CN1762788A - 具有吸气剂屏蔽的气密密封微器件 - Google Patents

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Abstract

公开一种微器件，其包括晶片(14)中的器件微结构(38)和通气槽(34)，该晶片夹在基板(10)与封盖(16)之间。该封盖(16)与基板(10)具有围绕该微结构(22)的凹槽(41，21)，以限定腔体。通气孔(25)与通气槽(34)相连，并因此与腔体相连。该通气孔(25)用于在腔体中抽气并密封微结构(38)。吸气剂层(32)可用于保持腔体真空。可通过通气孔(25)，通气槽(34)和腔体向吸气剂(32)提供电气连接，以使吸气剂层(32)电气接地。

Description

具有吸气剂屏蔽的气密密封微器件
技术领域
本发明主要涉及具有需要真空腔的结构的微器件，且更具体涉及微器件与制造微器件的过程，该微器件在包围微器件的腔体内具有气密密封真空空间。
背景技术
连接有导电和绝缘基板的微器件可通过多种不同材料制造。金属，玻璃，和半导体材料的组合常用于生成这些器件及其封装。可通过许多不同的工艺将这些材料熔融为某种结构，如本领域所公知。这些器件中的一些需要密封腔及其中的器件并需要与外部封装的电气连接。大量的微器件通常需要这种类型的结构。考虑到器件的多样性，这些器件中共同具有的一种特征是必须在单独密封封装中包含的复杂结构，其难以制造且生产成本昂贵。除了封装问题外，还有工作问题。
例如，通过MEMS技术制造的微器件在许多领域发挥重要作用。例如，微机械陀螺仪在交通和商业应用中实现了几种重要的控制系统。其它由MEMS技术制造的微器件，例如压力传感器，加速计，激励器和谐振器也在许多领域使用。一些微器件，例如包含微结构的微型陀螺仪和谐振器不仅需要密封封装，还需要保存在真空密封的腔体内。对于这些类型的器件，不断需要提供真空环境并延长真空寿命。真空密封腔通常易受压力增加的影响，由于在密封工艺过程和从封装材料，密封材料和腔体内部件抽气而产生的气体造成。这种压力变化可降低密封封装的微器件性能并缩短其寿命。此外，提供抽气封装的封装机和/或设备复杂且昂贵。
已知通过使用吸气剂吸收水汽和气体元素可在腔体内保持密封真空。常规的吸气过程实现不同程度的成功。例如，采用厚膜吸气剂可带来可靠性问题，其由不良的机械强度和所用吸气剂过大的孔尺寸导致吸气剂微粒在制造过程中或器件发生颤动或震动后脱落造成。分散的吸气剂微粒的存在被认为是一些与多孔厚膜吸气剂一起密封的微陀螺仪失效的主要模式。另外，由于常规吸气剂通常具有大尺寸的孔，所需吸气剂的尺寸通常较大。
对于薄膜吸气剂，已知的非晶或多晶硅的机械属性将随淀积条件变化并难以重复。已知类型的薄膜吸气剂通常用于具有大平坦区域的大尺寸腔体内，由于它们仅有几个微米的有限的厚度。因此，希望提供一种改良的微器件及制造具有长期处于真空密封腔中的微结构的微器件(例如微型陀螺仪)的方法，它们可克服上述问题的大多数，如果不能克服全部的话。
附图简介
本发明的特征，相信其为新颖的，在所附权利要求中和其特殊性一起阐明。本发明与其另外的目的和优点可通过参考下面的说明并结合附图得到最好的理解，在这些附图中，相同的引用标号标识相同的元件，其中：
图1-5为提供真空密封微器件的不同工艺步骤的横断面视图，其遵照本发明；
图1为基板，硅层和封盖的横断面视图，其遵照本发明；
