CN109734046B - 一种真空封装工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种真空封装工艺，包括以下步骤：提供硅圆片和玻璃圆片；在硅圆片和玻璃圆片中的一个上制作需要真空封装的结构或器件，在硅圆片和玻璃圆片中的另一个上制作敞开的凹槽，在凹槽内制作用于局域氧化的金属层；硅圆片和玻璃圆片通过阳极键合形成微腔体结构，该微腔体结构具有由凹槽形成的气密腔，金属层位于该气密腔的内部，阳极键合产生的氧气进入气密腔的内部；射频激发气密腔的内部的氧气形成氧等离子体，金属层与氧等离子体发生氧化反应以持续消耗氧气直至氧气无法启辉形成氧等离子体为止。本发明提供的真空封装工艺，利用硅‑玻璃阳极键合产生氧气以及金属薄膜在氧等离子体中持续氧化的特性，最终实现真空封装。

Description

一种真空封装工艺

技术领域

本发明涉及微纳米加工技术，更具体地涉及一种真空封装工艺。

背景技术

空气阻力是与结构尺度成比例关系的力。在宏观物体中，只有当速度很高时空气阻力才会产生显著影响。但是随着结构尺度减小，空气阻力的相对影响显著增加。在常见的微米尺度的微机电系统(MEMS)结构中，空气阻力是多种MEMS器件的主要阻尼机制。同时，根据朗之万方程，为了实现热平衡阻尼必然引起噪声，空气阻尼也是多种MEMS器件的主要噪声机制。因此，真空封装是多种MEMS器件的关键技术之一。

MEMS器件的空气阻尼一般通过器件的Q值表征。根据Q值与空气压强的关系，大致可以把空气压强划分为近常压区、稀薄空气阻尼区和高真空区。在近常压区，气体粘度系数不随压强变化，Q值也不随压强变化。在稀薄空气阻尼区，Q值与气体压强成反比关系。在高真空区，空气阻尼小于结构阻尼，可近似认为Q值不随压强变化。显然，真空封装的MEMS器件一般工作于稀薄空气阻尼区或高真空区。

不同MEMS器件对真空封装的需求不同。例如，部分高性能加速度传感器通过真空封装来降低空气阻尼引起的噪声，只需要使空气阻尼引起的噪声小于放大器噪声即可满足应用要求，因此高性能加速度传感器只需要工作于稀薄空气阻尼区即可，不需要高真空封装。微机械陀螺需要对灵敏度和带宽作折中设计，一般也不需要高真空封装，而是工作于稀薄空气阻尼区。而谐振式压力传感器、硅基振荡器等为了避免气体吸附-解吸附引起的频率漂移，必须进行高真空封装。

经过数十年的研发，已出现了一些有效的真空封装技术，微机械陀螺、高精度谐振式压力传感器等多种实现圆片级真空封装的MEMS器件已批量化上市。

基于铝锗共融等键合技术的真空封装技术在微机械陀螺中获得了广泛的应用。该技术首先在真空下进行圆片级键合，实现微机械陀螺的低真空封装，并激活吸气剂，然后利用吸气剂吸除键合形成的气密腔内的残余活性气体，提高封装的真空度。

在上述真空封装工艺中，由于晶圆表面不可避免地会吸附气体，而铝锗焊料内也可能存在微气泡，键合形成的微真空腔内的气体压强一般远高于工艺腔体。因此气密腔内集成的吸气剂是实现满足器件性能的真空封装的关键。

吸气剂在各行各业有广泛的应用，可分为蒸散型吸气剂和非蒸散型吸气剂两大类。一般认为蒸散型吸气剂由于会引起沾污，不适合用于MEMS真空封装。而非蒸散型吸气剂的问题在于与MEMS兼容的制作与激活技术、吸气效率等。

