專利名稱：流體微機電系統(tǒng)器件的制作方法
背景技術(shù)：
某些流體微機電系統(tǒng)(MEMS)應(yīng)用包括位于MEMS封裝件的氣密密封的內(nèi)腔中的流體。這種氣密MEMS封裝件可由剛性和/或易碎材料制成。在溫度上升后，氣密密封在MEMS封裝件中的流體的體積膨脹速度例如可比基于封裝材料的線性膨脹速度的封裝件的內(nèi)腔膨脹速度大20到100倍。流體還可以是不可壓縮的，或者具有很低的可壓縮度。結(jié)果，熱漂移會導(dǎo)致內(nèi)腔中流體壓力的提高，這導(dǎo)致封裝材料的流體泄漏和/或斷裂。

發(fā)明內(nèi)容
MEMS封裝件的一個示例性實施例包括一個基片和一個蓋板。在基片上制造有一個MEMS結(jié)構(gòu)。蓋板可通過結(jié)合環(huán)結(jié)合到基片上。蓋板、結(jié)合環(huán)和基片可限定一個內(nèi)腔。蓋板、基片和結(jié)合環(huán)中的缺口可限定一個填充口。


本領(lǐng)域技術(shù)人員很容易將從下面對附圖中所示的示例性實施例所作的詳細(xì)描述中明白本發(fā)明的這些和其它特征和優(yōu)點，其中圖1表示可用“晶片級”方法組裝的MEMS組件的一個示例性實施例。
圖2表示可用“拾起-放下”方法組裝的MEMS組件的一個示例性實施例。
圖3表示流體MEMS組件的示例性實施例的剖視圖。
圖4表示MEMS組件的一個示例性實施例的平面圖。
圖5表示在制造示例性流體MEMS組件的示例性拾起-放下方法中使用的晶片-高度MEMS組件的平面圖。
圖6A、6B和6C分別表示分別在制造流體MEMS組件的示例性實施例的晶片級方法中使用的蓋板、晶片和晶片-高度MEMS組件。
圖7A、7B和7C表示在制造流體MEMS組件的示例性方法中各流體填充階段，流體MEMS組件的示例性實施例的剖視圖。
圖8A、8B和8C表示圖7A、7B和7C中所示的流體MEMS組件的示例性圖9A、9B和9C表示填充流體MEMS器件的方法的替換示例性實施例。
圖10表示具有一個填充口和一個排出口的流體MEMS組件的示例性
具體實施例方式
在下面的詳細(xì)說明以及附圖的若干示圖中，相同的元件用相同的參考標(biāo)記表示。
圖1至4中示出適于用作流體MEMS器件的MEMS封裝組件的示例性實施例。MEMS組件或封裝件1包括一個蓋板2，一個基片3和一個結(jié)合環(huán)4。蓋板2的一個主表面21(圖3)通過一個結(jié)合環(huán)4連接到基片的主表面31上。蓋板2可以是光學(xué)窗口或孔口，可由硅、玻璃、塑料、金屬或金屬合金如Kovar(商標(biāo))或者其它適當(dāng)材料制成?；?可以是硅基片，并可具有在主表面31上制造的MEMS結(jié)構(gòu)32。結(jié)合環(huán)4可以是無機結(jié)合環(huán)。蓋板可小于基片且可在基片上限定不被蓋板蓋住的暴露部分33。可在基片上的暴露部分33中設(shè)置用于與MEMS形成電聯(lián)接的電結(jié)合墊34。
暴露部分33可限定在開口22中，例如蓋板中的一個狹槽或孔中，或者可限定在一個部分狹槽或孔中，該部分狹槽或孔例如在從下面進(jìn)一步描述的晶片級組件(圖1和4)分離之前可保持在蓋板中。結(jié)合墊34例如可電聯(lián)接到一個印刷電路板(PCB)5上(圖3)。暴露部分還可由小于基片的蓋板限定，使基片的暴露部分延伸到蓋板之外(圖2和3)。
在圖3所示的示例性實施例中，基片3的主表面31、蓋板2的主表面21以及結(jié)合環(huán)4限定了一個內(nèi)腔11。該內(nèi)腔11的高度41可以是約3到10微米。結(jié)合環(huán)4中兩個端部43、44(圖2)之間的缺口42限定了一個填充口111和一個通向內(nèi)腔11的填充路徑112。結(jié)合環(huán)例如可由下列材料制成玻璃料、粘結(jié)劑、低熔點焊料、焊接掩模材料(solder maskmaterials)、陽極結(jié)合(anodic bond)、共價鍵、激光焊接、溶膠-凝膠材料或者其它適于在基片和蓋板之間進(jìn)行聯(lián)接的材料。低熔點焊料例如可包括金錫低熔點焊料。
