專利名稱：凸點(diǎn)連接氣密封裝微機(jī)械系統(tǒng)器件的結(jié)構(gòu)及制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可實(shí)現(xiàn)微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)器件氣密密封裝的結(jié)構(gòu)及制作方法，更確切地說涉及凸點(diǎn)連接氣密封裝微機(jī)械系統(tǒng)器件的結(jié)構(gòu)及制作方法，屬于MEMS器件封裝領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
MEMS(microelectromechanical system)是指采用微細(xì)加工技術(shù)制作的，集微型傳感器、微型構(gòu)件、微型執(zhí)行器、信號(hào)處理、控制電路等于一體的系統(tǒng)。MEMS器件在許多領(lǐng)域都有十分廣闊的應(yīng)用前景。然而，在MEMS器件中，含有可動(dòng)部件，這些可動(dòng)部件很脆弱，極易受到劃片和裝配過程中的灰塵、氣流、濕度、機(jī)械等因素的影響，從而造成器件的毀壞或器件的整體性能下降，因此，必須采取氣密封裝措施，保護(hù)這些關(guān)鍵部位。
為了實(shí)現(xiàn)MEMS器件的氣密封裝，人們提出了多種MEMS器件氣密封裝方法，其基本思想是將一個(gè)帶腔體的蓋板鍵合到另一個(gè)含MEMS器件晶片上，從而保護(hù)MEMS器件的可動(dòng)部件。現(xiàn)今，MEMS器件氣密封裝的鍵合方法主要有硅玻璃陽(yáng)極鍵合、硅硅鍵合、玻璃直接鍵合、低溫玻璃鍵合、有機(jī)粘接劑鍵合和焊料鍵合等。目前，硅玻璃陽(yáng)極鍵合、硅硅鍵合是基于圓片鍵合技術(shù)發(fā)展起來的，是實(shí)現(xiàn)MEMS器件氣密封裝常用的兩種方法。硅玻璃陽(yáng)極鍵合又稱場(chǎng)助熱鍵合，其原理是在硅和玻璃界面產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)電場(chǎng)，在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下玻璃中鈉離子離開界面，產(chǎn)生鈉離子耗散區(qū)，留下氧分子在其界面上，氧分子擴(kuò)散進(jìn)入硅表面，形成一層無定形二氧化硅層，實(shí)現(xiàn)硅玻璃鍵合。硅硅鍵合是利用硅表面的吸附的高密度OH基團(tuán)，脫去一個(gè)水分子，在兩硅片的表面上形成Si-O-Si鍵，將兩硅片鍵合在一起。硅玻璃陽(yáng)極鍵合、硅硅鍵合能夠?qū)崿F(xiàn)圓片級(jí)氣密封裝，因而氣密封裝的成本較低。這兩種鍵合均不使用粘接劑和焊料，能夠得到結(jié)構(gòu)緊湊、牢固復(fù)雜的氣密封裝MEMS器件。低溫玻璃鍵合、有機(jī)粘接劑鍵合和焊料鍵合要使用粘接劑和焊料，且需使用一些附加的工藝，這對(duì)于易損的MEMS器件是極為不利的，會(huì)增加氣密封裝MEMS器件的成本。
MEMS器件的輸出信號(hào)(電流或電壓)很小，將它與外圍電路相連接，如若連接的阻抗、寄生效應(yīng)和噪聲較高，則會(huì)徹底掩蓋MEMS器件的輸出有用的信號(hào)。目前，MEMS器件的電連接主要采用絲焊的方法，這無疑將會(huì)使電連接具有較高的阻抗和寄生效應(yīng)。倒裝芯片連接具有連接電阻小、信號(hào)竄擾小和耗散功率大等諸多優(yōu)點(diǎn)，因而，倒裝芯片連接將會(huì)提高M(jìn)EMS器件的性能。

發(fā)明內(nèi)容
