CN103454052B

CN103454052B - Mems器件及晶圆级密封性的测量方法

Info

Publication number: CN103454052B
Application number: CN201310386021.7A
Authority: CN
Inventors: 刘玮荪
Original assignee: Shanghai Huahong Grace Semiconductor Manufacturing Corp
Current assignee: Shanghai Huahong Grace Semiconductor Manufacturing Corp
Priority date: 2013-08-29
Filing date: 2013-08-29
Publication date: 2017-03-01
Anticipated expiration: 2033-08-29
Also published as: CN103454052A

Abstract

本发明提供一种MEMS器件及晶圆级密封性的测量方法，MEMS器件的测量方法包括：提供一由上至下依次由第一晶片、第二晶片和第三晶片键合而成的MEMS器件，第二晶片中具有一MEMS装置，第一晶片和第三晶片通过MEMS装置互通形成有空腔；使空腔区域对应的第一晶片薄膜厚度减薄；将MEMS器件放入一具有光学传感器的气压量测仪中，空腔对应的第一晶片表面与光学传感器面对面放置；气压量测仪中送入一大于空腔中的气压的预定气压；经过一预定时间后，通过光学传感器记录来自于空腔对应的第一晶片表面的光的反射角；重复上一步，比较每次记录的反射角，以评估MEMS器件的密封性能，此方法操作简单、效率高、成本低。

Description

MEMS器件及晶圆级密封性的测量方法

技术领域

本发明属于半导体制造工艺技术领域，尤其涉及一种MEMS器件及晶圆级密封性的测量方法。

背景技术

微机电系统（Micro-Electro-Mechanical-Systems，MEMS）是利用微细加工技术在单块硅芯片上集成传感器、执行器、处理控制电路的微型系统，其中的处理控制电路使用传统的微电子制造工艺制成（如CMOS、Bipolar、BICOMS等）。在MEMS的众多工艺环节中，以MEMS的封装最为引人注目，难度也最大。据统计，MEMS的封装成本约占整个MEMS器件成本的50～80％。

MEMS封装的目的就是将MEMS装置和附加IC电路组成一个完成的MEMS系统，完成电互连、功能的实现和保护。由于MEMS装置中含有一些微小的机械结构，如果使其暴露在恶劣多变的工作环境下，一方面会造成微结构的破坏，另一方面由于灰尘、化学溶剂、温度、湿度、压力等的不确定性也会造成MEMS器件性能的不稳定，甚至失灵。

如图1所示，通常封装采用晶圆级密封，即在晶片（晶片1和2键合后再与晶片3键合）上直接对需要保护的MEMS装置A进行密封，也就是只对晶片的局部进行密封，这类密封工艺一般在将MEMS器件B从晶片上切割下来之前、在整个晶片上进行的。此外，对需要保护的MEMS装置进行密封的方式通常采用固相键合技术，如图2和3所示，把若干具有平面结构的晶片重叠结合在一起，例如具有空腔1-1的晶片1、晶片2和具有空腔3-1的晶片3重叠结合在一起（B、C键合），MEMS装置A存在与晶片2中，空腔为真空，从而构成MEMS器件。由于MESMS封装中的不良的密封性对于MEMS器件的可靠性来说起着关键的作用，所以，晶片重叠结合在一起的键合界面需要气密性良好。

但是，现有的键合界面气密性的测量方法，需要将晶片切割成一个个MEMS器件（Die），并逐一对每个MEMS器件进行密封测量以判断其密封性的好坏。而对每个MEMS器件的键合界面进行气密性的测量方法，一是判断位于晶片3表面上的铝凸块A与位于晶片2表面上的锗凸块B是否对准，二是做拉力测试，以测试需要用多大的力量才可以将铝凸块A和锗凸块B键合的界面分开，力量越小，键合界面气密性越差，反之，气密性越好。这种测量MEMS器件密封的方法费时费力，成本很高。

