二技术方案所述在微器件圆片级封装后的通孔金属互联制作方法的流程示意图。在图4中，各标记表示：1.可动结构；2.第一槽结构；3.第二槽结构；4.通孔结构；5.金属；6.导电结构；601.表面引线键合焊盘；602.通孔内导电结构；01.硅片；02.第一基片；03.第二基片。
具体实施方式
参见图2，本发明第一技术方案所述微器件圆片级封装前通孔金属互联的制作方法，具体包括以下步骤：
步骤1，提供一硅片01，电阻率不限，采用扩散工艺，在硅片01正面掺杂，得到具有高掺杂硅层7的硅片01，如图2(a)所示；
步骤2，提供第一基片02，第一基片02选择Pyrex7740玻璃（基片02的材料不局限于是无机氧化物，也可以为半导体材料、如硅等。特别指出若第一基片02为半导体材料，则要求第一基片02所有表面都有绝缘层覆盖，若第一基片02为无机氧化物，则不需要绝缘层）。在第一基片02正面制作第一槽结构2。并且在第一基片02厚度方向制作出截面形状为倒梯形通孔结构4（通孔结构4截面形状不局限于倒梯形，也可以为正梯形、垂柱形，还可以是不同单一形状的组合），通孔结构4最小内径大于10μm，深宽比最大不超过200。通孔结构4侧壁与通孔结构4底面是具有崩边的非自然过渡。将具有高掺杂硅层7的硅片01与第一基片02正面相对，采用阳极键合工艺，形成键合组合片。然后采用研磨、化学机械抛光工艺，将所述键合组合片中硅片01减薄并抛光。最后在减薄后键合组合片的硅片01上通过光刻、溅射、DRIE等组合工艺，刻蚀出可动结构1，得到带有可动结构1的键合组合片，位置关系如图2(b)所示；
步骤3，采用气浮沉积工艺，将所述带有可动结构1的键合组合片固定于精密XY运动平台且带孔表面向上。控制气浮沉积喷头与键合组合片之间间距为3mm至5mm。采用纳米银墨水作为喷印原料，调节如流量、雾化功率等喷印过程参数，使喷印液滴小于通孔结构4的最小内径，并配合精密XY平台运动，实现纳米银墨水的按需喷印。喷印后，使纳米银墨水连接通孔结构4底面与侧壁，并将纳米银墨水由通孔结构4内延伸至第一基片02表面，形成引线键合焊盘图案。然后置于退火炉中，200～400℃、氮气气氛下烧结30min，得到具有导电结构6的键合组合片。其中导电结构6包括第一基片02表面的引线键合焊盘601，通孔结构4内导电材料602，如图2(c)所示。同时，导电结构6与键合组合片中通孔结构4底面未键合的高掺杂硅面在烧结过程中自然形成欧姆接触，从而完成本发明所述微器件圆片级封装前的通孔金属互联结构的制作；
步骤4，采用微加工工艺在第二基片03正面加工出第二槽结构3，第二基片03选择Pyrex7740玻璃（基片03的材料不局限于是无机氧化物，也可以为半导体材料、如硅等。特别指出若第二基片03为半导体材料，则要求第二基片03所有表面都有绝缘层覆盖，若第二基片03为无机氧化物，则不需要绝缘层）。并将所述具有导电结构6的键合组合片的硅面与第二基片03组合正面相对并且对准，位置关系如图2(d)所示。置于真空键合机中，采用阳极键合技术，实现可动结构1的圆片级封装。
参见图3，图3为通孔互联完成后的通孔互联结构SEM示意图。
参见图4，本发明第二技术方案所述微器件圆片级封装后通孔金属互联的制作方法，具体包括以下步骤：
步骤1，如图4(a)所示，利用溅射工艺，在封装后结构带孔表面沉积金属5，厚度为100nm～500nm，在此具体实施例中金属5选择铝。将溅射有金属5的封装后结构置于退火炉中，450℃、氮气气氛中退火30min，使通孔结构4底面未键合硅区域与金属5形成欧姆接触，得到沉积金属5且具有欧姆接触特性的封装后结构；
