功能元件封装及其制造方法

专利名称：功能元件封装及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种功能元件封装，该功能元件封装具有活动部分或传感 器，且对其采用微型机电系统(MEMS)技术；并且本发明涉及一种该功 能元件封装的制造方法。
背景技术：
已经已知一种MEMS器件，其中，具有活动部分或传感器的功能元件 通过显微机械加工工艺形成在硅衬底上。通过半导体工艺MEMS器件可以 一同在硅衬底上制造，从而更有利于其尺寸减小。而且，它具有各种优 点，如多功能、低功耗、低成本、可靠，这已经导致在近年来对其进行新 的大规模研发。
MEMS器件已经实际应用于安装在汽车和蜂窝电话中的加速度传感 器、角速度传感器、倾斜传感器、流量传感器、压力传感器、用于显示器 的光学开关、用于投影仪的光学扫描仪等的各个部件，或者已经研发了它 们的样机。
功能元件由硅显微结构和精细布线构成，硅显微结构作为薄膜或者微 小间隙。由此，功能元件的操作易于受到外部温度或湿度或粒子变化或污 染的影响而改变。为了保护功能元件免受这种外界变化的影响而保持稳定 操作，通过封装将其气密密封并将其与外侧环境完全隔离。
取决于功能元件的类型，例如，功能元件内的气密密封空间可以减压 或者充以惰性气体。通常，在用于加速度传感器、光学扫描仪等具有高速 振动的装置中的MEMS器件内，气密密封空间被减压，以便减小作用于器件操作的气态物质的粘性阻力。
气密密封的封装需要具有如下的功能和形式，即，该封装保护内侧的 功能元件，并保持其性能，并且尺寸小而易于安装，并且在气密密封空间 的外侧放置电极，来通过静电、电磁力、压电元件等驱动功能元件。
曰本专利申请公开说明书第2005-109221号和第2005-341162号公开 了 一种的方法，来通过引线接合(wire bonding)或倒装焊接(flip-chip bonding) 将封装的MEMS安装到印刷电路板上。
图1A、 IB示出通过引线接合封装的例子。该视图显示了硅衬底1、 在硅衬底1上的具有活动部分或传感器的功能元件2、密封元件3、从功 能元件2延伸的布线部分4以及气密密封的空间5。
该布线部分4由一部分硅衬底1制成，该部分硅衬底通过氧化物膜、 狭缝等与其绝缘。布线部分4从气密密封的空间5通过与密封元件3的结 合平面延伸到外侧。电极焊盘6和接合引线7形成在布线部分4的上暴露 部分4'、气密密封空间5的外侧。接合引线7由于其布线柔性和可靠性、 在未示出的印刷电路板等上的低成本安装性而得到广泛使用。
图2示出通过倒装焊接封装的例子。该视图显示了硅衬底ll、在硅衬 底11上具有活动部分或传感器的功能元件12、密封元件13、从功能元件 12延伸的布线部分14和气密密封的空间15。
布线部分14各自由一部分硅衬底11制成，该部分^圭衬底通过氧化物 膜、狭缝等与其绝缘。布线部分16透过硅衬底11而延伸到其外侧。下凸 块金属17和凸块18形成在延伸的布线部分16上。
根据倒装焊接方法，从功能元件12延伸的布线部分16设置在封装的 MEMS器件的表面上，以便可以减小MEMS器件在印刷电路板等上被封 装的面积，这与引线接合方法不同，在后者中，引线部分围绕MEMS器件 的芯片的周边设置。
要指出的是本发明的申请人提交过与本申请类似的专利申请(日本专 利申请公开说明书第2005-41612号)，该申请公开了光学扫描i殳备，其中 用于气密密封振动镜的电极焊盘通过焊料球(solder ball)与底部衬底的引线 端子连接。
引线接合存在的问题在于因为接合引线7朝向硅衬底1的外侧延伸超 过MEM器件芯片的封装区域，难于将大量这种MEMS器件芯片以高密度
6安装在印刷电路板的电路元件之间的微小空间内。
同时，倒装焊接方法也具有一些问题。即难于形成如下的结构，该 结构为从功能元件12延伸的布线部分14布置在封装的MEMS器件的表 面上。为了通过穿透将电极从气密密封的空间嵌入到硅衬底11内，例 如，由于嵌入的电极和硅衬底11的交界面上的缺陷，以及二者之间热膨 胀系数的差异，导致在其中会发生泄漏。
此外，高密度等离子体干蚀刻用于在硅衬底11内形成通孔。但是，其 上形成功能元件12或与硅村底11结合的密封元件13的硅衬底11通常具 有几微米的非常小的厚度，因此，需要非常多时间来蚀刻它们。从而，除 非大量的硅衬底11同时进行蚀刻工艺，MEMS器件芯片的制造成本必然 会增加。此外，对具有抗蚀特性的蚀刻掩模的类型和厚度的选择存在限 制。
此外，对用于电极的金属材料还存在其他限制，并且它们必须是具有 低熔点的金属材料。这是由于为了形成电极，需要通过使熔融的金属在真 空状态下与通孔相接触或者通过将熔融金属滴入其中，用导电金属材料填 充通孑L。
鉴于解决上述问题，已经提出将倒装焊接与引线接合相结合来将布线 部分与功能元件封装表面上的凸块相连接，而不形成穿过电极(pass-through electrode》
图3A、 3B示出倒装焊接和引线接合相结合的例子。该视图示出包括 硅衬底21、在硅衬底21上形成的具有活动部分或传感器的功能元件22、 密封元件23、从功能元件22延伸的布线部分24和气密密封的空间25的 功能元件封装。