发明内容

本发明的目的是提供一种MEMS器件及晶圆级密封性的测量方法，使测量MEMS器件气密性的方法操作简单、效率高、成本低。

为了解决上述问题，本发明提供一种MEMS器件的测量方法，包括：

步骤1：提供一MEMS器件，所述MEMS器件由上至下依次由第一晶片、第二晶片和第三晶片键合而成，所述第二晶片中具有一MEMS装置，所述第一晶片和第三晶片通过MEMS装置互通形成有空腔；

步骤2：使所述空腔区域对应的第一晶片薄膜厚度减薄；

步骤3：将减薄后的MEMS器件放入一气压量测仪中，所述气压量测仪设置有一光学传感器，所述空腔对应的第一晶片表面与所述光学传感器面对面放置；

步骤4：所述气压量测仪中送入一预定气压，所述预定气压大于所述空腔中的气压；

步骤5：经过一预定时间后，通过所述光学传感器记录来自于所述空腔对应的第一晶片表面的光的反射角；

步骤6：重复步骤5，比较每次记录的所述反射角，以评估MEMS器件的密封性能。

进一步的，在步骤5中，所述空腔区域对应的第一晶片薄膜沿所述空腔的方向向下弯曲。

进一步的，在步骤6中，当每次记录的所述反射角大于0度且相同时，MEMS器件具有紧密的密封性能。

进一步的，在步骤5中，所述空腔区域对应的第一晶片薄膜沿所述空腔的方向由向下弯曲逐渐变为不弯曲。

进一步的，在步骤6中，当每次记录的所述反射角不相同时，MEMS器件不具有紧密的密封性能。

进一步的，所述第一晶片和第二晶片的键合方式为熔融键合。

进一步的，所述第二晶片和第三晶片的键合方式为金属共晶键合。

进一步的，所述空腔区域对应的第一晶片薄膜的厚度减薄至10μm-20μm。

为了达到本发明的另一目的，还提供一种晶圆级密封性的测量方法，包括：

步骤1：采用一晶圆级封装工艺制作一MEMS器件，所述MEMS器件由上至下依次由第一晶片、第二晶片和第三晶片键合而成，所述第二晶片中具有一MEMS装置，所述第一晶片和第三晶片通过MEMS装置互通形成有空腔；

步骤2：使所述空腔区域对应的第一晶片薄膜厚度减薄；

步骤6：重复步骤5，比较每次记录的所述反射角，当每次记录的所述反射角大于0度且相同时，采用所述晶圆级密封工艺制作MEMS器件；当每次记录的所述反射角不相同时，停止使用所述晶圆级密封工艺制作MEMS器件，并对所述晶圆级密封工艺进行调整。

由上述技术方案可见，本发明公开的MEMS器件的测量方法，包括：步骤1：提供一MEMS器件，所述MEMS器件由上至下依次由第一晶片、第二晶片和第三晶片固相键合而成，所述第一晶片具有第一空腔，所述第二晶片中具有一MEMS装置，所述第三晶片具有第三空腔，所述第一空腔和第三空腔通过MEMS装置互通形成第二空腔；步骤2：使所述第一空腔区域对应的第一晶片薄膜厚度减薄；步骤3：将减薄后的MEMS器件放入一气压量测仪中，所述气压量测仪设置有一光学传感器，所述第一空腔对应的第一晶片表面与所述光学传感器面对面放置；步骤4：所述气压量测仪中送入一预定气压，所述预定气压大于所述第二空腔中的气压；步骤5：经过一预定时间后，通过所述光学传感器记录来自于所述第一空腔对应的第一晶片表面的光的反射角；步骤6：重复步骤5，比较每次记录的所述反射角，以评估MEMS器件的密封性能，如所述第一空腔区域对应的第一晶片薄膜沿所述第二空腔的方向向下弯曲，且每次记录的所述反射角大于0度且相同，则MEMS器件具有高度密封性；如所述第一空腔区域对应的第一晶片薄膜沿所述第二空腔的方向向下弯曲逐渐变为不弯曲，且每次记录的所述反射角不相同，MEMS器件不具有高度密封性，本发明的测量方法操作简单、效率高、成本低。

