CN110855264A - 谐振器封装结构及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种谐振器封装结构，包括位于衬底中的谐振空腔，位于衬底上并覆盖谐振空腔的压电膜，位于衬底上且连接压电膜的焊垫，位于焊垫之上的间隔件，位于间隔件之上的封盖层，其中封盖层和/或间隔件为有机材料，焊垫不含贵金属。依照本发明的谐振器封装结构，采用预制厚度的双层膜取代硅盖板用作间隔件和封盖层，降低了成本，简化了工艺，提高了封装可靠性。

Description

谐振器封装结构及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种谐振器封装结构及其制造方法，特别是涉及一种低成本的膜体声波谐振器(FBAR)封装结构及其制造方法。

背景技术

膜体声波谐振器(FBAR)是实现小且轻的滤波器、振荡器、谐振元件以及声谐振质量传感器的已知的构件。膜体声波谐振器可以以最小的成本大批量生产，并可实现为具有超小型尺寸。此外，FBAR可提供作为滤波器的主要特性的高品质因子(Q)值，甚至可被使用在微波频带中，并且还可实现个人通信系统(PCS)和数字无线系统(DCS)的特定频带。

如图1所示，目前传统的FBAR晶圆级封装结构主要采用Si盖板和Au-Au键合工艺实现。具体地，先加工具有谐振空腔的Si衬底，在Si衬底顶面上形成压电膜、与压电膜电连接的Au焊盘(点状阵列)、以及在Au焊盘外围用作保护挡坝的Au层(连续或间断的环状)；然后在与Si衬底类似的Si盖板(出于节省工艺成本的考虑，一般采用同样具有空腔的Si衬底废片或备用片)下方形成类似的Au键合点/线；通过Au-Au键合工艺将Si盖板与Si衬底压合，通过金刚石磨轮研磨的工艺方法减薄Si盖板顶面，最后利用穿硅通孔(TSV)工艺形成接触塞以电连接Au焊盘。

在该过程中，硬质盖板虽然能够提供足够的防护能力，但是减薄该盖板的研磨减薄工艺会对Si产生机械损伤，且具有一定的厚度极限。而TSV工艺需要采用蚀刻剂或激光钻孔形成大深宽比的深槽或深孔，精度控制难度大且容易损伤Au焊盘表面，造成接触电阻增大。进一步，由于Si盖板和Si衬底需要利用软质的Au基材料进行键合，成本高昂，且容易在压合过程中由于应力不均匀而造成倾斜、错位，封装效果不佳。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种低成本简化工艺的谐振器封装结构及其制备方法。

本发明提供了一种谐振器封装结构，包括：谐振空腔，位于衬底中；压电膜，位于衬底上并覆盖谐振空腔；焊垫，位于衬底上且连接压电膜；间隔件，位于焊垫之上；封盖层，位于间隔件之上。

其中，间隔件和/或封盖层为有机材料。

其中，间隔件之间在压电膜上方具有开口；优选地，开口尺寸大于谐振空腔。

其中，焊垫不含贵金属；优选地，密封环形成在焊垫外围；优选地，间隔件填充密封环与焊垫之间的空隙。

其中，间隔件的高度为10至200微米。

本发明进一步提供了一种谐振器封装方法，包括：在衬底中形成第一牺牲层图形；在第一牺牲层图形上形成压电膜；在衬底上形成连接压电膜的焊垫；在压电膜上形成第二牺牲层图形；在焊垫上形成间隔件，间隔件之间的开口暴露第二牺牲层图形；去除第二牺牲层图形和第一牺牲层图形，在衬底中留下谐振空腔；在间隔件上形成封盖层。