图2为图1的横断面视图，另外具有封盖凹槽，基板凹槽，金属电极和连线，其遵照本发明；
图3为图2的硅层至基板的组件横断面视图，其遵照本发明；
图4为图3组件的顶视图，其遵照本发明；
图5为图3的最终组件的横断面视图，其遵照本发明；
图6为图3吸气剂层选项的横断面视图，其遵照本发明；
图7为组件替换实施例的横断面视图，其遵照本发明；
图8为方法流程图，其遵照本发明。
具体实施方式
本发明为微器件的封装组件及其方法，其可为密封中的微器件提供真空环境。以低成本和高可靠性的简单组件形式提供该微器件。具体地，本发明提供一种简单组件结构，其易于抽气和密封。特别地，在同一硅晶片上集成了通气槽(vent channel)，并在构造实际微器件时同时处理。优选地，在封装中集成金属吸气剂以保持真空，特别考虑了能在封装中引起除气作用的高温密封工艺。更优选地，金属吸气剂还用于电子屏蔽和/或地。
出于解释与说明的目的，采用微型陀螺仪作为微器件的示例。然而，本发明并不限于制造与处理微型陀螺仪，还可应用于其它需要在真空腔体内保存的微器件与结构。了解本公开好处的本领域普通技术人员将认识到，文中说明的器件和用于制造该器件的过程可用于其它应用中。
在图1-5中，说明一种装置与方法来阐明在密封封装中制备真空包围的微器件的制造工艺，其遵照本发明。由于随微器件本身同时产生便于封装抽真空和密封的通气槽，本发明克服了现有技术的缺陷。应用本方法而产生的装置示于图5并与集成至传感器系统的其它电子装置一同使用，例如车用陀螺传感器。
参考图1，基板10具有顶面12和底面11。该基板10通常用作支撑。优选地，基板由玻璃制成。然而，其它绝缘的或导电的基板，例如硅，也同样适用于该功能。硅器件层14也具有顶面15和底面13。优选地，该半导体层为p-型，单晶(100)硅晶片。然而，也可使用多晶材料。
图1还示出了绝缘封盖16。该封盖16实际上为一平面基板并具有顶面19和相对的底面17。优选地，该封盖由玻璃制成。然而，也可使用其它绝缘或导电基板，例如硅。该封盖可作为每个微器件组件的单独部分提供，或以晶片的形式(如图所示出的)提供。多个通孔25，27贯穿于封盖16的顶面和底面之间。优选地，通孔要经打磨，例如经过喷砂处理。然而，可采用本领域公知的各种在玻璃或硅中制孔的技术。
参考图2，绝缘封盖16在底面17上图案化并蚀刻，如图所示，以限定封盖凹槽41。另外，基板10在顶面12上图案化并蚀刻，如图所示，以限定基板凹槽21。本实施例采用的图案化工艺为光刻工艺，其涂敷光刻胶，曝光并显影光刻胶，湿蚀刻(wet etch)涂敷光刻胶的表面，然后去除光刻胶。该工艺为本领域的普通技术人员所公知，并通常采用氢氟酸或缓冲氢氟酸(buffered hydrofluoric)湿蚀刻工艺。然而，可使用任何公知的工艺形成凹槽，专门用于特定的封盖与基板材料。
然后，在基板10上淀积多个金属电极和连线23，以最终提供至硅器件层14底部的电气连接，如下面的详细叙述。同时，可限定电子屏蔽层31，其也可接地。层31用于屏蔽后来包围的微结构。可选地，层31也可当作至微结构的电极。可使用许多公知方法淀积金属薄膜电极，连线23和屏蔽层31。在优选实施例中，采用溅射工艺。优选地，金属为具有粘合剂的金和/或扩散阻挡金属(例如，铬，钛/铂等)，其为本领域所公知。使用许多不同技术淀积并图案化该金属，其为本领域所公知。来自连线23的电气连接将最终穿过硅器件层14到达孔25和27中的一个或多个。
