CN112265956A - 一种不同真空度封装的mems圆片级真空封装方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种不同真空度封装的MEMS圆片级真空封装方法，包括以下步骤：MEMS衬底晶圆制作；将SOI顶层硅面与衬底晶圆顶面键合；去除SOI晶圆的底层硅和埋氧层，通过深硅刻蚀工艺将SOI晶圆的顶层硅释放形成两个可动结构，得到包含第一MEMS结构与第二MEMS结构的MEMS器件结构晶圆；制备第一盖帽；第一次真空封装；在第一盖帽刻蚀透气孔；第二次真空封装；该方法能够在同一圆片上制作不同MEMS器件时实现不同真空度的封装需求，容易实施，且过程可控。

Description

一种不同真空度封装的MEMS圆片级真空封装方法
技术领域
本发明涉及MEMS真空封装技术领域，具体是一种不同真空度封装的MEMS圆片级真空封装方法。
背景技术
随着技术的不断发展，MEMS逐渐被应用到导航领域，其低成本、低功耗、微型化的特点使得惯性系统更加小型化，尤其是MEMS惯性测量单元(MEMS-IMU)技术的发展，逐渐将传感与信息处理集于一体，使得惯性系统向着集成化、微型化、智能化的方向发展。
MEMS-IMU通常内含多轴加速度计和陀螺仪，为了进一步实现MEMS惯性器件的集成化，在单片晶圆上同时制备加速度计和陀螺仪的需求愈加紧迫。但是，由于工作原理的不同，加速度计和陀螺的工作真空度也不同，亟需在单片晶圆上实现加速度计和陀螺仪的不同真空度封装。
美国专利US8035209B2提出在两个真空腔室打开开口大小不一样的孔洞，然后分别通过PECVD和APCVD将两个孔洞封住实现封装，两个腔室的真空度由两次CVD工艺的真空环境决定；美国专利US 8350346 B1制备横向尺寸和纵向尺寸不一样的两个真空腔室，经过一次晶圆键合后，体积较小的腔室将比体积较大的腔室拥有更高的环境气压，此方案可行性也较高只适用于两个腔室真空度相差不是特别大的封装；美国专利US9249012B2先利用第一盖帽将第一个腔室封装，此时第二腔室完全暴露在外部环境，然后再利用第二盖帽将第二个腔室封装，两次封装设定不同工艺气压，从而完成两个腔室不同真空度的封装。以上的封装方法都存在工艺复杂,不容易实施，且第二个真空腔室较难控制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种不同真空度封装的MEMS圆片级真空封装方法，该方法能够在同一圆片上制作不同MEMS器件时实现不同真空度的封装需求，容易实施，且过程可控。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种不同真空度封装的MEMS圆片级真空封装方法，包括以下步骤：
S1、选择双抛硅片作为衬底晶圆，在衬底晶圆顶面刻蚀第一腔体、第二腔体与第三腔体；
S2、选择SOI晶圆作为结构层晶圆，将SOI顶层硅面与衬底晶圆顶面键合；
S3、抛光去除SOI晶圆的底层硅和埋氧层，通过深硅刻蚀工艺将SOI晶圆的顶层硅释放形成两个可动结构，两个可动结构分别与第一腔体及第二腔体形成配合，得到包含第一MEMS结构与第二MEMS结构的MEMS器件结构晶圆；
S4、选择双抛硅片作为第一盖帽晶圆，在第一盖帽晶圆上制备第四腔体、第五腔体与第六腔体，第四腔体、第五腔体及第六腔体分别与第一腔体、第二腔体及第三腔体一一对应，得到第一盖帽；
S5、在第四腔体内制备第一吸气剂层；
S6、将第一盖帽与MEMS器件结构晶圆键合，完成第一MEMS结构的真空封装；
S7、在第一盖帽刻蚀透气孔，透气孔与第六腔体相连通，使第二MEMS结构通过透气孔与外部环境相连通；
S8、选择双抛硅片作为第二盖帽晶圆，在第二盖帽晶圆上制备第七腔体与第八腔体，第七腔体与第四腔体相对应，第八腔体与第五腔体及第六腔体相对应，得到第二盖帽；在第八腔体内制备第二吸气剂层；将第二盖帽键合在第一盖帽顶部，完成第二MEMS结构的真空封装。
进一步的，步骤S8采用LPCVD、SACVD或APCVD工艺在第一盖帽顶面沉积硼磷玻璃层或磷玻璃层，将透气孔封住，完成第二MEMS结构的真空封装。
本发明的有益效果是，在第一腔体和第二腔体之外引入第三腔体，第二腔体与第三腔体之间由于盖帽的键合留有一个气体通道，在第一盖帽将第一MEMS结构封装完成后，通过透气孔使第二MEMS结构通过透气孔与外部环境相连通，然后可利用CVD或晶圆键合的方法将第二MEMS结构进行真空封装，这种方式在进行在第二次真空封装时采用的工艺选择范围更大，能够在同一圆片上制作不同MEMS器件时实现不同真空度的封装需求，容易实施，且过程可控。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
图1是本发明实施例一步骤S1的示意图；
图2是本发明实施例一步骤S2的示意图；
图3是本发明实施例一步骤S3的示意图；
图4是本发明实施例一步骤S4的示意图；
图5是本发明实施例一步骤S5的示意图；
图6是本发明实施例一步骤S6的示意图；
图7是本发明实施例一步骤S7的示意图；
图8是本发明实施例一步骤S8的示意图；
图9是本发明实施例二步骤S8的示意图。
具体实施方式
实施例一
本发明提供一种不同真空度封装的MEMS圆片级真空封装方法，包括以下步骤：
S1、如图1所示，选择双抛硅片作为衬底晶圆1，在衬底晶圆1顶面刻蚀第一腔体2、第二腔体3与第三腔体4；
S2、结合图2所示，选择SOI晶圆作为结构层晶圆，将SOI晶圆的顶层硅7与衬底晶圆1顶面键合；
S3、结合图3所示，抛光去除SOI晶圆的底层硅5和埋氧层6，通过深硅刻蚀工艺将SOI晶圆的顶层硅7释放形成两个可动结构，两个可动结构分别与第一腔体及第二腔体形成配合，得到包含第一MEMS结构8与第二MEMS结构9的MEMS器件结构晶圆；
S4、结合图4所示，选择双抛硅片作为第一盖帽晶圆10，在第一盖帽晶圆10上制备第四腔体11、第五腔体12与第六腔体13，第四腔体11、第五腔体12及第六腔体13分别与第一腔体2、第二腔体3及第三腔体4一一对应，得到第一盖帽；
在第一盖帽晶圆上印刷玻璃浆料或金属图形化制作第一键合环14；第五腔体12与第六腔体13之间的第一盖帽晶圆不制作键合环；
S5、结合图5所示，在第四腔体11内制备第一吸气剂层16；
S6、结合图6所示，将第一盖帽与MEMS器件结构晶圆键合，完成第一MEMS结构的真空封装；第六腔体与第二腔体之间形成气道17；
第一MEMS结构8和第二MEMS结构9的初始封装真空度P1由该次键合工艺的真空度决定(P1的真空范围约为0.01 Pa～10 Pa)，但由于第四腔体11内通过吸气剂层16可维持长时间真空，而第五腔体12和第六腔体13并无吸气剂维持真空，因此第一MEMS结构8可长久在初始封装真空度P1中运行，而第二MEMS结构9所处真空度将从初始真空度P1逐渐变差；
S7、结合图7所示，在第一盖帽刻蚀透气孔18，透气孔18与第六腔体13相连通，使第二MEMS结构通过透气孔18与外部环境相连通；
S8、结合图8所示，选择双抛硅片作为第二盖帽晶圆19，在第二盖帽晶圆19上制备第七腔体20与第八腔体21，第七腔体20与第四腔体11相对应，第八腔体21与第五腔体及第六腔体相对应，得到第二盖帽；在第八腔体内制备第二吸气剂层22；在第二盖帽上制备第二键合环23，将第二盖帽键合在第一盖帽顶部，完成第二MEMS结构的真空封装。
第二MEMS结构的封装真空度P2由本次键合工艺真空度决定(P2不等于P1，但范围也在0.01 Pa～10 Pa量级)。
实施例二
本发明还提供另一种不同真空度封装的MEMS圆片级真空封装方法，该方法的步骤S1～S7与实施例一相同，区别在于，步骤S8采用LPCVD、SACVD或APCVD工艺在第一盖帽顶面沉积硼磷玻璃层或磷玻璃层24，将透气孔封住，完成第二MEMS结构的真空封装。
本实施例第二MEMS结构的封装真空度P3由CVD工艺真空度决定(对于LPCVD工艺，P3真空度约为10-1000 Pa；对于SACVD工艺，P3真空度约为104Pa量级；对于APCVD工艺，P3真空度约为105Pa)。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (2)

