CN1214234C - 微机械传感器气密封装用等温凝固方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微机械传感器的气密封装等温凝固方法。其特征在于以一种高熔点的金属和一种低熔点的金属为封装材料，利用它们原子反应扩散为手段，在低熔点金属完全反应生成中间化合物的同时，完成封装的。更确切地说在腔体和MEMS器件周边上，形成焊料封环，腔体周边的焊料有高熔点金属与低熔点金属组成，MEMS器件周边的焊料由高熔点金属构成，在焊料下有由黏附层和阻挡层构成的金属层；经过对位后，将上盖板与下基板合上，并升温至低熔点金属熔点以上，保温，低熔点金属全部消耗，完成键合；本发明优点是由于低熔点金属已全部熔化，合金化，从而使器件的使用温度上限可提高至中间化合物的分解温度，实现晶圆级封接，大大降低成本。

Description

微机械传感器气密封装用等温凝固方法

技术领域

本发明涉及的是一种微机械传感器的气密封装新方法，更确切地说用等温凝固方法实现MEMS传感器气密封装。属于微机械传感器封装领域。

背景技术

微机械传感器已被应用于各个领域中，如用于空间领域的敏感测量器件的姿态控制系统中的各种器件；光通讯中的光开关、波分复用器等；计算机外部的麦克风、高密度硬盘读取头、打印喷墨头、光驱读取头等；车用加速度计、陀螺、压力计等；生物医学和医用的微型测量系统等；另外还有可用于外空行星研究工作的基于硅材料微机电系统的红外探测器。

由于外部环境中的污染能导致传感器输出信号发生偏移，并能腐蚀传感器内部的金属层，因此微传感器必须被封装在一个密闭环境中以保证与外界环境隔离。气密封装的作用除了使微传感器远离外界污染外，还可以使其工作在一可控环境下。例如，在真空环境下进行封装，可以降低传感器中灵敏元部件的阻尼而获得更高的品质因子和更大的灵敏度。

目前实现气密封装主要有两种的办法：整体封装方法(Integratedencapsulation)和后道封装方法(post-packaging encapsulation)。整体封装方法是指在制作部件的同时完成封装，它运用磷硅玻璃或者掺杂多晶硅层作为牺牲层，在牺牲层上沉积几个微米厚的多晶硅或者氮化硅层作为外保护壳层，通过腐蚀牺牲层释放结构获得密闭腔体。这种方法的优点在于能够实现晶圆级封装，成本较低。但空腔压力受工艺的压力及材料的限制，可控程度较为有限，且这种方法工艺特殊，并不适合于大部分MEMS器件的封装。后道封装方法是指封装工艺独立于整个器件工艺，包括微机械部件释放工艺。目前，后道封装方法主要有两种，一种为目前工业上常用的后封装工艺，即采用双列直插式封装形式(DIP)，将一个裸芯片置放于陶瓷管壳中，通过金丝球焊与管腿相连，其上的盖板由焊料或陶瓷封接与管壳相连，完成整个封装过程。其优点在于可以随意调节腔体内压力，缺点则是成本较高。另一种后封装方法是基于晶圆键合技术发展起来的，器件通过上下基板键合实现密封，上下基板在不同的晶圆上制作，材料可以选用硅或者玻璃。两块基板通过阳极键合、共晶键合等键合手段封接在一起。由于这种方法可以实现晶圆级封装，所以其成本较低，而且腔体内环境可通过改变封装过程中的外界环境进行调节。

晶圆键合技术根据按照是否使用其他材料作为介质有可以分为不使用介质层的键合技术和使用介质层的键合技术。前者主要包括硅—硅键合技术和硅—玻璃静电键合技术，后者所采用的介质主要有粘合剂，玻璃粉料以及金属。在以金属作为介质层进行键合的技术中，包括共晶键合与焊料键合。共晶键合通常使用金属与硅基片直接键合，而焊料键合使用两种金属进行键合。这两者的共同点在于，均为降温凝固，即由温度梯度作为液固转变的驱动力。而使用温度手段实现凝固的途径有两种，一种即为降温凝固，而另一种则是等温凝固。由一种高熔点金属与低熔点金属组成的二元系统，当温度升至低熔点金属熔点之上时，低熔点金属转变为液态，两种组元界面处扩散加快，进而加速中间相化合物的形成，当低熔点金属全部消耗掉之后，系统即可在此温度下完成凝固，这种凝固方式被称为等温凝固或称为分凝固。