可用各種技術(shù)組裝示例性流體MEMS器件。在一個示例性工藝中，用結(jié)合環(huán)將蓋板連接到基片上而限定一個內(nèi)腔?；蜕w板的尺寸可選擇成允許接近基片暴露區(qū)域中的結(jié)合墊。例如，蓋板可小于基片，在連接蓋板之后限定了基片主表面的暴露部分?？捎迷摲椒ńM裝圖2中所示的示例性實施例。該方法是“拾起-放下”方法的一個示例性實施例，其中將單個蓋板拾起并單獨連接到基片上。
在圖5中所示的一個替換的拾起-放下實施例中，多個蓋板2可連接到一個基片300上，多個MEMS結(jié)構(gòu)32位于基片上的多個管芯位置35，形成一個MEMS組件100?；?00可以是一個硅晶片，在基片的一個表面上制造有多個MEMS結(jié)構(gòu)。每個MEMS結(jié)構(gòu)可位于一個管芯位置。當(dāng)從晶片分離時每個管芯位置可形成單個MEMS管芯。圖5中，管芯位置35用由晶片上的格柵線限定的矩形表示。
每個蓋板2在一個管芯位置35通過結(jié)合環(huán)4連接到晶片300上。晶片300、蓋板2和結(jié)合環(huán)4限定了多個內(nèi)腔。結(jié)合墊34設(shè)置用于與MEMS器件結(jié)構(gòu)電聯(lián)接。在連接蓋板之后可將單個MEMS器件或管芯從晶片上分離。以晶片級連接蓋板可在隨后的任何制造、組裝或搬運過程中向基片上的MEMS結(jié)構(gòu)提供某些保護(hù)。如下面所述，在分離之前，可在晶片級用流體填充單個MEMS器件。圖2或3中所示的示例性實施例可用該方法組裝。
在圖6A-6C中所示的一個替換的“晶片級”實施例中，可將具有多個開口22，如狹槽和/或孔的(圖6A)的蓋板200連接到具有多個MEMS結(jié)構(gòu)32和結(jié)合墊34的基片或晶片300上(圖6B)，形成一個MEMS組件100(圖6C)?？捎枚鄠€結(jié)合環(huán)4將蓋板200連接到晶片300上。蓋板、晶片和結(jié)合環(huán)可限定多個內(nèi)腔11。該多個內(nèi)腔11可對應(yīng)于多個管芯位置35。多個單獨的MEMS器件或管芯可從晶片級組件100分離。例如，圖1或4中所示的示例性實施例可用該方法組裝。盡管圖6A-6C所示實施例中的基片描述為晶片，但可以理解，該方法可用于任何在基片表面上的多個管芯位置35制造有多個MEMS結(jié)構(gòu)的基片上。還可以理解，該多個結(jié)合環(huán)4可由數(shù)量少于所限定內(nèi)腔的相鄰的結(jié)合環(huán)材料區(qū)段構(gòu)成。單個、連續(xù)量的結(jié)合環(huán)材料例如可限定多個結(jié)合環(huán)。
如下面所述，開口22可提供通向用于填充和密封的填充口111的入口，和/或通向進(jìn)行電聯(lián)接的結(jié)合墊34的入口。當(dāng)蓋板連接到晶片上時，入口限定了基片或晶片的主表面上的暴露部分。在圖6A-6C中所示的示例性實施例中，一組孔形式的開口22a限定了與填充口111相鄰的第一組暴露部分33a。狹槽形式的第二組開口22b限定了第二組暴露部分33b。連接墊34設(shè)置在暴露部分33b上。