布线部分24各自由一部分硅衬底构成，该部分珪衬底通过氧化物 膜、狭缝等与其绝缘。布线部分24从气密密封的空间25通过密封元件23 的结合表面延伸到外侧。电极焊盘26形成在布线部分24的上暴露部分 24，，且另一电极焊盘27形成在密封元件23的表面23，上。在电极焊盘27 上形成凸块28。电极焊盘26、 27通过树脂30保护的接合引线29相连 接。
通过这种结构，可以同时实现引线接合的布线柔性和可靠性的优点， 以及倒装焊接的将封装面积保持在MEMS器件芯片之内的优点。但是，在上述结合的倒装焊接和引线接合方法中仍存在问题，即需 要固定且保护接合引线29的树脂30从密封元件的表面23，凸出，并且竖 立在通过表面23，上的凸块28将封装安装到印刷电路板上的路径中(见图 3B)。这使得精确且可靠地设定凸块侧上封装的高度变得困难。在图3B 中，Pr表示印刷电路板而Pr，表示布线部分。

发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种可靠的功能元件封 装，在将引线接合和倒装焊接方法一起用于实现布线柔性并防止封装面积 增加时，根据本发明的功能元件封装具有简单的结构，能够消除现有技术 的上述问题，
根据本发明的一个方面，功能元件封装包括硅衬底，在该硅村底上 形成功能元件；具有活动部分和传感器其中一个的功能元件；密封元件， 该密封元件与所述硅衬底结合以气密密封所述功能元件并在其中形成气密 密封的空间，且在其高度方向上包括台阶部分；第一布线部分，该第一布 线部分与功能元件相连接并从气密密封的空间延伸到其外侧；第二布线部 分，该第二布线部分与第一引线部分不同，并且从所述台阶部分延伸到所 述密封元件的上表面；以及在所述密封元件的上表面上的第二布线部分上 的凸块，其中，在外侧延伸的第一布线部分朝向气密密封的空间弯曲，并 且通过光敏元件与所述台阶部分上的第二布线部分相连接。
根据本发明的另一方面，在所述功能元件封装中，所述光敏元件是接 合引线。
根据本发明的另一方面，在所述功能元件封装中，所述密封元件具有 从上表面向台阶部分的倾斜外周壁。
根据本发明的另一方面，在所述功能元件封装中，所述密封元件具有 从上表面向台阶部分的倾斜外周壁，和从所述台阶部分向所述第一布线部 分的上暴露部分的竖直外周壁。
根据本发明的另一方面，在所述功能元件封装中，所述台阶部分形成 在所述密封元件的端部。
根据本发明的另一方面，在所述功能元件封装中，所述密封元件具有 通孔，且所述台阶部分围绕所述通孔形成。根据本发明的另一方面，在所述功能元件封装中，将所述台阶部分上 的第二布线部分与所述第一布线部分相连接的接合引线用树脂材料保护，
且所述树脂材料填充在所述通孔中，以便不从所述密封元件的上表面凸出。
根据本发明的另一方面，在所述功能元件封装中，所述密封元件由玻 璃制成。
根据本发明的另一方面，在所述功能元件封装中，所述密封元件由硅 材料制成。
根据本发明的另一方面，在所述功能元件封装中，所述气密密封的空
根据本发明的另一方面，在所述功能元件封装中，所述气密密封的空 间被填充有惰性气体。
根据本发明的另一方面，在所述功能元件封装中，其上形成功能元件 的硅衬底通过中间粘接剂层与所述密封元件接合。
根据本发明的另一方面，在所述功能元件封装中，其上形成功能元件 的硅衬底直接与所述密封元件接合。
根据本发明的另一方面，提供了一种功能元件封装的制造方法，该功
能元件封装包括其上形成功能元件的硅衬底，该功能元件具有活动部分 和传感器中的一个；与硅衬底结合以气密密封所述功能元件并在其中形成 气密密封的空间的密封件，所述密封件在其高度方向上包括台阶部分；与 功能元件连接并从气密密封的空间延伸到其外侧的第 一布线部分；与第一 布线部分不同且从所述台阶部分延伸到所述密封元件的上表面的第二布线 部分；以及在所述密封元件上表面上的第二布线部分上的凸块，其中，延 伸到外侧的第 一布线部分朝向气密密封的空间弯曲，以经过光敏元件与所 述台阶部分上的第二布线部分连接。所述方法包括通过各向异性湿蚀刻形 成密封元件的从上表面向台阶部分的倾斜外周壁的步骤。
根据本发明的另一方面，所述制造方法还包括通过硅各向异性蚀刻 同时形成气密密封的空间和台阶部分的步骤。
根据本发明的另一方面，提供了另一种功能元件封装的制造方法，该 方法包括如下步骤通过将其上形成大量上述密封元件的晶片与其上形成 大量包括功能元件的显微结构的晶片相结合，而制造其上具有大量功能元件封装的结合晶片；以及沿着功能元件封装的轮廓切割所述结合晶片。 本发明的有益效果
在根据本发明一个优选实施方式的功能元件封装中，延伸到气密密封 的空间外侧的第 一布线部分朝向气密密封的空间弯曲，并且通过光敏元件 与台阶部分上的第二布线部分相连接。通过这种结构，防止光敏元件布设 在功能元件封装的外侧，从而有可能以低成本、更高的密度将功能元件封 装可靠地安装在微小的电路板上。
在根据本发明另 一优选实施方式的功能元件封装中，通过利用光敏元 件为接合引线，有可能以简单结构提供可靠的功能元件封装，在一同采用 引线接合和倒装焊接来实现布线柔性和防止封装面积增大时，其可以消除 现有技术的问题。
