Mems圆片级真空封装结构及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于微机电系统(MEMS)封装技术领域，尤其涉及一种MEMS圆片级真空封装结构及加工方法。
【背景技术】
[0002]随着微机电系统(MEMS)技术的飞速发展，各种MEMS器件产品作为高品质传感器或者探测器在工业传感、图象通信、消费电子、汽车工业、军事工业等领域得到越来越多的应用。很多MEMS器件，如基于谐振结构的微陀螺仪、微加速度计、微滤波器、微超声波传感器、微生物分子质量检测仪等都需要采用真空封装来降低机械运动部件运动时的气体阻尼，提高器件的品质因数，从而改善器件的性能。
[0003]真空封装可分为器件级真空封装与圆片级真空封装。目前在工业生产中MEMS器件主要采用器件级真空封装，器件级真空封装成本较高，主要应用于航空航天、国防等领域。而圆片级真空封装能极大地降低成本，提高工艺参数一致性、产品的成品率与可靠性，能进一步拓展高性能MEMS器件在国防、航空航天、通讯、汽车、工业自动化、电子等众多领域的应用，是MEMS封装技术发展的重点。
[0004]目前，MEMS圆片级真空封装通常采用圆片级键合方式实现，金属引线一般采用纵向通孔(TSV或GSV)，工艺复杂，成本高，可靠性差。为此，众多研宄机构着力开发新结构和新工艺实现MEMS圆片级真空封装。
【发明内容】
[0005]有鉴于此，本发明的目的在于提供一种MEMS圆片级真空封装结构及加工方法，本发明能够解决圆片级真空封装中键合工艺不稳定以及金属引线互连的问题，降低工艺难度和加工成本，提高工艺成品率。
[0006]本发明采用如下技术方案达到所述目的:
[0007]1、MEMS圆片级真空封装结构，包括绝缘衬底、MEMS芯片结构层和盖板，三者通过圆片级键合方式连接成一体，形成真空腔室；
[0008]所述MEMS芯片结构层设置在绝缘衬底和盖板之间，包括闭合环状的支撑结构和位于支撑结构环内部的敏感单元；支撑结构上端面设置有与支撑结构适形的第三键合环，下端面设置有与支撑结构适形的第四键合环；
[0009]所述绝缘衬底包括设置在绝缘衬底上同时与第三键合环键合的第一、第二键合环和设置在第一键合环内部的金属电极，以及设置在第一键合环外部的焊盘；所述第二键合环为不完全闭合结构，在金属引线处设置有开口，所述金属电极与焊盘通过设置在开口处的金属引线连通；
[0010]所述绝缘衬底上设置有与第一键合环适形的环状凹槽I，所述环状凹槽I延伸穿过第一键合环；所述第二键合环包括填充于凹槽I中的电绝缘层和位于电绝缘层之上的键合层；所述键合层高于第一键合环；
[0011]所述盖板上设置有与第四键合环键合的第五键合环和给敏感单元提供运动空间的凹槽II ;所述凹槽II底部设有薄膜吸气剂。
[0012]优选的，所述敏感单元包括敏感质量块和将敏感质量块固定于支撑结构上的悬臂梁，所述敏感质量块与金属电极尺寸位置相对应。
[0013]优选的，所述绝缘衬底为Pyrex 7740玻璃；所述MEMS芯片结构层为单晶硅；所述盖板为玻璃盖板或硅盖板。
[0014]优选的，所述粘附层厚度在5-50nm之间，金属层厚度在100_500nm之间。
[0015]更优选的，所述金属层的材料为Au、Pt、Cu、Ag、Al、W中的一种，所述粘附层的材料为 T1、TiW、Cr、Ta、N1、Pd、Mo 中的一种。
[0016]更优选的，粘附层厚度为40nm，金属层厚度为120nm。
[0017]优选的，所述第一键合环为闭合环状玻璃键合环；所述第二键合环为不完全闭合的金属或聚合物键合环，第二键合环的不完全闭合环状结构设计一方面可以实现金属引线的横向互连，另一方面可以将真空腔室与外界环境隔开，保证真空腔室的密封性。
[0018]优选的，所述电绝缘层为S1Jl、Si3N4层或AlN层，所述电绝缘层高度与第一键合环持平或略低于第一键合环。
