CN116495694A - 晶圆级多级气压微腔的密封方法、装置及介质 - Google Patents

晶圆级多级气压微腔的密封方法、装置及介质 Download PDF

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CN116495694A CN202310308893.5A CN202310308893A CN116495694A CN 116495694 A CN116495694 A CN 116495694A CN 202310308893 A CN202310308893 A CN 202310308893A CN 116495694 A CN116495694 A CN 116495694A
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Abstract

本发明提供一种晶圆级多级气压微腔的密封方法、装置及介质，涉及微系统及微纳器件技术领域，方法包括：通过设置M种密封圈结构，在预先设置的晶圆上形成N个待密封器件对应的M种待密封微腔结构，各密封圈结构的高度与M种待密封微腔结构对应的密封优先级之间呈正相关；按照M种待密封微腔结构对应的密封优先级从高到低的顺序，对M种待密封微腔结构依次执行密封操作，形成包括M种密封结构的多级气压微腔，多级气压微腔的气压环境为预先设置的M种待密封微腔结构中待密封器件对应的需求气压环境。本发明实现了对不同需求气压环境的器件的多级密封。

Description

晶圆级多级气压微腔的密封方法、装置及介质
技术领域
本发明涉及微系统及微纳器件技术领域，尤其涉及一种晶圆级多级气压微腔的密封方法、装置及介质。
背景技术
气密密封，是微机电系统(Micro-Electro-Mechanical-Systems，MEMS)的陀螺仪、热辐射仪等微纳器件的关键加工工艺步骤。其目的是密封和维持特定气压的微腔环境，达到提高品质因数、降低空气热传导、隔绝氧气等目的，其直接决定了所密封的MEMS器件能否正常并持久、可靠地工作，气密密封技术已成为制约诸多MEMS器件加工成品率和可靠性的关键因素，也是MEMS工厂生产过程占据高成本(可达50％-90％)的主要工艺环节。其中，晶圆级气密密封，可以在晶圆上完成对成千上万器件的一次性密封，相比于芯片级密封，效率和成本优势明显，也便于同互补金属氧化物半导体(Complementary Metal OxideSemiconductor，CMOS)集成电路晶圆直接集成，是学术界和产业界重点研究领域。
当前，微系统产业升级对MEMS器件微型化、集成化的需求与日俱增，传统将独立器件各自密封好再进行集成的系统级密封方法在体积和成本上凸显劣势，实现多功能器件一体化片上异质集成已成为一种趋势，例如集成了MEMS加速度计、陀螺仪、热辐射仪等的多功能传感单元，如能在晶圆级别对不同器件完成一次性气密密封，将大幅增强其集成度和微型化，同时降低总体加工成本，进一步推动微小型无人机、便携式电子设备等应用领域的发展。
然而，现有方法只面向特定器件，实现统一要求的单一气压环境密封，但不同的MEMS器件对密封气压的需求可能不同，如MEMS加速度计需要在约几十kPa气压环境中工作，MEMS热辐射仪则需要在10-5-10-3kPa级的低气压环境中工作，现有方法难以实现对不同密封气压需求的MEMS器件进行晶圆级多级密封，进而制约了多器件片上异质集成的进一步发展。
发明内容
本发明提供一种晶圆级多级气压微腔的密封方法、装置及介质，用以解决现有技术难以实现对不同密封气压需求的MEMS器件进行晶圆级多级密封的问题。
本发明提供一种晶圆级多级气压微腔的密封方法，包括：
通过设置M种密封圈结构，在预先设置的晶圆上形成N个待密封器件对应的M种待密封微腔结构，N为大于1的整数，M为大于1且小于或等于N的整数；其中，各所述密封圈结构的高度与所述M种待密封微腔结构对应的密封优先级之间呈正相关；
按照所述M种待密封微腔结构对应的密封优先级从高到低的顺序，对所述M种待密封微腔结构依次执行密封操作，形成包括M种密封结构的多级气压微腔，所述包括M种密封结构的多级气压微腔的气压环境，为预先设置的所述M种待密封微腔结构中待密封器件对应的需求气压环境；
其中，对于所述M种待密封微腔结构中当前执行密封操作的当前待密封微腔结构，所述执行密封操作包括：基于所述当前待密封微腔结构的当前密封圈结构对应的键合压力和键合温度，对所述当前待密封微腔结构进行密封，所述当前密封圈结构的上密封圈结构和下密封圈结构之间在所述键合压力和键合温度下发生键合。