参考图3和4，硅器件层晶片14经微机械加工(micromachine)(即图案化和蚀刻)，以限定微结构38(例如陀螺仪)，至少一个硅互连岛(interconnect island)40，通气槽34，和外层硅(enclosing silicon)42，通过机械解锁机构(mechanical release structure)(未示出)将它们连接起来。所有这些硅器件38，40，34和42具有相同的最终厚度。例如，微机械工艺包括利用本领域公知的光刻工艺限定硅蚀刻图案，然后利用反应离子蚀刻(reactive ion etch)(RIE)法，深度反应离子蚀刻(deep reactive ion etch)法，或采用诸如氢氧化钾(KOH)，乙二胺邻苯二酚(EDP)或氢氧化四甲基铵(TMAH)的适当化学药品的湿蚀刻法蚀刻硅器件层晶片14的单面或双面，如本领域所公知。
然后将硅器件层14附着于基板10。优选地，使用阳极焊(anodicbonding)接合硅器件层14的底面13和基板10的顶面12。然而，应该知道，可使用诸如熔焊(fusion bonding)，玻璃粉焊(glass fritbonding)，玻璃重焊(glass rebond)，金属共熔焊，焊料焊(solder bond)等多种多样的焊接技术。阳极焊在本领域公知，其包括对齐并夹紧硅与玻璃片段，且在高于280℃的温度下在它们之间施加高压。在高温和高负电位下，玻璃粉内部的阳离子从与硅相邻的玻璃表面脱离，进入玻璃体内部，由于焊接处阳离子的消耗，在玻璃与硅之间的气隙上产生强电场。该将电场紧紧夹住两个焊接表面，形成牢固的且均匀的接合。应该注意，阳极焊使金属连线23向硅扩散，以在相接触的互连23与硅表面间形成良好的电接触。可在惰性环境或真空中进行阳极焊。
然后，利用上述适当的蚀刻方法蚀刻解锁机构(未示出)使单独的器件38，40，34和42彼此分离。应该知道，在本领域中还有许多其它技术可用于限定微结构，且这些技术均可应用于本发明。
也可在硅器件层晶片14中形成隔离槽(isolation trench)50，以在互连岛40自身之间和它们与微结构38和腔体外围硅42间形成电气隔离。在互连岛40之一内形成通气槽34，其与通气孔25对齐。该通气槽34通过通气孔25将基板凹槽21和封盖凹槽41与外部环境连接起来。
在用封盖包围微结构38前，玻璃封盖晶片16被进一步处理以金属化通气孔25和通孔27，并产生封盖凹槽屏蔽层22。这样，金属层22用于屏蔽微结构38并通过互连硅岛40和通气槽34与通气孔25上的金属涂层使吸气剂层32电气接地。可替换地，金属层22可直接与孔25相连。优选地，孔金属延展超出孔的顶口与底口形成孔肩(shoulder)，以在组装后更好地实现电气连接。金属材料可为铬/金，或钛/铂/金的复合物。所涉及的工艺可为选择性的金属化工艺，例如，公知的阴影掩模工艺(shadow mask process)，或本领域公知的平面金属化(planar metallization)与选择性的金属蚀刻工艺的组合。
金属电极与触点可配置为适合正在制造的特定微结构38。例如，陀螺仪的特定迹线可能非常复杂，且并未将其示出以简化附图。然而，应当知道，许多在其单侧或两侧具有金属迹线(metal trace)的器件类型可通过文中说明的技术进行调节。所示组件提供四个孔连接，其中，基准点(alignment point)26与两个各自的孔25，27对齐，以连接微结构38和金属层22，23与31。可将另外的孔(未示出)与另一基准点24相连，以在需要的时候向金属22，31或微结构38提供电气连接。应当认识到，本发明提供各种不同的连接配置。在优选实施例中，至少一个孔25用于向吸气剂屏蔽22，32提供连接，如下详述。
