一种圆片级薄膜封装方法及封装器件与流程

本发明涉及微电子机械封装技术领域，特别涉及一种圆片级薄膜封装方法及封装器件。

背景技术：

微机械系统(micro-electro-mechanicalsystem，mems)传感器通过缩小敏感结构的尺寸来实现功能的高度集成。空气阻力与结构特征尺寸有关，在低速下宏观尺度物体受到的空气阻力一般可忽略不计，但在结构特征尺度小的mems传感器中，空气阻力是mems器件的主要阻尼机制，决定了传感器的q值，从而对传感器的幅频特性、相频特性和带宽有显著影响。同时气体分子热涨落引起的布朗运动噪声也是加速度传感器、陀螺等mems器件的主要噪声。真空封装技术能显著减少空气阻尼损耗。因此，真空封装对于多种mems器件具有重要意义。

目前唯一实现了商用的表面微机械真空封装技术是外延真空封装(episeal)技术。该技术利用外延生长的多晶硅层堵住通孔，形成气密的真空腔体，并利用外延工艺产生的残余气体是可扩散通过固体结构的氢气的特性，通过封装后热退火工艺使氢气扩散出气密腔体，形成高可靠的高真空封装。该工艺已用于部分不需要在真空封装前制作金属布线的特种传感器的制造，如高精度压力传感器、mems振荡器等。

episeal工艺的问题在于工艺中需要使用高温的外延工艺堵孔，温度高达980℃，此高温工艺严禁一切金属材料进入，因此此种工艺仅适用于个别采用均质硅材料制作，且不需要在封装前制作金属布线的传感器。一般的mems传感器均需在封装前制作金属布线，无法采用该工艺进行真空封装。另外，在进行外延多晶硅堵孔时mems结构已释放，外延工艺前不能清洗圆片，因此牺牲层腐蚀设备和外延设备均必须专用，造成设备投入大、工艺成本高。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是现有的微机械真空封装技术存在工艺温度高且工艺过程复杂的问题。

为解决上述技术问题，第一方面，本申请实施例公开了一种圆片级薄膜封装方法，包括：

获取芯片圆片，所述芯片圆片包括衬底、牺牲层和外壳，所述衬底上设有微机械结构，所述牺牲层设置于所述微机械结构与所述外壳之间；

刻蚀部分所述牺牲层，在所述衬底与所述外壳之间形成横向钻蚀孔；

采用蒸发或溅射工艺在所述横向钻蚀孔处沉积第一金属层，所述第一金属层具有纳米尺度的通孔，所述通孔与所述横向钻蚀孔连通形成牺牲层释放孔，所述第一金属层的厚度大于所述横向钻蚀孔在竖直方向上的尺寸；

在所述第一金属层上沉积第二金属层，所述第二金属层的熔点低于所述第一金属层的熔点；

通过所述牺牲层释放孔释放所述牺牲层，得到待封装器件；

加热所述待封装器件，加热温度介于所述第二金属层的熔点与所述第一金属层的熔点之间，使得所述第二金属层熔融铺展，从而密封所述牺牲层释放孔。

进一步的，所述横向钻蚀孔在水平方向上的尺寸大于所述横向钻蚀孔在竖直方向上的尺寸。

进一步的，所述横向钻蚀孔在竖直方向上的尺寸为0.1μm-3μm。

进一步的，所述采用蒸发或溅射工艺在所述横向钻蚀孔处沉积第一金属层，包括：

加热所述衬底，所述加热过程中的温度低于400℃。

进一步的，所述第一金属层的熔点高于600℃，所述第二金属层的熔点范围为150℃-400℃。

进一步的，所述第二金属层与所述第一金属层相对的表面之间相互浸润。

进一步的，所述第二金属层的厚度满足下列关系：

其中，h为所述第二金属层的厚度；

a为所述通孔在第一金属层上表面开口的特征尺度；

θ为所述熔融金属液在所述第一金属层上的接触角。

进一步的，所述第二金属层的厚度小于10μm。

进一步的，所述加热所述待封装器件，包括：

在真空环境中对所述待封装器件进行加热。

第二方面，本申请实施例公开了一种封装器件，所述封装器件为采用如上所述的封装方法制备而成。

采用上述技术方案，本申请实施例所述的圆片级薄膜封装方法及封装器件具有如下有益效果：

本申请实施例所述的圆片级薄膜真空封装方法，通过在封装结构上设置横向钻蚀孔，横向钻蚀孔用以在金属层上形成自对准通孔，通过在通孔处沉积少量低熔点的封口金属就可以实现封口。本申请所述的圆片级薄膜真空封装方法采用集成电路和微机电系统常用工艺，并采用低熔点金属作为封口金属，利用熔融金属在表面张力作用下铺展流淌实现真空封装，封口金属的熔点低于集成电路和mems器件可耐受的安全温度且高于后续封装工艺温度，与金属薄膜工艺兼容；封口金属层的熔融温度与低温吸气剂激活温度接近，且工艺过程中几乎不会有气体放出，因此可以采用低温吸气剂实现残余气体的吸除，实现与常规低温吸气剂工艺的兼容。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种圆片级薄膜封装方法的流程示意图；

图2为本申请实施例提供的一种芯片圆片的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的一种含有微机械结构的芯片圆片结构示意图；

