CN110467151A - 一种mems晶圆封装设备及方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种MEMS晶圆封装设备，包括MEMS晶圆处理腔、窗口处理腔、对准腔、键合腔及机械臂；所述MEMS晶圆处理腔、所述窗口处理腔、所述对准腔、所述键合腔为真空腔体；所述真空腔体之间通过真空管道相连接；所述机械臂设置于所述MEMS晶圆处理腔与所述窗口处理腔之间，用于将经过所述MEMS晶圆处理腔处理后的MEMS晶圆与经过所述窗口处理腔处理后的窗口晶圆运送至所述对准腔进行对准，得到MEMS待键合晶圆；所述机械臂设置于所述MEMS晶圆处理腔与所述窗口处理腔之间的真空腔体中。本申请避免了上述步骤中对MEMS功能区的污染、损伤及静电击穿，此外，由于所述设备内部处于真空，提高了封装质量。本申请同时还提供了一种具有上述有益效果的MEMS晶圆封装方法。

Description

一种MEMS晶圆封装设备及方法

技术领域

本申请涉及晶圆器件制造领域，特别是涉及一种MEMS晶圆封装设备及方法。

背景技术

MEMS是微机电系统(Micro-Electro-Mechanical SySTems)是指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。MEMS是随着半导体集成电路微细加工技术和超精密机械加工技术的发展而发展起来的，目前MEMS加工技术还被广泛应用于微流控芯片与合成生物学等领域，从而进行生物化学等实验室技术流程的芯片集成化。

随着芯片集成化极速发展，全球都在寻求新的突破。晶圆级MEMS封装是后摩尔时代应对高密度、高集成度芯片封装的重大技术变革。而现有技术中，晶圆级封装MEMS器件中的晶圆释放和键合分开进行，很容易产生MEMS结构损伤，键合面污染甚至造成键合失效等异常。因此，找到一种避免MEMS晶圆在封装过程中键合面受损、受污染的方法是本领域技术人员亟待解决的问题。

申请内容

本申请的目的是提供一种MEMS晶圆封装设备及方法，以解决现有技术中MEMS晶圆在封装过程中键合面污染严重，影响最终封装效果的问题。

为解决上述技术问题，本申请提供一种MEMS晶圆封装设备，包括MEMS晶圆处理腔、窗口处理腔、对准腔、键合腔及机械臂；

所述MEMS晶圆处理腔、所述窗口处理腔、所述对准腔、所述键合腔为真空腔体；

所述真空腔体之间通过真空管道相连接；

所述机械臂设置于所述MEMS晶圆处理腔与所述窗口处理腔之间，用于将经过所述MEMS晶圆处理腔处理后的MEMS晶圆与经过所述窗口处理腔处理后的窗口晶圆运送至所述对准腔进行对准，得到MEMS待键合晶圆；