在根据本发明另 一优选实施方式的功能元件封装中，第二布线部分的 膜形成被制成为具有良好的阶梯覆盖，从而减小了导电故障的发生，由此 实现可靠封装。
在根据本发明的另 一优选实施方式的功能元件封装中，所述功能元件 封装被构造成密封元件具有从上表面到台阶部分倾斜的外周壁以及从台阶 部分到第一布线部分的上暴露部分的竖直外周壁。通过这种结构，第二布 线部分的膜形成被制成为具有良好的阶梯覆盖，从而减小了导电故障的发 生，并且填充到上暴露部分内的介质量也可以减少，由此实现封装成本降 低的有益效果。
在根据本发明的另 一优选实施方式的功能元件封装中，由于台阶部分 形成在密封元件的端部，有可能降低密封元件的制造成本。
在根据本发明的另 一优选实施方式的功能元件封装中，台阶部分形成 在密封元件的通孔内，使得它能够调节填充介质，如树脂或导电剂的量， 使之不从所述通孔凸出。另外，还有可能防止外部填充介质围绕通孔累积 在台阶部分中，并且从密封元件的表面凸出，这使得功能元件封装以相对 于高度方向的高精度安装到印刷电路板上。
在根据本发明的另一优选实施方式的功能元件封装中，保护接合引线 的树脂材料填充到通孔内，以便不从其上表面凸出，这导致相对于其高度 方向在功能元件在印刷电路板上的封装精度方面进一步提高。
在根据本发明的另 一优选实施方式的功能元件封装中，由于密封元件
10由玻璃制成，使得它可以应用于光学功能元件，如光学扫描4义或光学开 关，使得功能元件的可应用性得以提高。
在根据本发明的另 一优选实施方式的功能元件封装中，密封元件由硅 形成，这改进了它的加工性并使得能够以低成本提供高精度功能元件封装。
在根据本发明的另 一优选实施方式的功能元件封装中，气密密封的空 间的减压可以减小气态物质的粘性阻力，导致实现功能元件高速、高精度 工作的有益效果。
在根据本发明的另 一优选实施方式的功能元件封装中，气密密封的空
间被填充以惰性气体，使得表示共振特性的Q(质量)因数被抑制为较 低，利于功能元件的操作控制。
在根据本发明的另一优选实施方式的功能元件封装中，由于密封元件 和硅衬底的接合表面不需要具有高平坦性和清洁性，功能元件封装可被采 用于各种衬底材料、形状和形式。
在根据本发明的另一优选实施方式的功能元件封装中，硅衬底和密封 元件直接彼此结合。因此，这种功能元件封装可应用于在密封元件和功能 元件之间需要高距离精度的用途。
在根据本发明的另一优选实施方式的功能元件封装制造方法中，从密 封元件的上表面到台阶部分的倾斜壁是通过各向异性湿蚀刻形成，这使得 在倾斜壁形成过程中，大量密封元件可以批处理，由此降低了其制造成 本。
在根据本发明的另一优选实施方式的功能元件封装制造方法中，气密 密封的空间和台阶部分通过各向异性蚀刻硅衬底同时形成，使得在多个制 造过程中，大量功能元件封装可以批处理，由此显著降低其制造成本。
根据本发明另一优选实施方式，功能元件封装的另一制造方法包括如 下步骤通过将其上形成大量相当于密封元件的区域的晶片与其上形成大 量包括功能元件的显微结构的晶片相结合，而制造其上具有大量功能元件 封装的结合晶片；以及沿着功能元件封装的轮廓切割所述结合晶片以获得 单个功能元件。以这种方式，有可能一起结合和处理大量的功能元件封 装，并显著降低其制造成本。


图1A是根据引线接合封装的一个例子沿着图IB中的线A到A'截取 的现有技术的功能元件封装的横截面图，而图1B示出其平面图2是根据通过倒装焊接方法封装的一个示例的现有技术功能元件封 装的横截面图3A是根据引线接合和倒装焊接二者封装的示例的现有技术功能元 件封装在封装于印刷板之前的横截面图；而图3B是在封装于印刷板之后 的横截面图4A是根据本发明第一实施方式的功能元件封装的平面图，图4B是 沿着图4A的线B到B，的横截面图，而图4C是图4B的功能元件封装在印 刷板上的横截面图5A是图4B的功能元件封装的改型的局部横截面图，而图5B是其 另一改型的横截面图6A到6K是根据用于制造根据本发明第一实施方式的功能元件封装 的制造过程的解释图，而图6I是沿着图7A的线C至C，截取的密封元件的
图7A示出具有图61的连接布线部分的密封元件的前表面，而图7B 示出其后表面；
图8A是根据本发明第二实施方式的功能元件封装的平面图，而图8B 是沿着图8A的线D至D，截取的横截面图9A到9J是用于制造根据本发明第二实施方式的功能元件封装的密 封元件的过程的解释图，图9J是沿着图10A的线E至E，截取的密封元件 的横截面图10A示出具有图6J的连接布线部分的密封元件的前表面，而图 10B是其后表面；
图11示出根据本发明第三实施方式的功能元件封装的横截面结构； 图12示出根据本发明第四实施方式的功能元件封装的横截面结构； 图13A到13F是根据本发明第五实施方式用于制造功能元件封装的密
封元件的过程的解释图14A到14B是根据本发明第六实施方式用于制造功能元件封装的密
封元件的过程的解释图，图14A倾斜地示出在其上具有大量密封元件的圆
12形晶片和其上具有大量显微结构的圆形晶片结合之前的两个圓形晶片，而
图14B示出结合之后的两个圆形晶片；以及
图15是图14B的结合晶片和单个放大的密封元件的平面图。
具体实施例方式
