CN105293420A - 一种mems圆片级真空封装结构及其制作方法 - Google Patents

Abstract

一种MEMS圆片级真空封装结构及其制作方法。封装结构包括硅盖板和带可动结构的MEMS圆片，盖板上带有垂直通孔，通孔内部填充有导电材料，盖板键合面有凹槽，凹槽底部有一层吸气剂薄膜，硅盖板与带可动结构的MEMS圆片通过圆片键合形成真空封装结构。本发明的制作方法首先在盖板上制作出通孔，孔内填充导电材料。然后在键合面上制作出凹槽，槽底部淀积一层吸气剂薄膜，键合区域淀积一层多层金属薄膜，将盖板与带可动结构的MEMS圆片在真空环境中进行圆片键合。本发明通过在硅盖板上制作带有吸气剂的槽和通孔，实现了密闭凹槽的电极引出，不需引线键合，工序简单，同时提高了封装结构内真空度的维持能力，避免了切割时颗粒对可动结构的沾污，保证器件性能。

Description

一种MEMS圆片级真空封装结构及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种MEMS圆片级真空封装结构及其制作方法，应用于MEMS传感器封装领域。

背景技术

对于陀螺、加速度计、谐振器等MEMS谐振器件来说，工作在真空气密性环境中尤其重要，比如在一个标准大气压下,受空气阻尼影响，硅微MEMS陀螺的驱动模态和敏感模态品质因数非常低(Q值一般小于500)，而在真空环境中Q值能够达到50000，性能相差几个数量级。因此硅微MEMS陀螺等谐振器件在真空环境中来维持稳定的谐振频率和气体阻尼系数，保证良好的工作性能。

国内一般采用器件级真空封装来满足上述器件的需要，即将制作好的谐振器件敏感芯片整体放置在陶瓷或金属管壳的腔体内，在管壳封帽工序前将腔体内部抽成真空，形成器件工作的真空环境。这种封装方法不仅对设备要求很高，导致封装成本居高不下，而且由于管壳局限性，器件不能满足小型化要求，因此圆片级真空封装是取代这种传统封装形式的发展方向。

圆片级封装是封装技术取得革命性突破的标志，它以圆片为加工对象，在圆片上同时对众多芯片进行封装、老化、测试，最后切割成单个器件。圆片级封装使封装尺寸减小至IC芯片的尺寸，生产成本大幅度下降。圆片级封装目前使用较多的是采用阳极键合工艺，即用玻璃作为密封盖板，将硅结构密封在其腔体内部，但是这种方法尚存在以下不足：(1)由于玻璃与硅的热膨胀系数不一致，导致器件的温度漂移较大，严重影响器件性能。(2)阳极键合完成后，器件一旦切割下来还需要额外的键合引线才能正常使用，工序复杂。(3)玻璃在键合过程中会释放出气体，导致内部腔体真空度不能长期维持在低气压水平，不能满足高端器件的需求。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种MEMS圆片级真空封装结构及其制作方法，能够满足高端器件的需求，保证器件性能，且不需引线键合，工序简单。

本发明的技术方案是：一种MEMS圆片级真空封装结构，包括硅盖板和带可动结构的MEMS圆片；

所述硅盖板的下表面加工有N个用于容纳所述可动结构的凹槽，凹槽的底部覆盖一层吸气剂薄膜；硅盖板上加工有M个通孔，通孔中填充导电材料，所述导电材料的上端分别与硅盖板的上表面平齐；通孔的侧壁、硅盖板的下表面上除凹槽以外的区域以及硅盖板的上表面均设置有绝缘层，所述硅盖板下表面绝缘层上加工有金属键合区；

硅盖板通过金属键合区与MEMS圆片进行圆片键合，形成真空封装结构，所述导电材料一端与MEMS圆片的焊盘连接，另一端引出用于与外部电路连接的金属连线；其中M、N为大于1的自然数。

