一种微机电系统的圆片级真空封装方法

专利名称：一种微机电系统的圆片级真空封装方法
技术领域：
本发明属于微机电系统的封装方法，特别涉及一种基于圆片键合 工艺的圆片级真空封装方法。
背景技术：
微机电系统(MEMS)器件真空封装是一种采用密封腔体来为 MEMS元件提供真空环境的封装技术。它能够在射频、惯性、真空 微电子类等MEMS产品芯片周围形成一个真空环境，可以使MEMS 器件在高真空环境下工作，并保证其中的微结构具有优良的振动性 能(例如使各种机械谐振器有高的品质因素)，使其能正常工作，并提 高其可靠性。真空封装可分为器件级真空封装与圆片级真空封装。圆 片级真空封装具有低成本、高产量、划片安全等优点，因而具有重要 的应用前景。目前MEMS圆片级真空封装主要采用两种技术路线 基于薄膜淀积工艺的真空封装和基于圆片键合工艺的真空封装。基于 薄膜淀积工艺的圆片级真空封装工艺是由牺牲层上淀积薄膜形成覆 盖器件的封闭空腔，在薄膜上刻蚀释放孔以刻蚀牺牲层，最后，在这 层薄膜上淀积另一层薄膜实现封口。基于圆片键合工艺的真空封装是 将带有微机电结构的基板圆片与盖板圆片直接键合，盖板圆片一般是 玻璃或硅片。键合可以是密封或半密封的形式，并防止微机电系统在 后道工序受到污染。密封键合可以在真空或惰性气体的环境中进行。
由于基于薄膜淀积真空封装工艺淀积的薄膜很薄、腔体很小，极 容易在划片过程中损坏，较大的内外压力差又使基于薄膜淀积工艺的 真空封装器件存在真空泄露，使用寿命降低。而基于圆片键合工艺的真空封装的两圆片较厚，气体分子的溶解扩散等渗漏阻力大，对真空
保持的影响较小。但是，R.Gooch, T.Schimert， W.McCardel等人发表 在J.Vac,Sci.Technol.A17(4)的文章"Wafer-level vacuum packaging for MEMS"提供的数据表明，尽管真空密封工艺以及封装采用的材料满 足气密的要求，微型真空腔内长时间保持低于lOPa的真空度很困难， 真空度保持性均在56周以下，远远满足不了 IO年以上工作寿命的要 求。

发明内容
本发明提供一种微机电系统的圆片级真空封装方法，解决现有圆 片级真空封装方法存在的真空保持时间短、密封质量低、可靠性差、 成本高的问题，使得微型真空腔长时间保持真空，满足十年以上使用 寿命的要求。
本发明的一种微机电系统的圆片级真空封装方法，包括 刻蚀步骤在盖板圆片上对应硅基片MEMS器件的位置刻蚀相 应空间尺寸的凹坑，再环绕凹坑刻蚀环形凹槽；
吸气剂淀积步骤在所述凹坑和凹槽内淀积吸气剂薄膜； 键合步骤在真空环境下将盖板圆片和硅基片紧密键合。
所述的圆片级真空封装方法，其特征在于
所述刻蚀步骤中，采用化学同相刻蚀、异向刻蚀或者光刻刻蚀工 艺刻蚀盖板圆片上的凹坑和凹槽；所述盖板圆片为硅片、玻璃或者陶 瓷材料，当盖板圆片为硅片时，实施刻蚀步骤之后，在硅片上淀积电 绝缘层，以防止电流扩散到盖板圆片中；
所述吸气剂淀积步骤中，淀积方法为下述方法中的一种磁控溅射或丝网印刷；
所述键合步骤中，键合方法为阳极键合、熔融键合、共晶键合、 焊料键合中的一种或两种，
所述的圆片级真空封装方法，其特征在于
所述吸气剂淀积步骤之后，增加键合材料淀积步骤在所述凹坑 与凹槽之间，以及凹槽的外边缘处淀积一层键合材料，键合材料为 Au、 In-Sn合金或玻璃焊料中的一种；淀积方法为下述方法中的一种 化学气相沉积、溅射、丝网印刷或蒸镀；
然后实施键合步骤，采取共晶键合或者焊料键合方法，在真空环 境下将盖板圆片和硅基片紧密键合。
本发明针对现在圆片级真空封装技术存在的真空保持时间短、密 封质量低、可靠性差、成本高的问题，在封装结构上创新，增加了缓 冲腔体，并在缓冲腔中淀积吸气剂，使气体泄漏途径变为从外界通过 中间的真空缓冲腔，再从缓冲腔泄漏到封装腔体内，大部分气体被缓 冲腔吸气剂吸收，只有极少量气体从缓冲腔泄漏到封装腔体内，从而 保证最里面的腔体气压；同时由于基于圆片键合工艺的封装使用的两 圆片较厚，气体分子的溶解扩散等渗漏阻力大，对真空保持的影响较 小，因而可以长时间保持微型腔体内的真空度，可以极大的推动圆片 级MEMS真空封装技术的发展和推广。对于绝对压力传感器，加速 度计，角速度传感器，陀螺仪等，采用本发明进行真空封装，可以得 到绝对压力的近似零点或和更高的品质因素。