位于填充口的暴露部分33a可提供通過填充口填充內(nèi)腔的入口，可提供用于接收填充內(nèi)腔所用流體的平臺，并可提供在填充內(nèi)腔之后在填充口放置密件的平臺。在其它示例性實施例中，與填充口相鄰的暴露部分33同樣可提供一個用于提供填充內(nèi)腔所需流體的平臺，并可提供用于在填充內(nèi)腔之后在填充口放置密封件的平臺。其上設(shè)置結(jié)合墊34的暴露部分33b提供了通向結(jié)合墊的入口，從而在從組件100分離后與單個MEMS器件或管芯電聯(lián)接。其它示例性實施例中的暴露部分33同樣可提供通向結(jié)合墊的入口，從而與MEMS器件電聯(lián)接。
在圖6A-6C中所示的示例性實施例中，開口22a僅在填充口限定了暴露部分33a，每個開口在一個填充口限定一個暴露部分。開口22b僅在設(shè)有結(jié)合墊的位置限定暴露部分34b?？梢岳斫?，開口可設(shè)置成為一個以上填充口限定暴露部分，開口可設(shè)置成限定與一個填充口相鄰且其上設(shè)有結(jié)合墊的暴露部分。當(dāng)某些開口限定了這種雙功能暴露部分時，這些雙功能暴露部分可以是限定了與流體口相鄰的暴露部分的開口組中的元件，以及限定了其上設(shè)有暴露部分的開口組中的元件。
在MEMS器件1的示例性實施例中，可能期望用流體6填充內(nèi)腔11。這種流體MEMS器件應(yīng)用沒有限制地包括微鏡陣列、微電機、微開關(guān)或加速計。這些應(yīng)用使用的流體可包括芳香族溶劑，如1，1-二苯基乙烯，有機硅烷，如3-氯丙基三乙氧基硅烷，全氟醚，如Galden HT-100(商標(biāo))，硅氧烷和硅烷，如聚甲基苯基硅醚，聚二甲基硅氧烷，水，水和水溶性有機物的混合物，溶于水的離子材料，有色流體，膠體懸浮。
可用圖7和8中所示的方法將流體引入內(nèi)腔中。在內(nèi)腔中提供一個低壓真空環(huán)境。內(nèi)腔中的真空可通過將環(huán)境7設(shè)置在圍繞MEMS組件1的真空中而提供，這例如可通過將MEMS組件放入一個腔室中并從該腔室中抽出空氣而產(chǎn)生真空來完成。圍繞MEMS組件的低壓或真空環(huán)境7使位于內(nèi)腔中的空氣通過填充口111離開內(nèi)腔，從而在內(nèi)腔中提供真空。該低壓或真空環(huán)境還可通過在一個低壓或真空環(huán)境中組裝該組件來提供。
當(dāng)在內(nèi)腔中提供真空后，可在輸送口111提供至少足以填充內(nèi)腔的流體量。在圖9a中所示的示例性實施例中，可通過將MEMS組件浸沒在流體6中而在輸送口提供流體6。在圖9b中所示的另一個示例性實施例中，可在a處將MEMS組件浸沒入流體6中，并取出，在b處將至少足以填充內(nèi)腔的流體6的量留在輸送口。在圖9c中所示的又一個示例性實施例中，可用一個流體載體61在輸送口提供流體6，該流體載體61已經(jīng)在a處蘸入流體中，在b處移動，并在c處接觸到填充口，在填充口留下至少所需量的流體。流體載體可包括一個銷或者一個毛細(xì)管?？捎枚鄠€流體載體同時向多個填充口提供足夠量的流體。
在流體口提供的流體應(yīng)當(dāng)設(shè)置成這樣，使圍繞MEMS組件的環(huán)境7或腔室中的壓力的上升通過輸送口進(jìn)入內(nèi)腔中。例如在圖7和8中所示的一個示例性實施例中，在輸送口提供的流體跨越整個入口到達(dá)填充口。盡管流體提供在填充口，但內(nèi)腔中的壓力最初與圍繞MEMS組件的環(huán)境7中的壓力相同。圍繞MEMS組件的環(huán)境7中的壓力升高，從暴露部分到與內(nèi)腔接觸的部分跨流體形成一個壓力梯度。如果在填充口提供的流體量足以填充內(nèi)腔并在整個填充過程中提供密封，則流體將填充內(nèi)腔。填充后殘余的流體量可保持在填充口。環(huán)境壓力升高到一個目標(biāo)壓力，該目標(biāo)壓力例如可以是大氣壓或者大于大氣壓。
