專利名稱：Mems器件圓片級(jí)芯片尺寸氣密封裝的結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)器件圓片級(jí)芯片尺寸氣密封裝的 結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)的方法，屬于MEMS器件封裝領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
MEMS (micro-electro-mechanical 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)部件十分脆弱，極易受到劃片和裝配過程 中的灰塵，濕度，機(jī)械等因素的影響，從而造成器件的損壞或器件的整體性 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，人們提出了很多種MEMS器件氣密封裝 方法，基本的思想是將一個(gè)帶有空腔的蓋板鍵合到MEMS器件所在的圓片 上，鍵合后的圓片再進(jìn)行劃片，裝配等后道工藝，從而保護(hù)了MEMS器件， 提高了成品率。如果MEMS器件需要和外界電聯(lián)通，通常的方法是在蓋板 上制作垂直通孔，再采用電鍍等方法完成通孔內(nèi)金屬化，從而實(shí)現(xiàn)空腔內(nèi)的 MEMS器件與外界的電學(xué)互聯(lián)。在蓋板上制作垂直通孔的方法通常有濕法 腐蝕(如四甲基氫氧化銨(TMAH)腐蝕)，干法刻蝕(如深反應(yīng)離子束刻蝕 (DRIE))。濕法腐蝕的缺點(diǎn)在于腐蝕是各向異性的，如果把整個(gè)蓋板腐蝕 穿，水平方向上開口口徑的增大將會(huì)極大地降低封裝密度。干法刻蝕的缺點(diǎn) 則在于DRIE的成本高。蓋板越厚，所需DRIE的時(shí)間就越長(zhǎng)，極大地增 加了 MEMS器件的封裝成本。目前大多數(shù)的MEMS器件圓片級(jí)封裝都是采 用干法刻蝕，封裝的高成本也始終是制約MEMS器件大規(guī)模投入使用的瓶 頸。也有方法先將蓋板減薄，再進(jìn)行干法刻蝕。但這種方法也有不利的一面: 減薄的圓片強(qiáng)度下降，在之后的DRIE、電鍍、鍵合等過程中很可能發(fā)生碎 裂。因此，這種方法不能將蓋板圓片減薄許多， 一般減薄到250-300um，也有直接使用這一厚度范圍的薄晶片者。即便如此，薄晶片的價(jià)格遠(yuǎn)貴于普
通晶片，而且仍然有200um以上的高度需要用到干法刻蝕處理，這使得封
裝成本依然很高。

發(fā)明內(nèi)容
為了避免諸如劃片的后道工藝對(duì)MEMS器件的破壞，提高M(jìn)EMS器件 的成品率，為MEMS器件提供氣密的工作環(huán)境，降低干法刻蝕帶來的成本 增加，本發(fā)明提出了一種MEMS器件圓片級(jí)芯片尺寸氣密封裝結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn) 的相應(yīng)工藝方法。
最終封裝結(jié)構(gòu)如圖8所示，該結(jié)構(gòu)的具體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為 (1) 利用TMAH濕法將硅片減薄至120 160pm，通常為140 P m (如圖8中所示的102)作為封裝結(jié)構(gòu)的上蓋板；
(2) 利用凸點(diǎn)(如圖8中所示的608)替代封裝結(jié)構(gòu)中的垂直通孔。 凸點(diǎn)由在減薄的硅蓋板上TMAH濕法腐蝕開出垂直通孔，植入 焊球，回流后形成。凸點(diǎn)同時(shí)也作為封裝結(jié)構(gòu)的1/0 (輸入輸出 端口)；
(3) 由焊點(diǎn)與凸點(diǎn)(即如圖8中焊點(diǎn)617與凸點(diǎn)608)的電連接實(shí)現(xiàn) 被封器件與外界之間的電互聯(lián)，由焊環(huán)(如圖8中所示314)實(shí) 現(xiàn)上下蓋板的鍵合并提供器件工作所需的真空氣密環(huán)境；
實(shí)現(xiàn)該封裝結(jié)構(gòu)的主要方案如下
