一种晶圆级真空封装的mems晶振及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体集成电路技术领域，且特别涉及一种晶圆级真空封装的MEMS晶振及其制备方法。
【背景技术】
[0002]频率信号对于所有电子产品就像是心跳对所有动物的生命一般重要，所有电子电路的动作都以该高重复性且高稳定性的频率信号作为参考信号源。设计优良的频率信号是系统是否能够达到高效能、持续性稳定工作的重要基础。
[0003]产生信号频率的组件可分为无源晶振、有源晶振和多输出时钟发生器三大类产品，被广泛地应用于现代电子产品中。现在主流的晶振技术可分为传统石英晶振和MEMS晶振。
[0004]在过去60年中，石英作为时钟市场的主流技术，一直占据着霸主地位。传统石英晶振是利用石英晶体(二氧化硅的结晶体)的压电效应制成的一种谐振器件，其基本构成大致是:从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片(可以是正方形、矩形或圆形等)，在它的两个对应面上涂敷银浆层作为电极，在每个电极上焊接引线接出到管脚，再封装上外壳就构成了石英晶振。但由于其受到传统制造工艺的限制以及下游原材料(起振电路和基座)市场的垄断，因此性价比无法进一步提升。不仅如此，石英产品在温漂、老化、抗震性、稳定性、体积等方面的制约，也越来越不能适应现在的高精度产品，如计算机、程控电话交换机、移动电话发射台、高档频率计数器、GPS、卫星通信、遥控移动设备等器件向高性能、小体积、超薄发展的要求。
[0005]MEMS晶振，则采用自然界最普通的硅作为原材料和全自动化的半导体IC技术的制作工艺，在性能方面弥补了石英振荡器的先天缺陷，而且在低成本方面也成为了可能。随着MEMS技术的发展，其作为传统石英晶振的升级产品得到越来越广泛的应用。MEMS晶振，具有更小的尺寸，无温漂，更好的可靠性和更低的成本等优点，符合现代电子发展方向。
[0006]在封装方面，作为传统石英晶振的替代者，一般MEMS晶振采用与传统石英晶振相同的焊接管脚排列和封装，与传统石英晶振完全兼容，便于使用者直接替代而无须更改任何设计；同时，为了满足精度和长期可靠性，较少空气阻尼的影响，较少在后道组装和切割工艺中受到损伤，MEMS晶振需要真空封装。为了满足以上两个要求，业界主流的解决方案为先对MEMS晶振进行晶圆级真空封装，再将其切割成单颗芯片，最后采用与替代目标传统石英晶振相同的封装形式进行封装。
[0007]现有技术中晶圆级真空封装是同MEMS晶振制备一起完成的。具体制备MEMS晶振的技术方法如图1a-1d所示，以SOI片(包含硅片101，埋氧层102和器件层103)作为衬底，通过光刻和刻蚀工艺形成释放槽104，将器件活动部分与固定部分分开，如图1a所示；然后依次淀积介质薄膜如Si02105和第一层多晶硅106，淀积介质薄膜将释放槽完全填满，如图1b所示；接着通过光刻和刻蚀在所述第一层多晶硅上形成释放小孔，然后通过释放小孔进行释放，形成如图1c所示MEMS晶振活动部分；接着通过外延形成多晶硅层106’，在外延的过程中自动封住上述释放小孔并形成真空腔，如图1d所示；最后再形成金属互连线(图中没有画出)，完成晶圆级真空封装的MEMS晶振制备。
[0008]众所周知，外延工艺属于高温工艺，无法与CMOS后道工艺兼容，限制了 MEMS晶振采用CM0S-MEMS单芯片集成。同时，在CMOS制造工艺中，外延属于前道制程，而MEMS制程开始后一般无法使用前道制程机台，因此需要为其配置专用的外延设备，增加设备成本，从而影响MEMS晶振整体制造成本。
【发明内容】
[0009]本发明要解决由于采用高温多晶硅外延技术进行MEMS晶振的晶圆级真空封装，造成MEMS晶振的晶圆级真空封装工艺限制大，无法与CMOS工艺兼容的技术问题。
[0010]为解决上述技术问题，本发明提出的解决方案为提供一种晶圆级真空封装的MEMS晶振结构及其制备方法。
[0011]本发明提出一种晶圆级真空封装的MEMS晶振结构，包含:衬底，衬底支撑层，由固定结构、活动结构、金属互连组成的晶振主体结构以及盖帽材料，固定结构位于衬底支撑层上方，活动结构通过桥臂连接至衬底支撑层上的锚点处，能与固定结构发生相对运动，金属互连由金属连线和压焊点组成，金属连线分别将锚点和固定结构连接到对应的压焊点，其特征在于，所述晶振固定和活动结构区域围绕有围柱，盖帽材料以围柱为键合点实现与衬底整体真空封装。
[0012]可选的，所述衬底为无图形的娃片或SOI片，或者完成电路制造后开始MEMS晶振制造的图形娃片；
[0013]可选的，所述晶振活动结构的厚度为5-40um ；
