MEMS器件晶圆级封装方法及封装结构与流程

本发明涉及mems器件封装技术领域，特别涉及一种mems器件晶圆级封装方法及封装结构。

背景技术：

随着mems器件在3c电子产品(例如手机等)上的应用越来越广泛，且随着人们对电子产品的功能要求越来越多，单芯片集成多种mems器件的需求越来越大，例如目前手机上常见的mems器件有陀螺仪传感器、加速度传感器、压力传感器、磁力计和麦克风等，且目前一些产品的单芯片上已经集成有6个自由度的电容式惯性mems传感器(包含3轴陀螺仪和3轴加速度计)，未来还会出现单芯片上集成9个自由度的惯性mems传感器等。

然而，目前每一种mems器件都有各自的空腔要求，且每一种mems器件的空腔所需要的真空度的要求都不同，例如，陀螺仪传感器的空腔的真空度要求最高，加速度传感器次之，而压力传感器由于其振膜需要有气压支撑，所以一般会要求空腔内的气压是常压附近。

发明人发现，目前已有的mems器件封装方法，很难满足多种不同mems器件在单芯片集成时所需的不同真空度的要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种mems器件晶圆级封装方法及封装结构，以满足多种不同mems器件在单芯片集成时所需的不同真空度的要求。

为解决上述目的，本发明提供一种mems器件晶圆级封装方法，包括：

提供mems器件晶圆和盖帽晶圆，所述mems晶圆上形成有至少两种功能不同的mems器件的机械微结构；

在所述盖帽晶圆上形成与各个所述mems器件的机械微结构一一对应的空腔；

采用在预设条件下能分解出气体的可分解材料，在所述盖帽晶圆上形成图形化的气体释放层，所述图形化的气体释放层覆盖需要增压的空腔的内表面并暴露出所述盖帽晶圆的键合表面以及其余空腔的内表面；

键合所述mems器件晶圆和所述盖帽晶圆，且所述盖帽晶圆的各个空腔将相应的所述mems器件的机械微结构封闭在内；

对键合后的晶圆结构施加所述预设条件，以使得相应的所述空腔中的所述气体释放层分解出气体来增大所述空腔内的气压。

可选地，形成所述图形化的气体释放层的步骤包括：先在所述盖帽晶圆的表面上覆盖一定厚度的可分解材料，然后通过选择性去除工艺去除多余的所述可分解材料，以形成所述图形化的气体释放层；或者，形成所述图形化的气体释放层的步骤包括：在一图形掩膜板的遮挡下，采用所述可分解材料对所述盖帽晶圆进行涂覆或沉积，以形成所述图形化的气体释放层。

可选地，所述选择性去除工艺为激光照射分解工艺或者选择性刻蚀工艺。

可选地，施加所述预设条件的方法包括加热和/或光照。

可选地，所述可分解材料在预设条件下完全分解为气体，或者，所述可分解材料在预设条件下分解为气体和固体。

可选地，所述可分解材料在所述预设条件下分解产生的气体包括氮气、氢气、一氧化碳和二氧化碳中的至少一种。

可选地，所述预设条件为加热到预设温度，所述可分解材料包括偶氮二甲酸钡，所述预设温度为240℃～250℃，所述可分解材料在所述预设条件下能分解出氮气、一氧化碳、二氧化碳和碳酸钡。

可选地，在键合所述mems器件晶圆和所述盖帽晶圆之后且在对键合后的晶圆结构施加所述预设条件之前，对所述mems器件晶圆背向所述盖帽晶圆的一面进行刻蚀，以形成背腔。

基于同一发明构思，本发明还提供一种mems器件晶圆级封装结构，采用本发明所述的mems器件晶圆级封装方法制得，所述mems器件晶圆级封装结构具有至少两种功能不同的mems器件。