使用普通硅片作為蓋板(厚度450Pm);利用Cu/Sn固液互擴(kuò)散 (SLID)方法在真空條件下完成鍵合，達(dá)成對(duì)MEMS器件的氣密封裝保護(hù)； 鍵合完成后，采用TMAH濕法腐蝕將蓋板整體減薄至140um并進(jìn)行化學(xué) 機(jī)械拋光(CMP)，再利用光刻以及TMAH濕法腐蝕將蓋板上對(duì)應(yīng)MEMS 器件電極位置的區(qū)域腐蝕穿透，露出鍵合后剩余的銅層，然后濺射種子層， 通過布置錫焊球并回流一次性完成通孔的金屬化以及蓋板表面的凸點(diǎn)制備。 上述工藝方法的特征在于
(1)采用Cu/Sn鍵合實(shí)現(xiàn)氣密封裝。焊點(diǎn)和焊環(huán)由種子層TiW/Cu、反 應(yīng)金屬層Cu、焊料層Sn組成。反應(yīng)金屬層Cu層厚度為8ixm，焊料層Sn 層厚度為3 4um，焊點(diǎn)尺寸為lOOiimXlOOum，焊環(huán)寬度為200 " m 300 um。鍵合峰值溫度控制在35(TC，對(duì)于絕大多數(shù)的MEMS器件不會(huì)造成損傷。 鍵合過程中始終在圓片上施加200mbar大小的靜載荷，鍵合曲線為從室溫 升至25(TC，保持5min，再由25(TC升至350°C，保持10min，最后從350
"C快速降至室溫。
(2) 完成圓片鍵合后，利用TMAH濕法腐蝕對(duì)(100)硅片蓋板整體減 薄至120 160|im，推薦減薄至140 u m。
(3) 在減薄的蓋板上利用TMAH濕法腐蝕得到垂直通孔，該通孔為頂部 口徑250umX250線底部口徑50 y mX 50 u m，高度l飾m，傾角為54.74 °的斜槽，并在此斜槽中植入焊球并回流，以此作為垂直通孔。
(4) 在作為垂直通孔的濕法腐蝕形成的斜槽中布置焊球并回流， 一次性 完成垂直通孔的金屬化以及蓋板表面的凸點(diǎn)制備。
本發(fā)明的有益效果真空條件下的Cu/Sn鍵合能夠在較低的溫度下實(shí)現(xiàn) MEMS器件的氣密封裝；鍵合使得蓋板的強(qiáng)度得到加強(qiáng)，因此濕法腐蝕可 以將蓋板減薄120 160um，薄的厚度可以減小濕法腐蝕對(duì)封裝密度的影 響；通過布置焊球以及回流同時(shí)完成了通孔金屬化以及蓋板表面凸點(diǎn)制備， 簡(jiǎn)化了工藝；該封裝結(jié)構(gòu)的制造過程中不需使用干法刻蝕制備垂直互聯(lián)通 孔，從而降低了封裝成本。


圖1是陣列MEMS器件的晶片俯視圖。 圖2是陣列腔體的蓋板俯視圖。 圖3是蓋板和MEMS器件晶片鍵合前的截面圖。 圖4是鍵合與減薄后蓋板和MEMS器件晶片的截面圖。 圖5是濕法腐蝕刻穿蓋板后，露出的銅層在MEMS器件晶片上所處位 置的俯視示意圖。
圖6是濕法腐蝕刻穿蓋板后，蓋板和MEMS器件晶片的截面圖。 圖7是通孔中濺射種子層后的蓋板和MEMS器件晶片的截面圖。 圖8是布置焊球以及回流之后蓋板和MEMS器件晶片的截面圖。 各圖中101為陣列MEMS器件的硅片，201為陣列腔體的蓋板，11為 201蓋板上的空腔，85為101硅片上的大焊環(huán)，86為201蓋板上的大焊環(huán)， 313為MEMS器件硅片上的焊環(huán)，301為組成313焊環(huán)的種子層，302為組成313焊環(huán)的反應(yīng)金屬層，303為組成313焊環(huán)的焊料層，412為蓋板上的 焊環(huán)，401為組成412焊環(huán)的種子層，402為組成412焊環(huán)的反應(yīng)金屬層， 501為MEMS器件的活動(dòng)部分，613為MEMS器件硅片上的焊點(diǎn)，601為 組成613焊點(diǎn)的種子層，602為組成613焊點(diǎn)的反應(yīng)金屬層，603為組成613 焊點(diǎn)的焊料層，712為對(duì)應(yīng)于613的蓋板上的焊點(diǎn)，701為組成712焊點(diǎn)的 種子層，702為組成712焊點(diǎn)的反應(yīng)金屬層，720為鍵合之后蓋板上焊點(diǎn)處 剩余的Cu, 420為鍵合之后蓋板上焊環(huán)處剩余的Cu, 620為鍵合之后MEMS 器件硅片上焊點(diǎn)處剩余的Cu, 320為鍵合之后MEMS器件硅片上焊環(huán)處剩 余的Cu，67為鍵合之后焊點(diǎn)處生成的金屬化合物(IMC)， 34為鍵合之后焊 環(huán)處生成的金屬化合物，617為鍵合之后的焊點(diǎn)，314為鍵合之后的焊環(huán)， 102為減薄之后的蓋板，77是TMAH腐蝕后蓋板上露出的銅層，801為焊 球下金屬層(UBMlayer)， 608為回流后的形成的凸點(diǎn)。
