專利名稱：一種mems器件及其晶圓級真空封裝方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子機械技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于娃娃鍵合技術(shù)的MEMS器件及其真空封裝方法。
背景技術(shù)：
微機電系統(tǒng)(MicroElectro-Mechanical Systems, MEMS)是以微電子、微機械以及材料科學(xué)為基礎(chǔ)，研究、設(shè)計、制造具有特定功能的微型裝置，包括微傳感器、微執(zhí)行器等，MEMS器件具有體積小、重量輕、功耗低、批量化生產(chǎn)等諸多優(yōu)點。通常MEMS器件是由一些可動結(jié)構(gòu)組成，這些可動結(jié)構(gòu)非常脆弱，易碎，易被灰塵、 水汽等破壞，為了不影響后續(xù)的加工和裝配，需要對其進行晶圓級封裝，以提供良好的機械支撐以及環(huán)境保護等功能。此外，很多具有重要應(yīng)用的MEMS器件都需要進行真空封裝，如MEMS陀螺儀、MEMS加速度計、MEMS射頻器件等，采用真空封裝可以有效降低可動結(jié)構(gòu)運動時的空氣阻尼，提高器件的品質(zhì)因數(shù)，從而能夠極大的提高器件工作性能。實現(xiàn)MEMS器件的真空封裝方法較多，但基本思想一致，就是將帶有空腔結(jié)構(gòu)的蓋帽圓片在真空腔室中與MEMS器件結(jié)構(gòu)圓片進行鍵合，使得每個器件同時實現(xiàn)真空封裝，真空度要求較高的器件還需要添加吸氣劑。一般MEMS器件中的電互聯(lián)導(dǎo)線是采用在結(jié)構(gòu)上濺射金屬薄膜引出的，真空封裝的難點在于如何將電互聯(lián)引出，同時又能保證器件腔室的密封性。通常的做法是將蓋帽圓片壓焊點處制作通孔，并在通孔四周制作密封鍵合環(huán)，通過常用的鍵合方法實現(xiàn)器件的密封，一般所用的鍵合方法有靜電鍵合、共晶鍵合、粘合劑鍵合等。這些鍵合方法都有各自的缺陷，例如靜電鍵合是將硅片與玻璃鍵合，難免存在殘余應(yīng)力，影響器件性能；共晶鍵合需要添加吸氣劑；粘合劑在真空狀態(tài)下會放出氣體，影響腔室真空度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決MEMS器件晶圓級真空封裝氣密性差、電互聯(lián)引出困難的問題，提出了一種MEMS器件晶圓級真空封裝方法，這種方法具有簡單可行，易于實現(xiàn)的特點。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
一種MEMS器件，由娃蓋帽層、娃結(jié)構(gòu)層和娃襯底經(jīng)娃娃直接鍵合后組成，娃結(jié)構(gòu)層中設(shè)有可動結(jié)構(gòu)，其特征在于硅結(jié)構(gòu)層采用可作為導(dǎo)體的低阻硅片，并且直接在硅結(jié)構(gòu)層上制作出電互聯(lián)引線，硅蓋帽層中設(shè)置的引線通孔與電互聯(lián)引線壓焊區(qū)對應(yīng)，并在電互聯(lián)引線壓焊區(qū)上濺射鋁電極。一種MEMS器件晶圓級真空封裝方法，其特征在于包括如下步驟
(1)硅襯底制作利用光刻技術(shù)、ICP深硅刻蝕技術(shù)在硅襯底上形成淺腔，并經(jīng)氧化工藝使硅襯底表面生長一定厚度的氧化層；
(2)硅蓋帽制作利用光刻工藝以及KOH腐蝕工藝形成結(jié)構(gòu)淺腔以及電極引線通孔，并氧化使其表面形成一定厚度的氧化層； (3)硅襯底與硅結(jié)構(gòu)層直接鍵合中間的硅結(jié)構(gòu)層采用可作為導(dǎo)體的低阻硅片，采用硅硅直接鍵合工藝，將硅襯底與硅結(jié)構(gòu)層直接鍵合；
(4)中間硅結(jié)構(gòu)層中的可動結(jié)構(gòu)以及電互聯(lián)引線的制作利用CMP減薄拋光技術(shù)將與硅襯底鍵合的低阻硅片減薄到需要的厚度，通過光刻工藝獲得硅結(jié)構(gòu)層中的可動結(jié)構(gòu)以及電極引線圖形，再利用ICP深硅刻蝕技術(shù)釋放可動結(jié)構(gòu)，同時刻蝕形成低阻硅電極引線兩側(cè)隔離槽；
