CN107963609A - 一种基于阳极键合的全硅mems圆片级真空封装方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于阳极键合的全硅MEMS圆片级真空封装方法，在MEMS圆片级真空封装工艺中采用2次阳极键合实现了盖板、MEMS器件结构、衬底之间的机械和电信号连接，并形成了压力可控的MEMS密封腔体，和现有的基于硅‑硅焊料键合、硅‑硅熔融键合等全硅键合工艺相比工艺难度低、成品率高；对盖板玻璃片进行减薄至10～50微米及对衬底玻璃片进行减薄至10～50微米，而现有的全硅键合工艺介质层厚度最大不超过3微米，由于越薄的介质层引入的寄生电容越大，因此，本发明引入的寄生电容小，使得MEMS器件输出的信噪比提高。

Description

一种基于阳极键合的全硅MEMS圆片级真空封装方法
技术领域
本发明涉及一种基于阳极键合的全硅MEMS圆片级真空封装方法，属于微电子机械系统技术领域。
背景技术
随着物联网、智能设备、军事装备等领域对高性能MEMS传感器的需求不断的增加，使得MEMS技术的发展方向沿着全硅化、圆片级封装以及异构集成的方向发展。典型的MEMS器件结构一般包括，衬底层、MEMS可动结构层以及封装盖板层。衬底层为MEMS可动结构提供机械支撑，MEMS器件的圆片级真空封装是制备第三层盖板圆片，将MEMS结构密封在衬底和盖板之间，盖板上需有用于腔体内MEMS结构的电引出通道。
采用厚玻璃做衬底的MEMS圆片级真空封装器件由于玻璃-硅之间的材料热失配应力问题会导致器件输出的温度漂移造成器件的稳定性下降。其优点在于硅-玻璃阳极键合的键合温度低、对键合面的表面平整度要求低，键合成品率高、寄生电容小。
采用各种硅-硅键合的MEMS圆片级真空封装器件以硅作为衬底并采用二氧化硅作为绝缘介质层，由于硅衬底和MEMS硅结构不存在热失配问题，而作为绝缘介质层的二氧化硅又通常只有2～3微米厚从而，采用硅衬底和硅盖板的全硅圆片级真空封装MEMS器件具有较好的温度稳定性。然而采用全硅键合的MEMS圆片级真空封装在加工过程中采用多次硅－硅键合工艺，该工艺对键合面的表面粗糙度、平整度、洁净度都要求很高，从而造成流片成品率一般较低。而硅-硅低温键合又通常采用厚度为若干微米的金作为焊料层，从而造成了加工成本高的问题。此外，由于采用二氧化硅作为硅衬底、 MEMS结构、硅盖板之间的绝缘介质，而常规工艺制备的二氧化硅厚度最多为3微米，这就造成了MEMS结构之间的寄生电容非常大。MEMS器件多采用电容作为敏感单元或驱动执行结构，过大的寄生电容会降低MEMS传感器的灵敏度以及降低MEMS器件的可驱动性。
发明内容
本发明解决的技术问题是：为克服现有技术不足，提供一种基于阳极键合的全硅MEMS圆片级真空封装方法，以提高加工成品率。
本发明的技术解决方案是：
一种基于阳极键合的全硅MEMS圆片级真空封装方法，包括如下步骤：
(1)制作硅盖板：选择掺杂类型为n型或者p型的单晶硅圆片，对单晶硅圆片待键合面进行90°垂直刻蚀，形成带电极隔离槽的单晶硅圆片；
在带电极隔离槽的单晶硅圆片表面上与盖板玻璃片进行键合，对盖板玻璃片进行减薄至10～50微米，并在其上图形化刻蚀形成电极接触孔及盖板密封环，在电极接触孔中制作金属接触电极；
对单晶硅圆片的另一面进行90°垂直刻蚀，形成硅引线柱，使其仅与金属接触电极有电学互联关系；
(2)硅盖板与中间层硅片进行定压阳极键合：对中间层硅片进行减薄至 40～100微米，对减薄后的中间层硅片进行90°垂直刻蚀，形成MEMS器件结构(23)、电引出端子和硅密封环(26)，使盖板密封环和硅密封环密封接触，电引出端子与金属接触电极形成电学连接；
(3)制作衬底：将衬底硅片(31)和衬底玻璃片(30)进行键合，对衬底玻璃片(30)进行减薄至10～50微米，并在其上图形化刻蚀形成衬底密封环；
(4)在步骤2中形成的MEMS器件结构(23)、电引出端子和硅密封环 (26)上，与步骤3的衬底进行定压阳极键合，使衬底密封环和硅密封环密封接触，形成MEMS器件封装结构圆片；
