CN108083226A - 一种mems器件圆片级真空封装方法 - Google Patents

一种mems器件圆片级真空封装方法 Download PDF

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Abstract

一种MEMS器件圆片级真空封装方法，步骤如下：(1)根据MEMS器件待引出的电极数量在低阻硅晶圆上刻蚀绝缘子的拓扑结构，单个拓扑结构中间的低阻硅用于MEMS器件的电学信号引出，记为低阻硅柱；(2)将上述拓扑结构氧化得到氧化硅结构，并填充拓扑结构之间的孔隙，得到无孔洞绝缘子结构；(3)在低阻硅晶圆上的低阻硅柱键合面形成焊点接触电极，并在低阻硅晶圆上与MEMS器件外围对应的位置形成真空封装焊料环；(4)将步骤(3)处理后的低阻硅晶圆与MEMS器件进行键合，实现MEMS器件的锚点与焊点接触电极的电学连接，并实现MEMS器件的真空封装；(5)低阻硅柱的非键合面形成压焊电极；(6)通过光刻、刻蚀工艺实现低阻硅柱的电学隔离。

Description

一种MEMS器件圆片级真空封装方法
技术领域
本发明涉及一种微电子机械系统(MEMS)器件的封装方法，特别是涉及一种MEMS器件的全硅化圆片级封装方法。
背景技术
微电子机械系统(MEMS)器件具有小型化、集成化、高性能、低成本的特点，已广泛用于汽车、航空航天、卫星导航、信号处理、生物学等领域。但多数MEMS器件需要在真空环境或者惰性气体气密环境下工作，然而管壳级的真空封装成本高，不能满足MEMS器件低成本需求。近年来，随着MEMS器件的发展，逐渐发展起来多种圆片级封装工艺技术，极大地降低了MEMS器件封装成本。
目前圆片级封装工艺技术采用圆片键合技术实现，包括硅-玻璃阳极键合、硅-硅键合、共晶键合、扩散键合、玻璃浆料键合等。硅-玻璃阳极键合工艺技术成熟，是早期圆片级封装工艺的主流技术，但两种材料的热失配导致了温度漂移，成为影响MEMS器件稳定性的瓶颈。因此，基于全硅键合技术的新型工艺技术逐渐发展起来，既能提高MEMS器件的性能，又能兼顾低成本要求。
全硅封装工艺技术的关键在于如何实现电极引出，主要有以下一种方法：
在硅盖板上制作V型通孔，通孔中间为下层硅结构的电信号引出电极，在 V型通孔和电极之间制作密封环保证气密性，该技术方法在电极引出和气密环上占用大量面积，是以牺牲芯片面积实现气密封装，增加了器件的总成本。
利用SOI基片做盖板，在SOI片器件层制作V型通孔实现下层硅结构的电信号引出，减少了V型孔占用面积，但其仍然要利用SOI中间绝缘层做气密环，为保证气密性，气密环占用的面积很大，且高质量SOI片成本高，增加了器件的总成本。
电极横向引出技术，是通过金属互联线或低阻硅实现中间结构层电信号引出，引出电极在芯片结构区外，极大的浪费了盖板的空间，增加了MEMS器件的成本。
硅通孔(TSV)技术，是通过在硅盖板上制备硅通孔、通孔绝缘层、通孔金属化等一系列工序制备金属电连接线。该技术最早用于半导体芯片的垂直互连，有效避免了V型孔和气密环占用面积的弊端，但该技术难度大、加工成本高，需要依赖特殊设备加工制备，如高深宽比硅通孔刻蚀、高深宽比通孔内电镀种子层沉积、高深宽比通孔电镀、带金属电极的晶圆减薄抛光等。此外，通孔内的金属互连线与硅本体存在较大应力，金属与硅本体之间的环状绝缘层厚度小，且具有较大的展开面积，会在电极间引入较大的寄生电容，从而降低了器件的性能。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种MEMS器件圆片级真空封装方法。
本发明的技术解决方案是：一种MEMS器件圆片级真空封装方法，步骤如下：
(1)根据MEMS器件待引出的电极数量在低阻硅晶圆上刻蚀绝缘子的拓扑结构，单个拓扑结构中间的低阻硅用于MEMS器件的电学信号引出，记为低阻硅柱；
(2)将上述拓扑结构氧化得到氧化硅结构，并填充拓扑结构之间的孔隙，得到无孔洞绝缘子结构；
(3)在低阻硅晶圆上的低阻硅柱键合面形成焊点接触电极，并在低阻硅晶圆上与MEMS器件外围对应的位置形成真空封装焊料环；
(4)将步骤(3)处理后的低阻硅晶圆与MEMS器件进行键合，实现MEMS 器件的锚点与焊点接触电极的电学连接，并实现MEMS器件的真空封装；
(5)低阻硅柱的非键合面形成压焊电极；
(6)通过光刻、刻蚀工艺实现低阻硅柱的电学隔离。
进一步的，所述的拓扑结构为方形、圆形、多边形，沿径向射线图形。
进一步的，最优为圆形、多边形。
进一步的，所述的拓扑结构为单环或者多个嵌套环结构。
进一步的，步骤(2)中采用热氧氧化工艺得到氧化硅结构，利用化学气相淀积工艺进行填充。
进一步的，化学气相淀积工艺所用的材料为多晶硅、SiO2或SiNx。
进一步的，步骤(3)中的焊点接触电极为复合金属层，复合金属层从下至上依次为Cr、Au或者Ti、Pt、Au；其中Au金属层厚度300nm-3000nm之间。
进一步的，键合工艺采用金-硅共晶键合或金-金扩散键合。
进一步的，所述的MEMS器件为需要气密封装的MEMS芯片，包括陀螺仪、加速度计、压力传感器、谐振式器件。
进一步的，低阻硅的电阻率范围为10-3欧姆·厘米至10-1欧姆·厘米。
本发明与现有技术相比有益效果为：
