Mems圓片級(jí)真空封裝結(jié)構(gòu)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)封裝技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種MEMS圓片級(jí)真空封裝結(jié)構(gòu)及加工方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的飛速發(fā)展，各種MEMS器件產(chǎn)品作為高品質(zhì)傳感器或者探測(cè)器在工業(yè)傳感、圖象通信、消費(fèi)電子、汽車(chē)工業(yè)、軍事工業(yè)等領(lǐng)域得到越來(lái)越多的應(yīng)用。很多MEMS器件，如基于諧振結(jié)構(gòu)的微陀螺儀、微加速度計(jì)、微濾波器、微超聲波傳感器、微生物分子質(zhì)量檢測(cè)儀等都需要采用真空封裝來(lái)降低機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)的氣體阻尼，提高器件的品質(zhì)因數(shù)，從而改善器件的性能。
[0003]真空封裝可分為器件級(jí)真空封裝與圓片級(jí)真空封裝。目前在工業(yè)生產(chǎn)中MEMS器件主要采用器件級(jí)真空封裝，器件級(jí)真空封裝成本較高，主要應(yīng)用于航空航天、國(guó)防等領(lǐng)域。而圓片級(jí)真空封裝能極大地降低成本，提高工藝參數(shù)一致性、產(chǎn)品的成品率與可靠性，能進(jìn)一步拓展高性能MEMS器件在國(guó)防、航空航天、通訊、汽車(chē)、工業(yè)自動(dòng)化、電子等眾多領(lǐng)域的應(yīng)用，是MEMS封裝技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)。
[0004]目前，MEMS圓片級(jí)真空封裝通常采用圓片級(jí)鍵合方式實(shí)現(xiàn)，金屬引線一般采用縱向通孔(TSV或GSV)，工藝復(fù)雜，成本高，可靠性差。為此，眾多研宄機(jī)構(gòu)著力開(kāi)發(fā)新結(jié)構(gòu)和新工藝實(shí)現(xiàn)MEMS圓片級(jí)真空封裝。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種MEMS圓片級(jí)真空封裝結(jié)構(gòu)及加工方法，本發(fā)明能夠解決圓片級(jí)真空封裝中鍵合工藝不穩(wěn)定以及金屬引線互連的問(wèn)題，降低工藝難度和加工成本，提高工藝成品率。
[0006]本發(fā)明采用如下技術(shù)方案達(dá)到所述目的:
[0007]1、MEMS圓片級(jí)真空封裝結(jié)構(gòu)，包括絕緣襯底、MEMS芯片結(jié)構(gòu)層和蓋板，三者通過(guò)圓片級(jí)鍵合方式連接成一體，形成真空腔室；
[0008]所述MEMS芯片結(jié)構(gòu)層設(shè)置在絕緣襯底和蓋板之間，包括閉合環(huán)狀的支撐結(jié)構(gòu)和位于支撐結(jié)構(gòu)環(huán)內(nèi)部的敏感單元；支撐結(jié)構(gòu)上端面設(shè)置有與支撐結(jié)構(gòu)適形的第三鍵合環(huán)，下端面設(shè)置有與支撐結(jié)構(gòu)適形的第四鍵合環(huán)；
[0009]所述絕緣襯底包括設(shè)置在絕緣襯底上同時(shí)與第三鍵合環(huán)鍵合的第一、第二鍵合環(huán)和設(shè)置在第一鍵合環(huán)內(nèi)部的金屬電極，以及設(shè)置在第一鍵合環(huán)外部的焊盤(pán)；所述第二鍵合環(huán)為不完全閉合結(jié)構(gòu)，在金屬引線處設(shè)置有開(kāi)口，所述金屬電極與焊盤(pán)通過(guò)設(shè)置在開(kāi)口處的金屬引線連通；
