密封方法

专利名称：密封方法
技术领域：
本发明是关于一种密封方法。它可用于密封封装微型尺度的电学，光学，射频及流体器件和传感器，以及药物传输器件的加工，类如在医学吸入器中用于配制悬浮微粒的接受器。更确切的说本发明是关系到一种用于提高应用于上述器件的聚合物密封结构的密封性的方法。这个方法使用包含一个附加的隔离材料的聚合物密封材料。
背景技术：
微机械器件(MEMS)，微光学机械器件(MOEMS)以及其它的微电子元件普遍地应用于传感器，传动器，数字光投影仪以及陀螺仪。这类微电子元件可以用很多种适合的材料以及多阶段加工技术来制造包括微模压，浮雕，微机械加工以及光刻技术来达到足够的分辨率，功能性以及批量生产。微机械器件用于许多产品之中。举例来说，微机械器件用于防止事故发生的微型加速器中，医疗器械，通讯和低成本印刷。尽管经过了变化和先进发展后这些器件已用于广泛的产品之中，但这些器件的封装技术还没有发展到同样的先进水平。微电子加工包括很多填加或减少的步骤，就是用已知的工艺去增加或减少物质。由于它们体积微小，微机械系统相关的器件很易碎及易损。这种损坏会影响器件功能性或导致失效。为了保护这些敏感器件，它们经常被置于一个起保护作用的封壳或腔体之中。因此在半导体工业总体来讲，腔体加工或封装是一个必要的加工步骤而且经常占有一个完成的器件的成本的一个重要部分。与微机械系统器件及半导体工业相关的一个问题是能否在恰当地完成表面(界面)键合的同时尽可能减少或避免键和对表面及微系统器件及其相关的类似体积的器件造成损害。尽管焊料，电焊，碎玻璃及阴极键和等已经是应用于微电子工业的封装中熟知的键和方法，而且当正确使用时它们能够用来制备不透气的(密封的)腔体，但这些技术经常需要高温或者强电场去促使键合过程的完成。这是一个缺点因为在封装过程中最后的热或者电应力会导致微系统及相关的器件的失效，因而会增加重新制作的费用同时(或者)降低器件的生产效率。另外的已知的应用于微系统器件的低温或者临界温度键合工艺使用辐射固化材料，热固化材料，热塑性材料或者自粘合材料。这些材料及工艺的益处是费用低，能够提供在低或者无需热能力情况下实现微机械器件的封装，因而能减少损坏和增加产出。但是这样的密封体可能是透气的或者是不完全密封的，致使外界的因子诸如液体或气体进入腔体。以前的用于实现以聚合物为粘接材料的密封封装方法，也称作晶圆范围粘合键合，采用在腔体外用真空办法蒸镀的金属或介质薄膜(J. Oberhammer, F. Nicklaus and G. Stemme, Sensors and Actuators, Α. 110(2), 407-412，2004;和美国专利申请序列号 11/113,545 (发表号码 US2005/0263866) )。W02004/025727 描述了一个类似的方法。但由于聚合物侧壁面的表面粗糙而造成的薄膜层的裂缝，这些文件里叙述的工艺过程可能是繁琐的及不足够可靠的。WO 2004/025727叙述了使用另一个键合材料来连接第一个和第二个晶圆的方法。除了键合材料，这个方法使用一个扩散阻止层。很多不同的材料可以用作密封材料，但是它不同于所用的键合材料。扩散阻止层可以用在封闭环体的外面或里面。

发明内容
我们意外地发现使用一个金属阻止层作为一个复合键合材料中的一部分去键合两个衬底可以得到适当的不透气密封封装但没有镀金属阻止层的缺点，也没有使用分离阻止层的缺点。另外分离的阻止层可能在封装过程中受到损坏。使用复合键合材料的另一个优点是可以用多层的金属阻止层和多层粘合材料来得到更好的不透气密封。由于用粘合层材料在键合过程中及其之后来支撑金属阻止层，这种方法可以最大程度地降低金属层的裂缝及损坏的可能性。由于使用金属隔离层，因此可以使密封度改善10到10000倍。其他的优点及益处将在以下的讨论中体现出来。从一个方面来看，本发明给MEMS器件提供一个包含腔体的封装结构，包括含有一个对着腔体的表面的第一个衬底，一个对着腔体的表面的第二衬底以及一个复合材料环。 这个环的一个表面对着腔体，一个表面背对着腔体，另两个表面与两个衬底对接。这个环包含一层聚合物材料和一个金属层。聚合物和金属层的上下表面对着所说的面向腔体的用复合材料环连续地沿着整个连在一起的衬底的表面。所述的对着腔体的衬底表面和复合材料环构成一个腔体。从进一个角度来看，本发明提供一个制造一个包含腔体的一个封装方法，包括 (i)提供带有第一个表面的第一个衬底和带有第二个表面的第二个衬底。(ii)在一个表面上提供一个可以固化的一个圆环形粘合剂以及在第一个或第二个表面上的一个圆环形金属材料。(iii)用所述的圆环键合第一个表面及第二个表面来构成所述的封装结构。固化后的环形聚合物及金属构成复合材料。本发明的其它的具体表现会从以下的讨论中变得更清晰。


