專利名稱：一種集成吸氣劑的mems薄膜封裝結(jié)構(gòu)及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種MEMS薄膜封裝結(jié)構(gòu)及其制造方法，尤其是一種集成吸氣劑的MEMS薄膜封裝結(jié)構(gòu)及其制造方法，屬于MEMS封裝的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的MEMS(Micro-Electro_Mechanical Systems)器件需要被應(yīng)用于微傳感器等器件和系統(tǒng)中，但是居高不下的成本阻礙了大批量MEMS產(chǎn)品進入市場，其中很大的一部分產(chǎn)品成本則來自于MEMS器件的封裝。經(jīng)過了多年的探索與研究，MEMS封裝技術(shù)已經(jīng)較初始階段有了長足的發(fā)展和進步。傳統(tǒng)的MEMS封裝方式，如器件級焊接封裝等，已經(jīng)不能滿足目前市場的需求，而基于晶圓鍵合技術(shù)的MEMS晶圓級、芯片尺寸封裝開始逐步成為新型MEMS器件的封裝方式。然而，晶圓鍵合封裝技術(shù)還有著它弱點，如需要兩塊匹配的襯底，需要特殊的晶圓鍵合設(shè)備，封裝后MEMS器件體積較大等。于是，基于表面微加工工藝的薄膜密封技術(shù)的誕生解決了上述問題，成為繼晶圓鍵合技術(shù)之后的下一代先進的MEMS封裝技術(shù)。但是，由于使用薄膜密封技術(shù)封裝的MEMS器件腔體較小，封裝材料的放氣或是外界環(huán)境的漏氣均會對封裝腔體的壓力產(chǎn)生巨大的影響。在一些對封裝密封程度有較高要求的場合(如紅外焦平面?zhèn)鞲衅鞯姆庋b等)，由于先進工藝帶來的腔體減小無疑對器件可靠性的維持提出了更加苛刻的要求。于是，在晶圓鍵合工藝中常用的吸氣劑正在被研究人員們設(shè)法應(yīng)用到薄膜密封技術(shù)中。比較典型的,2009年,德國博世公司的Peter Rothacher提出了一種帶有腔體內(nèi)部阻氣層的MEMS薄膜封裝結(jié)構(gòu)，該方法較傳統(tǒng)薄膜密封的工藝的優(yōu)勢在于內(nèi)部添加的阻氣層，能夠有效地阻礙封裝材料在使用過程中放氣而導(dǎo)致的MEMS腔體壓力變化，但該發(fā)明中并未提出在薄膜密封腔體內(nèi)集成吸氣劑的方法，而且使用了復(fù)雜的材料轉(zhuǎn)印技術(shù)形成封帽結(jié)構(gòu)。對于在薄膜密封的腔體內(nèi)集成吸氣劑的實例，如2002年Anil Raj Duggal等人在襯底材料中摻入了吸氣劑顆粒，用于LED的真空封裝；2004年，Jay S. Lewis和Michael S.Weaver針對LED的真空封裝，采用了兩種在封裝內(nèi)集成吸氣劑的方法一種是使用薄膜沉積，依次進行LED功能層，吸氣劑層和密封層的沉積，但該方案中吸氣劑與LED結(jié)構(gòu)接觸，無腔體的形成；另一種是采用鍵合的方式，通過環(huán)氧樹脂鍵合塊形成在兩塊襯底間形成腔體，吸氣劑則位于上蓋板上；2006年，Markus Lutz等人提出了一種MEMS薄膜封裝的結(jié)構(gòu)，其中吸氣劑位于MEMS器件襯底上，封裝腔體側(cè)壁與頂蓋上無吸氣劑應(yīng)用；類似的，在2011年，G. Dumont等人在芯片尺寸薄膜封裝的MEMS紅外焦平面陣列中也集成了吸氣劑薄膜,該結(jié)構(gòu)位于MEMS器件襯底上，不僅用于吸收封裝腔體內(nèi)的殘余氣體，還作為光反射層使用；2010年，Pezhman Monadgemi等人將吸氣劑薄膜制作在MEMS薄膜密封的封帽結(jié)構(gòu)內(nèi)，一定程度上起到了吸氣與阻氣的作用，但該結(jié)構(gòu)的缺點在于吸氣劑被夾在兩層密封材料之間，從而吸氣性能受到影響，也無法有效阻擋內(nèi)層密封材料在器件使用過程中的放氣。