专利名称：一种mems器件及其圆片级真空封装方法
技术领域：
本发明属于微电子机械技术领域，涉及一种MEMS器件以及MEMS器件圆片级真空 封装方法。
背景技术：
MEMS (Micro Electro Mechanical systems 的缩写，S卩微电子机械系统)器件通 常包含一些可动部分，这些可动部件很脆弱，容易受到划片和装配过程中的灰尘、水汽等因 素的影响，造成器件毁坏或整体性能的下降，同时还有很多MEMS器件需要工作在真空环境 中，降低空气阻尼，提高器件的品质因数Q值。如MEMS加速度计，微陀螺仪、微谐振器、薄膜 压力传感器、射频MEMS元件，真空场发射器以及一些光学MEMS器件等。真空封装的质量直 接决定了这类器件的性能，因而其变得尤为重要。MEMS器件圆片级的真空封装是指以硅圆片为单位进行封装操作，芯片与封装之间 的连接等所有封装工序，全部都在硅圆片为单位进行操作，与单芯片相比，大大节省了封装 的成本。在MEMS圆片级真空封装中，主要是采用阳极键合、硅-硅键合、金-硅键合、中间 黏合剂键合(SU-8胶、BCB胶、玻璃浆料等)等圆片键合技术。将硅片上已经加工好的芯片 的密封于相应的真空腔体内，使芯片工作于真空状态，不受外界的影响。同时还可以保护芯 片不受后道工序(如划片等)造成的不利影响。MEMS封装的特殊性大大增加了 MEMS封装的难度和成本，MEMS封装成本占整个 MEMS成本的50% 90%，封装技术成为MEMS发展的瓶颈。解决MEMS封装问题一直是MEMS 技术领域的研究重点。MEMS器件圆片级真空封装技术，主要有针对表面工艺制作的MEMS器件，常采用 硅-玻璃或硅-硅实现的圆片级真空封装研究的较多。另外采用对玻璃-硅键合体硅工艺 进行MEMS器件的圆片级真空封装，它主要有采用在衬底玻璃背面打引线通孔的封装结构 方法，但该工艺复杂、成本高、真空保持时间短。在通常情况下器件的金属压焊点要分布在 器件表面上。如以下专利申请提供的封装方法1、专利号200510102941. 7，专利名称晶圆级真空封装方法。电极在基板上，在 盖板上挖贯穿孔，在真空环境下在封盖上均勻涂布一层封装材料，使封装材料填满各贯穿 孔，以供封闭各贯穿孔，使各空间内的微结构元件位于一真空状态，再将封装材料熟化，再 经切割而完成一颗一颗单颗的封装晶粒。2、专利号200710121384. 2，专利名称一种微电子机械系统圆片级真空封装及 倒装焊方法。主要应用于表面工艺加工的MEMS器件，采用玻璃片盖帽进行封装，不用考虑 电极的引出及电极间电隔离与密封问题。3、专利号200910306690. 2，专利名称微机电系统圆片级真空封装导线互连结
构及其制造方法。硅基板上开通孔，通孔和硅基板表面具有绝缘层，金属电极穿过通孔并将 其封闭，金属电极和绝缘层之间具有中间层，盖板与硅基板键合完成真空封装。
发明内容