图1是本发明的封装的断面简图，包括在腔体内的需要封装的一个微电子器件。图2 (a)是一个简图显示两个同心区域的沉积在衬底上的粘合剂的一个平面图以及用于使衬底图形化的粘合剂区域。图2(b)是一个断面图的图2 (a)的X-X截面。图2(c)是一个带有嵌入的金属隔离层的聚合物密封环平面图。这个聚合物密封环是用于改善密封器件及系统的不透气性，包括微机械系统(MEMS)，射频，光学，微流体器件及传感器。聚合物及金属复合密封结构可以是一个连续的任何形状的环形结构(圆形， 方形，矩形或使用者确定的任何几何形状)。多个隔离层可以用来改善密封性。图3是一个用聚合物材料及金属隔离层作为封闭物的键合的两个衬底的横截面图。
图4是一个用聚合物材料及一个位于其里面的金属隔离层键合的两个衬底的横截面图。图5是一个用聚合物材料及一个位于外面的金属隔离层键合的两个衬底的横截面图。图6是一个制作成的在盖上的带有一个金属隔离层的聚合物密封结构。这个聚合物-金属复合材料结构可以用聚合物表面微机械加工的办法包括光刻或者干刻蚀，然后用电镀或者无电极镀膜的加工过程来沉积金属的办法制作。图7显示一个制作成的在衬底上的带有一个金属隔离层的聚合物密封环。这个聚合物金属复合材料结构可以用聚合物表面微机械加工的办法包括光刻或者干腐蚀的手段， 然后用电镀或者无电极镀膜的加工过程来沉积金属的办法制作。图8显示一个制作成的在第一个衬底上的一个聚合物密封结构和在第二个衬底上的相对应的金属隔离层。作为例子这个聚合物结构可以用聚合物表面微机械加工的办法包括光刻或者干腐蚀的手段来制作而与其对应的金属结构用电镀或者无电极镀膜的工艺来制作。图9显示在第一个衬底上的已制成的聚合物密封结构以及在第二个衬底上的对应的金属隔离层。举例来说，这个聚合物结构可以用光刻或干腐蚀制作而金属隔离层用有电极的镀膜方法制作。图10显示在第一个衬底上的已制成的聚合物封闭结构。这里的金属结构略微高于聚合物结构的表面。然后一薄层液体聚合物被涂在聚合物-金属结构上，例如用接触印刷办法。这个液体聚合物被用做连接材料去得到一个很强的键合。液体聚合物很容易流动因此能使键合后的金属环表面第二个衬底的表面形成接触。图11 (a)显示本发明的可以考虑为带有两层金属及四个电互连的一个复合材料或一个原始复合材料的一个平面图。图11 (b)和图11 (C)是一个横断面图的同一个复合材料(本项封装发明)带有相连的用于电互连的导线(图11 (b))及凸点(图11 (c))。图11 (d)和图11 (e)显示进一步变异的同一个复合材料的横断面(本项封装发明)包括衬底3 上的用做一个转换连接的导线和凸点。图12 (a) - (d)用一个例子来概括性地来描述图11(c)显示的封装结构的制作步骤。图12 (e)显示本项发明封装结构用于芯片到转封装办法将一个密封的微机械器件连接到一个电路板上。所使用的连接方法可以用再回流的焊球或表热压或者热超生的键合办法。图13显示本项发明的一项具体表现的使用激光剑合办法的示意图。图14显示一个制作好的复合材料环的一个光学照片，其中包括BCB聚合物，一个位于400 μ m厚的BCB轨迹中间的100 μ m厚的镍金属墙。图15显示一个示意性的热板键合装置。图16显示一个按照本发明键合的一个玻璃衬底和一个硅衬底的一个光学照片。
具体实施例方式本发明提供一个使用复合材料的一个密封办法。这项技术可以广泛地用于微型尺寸电学，光学，射频，流体器和传感器，以及药物传输器件诸如用于悬浮颗粒医用吸入器的加工。就微尺寸而言，这里的器件至少有一维，通常所有的方向在0.01 μπι到10000 μπι 之间，更通常的尺寸是在1 ym到100 μ m之间。作为例子，对于本领域的专业人员来讲微尺寸器件包括MEMS，MOEMS及其它微电子器件。具体器件的本质不是很重要，因此关系到器件的本质MEMS在这里主要作为一个例子而不是本专利的局限性。本发明的封装结构是一个用环形复合材料粘在一起的两个衬底。这些衬底及环形复合材料构成与微型器件类似体积的MEMS及相似器件的保护罩结构。作为一个例子，图1 用断面图显示这种封装结构的各个部分，衬底3和5及它们面对腔体的表面4和6，带有嵌入金属层9的复合材料7及两层粘合剂材料11和13，腔体15保护一个MEMS器件17。