在优选实施例中，在一个或多个金属化的凹槽中41，21中安放吸气剂层32。吸气剂层32可由金属成分钛(Ti)，镍(Ni)，钯(Pd)，铂(Pt)，和铬(Zr)等的至少一种或其组合制成。
图5表示了与其它组件10，14焊接的玻璃封盖16。玻璃封盖的底面17可阳极焊接或静电焊接至硅器件层14的顶面15。优选地，采用阳极焊，其中对硅层施加正偏压，对玻璃层施加负偏压。如前所述，阳极焊为本领域所公知，应当知道，阳极焊使通孔25，27的低肩扩散至硅中，形成良好的电接触。可在惰性环境或真空中进行阳极焊。
各层的熔融导致凹槽21，41形成微结构38的腔体，其中，微结构在不同的定位点与基板10相连，以在基板凹槽21上和封盖凹槽41下浮动。其至少允许微结构38的主体部分在腔体中悬浮。微结构可为一种移动结构，例如那些用于陀螺仪或其它微器件的结构。
由凹槽21，41形成的腔体通过连接通气孔25与腔体的通气槽抽气。然后通过将焊球48熔融在孔25，27上密封孔25，27，以向微器件封装提供真空密封。每个孔25，27的焊球还辅助提供外部的，表面安装的电气连接，以完成微器件的组装。在上面的示例中，以晶片形式生产多个微器件组件，需要将外围硅部分42的晶片切分为单个微器件封装。可使用本领域内公知的许多不同技术完成切分工艺。
参考图6，在可选实施例中，图3-5的吸气剂层为屏蔽和/或接地层22，吸气剂层28，和保护层29的薄金属膜复合物。屏蔽层22(和图2与3的31)覆盖腔体表面并实现三个功能。第一，(各)屏蔽层保护微结构38，防止外部电磁干扰。第二，(各)屏蔽层防止封盖玻璃充电影响器件性能。第三，(各)屏蔽层防止腔体表面向腔体内释放气体元素。实际上，屏蔽层22(与31)由三层金属膜构成：玻璃表面的附着层(例如Ti)，互连硅的低接触电阻层(例如Au)，和二者之间的扩散阻挡层(例如Pt)。薄吸气剂层28的复合物取决于要吸附的气体元素。例如，吸气剂层28可为钛(Ti)，镍(Ni)，钯(Pd)，铂(Pt)和铬(Zr)等的任一个或其组合。保护层29为一非常薄的诸如铂的贵金属层，例如约50，其不仅是吸气剂材料，还是抗氧化层，以防止主要的吸气剂层28在密封前氧化。
参考图7，示出了本发明的替换实施例。在该替换实施例中，孔25与27位于基板10中，用于对腔体抽空排气并电气连接该微结构。另外，该实施例中的通气槽34在与通气孔25对齐的互连硅岛中形成。该通气槽34通过通气孔25将包围的腔体与组件的外部连接起来。此外，例如，示出了单个硅封盖16。然而，应当认识到，也可使用包含多个单元的晶片级密封，如前所述。复合吸气剂层20可通过硅封盖16向基板10上的金属迹线30电气接地，并随即通过金属化的孔25与外部封装相连。应当知道，存在许多孔与通气槽的变形与组合，可同样用于本发明，且这些不同的实施例都可通过文中说明的技术生产。
参考图8，本发明说明了制造密封微器件组件的方法。第一步80包括提供基板。该基板被进一步处理以提供凹槽。下一步81包括提供封盖。该封盖被进一步处理以提供凹槽。下一步82包括限定微结构，通气槽，至少一个互连岛，和硅晶片器件层中的外围硅。配置通气槽在焊接步骤86后连接至凹槽。该步骤82图案化和蚀刻硅晶片，以限定通过解锁机构连接起来的层器件。