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的體現(xiàn)，下面結(jié)合附圖和實(shí) 施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步說明。
在圖1中，在硅片101上，313是依次由種子層301、反應(yīng)金屬層302、焊 料層303組成的焊環(huán)，焊環(huán)的寬度為200tim 300um， MEMS器件工作的 氣密環(huán)境主要由鍵合后的焊環(huán)來保證。613是依次由種子層601、反應(yīng)金屬 層602、焊料層603組成的電極，稱為焊點(diǎn)，尺寸100umX100um，它是 MEMS器件的一部分，MEMS器件是通過焊點(diǎn)與外界交換電信號(hào)。85是特 意做在硅片101邊緣的由種子層301、反應(yīng)金屬層302和焊料層303組成的 大焊環(huán)，它環(huán)繞整個(gè)硅片，作用是在今后的濕法腐蝕中保護(hù)環(huán)內(nèi)的芯片。以 上的種子層均為濺射的50nmTiW/100nmCu，反應(yīng)金屬層均為電鍍得到的 Cu，厚度為8iim，焊料層均為電鍍得到的Sn，厚度為3 4um。由于Sn 在空氣中很容易氧化，氧化層將對(duì)鍵合帶來不良影響，所以在Sn上濺射一 層100nm左右的Au，以防止Sn氧化(Au層在圖中沒有畫出)。MEMS器 件活動(dòng)部分501處在四個(gè)焊點(diǎn)613的中央，MEMS器件活動(dòng)部分501和焊 點(diǎn)613都是組成MEMS器件的一部分。
在圖2中，在蓋板201上，對(duì)應(yīng)于MEMS器件所在硅片101的焊環(huán)313、焊點(diǎn)613和大焊環(huán)85，也分別有焊環(huán)412、焊點(diǎn)713和大焊環(huán)86。焊環(huán)412 由種子層401和反應(yīng)金屬層402組成，焊點(diǎn)712由種子層701和反應(yīng)金屬層 702組成，大焊環(huán)86由種子層和反應(yīng)金屬層組成。由于鍵合反應(yīng)采用單面 焊料的方案，蓋板201上的鍵合結(jié)構(gòu)中都沒有Sn焊料層。
所述種子層為濺射的50nmTiW/100nmCu，反應(yīng)金屬層為電鍍得到的 Cu，厚度為8um。
區(qū)域11代表蓋板201上的空腔，高度20pm左右，濕法腐蝕或干法刻 蝕都可以用來做出空腔11的陣列?？涨?1的作用是為MEMS器件的活動(dòng) 部位提供空間。
與圖l和圖2俯視圖對(duì)應(yīng)的是截面圖3。圖3中畫出了MEMS器件的 活動(dòng)部分501，空腔ll為其提供活動(dòng)空間。
接著將蓋板和器件硅片進(jìn)行鍵合。蓋板和器件硅片在完成鍵合預(yù)對(duì)準(zhǔn) 后被放入鍵合機(jī)的腔體中，鍵合機(jī)腔體抽真空，并對(duì)鍵合片施加一定的靜載 荷。鍵合溫度從室溫上升至250°C，保持15分鐘，接著升至300 350。C， 保持30秒，最后由溫度峰值300 35(TC快速降至室溫。在整個(gè)升降溫過程 中，靜載荷始終保持，大小為200mbar。鍵合完成之后，利用TMAH濕法 腐蝕對(duì)蓋板201整體減薄再通過CMP得到光滑平整的表面，蓋板201就是 普通(100)硅片，厚度為450um，通過減薄和CMP得到厚度為140um 的薄蓋板102。之所以能將蓋板減薄至120 160urn，通常為140um是因 為后續(xù)沒有DRIE，鍵合等容易造成碎片的工藝，并且蓋板己經(jīng)和MEMS 器件晶片鍵合在了一起，MEMS器件晶片的厚度也可增強(qiáng)減薄蓋板的強(qiáng)度。 因此在之后的CMP，劃片，布置焊球，回流，倒裝焊工藝中，120 160u m減薄蓋板102的強(qiáng)度足以保證不會(huì)碎片。減薄后蓋板和MEMS器件硅片 的截面圖由圖4給出。在鍵合過程中，當(dāng)溫度超過Sn的熔點(diǎn)23(TC時(shí)，金 屬Sn就會(huì)熔化，施加的靜載荷可以增強(qiáng)液態(tài)Sn和固態(tài)Cu表面的浸潤(rùn)。鍵 合反應(yīng)通過液態(tài)的Sn和固態(tài)的Cu之間的相互擴(kuò)散完成(SLID),生成的金 屬化合物主要是Cu6Sn5，另有少量的Qi3Sn。