專利名稱：一種微機電系統(tǒng)的圓片級真空封裝方法
技術領域：
本發(fā)明屬于微機電系統(tǒng)的封裝方法，特別涉及一種基于圓片鍵合 工藝的圓片級真空封裝方法。
背景技術：
微機電系統(tǒng)(MEMS)器件真空封裝是一種采用密封腔體來為 MEMS元件提供真空環(huán)境的封裝技術。它能夠在射頻、慣性、真空 微電子類等MEMS產品芯片周圍形成一個真空環(huán)境，可以使MEMS 器件在高真空環(huán)境下工作，并保證其中的微結構具有優(yōu)良的振動性 能(例如使各種機械諧振器有高的品質因素)，使其能正常工作，并提 高其可靠性。真空封裝可分為器件級真空封裝與圓片級真空封裝。圓 片級真空封裝具有低成本、高產量、劃片安全等優(yōu)點，因而具有重要 的應用前景。目前MEMS圓片級真空封裝主要采用兩種技術路線 基于薄膜淀積工藝的真空封裝和基于圓片鍵合工藝的真空封裝?；?薄膜淀積工藝的圓片級真空封裝工藝是由犧牲層上淀積薄膜形成覆 蓋器件的封閉空腔，在薄膜上刻蝕釋放孔以刻蝕犧牲層，最后，在這 層薄膜上淀積另一層薄膜實現(xiàn)封口。基于圓片鍵合工藝的真空封裝是 將帶有微機電結構的基板圓片與蓋板圓片直接鍵合，蓋板圓片一般是 玻璃或硅片。鍵合可以是密封或半密封的形式，并防止微機電系統(tǒng)在 后道工序受到污染。密封鍵合可以在真空或惰性氣體的環(huán)境中進行。
由于基于薄膜淀積真空封裝工藝淀積的薄膜很薄、腔體很小，極 容易在劃片過程中損壞，較大的內外壓力差又使基于薄膜淀積工藝的 真空封裝器件存在真空泄露，使用壽命降低。而基于圓片鍵合工藝的真空封裝的兩圓片較厚，氣體分子的溶解擴散等滲漏阻力大，對真空
保持的影響較小。但是，R.Gooch, T.Schimert， W.McCardel等人發(fā)表 在J.Vac,Sci.Technol.A17(4)的文章"Wafer-level vacuum packaging for MEMS"提供的數(shù)據(jù)表明，盡管真空密封工藝以及封裝采用的材料滿 足氣密的要求，微型真空腔內長時間保持低于lOPa的真空度很困難， 真空度保持性均在56周以下，遠遠滿足不了 IO年以上工作壽命的要 求。
發(fā)明內容
本發(fā)明提供一種微機電系統(tǒng)的圓片級真空封裝方法，解決現(xiàn)有圓 片級真空封裝方法存在的真空保持時間短、密封質量低、可靠性差、 成本高的問題，使得微型真空腔長時間保持真空，滿足十年以上使用 壽命的要求。
本發(fā)明的一種微機電系統(tǒng)的圓片級真空封裝方法，包括 刻蝕步驟在蓋板圓片上對應硅基片MEMS器件的位置刻蝕相 應空間尺寸的凹坑，再環(huán)繞凹坑刻蝕環(huán)形凹槽；
吸氣劑淀積步驟在所述凹坑和凹槽內淀積吸氣劑薄膜； 鍵合步驟在真空環(huán)境下將蓋板圓片和硅基片緊密鍵合。
所述的圓片級真空封裝方法，其特征在于
所述刻蝕步驟中，采用化學同相刻蝕、異向刻蝕或者光刻刻蝕工 藝刻蝕蓋板圓片上的凹坑和凹槽；所述蓋板圓片為硅片、玻璃或者陶 瓷材料，當蓋板圓片為硅片時，實施刻蝕步驟之后，在硅片上淀積電 絕緣層，以防止電流擴散到蓋板圓片中；
所述吸氣劑淀積步驟中，淀積方法為下述方法中的一種磁控濺射或絲網(wǎng)印刷；