此外，本发明公开的晶圆级密封性的测量方法，当每次记录的所述反射角大于0度且相同时，说明采用所述晶圆级密封方式制成的MEMS器件具有高度密封性，则可以继续按照所述晶圆级密封工艺对芯片的局部进行密封，然后将MEMS器件从晶片上切割下来，而无需再进行密封性测试；当每次记录的所述反射角不相同时，说明采用所述晶圆级密封方式制成的MEMS器件的气密性不佳，停止使用所述晶圆级密封工艺制作MEMS器件，并对所述晶圆级密封工艺进行调整，直到再次评估的MEMS器件具有高度密封性时，则可以按照调整后的晶圆级密封工艺对芯片的局部进行密封，然后再将MEMS器件从晶片上切割下来，而无需再进行密封性测试，同样，本发明的晶圆级密封性的测量方法操作简单、效率高、成本低。

附图说明

图1为现有技术中具有MEMS装置的晶圆级封装过程中的局部剖面结构示意图；

图2为现有技术中MEMS器件封装过程中的剖面结构示意图；

图3为图2所示的MEMS器件封装过程中的侧视结构示意图；

图4为本发明实施例一中的MEMS器件的测量方法的流程图；

图5为本发明实施例二中的晶圆级密封性的测量方法的流程图；

图6为图4和图5所示的测量方法中MEMS器件放入气压测量仪进行测量的侧视示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

实施例一

以图4所示的流程图为例，结合图6，对本发明提供的一种MEMS器件的测量方法进行详细说明。

在步骤1中，提供一MEMS器件，所述MEMS器件包括三个晶片，分别为第一晶片10、具有厚度为20μm-50μm的第二晶片20和第三晶片30，所述第一晶片中具有一腔体10-1，所述第二晶片中具有一MEMS装置20-1，所述第三晶片也具有一腔体30-1，将所述第一晶片和第二晶片的一表面键合，再将所述第三晶片与第二晶片的另一表面进行键合，所述第二晶片的一表面与其另一表面是相对的，由于MEMS装置具有通孔，所以所述第一晶片的腔体和第三晶片的腔体通过所述MEMS装置互通而形成一空腔。其中，所述腔体10-1、30-1的宽度为大于等于50μm，所述腔体10-1、30-1的深度为大于等于30μm，所述腔体10-1、30-1的宽度和深度不能过小，否则，在步骤S2中制成的所述空腔区域对应的第一晶片薄膜没有足够的空间进行弯曲，无法完成评估测试。

其中，所述空腔为真空状态，具有气压为P0。所述第一晶片作为MEMS器件的封装盖帽使用，且在所述第三晶片中制作有用以对信号进行分析和处理的CMOS器件。此外，所述第一晶片和第二晶片通过二氧化硅进行熔融键合，而所述第三晶片与第二晶片通过金属锗和金属铝进行金属共晶键合。

在步骤2中，通过研磨和刻蚀工艺使所述空腔区域对应的第一晶片薄膜厚度减薄至10-20μm，如所述空腔区域对应的第一晶片薄膜厚度太厚，不易弯曲，如所述空腔区域对应的第一晶片薄膜厚度太薄，容易断裂。

在步骤3中，提供一气压量测仪40，所述气压量测仪的顶部设置有一光学传感器CCD，将减薄后的MEMS器件放入气压量测仪中，并且使所述空腔对应的第一晶片表面与所述光学传感器面对面放置，所述第一晶片表面与所述光学传感器之间具有一定距离。

在步骤4中，向所述气压量测仪中送入一预定气压P1，所述预定气压P1大于所述空腔中的气压P0。

在步骤5中，经过一预定时间T后，所述光学传感器向所述空腔对应的第一晶片表面射出光线，光线到达所述空腔对应的第一晶片表面后发射，所述光学传感器会记录光的反射角θ。

如所述MEMS器件的空腔中的气压P0不泄露，则所述预定气压P1始终大于所述空腔中的气压P0，因此所述空腔区域对应的第一晶片薄膜在高的预定气压P1的作用下，始终向具有小的气压P0的空腔方向向下进行弯曲，那么反射角不会沿原来的方向返回而具有一定角度。

