一種微機電系統的圓片級真空封裝工藝的製作方法
2023-08-10 12:34:01
專利名稱：一種微機電系統的圓片級真空封裝工藝的製作方法
技術領域：
本發明屬於微機電系統的封裝方法，特別涉及一種微機電系統的圓 片級真空封裝工藝。
背景技術：
絕對壓力傳感器、基於諧振原理的慣性傳感器(如加速度計，角速 度傳感器，陀螺儀)、微真空電子器件和光學器件(光開關，紅外成像傳感器，數字微鏡器件)等微機電系統(MEMS)器件，需要工作在特定 的真空環境，這些器件都需要真空封裝。真空封裝可分為器件級真空封 裝與圓片級真空封裝。圓片級真空封裝具有低成本、高產量、保證劃片 安全等優點，具有重要的應用前景。目前MEMS圓片級真空封裝主要採 用兩種技術路線基於圓片鍵合工藝的真空封裝方法和基於薄膜澱積工 藝的真空封裝方法。基於圓片鍵合工藝的真空封裝是將帶有微機電結構 的圓片與蓋板圓片直接鍵合，蓋板圓片一般是玻璃或矽片，鍵合工藝可 以在密封或半密封狀態下進行，防止微機電系統在後道工序受到汙染。 對於密封鍵合工藝，微機電系統可以在真空或惰性氣體的環境中進行封 裝。現有基於薄膜澱積工藝的圓片級真空封裝工藝，如C.Gillot，J丄. Pomin, A. Amaud等人發表在2005 Electronics Packaging Technology Conference的文章"Wafer Level Thin Film Encapsulation for MEMS ",是 由犧牲層上澱積的薄膜形成覆蓋器件的封閉空腔，在薄膜上刻蝕釋放孔 以刻蝕犧牲層，最後，在這層薄膜上澱積另一層薄膜實現封口。基於薄膜澱積真空封裝工藝使用標準的集成電路工藝，並且使用較 少的圓片面積，它的成本將少於基於圓片鍵合工藝的真空封裝。但是這一工藝澱積的薄膜很薄、腔體很小，極容易在劃片過程中損壞；同時， 氣體的洩漏率與器件內外的壓力差成正比，而真空封裝的器件內外壓力 差較大，造成目前基於薄膜澱積工藝的真空封裝器件存在真空洩露，使用 壽命降低，不能滿足真空封裝使用壽命至少十年的使用要求。發明內容本發明提供一種微機電系統的圓片級真空封裝工藝，解決現有基於 薄膜澱積真空封裝工藝所存在的澱積薄膜較薄、腔體小，容易損壞，以 及封裝器件存在真空洩露、使用壽命降低的問題。本發明的一種微機電系統的圓片級真空封裝工藝，順序包括 澱積吸氣劑步驟在矽基片上澱積吸氣劑薄膜，澱積的吸氣劑薄膜 厚度為50 200nm，其形狀為環繞MEMS器件的兩個共中心條狀圖形；澱積薄犧牲層步驟在矽基片上澱積薄犧牲層，澱積的薄犧牲層厚度為200 500nm，薄犧牲層圖案製作在內外兩圈吸氣劑薄膜圖形之間的 空白區域；澱積緩衝腔犧牲層步驟澱積緩衝腔犧牲層，澱積的緩衝腔犧牲層 厚度為300nm 1.5um，其圖案製作在薄犧牲層邊緣並覆蓋外圈吸氣劑薄 膜；澱積厚犧牲層步驟澱積厚犧牲層，澱積的厚犧牲層製作在薄犧牲 層中的空白區域，與薄犧牲層相連並覆蓋MEMS器件，厚度為500nm 2um;製作封裝蓋步驟採用低壓化學氣相沉積工藝、電鍍工藝或濺射工 藝中的一種在薄犧牲層、緩衝腔犧牲層和厚犧牲層上製作封裝蓋，所述封裝蓋厚度為0.5um 2um;刻蝕釋放孔步驟採用化學同相刻蝕、異向刻蝕或者光刻刻蝕工藝中的一種或幾種，在薄犧牲層的封裝蓋上刻蝕出釋放孔，釋放孔面積為50um2 100um2;去除犧牲層步驟用高密度等離子體幹法刻蝕工藝去除薄犧牲層、 緩衝腔犧牲層和厚犧牲層；密封步驟採用等離子增強型化學氣相沉積工藝在封裝蓋上澱積封 裝材料，對刻蝕腔通道進行密封，所述封裝材料厚度為lum 3um。