本发明的目的就是克服现有的从衬底玻璃背面开引线孔的封装结构方法存在的 缺点，提供的一种MEMS器件结构以及MEMS器件圆片级真空封装方法。为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案一种MEMS器件，由玻璃基片、带有密封环结构的硅片敏感结构层和硅帽组成，其 特征在于硅片敏感结构层中根据所设计的压焊点数量及位置设有至少两个硅岛，每个硅 岛与敏感结构层其它部件相互孤立并绝缘，每个硅岛的下面分别与玻璃基片以及设置在玻 璃基片上的一条电极引线连接，每个硅岛上面分别设有压焊点；硅帽上与每个硅岛对应位 置分别设有三个压焊点空腔，压焊点空腔外围设有压焊点密封环与硅岛上面连接配合，压 焊点密封环外围设有压焊点隔离槽，使压焊点处于压焊点空腔内。一种MEMS器件圆片级真空封装方法，其特征在于包括如下步骤(1)硅片敏感结构层锚点制作利用光刻工艺、ICP刻硅工艺，在硅片敏感结构层 上制作出硅岛、密封环及锚点，并形成相应的浅槽；(2)玻璃基片上制作电极引线在玻璃基片上溅射金属铝，利用光刻工艺光刻金 属引线，腐蚀多余的金属后形成电极引线；(3)硅-玻静电键合硅片敏感结构层及玻璃基片经过等离子处理、双面光刻对 准，采用硅-玻静电键合工艺，完成硅片敏感结构层与玻璃基片的连接；(4)在硅片敏感结构层上面制作金属电极压焊点在硅片敏感结构层上面溅射 金属铝，经光刻、刻铝后形成金属电极压焊点；(5)结构释放采用光刻工艺、ICP深槽刻蚀工艺，将硅片敏感结构层的硅岛部分 的浅槽刻通，以及将硅片敏感结构释放出来，形成可动敏感结构部件；(6)硅帽的制作对硅片进行高温热氧化、LTO氧化形成氧化层，在该氧化层上沉 积一层金，采用光刻工艺、刻蚀金、刻氧化层、ICP刻蚀硅，形成与硅片敏感结构层的浅槽 相对应的压焊点隔离槽、压焊点密封环和压焊点空腔；以及与敏感器件对应的敏感器件空 腔；(7)硅帽与硅片敏感结构层金-硅共晶键合将硅帽与硅片敏感结构层双面光刻 对准，采用真空金-硅共晶键合工艺，完成上硅帽与硅片敏感结构层的封装；(8)刻蚀露出压焊点采用光刻工艺，双面对准光刻、ICP深槽刻蚀硅，在硅帽中刻 蚀出金属压焊点空腔。本发明是通过硅岛、密封环及盖硅帽的结构设计与制造，解决体硅MEMS工艺制造 的MEMS器件圆片级真空封装时，电极从玻璃衬底上引出到器件结构表层或硅帽盖板上的 难题，实现了电极间的电隔离和MEMS器件圆片级高真空封装。该技术工艺简单，容易实现， 在体硅工艺的基础上不需添加任何工艺步骤，减少了封装成本，性能可靠，满足MEMS器件 真空封装应用要求。本发明的技术关键在于圆片级真空封装的结构设计，主要包括硅岛的结构设计、 密封环的结构设计和硅帽的结构设计。通过这些有效的结构设计，实现了电极的再分布、电 气隔离和圆片级真空封装。本发明的优点在于避免了已有技术中电极从衬底基板引入到器件结构层表面， 以及到最后盖帽真空封装时，对压焊点的密封结构设计与压焊点间的电隔离等技术问题。使得本发明真空封装结构设计合理、工艺简单、真空保持时间长、性能可靠、具有通用性，降 低了真空封装成本。
四
本发明共有幅5附图。图1为MEMS器件圆片级封装结构剖面示意图；图2为硅片敏感结构层中硅岛与密封环结构示意图；图3为硅片敏感结构层与玻璃基片硅-玻键合后的平面结构示意图；图4为硅帽结构示意图；图5-1——图5-9为MEMS器件圆片级封装结构制作及封装过程工艺流程剖面示意 图。