為了避免MEMS器件氣密封裝附加的工藝對(duì)MEMS器件的可動(dòng)部件的毀壞，提高M(jìn)EMS器件氣密封裝的成品率，同時(shí)減小MEMS器件電連接的阻抗、寄生效應(yīng)和噪聲，提高M(jìn)EMS器件輸出信號(hào)的品質(zhì)，本發(fā)明提出了實(shí)現(xiàn)凸點(diǎn)連接MEMS器件氣密封裝結(jié)構(gòu)及其制作方法。該構(gòu)造能夠充分利用現(xiàn)有的IC工藝，實(shí)現(xiàn)MEMS器件的氣密封裝，不僅能夠有效地減少氣密封裝MEMS器件的成本，而且可以提高M(jìn)EMS器件輸出信號(hào)的品質(zhì)。
本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是利用硅硅鍵合，將含MEMS芯片的硅片和含有腔體圖形的硅片鍵合在一起，形成MEMS器件的下腔體，然后，將含有腔體圖形的硅片的背面減薄并將含MEMS芯片的硅片的背面刻蝕。有腔體圖形的硅片的背面減薄的目的是有利于下一步通孔的制作，含MEMS芯片的硅片的背面刻蝕的目的是有助于MEMS器件的可動(dòng)部件的形成與釋放，再利用硅玻璃陽(yáng)極鍵合的原理，將玻璃片鍵合在含MEMS芯片的硅片的背面，形成MEMS器件的上腔體。所形成的硅/硅/玻璃三層結(jié)構(gòu)，可將含MEMS器件的可動(dòng)部件包封在可靠氣密特性的腔體內(nèi)。由于將含有腔體圖形的硅片的背面減薄后，可有效地利用反應(yīng)離子刻蝕和腐蝕形成要引出電極的開孔。經(jīng)沉積鋁膜、光刻掩模等工序后，可制作出MEMS的電極塊，再涂覆聚酰亞胺介質(zhì)薄膜，光刻鋁電極開孔并淀積UBM(凸點(diǎn)下金屬化，underball metallization)，厚膠光刻形成電鍍開孔，電鍍焊料，除去光刻膠，濕法腐蝕UBM，回流成球。涂覆光刻膠保護(hù)焊料球，然后，劃片切分成分立的氣密封裝的MEMS器件。(詳見實(shí)施例)。
綜上所述，本發(fā)明介紹了一種凸點(diǎn)連接氣密封裝微機(jī)械系統(tǒng)器件的結(jié)構(gòu)，其特征在于(1)所述的器件的結(jié)構(gòu)為硅/硅/玻璃三層鍵合，它是含微機(jī)械系統(tǒng)器件的芯片的硅片和含有腔體圖形的下蓋板硅片鍵合，形成微機(jī)械系統(tǒng)器件的下腔體，然后將玻璃片鍵合在含微機(jī)械系統(tǒng)芯片的硅片的背后，形成微機(jī)械系統(tǒng)器件的上腔體，將微機(jī)械系統(tǒng)器件的可動(dòng)部分包封在上下蓋板硅片和玻璃蓋板形成的腔體之中，微機(jī)械系統(tǒng)的器件是采用凸點(diǎn)方式連接的。
(2)下蓋板硅片上每個(gè)腔體與含微機(jī)械系統(tǒng)器件芯片硅片中的微機(jī)械系統(tǒng)的位置是相對(duì)應(yīng)的。
制作所述的凸點(diǎn)連接氣密封裝微機(jī)械器件結(jié)構(gòu)的方法其特征在于(a)利用硅硅鍵合，將含MEMS芯片的硅片和含有腔體圖形的硅片鍵合在一起，形成MEMS器件的下腔體；(b)將含有腔體圖形的硅片的背面減薄，并將含MEMS芯片的硅片的背面刻蝕；(c)將玻璃片鍵合在含MEMS芯片的硅片的背面，形成MEMS器件的上腔體，形成硅/硅/玻璃三層結(jié)構(gòu)，將MEMS器件的可動(dòng)部件被包封在可靠氣密特性的腔體內(nèi)；(d)將含有腔體圖形的硅片的背面減薄，利用濕法和反應(yīng)離子刻蝕形成要引出電極的開孔。沉積鋁膜，光刻掩膜，制作出MEMS的電極塊；(e)涂覆聚酰亞胺介質(zhì)薄膜，光刻鋁電極開孔淀積UBM，涂覆厚膠，光刻形成電鍍開孔，電鍍焊料，除去光刻膠，回流成球，涂覆光刻膠，劃片切分成分立的氣密封裝的MEMS器件。
本發(fā)明的實(shí)際效果是可將MEMS器件的可動(dòng)部件的制作與MEMS器件的氣密封裝有機(jī)地結(jié)合起來，利用硅硅鍵合和硅玻璃陽(yáng)極鍵合的成熟工藝，提高M(jìn)EMS氣密封裝的可靠性，降低MEMS器件氣密封裝的成本；采用倒裝凸點(diǎn)連接方法，降低互連的導(dǎo)通電阻和信號(hào)竄擾，提高M(jìn)EMS器件輸出信號(hào)的品質(zhì)。
采用本發(fā)明制作的器件不僅能提高M(jìn)EMS器件氣密封裝的氣密特性和輸出電性能，降低MEMS棋迷封裝的成本，而且工藝上與現(xiàn)有的IC封裝工藝相容，提供了氣密封裝MEMS器件和再分布凸點(diǎn)連接的新方法。


