基于硅玻璃阳极键合的圆片级高真空无引线封装方法与流程

本公开涉及微纳电子器件加工、圆片级高真空封装、无引线封装领域，尤其涉及一种基于硅玻璃阳极键合的圆片级高真空无引线封装方法。

背景技术：

MEMS封装技术作为MEMS技术中的一大难点，多年来一直制约着MEMS技术的发展。据国外多项统计表明，MEMS封装的成本占MEMS产品的70％-90％，之所以出现这种情况，主要是由于MEMS器件的复杂性所造成的。与已拥有标准封装规范的微电子器件不同，MEMS系统是一个含有三维微结构和活动组件，多种材料组成，并且常常要处于各种高温、高湿或酸碱性恶劣环境下的组织结构，这种复杂的结构对封装技术提出很高的要求。

MEMS系统结构常常包括可动部件，如微型阀、微型泵、微齿轮、微电机、频率微传感器，MEMS陀螺仪和非冷却红外线传感器阵列等，为了保证这些可动部件运动自如。需要采用真空封装，减小摩擦，降低能源消耗，使可动部件能长期可靠工作。合适的I/O接口、低应力、材料的兼容性等，都是封装必须考虑的问题。真空封装能大大的提高MEMS器件性能，例如，一些谐振效应的MEMS器件(如振动加速度计或陀螺仪中的一些基本元件)在大气环境下的品质因素约为几十，在真空环境下，其品质因数可高达几万，3-4个量级的提高决定了器件能不能正常工作，以及器件性能的优越程度。

MEMS真空封装可以分为器件级真空封装和圆片级真空封装。所谓器件级真空封装，是指先将单个的芯片从硅圆片上分离出来，然后依次分别完成封装工序。一般是采用焊接的方法将芯片密封于金属或陶瓷外壳内，焊接的方法包括电阻焊，激光焊，低熔点的玻璃熔融焊及焊料焊接等。圆片级的真空封装是指以硅圆片为单位进行封装操作，芯片与封装外壳之间的连接等所有封装工序，全部都以硅圆片为单位进行操作。与器件级的一个一个封装相比，圆片级封装大大节省了成本，并且使芯片性能的一致性大大提高。在前道工序完成包封，保护了芯片不受后道工序如划片等的影响，增强了芯片性能的稳定性。圆片级的真空封装常用的方法有阳极键合、金-硅共晶键合等。

阳极键合是一种利用热和电共同作用来实现异质材料层片间低温连接的一种方法，1968年该技术被D.I.Pomerantz首次发现，阳极键合不需要黏胶剂，在350℃左右(与绝大多数微电子器件、MEMS器件兼容)进行，对材料表面清洁度和光洁度要求不高，键合质量好，工艺和设备简单，在微传感器、微型机械等部件的封装方面得到广泛的应用。阳极键合本质是，在电场作用下，界面处形成强的静电吸引，一定温度下，界面间直接形成了键合互联的化学键。阳极键合强度一般大于10Mpa，键合后密封腔的漏率一般小于1E-8Pa.m3/s。阳极键合腔室真空一般在1E-3Pa左右，但是，键合反应过程中，随着化学键形成，同时生成一些气体，降低了密封腔内真空度。一般通过直接阳极键合，形成的密封腔内压强在几帕至几百帕，这对一些谐振式器件，还达不到工作条件需求。为了获得较高真空，通常需要采用增加吸气剂工艺，相应的封装盖板制作工艺及封装流程变得十分复杂。

无引线封装就是在芯片中不再使用金丝压焊互联，这不仅仅大大简化工艺，减低成本，还大大提高了器件的可靠性及综合性能。目前的无引线封装主要用在微电子器件封装中，多数采用硅通孔技术。一般利用硅通孔技术进行的无引线封装还不能进行真空封装。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本公开的目的在于克服现有技术存在的上述缺点，提供一种基于硅玻璃阳极键合的圆片级高真空无引线封装方法。

(二)技术方案

本公开提供了一种基于硅玻璃阳极键合的圆片级高真空无引线封装方法，包括：步骤S101：在玻璃片上制作振动空腔、预通孔以及连通振动空腔与预通孔的通气槽；步骤S201：在振动空腔内制作玻璃通孔，形成金属填充电极；步骤S301：将玻璃片的预通孔制作成锥形通孔；通过阳极键合，将玻璃片与待封装硅结构对准键合；步骤S401：将硅玻璃键合片放入电子束蒸发设备中，依次淀积金属钛和表层金属；步骤S501：图形化金属钛和表层金属，划片成独立器件，直接形成无金丝引线的贴片元器件。