下面，参照附图描述功能元件封装及其制造方法的实施方式。 (第一实施方式)
图4B示出根据本发明第一实施方式的功能元件封装的横截面图。该 功能元件封装包括硅衬底41a、 41b，它们通过1微米厚度的热氧化物膜 41c彼此结合，并且具有200微米的总厚度和低电阻。
在硅衬底41a上，通过干蚀刻切割硅衬底41a而形成活动部分42。厚 度1微米的未示出的热氧化物膜形成在密封元件43的表面上，并且经过 热氧化物膜与硅衬底43直接结合。密封元件43由厚度525微米的硅衬底 制成。
密封元件43包括非刚性空间(non-rigid space)(气密密封的空间) 43a，和通孔43b，其中所述空间43a深度为200孩t米，足够活动部分42 工作，且所述通孔43b使得用于驱动活动部分42的电极设置到所述空间 的外侧。非刚性空间43a和通孔43b通过干蚀刻利用高密度等离子体形成。
硅衬底41a的结合表面41a，与密封元件43结合，且在相对侧上的硅衬 底41b的结合表面41"与密封元件41阳极结合，所述密封元件41由厚度 300微米的？乂^乂@玻璃衬底形成。活动部分42由两个密封元件43、 41气 密密封，且其内侧的空间保持减压。
活动部分42与布线部分44 (第一布线部分)连接，该第一布线部分 由具有低阻抗的硅衬底制成，并且通过热氧化物膜41c和穿透硅衬底41a 的宽度50微米的未示出的狭缝与硅衬底41a、 41b绝缘。
通孔43b形成在密封元件43的不包括非刚性空间43a的区域内，每个 通孔由大开口 43b，和小开口 43b"构成。布线部分44通过密封元件43的结 合表面41a，局部延伸到非刚性空间43a的外侧。布线部分44在非刚性空间 43a的外侧的部分形成面对小开口 43b"的上暴露部分44，。在上暴露部分 44，上，形成电极焊盘45，该电极焊盘45作为薄金属膜，通过用金属掩模賊射而形成。
通孔43b各自具有外周壁，在该外周壁上通过高密度等离子体的干蚀 刻在比结合表面高200微米的位置处形成台阶部分43c。如图4A所示，在 外周壁的一部分上，连接布线部分(第二布线部分)46从台阶部分43c向 密封元件43的上表面43，形成为薄金属膜。连接布线部分46通过利用金 属掩模溅射而形成。
在台阶部分43c上的布线端子46，通过接合引线47与电极焊盘45相 连接。通孔43b用树脂49填充，以覆盖接合引线47。 Au-Sn合金制成的 凸块48形成在密封元件43的上表面43，上的布线端子46，上。如图4C所 示，功能元件封装通过凸块48安装并结合到印刷板Pr上。如上所述，延 伸到非刚性空间43a外侧的布线部分44经由接合引线47向非刚性空间 43a弯曲，以便与台阶部分43c上的连接布线部分46相连接。
接着，参照图6描述图4、 5中所示的具有台阶部分的密封元件43的 制造方法。
图6A示出厚度为525微米的硅衬底51，该硅衬底具有镜面抛光的上 表面和下表面。上表面Sl用经构图的抗蚀膜覆盖。该图案与非刚性空间 43a和小开口 43b"的形状相对应。然后，利用抗蚀剂作为掩模，如图6B 所示，利用SF6和C4F8气体，硅村底51经受高密度等离子体蚀刻200微 米那么深，由此，形成对应于非刚性空间43a的空腔43a，和对应于小开口 43b"的空腔43b"(与小开口使用相同的附图标记)。
在图6C中，通过02灰化过程去除抗蚀膜52。然后，抗蚀膜53在硅 衬底5的另一表面S2上形成有图案。该图案对应于大开口 43b，的形状。
接着，在图6E中，硅衬底51的上表面Sl用抗蚀膜54，附着到辅助硅 衬底54上。在图6F中，利用抗蚀膜53作为掩模，利用SF6和C4F8气 体，附着到辅助硅衬底54上的硅村底51经受高密度等离子体蚀刻325微 米那么深。在可以视觉确认形成了小开口 (凹槽)43b"时，停止等离子体 蚀刻。
然后与辅助硅衬底54成一体的硅衬底51浸入未示出的丙酮中，以去 除辅助硅衬底54并清洁具有通孔43b的硅衬底51，如图6G所示。在图 6H中，硅衬底51在湿02中在1000才聂氏度下处理，由此，在石圭衬底51的 整个表面上形成硅氧化物膜55。如上所述，台阶部分43c通过图6F到6H中所示的过程形成。
接着，在图61中，从通孔43b的台阶部分43c到密封元件3的上表面 43，，通过溅射形成连接布线部分46。连接布线部分46由铝(Al)制成。 在賊射过程中，密封元件43除具有所形成的连接布线部分的区域外的区 域用金属掩盖。图7A示出如此制造的硅村底51的前表面，而图7示出其 后表面。
接着，密封元件43与硅衬底41a结合，该硅衬底41a与硅衬底41b成 一体并且其上形成有功能元件。然后，密封元件41与硅衬底41b结合， 如图6J所示。在此，密封元件43通过热氧化物膜55直接与硅衬底41a结合。
但是，在结合表面41a，的平坦性和清洁性不能被充分确保的情况下， 取代通过热氧化物膜55直接结合它们，可以采用其他方式结合，例如， 通过中间层，如玻璃料(glass frit)结合密封元件也是可以釆用的，只要实现 气密密封即可。此外，通过调节结合气氛的压力，非刚性空间43a内侧的 压力可以任意设定。