提供一种低成本的MEMS器件全硅化圆片级真空封装结构及加工办法，该方法MEMS器件电信号采用垂直互连引出方式，有效地减少了电极引出和气密封装占用的芯片面积，采多嵌套环拓扑结构打破了传统薄膜沉积工艺生长薄膜厚度的限制，绝缘层厚度可做到几十微米，有效降低了寄生电容。厚绝缘子起到支撑MEMS器件封装盖板和隔离应力的作用，提高了气密结构的可靠性。该方法采用低阻硅柱实现MEMS器件电信号引出，避免了传统金属电极(TSV) 因材料间热膨胀系数差异大引入的热应力和长期使用可靠性差的问题。该圆片级封装方法，易于集成，可批量化加工，有效降低了器件封装成本，提高了器件的加工成品率和长期使用可靠性。
附图说明
图1为本发明封装后得到的结构示意图；
图2-4为本发明绝缘子拓扑结构示意图；
图5为本发明热氧氧化工艺处理后得到的结构示意图；
图6为本发明采用化学气相淀积工艺后得到的结构示意图；
图7为本发明焊点电极接触孔示意图；
图8为本发明形成焊点接触电极和真空封装焊料环的示意图；
图9-12为预置背腔方案制备MEMS器件各个阶段示意图；
图13为本发明键合工艺后得到的结构示意图；
图14为本发明形成压焊电极接触孔示意图；
图15为本发明形成压焊电极示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实例对本发明作详细说明。
本发明涉及的MEMS器件是陀螺仪、加速度计、压力传感器、谐振式器件等需要气密封装的MEMS芯片。如图1所示，MEMS器件的结构层包括锚点结构13、可动结构14、15、支撑层9。将盖板与上述MEMS器件通过圆片级键合方式连接成一体，形成气密腔室。盖板的具体制造步骤如下：
第一步，盖板的加工基片为低阻硅晶圆，晶圆尺寸为3吋到12吋等尺寸。依次通过光刻、刻蚀得到如图2所示的绝缘子的拓扑结构1，单个拓扑结构中间的低阻硅用于MEMS器件的电学信号引出，记为低阻硅柱2；其中拓扑结构 1的拓扑图形可以为方形、圆形、多边形等，如图3所示，也可以为沿径向射线图形，如图4所示。
第二步，通过热氧氧化工艺，将绝缘子的拓扑结构1彻底氧化得到氧化硅结构3，结构4为氧化硅结构3之间的孔隙。通过化学气相淀积工艺CVD或 PECVD工艺填充绝缘密封环的孔隙4，得到无孔洞绝缘子结构5，如图5、6 所示，填充材料可以为SiO2、SiNx、多晶硅等材料。
第三步，如图7和图8所示，依次通过光刻、介质膜刻蚀形成焊点电极接触孔6，通过磁控溅射或者电子束蒸发的方法在硅盖板基片的低阻硅柱键合面上生长复合金属层，然后进行复合金属层图形化后分别形成焊点接触电极7；在低阻硅晶圆上与MEMS器件外围对应的位置形成真空封装焊料环8；
优选的复合金属层方案为从下至上依次为Cr、Au，也可以采用从下至上依次为Ti、Pt、Au金属层。考虑工艺成本和键合工艺需求，Au金属层厚度优选 300nm-3000nm之间，Cr金属层厚度10nm-50nm之间，Ti、Pt的金属层厚度 10nm-50nm之间。根据复合金属层所选材质的不同，该复合金属层的图形化可以采用光刻/腐蚀图形化方案，也可以采用光刻/剥离的工艺方案。
第四步，通过圆片级键合工艺将步骤(3)处理后的低阻硅晶圆与MEMS 器件进行键合如图13所示，实现MEMS器件的锚点与焊点接触电极的电学连接，并实现MEMS器件的真空封装；优选键合工艺为金-硅共晶键合，也可以根据实际器件需求选择金-金扩散键合等。
第五步，如图14和图15所示，依次通过光刻、介质膜刻蚀形成压焊电极接触孔16，磁控溅射或者电子束蒸发的方法在硅盖板基片上低阻硅柱的非键合面处生长复合金属层及复合金属层图形化工艺形成压焊电极17，优选的复合金属层方案为从下至上依次为Cr、Au，也可以采用从下至上依次为Ti、Pt、Au 金属层。考虑工艺成本和键合工艺需求，Au金属层厚度优选10nm-500nm之间，Cr金属层厚度10nm-50nm之间。根据复合金属层所选材质的不同，该复合金属层的图形化可以采用光刻/腐蚀图形化方案，也可以采用光刻/剥离的工艺方案。
第六步，通过光刻、刻蚀工艺实现低阻硅柱2的电学隔离，实现电学隔离后的低阻硅柱记为18，如图1所示。
按照上述方式封装后的MEMS器件，通过焊点接触电极7和低阻硅柱18 发生共晶或扩散反应，形成机械和电学连接。MEMS芯片的电信号传输到硅锚点13上，再转移到焊点接触电极7上，通过低阻硅互连结构18转移到压焊电极17上完成电信号引出，压焊电极17位于MEMS器件外部。
上述MEMS器件可以采用预置背腔的方案进行制备，采用该方法不需要牺牲层释放就可以得到可动结构，简化了可动结构的释放过程。也可以采用传统的方案进行制备。MEMS器件的制备与上述盖板的制备没有先后顺序，也可同时制备。
预置背腔的方案：
制备MEMS器件：MEMS器件的加工基片为单晶硅晶圆，晶圆尺寸为3 吋到12吋。借助化学气相淀积工艺CVD或PECVD工艺或热氧氧化工艺在支撑层晶圆9上制备绝缘层10如图9所示。
通过光刻/刻蚀或光刻/腐蚀工艺，将结构10图形化，得到绝缘子结构11 如图10所示，根据图形线宽不同，图形化工艺方案可以为干法刻蚀、湿法腐蚀。
依次通过硅-硅扩散键合、减薄、抛光工艺得到预置背腔SOI基片，如图 11所示。硅-硅扩散键合可以为高温直接键合，也可以为激活键合，激活键合方式可以为表面氧等离子体处理，也可以为表面亲水化处理并吸附OH-键，然后在低温退火键合。一定厚度的器件结构层通过减薄、抛光工艺得到，可以为机械研磨减薄、抛光，也可以为化学减薄、抛光，也可以为机械化学减薄、抛光。
依次通过光刻、刻蚀工艺得到MEMS器件结构，包括锚点结构13、可动结构14、15，如图12所示。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (10)