步骤2，采用气浮沉积工艺，将所述沉积金属5且具有欧姆接触特性的封装后结构固定于精密XY运动平台且带孔表面向上。控制气浮沉积喷头与封装后结构之间间距为3mm至5mm。采用纳米银导电墨水作为喷印原料，调节如流量、雾化功率等喷印过程参数，使喷印液滴小于通孔结构4的内径。配合精密XY平台运动，实现纳米导电墨水的按需喷印。喷印后，使纳米银墨水连接通孔结构4底面与通孔结构4侧壁，并将纳米银墨水由通孔结构4内延伸至第一基片02表面，形成引线键合焊盘图案。然后置于退火炉中烧结，得到具有导电结构6的封装后结构。其中导电结构6包括第一基片02表面的引线键合焊盘601，通孔结构4内导电材料602，如图4(b)所示。
步骤3，将具有导电结构6的封装后结构置于铝的腐蚀溶液中，去除未被导电材料覆盖的金属5，如图4(c)所示。从而完成本发明所述微器件圆片级封装后的通孔金属互联的制作。
Claims (6)
1.一种应用于微机电系统中微器件圆片级封装前通孔金属互联的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在硅片正面采用扩散工艺掺杂，得到具有高掺杂硅层的硅片；
2)采用微加工工艺，在第一基片正面上加工出的第一槽结构，并在第一基片的厚度方向制作出通孔结构，将所述具有高掺杂硅层的硅片与第一基片两者正面相对键合，使硅片与第一基片形成键合组合片，并将键合组合片中硅片减薄、抛光至所需厚度，然后采用DRIE工艺刻蚀硅片，得到带有可动结构的键合组合片；
3)采用气浮沉积工艺配合精密XY平台，在具有可动结构的键合组合片带孔表面喷印纳米导电墨水，使纳米导电墨水将通孔底面与通孔侧壁连接，并使纳米导电墨水由通孔内延伸至第一基片表面，形成引线键合焊盘图案，然后置于退火炉中烧结，得到具有导电结构的键合组合片，同时，导电结构与键合组合片中通孔结构底面的未键合高掺杂硅面在烧结过程中自然形成欧姆接触，从而完成所述微器件圆片级封装前的通孔金属互联的制作；
4)将具有导电结构的键合组合片的硅面与第二基片的第二槽结构对准，使硅片上可动结构置于第二基片的第二槽结构内，在真空条件下，采用键合工艺，实现可动结构的圆片级真空封装。
2.如权利要求1所述的一种应用于微机电系统中微器件圆片级封装前通孔金属互联的制作方法，其特征在于，步骤1)中，所述掺杂的元素为硼、磷或砷。
3.如权利要求1所述的一种应用于微机电系统中微器件圆片级封装前通孔金属互联的制作方法，其特征在于，步骤2)中，所述第一基片的通孔结构的截面形状为正梯形、倒梯形或垂柱形，或者为正梯形、倒梯形或垂柱形中的至少两种形状的组合形状；所述通孔结构的侧壁与通孔结构底面的过渡部位为具有崩边的非自然过渡或无崩边的自然过渡。
4.如权利要求1所述的一种应用于微机电系统中微器件圆片级封装前通孔金属互联的制作方法，其特征在于，步骤3)中，所述导电结构的材料为银、金、导电胶或导电环氧树脂。
5.一种应用于微机电系统中微器件圆片级封装后通孔金属互联的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在封装后结构的带孔表面溅射金属，然后置于退火炉中，使通孔结构底面未键合硅区域与金属形成欧姆接触，得到沉积金属且具有欧姆接触特性的封装后结构；
2)采用气浮沉积工艺配合精密XY平台，在沉积金属且具有欧姆接触特性的封装后结构的带孔表面喷印纳米导电墨水，使纳米导电墨水将通孔底面与通孔侧壁连接，并使纳米导电墨水由通孔内延伸至第一基片表面，形成引线键合焊盘图案，然后置于退火炉中烧结，得到具有导电结构的封装后结构；
3)采用湿法腐蚀工艺，去除第一基片表面未被导电结构覆盖的金属，从而完成所述微器件圆片级封装后的通孔金属互联的制作。
6.如权利要求5所述的一种应用于微机电系统中微器件圆片级封装后通孔金属互联的制作方法，其特征在于，步骤1)中，所述金属为铝、钛单一金属，或者为铝/金组合金属、钛/氮化钛/铂组合金属。
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