如所述MEMS器件的空腔中的气压P0会泄露，最初所述空腔区域对应的第一晶片薄膜先在高的预定气压P1的作用下，向具有小的气压P0的空腔方向向下进行弯曲，那么反射角不会沿原来的方向返回而具有一定角度。当所述预定气压P1逐渐与所述MEMS器件的空腔中的气压P0交换，直到两者平衡的过程中，所述空腔区域对应的第一晶片薄膜沿所述空腔向下弯曲的状态逐渐变为不弯曲，那么反射角会沿原来的方向返回而反射角为0度。

在步骤6中，重复步骤5，比较每次记录的所述反射角，当每次记录的所述反射角大于0度且相同时，MEMS器件具有高度密封性；当每次记录的所述反射角不相同时，MEMS器件的气密性并不良好。

实施例二

在实施例一的基础上，以图5所示的流程图为例，结合图6，对本发明提供的一种晶圆级密封性的测量方法进行详细说明。

在步骤1中，采用一晶圆级封装工艺制作一MEMS器件，所述MEMS器件的具体结构参见实施例一中的步骤1，在此不再一一赘述。

步骤2至步骤5参见实施例一中的步骤2至步骤5，在此不再一一赘述。

在步骤6中，重复步骤5，比较每次记录的所述反射角。

当每次记录的所述反射角大于0度且相同时，当每次记录的所述反射角大于0度且相同时，说明采用所述晶圆级密封方式制成的MEMS器件具有高度密封性，则可以继续按照所述晶圆级密封工艺对芯片的局部进行密封，然后将MEMS器件从晶片上切割下来，而无需再进行密封性测试。

当每次记录的所述反射角不相同时，说明采用所述晶圆级密封方式制成的MEMS器件的气密性不佳，停止使用所述晶圆级密封工艺制作MEMS器件，并对所述晶圆级密封工艺进行调整，直到再次评估的MEMS器件具有高度密封性时，则可以按照调整后的晶圆级密封工艺对芯片的局部进行密封，然后再将MEMS器件从晶片上切割下来，而无需再进行密封性测试，同样，本发明的晶圆级密封性的测量方法操作简单、效率高、成本低。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims

1.一种MEMS器件的测量方法，其特征在于，包括：

步骤2：使所述空腔区域对应的第一晶片薄膜厚度减薄；

步骤6：重复步骤5，比较每次记录的所述反射角，以评估MEMS器件的密封性能，当每次记录的所述反射角大于0度且相同时，所述空腔区域对应的第一晶片薄膜沿所述空腔的方向向下弯曲，MEMS器件具有紧密的密封性能；当每次记录的所述反射角不相同时，所述空腔区域对应的第一晶片薄膜沿所述空腔的方向由向下弯曲逐渐变为不弯曲，MEMS器件不具有紧密的密封性能。

2.如权利要求1所述的MEMS器件的测量方法，其特征在于：所述第一晶片和第二晶片的键合方式为熔融键合。

3.如权利要求1所述的MEMS器件的测量方法，其特征在于：所述第二晶片和第三晶片的键合方式为金属共晶键合。

4.如权利要求1所述的MEMS器件的测量方法，其特征在于：所述空腔区域对应的第一晶片薄膜的厚度减薄至10μm-20μm。

5.一种晶圆级密封性的测量方法，其特征在于，包括：

步骤1：采用一晶圆级封装工艺制作一MEMS器件，所述MEMS器件由上至下依次由第一晶片、第二晶片和第三晶片固相键合而成，所述第二晶片中具有一MEMS装置，所述第一晶片和第三晶片通过MEMS装置互通形成有空腔；

步骤2：使所述空腔区域对应的第一晶片薄膜厚度减薄；

步骤6：重复步骤5，比较每次记录的所述反射角，当每次记录的所述反射角大于0度且相同时，所述空腔区域对应的第一晶片薄膜沿所述空腔的方向向下弯曲，采用所述晶圆级密封工艺制作MEMS器件；当每次记录的所述反射角不相同时，所述空腔区域对应的第一晶片薄膜沿所述空腔的方向由向下弯曲逐渐变为不弯曲，停止使用所述晶圆级密封工艺制作MEMS器件，并对所述晶圆级密封工艺进行调整。