1.一种MEMS器件圆片级真空封装方法，其特征在于步骤如下：
(1)根据MEMS器件待引出的电极数量在低阻硅晶圆上刻蚀绝缘子的拓扑结构，单个拓扑结构中间的低阻硅用于MEMS器件的电学信号引出，记为低阻硅柱；
(2)将上述拓扑结构氧化得到氧化硅结构，并填充拓扑结构之间的孔隙，得到无孔洞绝缘子结构；
(3)在低阻硅晶圆上的低阻硅柱键合面形成焊点接触电极，并在低阻硅晶圆上与MEMS器件外围对应的位置形成真空封装焊料环；
(4)将步骤(3)处理后的低阻硅晶圆与MEMS器件进行键合，实现MEMS器件的锚点与焊点接触电极的电学连接，并实现MEMS器件的真空封装；
(5)低阻硅柱的非键合面形成压焊电极；
(6)通过光刻、刻蚀工艺实现低阻硅柱的电学隔离。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的拓扑结构为方形、圆形、多边形，沿径向射线图形。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：最优为圆形、多边形。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述的拓扑结构为单环或者多个嵌套环结构。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(2)中采用热氧氧化工艺得到氧化硅结构，利用化学气相淀积工艺进行填充。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：化学气相淀积工艺所用的材料为多晶硅、SiO2或SiNx。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(3)中的焊点接触电极为复合金属层，复合金属层从下至上依次为Cr、Au或者Ti、Pt、Au；其中Au金属层厚度300nm-3000nm之间。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：键合工艺采用金-硅共晶键合或金-金扩散键合。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的MEMS器件为需要气密封装的MEMS芯片，包括陀螺仪、加速度计、压力传感器、谐振式器件。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：低阻硅的电阻率范围为10-3欧姆·厘米至10-1欧姆·厘米。
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