一种MEMS圆片级真空封装方法与流程

本发明涉及mems真空封装技术领域，具体是一种mems圆片级真空封装方法。

背景技术：

微机电系统(micro-electromechanicalsystems，mems)是在微电子技术基础上发展而来，融合了光刻、刻蚀、成膜、硅微加工等技术制作的高科技电子机械产品，因其体积小、功耗低、集成度好等优势而成为近来的研究热点。

对于大多数的mems产品而言，真空封装是确定其最终体积、保护内部结构、提供稳定工作环境的关键，是影响产品工作性能优劣的重要因素。mems真空封装分为两种形式：器件级封装和圆片级封装。圆片级封装是先将mems结构圆片整体真空封装，并从腔内引出各mems器件的电信号后，再划片成为小芯片的封装方式；而器件级真空封装则是将芯片划片后，一个一个贴片引线真空封装在陶瓷或金属管壳内。相比较而言，圆片级封装能极大地提高生产效率、降低生产成本，还能避免划片所带来的一些细屑、灰尘等进入腔体内部而对mems器件可动结构产生影响，保证了mems产品的可靠性和一致性。因此圆片级真空封装对于mems产品有着十分重大的意义。

mems圆片级真空封装主要有基于玻璃浆料键合、阳极键合、金硅键合等工艺方案。在这些方案中，影响真空封装气密性的主要因素是键合面存在的微孔洞缺陷导致的气体泄漏，以及可动结构电信号从真空封装腔室向外引出导致的气体泄漏。由于气体泄漏速率过大，目前mems器件使用寿命短、可靠性差，难以满足真空封装十年以上使用寿命的要求。

《一种微机电系统的圆片级真空封装工艺》（公开号cn101554987a）的中国专利，采用薄膜淀积真空封装工艺制备了带缓冲腔结构的mems器件，但其所述工艺中的淀积牺牲层不适用于包含可动结构的mems器件真空封装。此外，《mems圆片级真空封装方法》（公开号cn101723308a）的中国专利，采用的是基于阳极键合的圆片级真空封装方案，虽然其设计了缓冲腔提高内真空腔室的真空度，但是未提及mems可动结构的电信号如何引出，通常电信号从阳极键合面引出会导致较大的气体泄漏。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种mems圆片级真空封装方法，该方法能够解决现有真空封装真空度低、气体泄漏速率大、真空度难以长久保持的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种mems圆片级真空封装方法，包括以下步骤：

s1、制备衬底层，

按以下子步骤执行：

s11、取双抛硅片作为衬底层硅片，采用光刻工艺在衬底层硅片顶面中心刻蚀环形槽；

s12、采用氧化工艺在环形槽侧壁生长0.5～1μm厚绝缘层，再通过lpcvd工艺在衬底层硅片表面沉积多晶硅填满环形槽；

s13、采用cmp工艺对衬底层硅片正面抛光，露出硅片表面；

s14、采用机械减薄、cmp工艺对衬底层硅片背面进行减薄和抛光，直至露出环形槽，使环形槽内部形成硅柱引线；

s15、采用刻蚀工艺在衬底层硅片正面刻蚀活动腔；

s2、制备结构层，

按以下子步骤执行：

s21、取soi硅片作为结构层硅片；

s22、将结构层硅片的顶层硅与衬底层正面硅硅键合，再将键合好的晶圆表面氧化生长氧化层；

s23、去除结构层硅片的底层硅和埋氧层；

s24、在结构层硅片制作可动结构；

s3、制备盖帽层，

按以下子步骤执行：

s31、取双抛硅片作为盖帽层晶圆；

s32、在盖帽层晶圆正面中部刻蚀真空腔室，在真空腔室外侧刻蚀环形的真空缓冲腔室；

s33、在盖帽层晶圆表面生长绝缘氧化层，在盖帽层晶圆顶面的绝缘氧化层上溅射ti/au薄膜，再通过光刻工艺形成内键合环与外键合环；

s34、去除真空腔室与真空缓冲腔室位置的绝缘氧化层，在真空腔室与真空缓冲腔室内制备吸气剂层；

s4、真空封装，

按以下子步骤执行：

s41、将制备好的盖帽层正面与结构层正面进行金硅键合；

s42、在衬底层背面沉积ti/au薄膜，再通过光刻、腐蚀工艺在硅柱引线表面制备用于引线键合的金焊点。

本发明的有益效果是，通过真空腔室与真空缓冲腔室提高mems器件的真空度，并吸气剂吸除多余的气体，使真空度能够长期保持，另外mems器件电信号通过硅柱引线垂直引出，解决真空封装时电信号的引出问题。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1是本发明步骤s11的示意图；

