專利名稱：一種芯片級(jí)腔體密閉封裝方法及封裝結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于實(shí)現(xiàn)芯片級(jí)腔體密閉封裝的方法，也涉及該方法所實(shí)現(xiàn)的腔體密閉封裝結(jié)構(gòu)，屬于微機(jī)械電子系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
微機(jī)械電子系統(tǒng)是20世紀(jì)80年代后期國(guó)際上興起的一項(xiàng)新技術(shù)，其主要特征是尺度微小，器件尺寸一般在微米、亞微米乃至納米量級(jí)。它作為一項(xiàng)新興的產(chǎn)業(yè)，在生物、醫(yī)療、航空、航天、電子產(chǎn)品、過程控制及測(cè)試技術(shù)等領(lǐng)域?qū)@得廣泛的應(yīng)用。
在微機(jī)械器件中，為避免器件免受潮氣或其它腐蝕性氣體的滲入；或使器件處于特定的氛圍之中，常常需要為其提供全封閉的腔體來進(jìn)行保護(hù)，這就是通常所說的腔體密閉封裝。密閉封裝工藝包括晶圓級(jí)封裝和芯片級(jí)腔體封裝兩種。其中芯片級(jí)腔體密閉封裝能夠同時(shí)對(duì)芯片上的所有器件提供封裝腔體，因而具有成本優(yōu)勢(shì)。該封裝方法可以減少器件制造中的低效操作。降低由于對(duì)單個(gè)器件進(jìn)行煩瑣的金屬或陶瓷封裝所帶來的高成本。
芯片級(jí)腔體密閉封裝已經(jīng)用于如光學(xué)，射頻和傳感器類的微機(jī)械電子系統(tǒng)中。具體例子包括美國(guó)TI(德州儀器)公司的數(shù)字光學(xué)處理(DLP)器件、熱輻射測(cè)試器件、加速度計(jì)和陀螺儀。最早進(jìn)行的大規(guī)模芯片級(jí)腔體密封腔體封裝是為了給具有可動(dòng)表面單元的MEMS器件提供保護(hù)。在現(xiàn)今成百上千萬的汽車安全氣囊系統(tǒng)中起控制作用的MEMS加速度計(jì)，就是通過芯片級(jí)腔體密封腔體封裝的。最近，非密閉腔體的芯片級(jí)腔體封裝也被用來進(jìn)行對(duì)消費(fèi)類電器如數(shù)字相機(jī)等的封裝。
對(duì)腔體密閉封裝技術(shù)的進(jìn)一步開發(fā)主要致力于兩個(gè)方面對(duì)使用壽命有限的產(chǎn)品，將致力于減小體積、重量和封裝成本；對(duì)高性能、長(zhǎng)壽命的MEMS器件以及光器件和傳感器，要在保證器件性能的前提下降低成本。
目前，這兩方面的技術(shù)仍然在進(jìn)一步發(fā)展之中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種新的芯片級(jí)腔體密閉封裝方法。該方法采用表面微加工技術(shù)，在控制氛圍下通過聚合物粘合鍵合和薄膜淀積來對(duì)MEMS或其它器件實(shí)施腔體密閉封裝。
本發(fā)明的另外一個(gè)目的在于提供一種通過上述方法獲得的芯片級(jí)腔體密閉封裝結(jié)構(gòu)。該密閉封裝結(jié)構(gòu)可以防潮、防氣體侵襲，并可保持真空。
為實(shí)現(xiàn)上述的發(fā)明目的，本發(fā)明采用下述的技術(shù)方案一種實(shí)現(xiàn)芯片級(jí)腔體密閉封裝的方法，其特征在于包括如下步驟(1)在襯底芯片上，形成至少一個(gè)環(huán)繞微機(jī)械結(jié)構(gòu)單元的環(huán)形支撐體；(2)將封蓋芯片與所述襯底芯片面對(duì)面對(duì)準(zhǔn)貼合，并使兩者粘合鍵合，在所述封蓋芯片和所述襯底芯片之間保持所需的空間；(3)將所述封蓋芯片刻蝕或切割窄槽以形成出多個(gè)方塊；(4)在所述窄槽的側(cè)壁及底部淀積單層或/和多層的擴(kuò)散阻擋層。
