一种mems陀螺仪芯片双面阳极键合工艺的制作方法
【专利摘要】本发明提出这样一种阳极键合工艺方法：将MEMS陀螺仪器件层沉积到临时高分子衬底上，完成金属电极沉积和MEMS结构刻蚀之后，将临时高分子衬底用化学机械抛光的方法去除。去除之后，将玻璃基体和玻璃盖帽分别紧贴MEMS结构的的两侧，加电加热后一次完成双面阳极键合。这种工艺方法与传统的两次阳极键合分两步进行相比，更加节省成本，而且避免了第二次阳极键合对第一次阳极键合强度削弱这个固有缺点，使得产品可靠性提高。
【专利说明】—种MEMS陀螺仪芯片双面阳极键合工艺
【技术领域】
[0001]本发明属于MEMS(Micro Electrical Mechanical System)封装【技术领域】,具体涉及基于阳极键合进行MEMS陀螺仪芯片的气密性封装工艺。
【背景技术】
[0002]随着MEMS技术的发展，封装已成为阻碍MEMS商业化的主要技术瓶颈。MEMS陀螺仪设计、加工完成之后，要进行气密性封装。MEMS陀螺仪对质量因子(Q值)要求较高，要求在真空氛围下进行气密性封装，而且要求气密性能够长时间保持，这对封装提出了挑战。
[0003]常用的MEMS器件真空气密性封装方法有阳极键合、硅-硅直接键合和共晶键合。阳极键合一般只限于硅-玻璃键合，键合温度为300°C?400°C，偏压为500V?1000V。MEMS陀螺仪常用的加工工艺是S0G(Silicon on Glass)，封装中采用传统的两次阳极键合简要过程如图1。图1(a)将玻璃和硅阳极键合(第一次阳极键合)然后对硅减薄至器件层所要求的厚度。如图1(b)加工出所需的MEMS结构，然后如图1(c)进行第二次阳极键合。第二次阳极键合要加一个与第一次阳极键合反向的电压，导致第一次阳极键合的键合层受损甚至破坏，而且第二次阳极键合界面的抗拉强度也会低于正常值，所以采用两次阳极键合进行陀螺仪的封装工艺本身存在不可克服的缺陷。
[0004]硅-硅直接键合是将两块表面光滑的硅片经过一定处理后在一定温度和压力下键合起来。硅-硅直接键合由于键合温度较高(一般高于800°C )，又称硅熔融键合。其一般要求待键合硅片表面粗糙度低于10nm，平行度小于3um，表面翘曲低于25um。由于键合要求较高的表面粗糙度(低于IOnm)和退火温度(800°C以上)，这不利于降低封装成本，而且高温对微结构造成大的残余应力。
[0005]所谓共晶，就是两种(或多种)金属不以原子的形式互相固溶，而以晶粒形式互相结合构成的机械混合物状态。共晶体存在一个三相共存的最低熔点，称为共晶点。在共晶点时能形成共晶的两种金属相互接触，经过互扩散后便可在其间形成具有共晶成份的液相合金，冷却后液相层不断交替析出两种金属，每种金属又以自己的原始固相为基础长大、结晶析出，因此两种金属之间的共晶能将两种金属紧密地结合在一起。常见的共晶键合有金硅键合、金锡键合。
[0006]—般金娃键合过程为:先在娃衬底上沉积铬(或钛)，然后沉积一层金膜，最后将用HF清洗的硅帽层置于镀金的硅衬底上，施加一定的压力，并将温度升高到略高于金硅共晶点(363°C)的某一温度(一般在430°C左右)，金/硅间相互扩散，在界面形成共晶化合物。当温度保持一段时间后，形成更多的共晶合金，直到硅或金消耗完为止，冷却后就形成了共晶键合层。金硅键合的温度为430°C，远低于硅-硅直接键合温度(一般高于800°C)，键合强度高，对表面粗糙度不很敏感，与铝互联线兼容性好，这对于提高MEMS陀螺仪封装成品率和可靠性、降低成本有很大作用。
[0007]本发明中，临时高分子衬底是由环氧树脂E44和塞克-桐油酸酐(固化剂，呈液态)的混合溶液加热固化后形成的。混合溶液的环氧树脂E44的浓度是40%到60%之间。
【发明内容】
[0008]本发明提出一种MEMS陀螺仪芯片双面阳极键合工艺，目的在于简化工艺流程，提高MEMS陀螺仪芯片的成品率。
[0009]本发明提供的一种MEMS陀螺仪芯片双面阳极键合工艺，其步骤包括:
[0010]第I步在高分子衬底上沉积器件层硅；
[0011]第2步在器件层硅上进行光刻，并制作金属电极；
[0012]第3步在器件层硅上再次光刻，然后深刻蚀，直到器件层硅刻蚀穿，得到陀螺仪的微结构；
[0013]第4步去掉高分子衬底，剩下的仅为带有金属电极的器件层硅；
[0014]第5步玻璃基板一侧刻蚀有凹槽，玻璃盖帽上分别从两侧刻蚀凹槽和通孔，玻璃基板和玻璃盖帽加工有凹槽的一侧分别紧贴器件层硅的两侧，然后两面阳极键合；