所述硅盖板的厚度为100μm—800μm。

所述凹槽深度不超过硅盖板厚度的4/5，长度和宽度至少比所述可动结构大50μm。

所述通孔直径为30μm—300μm。

所述硅盖板为电阻率大于1Ω·cm的P型或N型的双面抛光硅片。

所述绝缘层为SiO₂或Si₃N₄。

所述金属键合区为单层或多层AuSn制成的金属薄膜，厚度为1μm至5μm。

所述导电材料为Cu或Au。

一种MEMS圆片级真空封装结构的制作方法，包括以下步骤：

(9.1)选择硅片作为硅盖板，并将所选硅片进行双面抛光；

(9.2)选择硅盖板的下表面作为键合面，采用湿法腐蚀或干法刻蚀技术在硅盖板键合面制作出N个凹槽；

(9.3)在步骤(9.2)处理过的硅盖板上制作出M个垂直通孔，利用金属薄膜淀积工艺在通孔的侧壁、硅盖板的键合面上除凹槽以外的区域以及硅盖板的上表面生长一层绝缘层，利用电镀技术在通孔内部填充导电材料，然后在硅盖板上表面进行化学机械抛光，以保证导电材料的上端与硅盖板上表面平齐；

(9.4)利用金属薄膜淀积工艺在硅盖板键合面的绝缘层上形成金属薄膜层，然后再利用光刻和刻蚀工艺，在金属薄膜层上形成金属键合区；

(9.5)利用薄膜淀积工艺在凹槽底部生长一层吸气剂薄膜；

(9.6)将硅盖板通过金属键合区与事先制作好的带可动结构的MEMS圆片的金属区在真空环境中进行硅-金属-硅圆片键合，同时激活吸气剂，形成稳定的真空封装结构；

(9.7)采用硅通孔互联技术，将硅盖板上导电材料的一端与带可动结构的MEMS圆片的焊盘连接；

(9.8)利用金属薄膜淀积工艺在硅盖板上表面的绝缘层上形成金属薄膜层，然后再利用光刻和刻蚀工艺在该金属薄膜层上制作出与导电材料的另一端连接的金属连线。

所述步骤(9.6)中，在真空环境中进行硅-金属-硅圆片键合时的温度为400℃，气压为100mBar到1E-6mBar。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明将带可动结构的MEMS器件(如陀螺、加速度计、谐振器等硅微MEMS器件)密封在硅盖板形成的真空凹槽内，MEMS器件的电极通过通孔引到硅盖板表面，从而实现圆片级封装，不仅避免了圆片在切割时颗粒对可动结构的沾污，而且能够显著提高器件的谐振工作性能，增加成品率。

(2)本发明采用硅作为盖板，与传统采用玻璃相比，采用硅作为盖板能够避免由于热膨胀系数的差异导致的温度漂移，对于带可动结构的MEMS器件而言，能够避免由于热膨胀系数带来的热应力，显著提高器件的温度系数，保证器件性能。

(3)本发明采用硅-金属-硅键合方式，键合过程没有电场，可动结构在键合过程中不会发生偏移，有效提高器件的成品率。

(4)本发明的封装结构采用了硅通孔互联(TSV)技术，通过硅盖板的导电材料将带可动结构的MEMS器件电极从真空密封凹槽中引出。由于采用硅通孔填充工艺，带可动结构的MEMS器件封装时能够采用倒装芯片技术，不需引线键合，从而实现小尺寸封装，并且工序简单，与其它芯片的互连比较灵活。采用倒装芯片技术，具有低成本、高可靠性、电性能好、可返修、设计灵活等特点，并且能够实现芯片级尺寸封装，满足对封装尺寸要求高的特定需求。

(5)本发明采用真空环境中的圆片键合方式，采用吸气剂材料，使得硅腔体内部真空长时间维持在低气压水平，能够保证密闭凹槽的长期真空稳定性，满足特殊器件的需求。

(6)本发明的硅盖板选择大于1Ω·cm的硅片，相较于电阻率小于1Ω·cm的硅片，能够有效减小寄生电容，从而减少对MEMS器件的影响。

(7)本发明金属键合区为单层或多层AuSn制成的金属薄膜，相较于其他金属材料，AuSn熔点低，更易于键合。同时，AuSn金属薄膜厚度小于1μm时，气密性和键合强度都会受到影响，大于5μm时工艺上不好实现，因此本发明厚度为1μm至5μm，在保证工艺可实现的同时，满足了气密性和键合强度的要求。