很多非蒸散型吸气剂的激活温度高于450℃，高于完成金属布线后的MEMS器件可耐受的安全温度，与MEMS工艺不兼容。SAES、Hi-REL等数家公司研制成了基于Zr/Co/Re合金等金属材料的低温激活非蒸散型吸气剂，其激活温度低于450℃，与MEMS工艺兼容。该类吸气剂可直接制作在封装盖板或圆片级封装基板上。现有的低温激活吸气剂的主要问题在于，低温激活吸气剂的吸气效率与激活温度有关，也因气体而异，同时由于体积所限，吸气剂的吸气能力有限，对真空度的提升也有限。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的键合技术使用的高温吸气剂与MEMS工艺不兼容，而低温吸气剂效率低且价格昂贵的问题，本发明旨在提供一种真空封装工艺。

本发明所述的真空封装工艺，包括以下步骤：S1，提供硅圆片和玻璃圆片；S2，在硅圆片和玻璃圆片中的一个上制作需要真空封装的结构或器件，在硅圆片和玻璃圆片中的另一个上制作敞开的凹槽，在凹槽内制作用于局域氧化的金属层；S3，硅圆片和玻璃圆片通过阳极键合形成微腔体结构，该微腔体结构具有由凹槽形成的气密腔，金属层位于该气密腔的内部，阳极键合产生的氧气进入气密腔的内部；S4，射频激发气密腔的内部的氧气形成氧等离子体，金属层与氧等离子体发生氧化反应以持续消耗氧气直至氧气无法启辉形成氧等离子体为止。

金属层的厚度h满足：

V/(V_mM_Cρ_CA_C)≤h<H/2

其中，V为气密腔的体积，H为气密腔的高度，V_m为1个大气压下氧气的摩尔体积，M_C为金属层的材料的摩尔质量，ρ_C为金属层的密度，A_C为金属层的裸露表面的面积。

金属层的裸露表面的面积小于气密腔的投影面积。

金属层的材料为铜。

硅圆片和玻璃圆片在键合机的真空工艺腔内对准键合。

在键合机的真空工艺腔内充入惰性气体以控制气密腔的内压。

气密腔的内部的氧气利用射频工艺腔中的射频源进行激发。

在硅圆片上制作敏感可动结构，在玻璃圆片上制作凹槽，在凹槽的底壁上制作金属薄膜。

敏感可动结构通过绝缘层连接于硅圆片。

金属薄膜与玻璃圆片之间具有黏附层。

金属薄膜与黏附层之间具有阻挡层。

黏附层的材料选自Ti、TiW、Cr中的至少一种，阻挡层的材料为Pt。

本发明提供的真空封装工艺，基于硅-玻璃阳极键合与金属局域氧化吸气，即利用硅-玻璃阳极键合产生氧气以及金属薄膜在氧等离子体中持续氧化的特性，最终实现真空封装。具体地，本发明的真空封装工艺采用金属薄膜来取代现有工艺中使用的吸气剂，从而避免了高温吸气剂与MEMS工艺不兼容，而低温吸气剂对真空度的提升有限的问题。另外，本发明的真空封装工艺采用射频激发形成氧等离子体，其中的射频等离子体处理是集成电路、MEMS等技术中常用的工艺，与集成电路、MEMS等技术的兼容性好。例如，集成电路与MEMS等技术中的金属后光刻胶去除工艺就是采用在等离子体灰化仪中用射频源激发工艺腔中的氧等离子体来氧化去除金属表面的光刻胶的。本发明可以采用常用的等离子体灰化仪来进行射频处理，以激发键合形成的气密腔内残余气体形成等离子体。

附图说明

图1是根据本发明真空封装工艺制作了敏感可动结构的硅圆片的剖面图；

图2是根据本发明真空封装工艺制作了凹槽和金属薄膜的玻璃圆片的剖面图；

图3是根据本发明真空封装工艺通过硅-玻璃阳极键合形成的硅-玻璃键合片的剖面图；

图4是根据本发明真空封装工艺在硅-玻璃键合片的金属薄膜上形成了氧化层的剖面图。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。

根据本发明的真空封装工艺包括：在硅圆片或玻璃圆片上制作需要真空封装的结构或器件。根据本发明的一个优选实施例，在硅圆片1上制作敏感可动结构4，其通过绝缘层3连接于硅圆片1，如图1所示。敏感可动结构4可采用常规MEMS技术制作，在此不再赘述。应当理解，绝缘层3也可以省略。