图4为本申请实施例提供的一种制作芯片圆片的流程示意图；

图5为本申请实施例提供的一种填充双牺牲层的衬底结构示意图；

图6为本申请实施例提供的一种含有微机械结构的芯片圆片结构示意图；

图7为本申请实施例提供的一种采用微电铸工艺制作的外壳结构示意图；

图8为本申请实施例提供的一种刻蚀出横向钻蚀孔的芯片圆片结构图；

图9为本申请实施例提供的一种第一金属层制作完成后牺牲层释放孔放大结构示意图；

图10为本申请实施例提供的一种第二金属层制作完成后的封装结构示意图；

图11为本申请实施例提供的一种第二金属层制作完成后的封装结构局部放大示意图；

图12为本申请实施例提供的一种制作了第二金属层的结构示意图；

图13为本申请实施例提供的一种第一金属层图形化后的结构示意图；

图14为本申请实施例提供的一种牺牲层释放后的结构示意图；

图15为本申请实施例提供的一种第二金属层熔融后封住的牺牲层释放孔的结构示意图；

图16为本申请一个实施例的含有微机械结构的芯片圆片结构示意图；

图17为本申请一个实施例的大面积沉积第一金属层的结构示意图；

图18为本申请一个实施例的牺牲层释放孔放大结构示意图；

图19为本申请一个实施例的制作了第二金属层的结构示意图；

图20为本申请一个实施例的去除光刻胶后的结构示意图；

图21为本申请一个实施例的第一金属层图形化后的结构示意图；

图22为本申请一个实施例的去除光刻胶后的结构示意图；

图23为本申请一个实施例的牺牲层释放孔放大的结构示意图；

图24为本申请一个实施例的双层结构牺牲层释放后的结构示意图；

图25为本申请一个实施例的第二金属层熔融后封住的牺牲层释放孔的结构示意图；

图26为本申请一个实施例的被封住的牺牲层释放孔放大的结构示意图；

图27为本申请一个实施例的含有微机械结构的芯片圆片的结构示意图；

图28为本申请一个实施例的涂胶后大面积沉积第一金属层的结构示意图；

图29为本申请一个实施例的第一金属层图形化的结构示意图；

图30为本申请一个实施例的牺牲层释放孔放大的结构示意图；

图31为本申请一个实施例的涂胶后大面积沉积第二金属层的结构示意图；

图32为本申请一个实施例的第二金属层图形化后的结构示意图；

图33为本申请一个实施例的双层结构牺牲层释放后的结构示意图；

图34为本申请一个实施例的第二金属层熔融后封住的牺牲层释放孔的结构示意图；

图35为本申请一个实施例的被封住的牺牲层释放孔放大的结构示意图；

图36为本申请一个实施例的含有微机械结构的芯片圆片的结构示意图；

图37为本申请一个实施例的制作了第一金属层的结构示意图；

图38为本申请一个实施例的牺牲层释放孔放大的结构示意图；

图39为本申请一个实施例的制作了第二金属层的结构示意图；

图40为本申请一个实施例的牺牲层释放孔放大的结构示意图；

图41为本申请一个实施例的双层结构牺牲层释放后的结构示意图；

图42为本申请一个实施例的第二金属层熔融后封住的牺牲层释放孔的结构示意图；

图43为本申请一个实施例的被封住的牺牲层释放孔放大的结构示意图；

图44为本申请一个实施例的含有微机械结构的芯片圆片的结构示意图；

图45为本申请一个实施例的制作了牺牲层的横向钻蚀孔的结构示意图；

图46为本申请一个实施例的制作了第一金属层的结构示意图；

图47为本申请一个实施例的牺牲层释放孔放大的结构示意图；

图48为本申请一个实施例的光刻沉积第二金属层的结构示意图；

图49为本申请一个实施例的去除光刻胶后的结构示意图；

图50为本申请一个实施例的双层结构牺牲层释放后的结构示意图；

图51为本申请一个实施例的第二金属层熔融后封住的牺牲层释放孔的结构示意图；

图52为本申请一个实施例的被封住的牺牲层释放孔放大的结构示意图；

以下对附图作补充说明：

30-封装孔；301-衬底；302-微机械结构；303-外壳；304-横向钻蚀孔；305-金属种子层；306-第一金属层；307-通孔；308-第二金属层；309-光刻胶；310-牺牲层；311-第一牺牲层；312-第二牺牲层；320-吸气剂层。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本申请至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

表面微机械工艺可以用于真空封装。该技术首先采用制作覆盖敏感结构的牺牲层和真空腔外壳结构，并在外壳上开出释放孔道；然后腐蚀去除牺牲层释放敏感结构；接着用表面微机械工艺堵住释放孔道，形成气密的微真空腔；最后采用气体扩散、吸气剂吸除等方法去除微真空腔内的残余气体。由于制作牺牲层、真空腔外壳与牺牲层释放技术是表面微机械的常规工艺，表面微机械真空封装技术的主要难点在于堵孔和去除残余气体两步。基于表面微机械的常用堵孔工艺包括低压力化学气相沉积法(lowpressurechemicalvapordeposition，lpcvd)、等离子体增强化学的气相沉积法(plasmaenhancedchemicalvapordeposition，pecvd)、金属沉积等。

lpcvd堵孔工艺与episeal工艺类似，区别在于采用了lpcvd工艺代替外延工艺。由于lpcvd工艺温度通常在400℃-900℃之间，工艺温度高，其问题也与episeal工艺类似，即必须在集成电路金属引线工艺前完成，只有不需要金属引线的硅基谐振结构才可以使用该工艺进行封口；并且，由于在堵孔前微机械传感结构一般已释放，而释放后的微机械传感结构不能进行清洗，会造成lpcvd炉管沾污，因此用于堵孔工艺的lpcvd设备不能用于其他工艺，昂贵的设备成本造成该工艺难以推广。lpcvd堵孔工艺的另一个问题是，与吸气剂工艺不兼容。目前常用的非挥发吸气剂均含金属材料，不能进入lpcvd设备中。因此只有基于硅烷的lpcvd多晶硅堵孔工艺可通过后续的氢气扩散驱除残余气体，其他lpcvd工艺均无法解决去除残余气体的问题。

pecvd堵孔工艺温度虽然通常低于400℃，但其所沉积的材料存在针孔，材质疏松，材料本身存在气密性问题。常用的pecvd二氧化硅等为非气密性材料。pecvd堵孔工艺的可靠性与寿命均存在问题。