采用的Cu層厚度與Sn層厚 度可以保證在鍵合結(jié)束之后，Sn焊料層603被完全消耗，而上下圓片的反 應(yīng)金屬層Cu都有剩余，這對(duì)于之后的濕法腐蝕垂直通孔會(huì)有幫助。鍵合之 后蓋板上剩余的Cu層記為720 (焊點(diǎn)位置)/420 (焊環(huán)位置)，MEMS器件硅片上剩余的Cu層記為620 (焊點(diǎn)位置)/320 (焊環(huán)位置)，焊點(diǎn)和焊環(huán)上 的金屬化合物(IMC)分別記為67 (焊點(diǎn)位置)/34 (焊環(huán)位置)，整個(gè)焊點(diǎn) 記為617，整個(gè)焊環(huán)記為314。(圖l，圖2中的大焊環(huán)85， 86在這里不再 畫出)。它們?cè)阪I合過程中也通過SLID形成IMC而被鍵合在一起，大焊環(huán) 環(huán)繞整個(gè)硅片，作用是在今后的濕法腐蝕中保護(hù)環(huán)內(nèi)的芯片。
接著，通過PECVD沉積氧化硅，光刻，TMAH濕法腐蝕，蓋板上將 被開出傾角為54.74°的斜槽(54.74°的固定角度由(100)晶向的硅片決 定)，斜槽貫穿蓋板作為垂直通孔。在此，特別說明為什么濕法腐蝕不會(huì)對(duì) 封裝密度帶來影響由于蓋板己經(jīng)被減薄至了 120 160um，尤其是減薄至 140txm，通過54.74°的傾角，可以計(jì)算出水平方向上口徑的增大為左右各 100 um，也就是總共200 um。但考慮到焊環(huán)的存在，在水平方向上原本就 需要左右各約200um的尺寸增加以滿足焊環(huán)寬度。因此在這里側(cè)向腐蝕的 影響幾乎可以忽略。濕法腐蝕斜槽直到露出種子層701。實(shí)際上，由于TMAH 對(duì)TiW的腐蝕速率可觀，對(duì)Cu幾乎不腐蝕，裸露出金屬將是種子層中的Cu 層，Cu層會(huì)阻止垂直方向的繼續(xù)腐蝕。這也是之前需要設(shè)計(jì)Cu層和Sn層 厚度以保證Cu層不被消耗完的原因。設(shè)計(jì)中斜槽開口尺寸為250iimX250 u m，腐蝕到金屬位置時(shí)的徑向尺寸將是50 p mX 50 P m，而焊點(diǎn)的尺寸為100 ixmX100pm，因此開口周圍仍然有20tim以上的金屬層與蓋板緊密結(jié)合， 這足以保證濕法腐蝕通孔不會(huì)破壞氣密腔。圖5是濕法腐蝕刻穿蓋板后，露 出的銅層在MEMS器件硅片上所處位置的俯視示意圖。區(qū)域77就是露出的 Cu層，它是種子層701中Cu層的中央50ymX50um的區(qū)域。圖6是濕法 腐蝕刻穿蓋板后，封裝結(jié)構(gòu)的截面圖。
最后，蓋板表面濺射種子層，光刻，并且布置焊球，回流。光刻后作為 UBM的種子層801示例于圖7。它由500ATiW， 2000ACu組成。圖8中示 意了凸點(diǎn)608，回流的峰值溫度為215'C，這對(duì)鍵合后的焊點(diǎn)617、焊環(huán)314 和MEMS器件均不會(huì)造成影響。
至此，MEMS器件的圓片級(jí)芯片尺寸封裝完成。劃片之后可得到單個(gè) 氣密封裝的MEMS器件芯片。
權(quán)利要求
1. 一種MEMS器件圓片級(jí)芯片尺寸的封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于(1)利用TMAH濕法減薄硅片作為封裝結(jié)構(gòu)的蓋板；(2)利用凸點(diǎn)替代封裝結(jié)構(gòu)中的垂直通孔，所述的凸點(diǎn)是由在減薄的硅蓋板上TMAH濕法腐蝕開出的垂直通孔，植入焊球，回流后形成，凸點(diǎn)同時(shí)作為封裝結(jié)構(gòu)的輸入和輸出端口；(3)由焊點(diǎn)(617)與凸點(diǎn)(608)的電連接實(shí)現(xiàn)被封器件與外界之間的電互聯(lián)，由焊環(huán)(314)實(shí)現(xiàn)上下蓋板的鍵合并提供器件工作所需的真空氣密環(huán)境。
2. 按權(quán)利要求1所述的MEMS器件圓片級(jí)芯片尺寸的封裝結(jié)構(gòu)，其特 征在于所述的垂直通孔是在減薄后的上蓋板利用TMAH濕法腐蝕得 到的斜槽。
