CN104340952A - Mems圆片级真空封装方法及结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种MEMS圆片级真空封装方法，该方法包括以下步骤：制作芯片圆片，芯片圆片包括：基底、MEMS、位于MEMS外围的第一焊料环、形成在第一焊料环之外的电极，其中MEMS和电极通过基底表面的连接层相连；制作盖板圆片，盖板圆片的正面包括与MEMS尺寸位置相对应的凹腔、与第一焊料环尺寸位置对应的第二焊料环，盖板圆片的背面包括与最终制备器件的边缘对应的第一划片标记，和与最终制备相邻MEMS器件中间对应的第二划片标记；将芯片圆片与盖板圆片对准并键合；以及沿着第一划片标记划断盖板圆片，沿第二划片标记划断盖板圆片和芯片圆片。本方法具有密封性好、电极引出方便、工艺简便易行的优点。本发明还公开了一种MEMS圆片级真空封装结构。

Description

MEMS圆片级真空封装方法及结构

技术领域

本发明属于微电子机械技术领域，具体涉及MEMS圆片级真空封装方法及结构。

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，以便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。

目前的真空封装方法主要包括基于薄膜淀积工艺的真空封装方法和基于圆片键合工艺的真空封装方法。

基于薄膜淀积工艺的圆片级真空封装工艺，是由牺牲层上淀积的薄膜形成覆盖器件的封闭空腔，在薄膜上刻蚀释放孔以刻蚀牺牲层，最后，在这层薄膜上淀积另一层薄膜实现封口。基于薄膜淀积真空封装工艺使用标准的集成电路工艺，并且使用较少的圆片面积，它的成本将少于基于圆片键合工艺的真空封装。但是该工艺淀积的薄膜很薄、腔体很小，极容易在划片过程中损坏；同时，气体的泄漏率与器件内外的压力差成正比，而真空封装的器件内外压力差较大，造成目前基于薄膜淀积工艺的真空封装器件存在真空泄露，使用寿命降低，不能满足真空封装使用寿命至少十年的使用要求。

基于圆片键合工艺的真空封装是将带有微机电结构的圆片与盖板圆片直接键合，盖板圆片一般是玻璃或硅片，键合工艺可以在密封或半密封状态下进行，防止微机电系统在后道工序受到污染。对于密封键合工艺，微机电系统可以在真空或惰性气体的环境中进行封装。现有基于圆片键合工艺中，由于圆片级封装，器件内外的电连接很容易影响到真空封装的气密性，因此它决定了整个器件的真空封装结构。硅通孔(Through Silicon Via)技术也是比较常用的解决方案。但是硅通孔使器件制造工艺变得复杂，成本仍然很高。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一或至少提供一种有用的商业选择。为此，本发明的目的在于提出一种密封性好、电极引出方便、工艺简便易行的MEMS圆片级真空封装方法。本发明的另一目的在于提出一种密封性好，电极引出方便、结构简单的MEMS圆片级真空封装结构。

为此，根据本发明实施例的MEMS圆片级真空封装方法，包括以下步骤:制作芯片圆片，其中，所述芯片圆片包括：基底、形成位于所述基底之上的MEMS、形成所述基底之上并位于所述MEMS外围的第一焊料环、形成在所述第一焊料环之外的电极，其中所述MEMS和所述电极通过位于所述基底表面的连接层相连；制作盖板圆片，其中，所述盖板圆片的正面包括：与所述MEMS尺寸位置相对应的凹腔、与所述第一焊料环尺寸位置对应的第二焊料环，所述盖板圆片的背面包括：第一划片标记和第二划片标记，所述第一划片标记与最终制备器件的边缘对应，所述第二划片标记位于所述最终制备相邻MEMS器件的之间位置；将所述芯片圆片与所述盖板圆片对准并键合，其中，所述第一焊料环与所述第二焊料环对准，所述MEMS与所述凹腔对准；以及沿着所述第一划片标记划断所述盖板圆片，沿着所述第二划片标记划断所述盖板圆片和芯片圆片。

在本发明的一个实施例中，所述制作芯片圆片包括：提供所述基底；在所述预连接所述MEMS与电极的位置形成连接层，所述连接层位于所述基底表面；在所述基底之上形成所述MEMS和电极；以及在所述基底之上、所述MEMS与所述电极之间形成环绕所述MEMS的所述第一焊料环。

在本发明的一个实施例中，所述制作盖板圆片包括：提供所述盖板圆片；在所述盖板圆片的正面形成凹腔；在所述盖板圆片的正面、所述凹腔的周围形成第二焊料环；以及在所述盖板背面形成第一划片标记和第二划片标记。