其中，所述步驟(1)中，所述環(huán)形支撐體也在所述封蓋芯片上形成。
所述步驟(3)中，所述窄槽貫穿所述封蓋芯片以及環(huán)形支撐體。
所述步驟(3)中，采用芯片切割鋸實(shí)現(xiàn)切割。
所述步驟(4)中，在淀積金屬層之前，首先淀積一層聚合物層。
另外，在全部去除所述粘合劑環(huán)之前，在所述封蓋芯片或襯底芯片上通過淀積和刻蝕出電介質(zhì)或金屬層來形成起支撐作用的支撐體。
一種芯片級(jí)腔體密閉封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于所述腔體密閉封裝結(jié)構(gòu)包括位于襯底芯片上的封閉腔體和分布在該腔體外的焊盤，所述封閉腔體由封蓋芯片，側(cè)壁和襯底芯片構(gòu)成，其中封閉有微機(jī)械結(jié)構(gòu)單元；所述封閉腔體的側(cè)壁覆蓋有擴(kuò)散阻擋層；所述焊盤和所述襯底芯片的邊緣不被擴(kuò)散阻擋層覆蓋。
所述側(cè)壁為由聚合物構(gòu)成的環(huán)形支撐體。
所述環(huán)形支撐體具有側(cè)翼肩結(jié)構(gòu)。
所述封蓋芯片與所述襯底芯片之間具有支撐體。
所述擴(kuò)散阻擋層中的最內(nèi)層為聚合物層。
所述擴(kuò)散阻擋層中至少包含一層去氣層。
所述擴(kuò)散阻擋層中具有腐蝕孔。
所述腐蝕孔位于所述環(huán)形支撐體的側(cè)翼肩結(jié)構(gòu)上。
本發(fā)明所提供的技術(shù)方案可以實(shí)現(xiàn)能夠防潮、防氣體侵襲，并可保持真空的芯片級(jí)腔體密閉封裝結(jié)構(gòu)。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
圖1至圖14是一種微機(jī)械結(jié)構(gòu)特定部位的側(cè)視剖面圖及相關(guān)的透視圖。它們描示出了該結(jié)構(gòu)在MEMS器件芯片級(jí)腔體密閉封裝或真空封裝中不同階段的情況；圖15至圖22是另一種微機(jī)械結(jié)構(gòu)特定部位的側(cè)視剖面圖及相關(guān)的透視圖。它們描示出了該結(jié)構(gòu)在MEMS器件芯片級(jí)腔體密閉封裝或真空封裝中不同階段的情況；圖23是另一側(cè)視剖面圖。描示了一微結(jié)構(gòu)的特定部位在MEMS器件芯片級(jí)腔體密閉封裝中某一工藝步驟中的情況；圖24為一俯視圖。描示了一微結(jié)構(gòu)的特定部位在MEMS器件芯片級(jí)腔體密閉封裝中某一工藝步驟中的情況。
具體實(shí)施例方式
為避免影響被封裝器件的性能，在芯片級(jí)腔體封裝工藝中，不能在具有有源器件的芯片表面上增加其它附加層，所以腔體封裝主要由兩種方法來進(jìn)行。一種是將已經(jīng)形成腔體的另一片腔體芯片粘合或鍵合到器件的芯片上。該方法稱為芯片迭加。另一種是先將具有腔體的芯片分成許多單個(gè)的腔體芯片，再將這些單個(gè)的腔體芯片粘合鍵合到器件芯片上。
對(duì)MEMS器件在芯片級(jí)腔體中進(jìn)行密閉封裝，要在該類器件的制作工藝中或制作工藝完成后，襯底芯片分割成器件芯片前來進(jìn)行。
圖1所示為襯底芯片10的剖面圖，其中包括已完成或幾近完成的含有MEMS器件400的襯底芯片10和封蓋芯片100。封蓋芯片100最好采用具有和襯底芯片10相近的熱膨脹系數(shù)的材料，如玻璃和硅。如圖1所示，在封蓋芯片100上可以有刻蝕出的腔體101。
