CN113636521A - 带腔体器件的气密封装结构和制造方法 - Google Patents

带腔体器件的气密封装结构和制造方法 Download PDF

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丁希聪
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Abstract

本发明提供一种带腔体器件的气密封装结构和制造方法，其中，带腔体器件的气密封装结构包括：半导体部件；盖板；键合层，其位于半导体部件和盖板之间，以将半导体部件和盖板键合在一起；第一腔体，其位于半导体部件和盖板之间，且被键合层围绕并被完全密封；第二腔体，其位于半导体部件和盖板之间，且第二腔体位于第一腔体的一侧，第二腔体被键合层围绕并被部分密封；连通第二腔体并未被键合层完全密封的连通孔；薄膜层，用于密封连通孔，使第二腔体被完全密封。与现有技术相比，本发明可以将不同工作气压和/或不同气体成分要求的MEMS器件封装在同一片晶圆上，实现多MEMS器件的集成。

Description

带腔体器件的气密封装结构和制造方法
【技术领域】
本发明属于MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)器件领域，尤其涉及一种带腔体器件的气密封装结构和制造方法，其可以将不同工作气压要求和/或不同气体成分要求的MEMS封装在同一片晶圆上。
【背景技术】
类似于集成电路IC，MEMS传感器和执行器也在朝着高性能、小型化和低成本并集成化的方向发展。传统的封装方法采用单一的气体密封气压，而不同类型的MEMS器件其理想工作气压不同，如对于MEMS加速度计，为了保持高的性能及可靠性，其工作气压较高。而对于MEMS陀螺仪为保证高灵敏度和低功耗，其工作气压较低。目前的封装方式在同一晶圆上封装不同类MEMS器件时，不能满足不同气压的封装要求。
因此，有必要提出一种技术方案来克服上述问题。
【发明内容】
本发明的目的之一在于提供一种带腔体器件的气密封装结构和制造方法，其可以将不同工作气压、相同或不同气体成分要求的MEMS器件封装在同一片晶圆上，实现多MEMS器件的集成，减小传感系统的尺寸降低制造成本。
根据本发明的一个方面，本发明提供一种带腔体器件的气密封装结构，其包括：半导体部件；盖板；键合层，其位于所述半导体部件和盖板之间，以将所述半导体部件和盖板键合在一起；第一腔体，其位于所述半导体部件和盖板之间，且被所述键合层围绕并被完全密封；第二腔体，其位于所述半导体部件和盖板之间，且所述第二腔体位于所述第一腔体的一侧，所述第二腔体被所述键合层围绕并被部分密封；连通所述第二腔体并未被所述键合层完全密封的连通孔；薄膜层，用于密封所述连通孔，使所述第二腔体被完全密封。
根据本发明的另一个方面，本发明提供一种带腔体器件的气密封装结构的制造方法，其包括：提供半导体部件和盖板；在第一封装环境下，将所述半导体部件和盖板键合在一起，此时，在所述半导体部件和盖板之间形成第一腔体和第二腔体，所述第一腔体被完全密封；所述第二腔体通过连通孔与外界相连通；在第二封装环境下，在键合在一起的所述半导体部件和盖板的表面沉积薄膜层，以将所述连通孔密封，从而使所述第二腔体被完全密封。
与现有技术相比，本发明首先对半导体部件和盖板进行键合，以对第一腔体进行完全密封，对第二腔体进行部分密封，第二腔体通过连通孔与外部环境连通；然后，再密封该连通孔，以实现对第二腔体的完全密封，其中，第一腔体和第二腔体除气压不同外，气体的种类也可以不同，这可通过调整封装环境气体气压和成分来实现。这样，本发明可以将不同工作气压、相同或不同气体成分要求的MEMS器件封装在同一片晶圆上，实现多MEMS器件的集成，减小传感系统的尺寸降低制造成本。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明在一个实施例中提供的半导体部件100的部分纵剖面图；
图2a为本发明在一个实施例中提供的盖板210的部分俯视图；
图2b为本发明在一个实施例中如图2a所示的盖板沿中间线201的部分纵剖面图；
图3为本发明在第一个实施例中，将图1所示的半导体部件和图2a、图2b所示的盖板键合后形成的键合结构的部分纵剖面图；
图4为本发明在一个实施例中对图3所示的键合结构沉积薄膜后形成的气密封装结构的部分纵剖面图；
图5为本发明在第二个实施例中将半导体部件和盖板键合后形成的键合结构的部分纵剖面图；
图6为本发明在一个实施例中对图5所示的键合结构沉积薄膜后形成的气密封装结构的部分纵剖面图；
图7为本发明在第三个实施例中将半导体部件和盖板键合后并沉积薄膜形成的气密封装结构的部分纵剖面图；
图8为本发明在第四个实施例中将半导体部件和盖板键合后形成的键合结构的部分纵剖面图；
图9为本发明中的带腔体器件的气密封装结构的制造方法在一个实施例中的流程图。
【具体实施方式】
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。除非特别说明，本文中的连接、相连、相接的表示电性连接的词均表示直接或间接电性相连。