在本公开的一些实施例中，所述步骤S101包括：子步骤S101a：在玻璃片上制作振动空腔，提供可动结构的振动空间，同时加工预通孔；子步骤S101b：在振动空腔面上制作出通气槽，通气槽连通振动空腔与预通孔。

在本公开的一些实施例中，所述步骤S201包括：子步骤S201a：在振动空腔内制作玻璃通孔；子步骤S201b：电镀沉积金属填充玻璃通孔，退火形成气密性填充；子步骤S201c：研磨、抛光，使金属填充电极两端的金属表面与玻璃表面形成同一平面。

在本公开的一些实施例中，所述步骤S301包括：子步骤S301a：将玻璃片的预通孔制作成锥形通孔；子步骤S301b：通过阳极键合，将玻璃片与待封装硅结构对准键合，形成硅玻璃键合片。

在本公开的一些实施例中，所述步骤S401包括：将硅玻璃键合片放入电子束蒸发设备中，硅玻璃键合片被加热到100-500℃，在电子束蒸发设备腔室的真空度小于1E-5Pa状态下，保持12小时以上，然后电子束蒸发淀积金属钛，再淀积表层金属，共同形成密封金属层。

在本公开的一些实施例中，所述步骤S501包括：图形化金属钛和表层金属，形成功能电极层，划片成独立器件，直接形成无金丝引线的贴片元器件。

在本公开的一些实施例中，在所述子步骤S101a中，采用光刻工艺定义振动空腔的位置和尺寸，利用干法或湿法刻蚀工艺，制作出振动空腔以及预通孔；在所述子步骤S101b中，采用光刻工艺定义通气槽的尺寸及位置，利用干法或湿法刻蚀玻璃，形成连通振动空腔与预通孔的通气槽。

在本公开的一些实施例中，在所述子步骤S201a中，采用光刻工艺定义玻璃通孔的位置及尺寸，利用干法刻蚀、或湿法腐蚀、或激光打孔、或喷砂打孔、或它们的组合工艺，制作出玻璃通孔；在所述子步骤S201b中，金属选用铜、镍、钴、锡、金、银、钯、铂，或者类似的金属合金；退火的温度范围为200-500℃，环境为惰性气体或真空；在所述子步骤S201c中，采用化学机械研磨抛光，结合选择性化学腐蚀反应，将金属填充电极表面平坦化。

在本公开的一些实施例中，在所述子步骤S301a中，利用干法刻蚀、或湿法腐蚀、或激光打孔、或喷砂打孔、或它们的组合工艺，制作出锥形通孔；在所述子步骤S301b中，键合强度大于10Mpa，键合后漏率小于1E-8Pa.m3/s。

在本公开的一些实施例中，金属钛的厚度为500-1500nm，表层金属的厚度为500-1000nm，表层金属包括：铜、铝、锡、金、镍、钴、钯、铂，或者它们的合金。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开具有以下有益效果：

1.由于本公开的制备方法采用光刻工艺、刻蚀工艺和薄膜工艺，可以有效与CMOS工艺兼容，可以大批量生产。

2.利用本公开可以高可靠性、低成本实现圆片级高真空无引线硅玻璃封装，可以在高性能MEMS传感器、微电子器件加工生产中得到广泛应用。

附图说明

图1显示了制作有振动空腔和预通孔的玻璃片，(a)为三维结构图，(b)为俯视图，(c)为过中心点的纵向剖面图。

图2显示了通气槽连通振动空腔与预通孔，(a)为三维结构图，(b)为过中心点的对角线方向剖面图，(c)为俯视图，(d)为过中心点的纵向剖面图。

图3显示了在振动空腔内制作通孔，(a)为三维结构图，(b)为俯视图，(c)为过中心点的横向剖面图。

图4显示了电镀形成金属电极填充通孔，(a)为三维结构图，(b)为俯视图，(c)为过中心点的横向剖面图。

图5显示了研磨抛光填充金属形成功能电极，(a)为三维结构图，(b)为俯视图，(c)为过中心点的横向剖面图。

图6显示了在预通孔位置制作锥形通孔，(a)为三维结构图，(b)为俯视图，(c)为过中心点的纵向剖面图。

图7为待封装MEMS硅结构，(a)为静电驱动电容检测面外振动式MEMS谐振子，(b)为静电驱动压阻检测面内振动式MEMS谐振子，(c)为过中心点(b)的纵向剖面图，(d)为过中心点(a)的横向剖面图，(e)为过中心点(b)的横向剖面图。