具体实施例方式一、MEMS器件的结构参见附图1，本发明提供的一种MEMS器件，在一片硅圆片上，制作出一组MEMS器 件，每个MEMS器件由玻璃基片1、带有密封环2的硅片敏感结构层和硅帽9组成。硅片敏感结构层中设有三个硅岛11 (硅岛根据压焊点数量及位置对应设置，本实 施例设计为三个硅岛)，每个硅岛11与敏感结构层其它部件相互孤立并绝缘，每个硅岛11 的下面分别与玻璃基片1以及设置在玻璃基片上的一条电极引线8连接，每个硅岛11上面 分别设有压焊点6 ；硅帽上与每个硅岛对应位置分别设有一个压焊点空腔7，压焊点空腔外 围设有压焊点密封环12与硅岛上面连接配合，压焊点密封环外围设有压焊点隔离槽5，使 压焊点6处于压焊点空腔7内。结合图1、图2所示，硅片敏感结构层外围是密封环2、密封环2内呈三角形分布设 置三个硅岛11，硅岛11与敏感结构层其它部件相互孤立并绝缘。密封环要包围住所有器件 结构部分，保证MEMS器件在内部空腔内。结合图1、图3所示，每个硅岛11的下面分别与玻璃基片1以及设置在玻璃基片上 的一条电极引线8连接。硅岛的作用是通过硅-玻键合技术，把玻璃基片上制作的电极引 线8引出到器件结构表面上，实现电气连接和电隔离。硅岛的结构与锚点在同一块光刻掩 膜版上。在器件结构层上，硅岛与内部敏感结构部分是断开的。结合图1、图4所示，硅帽9的结构设计硅帽上设计了两种空腔，一是容纳器件敏 感结构10部分的空腔9a，二是容纳器件结构层上的金属压焊点的空腔7，即金属压焊点分 布在硅岛上。在设计中，容纳器件结构层上的金属压焊点的空腔结构尺寸比金属压焊点大， 但要比硅岛尺寸小。同时在每个压焊点空腔外包围了一圈电隔离环12，隔离环12外围设有 一圈隔离槽5，实现压焊点之间的电隔离。二、MEMS器件及其圆片级封装方法一种MEMS器件圆片级封装方法，其特征在于包括如下步骤(1)、硅片敏感结构层锚点制作如图5-1所示，采用N(IOO)硅片及PyreX7740玻 璃及清洗处理，利用光刻工艺、ICP刻硅工艺，在硅片敏感结构层上制作出硅岛11、密封环 2、锚点13及密封环2，并形成相应的隔离槽5、空腔9a ；O)、玻璃基片上制作电极引线如图5-2所示，在玻璃基片1上溅射金属铝，利用光刻工艺光刻金属引线，腐蚀多余的金属后形成电极引线8 ；(3)、硅-玻静电键合如图5-3所示，硅片敏感结构层及玻璃基片1经过等离子处 理、双面光刻对准，采用硅-玻静电键合工艺，完成硅片敏感结构层与玻璃基片的连接；0)、在硅片敏感结构层上面制作金属电极压焊点如图5-4所示，在硅片敏感结 构层上面溅射金属铝，经光刻、刻铝后形成金属电极压焊点6 ；(5)、结构释放如图5-5所示，采用光刻工艺、ICP深槽刻蚀工艺，将硅片敏感结构 层的硅岛部分的隔离槽刻通形成完整的压焊点隔离槽5，以及将硅片敏感结构释放出来，形 成可动敏感结构部件10 ；(6)、硅帽的制作如图5-6所示，对制作硅帽9的硅片进行高温热氧化、LTO氧化形成氧化层4，在该 氧化层上沉积一层金3 ；如图5-7所示，采用光刻工艺、刻蚀金、刻氧化层、ICP刻蚀硅，形成与硅片敏感结 构层相对应的压焊点隔离槽5、压焊点密封环12和压焊点空腔7 ；以及与敏感器件对应的敏 感器件空腔9a ；(7)、硅帽与硅片敏感结构层金-硅共晶键合如图5-8所示，将硅帽9与硅片敏感 结构层双面光刻对准，采用真空金-硅共晶键合工艺，完成上硅帽与硅片敏感结构层的封 装；(8)刻蚀露出压焊点如图5-9所示，采用光刻工艺，双面对准光刻、ICP深槽刻蚀 硅，在硅帽9中刻蚀出金属压焊点空腔7。经过上述生产过程，实现MEMS器件的圆片级真空封装。上层为硅帽、中间层为器 件结构部分、下层为玻璃，其结构剖面示意图如图1所示。