(5)电极蒸镀和切割：对MEMS器件封装结构圆片的盖板面进行电极蒸镀，使得盖板面完全覆盖电极金属，沿MEMS器件封装结构圆片的器件外围进行切割成独立单元，形成MEMS器件封装结构。
步骤1中硅片的厚度为200μm～500μm。
硅片的厚度误差小于3μm。
步骤1中硅片表面粗糙度小于10nm。
步骤1中垂直刻蚀角度误差控制在±0.2°，确保刻蚀位置在MEMS器件周围。
垂直刻蚀深宽比为10：1～50：1。
步骤5中电极金属厚度不低于200nm。
步骤5中金属材质为Al或沿厚度方向依次蒸镀Cr、Au或沿厚度方向依次蒸镀Ti、Pt、Au。
刻蚀开口大于2μm，刻蚀至硅片余厚大于10μm。
MEMS器件封装结构通过PCB基板或TSV转接板与外电路进行机械及电信号连接，通过硅引线柱，释放机械连接应力。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明在MEMS圆片级真空封装工艺中采用2次阳极键合实现了盖板、MEMS器件结构、衬底之间的机械和电信号连接，并形成了压力可控的 MEMS密封腔体，和现有的基于硅-硅焊料键合、硅-硅熔融键合等全硅键合工艺相比工艺难度低、成品率高；
(2)本发明对盖板玻璃片进行减薄至10～50微米及对衬底玻璃片进行减薄至10～50微米，而现有的全硅键合工艺介质层厚度最大不超过3微米，由于越薄的介质层引入的寄生电容越大，因此，本发明引入的寄生电容小，使得MEMS器件输出的信噪比提高；
(3)本发明中的GOS片玻璃层厚度相对于现有技术中500微米的玻璃衬底厚度较小，因此引入的材料热失配应力低于传统的玻璃-硅-玻璃结构，从而提高了MEMS器件的温度稳定性；
(4)本发明硅引线柱具有释放系统级封装应力的功能，MEMS器件封装结构通过PCB基板或TSV转接板与外电路进行机械及电信号连接，通过硅引线柱，释放机械连接应力。
附图说明
图1中的图a-f为本发明加工方法过程状态图；
图2为本发明硅盖板底视图；
图3为本发明硅盖板顶视图；
图4中的图a-c为本发明硅盖板和中间层硅片阳极键合过程状态图；
图5为本发明图4键合后的底视图；
图6中的图a-e为本发明硅衬底的制作过程及后续工艺的状态图；
图7为本发明加工完成的结构剖面图；
图8为差动电容随温度变化率的有限元仿真模型。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
本发明采用一种带有薄层玻璃的单晶硅圆片制作MEMS器件的衬底以及盖板。该圆片的主体结构为单晶硅，因此和硅基的MEMS结构的材料特性相同，从而降低了盖板和衬底引入的应力。薄层玻璃可以用来制作绝缘介质层，在工艺加工过程中又可以用作键合材料。其优点在于、采用阳极键合的方式实现了MEMS结构和硅衬底以及硅盖板的键合，因此具备了键合成品率高、应力小、寄生电容低等优点。
硅盖板包括硅盖板耐压层以及多个硅引线柱，每个引线柱和下层的MEMS 结构形成电连接，将电信号从封装腔体内引出。每个硅引线柱四周都有绝缘密封环，保证引线子周围的气密性。硅盖板的耐压层和各个硅引线子之间通过空气间隙进行物理和电学隔离，保证每个硅引线子和耐压盖板以及各个硅引线子之间的电独立。硅盖板的制备材料为单晶硅圆片，其掺杂类型可以是 n型或者是p型，优选的抛光晶面为100面，也可以是110或者是111等任何一种硅片晶面类型。硅片的尺寸可以是从2英寸到12英寸之间的常用硅片规格尺寸。
一种基于阳极键合的全硅MEMS圆片级真空封装方法，具体步骤如下：
(1)制作硅盖板：选择掺杂类型为n型或者p型的单晶硅圆片，硅片的厚度为200μm～500μm；硅片的厚度误差小于3微米，硅片表面粗糙度小于10纳米；对单晶硅圆片待键合面进行90°垂直刻蚀，形成带电极隔离槽的单晶硅圆片，刻蚀角度误差控制在±0.2°，确保刻蚀位置在MEMS器件周围；刻蚀深宽比为10：1～50：1，刻蚀开口大于2μm，刻蚀至硅片余厚>10μm；
在带电极隔离槽的单晶硅圆片表面上与盖板玻璃片进行键合(包括阳极键合、激活键合、金-金键合)，对盖板玻璃片进行减薄至10～50微米，并在其上图形化刻蚀形成电极接触孔及盖板密封环，在电极接触孔中制作金属接触电极；
对单晶硅圆片的另一面进行90°垂直刻蚀，形成硅引线柱，使其仅与金属接触电极有电学互联关系；