分析上述研究進展情況可知，在目前的LED封裝中已有將吸氣劑集成入薄膜密封結(jié)構(gòu)的技術(shù)，該方案沒有封裝腔體的形成，難以應(yīng)用到MEMS封裝中；在MEMS薄膜封裝技術(shù)、中，還沒有一種有效的方法將吸氣劑層與封帽阻氣層良好地結(jié)合起來，同時滿足吸氣與阻氣的功能，雖然目前的封裝方法能夠滿足一些MEMS產(chǎn)品的需求，但針對精度、可靠性要求很高的器件，仍然需要進一步的研究與開發(fā)
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種集成吸氣劑的MEMS薄膜封裝結(jié)構(gòu)及其制造方法，其結(jié)構(gòu)簡單，能在不影響器件性能的情況下降低產(chǎn)品成本，適應(yīng)范
圍廣，安全可靠。按照本發(fā)明提供的技術(shù)方案，所述集成吸氣劑的MEMS薄膜封裝結(jié)構(gòu)，包括薄膜封帽及位于所述薄膜封帽下方的承載襯底；所述薄膜封帽與承載襯底間設(shè)有用于容納MEMS結(jié)構(gòu)的腔體，所述腔體中收納有MEMS結(jié)構(gòu)，所述MEMS結(jié)構(gòu)與薄膜封帽或承載襯底相連；所述薄膜封帽包括位于內(nèi)側(cè)的吸氣劑層及位于外側(cè)的最終密封層，薄膜封帽通過薄膜封帽中的吸氣劑層及最終密封層與承載襯底相連，并通過吸氣劑層與承載襯底間形成腔體內(nèi)壁；最終密封層位于吸氣劑層外側(cè)，并將MEMS結(jié)構(gòu)密封于腔體內(nèi)。所述吸氣劑層與最終密封層間設(shè)有一層或多層中間層，所述中間層與吸氣劑層的形狀相一致。所述吸氣劑層與腔體相接觸的表面呈粗糙或多孔的表面，吸氣劑層與腔體相接觸的表面粗糙度的均方根值為5nnTl000nm。所述承載襯底的材料為硅基材料、陶瓷材料或高分子材料。所述薄膜封帽為通用封帽或光探測器封帽。所述吸氣劑層上設(shè)有若干吸氣劑層通孔，所述吸氣劑層通孔與腔體相連通。—種集成吸氣劑的MEMS薄膜封裝結(jié)構(gòu)制造方法,所述MEMS薄膜封裝結(jié)構(gòu)制造方法包括如下步驟
a、提供承載有MEMS結(jié)構(gòu)的承載襯底，在所述承載襯底上沉積完全覆蓋MEMS結(jié)構(gòu)及對應(yīng)的承載襯底表面的第一保護層；
b、選擇性地掩蔽和腐蝕第一保護層，以在承載襯底上得到用于覆蓋MEMS結(jié)構(gòu)的第二保護層；
C、在承載襯底及第二保護層上制備吸氣劑層，所述吸氣劑層與承載襯底相接觸，并覆蓋在第二保護層的表面，以形成薄膜封帽的內(nèi)層結(jié)構(gòu)；吸氣劑層上設(shè)有貫通吸氣劑層的吸氣劑層通孔，以通過吸氣劑層通孔暴露對應(yīng)位置的第二保護層；
d、利用吸氣劑層上的吸氣劑層通孔，腐蝕去除覆蓋MEMS結(jié)構(gòu)的第二保護層，釋放MEMS結(jié)構(gòu)且將吸氣劑層激活；
e、在上述吸氣劑層上沉積最終密封層，所述最終密封層覆蓋于吸氣劑層上，并填充在吸氣劑層通孔內(nèi)，以在承載襯底上形成所需的薄膜封帽。所述步驟b中，在得到第二保護層后，對第二保護層的表面進行粗糙化處理。所述步驟c中，在吸氣劑層上通過吸氣劑層通孔暴露相對的第二保護層后，在吸氣劑層上設(shè)置一層或多層中間層，所述中間層上設(shè)有中間層通孔，所述中間層通孔與吸氣劑層通孔相連通。所述步驟d中，利用加熱的方法將吸氣劑層激活。
本發(fā)明的優(yōu)點