所述鍵合步驟中，鍵合方法為陽極鍵合、熔融鍵合、共晶鍵合、 焊料鍵合中的一種或兩種，
所述的圓片級真空封裝方法，其特征在于
所述吸氣劑淀積步驟之后，增加鍵合材料淀積步驟在所述凹坑 與凹槽之間，以及凹槽的外邊緣處淀積一層鍵合材料，鍵合材料為 Au、 In-Sn合金或玻璃焊料中的一種；淀積方法為下述方法中的一種 化學氣相沉積、濺射、絲網(wǎng)印刷或蒸鍍；
然后實施鍵合步驟，采取共晶鍵合或者焊料鍵合方法，在真空環(huán) 境下將蓋板圓片和硅基片緊密鍵合。
本發(fā)明針對現(xiàn)在圓片級真空封裝技術存在的真空保持時間短、密 封質量低、可靠性差、成本高的問題，在封裝結構上創(chuàng)新，增加了緩 沖腔體，并在緩沖腔中淀積吸氣劑，使氣體泄漏途徑變?yōu)閺耐饨缤ㄟ^ 中間的真空緩沖腔，再從緩沖腔泄漏到封裝腔體內，大部分氣體被緩 沖腔吸氣劑吸收，只有極少量氣體從緩沖腔泄漏到封裝腔體內，從而 保證最里面的腔體氣壓；同時由于基于圓片鍵合工藝的封裝使用的兩 圓片較厚，氣體分子的溶解擴散等滲漏阻力大，對真空保持的影響較 小，因而可以長時間保持微型腔體內的真空度，可以極大的推動圓片 級MEMS真空封裝技術的發(fā)展和推廣。對于絕對壓力傳感器，加速 度計，角速度傳感器，陀螺儀等，采用本發(fā)明進行真空封裝，可以得 到絕對壓力的近似零點或和更高的品質因素。
圖1為本發(fā)明刻蝕步驟的示意圖；圖2為本發(fā)明吸氣劑淀積步驟的示意圖； 圖3為本發(fā)明鍵合步驟前的示意圖； 圖4為本發(fā)明鍵合步驟后的示意圖。
圖中標記蓋板圓片l、凹坑2、凹槽3、吸氣劑4、硅基片5、 MEMS器件6、真空腔體7、緩沖腔8。
具體實施例方式
實施例1:
刻蝕步驟如圖1所示，在硅蓋板圓片1上對應硅基片MEMS
器件6的位置用異向刻蝕工藝相應空間尺寸的凹坑2，再環(huán)繞凹坑刻
蝕環(huán)形凹槽3;在硅片上淀積二氧化硅電絕緣層，以防止電流擴散到
蓋板圓片中；
吸氣劑淀積步驟如圖2所示，用磁控濺射工藝在所述凹坑和凹
槽內淀積Zr-V-Fe吸氣劑薄膜4，
鍵合步驟如圖3、 4所示，在真空環(huán)境下用熔融鍵合工藝將蓋 板圓片1和硅基片5緊密鍵合，所述凹坑2即形成MEMS器件的真 空腔7，環(huán)形凹槽3形成緩沖腔8。
實施例2:
刻蝕步驟如圖1所示，在玻璃蓋板圓片1上對應硅基片MEMS 器件6的位置采用化學同相刻蝕工藝刻蝕相應空間尺寸的凹坑2，再 環(huán)繞凹坑采用異向刻蝕工藝刻蝕環(huán)形凹槽3;
吸氣劑淀積步驟如圖2所示，用磁控濺射工藝在所述凹坑和凹
槽內淀積Zr-Al吸氣劑薄膜4，
鍵合步驟如圖3、 4所示，在真空環(huán)境下用共晶鍵合工藝將蓋 板圓片1和硅基片5緊密鍵合，所述凹坑2即形成MEMS器件的真空腔7，環(huán)形凹槽3形成緩沖腔8。 實施例3:
刻蝕步驟如圖1所示，在硅蓋板圓片1上對應硅基片MEMS 器件6的位置用光刻刻蝕工藝刻蝕相應空間尺寸的凹坑2，再環(huán)繞凹 坑刻蝕環(huán)形凹槽3;在硅片上淀積氮化硅電絕緣層，以防止電流擴散 到蓋板圓片中；
吸氣劑淀積步驟如圖2所示，用絲網(wǎng)印刷工藝在所述凹坑和凹 槽內淀積Ti-Mo吸氣劑薄膜4;
鍵合材料淀積步驟在凹坑2與凹槽3之間，以及凹槽3的外邊 緣處采用絲網(wǎng)印刷工藝涂覆一層玻璃焊料；