壓力升高速度應(yīng)當(dāng)這樣選擇，使環(huán)境或腔室中升高的壓力與內(nèi)腔中的低壓或真空之間的壓差導(dǎo)致流體通過結(jié)合環(huán)中的缺口進(jìn)入內(nèi)腔中，并完全填充硅晶片與蓋板之間的空間。對于粘性流體，填充時間可由流體通過填充口引進(jìn)所需的時間支配。對于粘度較低的流體，填充時間可由完全形成真空并從腔室和/或內(nèi)腔中排出空氣所需的時間支配。多種因素會影響填充過程的長度，包括流體粘度、溫度、填充口幾何形狀、間隙高度、流體與內(nèi)腔表面之間的表面張力和/或MEMS幾何形狀。可通過使用高于大氣壓的壓力提高進(jìn)入內(nèi)腔中的流速來縮短填充過程的持續(xù)時間。
可在MEMS組件完全沒入流體中，或者當(dāng)MEMS組件已經(jīng)從液體中取出而留下足夠填充位于填充口的內(nèi)腔的流體量，或者在已經(jīng)通過其它方式將足夠量的流體置于填充口之后，提高環(huán)境或腔室中的壓力。在填充口提供的流體量應(yīng)當(dāng)足以填充內(nèi)腔，并防止空氣和/或氣體在填充過程中進(jìn)入內(nèi)腔中。當(dāng)MEMS組件沒入流體中時，僅由流體產(chǎn)生的壓力會導(dǎo)致一些流體在環(huán)境壓力升高之前進(jìn)入內(nèi)腔中。毛細(xì)力同樣有助于導(dǎo)致流體進(jìn)入內(nèi)腔中。用適當(dāng)方法，例如用溶劑、蒸發(fā)或擦拭清理晶片上的多余流體。
某些替換的、可選擇的實施例可包括若干用一種或多種氣體如二氧化碳或氦氣完成的凈化循環(huán)，以幫助確保全部空氣從內(nèi)腔中清除。適用于凈化內(nèi)腔的凈化氣體可這樣選擇，使該一種或多種氣體可高度溶于流體中，這些氣體相對于流體以及相對于內(nèi)腔中存在的其它材料的惰性更大。適當(dāng)?shù)臍怏w可包括氦氣或二氧化碳。在使用凈化氣體的這些實施例中，使用高度溶于流體中的凈化氣體有助于減少在流體中殘留氣泡的產(chǎn)生。用于填充內(nèi)腔的流體同樣可在填充之前脫氣。對流體脫氣可防止被吸收的氣體從溶液中出來，并防止氣泡在流體中成核。
在這些示例性實施例中，可能期望從內(nèi)腔表面去除可能包含水的被吸附流體。吸附的流體可在排空步驟中去除?？捎蒙叩臏囟葋砑铀俦晃搅黧w的去除。
在一個替換的示例性實施例中，毛細(xì)力自身可足以填充內(nèi)腔而不使用真空。MEMS組件可包括帶有多個缺口如兩個缺口的結(jié)合環(huán)。圖10中示出流體MEMS組件的一個示例性實施例，包括一個基片3、一個蓋板2和一個結(jié)合環(huán)4。結(jié)合環(huán)4具有兩個缺口42a、42b，它們限定了一個填充口111a和一個排空口111b。在填充口提供足以填充內(nèi)腔的流體量。流體通過毛細(xì)力抽入內(nèi)腔中。由抽入內(nèi)腔中的流體取代的內(nèi)腔中的空氣通過排出口111b排出。當(dāng)內(nèi)腔充滿時，將填充口和排出口密封。還可用填充口處的壓力、排出口處的真空和/或毛細(xì)力單獨或組合地填充流體MEMS組件。
一定量的粘結(jié)劑(可以是可熟化的粘結(jié)劑)施加到一個或多個缺口位置并固化，從而完成對流體的容納。適當(dāng)?shù)恼辰Y(jié)劑可包括有機粘結(jié)劑如經(jīng)過熱或紫外固化的環(huán)氧樹脂、焊料或玻璃基密封劑。適當(dāng)?shù)拿芊鈩┛梢允腔瘜W(xué)上惰性的或者與流體兼容的，可具有與其它元件一起使用相匹配的熱膨脹系數(shù)，可具有與所有表面的良好粘性、高可靠性、密封性。在圖2和3中所示的示例性實施例中，一個具有蓋板2、基片3、帶缺口的結(jié)合環(huán)4并填充有流體6的MEMS組件包括一個位于填充口111的密封件45。