可选地，所述mems器件晶圆级封装结构包括陀螺仪传感器、加速度传感器、压力传感器、磁力计和麦克风中的至少两种。

与现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：

1、在键合mems器件晶圆和盖帽晶圆之前，先在盖帽晶圆上特定的空腔内表面上形成可分解材料，在键合mems器件晶圆和盖帽晶圆之后，利用相应的工艺来使得密闭腔体内的可分解材料分解而产生气体以达到调整密闭腔体内的气压真空度的目的，使得单芯片上能够集成多种功能的mems器件。

2、进一步地，所述可分解材料可选用偶氮二甲酸钡，在键合mems器件晶圆和盖帽晶圆之后，加热至预设温度240℃～250℃时，密闭腔体内的偶氮二甲酸钡能分解产生氮气、一氧化碳、二氧化碳和碳酸钡。因为产生的氮气、一氧化碳、二氧化碳和碳酸钡均不会与mems器件晶圆和盖帽晶圆上的其余结构发生化学反应，且采取的热分解温度比较低，因此该方案不会影响封装后最终得到的器件性能。

附图说明

图1是本发明具体实施例的mems器件晶圆级封装方法的流程示意图；

图2a至图2d是图1所示的mems器件晶圆级封装方法中的器件结构剖面示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的技术方案作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

请参考图1，本发明一实施例提供一种mems器件晶圆级封装方法，包括以下步骤：

s1，提供mems器件晶圆和盖帽晶圆，所述mems晶圆上形成有至少两种功能不同的mems器件的机械微结构；

s2，在所述盖帽晶圆上形成与各个所述mems器件的机械微结构一一对应的空腔；

s3，采用在预设条件下能分解出气体的可分解材料，在所述盖帽晶圆上形成图形化的气体释放层，所述图形化的气体释放层覆盖需要增压的空腔的内表面并暴露出所述盖帽晶圆的键合表面以及其余空腔的内表面；

s4，键合所述mems器件晶圆和所述盖帽晶圆，且所述盖帽晶圆的各个空腔将相应的所述mems器件的机械微结构封闭在内；

s5，对键合后的晶圆结构施加所述预设条件，以使得相应的所述空腔中的所述气体释放层分解出气体来增大所述空腔内的气压。

请参考图2a至图2c，在步骤s1中，提供mems器件晶圆300和盖帽晶圆200。其中，mems器件晶圆300中已形成有至少两个功能不同的mems器件的机械微结构(未图示)，对应的mems器件可以是加速度传感器、陀螺仪传感器、压力传感器、麦克风、扬声器、磁力传感器等。且当其中至少一个mems器件的机械微结构为可移动机械结构时，mems器件晶圆300上对应该mems器件区域中还形成有用于为该mems器件的机械微结构提供活动空间的空腔。作为一种示例，mems器件晶圆300中形成有一种mems器件的机械微结构300a和另一mems器件的机械微结构300b，这两种机械微结构所需的空腔真空度不同，且机械微结构300a和mems器件晶圆300的基底之间有下空腔(未在图中标记)，机械微结构300a中有连通该下空腔的通孔(未在图中标记)，机械微结构300b中无通孔，且机械微结构300a所在区域的mems器件晶圆300的基底的背面上形成有背腔。本步骤中的mems器件晶圆300上还可以形成有围绕各个mems器件的机械微结构的密封环(未图示)、位于所述密封环外侧的若干焊盘(未图示)以及用于键合的键合结构等等。所述盖帽晶圆200可为硅、玻璃或者陶瓷材料等本领域技术人员熟知的盖板材料。作为一种示例，所述盖帽晶圆200为硅晶圆。

请继续参考图2a，在步骤s2中，可采各向异性刻蚀工艺刻蚀所述盖帽晶圆200，以在盖帽晶圆200上形成与各个机械微结构一一对应的上空腔。本实施例中，在盖帽晶圆200上形成了与机械微结构300a对应并且在后续将机械微结构300a封闭在内以给其提供空腔的上空腔201a，在盖帽晶圆200上还形成了与机械微结构300b对应并且在后续将机械微结构300b封闭在内以给其提供空腔的上空腔201b。