请参考图9所示，其为本发明中的带腔体器件的气密封装结构的制造方法在一个实施例中的流程图。所述制造方法包括如下步骤。
步骤10、如图1、图2a和图2b所示，提供半导体部件100和盖板210。其中，图1为本发明在一个实施例中提供的半导体部件100的部分纵剖面图；图2a为本发明在一个实施例中提供的盖板210的部分俯视图；图2b为本发明在一个实施例中如图2a所示的盖板沿中间线201的部分纵剖面图。
在图1所示的实施例中，半导体部件100包括：第一表面150，与该第一表面150相对的第二表面160，第一微机电系统器件(即MEMS1)130、第二微机电系统器件(即MEMS2)131和沟槽140。其中，第一微机电系统器件(即MEMS1)130和第二微机电系统器件(即MEMS2)131位于半导体部件100的第一表面150上且沿所述半导体部件100的第一表面150间隔排布；沟槽140形成于所述半导体部件100的第一表面150且位于第二微机电系统器件(即MEMS2)131的外侧(或周围)。
在图1所示的具体实施例中，半导体部件100还包括衬底110和位于所述衬底110上方的第一结构层120，第一结构层120远离衬底110的一侧表面为半导体部件100的第一表面150，衬底110远离第一结构层120的一侧表面为半导体部件100的第二表面160，第一微机电系统器件(即MEMS1)130和第二微机电系统器件(即MEMS2)131位于第一结构层120远离衬底110的一侧表面(即半导体部件100的第一表面150)的上方，且沿该表面间隔排布；沟槽140形成于第一结构层120远离衬底110的一侧表面且位于第二微机电系统器件(即MEMS2)131的外侧(或周围)。
衬底110为半导体衬底层，典型的如硅晶圆，其用于制造电路及MEMS结构。第一结构层120可以为电路层或介质层。沟槽140可以在第一结构层120中刻蚀而成。第一微机电系统器件(即MEMS1)130和第二微机电系统器件(即MEMS2)131可以为不同类型的器件，其要求的工作气体气压不同、工作气体成分相同或不同，比如，第一微机电系统器件(即MEMS1)130为陀螺仪，第二微机电系统器件(即MEMS2)131为加速度计，或者反之也可。
在图2a和图2b所示的实施例中，所述盖板210包括第一表面250，与该第一表面250相对的第二表面260，以及第一凹槽211和第二凹槽212。其中，第一凹槽211和第二凹槽212形成于盖板210的第一表面250，且沿盖板210的第一表面250间隔排布；在盖板210的第一表面250上方形成有键合层220，所述键合层220完全环绕所述第一凹槽211且部分环绕第二凹槽212(或所述键合层220分别环绕所述第一凹槽211和第二凹槽212)。在图2a中，201和202为中间线。键合层220用于晶圆键合，其可通过薄膜沉积等方式来实现。第一凹槽211和第二凹槽212可采用干法或者湿法刻蚀得到。盖板210可以为硅晶圆或者玻璃。
步骤20、如图3所示，在第一封装环境下，将所述半导体部件100的第一表面150和盖板210的第一表面250相对，并通过位于所述半导体部件100的第一表面150和盖板210的第一表面250之间的键合层220，将所述半导体部件100和盖板210键合在一起，以形成键合结构300。图3为本发明在第一个实施例中，将图1所示的半导体部件和图2a、图2b所示的盖板键合后形成的键合结构的部分纵剖面图。其中，在所述半导体部件100的第一表面150和盖板210的第一表面250之间形成第一腔体A、第二腔体B和连通孔C，第一腔体A被所述键合层220围绕并被完全密封；所述第二腔体B被键合层220围绕并被部分密封；连通孔C将第二腔体B与外界相连通。
半导体部件100和盖板210的键合方式可采用粘合剂/阳极键合、金属键合和混合金属/聚合物晶圆键合等。通过调整所述第一封装环境的气体气压和气体成分来调整完全密封的所述第一腔体A的气体气压和气体成分，例如第一腔体A内的气压由半导体部件100和盖板210键合时的气压及该过程中的其他工艺参数决定。
在图3所示的具体实施例中，盖板210的直径小于半导体部件100的直径，所述盖板210和半导体部件100键合后，所述盖板210的边缘位于所述半导体部件100的边缘的内侧，即在键合结构300的边缘形成台阶。当所述半导体部件100和盖板210键合在一起时，所述第一凹槽211与第一微机电系统器件(即MEMS1)130所在区域(或周围)的所述半导体部件100的第一表面150扣合，以形成第一腔体A，第一微机电系统器件(即MEMS1)130收容于所述第一腔体A内；所述第二凹槽212与第二微机电系统器件(即MEMS2)131所在区域(或周围)的所述半导体部件100的第一表面150扣合，以形成第二腔体B，第二微机电系统器件(即MEMS2)131收容于所述第二腔体B内。形成于所述半导体部件100的第一表面150且位于第二微机电系统器件(即MEMS2)131外侧的沟槽140与所述盖板210的第二凹槽212的侧壁相对，所述沟槽140与其相对的所述第二凹槽212的侧壁围成的空间形成连通所述第二腔体B与外界的连通孔C。也就是说，当所述半导体部件100和盖板210键合在一起时，第一微机电系统器件(即MEMS1)130密封于第一腔体A中，第二微机电系统器件(即MEMS2)131位于所述第二腔体B中，且在键合后，第二腔体B仍通过连通孔C与外部连通。连通孔C用来调节第二腔体B的气压和气体成分。
