CN1935630A - 微机电系统芯片尺寸气密封装垂直互连结构及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微机电系统芯片尺寸气密封装垂直互连结构及其制作，其特征在于提出了一种新颖的圆片级芯片尺寸封装结构。其中芯片互连采用了通孔垂直互连技术：KOH腐蚀和DRIE相结合的薄硅晶片通孔刻蚀技术、由下向上铜电镀的通孔金属化技术、纯Sn焊料气密键合和凸点制备相结合的通孔互连技术。整个工艺过程与IC工艺相匹配，并在圆片级的基础上完成，具有较高的垂直通孔互连密度。该结构在降低封装成本，提高封装密度的同时可有效地保护MEMS器件不受损伤，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。

Description

微机电系统芯片尺寸气密封装垂直互连结构及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种采用垂直通孔互连技术实现的微机电系统芯片尺寸气密封装垂直互连结构及其制作方法，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，MEMS器件包含可动的机械部分，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、水汽、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，采用气密性封装可以降低封装中水气含量，防止MEMS器件的黏性失效，提高器件的可靠性。同时单芯片封装的效率较低、可靠性不高、稳定性差。圆片级芯片尺寸封装有利于提高封装的可靠性和稳定性，降低成本。因此，圆片级芯片尺寸气密封装是MEMS封装技术的发展必然趋势。

通孔垂直互连(Through-wafer via interconnection)技术是圆片级封装中实现MEMS芯片尺寸气密封装互连的一类可靠选择，这种电互连较传统的互连如引线键合的优点在于电连接距离短，密度高，寄生，串扰等效应小，在此基础上还可实现器件的三维立体封装。

通孔垂直互连的制作主要由三部份组成：通孔刻蚀；孔内金属化及通孔互连。目前在硅片上刻蚀孔方面主要有两种方法，一种是干法刻蚀(DRIE)，这种方法优点在于刻蚀的深宽比较高，如Junji Ohara等人做到了30∶1，缺点是刻蚀时间长、成本很高；另一种是KOH腐蚀，该方法成本量虽较低但若要腐蚀出均一孔径的孔，对硅片的平整度有很高的要求，同时由于腐蚀孔的孔径较大，使通孔的密度较低。孔内金属化的方法主要有熔融金属填充(MMSM)和电镀，MMSM虽然效果较好但对设备的要求高；电镀法相对简单便宜，但普通电镀过程中经常会出现缝隙、空洞等缺陷，如果采用由下向上电镀(bottom-up filling)的方法，则可避免这些缺陷。通孔互连也有多种方法，如引线键合连接，金凸点连接，有机导点胶粘结等，但这些方法在气密性和IC工艺兼容方面都有一定的缺陷。

发明内容

为了在降低封装成本，提高封装密度的同时有效的保护MEMS器件不受损伤，本发明提出一种气密封装结构，该结构采用了通孔垂直互连技术并在圆片级工艺的基础上完成，它集芯片尺寸封装和气密封装于一体，有效地提高了封装密度，降低了封装成本，减小了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。

本发明所采取的技术方案是：首先利用湿法(KOH)腐蚀和干法刻蚀(DRIE)相结合的方法在薄硅晶片盖板上刻蚀形成通孔，此方法的技术优势有两点，一是可在不降低通孔密度、保证背面通孔口径一致的条件小尽量减小干法刻蚀的深度、降低成本，二是使用干法刻蚀技术刻穿盖板的同时，在盖板背面形成了可容纳MEMS可动部件的腔体；然后采用由背面向上电镀的方法将通孔的直孔部分电镀上铜，由该方法电镀的孔内铜层缺陷较少，避免了普通电镀中的缝隙空洞等问题，提高了电连接的可靠性；随后利用纯Sn焊料圆片键合工艺将带有通孔和腔体的盖板与带有MEMS器件的基板键合在一起，实现了盖板和基板间的密封和电互连；接着利用盖板表面焊球布置、回流技术实现盖板表面与基板间的电连接，并形成表面贴装结构。最后，划片切分成分立的气密封装的MEMS器件。(详见实施例)。