(2)硅盖板与中间层硅片进行定压阳极键合：对中间层硅片进行减薄至 40～100微米，对减薄后的中间层硅片进行90°垂直刻蚀，形成MEMS器件结构23、电引出端子24、25和硅密封环26，使盖板密封环和硅密封环密封接触，电引出端子与金属接触电极形成电学连接；
(3)制作衬底：将衬底硅片31和衬底玻璃片30进行键合(包括阳极键合、激活键合、金-金键合)，对衬底玻璃片进行减薄至10～50微米，并在其上图形化刻蚀形成衬底密封环；
(4)在步骤2中形成的MEMS器件结构23、电引出端子24、25和硅密封环26上，与步骤3的衬底进行定压阳极键合，使衬底密封环和硅密封环密封接触，形成MEMS器件封装结构圆片；
(5)电极蒸镀和切割：对MEMS器件封装结构圆片的盖板面进行电极蒸镀，使得盖板面完全覆盖电极金属，厚度不低于200纳米；金属材质为Al 或沿厚度方向依次蒸镀Cr、Au或沿厚度方向依次蒸镀Ti、Pt、Au；沿MEMS 器件封装结构圆片的器件外围进行切割成独立单元，形成MEMS器件封装结构。
MEMS器件封装结构通过PCB基板或TSV转接板与外电路进行机械及电信号连接，通过硅引线柱，释放机械连接应力。
实施例
如图1所示，其中硅盖板的加工方法起始与对盖板低阻硅片1的ICP刻蚀(电感耦合等离子体刻蚀)，形成了电极隔离槽2，如图1(a)所示。
在经过ICP刻蚀后，盖板低阻硅片1和盖板硼硅玻璃片3进行氧等离子体激活键合，如图1(b)所示。
键合后将1、3键合片在氢氟酸中进行腐蚀，对3进行减薄至10～50微米，形成盖板薄玻璃层4，如图1(c)所示。
光刻后采用氢氟酸腐蚀盖板薄玻璃层4，形成电极接触孔7、8，以及盖板上玻璃密封环6。
通过电镀、蒸发、磁控溅射等工艺并结合光刻、腐蚀等后续工艺，在电极接触孔中形成金属接触电极9、10，其材料可以是Ti/Au，Ti/Pt/Au，Cr/Au 等复合金属层，或者是Cu、Al等用于制作MEMS电极、互联引线的金属材料。
在盖板低阻硅片1上表面进行ICP刻蚀，在电极隔离槽2顶部形成开口，使得硅引线柱11、12从1上断开并形成硅盖板耐压层13，最终形成了有独立电极引出的WLP硅盖板20。
图2为WLP硅盖板底视图，可见在盖板上玻璃密封环6上有两个方形开孔(7、8)并在其中填充了金属接触电极9、10。
图3为WLP硅盖板顶视图，硅盖板耐压层13中有硅引线柱11、12，11 和12通过间隙和13形成绝缘隔离。
将WLP硅盖板20和中间层硅片21进行阳极键合，如图4(a)所示。将21进行机械研磨抛光减薄形成MEMS硅结构层22，如图4(b)所示。对 22进行ICP刻蚀，电引出端子，如图4(c)所示。图5为图4(c)结构的底面视图。
硅衬底的制作流程以及后续工艺如图6所示，首先将衬底硅片31和衬底玻璃片30进行氧等离子体激活键合，如图6(a)所示。键合后将30、31 键合片在氢氟酸中进行腐蚀，对30进行减薄至10～50微米，形成衬底薄玻璃层32，如图6(b)所示。在氢氟酸中对32进行图形化形成衬底玻璃密封环33，将图5所示的MEMS器件结构和衬底进行阳极键合，使得硅密封环26 和衬底玻璃密封环33形成机械、气密连接。键合后，在片子上表面蒸镀金属层，使得硅引线柱11、12上表面形成压焊电极，压焊电极材料可为Al金属层以及Cr/Au、Ti/Pt/Au等复合金属层。
图7为加工完成的MEMS圆片级真空封装MEMS器件的结构剖面图，其中 MEMS可动结构23为封装的主体结构，23和电引出端子24、25形成机械和电学连接，并通过9、10和11、12形成电学连接，最后电学信号通过40、 41进行引出。23、24、25被封闭在31、33、26、6、9、10、11、12、13形成的密闭腔体内，最终实现圆片级真空封装以及封装体内的电信号引出。
本发明中的GOS片玻璃层厚度相对于现有技术中500微米的玻璃衬底厚度较小，因此引入的材料热失配应力低于传统的玻璃-硅-玻璃结构，从而提高了MEMS器件的温度稳定性。