如图6K所示，凸块48由Au-Sn合金形成，并且形成接合引线47。 最后，用树脂49填充通孔43b，如图4A、 4B所示。要指出的是凸块48 可以由Pb/Sn合金、无铅材料(Sn/Ag、 Sn/Cu )或Au-Sn合金外的其他材 料形成。
接着，参照图5A、 5B描述功能元件封装的改进例子。 在图5A中，取代接合引线47，利用作为导电元件47，的导电物 (adjective)或者通过电滑移(gliding)形成的薄金属膜，布线部分44与连接布 线部分46相连接。
图5B示出布线部分44如何从非刚性空间43a延伸到外侧的改进例 子。在这个例子中，布线部分44由铝(Al)制成，且^f圭衬底41a经过密封 元件44"与密封元件43结合，该密封元件44"由具有低熔点的玻璃制成。 通过这种结构，能够在密封元件43和硅衬底41a之间形成间隙H。在将树 脂材料注入通孔43b内来保护接合引线47时，这允许树脂材料渗过间隙 H，由此防止树脂材料从密封元件43的上表面43，凸出。结果，能够高精 度确保密封元件43和印刷电路板Pr之间的空间。于是，图5B所示的功 能元件封装适用于具有光学功能元件的器件，该器件需要具有较高的功能元件封装精度。
图8A、 8B是根据本发明第二实施方式的功能元件封装的解释图。在 图中，硅衬底61a、 61b形成为总厚度200微米，具有低阻抗且通过l微米 厚的热氧化物膜61c与密封元件结合。通过干蚀刻切割硅衬底61a，活动 部分62形成在硅衬底61a上。
用未示出的1微米厚的热氧化物膜覆盖的密封元件63通过热氧化物 膜与硅衬底61a的表面相结合。密封元件63由厚度525微米的硅衬底以及 通过玻璃料与硅衬底61a结合的密封玻璃制成。
密封元件63包括深度200微米的非刚性空间(气密密封的空间) 63a，用于活动部分62工作，并包括通孔63b，以便将用于驱动活动部分 62的电极引到非刚性空间63a的外侧。非刚性空间63a和通孔63b通过在 KOH水溶液中各向异性蚀刻而形成。
硅衬底61a的结合表面61a，与密封元件63相结合，而在相对侧上的硅 衬底41b的结合表面61"与密封元件61阳极结合，密封元件61由300微 米厚度的Pyrex⑧玻璃衬底制成。活动部分62由两个密封元件63、 61气密 密封，且其内侧的空间保持减压。
活动部分62与布线部分(第一布线部分)64连接，该第一布线部分 由具有低阻抗的同一硅衬底制成，并且通过热氧化物膜61c和穿透硅衬底 61a的50微米宽的未示出的狭缝与硅衬底61a、 61b绝缘。
通孔63b形成在密封元件中除非刚性空间63a之外的部分内，并且每 个通孔由大开口 63b，和小开口 63b，，构成。布线部分64通过密封元件63的 结合表面61a，局部延伸到非刚性空间63a的外侧。布线部分64中延伸到非 刚性空间63a外侧的部分形成面对小开口 63b"的上暴露部分64，。在上暴 露部分64，上，形成电极焊盘65，作为薄金属膜，这是通过利用金属掩模 的溅射过程而形成的。
大开口 63b，具有锥形壁部分，其倾斜角例如为54.7度。通孔63b各自 具有台阶部分63c，这是通过在比结合表面61a，高200 ^f效米的位置处，在 KOH水溶液中各向异性蚀刻而形成的。连接布线部分(第二布线部分)66 形成为在锥形壁部分的一部分上从台阶部分63c到密封元件63的上表面的 薄金属膜。连接布线部分66是利用金属掩^t通过溅射工艺形成。
在台阶部分63c上的布线端子66，通过作为光敏元件的接合引线67与
16电极焊盘65相连接。要指出的是，在第二实施方式中，通孔63b未用树 脂填充来覆盖接合引线67,不同于第一实施方式。Au-Sn合金制成的凸块 68形成在密封元件43的上表面63，上的布线端子66，上。功能元件封装通 过该凸块68安装并结合到未示出的印刷电路板上。
接着，参照图9A到9J描述图8A、 8B所示的具有台阶部分的密封元 件63的制造方法。为了简要的缘故，图9A到9J示出如何在密封元件中 形成单个通孔。
首先，在图9A中，525微米厚的硅衬底71的上表面和下表面被镜面 抛光，然后，利用SiH4和氨气，通过低压CVD在其上形成100nm (纳 米)厚的SiN膜72。
在图9B中，硅衬底71上表面Sl上的SiN膜72根据非刚性空间63a 和小开口 63b"的形状构图。
在图9C，在30wt。/。的KOH水溶液中，在80摄氏度的温度下，利用 SiN膜72作为掩模，硅衬底71经历各向异性蚀刻至200微米深度。由 此，形成对应于非刚性空间63a的空腔63a，和对应于小开口 63b"的空腔 63b"(在此与小开口使用相同的附图标记)。
在图9D中，硅衬底71被热磷酸盐化，以去除SiN膜72。然后，在 图9E中，利用SiH4和氨气，通过低压CVD， SiN膜72被再次形成在其 上100nm厚度。
接着，在图9F中，在上表面Sl和下表面S2上的SiN膜74根据大开 口63b，的形状构图。然后，在30wt。/。的KOH水溶液中，在80摄氏度的温 度下，利用SiN膜74作为掩模，硅衬底71经历各向异性独刻至325微米深度。
当可视觉确认形成小开口 63b"时，停止各向异性蚀刻。由于在蚀刻过 程结束时，SiN膜74形成在通孔63b上，可以防止大和小开口 63b，和63" 的边界形状被蚀刻所扭曲。