本发明的具体工艺步骤如下：

A.采用湿法腐蚀和干法刻蚀相结合的方法实现通孔刻蚀

(a)首先以氧化硅层作掩膜在盖板硅片的正面进行湿法刻蚀，形成具有一定深度的斜槽；

(b)在盖板硅背面，也以氧化硅层作掩膜，用干法刻蚀(DRIE)的方法将通孔剩余部分刻穿，形成通孔直孔部分，与此同时盖板的背面也刻蚀出空腔，以容纳MEMS可动部件；

(c)在去除氧化层后，再以热氧化方法在盖板表面形成一层致密的氧化层。

B.采用由背面向上电镀的方法在直孔部分金属化

(a)盖板背面溅射一层种子层TiW/Cu，其中Ti/W作为黏附层，Cu为种子层；

(b)背面电镀一层铜，以封住通孔背面的开口；

(c)将盖板翻转后实现直孔内金属化。

C.圆片键合

(a)在步骤B完成的基础上，在盖板背面的铜层相应的位置电镀Ni/Sn金属层，然后腐蚀多余的铜和种子层，形成焊点焊环；

(b)将含MEMS可动部件的基板和盖板在光刻机上进行预对准后放入键合机进行回流键合，最高回流温度为300℃，压强约为2.5×10³Pa，时间约为15min，键合后焊点和焊环处生成Ni₃Sn₄化合物；

D.通过焊球的布置和回流实现凸点制作

(a)在步骤C完成后，盖板正面溅射种子层TiW/Cu，然后电镀铜层，然后用喷胶机在铜层上覆盖光刻胶，光刻后腐蚀掉步骤A中(a)形成的斜槽周围的铜层和种子层，去胶后形成UBM层；

(b)将焊球放在UBM层上，回流形成凸点。

由所述制作工艺提供的微机电系统芯片尺寸气密封装垂直互连结构的特征是：

(1)在盖板硅片的正面形成n×n的单元阵列分布，每个单元内有m个斜槽；

(2)在盖板硅片的背面形成n×n的单元阵列分布，每个单元形成通孔直孔，且在中间形成空腔，空腔的周围分布m个金属焊点，外围是金属出封环；

(3)MEMS基板内n×n的单元阵列分布与盖板背面的单元阵列分布相对应，每单元内含有MEMS可动部件，每个单元MEMS可动部件的四周围有焊点，且外围是金属出封环；

(4)盖板硅片的背面的空腔，容纳MEMS可动部件；

(5)通过圆片键合实现气出封装垂直互连。

上述结构描述中n为大于或等于1的整正数，一般取n为4-6整正数；n过大则结构复杂，且无必要，同时所述的盖板正面、背面以及MEMS基板内n取同一整正数，每个单元内斜槽数不一定为m个，m为大于或等于1的整正数，m优先值为4-15。

本发明的实际效果是在圆片工艺的基础上实现了MEMS器件的气密性封装，提高了MEMS封装的可靠性，降低MEMS器件气密封装的成本；采用垂直互连方法，提高了封装的密度，且有效保护MEMS器件不受损伤，降低了互连的导通电阻和信号窜扰，提高了MEMS器件输出信号的品质。整个工艺过程与IC工艺过程相匹配。

附图说明

图1是实施例所述的含KOH腐蚀槽阵列的薄硅晶片盖板正面俯视图。

图2是实施例所述的含空腔和通孔阵列的盖板背面俯视图。

图3是实施例所述的含MEMS器件的硅片基板俯视图。

图4是采用正面湿法腐蚀和背面干法刻蚀相结合技术在盖板上形成通孔和空腔的截面构造流程图。(a)正面湿法腐蚀出斜槽，(b)背面干法刻蚀穿通孔并刻蚀出空腔，(c)热氧化形成绝缘层。

图5是采用由背面向上电镀铜的技术，在通孔的直孔部分填充满铜的流程图。(a)背面溅射一层电镀种子层TiW/Cu，(b)背面整片电镀铜，(c)由背面向上电镀铜，填充直孔部分。