图8为面外振动式硅结构与玻璃片阳极键合后结构，(a)为键合片的三维结构图，(b)为俯视图，(c)为过中心点的横向剖面图，(d)为过中心点的对角线剖面图。

图9为面内振动式硅结构与玻璃片阳极键合后结构，(a)为键合片的三维结构图，(b)为俯视图，(c)为过中心点的纵向剖面图，(d)为过中心点的横向剖面图，(e)为过中心点的对角线剖面图。

图10显示了面外振动式硅结构经金属薄膜淀积形成高真空密封，(a)为三维结构图，(b)为俯视图，(c)为过中心点的纵向剖面图，(d)为过中心点的横向剖面图，(e)为过中心点的对角线剖面图。

图11显示了面内振动式硅结构经金属薄膜淀积形成高真空密封，(a)为三维结构图，(b)为俯视图，(c)为过中心点的纵向剖面图，(d)为过中心点的横向剖面图，(e)为过中心点的对角线剖面图。

图12显示了真空封装面外振动式硅结构经图形化金属电极、划片形成贴片元件，(a)为三维结构图，(b)为俯视图，(c)为过中心点的纵向剖面图，(d)为过中心点的横向剖面图，(e)为过中心点的对角线剖面图。

图13显示了真空封装面内振动式硅结构经图形化金属电极、划片形成贴片元件，(a)为三维结构图，(b)为俯视图，(c)为过中心点的纵向剖面图，(d)为过中心点的横向剖面图，(e)为过中心点的对角线剖面图。

图14为本公开实施例基于硅玻璃阳极键合的圆片级高真空无引线封装方法流程图。

具体实施方式

圆片级高真空无引线封装是一种全新的高可靠性、低成本封装技术，对MEMS器件、微电子器件的开发及应用具有重要推动作用。现有的阳极键合技术不能直接实现高真空封装。目前，国内外已报道的无引线封装，都不能进行圆片级高真空封装。本公开提供了一整套基于硅玻璃阳极键合的圆片级高真空无引线封装方法及工艺流程，可以高可靠性、低成本制作出高真空封装的无引线贴装芯片，有望在高性能MEMS传感器、微电子器件加工生产中得到广泛应用。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所熟知的方式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。

请参阅图1-图13所示，本公开实施例提供了一种基于硅玻璃阳极键合的圆片级高真空无引线封装方法，参见图14，包括如下步骤：

步骤S101：在玻璃片上制作振动空腔、预通孔以及连通振动空腔与预通孔的通气槽。

该步骤具体包括：

子步骤S101a：在玻璃片100上制作振动空腔101，提供可动结构的振动空间，同时加工预通孔102，如图1所示。本实施例的玻璃片100为硼掺杂玻璃，在室温至500℃温度范围内，玻璃片的热膨胀系数与单晶硅非常接近，例如选用康宁的Pyrex7740玻璃片、肖特的BF33玻璃片等。

具体来说，采用光刻工艺定义振动空腔101的位置和尺寸，利用干法或湿法刻蚀工艺，制作出振动空腔101以及预通孔102。振动空腔101的深度一般1-10μm，在保证提供足够的可动结构振动空间前提下，振动空腔的体积越小越有利于获得并维持高真空封装。

子步骤S101b：在振动空腔面上制作出通气槽103，通气槽103连通振动空腔101与预通孔102，如图2所示。

采用光刻工艺定义通气槽的尺寸及位置，利用干法或湿法刻蚀玻璃，形成连通振动空腔101与预通孔102的通气槽103。通气槽103的深度一般0.1-1μm，其功能是将振动空腔101内的气体通过预通孔103全部抽出，使得振动空腔101内部真空环境与硅玻璃键合片外部真空环境的真空度一致。在实现这一功能前提下，通气槽103的深度越浅越好，最终通气槽103的通道口会被淀积的电极金属完全包封住，实现振动空腔101内的高真空密封。