在图9H中，通过热磷酸盐化过程从硅衬底71去除SiN膜74，以清 洁硅衬底71。在图91中，在湿02中，1000 ^聂氏度下，处理硅衬底71， 以在其整个表面上形成热氧化物膜75。
接着，通过溅射从通孔63b的台阶部分63c到密封元件63的上表面 63，，由铝(Al)形成连接布线部分(第二布线部分)76。在溅射时，密封元件63以金属掩模遮挡，以防止膜形成在连接布线部分之外的区域上。
图10A示出如此制造的密封元件63的前表面，而图10B示出其后表 面。在此，所制造的密封元件63通过热氧化物膜75直接与其上具有功能 元件的硅衬底71结合。但是，当结合表面61a，的平坦性和清洁性不能充 分确保时，取代通过热氧化物膜结合它们，也可以采用其他方式的结合， 例如通过中间层，如玻璃料，结合密封元件，只要实现气密密封即可。要 指出的是，密封元件63与硅衬底71相结合的过程与第一实施方式中的相 同，因此，省略对它的描述。 (第三实施方式)
图11是根据本发明第三实施方式的功能元件封装的横截面图。该视图 示出硅衬底81a、 81b，它们通过1 ^t米厚度的热氧化物膜81c彼此结合， 并且总厚度为200微米且低电阻。通过干蚀刻切割硅衬底81a,活动部分 82形成在珪衬底81a上。
厚度1微米的未示出的热氧化物膜形成在密封元件83上，密封元件 83和硅村底81a通过热氧化物膜彼此结合。密封元件83由厚度525微米 的硅衬底制成。
密封元件83具有200微米深度的非刚性空间(气密密封的空间) 83a,供活动部分82工作，并具有通孔83b，以将驱动活动部分82的电极 引到非刚性空间的外侧。该非刚性空间83a通过干蚀刻利用高密度等离子 体形成，且通孔83b通过结合高密度等离子体干蚀刻和在KOH水溶液中 的各向异性蚀刻形成。
硅衬底81a的结合表面81a，与密封元件83相结合，而在另一侧的硅衬 底81b的结合表面81"与密封元件81阳极结合，该密封元件81由300微 米厚的Pyrex⑧玻璃衬底形成。活动部分82通过两个密封元件83、 81气密 密封，且其内侧的空间保持减压。
活动部分82与布线部分84 (第一布线部分)相连接，该布线部分84 用与硅衬底81a相同低阻抗的硅衬底制成，并且通过热氧化物膜81c和穿 透硅衬底81a的宽度50微米的未示出的狭缝与硅衬底81a、 81b绝缘。
通孔83b形成在密封元件83中的非刚性空间83a之外的部分内，并且 由大开口 83b，和小开口 83b"构成。大开口 83b，的外周壁形成为倾斜形状， 并且小开口 83b"的外周壁形成为竖直形状。布线部分84经 封元件83的结合表面81a，局部延伸到非刚性空间83a的外侧。布线部分84中延伸到非 刚性空间83a外侧的部分形成面对小开口 83b"的上暴露部分84，。在上暴 露部分84，上，形成电极焊盘85，作为薄金属膜，它是利用金属掩模通过 溅射工艺形成。
利用高密度等离子体的干蚀刻，台阶部分83c在比结合表面81a，高 200微米的位置处形成在大开口 83b，的倾斜外周壁上。而且，在从台阶部 分83c到密封元件83的上表面83，的外周壁的一部分上，利用金属掩模通 过溅射形成连接布线部分(第二布线部分)86，作为薄金属膜。在台阶部 分83c上的连接布线部分86的布线端子86，通过作为光敏元件的接合引线 87与电极焊盘85相连4^。
通孔83b用树脂89填充，以覆盖接合引线87。 Au-Sn合金制成的凸 块88形成在密封元件83的上表面83，上的布线端子86，上。功能元件封装 通过凸块88安装并结合到未示出的印刷电路板上。
具有台阶部分的密封元件83可以通过结合根据第一和第二实施方式 的制造过程予以制造，因此，省略对它的描述。 (第四实施方式)
图12是根据第四实施方式的功能元件封装的横截面图，且示出硅衬 底91a、 91b，所述硅衬底91a、 91b通过1孩i米厚的热氧化物膜91c彼此 结合，且总厚度为200微米，具有低电阻。
通过干蚀刻切割硅衬底91a,活动部分92形成在硅衬底91a上。1微 米厚的未示出的热氧化物膜形成在525微米厚的硅衬底形成的密封元件93 上。密封元件93通过热氧化物膜直接与硅衬底91a的表面结合。
密封元件93包括200微米深的非刚性空间93a (气密密封的空间)， 供活动部分92操作。非刚性空间93a是利用高密度等离子体通过干蚀刻形 成。而且，具有切口部分93b，以将后面描述的用于驱动活动部分92的电 极暴露于外侧。切口部分93b通过结合高密度等离子体干蚀刻和在KOH 水溶液内各向异性蚀刻而形成。
通过切割装置切割和分割用与第三实施方式类似的方式形成以晶片级 (wafer level)制造的密封元件93的通孔，可以形成切口部分93b。即，两个 密封元件93通过切割未示出的硅衬底的中心而形成，该珪衬底相对于通 孔在对称位置具有对应于非刚性空间93a的空腔。
19硅衬底91a的结合表面91a，与密封元件93结合，且在相对侧上硅衬底 91b的结合表面91a"与密封元件91阳极结合。密封元件91由30(H敖米厚 的？7^乂@玻璃村底形成。活动部分92由两个密封元件93、 91气密地密 封，且其内侧的空间保持减压。
