一种mems器件的全硅化圆片级真空封装方法及封装器件的制作方法
【技术领域】
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[0001]本发明涉及一种微电子机械系统(MEMS)器件的封装方法及封装器件，特别是涉及一种MEMS器件的全硅化圆片级封装方法及封装器件。
【背景技术】
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[0002]许多MEMS器件如MEMS陀螺仪、MEMS谐振器、MEMS加速度计等都需要工作在真空环境或者低气压气密环境中，以获得高品质因子(Q值)、更大的检测带宽等。然而管壳级的真空封装成本已经远超MEMS器件本身的成本，不能满足MEMS器件的低成本要求。MEMS圆片级封装技术是一种低成本的MEMS封装工艺技术，利用MEMS工艺中的圆片键合技术实现MEMS器件在工艺流片过程的真空封装或低气压气密封装。键合技术通常包括硅-玻璃阳极键合、金硅共晶键合、玻璃浆料键合、硅-硅键合等。用于圆片封装的阳极键合技术有制作玻璃盖帽的工艺方案，如东南大学尚金堂等人公开的专利200910262848.0、200910263297.X阐述了硅-玻璃键合，并结合高温软化玻璃形成圆片级玻璃盖帽的制备方案，以及相关的圆片级封装技术。然而该项技术较为复杂，成本较高。北京大学丁海涛等人(200710121384.2)，以及北京航天时代光电科技有限公司张廷凯等人(201010279475.0)分别公开了基于玻璃通孔的圆片级真空封装方案，实现了基于硅-玻璃键合的圆片级真空封装。然而上述两种技术方案，均需要在玻璃通孔位置制备能够实现气密的电极引出端子。当MEMS器件的电极较多时，如MEMS陀螺仪的电极往往达到8_10个，引出端子将占用大量的芯片面积，不利于MEMS器件缩小体积、降低成本。
[0003]全硅MEMS工艺是基于全硅键合技术的新型工艺技术。和阳极键合相比全硅键合技术显著降低了 MEMS器件由于材料热失配导致的温度漂移，提高了 MEMS器件的稳定性。基于全硅键合的MEMS圆片级封装技术既能够提高MEMS器件的性能，又能够兼顾MEMS器件的低成本要求。中国电子科技集团公司第十三研究所徐永青等人公开了一种全硅MEMS圆片级真空封装技术200910227989.9。该技术方案在硅盖板上制作V型通孔，在和MEMS结构片之间通过金硅共晶键合实现机械连接，盖板V型通孔中间为下层硅结构的电信号引出电极。为了保证气密性，在V型通孔和电极之间制作了密封金属环，在金硅键合工艺过程密封金属环和下层硅形成共晶焊料，对MEMS器件的腔体实现了密封封装。然而，该项技术和上述两项硅玻璃圆片级封装技术一样，在电极引出和气密性上作出了需要者制备环绕压焊电极四周的密封较大的芯片面积牺牲，增加了 MEMS器件的总成本。
[0004]硅通孔(TSV)技术是另外一种MEMS器件圆片级真空\气密封装的解决方案。TSV技术通过在硅盖板上制备硅通孔、通孔绝缘化、通孔金属化等一系列工序制备通过真空封装硅盖板的金属电连接线。基于TSV技术的圆片级真空封装技术具有体积小、全硅化的技术优点，但是该技术难度大、加工成本高、依赖昂贵的加工设备及工艺，如通过ICP刻蚀制备穿通硅片的通孔、以及采用原子层淀积(ALD)制备电镀种子层等。此外，TSV类型的全硅圆片封装技术中采用穿通硅片的环状绝缘子，具有较大的展开面积，会在电极间引入较大的寄生电容，从而降低了 MEMS器件的性能，增加了接口电路的负载。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是提供一种成本低、方法简单的MEMS器件全硅化圆片级真空封装方法，有效的避免了全硅圆片封装工艺中常见的引入较大寄生电容的问题，在电极引出和实现气密性时能够节省所占用的芯片面积，提高了器件的加工成品率和长期使用的可靠性。