衬底3和5可以来自任何低成本的材料，比如可以选自一种或多种硅，二氧化硅， 锗(或者其它半导体)，金属，玻璃，聚合物，陶瓷或其它材料。第二个衬底可以用和第一个衬底相同的或不同的材料。这也可以理解为可以沉淀到一个或者两个衬底上用来提高粘合剂键合的粘合强度的薄膜(有机，无机或金属材料)。对于一些应用，例如光学应用，有益的一个作法是将一个器件贴合到一个衬底上， 这样光可以通过以玻璃为材料的第二衬底入射到在封装结构里的器件上。其它的衬底材料可能通过用户的需要来选择。根据器件及使用者的需要，锗等材料可以用来透射其它的非可见光及电磁辐射。在本发明的许多细节里，被保护的器件做在第一个衬底上，带有复合材料的第二个衬底被键合到第一个衬底上来封装这个器件。然而像以前所叙述的，尽管通常是这种做法但不是构成复合材料的所有部分在封装之前就做到其中的一个衬底上。举例来讲，一个金属层可以做到一个衬底上而粘合剂做到另一个衬底上。因此这里的复合材料可能通过将两个衬底贴合在一起而构成，从而在固化后得到复合材料的所有部分的组合。这里复合材料是指一个用两种或多种不同材料构成的材料。其中的每种材料都有各自的特征而且是可以探测出来的。在本发明里，复合材料是由固化在其中的原始复合材料中的可固化的粘合剂构成的。这个原始复合材料来源于一层金属与至少一层粘合剂的接触。可以用作可固化的粘合剂的许多材料都是很熟知的。这些材料包括单分子体，预聚合物或带有适合粘度的聚合物材料。这些材料可以用旋涂，接触或模板印刷或本行业内所知的其它方法来沉积。以知的可固化粘合剂的选择应该根据它具有的有利性质例如最低的散气性，低水蒸汽吸收性，最好的介电性质，良好的电绝缘性，低键合及固化温度，容易处理和可以做图形以及低成本。特别适合的可固化的粘合材料包括热塑性及热凝固材料。这些材料的例子包括 Dow Chemical的苯并环丁烯(BCB)材料和SU-8光致聚合物(CAS代号221273-01-4)。 Dow Chemical提供两种不同的商用BCB材料，一种适合于干刻蚀或光烧灼，而另一种有光敏性的适合于光图形办法。这些材料带有适合的软化温度因此可以构成一个很强的键合。 其它的带有优越的低粘合度及低软化温度的单分子体，预聚合物及聚合物材料也是可以使用的。有专业经验的人也可以选择其它适当的材料。一个可作为例子的材料是一种基于环氧树脂的干膜材料。这种材料在固化后得到粘附特征。DuPont以PerMX作为商品名称销售这些适合的材料。可以例举的包含在复合材料中的金属包括镍，金，银，铜。锡，钛，铅及合金或者混合物。作为例子这里的金属层可以包括这些金属例如完全镍，铜，金或者以这些金属为主。在这项发明的一些确定的体现中，如在图2 (a)和图3中所描述的，这里的复合材料有三层结构包括两层固化的粘合剂及夹在它们中间的一层金属。在其它的细节中这里的复合材料可以是一个多层结构包含多层金属或含有金属的材料和多层固化的聚合物材料。 在这些多层结构里每层金属或包含金属的材料都夹在聚合物材料层之间，也有可能一层或两层聚合物不是两侧都有金属层。以图2 (a)到图2 (c)和图3为例，现在叙述本发明封装结构的制作方法。概括地说，将一种粘合剂(没有显示)涂到第一个衬底的表面上，然后用图形技术和一个特别的设计图形将可固化的粘合剂变成一系列图形区域Ila和13a (固化后变成在图3中描绘的聚合物材料11和13及没有图形的区域19和20。有图形的区域Ila和13a含有粘合剂材料。然后在没有图形的区域19沉积一层金属9。最后与第二衬底键合构成图3中的封装结构。更详细一点粘合剂材料被涂在第一个衬底的表面。聚合物键合需要沉积足够厚度的粘合剂材料。足够厚度的粘合剂材料能够在衬底3和5之间构成一个空隙。恰当的粘合剂厚度很容易确定，通常在1 μπι到10000 ym之间。更常用的厚度在500 μπι以下。通用的粘合剂层的厚度在1 μπι到150 μπι之间。沉积方法的选择例如旋涂可以用来在衬底上沉积一层粘合剂来得到一个没有图形的区域19(没有粘合剂的区域)。其它的沉积办法包括墨水喷射印刷，模板印刷，光刻胶刻蚀，转换印刷，光刻技术，干刻蚀及其它的方便方法都可以用来得到没有粘合剂的区域。在有图形区域Ila和13a之间没有图形的区域19可以用上述办法之一制作在第一个衬底的表面。而外边和里边的固化的图形粘合剂环(图3)可以用来确定一个图形的没有图形部分的环。每个粘合剂环都有独立的简易形状，图形或尺寸，从而在内粘合剂环里构成一个能用来保护一个微型器件的腔体。通常来讲里边和外边的可固化的粘合剂环Ila和13a有同样的形状，圆形，椭圆形，方形或者矩形等等。