I、本發(fā)明提出的一種集成吸氣劑的MEMS薄膜封裝結(jié)構(gòu)，相對于鍵合封裝MEMS的技術(shù)，所制得的產(chǎn)品擁有更小的體積，相對于薄膜密封LED的技術(shù)，本方案提供了供MEMS結(jié)構(gòu)活動的腔體，而且結(jié)構(gòu)中集成了吸氣劑，能夠有效控制MEMS封裝腔體內(nèi)的壓力值。2、本發(fā)明提出的一種集成吸氣劑的MEMS薄膜封裝結(jié)構(gòu)，將吸氣劑層作為MEMS封裝封帽結(jié)構(gòu)的最內(nèi)層，直接與腔體接觸，能夠最大程度的發(fā)揮其吸氣的功效，而且能夠最大程度的阻擋封帽結(jié)構(gòu)中外部材料在長期使用過程中的放氣，以及阻擋外界環(huán)境中氣體漏入腔體，從而提升了 MEMS器件長期使用的精度以及產(chǎn)品的使用壽命和可靠性。
3、本發(fā)明提出的一種集成吸氣劑的MEMS薄膜封裝結(jié)構(gòu)，由于存在封帽結(jié)構(gòu)最內(nèi)層設(shè)有兼有吸氣功能、阻氣功能的吸氣劑層，本發(fā)明的外部密封層可以選用廉價的高分子材料，從而降低整個MEMS產(chǎn)品的成本。


圖廣圖6為本發(fā)明實施例I的具體實施工藝步驟剖視圖，其中
圖I為本發(fā)明在承載襯底上設(shè)置MEMS結(jié)構(gòu)，并覆蓋第一保護層后的剖視圖。圖2為本發(fā)明得到第二保護層后的剖視圖。圖3為本發(fā)明在第二保護層上沉積吸氣劑層并得到吸氣劑層通孔后的剖視圖。圖4為本發(fā)明在吸氣劑層上設(shè)置第一中間層后的剖視圖。圖5為本發(fā)明去除第二保護層形成腔體后的剖視圖。圖6為本發(fā)明得到通用封帽的結(jié)構(gòu)剖視圖。圖疒圖12為本發(fā)明實施例2中以紅外探測器芯片級封裝為例的具體實施工藝步驟剖視圖，其中圖7為本發(fā)明承載襯底上設(shè)置紅外探測器結(jié)構(gòu)，并覆蓋第一保護層后的剖視圖。圖8為本發(fā)明得到第二保護層后的剖視圖。圖9為本發(fā)明在第二保護層上沉積吸氣劑層并得到光窗后的剖視圖。圖10為本發(fā)明在吸氣劑層上設(shè)置第二中間層后的剖視圖。圖11為本發(fā)明去除第二保護層后形成腔體后的剖視圖。圖12為本發(fā)明得到紅外探測器封帽的結(jié)構(gòu)剖視圖。附圖標(biāo)記說明1-承載襯底、2-MEMS結(jié)構(gòu)、3-第一保護層、4-第二保護層、5-吸氣劑層、6-吸氣劑層通孔、7-第一中間層通孔、8-第一中間層、9-腔體、10-第一密封層、11-通用封帽、12-第二中間層、13-第二密封層、14-光窗、15-光探測器封帽及16-第二中間層通孔。
具體實施例方式下面結(jié)合具體附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。如圖f圖12所示本發(fā)明實施例以MEMS結(jié)構(gòu)2與承載襯底I相連的結(jié)構(gòu)為例，來說明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)及其對應(yīng)的制備過程。其中，承載襯底I的材料為硅基材料、陶瓷材料或高分子材料，其中，硅基材料包括硅、玻璃等，陶瓷材料包括氮化鋁陶瓷、氧化鋁陶瓷、氮化硅陶瓷、碳化硅陶瓷等，所述高分子材料包括聚酰亞胺、環(huán)氧樹脂等，承載襯底I的材料為本技術(shù)領(lǐng)域人員所熟知，此處不再詳述。本發(fā)明實施例中，吸氣劑層5的材料為鋇、鈦、鋯、基于鋇的合金、基于鈦的合金或基于鋯的合金形成的薄膜，用于吸收腔體9內(nèi)的水汽以及其他雜質(zhì)氣體，以提升腔體9內(nèi)部氣壓的穩(wěn)定性。本發(fā)明中，薄膜封帽中設(shè)置中間層時，所述的中間層材料為硅基材料、金屬材料、陶瓷材料、高分子材料或其任意組合，其中，金屬材料為金、鋁、銅、鎢、鈦或鎳等，陶瓷材料、高分子材料與上述列舉描述相同。本發(fā)明實施例中，薄膜封帽中的最終密封層材料為硅基材料、金屬材料、陶瓷材料、高分子材料、硫化鋅、氧化鎂或其任意組合，其中，硅基材料、金屬材料、陶瓷材料、高分子材料均與上述描述相同，且均為本技術(shù)領(lǐng) 域人員所熟知，此處不再詳述。實施例I