金属沉积堵孔工艺包括金属溅射和金属蒸发等。由于金属溅射和蒸发的工艺温度低，其工艺温度与金属布线工艺、吸气剂工艺等兼容，基于金属沉积堵孔的工艺有望实现集成电路工艺后的薄膜真空封装。但是，金属沉积堵孔工艺的问题在于金属沉积层中会出现源于释放孔道的纳米尺度孔道，该孔道的特征尺寸在几十到一百多纳米，长度可达数微米到近十微米，一般从释放孔道处一直延伸到金属层上表面，并在金属层上表面形成纳米尺度的开口，使腔体与大气联通，难以实现气密。

如图1所示，本申请实施例提供了一种圆片级薄膜封装方法，包括：

s101：获取芯片圆片。

本申请实施例中，芯片圆片可以为目前市面上任意常见设有微机械结构302的芯片圆片；也可以为利用现有的微机械工艺制作得到的芯片圆片。如图2所示，芯片圆片上有若干封装孔30，本申请实施例选择任意一个封装孔30的剖面结构进行说明。图3中所示结构为图2中封装孔30的局部结构的剖面图。如图3所示，芯片圆片包括衬底301、牺牲层310和外壳303，衬底301上设有微机械结构302，外壳303设置在衬底301和牺牲层310上。外壳303用于保护微机械结构302，当牺牲层310释放后，外壳303与衬底301之间形成真空腔体，微机械结构302处于该真空腔体内。

图4为本申请实施例提供的一种制作芯片圆片的流程示意图，如图4所示，制作芯片圆片，包括：

s401：制作微机械结构302。

本申请实施例中，采用常规的微机械工艺制作微机械结构302，得到包括微机械结构302的衬底301。衬底301可选为普通硅片、soi(silicon-on-insulator)、硅片等表面淀积的薄膜等。可选的，采用体微机械工艺在普通硅片、soi顶层硅等上制作微机械结构302。可选的，采用表面微机械工艺在硅片等表面淀积的薄膜上制作表面微机械结构302。可选的，微机械结构302为微机械传感结构、微机械执行结构或微机械控制结构。

s403：在衬底301上制作牺牲层310。

本申请实施例中，牺牲层310可以为单层结构，也可以为多层结构。优选的，牺牲层310包括第一牺牲层311和第二牺牲层312。如图5所示，第一牺牲层311填充微机械结构302；第二牺牲层312设置在衬底301和第一牺牲层311的表面，第一牺牲层311和第二牺牲层312共同构成双层牺牲层310结构。在衬底301上制作牺牲层310包括：制作第一牺牲层311，第一牺牲层311的作用是保护工艺过程中mems器件结构不被破坏，而且在牺牲层310释放后为mems器件提供活动空间。可选的，制作第一牺牲层311的方法包括：热氧化二氧化硅、lpcvd二氧化硅、pecvd二氧化硅、旋涂有机薄膜等。第一牺牲层311沉积完成后利用光刻、腐蚀等工艺实现第一牺牲层311的图形化。可选的，图形化第一牺牲层311的方法包括：干法腐蚀、湿法腐蚀和蒸汽腐蚀等。最后采用常规去胶工艺去除光刻胶309，完成第一牺牲层311的制作。完成制作第一牺牲层311后，在第一牺牲层311及衬底301上制作第二牺牲层312。制作第二牺牲层312的目的是制作出小尺寸的牺牲层310横向钻蚀孔304，以减少自对准形成纳米通孔307需要沉积的金属层的厚度。可选的，制作第二牺牲层312的方法包括：热氧化二氧化硅、lpcvd二氧化硅、pecvd二氧化硅、旋涂有机薄膜等。第二牺牲层312沉积完成后利用光刻和腐蚀等工艺实现第二牺牲层312的图形化。可选的，图形化第二牺牲层312的方法包括：干法腐蚀、湿法腐蚀和蒸汽腐蚀等。最后采用常规去胶工艺如，等离子体去胶工艺，去除光刻胶309，完成第二牺牲层312的制作。

本申请实施例中，制作牺牲层310所采用的材料能够通过高选择性的腐蚀技术完全去除，不会留下固体或液体残留物，且去除牺牲层310的高选择性腐蚀技术对外壳303和后续制作封装结构腐蚀程度小于其腐蚀前厚度的十分之一。

s405：在牺牲层310和衬底301上制作外壳303。

本申请实施例中，如图6所示，牺牲层310制作完成后，在牺牲层310和衬底301上制作外壳303，外壳303的端部锚定在衬底301上，外壳303的剩余部分设置在牺牲层310上。外壳303用于保护微机械结构302，当牺牲层310释放后，外壳303与衬底301之间形成腔体结构，微机械结构302处于该腔体结构内。外壳303沉积可以采用lpcvd沉积、pecvd沉积、溅射等工艺，可选的，沉积的材料包括：多晶硅、低应力氮化硅、碳化硅、铝等。外壳303沉积完成后，利用光刻和腐蚀等工艺实现外壳303的图形化，最后采用常规去胶工艺去除光刻胶309，完成外壳303的制作。可选的，采用lpcvd工艺沉积多晶硅，然后利用光刻技术将外壳303的腐蚀窗口暴露出来，接着采用反应离子刻蚀技术将外壳303制作成型，最后采用piranha溶液湿法去胶工艺去除光刻胶309，完成结外壳303的制作。