[0015]第6步在玻璃盖帽的通孔中溅射或者蒸发金属引线材料，形成金属引线。
[0016]作为上述技术方案的改进，所述玻璃基板和玻璃盖帽均优选铝硅酸盐玻璃材料；所述高分子衬底优选环氧树脂E44和塞克-桐油酸酐(固化剂，呈液态)的40%?60%配比溶液固化后的产物。
[0017]作为上述技术方案的进一步改进，第5步中，两面阳极键合的加电方式为:器件层硅接电源正极，玻璃基板和玻璃盖帽同时加载电源负极，键合温度为300°C?400°C，电压500V?1000V，同时加载压力使得玻璃与器件层硅之间紧密接触。
[0018]本发明的工艺流程基于阳极键合，但与传统阳极键合不同之处在于，本工艺流程中双面阳极键合是在一步工艺中完成的，避免了传统两次阳极键合的固有缺陷。如前所述，两次阳极键合有如下缺陷:第二次阳极键合会导致第一次阳极键合的键合层受损甚至破坏，而且第二次阳极键合界面的抗拉强度也会低于正常值。
[0019]具体而言，本发明与现有技术相比具有以下优点:
[0020]I)传统的两次阳极键合被双面阳极键合代替，而双面阳极键合采用临时高分子衬底，键合过程是在一步工序中完成的，简化了工艺流程，提高MEMS陀螺仪芯片的成品率；
[0021]2)采用了传统的阳极键合，芯片表面粗糙度要求不高，键合温度低(300°C?4000C，远低于硅-硅直接键合，与金-硅共晶键合温度相当)；
[0022]3)由于器件层两侧都是玻璃，是一种对称封装，封装后翘曲小，提高芯片工作可靠性。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1是传统双面阳极键合的简化工艺过程和加电方式。
[0024]图2是采用临时高分子衬底进行MEMS陀螺仪芯片双面阳极键合的工艺流程简图；
[0025]图3是本发明中双面阳极键合时的加电方式；
[0026]图中代号说明:1:高分子衬底，2:器件层硅，3:金属电极(先沉积Cr，接下来沉积Au，形成金属电极)，4:玻璃基板，5:玻璃盖帽，6:铝引线。【具体实施方式】
[0027]传统MEMS封装中的两次阳极键合工艺是这样的(参考图1):两次阳极键合分两步进行。先用玻璃与硅进行阳极键合，在硅上面加工出器件层之后，再在器件的另外一侧进行第二次阳极键合。如前所述，两次阳极键合分两步进行有如下缺点:第二次阳极键合要加载一个与第一次阳极键合反向的电压，导致第一次阳极键合的键合层受损甚至破坏(无论是受损还是破坏，第一次阳极键合的抗拉强度都会下降)，而且第二次阳极键合界面的抗拉强度也会低于第一次阳极键合的抗拉强度。
[0028]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0029]实例1:
[0030]第I步:如图2 (a)所示，在高分子衬底I上沉积器件层硅2。
[0031]高分子衬底I制备过程为:将环氧树脂E44和塞克-桐油酸酐(固化剂，呈液态)配成40%的溶液，然后加热固化，形成高分子衬底I ;
[0032]第2步:如图2 (b)，在器件层硅2上进行光刻，并先后沉积Cr和Au，沉积完成之后剥离不需要的部分，得到金属电极3 ;
[0033]第3步:如图2(c)，在器件层硅2上再次光刻，然后深刻蚀，直到器件层硅2刻蚀穿，得到陀螺仪的微结构；
[0034]第4步:如图2(d)，用化学机械抛光的方法去掉高分子衬底1，剩下的仅为带有金属电极3的器件层娃2。
[0035]第5步:如图2 (e)，玻璃基板4和玻璃盖帽5分别处于器件层硅2的两侧，然后两面阳极键合。玻璃基板4 一侧刻蚀有凹槽，玻璃盖帽5上分别从两侧刻蚀有凹槽和通孔。玻璃基板4和玻璃盖帽5加工有凹槽的一侧分别紧贴器件层硅2的两侧。
[0036]玻璃基板4和玻璃盖帽5均采用康宁公司的PYREX7740玻璃。
[0037]两面阳极键合的加电方式如图(2)所示。器件层硅2接电源正极，玻璃基板4和玻璃盖帽5同时加载电源负极，键合温度350°C，电压800V，同时要加载压力使得玻璃与硅片之间紧密接触。
[0038]第6步:如图2(f)，在玻璃盖帽5的通孔中溅射(或者蒸发)金属铝，形成铝引线6。
[0039]实例2:
[0040]第I步:如图2 (a)所示，在高分子衬底I上沉积器件层硅2。
[0041]高分子衬底I制备过程为:将环氧树脂E44和塞克-桐油酸酐(固化剂，呈液态)配成50%的溶液，然后加热固化，形成高分子衬底I ;