根据本发明提供的一种晶圆级多级气压微腔的密封方法，对于所述当前待密封微腔结构，所述执行密封操作具体包括：
建立所述当前待密封微腔结构中待密封器件对应的需求气压环境；
在所述当前待密封微腔结构中待密封器件对应的需求气压环境下，基于所述当前密封圈结构对应的键合压力和键合温度，对所述当前待密封微腔结构进行密封。
根据本发明提供的一种晶圆级多级气压微腔的密封方法，对于所述当前待密封微腔结构，所述执行密封操作具体包括：
在所述当前待密封微腔结构中设置吸气剂；其中，所述吸气剂用于在温度大于或等于预先设置的阈值的情况下吸收气体；
在预先设置的当前气压环境下，基于所述当前密封圈结构对应的键合压力和键合温度，对所述当前待密封微腔结构进行密封，形成所述当前待密封微腔结构对应的当前密封结构；其中，所述当前气压环境的气压高于所述当前待密封微腔结构中待密封器件对应的需求气压环境；
对所述当前密封结构设置大于或等于所述阈值的键合温度，形成对应于所述当前待密封微腔结构中待密封器件对应的需求气压环境的密封结构。
根据本发明提供的一种晶圆级多级气压微腔的密封方法，所述晶圆包括器件晶圆和封盖晶圆，所述N个待密封器件设置在所述器件晶圆上，所述上密封圈结构设置在所述封盖晶圆上，所述下密封圈结构设置在所述器件晶圆上，所述上密封圈结构与所述下密封圈结构对应设置。
根据本发明提供的一种晶圆级多级气压微腔的密封方法，所述上密封圈结构和所述下密封圈结构的材料相同或不同。
根据本发明提供的一种晶圆级多级气压微腔的密封方法，各所述密封圈结构的高度的设置范围为100nm～100um。
本发明还提供一种晶圆级多级气压微腔的密封装置，包括：晶圆、以及设置在所述晶圆上的N个待密封器件和M种密封圈结构，所述M种密封圈结构用于形成所述N个待密封器件对应的M种待密封微腔结构，各所述密封圈结构的高度与所述M种待密封微腔结构对应的密封优先级之间呈正相关，所述M种密封圈结构的上密封圈结构和下密封圈结构之间在所述M种密封圈结构对应的键合压力和键合温度下发生键合，从而形成包括M种密封结构的多级气压微腔，所述包括M种密封结构的多级气压微腔的气压环境，为预先设置的所述M种待密封微腔结构中待密封器件对应的需求气压环境，N为大于1的整数，M为大于1且小于或等于N的整数。
根据本发明提供的一种晶圆级多级气压微腔的密封装置，所述晶圆包括器件晶圆和封盖晶圆，所述N个待密封器件设置在所述器件晶圆上，所述上密封圈结构设置在所述封盖晶圆上，所述下密封圈结构设置在所述器件晶圆上，所述上密封圈结构与所述下密封圈结构对应设置。
根据本发明提供的一种晶圆级多级气压微腔的密封装置，所述M种待密封微腔结构是按照所述M种待密封微腔结构对应的密封优先级从高到低的顺序依次执行密封操作；
其中，对于所述M种待密封微腔结构中当前执行密封操作的当前待密封微腔结构，所述执行密封操作包括：基于所述当前待密封微腔结构的当前密封圈结构对应的键合压力和键合温度，对所述当前待密封微腔结构进行密封。
本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述晶圆级多级气压微腔的密封方法。
本发明提供的晶圆级多级气压微腔的密封方法、装置及介质，可以按照N个待密封器件对应的密封优先级的顺序，确定N个待密封器件对应的密封圈结构的不同高度，具体各密封圈结构的高度与N个待密封器件对应的密封优先级之间呈正相关，即密封圈结构的高度随待密封器件的密封优先级的升高而升高，反之亦然，再将不同高度的M种密封圈结构对应设置在晶圆上，以形成N个待密封器件对应的M种待密封微腔结构；在进行多级密封的阶段，由于越先密封的待密封器件对应的密封圈结构的高度越高，故其对应的上密封圈结构和下密封圈结构就越先接触，并可以在键合压力和键合温度下发生键合，以对该待密封器件对应的待密封微腔结构进行密封，再对下一密封优先级的待密封器件进行密封，依次类推，本发明可以实现对不同需求气压环境的待封装器件进行晶圆级多级气压微腔的密封。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的晶圆级多级气压微腔的密封方法的流程示意图；
图2是本发明提供的晶圆级多级气压微腔的密封方法中密封圈结构的设置示意图；
图3是本发明提供的晶圆级多级气压微腔的密封方法中第一级密封的示意图；