如圖6所示，本實施例中，集成吸氣劑的MEMS薄膜封裝結(jié)構(gòu)包括通用封帽11及所述通用封帽11下方的承載襯底I ;所述承載襯底I與通用封帽11間設(shè)有用于收納MEMS結(jié)構(gòu)2的腔體9，MEMS結(jié)構(gòu)2位于腔體9內(nèi)，MEMS結(jié)構(gòu)2與承載襯底I相連；所述通用封帽11由三層材料形成，其中最內(nèi)側(cè)為激活的吸氣劑層5，與腔體9直接接觸，最外側(cè)設(shè)有一層第一最終密封層10，在第一最終密封層10與吸氣劑層5之間設(shè)有第一中間層8。通過通用封帽11能將MEMS結(jié)構(gòu)2封裝在腔體9內(nèi)，以在腔體9內(nèi)形成MEMS結(jié)構(gòu)2所需的工作環(huán)境。如圖3所示，所述的通用封帽11中最內(nèi)側(cè)的吸氣劑層5中設(shè)有四個垂直吸氣劑層通孔6，以便進行對第二保護層4的腐蝕，其中吸氣劑層5的圖形邊緣與承載襯底I形成良好接觸；另外，如圖6所示，吸氣劑層5與MEMS腔體9接觸的界面為粗糙或多孔的表面形貌，表面粗糙度的均方根值為lOOnm，以最大程度發(fā)揮吸氣劑的吸氣性能。如圖6所不,通用封帽11中設(shè)有第一中間層8,且該中間層8與吸氣劑層5在相同位置設(shè)有第一中間層通孔7，即第一中間通孔7與吸氣劑層通孔6相連通，第一中間層8將吸氣劑層5完全覆蓋。所述的通用封帽11中最外側(cè)的第一最終密封層10為連續(xù)無孔的結(jié)構(gòu)，以將吸氣劑層5與中間層8完全覆蓋。本發(fā)明實施例中承載襯底I為硅；所述的吸氣劑層5為鈦-鋯-釩合金，用于吸收腔體9內(nèi)的水汽以及其他雜質(zhì)氣體，以提升腔體9內(nèi)部氣壓的穩(wěn)定性；所述第一中間層8的材料為二氧化硅；所述第一最終密封層10的材料為氮化硅。如圖I至圖6所示上述集成吸氣劑的MEMS薄膜封裝結(jié)構(gòu)可以通過下述工藝步驟實現(xiàn)，具體地
a、提供承載有MEMS結(jié)構(gòu)2的承載襯底1，在所述承載襯底I上沉積完全覆蓋MEMS結(jié)構(gòu)2及對應(yīng)的承載襯底I表面的第一保護層3 ；
如圖I所示，第一保護層3的材料為聚甲基丙烯酸甲酯，所述MEMS結(jié)構(gòu)2為任何所需的結(jié)構(gòu)，在承載襯底I上采用常規(guī)的工藝制備所需MEMS結(jié)構(gòu)2，具體的制備過程此處不再詳述；
b、選擇性地掩蔽和腐蝕第一保護層3，以在承載襯底I上得到用于覆蓋MEMS結(jié)構(gòu)2的第二保護層4 ；
如圖2所示，使用紫外線光刻的工藝對第一保護層3進行圖形化，并使用氧氣等離子體腐蝕的方法去除第一保護層3，僅保留覆蓋MEMS結(jié)構(gòu)2及其周圍的第一保護層3，以形成第二保護層4，第二保護層4保留的尺寸由設(shè)計的MEMS腔體9的尺寸決定；在得到第二保護層4后，使用氬原子轟擊的方法，對第二保護層4表面進行粗糙化處理，使其表面粗糙度的均方根值達到IOOnm ;通過對第二保護層4的表面進行粗糙化處理，以能夠使得后續(xù)吸氣劑層5的表面具有相應(yīng)的粗糙度；
C、在承載襯底I及第二保護層4上制備吸氣劑層5，所述吸氣劑層5與承載襯底I相接觸，并覆蓋在第二保護層4的表面，以形成薄膜封帽的內(nèi)層結(jié)構(gòu)；吸氣劑層5上設(shè)有貫通吸氣劑層5的吸氣劑層通孔6，以通過吸氣劑層通孔6暴露對應(yīng)位置的第二保護層4 ；