发明内容

为实现MEMS气密封装，并进一步提高其性能，本发明目的在于提出运用成分凝固法实现微机械系统(MEMS)传感器气密封装。

本发明提出的一种成分凝固法实现微机械系统(MEMS)气密封装的方法，实际上是利用等温凝固实现MEMS气密封装的一种方法。具体的说，本发明提供的方法是运用一种高熔点的金属和一低熔点的金属为封装材料利用它们原子间的反应扩散为手段，依据现有的相图知识，在低熔点金属完全反应生成中间化合物的同时，完成封装的。相对于先前的各种气密性封装，不仅可在较低的温度下完成封装，同时又可具有耐高温的特点。

以Cu-Sn系统为例，Cu的熔点高达1100℃而Sn的熔点仅为240℃，从Cu-Sn的二元相图可知它们之间有Cu₆Sn₅、Cu₃Sn、Cu₁₀Sn₃等化合物，其中Cu₆Sn₅的化合物中的Cu的质量百分数为39.05％，Sn为60.93％，Cu₃Sn中Cu的质量百分数为61.63％，Sn为38.37％。在415℃时Cu₆Sn₅转变为Cu₃Sn。当温度超过Sn的240℃熔点，Sn和Cu形成的化合物随着Sn全部合金化从而使整个封装的耐温度提高，所以只需控制合金比例。

以Cu-Sn系统为例其具体工艺是：

(1)先在盖板上，用深反应离子刻蚀(DRIE)在硅基板刻出用于容纳芯片的腔体，在腔体周围有由金属层形成的密闭环。上盖板具体工艺步骤是：

1)首先，在硅基板上热生长一层0.5-2微米的二氧化硅层；

2)在二氧化硅层上溅射一层1-2微米的铝层；

3)在铝层上光刻出密封环图形，线条宽度为100到500微米不等；

4)以光刻胶作掩膜，DRIE刻蚀出腔体槽，槽体深200-300微米；

5)去掉光刻胶，在铝层上电镀5微米的镍层和5-15微米的铜层以及3-8微米左右的锡层；铜层和锡层厚度应以Cu-Sn形成Cu₆Sn₅合金所需的比例调节，即以形成Cu₆Sn₅化合物为准。

(2)下基板工艺是：

1)首先，在玻璃基板上溅射600-750纳米的铝层；

2)在铝层上光刻出底层导线，导线宽80-120微米；

3)旋涂光刻胶，光刻出器件槽，蒸镀800纳米的铬层做保护层；

4)去光刻胶，用CVD沉积一层1-2微米的二氧化硅层；

5)在二氧化硅层上光刻出引线孔及器件槽；

6)去掉铬层；

7)溅射一层1-2微米的铝层；

8)在铝层上光刻出焊盘区及密封环图形，密封环尺寸与上盖板相同；

9)旋涂光刻胶并光刻出密封环图形；

10)电镀4-6微米的镍层和5-15微米的铜层，去掉光刻胶，同样，铜层厚度是以形成Cu₆Sn₅化合物为准；

11)使用阳极键合使芯片与玻璃基板结合，并通过金丝实现电连接。

(3)整合工艺是：

1)将上盖板倒扣，并与下基板对准；

2)将上盖板与下基板合上；

3)升温至240-280℃，保温30分钟，凝固完成。

按本发明提供的用等温凝固法实施的微机械传感器气密封装特征在于：

(1)在腔体和MEMS器件周边上，形成焊料封环，腔体周边的焊料有高熔点金属与低熔点金属构成，MEMS器件周边的焊料有高熔点金属构成，在焊料下由黏附层和阻挡层构成的金属层。经过对位后，将上盖板与下基板合上，并升温至低熔点金属熔点以上，保温，低熔点金属全部消耗，键合完成；

