专利名称：Mems圆片级真空封装横向互连结构及其制造方法
技术领域：
本发明属于一种微机电系统(MEMS)的导线互连结构，特别涉及一种MEMS圆片级 真空封装横向互连结构及其制造方法。
背景技术：
很多具有重要应用背景的微机电系统(MEMS)器件加工时都需要进行真空封装， 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 测仪等器件，采用真空封装可以降低机械运动部件运动时气体的阻尼，极大地提高器件的 品质因素，从而提高器件的性能，且整个微系统消耗的能量也大大降低。MEMS真空封装就 是一种采用密封的腔体提供高气密真空环境的封装技术。它能够在射频、惯性、真空微电 子类MEMS产品芯片周围形成一个真空环境，可以使MEMS器件处于10—2Pa以下的高真空环
境工作，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。因此，真空封装技术已成为严重影响这些MEMS器 件性能的共性技术与使能技术。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方式，成本较高，仅应用于航空航天、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。在圆片级真空封装中，由于真空腔内外的环境是隔离的，真空腔内的器件电 信号的连通必须通过金属导线的互连来实现。 目前MEMS圆片级真空封装中导线互连一般采用纵向通孔型和横向埋线型两种， 在常规的横向埋线型MEMS真空封装中，单纯的横向布线会引起键合表面的不平整，因而导 线的界面处是泄漏源。Bye皿gleul Lee等人在A study on wafer level vacuum packaging forMEMS devices — 文中 (Journal of Micromechanics and Micro engine-ering， 13(2003)663-669)提出一种MEMS圆片级真空封装中导线互连结构首先在硅基底上溅射 一层500nm的多晶硅为底电极，然后沉积四乙基原硅酸盐(TE0S)作为牺牲层，再外延生长 40ym的多晶硅，用化学机械平坦化(CMP)工艺将多晶硅层表面抛光；采用反应离子刻蚀 多晶硅形成谐振结构的同时，得到键合界面，接着用氢氟酸溶液腐蚀牺牲层，释放出谐振结 构，最后与玻璃盖板在617X10—3Pa环境下阳极键合，得到完全密封的器件。该结构解决了 普通横向互连技术中表面不平整引起的泄露问题，但腐蚀牺牲层时会出现腐蚀不够完全， 仍然不适用于MEMS真空封装技术的推广。
发明内容
本发明提供一种MEMS圆片级真空封装横向互连结构，并提供其制造方法，解决键 合过程中气密性的问题，使真空腔长时间保持真空，满足十年以上使用寿命的要求的同时， 实现真空腔内外电信号的连通。 本发明的一种MEMS圆片级真空封装横向互连结构，在硅基板表面具有Si02绝缘层，Si02绝缘层上具有多个电极，其特征在于 所述电极由连为一体的引线和焊盘组成，各电极在硅基板表面的Si02绝缘层上周 向分散排列，各电极的引线方向朝向硅基板中心； 各电极引线上自下而上依次具有闭合曲线形状的绝缘介质层和键合环，键合环内 部的封闭空间为真空腔，用于放置MEMS器件；硅盖板与键合环完成硅_玻璃阳极键合或金 属焊料键合； 所述电极为金属电极；所述绝缘介质层为化学气相淀积的Si02层或Si3N4层中的 一种或两种； 所述化学气相淀积为等离子体化学增强气相淀积(PECVD)、常压化学气相淀积