中間低阻娃結(jié)構(gòu)層米用電阻率為O. 001-0. 01 Ω ^cm的N型或P型娃片，一般電容式器件均可采用這種低阻硅作為電極引線，對電極引線電阻率沒有嚴(yán)格要求的其他器件也可采用這種結(jié)構(gòu)；
(5)將硅蓋帽與硅結(jié)構(gòu)層直接鍵合，使硅蓋帽的引線孔對準(zhǔn)硅結(jié)構(gòu)層中的電極引線壓焊區(qū)；
(6)壓焊區(qū)域金屬化利用掩蔽shadowmask濺射工藝在引線孔中的電極引線壓焊區(qū)上濺射鋁，形成金屬化的壓焊點。本發(fā)明提供的MEMS器件采用全硅結(jié)構(gòu)，電互聯(lián)引線不再采用金屬引線，硅結(jié)構(gòu)層采用低阻硅片，可利用低阻硅作為電極引線，在結(jié)構(gòu)釋放的同時，刻蝕形成低阻硅電極引線兩側(cè)的隔離槽，實現(xiàn)低阻硅電極引線間的電絕緣，從而克服了金屬引線無法承受硅硅直接鍵合高溫過程的難題；利用KOH腐蝕技術(shù)在硅蓋帽上制作引線孔，引線孔的面積要小于硅電極引線壓焊區(qū)域面積，完成蓋帽鍵合后，壓焊區(qū)域最外圍一周是鍵合面，從而達到了密封的目的；利用真空硅硅直接鍵合技術(shù)將三層結(jié)構(gòu)鍵合在一起，實現(xiàn)器件的真空封裝，這種全娃結(jié)構(gòu)封裝形式氣密性極好，不需要添加吸氣劑；利用掩蔽(shadow mask)#i射工藝在引線孔中濺射鋁，形成壓焊點。本發(fā)明與傳統(tǒng)MEMS器件及晶圓級真空封裝方法相比有如下優(yōu)點器件采用全硅結(jié)構(gòu)，鍵合后無殘余應(yīng)力，能夠大大提高器件工作性能；利用低阻硅作為電極引線，避免了娃娃直接鍵合過程中高溫對金屬電極的破壞；娃娃直接鍵合氣密性極好，鍵合后兩娃片融為一體，無需額外添加吸氣劑，大大降低了封裝成本；這種方法一致性和可靠性高，工藝易于實現(xiàn)，便于推廣和應(yīng)用。


圖I為本發(fā)明MEMS器件晶圓級真空封裝原理示意 圖2為本發(fā)明MEMS器件晶圓級真空封裝剖視 圖3為MEMS器件晶圓級真空封裝工藝流程圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步的說明。一、MEMS 器件結(jié)構(gòu)
如圖I、圖2所示，MEMS器件由硅襯底層10、硅結(jié)構(gòu)層15以及硅蓋帽層12組成。硅襯底10表面刻蝕形成淺腔8，使可動結(jié)構(gòu)6與襯底之間形成一定間距，避免阻礙可動結(jié)構(gòu)運動。硅蓋帽層12腐蝕淺腔9以及引線通孔13，淺腔9與硅襯底上的淺腔8位置及形狀對應(yīng)一致。娃襯底10與娃蓋帽12表面分別有一定厚度氧化層7與氧化層11,與娃結(jié)構(gòu)層15鍵合后起到絕緣作用。硅結(jié)構(gòu)層15由可動結(jié)構(gòu)6、電互聯(lián)引線5、隔離槽2、鍵合環(huán)I、鍵合環(huán)3以及壓焊區(qū)4組成，隔離槽2能夠?qū)崿F(xiàn)電互聯(lián)引線間的電絕緣；鍵合環(huán)3與壓焊區(qū)4為一體結(jié)構(gòu)，在蓋帽鍵合時，壓焊區(qū)4對應(yīng)硅蓋帽引線孔13，引線孔13周圍ー圈為鍵合區(qū)域，即鍵合環(huán)3。壓焊區(qū)域4表面濺射鋁電極14，形成金屬化的壓焊點。ニ、MEMS器件晶圓級真空封裝エ藝流程 圖3中圖(a) - (i)為MEMS器件的主要エ藝過程的示意圖，具體如下
圖(a)- (b)是硅襯底的制作利用光刻エ藝在硅襯底10上制作空腔圖形，之后用ICP深硅刻蝕エ藝刻蝕形成淺腔8，最后經(jīng)氧化工藝使其表面形成一定厚度的氧化層7。圖(C)是娃結(jié)構(gòu)層與娃襯底直接鍵合娃結(jié)構(gòu)層15為低阻娃片,利用娃娃直接鍵合技術(shù)將娃結(jié)構(gòu)層15與娃襯底層10鍵合在一起。圖(d)硅結(jié)構(gòu)層減薄拋光利用化學(xué)機械拋光機(CMP)將硅結(jié)構(gòu)層15減薄到所需厚度，再將表面拋光。