在一些实施例中，外壳303可以采用如下方法制作：首先光刻形成外壳303的负片图形，然后溅射金属外壳303，最后采用常规去胶工艺去除光刻胶309和光刻胶309上的金属，完成外壳303的制作。可选的，金属材料包括：铝、铜等。在另一些实施例中，如图7所示，外壳303还可以采用如下方法制作：首先在牺牲层310上溅射金属种子层305，可选的，金属种子层305的材料为：tiw/au，tiw/cu，cr/au，cr/cu等。然后光刻形成外壳303的负片图形，接着采用微电铸工艺制作金属外壳303，可选的，制作金属外壳303材料包括：低应力镍、铜等。再采用常规去胶工艺去除光刻胶309，最后采用腐蚀工艺，将金属种子层305图形化，完成外壳303的制作。

本申请实施例中，外壳303应与第二金属层308不浸润。外壳303的厚度和跨度设计应保证在一个大气压的压强下，外壳303向下弯曲变形小于牺牲层310厚度的50％。去除牺牲层310的高选择性腐蚀技术对外壳303的腐蚀应小于其腐蚀前厚度的十分之一。

s103：刻蚀部分牺牲层310，在衬底301与外壳303之间形成横向钻蚀孔304。

本申请实施例中，外壳303制作完成后，刻蚀外壳303与衬底301之间的牺牲层310，通过短时间的腐蚀，在外壳303和衬底301之间形成横向钻蚀孔304。如图3和图8所示，横向钻蚀孔304的作用是形成用于自对准制作纳米通孔307的不连续界面，即外壳303与衬底301间由于横向钻蚀孔304的存在，是不连续的。为保证后续制作的第一金属层306中能够自然形成纳米尺度的通孔307，横向钻蚀孔304的深度大于横向钻蚀孔304的高度。横向钻蚀孔304的高度即为衬底301与外壳303之间的距离，可选的，横向钻蚀孔304的高度为0.1μm-3μm。制作横向钻蚀孔304采用的方法实质为，采用刻蚀工艺进行一次短时间的牺牲层310释放。可选的，制作横向钻蚀孔304可以采用湿法腐蚀、干法腐蚀和蒸汽腐蚀等工艺实现。

本申请实施例中，横向钻蚀孔304在牺牲层310上横向钻蚀深度略大于外壳303与衬底301之间牺牲层310的厚度，以保证开口处的牺牲层310完全腐蚀干净，但是大部分牺牲层310应保留，为外壳303提供支撑并保护mems结构，使整个结构能够耐受后续的常规清洗工艺、光刻工艺、制作金属层工艺等。横向钻蚀孔304制作完成后，整个结构应能够耐受后续的常规清洗工艺、光刻工艺、制作金属层工艺等。制作横向钻蚀孔304所采用的方法应对真空外壳303结构层303和后续制作封装结构腐蚀程度小于其腐蚀前厚度的十分之一。制作横向钻蚀孔304所采用的方法应不会留下无法通过清洗和干法工艺去除的固体或液体残留物，并且不会对集成电路或mems器件结构造成影响。

s105：采用蒸发或溅射工艺在横向钻蚀孔304处沉积第一金属层306，第一金属层306具有纳米尺度的通孔307，第一金属层306的厚度大于横向钻蚀孔304在竖直方向上的尺寸。

本申请实施例中，横向钻蚀孔304制作完成后，采用清洗工艺对器件进行清洗，去除制作牺牲层310横向钻蚀孔304留下的固体或液体残留物，避免固体或液体残留物对集成电路或mems器件结构造成影响。可选的，清洗工艺可以采用集成电路rca标准清洗、有机溶剂清洗、去离子水冲洗、超声波清洗、干法等离子体等方法。

本申请实施例中，对器件清洗完成后，采用蒸发或溅射工艺在外壳303和衬底301上制作第一金属层306。如图9所示，由于横向钻蚀孔304的存在，衬底301和外壳303之间存在不连续界面，在蒸发或溅射沉积第一金属层306时，第一金属层306上与横向钻蚀孔304对应的位置会自然形成纳米量级的通孔307。该通孔307从横向钻蚀孔304处一直延伸到第一金属层306的上表面，其宽度在横向钻蚀孔304处与横向钻蚀孔304相等，然后快速收缩到几十到一百多纳米，此后宽度几乎不再改变，一直保持在几十到一百多纳米。其长度可达近十微米。由于集成电路金属沉积工艺制作的金属层厚度一般小于10微米，因此纳米量级的通孔307不会随着金属沉积条件的改变而消失。通孔307与横向钻蚀孔304连通形成牺牲层310释放孔，后续释放牺牲层310工艺中通过牺牲层310释放孔将牺牲层310释放。

如图9所示，本申请实施例通过溅射或蒸发工艺制作第一金属层306，第一金属层306上会在横向钻蚀孔304处自对准形成纳米通孔307。第一金属层306采用溅射或蒸发工艺制作，蒸发或溅射工艺对衬底301的加热温度需低于器件结构的耐受温度，可选的，加热温度低于400℃。第一金属层306可以为单金属层结构，也可以为包括多层金属层的复合结构，多层金属层之间的接触面可以相互浸润，也可以不浸润。可选的，沉积第一金属层306的材料包括tiw/cu、ni/au等。利用光刻和腐蚀工艺实现金属层的图形化，最后去除光刻胶309，完成第一金属层306的制作。去除光刻胶309的方法包括：丙酮去胶、有机去胶液去胶、等离子体去胶等。在一些实施例中，第一金属层306还可以采用如下方法制作：首先光刻形成第一金属层306的负片图形，然后溅射第一金属层306，同时自对准形成纳米尺度牺牲层310通孔307，可选的，第一金属层306材料包括tiw/cu、ni/au等。最后采用常规去胶工艺去除光刻胶309和光刻胶309上的金属，完成第一金属层306的制作。