(APCVD)或低压化学气相淀积(LPCVD)中的一种。 所述的MEMS圆片级真空封装横向互连结构，其特征在于 所述金属电极的材料采用Au、Cu、Ag、W或者Al中的一种；所述绝缘介质层和键合 环的闭合曲线形状为矩形或者圆环形。 所述的MEMS圆片级真空封装横向互连结构，其特征在于 所述键合环为多晶硅层、表面溅射有金属焊料的金属层或者复合层，所述复合层
依次由多晶硅层、Si3^层、黏附层、金属种子层、金属层和金属焊料构成； 所述金属种子层、金属层和金属焊料的材料，为金属Cr、 Ti、 Au、 Cu、 Ag、 W或者Al
中的一种；所述黏附层材料采用Ta、TaN、Cr、Ti、TiN、Ni、Ti/W、Al、Cu、Pd、Mo中的一种。 本发明的一种MEMS真空封装横向导线互连结构制造方法，依次包括 步骤一、在硅基板上热氧化一层Si02绝缘介质层，厚度为0. 5 5iim ; 步骤二、在Si(^绝缘层上溅射一层金属种子层，种子层厚度为10 100nm，然后按
金属电极形状在Si02绝缘层上周向分散排列，制作各金属电极，所述电极金属由连为一体
的引线和焊盘组成，金属电极厚度为0. 5 5 ii m ;金属电极的材料采用Au、 Cu、 Ag、 W或者
Al中的一种； 步骤三、在金属电极引线上化学气相淀积一层闭合曲线形状的绝缘介质层，厚度 为0. 5 5 ii m ; 步骤四、在包括Si(^绝缘层、金属电极、绝缘介质层的整个表面上沉积一层光刻 胶；接着用掩膜版遮盖，将对应闭合曲线形状的绝缘介质层上的光刻胶曝光，去除曝光的部 分； 步骤五、在包括光刻胶、绝缘介质层的整个表面上生长一层多晶硅层，厚度为
20 60um ;然后用化学机械抛光(CMP)磨平多晶硅层表面，接着剥离掉光刻胶以及其表面
的多晶硅层，形成闭合曲线形状的键合环； 步骤六、将硅盖板与键合环完成硅_玻璃阳极键合。 所述的MEMS圆片级真空封装横向互连结构制造方法，其特征在于 所述步骤五中，在包括光刻胶、绝缘介质层的整个表面上电镀一层金属层，厚度为
20 60um ;然后用化学机械抛光(CMP)磨平金属层表面，接着剥离掉光刻胶以及其表面的
金属层，然后溅射一层金属焊料，形成闭合曲线形状的键合环； 所述金属层和金属焊料的材料，可以是Cr、Ti、Au、Cu、Ag、W或者Al中的一种；
所述步骤六中，将硅盖板与键合环完成金属焊料键合。 所述的MEMS圆片级真空封装横向互连结构制造方法，其特征在于 所述步骤五中，剥离掉光刻胶以及其表面的多晶硅层后，可以先在闭合曲线形状
的多晶硅层上沉积一层Si^4层，在Si3^层上溅射黏附层，然后在黏附层上再溅射金属种子
层，在金属种子层上电镀金属层，然后溅射一层金属焊料，形成闭合曲线形状的键合环； 所述金属种子层、金属层和金属焊料的材料，可以是金属Cr、Ti、Au、Cu、Ag、W或者
Al中的一种；所述黏附层材料采用Ta、TaN、Cr、Ti、TiN、Ni、Ti/W、Al、Cu、Pd、Mo中的一种； 所述步骤六中，将硅盖板与键合环完成金属焊料键合。 所述的MEMS圆片级真空封装横向互连结构制造方法，其特征在于 所述步骤三中，化学气相淀积为等离子体化学增强气相淀积(PECVD)、常压化学气
相淀积(APCVD)或低压化学气相淀积(LPCVD)中的一种。 本发明利用各种薄膜制造工艺，采用横向布线的方式完成封装器件和外界环境的 电互连，在金属电极上沉积一层绝缘介质层，可以保证绝缘的可靠性；键合应力小、密封质 量高、可靠性好、成本较低。可极大的促进圆片级MEMS真空封装技术的商业化推广。
图1为本发明的结构示意图；
图2为图1去除硅盖板后的俯视图；
图3 图11为本发明的工艺流程图。
