一种圆片级真空封装结构及其制作方法与流程

本发明涉及mems（微电子机械系统）与圆片级封装技术领域。

背景技术：

mems产品器件除了具有一定的电子性能特征外，更具有机械结构部件特征，其工作原理经常涉及到机械部件的运动，因此对于mems产品器件，封装技术是非常重要的。一方面封装可使产品避免受到灰尘、潮气等影响，另一方面，通过封装，在封装内部形成真空或一定气压的空气，对减小和控制可动结构的气体运动阻尼，是保证器件性能的必需工艺。对绝对压力传感器等器件，其内部也必须是真空状态，以准确测量外部的气压。目前多种多样的mems器件，以及部分微电子、光电子器件，都需要真空封装。器件的封装成本最多已经占到了产品总成本的95％，目前滞后的封装技术与高昂的封装成本严重制约了mems器件的产业化发展，优化加工技术方法、降低封装成本与真空封装技术是本发明的主要目的，对实现器件的真空或气密封装有重要意义。

圆片级封装技术是一种低成本和批量化的技术解决途径，圆片级封装是采用圆片键合技术，将mems器件封装在腔体内部的技术方法，因此具有批量的优点。多数情况下，圆片级封装形成的器件，可以直接应用，不需要每个器件再单独进行封装。

圆片级封装技术，利用一个制备有空腔的圆片，和另一个制备有器件的圆片，通过圆片键合技术结合在一起，同时完成了对圆片上所有器件的封装。然后可以通过切割等工艺，将圆片上的器件分割成一个个独立的器件。实现圆片键合的工艺技术，有很多种，包括阳极键合（硅-玻璃键合）、硅熔融键合、glassfrit键合、共晶键合、聚合物键合等；其中有些是圆片直接键合在一起，有些圆片键合工艺，需要在圆片表面待建合的区域制备金属或非金属薄膜，用来完成圆片键合。

圆片键合技术来实现器件的真空气密封装时，通常包含三个主要步骤。一是将需要键合的圆片，进行精密的对位操作，对位精度通常可达到几个微米或更小；二是将对位好的两个圆片放入键合设备内，键合设备的工作腔室抽真空，此时圆片处于真空环境下，彼此间的气体会排出，使内部的空腔形成真空；三是通过加热、加压等措施，完成圆片键合，使圆片界面处需要键合的区域形成气密的结合，则空腔形成真空气密封装。

在上述的圆片键合技术的第二步骤，为了顺利排出气体，圆片彼此间有一定的间隙，该间隙通常在100微米到1000微米的范围内。该间隙过大，会影响到圆片的对位精度。该间隙过小，则严重影响到了圆片彼此间的空隙和空腔处真空的形成。这主要是因为高真空下，气体分子彼此碰撞的平均自由程，大大增加了。在一个大气压760托时，分子平均自由程约为0.65微米；气压为1托时，分子平均自由程约为50微米；气压为1×10^-3托时，分子平均自由程约为50000微米。目前进行的圆片键合，直径通常为100厘米、150厘米、200厘米、300厘米。当圆片间距为数百微米时，在真空环境下，分子运动的平均自由程，远远大于圆片间的间隙，空腔内的气体分子难以通过圆片间的间隙排出，即使通过几十分钟或更长的时间，也难以在圆片彼此的空间内部形成良好的真空。圆片空腔内的真空，通常比所处设备腔室的真空，要低一个数量级或两个数量级，而且工艺时间很长。如图2所示，第一圆片和第二圆片内部的空腔内，难以形成良好的真空。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种圆片级真空封装结构及其制作方法，方法简单，通过在空腔邻近区域制备排气通孔，可以在很短的时间内，使空腔内的真空达到或接近键合设备腔室的真空。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：包括第一圆片和第二圆片，第一圆片上设有空腔，第一圆片下部设有键合区，第一圆片与第二圆片通过键合区进行圆片键合；第二圆片上设有待封装的器件；所述第一圆片上的空腔旁边设有排气通孔。

作为优选，排气通孔竖直贯穿第一圆片。

作为优选，排气通孔制作在器件彼此间的划片道内。

作为优选，排气通孔直径为10微米-1毫米。

进一步的，一种圆片级真空封装结构的制作方法，包括步骤

a：通孔制备：在已经制备了空腔的待键合的第一圆片上制备出排气通孔；

b:圆片对位：将待键合的圆片，进行表面清洁等处理，接着进行精确的圆片对位，使第一圆片和第二圆片上的图形，能够精确的对准在一起；

c：真空制备：圆片放入键合设备内，抽取真空；

d：圆片键合:将圆片键合在一起。

作为优选，排气通孔制备是通过光刻和刻蚀工艺制备的。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明方法简单，通过在空腔附近设置排气通孔，在圆片键合制备真空时，可经过很短的路径将圆片键合时的气体分子排出，可以在很短的时间内，解决了气体难以排出的问题，使空腔内的真空达到或接近键合设备腔室的真空，然后进行圆片键合，完成键合后，圆片间形成了密封的真空空腔，有利于封装在内部的器件的正常工作，提高了工作效率，保证了产品质量。