[0014]可选的，所述围柱底部与金属互连的压焊点位于同一个由衬底支撑的平面，围柱的顶部高于晶振结构的其他部分，高度为5-50um ；
[0015]可选的，所述晶振主体结构的金属互连由单层或多层金属构成；
[0016]可选的，所述围柱由单层介质，多层介质或者多层介质与焊料层的组合构成；
[0017]优选的，所述介质是Si02，SiN或者两者的组合；
[0018]可选的，所述真空封装键合的盖帽材料为硅片、玻璃片、陶瓷片，金属片或有机塑料片。
[0019]本发明提出一种晶圆级真空封装的MEMS晶振制备方法，其特征在于，包括:
[0020]步骤SOl:在衬底上定义晶振的固定结构和活动结构区域；
[0021]步骤S02:形成晶振的金属互连；
[0022]步骤S03:形成围柱，释放晶振的活动结构；
[0023]步骤S04:将盖帽材料与围柱顶端真空键合；
[0024]可选的，所述围柱顶端可以选择性地淀积键合焊料。
[0025]由上述描述可知，本发明的晶圆级真空封装的MEMS晶振结构通过在晶振主体结构周围构建比晶振活动部分和金属互连高的围柱，由盖帽材料与围柱顶端接触进行真空键合来实现。本发明的晶振结构厚度为5-40um，厚度随所需频率相关。围柱由CMOS标准工艺中的单层或多层介质构成，其高度在5?50um之间，其作用类似于建筑中的承重墙，能够抬高与盖帽材料的键合点，围绕在晶振活动部分和固定部分的外围，与盖帽材料一起形成MEMS晶振的空腔，同时确保谐振发生时晶振的活动部分的振动不会受到顶部盖帽支撑面的干扰。金属互连的压焊点与围柱位于相同的由衬底支撑的平面上，在围柱的包围圈之外，高度低于围柱，其作用是实现晶振的电信号连接。本发明通过真空键合的方法在实现真空封装的同时，直接解决了现有技术中由于使用外延工艺带来的高温和设备成本等问题。键合工艺在MEMS制造中是常规的封装手段，其设备价格远低于CMOS工艺线中的外延炉。本发明提出的用真空键合替代外延进行晶圆级真空封装，将MEMS晶振的封装移至键合机上完成，在保证取得相同封装质量的前提下，更好的控制MEMS晶振的成本，同时丝毫不影响MEMS晶振在CMOS工艺线的制备，充分地利用其全面自动化的优势，节省了大量的人力和物力。
[0026]本发明提出的晶圆级真空封装的MEMS晶振的制备方法，针对本发明的结构与现有技术有所不同。现有技术中，MEMS晶振活动部分是在晶振空腔形成之后，通过孔进行释放的。而本发明的MEMS晶振活动部分的释放是在盖帽材料覆盖之前，也就是晶振空腔形成之前完成的。其目的是配合本发明的结构特征，在键合机上覆盖盖帽材料，形成晶振空腔的同时完成真空封装。
[0027]进一步的优化方案为，在围柱的顶端选择性地淀积键合焊料。因为围柱是盖帽和衬底键合形成MEMS晶振的接触点，也是键合发生的结合点，有针对性的，选择性的在这些位置淀积键合焊料，一方面可以在维持相同空腔高度的情况下降低围柱高度，降低工艺难度，同时也避免因焊料曝露在晶振空腔内的非键合表面可能发生的脱落对MEMS晶振的影响。
[0028]综上所述，本发明提供了一种晶圆级真空封装的MEMS晶振结构及其制造方法，在衬底上形成的MEMS晶振结构，以在该结构周围形成一圈具有支撑作用的围柱作为键合点，用盖帽材料与围柱发生真空键合，完成MEMS晶振晶圆级真空封装。利用本发明，避免了现有技术采用高温外延工艺作为真空封装的手段，使MEMS晶振制程与CMOS工艺完全兼容，采用工艺简单的键合来实现真空封装，封装效果良好，有利于降低MEMS晶振成本。
【附图说明】
[0029]图1a-1d是现有技术晶圆级真空封装MEMS晶振制备步骤的剖面示意图。
[0030]图2是本发明的晶圆级真空封装的MEMS晶振制备方法的流程示意图。
[0031]图3a_3h是本发明的晶圆级真空封装的MEMS晶振制备方法具体步骤的剖面示意图。
[0032]图4是本发明的晶圆级真空封装的MEMS晶振设计版图的示意图。
【具体实施方式】
[0033]为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。
[0034]其次，本发明利用示意图进行详细的表述，在详述本发明实例时，为了便于说明，示意图不依照一般比例局部放大，不应以此作为对本发明的限定。
[0035]下面结合说明书附图对本发明的实施例进一步说明。
[0036]附图4为本发明的一种晶圆级真空封装的MEMS晶振的设计版图的不意图。衬底上面淀积有衬底支撑层400。晶振主体部分(即MEMS晶振体)401被围柱402包围，晶振活动部分与衬底支撑层之间有桥臂相连。金属互连压焊点403，实现晶振与外界电信号的连接，位于围柱与划片道404之间，与围柱一起位于衬底支撑层40