权利要求
1.一种MEMS器件，由玻璃基片(1)、带有密封环O)的硅片敏感结构层和硅帽(9)组 成，其特征在于硅片敏感结构层中设有至少两个硅岛(11)，每个硅岛(11与敏感结构层其 它部件相互孤立并绝缘，每个硅岛(11)的下面分别与玻璃基片(1)以及设置在玻璃基片 上的一条电极引线(8)连接，每个硅岛(11)上面分别设有压焊点(6)；硅帽上与每个硅岛 对应位置分别设有一个压焊点空腔(7)，使压焊点(6)处于压焊点空腔(7)内，压焊点空腔外围设有压焊点密封环(1 与硅岛上面连接配合，压焊点密封环外围设有压焊点隔离槽 ⑶。
2.—种MEMS器件圆片级真空封装方法，其特征在于包括如下步骤(1)硅片敏感结构层锚点制作利用光刻工艺、ICP刻硅工艺，在硅片敏感结构层上制 作出硅岛(11)、密封环(2)及锚点(13)，并形成相应的敏感器件空腔(Sa)；(2)玻璃基片上制作电极引线(8)在玻璃基片上溅射金属铝，利用光刻工艺光刻金属 引线，腐蚀多余的金属后形成电极引线(8)；(3)硅-玻静电键合硅片敏感结构层及玻璃基片1经过等离子处理、双面光刻对准， 采用硅-玻静电键合工艺，完成硅片敏感结构层与玻璃基片的连接；(4)在硅片敏感结构层上面制作金属电极压焊点在硅片敏感结构层上面溅射金属 铝，经光刻、刻铝后形成金属电极压焊点(6)；(5)结构释放采用光刻工艺、ICP深槽刻蚀工艺，将硅片敏感结构层的硅岛部分的浅 槽刻通，以及将硅片敏感结构释放出来，形成可动敏感结构部件(10)；(6)硅帽的制作对硅片进行高温热氧化、LTO氧化形成氧化层0)，在该氧化层(4)上 沉积一层金(3)，采用光刻工艺、刻蚀金、刻氧化层、ICP刻蚀硅，形成与硅片敏感结构层的 浅槽相对应的压焊点隔离槽(5)、压焊点密封环(12)和压焊点空腔(7)，以及与敏感器件对 应的敏感器件空腔(9a)；(7)硅帽与硅片敏感结构层金-硅共晶键合将硅帽与硅片敏感结构层双面光刻对准， 采用真空金-硅共晶键合工艺，完成上硅帽与硅片敏感结构层的封装；(8)刻蚀露出压焊点采用光刻工艺，双面对准光刻、ICP深槽刻蚀硅，在硅帽中刻蚀出 金属压焊点空腔(7)。
全文摘要
一种MEMS器件及其圆片级真空封装方法，由玻璃基片(1)、带有密封环(2)的硅片敏感结构层和硅帽(9)组成，其特征在于硅片敏感结构层中设有至少两个硅岛(11)，每个硅岛(11)的下面与玻璃基片(1)以及电极引线(8)连接，每个硅岛(11)上面分别设有压焊点(6)；硅帽上与每个硅岛对应位置分别设有一个压焊点空腔(7)，使压焊点(6)处于压焊点空腔(7)内，压焊点空腔外围设有压焊点密封环(12)与硅岛上面连接配合，压焊点密封环外围设有压焊点隔离槽(5)。本发明的优点在于避免了电极从衬底基板引入到器件结构层表面，对压焊点的密封结构与压焊点间的电隔离技术问题。使得本发明真空封装结构设计合理、工艺简单、真空保持时间长、性能可靠、具有通用性，降低了真空封装成本。
文档编号B81C1/00GK102079502SQ20101057192
公开日2011年6月1日 申请日期2010年12月3日 优先权日2010年12月3日
发明者徐栋, 方澍, 郭群英, 陈博, 黄斌 申请人:华东光电集成器件研究所