1.一种不同真空度封装的MEMS圆片级真空封装方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、选择双抛硅片作为衬底晶圆，在衬底晶圆顶面刻蚀第一腔体、第二腔体与第三腔体；
S2、选择SOI晶圆作为结构层晶圆，将SOI顶层硅面与衬底晶圆顶面键合；
S3、抛光去除SOI晶圆的底层硅和埋氧层，通过深硅刻蚀工艺将SOI晶圆的顶层硅释放形成两个可动结构，两个可动结构分别与第一腔体及第二腔体形成配合，得到包含第一MEMS结构与第二MEMS结构的MEMS器件结构晶圆；
S4、选择双抛硅片作为第一盖帽晶圆，在第一盖帽晶圆上制备第四腔体、第五腔体与第六腔体，第四腔体、第五腔体及第六腔体分别与第一腔体、第二腔体及第三腔体一一对应，得到第一盖帽；
S5、在第四腔体内制备第一吸气剂层；
S6、将第一盖帽与MEMS器件结构晶圆键合，完成第一MEMS结构的真空封装；
S7、在第一盖帽刻蚀透气孔，透气孔与第六腔体相连通，使第二MEMS结构通过透气孔与外部环境相连通；
S8、选择双抛硅片作为第二盖帽晶圆，在第二盖帽晶圆上制备第七腔体与第八腔体，第七腔体与第四腔体相对应，第八腔体与第五腔体及第六腔体相对应，得到第二盖帽；在第八腔体内制备第二吸气剂层；将第二盖帽键合在第一盖帽顶部，完成第二MEMS结构的真空封装。
2.根据权利要求1所述的一种不同真空度封装的MEMS圆片级真空封装方法，其特征在于，步骤S8采用LPCVD、SACVD或APCVD工艺在第一盖帽顶面沉积硼磷玻璃层或磷玻璃层，将透气孔封住，完成第二MEMS结构的真空封装。
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