(2)腔体的周边焊料封环构成为Al/Ni/Cu/Sn复合膜，MEMS器件的周边焊料环构成为Al/Ni/Cu复合膜。

(3)高熔点金属焊料Cu的下面有由以Al作为的粘附层和以Ni作为的阻挡层构成的金属层。

(4)用溅射方法形成Al膜；用电镀方法Ni膜、Cu膜、Sn膜。

(5)所述的键合温度240℃～280℃，键合过程温度不变，且Sn层全部耗尽。

本发明提供的等温凝固方法的优点在于，能在较低温度下实现封装，只需要升温至低熔点金属熔点以上并保温即可，而随着两相原子的扩散，当低熔点金属完全反应生成中间相化合物的同时，完成封装。由于低熔点金属已经全部合金化，从而使器件的使用温度上限可提高至中间相化合物分解温度。而且它能够实现晶圆级封装，大大降低制造成本。

附图说明

图1为Cu-Sn二元相图。

图2为封装过程原理图。在上基底上沉积一层高熔点金属11，在下基底上同样沉积一层高熔点金属11并在高熔点金属11上沉积一层低熔点金属12，其厚度正好是生成合金所需的量(2-1)，将两基底对准(2-2)，升温至所需温度保温，反应完全后形成高熔点金属11/中间相化合物15/高熔点金属11的三明治结构(2-3)。

图3为上盖板结构示意图。由DRIE(深反应离子刻蚀)在硅基板1刻出用于容纳芯片的腔体，在腔体周围有由金属层2形成的密闭环。

图4为下基板结构示意图。芯片5通过阳极键合与玻璃基板结合，器件5周围有由金属层4形成的密闭环，同时由金丝6与焊盘7相连。

图5为下基板制造工艺示意图。在玻璃基板3上溅射铝层9，而后在铝层9上光刻出底层导线。旋涂光刻胶13，光刻出器件槽，再蒸镀铬层14做保护层。去光刻胶13，再用CVD沉积一层二氧化硅层8，在二氧化硅层8上光刻出引线孔及器件槽。去掉铬层14，溅射一层铝层9，在铝层9上光刻出焊盘区及密封环图形。而后旋涂光刻胶13并光刻出密封环图形，再电镀镍层10和铜层11，去掉光刻胶13。最后使用阳极键合使芯片5与玻璃基板3结合，并通过金丝6实现电连接。

图6为上盖板制造工艺示意图。在硅基板1上热生长一层二氧化硅层8，再在二氧化硅层8上溅射一层铝层9，而后在铝层9上光刻出密封环图形，以光刻胶作掩膜，DRIE刻蚀出腔体槽。去掉光刻胶，在铝层9上电镀镍层10、铜层11以及锡层12。

图7为封装后的器件示意图。制作完成后的上盖板和下基板由倒装焊机完成对准，升温至250℃，并保温，经过一段时间后锡层12消失，形成中间相化合物15，封装完成。

具体实施方式

下面通过Cu-Sn系统为例进一步说明本发明实质性特点和显著进步，但本发明绝非仅限于所述的实施例。本实施例具体实施过程如下：

上盖板工艺：

1)首先，在硅基板1上热生长一层1微米左右的二氧化硅层8；

2)在二氧化硅层8上溅射一层1.5微米左右的铝层9；

3)在铝层9上光刻出密封环图形，线条宽度可为100到500微米不等；

4)以光刻胶作掩膜，DRIE刻蚀出腔体槽，槽体深250微米；

5)去掉光刻胶，在铝层9上电镀5微米左右的镍层10、10微米左右的铜层以及5微米左右的锡层12。

下基板工艺：

1)首先，在玻璃基板3上溅射700纳米的铝层9；(图5-a)