內(nèi)腔的高度41可這樣選擇，使內(nèi)腔中容納的流體的體積足夠小，因而膨脹后的體積變化足夠小而能夠被蓋板、基片、結(jié)合環(huán)、結(jié)合密封件的略微變形適應(yīng)，從而降低蓋板損壞的危險。
在流體MEMS器件以及制造流體MEMS器件的方法的示例性實施例中，可同時用流體填充限定在晶片上的多個內(nèi)腔。在一個示例性實施例中，如圖5中所示，多個蓋板可分別連接到單個基片或晶片上的每個管芯位置。在另一個示例性實施例中，可通過多個單獨的結(jié)合環(huán)將單個蓋板連接到單個基片上，從而如圖6A-6C中所示限定多個內(nèi)腔。在這些實施例中的每一個中，該多個內(nèi)腔可同時填充?？蓪⒄麄€晶片級組件100沒入流體中，從而在多個輸送口提供至少所需量的流體。在用流體載體如蘸入流體中的銷或毛細(xì)管向輸送口提供流體時，可將帶有多個這種銷的陣列蘸入流體中并接觸到填充口上，在該多個輸送口的每一個處留下少量流體?？商鎿Q地，具有少量流體載體甚至是一個流體載體的陣列，可蘸入流體中然后連續(xù)接觸到填充口上，直到在將填充的每個MEMS組件的填充口提供流體。
在一個示例性實施例中，用于填充MEMS組件的一種方法不需要在基片或硅晶片上鉆孔，這樣可進(jìn)一步簡化并節(jié)約成本。流體的容納實際上可完全由密封材料完成，從而通過降低從內(nèi)腔損失蒸氣和/或向內(nèi)腔中進(jìn)入空氣的危險而提高可靠性。流體填充過程可發(fā)生在晶片級。許多器件被立即填充，獲得了生產(chǎn)量的收益。
將蓋板或多個蓋板板連接到晶片臺上可在制造過程中向活性硅MEMS結(jié)構(gòu)提供保護(hù)。對于顆粒敏感性高或者硅含有精細(xì)結(jié)構(gòu)的器件，這是特別有利的。在晶片臺上組裝MEMS器件封裝件或者組件還可在晶片級完成全功能測試。這樣可在制造過程的較早階段識別出有缺陷的部件，從而進(jìn)一步節(jié)約制造成本。本公開的MEMS器件和方法可減少或者消除該多個流體互聯(lián)和/或柔性隔膜，從而減少制造步驟并降低制造成本。
提供體積足夠小的內(nèi)腔可減少MEMS器件中的總體積膨脹，從而降低由于流體膨脹導(dǎo)致的MEMS封裝件的泄漏或其它結(jié)構(gòu)損失的危險。流體的熱膨脹可完全被蓋板、基片和結(jié)合環(huán)的變形所適應(yīng)，而封裝材料不會斷裂或損壞。
可以理解，上述實施例僅是可代表本發(fā)明原理的可能的特定實施例的示意。本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的范圍和精神的情況下可很容易地根據(jù)這些原理提出其它設(shè)置。
權(quán)利要求
1.一種微機電系統(tǒng)封裝件，包括一基片(3)，在該基片(3)的一表面(31)上制造有一微機電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(32)；一通過結(jié)合環(huán)(4)結(jié)合到基片(3)的表面(31)上的蓋板(2)；一由該基片(3)、蓋板(2)和結(jié)合環(huán)(4)限定的內(nèi)腔(11)；及一由基片(3)、蓋板(2)和結(jié)合環(huán)(4)中的缺口(42)限定的填充口(11)。
2.如權(quán)利要求1所述的微機電系統(tǒng)封裝件，還包括密封在內(nèi)腔(11)中的流體(6)。
3.如權(quán)利要求2所述的微機電系統(tǒng)封裝件，還包括一設(shè)置于填充口(111)中的密封件(45)。
4.一種微機電系統(tǒng)組件，包括一基片，在該基片表面上的多個對應(yīng)的管芯位置上制造有多個MEMS結(jié)構(gòu)；一通過多個結(jié)合環(huán)結(jié)合到該基片的表面上的蓋板；多個與各管芯位置相聯(lián)的內(nèi)腔，每個內(nèi)腔由基片、蓋板以及該多個結(jié)合環(huán)中的一個限定；及多個填充口，每個填充口由基片、蓋板以及該多個結(jié)合環(huán)中的一個中的缺口限定。
