CN1817784A - 凸点连接气密封装微机械系统器件的结构及制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及凸点连接气密封装MEMS器件的结构及制作方法，其特征在于：利用硅硅键合，将含MEMS芯片的硅片和含有腔体图形的硅片键合在一起，形成MEMS器件的下腔体，然后，将含有腔体图形的硅片的背面减薄，并将含MEMS芯片的硅片的背面刻蚀。再利用硅玻璃阳极键合将玻璃片键合在含MEMS芯片的硅片的背面，形成MEMS器件的上腔体。所形成的硅/硅/玻璃三层结构，将MEMS器件的可动部件被包封在可靠气密特性的腔体内。本发明将MEMS器件的可动部件的制作与MEMS器件的气密封装有机结合，不仅能提高MEMS器件气密封装的气密特性和输出的电性能，降低气密封装的成本；而且制作的器件可与现有的先进IC封装工艺相兼容。

Description

凸点连接气密封装微机械系统器件的结构及制作方法
技术领域
本发明涉及一种可实现微机电系统(MEMS)器件气密密封装的结构及制作方法，更确切地说涉及凸点连接气密封装微机械系统器件的结构及制作方法，属于MEMS器件封装领域。
背景技术
MEMS(microelectromechanical system)是指采用微细加工技术制作的，集微型传感器、微型构件、微型执行器、信号处理、控制电路等于一体的系统。MEMS器件在许多领域都有十分广阔的应用前景。然而，在MEMS器件中，含有可动部件，这些可动部件很脆弱，极易受到划片和装配过程中的灰尘、气流、湿度、机械等因素的影响，从而造成器件的毁坏或器件的整体性能下降，因此，必须采取气密封装措施，保护这些关键部位。
为了实现MEMS器件的气密封装，人们提出了多种MEMS器件气密封装方法，其基本思想是将一个带腔体的盖板键合到另一个含MEMS器件晶片上，从而保护MEMS器件的可动部件。现今，MEMS器件气密封装的键合方法主要有：硅玻璃阳极键合、硅硅键合、玻璃直接键合、低温玻璃键合、有机粘接剂键合和焊料键合等。目前，硅玻璃阳极键合、硅硅键合是基于圆片键合技术发展起来的，是实现MEMS器件气密封装常用的两种方法。硅玻璃阳极键合又称场助热键合，其原理是在硅和玻璃界面产生一个强电场，在强电场的作用下玻璃中钠离子离开界面，产生钠离子耗散区，留下氧分子在其界面上，氧分子扩散进入硅表面，形成一层无定形二氧化硅层，实现硅玻璃键合。硅硅键合是利用硅表面的吸附的高密度OH基团，脱去一个水分子，在两硅片的表面上形成Si-O-Si键，将两硅片键合在一起。硅玻璃阳极键合、硅硅键合能够实现圆片级气密封装，因而气密封装的成本较低。这两种键合均不使用粘接剂和焊料，能够得到结构紧凑、牢固复杂的气密封装MEMS器件。低温玻璃键合、有机粘接剂键合和焊料键合要使用粘接剂和焊料，且需使用一些附加的工艺，这对于易损的MEMS器件是极为不利的，会增加气密封装MEMS器件的成本。
MEMS器件的输出信号(电流或电压)很小，将它与外围电路相连接，如若连接的阻抗、寄生效应和噪声较高，则会彻底掩盖MEMS器件的输出有用的信号。目前，MEMS器件的电连接主要采用丝焊的方法，这无疑将会使电连接具有较高的阻抗和寄生效应。倒装芯片连接具有连接电阻小、信号窜扰小和耗散功率大等诸多优点，因而，倒装芯片连接将会提高MEMS器件的性能。
发明内容
为了避免MEMS器件气密封装附加的工艺对MEMS器件的可动部件的毁坏，提高MEMS器件气密封装的成品率，同时减小MEMS器件电连接的阻抗、寄生效应和噪声，提高MEMS器件输出信号的品质，本发明提出了实现凸点连接MEMS器件气密封装结构及其制作方法。该构造能够充分利用现有的IC工艺，实现MEMS器件的气密封装，不仅能够有效地减少气密封装MEMS器件的成本，而且可以提高MEMS器件输出信号的品质。