所述的微機電系統的圓片級真空封裝工藝，其特徵在於-所述澱積吸氣劑步驟中，澱積方法為磁控濺射或絲網印刷中的一種； 所述澱積薄犧牲層、澱積緩衝腔犧牲層和澱積厚犧牲層步驟中，澱積方法為化學氣相沉積、低壓化學氣相沉積、濺射或蒸鍍中的一種；所述澱積薄犧牲層、澱積緩衝腔犧牲層和澱積厚犧牲層步驟中，所述薄犧牲層、緩衝腔犧牲層和厚犧牲層的材料為磷矽酸鹽玻璃、光刻膠或多晶矽中的一種或多種；所述製作封裝蓋步驟和密封步驟中，所述封裝蓋和封裝材料的材料為氮化矽，多晶矽，金屬和介質的組合。本發明是一個低溫真空封裝工藝(<350°0，與IC工藝兼容。本發明 針對現在圓片級真空封裝技術存在的真空保持時間短，密封質量低，封 裝尺寸大，工藝與標準IC工藝不兼容，成本高的問題，在封裝結構上創 新，增加了緩衝腔體，並在緩衝腔中澱積吸氣劑，氣體洩漏途徑從外界通 過中間的真空緩衝腔，大部分氣體被緩衝腔吸氣劑吸收，只有極少量氣體 從緩衝腔洩漏到封裝腔體內，從而保證最裡面的腔體氣壓無大的變化。由 於引入了緩衝腔，並在緩衝腔中澱積吸氣劑，使氣體洩漏途徑變為從外 界通過中間的真空緩衝腔，再從緩衝腔洩漏到封裝腔體內，從而保證最 裡面的腔體氣壓；同時由於基於薄膜澱積工藝的封裝使用了標準的集成電路技術，並且使用較少的圓片面積，它的成本少於基於圓片鍵合工藝 的真空封裝。此外，它沒有圓片對準和背部工藝的要求，因而可以在常規的IC生產廠實現生產，可極大的推動圓片級MEMS真空封裝技術的 發展和推廣。對於絕對壓力傳感器，加速度計，角速度傳感器，陀螺儀 等，採用本發明進行真空封裝，可以得到絕對壓力的近似零點或和更高 的品質因素。
圖1為本發明的澱積吸氣劑步驟示意圖；圖2為本發明的澱積薄犧牲層步驟示意圖；圖3為本發明的澱積緩衝腔犧牲層步驟示意圖；圖4為本發明的澱積厚犧牲層步驟示意圖；圖5為本發明的製作封裝蓋步驟示意圖；圖6為本發明的刻蝕釋放孔步驟示意圖；圖7為圖6的俯視圖；圖8為本發明的去除犧牲層步驟示意圖； 圖9為本發明的密封步驟示意圖。圖中標記矽基片l、 MEMS器件2、吸氣劑3、薄犧牲層4、緩衝 腔犧牲層5、厚犧牲層6、封裝蓋7、釋放孔8、刻蝕通道9、緩衝腔IO、 空腔ll、密封層12。
具體實施方式
本發明是在矽基片1上做好MEMS器件2，並在矽片上澱積吸氣劑 薄膜後，進行封裝。 實施例l澱積吸氣劑步驟如圖1所示，用磁控濺射工藝在矽基片1上澱積Zr-V-Fe吸氣劑薄膜2，澱積的吸氣劑薄膜厚度為50nm，其形狀為環繞 MEMS器件2的兩個共中心條狀圖形；澱積薄犧牲層步驟如圖2所示，用低壓化學氣相沉積工藝在矽基 片1上澱積磷矽酸鹽玻璃薄犧牲層4，澱積的薄犧牲層厚度為200nm，薄 犧牲層圖案製作在內外兩圈吸氣劑薄膜圖形之間的空白區域；澱積緩衝腔犧牲層步驟如圖3所示，用化學氣相沉積工藝澱積磷 矽酸鹽玻璃緩衝腔犧牲層5，澱積的緩衝腔犧牲層厚度為300nm，其圖案 製作在薄犧牲層4邊緣並覆蓋外圈吸氣劑薄膜；澱積厚犧牲層步驟如圖4所示，用蒸鍍工藝澱積磷矽酸鹽玻璃厚 犧牲層6，澱積的厚犧牲層製作在薄犧牲層中的空白區域，與薄犧牲層4 