作為本發(fā)明所述封裝方法的第一步，首先，在封蓋芯片100上或是在襯底芯片10上，形成至少一個(gè)環(huán)形支撐體102，將每個(gè)MEMS結(jié)構(gòu)單元環(huán)繞起來，環(huán)形支撐體102一般采用如聚酰亞胺或環(huán)氧樹脂等聚合物或/和無機(jī)絕緣體如SiO2或SiNx。它一般做在襯底芯片10上，而不是在封蓋芯片100上。圖中118為結(jié)構(gòu)間隙，對(duì)此，可以參見圖2所示的俯視圖。
作為封裝的第二步，圖3為上述微機(jī)械結(jié)構(gòu)特定部位的剖面圖。將封蓋芯片100與襯底芯片10面對(duì)面對(duì)準(zhǔn)貼合，用加壓、置于真空或加熱等方法使兩者粘合鍵合，同時(shí)使環(huán)繞支撐體102起到支撐定位的作用，并使封蓋芯片100和襯底芯片10之間保持所需的空間。
第三步，用光刻的方法(用光刻膠)刻蝕或用芯片切割鋸(dicing saw)切割出一格一格的窄槽104。這些窄槽和通孔要貫穿封蓋芯片100，環(huán)形支撐體102和中間的其它粘合劑及SiO2(如果有的話)。
在圖4和圖5所示的剖面圖中，窄槽104將環(huán)形支撐體102分為兩部分。一部分位于刻蝕出的窄槽104之內(nèi)，另一部分則位于封蓋芯片100下面。或進(jìn)一步地，如剖面圖4所示的，環(huán)形支撐體102可以具有一臺(tái)階狀的側(cè)翼肩103。而根據(jù)情況，如果在芯片粘合鍵合前有刻蝕出的腔體101，那么封蓋芯片10也可以具有對(duì)應(yīng)的側(cè)翼肩143。如果封蓋芯片100中沒有腔體，則其剖面圖如圖5所示，環(huán)形支撐體102也可以具有一側(cè)翼肩103。該側(cè)翼肩103是本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)的主要區(qū)別之一。
通過上述的步驟，參照?qǐng)D6所示，封蓋芯片100從上面，環(huán)形支撐體102從四周，襯底芯片10從下面將MEMS器件完全密封在密閉的腔體200之中。
第四步，如圖7和圖8所示，在窄槽104的側(cè)壁及底部淀積單層或/和多層的絕緣層或/和金屬層110。金屬層110的作用是它具有較好的阻擋層性質(zhì)，用以覆蓋聚酰亞胺或環(huán)氧樹脂等聚合物的側(cè)壁，來防止潮氣侵入密封腔中。這一點(diǎn)是本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)的主要區(qū)別之一。
金屬層110淀積前可以有一層通過旋轉(zhuǎn)涂敷(甩膠)淀積并加以刻蝕的聚合物層。由于液體的表面張力，可以在壁角處形成內(nèi)圓角，使隨后的淀積層實(shí)現(xiàn)良好的覆蓋。
另外，為了使壓焊焊盤150露出，我們也可以用中空移去(lift off)或腐蝕的方法刻蝕該金屬層，使其僅保留側(cè)壁和底部中的一部分，圖7的結(jié)構(gòu)剖視圖繪出了被密封于腔體200內(nèi)的器件。
實(shí)踐中，可能依需要有時(shí)全部或有時(shí)部分地去除密封腔200中的環(huán)形支撐體(即聚合物環(huán))。部分地去除環(huán)形支撐體可以避免由于環(huán)形支撐體102和擴(kuò)散阻擋層110間熱膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生的熱應(yīng)力。另外，剩余的環(huán)形支撐體還可以起支撐封蓋芯片100的作用。