本申请实施例中，为使第一金属层306沉积的同时能够自对准形成纳米通孔307，其沉积需采用溅射或蒸发工艺。第一金属层306的熔点高于后续制作的第二金属层308，可选的，第一金属层306的熔点高于600℃。第一金属层306可采用单层金属层，如钛、钨、铜、金、镍，铬等。也可以采用复合金属层，如tiw/cu、ni/au等，底部的tiw、ni等金属实现与外壳303的粘附，表面的cu、au等金属提供与第二金属层308的浸润层。

s107：在第一金属层306上沉积第二金属层308，第二金属层308的熔点低于第一金属层306的熔点。

本申请实施例中，如图10所示，第一金属层306制作完成后，在通孔307处沉积第二金属层308作为封口金属，第二金属层308与第一金属层306的上表面浸润。如图10所示，第二金属层308的一端靠近通孔307，第二金属层308下表面与通孔307的距离由光刻工艺决定，一般可设计为最小光刻线宽。制作第二金属层308有多种方法，如图11所示，制作第二金属层308，首先大面积溅射或蒸发金属，可选的，第二金属层308的材料包括sn、in、sn2sb2s5等。然后利用光刻和腐蚀工艺实现第二金属层308的图形化，最后去除光刻胶309，完成第二金属层308的制作，制作完成后的第二金属层308不能完全堵塞纳米量级通孔307。在一些实施例中，第二金属层308还可以采用如下方法制作：首先光刻形成第二金属层308的负片图形，然后溅射或蒸发第二金属层308，可选的，第二金属层308的材料包括sn、in、sn2sb2s5等。最后采用常规去胶工艺去除光刻胶309和光刻胶309上的金属，完成第二金属层308的制作。在另一些实施例中，第二金属层308还可以采用如下方法制作：如图12所示，首先在制作第一金属层306时大面积溅射或蒸发具有连续表面的第一金属层306，同时自对准形成纳米尺度金属通孔307；然后光刻形成第二金属层308的负片图形，光刻胶309应完全覆盖纳米尺度的通孔307，以避免后续电镀工艺封住通孔307；接着电镀第二金属层308，可选的，电镀第二金属层308的材料包括sn、sn-ag-cu合金等。然后采用常规去胶工艺去除光刻胶309，完成第二金属层308的制作。如图13所示，第二金属层308制作完成后，接着采用光刻或腐蚀工艺实现第一金属层306的图形化，光刻胶309应完全覆盖住通孔307，目的是为了保证纳米尺度的通孔307不被腐蚀去除，第一金属层306图形化的目的是保证熔融的第二金属层308仅在通孔307周围指定区域内铺展流淌。最后采用常规去胶工艺去除光刻胶309，完成第一金属层306的图形化。可选的，去除光刻胶309采用的方法包括：丙酮去胶、有机去胶液去胶、等离子体去胶等。

本申请实施例中，第二金属层308的熔点低于第一金属层306，并且第二金属层308的熔点低于前序工艺所有材料的熔点且高于后续封装工艺温度，可选的，第二金属层308的熔点范围为150℃-400℃。第二金属层308与第一金属层306的上表面能够相互浸润，但是第二金属层308的材质与外壳303不浸润。熔融的第二金属层308与第一金属层306反应所消耗的厚度小于第一金属层306厚度的70％。在封装结构进行封装时，真空下加热第二金属层308，使第二金属层308受热熔化形成熔融金属液，由于第二金属层308与第一金属层306表面浸润，基于表面能最小原理，熔融金属液在其表面张力作用下，在第一金属层306的表面铺展自动封住纳米通孔307，实现圆片级薄膜真空封装。由于通孔307表面开口的特征尺寸在纳米量级，基于能量最低原理，熔融的第二金属层308表面倾向收缩，即有受最小表面力的趋势，趋于形成最小表面，因此，为了实现封口，铺展后的第二金属层308的厚度h需满足：

式中，h为第二金属层308的厚度；a为通孔307在第一金属层306上表面开口的特征尺度，当通孔307在第一金属层306上表面的开口近似为圆形时，a为圆形直径；当通孔307在第一金属层306上表面开口近似为矩形时，a为矩形短边的长度；所述通孔307在第一金属层306上表面开口近似为椭圆形时，a为椭圆形短轴的长度；θ为熔融金属液在第一金属层306上的接触角。

由于第一金属层306中自对准形成的通孔307表面开口的特征尺寸在纳米尺度，在后续熔融封口过程中只需要很薄的第二金属层308就可以实现封口。当通孔307的尺寸小至几十到一百多纳米时，铺展后的第二金属层308的厚度只需在几十纳米以上就可以封住通孔307，可选的，第二金属层308的厚度小于10μm。由于第二金属层308在熔融状态下铺展过程中会与第一金属层306形成合金，薄的第二金属层308意味着只需要薄的第一金属层306就可以保证合金过程不会完全消耗掉第一金属层306，从而保证工艺的可靠性。

s109：通过牺牲层310释放孔释放牺牲层310，得到待封装器件。

本申请实施例中，如图14所示，第二金属层308制作完成后，通过牺牲层310释放孔将牺牲层310释放。牺牲层310的释放采用sio2(金属后)湿法腐蚀工艺，其腐蚀液通过纳米通孔307与牺牲层310结构反应，实现牺牲层310释放。在一些实施例中，还可以采用富o2等离子体刻蚀技术工艺实现牺牲层310释放，o2等离子体通过纳米通孔307与牺牲层310结构反应，完成牺牲层310的释放。图14为待封装器件结构示意图，如图14所示，牺牲层310释放后外壳303与微机械结构302之间形成腔体结构，微机械结构302处于牺牲层310释放后的腔体结构内。