因此尽管在图2 (a)中的粘合剂材料Ila和13a用圆形来显示，但是也可以选择别的设计。图2 (a)中外粘合剂环(Ila)及内环可以是同一种材料也可以是不同的材料。通常来说它们是同一种材料。类似的图2 (a)中的内外层的尺寸可以是相同的也可以是不同的。图2 (a)中在内外环中间的没图形的区域19的宽度与环Ila和13a 的宽度可以相等也可以不相等。就像在业界内已有的知识，有一定程度交连的温粘合剂(就是未固化的液体，而不是基于环氧树脂的PerMX材料)对制作图形有利。通常这些粘合剂是软固化的(不是全部固化的但有足够的固化程度)，这样的材料利于用于刻蚀或其它适合的方法制作图形。在图2 (b)中的图2 (a)的X-X断面图显示可固化的外环(Ila)和内环(13a)之间的未图形区域及衬底3。图3显示图2 (a)中已填充金属9的区域。填充办法可以用直接沉积金属到通道 23里。这个通道也就是图2 (b)显示的在可固化粘合剂Ila与13a之间的为图形的空间。
9另外金属9也可制作到衬底5的表面上。在这种情况下第二个衬底上的金属需要与第一个衬底上的未图形区域19对准来构成腔体15。通常金属9是直接被沉积到在内环13a及外环Ila之间的通道23里。金属9的沉积可以用但不限于以下办法来完成，真空沉积，电催化沉积，光催化沉积，电镀或无电极镀膜。当使用电镀的办法，至少一个衬底的表面需要改变以用于导致电镀的过程。这可以用沉积一层钛或其它金属薄层来完成。像以下所叙述的，我们叙述一个使用3层金属膜的办法，包括一层铜在两层钛的中间。根据行业内的已有知识，用电镀及其它金属沉积办法是比较明显的，因此不在这里给予详细叙述。通常在图3中描绘的夹层结构可以用光刻及干刻蚀的办法去除不需要的粘合材料，然后在这个区域里通常用电镀方式来沉积金属。在衬底键合以后，复合材料中的金属环与衬底表面密切接触因而构成一个阻止层来防止水蒸汽及气体扩散到腔体之中。因此这种复合材料可以用来得到应用于MEMS，传感器及医药传导器件的非常严密的封装结构。对于有专业知识的人来讲，上面所陈述的许多细节及变异将会是非常明显的。图 4到图10概括地描述了这些细节及变异的一部分。在每一种的具体描述里面，原始的聚合物-金属复合材料都可以用聚合物表面微机械加工的办法，例如光刻，干刻蚀，电镀或与无电极的金属沉积办法来制备。图4和图5显示用复合材料7键合的两个衬底3和5的横截面图。这里的复合材料包括一层聚合物材料及在它里边或外边的金属阻止层9。这些具体设计里既可以沉积金属9到已经带有可固化的粘合剂衬底3或者衬底5表面。这样复合材料7 (借助固化可固化的粘合剂)可以用来把衬底3和5贴在一起平且将金属层和粘合剂层对准来完成。对准的金属及粘合剂层构成原始复合材料。图6和图7显示制备完的在盖3及基底5之间的原始复合材料7a。图8和图9描述本发明的具体细节。这里同心的可固化粘合剂环Ila和13a与金属元件9被制作到不同的衬底3和5表面。图10显示一个制备完的在第一个衬底3上的原始复合材料7a。这里的金属层略微高于侧面的可固化的粘合剂层Ila和13a。一薄层可固化的液体聚合物25可以用接触印刷办法涂到聚合物-金属复合材料的边上27，J. Oberhammer and G. Stemme已经在他 ]文章Jl叙述了这禾中方^去(BCB contact printing for patterned adhesive full wafer bonded O-Ievel packages, J. Microelectromechanical Systems, 14(2)， 419-425, 2005； Sealing of adhesive bonded devices on wafer level, Sensors and Actuators A, 110(2), 419-425，2005)。在封装结构被制成后液体聚合物25可以在原始复合材料和第二个衬底之间形成一个很强的键合。如Oberhammer and Stemme所叙述的，容易流动的液体聚合物能在键合过程中使得金属环的表面和第二个衬底的表面形成接触。选择刻蚀已沉积的一个区域的粘合剂得到第一个未图形的区域办法可以用来制备多层复合材料。在这种方法中一层金属用来填充未图形的地方。第二个未图形的地方可能在同一时间或不同时间用同样的办法制成，然后第二层金属用来填充这个未图形的地方。如果用有顺序刻蚀的办法，这些金属层可以是相同的或不同的材料。使用多个金属环可以进一步改善最终的封装结构的腔体的不透气性。不同的金属可能是有用的，一层作为一个阻止层而另一层可以起另一个作用比例用做连接在腔体内的MEMS或其它器件。