根据本发明的真空封装工艺包括：在玻璃圆片或硅圆片上制作敞开的凹槽和位于凹槽中的金属层。在本实施例中，在玻璃圆片2上制作凹槽5，如图2所示。可采用选择性腐蚀、超声加工等多种方法在玻璃圆片2上制作凹槽5。在凹槽5的底壁上制作一用于局域氧化的金属薄膜6。金属薄膜6可采用溅射、电镀等集成电路工艺制作，该金属薄膜6与玻璃圆片2之间可以制作黏附层8以增加金属薄膜6与玻璃圆片2的附着力。黏附层8包括但不限于Ti、TiW、Cr等。金属薄膜6与黏附层8之间可制作阻挡层7，以避免黏附层8的金属与金属薄膜6的金属在后续处理时因为局部升温而发生互扩散，从而降低黏附层8的金属对金属薄膜6(特别是对金属薄膜6的裸露表面)的影响。阻挡层7可采用Pt等。应当理解，金属薄膜6和阻挡层7也可以省略。

根据本发明的真空封装工艺包括：硅圆片和玻璃圆片通过阳极键合形成具有气密腔的微腔体结构，金属层位于该气密腔的内部。在本实施例中，硅圆片1和玻璃圆片2在真空环境下通过阳极键合形成微腔体结构，该微腔体结构的气密腔9对应凹槽5并由硅圆片1封闭，如图3所示。具体地，在键合机的真空工艺腔内，将硅圆片1和玻璃圆片2对准，通过硅和玻璃阳极键合工艺(又称为硅-玻璃阳极键合工艺，Silicon-glass anodic bonding)键合在一起，形成低真空气密腔体，即封闭的微腔体结构。在键合过程中，键合机的真空工艺腔内抽高真空。硅-玻璃阳极键合工艺利用玻璃圆片2的硼硅玻璃在较高温度下导电的特性，在高温强电场作用下使钾、钠离子运动到阴极，而硼硅玻璃中部分氧离子运动到硅-玻璃界面处并与硅圆片1的硅反应形成氧化硅，使硅与玻璃紧密结合在一起。硅-玻璃阳极键合工艺的特点是：在键合过程中，硼硅玻璃中的部分氧离子会在高电压作用下运动到键合形成的微腔体结构的表面并进入气密腔9，使键合形成的气密腔9内的气体压强显著高于键合机的真空工艺腔内压强，一般可以高几个数量级。因此，键合形成的气密腔9内的残留气体为氧气。

根据本发明的真空封装工艺包括：使得金属层消耗气密腔中的氧气以实现真空度控制。在本实施例中，金属薄膜6在气密腔9中氧化形成氧化层10，如图4所示。具体地，将键合在一起的硅-玻璃键合片放入等离子体灰化仪的射频工艺腔，利用射频工艺腔中的射频源激发硅-玻璃阳极键合工艺形成的低真空气密腔体内残余的氧气，形成氧等离子体，利用金属薄膜6会在氧等离子体内持续氧化的特性，通过金属薄膜6的局域氧化消耗气密腔9内残余的氧气。金属薄膜6可将气密腔9内残余的氧气消耗到无法启辉形成氧等离子体的状态。可以但不限于采用集成电路工艺中常用的等离子体灰化仪来代替专用的射频工艺腔来实现低真空气密腔体内氧等离子体的激发。

显然，金属薄膜6应满足的特性为：表面形成的氧化层10不会阻挡氧等离子体中氧化过程持续发生，即该金属薄膜6可在氧等离子体中持续氧化。

优选地，金属薄膜6为铜薄膜，其能够在氧等离子体中持续氧化。应该理解，该金属薄膜并不局限于铜薄膜。

优选地，金属薄膜6的裸露表面的面积小于气密腔9在硅圆片1上的投影面积。

优选地，金属薄膜6的厚度h满足：

V/(V_mM_Cρ_CA_C)≤h<H/2

其中，V为气密腔9的体积，H为气密腔9的高度，V_m为1个大气压下氧气的摩尔体积，M_C为金属薄膜6的材料的摩尔质量，ρ_C为金属薄膜6的密度，A_C为金属薄膜6的裸露表面的面积。在一个优选的实施例中，气密腔9内的气压约为15Pa，满足上式厚度要求的金属薄膜6完全能够将气密腔9内残余的氧气消耗到无法启辉形成氧等离子体的状态。实际上，满足上式厚度要求的金属薄膜6能够满足气密腔9内的气压达到一个大气压的极限情况下的要求。