[0010]所述絕緣襯底上設(shè)置有與第一鍵合環(huán)適形的環(huán)狀凹槽I，所述環(huán)狀凹槽I延伸穿過(guò)第一鍵合環(huán)；所述第二鍵合環(huán)包括填充于凹槽I中的電絕緣層和位于電絕緣層之上的鍵合層；所述鍵合層高于第一鍵合環(huán)；
[0011]所述蓋板上設(shè)置有與第四鍵合環(huán)鍵合的第五鍵合環(huán)和給敏感單元提供運(yùn)動(dòng)空間的凹槽II ;所述凹槽II底部設(shè)有薄膜吸氣劑。
[0012]優(yōu)選的，所述敏感單元包括敏感質(zhì)量塊和將敏感質(zhì)量塊固定于支撐結(jié)構(gòu)上的懸臂梁，所述敏感質(zhì)量塊與金屬電極尺寸位置相對(duì)應(yīng)。
[0013]優(yōu)選的，所述絕緣襯底為Pyrex 7740玻璃；所述MEMS芯片結(jié)構(gòu)層為單晶硅；所述蓋板為玻璃蓋板或硅蓋板。
[0014]優(yōu)選的，所述粘附層厚度在5-50nm之間，金屬層厚度在100_500nm之間。
[0015]更優(yōu)選的，所述金屬層的材料為Au、Pt、Cu、Ag、Al、W中的一種，所述粘附層的材料為 T1、TiW、Cr、Ta、N1、Pd、Mo 中的一種。
[0016]更優(yōu)選的，粘附層厚度為40nm，金屬層厚度為120nm。
[0017]優(yōu)選的，所述第一鍵合環(huán)為閉合環(huán)狀玻璃鍵合環(huán)；所述第二鍵合環(huán)為不完全閉合的金屬或聚合物鍵合環(huán)，第二鍵合環(huán)的不完全閉合環(huán)狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一方面可以實(shí)現(xiàn)金屬引線的橫向互連，另一方面可以將真空腔室與外界環(huán)境隔開(kāi)，保證真空腔室的密封性。
[0018]優(yōu)選的，所述電絕緣層為S1Jl、Si3N4層或AlN層，所述電絕緣層高度與第一鍵合環(huán)持平或略低于第一鍵合環(huán)。
[0019]優(yōu)選的，所述鍵合層寬度小于電絕緣層。
[0020]優(yōu)選的，所述鍵合層為金屬層或聚合物層。
[0021]更優(yōu)選的，所述鍵合層為T(mén)i/Au、Cu、苯丙環(huán)丁烯(BCB)或SU8光刻膠，鍵合層厚度為 200nm_3 μm。
[0022]優(yōu)選的，所述鍵合層為金屬層時(shí)，鍵合層高于第一鍵合環(huán)100_500nm，所述鍵合層為聚合物層時(shí)，鍵合層高于第一鍵合環(huán)1-3 μ m，兩者具有一定的高度差可以保證鍵合時(shí)兩鍵合環(huán)都能充分接觸，且減小鍵合環(huán)邊緣由于高度差引入的空隙。
[0023]優(yōu)選的，所述薄膜吸氣劑為鎬、鈦、鍺或它們的合金。
[0024]優(yōu)選的，所述薄膜吸氣劑厚度為0.5-3 μ m。
[0025]優(yōu)選的，所述凹槽I深度1-3 μ m。
[0026]優(yōu)選的，所述凹槽II深度為10-400 μ m，以提供敏感單元足夠的運(yùn)動(dòng)空間。
[0027]2、制備MEMS圓片級(jí)真空封裝結(jié)構(gòu)的方法，包括如下步驟:
[0028]a)在絕緣襯底上刻蝕凹槽I，并制備金屬電極、焊盤(pán)以及金屬引線；
[0029]b)在凹槽I中淀積電絕緣層，并在電絕緣層上制備鍵合層；
[0030]c)制備MEMS芯片結(jié)構(gòu)層，然后將第二鍵合環(huán)與第三鍵合環(huán)通過(guò)共晶、熱壓或粘著鍵合，第一鍵合環(huán)與第三鍵合環(huán)通過(guò)陽(yáng)極鍵合，完成與絕緣襯底的鍵合；