所述机械臂设置于所述MEMS晶圆处理腔与所述窗口处理腔之间的真空腔体中。

可选地，在所述MEMS晶圆封装设备中，MEMS晶圆处理腔、所述窗口处理腔及所述对准腔不在同一直线上。

可选地，在所述MEMS晶圆封装设备中，所述对准腔与所述键合腔位于同一水平面上。

可选地，在所述MEMS晶圆封装设备中，所述MEMS待键合晶圆，通过输送带输送至所述键合腔内；

所述输送带位于所述真空管道中。

可选地，在所述MEMS晶圆封装设备中，所述输送带表面设置有托盘，所述托盘用于放置所述MEMS待键合晶圆。

可选地，在所述MEMS晶圆封装设备中，所述托盘设置有固定卡扣，所述固定卡扣用于固定所述MEMS待键合晶圆。

可选地，在所述MEMS晶圆封装设备中，所述对准腔包括机器视觉装置，所述机器视觉装置为通过机器视觉技术进行所述MEMS晶圆与所述窗口晶圆的对准的装置。

可选地，在所述MEMS晶圆封装设备中，所述机器视觉装置包括CCD相机。

可选地，在所述MEMS晶圆封装设备中，所述对准腔侧壁上设置有透明窗口，使工作人员能看到腔体内。

本申请还提供了一种晶圆封装方法，通过上述的MEMS晶圆封装设备进行晶圆封装，具体包括：

将MEMS晶圆通过所述MEMS晶圆处理腔进行释放和表面激活，并将窗口晶圆通过所述窗口处理腔进行表面激活；

通过所述机械臂将经过所述MEMS晶圆处理腔处理后的MEMS晶圆与经过所述窗口处理腔处理后的窗口晶圆运送至所述对准腔进行对准，得到所述MEMS待键合晶圆；

将所述MEMS待键合晶圆通过所述键合腔进行键合，得到MEMS封装晶圆。

本申请所提供的MEMS晶圆封装设备，包括MEMS晶圆处理腔、窗口处理腔、对准腔、键合腔及机械臂；所述MEMS晶圆处理腔、所述窗口处理腔、所述对准腔、所述键合腔为真空腔体；所述真空腔体之间通过真空管道相连接；所述机械臂设置于所述MEMS晶圆处理腔与所述窗口处理腔之间，用于将经过所述MEMS晶圆处理腔处理后的MEMS晶圆与经过所述窗口处理腔处理后的窗口晶圆运送至所述对准腔进行对准，得到MEMS待键合晶圆；所述机械臂设置于所述MEMS晶圆处理腔与所述窗口处理腔之间的真空腔体中。本申请通过将待键合MEMS晶圆的各个组件的加工腔室都整合至同一设备中，并用所述机械臂进行短距离的输送工作，避免了现有技术中所述MEMS晶圆及所述窗口晶圆在表面活化后需要经过的长距离输送与反复拾取，也就避免了上述步骤中对MEMS功能区的污染、损伤及静电击穿，此外，由于所述MEMS晶圆封装设备内的各个腔体及腔体间的管道均处于真空，进一步保证了MEMS功能区不会被空气中的杂质污染，提高了封装质量。本申请同时还提供了一种具有上述有益效果的MEMS晶圆封装方法。

附图说明

为了更清楚的说明本申请实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请提供的MEMS晶圆封装设备的一种具体实施方式的结构示意图；

图2为本申请提供的MEMS晶圆封装设备的一种具体实施方式的结构示意图；

图3为本申请提供的MEMS晶圆封装方法的一种具体实施方式的流程示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请的核心是提供一种MEMS晶圆封装设备，其一种具体实施方式的结构示意图如图1所示，称其为具体实施方式一，包括MEMS晶圆处理腔100、窗口处理腔200、对准腔300、键合腔400及机械臂510；

所述MEMS晶圆处理腔100、所述窗口处理腔200、所述对准腔300、所述键合腔400为真空腔体；

所述真空腔体之间通过真空管道500相连接；

所述机械臂510设置于所述MEMS晶圆处理腔100与所述窗口处理腔200之间，用于将经过所述MEMS晶圆处理腔100处理后的MEMS晶圆与经过所述窗口处理腔200处理后的窗口晶圆运送至所述对准腔300进行对准，得到MEMS待键合晶圆；

所述机械臂510设置于所述MEMS晶圆处理腔100与所述窗口处理腔200之间的真空腔体中。

特别的，所述MEMS晶圆处理腔100、所述窗口处理腔200及所述对准腔300不在同一直线上。所述MEMS晶圆处理腔100、所述窗口处理腔200及所述对准腔300呈三角形分布，即每一个腔体分别位于三角形的一个顶点，更方便所述机械臂510在三者间运送部件，优选地，所述MEMS晶圆处理腔100、所述窗口处理腔200及所述对准腔300呈等边三角形分布。

另外，所述对准腔300包括机器视觉装置，所述机器视觉装置为通过机器视觉技术进行所述MEMS晶圆与所述窗口晶圆的对准的装置。通过所述机器视觉技术进行对准，可大大提高对准速度及准确率，提高生产效率，降低人工成本。更进一步地，所述机器视觉装置包括CCD相机。

还有，所述对准腔300侧壁上设置有透明窗口，使工作人员能看到腔体内，方便人工检验，一旦发生故障能快速发现。

本申请所提供的MEMS晶圆封装设备，包括MEMS晶圆处理腔100、窗口处理腔200、对准腔300、键合腔400及机械臂510；所述MEMS晶圆处理腔100、所述窗口处理腔200、所述对准腔300、所述键合腔400为真空腔体；所述真空腔体之间通过真空管道500相连接；所述机械臂510设置于所述MEMS晶圆处理腔100与所述窗口处理腔200之间，用于将经过所述MEMS晶圆处理腔100处理后的MEMS晶圆与经过所述窗口处理腔200处理后的窗口晶圆运送至所述对准腔300进行对准，得到MEMS待键合晶圆；所述机械臂510设置于所述MEMS晶圆处理腔100与所述窗口处理腔200之间的真空腔体中。本申请通过将待键合MEMS晶圆的各个组件的加工腔室都整合至同一设备中，并用所述机械臂510进行短距离的输送工作，避免了现有技术中所述MEMS晶圆及所述窗口晶圆在表面活化后需要经过的长距离输送与反复拾取，也就避免了上述步骤中对MEMS功能区的污染、损伤及静电击穿，此外，由于所述MEMS晶圆封装设备内的各个腔体及腔体间的管道均处于真空，进一步保证了MEMS功能区不会被空气中的杂质污染，提高了封装质量。