根据本发明的真空封装工艺还可包括：对气密腔内压强进行控制。微机械陀螺等器件需要通过控制键合形成的气密腔内的压强来实现对空气阻尼的调控。对于这类器件，在进行硅-玻璃阳极键合时，在键合机的真空工艺腔内充入氩气等惰性气体，惰性气体压强等于真空封装的设计压强。在硅-玻璃阳极键合后，键合形成的气密腔9内的残留气体为预先充入的惰性气体和氧气，惰性气体分压近似等于键合机真空工艺腔内惰性气体分压。金属薄膜6局域氧化吸气时，惰性气体不会与金属薄膜6的金属反应。当键合形成的气密腔9内的氧气消耗完后，腔体内压强就等于惰性气体分压，而惰性气体分压就等于硅-玻璃阳极键合过程中工艺腔体内充入的惰性气体压强。

另外，敏感可动结构4一般还需要制作金属引线、通孔互连等实现电学信号的引出，其虽然在具体实施例中并未示出，但是显然只要不影响上述工作机制即可。例如，在硅圆片1和玻璃圆片2上的结构不破坏气密腔9的气密性，且与硅-玻璃阳极键合工艺兼容，都可以采用。虽然上述实施例中的敏感可动结构4被制作在硅圆片1上，而凹槽5和金属薄膜6被制作在玻璃圆片2上，但是应该理解，敏感可动结构也可以制作在玻璃圆片上，而凹槽和金属薄膜对应制作在硅圆片上。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (11)

1.一种真空封装工艺，其特征在于，包括以下步骤：

S1，提供硅圆片和玻璃圆片；

S2，在硅圆片和玻璃圆片中的一个上制作需要真空封装的结构或器件，在硅圆片和玻璃圆片中的另一个上制作敞开的凹槽，在凹槽内制作用于局域氧化的金属层，金属层的材料为铜；

S3，硅圆片和玻璃圆片通过阳极键合形成微腔体结构，该微腔体结构具有由凹槽形成的气密腔，金属层位于该气密腔的内部，阳极键合产生的氧气进入气密腔的内部；

S4，射频激发气密腔的内部的氧气形成氧等离子体，金属层与氧等离子体发生氧化反应以持续消耗氧气直至氧气无法启辉形成氧等离子体为止。

2.根据权利要求1所述的真空封装工艺，其特征在于，金属层的厚度h满足：

V/(V_mM_Cρ_CA_C)≤h<H/2

其中，V为气密腔的体积，H为气密腔的高度，V_m为1个大气压下氧气的摩尔体积，M_C为金属层的材料的摩尔质量，ρ_C为金属层的密度，A_C为金属层的裸露表面的面积。

3.根据权利要求2所述的真空封装工艺，其特征在于，金属层的裸露表面的面积小于气密腔的投影面积。

4.根据权利要求1所述的真空封装工艺，其特征在于，硅圆片和玻璃圆片在键合机的真空工艺腔内对准键合。

5.根据权利要求4所述的真空封装工艺，其特征在于，在键合机的真空工艺腔内充入惰性气体以控制气密腔的内压。

6.根据权利要求1所述的真空封装工艺，其特征在于，气密腔的内部的氧气利用射频工艺腔中的射频源进行激发。

7.根据权利要求1所述的真空封装工艺，其特征在于，在硅圆片上制作敏感可动结构，在玻璃圆片上制作凹槽，在凹槽的底壁上制作金属层。

8.根据权利要求7所述的真空封装工艺，其特征在于，敏感可动结构通过绝缘层连接于硅圆片。

9.根据权利要求7所述的真空封装工艺，其特征在于，金属层与玻璃圆片之间具有黏附层。

10.根据权利要求9所述的真空封装工艺，其特征在于，金属层与黏附层之间具有阻挡层。

11.根据权利要求10所述的真空封装工艺，其特征在于，黏附层的材料选自Ti、TiW、Cr中的至少一种，阻挡层的材料为Pt。

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