如圖3所示，使用鈦-鋯-釩合金靶材(鈦30%-鋯20%-釩50%，99. 5%純度)，通過磁控濺射的方法以及掀離工藝，在承載襯底I以及第二保護層4表面沉積300nm的鈦-鋯-釩吸氣劑層5，使吸氣劑層5沿第二保護層4的表面形成立體的通用封帽11的最內(nèi)層，吸氣劑層5圖形邊緣與承載襯底I形成良好的接觸，吸氣劑層5在圖形化過程中形成四個直徑為5 U m的垂直吸氣劑層通孔6以暴露對應(yīng)位置的第二保護層4 ；
d、利用吸氣劑層5上的吸氣劑層通孔6，腐蝕去除覆蓋MEMS結(jié)構(gòu)2的第二保護層4，且將吸氣劑層5激活；
本發(fā)明實施例中，通用封帽11包括第一中間層8，制備第一中間層8如圖4所示，使用等離子增強型體化學(xué)氣相沉積的方法，在吸氣劑層5外側(cè)制作5 y m 二氧化硅第一中間層8，并通過圖形化工藝，使第一中間層8與吸氣劑層5在相同位置設(shè)有四個第一中間層通孔7，通孔直徑為3 u m,且第一中間層8將吸氣劑5層完全覆蓋。如圖5所示，使用氧氣等離子體腐蝕的方法，反應(yīng)氣體通過第一中間層通孔7及吸氣劑層通孔6，去除聚甲基丙烯酸甲酯的第二保護層4之后，釋放MEMS結(jié)構(gòu)2，形成腔體9，并且將樣品加熱至350攝氏度，持續(xù)30分鐘，激活吸氣劑5 ;去除第二保護層4后，吸氣劑層5的內(nèi)壁形成與腔體9相接觸的表面，吸氣劑層5與腔體9相接觸的表面形成與第二保護層4表面一致的粗糙度。吸氣劑層5表面的粗糙度的均方根值為lOOnm。e、在上述吸氣劑層5上沉積最終密封層，所述最終密封層覆蓋于吸氣劑層5上，并填充在吸氣劑層通孔6內(nèi)，以在承載襯底I上形成所需的薄膜封帽。本實施例中，最終密封層為第一密封層10，如圖6所示，使用等離子增強型體化學(xué)氣相沉積的方法，設(shè)置0. I帕的沉積腔室壓力條件，在上述第一中間層8的外側(cè)沉積IOym厚的完全連續(xù)且無孔的氮化硅薄膜，作為第一密封層10，第一密封層10與前述制備得到的吸氣劑層5和第一中間層8 一同形成通用封帽11，通用封帽11又與承載襯底I形成最終的MEMS薄膜封裝結(jié)構(gòu)。實施例2
本實施例介紹一種使用本發(fā)明的紅外探測器芯片級薄膜封裝方案。如圖12所示，所述集成吸氣劑的MEMS薄膜封裝結(jié)構(gòu)，包括光探測器封帽15及位于所述光探測器封帽15下方的承載襯底I ;所述承載襯底I與光探測器封帽15間設(shè)有腔體9以容納MEMS結(jié)構(gòu)2，MEMS結(jié)構(gòu)2與承載襯底I相連；所述光探測器封帽15由三層材料形成，其中最內(nèi)側(cè)為激活的吸氣劑層5，與腔體9直接接觸，最外側(cè)設(shè)有一層抗反射的第二密封層13，在第二密封層13與吸氣劑層5之間設(shè)有一層對紅外線透明的第二中間層12。如圖9所示，所述光薄膜封帽15中最內(nèi)側(cè)的吸氣劑層5中設(shè)有光窗14以便進行對第二保護層4的腐蝕，其中吸氣劑層5的圖形邊緣與承載襯底I良好接觸；另外，如圖9、所示，吸氣劑層5與腔體9接觸的界面為粗糙或多孔的表面形貌，表面粗糙度的均方根值為IOOnm,以最大程度發(fā)揮吸氣劑的吸氣性能。如圖12所示，光探測器封帽15中設(shè)有第二中間層12，且該第二中間層12中設(shè)有通第二中間層通孔16，第二中間層通孔16與吸氣劑層通孔6相連通，第二中間層12將吸氣劑層5完全覆蓋，第二中間層12為對紅外透明的材料。所述光探測器封帽15中最外側(cè)的第二密封層13為連 續(xù)無孔的結(jié)構(gòu)，且將吸氣劑層5與第二中間層12完全覆蓋，第二密封層13也為抗反射層。所述的承載襯底I為硅；所述的吸氣劑層5為鈦-鋯-釩合金，用于吸收腔體9內(nèi)的水汽以及其他雜質(zhì)氣體，以提升腔體9內(nèi)部氣壓的穩(wěn)定性；所述的第二中間層12的材料為非晶硅或非晶鍺硅；所述的第二密封層13的硫化鋅或氧化鎂等。如圖7至圖12所示上述集成吸氣劑的MEMS薄膜封裝結(jié)構(gòu)可以通過下述工藝步驟實現(xiàn)，具體地