本发明所采取的技术方案是：利用硅硅键合，将含MEMS芯片的硅片和含有腔体图形的硅片键合在一起，形成MEMS器件的下腔体，然后，将含有腔体图形的硅片的背面减薄并将含MEMS芯片的硅片的背面刻蚀。有腔体图形的硅片的背面减薄的目的是有利于下一步通孔的制作，含MEMS芯片的硅片的背面刻蚀的目的是有助于MEMS器件的可动部件的形成与释放，再利用硅玻璃阳极键合的原理，将玻璃片键合在含MEMS芯片的硅片的背面，形成MEMS器件的上腔体。所形成的硅/硅/玻璃三层结构，可将含MEMS器件的可动部件包封在可靠气密特性的腔体内。由于将含有腔体图形的硅片的背面减薄后，可有效地利用反应离子刻蚀和腐蚀形成要引出电极的开孔。经沉积铝膜、光刻掩模等工序后，可制作出MEMS的电极块，再涂覆聚酰亚胺介质薄膜，光刻铝电极开孔并淀积UBM(凸点下金属化，underball metallization)，厚胶光刻形成电镀开孔，电镀焊料，除去光刻胶，湿法腐蚀UBM，回流成球。涂覆光刻胶保护焊料球，然后，划片切分成分立的气密封装的MEMS器件。(详见实施例)。
综上所述，本发明介绍了一种凸点连接气密封装微机械系统器件的结构，其特征在于：
(1)所述的器件的结构为硅/硅/玻璃三层键合，它是含微机械系统器件的芯片的硅片和含有腔体图形的下盖板硅片键合，形成微机械系统器件的下腔体，然后将玻璃片键合在含微机械系统芯片的硅片的背后，形成微机械系统器件的上腔体，将微机械系统器件的可动部分包封在上下盖板硅片和玻璃盖板形成的腔体之中，微机械系统的器件是采用凸点方式连接的。
(2)下盖板硅片上每个腔体与含微机械系统器件芯片硅片中的微机械系统的位置是相对应的。
制作所述的凸点连接气密封装微机械器件结构的方法其特征在于：
(a)利用硅硅键合，将含MEMS芯片的硅片和含有腔体图形的硅片键合在一起，形成MEMS器件的下腔体；
(b)将含有腔体图形的硅片的背面减薄，并将含MEMS芯片的硅片的背面刻蚀；
(c)将玻璃片键合在含MEMS芯片的硅片的背面，形成MEMS器件的上腔体，形成硅/硅/玻璃三层结构，将MEMS器件的可动部件被包封在可靠气密特性的腔体内；
(d)将含有腔体图形的硅片的背面减薄，利用湿法和反应离子刻蚀形成要引出电极的开孔。沉积铝膜，光刻掩膜，制作出MEMS的电极块；
(e)涂覆聚酰亚胺介质薄膜，光刻铝电极开孔淀积UBM，涂覆厚胶，光刻形成电镀开孔，电镀焊料，除去光刻胶，回流成球，涂覆光刻胶，划片切分成分立的气密封装的MEMS器件。
本发明的实际效果是可将MEMS器件的可动部件的制作与MEMS器件的气密封装有机地结合起来，利用硅硅键合和硅玻璃阳极键合的成熟工艺，提高MEMS气密封装的可靠性，降低MEMS器件气密封装的成本；采用倒装凸点连接方法，降低互连的导通电阻和信号窜扰，提高MEMS器件输出信号的品质。
采用本发明制作的器件不仅能提高MEMS器件气密封装的气密特性和输出电性能，降低MEMS棋迷封装的成本，而且工艺上与现有的IC封装工艺相容，提供了气密封装MEMS器件和再分布凸点连接的新方法。
附图说明
图1是含阵列MEMS器件的硅片俯视图。
图2是含阵列腔体的下盖板硅片俯视图。
图3是玻璃盖板的俯视图。
图4是含MEMS器件硅片与含腔体硅片键合形成下腔体的截面构造图。(a)硅片，(b)下盖板硅片，(c)硅片和下盖板硅片预键合。
图5是含MEMS器件硅片与玻璃盖板形成完整腔体的截面构造图。(a)下盖板减薄后示意图，(b)凹槽上腔体501形成示意图，(c)可动部件包封在下盖板硅片和玻璃盖板形成的腔体中示意图。
