一種mems器件的全硅化圓片級(jí)真空封裝方法及封裝器件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
:
[0001]本發(fā)明涉及一種微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)器件的封裝方法及封裝器件，特別是涉及一種MEMS器件的全硅化圓片級(jí)封裝方法及封裝器件。
【背景技術(shù)】
:
[0002]許多MEMS器件如MEMS陀螺儀、MEMS諧振器、MEMS加速度計(jì)等都需要工作在真空環(huán)境或者低氣壓氣密環(huán)境中，以獲得高品質(zhì)因子(Q值)、更大的檢測(cè)帶寬等。然而管殼級(jí)的真空封裝成本已經(jīng)遠(yuǎn)超MEMS器件本身的成本，不能滿足MEMS器件的低成本要求。MEMS圓片級(jí)封裝技術(shù)是一種低成本的MEMS封裝工藝技術(shù)，利用MEMS工藝中的圓片鍵合技術(shù)實(shí)現(xiàn)MEMS器件在工藝流片過(guò)程的真空封裝或低氣壓氣密封裝。鍵合技術(shù)通常包括硅-玻璃陽(yáng)極鍵合、金硅共晶鍵合、玻璃漿料鍵合、硅-硅鍵合等。用于圓片封裝的陽(yáng)極鍵合技術(shù)有制作玻璃蓋帽的工藝方案，如東南大學(xué)尚金堂等人公開(kāi)的專利200910262848.0、200910263297.X闡述了硅-玻璃鍵合，并結(jié)合高溫軟化玻璃形成圓片級(jí)玻璃蓋帽的制備方案，以及相關(guān)的圓片級(jí)封裝技術(shù)。然而該項(xiàng)技術(shù)較為復(fù)雜，成本較高。北京大學(xué)丁海濤等人(200710121384.2)，以及北京航天時(shí)代光電科技有限公司張廷凱等人(201010279475.0)分別公開(kāi)了基于玻璃通孔的圓片級(jí)真空封裝方案，實(shí)現(xiàn)了基于硅-玻璃鍵合的圓片級(jí)真空封裝。然而上述兩種技術(shù)方案，均需要在玻璃通孔位置制備能夠?qū)崿F(xiàn)氣密的電極引出端子。當(dāng)MEMS器件的電極較多時(shí)，如MEMS陀螺儀的電極往往達(dá)到8_10個(gè)，引出端子將占用大量的芯片面積，不利于MEMS器件縮小體積、降低成本。
[0003]全硅MEMS工藝是基于全硅鍵合技術(shù)的新型工藝技術(shù)。和陽(yáng)極鍵合相比全硅鍵合技術(shù)顯著降低了 MEMS器件由于材料熱失配導(dǎo)致的溫度漂移，提高了 MEMS器件的穩(wěn)定性?；谌桄I合的MEMS圓片級(jí)封裝技術(shù)既能夠提高M(jìn)EMS器件的性能，又能夠兼顧MEMS器件的低成本要求。中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所徐永青等人公開(kāi)了一種全硅MEMS圓片級(jí)真空封裝技術(shù)200910227989.9。該技術(shù)方案在硅蓋板上制作V型通孔，在和MEMS結(jié)構(gòu)片之間通過(guò)金硅共晶鍵合實(shí)現(xiàn)機(jī)械連接，蓋板V型通孔中間為下層硅結(jié)構(gòu)的電信號(hào)引出電極。為了保證氣密性，在V型通孔和電極之間制作了密封金屬環(huán)，在金硅鍵合工藝過(guò)程密封金屬環(huán)和下層硅形成共晶焊料，對(duì)MEMS器件的腔體實(shí)現(xiàn)了密封封裝。然而，該項(xiàng)技術(shù)和上述兩項(xiàng)硅玻璃圓片級(jí)封裝技術(shù)一樣，在電極引出和氣密性上作出了需要者制備環(huán)繞壓焊電極四周的密封較大的芯片面積犧牲，增加了 MEMS器件的總成本。