在图3所示的具体实施例中，所述键合层220将所述第一结构层120远离衬底110的一侧表面(即半导体部件100的第一表面150)与所述盖板210的第一表面250键合在一起；与所述沟槽140相对的所述第二凹槽212的侧壁位于所沟槽140上方，具体的，请参见图3右下角的虚线框部分，该虚线框部分为沟槽140在一个实施例中的俯视图，由该俯视图可知，所述沟槽140跨过与其相对的所述第二凹槽212的侧壁的厚度方向，且所述沟槽140的一端位于与所述沟槽140相对的第二凹槽212的侧壁的一侧且与所述第二腔体B相通，所述沟槽140的另一端位于与所述沟槽140相对的所述第二凹槽212的侧壁的另一侧且与外部环境相通；所述沟槽140可以为一个沟槽1401或并行排布的多个沟槽1402。在图3中，3个沟槽1402仅作示意，实际中不限于3个沟槽1402。
步骤30、如图4所示，在第二封装环境下，在所述键合结构300的连通孔C区域沉积薄膜410，以将连通孔C密封，从而使第二腔体B完全密封。图4为本发明在一个实施例中对图3所示的键合结构沉积薄膜后形成的气密封装结构的部分纵剖面图。在图4所示的具体实施例中，在所述键合结构300的第一表面沉积薄膜410。所述键合结构300的第一表面为盖板210所在一侧的所述键合结构300的表面，具体的，所述键合结构300的第一表面包括所述盖板210的第二表面260和侧面，以及位于所述盖板210外侧的半导体部件100的第一表面150。薄膜410的厚度需足够厚以保证第二腔体B的密封性。通过调整所述第二封装环境的气体气压和气体成分来调整完全密封的所述第二腔体B的气体气压和气体成分，例如，完全密封后的第二腔体B的气压大小由沉积薄膜410时所采用的气压(即第二封装环境的气压)大小决定。其中，完全密封后的第一腔体A的气压大于完全密封后的第二腔体B的气压，也可以小于完全密封后的第二腔体B的气压，具体可通过调节键合时(即第一封装环境)和薄膜沉积时(或第二封装环境)气压的大小各自来确定。沉积薄膜410可采用化学气相沉积、物理气相沉积等方法实现。在一个实施例中，较低气压的空腔A、B中的MEMS器件可以是陀螺仪、滤波器、振荡器等，较高气压的空腔A、B中的MEMS器件可以是加速度计、压力传感器、红外传感器等。
请参考图5所示，其为本发明在第二个实施例中将半导体部件和盖板键合后形成的键合结构的部分纵剖面图。
图5所示的盖板210与图3所示的盖板210的结构相同，具体请参见前文对图3所示的盖板210的介绍，在此不再赘述。
图5所示的半导体部件100-1与图3所示的半导体部件100的结构基本相同，其主要区别在于，图5所示的半导体部件100-1还包括第二结构层510；沟槽240形成于第二结构层510中。具体的，图5所示的半导体部件100-1包括：衬底110、第一结构层120、第二结构层510、第一微机电系统器件(即MEMS1)130、第二微机电系统器件(即MEMS2)131和沟槽240。其中，第一结构层120位于所述衬底110的上方；第一微机电系统器件(即MEMS1)130和第二微机电系统器件(即MEMS2)131位于第一结构层120远离衬底110的一侧表面上方，且沿该表面间隔排布；所述第二结构层510位于所述第一结构层120上方，且分别围绕所述第一微机电系统器件(即MEMS1)130和第二微机电系统器件(即MEMS2)131；所述第二结构层510远离所述第一结构层120的一侧表面为半导体部件100的第一表面(未标识)，所述衬底110远离所述第一结构层120的一侧表面为半导体部件100的第二表面(未标识)。
在图5所示的具体实施例中，键合层220将所述第二结构层510远离所述第一结构层120的一侧表面(即半导体部件100的第一表面)与盖板210的第一表面键合在一起；沟槽240形成于第二结构层510远离衬底110的一侧表面(即半导体部件100的第一表面)，且位于第二微机电系统器件(即MEMS2)131的外侧(或周围)；与所述沟槽240相对的所述第二凹槽212的侧壁位于所沟槽240上方，具体的，请参见图5右下角的虚线框部分，该虚线框部分为沟槽240在一个实施例中的俯视图，由该俯视图可知，所述沟槽240跨过与其相对的所述第二凹槽212的侧壁的厚度方向，且所述沟槽240的一端位于与所述沟槽240相对的第二凹槽212的侧壁的一侧且与所述第二腔体B相通，所述沟槽240的另一端位于与所述沟槽240相对的所述第二凹槽212的侧壁的另一侧且与外部环境相通；所述沟槽240可以为一个沟槽2401或并行排布的多个沟槽2402。在图5中，3个沟槽2402仅作示意，实际中不限于3个沟槽2402。