图8为采用GOS衬底、玻璃衬底、硅二氧化硅衬底制作的MEMS电容式加速度计的差动电容随温度变化率的有限元仿真模型。图中GOS_20um_500um 代表了GOS衬底采用500微米的硅和20微米的薄层玻璃；Glass_20um_500um 代表玻璃衬底其厚度为520微米；silicon_20um_500um代表硅二氧化硅衬底的采用500微米的硅和20微米的二氧化硅。MEMS差动电容的温度变化率和材料热失配应力成正比关系，而图中采用玻璃衬底的MEMS电容式加速度计电容差动变化率最大，采用GOS衬底、硅二氧化硅衬底的MEMS电容式加速度计电容差动变化率远小于采用玻璃衬底的器件，而采用GOS衬底的器件电容差动变化率最小。可见，本发明所述GOS片用于制作MEMS器件能够有效的抑制材料热失配应力。
本发明在MEMS圆片级真空封装工艺中采用2次阳极键合实现了盖板、 MEMS器件结构、衬底之间的机械和电信号连接，并形成了压力可控的MEMS 密封腔体，和现有的基于硅-硅焊料键合、硅-硅熔融键合等全硅键合工艺相比工艺难度低、成品率高。
本发明未公开内容为本领域技术人员公知常识。

Claims (10)

1.一种基于阳极键合的全硅MEMS圆片级真空封装方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)制作硅盖板：选择掺杂类型为n型或者p型的单晶硅圆片，对单晶硅圆片待键合面进行90°垂直刻蚀，形成带电极隔离槽的单晶硅圆片；
在带电极隔离槽的单晶硅圆片表面上与盖板玻璃片进行键合，对盖板玻璃片进行减薄至10～50微米，并在其上图形化刻蚀形成电极接触孔及盖板密封环，在电极接触孔中制作金属接触电极；
对单晶硅圆片的另一面进行90°垂直刻蚀，形成硅引线柱，使其仅与金属接触电极有电学互联关系；
(2)硅盖板与中间层硅片进行定压阳极键合：对中间层硅片进行减薄至40～100微米，对减薄后的中间层硅片进行90°垂直刻蚀，形成MEMS器件结构(23)、电引出端子和硅密封环(26)，使盖板密封环和硅密封环密封接触，电引出端子与金属接触电极形成电学连接；
(3)制作衬底：将衬底硅片(31)和衬底玻璃片(30)进行键合，对衬底玻璃片(30)进行减薄至10～50微米，并在其上图形化刻蚀形成衬底密封环；
(4)在步骤2中形成的MEMS器件结构(23)、电引出端子和硅密封环(26)上，与步骤3的衬底进行定压阳极键合，使衬底密封环和硅密封环密封接触，形成MEMS器件封装结构圆片；
(5)电极蒸镀和切割：对MEMS器件封装结构圆片的盖板面进行电极蒸镀，使得盖板面完全覆盖电极金属，沿MEMS器件封装结构圆片的器件外围进行切割成独立单元，形成MEMS器件封装结构。
2.如权利要求1所述的一种基于阳极键合的全硅MEMS圆片级真空封装方法，其特征在于，步骤1中硅片的厚度为200μm～500μm。
3.如权利要求2所述的一种基于阳极键合的全硅MEMS圆片级真空封装方法，其特征在于，硅片的厚度误差小于3μm。
4.如权利要求1所述的一种基于阳极键合的全硅MEMS圆片级真空封装方法，其特征在于，步骤1中硅片表面粗糙度小于10nm。
5.如权利要求1所述的一种基于阳极键合的全硅MEMS圆片级真空封装方法，其特征在于，步骤1中垂直刻蚀角度误差控制在±0.2°，确保刻蚀位置在MEMS器件周围。
6.如权利要求1所述的一种基于阳极键合的全硅MEMS圆片级真空封装方法，其特征在于，垂直刻蚀深宽比为10：1～50：1。
7.如权利要求1所述的一种基于阳极键合的全硅MEMS圆片级真空封装方法，其特征在于，步骤5中电极金属厚度不低于200nm。
8.如权利要求1所述的一种基于阳极键合的全硅MEMS圆片级真空封装方法，其特征在于，步骤5中金属材质为Al或沿厚度方向依次蒸镀Cr、Au或沿厚度方向依次蒸镀Ti、Pt、Au。
9.如权利要求6所述的一种基于阳极键合的全硅MEMS圆片级真空封装方法，其特征在于，刻蚀开口大于2μm，刻蚀至硅片余厚大于10μm。
10.如权利要求1所述的一种基于阳极键合的全硅MEMS圆片级真空封装方法，其特征在于，MEMS器件封装结构通过PCB基板或TSV转接板与外电路进行机械及电信号连接，通过硅引线柱，释放机械连接应力。
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