图4是本发明提供的晶圆级多级气压微腔的密封方法中第二级密封的示意图；
图5是本发明提供的晶圆级多级气压微腔的密封方法中三级密封的示意图；
图6是本发明提供的晶圆级多级气压微腔的密封装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图描述本发明的晶圆级多级气压微腔的密封方法、装置及介质。
图1是本发明提供的晶圆级多级气压微腔的密封方法的流程示意图，如图1所示，晶圆级多级气压微腔的密封方法包括步骤S101和步骤S102；其中：
步骤S101、通过设置M种密封圈结构，在预先设置的晶圆上形成N个待密封器件对应的M种待密封微腔结构，N为大于1的整数，M为大于1且小于或等于N的整数；其中，各所述密封圈结构的高度与所述M种待密封微腔结构对应的密封优先级之间呈正相关；
步骤S102、按照所述M种待密封微腔结构对应的密封优先级从高到低的顺序，对所述M种待密封微腔结构依次执行密封操作，形成包括M种密封结构的多级气压微腔，所述包括M种密封结构的多级气压微腔的气压环境，为预先设置的所述M种待密封微腔结构中待密封器件对应的需求气压环境；
其中，对于所述M种待密封微腔结构中当前执行密封操作的当前待密封微腔结构，所述执行密封操作包括：基于所述当前待密封微腔结构的当前密封圈结构对应的键合压力和键合温度，对所述当前待密封微腔结构进行密封，所述当前密封圈结构的上密封圈结构和下密封圈结构之间在所述键合压力和键合温度下发生键合。
相关技术中，不同的MEMS器件对气压的需求可能不同，如MEMS加速度计需要在约几十kPa气压环境中工作，而MEMS热辐射仪则需要在10-5～10-3kPa的低气压环境中工作。因此，对不同密封气压需求的MEMS器件完成晶圆级多级真空封装成为迫切需求，而现有方法通常只面向特定器件实现统一要求的单一气压环境密封，制约了多器件片上异质集成的进一步发展。
针对上述问题，本发明实施例提供了以下技术构思：不同的待密封微腔通过布置在晶圆上的不同高度的密封圈结构，以在不同气压环境下分步逐次密封，从而将相异气压环境封装在不同的待密封微腔中。
具体地，先通过设置M种密封圈结构，在预先设置的晶圆上形成N个待密封器件对应的M种待密封微腔结构，其中，各密封圈结构的高度与N个待密封器件对应的密封优先级之间呈正相关，可以理解为，密封圈结构的高度随待密封器件的密封优先级的升高而升高；密封圈结构可以分为上密封圈结构和下密封圈结构，密封圈结构的高度可以理解为是上密封圈结构和下密封圈结构的总高度，密封圈结构的高度越高，上密封圈结构和下密封圈结构就越先接触，在合适的键合压力和键合温度的情况下，上密封圈结构和下密封圈结构之间就会发生键合，进而实现对待密封微腔结构的密封；
可选地，各所述密封圈结构的高度的设置范围为100nm～100um。
需要说明的是，可以对N个待密封器件均形成对应的待密封微腔结构，此时相当于共形成了N种待密封微腔结构；也可以对对应有同样需求气压环境的多个待密封器件，形成同一种待密封微腔结构，此时M小于N。
还需要说明的是，同种密封圈结构可以对应设置于需求气压环境相同的待密封器件，形成同种待密封微腔结构，同种待密封微腔结构可以在建立共同对应的需求气压环境的情况下，同时进行执行密封操作；
可选地，可以对每个密封圈都采用不同种的密封圈结构(对应于不同的密封优先级)，或者，对多个密封圈采用同一种密封圈结构(对应于同一密封优先级)。
可选地，同种密封圈结构的高度通常是相同或相近的。
在形成M种待密封微腔结构后，可以基于M种待密封微腔结构对应的密封优先级的顺序，具体可以是基于M种待密封微腔结构中待密封器件对应的密封优先级的顺序，依次建立N个待密封器件对应的需求气压环境，并分别在N个待密封器件对应的需求气压环境下，基于各密封圈结构对应的键合压力和键合温度，通过使各密封圈结构的上密封圈结构和下密封圈结构发生键合的方式，对N个待密封器件对应的M种待密封微腔结构进行多级密封；
具体地，可以按照M种待密封微腔结构对应的密封优先级从高到低的顺序，对M种待密封微腔结构依次执行密封操作，形成包括M种密封结构的多级气压微腔，使得包括M种密封结构的多级气压微腔的气压环境达到预先设置的M种待密封微腔结构中待密封器件对应的需求气压环境；
对于M种待密封微腔结构中当前执行密封操作的当前待密封微腔结构来说，执行密封操作包括以下步骤：基于当前待密封微腔结构的当前密封圈结构对应的键合压力和键合温度，对当前待密封微腔结构进行密封，当前密封圈结构的上密封圈结构和下密封圈结构之间在键合压力和键合温度下发生键合，以实现密封。