[0019]优选的，所述键合层宽度小于电绝缘层。
[0020]优选的，所述键合层为金属层或聚合物层。
[0021]更优选的，所述键合层为Ti/Au、Cu、苯丙环丁烯(BCB)或SU8光刻胶，键合层厚度为 200nm_3 μm。
[0022]优选的，所述键合层为金属层时，键合层高于第一键合环100_500nm，所述键合层为聚合物层时，键合层高于第一键合环1-3 μ m，两者具有一定的高度差可以保证键合时两键合环都能充分接触，且减小键合环边缘由于高度差引入的空隙。
[0023]优选的，所述薄膜吸气剂为镐、钛、锗或它们的合金。
[0024]优选的，所述薄膜吸气剂厚度为0.5-3 μ m。
[0025]优选的，所述凹槽I深度1-3 μ m。
[0026]优选的，所述凹槽II深度为10-400 μ m，以提供敏感单元足够的运动空间。
[0027]2、制备MEMS圆片级真空封装结构的方法，包括如下步骤:
[0028]a)在绝缘衬底上刻蚀凹槽I，并制备金属电极、焊盘以及金属引线；
[0029]b)在凹槽I中淀积电绝缘层，并在电绝缘层上制备键合层；
[0030]c)制备MEMS芯片结构层，然后将第二键合环与第三键合环通过共晶、热压或粘着键合，第一键合环与第三键合环通过阳极键合，完成与绝缘衬底的键合；
[0031]d)在盖板上刻蚀给敏感单元提供运动空间的凹槽II，并采用磁控溅射法在凹槽II内部制备一层薄膜吸气剂；
[0032]e)将盖板的第五键合环与MEMS芯片结构层的第四键合环进行键合，在键合过程中将薄膜吸气剂激活，完成真空封装。
[0033]本发明的有益效果在于:本发明在第一键合环(闭合环状玻璃键合环)中心设计有不完全闭合的第二键合环(金属或聚合物键合环)，同时利用阳极键合与金硅共晶键合、热压键合或粘着键合等键合温度相近的特点，在同一工艺条件下完成两种键合，实现真空封装和金属引线的横向互连。另外，第二键合环略高于第一键合环的目的是为了保证键合时两键合环都能充分接触，而第二键合环的不完全闭合形状设计一方面可以实现金属引线的横向互连，另一方面可以将真空腔室与外界环境隔开，保证真空腔室的密封性。本发明降低了工艺难度，提高了器件的可靠性和成品率，促进了 MEMS圆片级真空封装技术的规模化应用。
【附图说明】
[0034]为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图:
[0035]图1为本发明MEMS圆片级真空封装结构三维图；
[0036]图2为MEMS圆片级真空封装结构剖面图；
[0037]图3为本发明的工艺流程图。
【具体实施方式】
[0038]下面结合附图对本发明做进一步说明，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
[0039]1-绝缘衬底；2-MEMS芯片结构层；3_盖板；4_真空腔室；5_金属电极；6_焊盘；7-第一键合环；8_第二键合环；9_金属引线；10_凹槽I ;11_电绝缘层；12_键合层；13_第三键合环；14_敏感单元；15_支撑结构；16_第四键合环；17_第五键合环；18_凹槽II ;19-薄膜吸气剂，20-敏感质量块；21_悬臂梁。
[0040]如图1、图2所示为本发明MEMS圆片级真空封装结构三维图和MEMS圆片级真空封装结构剖面图，所述MEMS圆片级真空封装结构包括绝缘衬底1、MEMS芯片结构层2和盖板3，三者通过圆片级键合方式连接成一体，形成真空腔室4 ;
[0041]所述MEMS芯片结构层2设置在绝缘衬底I和盖板3之间，包括闭合环状的支撑结构15和位于支撑结构15环内部的敏感单元14 ;支撑结构15上端面设置有与支撑结构15适形的第三键合环13，下端面设置有与支撑结构15适形的第四键合环16 ;所述敏感单元14包括敏感质量块20和将敏感质量块20固定于支撑结构15上的悬臂梁21