图6为本发明在一个实施例中对图5所示的键合结构沉积薄膜后形成的气密封装结构的部分纵剖面图。如图6所示，在第二封装环境下，在键合结构500的连通孔C区域沉积薄膜410，以将连通孔C密封，从而使第二腔体B完全密封。在图6所示的具体实施例中，在键合结构500的第一表面沉积薄膜410。键合结构500的第一表面为盖板210所在一侧的所述键合结构500的表面，具体的，所述键合结构500的第一表面包括所述盖板210的第二表面260和侧面，以及位于所述盖板210的外侧的半导体部件100-1的第一表面。
请参考图7所示，其为本发明在第三个实施例中将半导体部件和盖板键合后并沉积薄膜形成的气密封装结构的部分纵剖面图。
图7所示的盖板210与图3所示的盖板210的结构相同，具体请参见前文对图3所示的盖板210的介绍，在此不再赘述。
图7所示的半导体部件100-2与图3所示的半导体部件100的结构基本相同，其主要区别在于，图7所示的半导体部件100-2还包括第二结构层710；沟槽340形成于第二结构层710中，且与所述沟槽340相对的所述第二凹槽212的侧壁悬置于所沟槽340内。具体的，图7所示的半导体部件100-2包括：衬底110、第一结构层120、第二结构层710、第一微机电系统器件(即MEMS1)130、第二微机电系统器件(即MEMS2)131和沟槽340。其中，第一结构层120位于所述衬底110的上方；第一微机电系统器件(即MEMS1)130和第二微机电系统器件(即MEMS2)131位于第一结构层120远离衬底110的一侧表面上方，且沿该表面间隔排布；所述第二结构层710位于所述第一结构层120上方，且仅环绕第二微机电系统器件(即MEMS2)131；所述第二结构层710远离所述第一结构层120的一侧表面，以及所述第一结构层120远离所述衬底110的一侧表面中未所述第二结构层710遮挡的部分构成半导体部件100-2的第一表面(未标识)，所述衬底110远离所述第一结构层120的一侧表面为半导体部件100的第二表面(未标识)。
在图7所示的具体实施例中，键合层220将所述第二结构层710远离所述第一结构层120的一侧表面(其属于半导体部件100-2的第一表面)键合在一起；沟槽340形成于第二结构层710远离衬底110的一侧表面(其属于半导体部件100-2的第一表面)，且位于第二微机电系统器件(即MEMS2)131的外侧(或周围)；与所述沟槽340相对的所述第二凹槽212的侧壁悬置于所沟槽340内，具体的，请参见图7右下角的虚线框部分，该虚线框部分为沟槽340在一个实施例中的俯视图，由图7可知，所述沟槽340贯穿第二结构层710；与所述沟槽340相对的所述第二凹槽212的侧壁悬置于所沟槽340内，所述沟槽340与其相对的所述第二凹槽212的侧壁围成的空间形成连通所述第二腔体B与外界的连通孔C。
在图7所示的具体实施例中，在第二封装环境下，在键合结构(未标识)的连通孔C区域沉积薄膜410，以将连通孔C密封，从而使第二腔体B完全密封，具体的，在键合结构的第一表面沉积薄膜410。如图7所示的键合结构的第一表面为盖板210所在一侧的所述键合结构的表面，具体的，所述键合结构的第一表面包括所述盖板210的第二表面和侧面，以及位于所述盖板210的外侧的半导体部件100的第一表面。
请参考图8所示，其为本发明在第四个实施例中将半导体部件和盖板键合后形成的键合结构的部分纵剖面图。
图8所示的半导体部件100-2与图7所示的半导体部件100-2的结构相同，在此不再赘述。
图8所示的盖板210-1与图7所示的盖板210的结构基本相同，其区别主要在于，与沟槽840相对的所述第二凹槽212侧壁部分810较第二凹槽212的其它侧壁部分更短，该短侧壁810可通过二次刻蚀的方式实现；且在晶圆键合后，与所述沟槽840相对的所述第二凹槽212的短侧壁810位于所沟槽840的上方。
由上述实施例可知，所述沟槽140、240、340、840可以形成于第一结构层120中，所述第一结构层120位于所述第一微机电系统器件(即MEMS1)130、第二微机电系统器件(即MEMS2)131下方；所述沟槽140、240、340、840也可以形成于第二结构层510、710中，所述第二结构层510、710可以与所述第一微机电系统器件(即MEMS1)130、第二微机电系统器件(即MEMS2)131同层。
根据本发明的另一个方面，本发明提供一种带腔体器件的气密封装结构。
图4所示的带腔体器件的气密封装结构400包括键合结构300和薄膜层410。其中，键合结构300包括半导体部件100、盖板210、键合层220、第一腔体A、第二腔体B和连通孔C。
在图4所示的实施例中，半导体部件100包括：第一表面150，与该第一表面150相对的第二表面160，第一微机电系统器件(即MEMS1)130、第二微机电系统器件(即MEMS2)131和沟槽140。其中，第一微机电系统器件(即MEMS1)130和第二微机电系统器件(即MEMS2)131位于半导体部件100的第一表面150上且沿所述半导体部件100的第一表面150间隔排布；沟槽140形成于所述半导体部件100的第一表面150且位于第二微机电系统器件(即MEMS2)131的外侧(或周围)。