具体实施例方式
如图1、图2所示，本发明的一种MEMS真空封装横向导线互连结构，在硅基板1表 面具有Si02绝缘层2， Si02绝缘层2上具有金属电极3，金属电极3由连为一体的引线和焊 盘组成，各金属电极3在Si02绝缘层2上周向分散排列，各金属电极3的引线方向朝向硅 基板1中心； 金属电极3引线上自下而上依次具有矩形的绝缘介质层4和多晶硅6 ;硅盖板7与
多晶硅6完成硅-玻璃阳极键合，矩形绝缘介质层4和多晶硅6内部的矩形空间为真空腔，
用于放置MEMS器件。 以下为本发明方法的实施例 实施例1 ，包括如下步骤 步骤一、如图3所示，在硅基板1上热氧化一层Si02绝缘介质层2，厚度为0. 5 i！ m ;
步骤二、如图4所示，在Si02绝缘层上2溅射一层金属种子层，种子层厚度为10nm， 然后按金属电极形状在Si02绝缘层上周向分散排列，制作各金属电极3，所述电极金属由连 为一体的引线和焊盘组成，金属电极厚度为0. 5ym ;金属电极的材料采用Au ;
步骤三、如图5所示，在金属电极3引线上等离子体化学增强气相淀积一层矩形的 绝缘介质层4，厚度为0.5iim; 步骤四、如图6所示，在包括Si02绝缘层2、金属电极3、绝缘介质层4的整个表面 上沉积一层光刻胶5 ;如图7所示，用掩膜版遮盖，将对应矩形绝缘介质层4上的光刻胶5曝 光，去除曝光的部分；
6
步骤五、如图8所示，在包括光刻胶5、绝缘介质层4的整个表面上生长一层多晶 硅层6，厚度为20um ;如图9所示，用化学机械抛光(CMP)磨平多晶硅层6表面；如图10所 示，剥离掉光刻胶5以及其表面的多晶硅层6，形成矩形的键合环； 步骤六、如图11所示，将硅盖板7与键合环完成硅_玻璃阳极键合。实施例2，包 括如下步骤 步骤一、如图3所示，在硅基板1上热氧化一层Si02绝缘介质层2，厚度为5ym ;
步骤二、如图4所示，在Si02绝缘层2上溅射一层金属种子层，种子层厚度为 100nm，然后按金属电极形状在Si02绝缘层上周向分散排列，制作各金属电极3，所述电极金 属由连为一体的引线和焊盘组成，金属电极厚度为5ym;金属电极的材料采用Al ;
步骤三、如图5所示，在金属电极3引线上常压化学气相淀积一层圆环形的绝缘介 质层4，厚度为5ym; 步骤四、如图6所示，在包括Si02绝缘层2、金属电极3、绝缘介质层4的整个表面 上沉积一层光刻胶5 ;如图7所示，接着用掩膜版遮盖，将对应圆环形的绝缘介质层4上的 光刻胶5曝光，去除曝光的部分； 步骤五、如图8所示，在包括光刻胶5、绝缘介质层4的整个表面上生长一层多晶 硅层6，厚度为60um ;如图9所示，用化学机械抛光(CMP)磨平多晶硅层6表面；如图10所 示，剥离掉光刻胶5以及其表面的多晶硅层6，形成圆环形的键合环； 步骤六、如图11所示，将硅盖板7与键合环完成硅_玻璃阳极键合。实施例3，包 括如下步骤 步骤一、如图3所示，在硅基板1上热氧化一层Si02绝缘介质层2，厚度为0. 5 ii m ;
步骤二、如图4所示，在Si02绝缘层2上溅射一层金属种子层，种子层厚度为10nm， 然后按金属电极形状在Si02绝缘层上周向分散排列，制作各金属电极3，所述电极金属由连 为一体的引线和焊盘组成，金属电极厚度为0. 5ym ;金属电极的材料采用Cu ;
步骤三、如图5所示，在金属电极3引线上低压化学气相淀积一层矩形的绝缘介质 层4，厚度为0. 5iim; 步骤四、如图6所示，在包括Si02绝缘层2、金属电极3、绝缘介质层4的整个表面 上沉积一层光刻胶5 ;如图7所示，用掩膜版遮盖，将对应矩形的绝缘介质层4上的光刻胶5 曝光，去除曝光的部分； 步骤五、如图8所示，在包括光刻胶5、绝缘介质层4的整个表面上电镀一层金属层 6，厚度为20um;如图9所示，用化学机械抛光(CMP)磨平金属层6表面；如图IO所示，剥离 掉光刻胶5以及其表面的金属层6，然后溅射一层金属焊料，形成矩形的键合环；