上述工作可以由以下步驟來實(shí)現(xiàn)首先，參看剖視圖9和透視圖10，在擴(kuò)散阻擋層110中刻蝕出腐蝕孔114。該腐蝕孔最好在聚合物環(huán)的側(cè)翼肩103上刻蝕出。然后，利用具有底切(under cut)的各向同性腐蝕，通過腐蝕孔114，全部或部分地將環(huán)形支撐體102去除。各向同性腐蝕可以是含氧等離子干性腐蝕，結(jié)果如剖面圖11和透視圖12所示。這里的擴(kuò)散阻擋層110起到結(jié)構(gòu)層的作用，形成封裝的外部殼體。這樣，密封腔體200通過腐蝕孔114與外界相通。此時(shí)，可以通過腐蝕孔114，對(duì)密封腔體及其內(nèi)的MEMS器件進(jìn)行防粘連氣體處理或/和抽真空。然后，再淀積一層擴(kuò)散阻擋層116來將腐蝕孔114封住。擴(kuò)散阻擋層116的淀積可以用濺射、真空蒸鍍、旋轉(zhuǎn)涂敷、等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積等具有良好側(cè)壁覆蓋效果的淀積技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。該步制作工藝后封裝結(jié)構(gòu)的剖面圖及其透視圖由圖13和14示出。這阻擋層116一定要厚到足以填充腐蝕孔。填充后的腐蝕孔在附加阻擋層116中呈現(xiàn)出凹痕。接下來，將芯片切成許多各個(gè)單片，從而生成許多封好的單個(gè)密封的器件。需要指出的是，附加的擴(kuò)散阻擋層116僅僅起擴(kuò)散阻擋作用，其下面的環(huán)形支撐體102和側(cè)壁阻擋層110才起到結(jié)構(gòu)層的作用。而單有側(cè)壁阻擋層這一結(jié)構(gòu)層可能不足以支撐封蓋100。因此，可能需要額外的支撐體來將封蓋100支起，特別是構(gòu)成環(huán)形支撐體102的聚合物環(huán)被全部去除的時(shí)候。為此，要在封蓋100或襯底芯片10上形成支柱149來起支撐作用，如圖15所示。該支撐體可以通過淀積和刻蝕出電介質(zhì)或金屬層來形成。電介質(zhì)或金屬層的厚度要比聚合物粘接環(huán)的厚度稍薄。在芯片粘合鍵合過程中，這些支撐體還起到間距定位的作用，使封蓋100和襯底芯片10保持一定的間距，如圖16所示，因此也可以稱為間距定位體。再下來，用上述的步驟來制作出密封的真空腔體。該腔體可以抗拒外界壓力，使結(jié)構(gòu)不致被壓碎。
圖17至圖22介紹了另一種刻蝕腐蝕孔114的方法。其中圖17所示的一小部分芯片，在封蓋100或襯底芯片10上形成的環(huán)形支撐體102由梳狀體131或條狀體組成。與前述一樣，圖19和圖20中的封蓋芯片100仍通過起間距定位體作用的環(huán)形支撐體102粘合鍵合到襯底芯片10上。而后用刻蝕或芯片切割鋸的方法形成圖19所示的槽104，槽104的側(cè)壁要同時(shí)具有開口133和梳狀叉指的末端端面。如圖20所示，用如化學(xué)氣相淀積(CVD)、物理氣相淀積(PVD)如濺射和真空蒸鍍、或旋轉(zhuǎn)涂敷等淀積法淀積結(jié)構(gòu)層110來將梳狀叉指末端的端面覆蓋。因?yàn)樵?10結(jié)構(gòu)層不足以厚到將其填滿，開口133還保持開口。因而，開口133可以用來作腐蝕孔。通過這些腐蝕孔133，參見圖21，用各向同性腐蝕可以將環(huán)形支撐體102全部或部分腐蝕掉。最后，如圖22所示，淀積擴(kuò)散阻擋層或去氣層來將腐蝕孔133封上。被填充后的腐蝕孔仍呈凹槽211。