图6是气密MEMS器件凸点电连接的流程图。(a)电极区开孔，(b)孔中淀积铝膜，(c)涂覆聚酰亚胺膜，(d)光刻掩模制作铝电极的开孔，(e)沉积凸点下金属膜。
具体实施方式
为了能使本发明的优点和积极效果得到充分体现，下面结合附图和实施例对本发明实质性特点和显著的进步作进一步描述。
在图1中，在硅片101上，MEMS器件102是用半导体工艺制作的，每个MEMS器件102有电极区103。电极区103可通过通孔的金属化与凸点形成连接。
在图2中，下盖板硅片201有阵列分布的腔体202，下盖板硅片201上每个腔体202位置恰好与图1中MEMS器件102相对应。以便在硅键合后形成MEMS器件102的可动部件的下腔体。
图3是玻璃盖板301，玻璃盖板301可以是含有掩模图形或不含掩模图形，主要用于形成MEMS器件102的上腔体和支撑MEMS器件102。
在图4中，首先对硅片101(图4-a)和下盖板硅片201(图4-b)进行常用的表面化学处理，用光刻机将硅片101中的MEMS器件102与下盖板硅片201中腔体202对准，在室温和一定的压力下完成预键合，移至真空室中，提升温度到400℃，此时，两硅片界面上的OH基团发生反应，脱去水，形成Si-O-Si键，将硅片101和下盖板硅片201键合在一起，并形成下腔体202。
在图5中，对图4中所形成的结构的下盖板硅片201进行化学机械抛光，将下盖板硅片201的厚度减至100μm左右(图5-a)，下盖板硅片201减薄的目的是为了便于以后工序形成电连接通孔和减小薄膜覆盖的“台阶”。在下盖板硅片201减薄后，采用光刻胶掩模，用KOH溶液腐蚀硅，释放硅片101中的MEMS器件102的可动部件，并形成了凹槽上腔体501(图5-b)。在真空室中，将图3的玻璃盖板301置于硅片101之上，加热至400℃，同时给玻璃盖板301施加一负偏压，在硅片101和玻璃盖板301的界面产生一个强电场，在强电场的作用下玻璃盖板301中钠离子离开界面，产生钠离子耗散区，留下氧分子在其界面上，氧分子扩散进入硅片101的表面，形成一层无定形二氧化硅层，实现玻璃盖板301与硅片101键合。并获得上腔体501。至此，硅片101中的MEMS器件102的可动部件包封在下盖板硅片201和玻璃盖板301所形成的完整腔体之中(图5-c)。
图6是图5结构中MEMS器件102的电连接凸点的制作的流程图。在图6-a中，采用光刻胶掩模，用KOH溶液或反应离子刻蚀硅，形成图5结构中MEMS器件102的电极区103开孔601，考虑到开孔连接的“台阶”大小问题，用KOH溶液刻蚀硅制作图5结构中MEMS器件102的电极区103开孔601更可取。用溅射方法淀积铝膜，铝膜厚度为1μm左右，光刻掩模并腐蚀，将图5结构中MEMS器件102的电极区103引至下盖板硅片的底表面铝电极602(图6-b)。涂覆聚酰亚胺膜603(图6-c)，聚酰亚胺膜603的厚度约为20μm左右。聚酰亚胺膜603可以提高通孔连接的可靠性，并对凸点起到支撑作用。光刻掩模模制作铝电极602的开孔604(图6-d)，用溅射方法淀积凸点下金属膜UBM(underballmetallization)605，UBM605为Cr/Cu或Ti/Cu，Cr或Ti为粘附层，其厚度为500左右，Cu为电镀的种子层，其厚度为8000左右。光刻掩模制作电镀的开孔，电镀Cu/PbSn，电镀Cu膜的厚度为10μm，去胶，选择性腐蚀掉UBM605，回流形成焊球606(图6-e)。涂覆光刻胶，划片切成独立的气密封装的MEMS器件。

Claims (9)

1.一种凸点连接气密封装微机械系统器件的结构，其特征在于所述的器件的结构为硅/硅/玻璃三层键合，它是含微机械系统器件的芯片的硅片和含有腔体图形的下盖板硅片键合，形成微机械系统器件的下腔体，然后将玻璃片键合在含微机械系统芯片的硅片的背后，形成微机械系统器件的上腔体，将微机械系统器件的可动部分包封在上下盖板硅片和玻璃盖板形成的腔体之中，微机械系统的器件是采用凸点方式连接的。