在本发明的一个实施例中，所述制作盖板圆片还包括：在所述凹腔底部形成吸气剂。

在本发明的一个实施例中，通过化学各向异性刻蚀、物理刻蚀、物理化学交互刻蚀或光刻刻蚀的工艺形成所述凹腔。

在本发明的一个实施例中，所述键合为黏合剂表面键合、阳极键合、硅熔融键合或共晶键合。

在本发明的一个实施例中，所述第一焊料环的材料为玻璃浆料、Al、Si、Ge、Sn、Cu、Au、Ti/Au双层膜或Cr/Au双层膜。

在本发明的一个实施例中，所述第二焊料环的材料为玻璃浆料、Ge、Al、Sn、Si、Cu、Au、Ti/Au双层膜或Cr/Au双层膜。

在本发明的一个实施例中，所述盖板圆片的材料为锗、硅、硒化锌、硫化锌、玻璃或陶瓷。

在本发明的一个实施例中，所述吸气剂为非蒸散型吸气剂，材料为Zr合金、Zr-Al合金、Ti-Mo合金、Ti-Zr-V合金、Zr-V-Fe合金或纳米吸气剂

综上所述，本发明的MEMS圆片级真空封装方法具有密封性好、电极引出方便、工艺简便易行的优点。

为此，根据本发明实施例的MEMS圆片级真空封装结构，是通过上述的MEMS圆片级真空封装方法制得。

综上所述，本发明的MEMS圆片级真空封装结构具有密封性好、电极引出方便、结构简单的优点。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明实施例的MEMS圆片级真空封装方法的流程图；

图2是制作芯片圆片的示意图；

图3是制作盖板圆片的示意图；

图4是芯片圆片与盖板圆片对准并键合的示意图；和

图5是划片切割器件的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1是本发明实施例的MEMS圆片级真空封装方法的流程图，参考图1，根据本发明实施例的MEMS圆片级真空封装方法，包括以下步骤：

A.制作芯片圆片，其中，芯片圆片包括：基底、形成位于基底之上的MEMS、形成基底之上并位于MEMS外围的第一焊料环、形成在第一焊料环之外的电极，其中MEMS和电极通过位于基底表面的连接层相连。

B.制作盖板圆片，其中，盖板圆片的正面包括：与MEMS尺寸位置相对应的凹腔、与第一焊料环尺寸位置对应的第二焊料环，盖板圆片的背面包括：第一划片标记和第二划片标记，第一划片标记与最终制备器件的边缘对应，第二划片标记位于所述最终制备相邻MEMS器件的之间位置。

C.将芯片圆片与盖板圆片对准并键合，其中，第一焊料环与第二焊料环对准，MEMS与凹腔对准。

D.沿着第一划片标记仅划断盖板圆片，沿着第二划片标记划断盖板圆片和芯片圆片。

综上所述，本发明的MEMS圆片级真空封装方法具有密封性好、电极引出方便、工艺简便易行的优点。

在本发明的一个示例中，制作芯片圆片包括：提供基底；在预连接MEMS与电极的位置形成连接层，所述连接层位于所述基底表面；在基底之上形成MEMS和电极；以及在基底之上、MEMS与电极之间形成环绕MEMS的第一焊料环。

在本发明的一个示例中，制作盖板圆片包括：提供盖板圆片；在盖板圆片的正面形成凹腔；在盖板圆片的正面、凹腔的周围形成第二焊料环；以及在盖板背面形成第一划片标记和第二划片标记。

在本发明的一个示例中，制作盖板圆片还包括：在凹腔底部形成吸气剂。

在本发明的一个示例中，通过化学各向异性刻蚀、物理刻蚀、、物理化学交互刻蚀或光刻刻蚀的工艺形成凹腔。

在本发明的一个示例中，键合可为黏合剂表面键合、阳极键合、硅熔融键合、共晶键合等键合方式。

在本发明的一个示例中，第一焊料环的材料可为玻璃浆料、Al、Si、Ge、Sn、Cu、Au、Ti/Au双层膜、Cr/Au双层膜等等。

在本发明的一个示例中，第二焊料环的材料可为玻璃浆料、Ge、Al、Sn、Si、Cu、Au、Ti/Au双层膜、Cr/Au双层膜等等。

在本发明的一个示例中，盖板圆片的材料为锗、硅、硒化锌、硫化锌、玻璃或陶瓷。

在本发明的一个示例中，吸气剂为非蒸散型吸气剂，材料为Zr合金、Zr-Al合金、Ti-Mo合金、Ti-Zr-V合金、Zr-V-Fe合金或纳米吸气剂。

根据本发明实施例的MEMS圆片级真空封装结构，是通过上述的MEMS圆片级真空封装方法制得。

综上所述，本发明的MEMS圆片级真空封装结构具有密封性好、电极引出方便、结构简单的优点。

为使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合图2-图5进一步详细介绍MEMS圆片级真空封装方法。