举例来说，可以先对密封优先级最高(第一密封优先级)的待密封器件所在的待密封微腔结构进行密封，具体可以先建立密封优先级最高的待密封器件对应的需求气压环境，再在该需求气压环境下对待密封微腔结构进行密封，具体可以利用现有的晶圆键合工艺，采用密封优先级最高的待密封器件的密封圈结构对应的键合压力和键合温度，以使密封圈结构的上密封圈结构和下密封圈结构之间在键合压力和键合温度下发生键合，进而实现对待密封微腔结构的密封。由于密封优先级最高的待密封器件对应的密封圈结构的高度最高，故密封优先级最高的待密封器件对应的密封圈结构的上密封圈结构和下密封圈结构最先接触并发生键合，而其他密封圈结构在还未接触时，其上密封圈结构和下密封圈结构之间是无法发生键合的；
当需要对第二密封优先级的待密封器件所在的待密封微腔结构进行密封时，由于第一密封优先级的待密封器件对应的密封圈结构已经发生了塑性形变，故可以对第二密封优先级的待密封器件采用上述原理进行密封，以此类推，实现对所有待密封微腔结构的密封。
可选地，待密封器件可以为可以为微纳器件，例如为MEMS开关、MEMS加速度计、MEMS热辐射仪等。
在本发明实施例提供的晶圆级多级气压微腔的密封方法中，可以按照N个待密封器件对应的密封优先级的顺序，确定N个待密封器件对应的密封圈结构的不同高度，具体各密封圈结构的高度与N个待密封器件对应的密封优先级之间呈正相关，即密封圈结构的高度随待密封器件的密封优先级的升高而升高，反之亦然，再将不同高度的M种密封圈结构对应设置在晶圆上，以形成N个待密封器件对应的M种待密封微腔结构；在进行多级密封的阶段，由于越先密封的待密封器件对应的密封圈结构的高度越高，故其对应的上密封圈结构和下密封圈结构就越先接触，并可以在键合压力和键合温度下发生键合，以对该待密封器件对应的待密封微腔结构进行密封，再对下一密封优先级的待密封器件进行密封，依次类推，本发明可以实现对不同需求气压环境的待封装器件进行晶圆级多级气压微腔的密封。
可选地，所述晶圆可以包括器件晶圆和封盖晶圆，所述N个待密封器件设置在所述器件晶圆上，所述上密封圈结构设置在所述封盖晶圆上，所述下密封圈结构设置在所述器件晶圆上，所述上密封圈结构与所述下密封圈结构对应设置。
具体地，晶圆可以分为器件晶圆和封盖晶圆，N个待密封器件设置在器件晶圆上，密封圈结构的上密封圈结构设置在封盖晶圆上，密封圈结构的下密封圈结构设置在器件晶圆上，且上密封圈结构和下密封圈结构对应设置，可以形成待密封微腔结构。
可选地，可以使用晶圆键合仪建立合适的需求气压环境，并设置键合温度，向器件晶圆和封盖晶圆的外侧施加键合压力，以对待密封微腔结构实现密封。
可选地，对于所述当前待密封微腔结构，所述执行密封操作具体可以包括：
建立所述当前待密封微腔结构中待密封器件对应的需求气压环境；
在所述当前待密封微腔结构中待密封器件对应的需求气压环境下，基于所述当前密封圈结构对应的键合压力和键合温度，对所述当前待密封微腔结构进行密封。
具体地，对于每一级待密封微腔结构的密封来说，可以先建立当前待密封的当前待密封微腔结构中待密封器件对应的需求气压环境，进而在该需求气压环境下对当前待密封微腔结构进行密封，具体可以利用晶圆键合工艺，基于当前密封圈结构对应的键合压力和键合温度，对当前待密封微腔结构进行密封。
可选地，对于所述当前待密封微腔结构，所述执行密封操作具体可以包括：
在所述当前待密封微腔结构中设置吸气剂；其中，所述吸气剂用于在温度大于或等于预先设置的阈值的情况下吸收气体；
在预先设置的当前气压环境下，基于所述当前密封圈结构对应的键合压力和键合温度，对所述当前待密封微腔结构进行密封，形成所述当前待密封微腔结构对应的当前密封结构；其中，所述当前气压环境的气压高于所述当前待密封微腔结构中待密封器件对应的需求气压环境；
对所述当前密封结构设置大于或等于所述阈值的键合温度，形成对应于所述当前待密封微腔结构中待密封器件对应的需求气压环境的密封结构。
具体地，执行密封操作也可以利用吸气剂，使待密封微腔结构在被密封后达到其对应的需求气压环境；
对于当前待密封微腔结构的密封来说，可以先在当前待密封微腔结构中设置吸气剂，吸气剂的设置量可以由操作人员基于实际情况进行设置，在当前待密封微腔结构中的设置位置也可以基于实际情况进行设置，例如可以将吸气剂设置在当前待密封微腔结构的封盖晶圆侧；