圖(e)是可動結(jié)構(gòu)以及電互聯(lián)引線刻蝕利用光刻エ藝形成可動結(jié)構(gòu)6以及電互聯(lián)引線5的圖形，經(jīng)ICP深槽刻蝕釋放可動結(jié)構(gòu)，同時刻蝕形成電互聯(lián)引線5、壓焊區(qū)域4、鍵合環(huán)3、鍵合環(huán)I以及隔離槽2。圖(f)- (h)是硅蓋帽制作利用光刻、KOH腐蝕エ藝在硅蓋帽下表面形成淺腔9 ;光刻出引線孔13的圖形，利用KOH腐蝕液將引線孔腐通；將表面氧化，生產(chǎn)一定厚度絕緣層11。圖(i)是硅蓋帽與硅結(jié)構(gòu)層鍵合利用雙面對準(zhǔn)原理，將硅蓋帽12與硅結(jié)構(gòu)層15對準(zhǔn)，采用真空硅硅直接鍵合技術(shù)，實現(xiàn)硅蓋帽12與硅結(jié)構(gòu)層15的鍵合封裝。圖2是壓焊點金屬化利用掩蔽shadow mask濺射エ藝在引線孔中濺射鋁電極14。經(jīng)上述エ藝流程，實現(xiàn)了 MEMS器件晶圓級真空封裝。
權(quán)利要求
1.一種MEMS器件，由硅蓋帽(12)、硅結(jié)構(gòu)層(15)和硅襯底(10)經(jīng)硅硅直接鍵合后組成，硅結(jié)構(gòu)層(15)中設(shè)有可動結(jié)構(gòu)，其特征在于硅結(jié)構(gòu)層(15)采用可作為導(dǎo)體的低阻硅片，并且直接在硅結(jié)構(gòu)層上刻蝕形成電互聯(lián)引線(5)以及壓焊區(qū)(4)，硅蓋帽(12)中設(shè)置的引線通孔(13)與壓焊區(qū)(4)相對應(yīng)，并在壓焊區(qū)(4)上濺射鋁電極(14)。
2.—種MEMS器件晶圓級真空封裝方法，其特征在于包括如下步驟 (1)硅襯底制作利用光刻技術(shù)、ICP深硅刻蝕技術(shù)在硅襯底上形成淺腔，并經(jīng)氧化工藝使硅襯底表面生長一定厚度的氧化層； (2)硅蓋帽制作利用光刻工藝以及KOH腐蝕工藝形成結(jié)構(gòu)淺腔以及電極引線通孔，并氧化使其表面形成一定厚度的氧化層； (3)硅襯底與硅結(jié)構(gòu)層直接鍵合中間的硅結(jié)構(gòu)層采用可作為導(dǎo)體的低阻硅片，采用硅硅直接鍵合工藝，將硅襯底與硅結(jié)構(gòu)層直接鍵合； (4)可動結(jié)構(gòu)以及電互聯(lián)引線的制作利用CMP減薄拋光技術(shù)將與硅襯底鍵合的低阻硅片減薄到需要的厚度，通過光刻工藝獲得硅結(jié)構(gòu)層中的可動結(jié)構(gòu)以及電互聯(lián)引線圖形，再利用ICP深硅刻蝕技術(shù)釋放可動結(jié)構(gòu)，同時刻蝕形成低阻硅電極引線兩側(cè)隔離槽； (5)將硅蓋帽與硅結(jié)構(gòu)層直接鍵合，使硅蓋帽的引線孔對準(zhǔn)硅結(jié)構(gòu)層中的電極引線壓焊區(qū)； (6)壓焊區(qū)域金屬化利用掩蔽shadowmask濺射工藝在引線孔中的電互聯(lián)引線壓焊區(qū)上濺射金屬鋁，形成壓焊點。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種MEMS器件及其晶圓級真空封裝方法，其特征在于采用硅硅直接鍵合技術(shù)實現(xiàn)晶圓級真空封裝，硅襯底(10)上鍵合的硅結(jié)構(gòu)層(15)采用低阻硅片，直接在硅結(jié)構(gòu)層上刻蝕形成電互聯(lián)引線(5)，在硅蓋帽(12)中引線通孔(13)中的電互聯(lián)引線壓焊區(qū)(4)上濺射鋁電極(14)。本發(fā)明具有如下優(yōu)點采用全硅結(jié)構(gòu)，鍵合后無殘余應(yīng)力，能夠大大提高器件工作性能；利用低阻硅作為電極引線，避免了硅硅直接鍵合過程中高溫對金屬電極的破壞；硅硅直接鍵合氣密性極好，大大降低了封裝成本；這種方法一致性和可靠性高，工藝易于實現(xiàn)。
文檔編號B81B7/00GK102862947SQ20121034619
公開日2013年1月9日 申請日期2012年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月18日
發(fā)明者何凱旋, 郭群英, 陳博, 王鵬, 汪祖民, 王文婧, 黃斌, 陳璞, 徐棟, 呂東鋒 申請人:華東光電集成器件研究所