活动部分92与硅衬底制成的布线部分(第一布线部分)相连接，所 述硅衬底具有与硅衬底91a相同的低阻抗。布线部分94通过热氧化物膜 91c和穿透硅衬底91a的50微米宽的未示出的狭缝与硅衬底91a和91b绝 缘。
布线部分94从非刚性空间93a通过密封元件93的结合表面91a，延伸 到外侧。布线部分94在非刚性空间93a外侧的部分形成面对切口部分93b 的上暴露部分94，。在该上暴露部分上用金属掩模通过溅射形成电极焊点 95，作为薄金属膜。
通过用高密度等离子体干蚀刻，在比结合表面91a，高200微米的位 置，台阶部分93c形成在切口部分93b的外周壁上。在切口部分93b的外 周壁的一部分上，连接布线部分(第二布线部分)利用金属掩模通过溅射 从台阶部分93c到密封元件93的上表面93，形成，作为薄金属膜。
连接布线部分96在台阶部分93c上的布线端子96，和电极焊盘95与 作为光敏元件的接合引线97连接。Au-Sn合金制成的凸块98形成在密封 元件93的上表面93，上的布线端子96"上。功能元件封装经过凸块98安装 并结合在未示出的印刷电路板上。
根据第 一到第四实施方式，功能元件封装可以从利用光敏元件？ 1线接 合方法和利用凸块的倒装焊接方法的优点中受益，从而可以有利地以低成 本可靠制造。此外，光敏元件朝向气密密封的空间弯曲，以便与在气密密 封的空间外侧延伸的布线部分相连接，并且使得光敏元件不延伸到功能元 件封装的外侧。这可以实现功能元件以更高密度封装在微小印刷板上。 (第五实施方式)
参照图13A到13F描述具有倾斜台阶部分的密封元件63的另一种制 造方法。要指出的是，为了简单的缘故，图13A到13F示出如何在密封元 件63中制造单个通孔。与第二实施方式中相同的部件将被赋予相同的附 图标记并且将省略对它们的描述。
首先，在图13A中，525孩i米厚的硅衬底101的上表面和下表面被镜面抛光，然后，利用SiH4和氨气通过^f氐压CVD在其上形成100nm (纳 米)厚的SiN膜102。
在图13B中，在硅衬底101的上和下表面上的SiN膜102利用双面掩 模光刻机(double side mask aligner)和抗蚀剂根据非刚性空间63a，、通孔 63b，和硅衬底101的封装表面的形状构图。
在图13C中，在30wt。/。的KOH水溶液中，在80摄氏度的温度下，利 用SiN膜102作为掩模，硅衬底101的上和下表面同时经历各向异性蚀 刻，直到形成通孔63b为止。在此，优选的是，在考虑在蚀刻结束时大开 口 63b，和小开口 63b，，的边界形状的扭曲的情况下，事先设计掩模尺寸，以 便形成用于引线接合的台阶部分63c。
在图13D中，通过热磷酸盐化过程从硅衬底101的表面上完全去除 SiN膜，以清洁形成有通孔63b和空腔63a，的珪村底101。然后在图13E 中，在湿02中在1000摄氏度的温度下，处理硅衬底101，以在其整个表 面上形成热氧化物膜104，并且完成密封元件63。最后，在图13F中，从 通孔63b的台阶部分63c到密封元件63的上表面63，利用金属掩才莫通过溅 射形成连接布线部分66。
要指出的是，将如此制造的密封元件63与其上具有功能元件的硅衬 底连接的随后的过程与第一实施方式中的相同，因此，将省略对它的描 述。
(第六实施方式)
图14A、 14B和图15是将密封元件43与晶片级的硅衬底相结合的解 释图，以制造功能元件封装。图14A、 14B示出圓形晶片111，其上形成 大量区域43z，每个区域43z相当于密封元件43。该视图省略了显示形成 在每个区域43z上的显微结构，如，图4A的气密密封的空间43a、通孔 43b。类似的，图14A、 14B示出圆形晶片112，其上形成大量区域43z，， 每个区域43z，相当于图4B的硅衬底41a、 41b和密封元件41。该视图省略 了形成在硅衬底41a上的显微结构，如活动部分42、布线部分44。
圆形晶片111、 112在经压力调节的空间内彼此结合并且气密密封，形 成具有大量功能元件封装43z"的结合晶片114，如图14B所述。通过用切 割装置或者分裂装置(cleavage means)沿着功能元件封装43z"的轮廓切割结 合晶片114，可以一同形成大量功能元件封装122。图15示出单个放大的功能元件封装122。
如上所述，通过将密封元件43与晶片级的硅衬底相结合，本发明能
够进一步降低制造成本。工业应用性
根据本发明的功能元件封装可应用于通过硅显微机械加工制造并且安
装在印刷电路板等上的MEMS器件，以用在数字复印机、激光打印机中使用的光学扫描仪中、或者作为条形码读取器的读取设备中、扫描仪等中。
虽然已经参照示例性实施方式描述了本发明，但是本发明并不局限于此。应该理解到在不背离如所附权利要求书限定的本发明的范围的前提下，本领域技术人员可以在所描述的实施方式中作出各种变化。
2权利要求