下一步骤83包括形成至少一个通气孔，由通孔构成，其还用于，例如，电气连接基板和一个或多个封盖。也可使用非电气连接的孔，但应当金属化，以利于焊接密封。通气孔被配置为在焊接步骤86后与通气槽相连，以利于在组装后为微器件腔体抽空排气。下一步骤包括在需要时安放金属电极，互连，屏蔽与接地层。具体地，该步骤84包括在所有孔及其两侧延展肩上安放金属薄膜，并在封盖和/或基板凹槽上提供屏蔽金属层。利用在通孔中进行金属化，通过相关联的密封通孔提供与微器件外部的电气连接，使得在焊接步骤86之后金属化层可接触硅层。下一步骤85包括在至少一个凹槽中(例如封盖和/或基板)安放复合吸气剂层。优选地，该步骤85包括安放三层复合吸气剂层，包括屏蔽层，吸气剂层，和保护层。在优选实施例中，吸气剂层还通过与金属化步骤84的金属层适当连接而用于屏蔽和/或接地。具体地，希望提供通气孔与腔体至吸气剂层电气连接的步骤，以使吸气剂层电气接地。这样，吸气剂层可用于吸气与屏蔽/接地的双重目的。
下一步骤86包括将封盖，硅晶片，和基板焊接在一起，使得封盖中的凹槽形成包围微结构的腔体。优选地，该步骤86包括阳极焊接硅器件层晶片与基板，蚀刻硅设备的解锁机构，并焊接封盖与微器件晶片，以形成真空密封的微器件组件。具体地，该步骤包括将通气孔的通孔与硅层对齐，使得在步骤86后通气孔与通气槽相接，且其它孔与任一所需的电气连接相接。焊接工艺还连接通气孔，通气槽，和腔体。此外，使用硅器件层可在需要时辅助完成某些电气连接。例如，接地孔可通过互连硅岛与屏蔽/接地层和吸气剂层相连。优选地，该步骤86包括多个微器件的晶片级焊接，其可在随后进行切分。
下一步骤87包括通过通气孔与通气槽对腔体抽空排气。下一步骤88包括在真空中密封通气孔，以提供包围微结构的密封真空腔体。优选地，通过密封通气孔的焊料实现密封。实际上，从基板或封盖的外表面在孔上放置适当的低温焊球，该焊球在真空中脱气并融化，以真空密封该孔。
另外的步骤89包括将晶片组件切割为多个真空密封的微器件。当然，本领域的普通技术人员将知道该工艺每一步的精确顺序并非关键，也可使用其它顺序形成此结构。
由于可在低于350℃的温度下进行阳极焊与回流焊(solderreflow)，本发明可方便地用于封装不能承受高的后处理温度的微器件。此外，本发明提供一种低温方法在很低的腔体压力下完成微器件封装。通过提供将腔体与开放导孔(open conductive via)连接的通气槽实现低压，防止在阳极焊期间捕获释放的气体。开放孔(open via)最终在低温下通过焊球回流真空密封，例如低于300℃。该焊球在回流焊前在真空系统中除气。作为焊球除气和低温密封工艺的结果，没有吸气剂的起始腔体压力可低至100微米汞柱。由于低温密封工艺几乎没有引起气体捕获，低成本复合金属膜吸气剂足够用于长时间保持低压。
复合金属膜吸气剂易于通过溅射或汽化技术制造，且可在低温回流焊工艺过程中实现完全激活。无需特别的高温激活工艺。这是因为复合金属膜吸气剂具有抗氧化薄层，且阳极焊与回流焊都在高度真空环境中进行，其中，吸气剂不会被氧化。复合金属膜吸气剂通过屏蔽层与接地硅电气连接，因而屏蔽微器件并使对于器件的寄生效应最小。