a、提供承載有MEMS結(jié)構(gòu)2的承載襯底1，在所述承載襯底I上沉積完全覆蓋MEMS結(jié)構(gòu)2及對應(yīng)的承載襯底I表面的第一保護層3 ；
如圖7所示，第二保護層3的材料為聚甲基丙烯酸甲酯；MEMS結(jié)構(gòu)2為紅外探測器結(jié)
構(gòu)；
b、選擇性地掩蔽和腐蝕第一保護層3，以在承載襯底I上得到用于覆蓋MEMS結(jié)構(gòu)2的第二保護層4 ；
如圖8所示，使用紫外線光刻的工藝對第一保護層3進行圖形化，并使用氧氣等離子體腐蝕的方法去除第一保護層3，僅保留MEMS結(jié)構(gòu)2及其周圍的第二保護層4，第二保護層4保留的尺寸由設(shè)計的MEMS腔體的尺寸決定；使用氬原子轟擊的方法，對聚甲基丙烯酸甲酯的第二保護層4表面進行粗糙化處理，使其表面粗糙度的均方根值達到IOOnm ；
C、在承載襯底I及第二保護層4上制備吸氣劑層5，所述吸氣劑層5與承載襯底I相接觸，并覆蓋在第二保護層4的表面，以形成薄膜封帽的內(nèi)層結(jié)構(gòu)；吸氣劑層5上設(shè)有貫通吸氣劑層5的吸氣劑層通孔6，以通過吸氣劑層通孔6暴露相對的第二保護層4 ；
如圖9所示，使用鈦-鋯-釩合金靶材(鈦30%-鋯20%-釩50%，99. 5%純度)，通過磁控濺射的方法以及掀離工藝，在承載襯底I以及第二保護層4表面沉積300nm的鈦-鋯-釩吸氣劑層5，使吸氣劑層5沿第二保護層4的表面形成立體的光探測器封帽15的最內(nèi)層，吸氣劑層5圖形邊緣與承載襯底I形成良好的接觸，吸氣劑層5在圖形化過程中形成直徑為200 V- m的垂直通孔結(jié)構(gòu)形成光窗14以透過紅外線；
如圖10所示，使用等離子增強型體化學(xué)氣相沉積的方法，在吸氣劑層5外側(cè)制作5 u m非晶硅第二中間層12，并通過圖形化工藝，形成四個直徑為5 的第二中間層通孔16，第二中間層通孔16與吸氣劑層通孔6相連通，以暴露第二構(gòu)保護層4，通孔直徑為3 y m，且第二中間層12將吸氣劑5層完全覆蓋。d、利用吸氣劑層5上的吸氣劑層通孔6，腐蝕去除覆蓋MEMS結(jié)構(gòu)2的第二保護層4，且將吸氣劑層5激活；
如圖11所示，使用氧氣等離子體腐蝕的方法，反應(yīng)氣體通過第二中間層通孔16及吸氣劑層通孔6，去除聚甲基丙烯酸甲酯的第二保護層4之后，釋放MEMS結(jié)構(gòu)2，形成腔體9，并且將樣品加熱至350攝氏度，持續(xù)30分鐘，以激活吸氣劑5 ；e、在上述吸氣劑層5上沉積最終密封層，所述最終密封層覆蓋于吸氣劑層5上，并填充在吸氣劑層通孔6內(nèi)，以在承載襯底I上形成所需的薄膜封帽。本實施例中，最終密封層為第二密封層13，如圖12所示，使用等離子增強型體化學(xué)氣相沉積的方法，設(shè)置I帕的沉積腔室壓力條件，在上述第二中間層12的外側(cè)沉積IOym厚的完全連續(xù)且無孔的硫化鋅薄膜，作為第二密 封層13，第二密封層13與前述制備得到的吸氣劑層5和第二中間層12 —同形成光探測器封帽15，光探測器封帽15又與MEMS承載襯底I形成最終的紅外探測器MEMS芯片的薄膜封裝結(jié)構(gòu)。本發(fā)明相對于鍵合封裝MEMS的技術(shù)，所制得的產(chǎn)品擁有更小的體積，相對于薄膜密封LED的技術(shù)，本方案提供了供MEMS結(jié)構(gòu)2活動的腔體9，而且結(jié)構(gòu)中集成了吸氣劑，能夠有效控制MEMS封裝腔體內(nèi)的壓力值。