5.一種用于制造流體微機電系統(tǒng)封裝件1的方法，包括提供一微機電系統(tǒng)組件(100)，該微機電系統(tǒng)組件(100)具有多個位于基片(300)上多個對應(yīng)管芯位置(35)的內(nèi)腔(11)，每個內(nèi)腔(11)由一蓋板(2、200)、基片(300)和結(jié)合環(huán)(4)限定，并與由蓋板(2、200)、基片(300)和結(jié)合環(huán)(4)中的缺口(42)限定的填充口(111)相聯(lián)；用流體(6)填充內(nèi)腔(11)；將流體(6)密封在內(nèi)腔(11)中；從該基片(300)分離多個微機電系統(tǒng)封裝件1。
6.如權(quán)利要求23所述的方法，其中用流體(6)填充內(nèi)腔(11)包括在內(nèi)腔(11)中提供真空，在填充口(111)提供足以填充內(nèi)腔(11)的一定量的流體(6)，并在流體(6)上提供壓力，使流體(6)填充內(nèi)腔(111)。
7.如權(quán)利要求23所述的方法，其中用流體6填充內(nèi)腔(11)是在從基片(300)分離多個微機電系統(tǒng)封裝件(1)之前進(jìn)行的。
8.一種用于制造流體微機電系統(tǒng)封裝件的方法，包括用多個帶有缺口(42)的結(jié)合環(huán)(4)將帶有多個開口(22)的一蓋板(200)連接到基片(300)上，使蓋板(200)、基片(300)和結(jié)合環(huán)(4)限定多個對應(yīng)的內(nèi)腔(11)，蓋板(200)、基片(300)和缺口(42)限定多個對應(yīng)的填充口(111)；用流體(6)填充內(nèi)腔(11)；將流體(6)密封在內(nèi)腔(11)中；從基片(300)分離多個微機電系統(tǒng)封裝件(1)。
9.一種用于填充流體微機電系統(tǒng)封裝件的方法，包括提供具有一內(nèi)腔(11)和一填充口(111)的微機電系統(tǒng)封裝件(1)；在內(nèi)腔中提供真空；在通向填充口(111)的入口提供足以填充內(nèi)腔的一定量的流體；及在流體(6)上提供壓力，使流體(6)填充內(nèi)腔(11)。
10.一種空間照明模塊，包括一基片(3)，在該基片(3)的表面(31)上制造有一微機電系統(tǒng)反射鏡陣列(32)；一通過一結(jié)合環(huán)(4)結(jié)合到基片(3)的表面(31)上的蓋板(2)；一由基片(3)、蓋板(2)和結(jié)合環(huán)(4)限定的內(nèi)腔(11)；及一由基片(3)、蓋板(2)和結(jié)合環(huán)(4)中的缺口(42)限定的填充口(111)。
全文摘要
一種微機電系統(tǒng)封裝件(1)，包括一個基片(3)和一個蓋板(2)。在基片的表面(31)上制造有一個微機電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(32)。蓋板(2)可通過結(jié)合環(huán)(4)結(jié)合到基片(3)上。蓋板(2)、結(jié)合環(huán)(4)和基片(3)可限定一個內(nèi)腔(11)。蓋板(2)、基片(3)和結(jié)合環(huán)(4)中的缺口(42)可限定一個填充口(111)。
文檔編號B81C3/00GK1576229SQ200410043210
公開日2005年2月9日 申請日期2004年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月15日
發(fā)明者M·A·史密斯, W·R·布歇爾, C·C·哈盧扎克 申請人:惠普開發(fā)有限公司