图6是采用纯Sn焊料圆片键合技术将盖板和基板封接在一起流程图。(a)盖板背面形成焊点和焊环，(b)含可动部件的MEMS基板，(c)两圆片预对准后进行键合。

图7是在键合好的Si双层结构的上层硅盖板的腐蚀槽内通过焊球回流方式形成PbSn凸点的流程图，(a)制作UBM层，(b)布置焊球，回流成型。

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，下面结合附图对n＝5，m＝4的实施例加以阐明，以进一步表明本发明实质性特点和显著的进步。

在图1中，在盖板硅片101的正面存在5×5的单元阵列分布，每个单元内有4个斜槽103，斜槽103是由湿法腐蚀形成的。

在图2中，在盖板硅片101的背面是与盖板正面相对应的5×5的单元阵列分布，每个单元中间是干法刻蚀形成的空腔105，空腔的周围分布着四个金属焊点(pad)109，外围是金属密封环110。

图3是MEMS基板201，基板内是与盖板背面的单元阵列分布相对应5×5的单元阵列分布，每个单元内含有MEMS可动部件202，每个可动部件的周围有金属焊点203和每个单元的外围是金属密封环204。

图4是通孔刻蚀的示意图，采用湿法腐蚀和干法刻蚀相结合的办法实现。(a)首先以氧化硅层102作掩模在盖板硅片的正面进行KOH腐蚀，形成具有一定深度的斜槽103(图4-a)；(b)盖板背面也用氧化硅层102作掩模，在用干法刻蚀技术将通孔剩余部分刻穿、形成通孔直孔部分104的同时，盖板的背面也刻蚀出了空腔105，为容纳MEMS可动部件202做准备(图4-b)；(c)去除表面氧化层后，再以热氧化的方法在盖板表面形成一层致密的氧化层作为绝缘层106(图4-c)。

图5是孔内金属化的示意图，采用由背面向上电镀的方法在直孔部分104电镀上铜为通孔的电连接做准备。(a)盖板背面首先溅射电镀种子层TiW/Cu107，其中TiW为黏附层而Cu为种子层(图5-a)；(b)背面电镀一定厚度的铜108，将通孔的背面直孔104开口封住(图5-b)；(c)将盖板翻转后再以通孔内露出的铜作为种子层，由背面向上电镀，实现直孔104内金属化(图5-c)。

图6是圆片键合的示意图，通过纯Sn焊料键合实现。(a)首先以光刻后电镀的方法在盖板背面铜层相应的位置电镀Ni/Sn金属层(其中Ni是阻挡层，Sn是焊料)，然后将多余的铜108和种子层107腐蚀掉以形成焊点109和焊环110(图6-a)。(b)是含有MEMS可动部件202的基板201，基板上在与盖板相对应的位置也有焊点203和焊环204，两者的表面材料都是Ni(图6-b)(c)基板和盖板在光刻机上进行预对准后被放入键合机进行回流键合，回流时，键合机的真空度需在1.31×10^-3Pa以上，最高回流温度约为300℃，所加压强约为2.5×10³Pa，回流时间约为15min。在键合完成后，上下焊点(109，203)、焊环(110，204)中的Ni、Sn金属在界面处反应，生成了Ni₃Sn₄化合物，从而形成了生成新的反应产物的焊点301和生成新的反应产物的密封环302，实现了上下焊点的电连接和对腔体的密封(图6-c)

图7是凸点制备的示意图，通过焊球的布置和回流实现。(a)键合后，在盖板的正面溅射电镀种子层TiW/Cu，然后电镀一层8μm厚的铜层，接着使用喷胶机在在铜层上覆盖一层光刻胶，光刻后腐蚀掉斜槽103周围的铜层和种子层，去胶后就形成了8μm厚的焊球下金属层(UBM)111(图7-a)(b)Pb/Sn焊球被放置到UBM层111上，回流形成凸点112(图7-b)，回流温度约为215℃。

Claims (9)

1、微机电系统芯片尺寸气密封装垂直互连结构的制作方法，其特征在于首先利用湿法腐蚀和干法刻蚀相结合的方法在薄硅晶片盖板上刻蚀形成通孔，同时，在盖板背面形成了可容纳MEMS可动部件的腔体；然后采用由背面向上电镀的方法将通孔的直孔部分电镀铜；随后利用纯Sn焊料圆片键合工艺将带有通孔和腔体的盖板与带有MEMS器件的基板键合在一起，实现了盖板和基板间的密封和电互连；接着利用盖板表面焊球布置、回流技术实现盖板表面与基板间的电连接，并形成表面贴装结构；最后，划片切分成分立的气密封装的MEMS器件。