[0004]硅通孔(TSV)技術(shù)是另外一種MEMS器件圓片級(jí)真空\(chéng)氣密封裝的解決方案。TSV技術(shù)通過(guò)在硅蓋板上制備硅通孔、通孔絕緣化、通孔金屬化等一系列工序制備通過(guò)真空封裝硅蓋板的金屬電連接線。基于TSV技術(shù)的圓片級(jí)真空封裝技術(shù)具有體積小、全硅化的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，但是該技術(shù)難度大、加工成本高、依賴昂貴的加工設(shè)備及工藝，如通過(guò)ICP刻蝕制備穿通硅片的通孔、以及采用原子層淀積(ALD)制備電鍍種子層等。此外，TSV類型的全硅圓片封裝技術(shù)中采用穿通硅片的環(huán)狀絕緣子，具有較大的展開(kāi)面積，會(huì)在電極間引入較大的寄生電容，從而降低了 MEMS器件的性能，增加了接口電路的負(fù)載。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種成本低、方法簡(jiǎn)單的MEMS器件全硅化圓片級(jí)真空封裝方法，有效的避免了全硅圓片封裝工藝中常見(jiàn)的引入較大寄生電容的問(wèn)題，在電極引出和實(shí)現(xiàn)氣密性時(shí)能夠節(jié)省所占用的芯片面積，提高了器件的加工成品率和長(zhǎng)期使用的可靠性。
[0006]—種MEMS器件的全硅化圓片級(jí)真空封裝方法，包括如下步驟:
[0007]制備硅蓋板；所述硅蓋板包括硅襯底、硅引線、絕緣介質(zhì)層、焊點(diǎn)接觸電極、壓焊電極和真空封裝焊料環(huán)，絕緣介質(zhì)層位于硅襯底上方，硅引線位于絕緣介質(zhì)層內(nèi)部，焊點(diǎn)接觸電極通過(guò)接觸焊點(diǎn)通孔與硅引線接觸，壓焊電極通過(guò)壓焊電極通孔與硅引線接觸，真空封裝焊料環(huán)位于焊點(diǎn)接觸電極外側(cè)；制備MEMS器件；所述MEMS器件包括器件襯底、MEMS器件結(jié)構(gòu)、硅錨點(diǎn)、硅密封環(huán)以及S1絕緣子；將硅蓋板和MEMS器件在真空壓力鍵合機(jī)中進(jìn)行共晶鍵合完成全硅化圓片級(jí)真空封裝，所述真空封裝焊料環(huán)和硅密封環(huán)發(fā)生共晶反應(yīng)，從而將硅蓋板和MEMS器件粘接在一起，形成真空密封腔體，所述MEMS器件結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)密封在所述真空密封腔體中；所述焊點(diǎn)接觸電極和硅錨點(diǎn)發(fā)生共晶反應(yīng)，形成機(jī)械和電學(xué)連接；MEMS器件結(jié)構(gòu)上的電信號(hào)傳輸?shù)较鄳?yīng)的硅錨點(diǎn)上，再轉(zhuǎn)移到焊點(diǎn)接觸電極上并通過(guò)硅引線和壓焊電極完成電信號(hào)引出，壓焊電極位于MEMS器件外部。