所述金属层和金属焊料的材料为Cr ; 步骤六、如图11所示，将硅盖板7与键合环完成金属焊料键合。
实施例4，包括如下步骤 步骤一、如图3所示，在硅基板1上热氧化一层Si02绝缘介质层2，厚度为5ym ;
步骤二、如图4所示，在Si02绝缘层2上溅射一层金属种子层，种子层厚度为 100nm，然后按金属电极形状在Si02绝缘层上周向分散排列，制作各金属电极3，所述电极金 属由连为一体的引线和焊盘组成，金属电极厚度为5ym;金属电极的材料采用Ag;
步骤三、如图5所示，在金属电极3引线上等离子体化学增强气相淀积一层圆环形的绝缘介质层4，厚度为5iim; 步骤四、如图6所示，在包括Si02绝缘层2、金属电极3、绝缘介质层4的整个表面 上沉积一层光刻胶5 ;如图7所示，用掩膜版遮盖，将对应圆环形的绝缘介质层4上的光刻 胶5曝光，去除曝光的部分； 步骤五、如图8所示，在包括光刻胶5、绝缘介质层4的整个表面上电镀一层金属层 6，厚度为60um;如图9所示，用化学机械抛光(CMP)磨平金属层6表面；如图IO所示，接着 剥离掉光刻胶5以及其表面的金属层6，然后溅射一层金属焊料，形成圆环形的键合环；
所述金属层和金属焊料的材料为Al ; 步骤六、如图11所示，将硅盖板7与键合环完成金属焊料键合。实施例5，包括如 下步骤 步骤一、如图3所示，在硅基板1上热氧化一层Si02绝缘介质层2，厚度为0. 5 ii m ;
步骤二、如图4所示，在Si02绝缘层2上溅射一层金属种子层，种子层厚度为10nm， 然后按金属电极形状在Si02绝缘层上周向分散排列，制作各金属电极3，所述电极金属由连 为一体的引线和焊盘组成，金属电极厚度为0. 5ym ;金属电极的材料采用Au ;
步骤三、如图5所示，在金属电极3引线上常压化学气相淀积一层矩形的绝缘介质 层4，厚度为0. 5iim; 步骤四、如图6所示，在包括Si02绝缘层2、金属电极3、绝缘介质层4的整个表面 上沉积一层光刻胶5 ;如图7所示，用掩膜版遮盖，将对应矩形的绝缘介质层4上的光刻胶5 曝光，去除曝光的部分； 步骤五、如图8所示，在包括光刻胶5、绝缘介质层4的整个表面上生长一层多晶 硅层6，厚度为20um ;如图9所示，用化学机械抛光(CMP)磨平多晶硅层6表面；如图10所 示，剥离掉光刻胶5以及其表面的多晶硅层6后，先在闭合曲线形状的多晶硅层上沉积一层
Si3N4层，在Si3N4层上溅射黏附层，然后在黏附层上再溅射金属种子层，在金属种子层上电
镀金属层，然后溅射一层金属焊料，形成矩形的键合环；
所述金属种子层、金属层和金属焊料的材料为Au ;
所述黏附层材料采用Cr ; 步骤六、如图11所示，将硅盖板7与键合环完成金属焊料键合。
实施例6，包括如下步骤 步骤一、如图3所示，在硅基板1上热氧化一层Si02绝缘介质层2，厚度为5ym ; 步骤二、如图4所示，在Si02绝缘层2上溅射一层金属种子层，种子层厚度为
100nm，然后按金属电极形状在Si02绝缘层上周向分散排列，制作各金属电极3，所述电极金
属由连为一体的引线和焊盘组成，金属电极厚度为5 i！ m ;金属电极的材料采用W ; 步骤三、如图5所示，在金属电极引线3上低压化学气相淀积一层圆环形的绝缘介