在设置好吸气剂后，可以对当前待密封微腔结构进行密封，由于吸气剂在激活后，可以通过吸收气体进一步降低密封结构中的气压，故可以在高于需求气压环境的当前气压环境下，对当前待密封微腔结构进行密封，具体可以基于当前密封圈结构对应的键合压力和键合温度，对当前待密封微腔结构进行密封，形成当前待密封微腔结构对应的当前密封结构；
在对当前待密封微腔结构密封形成当前密封结构后，可以对当前密封结构设置大于或等于阈值的键合温度，以激活设置的吸气剂，使其通过吸收气体进一步降低当前密封结构的气压，以达到需求气压环境。
可选地，可以在部分待密封器件的需求气压环境所要求的气压较低，难以直接建立需求气压环境的情况下，在待密封器件对应的待密封微腔结构中设置吸气剂，可以将吸气剂设置在待密封微腔结构的封盖晶圆侧，并在完成密封后通过大于或等于阈值的键合温度激活吸气剂，以进一步降低气压。
可选地，吸气剂可以包括钛基和钒基吸气剂。
可选地，本发明实施例以两级密封为例，在N为100(在取值时不限于100，大于或等于M即可)，且M为2的情况下，N个待密封器件包括第一种密封圈结构对应的第一待密封器件和第二种密封圈结构对应的第二待密封器件，假设第一待密封器件的密封优先级高于第二待密封器件，晶圆级多级气压微腔的密封方法可以包括以下步骤：
1.建立第一待密封器件对应的第一需求气压环境；
2.在第一需求气压环境下，采用第一待密封器件的密封圈结构对应的第一键合压力和第一键合温度，对第一待密封器件对应的待密封微腔结构进行密封(第一级密封)；
3.建立第二待密封器件对应的第二需求气压环境；
4.在第二需求气压环境下，采用第二待密封器件的密封圈结构对应的第二键合压力和第二键合温度，对第二待密封器件对应的待密封微腔结构进行密封(第二级密封)。
具体地，N个待密封器件包括：密封优先级较高的第一待密封器件，和密封优先级较低的第二待密封器件，故对第一待密封器件设置的密封圈结构的高度较高，对第二待密封器件设置的密封圈结构的高度较低；
先对密封优先级较高的第一待密封器件进行密封，具体建立第一待密封器件对应的第一需求气压环境，并在第一需求气压环境下，采用第一待密封器件的密封圈结构对应的第一键合压力和第一键合温度，对第一待密封器件对应的待密封微腔结构进行密封；
由于对第一待密封器件设置的密封圈结构的高度较高，故对第一待密封器件对应的待密封微腔结构密封后，第二待密封器件对应的待密封微腔结构还未密封，再对密封优先级较低的第二待密封器件进行密封，具体建立第二待密封器件对应的第二需求气压环境，并在第二需求气压环境下，采用第二待密封器件的密封圈结构对应的第二键合压力和第二键合温度，对第二待密封器件对应的待密封微腔结构进行密封，由于已密封的第一待密封器件对应的密封圈结构已发生塑性形变，故可以进一步对第二待密封器件进行密封。
可选地，所述上密封圈结构和所述下密封圈结构的材料可以相同或不同，只要上密封圈结构和下密封圈结构之间可以发生键合即可。
可选地，上密封圈结构和下密封圈结构的材料可以均为铜或金，也可以为多层堆叠金属，例如为铜-锡双层金属。
下面举例说明本发明实施例提供的晶圆级多级气压微腔的密封方法。
一、以两级气压环境的密封为例，方法包括以下步骤：
图2是本发明提供的晶圆级多级气压微腔的密封方法中密封圈结构的设置示意图，如图2所示。
步骤1：完成对器件晶圆101、封盖晶圆201的准备，以及具有不同高度的密封圈结构301(较低的密封圈)和302(较高的密封圈)的制备；
本发明实施例提供的器件晶圆101和封盖晶圆201可以均为硅晶圆，其中，器件晶圆上包含待密封的微纳器件(待密封器件)102和103，且各自所需密封气压不同，例如本发明实施例提供的微纳器件102为MEMS开关，微纳器件103为MEMS加速度计；
可选地，上述封盖晶圆201还包含有为微纳器件102和103提供封装空间的密封微腔(待密封微腔结构)202和203，其微加工过程可通过光刻先制备光刻胶掩膜板，然后通过硅深反应离子刻蚀完成；
本发明实施例提供的密封圈结构301和302材料分别为铜和金，形状均为正方形，且四个顶点处均设计为圆角，其中封盖晶圆201上密封圈结构301宽度为30μm，高度为1～4μm，密封圈结构302宽度为50μm，高度为3～8μm，其微加工过程均可通过标准光刻工艺结合电镀工艺完成；器件晶圆101所对应的密封圈结构301与封盖晶圆201上的结构一致，厚度为0.5～1μm，所对应的密封圈结构302与封盖晶圆201上一致，厚度为1～2μm，均可通过标准光刻工艺结合湿法剥离工艺完成制备。