制備硅蓋板的方法如下:形成硅蓋板的加工基片，硅蓋板的加工基片依次包括硅結(jié)構(gòu)層、氧化層和硅襯底；依次通過(guò)光刻工藝以及硅刻蝕工藝將硅結(jié)構(gòu)層進(jìn)行圖形化形成硅引線，從而獲得硅蓋板基片；在所述硅蓋板基片表面通過(guò)化學(xué)氣相淀積生長(zhǎng)絕緣層，絕緣層保形的覆蓋在氧化層上方以及硅引線的上方和側(cè)壁，從而將硅引線完全包裹在絕緣介質(zhì)內(nèi)；將生長(zhǎng)了絕緣層的硅蓋板基片在氮?dú)猸h(huán)境下進(jìn)行高溫退火，使得絕緣層致密化同時(shí)氧化層和絕緣層之間的邊界在互擴(kuò)散的作用下消失，通過(guò)化學(xué)機(jī)械拋光工藝對(duì)絕緣層表面進(jìn)行平坦化處理，最終形成絕緣介質(zhì)層；通過(guò)光刻及后續(xù)的刻蝕或腐蝕工藝在絕緣介質(zhì)層上制作接觸焊點(diǎn)通孔和壓焊電極通孔；通過(guò)磁控濺射或者電子束蒸發(fā)的方法在形成了接觸焊點(diǎn)通孔和壓焊電極通孔的硅蓋板基片上生長(zhǎng)復(fù)合金屬層；然后進(jìn)行復(fù)合金屬層圖形化后分別形成焊點(diǎn)接觸電極、壓焊電極和真空封裝焊料環(huán)，最終制備完成娃蓋板。娃蓋板的加工基片為單晶娃圓片，娃蓋板的娃襯底為單晶娃材料，硅引線為單晶硅材料。
[0008]所述復(fù)合金屬材料依次由T1、Pt、Au組成。
[0009]所述復(fù)合金屬材料依次由Cr、Au組成。
[0010]所述絕緣層是Si02、Si3N4或者Si02和Si3N4的復(fù)合絕緣層。
[0011]所述高溫退火溫度為1000-1400°C。
[0012]所述共晶鍵合壓力范圍控制在1000牛頓-8000牛頓之間，共晶鍵合溫度控制在360°C -400°C之間。
[0013]MEMS器件是陀螺儀、加速度計(jì)、諧振器、濾波器、射頻開(kāi)關(guān)、壓力計(jì)或者紅外焦平面器件。
[0014]—種MEMS全硅真空封裝器件，包括硅蓋板和MEMS器件，所述MEMS器件包括器件襯底、MEMS器件結(jié)構(gòu)、硅錨點(diǎn)、硅密封環(huán)以及Si02絕緣子；MEMS器件結(jié)構(gòu)、硅錨點(diǎn)、硅密封環(huán)的上表面位于同一平面上，Si02絕緣子將器件襯底與硅錨點(diǎn)、硅密封環(huán)隔離開(kāi)；硅錨點(diǎn)位于硅密封環(huán)內(nèi)，MEMS器件結(jié)構(gòu)位于硅錨點(diǎn)內(nèi)側(cè)；其特征在于，所述硅蓋板包括硅襯底、硅引線、絕緣介質(zhì)層、焊點(diǎn)接觸電極、壓焊電極和真空封裝焊料環(huán)，絕緣介質(zhì)層位于硅襯底上方，硅引線嵌在絕緣介質(zhì)層內(nèi)部，焊點(diǎn)接觸電極通過(guò)接觸焊點(diǎn)通孔與硅引線接觸，壓焊電極通過(guò)壓焊電極通孔與硅引線接觸，真空封裝焊料環(huán)位于焊點(diǎn)接觸電極外側(cè)；真空封裝焊料環(huán)容納在硅密封環(huán)的凹槽內(nèi)，并與硅密封環(huán)固定連接，從而形成真空密封腔體，使得所述MEMS器件結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)密封在所述真空密封腔體中；焊點(diǎn)接觸電極容納在硅錨點(diǎn)的凹槽內(nèi)，并與硅錨點(diǎn)固定連接，從而形成機(jī)械和電學(xué)連接；MEMS器件結(jié)構(gòu)上的電信號(hào)傳輸?shù)较鄳?yīng)的硅錨點(diǎn)上，再轉(zhuǎn)移到焊點(diǎn)接觸電極上并通過(guò)硅引線和壓焊電極完成電信號(hào)