步骤S201：在振动空腔内制作玻璃通孔，形成金属填充电极。

该步骤具体包括：

子步骤S201a：在振动空腔101内制作玻璃通孔104，用于电容结构器件的驱动及检测，如图3所示。此步骤目的是为了直接将电学激励和读出电极制作在封装盖板上，完成封装的同时形成无引线的电学系统。

具体来说，本子步骤采用光刻工艺定义玻璃通孔104的位置及尺寸，利用干法刻蚀、或湿法腐蚀、或激光打孔、或喷砂打孔、或它们的组合工艺，制作出玻璃通孔104。

子步骤S201b：电镀沉积金属105填充玻璃通孔104，退火形成气密性填充，如图4所示。该子步骤的作用在于在玻璃通孔中形成具有气密性的金属填充电极。

该子步骤采用电镀工艺实现金属气密性填充，金属可以是铜、镍、钴、锡、金、银、钯、铂等，或者类似的金属合金。退火目的是增强金属填充电极的气密性，退火在200-500℃温度范围内，在惰性气体保护下，或真空中进行。

子步骤S201c：研磨、抛光，使金属填充电极两端的金属表面与玻璃表面形成同一平面，如图5所示。该子步骤采用化学机械研磨抛光，结合选择性化学腐蚀反应，将金属填充电极表面平坦化。根据具体器件的工作原理，要求金属填充电极两端与玻璃表面的高度差小于500nm。

步骤S301：将玻璃片的预通孔102制作成锥形通孔；通过阳极键合，将玻璃片100与待封装硅结构对准键合。

该步骤具体包括：

子步骤S301a：将玻璃片100的预通孔102制作成锥形通孔106，如图6所示。可以利用干法刻蚀、或湿法腐蚀、或激光打孔、或喷砂打孔、或它们的组合工艺，制作出锥形通孔106。这组锥形通孔的首要作用是在密封真空腔之前，将内部气体全部导出，同时它们也可以用于电学互联。锥形通孔的倾角一般大于10度即可，依据器件结构及工作原理，该倾角优选设置在30-60度范围内。锥形通孔的目的在于，淀积密封金属层时，导气口能够被快速有效的密封。这些锥形通孔还可用作器件内外电学互联，施加激励信号和读出传感信号。

子步骤S301b：通过阳极键合，将玻璃片100与待封装硅结构对准键合，形成硅玻璃键合片。键合强度大于10Mpa，键合后漏率小于1E-8Pa·m3/s。一种待封装MEMS硅结构如图7所示，107代表静电驱动电容检测面外振动式MEMS结构，108代表静电驱动压阻检测面内振动式MEMS结构。本方法不仅适应于上述MEMS结构，还适用于其他MEMS结构，107还可以是静电驱动压阻检测面外振动式MEMS结构，108还可以是静电驱动电容检测面内振动式MEMS结构。需要明确指出，本公开不仅限于用于MEMS结构的真空无引线封装，对于各种各样的微电子器件、光电子器件同样适用，因为，它们的封装工艺相对更简单。面外振动式MEMS硅结构与玻璃片100阳极键合后的结构109如图8所示。面内振动式MEMS硅结构与玻璃片100阳极键合后的结构100如图9所示。

步骤S401：将硅玻璃键合片放入电子束蒸发设备中，依次淀积金属钛和表层金属。

该步骤具体包括：将硅玻璃键合片放入电子束蒸发设备中，硅玻璃键合片被加热到一定温度，在电子束蒸发设备腔室的真空度小于1E-5Pa状态下，保持12小时以上，然后电子束蒸发淀积金属钛，再淀积表层金属，共同形成密封金属层111。

硅玻璃键合片被加热到的温度范围为100-500℃，通常200℃即可。电子束蒸发设备腔室的真空度越高越好，经过一段时间抽气平衡，器件的振动空腔101内的真空度基本与电子束蒸发设备腔室的真空度一致。首先蒸发金属钛，会进一步促使电子束蒸发设备的真空度达到更好水平。金属钛的厚度一般500-1500nm，在金属钛淀积完成后，保证通气槽103的通道口完全被密封。再在同一电子束蒸发设备内淀积表层金属，厚度在500-1000nm均可，主要作用是方便芯片表面贴焊。表层金属包括：铜、铝、锡、金、镍、钴、钯、铂等，或者它们的合金。面外振动式硅结构经金属薄膜淀积形成的高真空密封后结构如图10所示，面内振动式硅结构经金属薄膜淀积形成的高真空密封后结构如图11所示。