相連並覆蓋MEMS器件2，厚度為500nm;製作封裝蓋步驟如圖5所示，採用電鍍工藝在薄犧牲層、緩衝腔 犧牲層和厚犧牲層上製作氮化矽封裝蓋7，所述封裝蓋厚度為0.5um;刻蝕釋放孔步驟如圖6、圖7所示，採用光刻刻蝕工藝，在薄犧牲 層的封裝蓋上刻蝕出釋放孔8，釋放孔面積為50nm2;去除犧牲層步驟如圖8所示，用高密度等離子體幹法刻蝕工藝去 除薄犧牲層、緩衝腔犧牲層和厚犧牲層，薄犧牲層刻蝕後即可形成刻蝕 通道9，緩衝腔犧牲層刻蝕後即可形成緩衝腔10，厚犧牲層刻蝕後即可 形成空腔ll;密封步驟如圖9所示，採用等離子增強型化學氣相沉積工藝在封 裝蓋上澱積多晶矽封裝材料12，對刻蝕腔通道進行密封，所述封裝材料 厚度為lum。實施例2澱積吸氣劑步驟如圖1所示，用磁控濺射工藝在矽基片1上澱積Zr-Al吸氣劑薄膜2，澱積的吸氣劑薄膜厚度為200nm，其形狀為環繞 MEMS器件2的兩個共中心條狀圖形；澱積薄犧牲層步驟如圖2所示，在矽基片1上旋塗光刻膠並製作 薄犧牲層4圖案，澱積的薄犧牲層厚度為500nm，薄犧牲層圖案製作在 內外兩圈吸氣劑薄膜圖形之間的空白區域；澱積緩衝腔犧牲層步驟如圖3所示，旋塗光刻膠並製作緩衝腔犧 牲層5圖案，澱積的緩衝腔犧牲層厚度為1.5um，其圖案製作在薄犧牲層 4邊緣並覆蓋外圈吸氣劑薄膜；澱積厚犧牲層步驟如圖4所示，旋塗光刻膠製作厚犧牲層6圖案， 澱積的厚犧牲層製作在薄犧牲層中的空白區域，與薄犧牲層4相連並覆 蓋MEMS器件2，厚度為2um;製作封裝蓋步驟如圖5所示，採用低壓化學氣相沉積工藝在薄犧 牲層、緩衝腔犧牲層和厚犧牲層上製作氮化矽封裝蓋7，所述封裝蓋厚度 為2um5刻蝕釋放孔步驟如圖6、圖7所示，採用化學同相刻蝕工藝，在薄 犧牲層的封裝蓋上刻蝕出釋放孔8，釋放孔面積為lOOum2;去除犧牲層步驟如圖8所示，用高密度等離子體幹法刻蝕工藝去除薄犧牲層、緩衝腔犧牲層和厚犧牲層，薄犧牲層刻蝕後即可形成刻蝕通道9，緩衝腔犧牲層刻蝕後即可形成緩衝腔10，厚犧牲層刻蝕後即可 形成空腔11;密封步驟如圖9所示，採用等離子增強型化學氣相沉積工藝在封 裝蓋上澱積封裝材料12，材料為金屬和介質的組合，對刻蝕腔通道進行 密封，所述封裝材料厚度為3um。實施例3澱積吸氣劑步驟如圖1所示，用絲網印刷工藝在矽基片1上澱積Ti-Mo吸氣劑薄膜2，澱積的吸氣劑薄膜厚度為200nm，其形狀為環繞 MEMS器件2的兩個共中心條狀圖形；澱積薄犧牲層步驟如圖2所示，用低壓化學氣相沉積工藝在矽基 片1上澱積磷矽酸鹽玻璃薄犧牲層4，澱積的薄犧牲層厚度為500nm，薄 犧牲層圖案製作在內外兩圈吸氣劑薄膜圖形之間的空白區域；澱積緩衝腔犧牲層步驟如圖3所示，用化學氣相沉積工藝澱積磷 矽酸鹽玻璃緩衝腔犧牲層5，澱積的緩衝腔犧牲層厚度為1.5um，其圖案 製作在薄犧牲層4邊緣並覆蓋外圈吸氣劑薄膜；澱積厚犧牲層步驟如圖4所示，用蒸鍍工藝澱積磷矽酸鹽玻璃厚 犧牲層6，澱積的厚犧牲層製作在薄犧牲層中的空白區域，與薄犧牲層4 相連並覆蓋MEMS器件2，厚度為2um;製作封裝蓋步驟如圖5所示，採用濺射工藝在薄犧牲層、緩衝腔 犧牲層和厚犧牲層上製作金屬封裝蓋7，所述封裝蓋厚度為2um;刻蝕釋放孔步驟如圖6、圖7所示，採用異向刻蝕工藝，在薄犧牲 層的封裝蓋上刻蝕出釋放孔8，釋放孔面積為lOOum2;去除犧牲層步驟如圖8所示，用高密度等離子體幹法刻蝕工藝去除薄犧牲層、緩衝腔犧牲層和厚犧牲層，薄犧牲層刻蝕後即可形成刻蝕通道9，緩衝腔犧牲層刻蝕後即可形成緩衝腔10，厚犧牲層刻蝕後即可 形成空腔ll;密封步驟如圖9所示，採用等離子增強型化學氣相沉積工藝在封 裝蓋上澱積封裝材料12，材料為金屬和介質的組合，對刻蝕腔通道進行 密封，所述封裝材料厚度為3um。