本发明的聚合物-金属复合材料既可以用于已经熟知的单个芯片的键合(在芯片或晶圆上每次键合一个保护盖)或者晶圆与晶圆键合。后者的效率更好因为所有的器件的密封过程都在晶圆上同时完成。进一步优点是与已密封的MEMS或其器件的电子互连可以用连到器件衬底上的器件电极上的凸点来完成。这种方法使用在原始复合材料中与金属阻止层不同的附加金属电互连。图11 (a)显示可以考虑成本发明的复合材料7的平面图。这也可以考虑成原始复合材料7a。这里的聚合物材料层11，13, 来自原始可固化的材料11 13a和29a并且带有两个金属层9和99。里层的聚合物材料带有4个金属互连件31，这些互连结构可以图形以有粘合剂材料11 13a和^a的衬底3上。值得注意的是电互连件31也可以位于在聚合物层13或四之中，或混合存在于三层聚合物材料11，13及四里面。像在图11(b)和图11 (c)中的封装结构1的横截面所示，借助对准电互连件31 与在衬底3中金属填充的通道(也称通孔32)，可以实现穿透衬底电连接方法。这种通孔连合可以连到导线33或一个互连凸点35。与凸点的连接可以用通过穿透封盖衬底的电连接来实现在堆积组装的已封装的器件之间的电互联。凸点35可以在与制作金属环9和99的同一时间或不同时间来制备，然后用热压的办法键合到与其对应的在器件衬底上的电极。图11 (c)显示带有穿透衬底的互连的封装结构1的横截面包括金属填充的通孔 32和凸点35。图12 (a)到12 (d)显示这个封装结构的制作步骤。图12( e)显示这些封装结构在芯片倒装封装办法的应用。这种加工封装后的微型器件工艺称作芯片倒转封装(参考 “Flip chip technologies”，ed. John H Lau, McGraw-Hill, 1995，ISBN 0-07-036609-8)。图11 (d)用横截面显示在图11 (b)里的在衬底的表面上的导体线是怎样通过通孔电连接接到凸点35 (和图11 (c)中的直接对应连接凸点和导线的方法相反)。这样衬底 3可以用来起电极重新分布的作用(就是凸点不对准导电互连件31)。用衬底3做电极重新分配的办法在本领域用术语称作是一个插入者。这是一个熟知的术语，举例来讲可以参考一篇关于娃插入者的文章，http://www. i-micronews. com/analysis/SiIicon-Interpose rs-ffait-Application, 1740. html。与图11 (d)相类似，图11 (e)用截面图来显示图11 (b)中在衬底3外表面上的导体线3是怎样用衬底3的内表面来作为一个插入者来实现通孔连接，这与图11 (c)中的对准的凸点35和电互连件31相反。因而一般来讲，本发明的所有具体做法都用带有一个或多个通孔32的衬底3。这些衬底被用作插入者来提供导体线33。因此图12 (a)显示带有未填充的通孔的衬底3的横截面。这些孔可以用激光钻孔，化学刻蚀等已知的办法来加工。这些空孔被填充后变成在图12 (b)中描绘的金属填充的通孔。金属填充或嵌入的过程可以用电镀铜，金或者镍的办法，但也可用导电膏完成。这样图11 (a)中描绘的横断面的原始复合材料7a就可以构成了。如图12 (c)所示这里电互连件31和金属填充的通孔32是对准的。
尽管图11 (b), 11 (c)及图12 ( c)到12 (e)都描绘电互连件31是朝上直立的立柱形状，也就是说它们都垂直于衬底3所在的平面，但是它们以及金属层9和99以及本项发明的其它所有的具体体现都可以是倾斜的或其它可希望的取向。图12 (d)显示键合到图12 (c)所描绘的元件的第二个衬底5 (例如一个封盖晶圆)。因而给予本发明的封装结构1。这个封装结构没有显示密封的MEMS或其它的微型器件17，附加的连接MEMS或其它微型器件17的电连接，但是显示电互连件31，金属填充的通道32及凸点35。给图12 (d)描绘的封装结构1加上凸点给予图12 (c)中封装结构1。这些凸点可以用基于焊料球，金钉，或电镀铜的凸点办法来完成。尽管在给图11 (C)中封装结构1 加金属凸点可以使这个在图12 (d)中描述的封装结构非常利于芯片倒转封装技术的应用。 图12 (c)描绘的封装结构1可以用导线33变成图11 (b)所描绘的封装结构。在讨论图12时，制作凸点或导体线是在完成图12 (d)的封装结构1之后的最后的一个步骤。凸点制作也可以在做完图12 (d)中的结构中的通过衬底的连接通道以后完成，然后金属环9，99和电互连件31是在同一时间最后制作。