附图说明

图1A为硅盖板俯视图，图1B为硅盖板剖视图；

图2为本发明中硅盖板完成背面腔体结构的单个结构剖视图；

图3A为本发明中硅盖板上制作出通孔的剖视图；

图3B为本发明中硅盖板的通孔内部填充有导电材料的剖视图；

图4A为本发明中完成金属键合区的硅盖板俯视图；

图4B为本发明中完成金属键合区的硅盖板剖视图；

图5为本发明中完成吸气剂薄膜的硅盖板剖视图；

图6A为本发明中事先制作好带可动结构的MEMS圆片的俯视图；

图6B为本发明中事先制作好带可动结构的MEMS圆片的剖视图；

图7为本发明中硅盖板与MEMS圆片完成圆片键合后的剖视图；

图8为本发明硅盖板与MEMS圆片完成封装的剖视图；

图9为本发明硅盖板与MEMS圆片完成封装的键合片示意图。

具体实施方式

本发明提出一种MEMS圆片级真空封装结构，包括硅盖板100和带可动结构201的MEMS圆片200；硅盖板100双面抛光，选择硅盖板100的下表面作为键合面，在该键合面上加工有N个用于容纳可动结构201的凹槽101，凹槽101的底部覆盖一层吸气剂薄膜；硅盖板100上加工有M个通孔102，通孔102中填充Cu或Au制成的导电材料104，导电材料104的两端分别与硅盖板100的上下表面平齐；通孔102的侧壁、硅盖板100的键合面上除凹槽101以外的区域以及硅盖板100的上表面均设置有绝缘层103，绝缘层的材料为SiO₂或Si₃N₄，硅盖板100键合面绝缘层上加工有采用单层或多层AuSn金属薄膜材料制成的金属键合区105，金属键合区105厚度优选为1μm至5μm。硅盖板100通过金属键合区105与MEMS圆片200的金属区203通过圆片键合形成真空封装结构，其中导电材料104一端与MEMS圆片200的焊盘202连接，另一端引出用于与外部电路连接的金属连线303；其中M、N为大于1的自然数。

硅盖板100为电阻率大于1Ω·cm的P型或N型的双面抛光硅片，厚度优选为100μm—800μm。凹槽101的深度不超过硅盖板100厚度的4/5，优选为2μm—300μm，长度和宽度至少比可动结构大50μm。通孔102直径根据制作工艺的不同，优选为30μm—300μm，直径越小通孔越密集。

上述MEMS圆片级真空封装结构的制作方法包括如下步骤：

步骤(一)、选择电阻率大于1Ω·cm的P型或N型硅片作为硅盖板100，并将所选硅片进行双面抛光；

步骤(二)、选择硅盖板100的下表面作为键合面，在硅盖板100的键合面采用TMAH、KOH、NaOH、干法刻蚀工艺或者喷砂工艺同时加工出N个容纳可动结构201所需的凹槽101，用于提供可动结构201工作所需的密闭环境，凹槽深度不超过硅盖板100厚度的4/5，长度和宽度至少比可动结构大50μm。

如图1A所示为本发明中硅盖板100的图形分布示意图，由图可知硅盖板圆片上包括N个单元，图1B为硅盖板剖视图。如图2所示为本发明硅盖板100完成键合面凹槽结构的部分结构单元剖视图。