其中，间隔件和/或封盖层为有机材料；优选地，施加温度、压力或辐射使得封盖层固化而与间隔件键合起来。

其中，间隔件高度为10至200微米；优选地，开口尺寸大于谐振空腔。

其中，焊垫不含贵金属；优选地，形成焊垫的同时，密封环形成在焊垫外围；优选地，形成封盖层和/或间隔件时，间隔件填充密封环与焊垫之间的空隙。

其中，湿法腐蚀一起去除第二牺牲层图形和第一牺牲层图形。

依照本发明的谐振器封装结构，采用预制厚度的双层膜取代硅盖板用作间隔件和封盖层，降低了成本，简化了工艺，提高了封装可靠性。

本发明所述目的，以及在此未列出的其他目的，在本申请独立权利要求的范围内得以满足。本发明的实施例限定在独立权利要求中，具体特征限定在其从属权利要求中。

附图说明

以下参照附图来详细说明本发明的技术方案，其中：

图1显示了现有技术的谐振器封装的剖面示意图；以及

图2至图8显示了根据本发明实施例的谐振器封装制作工艺各个步骤的剖面示意图。

具体实施方式

以下参照附图并结合示意性的实施例来详细说明本发明技术方案的特征及其技术效果，公开了低成本简化工艺的FBAR封装结构及其制备方法。需要指出的是，类似的附图标记表示类似的结构，本申请中所用的术语“第一”、“第二”、“上”、“下”等等可用于修饰各种器件结构。这些修饰除非特别说明并非暗示所修饰器件结构的空间、次序或层级关系。

如图2所示，形成FBAR基本结构。提供衬底10，在本发明一个优选实施例中，衬底10是体Si衬底，例如CMOS工艺常用的Si晶圆。此外衬底10的材质还可以是体Ge或SOI、GeOI衬底以实现与MEMS器件或CMOS器件集成在同一基板上，也可以是化合物衬底例如GaN、GaAs、InP、GaP等以与LED、OLED、HEMT等器件集成在同一基板上，甚至可以是玻璃、塑料、蓝宝石等透明绝缘材料以作为光电器件的盖板或底板。在本发明一个优选实施例中，衬底10是半透明或全透明材料，从而将包括FBAR结构的声学传感器或滤波器集成在光电装置特别是其透明盖板或底板上，以实现声-光电传感器系统的整体小型化。进一步优选地，衬底10是透明材料且可以通过掺杂或者退火等工艺改变局部的硬度或弹性模量，以实现MEMS所需的质量块，从而进一步将力学传感器与声-光学传感器集成。

蚀刻衬底10形成空腔用作谐振腔，并填充第一牺牲层11。蚀刻优选各向异性的工艺，例如采用碳氟基蚀刻气体的等离子体干法蚀刻或反应离子蚀刻，或者采用TMAH的湿法腐蚀工艺，以便精确控制谐振腔的侧壁形貌，从而精确调节谐振器的品质因子Q。第一牺牲层11例如通过CVD、氧化、旋涂、喷涂、丝网印刷等工艺形成，其材质为能够与酸性腐蚀液(例如HF基腐蚀液，诸如稀释氢氟酸dHF、缓释蚀刻液dBOE等)快速反应的介质材料，例如氧化硅基材料，诸如未掺杂氧化硅USG、掺磷氧化硅PSG、多孔氧化硅等等。此外，第一牺牲层11也可以是能够与热磷酸快速反应的氮化硅基材料，或者能够与强酸/强氧化剂混合液例如硫酸/硝酸与双氧水混合液快速反应的氮氧化硅基材料，或者是能够与氧等离子体蚀刻气体快速反应的非晶态碳基材料例如石墨、炭黑、石墨烯等等。

通过PECVD、HDPCVD、MOCVD、原位氧化、原位氮化、MBE、ALD等工艺形成压电膜12。压电膜12的材料例如为ZnO、AlN、BST(钛酸锶钡)、BT(钛酸钡)、PZT(锆钛酸铅)、PBLN(铌酸铅钡锂)、PT(钛酸铅)等等。优选地，控制沉积工艺例如压力和温度、沉积时间以优化薄膜厚度和质量，使得压电膜也是透明的。采用蚀刻等图形化工艺对压电层图形化，形成谐振器所需的压电图形。

在基板上溅射、沉积、剥离等常规工艺形成位于封装结构外缘的密封环13，以及位于封装结构内部而与压电膜12直接接触并电连接的多个焊垫14(可以仅两个，也可以是围绕压电膜12周缘均匀分布的多个以使得电流分布更均匀)。由于本发明不采用Au-Au键合工艺，密封环13和焊垫14无需是Au基材料，而是可以为低成本的导电的金属、金属合金、金属氧化物或金属氮化物。在本发明的实施例中，下电极材料为Mo、W、Ru、Al、Cu、Ti、Ta、In、Zn、Zr、Fe、Mg等金属单质或金属合金，或者这些金属的导电氧化物、导电氮化物。特别地，为了提高粘附力以及对于外界湿气和/或氧气的阻挡能力，密封环13为材质较硬的难熔金属(Mo、W、Ti、Ta等)或难熔金属的氮化物(WN、TiN、TaN)。优选地，控制密封环13以及焊垫14的厚度使其透明。