[0006]—种MEMS器件的全硅化圆片级真空封装方法，包括如下步骤:
[0007]制备硅盖板；所述硅盖板包括硅衬底、硅引线、绝缘介质层、焊点接触电极、压焊电极和真空封装焊料环，绝缘介质层位于硅衬底上方，硅引线位于绝缘介质层内部，焊点接触电极通过接触焊点通孔与硅引线接触，压焊电极通过压焊电极通孔与硅引线接触，真空封装焊料环位于焊点接触电极外侧；制备MEMS器件；所述MEMS器件包括器件衬底、MEMS器件结构、硅锚点、硅密封环以及S1绝缘子；将硅盖板和MEMS器件在真空压力键合机中进行共晶键合完成全硅化圆片级真空封装，所述真空封装焊料环和硅密封环发生共晶反应，从而将硅盖板和MEMS器件粘接在一起，形成真空密封腔体，所述MEMS器件结构结构密封在所述真空密封腔体中；所述焊点接触电极和硅锚点发生共晶反应，形成机械和电学连接；MEMS器件结构上的电信号传输到相应的硅锚点上，再转移到焊点接触电极上并通过硅引线和压焊电极完成电信号引出，压焊电极位于MEMS器件外部。制备硅盖板的方法如下:形成硅盖板的加工基片，硅盖板的加工基片依次包括硅结构层、氧化层和硅衬底；依次通过光刻工艺以及硅刻蚀工艺将硅结构层进行图形化形成硅引线，从而获得硅盖板基片；在所述硅盖板基片表面通过化学气相淀积生长绝缘层，绝缘层保形的覆盖在氧化层上方以及硅引线的上方和侧壁，从而将硅引线完全包裹在绝缘介质内；将生长了绝缘层的硅盖板基片在氮气环境下进行高温退火，使得绝缘层致密化同时氧化层和绝缘层之间的边界在互扩散的作用下消失，通过化学机械抛光工艺对绝缘层表面进行平坦化处理，最终形成绝缘介质层；通过光刻及后续的刻蚀或腐蚀工艺在绝缘介质层上制作接触焊点通孔和压焊电极通孔；通过磁控溅射或者电子束蒸发的方法在形成了接触焊点通孔和压焊电极通孔的硅盖板基片上生长复合金属层；然后进行复合金属层图形化后分别形成焊点接触电极、压焊电极和真空封装焊料环，最终制备完成娃盖板。娃盖板的加工基片为单晶娃圆片，娃盖板的娃衬底为单晶娃材料，硅引线为单晶硅材料。
[0008]所述复合金属材料依次由T1、Pt、Au组成。
[0009]所述复合金属材料依次由Cr、Au组成。
[0010]所述绝缘层是Si02、Si3N4或者Si02和Si3N4的复合绝缘层。
[0011]所述高温退火温度为1000-1400°C。
[0012]所述共晶键合压力范围控制在1000牛顿-8000牛顿之间，共晶键合温度控制在360°C -400°C之间。
[0013]MEMS器件是陀螺仪、加速度计、谐振器、滤波器、射频开关、压力计或者红外焦平面器件。
[0014]—种MEMS全硅真空封装器件，包括硅盖板和MEMS器件，所述MEMS器件包括器件衬底、MEMS器件结构、硅锚点、硅密封环以及Si02绝缘子；MEMS器件结构、硅锚点、硅密封环的上表面位于同一平面上，Si02绝缘子将器件衬底与硅锚点、硅密封环隔离开；硅锚点位于硅密封环内，MEMS器件结构位于硅锚点内侧；其特征在于，所述硅盖板包括硅衬底、硅引线、绝缘介质层、焊点接触电极、压焊电极和真空封装焊料环，绝缘介质层位于硅衬底上方，硅引线嵌在绝缘介质层内部，焊点接触电极通过接触焊点通孔与硅引线接触，压焊电极通过压焊电极通孔与硅引线接触，真空封装焊料环位于焊点接触电极外侧；真空封装焊料环容纳在硅密封环的凹槽内，并与硅密封环固定连接，从而形成真空密封腔体，使得所述MEMS器件结构结构密封在所述真空密封腔体中；焊点接触电极容纳在硅锚点的凹槽内，并与硅锚点固定连接，从而形成机械和电学连接；MEMS器件结构上的电信号传输到相应的硅锚点上，再转移到焊点接触电极上并通过硅引线和压焊电极完成电信号