本申请实施例中，当牺牲层310被完全去除时，牺牲层310释放工艺对外壳303、第一金属层306和第二金属层308的腐蚀应小于腐蚀前厚度的十分之一。此外，牺牲层310释放工艺应能完全去除牺牲层310材料，不会留下无法通过干法工艺去除的固体或液体残留物，并且不会对集成电路或mems器件结构造成影响。可选的，牺牲层310可采用湿法腐蚀、干法腐蚀和蒸汽腐蚀等工艺去除。

s111：加热待封装器件，加热温度介于第二金属层308的熔点与第一金属层306的熔点之间，使得第二金属层308熔融铺展，从而密封牺牲层310释放孔。

本申请实施例中，如图15所示，牺牲层310去除完成后，加热第二金属层308，使第二金属层308受热熔融，由于第二金属层308与第一金属层306表面浸润，熔融的第二金属层308在其表面张力作用下，熔融金属液在第一金属层306的表面铺展流淌，封住纳米通孔307，从而实现牺牲层310释放孔的密封，完成封装。上述加热过程可以在真空环境或非真空环境下进行，具体可根据微机械结构302的类型及工作要求来选择。本申请实施例的第二金属层308熔融回流在真空环境下进行，整个过程中的加热温度应高于第二金属层308的熔点，且低于集成电路和mems器件可耐受的安全温度。

本申请实施例还公开了一种封装器件，该封装器件为采用上述封装方法制备而成。

本申请实施例所述的真空封装方法与薄膜工艺和表面微机械技术兼容。由于第一金属层306自对准形成的通孔307表面开口的特征尺寸在纳米量级，在后续熔融封口过程中只需要很薄的第二金属层308，就可以实现封口。由于第二金属层308在熔融铺展过程中会与第一金属层306形成合金，薄的第二金属层308意味着只需要薄的第一金属层306，就可以保证合金过程不会完全消耗掉第一金属层306，从而保证工艺的可靠性。常规的表面微机械工艺均为薄膜工艺，自对准形成纳米通孔307的技术使得本专利与薄膜工艺和表面微机械技术兼容。

本申请实施例所述的真空封装方法与金属布线工艺兼容。采用lpcvd、金属沉积、电镀等集成电路和微机电系统常用工艺，并采用熔点低于mems器件可耐受温度的第二金属层308作为封口金属，利用熔融第二金属层308在表面张力作用下铺展流淌实现真空封装，与金属薄膜工艺兼容。因此，可在制作第一金属层306前完成互补金属氧化物半导体(complementarymetaloxidesemiconductor，cmos)金属布线和其他金属结构。从制作第一金属层306至第二金属层308熔融封口的真空封口工艺是post-cmos工艺。

本申请实施例所述的真空封装方法与常规的低温吸气剂工艺兼容。第二金属层308熔融温度与低温吸气剂激活温度接近，且工艺过程中几乎不会有气体放出，因此可采用低温吸气剂实现残余气体的吸除。

基于上文中可选的实施方式，下面介绍四种可选的实施例。

实施例1：

本实施例中，牺牲层310采用热氧化sio2制作，外壳303采用lpcvd多晶硅制作，牺牲层310横向钻蚀孔304采用sio2(金属前)湿法腐蚀工艺制作，第一金属层306采用金属溅射tiwu/cu制作，并自对准形成纳米通孔307，第二金属层308采用电镀无铅锡制作。具体步骤为：

制作微机械结构302：如图16所示，微机械结构302采用常规体微机械工艺制作。

制作双层牺牲层310结构：如图16所示，双层牺牲层310结构采用热氧化sio2制作，首先采用热氧化sio2制作第一牺牲层311，利用光刻、sio2(金属前)湿法腐蚀工艺实现第一牺牲层311的图形化，采用等离子体去胶工艺去除光刻胶309，完成第一牺牲层311的制作。然后采用热氧化sio2制作第二牺牲层312，利用光刻、干法腐蚀工艺实现第二牺牲层312的图形化，最后采用等离子体去胶工艺去除光刻胶309，完成第二牺牲层312的制作。第一牺牲层311与第二牺牲层312共同构成双层牺牲层310结构。

制作外壳303：如图16所示，外壳303首先采用lpcvd工艺沉积多晶硅，然后利用光刻技术将外壳303的腐蚀窗口暴露出来，接着采用反应离子刻蚀技术将外壳303制作成型，最后采用piranha溶液湿法去胶工艺去除光刻胶309，完成外壳303的制作。

制作横向钻蚀孔304：如图16所示，横向钻蚀孔304采用sio2(金属前)湿法腐蚀工艺制作，通过短时间的腐蚀，使牺牲层310横向钻蚀深度略大于开口处的牺牲层310深度，以保证开口处的牺牲层310完全腐蚀干净且大部分牺牲层310保留下来，为结构层提供支撑并保护mems结构，使整个结构能够耐受后续的常规清洗工艺、光刻工艺、制作金属层工艺等。

清洗：清洗工艺采用去离子水冲洗去除牺牲层310横向钻蚀孔304制作完成后留下的固体或液体残留物，避免固体或液体残留物对集成电路或mems器件结构造成影响。

沉积第一金属层306：如图17和18所示，第一金属层306采用先大面积溅射具有连续表面的tiwu/cu，并自对准形成纳米通孔307，第一金属层306覆盖在外壳303和衬底301上。

制作用于封口的第二金属层308：如图19和20所示，第二金属层308采用上述步骤中大面积沉积的第一金属层306作为种子层，其材料为tiwu/cu；然后光刻形成第二金属层308的负片图形，并采用电镀工艺电镀无铅锡，该步骤光刻胶309需完全覆盖纳米通孔307，以避免电镀工艺导致纳米通孔307闭合，最后采用丙酮去胶工艺去除光刻胶309，制成第二金属层308。