圖1是含陣列MEMS器件的硅片俯視圖。
圖2是含陣列腔體的下蓋板硅片俯視圖。
圖3是玻璃蓋板的俯視圖。
圖4是含MEMS器件硅片與含腔體硅片鍵合形成下腔體的截面構(gòu)造圖。(a)硅片，(b)下蓋板硅片，(c)硅片和下蓋板硅片預(yù)鍵合。
圖5是含MEMS器件硅片與玻璃蓋板形成完整腔體的截面構(gòu)造圖。(a)下蓋板減薄后示意圖，(b)凹槽上腔體501形成示意圖，(c)可動(dòng)部件包封在下蓋板硅片和玻璃蓋板形成的腔體中示意圖。
圖6是氣密MEMS器件凸點(diǎn)電連接的流程圖。(a)電極區(qū)開孔，(b)孔中淀積鋁膜，(c)涂覆聚酰亞胺膜，(d)光刻掩模制作鋁電極的開孔，(e)沉積凸點(diǎn)下金屬膜。
具體實(shí)施例方式
為了能使本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果得到充分體現(xiàn)，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著的進(jìn)步作進(jìn)一步描述。
在圖1中，在硅片101上，MEMS器件102是用半導(dǎo)體工藝制作的，每個(gè)MEMS器件102有電極區(qū)103。電極區(qū)103可通過通孔的金屬化與凸點(diǎn)形成連接。
在圖2中，下蓋板硅片201有陣列分布的腔體202，下蓋板硅片201上每個(gè)腔體202位置恰好與圖1中MEMS器件102相對(duì)應(yīng)。以便在硅鍵合后形成MEMS器件102的可動(dòng)部件的下腔體。
圖3是玻璃蓋板301，玻璃蓋板301可以是含有掩模圖形或不含掩模圖形，主要用于形成MEMS器件102的上腔體和支撐MEMS器件102。
在圖4中，首先對(duì)硅片101(圖4-a)和下蓋板硅片201(圖4-b)進(jìn)行常用的表面化學(xué)處理，用光刻機(jī)將硅片101中的MEMS器件102與下蓋板硅片201中腔體202對(duì)準(zhǔn)，在室溫和一定的壓力下完成預(yù)鍵合，移至真空室中，提升溫度到400℃，此時(shí)，兩硅片界面上的OH基團(tuán)發(fā)生反應(yīng)，脫去水，形成Si-O-Si鍵，將硅片101和下蓋板硅片201鍵合在一起，并形成下腔體202。
在圖5中，對(duì)圖4中所形成的結(jié)構(gòu)的下蓋板硅片201進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光，將下蓋板硅片201的厚度減至100μm左右(圖5-a)，下蓋板硅片201減薄的目的是為了便于以后工序形成電連接通孔和減小薄膜覆蓋的“臺(tái)階”。在下蓋板硅片201減薄后，采用光刻膠掩模，用KOH溶液腐蝕硅，釋放硅片101中的MEMS器件102的可動(dòng)部件，并形成了凹槽上腔體501(圖5-b)。在真空室中，將圖3的玻璃蓋板301置于硅片101之上，加熱至400℃，同時(shí)給玻璃蓋板301施加一負(fù)偏壓，在硅片101和玻璃蓋板301的界面產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)電場(chǎng)，在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下玻璃蓋板301中鈉離子離開界面，產(chǎn)生鈉離子耗散區(qū)，留下氧分子在其界面上，氧分子擴(kuò)散進(jìn)入硅片101的表面，形成一層無定形二氧化硅層，實(shí)現(xiàn)玻璃蓋板301與硅片101鍵合。并獲得上腔體501。至此，硅片101中的MEMS器件102的可動(dòng)部件包封在下蓋板硅片201和玻璃蓋板301所形成的完整腔體之中(圖5-c)。