在图4所示的具体实施例中，半导体部件100还包括衬底110和位于所述衬底110上方的第一结构层120，第一结构层120远离衬底110的一侧表面为半导体部件100的第一表面150，衬底110远离第一结构层120的一侧表面为半导体部件100的第二表面160，第一微机电系统器件(即MEMS1)130和第二微机电系统器件(即MEMS2)131位于第一结构层120远离衬底110的一侧表面(即半导体部件100的第一表面150)的上方，且沿该表面间隔排布；沟槽140形成于第一结构层120远离衬底110的一侧表面且位于第二微机电系统器件(即MEMS2)131的外侧(或周围)。衬底110为半导体衬底层，典型的如硅晶圆，其用于制造电路及MEMS结构。第一结构层120可以为电路层或介质层。沟槽140可以在第一结构层120中刻蚀而成。第一微机电系统器件(即MEMS1)130和第二微机电系统器件(即MEMS2)131可以为不同类型的器件，其要求的工作气体气压不同、工作气体成分相同或不同，比如，第一微机电系统器件(即MEMS1)130为陀螺仪，第二微机电系统器件(即MEMS2)131为加速度计，或者反之也可。
在图4所示的实施例中，所述盖板210包括第一表面250，与该第一表面250相对的第二表面260，以及第一凹槽211和第二凹槽212。其中，第一凹槽211和第二凹槽212形成于盖板210的第一表面250，且沿盖板210的第一表面250间隔排布。所述键合层220位于半导体部件100的第一表面150和盖板210的第一表面250之间，以将半导体部件100的第一表面150和盖板210的第一表面250键合在一起。键合层220用于晶圆键合，其可通过薄膜沉积等方式来实现。第一凹槽211和第二凹槽212可采用干法或者湿法刻蚀得到。盖板210可以为硅晶圆或者玻璃。第一腔体A位于半导体部件100的第一表面150和盖板210的第一表面250之间，且被所述键合层220完全围绕并被完全密封；第二腔体B位于半导体部件100的第一表面150和盖板210的第一表面250之间，且所述第二腔体B位于所述第一腔体A的一侧，所述第二腔体B被所述键合层220部分围绕并被部分密封(或所述键合层220分别环绕第一腔体A和第二腔体B)；连通孔C用于连通所述第二腔体B与外界环境。
所述键合层220是在第一封装环境下，将所述半导体部件100和盖板210键合在一起的。半导体部件100和盖板210的键合方式可采用粘合剂/阳极键合、金属键合和混合金属/聚合物晶圆键合等。通过调整所述第一封装环境的气体气压和气体成分来调整完全密封的所述第一腔体A的气体气压和气体成分，例如第一腔体A内的气压由半导体部件100和盖板210键合时的气压及该过程中的其他工艺参数决定。
在图4所示的具体实施例中，盖板210的直径小于半导体部件100的直径，所述盖板210的边缘位于所述半导体部件100的边缘的内侧，即在键合结构300的边缘形成台阶。所述第一凹槽211与第一微机电系统器件(即MEMS1)130所在区域(或周围)的所述半导体部件100的第一表面150扣合，以形成第一腔体A，第一微机电系统器件(即MEMS1)130收容于所述第一腔体A内；所述第二凹槽212与第二微机电系统器件(即MEMS2)131所在区域(或周围)的所述半导体部件100的第一表面150扣合，以形成第二腔体B，第二微机电系统器件(即MEMS2)131收容于所述第二腔体B内。形成于所述半导体部件100的第一表面150且位于第二微机电系统器件(即MEMS2)131外侧的沟槽140与所述盖板210的第二凹槽212的侧壁相对，所述沟槽140与其相对的所述第二凹槽212的侧壁围成的空间形成连通所述第二腔体B与外界的连通孔C。也就是说，当所述半导体部件100和盖板210通过所述键合层220键合在一起时，第一微机电系统器件(即MEMS1)130密封于第一腔体A中，第二微机电系统器件(即MEMS2)131位于所述第二腔体B中，且在键合后，第二腔体B仍通过连通孔C与外部连通。连通孔C用来调节第二腔体B的气压和气体成分。所述键合层220将所述第一结构层120远离衬底110的一侧表面(即半导体部件100的第一表面150)与所述盖板210的第一表面250键合在一起；与所述沟槽140相对的所述第二凹槽212的侧壁位于所沟槽140上方，具体请参见前文对图3和图4所示的沟槽140的描述。
在图4所示的实施例中，所述薄膜层410位于所述键合结构300的表面，以密封所述连通孔C，使所述第二腔体B被完全密封。所述薄膜层410是在第二封装环境下，通过在所述键合结构300的表面沉积薄膜形成的。具体的，在所述键合结构300的第一表面沉积薄膜410，所述键合结构300的第一表面为盖板210所在一侧的所述键合结构300的表面，具体的，所述键合结构300的第一表面包括所述盖板210的第二表面260和侧面，以及位于所述盖板210外侧的半导体部件100的第一表面150。薄膜410的厚度需足够厚以保证第二腔体B的密封性。通过调整所述第二封装环境的气体气压和气体成分来调整完全密封的所述第二腔体B的气体气压和气体成分，例如，完全密封后的第二腔体B的气压大小由沉积薄膜410时所采用的气压(即第二封装环境的气压)大小决定。其中，完全密封后的第一腔体A的气压大于完全密封后的第二腔体B的气压，也可以小于完全密封后的第二腔体B的气压，具体可通过调节键合时(即第一封装环境)和薄膜沉积时(或第二封装环境)气压的大小各自来确定。沉积薄膜410可采用化学气相沉积、物理气相沉积等方法实现。在一个实施例中，较低气压的空腔A、B中的MEMS器件可以是陀螺仪、滤波器、振荡器等，较高气压的空腔A、B中的MEMS器件可以是加速度计、压力传感器、红外传感器等。