质层4，厚度为5ym; 步骤四、如图6所示，在包括Si02绝缘层2、金属电极3、绝缘介质层4的整个表面 上沉积一层光刻胶5 ;如图7所示，用掩膜版遮盖，将对应圆环形的绝缘介质层4上的光刻 胶5曝光，去除曝光的部分； 步骤五、如图8所示，在包括光刻胶5、绝缘介质层4的整个表面上生长一层多晶 硅层6，厚度为60um ;如图9所示，用化学机械抛光(CMP)磨平多晶硅层6表面；如图10所
8示，剥离掉光刻胶5以及其表面的多晶硅层6后，先在闭合曲线形状的多晶硅层上沉积一层
Si3N4层，在Si3N4层上溅射黏附层，然后在黏附层上再溅射金属种子层，在金属种子层上电
镀金属层，然后溅射一层金属焊料，形成圆环形的键合环；
所述金属种子层、金属层和金属焊料的材料为Cu ;
所述黏附层材料采用Ti ; 步骤六、如图11所示，将硅盖板7与键合环完成金属焊料键合。
权利要求
一种MEMS圆片级真空封装横向互连结构，在硅基板表面具有SiO2绝缘层，SiO2绝缘层上具有多个电极，其特征在于所述电极由连为一体的引线和焊盘组成，各电极在硅基板表面的SiO2绝缘层上周向分散排列，各电极的引线方向朝向硅基板中心；各电极引线上自下而上依次具有闭合曲线形状的绝缘介质层和键合环，键合环内部的封闭空间为真空腔，用于放置MEMS器件；硅盖板与键合环完成硅-玻璃阳极键合或金属焊料键合；所述电极为金属电极；所述绝缘介质层为化学气相淀积的SiO2层或Si3N4层中的一种或两种；所述化学气相淀积为等离子体化学增强气相淀积、常压化学气相淀积或低压化学气相淀积中的一种。
2. 如权利要求1所述的MEMS圆片级真空封装横向互连结构，其特征在于所述金属电极的材料采用Au、Cu、Ag、W或者Al中的一种；所述绝缘介质层和键合环的闭合曲线形状为矩形或者圆环形。
3. 如权利要求1或2所述的MEMS圆片级真空封装横向互连结构，其特征在于所述键合环为多晶硅层、表面溅射有金属焊料的金属层或者复合层，所述复合层依次由多晶硅层、Si3N4层、黏附层、金属种子层、金属层和金属焊料构成；所述金属种子层、金属层和金属焊料的材料，为金属Cr、 Ti、 Au、 Cu、 Ag、 W或者Al中的一种；所述黏附层材料采用Ta、TaN、Cr、Ti、TiN、Ni、Ti/W、Al、Cu、Pd、Mo中的一种。
4. 一种权利要求1所述的MEMS真空封装横向导线互连结构制造方法，依次包括步骤一、在硅基板上热氧化一层Si02绝缘介质层，厚度为0. 5 5 ii m ;步骤二、在Si(^绝缘层上溅射一层金属种子层，种子层厚度为10 100nm，然后按金属电极形状在Si02绝缘层上周向分散排列，制作各金属电极，所述电极金属由连为一体的引线和焊盘组成，金属电极厚度为0. 5 5 ii m ;金属电极的材料采用Au、 Cu、 Ag、 W或者Al中的一种；步骤三、在金属电极引线上化学气相淀积一层闭合曲线形状的绝缘介质层，厚度为0. 5 5 ii m ;步骤四、在包括Si02绝缘层、金属电极、绝缘介质层的整个表面上沉积一层光刻胶；接着用掩膜版遮盖，将对应闭合曲线形状的绝缘介质层上的光刻胶曝光，去除曝光的部分；步骤五、在包括光刻胶、绝缘介质层的整个表面上生长一层多晶硅层，厚度为20 60um;然后用化学机械抛光磨平多晶硅层表面，接着剥离掉光刻胶以及其表面的多晶硅层，形成闭合曲线形状的键合环；步骤六、将硅盖板与键合环完成硅_玻璃阳极键合。