图形化第一金属层306：本实施例中，由于第二金属层308采用的是电镀工艺制作，并且以第一金属层306作为种子层，因此第一金属层306是连续的。第一金属层306与第二金属层308相互浸润，如若不将第一金属层306图形化，那么第二金属层308将在熔融后在第一金属层306的表面随意流淌，因此需要图形化第一金属层306，使得第二金属层308只能在限定区域内铺展封住纳米通孔307。如图21所示，第一金属层306的图形化首先采用光刻或等离子体刻蚀第一金属层306，该步骤光刻胶309需完全覆盖纳米通孔307，以避免等离子体刻蚀工艺去除纳米通孔307，最后采用丙酮去胶工艺去除光刻胶309，完成第一金属层306的图形化。如图22和23所示，第二金属层308与通孔307之间通过光刻形成一定的间距。

牺牲层310释放：如图24所示，牺牲层310的释放采用sio2(金属后)湿法腐蚀工艺，其腐蚀液通过纳米通孔307与双层牺牲层310结构反应，实现牺牲层310释放。

真空下熔融回流封口第二金属层308，实现真空封装：如图25和26所示，封口第二金属层308的熔融条件为：(1)真空环境；(2)温度高于235℃。熔融的第二金属层308在其表面张力作用下，在第一金属层306表面铺展流淌，自动封住纳米通孔307。

实施例2：

本实施例中，牺牲层310采用lpcvd二氧化硅制作，外壳303采用微电铸低应力ni制作，牺牲层310上横向钻蚀孔304采用sio2(金属后)湿法腐蚀工艺制作，第一金属层306采用金属蒸发ni/au制作，并自对准形成纳米通孔307，第二金属层308采用金属溅射sn制作。具体步骤为：

制作微机械结构302：如图27所示，微机械结构302采用常规体微机械工艺制作。

制作双层牺牲层310结构：如图27所示，双层牺牲层310结构采用lpcvd二氧化硅制作，首先采用lpcvdsio2制作第一牺牲层311，利用光刻/sio2(金属前)湿法腐蚀工艺实现第一牺牲层311的图形化，采用等离子体去胶工艺去除光刻胶309，完成第一牺牲层311的制作。然后采用lpcvdsio2制作第二牺牲层312，利用光刻/干法腐蚀工艺实现第二牺牲层312的图形化，最后采用等离子体去胶工艺去除光刻胶309，完成第二牺牲层312的制作。第一牺牲层311与第二牺牲层312共同构成双层牺牲层310结构。

制作外壳303：如图27所示，外壳303采用首先溅射金属种子层305，然后光刻形成外壳303的负片图形，接着采用微电铸低应力镍工艺制作金属外壳303，最后采用丙酮去胶技术去除光刻胶309，完成外壳303的制作。镍的表面容易在潮湿的空气形成一层致密的氧化膜，该层氧化膜与后续封口第二金属层308不浸润。

制作牺牲层310的横向钻蚀孔304：如图27所示，牺牲层310上的横向钻蚀孔304采用sio2(金属后)湿法腐蚀工艺制作。

清洗：清洗工艺采用去离子水冲洗去除牺牲层310横向钻蚀孔304制作完成后留下的固体或液体残留物，避免固体或液体残留物对集成电路或mems器件结构造成影响。

制作第一金属层306：如图28所示，第一金属层306首先采用光刻技术形成第一金属层306的负片图形，然后采用金属蒸发ni/au工艺沉积第一金属层306，并自对准形成纳米通孔307，最后采用丙酮去胶工艺去除光刻胶309和光刻胶309上的金属层，完成第一金属层306的制作。如图29和30所示，第一金属层306上自然形成有纳米尺度的通孔307。

制作用于封口的第二金属层308：如图31和32所示，第二金属层308首先采用光刻技术形成第二金属层308的负片图形，然后采用金属溅射sn沉积第二金属层308，最后采用丙酮去胶工艺去除光刻胶309和光刻胶309上的金属层，完成第二金属层308的制作。

牺牲层310释放：如图33所示，牺牲层310的释放采用sio2(金属后)湿法腐蚀工艺，其腐蚀液通过纳米通孔307与双层牺牲层310结构反应，实现牺牲层310释放。

真空下熔融回流封口第二金属层308，实现真空封装：如图34和35所示，封口第二金属层308的熔融条件为：(1)真空环境；(2)温度高于235℃。利熔融的第二金属层308在其表面张力作用下，在第一金属层306表面铺展流淌，自动封住纳米通孔307。

实施例3：

本实施例中，牺牲层310结构采用pecvd二氧化硅制作，外壳303采用pecvd多晶硅制作，牺牲层310横向钻蚀孔304采用sio2(金属前)湿法腐蚀工艺制作，第一金属层306采用金属溅射ni/au制作，并自对准形成纳米通孔307，第二金属层308采用金属溅射in制作。具体步骤为：

制作微机械结构302：如图36所示，微机械结构302采用常规体微机械工艺制作。

制作双层牺牲层310结构：如图36所示，双层牺牲层310结构采用pecvd二氧化硅制作，首先采用pecvdsio2制作第一牺牲层311，利用光刻/sio2(金属前)湿法腐蚀工艺实现第一牺牲层311的图形化，最后采用等离子体去胶工艺去除光刻胶309，完成第一牺牲层311的制作。然后采用pecvdsio2制作第二牺牲层312，然后利用光刻/干法腐蚀工艺实现第二牺牲层312的图形化，最后采用等离子体去胶工艺去除光刻胶309，完成第二牺牲层312的制作。第一牺牲层311与第二牺牲层312共同构成双层牺牲层310结构。

制作外壳303：如图36所示，外壳303首先采用pecvd沉积多晶硅，然后利用光刻/反应离子刻蚀工艺实现外壳303的图形化；最后采用丙酮去胶工艺去除光刻胶309，完成外壳303的制作。