图6所示的带腔体器件的气密封装结构600包括键合结构500和薄膜层410。其中，键合结构500包括半导体部件100-1、盖板210、键合层220、第一腔体A、第二腔体B和连通孔C。
图6所示的盖板210与图4所示的盖板210的结构相同，具体请参见前文对图4所示的盖板210的介绍，在此不再赘述。
图6所示的半导体部件100-1与图4所示的半导体部件100的结构基本相同，其主要区别在于，图6所示的半导体部件100-1还包括第二结构层510；沟槽240形成于第二结构层510中。具体的，图6所示的半导体部件100-1包括：衬底110、第一结构层120、第二结构层510、第一微机电系统器件(即MEMS1)130、第二微机电系统器件(即MEMS2)131和沟槽240。其中，第一结构层120位于所述衬底110的上方；第一微机电系统器件(即MEMS1)130和第二微机电系统器件(即MEMS2)131位于第一结构层120远离衬底110的一侧表面上方，且沿该表面间隔排布；所述第二结构层510位于所述第一结构层120上方，且分别围绕所述第一微机电系统器件(即MEMS1)130和第二微机电系统器件(即MEMS2)131；所述第二结构层510远离所述第一结构层120的一侧表面为半导体部件100的第一表面(未标识)，所述衬底110远离所述第一结构层120的一侧表面为半导体部件100的第二表面(未标识)。
在图6所示的具体实施例中，键合层220将所述第二结构层510远离所述第一结构层120的一侧表面(即半导体部件100的第一表面)与盖板210的第一表面键合在一起；沟槽240形成于第二结构层510远离衬底110的一侧表面(即半导体部件100的第一表面)，且位于第二微机电系统器件(即MEMS2)131的外侧(或周围)；与所述沟槽240相对的所述第二凹槽212的侧壁位于所沟槽240上方，具体请参见前文对图5和图6所示的沟槽240的描述。所述薄膜层410位于所述键合结构500的表面，以密封所述连通孔C，使所述第二腔体B被完全密封。所述薄膜层410是在第二封装环境下，通过在所述键合结构500的表面沉积薄膜形成的，具体的，在所述键合结构500的第一表面沉积薄膜410。所述键合结构500的第一表面为盖板210所在一侧的所述键合结构500的表面，具体的，所述键合结构500的第一表面包括所述盖板210的第二表面和侧面，以及位于所述盖板210外侧的半导体部件100-1的第一表面。
图7所示的带腔体器件的气密封装结构700包括键合结构(未标识)和薄膜层410。其中，键合结构500包括半导体部件100-2、盖板210、键合层220、第一腔体A、第二腔体B和连通孔C。
图7所示的盖板210与图4所示的盖板210的结构相同，具体请参见前文对图4所示的盖板210的介绍，在此不再赘述。
图7所示的半导体部件100-2与图4所示的半导体部件100的结构基本相同，其主要区别在于，图7所示的半导体部件100-2还包括第二结构层710；沟槽340形成于第二结构层710中，且与所述沟槽340相对的所述第二凹槽212的侧壁悬置于所沟槽340内。具体的，图7所示的半导体部件100-2包括：衬底110、第一结构层120、第二结构层710、第一微机电系统器件(即MEMS1)130、第二微机电系统器件(即MEMS2)131和沟槽340。其中，第一结构层120位于所述衬底110的上方；第一微机电系统器件(即MEMS1)130和第二微机电系统器件(即MEMS2)131位于第一结构层120远离衬底110的一侧表面上方，且沿该表面间隔排布；所述第二结构层710位于所述第一结构层120上方，且仅环绕第二微机电系统器件(即MEMS2)131；所述第二结构层710远离所述第一结构层120的一侧表面，以及所述第一结构层120远离所述衬底110的一侧表面中未所述第二结构层710遮挡的部分构成半导体部件100-2的第一表面(未标识)，所述衬底110远离所述第一结构层120的一侧表面为半导体部件100的第二表面(未标识)。
在图7所示的具体实施例中，键合层220将所述第二结构层710远离所述第一结构层120的一侧表面(其属于半导体部件100-2的第一表面)键合在一起；沟槽340形成于第二结构层710远离衬底110的一侧表面(其属于半导体部件100-2的第一表面)，且位于第二微机电系统器件(即MEMS2)131的外侧(或周围)；与所述沟槽340相对的所述第二凹槽212的侧壁悬置于所沟槽340内，具体的，请参见前文对图7所示的沟槽340描述。所述薄膜层410位于所述键合结构(未标识)的表面，以密封所述连通孔C，使所述第二腔体B被完全密封。所述薄膜层410是在第二封装环境下，通过在所述键合结构(未标识)的表面沉积薄膜形成的。具体的，在所述键合结构(未标识)的第一表面沉积薄膜410。所述键合结构(未标识)的第一表面为盖板210所在一侧的所述键合结构(未标识)的表面，具体的，所述键合结构(未标识)的第一表面包括所述盖板210的第二表面和侧面，以及位于所述盖板210外侧的半导体部件100-2的第一表面。