如图2所示，上图为芯片圆片的剖视图，下图为芯片圆片的俯视图。图中1为基底，2为MEMS，3为第一焊料环，4为电极，5为连接层。

如图3所示，上图为盖板圆片的剖视图，下图为盖板圆片的俯视图。图中6为盖板，7为第二焊料环，8为电绝缘层（可选结构，非必须的），9为第二划片标记，10为第一划片标记，11为保护层（可选结构，非必须的），12为吸气剂。

如图4所示，芯片圆片与盖板圆片对准并键合。如图所示，MEMS2与凹腔对准，第一焊料环3与第二焊料环7对准，然后第一焊料环3与第二焊料环键合，构成容纳MEMS的密封腔，而电极4通过连接层5引出到该密封腔外。然后，将器件加热到激活温度，使吸气剂12激活后开始吸收密封腔内的空气，保证了密封腔内的真空条件。

沿着第二划片标记9划断盖板圆片和芯片圆片，即完成同一晶圆上多个器件的切割。沿第一划片标记10仅划断盖板圆片，并不划断芯片晶圆，目的是使切掉盖板圆片上的多余部分，使得芯片晶圆上的电极5更好地暴露出来。至此，得到如图5所示的MEMS圆片级真空封装结构。相比利用硅通孔电极引出的技术方案，本发明的电极在应用过程中更容易安装连接。需要说明的是，沿着两种划片标记的划片操作都可以利用激光划片技术完成。

本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (11)

1.一种MEMS圆片级真空封装方法，其特征在于，包括以下步骤:

制作芯片圆片，其中，所述芯片圆片包括：基底、形成位于所述基底之上的MEMS、形成所述基底之上并位于所述MEMS外围的第一焊料环、形成在所述第一焊料环之外的电极，其中所述MEMS和所述电极通过位于所述基底表面的连接层相连；

制作盖板圆片，其中，所述盖板圆片的正面包括：与所述MEMS尺寸位置相对应的凹腔、与所述第一焊料环尺寸位置对应的第二焊料环，所述盖板圆片的背面包括：第一划片标记和第二划片标记，所述第一划片标记与最终制备器件的边缘对应，所述第二划片标记位于所述最终制备相邻MEMS器件的之间位置；

将所述芯片圆片与所述盖板圆片对准并键合，其中，所述第一焊料环与所述第二焊料环对准，所述MEMS与所述凹腔对准；以及

沿着所述第一划片标记划断所述盖板圆片，沿着所述第二划片标记划断所述盖板圆片和芯片圆片。

2.如权利要求1所述的MEMS圆片级真空封装方法，其特征在于，所述制作芯片圆片包括：

提供所述基底；

在所述预连接所述MEMS与电极的位置形成连接层，所述连接层位于所述基底表面；

在所述基底之上形成所述MEMS和电极；以及

在所述基底之上、所述MEMS与所述电极之间形成环绕所述MEMS的所述第一焊料环。

3.如权利要求1所述的MEMS圆片级真空封装方法，其特征在于，所述制作盖板圆片包括：

提供所述盖板圆片；

在所述盖板圆片的正面形成凹腔；

在所述盖板圆片的正面、所述凹腔的周围形成第二焊料环；以及

在所述盖板背面形成第一划片标记和第二划片标记。

4.如权利要求1所述的MEMS圆片级真空封装方法，其特征在于，所述制作盖板圆片还包括：

在所述凹腔底部形成吸气剂。

5.如权利要求1所述的MEMS圆片级真空封装方法，其特征在于，通过化学各向异性刻蚀、物理刻蚀、物理化学交互刻蚀或光刻刻蚀的工艺形成所述凹腔。

6.如权利要求1所述的MEMS圆片级真空封装方法，其特征在于，所述键合为黏合剂表面键合、阳极键合、硅熔融键合或共晶键合。

7.如权利要求1所述的MEMS圆片级真空封装方法，其特征在于，所述第一焊料环的材料为玻璃浆料、Al、Si、Ge、Sn、Cu、Au、Ti/Au双层膜或Cr/Au双层膜。

8.如权利要求1所述的MEMS圆片级真空封装方法，其特征在于，所述第二焊料环的材料为玻璃浆料、Ge、Al、Sn、Si、Cu、Au、Ti/Au双层膜或Cr/Au双层膜。

9.如权利要求1所述的MEMS圆片级真空封装方法，其特征在于，所述盖板圆片的材料为锗、硅、硒化锌、硫化锌、玻璃或陶瓷。

10.如权利要求1所述的MEMS圆片级真空封装方法，其特征在于，所述吸气剂为非蒸散型吸气剂，材料为Zr合金、Zr-Al合金、Ti-Mo合金、Ti-Zr-V合金、Zr-V-Fe合金或纳米吸气剂。

11.一种MEMS圆片级真空封装结构，其特征在于，通过权利要求1-10中任一项所述的方法制得。