3. 實(shí)現(xiàn)如權(quán)利要求1或2所示的MEMS器件圓片級(jí)芯片尺寸的封裝結(jié) 構(gòu)的方法，其特征在于實(shí)施步驟是(1) 使用普通硅片作為蓋板;利用Cu/Sn固液互擴(kuò)散方法在真空條 件下完成圓片鍵合，達(dá)成對(duì)MEMS器件的氣密封裝保護(hù)；(2) 鍵合完成后，采用TMAH濕法腐蝕將蓋板整體減薄并進(jìn)行化(3 )再利用光刻以及TMAH濕法腐蝕方法將蓋板上對(duì)應(yīng)MEMS器 件電極位置的區(qū)域腐蝕穿透開出傾斜角為54.74。的斜槽，斜槽 貫穿蓋板作為垂直通孔，露出鍵合后剩余的同層；(4) 最后濺射種子層，通過布置錫焊球并回流一次性完成通孔的金 屬以及蓋板表面的凸點(diǎn)制備。
4. 按權(quán)利要求3所述的MEMS器件圓片級(jí)芯片尺寸的封裝結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn) 方法，其特征在于氣出封裝時(shí)焊點(diǎn)和焊環(huán)由種子層Tiw/Cu,反應(yīng)金屬層Cu 和焊料層Sn層組成，其中反應(yīng)金屬層Cu層厚度為8^im，焊料層Sn層厚度 為3 4|_im。
5. 按權(quán)利要求4所述的MEMS器件圓片級(jí)芯片尺寸的封裝結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn) 方法，其特征在于焊點(diǎn)尺寸為100X100pm，焊環(huán)寬度200[jm 300^im。
6. 按權(quán)利要求3所述的MEMS器件圓片級(jí)芯片尺寸的封裝結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于步驟1鍵合時(shí)在圓片上施加200mabar的靜載荷，從室溫 升至250。C，保持5min，再由250。C升至350°C ，保持10min，最后從350x:快速降至室溫。
7. 按權(quán)利要求3或6所述的MEMS器件圓片級(jí)芯片尺寸的封裝結(jié)構(gòu)的 實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于完成圓片鍵合后采用TMAN濕法腐蝕將蓋板減薄至 120-160,。
8. 按權(quán)利要求7所述的MEMS器件圓片級(jí)芯片尺寸的封裝結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn) 方法，其特征在于蓋板減薄至140pm。
9. 按權(quán)利要求3所述的MEMS器件圓片級(jí)芯片尺寸的封裝結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn) 方法，其特征在于所述的垂直通孔的頂部口徑為250^imx250iim，底部口徑 為50,x50)am，高度為140,。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種MEMS器件圓片級(jí)芯片尺寸的封裝結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)方法。所述封裝結(jié)構(gòu)特征在于①利用TMAH濕法減薄硅片作為封裝結(jié)構(gòu)的蓋板；②利用凸點(diǎn)替代封裝結(jié)構(gòu)中的垂直通孔，所述的凸點(diǎn)是由在減薄的硅蓋板上TMAH濕法腐蝕開出的垂直通孔，植入焊球，回流后形成，凸點(diǎn)同時(shí)作為封裝結(jié)構(gòu)的輸入和輸出端口；③由焊點(diǎn)(617)與凸點(diǎn)(608)的電連接實(shí)現(xiàn)被封器件與外界之間的電互聯(lián)，由焊環(huán)(314)實(shí)現(xiàn)上下蓋板的鍵合并提供器件工作所需的真空氣密環(huán)境。它是采用蓋板和MEMS器件的晶片鍵合，然后TMAH濕法腐蝕，通過在蓋板上形成斜槽，最后一次性完成通孔的金屬化以及蓋板表面凸點(diǎn)制備的，不需使用干法刻蝕制備垂直互連通孔，降低了封裝成本。
文檔編號(hào)B81C3/00GK101434374SQ20081020764
公開日2009年5月20日 申請(qǐng)日期2008年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月23日
發(fā)明者曹毓涵, 樂 羅 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