图3是本发明提供的晶圆级多级气压微腔的密封方法中第一级密封的示意图，如图3所示。
步骤2：将对准的器件晶圆101和封盖晶圆201加载进入晶圆键合仪401，而后将晶圆键合仪内腔气压抽至设定的第一级气压P1，使得密封微腔203内同样建立起气压环境至P1级别，本发明实施例可设P1为10kPa，然后加载键合压力F1和键合温度T1，使得较高的密封圈结构302率先完成接触、热压键合和密封，完成对器件103所需气压环境的封装；
本发明实施例提供的键合压力F1，可根据晶圆上的密封圈结构的密度最终确定，其施加效果需保证密封圈结构302完成可靠密封，同时发生较小尺度的形变以保证密封圈结构301尚未接触；
本发明实施例提供的键合温度设置为250℃。
图4是本发明提供的晶圆级多级气压微腔的密封方法中第二级密封的示意图，如图4所示。
步骤3：在上述步骤1和2的基础上，将晶圆键合仪内腔气压抽至设定的第二级气压P2，使得密封微腔202内同样建立起气压环境至P2级别，本实施实例可设P2为0.01kPa，然后加载键合压力F2和键合温度T2，使得较高的密封圈结构302发生塑性形变，从而使得较低的密封圈结构301完成接触、热压键合和密封，完成对器件102所需气压环境的封装；
本发明实施例提供的键合压力F2可根据晶圆上的密封圈结构的密度最终确定，键合温度设置为250℃。
可选地，在上述步骤1至3完成后，可在已完成键合的封盖晶圆和器件晶圆之间借助毛细力填充高分子材料，从而加强密封圈的键合强度和可靠性。
二、以三级气压环境的密封为例，方法包括以下步骤：
步骤1至步骤3可以参考两级气压环境的密封中的步骤1至步骤3；
图5是本发明提供的晶圆级多级气压微腔的密封方法中三级密封的示意图，如图5所示，区别在于在上述方案基础上，本发明实施例增加了用于封装第三种微纳器件104所需的密封微腔204，以及用于低压精调的吸气剂205，所需密封圈结构与图2所示的密封圈结构301保持一致；
本发明实施例提供的微纳器件104可为MEMS陀螺仪，吸气剂为钛基和钒基吸气剂，可通过标准光刻工艺结合溅射工艺沉积完成；
步骤4：在上述步骤1至3的基础上，进一步加载键合压力F3和键合温度T3，气压环境可调制常规大气压环境，在T3的作用下，吸气剂被激活，从而使得密封微腔气压在P2基础上进一步降低至P3级别，即10-3～10-5kPa级别，从而满足微纳器件104的封装需求；
本发明实施例中键合压力F3仅用于方便施加键合温度T3，因此键合压力F3可仅为1kN左右，键合温度T3及其保持时间可根据具体吸气剂类型和目标气压调整确定。
本发明实施例可在两级气压密封基础上，不改变密封圈结构及种类，仅通过使用吸气剂，部分布置于封盖晶圆上的某一类密封圈结构中，并在上述密封过程的步骤基础上，加载第三级键合温度和键合压力，使得部分已密封的并含有吸气剂的微腔达到更低的气压级别，从而实现三级及以上多级气压密封。
三、晶圆级多级气压微腔的密封方法中，晶圆键合及密封过程步骤如下：
S1：在封盖晶圆和器件晶圆上分别制备不同的密封圈结构，制备方法可通过常规光刻工艺配合材料沉积工艺实现，包括蒸镀、等离子体溅射、电镀等标准微加工工艺步骤，其中器件晶圆包含有待气密封装的微纳器件，置于待密封微腔结构内；
可选地，密封微腔可在封盖晶圆上通过等离子体刻蚀等工艺完成，使得器件晶圆制备工艺仅需改变密封圈结构制备的步骤，从而最大限度减少对标准器件晶圆制备流程的影响。
S2：将封盖晶圆和器件晶圆对准并加载进入晶圆键合仪，建立第一级气压环境，加载第一级键合压力和键合温度，从而使得较高的密封圈结构率先接触、键合及密封，从而完成第一级气压的密封；
S3：建立第二级气压环境，加载第二级键合压力和键合温度，使得第一级密封圈结构发生塑性形变，从而使得较低的密封圈结构接触、键合及密封，完成第二级气压的密封。
可选地，上述晶圆级多级气压微腔的密封方法，可制备两种及以上不同高度及材质的密封圈结构，进一步实现两级以上多级气压的密封，即在S3之后增加S4等步骤。
本发明实施例提供的晶圆级多级气压微腔的密封方法，与现有技术相比，至少存在以下优点：
(1)借助在晶圆上所布置的具有不同高度的密封圈结构，通过晶圆键合工艺，控制密封圈结构在不同键合温度、压力等参数下依次完成接触、键合及密封，从而实现将不同气压环境的微腔贯序密封，可实现晶圆级大跨度多级气压密封，克服了以往方法只能实现单一种类气压密封，或通过使用吸气剂只能在较低气压基础上修调而无法实现大跨度气压封装的局限性；