制作牺牲层310的横向钻蚀孔304：如图36所示，横向钻蚀孔304采用sio2(金属前)湿法腐蚀工艺制作。

清洗：清洗工艺采用去离子水冲洗去除牺牲层310横向钻蚀孔304制作完成后留下的固体或液体残留物，避免固体或液体残留物对集成电路或mems器件结构造成影响。

制作第一金属层306：如图37和38所示，第一金属层306采用首先溅射ni/au，并自对准形成纳米通孔307；然后利用光刻技术将第一金属层306的腐蚀窗口暴露出来，光刻胶309需完全覆盖纳米通孔307，以避免等离子体刻蚀工艺去除纳米通孔307；最后使用等离子体刻蚀技术去除腐蚀窗口处的ni/au，并采用丙酮去胶技术去除光刻胶309，完成第一金属层306的制作。

制作用于封口第二金属层308：如图39和40所示，第二金属层308采用首先溅射in，并自对准形成纳米通孔307；然后利用光刻技术将第二金属层308的腐蚀窗口暴露出来，光刻胶309需完全覆盖纳米通孔307，以避免等离子体刻蚀工艺去除纳米通孔307；最后使用等离子体刻蚀技术去除腐蚀窗口处的in，并采用丙酮去胶技术去除光刻胶309，完成第二金属层308的制作。

牺牲层310释放：如图41所示，牺牲层310的释放采用sio2(金属后)湿法腐蚀工艺，腐蚀溶液通过纳米通孔307与牺牲层310反应，实现双层牺牲层310的释放。

真空下熔融回流封口第二金属层308，实现真空封装：如图42和43所示，封口第二金属层308的熔融条件为：(1)真空环境；(2)温度高于157℃。利熔融的第二金属层308在其表面张力作用下，在第一金属层306表面铺展流淌，自动封住纳米通孔307。

实施例4：

本实施例中，牺牲层310结构采用polyimidepi2610制作，吸气剂层320采用金属溅射ti制作，外壳303采用lpcvd氮化硅制作，牺牲层310横向钻蚀孔304采用o2等离子体刻蚀技术制作，第一金属层306采用金属蒸发ni/au制作并自对准形成纳米通孔307，第二金属层308采用溅射sn制作。具体步骤为：

制作微机械结构302：如图44所示，微机械结构302采用常规体微机械工艺制作。

制作双层牺牲层310结构：如图44所示，双层牺牲层310结构采用polyimidepi2610制作，首先旋涂polyimidepi2610，并经过两次烘烤去除其部分溶剂，使其更加稳定，烘烤条件分别为90℃温度下烘烤3分钟和180℃温度下烘烤90s；接着将其置入400℃的氮气环境下进行固化；然后沉积sic层作为牺牲层310刻蚀的硬掩膜；接着利用光刻技术和alcatelgir300氟刻蚀机将sic层和polyimidepi2610层刻蚀成型，sic层的刻蚀采用cf4、sf6和o2的混合气体，polyimidepi2610采用o2等离子体进行刻蚀；然后采用丙酮去除光刻胶309；利用alcatelgir300氟刻蚀机将剩余sic层去除，完成第一牺牲层311的制作。最后制作第二牺牲层312，第二牺牲层312的制作方法与第一牺牲层311相同。第一牺牲层311与第二牺牲层312共同构成双层牺牲层310结构。

制作吸气剂层320：如图44所示，吸气剂层320采用首先溅射ti，然后利用光刻技术将吸气剂层320的腐蚀窗口暴露出来；最后使用等离子体刻蚀技术去除腐蚀窗口处的ti，并采用丙酮去胶技术去除光刻胶309，完成吸气剂层320的制作。

制作外壳303：如图44所示，外壳303首先采用pecvd工艺沉积低应力氮化硅，然后利用光刻技术将外壳303的腐蚀窗口暴露出来并采用反应离子刻蚀技术将外壳303制作成型，最后采用丙酮去胶工艺去除光刻胶309，完成外壳303的制作。

制作牺牲层310的横向钻蚀孔304：如图45所示，牺牲层310的横向钻蚀孔304采用o2等离子体刻蚀技术制作，通过短时间的刻蚀，使牺牲层310横向钻蚀深度略大于开口处的牺牲层310深度，以保证开口处的牺牲层310完全腐蚀干净且大部分牺牲层310保留下来，为结构层提供支撑并保护mems结构，使整个结构能够耐受后续的常规清洗工艺、光刻工艺、制作金属层工艺等。

清洗：清洗工艺采用去离子水冲洗去除牺牲层310横向钻蚀孔304制作完成后留下的固体或液体残留物，避免固体或液体残留物对集成电路或mems器件结构造成影响。

制作第一金属层306：如图46和47所示，第一金属层306首先采用金属蒸发ni/au，并自对准形成纳米尺度金属牺牲层310通孔307；然后利用光刻技术将第一金属层306的腐蚀窗口暴露出来，光刻胶309需完全覆盖纳米通孔307，以避免等离子体刻蚀工艺去除纳米通孔307；最后采用等离子体刻蚀技术去除腐蚀窗口处的ni/au，并采用丙酮去胶技术去除光刻胶309，完成第一金属层306的制作。

制作用于封口第二金属层308：如图48和49所示，第二金属层308采用首先光刻形成第二金属层308的负片图形，然后采用溅射sn工艺制作第二金属层308，最后采用丙酮去胶工艺去除光刻胶309和光刻胶309上的金属层，完成第二金属层308的制作。

牺牲层310释放：如图50所示，牺牲层310的释放采用富o2等离子体刻蚀技术工艺实现，o2等离子体通过纳米通孔307与双层牺牲层310结构反应，完成牺牲层310的释放。

真空下熔融回流封口第二金属层308，实现真空封装：如图51和52所示，封口第二金属层308的熔融条件为：(1)真空环境；(2)温度高于235℃。利熔融的第二金属层308在其表面张力作用下，在第一金属层306表面铺展流淌，自动封住纳米通孔307。

以上所述仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。