接着，在整个器件上形成第二牺牲层15。第二牺牲层15的材质和工艺优选地与第一牺牲层11相同，在此不再赘述。

如图3所示，图形化第二牺牲层15，使其暴露衬底10的表面、密封环13和焊垫14，而仅覆盖压电膜12。图形化工艺例如是利用掩模(软质的光刻胶，或者绝缘材料的硬掩模)执行光刻-刻蚀工艺，先在层15上形成掩模图形(未示出)，以掩模图形为掩模各向异性刻蚀第二牺牲层15，直至暴露衬底10表面。在本发明一个优选实施例中，第二牺牲层15与第一牺牲层11均为USG、PSG等硅的氧化物，采用碳氟基刻蚀气体执行等离子体干法刻蚀或RIE，刻蚀终止于衬底10表面。优选地，剩下的第二牺牲层图形15完全覆盖压电膜12，避免刻蚀气体影响压电膜表面的缺陷态分布，以便减小寄生效应。

如图4所示，在整个器件上形成预定厚度/高度的键合中间层16。例如通过旋涂、喷涂、丝网印刷、粘贴等低温工艺，形成层16，其材质优选流动性较佳、硬度较低的材料，例如有机物，诸如塑料、树脂、聚合物等等。在本发明一个优选实施例中，层16优选采用目前PCB、半导体行业中使用的干膜(Dry film)，其具有低温时呈固态、加温后具有一定的流动性，可以有很好的包覆性，高温压合后固化，与底材粘合性强，且化学性质稳定，硬度高，耐酸，且可以通过曝光显影的方式进行图形化加工。更优选地，可以施加紫外线照射层16以加速其材料中所含高分子有机物的交联，以利于精确控制形貌。控制层16的厚度，使得该间隔件16不仅完全覆盖了第二牺牲层图形15，还进一步增大厚度以产生足够的空腔高度，也即用于调节最终封装结构中压电膜12上方的空腔高度，精确调节谐振器的性能。在本发明一个优选实施例中，层16的厚度为10至200微米，优选10至100微米，更优选20-40微米，最佳30微米。在本发明一个优选实施例中，层16不仅能够覆盖密封环13、焊垫14的顶面，还由于其具有一定的流动性而能够向下填充密封环13与焊垫14之间的空隙，也即直接接触衬底10，由此通过包围咬合的结构而提高了封装结构的机械稳定性，并提高了封装对于外部湿气/氧气的阻挡性能，有效延长了封装寿命。

如图5所示，图形化键合中间层以形成间隔件16，留下暴露第二牺牲层图形15的开口16A。在本发明实施例中，间隔件16为有机物，可以利用掩模(未示出)遮蔽而采用氧等离子体干法刻蚀来使得有机物灰化，也可以采用湿法腐蚀的去胶工艺而去除掩模所暴露部分的有机物。

如图6所示，通过开口16A去除第二牺牲层图形15以及第一牺牲层图形11，使得开口16A暴露压电膜12，而压电膜12下方留下衬底10中的空腔11A。在本发明一个优选实施例中，采用HF基腐蚀液湿法去除USG、PSG等硅氧化物材质的图形11和15。在本发明其他实施例中，采用热磷酸去除氮化硅基图形11、15，或者采用强酸/强氧化剂混合液例如硫酸/硝酸与双氧水混合液去除氮氧化硅基材料的图形11、15。在另外其他实施例中，采用氧等离子体蚀刻气体去除非晶态碳基材料例如石墨、炭黑、石墨烯等等的图形11、15。

如图7所示，在间隔件16上形成封盖层17。例如将有机材料薄膜17放置在间隔件16上，采用加温加压的键合工艺使其固化并与间隔件16键合起来，作为封盖层以保护封装结构中其下方的FBAR谐振器。特别地，在此过程中，可以增大键合工艺的压力使得图形16填满密封环13与焊垫14之间的间隙，以提高封装结构的防护能力以及结合强度。在本发明其他实施例中，也可以采用光固化例如紫外光固化工艺，使得封盖层17与间隔件16界面的有机聚合物发生交联反应，使得两者键合在一起。在本发明其他实施例中，封盖层17不仅在谐振器的有源区域内用作封盖，还在衬底10上其他区域中用作光电探测器或发光器件的光学元件例如微透镜。