(2)结构简单，且采用标准微加工工艺流程和设备，便于规模化运用，并且密封微腔可独立制备于封盖晶圆，最大限度减少了对器件晶圆现有制备工艺的影响；
(3)具有单步键合实现晶圆级大跨度气压密封的突出优点，且工艺灵活，可精准、高效为不同封装气压需求的微纳器件实现晶圆级集成与封装，为未来实现多器件晶圆级片上集成提供新的解决方案。
本发明提出的晶圆级多级气压微腔的密封方法可为不同MEMS/纳机电系统(Nano-Electromechanical Systems，NEMS)器件实现晶圆级多功能、微型化、低成本片上集成提供关键封装技术解决方法，有望促进我国封装领域产业升级。
下面对本发明提供的晶圆级多级气压微腔的密封装置进行描述，下文描述的晶圆级多级气压微腔的密封装置与上文描述的晶圆级多级气压微腔的密封方法可相互对应参照。
图6是本发明提供的晶圆级多级气压微腔的密封装置的结构示意图，如图6所示，晶圆级多级气压微腔的密封装置600包括：
晶圆601、以及设置在所述晶圆601上的N个待密封器件602和M种密封圈结构603，所述M种密封圈结构603用于形成所述N个待密封器件602对应的M种待密封微腔结构604，各所述密封圈结构603的高度与所述M种待密封微腔结构604对应的密封优先级之间呈正相关，所述M种密封圈结构603的上密封圈结构和下密封圈结构之间在所述M种密封圈结构603对应的键合压力和键合温度下发生键合，从而形成包括M种密封结构的多级气压微腔，所述包括M种密封结构的多级气压微腔的气压环境，为预先设置的所述M种待密封微腔结构604中待密封器件602对应的需求气压环境，N为大于1的整数，M为大于1且小于或等于N的整数。
在本发明实施例提供的晶圆级多级气压微腔的密封装置中，可以按照N个待密封器件对应的密封优先级的顺序，确定N个待密封器件对应的密封圈结构的不同高度，具体各密封圈结构的高度与N个待密封器件对应的密封优先级之间呈正相关，即密封圈结构的高度随待密封器件的密封优先级的升高而升高，反之亦然，再将不同高度的M种密封圈结构对应设置在晶圆上，以形成N个待密封器件对应的M种待密封微腔结构；在进行多级密封的阶段，由于越先密封的待密封器件对应的密封圈结构的高度越高，故其对应的上密封圈结构和下密封圈结构就越先接触，并可以在键合压力和键合温度下发生键合，以对该待密封器件对应的待密封微腔结构进行密封，再对下一密封优先级的待密封器件进行密封，依次类推，本发明可以实现对不同需求气压环境的待封装器件进行晶圆级多级气压微腔的密封。
可选地，所述晶圆包括器件晶圆和封盖晶圆，所述N个待密封器件设置在所述器件晶圆上，所述上密封圈结构设置在所述封盖晶圆上，所述下密封圈结构设置在所述器件晶圆上，所述上密封圈结构与所述下密封圈结构对应设置。
可选地，所述M种待密封微腔结构是按照所述M种待密封微腔结构对应的密封优先级从高到低的顺序依次执行密封操作；
其中，对于所述M种待密封微腔结构中当前执行密封操作的当前待密封微腔结构，所述执行密封操作包括：基于所述当前待密封微腔结构的当前密封圈结构对应的键合压力和键合温度，对所述当前待密封微腔结构进行密封。
可选地，所述上密封圈结构和所述下密封圈结构的材料相同或不同。
可选地，各所述密封圈结构的高度的设置范围为100nm～100um。
又一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各方法提供的晶圆级多级气压微腔的密封方法，该方法包括：
通过设置M种密封圈结构，在预先设置的晶圆上形成N个待密封器件对应的M种待密封微腔结构，N为大于1的整数，M为大于1且小于或等于N的整数；其中，各所述密封圈结构的高度与所述M种待密封微腔结构对应的密封优先级之间呈正相关；
按照所述M种待密封微腔结构对应的密封优先级从高到低的顺序，对所述M种待密封微腔结构依次执行密封操作，形成包括M种密封结构的多级气压微腔，所述包括M种密封结构的多级气压微腔的气压环境，为预先设置的所述M种待密封微腔结构中待密封器件对应的需求气压环境；
其中，对于所述M种待密封微腔结构中当前执行密封操作的当前待密封微腔结构，所述执行密封操作包括：基于所述当前待密封微腔结构的当前密封圈结构对应的键合压力和键合温度，对所述当前待密封微腔结构进行密封，所述当前密封圈结构的上密封圈结构和下密封圈结构之间在所述键合压力和键合温度下发生键合。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种晶圆级多级气压微腔的密封方法，其特征在于，包括：
