CN105621351B - 一种rf mems开关的圆片级封装方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种RF MEMS开关的圆片级封装方法，利用一次涂胶、两次曝光、分步刻蚀的方法实现RF MEMS开关的封帽圆片，封帽圆片含有对应开关结构区域的腔体和对应信号传输线的凹槽，将键合材料嵌入凹槽之中，与开关圆片对准，通过圆片级键合的方法，采用氮气或惰性气体作为开关封装的腔体氛围，控制腔体压强，实现RF MEMS开关的封装。这种方法既实现了器件的封装和信号线的引出，又保证了腔体的密封，同时防止了开关的谐振，降低开关在工作过程中的阻尼，降低开关驱动电压，提升开关性能。

Description

一种RF MEMS开关的圆片级封装方法
技术领域
本发明属于射频微电子机械系统(RF MEMS)的封装技术领域，特别涉及一种提升RF MEMS开关性能的封装的方法。
背景技术
射频微电子机械系统RF MEMS开关含有可动结构，容易受到外界环境的影响，考虑使用时它的可靠性和环境的适应能力，需要采用封装的形式将其保护以提高它的实用性和可靠性。在封装的过程要保护它的可动部分不受到破环，同时封装后腔体的气氛也影响了开关的性能。低压下的开关会出现机械Q值高、振动稳定性低、可靠性降低等一系列问题，而高压环境又使得开关的驱动电压增大，影响使用。同时作为射频器件，封装时首先要将信号线引出，同时不能降低它的射频性能。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种用于实现RF MEMS开关的圆片级封装的结构和方法，能够保护开关，提高开关的可靠性和环境适应能力，既实现了器件的封装和信号线的引出，又保证了腔体的密封，同时防止了开关的谐振，降低开关在工作过程中的阻尼，降低开关驱动电压，提升开关性能。
技术方案：为了达到上述目的，本发明提出的用于RF MEMS开关的圆片级封装方法包括如下步骤：
(1)提供一衬底，在衬底材料上分别完成RF MEMS开关的传输线和悬臂梁结构，同时完成对应开关结构区域的腔体和对应信号传输线的凹槽，得到封帽圆片；
(2)将键合材料嵌入所述凹槽内；
(3)将所述封帽圆片与开关圆片对准，采用圆片级键合的方法，采用气体作为开关封装的腔体氛围，控制腔体气体压强，实现RF MEMS开关的封装；
其中，所述封帽圆片采用一次涂胶、两次曝光、分步刻蚀的方法实现，具体步骤如下：
(1)在圆片上均匀涂覆光刻胶，第一次曝光显影，显影完再次曝光；
(2)干法刻蚀已显影的区域，刻蚀腔体至一定深度；
(3)二次显影，二次干法刻蚀一定深度，同时完成腔体和凹槽的刻蚀。
具体地，两次刻蚀的深度相加结果为对应开关结构区域的腔体深度；第二次刻蚀深度为对应信号传输线的凹槽的深度。
所述腔体的深度高于开关结构表面30μm以上。
优选地，所述传输线的厚度为2～3μm，开关悬臂梁的上表面距离衬底的距离为8～10μm。
在对准时，将封帽圆片上的凹槽对准开关的信号传输线，将封帽圆片上的腔体对准含有开关可动结构的区域。
优选地，所述键合材料的厚度比凹槽深度与传输线厚度的差值大1～2μm。
步骤(3)中，圆片级键合的具体步骤为：采用SUSS公司的SB6型键合机，在待封装的两个圆片中间插入SPACER，加热至130℃～160℃，腔体抽真空，将真空度抽至10-5～1.5×10-5Pa，保持10～15分钟，开始充气体至压强为7～9KPa，再次抽真空，保持5～10分钟，然后充气体至一定压力5～7KPa，将SPACER撤下，两个圆片之间加400～500N的压力，开始键合，保持10～15分钟。
其中，所述气体为氮气或惰性气体。
优选地，所述惰性气体为氦气或氩气。
有益效果：本发明通过在所述封帽圆片上刻有对应于传输线的凹槽和对应于开关结构的腔体，在所述的凹槽内嵌入键合材料，采用惰性气体作为开关封装的腔体氛围，采用键合工艺实现圆片级的封装，通过键合过程控制腔体内的气体状态，能够保护开关，提高开关的可靠性和环境适应能力，一次涂胶两次刻蚀的方法提高了工艺的精度和效率，腔体内气氛控制法有效地提高了开关的性能和振动稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的RF MEMS开关的圆片级封装的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的RF MEMS开关的封帽圆片的制作步骤示意图，A-A剖面为第一次干法刻蚀后的形貌，B-B剖面为第二次干法刻蚀后的形貌。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
实施例
如图1所示，本实施例提供的一种用于RF MEMS开关的圆片级封装方法，包括衬底1，传输线2，开关悬臂梁结构3、封帽圆片4、封帽圆片上刻有对应于传输线的凹槽 5和对应于开关结构的腔体6，在所述的凹槽5内嵌入键合材料7，采用惰性气体作为开关封装的腔体氛围，通过键合过程控制腔体内的气体状态，采用圆片键合的方法实现RF MEMS开关的圆片级封装。
具体步骤如下：
1、在衬底高阻硅材料1上完成RF MEMS开关的传输线2和悬臂梁结构3，传输线2的厚度为2μm，开关悬臂梁3的上表面距离衬底1的距离为9μm；
2、在高阻硅片(作为封帽圆片)上涂光刻胶曝光显影出对应于开关位置的腔体6的区域，然后二次曝光对应于传输线的凹槽5区域；
3、第一次干法刻蚀硅腔体6，刻蚀深度95μm，此时凹槽5并未被刻蚀；
4、二次显影将封装环对应于传输线2的凹槽5部分暴露在外面，开始第二次刻蚀，同时刻蚀腔体6和凹槽5区域，刻蚀深度为5μm。两次刻蚀的深度相加结果为对应开关结构区域的腔体6要求的深度100μm；第二次刻蚀深度为对应信号传输线的凹槽5要求的深度5μm；如图2所示，A-A剖面为第一次干法刻蚀后的形貌，B-B剖面为第二次干法刻蚀后的形貌；
5、清洗后将键合材料7嵌入凹槽5之中，键合材料的厚度略大于凹槽深度与传输线厚度的差值，为3μm；
6、与开关圆片1对准后，采用SUSS公司的SB6型键合机，在待封装的两个圆片之间插入SPACER，放入键合设备，加热至150℃，腔体抽真空，将真空度抽至10-5Pa，保持十分钟，开始充氮气至压强为8KPa，再次抽真空，保持5分钟，然后充氮气至6KPa，将SPACER撤下，在两个圆片之间加500N的压力，开始键合，保持10分钟，降温，取消压力，充氮气至常压，完成RF MEMS开关的圆片级封装方法。
本发明通过在所述封帽圆片上刻有对应于传输线的凹槽和对应于开关结构的腔体，在所述的凹槽内嵌入键合材料，采用惰性气体作为开关封装的腔体氛围，采用键合工艺实现圆片级的封装，通过键合过程控制腔体内的气体状态，能够保护开关，提高开关的可靠性和环境适应能力，一次涂胶两次刻蚀的方法提高了工艺的精度和效率，腔体内气氛控制法有效地提高了开关的性能和振动稳定性。