如图8所示，形成接触孔并填充金属形成接触塞18。例如采用激光打孔、机械钻孔、干法刻蚀等等各向异性工艺，形成穿透封盖层17、间隔件16直至暴露焊盘14的通孔，在通孔中通过MOCVD、MBE、ALD等保形性良好的沉积工艺形成金属导电层，由此构成电连接压电膜12的接触塞，作为谐振器的输入/输出端子。

最终形成的谐振器封装结构如图8所示，包括衬底10，衬底10中的谐振空腔11A，谐振空腔11A上的压电膜12，与压电膜12接触并电连接的焊垫14，衬底10边缘的密封环13，间隔件图形16、封盖层17依次层叠在焊垫14(以及密封环13)之上，接触塞18穿透封盖层17、间隔件图形16而接触并电连接焊垫14。谐振器封装结构的各个部件的具体尺寸和材料如前所述，在此不再赘述。

本申请与传统加工流程相比：

–由有机膜材料作为间隔件材料，取代金金键合，降低键合工艺难度，同时减少金的使用，大大降低成本；

–由有机膜材料代替Si盖板，取消了单独加工Si盖板的流程；

–由于使用有机膜材料作为封盖层直接覆盖保护FBAR圆片，

无需键合对位；

–可以控制有机膜的厚度，相比Si盖板，键合完成后，无需对封盖层进行磨片减薄加工。

依照本发明的谐振器封装结构，采用预制厚度的双层膜取代硅盖板用作间隔件和封盖层，降低了成本，简化了工艺，提高了封装可靠性。

尽管已参照一个或多个示例性实施例说明本发明，本领域技术人员可以知晓无需脱离本发明范围而对器件结构做出各种合适的改变和等价方式。此外，由所公开的教导可做出许多可能适于特定情形或材料的修改而不脱离本发明范围。因此，本发明的目的不在于限定在作为用于实现本发明的最佳实施方式而公开的特定实施例，而所公开的器件结构及其制造方法将包括落入本发明范围内的所有实施例。

Claims (10)

1.一种谐振器封装结构，包括：

谐振空腔，位于衬底中；

压电膜，位于衬底上并覆盖谐振空腔；

焊垫，位于衬底上且连接压电膜；

间隔件，位于焊垫之上；

封盖层，位于间隔件之上。

2.根据权利要求1所述的谐振器封装结构，其中，间隔件和/或封盖层为有机材料。

3.根据权利要求1所述的谐振器封装结构，其中，间隔件之间在压电膜上方具有开口；优选地，开口尺寸大于谐振空腔。

4.根据权利要求1所述的谐振器封装结构，其中，焊垫不含贵金属；优选地，密封环形成在焊垫外围；优选地，间隔件填充密封环与焊垫之间的空隙。

5.根据权利要求1所述的谐振器封装结构，其中，间隔件的高度为10至200微米。

6.一种谐振器封装方法，包括：

在衬底中形成第一牺牲层图形；

在第一牺牲层图形上形成压电膜；

在衬底上形成连接压电膜的焊垫；

在压电膜上形成第二牺牲层图形；

在焊垫上形成间隔件，间隔件之间的开口暴露第二牺牲层图形；

去除第二牺牲层图形和第一牺牲层图形，在衬底中留下谐振空腔；

在间隔件上形成封盖层。

7.根据权利要求6所述的谐振器封装方法，其中，间隔件和/或封盖层为有机材料；优选地，施加温度、压力或辐射使得封盖层固化而与间隔件键合起来。

8.根据权利要求6所述的谐振器封装方法，其中，间隔件高度为10至200微米；优选地，开口尺寸大于谐振空腔。

9.根据权利要求6所述的谐振器封装方法，其中，焊垫不含贵金属；优选地，形成焊垫的同时，密封环形成在焊垫外围；优选地，形成封盖层和/或间隔件时，间隔件填充密封环与焊垫之间的空隙。

10.根据权利要求6所述的谐振器封装方法，其中，湿法腐蚀一起去除第二牺牲层图形和第一牺牲层图形。

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