图1为本发明刻蚀步骤的示意图；图2为本发明吸气剂淀积步骤的示意图； 图3为本发明键合步骤前的示意图； 图4为本发明键合步骤后的示意图。
图中标记盖板圆片l、凹坑2、凹槽3、吸气剂4、硅基片5、 MEMS器件6、真空腔体7、缓冲腔8。
具体实施例方式
实施例1:
刻蚀步骤如图1所示，在硅盖板圆片1上对应硅基片MEMS
器件6的位置用异向刻蚀工艺相应空间尺寸的凹坑2，再环绕凹坑刻
蚀环形凹槽3;在硅片上淀积二氧化硅电绝缘层，以防止电流扩散到
盖板圆片中；
吸气剂淀积步骤如图2所示，用磁控溅射工艺在所述凹坑和凹
槽内淀积Zr-V-Fe吸气剂薄膜4，
键合步骤如图3、 4所示，在真空环境下用熔融键合工艺将盖 板圆片1和硅基片5紧密键合，所述凹坑2即形成MEMS器件的真 空腔7，环形凹槽3形成缓冲腔8。
实施例2:
刻蚀步骤如图1所示，在玻璃盖板圆片1上对应硅基片MEMS 器件6的位置采用化学同相刻蚀工艺刻蚀相应空间尺寸的凹坑2，再 环绕凹坑采用异向刻蚀工艺刻蚀环形凹槽3;
吸气剂淀积步骤如图2所示，用磁控溅射工艺在所述凹坑和凹
槽内淀积Zr-Al吸气剂薄膜4，
键合步骤如图3、 4所示，在真空环境下用共晶键合工艺将盖 板圆片1和硅基片5紧密键合，所述凹坑2即形成MEMS器件的真空腔7，环形凹槽3形成缓冲腔8。 实施例3:
刻蚀步骤如图1所示，在硅盖板圆片1上对应硅基片MEMS 器件6的位置用光刻刻蚀工艺刻蚀相应空间尺寸的凹坑2，再环绕凹 坑刻蚀环形凹槽3;在硅片上淀积氮化硅电绝缘层，以防止电流扩散 到盖板圆片中；
吸气剂淀积步骤如图2所示，用丝网印刷工艺在所述凹坑和凹 槽内淀积Ti-Mo吸气剂薄膜4;
键合材料淀积步骤在凹坑2与凹槽3之间，以及凹槽3的外边 缘处采用丝网印刷工艺涂覆一层玻璃焊料；
键合步骤如图3、 4所示，在真空环境下用焊料键合工艺将盖 板圆片1和硅基片5紧密键合，所述凹坑2即形成MEMS器件的真 空腔7，环形凹槽3形成缓冲腔8。
实施例4:
刻蚀步骤如图1所示，在玻璃盖板圆片1上对应硅基片MEMS 器件6的位置采用化学同相刻蚀工艺刻蚀相应空间尺寸的凹坑2，再 环绕凹坑采用异向刻蚀工艺刻蚀环形凹槽3;
吸气剂淀积步骤如图2所示，用丝网印刷工艺在所述凹坑和凹
槽内淀积Ti-Mo吸气剂薄膜4;
键合材料淀积步骤在凹坑2与凹槽3之间，以及凹槽3的外边 缘处溅射一层In-Sn合金；
键合步骤如图3、 4所示，在真空环境下用焊料键合工艺将盖
板圆片1和硅基片5紧密键合，所述凹坑2即形成MEMS器件的真 空腔7，环形凹槽3形成缓冲腔8。
权利要求
1.一种微机电系统的圆片级真空封装方法，包括刻蚀步骤在盖板圆片上对应硅基片MEMS器件的位置刻蚀相应空间尺寸的凹坑，再环绕凹坑刻蚀环形凹槽；吸气剂淀积步骤在所述凹坑和凹槽内淀积吸气剂薄膜；键合步骤在真空环境下将盖板圆片和硅基片紧密键合。
2. 如权利要求1所述的圆片级真空封装方法，其特征在于-所述刻蚀步骤中，采用化学同相刻蚀、异向刻蚀或者光刻刻蚀工艺刻蚀盖板圆片上的凹坑和凹槽；所述盖板圆片为硅片、玻璃或者陶 瓷材料，当盖板圆片为硅片时，实施刻蚀步骤之后，在硅片上淀积电 绝缘层，以防止电流扩散到盖板圆片中；所述吸气剂淀积步骤中，淀积方法为下述方法中的一种磁控溅 射或丝网印刷；所述键合步骤中，键合方法为阳极键合、熔融键合、共晶键合、 焊料键合中的一种或两种，
3. 如权利要求1或2所述的圆片级真空封装方法，其特征在于: 所述吸气剂淀积步骤之后，增加键合材料淀积步骤在所述凹坑与凹槽之间，以及凹槽的外边缘处淀积一层键合材料，键合材料为 Au、 In-Sn合金或玻璃焊料中的一种；淀积方法为下述方法中的一种 化学气相沉积、溅射、丝网印刷或蒸镀；然后实施键合步骤，采取共晶键合或者焊料键合方法，在真空环 境下将盖板圆片和硅基片紧密键合。
全文摘要
一种微机电系统的圆片级真空封装方法，属于微机电系统的封装方法，解决现有封装方法存在的问题，使得微型真空腔长时间保持真空，满足十年以上使用寿命的要求。本发明包括刻蚀步骤在盖板圆片上对应硅基片MEMS器件的位置刻蚀相应空间尺寸的凹坑，再环绕凹坑刻蚀环形凹槽；吸气剂淀积步骤在所述凹坑和凹槽内淀积吸气剂薄膜；键合步骤在真空环境下将盖板圆片和硅基片紧密键合。本发明解决了现有封装方法存在的真空保持时间短、密封质量低、可靠性差、成本高的问题，可以长时间保持微型腔体内的真空度，极大的推动圆片级MEMS真空封装技术的发展和推广。
文档编号B81C3/00GK101554988SQ200910061898
公开日2009年10月14日 申请日期2009年4月30日 优先权日2009年4月30日
发明者川 刘, 胜 刘, 卓 张, 张鸿海, 汪学方, 甘志银, 藜 黎 申请人:华中科技大学