Claims (6)

1.一种用于RF MEMS开关的圆片级封装方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)提供一衬底，在衬底材料上分别完成RF MEMS开关的传输线和悬臂梁结构，同提供一封帽圆片，在所述封帽圆片上刻有对应传输线的凹槽和对应开关结构区域的腔体片；
(2)将键合材料嵌入所述凹槽内；
(3)将所述封帽圆片与开关圆片对准，采用圆片级键合的方法，采用气体作为开关封装的腔体氛围，控制腔体气体压强，实现RF MEMS开关的封装，圆片级键合的具体步骤为：在待封装的两个圆片中间插入SPACER，加热至130～160℃，腔体抽真空，将真空度抽至10-5～1.5×10-5Pa，保持10～15分钟，开始充气体至压强为7～9KPa，再次抽真空，保持5～10分钟，然后充气体至一定压力5～7KPa，将SPACER撤下，两个圆片之间加400～500N的压力，开始键合，保持10～15分钟，
其中，所述腔体的深度高于开关结构表面30μm以上；所述传输线的厚度为2～3μm，开关悬臂梁的上表面距离衬底的距离为8～10μm；所述键合材料的厚度比凹槽深度与传输线厚度的差值大1～2μm。
2.根据权利要求1所述的圆片级封装方法，其特征在于，所述封帽圆片采用一次涂胶、两次曝光、分步刻蚀的方法实现，具体步骤如下：
(1)在圆片上均匀涂覆光刻胶，第一次曝光显影，显影完再次曝光；
(2)干法刻蚀已显影的区域，刻蚀腔体至一定深度；
(3)二次显影，再次干法刻蚀一定深度，同时完成腔体和凹槽的刻蚀。
3.根据权利要求2所述的圆片级封装方法，其特征在于，两次刻蚀的深度相加结果为对应开关结构区域的腔体深度；第二次刻蚀深度为对应传输线的凹槽的深度。
4.根据权利要求1所述的圆片级封装方法，其特征在于，在对准时，将封帽圆片上的凹槽对准开关的信号传输线，将封帽圆片上的腔体对准含有开关可动结构的区域。
5.根据权利要求1所述的圆片级封装方法，其特征在于，所述气体为氮气或惰性气体。
6.根据权利要求5所述的圆片级封装方法，其特征在于，所述惰性气体为氦气或氩气。
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