參見圖23所示的剖面圖和圖24的俯視圖，由于焊線所需的焊盤一般分布在結(jié)構(gòu)間隙118中。在現(xiàn)有的示例中，它們可以在三維封裝腔體之上的封蓋100中形成。這樣的分布可以減小封裝后的芯片面積和寄生電容。為了做到這一點(diǎn)，在封蓋芯片100與環(huán)形支撐體102的交迭位置刻蝕出互連通孔106(通孔要貫通封蓋芯片100，支撐體130和/或聚合物環(huán)102)。而后，進(jìn)行覆蓋互連通孔側(cè)壁的金屬薄膜淀積和刻蝕，形成金屬互連151，焊盤150和它們的中間連接153。由此，在封蓋芯片之上形成了焊盤和金屬互連。
上述的封裝方法和系統(tǒng)適用于大多數(shù)MEMS器件的封裝。如可形變微反射鏡(DMD)或TI公司的數(shù)字光處理器，慣性傳感器和射頻開關(guān)。因?yàn)檫@些小型封裝呈全封閉或腔體結(jié)構(gòu)，非常類似于很多MEMS壓力傳感器(比如，Bryzek等人的美國(guó)專利6346742)。它們也可用于制作壓力傳感器。只不過在這種情況下，封蓋芯片要減薄成柔韌的芯片，密封腔也要作成空的。
上述本發(fā)明的特定實(shí)施例已經(jīng)對(duì)本發(fā)明的內(nèi)容做了詳盡的說明。對(duì)本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員而言，在不背離本發(fā)明實(shí)質(zhì)精神的前提下對(duì)它所做的任何顯而易見的改動(dòng)，都將構(gòu)成對(duì)本發(fā)明專利權(quán)的侵犯，將承擔(dān)相應(yīng)的法律責(zé)任。
權(quán)利要求
1.一種實(shí)現(xiàn)芯片級(jí)腔體密閉封裝的方法，其特征在于包括如下步驟(1)在襯底芯片上，形成至少一個(gè)環(huán)繞微機(jī)械結(jié)構(gòu)單元的環(huán)形支撐體；(2)將封蓋芯片與所述襯底芯片面對(duì)面對(duì)準(zhǔn)貼合，并使兩者粘合鍵合，在所述封蓋芯片和所述襯底芯片之間保持所需的空間；(3)將所述封蓋芯片刻蝕或切割窄槽以形成出多個(gè)方塊；(4)在所述窄槽的側(cè)壁及底部淀積單層或/和多層的擴(kuò)散阻擋層。
2.如權(quán)利要求1所述的實(shí)現(xiàn)芯片級(jí)腔體密閉封裝的方法，其特征在于所述方法進(jìn)一步包括如下步驟(1)在所述窄槽側(cè)壁的擴(kuò)散阻擋層中刻蝕出腐蝕孔；(2)通過所述腐蝕孔全部或部分地將所述環(huán)形支撐體去除；(3)淀積擴(kuò)散阻擋層將所述腐蝕孔封??；(4)將芯片切片，使單個(gè)的封裝與芯片分離，形成封好的單個(gè)密封器件。
3.如權(quán)利要求1所述的實(shí)現(xiàn)芯片級(jí)腔體密閉封裝的方法，其特征在于所述步驟(1)中，所述環(huán)形支撐體也在所述封蓋芯片上形成。
4.如權(quán)利要求1所述的實(shí)現(xiàn)芯片級(jí)腔體密閉封裝的方法，其特征在于所述步驟(3)中，所述窄槽貫穿所述封蓋芯片以及環(huán)形支撐體。
5.如權(quán)利要求1所述的實(shí)現(xiàn)芯片級(jí)腔體密閉封裝的方法，其特征在于所述步驟(3)中，采用芯片切割鋸實(shí)現(xiàn)切割。
6.如權(quán)利要求1所述的實(shí)現(xiàn)芯片級(jí)腔體密閉封裝的方法，其特征在于所述步驟(4)中，在淀積金屬層之前，首先淀積一層聚合物層。
7.如權(quán)利要求2所述的實(shí)現(xiàn)芯片級(jí)腔體密閉封裝的方法，其特征在于所述步驟(2)中，在全部去除所述粘合劑環(huán)之前，在所述封蓋芯片或襯底芯片上通過淀積和刻蝕出電介質(zhì)或金屬層來形成起支撐作用的支撐體。