附图说明

图1是本发明一个实施例的结构示意图；

图2是待键合的圆片的结构示意图；

图3是本发明制备方法a步骤的结构示意图；

图4是本发明制备方法d步骤的结构示意图；

图5是本发明中器件与排气通孔的一个实施例的结构示意图。

图中：1、第一圆片；2、第二圆片；3、键合区；4、空腔；5、排气通孔；6、器件。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

由于mems器件通常含有可动部件，需要制造密闭环境来对其进行封装，以保证可动部件获得足够的活动空间，并提供机械保护盒环境维持，圆片上的空腔为可动部件提供活动空间，空腔为真空环境。

如图1-5所示，为本发明一种圆片级真空封装结构及其制作方法的一个实施例。

实施例1：

圆片级真空封装结构包括第一圆片1和第二圆片2，第一圆片1上设有空腔4，第一圆片1下部设有键合区3，第一圆片1与第二圆片2通过键合区3进行圆片键合；第二圆片2上设有待封装的器件6；所述第一圆片上的空腔旁边设有排气通孔。

排气通孔5在第一圆片1内，从圆片底部穿过圆片顶部，排气通孔5设置在空腔4旁边，通过在空腔4邻近区域制备排气通孔5，气体分子能经过很短的路径到达排气通孔5，气体分子能在很短的时间内排出，并且空腔4可以在很短的时间使真空达到或接近键合设备腔室的真空，键合完成后，产品质量得到保证；键合圆片的直径越大，圆片间隙越小，本技术的优势越明显。排气通孔5的个数不定，可以几个空腔4共用一个排气通孔5。

进一步的，一种圆片级真空封装结构的制作方法，包括步骤

a：通孔制备：在已经制备了空腔的待键合的第一圆片1上制备出排气通孔5；通孔刻蚀，常见的工艺为干法等离子深刻蚀工艺，或溶液通孔腐蚀工艺。

b:圆片对位：将待键合的圆片，进行表面清洁等处理，接着进行精确的圆片对位，使第一圆片1和第二圆片2上的图形，能够精确的对准在一起；

c：真空制备：圆片放入键合设备内，抽取真空。键合设备工作腔室形成真空，圆片内部的空腔，通过排气通孔，排出了气体，也形成了真空；通过排气通孔能将空腔内的气体分子迅速顺利排出；

d：圆片键合：第一圆片1内部的空腔，已通过排气通孔5，形成了真空；然后通过加热加压等手段，将圆片键合在一起，同时将空腔进行了气密封闭。对硅玻璃键合，还需要施加一定的电压电流。在此步骤中，在圆片键合的同时，形成了密闭的真空空腔。

作为优选，排气通孔5制备是通过光刻和刻蚀工艺制备的。

实施例2：

圆片级真空封装结构和制备方法都与实施例1中的相同。

作为优选，排气通孔5竖直贯穿第一圆片1，排气通孔5可以是圆柱形，也可以是锥形，但是不限于这几种形状，锥形能使气体分子排出顺畅，并且排出速度快。

作为优选，排气通孔5制作在器件彼此间的划片道内，不占用圆片表面用来进行器件分布的有效面积；另外，排气通孔5也可以制作在器件6上，排气通孔5的数量随着器件6大小而改变，器件6越小，排气通孔5越稀疏，这样能保证气体分子顺利排出的同时还能保证器件6的坚固稳定，不易损坏；反之，当器件6越大时，需要设置的排气通孔5越多，这样能保证气体分子能尽快顺利排出，由于器件6较大，所以也不会影响到器件6的坚固度，器件6不会容易损坏。

作为优选，排气通孔5直径为10微米-1毫米。

实施例3：

当空腔内存在吸气剂时，本技术能够和吸气剂技术兼容。

圆片级真空封装结构与实施例1中的结构相同，另外的在空腔内设有吸气剂，通过空腔4内的吸气剂，吸附腔体内陆续产生的微量气体分子，使空腔4长期维持在真空气氛下。

一种圆片级真空封装结构的制作方法，包括步骤

a：通孔制备：在已经制备了空腔4且空腔4内设有吸气剂的待键合的圆片上制备出排气通孔5；

b:圆片对位：将待键合的圆片，进行表面清洁等处理，接着进行精确的圆片对位，使第一圆片和第二圆片上的图形，能够精确的对准在一起；

c：真空制备：圆片放入键合设备内，抽取真空；

d：圆片键合:将圆片键合在一起。

作为优选，刻蚀工艺和湿法腐蚀工艺制备排气通孔，具体的，排气通孔制备通过光刻和刻蚀工艺制备的。

本方法可适用于常见的多种圆片键合工艺技术，包括但不限于共晶键合、热压键合、直接键合、瞬态液相键合、粘接键合等，但是不限于这几种技术。

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。