需要特别说明的是，在另一实施例中，可以将图7中与沟槽340相对的所述第二凹槽212侧壁部分进行刻蚀，以使与沟槽340相对的所述第二凹槽212侧壁较第二凹槽212的其它侧壁部分更短，这样，该短侧壁与所述沟槽340相对且位于所述沟槽340的上方，具体请参见图8及前文对图8的描述。
由上述实施例可知，所述沟槽140、240、340、840可以形成于第一结构层120中，所述第一结构层120位于所述第一微机电系统器件(即MEMS1)130、第二微机电系统器件(即MEMS2)131下方；所述沟槽140、240、340、840也可以形成于第二结构层510、710中，所述第二结构层510、710可以与所述第一微机电系统器件(即MEMS1)130、第二微机电系统器件(即MEMS2)131同层。
综上所述，本发明用于封装的盖板210具有第一凹槽211和第二凹槽212，其中，在晶圆键合时，第一凹槽211形成第一腔体A且被完全密封，第二凹槽212形成第二腔体B且被部分密封，且第二腔体B通过连通孔C与外部环境连通；然后，密封连通孔C，以实现对第二腔体B的完全密封，其中，密封连通孔C可采用薄膜沉积如化学气相沉积、物理气相沉积等方式来实现；第一腔体A和第二腔体B除气压不同外，气体的种类也可以不同，这可通过调整封装环境气体气压和成分来实现。这样，本发明可以将多个不同的MEMS器件集成在单芯片上，提高了集成度，减小了芯片的尺寸，实现单芯片多功能的测量等。此外，本发明的工艺兼容现有的半导体加工工艺，可进一步降低MEMS系统的成本。
在本发明中，“连接”、“相连”、“连”、“接”等表示电性连接的词语，如无特别说明，则表示直接或间接的电性连接。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (15)

1.一种带腔体器件的气密封装结构，其特征在于，其包括：
半导体部件；
盖板；
键合层，其位于所述半导体部件和盖板之间，以将所述半导体部件和盖板键合在一起；
第一腔体，其位于所述半导体部件和盖板之间，且被所述键合层围绕并被完全密封；
第二腔体，其位于所述半导体部件和盖板之间，且所述第二腔体位于所述第一腔体的一侧，所述第二腔体被所述键合层围绕并被部分密封；
连通所述第二腔体并未被所述键合层完全密封的连通孔；
薄膜层，用于密封所述连通孔，使所述第二腔体被完全密封。
2.根据权利要求1所述的带腔体器件的气密封装结构，其特征在于，
完全密封的所述第一腔体内的气压和完全密封的所述第二腔体内的气压不同；
完全密封的所述第一腔体内的气体成分和完全密封的所述第二腔体内的气体成分可以相同或者不同；和/或
所述第一腔体内的第一微机电系统器件和所述第二腔体内的第二微机电系统器件不同。
3.根据权利要求1所述的带腔体器件的气密封装结构，其特征在于，
所述盖板还包括形成于所述盖板的第一表面的第一凹槽和第二凹槽，所述第一凹槽和第二凹槽沿所述盖板的第一表面间隔排布；
所述半导体部件还包括位于所述半导体部件的第一表面的第一微机电系统器件和第二微机电系统器件，所述第一微机电系统器件和第二微机电系统器件沿所述半导体部件的第一表面间隔排布；
所述第一凹槽与所述第一微机电系统器件所在区域的所述半导体部件的第一表面扣合，以形成第一腔体，所述第一微机电系统器件收容于所述第一腔体内；所述第二凹槽与所述第二微机电系统器件所在区域的所述半导体部件的第一表面扣合，以形成第二腔体，所述第二微机电系统器件收容于所述第二腔体内。
4.根据权利要求3所述的带腔体器件的气密封装结构的制造方法，其特征在于，
所述半导体部件还包括沟槽，所述沟槽形成于所述半导体部件的第一表面且位于所述第二微机电系统器件的外侧，
形成于所述半导体部件的第一表面的沟槽与形成于所述盖板的第一表面的第二凹槽的侧壁相对，所述沟槽与其相对的所述第二凹槽的侧壁围成连通所述第二腔体与外界的所述连通孔。
5.根据权利要求4所述的带腔体器件的气密封装结构，其特征在于，
与所述沟槽相对的所述第二凹槽的侧壁位于所述沟槽的上方，或与所述沟槽相对的所述第二凹槽的侧壁悬置于所述沟槽内；
所述沟槽形成于第一结构层，所述第一结构层位于所述第一微机电系统器件和第二微机电系统器件下方；或所述沟槽形成于第二结构层，所述第二结构层与所述第一微机电系统器件和第二微机电系统器件同层。
6.根据权利要求4所述的带腔体器件的气密封装结构，其特征在于，所述半导体部件还包括衬底和位于所衬底上方的第一结构层，
所述第一微机电系统器件和第二微机电系统器件位于所述第一结构层远离所述衬底的一侧表面的上方，且沿该表面间隔排布；
所述沟槽形成于所述第一结构层远离所述衬底的一侧表面，且位于所述第二微机电系统器件的外侧，
或，所述半导体部件还包括衬底、第一结构层和第二结构层，
所述第一结构层位于所述衬底的上方；
所述第一微机电系统器件和第二微机电系统器件位于所述第一结构层远离所述衬底的一侧表面上方且沿该第一表面间隔排布；