步骤S501：图形化金属钛和表层金属，划片成独立器件，直接形成无金丝引线的贴片元器件。

该步骤具体包括：图形化金属钛和表层金属，形成功能电极层112，划片成独立器件，直接形成无金丝引线的贴片元器件。本步骤采用光刻工艺定义出金属图案，利用干法刻蚀、湿法腐蚀、或它们的组合，将表层金属和底层金属钛制作成图案。采用砂轮划片，将圆片分割成独立的元器件，清洗干净后，可直接贴片焊接到电路板上使用。真空封装后，面外振动式硅结构经图形化金属电极、划片形成贴片元件，如图12所示。真空封装后，面内振动式硅结构经图形化金属电极、划片形成贴片元件，如图13所示。

需要说明的是，针对的是面内振动式硅结构，需要执行本实施例的上述全部步骤(步骤S101、步骤S201、步骤S301、步骤S401和步骤S501)，但对于面外振动式硅结构，本实施例的方法无需执行步骤S201，只执行步骤S101、步骤S301、步骤S401和步骤S501即可。

以下以一个示例来对本实施例进行详细说明。

1.在500μm厚的康宁Pyrex7740玻璃片上用电子束蒸发淀积500nm金属铝，光刻、湿法腐蚀铝，产生干法刻蚀掩膜。在Sentech SI500刻蚀机器上，以C4F8为刻蚀气体，以光刻胶和铝复合掩膜干法刻蚀玻璃片。振动空腔的深度为8μm，同时产生了预通孔。

2.在振动空腔面上光刻，直接以光刻胶为掩膜，干法刻蚀玻璃片，制作出通气槽，以连通振动空腔与预通孔。通气槽深度为500nm。

3.在上述玻璃片上淀积2μm金属铝，光刻定义通孔的位置及尺寸，以铝和厚光刻胶为掩膜，干法刻蚀玻璃约50μm深。激光打孔形成玻璃通孔，辅助湿法腐蚀，使得玻璃通孔的表面及内壁比较光滑。

4.光刻定义出电镀沉积金属的位置及尺寸，以慢速电沉积金属铜并完全填充玻璃通孔。在真空中，慢速升温到400℃进行退火，促使铜形成气密性填充。

5.先用三氯化铁溶液选择性腐蚀铜，至铜柱突出玻璃表面约5μm高，再CMP研磨、抛光，使铜填充电极两端的金属表面与玻璃表面形成同一平面，高度差小于50nm。

6.利用光刻、湿法腐蚀、干法刻蚀、激光打孔、湿法腐蚀组合工艺，将预通孔制作成锥形通孔。锥形通孔的倾角大约45度。

7.在SUSS SB6e键合机上，将玻璃片与待封装硅结构对准阳极键合，键合条件为1000伏，400℃，500mbar。完成键合后，键合强度约20Mpa，键合后漏率小于1E-9Pa.m3/s。静电驱动电容检测面外振动式MEMS结构，和静电驱动压阻检测面内振动式MEMS结构都与上述玻璃片进行了阳极键合，键合效果与预期一致。

8.将硅玻璃键合片放入电子束蒸发设备中，硅玻璃键合片被加热到200℃，加速气体的释放。在电子束蒸发设备腔室真空度小于1E-5Pa状态下，保持12小时以上，此时，器件内部腔体的真空度也小于1E-5Pa。然后，电子束蒸发淀积金属钛，金属钛的厚度为1000nm。随着金属钛的蒸发，进一步促使设备的真空度达到更好水平，在金属钛淀积完成后，器件的通气槽的通道口完全被密封住。再在同一设备内淀积表层金属铜，厚度1000nm，实现进一步密封，同时用于芯片表面贴焊。面外和面内振动式硅结构阳极键合片，经过上述金属薄膜淀积工艺，都形成了可靠的高真空密封。

9.光刻，以光刻胶为掩膜，干法刻蚀表层金属铜和金属钛，形成图形化的功能电极层。涂胶保护后，采用砂轮划片，将圆片分割成独立的元器件，丙酮、水、丙酮清洗干净后，烘干，成为可直接焊接到电路板上使用的贴片元器件。面外和面内振动式硅结构，经过圆片级真空封装，都形成了可靠的贴片元器件。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。