为了简化说明与说明附图，本发明具体实施方式与图2～图8中的MEMS圆片只用部分图形区域进行示意。

步骤(三)、在硅盖板100上制作垂直通孔

(3.1)在硅盖板100上利用干法刻蚀工艺或者喷砂工艺或者激光工艺或者超声工艺制作出M个垂直通孔102；

(3.2)在通孔102的侧壁、硅盖板100的键合面上除凹槽101以外的区域以及硅盖板100的上表面，利用金属薄膜淀积工艺形成SiO₂或Si₃N₄的绝缘层103；

(3.3)利用电镀技术在通孔102内填充Cu或Au制成的导电材料104，并利用化学机械抛光技术将硅盖板上表面抛光，以保证导电材料的上端与硅片上表面平齐。

如图3A为本步骤中硅盖板上制作出通孔并形成绝缘层的剖视图、图3B为本步骤中通孔内部填充有导电材料的剖视图。

步骤(四)、在硅盖板100的键合面制作金属键合区

利用金属薄膜淀积工艺在硅盖板100的绝缘层103的表面上形成单层或多层AuSn金属薄膜层，然后再利用光刻和刻蚀工艺，在硅盖板100的键合面上除凹槽101外的区域上形成金属键合区105，用于提供中间过渡层键合。

图4A为本发明完成金属键合区的硅盖板俯视图、图4B为本发明完成金属键合区的硅盖板剖视图。

金属薄膜的总厚度优选为1μm至5μm。

步骤(六)、利用薄膜淀积工艺在凹槽101的底部形成吸气剂薄膜106，吸用于吸附残留气体，维持真空度。

图5为完成吸气剂薄膜的硅盖板剖视图。

步骤(七)、在真空(100mBar到1E-6mBar)，高温400℃的环境中将硅盖板100的金属键合区105与MEMS圆片200的金属区203进行硅-金属-硅圆片键合，形成键合片，并激活吸气剂，形成真空封装。采用硅通孔互联(TSV)技术，将导电材料104的一端与MEMS圆片200的焊盘202连接，即通过硅盖板100的导电材料104将MEMS结构的从真空密封腔体中引出。

图6A所示为事先制作好的MEMS圆片200的俯视图，图6B所示为事先制作好的MEMS圆片200的剖视图，图7所示为硅盖板100与MEMS圆片200完成圆片键合后的剖视图。

步骤(八)、利用金属薄膜淀积工艺在硅盖板100表面形成金属薄膜层，然后再利用光刻和刻蚀工艺在导电材料104位于硅盖板100上表面的一端制作出金属连线303，得到封装后的圆片300。金属连线303为采用相同金属形成的单层金属薄膜，或采用不同金属形成的多层金属薄膜，所述金属薄膜为金、钛、钨、铂、铬、银、铝、钼、铜或镍；金属薄膜的总厚度为0.1μm至10μm。

如图8所示为本发明硅盖板与MEMS圆片完成封装的剖视图。

如图9所示为本发明硅盖板与MEMS圆片完成封装的键合片示意图，键合片300上排列着多个芯片301，沿着划片道302切割即可将已经密闭在真空凹槽内的MEMS圆片200释放出来，形成圆片级真空封装，即将圆片300切割成N个芯片单元301，每个芯片单元301都能正常工作。

为了简化附图，本发明附图中给出的所有剖视图都是单个结构的图示。

本发明将MEMS谐振器件以圆片级方式密封在硅盖板形成的真空凹槽内，不仅提高了封装成品率，降低了封装成本，而且显著提高器件性能和长期可靠性。不仅避免了带可动结构的MEMS圆片在切割时颗粒对可动结构的沾污，而且器件真空度长期可靠，温度系数好。此外，带可动结构的MEMS器件最后能够采用倒装封装技术，不需引线键合，从而实现小尺寸封装。本发明能够满足带可动结构的MEMS圆片(如陀螺、加速度计、谐振器等需要真空环境中工作的MEMS器件)封装的要求，降低了工艺难度，可以实现批量生产。

本说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种MEMS圆片级真空封装结构，其特征在于：包括硅盖板(100)和带可动结构(201)的MEMS圆片(200)；