2.按权利要求1所述的凸点连接气密封装微机械器件结构，其特征在于下盖板硅片上每个腔体与含微机械系统器件芯片硅片中的微机械系统的位置是相对应的。
3.制作如权利要求1所述的凸点连接气密封装微机械器件结构的方法，其特征在于具体步骤是：
(a)利用硅硅键合，将含MEMS芯片的硅片和含有腔体图形的硅片键合在一起，形成MEMS器件的下腔体；
(b)将含有腔体图形的硅片的背面减薄，并将含MEMS芯片的硅片的背面刻蚀；
(c)将玻璃片键合在含MEMS芯片的硅片的背面，形成MEMS器件的上腔体，形成硅/硅/玻璃三层结构，将MEMS器件的可动部件被包封在可靠气密特性的腔体内；
(d)将含有腔体图形的硅片的背面减薄，利用湿法和反应离子刻蚀形成要引出电极的开孔。沉积铝膜，光刻掩膜，制作出MEMS的电极块；
(e)涂覆聚酰亚胺介质薄膜，光刻铝电极开孔淀积UBM，涂覆厚胶，
光刻形成电镀开孔，电镀焊料，除去光刻胶，回流成球，涂覆光刻胶，划片切分成分立的气密封装的MEMS器件。
4.按权利要求3所述的凸点连接气密封装微机械器件结构的制作方法，其特征在于所述的步骤(a)的制作方法为：
(1)首先对硅片(101)和下盖板硅片(201)进行表面化学处理；
(2)用光刻机将硅片(101)中的微机械系统器件(102)与下盖板硅片(201)中腔体(202)对准，在室温下完成预键合；
(3)再移至真空室升温到400℃，两硅片形成Si-O-Si键，键合在一起并形成下腔体(202)。
5.按权利要求3所述的凸点连接气密封装微机械器件结构的制作方法，其特征在于所述的步骤(b)和(c)的制作方法是：
(1)对步骤(a)形成的结构的下盖板硅片(201)进行化学抛光，使下盖板硅片减薄；
(2)采用光刻胶掩膜，用KOH溶液腐蚀硅，释放硅片中的微机械系统器件的可动部件(102)，并形成凹槽上腔体(501)
(3)在真空室中，将玻璃盖板(301)置于硅片(101)上，加热至400℃，同时给玻璃盖板(301)施加一负偏压，实现玻璃盖板(301)与硅片(101)键合，获得上腔体(501)，形成硅/硅/玻璃三层键合结构，使硅片(101)中的微机械系统器件(102)的可动部件包封在下盖板硅片(201)和玻璃盖板(301)所形成的腔体之中。
6.按权利要求3所述的凸点连接气密封装微机械器件结构的制作方法，其特征在于所述的步骤(d)和(e)是连接凸点的制作，依次步骤是：
(1)采用光刻胶掩膜，用KOH溶液或反应离子刻蚀硅，形成微机械系统器件(102)的电极区开孔(601)；
(2)用溅射方法沉积铝膜，光刻掩膜并腐蚀，使电极区引至下盖板硅片底表面；
(3)再在下盖板硅片的底面涂覆聚酰亚胺(603)，对凸点起支撑作用；
(4)光刻掩膜制作铝电极(602)的开孔(604)；
(5)用溅射方法淀积凸点下金属膜；
(6)光刻掩膜制作电镀开孔，去胶，选择性腐蚀掉凸点下金属膜，回流形成焊球，涂覆光刻胶，完成制作。
7.按权利要求6所述的凸点连接气密封装微机械器件结构的制作方法，其特征在于所述沉积的铝膜厚度为1微米。
8.按权利要求6所述的凸点连接气密封装微机械器件结构的制作方法，其特征在于所述对凸点起支撑作用的聚酰亚胺厚度为20微米。
9.按权利要求6所述的凸点连接气密封装微机械器件结构的制作方法，其特征在于所述的沉积凸点下的金属膜为Cr/Cn或Ti/Cu，Cr或Ti为粘附层厚度为500；Cu为电镀的种子层，厚度为8000。
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