图2是本发明步骤s12的示意图；

图3是本发明步骤s13的示意图；

图4是本发明步骤s14的示意图；

图5是本发明步骤s15的示意图；

图6是本发明步骤s21的示意图；

图7是本发明步骤s22的示意图；

图8是本发明步骤s23的示意图；

图9是本发明步骤s24的示意图；

图10是本发明步骤s32的示意图；

图11是本发明步骤s33的示意图；

图12是本发明步骤s34的示意图；

图13是本发明步骤s41的示意图；

图14是本发明步骤s42的示意图。

具体实施方式

本发明提供一种mems圆片级真空封装方法，包括以下步骤：

s1、制备衬底层，

按以下子步骤执行：

s11、如图1所示，取厚度300～400μm的双抛硅片作为衬底层硅片1，采用光刻工艺在衬底层硅片1顶面中心刻蚀环形槽2；环形槽2的深度200～300μm；

s12、结合图2所示，采用氧化工艺在环形槽2侧壁生长0.5～1μm厚的绝缘层，再通过lpcvd工艺在衬底层硅片1表面沉积多晶硅3填满环形槽2；

s13、结合图3所示，采用cmp工艺对衬底层硅片1正面抛光，露出硅片表面；

s14、结合图4所示，采用机械减薄、cmp工艺对衬底层硅片1背面进行减薄和抛光，直至露出环形槽，使环形槽内部形成硅柱引线4；

s15、结合图5所示，采用刻蚀工艺在衬底层硅片正面刻蚀活动腔5；活动腔5深度10～30μm，作为后续结构层可动结构的活动空间；

s2、制备结构层，

按以下子步骤执行：

s21、结合图6所示，取soi硅片作为结构层硅片6；

s22、结合图7所示，将结构层硅片的顶层硅7与衬底层正面硅硅键合，再将键合好的晶圆表面氧化生长0.5～2μm氧化层10；

s23、结合图8所示，去除结构层硅片的底层硅9和埋氧层8；采用机械减薄工艺对结构层硅片6的底层硅9进行减薄至剩余30～100um，再采用koh腐蚀工艺去除结构层底层硅9的剩余部分，正面的氧化层作为koh腐蚀工艺的掩膜层；然后通过boe工艺将埋氧层8和衬底层背面的氧化层腐蚀干净；

s24、结合图9所示，在结构层硅片制作可动结构11；在顶层硅7的正面进行结构释放光刻，以光刻胶作为掩膜，通过深硅刻蚀工艺将结构层结构释放，形成可动结构11；

s3、制备盖帽层，

按以下子步骤执行：

s31、取双抛硅片作为盖帽层晶圆12；

s32、结合图10所示，在盖帽层晶圆12正面中部刻蚀真空腔室14，在真空腔室14外侧刻蚀环形的真空缓冲腔室13；真空腔室14与真空缓冲腔室13的深度均为10～30μm；

s33、结合图11所示，在盖帽层晶圆12表面生长0.5～2μm厚度的绝缘氧化层15，在盖帽层晶圆顶面的绝缘氧化层上溅射ti/au薄膜，再通过光刻工艺形成内键合环16与外键合环17；

s34、结合图12所示，去除真空腔室14与真空缓冲腔室13位置的绝缘氧化层，在真空腔室与真空缓冲腔室内制备吸气剂层18；

s4、真空封装，

按以下子步骤执行：

s41、结合图13所示，将制备好的盖帽层正面与结构层正面进行金硅键合；键合温度为380～450℃，在键合工艺的同时激活吸气剂层，金硅键合完成后即形成了mems圆片级真空封装；

s42、结合图14所示，在衬底层1背面pvd沉积一层厚度为0.3～1μm的ti/au薄膜，再通过光刻、腐蚀工艺在硅柱引线表面制备用于引线键合的金焊点19。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。