本发明通过提供与通气槽和微器件关联的封装同时产生的通气槽与微器件，方便地提供在真空中封装密封微器件的方法。所产生的器件为提供低成本和高效微器件(例如陀螺仪)的问题提供解决方案。包括基板，硅层，玻璃封盖与各种图案的构成元件的几何形状如文中所说明，其适用于多种不同类型的微器件。当然，还可使用其他几何形状以利用所述发明工艺。尽管该实施例详述了一种陀螺仪的构造与封装，但本发明可应用于其他与其封装一起产生的器件，且其中需要真空环境。
尽管参考其特定实施例表示并说明了本发明，然而本领域的技术人员将理解，可进行各种改变和其元件的等效替代，而不脱离本发明的广阔范围。此外，还可进行许多修改以使具体应用场合和材料适应本发明宗旨。因此，并不是要将本发明限制于文中公开的特定实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。

Claims (9)

1.一种制造气密密封微器件的方法，该方法包括的步骤为：
提供其中具有凹槽的基板；
提供其中具有凹槽的封盖；
在硅层中限定微结构与通气槽，该通气槽被配置为在焊接步骤后与上述凹槽连接；
形成通气孔，该通气孔被配置为在焊接步骤后与通气槽相连；
在至少一个上述凹槽中安放吸气剂层；
将封盖，硅晶片，和基板焊接在一起，使得封盖与基板中的凹槽形成包围微结构的腔体，且其中，通气孔，通气槽和腔体连接在一起；
通过通气孔和通气槽对腔体抽空排气；以及
密封通气孔以提供包围该微结构的气密密封的腔体。
2.权利要求1的方法，其中，限定的步骤包括图案化并蚀刻硅晶片，以提供微结构与通气槽。
3.权利要求1的方法，其中，安放吸气剂层的步骤包括安放由屏蔽层，吸气剂层，和保护层构成的三层复合吸气剂层。
4.权利要求1的方法，其中，焊接步骤包括下列步骤中的至少一个：
对封盖，硅层和基板进行阳极焊，以形成微器件组件；或
对多个微器件进行晶片级焊接。
5.一种制造气密密封微器件的方法，该方法包括的步骤为：
提供其中具有凹槽的基板；
提供其中具有凹槽的封盖；
在硅晶片中限定微结构与通气槽，该通气槽被配置为在焊接步骤后与凹槽连接；
形成通气孔，该通气孔被配置为在焊接步骤后与通气槽相连；
安放金属互连；
在基板上安装硅晶片；
在封盖的凹槽中安放复合薄金属膜吸气剂并向其提供接地连接；
阳极焊接封盖到硅晶片，使得封盖中的凹槽形成包围微结构的腔体且通气孔与通气槽对齐，且通气孔，通气槽与腔体连接在一起；
通过通气孔与通气槽对腔体抽空排气；以及
用焊料密封通气孔，以提供包围微结构的气密密封腔体并向吸气剂层提供外部电气接地连接。
6.权利要求5的方法，其中，复合步骤的复合薄金属膜吸气剂包括三层：与封盖凹槽相对的电屏蔽与除气块层，吸气剂层，和最外面的抗氧化层。
7.一种气密密封的微器件组件，包括：
其中设有凹槽的基板；
其中设有凹槽的封盖；
器件微结构与通气槽，在焊接到基板以使微结构的一部分在基板凹槽上浮动且焊接到封盖以使微结构的一部分在封盖凹槽下浮动的硅晶片层中形成，其中，基板与封盖凹槽提供包围微结构的腔体，且其中通气槽与腔体相连；
在腔体的至少一个凹槽中安放的导电吸气剂层；以及
与通气槽相连并因此与腔体相连的通气孔，该通气孔具有封口，以将微结构气密密封在腔体内。
8.权利要求1的方法，还包括通过通气孔和腔体向吸气剂层提供电气连接，以使吸气剂层电气接地的步骤；或
权利要求7的微器件组件，还包括通过通气孔和腔体向吸气剂层提供的电气连接，以使吸气剂层电气接地。
9.权利要求1或5的方法，或权利要求7的微器件组件，其中，通气孔在基板或封盖中的至少一个中形成。
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