5. —种权利要求1所述的MEMS真空封装横向导线互连结构制造方法，依次包括步骤一、在硅基板上热氧化一层Si02绝缘介质层，厚度为0. 5 5 ii m ;步骤二、在Si(^绝缘层上溅射一层金属种子层，种子层厚度为10 100nm，然后按金属电极形状在Si02绝缘层上周向分散排列，制作各金属电极，所述电极金属由连为一体的引线和焊盘组成，金属电极厚度为0. 5 5 ii m ;金属电极的材料采用Au、 Cu、 Ag、 W或者Al中的一种；步骤三、在金属电极引线上化学气相淀积一层闭合曲线形状的绝缘介质层，厚度为 0. 5 5 li m ;步骤四、在包括Si02绝缘层、金属电极、绝缘介质层的整个表面上沉积一层光刻胶；接 着用掩膜版遮盖，将对应闭合曲线形状的绝缘介质层上的光刻胶曝光，去除曝光的部分；步骤五、在包括光刻胶、绝缘介质层的整个表面上电镀一层金属层，厚度为20 60um ; 然后用化学机械抛光磨平金属层表面，接着剥离掉光刻胶以及其表面的金属层，然后溅射 一层金属焊料，形成闭合曲线形状的键合环；所述金属层和金属焊料的材料，可以是Cr、Ti、Au、Cu、Ag、W或者Al中的一种；步骤六、将硅盖板与键合环完成金属焊料键合。
6. —种权利要求1所述的MEMS真空封装横向导线互连结构制造方法，依次包括 步骤一、在硅基板上热氧化一层Si02绝缘介质层，厚度为0. 5 5 ii m ; 步骤二、在Si(^绝缘层上溅射一层金属种子层，种子层厚度为10 100nm，然后按金属电极形状在Si02绝缘层上周向分散排列，制作各金属电极，所述电极金属由连为一体的引 线和焊盘组成，金属电极厚度为0. 5 5 ii m ;金属电极的材料采用Au、 Cu、 Ag、 W或者Al中 的一种；步骤三、在金属电极引线上化学气相淀积一层闭合曲线形状的绝缘介质层，厚度为 0. 5 5 m ;步骤四、在包括Si02绝缘层、金属电极、绝缘介质层的整个表面上沉积一层光刻胶；接 着用掩膜版遮盖，将对应闭合曲线形状的绝缘介质层上的光刻胶曝光，去除曝光的部分；步骤五、在包括光刻胶、绝缘介质层的整个表面上生长一层多晶硅层，厚度为20 60um;然后用化学机械抛光磨平多晶硅层表面，剥离掉光刻胶以及其表面的多晶硅层后，先在闭合曲线形状的多晶硅层上沉积一层Si3N4层，在Si3N4层上溅射黏附层，然后在黏附层上再溅射金属种子层，在金属种子层上电镀金属层，然后溅射一层金属焊料，形成闭合曲线形 状的键合环；所述金属种子层、金属层和金属焊料的材料，可以是金属Cr、 Ti、 Au、 Cu、 Ag、 W或者Al 中的一种；所述黏附层材料采用Ta、TaN、Cr、Ti、TiN、Ni、Ti/W、Al、Cu、Pd、Mo中的一种; 步骤六、将硅盖板与键合环完成金属焊料键合。
7. 如权利要求4、5或6所述的MEMS圆片级真空封装横向互连结构制造方法，其特征在于所述步骤三中，化学气相淀积为等离子体化学增强气相淀积、常压化学气相淀积或低 压化学气相淀积中的一种。
全文摘要
MEMS圆片级真空封装横向互连结构及其制造方法，属于微机电系统的导线互连结构，解决键合过程中气密性问题，实现真空腔内外电信号的连通。本发明互连结构，在硅基板表面依次具有SiO2绝缘层和多个电极，各电极在硅基板表面的SiO2绝缘层上周向分散排列，各电极引线上自下而上依次具有闭合曲线形状的绝缘介质层和键合环，键合环内部封闭空间为真空腔，用于放置MEMS器件；硅盖板与键合环完成键合。本发明的制造方法，依次包括热氧化SiO2绝缘介质层、制作金属电极、沉积绝缘介质层、生长多晶硅、化学机械抛光、键合步骤。本发明键合应力小、密封质量高、可靠性好、成本较低，可极大促进圆片级MEMS真空封装技术的商业化推广。
文档编号B81C1/00GK101746706SQ20091027242
公开日2010年6月23日 申请日期2009年10月16日 优先权日2009年10月16日
发明者刘川, 刘胜, 张卓, 张鸿海, 汪学方, 甘志银, 罗小兵 申请人:华中科技大学