1.一种功能元件封装，包括硅衬底(41a)，在该衬底上形成功能元件，该功能元件具有活动部分(42)和传感器其中之一；密封元件(43)，该密封元件与所述硅衬底(41a)结合，以气密密封该功能元件并且在其中形成气密密封的空间(43a)，并且该密封元件在其高度方向上包括台阶部分(43c)；第一布线部分(44)，该第一布线部分与功能元件相连接，并且从所述气密密封的空间(43a)延伸到其外侧；第二布线部分(46)，该第二布线部分与所述第一布线部分(44)不同，且从所述台阶部分(43c)延伸到所述密封元件(43)的上表面(43’)；以及凸块(48)，该凸块处于所述密封元件(43)的上表面(43’)上的第二布线部分(46)上，其中在外侧延伸的所述第一布线部分(44)朝向所述气密密封的空间(43a)弯曲，并且通过光敏元件与台阶部分(43c)上的第二布线部分(46)相连接。
2. 如权利要求1所述的功能元件封装，其中 所述光敏元件是接合引线(47)。
3. 如权利要求2所述的功能元件封装，其中所述密封元件(43)具有从上表面(43，)到台阶部分(43c)的倾斜外周壁。
4. 如权利要求2所述的功能元件封装，其中所述密封元件(43)具有从上表面(43，)到台阶部分(43c)的倾斜 外周壁；以及从所述台阶部分(43c)到所述第一布线部分(44)的上暴 露部分(44，)的竖直外周壁。
5. 如权利要求2所述的功能元件封装，其中 所述台阶部分(43c)形成在所述密封元件(43)的端部。
6. 如权利要求2所述的功能元件封装，其中 所述密封元件(43)具有通孔(43b);且所述台阶部分(43c)围绕所述通孔(43b)形成。
7. 如权利要求6所述的功能元件封装，其中将所述台阶部分(43c)上的第二布线部分(46)与第一布线部分 (44)相连接的接合引线(47)由树脂材料保护；以及所述树脂材料填充到所述通孔(43b)中，以便不从所述密封元件(43) 的上表面(43，)凸出。
8. 如权利要求1或2所述的功能元件封装，其中 所述密封元件(43)由玻璃制成。
9. 如权利要求1或2所述的功能元件封装，其中 所述密封元件(43)由硅材料制成。
10. 如权利要求1或2所述的功能元件封装，其中 所述气密密封的空间(43a)被减压。
11. 如权利要求1或2所述的功能元件封装，其中 所述气密密封的空间(43a)被充以惰性气体。
12. 如权利要求1或2所述的功能元件封装，其中 其上形成功能元件的硅衬底(41a)通过中间粘接剂层与所述密封元件(43)相结合。
13. 如权利要求1或2所述的功能元件封装，其中 其上形成功能元件的硅衬底(41a)与所述密封元件(43)直接结合。
14. 一种功能元件制造方法，该功能元件包括硅衬底(41a)，在该 硅衬底上形成功能元件，所述功能元件具有活动部分(42)和传感器其中 之一；密封元件(43)，该密封元件与所述硅衬底(41a)相结合，以气密 密封所述功能元件并在其中形成气密密封的空间(43a)，且所述密封元件 在其高度方向上包括台阶部分(43c);第一布线部分(44)，该第一布线 部分与所述功能元件相连接并且从所述气密密封的空间(43c)延伸到其 外侧；第二布线部分(46),该第二布线部分(46)与所述第一布线部分(44) 不同，且从所述台阶部分(43c)延伸到所述密封元件(43)的上 表面(43，)；以及凸块(48)，该凸块处于所述密封元件(43)的上表面(43，)上的第二布线部分(46)上，其中，在外侧延伸的所述第一布线部 分(44)朝向所述气密密封的空间(43a)弯曲，并且经由光敏元件与所述台阶部分(43c)上的第二布线部分(46)相连接，所述方法包括以下 步骤通过各向异性湿蚀刻，从所述上表面(43，)到所述台阶部分(43c), 形成密封元件(43)的倾斜外周壁。
15. 如权利要求14所述的功能元件封装的制造方法，还包括以下步骤通过硅各向异性蚀刻，同时形成所述气密密封的空间(43a)和所述 台阶部分(43c)。
16. —种功能元件封装的制造方法，包括以下步骤 通过将其上形成大量如权利要求1所述的密封元件(43z)的晶片(111)与其上形成大量包括功能元件的显微结构的晶片(112)相结合来 制造其上具有大量功能元件封装(43z，，)的结合晶片(114);以及沿着所述功能元件封装(43z，')的轮廓(43y)切割所述结合晶片。
全文摘要
本发明公开了一种功能元件封装，其包括硅衬底(41a)，该硅衬底具有功能元件，所述功能元件具有活动部分(42)和传感器其中之一；密封元件(43)，该密封元件与所述硅衬底(41a)相结合，以气密密封所述功能元件并在其中形成气密密封的空间(43a)，且所述密封元件在其高度方向上包括台阶部分(43c)；第一布线部分(44)，该第一布线部分与所述功能元件相连接并且从所述气密密封的空间(43c)延伸到其外侧；第二布线部分(46)，该第二布线部分(46)与所述第一布线部分(44)不同，且从所述台阶部分(43c)延伸到所述密封元件(43)的上表面(43’)；以及凸块(48)，该凸块处于所述密封元件(43)的上表面上的第二布线部分(46)上，其中，在外侧延伸的所述第一布线部分(44)朝向所述气密密封的空间(43a)弯曲，并且经由光敏元件与所述台阶部分(43c)上的第二布线部分(46)相连接。
文档编号H01L23/04GK101663748SQ20088000909
公开日2010年3月3日 申请日期2008年3月17日 优先权日2007年3月19日
发明者乔尔格·弗罗梅尔, 佐藤幸人 申请人:株式会社理光;弗朗霍弗应用研究促进协会