權利要求
1.一種微機電系統的圓片級真空封裝工藝，順序包括澱積吸氣劑步驟在矽基片上澱積吸氣劑薄膜，澱積的吸氣劑薄膜厚度為50～200nm，其形狀為環繞MEMS器件的兩個共中心條狀圖形；澱積薄犧牲層步驟在矽基片上澱積薄犧牲層，澱積的薄犧牲層厚度為200～500nm，薄犧牲層圖案製作在內外兩圈吸氣劑薄膜圖形之間的空白區域；澱積緩衝腔犧牲層步驟澱積緩衝腔犧牲層，澱積的緩衝腔犧牲層厚度為300nm～1.5um，其圖案製作在薄犧牲層邊緣並覆蓋外圈吸氣劑薄膜；澱積厚犧牲層步驟澱積厚犧牲層，澱積的厚犧牲層製作在薄犧牲層中的空白區域，與薄犧牲層相連並覆蓋MEMS器件，厚度為500nm～2um；製作封裝蓋步驟採用低壓化學氣相沉積工藝、電鍍工藝或濺射工藝中的一種在薄犧牲層、緩衝腔犧牲層和厚犧牲層上製作封裝蓋，所述封裝蓋厚度為0.5um～2um；刻蝕釋放孔步驟採用化學同相刻蝕、異向刻蝕或者光刻刻蝕工藝中的一種或幾種，在薄犧牲層的封裝蓋上刻蝕出釋放孔，釋放孔面積為50um2～100um2；去除犧牲層步驟用高密度等離子體幹法刻蝕工藝去除薄犧牲層、緩衝腔犧牲層和厚犧牲層；密封步驟採用等離子增強化學氣相沉積工藝在封裝蓋上澱積封裝材料，對刻蝕腔通道進行密封，所述封裝材料厚度為1um～3um。
2. 如權利要求1所述的微機電系統的圓片級真空封裝工藝，其特徵在於所述澱積吸氣劑步驟中，澱積方法為磁控濺射或絲網印刷中的一種； 所述澱積薄犧牲層、澱積緩衝腔犧牲層和澱積厚犧牲層步驟中，澱積方法為化學氣相沉積、低壓化學氣相沉積、濺射、旋塗或蒸鍍中的一種；所述澱積薄犧牲層、澱積緩衝腔犧牲層和澱積厚犧牲層步驟中，所 述薄犧牲層、緩衝腔犧牲層和厚犧牲層的材料為磷矽酸鹽玻璃、光刻膠 或多晶矽中的一種或多種；所述製作封裝蓋步驟和密封步驟中，所述封裝蓋和封裝材料的材料 為氮化矽，多晶矽，金屬和介質的組合。
全文摘要
一種微機電系統的圓片級真空封裝工藝，屬於微機電系統的封裝方法，解決現有基於薄膜澱積真空封裝工藝所存在的澱積薄膜較薄、腔體小，容易損壞，以及封裝器件存在真空洩露、使用壽命降低的問題。本發明順序包括澱積吸氣劑步驟；澱積薄犧牲層步驟；澱積緩衝腔犧牲層步驟；澱積厚犧牲層步驟；製作封裝蓋步驟；刻蝕釋放孔步驟；去除犧牲層步驟和密封步驟。本發明解決了現有封裝方法存在的真空保持時間短，密封質量低，封裝尺寸大，工藝與標準IC工藝不兼容，成本高的問題，從而保證最裡面的腔體氣壓；同時成本少於基於圓片鍵合工藝的真空封裝，可以在常規的IC生產廠實現生產，極大的推動圓片級MEMS真空封裝技術的發展和推廣。
文檔編號B81C1/00GK101554987SQ20091006189
公開日2009年10月14日 申請日期2009年4月30日 優先權日2009年4月30日
發明者川 劉, 勝 劉, 卓 張, 張鴻海, 汪學方, 甘志銀, 藜 黎 申請人:華中科技大學