CN110606464A - 一种晶圆级真空集成封装结构及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种晶圆级真空集成封装结构，包括：盖帽晶片；第一晶片，所述盖帽晶片通过第一键合焊盘密封键合到所述第一晶片，所述第一晶片包括器件区域；以及第二晶片，所述第一晶片通过第二键合焊盘密封键合到第二晶片，所述第二晶片包括与第一晶片的器件区域正对的空腔、设置在所述空腔内的吸气剂薄膜。

Description

一种晶圆级真空集成封装结构及其制造方法

技术领域

本发明涉及芯片封装技术领域，尤其涉及一种晶圆级真空集成封装结构及其制造方法。

背景技术

金属封装、陶瓷封装、塑料封装，这些封装形式大多是以器件的形式进行，往往组装复杂，效率低下，成本也较高。光学器件或MEMS器件有严苛的要求，如光学窗口的设计，需要考虑窗口视野、厚度、AR膜、散热、可靠性对材料的要求、封装腔体内真空度的要求和采用什么气氛等。

晶圆级真空封装作为一种高效的封装形式，特别是可实现阵列式光学器件或MEMS器件的晶圆级封装。阵列式器件尺寸普遍偏大，如果采用晶圆级真空封装，不但效率可以大幅提升，成本也可以有效降低。晶圆级真空封装的主要难点在如何将诸多的工艺进行集成，各工艺之间如何匹配，如光学窗口需要考虑单元之间的相互干扰因素、光学窗口的一致性和平整度、吸气剂的集成等。

因此本领域需要解决现有技术中晶圆级真空封装中，器件体积大、整合性能低及生产成本高的封装问题。

发明内容

目前一般采用玻璃盖帽与芯片晶片键合的方式进行晶圆级封装，没有将吸气剂薄膜的工艺整合到晶圆级封装制程，针对现有技术中存在的问题，本发明将空腔与吸气剂薄膜整合至晶圆级封装制程，进一步提升了封装效率和成本。

根据本发明的一个方面，提供一种晶圆级真空集成封装结构，包括：

盖帽晶片；

第一晶片，所述盖帽晶片通过第一键合焊盘密封键合到所述第一晶片，所述第一晶片包括器件区域；以及

第二晶片，所述第一晶片通过第二键合焊盘密封键合到第二晶片，所述第二晶片包括与第一晶片的器件区域正对的空腔、设置在所述空腔内的吸气剂薄膜。

在本发明的一个实施例中，所述盖帽晶片包括顶盖和围绕顶盖的侧壁，所述侧壁的低端与所述第一晶片形成密封键合。

在本发明的一个实施例中，所述顶盖为透镜，所述侧壁为硅材料侧壁。

在本发明的一个实施例中，所述盖帽晶片的表面具有光学镀膜层。

根据本发明的另一实施例，提供一种晶圆级真空集成封装结构的制造方法，包括：

制备盖帽晶片；

将盖帽晶片键合到第一晶片，所述第一晶片包括器件区域；

制备第二晶片，所述第二晶片包括与第一晶片的器件区域正对的空腔、设置在所述空腔内的吸气剂薄膜；以及

将第一晶片密封键合到第二晶片。

在本发明的另一个实施例中，采用机械微加工的方法制备盖帽晶片，所述盖帽晶片包括顶盖和围绕顶盖的侧壁。

在本发明的另一个实施例中，制备盖帽晶片包括：通过湿法刻蚀或激光刻蚀的方法，形成光窗腔体，然后进行光学镀膜，在盖帽晶片的内表面或外表面形成抗反射增透薄膜。

在本发明的另一个实施例中，制备盖帽晶片包括：

通过光刻工艺在硅晶片上形成图案化光刻胶层；

以图案化光刻胶层作为掩膜对硅晶片进行刻蚀，形成腔体；

将透明盖板覆盖并固定在腔体顶端；

进行热回流，透明盖板软化并向腔体内部凹陷，在与腔体接触的一面形成弧面；

对透明盖板进行减薄和平坦化；

从硅晶片背面去除硅，至少使得腔体底部的硅完全被去除，从而获得顶部具有透镜的硅腔体。

在本发明的另一个实施例中，第一晶片和第二晶片的键合采用金属永久键合或者玻璃浆料键合。

在本发明的另一个实施例中，制备第二晶片包括：

通过湿法刻蚀或干法刻蚀制备空腔；

在空腔内形成吸气剂薄膜；以及

在第二晶片与第一晶片的键合区域上形成键合材料。

本发明的方案对晶圆级光窗、镀膜、器件、吸气剂薄膜集成封装，封装体积小、成本低、性能高。通过一站式工艺集成，易于产业化。

附图说明

为了进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。

图1示出根据本发明的一个实施例的晶圆级真空集成封装结构的截面示意图。

图2A至图2F示出根据本发明的一个实施例的制造硅腔体透镜的过程的截面图。

图3示出根据本发明的一个实施例的的晶圆级真空集成封装结构的制造方法的流程图。

具体实施方式

在以下的描述中，参考各实施例对本发明进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免使本发明的各实施例的诸方面晦涩。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量、材料和配置，以便提供对本发明的实施例的全面理解。然而，本发明可在没有特定细节的情况下实施。此外，应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按比例绘制。