本發(fā)明將吸氣劑層5作為MEMS封裝封帽結(jié)構(gòu)的最內(nèi)層，直接與腔體9接觸，能夠最大程度的發(fā)揮其吸氣的功效，而且能夠最大程度的阻擋封帽結(jié)構(gòu)中外部材料在長期使用過程中的放氣，以及阻擋外界環(huán)境中氣體漏入腔體9，從而提升了 MEMS器件長期使用的精度以及產(chǎn)品的使用壽命和可靠性。本發(fā)明由于存在封帽結(jié)構(gòu)最內(nèi)層設(shè)有兼有吸氣功能和阻氣功能的吸氣劑層5，該薄膜密封結(jié)構(gòu)的外部密封層可以選用廉價的高分子材料，從而降低整個MEMS產(chǎn)品的成本。上述例可以用來說明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和制造過程，但本發(fā)明的實施絕不僅限于此實施例。在不脫離本發(fā)明及所附的權(quán)利要求的范圍內(nèi)，各種替換、變化和修改都是可能的。因此，本發(fā)明的保護范圍不局限于實施例和附圖所公開的內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種集成吸氣劑的MEMS薄膜封裝結(jié)構(gòu)，包括薄膜封帽及位于所述薄膜封帽下方的承載襯底(I);其特征是所述薄膜封帽與承載襯底(I)間設(shè)有用于容納MEMS結(jié)構(gòu)(2)的腔體(9 )，所述腔體(9 )中收納有MEMS結(jié)構(gòu)(2 )，所述MEMS結(jié)構(gòu)(2 )與薄膜封帽或承載襯底(I)相連；所述薄膜封帽包括位于內(nèi)側(cè)的吸氣劑層(5)及位于外側(cè)的最終密封層，薄膜封帽通過薄膜封帽中的吸氣劑層(5 )及最終密封層與承載襯底(I)相連，并通過吸氣劑層(5 )與承載襯底(I)間形成腔體(9)內(nèi)壁；最終密封層位于吸氣劑層(5)外側(cè)，并將MEMS結(jié)構(gòu)(2)密封于腔體(9)內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的集成吸氣劑的MEMS薄膜結(jié)構(gòu)，其特征是所述吸氣劑層(5)與最終密封層間設(shè)有一層或多層中間層，所述中間層與吸氣劑層(5)的形狀相一致。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的集成吸氣劑的MEMS薄膜結(jié)構(gòu)，其特征是所述吸氣劑層(5)與腔體(9)相接觸的表面呈粗糙或多孔的表面，吸氣劑層(5)與腔體(9)相接觸的表面粗糙度的均方根值為5nnTl000nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的集成吸氣劑的MEMS薄膜結(jié)構(gòu)，其特征是所述承載襯底(I)的材料為硅基材料、陶瓷材料或高分子材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的集成吸氣劑的MEMS薄膜結(jié)構(gòu)，其特征是所述薄膜封帽為通用封帽(11)或光探測器封帽(15 )。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的集成吸氣劑的MEMS薄膜結(jié)構(gòu)，其特征是所述吸氣劑層(5)上設(shè)有若干吸氣劑層通孔(6 )，所述吸氣劑層通孔(6 )與腔體(9 )相連通。
