一種圓片級真空封裝結構及其製作方法與流程

2023-05-07 23:01:36

本發明涉及mems（微電子機械系統）與圓片級封裝技術領域。

背景技術：

mems產品器件除了具有一定的電子性能特徵外，更具有機械結構部件特徵，其工作原理經常涉及到機械部件的運動，因此對於mems產品器件，封裝技術是非常重要的。一方面封裝可使產品避免受到灰塵、潮氣等影響，另一方面，通過封裝，在封裝內部形成真空或一定氣壓的空氣，對減小和控制可動結構的氣體運動阻尼，是保證器件性能的必需工藝。對絕對壓力傳感器等器件，其內部也必須是真空狀態，以準確測量外部的氣壓。目前多種多樣的mems器件，以及部分微電子、光電子器件，都需要真空封裝。器件的封裝成本最多已經佔到了產品總成本的95％，目前滯後的封裝技術與高昂的封裝成本嚴重製約了mems器件的產業化發展，優化加工技術方法、降低封裝成本與真空封裝技術是本發明的主要目的，對實現器件的真空或氣密封裝有重要意義。

圓片級封裝技術是一種低成本和批量化的技術解決途徑，圓片級封裝是採用圓片鍵合技術，將mems器件封裝在腔體內部的技術方法，因此具有批量的優點。多數情況下，圓片級封裝形成的器件，可以直接應用，不需要每個器件再單獨進行封裝。

圓片級封裝技術，利用一個製備有空腔的圓片，和另一個製備有器件的圓片，通過圓片鍵合技術結合在一起，同時完成了對圓片上所有器件的封裝。然後可以通過切割等工藝，將圓片上的器件分割成一個個獨立的器件。實現圓片鍵合的工藝技術，有很多種，包括陽極鍵合（矽-玻璃鍵合）、矽熔融鍵合、glassfrit鍵合、共晶鍵合、聚合物鍵合等；其中有些是圓片直接鍵合在一起，有些圓片鍵合工藝，需要在圓片表面待建合的區域製備金屬或非金屬薄膜，用來完成圓片鍵合。

圓片鍵合技術來實現器件的真空氣密封裝時，通常包含三個主要步驟。一是將需要鍵合的圓片，進行精密的對位操作，對位精度通常可達到幾個微米或更小；二是將對位好的兩個圓片放入鍵合設備內，鍵合設備的工作腔室抽真空，此時圓片處於真空環境下，彼此間的氣體會排出，使內部的空腔形成真空；三是通過加熱、加壓等措施，完成圓片鍵合，使圓片界面處需要鍵合的區域形成氣密的結合，則空腔形成真空氣密封裝。

在上述的圓片鍵合技術的第二步驟，為了順利排出氣體，圓片彼此間有一定的間隙，該間隙通常在100微米到1000微米的範圍內。該間隙過大，會影響到圓片的對位精度。該間隙過小，則嚴重影響到了圓片彼此間的空隙和空腔處真空的形成。這主要是因為高真空下，氣體分子彼此碰撞的平均自由程，大大增加了。在一個大氣壓760託時，分子平均自由程約為0.65微米；氣壓為1託時，分子平均自由程約為50微米；氣壓為1×10-3託時，分子平均自由程約為50000微米。目前進行的圓片鍵合，直徑通常為100釐米、150釐米、200釐米、300釐米。當圓片間距為數百微米時，在真空環境下，分子運動的平均自由程，遠遠大於圓片間的間隙，空腔內的氣體分子難以通過圓片間的間隙排出，即使通過幾十分鐘或更長的時間，也難以在圓片彼此的空間內部形成良好的真空。圓片空腔內的真空，通常比所處設備腔室的真空，要低一個數量級或兩個數量級，而且工藝時間很長。如圖2所示，第一圓片和第二圓片內部的空腔內，難以形成良好的真空。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是針對上述現有技術的不足，提供一種圓片級真空封裝結構及其製作方法，方法簡單，通過在空腔鄰近區域製備排氣通孔，可以在很短的時間內，使空腔內的真空達到或接近鍵合設備腔室的真空。

為解決上述技術問題，本發明所採取的技術方案是：包括第一圓片和第二圓片，第一圓片上設有空腔，第一圓片下部設有鍵合區，第一圓片與第二圓片通過鍵合區進行圓片鍵合；第二圓片上設有待封裝的器件；所述第一圓片上的空腔旁邊設有排氣通孔。

作為優選，排氣通孔豎直貫穿第一圓片。

作為優選，排氣通孔製作在器件彼此間的劃片道內。

作為優選，排氣通孔直徑為10微米-1毫米。

進一步的，一種圓片級真空封裝結構的製作方法，包括步驟

a：通孔製備：在已經製備了空腔的待鍵合的第一圓片上製備出排氣通孔；

b:圓片對位：將待鍵合的圓片，進行表面清潔等處理，接著進行精確的圓片對位，使第一圓片和第二圓片上的圖形，能夠精確的對準在一起；

c：真空製備：圓片放入鍵合設備內，抽取真空；

d：圓片鍵合:將圓片鍵合在一起。

作為優選，排氣通孔製備是通過光刻和刻蝕工藝製備的。

採用上述技術方案所產生的有益效果在於：本發明方法簡單，通過在空腔附近設置排氣通孔，在圓片鍵合製備真空時，可經過很短的路徑將圓片鍵合時的氣體分子排出，可以在很短的時間內，解決了氣體難以排出的問題，使空腔內的真空達到或接近鍵合設備腔室的真空，然後進行圓片鍵合，完成鍵合後，圓片間形成了密封的真空空腔，有利於封裝在內部的器件的正常工作，提高了工作效率，保證了產品質量。