所述硅盖板(100)的下表面加工有N个用于容纳所述可动结构(201)的凹槽(101)，凹槽(101)的底部覆盖一层吸气剂薄膜(106)；硅盖板(100)上加工有M个通孔(102)，通孔(102)中填充导电材料(104)，所述导电材料(104)的上端分别与硅盖板(100)的上表面平齐；通孔(102)的侧壁、硅盖板(100)的下表面上除凹槽(101)以外的区域以及硅盖板(100)的上表面均设置有绝缘层(103)，所述硅盖板(100)下表面绝缘层上加工有金属键合区(105)；

硅盖板(100)通过金属键合区(105)与MEMS圆片(200)进行圆片键合，形成真空封装结构，所述导电材料(104)一端与MEMS圆片(200)的焊盘连接，另一端引出用于与外部电路连接的金属连线(303)；其中M、N为大于1的自然数。

2.根据权利要求1所述的一种MEMS圆片级真空封装结构，其特征在于：所述硅盖板(100)的厚度为100μm—800μm。

3.根据权利要求1所述的一种MEMS圆片级真空封装结构，其特征在于：所述凹槽(101)深度不超过硅盖板(100)厚度的4/5，长度和宽度至少比所述可动结构大50μm。

4.根据权利要求1所述的一种MEMS圆片级真空封装结构，其特征在于：所述通孔(102)直径为30μm—300μm。

5.根据权利要求1所述的一种MEMS圆片级真空封装结构，其特征在于：所述硅盖板(100)为电阻率大于1Ω·cm的P型或N型的双面抛光硅片。

6.根据权利要求1所述的一种MEMS圆片级真空封装结构，其特征在于：所述绝缘层为SiO₂或Si₃N₄。

7.根据权利要求1所述的一种MEMS圆片级真空封装结构，其特征在于：所述金属键合区(105)为单层或多层AuSn制成的金属薄膜，厚度为1μm至5μm。

8.根据权利要求1所述的一种MEMS圆片级真空封装结构，其特征在于：所述导电材料(104)为Cu或Au。

9.一种如权利要求1所述MEMS圆片级真空封装结构的制作方法，其特征在于包括以下步骤：

(9.1)选择硅片作为硅盖板(100)，并将所选硅片进行双面抛光；

(9.2)选择硅盖板(100)的下表面作为键合面，采用湿法腐蚀或干法刻蚀技术在硅盖板键合面制作出N个凹槽(101)；

(9.3)在步骤(9.2)处理过的硅盖板(100)上制作出M个垂直通孔(102)，利用金属薄膜淀积工艺在通孔(102)的侧壁、硅盖板(100)的键合面上除凹槽(101)以外的区域以及硅盖板(100)的上表面生长一层绝缘层(103)，利用电镀技术在通孔(102)内部填充导电材料(104)，然后在硅盖板(100)上表面进行化学机械抛光，以保证导电材料(104)的上端与硅盖板(100)上表面平齐；

(9.4)利用金属薄膜淀积工艺在硅盖板(100)键合面的绝缘层(103)上形成金属薄膜层，然后再利用光刻和刻蚀工艺，在金属薄膜层上形成金属键合区(105)；

(9.5)利用薄膜淀积工艺在凹槽(101)底部生长一层吸气剂薄膜；

(9.6)将硅盖板(100)通过金属键合区(105)与事先制作好的带可动结构(201)的MEMS圆片(200)的金属区在真空环境中进行硅-金属-硅圆片键合，同时激活吸气剂，形成稳定的真空封装结构；

(9.7)采用硅通孔互联技术，将硅盖板(100)上导电材料(104)的一端与带可动结构的MEMS圆片(200)的焊盘连接；

(9.8)利用金属薄膜淀积工艺在硅盖板(100)上表面的绝缘层(103)上形成金属薄膜层，然后再利用光刻和刻蚀工艺在该金属薄膜层上制作出与导电材料(104)的另一端连接的金属连线(303)。

10.根据权利要求9所述的制作方法，其特征在于：所述步骤(9.6)中，在真空环境中进行硅-金属-硅圆片键合时的温度为400℃，气压为100mBar到1E-6mBar。