请继续参考图2a和2b，在步骤s3中，可以选用能够在预设条件下分解出气体的可分解材料，并利用旋涂、气相沉积等合适的成膜工艺在盖帽晶圆200上覆盖一定厚度的可分解材料薄膜202，其中，能使得可分解材料分解出气体的预设条件可以包括加热、包括激光照射在内的光照等外部条件中的至少一种，所述可分解材料在预设条件下能完全分解为气体，或者，所述可分解材料在预设条件下分解为气体和固体。其中，所述可分解材料在所述预设条件下分解产生的气体为不会与盖帽晶圆200和mems器件晶圆300发生反应的气体，例如包括氮气、氢气、一氧化碳和二氧化碳中的至少一种小分子气体。可分解材料可以是有机物，例如聚丙烯碳酸盐、聚环己烯碳酸盐、聚降冰片烯碳酸盐、聚降冰片烯等，也可以是无机物。例如可分解材料是偶氮二甲酸钡，偶氮二甲酸钡在被加热到240℃～250℃的预设温度时能分解出氮气、一氧化碳、二氧化碳和碳酸钡，其发气量为170ml/g～175ml/g，因此可以在后续通过加热使其分解产生相应的气体来调节形成的空腔中的真空度；再例如，可分解材料是硅烷化合物，可以在激光照射条件下或者加热条件下分解而产生氢气和/或氮气等，还可以产生非晶硅或二氧化硅等固体，因此可以在后续通过激光照射或者加热的方法使其分解产生相应的气体来调节形成的空腔中的真空度。可分解材料薄膜202的材料不局限一种单一物质，可以两种或多种分解化合物的混合物。在形成可分解材料薄膜202之后，根据可分解材料的材料特性选择合适的选择性去除工艺，去除多余的可分解材料薄膜202，以在盖帽晶圆200上形成图形化的气体释放层202’。其中，所述选择性去除工艺为激光照射分解工艺或者选择性刻蚀工艺(例如等离子体刻蚀工艺)。所述图形化的气体释放层202’覆盖需要增压的空腔的内表面并暴露出所述盖帽晶圆200的键合表面以及其余空腔的内表面，本实施例中，气体释放层202’暴露出盖帽晶圆200的键合表面以及上空腔201a的内表面，并覆盖上空腔201b的内表面(包括侧壁和顶壁)。

需要说明的是，采用可分解材料形成所述图形化的气体释放层202’的方法不限于上述方式，在本发明的其他实施例中，还可以采用如下方法：在一图形掩膜板的遮挡下，采用可分解材料对所述盖帽晶圆200进行涂覆或沉积，以形成所述图形化的气体释放层202’。其中优选的可分解材料分解产生的气体均是无毒气体，以有利于在生产过程中的环境保护以及保证最终产品在用户手中的使用安全。此外，当可分解材料为需要通过特定波长的激光照射才能分解产生气体的材料时，盖帽晶圆200优选为透光材料。当然，可分解材料的选择也不仅仅限于上述举例，还可以选择本领域技术人员熟知的其他任意合适的可分解材料，例如一些磁敏材料，能够在磁场中分解出气体，再例如一些能够在通电情况下分解出气体的材料，等等。

请参考图2b和2c，在步骤s4中，可以选择合适的键合方法，将盖帽晶圆200键合到mems器件晶圆300上，其中，气体释放层202’要面向mems器件晶圆300中的相应机械微结构放置。本实施例中，气体释放层202’面向mems器件晶圆300中的机械微结构300b放置。盖帽晶圆200上的上空腔201a和mems器件晶圆300中对应的下空腔通过机械微结构300a中的通孔连通而形成一个密闭空腔301a，密闭空腔301a将机械微结构300a密封在内；盖帽晶圆200上的上空腔201b和mems器件晶圆300中对应的下空腔对准并组合在一起形成一个密闭空腔301b，密闭空腔301b将机械微结构300b密封在内。所述键合方法可以选自阳极键合、熔融键合、共晶键合或焊料键合。在一个示例中，当mems器件晶圆300上形成有铝(al)键合结构，盖帽晶圆200上形成有锗(ge)结构时，则键合方法为al-ge共晶键合。