附圖說明

圖1是本發明一個實施例的結構示意圖；

圖2是待鍵合的圓片的結構示意圖；

圖3是本發明製備方法a步驟的結構示意圖；

圖4是本發明製備方法d步驟的結構示意圖；

圖5是本發明中器件與排氣通孔的一個實施例的結構示意圖。

圖中：1、第一圓片；2、第二圓片；3、鍵合區；4、空腔；5、排氣通孔；6、器件。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細的說明。

由於mems器件通常含有可動部件，需要製造密閉環境來對其進行封裝，以保證可動部件獲得足夠的活動空間，並提供機械保護盒環境維持，圓片上的空腔為可動部件提供活動空間，空腔為真空環境。

如圖1-5所示，為本發明一種圓片級真空封裝結構及其製作方法的一個實施例。

實施例1：

圓片級真空封裝結構包括第一圓片1和第二圓片2，第一圓片1上設有空腔4，第一圓片1下部設有鍵合區3，第一圓片1與第二圓片2通過鍵合區3進行圓片鍵合；第二圓片2上設有待封裝的器件6；所述第一圓片上的空腔旁邊設有排氣通孔。

排氣通孔5在第一圓片1內，從圓片底部穿過圓片頂部，排氣通孔5設置在空腔4旁邊，通過在空腔4鄰近區域製備排氣通孔5，氣體分子能經過很短的路逕到達排氣通孔5，氣體分子能在很短的時間內排出，並且空腔4可以在很短的時間使真空達到或接近鍵合設備腔室的真空，鍵合完成後，產品質量得到保證；鍵合圓片的直徑越大，圓片間隙越小，本技術的優勢越明顯。排氣通孔5的個數不定，可以幾個空腔4共用一個排氣通孔5。

進一步的，一種圓片級真空封裝結構的製作方法，包括步驟

a：通孔製備：在已經製備了空腔的待鍵合的第一圓片1上製備出排氣通孔5；通孔刻蝕，常見的工藝為幹法等離子深刻蝕工藝，或溶液通孔腐蝕工藝。

b:圓片對位：將待鍵合的圓片，進行表面清潔等處理，接著進行精確的圓片對位，使第一圓片1和第二圓片2上的圖形，能夠精確的對準在一起；

c：真空製備：圓片放入鍵合設備內，抽取真空。鍵合設備工作腔室形成真空，圓片內部的空腔，通過排氣通孔，排出了氣體，也形成了真空；通過排氣通孔能將空腔內的氣體分子迅速順利排出；

d：圓片鍵合：第一圓片1內部的空腔，已通過排氣通孔5，形成了真空；然後通過加熱加壓等手段，將圓片鍵合在一起，同時將空腔進行了氣密封閉。對矽玻璃鍵合，還需要施加一定的電壓電流。在此步驟中，在圓片鍵合的同時，形成了密閉的真空空腔。

作為優選，排氣通孔5製備是通過光刻和刻蝕工藝製備的。

實施例2：

圓片級真空封裝結構和製備方法都與實施例1中的相同。

作為優選，排氣通孔5豎直貫穿第一圓片1，排氣通孔5可以是圓柱形，也可以是錐形，但是不限於這幾種形狀，錐形能使氣體分子排出順暢，並且排出速度快。

作為優選，排氣通孔5製作在器件彼此間的劃片道內，不佔用圓片表面用來進行器件分布的有效面積；另外，排氣通孔5也可以製作在器件6上，排氣通孔5的數量隨著器件6大小而改變，器件6越小，排氣通孔5越稀疏，這樣能保證氣體分子順利排出的同時還能保證器件6的堅固穩定，不易損壞；反之，當器件6越大時，需要設置的排氣通孔5越多，這樣能保證氣體分子能儘快順利排出，由於器件6較大，所以也不會影響到器件6的堅固度，器件6不會容易損壞。

作為優選，排氣通孔5直徑為10微米-1毫米。

實施例3：

當空腔內存在吸氣劑時，本技術能夠和吸氣劑技術兼容。

圓片級真空封裝結構與實施例1中的結構相同，另外的在空腔內設有吸氣劑，通過空腔4內的吸氣劑，吸附腔體內陸續產生的微量氣體分子，使空腔4長期維持在真空氣氛下。

一種圓片級真空封裝結構的製作方法，包括步驟

a：通孔製備：在已經製備了空腔4且空腔4內設有吸氣劑的待鍵合的圓片上製備出排氣通孔5；

b:圓片對位：將待鍵合的圓片，進行表面清潔等處理，接著進行精確的圓片對位，使第一圓片和第二圓片上的圖形，能夠精確的對準在一起；

c：真空製備：圓片放入鍵合設備內，抽取真空；

d：圓片鍵合:將圓片鍵合在一起。

作為優選，刻蝕工藝和溼法腐蝕工藝製備排氣通孔，具體的，排氣通孔製備通過光刻和刻蝕工藝製備的。

本方法可適用於常見的多種圓片鍵合工藝技術，包括但不限於共晶鍵合、熱壓鍵合、直接鍵合、瞬態液相鍵合、粘接鍵合等，但是不限於這幾種技術。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。