在具体实施方式一的基础上，进一步对所述对准腔300及所述键合腔400的位置关系做限定，得到具体实施方式二，其结构示意图如图2所示，包括MEMS晶圆处理腔100、窗口处理腔200、对准腔300、键合腔400及机械臂510；

所述MEMS晶圆处理腔100、所述窗口处理腔200、所述对准腔300、所述键合腔400为真空腔体；

所述真空腔体之间通过真空管道500相连接；

所述机械臂510设置于所述MEMS晶圆处理腔100与所述窗口处理腔200之间，用于将经过所述MEMS晶圆处理腔100处理后的MEMS晶圆与经过所述窗口处理腔200处理后的窗口晶圆运送至所述对准腔300进行对准，得到MEMS待键合晶圆；

所述机械臂510设置于所述MEMS晶圆处理腔100与所述窗口处理腔200之间的真空腔体中；

所述对准腔300与所述键合腔400位于同一水平面上。

本具体实施方式与上述具体实施方式的不同之处在于，本具体实施方式中限定了所述对准腔300及所述键合腔400在同一水平面上，其余结构均与上述具体实施方式相同，在此不再展开赘述。

特别的，所述MEMS待键合晶圆，通过输送带520输送至所述键合腔400内；所述输送带520位于所述真空管道500中。经对准后的所述MEMS待键合晶圆，需通过振动较小的方式运送至所述键合腔400，而所述输送带520运送过程中震动较小，不易使所述MEMS待键合晶圆发生错位导致成品良品率下降。

还有，所述输送带520表面设置有托盘，所述托盘用于放置所述MEMS待键合晶圆。更进一步地，所述托盘设置有固定卡扣，所述固定卡扣用于固定所述MEMS待键合晶圆，保障所述MEMS待键合晶圆的两片晶圆组件(指上述MEMS晶圆与窗口晶圆)不会发生相对位移，影响对准效果。

本具体实施方式中，通过限定所述对准腔300与所述键合腔400位于同一水平面上，使重力不会产生沿所述晶圆延伸方向的分量，降低了所述MEMS待键合晶圆在运送过程中因外力发生部件相对位移的可能性，提高了成品的良品率。

本申请还提供了一种晶圆封装方法，其一种具体实施方式的流程示意图如图3所示，称其为具体实施方式三，通过上述MEMS晶圆封装设备进行晶圆封装，具体包括：

步骤S301：将MEMS晶圆通过所述MEMS晶圆处理腔100进行释放和表面激活，并将窗口晶圆通过所述窗口处理腔200进行表面激活。

步骤S302：通过所述机械臂510将经过所述MEMS晶圆处理腔100处理后的MEMS晶圆与经过所述窗口处理腔200处理后的窗口晶圆运送至所述对准腔300进行对准，得到所述MEMS待键合晶圆。

步骤S303：将所述MEMS待键合晶圆通过所述键合腔400进行键合，得到MEMS封装晶圆。

下面提供一种MEMS晶圆封装的具体方法，包括：

步骤S1：利用匀胶及刻蚀设备在MEMS晶圆上制作金环图形。

步骤S2：利用氧等离子体释放设备对MEMS晶圆金环区域进行预处理，预处理时间30s～60s。

步骤S3：利用电子束蒸发镀膜设备在MEMS晶圆上分别蒸镀种子层(30～50nm)、阻挡层(80～100nm)及键合层即金层(200～220nm)。

步骤S4：利用剥离设备对功能区的金层进行剥离，留下金环区金层。

步骤S5：利用上述同样的方法制作窗口晶圆金环，窗口晶圆的金环的材料组合为种子层(30～50nm)、阻挡层(80～100nm)及键合层即金层(200～220nm)。

步骤S6：把MEMS晶圆放置在专用去胶机Chamber中在氧等离子体环境下进行MEMS牺牲层释放及键合层表面激活，处理时间约为1.5h～2h，处理后的MEMS晶圆在真空腔体内保存。

步骤S7：把窗口晶圆放置在专用去胶机Chamber中在氩等离子体环境下进行键合层表面激活，并使用加热盘对窗口晶圆进行加热对吸气剂进行激活，处理时间约为1～1.5h，处理后的窗口晶圆在真空腔体内保存。

特别的，使用氩等离子体进行键合面的激活，然后在150℃-200℃真空环境(真空度1×10-3pa)下进行晶圆退火处理10～20min，目的是去除表面吸附的微小分子增加键合面的金层的纯度及洁净度，从而增加键合过程中的金层的相互扩散。在键合过程中增加的对晶圆进行加压，促进金原子的相互扩散。以上两种工艺的增加，实现了键合温度的降低