圖6是圖5結(jié)構(gòu)中MEMS器件102的電連接凸點(diǎn)的制作的流程圖。在圖6-a中，采用光刻膠掩模，用KOH溶液或反應(yīng)離子刻蝕硅，形成圖5結(jié)構(gòu)中MEMS器件102的電極區(qū)103開孔601，考慮到開孔連接的“臺(tái)階”大小問題，用KOH溶液刻蝕硅制作圖5結(jié)構(gòu)中MEMS器件102的電極區(qū)103開孔601更可取。用濺射方法淀積鋁膜，鋁膜厚度為1μm左右，光刻掩模并腐蝕，將圖5結(jié)構(gòu)中MEMS器件102的電極區(qū)103引至下蓋板硅片的底表面鋁電極602(圖6-b)。涂覆聚酰亞胺膜603(圖6-c)，聚酰亞胺膜603的厚度約為20μm左右。聚酰亞胺膜603可以提高通孔連接的可靠性，并對(duì)凸點(diǎn)起到支撐作用。光刻掩模模制作鋁電極602的開孔604(圖6-d)，用濺射方法淀積凸點(diǎn)下金屬膜UBM(underballmetallization)605，UBM605為Cr/Cu或Ti/Cu，Cr或Ti為粘附層，其厚度為500左右，Cu為電鍍的種子層，其厚度為8000左右。光刻掩模制作電鍍的開孔，電鍍Cu/PbSn，電鍍Cu膜的厚度為10μm，去膠，選擇性腐蝕掉UBM605，回流形成焊球606(圖6-e)。涂覆光刻膠，劃片切成獨(dú)立的氣密封裝的MEMS器件。
權(quán)利要求
1.一種凸點(diǎn)連接氣密封裝微機(jī)械系統(tǒng)器件的結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的器件的結(jié)構(gòu)為硅/硅/玻璃三層鍵合，它是含微機(jī)械系統(tǒng)器件的芯片的硅片和含有腔體圖形的下蓋板硅片鍵合，形成微機(jī)械系統(tǒng)器件的下腔體，然后將玻璃片鍵合在含微機(jī)械系統(tǒng)芯片的硅片的背后，形成微機(jī)械系統(tǒng)器件的上腔體，將微機(jī)械系統(tǒng)器件的可動(dòng)部分包封在上下蓋板硅片和玻璃蓋板形成的腔體之中，微機(jī)械系統(tǒng)的器件是采用凸點(diǎn)方式連接的。
2.按權(quán)利要求1所述的凸點(diǎn)連接氣密封裝微機(jī)械器件結(jié)構(gòu)，其特征在于下蓋板硅片上每個(gè)腔體與含微機(jī)械系統(tǒng)器件芯片硅片中的微機(jī)械系統(tǒng)的位置是相對(duì)應(yīng)的。
3.制作如權(quán)利要求1所述的凸點(diǎn)連接氣密封裝微機(jī)械器件結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于具體步驟是(a)利用硅硅鍵合，將含MEMS芯片的硅片和含有腔體圖形的硅片鍵合在一起，形成MEMS器件的下腔體；(b)將含有腔體圖形的硅片的背面減薄，并將含MEMS芯片的硅片的背面刻蝕；(c)將玻璃片鍵合在含MEMS芯片的硅片的背面，形成MEMS器件的上腔體，形成硅/硅/玻璃三層結(jié)構(gòu)，將MEMS器件的可動(dòng)部件被包封在可靠氣密特性的腔體內(nèi)；(d)將含有腔體圖形的硅片的背面減薄，利用濕法和反應(yīng)離子刻蝕形成要引出電極的開孔。沉積鋁膜，光刻掩膜，制作出MEMS的電極塊；(e)涂覆聚酰亞胺介質(zhì)薄膜，光刻鋁電極開孔淀積UBM，涂覆厚膠，光刻形成電鍍開孔，電鍍焊料，除去光刻膠，回流成球，涂覆光刻膠，劃片切分成分立的氣密封裝的MEMS器件。
4.按權(quán)利要求3所述的凸點(diǎn)連接氣密封裝微機(jī)械器件結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于所述的步驟(a)的制作方法為(1)首先對(duì)硅片(101)和下蓋板硅片(201)進(jìn)行表面化學(xué)處理；(2)用光刻機(jī)將硅片(101)中的微機(jī)械系統(tǒng)器件(102)與下蓋板硅片(201)中腔體(202)對(duì)準(zhǔn)，在室溫下完成預(yù)鍵合；(3)再移至真空室升溫到400℃，兩硅片形成Si-O-Si鍵，鍵合在一起并形成下腔體(202)。