[0042]第2步:如图2 (b)，在器件层硅2上进行光刻，并先后沉积Cr和Au，沉积完成之后剥离不需要的部分，得到金属电极3 ;
[0043]第3步:如图2(c)，在器件层硅2上再次光刻，然后深刻蚀，直到器件层硅2刻蚀穿，得到陀螺仪的微结构；
[0044]第4步:如图2(d)，用化学机械抛光的方法去掉高分子衬底1，剩下的仅为带有金属电极3的器件层娃2。[0045]第5步:如图2 (e)，玻璃基板4和玻璃盖帽5分别处于器件层硅2的两侧，然后两面阳极键合。玻璃基板4 一侧刻蚀有凹槽，玻璃盖帽5上分别从两侧刻蚀有凹槽和通孔。玻璃基板4和玻璃盖帽5加工有凹槽的一侧分别紧贴器件层硅2的两侧。
[0046]玻璃基板4和玻璃盖帽5均采用康宁公司的PYREX7740玻璃。
[0047]两面阳极键合的加电方式如图(2)所示。器件层硅2接电源正极，玻璃基板4和玻璃盖帽5同时加载电源负极，键合温度300°C，电压1000V，同时要加载压力使得玻璃与硅片之间紧密接触。
[0048]第6步:如图2(f)，在玻璃盖帽5的通孔中溅射(或者蒸发)金属铝，形成铝引线6。
[0049]实例3:
[0050]第I步:如图2 (a)所示，在高分子衬底I上沉积器件层硅2。
[0051]高分子衬底I制备过程为:将环氧树脂E44和塞克-桐油酸酐(固化剂，呈液态)配成60%的溶液，然后加热固化，形成高分子衬底I ;
[0052]第2步:如图2 (b)，在器件层硅2上进行光刻，并先后沉积Cr和Au，沉积完成之后剥离不需要的部分，得到金属电极3 ;
[0053]第3步:如图2(c)，在器件层硅2上再次光刻，然后深刻蚀，直到器件层硅2刻蚀穿，得到陀螺仪的微结构；
[0054]第4步:如图2(d)，用化学机械抛光的方法去掉高分子衬底1，剩下的仅为带有金属电极3的器件层娃2。
[0055]第5步:如图2 (e)，玻璃基板4和玻璃盖帽5分别处于器件层硅2的两侧，然后两面阳极键合。玻璃基板4 一侧刻蚀有凹槽，玻璃盖帽5上分别从两侧刻蚀有凹槽和通孔。玻璃基板4和玻璃盖帽5加工有凹槽的一侧分别紧贴器件层硅2的两侧。
[0056]玻璃基板4和玻璃盖帽5均采用康宁公司的PYREX7740玻璃。
[0057]两面阳极键合的加电方式如图(2)所示。器件层硅2接电源正极，玻璃基板4和玻璃盖帽5同时加载电源负极，键合温度400°C，电压600V，同时要加载压力使得玻璃与硅片之间紧密接触。
[0058]第6步:如图2(f)，在玻璃盖帽5的通孔中溅射(或者蒸发)金属铝，形成铝引线6。
[0059]本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种MEMS陀螺仪芯片双面阳极键合工艺，其步骤包括: 第I步在高分子衬底上沉积器件层硅； 第2步在器件层硅上进行光刻，并制作金属电极； 第3步在器件层硅上再次光刻，然后深刻蚀，直到器件层硅刻蚀穿，得到陀螺仪的微结构； 第4步去掉高分子衬底，剩下的仅为带有金属电极的器件层硅； 第5步玻璃基板一侧刻蚀有凹槽，玻璃盖帽上分别从两侧刻蚀凹槽和通孔，玻璃基板和玻璃盖帽加工有凹槽的一侧分别紧贴器件层硅的两侧，然后两面阳极键合； 第6步在玻璃盖帽的通孔中溅射或者蒸发金属引线材料，形成金属引线。
2.根据权利要求1所述的MEMS陀螺仪芯片双面阳极键合工艺，其特征在于，所述玻璃基板和玻璃盖帽均采用铝硅酸盐玻璃材料。
3.根据权利要求1所述的MEMS陀螺仪芯片双面阳极键合工艺，其特征在于，所述高分子衬底为环氧树脂E44和塞克-桐油酸酐(固化剂，呈液态)的40 %~60%配比溶液固化后的产物。
4.根据权利要求1所述的MEMS陀螺仪芯片双面阳极键合工艺，其特征在于，第5步中，两面阳极键合的加电方式为:器件 层硅接电源正极，玻璃基板和玻璃盖帽同时加载电源负极，键合温度为300°C~400°C，电压500V~1000V，同时加载压力使得玻璃与器件层硅之间紧密接触。
【文档编号】B81C3/00GK103508414SQ201310419006
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2013年9月13日 优先权日:2013年9月13日
【发明者】刘胜, 汪学方, 方靖, 付兴铭 申请人:华中科技大学, 无锡惠思顿科技有限公司