7.一種集成吸氣劑的MEMS薄膜封裝結(jié)構(gòu)制造方法，其特征是，所述MEMS薄膜封裝結(jié)構(gòu)制造方法包括如下步驟 (a)、提供承載有MEMS結(jié)構(gòu)(2)的承載襯底(I)，在所述承載襯底(I)上沉積完全覆蓋MEMS結(jié)構(gòu)(2)及對應(yīng)的承載襯底(I)表面的第一保護層(3); (b)、選擇性地掩蔽和腐蝕第一保護層(3)，以在承載襯底(I)上得到用于覆蓋MEMS結(jié)構(gòu)(2)的第二保護層(4); (c )、在承載襯底(I)及第二保護層(4 )上制備吸氣劑層(5 )，所述吸氣劑層(5 )與承載襯底(I)相接觸，并覆蓋在第二保護層(4)的表面，以形成薄膜封帽的內(nèi)層結(jié)構(gòu)；吸氣劑層(5)上設(shè)有貫通吸氣劑層(5)的吸氣劑層通孔(6)，以通過吸氣劑層通孔(6)暴露對應(yīng)位置的第二保護層(4)； (d)、利用吸氣劑層(5)上的吸氣劑層通孔(6)，腐蝕去除覆蓋MEMS結(jié)構(gòu)(2)的第二保護層(4 )，釋放MEMS結(jié)構(gòu)(2 )且將吸氣劑層(5 )激活； (e )、在上述吸氣劑層(5 )上沉積最終密封層，所述最終密封層覆蓋于吸氣劑層(5 )上，并填充在吸氣劑層通孔(6)內(nèi)，以在承載襯底(I)上形成所需的薄膜封帽。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述集成吸氣劑的MEMS薄膜封裝結(jié)構(gòu)制造方法，其特征是所述步驟(b)中，在得到第二保護層(4)后，對第二保護層(4)的表面進行粗糙化處理。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述集成吸氣劑的MEMS薄膜封裝結(jié)構(gòu)制造方法，其特征是所述步驟(c)中，在吸氣劑層(5)上通過吸氣劑層通孔(6)暴露相對的第二保護層(4)后，在吸氣劑層(5)上設(shè)置一層或多層中間層，所述中間層上設(shè)有中間層通孔，所述中間層通孔與吸氣劑層通孔(6)相連通。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述集成吸氣劑的MEMS薄膜封裝結(jié)構(gòu)制造方法，其特征是所述步驟(d)中，利用加熱的方法將吸氣劑層(5)激活 。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種集成吸氣劑的MEMS薄膜封裝結(jié)構(gòu)及其制造方法，屬于MEMS封裝的技術(shù)領(lǐng)域。按照本發(fā)明提供的技術(shù)方案，所述集成吸氣劑的MEMS薄膜封裝結(jié)構(gòu)，包括薄膜封帽及位于所述薄膜封帽下方的承載襯底；所述薄膜封帽與承載襯底間設(shè)有用于容納MEMS結(jié)構(gòu)的腔體，所述腔體中收納有MEMS結(jié)構(gòu)，所述MEMS結(jié)構(gòu)與薄膜封帽或承載襯底相連；所述薄膜封帽包括位于內(nèi)側(cè)的吸氣劑層及位于外側(cè)的最終密封層，薄膜封帽通過其中的吸氣劑層及最終密封層與承載襯底相連，并通過吸氣劑層與承載襯底間形成腔體內(nèi)壁；最終密封層位于吸氣劑層外側(cè)，并將MEMS結(jié)構(gòu)密封于腔體內(nèi)。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單且新穎，能提升薄膜密封的MEMS器件的性能，適應(yīng)范圍廣，安全可靠。
文檔編號B81C1/00GK102745642SQ20121026387
公開日2012年10月24日 申請日期2012年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月27日
發(fā)明者張昕, 歐文, 秦毅恒 申請人:江蘇物聯(lián)網(wǎng)研究發(fā)展中心