请参考图2d，在步骤s5中，根据步骤s3中所使用的可分解材料的特性，对键合后的结构施加相应的条件，以使得键合结构中的气体释放层202’进行分解。其中气体释放层202’的分解程度由密闭空腔301b中的真空度的要求来解决，可以是全部分解，可以是部分分解，图2d中示出的是气体释放层202’被部分分解的情况。作为一种示例，气体释放层202’的可分解材料为加热可分解的材料，在盖帽晶圆200和mems器件晶圆300键合之后，对键合后的结构进行烘烤，以加热盖帽晶圆200至气体释放层202’的可分解材料的分解温度，使气体释放层202’能分解出气体来调整空腔301b内的气压，且空腔301b内的气压的调整程度可以取决于维持分解温度的时长，维持分解温度的时间越长，气体释放层202’分解出的气体越多，空腔301b内的气压越大。此时，在步骤s3中所形成的气体释放层202’的厚度需要根据空腔301b内的气压的调整需求来确定。可选地，气体释放层202’中的可分解材料在本步骤中可以完全分解为气体，以避免在空腔301b内壁和机械微结构300b上产生残留物，而影响器件性能，且这种情况下可以通过精细控制预设条件来控制气体释放层202’中的可分解材料的分解速率，以避免气体释放层202’分解不均匀以及分解过程中颗粒状或块状的气体释放层202’会从空腔301b内壁上剥离到机械微结构300b上而影响器件性能的问题。在本发明的其他实施例中，气体释放层202’也可以分解为气体和固体，产生的固体可以在后续用作空腔301b的内壁的一部分，这种情况下可以通过精细控制预设条件来控制气体释放层202’中的可分解材料的分解速率，以避免气体释放层202’分解不均匀、分解过程中颗粒状或块状的气体释放层202’会从空腔301b内壁上剥离到机械微结构300b上、以及、分解产生的固体附着到机械微结构300b上的问题。

需要说明的是，上述步骤s5可以在mems器件封装的最后一步进行，即步骤s5和步骤s4之间还可以有其他步骤，例如在步骤s4之后且在步骤s5之前，对所述mems器件晶圆300背向所述盖帽晶圆200的一面进行刻蚀，以形成背腔。

综上所述，本实施例的mems器件晶圆级封装方法，在键合mems器件晶圆和盖帽晶圆之前，先在盖帽晶圆上特定的空腔内表面上形成可分解材料，在键合mems器件晶圆和盖帽晶圆之后，利用相应的工艺来使得密闭腔体内的可分解材料分解而产生气体以达到调整密闭腔体内的气压真空度的目的，使得单芯片上能够集成多种功能的mems器件。

基于同一发明构思，请参考图2d，本发明一实施例还提供一种mems器件晶圆级封装结构，采用本发明所述的mems器件晶圆级封装方法制得，所述mems器件晶圆级封装结构具有至少两种功能不同的mems器件，具体地，mems器件晶圆级封装结构包括盖帽晶圆200、mems器件晶圆300、位于盖帽晶圆200、mems器件晶圆300之间的空腔301a和301b、被空腔301a封闭在内的机械微结构300a以及被空腔301b封闭在内的机械微结构300b。可选地，所述mems器件包括陀螺仪传感器、加速度传感器、压力传感器、磁力计和麦克风中的至少两种。

本发明的mems器件晶圆级封装结构，由于采用本发明所述的mems器件晶圆级封装方法制得，故能够满足不同密闭腔体内的气压真空度的不同需求，使得单芯片上能够集成多种功能的mems器件。上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。