步骤S8：将MEMS晶圆和窗口晶圆同时传递到对准腔300体中进行对准。

步骤S10：将对准好的晶圆放置在键合腔400内进行键合，键合压力：3000～8000N，键合温度：100℃～200℃，真空度：1×10-3Pa，键合时间：10～30min，得到成品的MEMS晶圆封装器件。

其中，上述各个步骤间的转移均是通过上述的MEMS晶圆封装设备实现的，即在转移距离短，且转移过程始终处于真空，不易使晶圆器件表面受污染。

本申请所提供的MEMS晶圆封装方法，包括将MEMS晶圆通过所述MEMS晶圆处理腔100进行释放和表面激活，并将窗口晶圆通过所述窗口处理腔200进行表面激活；通过所述机械臂510将经过所述MEMS晶圆处理腔100处理后的MEMS晶圆与经过所述窗口处理腔200处理后的窗口晶圆运送至所述对准腔300进行对准，得到所述MEMS待键合晶圆；将所述MEMS待键合晶圆通过所述键合腔400进行键合，得到MEMS封装晶圆。本申请通过将待键合MEMS晶圆的各个组件的加工腔室都整合至同一设备中，并用所述机械臂510进行短距离的输送工作，避免了现有技术中所述MEMS晶圆及所述窗口晶圆在表面活化后需要经过的长距离输送与反复拾取，也就避免了上述步骤中对MEMS功能区的污染、损伤及静电击穿，此外，由于所述MEMS晶圆封装设备内的各个腔体及腔体间的管道均处于真空，进一步保证了MEMS功能区不会被空气中的杂质污染，提高了封装质量。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本申请所提供的MEMS晶圆封装设备及方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种MEMS晶圆封装设备，其特征在于，包括MEMS晶圆处理腔、窗口处理腔、对准腔、键合腔及机械臂；

所述MEMS晶圆处理腔、所述窗口处理腔、所述对准腔、所述键合腔为真空腔体；

所述真空腔体之间通过真空管道相连接；

所述机械臂设置于所述MEMS晶圆处理腔与所述窗口处理腔之间，用于将经过所述MEMS晶圆处理腔处理后的MEMS晶圆与经过所述窗口处理腔处理后的窗口晶圆运送至所述对准腔进行对准，得到MEMS待键合晶圆；

所述机械臂设置于所述MEMS晶圆处理腔与所述窗口处理腔之间的真空腔体中。

2.如权利要求1所述的MEMS晶圆封装设备，其特征在于，所述MEMS晶圆处理腔、所述窗口处理腔及所述对准腔不在同一直线上。

3.如权利要求1所述的MEMS晶圆封装设备，其特征在于，所述对准腔与所述键合腔位于同一水平面上。

4.如权利要求3所述的MEMS晶圆封装设备，其特征在于，所述MEMS待键合晶圆，通过输送带输送至所述键合腔内；

所述输送带位于所述真空管道中。

5.如权利要求4所述的MEMS晶圆封装设备，其特征在于，所述输送带表面设置有托盘，所述托盘用于放置所述MEMS待键合晶圆。

6.如权利要求5所述的MEMS晶圆封装设备，其特征在于，所述托盘设置有固定卡扣，所述固定卡扣用于固定所述MEMS待键合晶圆。

7.如权利要求1至6任一项所述的MEMS晶圆封装设备，其特征在于，所述对准腔包括机器视觉装置，所述机器视觉装置为通过机器视觉技术进行所述MEMS晶圆与所述窗口晶圆的对准的装置。

8.如权利要求7所述的MEMS晶圆封装设备，其特征在于，所述机器视觉装置包括CCD相机。

9.如权利要求7所述的MEMS晶圆封装设备，其特征在于，所述对准腔侧壁上设置有透明窗口，使工作人员能看到腔体内。

10.一种晶圆封装方法，其特征在于，通过如权利要求1所述的MEMS晶圆封装设备进行晶圆封装，具体包括：

将MEMS晶圆通过所述MEMS晶圆处理腔进行释放和表面激活，并将窗口晶圆通过所述窗口处理腔进行表面激活；

通过所述机械臂将经过所述MEMS晶圆处理腔处理后的MEMS晶圆与经过所述窗口处理腔处理后的窗口晶圆运送至所述对准腔进行对准，得到所述MEMS待键合晶圆；

将所述MEMS待键合晶圆通过所述键合腔进行键合，得到MEMS封装晶圆。