在金属填充的通道32上的凸点可以用几种不同的办法来制作，例如模板印刷，电镀，焊料喷射，导电膏印刷，金钉凸点法和在集成电路芯片倒转封装中所用的其它适应的办法。电互连件31的末端与在MEMS衬底上的电互连可以用热压，热超声或者焊料回流的键合办法来完成。采用顶压电连接的方法也是可能的，这就不需要金属与金属的连接或键合。图12 (e)示意用图11 (c)中的封装结构在芯片倒转封装加工中的使用方法。这里电互连是采用连接已完成的封装结构与在电路板39上的导线37来完成。作为例子，这种电连接可以采用再回流的焊料通点，热压，热超声或者其它已知的键合办法。值得注意的是因为像刚讨论的本发明的封装结构的制作方式，MEMS器件的电连接可能用通称的穿过衬底电连接来完成。这与用衬底表面的连接方法相反，因此最终的封装结构与其它的设计结构是不同的，如W02004/025727。这是因为本项发明所使用的复合材料允许通过衬底互连的工艺办法。这是本项发明的另一个优点。这项发明也可以不采用通过衬底的电连接方法而采用其它方法来实施，例如在W02004/068665中描述的表面固定，嵌入或电连接的方法。在衬底3和5被组合在一起后，复合材料7可用固化在原始复合材料7a中的聚合物粘合剂11，13和27来完成。像以上所叙述的，在做图形前一定程度的固化可能是必需的或是有利的。这个固化过程可以用热板或烤箱在临界压强下惰性气体如氮气的环境下来完成，但也可在低压环境中如真空箱中完成。任何适合的加工技术都可以用来使用本发明的复合材料实现衬底之间的键合。在用固化粘合剂构成本发明的封装结构过程中，可以在封装结构上面加一个机械负载。已知的用于键合的加热技术可以使用于本发明中，包括使用在W02006/U6015中讲授的激光键合方法包括所有的内容和里面所提到的所有文件及参考文献。相应的在这种方式中，键合的过程可以来引导激光光束至少到衬底中的一个衬底的一个区域来完成，激光有选择地加热与表面有热接触的可固化粘合剂使其与衬底表面键合。像在W02006/U605中描述的，一个透镜或一个透射模板可用来将一个激光束转变成与可固化的粘合剂对应的图形。透射模板可以与用透镜产生的图形一起使用。
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一个激光源陈列也可以用来实现激光键合。在陈列里的激光光源可以被分别开启以构成一个事先确定的照明图形，但也可以被安排成一个固定的图形与所期望的复合材料环对应。通常来讲，这里的激光器有一个带有非常均勻的功率分布的输出光束入射到表面上，非常好的均勻功率分布能在表面上一个区域产生均勻加热。典型的激光器输出功率是在1 W以上和一个最高可达到1 kW的功率。通常激光器的输出波长是电磁谱的红外波段。激光键和的使用可引起局部的激光加热，这可以用一个模板有选择性地将激光辐射引致需要键合的地方。因此激光引导是激光光束使用的一个特征。一个激光光束会被处理，或被变成一个图形，或在一个表面上扫描，或用一个模板。这些激光引导手段使用激光器选择地加热可固化的粘合剂以便减轻或减少传导到周围衬底区域的热量。正如在WO 2006/U6015中描述的，在微型器件所处位置的温度上升可有利地低于在键合/密封的区域。在有器件的地方的较低温度对于只能承受低温的器件来讲是非常有益处的，例如RF MEMS开关结构等相似的器件。由于在膜片式的薄膜中的应力变化，过高的温度上升会导致开关的损坏。因为激光加热是局部效应，温度的上升及下降和烤箱及热板的加热办法相反，是非常快的。这会减少MEMS对加热过程的长时间暴露。图13显示一个使用激光键合的例子。这里激光光束41用来通过一个透镜43及一个模板45的组合用来通过在衬底5上的原始复合材料7实现衬底3和5的键合。局部激光加热对芯片与芯片，芯片与晶圆的封装是特别有用的，可以得到单个封盖的贴片来密封MEMS器件，同时对其它未封盖的及封完盖的器件造成最小的热负载。参考以下非局限性的例子可以对这项发明得到更好的理解。