鍵合步驟如圖3、 4所示，在真空環(huán)境下用焊料鍵合工藝將蓋 板圓片1和硅基片5緊密鍵合，所述凹坑2即形成MEMS器件的真 空腔7，環(huán)形凹槽3形成緩沖腔8。
實施例4:
刻蝕步驟如圖1所示，在玻璃蓋板圓片1上對應硅基片MEMS 器件6的位置采用化學同相刻蝕工藝刻蝕相應空間尺寸的凹坑2，再 環(huán)繞凹坑采用異向刻蝕工藝刻蝕環(huán)形凹槽3;
吸氣劑淀積步驟如圖2所示，用絲網(wǎng)印刷工藝在所述凹坑和凹
槽內淀積Ti-Mo吸氣劑薄膜4;
鍵合材料淀積步驟在凹坑2與凹槽3之間，以及凹槽3的外邊 緣處濺射一層In-Sn合金；
鍵合步驟如圖3、 4所示，在真空環(huán)境下用焊料鍵合工藝將蓋
板圓片1和硅基片5緊密鍵合，所述凹坑2即形成MEMS器件的真 空腔7，環(huán)形凹槽3形成緩沖腔8。
權利要求
1.一種微機電系統(tǒng)的圓片級真空封裝方法，包括刻蝕步驟在蓋板圓片上對應硅基片MEMS器件的位置刻蝕相應空間尺寸的凹坑，再環(huán)繞凹坑刻蝕環(huán)形凹槽；吸氣劑淀積步驟在所述凹坑和凹槽內淀積吸氣劑薄膜；鍵合步驟在真空環(huán)境下將蓋板圓片和硅基片緊密鍵合。
2. 如權利要求1所述的圓片級真空封裝方法，其特征在于-所述刻蝕步驟中，采用化學同相刻蝕、異向刻蝕或者光刻刻蝕工藝刻蝕蓋板圓片上的凹坑和凹槽；所述蓋板圓片為硅片、玻璃或者陶 瓷材料，當蓋板圓片為硅片時，實施刻蝕步驟之后，在硅片上淀積電 絕緣層，以防止電流擴散到蓋板圓片中；所述吸氣劑淀積步驟中，淀積方法為下述方法中的一種磁控濺 射或絲網(wǎng)印刷；所述鍵合步驟中，鍵合方法為陽極鍵合、熔融鍵合、共晶鍵合、 焊料鍵合中的一種或兩種，
3. 如權利要求1或2所述的圓片級真空封裝方法，其特征在于: 所述吸氣劑淀積步驟之后，增加鍵合材料淀積步驟在所述凹坑與凹槽之間，以及凹槽的外邊緣處淀積一層鍵合材料，鍵合材料為 Au、 In-Sn合金或玻璃焊料中的一種；淀積方法為下述方法中的一種 化學氣相沉積、濺射、絲網(wǎng)印刷或蒸鍍；然后實施鍵合步驟，采取共晶鍵合或者焊料鍵合方法，在真空環(huán) 境下將蓋板圓片和硅基片緊密鍵合。
全文摘要
一種微機電系統(tǒng)的圓片級真空封裝方法，屬于微機電系統(tǒng)的封裝方法，解決現(xiàn)有封裝方法存在的問題，使得微型真空腔長時間保持真空，滿足十年以上使用壽命的要求。本發(fā)明包括刻蝕步驟在蓋板圓片上對應硅基片MEMS器件的位置刻蝕相應空間尺寸的凹坑，再環(huán)繞凹坑刻蝕環(huán)形凹槽；吸氣劑淀積步驟在所述凹坑和凹槽內淀積吸氣劑薄膜；鍵合步驟在真空環(huán)境下將蓋板圓片和硅基片緊密鍵合。本發(fā)明解決了現(xiàn)有封裝方法存在的真空保持時間短、密封質量低、可靠性差、成本高的問題，可以長時間保持微型腔體內的真空度，極大的推動圓片級MEMS真空封裝技術的發(fā)展和推廣。
文檔編號B81C3/00GK101554988SQ200910061898
公開日2009年10月14日 申請日期2009年4月30日 優(yōu)先權日2009年4月30日
發(fā)明者川 劉, 勝 劉, 卓 張, 張鴻海, 汪學方, 甘志銀, 藜 黎 申請人:華中科技大學