所述第二结构层位于所述第一结构层上方，且所述第二结构层分别围绕所述第一微机电系统器件和第二微机电系统器件，或所述第二结构层仅围绕所述第二微机电系统器件；
所述沟槽形成于所述第二结构层远离所述第一结构层的一侧表面，且位于所述第二微机电系统器件外侧。
7.根据权利要求6所述的带腔体器件的气密封装结构，其特征在于，
所述第一结构层为电路层或介质层；
所述第二结构层与所述第一微机电系统器件和第二微机电系统器件同层；
所述微机电系统器件为陀螺仪、加速度计、压力传感器、惯性传感器或生物化学传感器。
8.根据权利要求1-7任一所述的带腔体器件的气密封装结构，其特征在于，
所述键合层是在第一封装环境下，将所述半导体部件和盖板键合在一起的；
所述薄膜层是在第二封装环境下，通过在键合在一起的所述半导体部件和盖板的表面沉积薄膜形成的；
通过调整第一封装环境的气体气压和气体成分来调整完全密封的所述第一腔体的气体气压和气体成分；通过调整第二封装环境的气体气压和气体成分来调整完全密封的所述第二腔体的气体气压和气体成分。
9.一种带腔体器件的气密封装结构的制造方法，其特征在于，其包括：
提供半导体部件和盖板；
在第一封装环境下，将所述半导体部件和盖板键合在一起，此时，在所述半导体部件和盖板之间形成第一腔体和第二腔体，所述第一腔体被完全密封；所述第二腔体通过连通孔与外界相连通；
在第二封装环境下，在键合在一起的所述半导体部件和盖板的表面沉积薄膜层，以将所述连通孔密封，从而使所述第二腔体被完全密封。
10.根据权利要求9所述的带腔体器件的气密封装结构的制造方法，其特征在于，
完全密封的所述第一腔体内的气压和完全密封的所述第二腔体内的气压不同；
完全密封的所述第一腔体内的气体成分和完全密封的所述第二腔体内的气体成分可以相同或者不同；和/或
所述第一腔体内的第一微机电系统器件和所述第二腔体内的第二微机电系统器件不同。
11.根据权利要求9所述的带腔体器件的气密封装结构的制造方法，其特征在于，
所述盖板还包括形成于所述盖板的第一表面的第一凹槽和第二凹槽，所述第一凹槽和第二凹槽沿所述盖板的第一表面间隔排布；
所述半导体部件还包括位于所述半导体部件的第一表面的第一微机电系统器件和第二微机电系统器件，所述第一微机电系统器件和第二微机电系统器件沿所述半导体部件的第一表面间隔排布；
当所述半导体部件和盖板键合在一起时，所述第一凹槽与所述第一微机电系统器件所在区域的所述半导体部件的第一表面扣合，以形成第一腔体，所述第一微机电系统器件收容于所述第一腔体内；所述第二凹槽与所述第二微机电系统器件所在区域的所述半导体部件的第一表面扣合，以形成第二腔体，所述第二微机电系统器件收容于所述第二腔体内。
12.根据权利要求11所述的带腔体器件的气密封装结构的制造方法，其特征在于，
所述半导体部件还包括沟槽，所述沟槽形成于所述半导体部件的第一表面且位于所述第二微机电系统器件的外侧，
当所述半导体部件和盖板键合在一起时，形成于所述半导体部件的第一表面的沟槽与形成于所述盖板的第一表面的第二凹槽的侧壁相对，所述沟槽与其相对的所述第二凹槽的侧壁围成连通所述第二腔体与外界的所述连通孔。
13.根据权利要求12所述的带腔体器件的气密封装结构的制造方法，其特征在于，
当所述半导体部件和盖板键合在一起时，与所述沟槽相对的所述第二凹槽的侧壁位于所述沟槽的上方，或与所述沟槽相对的所述第二凹槽的侧壁悬置于所述沟槽内；
所述沟槽形成于第一结构层，所述第一结构层位于所述第一微机电系统器件和第二微机电系统器件下方；或所述沟槽形成于第二结构层，所述第二结构层与所述第一微机电系统器件和第二微机电系统器件同层。
14.根据权利要求12所述的带腔体器件的气密封装结构的制造方法，其特征在于，
所述半导体部件还包括衬底和位于所述衬底上方的第一结构层，
所述第一微机电系统器件和第二微机电系统器件位于所述第一结构层远离所述衬底的一侧表面的上方，且沿该表面间隔排布；
所述沟槽形成于所述第一结构层远离所述衬底的一侧表面，且位于所述第二微机电系统器件的外侧，
或，所述半导体部件还包括衬底、第一结构层和第二结构层，
所述第一结构层位于所述衬底的上方；
所述第一微机电系统器件和第二微机电系统器件位于所述第一结构层远离所述衬底的一侧表面上方且沿该第一表面间隔排布；
所述第二结构层位于所述第一结构层上方，且所述第二结构层围绕所述第一微机电系统器件和第二微机电系统器件或所述第二结构层仅围绕所述第二微机电系统器件；
所述沟槽形成于所述第二结构层远离所述第一结构层的一侧表面，且位于所述第二微机电系统器件外侧。
15.根据权利要求14所述的带腔体器件的气密封装结构的制造方法，其特征在于，
所述第一结构层为电路层或介质层；
所述第二结构层与所述第一微机电系统器件和第二微机电系统器件同层；
所述微机电系统器件为陀螺仪、加速度计、压力传感器、惯性传感器或生物化学传感器；
通过调整所述第一封装环境的气体气压和气体成分来调整完全密封的所述第一腔体的气体气压和气体成分；通过调整所述第二封装环境的气体气压和气体成分来调整完全密封的所述第二腔体的气体气压和气体成分。
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