通过设置M种密封圈结构，在预先设置的晶圆上形成N个待密封器件对应的M种待密封微腔结构，N为大于1的整数，M为大于1且小于或等于N的整数；其中，各所述密封圈结构的高度与所述M种待密封微腔结构对应的密封优先级之间呈正相关；
按照所述M种待密封微腔结构对应的密封优先级从高到低的顺序，对所述M种待密封微腔结构依次执行密封操作，形成包括M种密封结构的多级气压微腔，所述包括M种密封结构的多级气压微腔的气压环境，为预先设置的所述M种待密封微腔结构中待密封器件对应的需求气压环境；
其中，对于所述M种待密封微腔结构中当前执行密封操作的当前待密封微腔结构，所述执行密封操作包括：基于所述当前待密封微腔结构的当前密封圈结构对应的键合压力和键合温度，对所述当前待密封微腔结构进行密封，所述当前密封圈结构的上密封圈结构和下密封圈结构之间在所述键合压力和键合温度下发生键合。
2.根据权利要求1所述的晶圆级多级气压微腔的密封方法，其特征在于，对于所述当前待密封微腔结构，所述执行密封操作具体包括：
建立所述当前待密封微腔结构中待密封器件对应的需求气压环境；
在所述当前待密封微腔结构中待密封器件对应的需求气压环境下，基于所述当前密封圈结构对应的键合压力和键合温度，对所述当前待密封微腔结构进行密封。
3.根据权利要求1所述的晶圆级多级气压微腔的密封方法，其特征在于，对于所述当前待密封微腔结构，所述执行密封操作具体包括：
在所述当前待密封微腔结构中设置吸气剂；其中，所述吸气剂用于在温度大于或等于预先设置的阈值的情况下吸收气体；
在预先设置的当前气压环境下，基于所述当前密封圈结构对应的键合压力和键合温度，对所述当前待密封微腔结构进行密封，形成所述当前待密封微腔结构对应的当前密封结构；其中，所述当前气压环境的气压高于所述当前待密封微腔结构中待密封器件对应的需求气压环境；
对所述当前密封结构设置大于或等于所述阈值的键合温度，形成对应于所述当前待密封微腔结构中待密封器件对应的需求气压环境的密封结构。
4.根据权利要求1至3任一项所述的晶圆级多级气压微腔的密封方法，其特征在于，所述晶圆包括器件晶圆和封盖晶圆，所述N个待密封器件设置在所述器件晶圆上，所述上密封圈结构设置在所述封盖晶圆上，所述下密封圈结构设置在所述器件晶圆上，所述上密封圈结构与所述下密封圈结构对应设置。
5.根据权利要求1至3任一项所述的晶圆级多级气压微腔的密封方法，其特征在于，所述上密封圈结构和所述下密封圈结构的材料相同或不同。
6.根据权利要求1至3任一项所述的晶圆级多级气压微腔的密封方法，其特征在于，各所述密封圈结构的高度的设置范围为100nm～100um。
7.一种晶圆级多级气压微腔的密封装置，其特征在于，包括：晶圆、以及设置在所述晶圆上的N个待密封器件和M种密封圈结构，所述M种密封圈结构用于形成所述N个待密封器件对应的M种待密封微腔结构，各所述密封圈结构的高度与所述M种待密封微腔结构对应的密封优先级之间呈正相关，所述M种密封圈结构的上密封圈结构和下密封圈结构之间在所述M种密封圈结构对应的键合压力和键合温度下发生键合，从而形成包括M种密封结构的多级气压微腔，所述包括M种密封结构的多级气压微腔的气压环境，为预先设置的所述M种待密封微腔结构中待密封器件对应的需求气压环境，N为大于1的整数，M为大于1且小于或等于N的整数。
8.根据权利要求7所述的晶圆级多级气压微腔的密封装置，其特征在于，所述晶圆包括器件晶圆和封盖晶圆，所述N个待密封器件设置在所述器件晶圆上，所述上密封圈结构设置在所述封盖晶圆上，所述下密封圈结构设置在所述器件晶圆上，所述上密封圈结构与所述下密封圈结构对应设置。
9.根据权利要求7或8所述的晶圆级多级气压微腔的密封装置，其特征在于，所述M种待密封微腔结构是按照所述M种待密封微腔结构对应的密封优先级从高到低的顺序依次执行密封操作；
其中，对于所述M种待密封微腔结构中当前执行密封操作的当前待密封微腔结构，所述执行密封操作包括：基于所述当前待密封微腔结构的当前密封圈结构对应的键合压力和键合温度，对所述当前待密封微腔结构进行密封。
10.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6任一项所述晶圆级多级气压微腔的密封方法。
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