[0031]d)在蓋板上刻蝕給敏感單元提供運(yùn)動(dòng)空間的凹槽II，并采用磁控濺射法在凹槽II內(nèi)部制備一層薄膜吸氣劑；
[0032]e)將蓋板的第五鍵合環(huán)與MEMS芯片結(jié)構(gòu)層的第四鍵合環(huán)進(jìn)行鍵合，在鍵合過(guò)程中將薄膜吸氣劑激活，完成真空封裝。
[0033]本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明在第一鍵合環(huán)(閉合環(huán)狀玻璃鍵合環(huán))中心設(shè)計(jì)有不完全閉合的第二鍵合環(huán)(金屬或聚合物鍵合環(huán))，同時(shí)利用陽(yáng)極鍵合與金硅共晶鍵合、熱壓鍵合或粘著鍵合等鍵合溫度相近的特點(diǎn)，在同一工藝條件下完成兩種鍵合，實(shí)現(xiàn)真空封裝和金屬引線的橫向互連。另外，第二鍵合環(huán)略高于第一鍵合環(huán)的目的是為了保證鍵合時(shí)兩鍵合環(huán)都能充分接觸，而第二鍵合環(huán)的不完全閉合形狀設(shè)計(jì)一方面可以實(shí)現(xiàn)金屬引線的橫向互連，另一方面可以將真空腔室與外界環(huán)境隔開(kāi)，保證真空腔室的密封性。本發(fā)明降低了工藝難度，提高了器件的可靠性和成品率，促進(jìn)了 MEMS圓片級(jí)真空封裝技術(shù)的規(guī)?；瘧?yīng)用。
【附圖說(shuō)明】
[0034]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果更加清楚，本發(fā)明提供如下附圖:
[0035]圖1為本發(fā)明MEMS圓片級(jí)真空封裝結(jié)構(gòu)三維圖；
[0036]圖2為MEMS圓片級(jí)真空封裝結(jié)構(gòu)剖面圖；
[0037]圖3為本發(fā)明的工藝流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0038]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明，所舉實(shí)例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。
[0039]1-絕緣襯底；2-MEMS芯片結(jié)構(gòu)層；3_蓋板；4_真空腔室；5_金屬電極；6_焊盤(pán)；7-第一鍵合環(huán)；8_第二鍵合環(huán)；9_金屬引線；10_凹槽I ;11_電絕緣層；12_鍵合層；13_第三鍵合環(huán)；14_敏感單元；15_支撐結(jié)構(gòu)；16_第四鍵合環(huán)；17_第五鍵合環(huán)；18_凹槽II ;19-薄膜吸氣劑，20-敏感質(zhì)量塊；21_懸臂梁。
[0040]如圖1、圖2所示為本發(fā)明MEMS圓片級(jí)真空封裝結(jié)構(gòu)三維圖和MEMS圓片級(jí)真空封裝結(jié)構(gòu)剖面圖，所述MEMS圓片級(jí)真空封裝結(jié)構(gòu)包括絕緣襯底1、MEMS芯片結(jié)構(gòu)層2和蓋板3，三者通過(guò)圓片級(jí)鍵合方式連接成一體，形成真空腔室4 ;
[0041]所述MEMS芯片結(jié)構(gòu)層2設(shè)置在絕緣襯底I和蓋板3之間，包括閉合環(huán)狀的支撐結(jié)構(gòu)15和位于支撐結(jié)構(gòu)15環(huán)內(nèi)部的敏感單元14 ;支撐結(jié)構(gòu)15上端面設(shè)置有與支撐結(jié)構(gòu)15適形的第三鍵合環(huán)13，下端面設(shè)置有與支撐結(jié)構(gòu)15適形的第四鍵合環(huán)16 ;所述敏感單元14包括敏感質(zhì)量塊20和將敏感質(zhì)量塊20固定于支撐結(jié)構(gòu)15上的懸臂梁21