具体实施例方式一个带有嵌入的镍阻止层的聚合物密封环被用来在一个玻璃衬底和一个硅衬底之间构成一个微型腔体使用光刻和电镀方法，一个光敏BCB聚合物(Cyclotene 4026-46, Dow Chemical)和镍用来构成一个聚合物-金属密封环。这个密封环被做在玻璃衬底上，然后用热板固化的办法完成玻璃衬底和硅衬底的键合。用电子束沉积办法在10 cm直径的玻璃晶圆上制备一个三层的金属薄膜。这个金属薄膜包含两层钛及在其中间的一层铜膜。这些薄膜的厚度大约是100 nm, 400 nm和100 nm。第一个钛薄膜是用作一个粘附膜，第二个钛薄膜是用来为镀镍提供的表面层。其间的一层铜膜是用来改善电镀过程中的电流分布以便得到一个均勻厚度的镍结构。这些金属层的图形化过程是采用光刻及液态化学刻蚀的方法完成的。做成的相互连接的金属环用于在以后加工过程中制作镍阻止层。这些四方环的外部尺寸是5. 2 mm χ 5. 2 mm,最后的金属网络的轨迹宽度为130 ym0在完成金属膜的图形化之后，一层BCB聚合物被用旋涂的方法沉积到一个玻璃晶圆表面。在做完在热板上的预干燥之后，用光刻的办法来图形这个聚合物薄膜。一个光刻板被用来产生两个四方环来暴露在这两环中间的一个100 ym轨迹宽的金属环，然后镍被用电镀的办法沉积到两个BCB环之间来制作金属阻止层以用来在这个玻璃衬底与另一个衬底之间构成一个高密封度的微型腔体。表1给出BCB聚合物薄膜的沉积与图形化中所用的参数。 表1. BCB聚合物薄膜沉积与图形化的参数。
权利要求
1.一种用于MEMS器件(17)的带腔体封装结构(1)，包括具有面对腔体(15)的表面 (4)的第一衬底(3)，具有面对腔体(15)的表面(6)的第二衬底，以及复合材料环(7);所述环具有面对腔体(15)的表面(8)、背对腔体(15)的表面(10)和两个与衬底邻接的表面(12， 14)，且所述环包含一聚合物材料层(11，13，29)和一金属层(9，99)，每一层的边缘都面向着衬底(3，5)的面对腔体的表面(4，6)，所述衬底(3，5)的面对腔体的表面(4，6)通过所述复合材料环(7)彼此连接，其中，所述与衬底邻接的表面(12，14)沿着所述环的长度持续地邻接着所述面对腔体的表面(4，6)，从而，所述衬底(3，5)的面对腔体的表面(4，6)和所述环(7)界定了腔体(15)。
2.根据权利要求1所述的封装结构(1)，其特征在于所述金属层(9)包含一种或多种金属。
3.根据权利要求1或2所述的封装结构(1)，其特征在于所述金属层(9)包含镍、金、 银、铜、锡、铅、钛及其合金。
4.根据权利要求3所述的封装结构(1)，其特征在于所述金属层(9)包含镍。
5.根据权利要求3或4所述的封装结构(1)，其特征在于所述金属层(9)由镍组成。
6.根据以上任一权利要求所述的封装结构(1)，其特征在于所述聚合物材料(11，13， 29)为粘合剂或固化的粘合剂。
7.根据权利要求6所述的封装结构(1)，其特征在于所述聚合物材料(11，13，29)为热塑性聚合物、热固性聚合物或光致聚合物。
8.根据权利要求6或7所述的封装结构(1)，其特征在于所述粘合剂为苯并环丁烯光致聚合物或SU-8光致聚合物。
9.根据以上任一项权利要求所述的封装结构(1)，其特征在于由复合材料(7)构成的各层(11，13，19，四，99)具有相同的或不同的厚度。
10.根据以上任一项权利要求所述的封装结构(1)，其特征在于所述第一和第二衬底 (3，5)独立地包括玻璃或硅。
11.根据以上任一项权利要求所述的封装结构(1)，其特征在于两个衬底(3，5)中的其中一个是玻璃而另一个是硅。
12.根据以上任一项权利要求所述的封装结构(1)，其特征在于一个或两个衬底的面对腔体的表面上涂有一个或多个金属层。
13.根据以上任一项权利要求所述的封装结构(1)，其特征在于所述第一衬底(3)具有一个或多个金属填充的通道(32)，这些通道与设置在聚合物材料(11，13，29)中的一个或多个电互连件(31)进行电通信。
14.根据权利要求13所述的封装结构(1)，其特征在于，还包括一个或多个金属凸点 (35)和/或一根或多根导线(33)，所述凸点和/或导线与一个或多个金属填充的通道(32) 进行电通信。
15.根据权利要求13所述的封装结构(1)，其特征在于，还包括一个或多个金属凸点 (35)或导线(33)，该金属凸点或导线与一个或多个金属填充的通道(32)进行电通信。
16.根据以上任一项权利要求所述的封装结构(1)，其特征在于所述复合材料(7)包括中间夹有一层金属层的两层聚合物材料层。
17.根据以上任一项权利要求所述的封装结构(1)，其特征在于复合材料(7)包括另外的粘合剂层(29 )和金属层(99 )。
18.根据权利要求1-17中任一项所述的带腔体封装结构，其特征在于包括位于所述腔体(15)中的MEMS器件(17)。