在本说明书中，对“一个实施例”或“该实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处中出现的短语“在一个实施例中”并不一定全部指代同一实施例。

本发明的实施例主要用于解决现有技术中晶圆级真空封装中，器件体积大、整合性能低及生产成本高的封装问题，将空腔与吸气剂薄膜整合至晶圆级封装制程，提升封装效率和成本。

图1示出根据本发明的一个实施例的晶圆级真空集成封装结构的部分截面示意图。如图1所示，晶圆级真空集成封装结构100包括盖帽晶片110、第一晶片130以及第二晶片150。

在本发明的实施例中，盖帽晶片110可由透明玻璃晶片或硅晶片制造而成。或者，盖帽晶片110也可以是其他的透明或不透明材料制成。盖帽晶片110可以具有顶盖111和围绕顶盖的侧壁112，侧壁112的底端与第一晶片形成密封键合。然而，当被封装器件不需要盖帽晶片110提供容纳空间时，盖帽晶片110可以不具有侧壁112。

在本发明的实施例中，对于尺寸较大的光窗，盖帽晶片110可以采用机械微加工的方法制备。

在本发明的另一个实施例中，通过湿法刻蚀或激光刻蚀的方法，形成光窗腔体，需要控制腔体底部的粗糙度，以免影响光的入射率，然后进行光学镀膜，在盖帽晶片的内表面或外表面形成抗反射增透薄膜。可根据入射率的要求，选择单面镀膜或双面镀膜。

在本发明的又一个实施例中，通过特殊的方法制备硅腔体透镜，作为光窗，基于玻璃内回流的透镜阵列的制作工艺，适合尺寸不符合微加工标准的圆柱形硅腔透镜。该工艺采用光刻刻蚀等半导体工艺制程，工艺控制好且具有良好的兼容性，特别是对成像系统的小型化具有吸引力。具体而言，图2A至图2F示出根据本发明的一个实施例的制造硅腔体透镜的过程的截面图。

首先，如图2A所示，通过光刻工艺在硅晶片上形成图案化光刻胶层。

如图2B所示，以图案化光刻胶层作为掩膜对硅晶片进行刻蚀，形成腔体。可根据实际的工艺要求，选择干法刻蚀工艺或湿法刻蚀工艺。

如图2C所示，将透明盖板覆盖并固定在腔体顶端。在本发明的实施例中，透明盖板选用玻璃盖板，通过在真空条件下进行玻璃-硅阳极键合来实现盖板与腔体顶端的密封固定。

如图2D所示，进行热回流，由于重力和压力等因素的作用，透明盖板软化并向腔体内部凹陷，在与腔体接触的一面形成弧面。

如图2E所示，对透明盖板进行减薄和平坦化。例如，可研磨和抛光等工艺实现透明盖板的减薄和平坦化。

如图2F所示，从硅晶片背面去除硅，至少使得腔体底部的硅完全被去除，从而获得顶部具有透镜的硅腔体。

返回图1，盖帽晶片110通过键合焊盘120密封键合到第一晶片130。具体而言，盖帽晶片110与第一晶片130的键合可采用阳极键合或玻璃浆料键合。阳极键合一般对环境颗粒要求很高，玻璃浆料键合工艺对环境要求较低，但材料偏贵。

在本发明的具体实施例中，第一晶片130是芯片晶片，换言之，第一晶片包含一种多种器件160。器件160可以是可动器件或其他类型的器件。第一晶片还包括不需要进行真空气密封装的器件、电路区域以及引脚。

第一晶片130通过键合焊盘140密封键合到第二晶片150。第一晶片130和第二晶片150的键合可采用金属永久键合，如铝锗、铝硅、铝锡、或铜锡。或者采用玻璃浆料键合。本发明的保护范围不限于此，第一晶片130和第二晶片150的键合可以采用任何合适的键合工艺。

在本发明的具体实施例中，第二晶片150为硅晶片。第二晶片150包括与第一晶片的器件160正对的空腔151、设置在空腔151内的吸气剂薄膜。

图3示出根据本发明的一个实施例的的晶圆级真空集成封装结构的制造方法的流程图。

首先，在步骤310，制备盖帽晶片。盖帽晶片可由透明玻璃晶片或硅晶片制造而成。或者，盖帽晶片也可以是其他的透明或不透明材料制成。盖帽晶片可以具有顶盖和围绕顶盖的侧壁。然而，当被封装器件不需要盖帽晶片提供容纳空间时，盖帽晶片可以不具有侧壁。

在本发明的实施例中，对于尺寸较大的光窗，盖帽晶片可以采用机械微加工的方法制备。

在本发明的另一个实施例中，通过湿法刻蚀或激光刻蚀的方法，形成光窗腔体，需要控制腔体底部的粗糙度，以免影响光的入射率，然后进行光学镀膜，在盖帽晶片的内表面或外表面形成抗反射增透薄膜。可根据入射率的要求，选择单面镀膜或双面镀膜。