8.一種芯片級(jí)腔體密閉封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于所述腔體密閉封裝結(jié)構(gòu)包括位于襯底芯片上的封閉腔體和分布在該腔體外的焊盤，所述封閉腔體由封蓋芯片，側(cè)壁和襯底芯片構(gòu)成，其中封閉有微機(jī)械結(jié)構(gòu)單元；所述封閉腔體的側(cè)壁覆蓋有擴(kuò)散阻擋層；所述焊盤和所述襯底芯片的邊緣不被擴(kuò)散阻擋層覆蓋。
9.如權(quán)利要求8所述的芯片級(jí)腔體密閉封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于所述側(cè)壁為由聚合物構(gòu)成的環(huán)形支撐體。
10.如權(quán)利要求9所述的芯片級(jí)腔體密閉封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于所述環(huán)形支撐體具有側(cè)翼肩結(jié)構(gòu)。
11.如權(quán)利要求8所述的芯片級(jí)腔體密閉封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于所述封蓋芯片與所述襯底芯片之間具有支撐體。
12.如權(quán)利要求8所述的芯片級(jí)腔體密閉封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于所述擴(kuò)散阻擋層中的最內(nèi)層為聚合物層。
13.如權(quán)利要求8所述的芯片級(jí)腔體密閉封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于所述擴(kuò)散阻擋層中至少包含一層去氣層。
14.如權(quán)利要求8所述的芯片級(jí)腔體密閉封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于所述擴(kuò)散阻擋層中具有腐蝕孔。
15.如權(quán)利要求10或14所述的芯片級(jí)腔體密閉封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于所述腐蝕孔位于所述環(huán)形支撐體的側(cè)翼肩結(jié)構(gòu)上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于實(shí)現(xiàn)芯片級(jí)腔體密閉封裝的方法，也涉及該方法所實(shí)現(xiàn)的密閉封裝結(jié)構(gòu)。該封裝結(jié)構(gòu)包括襯底芯片上的封閉腔體和該腔體外的焊盤；腔體由封蓋芯片、側(cè)壁和襯底芯片構(gòu)成；所述腔體的側(cè)壁由一或多層的擴(kuò)散阻擋層覆蓋；所述焊盤和所述襯底芯片的邊緣不被擴(kuò)散阻擋層覆蓋。所述擴(kuò)散阻擋層由淀積方法形成，并可有去氣的作用。本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)能夠防潮、防氣體侵襲，并可保持真空的芯片級(jí)腔體密閉封裝結(jié)構(gòu)。
文檔編號(hào)B81C3/00GK101016148SQ200610003520
公開日2007年8月15日 申請(qǐng)日期2006年2月7日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月7日
發(fā)明者萬長(zhǎng)風(fēng) 申請(qǐng)人:萬長(zhǎng)風(fēng)