19.用于形成权利要求1-12中任一项所述的带腔体封装结构(1)的方法，包括提供具有第一表面(4)的第一衬底(3)和具有第二表面(6)的第二衬底；提供位于第一表面(4)上的可固化粘合剂环(11a，13a，^a)和位于第一表面(4)或第二表面(6)上的金属环(9，99)；以及用所述环(9，11a，13a, 29a, 99)将第一衬底(3)的第一表面(4)与第二衬底的第二表面粘合在一起，以形成所述封装结构(1)，其中，金属环(9，99)和固化的粘合剂环(11，13，29) 构成复合材料(7)。
20.根据权利有求19所述的方法，其特征在于，还包括在将可固化粘合剂环形成在第一衬底(3 )上之后、粘合之前，将液态可固化粘合剂(25 )涂敷到可固化粘合剂环的暴露边缘(27)上。
21.根据权利有求19或20所述的方法，其特征在于所述金属环(9，99)和可固化粘合剂环(11a，13a, ^a)都形成在第一表面(4)上。
22.根据权利要求19-21中任一项所述的方法，其特征在于在第一表面(4)上形成两个或多个同心的可固化粘合剂环(11a，13a, 29a)，每两个相邻的环之间具有间隙(23)。
23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，包括先形成一个单个的可固化粘合剂环，然后用刻蚀或光刻的办法将这个环转化成带有间隙(23)的同心环(11，13，29)。
24.根据权利要求22或23所述的方法，其特征在于，还包括在那些同心的可固化粘合剂环形成在第一衬底(3)上之后、在粘合之前，将液态的可固化粘合剂(25)涂敷到所述同心的可固化粘合剂环(11a，13a, ^a)的暴露边缘(27)上。
25.根据权利要求22到M中任一项所述的方法，其特征在于所述金属层(9，99)夹在所述间隙(23)之中。
26.根据权利要求22到M中任一项所述的方法，其特征在于在粘合之前，将金属层 (9，99)形成在所述第一表面(4)上。
27.根据权利要求19到沈中任一项所述的方法，其特征在于所述的金属层(9，99)是用电镀或无电极镀膜的方法形成的。
28.根据权利要求19到沈中任一项所述的方法，其特征在于所述金属层(9，99)是用真空沉积、电催化沉积、自催化沉积或光催化沉积方法形成的。
29.根据权利要求19到沈中任一项所述的方法，其特征在于所述第一衬底(3)包括硅，所述第二衬底包括玻璃。
30.根据权利要求19到沈中任一项所述的方法，其特征在于所述第一衬底(3)具有金属填充的通道(32)，且所述方法还包括在可固化粘合剂环(11a，13a, ^a)中提供一个或多个电互连件(31)，以使所述电互连件(31)与所述金属填充的通道(32)进行电通信。
31.根据权利要求30所述方法，其特征在于，还包括提供与一个或多个金属填充的通道(32)进行电通信的一个或多个金属凸点(35)和/或一根或多根导线(33)。
32.根据权利要求30所述方法，其特征在于，还包括提供与一个或多个金属填充的通道(32)进行电通信的一个或多个金属凸点(35)或导线(33)。
33.根据权利要求19到32中任一项所述的方法，其特征在于所述复合材料(7)包括另外的粘合剂层(11，13，29)和金属层(9，99)。
34.根据权利要求19到33中任一项所述的方法，其特征在于所述腔体(15)内封装有 MEMS器件。
35.根据权利要求19到34中任一项所述的方法，其特征在于所述两个衬底的粘合通过以下步骤实现用激光光束(41)照射一个或两个衬底(3，5)上的与所述粘合剂(11a， 13a, 29a)有热接触的区域，致使粘合剂固化，从而实现两个衬底的粘合。
全文摘要
这项发明提供一个应用于一个微系统器件(17)的含有腔体的封装结构(1)，包括一个面对腔体(15)的带有表面(4)的第一个衬底(3)，一个背对着腔体(15)的带有表面(6)的第二个衬底(5)和一个复和材料环(7)。这个环有一个面对腔体(15)的表面(8)和一个背对着腔体(15)的表面(10)以及与两个衬底顶对的表面(12，14)。它包括一层聚合物材料(11，13，29)及一层金属(9,99),每层材料的界面都面对衬底(3,5)的面对腔体的表面(4，6)。所述的复和材料环(7)将所述的衬底(3,5)的面临腔体的表面(4，6)连在一起。它们的顶对衬底的表面(12，14)连续地沿着所述的环(7)的整个长度顶对面对腔体表面的(4，6)，那里所述的衬底(3，5)的面对腔体的表面(4，6)及环(7)构成腔体(15)。
文档编号B81C1/00GK102216201SQ200980145997
公开日2011年10月12日 申请日期2009年7月29日 优先权日2008年9月19日
发明者曾军, 王长海 申请人:赫瑞瓦特大学