2、按权利要求1所述的微机电系统芯片尺寸气密封装垂直互连结构的制作方法，其特征在于具体工艺步骤为：

A.采用湿法腐蚀和干法刻蚀相结合的方法实现通孔刻蚀

(a)首先以氧化硅层作掩膜在盖板硅片的正面进行湿法刻蚀，形成斜槽；

(b)在盖板硅背面，也以氧化硅层作掩膜，用干法刻蚀的方法将通孔剩余部分刻穿，形成通孔直孔部分，与此同时盖板的背面也刻蚀出空腔，以容纳MEMS可动部件；

(c)在去除氧化层后，再以热氧化方法在盖板表面形成一层致密的氧化层。

B.采用由背面向上电镀的方法在直孔部分金属化

(a)盖板背面溅射一层种子层TiW/Cu，其中Ti/W作为黏附层，Cu为种子层；

(b)背面电镀一层铜，以封住通孔背面的开口；

(c)将盖板翻转后实现直孔内金属化。

C.圆片键合

(a)在步骤B完成的基础上，在盖板背面的铜层相应的位置电镀Ni/Sn金属层，然后腐蚀多余的铜和种子层，形成焊点焊环；

(b)将含MEMS可动部件的基板和盖板在光刻机上进行预对准后放入键合机进行回流键合，最高回流温度为300℃，压强约为2.5×10³pa，时间约为15min，键合后焊点和焊环处生成Ni₃Sn₄化合物；

D.通过焊球的布置和回流实现凸点制作

(a)在步骤C完成后，盖板正面溅射种子层TiW/Cu，然后电镀铜层，然后用喷胶机在铜层上覆盖光刻胶，光刻后腐蚀掉步骤A中(a)形成的斜槽周围的铜层和种子层，去胶后形成焊球下金属层，UBM层；

(b)将焊球放在UBM层上，回流形成凸点。

3、按权利要求2所述的微机电系统芯片尺寸气密封装垂直互连结构的制作方法，其特征在于在步骤C中键合时的真空度在1.31×10^-3pa以上。

4、按权利要求2所述的微机电系统芯片尺寸气密封装垂直互连结构的制作方法，其特征在于在步骤D中电镀铜层厚度为8μm。

5、按权利要求2所述的微机电系统芯片尺寸气密封装垂直互连结构的制作方法，其特征在于在步骤D中放置到UBM层上的焊球为Pb/sn焊接，回流形成凸点。

6、按权利要求2或5所述的微机电系统芯片尺寸气密封装垂直互连结构的制作方法，其特征在于所述形成凸点的回流温度为215℃。

7、由权利要求1-5中任意一项权利要求所制作的微机电系统芯片尺寸气密封装垂直互连结构特征是：

(1)在盖板硅片的正面形成n×n的单元阵列分布，每个单元内有m个斜槽；n，m为大于或等于1的整正数；

(2)在盖板硅片的背面形成n×n的单元阵列分布，每个单元形成通孔直孔，且在中间形成空腔，空腔的周围分布m个金属焊点，外围是金属出封环；n，m为大于或等于1的整正数；

(3)MEMS基板内n×n的单元阵列分布与盖板背面的单元阵列分布相对应，每单元内含有MEMS可动部件，每个单元MEMS可动部件的四周围有焊点，且外围是金属出封环；

(4)盖板硅片的背面的空腔，容纳MEMS可动部件；

(5)通过圆片键合实现气出封装垂直互连。

8、按权利要求7所述的微机电系统芯片尺寸气密封装垂直互连结构，其特征在于所述盖板硅片正面或背面，MEMS基板内的单元阵列分布中的n为4-6整正数。

9、按权利要求7所述的微机电系统芯片尺寸气密封装垂直互连结构，其特征在于所述的m为4-15的整正数。

Images