5.按權(quán)利要求3所述的凸點(diǎn)連接氣密封裝微機(jī)械器件結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于所述的步驟(b)和(c)的制作方法是(1)對(duì)步驟(a)形成的結(jié)構(gòu)的下蓋板硅片(201)進(jìn)行化學(xué)拋光，使下蓋板硅片減薄；(2)采用光刻膠掩膜，用KOH溶液腐蝕硅，釋放硅片中的微機(jī)械系統(tǒng)器件的可動(dòng)部件(102)，并形成凹槽上腔體(501)(3)在真空室中，將玻璃蓋板(301)置于硅片(101)上，加熱至400℃，同時(shí)給玻璃蓋板(301)施加一負(fù)偏壓，實(shí)現(xiàn)玻璃蓋板(301)與硅片(101)鍵合，獲得上腔體(501)，形成硅/硅/玻璃三層鍵合結(jié)構(gòu)，使硅片(101)中的微機(jī)械系統(tǒng)器件(102)的可動(dòng)部件包封在下蓋板硅片(201)和玻璃蓋板(301)所形成的腔體之中。
6.按權(quán)利要求3所述的凸點(diǎn)連接氣密封裝微機(jī)械器件結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于所述的步驟(d)和(e)是連接凸點(diǎn)的制作，依次步驟是(1)采用光刻膠掩膜，用KOH溶液或反應(yīng)離子刻蝕硅，形成微機(jī)械系統(tǒng)器件(102)的電極區(qū)開孔(601)；(2)用濺射方法沉積鋁膜，光刻掩膜并腐蝕，使電極區(qū)引至下蓋板硅片底表面；(3)再在下蓋板硅片的底面涂覆聚酰亞胺(603)，對(duì)凸點(diǎn)起支撐作用；(4)光刻掩膜制作鋁電極(602)的開孔(604)；(5)用濺射方法淀積凸點(diǎn)下金屬膜；(6)光刻掩膜制作電鍍開孔，去膠，選擇性腐蝕掉凸點(diǎn)下金屬膜，回流形成焊球，涂覆光刻膠，完成制作。
7.按權(quán)利要求6所述的凸點(diǎn)連接氣密封裝微機(jī)械器件結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于所述沉積的鋁膜厚度為1微米。
8.按權(quán)利要求6所述的凸點(diǎn)連接氣密封裝微機(jī)械器件結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于所述對(duì)凸點(diǎn)起支撐作用的聚酰亞胺厚度為20微米。
9.按權(quán)利要求6所述的凸點(diǎn)連接氣密封裝微機(jī)械器件結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于所述的沉積凸點(diǎn)下的金屬膜為Cr/Cn或Ti/Cu，Cr或Ti為粘附層厚度為500；Cu為電鍍的種子層，厚度為8000。
全文摘要
本發(fā)明涉及凸點(diǎn)連接氣密封裝MEMS器件的結(jié)構(gòu)及制作方法，其特征在于利用硅硅鍵合，將含MEMS芯片的硅片和含有腔體圖形的硅片鍵合在一起，形成MEMS器件的下腔體，然后，將含有腔體圖形的硅片的背面減薄，并將含MEMS芯片的硅片的背面刻蝕。再利用硅玻璃陽(yáng)極鍵合將玻璃片鍵合在含MEMS芯片的硅片的背面，形成MEMS器件的上腔體。所形成的硅/硅/玻璃三層結(jié)構(gòu)，將MEMS器件的可動(dòng)部件被包封在可靠氣密特性的腔體內(nèi)。本發(fā)明將MEMS器件的可動(dòng)部件的制作與MEMS器件的氣密封裝有機(jī)結(jié)合，不僅能提高M(jìn)EMS器件氣密封裝的氣密特性和輸出的電性能，降低氣密封裝的成本；而且制作的器件可與現(xiàn)有的先進(jìn)IC封裝工藝相兼容。
文檔編號(hào)B81C1/00GK1817784SQ20061002461
公開日2006年8月16日 申請(qǐng)日期2006年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月10日
發(fā)明者王立春, 羅樂 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所