2)在铝层9上光刻出底层导线，导线宽100微米；(图5-a)

3)旋涂光刻胶13，光刻出器件槽，蒸镀800纳米左右的铬层14做保护层；(图5-a)

4)去光刻胶13，用CVD沉积一层1.5微米左右的二氧化硅层8；(图5-b)

5)在二氧化硅层8上光刻出引线孔及器件槽；(图5-b)

6)去掉铬层14；(图5-b)

7)溅射一层1.5微米左右的铝层9；(图5-c)

8)在铝层9上光刻出焊盘区及密封环图形，密封环尺寸与上盖板相同；(图5-c)

9)旋涂光刻胶13并光刻出密封环图形；(图5-d)

10)电镀5微米左右的镍层10和10微米左右的铜层11，去掉光刻胶13；(图5-e)

11)使用阳极键合使芯片5与玻璃基板3结合，并通过金丝6实现电连接；(图5-f)

(3)整合工艺

1)将上盖板倒扣，并与下基板对准；

2)将上盖板与下基板合上；

3)升温至260℃，保温30分钟，凝固完成。

实施例2：

上盖板和下基板结构和实施例1相同，仅在上盖板工艺过程5)中在铝层上分别电镀镍层和铜层，而在下基板工艺过程10)中电镀镍层、铜层后再再铜层上镀上锡层，铜层和锡层的厚度以再整合工艺中升温至260℃，保温30分钟，成分凝固实现Sn全部合金化且生成Cu₆Sn₅所需量为准。

Claims (3)

1、一种利用等温凝固实现MEMS气密封装的方法，包括硅基板上刻出用于容纳芯片的腔体，以一种高熔点金属Cu和一种低熔点金属Sn为封装材料，在低熔点金属反应生成中间化合物的同时，完成封装，其特征在于整个封装工艺包括：

(1)上盖板工艺

1)首先，在硅基板(1)上热生长一层0.5-2微米的二氧化硅层(8)；

2)在二氧化硅层(8)上溅射一层1-2微米的铝层(9)；

3)在铝层(9)上光刻出密封环图形，线条宽度为100到500微米；

4)以光刻胶作掩膜，用深反应离子刻蚀出腔体槽，槽体深200-300微米；

5)去掉光刻胶，在铝层上电镀5微米的镍层和5-15微米的铜层以及3-8微米的锡层；铜层和锡层厚度以形成Cu₆Sn₅合金为准；

(2)下基板工艺

1)首先，在玻璃基板上溅射600-750纳米的铝层；

2)在铝层上光刻出底层导线，导线宽80-120微米；

3)旋涂光刻胶，光刻出器件槽，蒸镀800纳米的铬层做保护层；

4)去光刻胶，用CVD沉积一层1-2微米的二氧化硅层；

5)在二氧化硅层上光刻出引线孔及器件槽；

6)去掉铬层；

7)溅射一层1-2微米的铝层；

8)在铝层上光刻出焊盘区及密封环图形，密封环尺寸与上盖板相同；

9)旋涂光刻胶(13)并光刻出密封环图形；

10)电镀4-6微米的镍层和5-15微米的铜层，去掉光刻胶，同样，铜层厚度是以形成Cu₆Sn₅化合物为准；

11)使用阳极键合使芯片与玻璃基板结合，并通过金丝实现电连接；

(3)整合工艺

1)将上盖板倒扣，并与下基板对准；

2)将上盖板与下基板合上；

3)升温至240-280℃，保温30分钟，凝固完成。

2、按权利要求1所述的利用等温凝固实现MEMS气密封装的方法，其特征在于所述的焊料封环构成为Al/Ni/Cu/Sn复合膜，MEMS器件的周边焊料封环构成为Al/Ni/Cu复合膜。

3、根据权利要求1所述的利用等温凝固实现MEMS气密封装的方法其特征是：高熔点金属焊料Cu下有由Al作为的黏附层和Ni作为阻挡层构成的金属层。

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