在本发明的又一个实施例中，通过特殊的方法制备硅腔体透镜，作为光窗，基于玻璃内回流的透镜阵列的制作工艺，适合尺寸不符合微加工标准的圆柱形硅腔透镜。具体的硅腔体透镜的制造方法可参照上文图2A至图2F的过程。

返回图3，在步骤320，将盖帽晶片键合到第一晶片。

具体而言，盖帽晶片与第一晶片的键合可采用阳极键合或玻璃浆料键合。阳极键合一般对环境颗粒要求很高，玻璃浆料键合工艺对环境要求较低，但材料偏贵。在本发明的具体实施例中，第一晶片是芯片晶片，换言之，第一晶片包含一种多种器件。盖帽晶片覆盖在器件的上方。器件可以是可动器件或其他类型的器件。第一晶片还包括不需要进行真空气密封装的器件、电路区域以及引脚。

在步骤330，制备第二晶片。具体而言，首先，通过湿法刻蚀或深硅干法刻蚀制备空腔。然后，在空腔内形成吸气剂薄膜。吸气剂薄膜可完全覆盖空腔的内壁，或者仅处于空腔的部分表面上，例如底面。最后在第二晶片与第一晶片的键合区域上形成键合材料。例如，可通过玻璃浆料印刷来形成键合材料，或者通过金属沉积工艺形成键合焊盘。

在步骤340，将第一晶片密封键合到第二晶片。第一晶片和第二晶片的键合可采用金属永久键合，如铝锗、铝硅、铝锡、或铜锡。或者采用玻璃浆料键合。本发明的保护范围不限于此，第一晶片和第二晶片的键合可以采用任何合适的键合工艺。

本发明的方案对晶圆级光窗、镀膜、器件、吸气剂薄膜集成封装，封装体积小、成本低、性能高。通过一站式工艺集成，易于产业化。

尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。

Claims (10)

1.一种晶圆级真空集成封装结构，包括：

盖帽晶片；

第一晶片，所述盖帽晶片通过第一键合焊盘密封键合到所述第一晶片，所述第一晶片包括器件区域；以及

第二晶片，所述第一晶片通过第二键合焊盘密封键合到第二晶片，所述第二晶片包括与第一晶片的器件区域正对的空腔、设置在所述空腔内的吸气剂薄膜。

2.如权利要求1所述的晶圆级真空集成封装结构，其特征在于，所述盖帽晶片包括顶盖和围绕顶盖的侧壁，所述侧壁的低端与所述第一晶片形成密封键合。

3.如权利要求2所述的晶圆级真空集成封装结构，其特征在于，所述顶盖为透镜，所述侧壁为硅材料侧壁。

4.如权利要求1所述的晶圆级真空集成封装结构，其特征在于，所述盖帽晶片的表面具有光学镀膜层。

5.一种晶圆级真空集成封装结构的制造方法，包括：

制备盖帽晶片；

将盖帽晶片键合到第一晶片，所述第一晶片包括器件区域；

制备第二晶片，所述第二晶片包括与第一晶片的器件区域正对的空腔、设置在所述空腔内的吸气剂薄膜；以及

将第一晶片密封键合到第二晶片。

6.如权利要求5所述的晶圆级真空集成封装结构的制造方法，其特征在于，采用机械微加工的方法制备盖帽晶片，所述盖帽晶片包括顶盖和围绕顶盖的侧壁。

7.如权利要求5所述的晶圆级真空集成封装结构的制造方法，其特征在于，制备盖帽晶片包括：通过湿法刻蚀或激光刻蚀的方法，形成光窗腔体，然后进行光学镀膜，在盖帽晶片的内表面或外表面形成抗反射增透薄膜。

8.如权利要求5所述的晶圆级真空集成封装结构的制造方法，其特征在于，制备盖帽晶片包括：

通过光刻工艺在硅晶片上形成图案化光刻胶层；

以图案化光刻胶层作为掩膜对硅晶片进行刻蚀，形成腔体；

将透明盖板覆盖并固定在腔体顶端；

进行热回流，透明盖板软化并向腔体内部凹陷，在与腔体接触的一面形成弧面；

对透明盖板进行减薄和平坦化；

从硅晶片背面去除硅，至少使得腔体底部的硅完全被去除，从而获得顶部具有透镜的硅腔体。

9.如权利要求5所述的晶圆级真空集成封装结构的制造方法，其特征在于，第一晶片和第二晶片的键合采用金属永久键合或者玻璃浆料键合。

10.如权利要求5所述的晶圆级真空集成封装结构的制造方法，其特征在于，制备第二晶片包括：

通过湿法刻蚀或干法刻蚀制备空腔；

在空腔内形成吸气剂薄膜；以及

在第二晶片与第一晶片的键合区域上形成键合材料。