專利名稱：微機(jī)電系統(tǒng)圓片級真空封裝導(dǎo)線互連結(jié)構(gòu)及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的導(dǎo)線互連結(jié)構(gòu)及其制造方法，特別涉及一種微機(jī)電系 統(tǒng)圓片級真空封裝互連結(jié)構(gòu)及其制造方法。
背景技術(shù)：
很多具有重要應(yīng)用背景的MEMS器件加工時都需要進(jìn)行真空封裝。如基于諧振結(jié)構(gòu)的微陀 螺儀、微加速度計、微高精度戰(zhàn)術(shù)振蕩器、微濾波器、微超聲波傳感器、微生物分子質(zhì)量檢 測儀等器件采用真空封裝可以降低機(jī)械運(yùn)動部件運(yùn)動時氣體的阻尼，極大地提高器件的品質(zhì) 因素，從而提高器件的性能，且整個微系統(tǒng)消耗的能量也大大降低。MEMS真空封裝就是一 種采用密封的腔體提供高氣密真空環(huán)境的封裝技術(shù)。它能夠在射頻、慣性、真空微電子類 MEMS產(chǎn)品芯片周圍形成一個真空環(huán)境，保證其中的微結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的振動性能(例如使各種 機(jī)械諧振器有高的品質(zhì)因素)，使其能正常工作，并提高其可靠性。因此，真空封裝技術(shù)已 成為嚴(yán)重影響這些MEMS器件性能的共性技術(shù)與使能技術(shù)。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(chǎn)量，真空保持性好等優(yōu)點，具有重要的 應(yīng)用前景。在圓片級真空封裝中，由于真空腔內(nèi)外的環(huán)境是隔離的，真空腔內(nèi)的器件電信號 的連通必須通過導(dǎo)線的互連來實現(xiàn)。導(dǎo)線互連一般采用縱向通孔型和橫向埋線型兩種。
王玉傳等人在圓片級氣密封裝及通孔垂直互連研究一文中(功能材料與器件學(xué)報， 107-4252(2006)06-469-05)提出種圓片級氣密封裝結(jié)構(gòu)首先在硅蓋板上用KOH濕法腐蝕和 深反應(yīng)離子刻蝕(DIRE)結(jié)合的方式刻蝕通孔，然后熱氧化制作1.5Mm厚的絕緣層，接下 來由下而上電鍍Cu以實現(xiàn)孔內(nèi)金屬化。選用金屬Sn做鍵合材料，金屬Ni層為阻擋層，Ni/Sn 雙層膜以電鍍的方法實現(xiàn)；最后將蓋板與其下方的基板完成純Sn焊料鍵合，并在蓋板的金屬 化孔上制作鉛錫焊料凸點。該方案的缺點是真空度保持性不好，制作工藝需要較高的套刻 精度，另外不能保證濕法刻蝕深度的一致性以致影響后續(xù)的干法刻蝕等。
與傳統(tǒng)的互連(如引線鍵合)不同，硅通孔互連是通過在硅片或玻璃上刻蝕通孔形成。這 種互連技術(shù)因為是垂直連接電路的兩端，所以電連接距離短、使用面積也較小、密度高、寄 生、串?dāng)_等效應(yīng)也較小。通孔垂直互連的制作主要由通孔刻蝕和孔內(nèi)金屬化兩部份組成。目 前在硅片上刻蝕孔的方法主要有兩種， 一種是濕法腐蝕，該方法成本雖較低，但難以腐蝕出均一孔徑的孔；另一種是干法刻蝕，這種方法優(yōu)點在于刻蝕孔的深寬比較高，缺點是刻蝕時 間長、成本很高?？變?nèi)金屬化的方法主要有熔融金屬填充(麗SM)法和電鍍法，熔融金屬填 充法雖然效果較好但對設(shè)備的要求高；電鍍法相對簡單便宜，且工藝比較好控制，對通孔的 效果也很好。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種微機(jī)電系統(tǒng)圓片級真空封裝互連結(jié)構(gòu)，并提供其制造方法，解決現(xiàn)有互 連結(jié)構(gòu)套刻精度要求較高、濕法腐蝕不能保證腐蝕深度一致性的問題，使真空腔長時間保持 真空的同時，實現(xiàn)真空腔內(nèi)外電信號的連通。
本發(fā)明的一種微機(jī)電系統(tǒng)圓片級真空封裝互連結(jié)構(gòu)，在硅基板表面具有絕緣層，絕緣層 上具有金屬電極，硅基板上表面具有焊環(huán)或者用于陽極鍵合的環(huán)形槽，蓋板與硅基板在焊環(huán) 或環(huán)形槽位置鍵合，蓋板和硅基板之間的空間為真空腔，用于放置MEMS器件；其特征在于
所述硅基板上開有通孔，通孔內(nèi)表面具有絕緣層，所述金屬電極穿過通孔并將其封閉， 金屬電極和硅基板之間具有中間層，金屬電極起MEMS器件和外界的電信號互連作用。
所述的微機(jī)電系統(tǒng)圓片級真空封裝互連結(jié)構(gòu)，其特征在于
所述中間層依次包括黏附層、擴(kuò)散阻擋層和金屬種子層；所述黏附層材料采用Ta、 TaN 、Cr、 Ti、 TiN、 Ni、 Ti/W、 Al、 Cu、 Pd、 Mo中的一禾中；
所述金屬種子層和金屬電極材料相同，采用Au、 Cu、 Ag、 W或者A1中的一種。
所述的微機(jī)電系統(tǒng)圓片級真空封裝互連結(jié)構(gòu)，其特征在于 所述通孔的形狀可以為圓形或者矩形，通孔截面積為O. 785 200000Mm2 ;
所述絕緣層材料為Si02或者Si3N4中的一種或兩種；所述蓋板材料為硅或者玻璃。
封裝時，MEMS器件置于本發(fā)明硅基板上的金屬電極之間，MEMS器件引出管腳與各個金屬 電極相連，金屬電極起MEMS器件和外界的電信號互連作用，這樣既保證了MEMS器件電信號的 連通，也保證了MEMS器件工作在真空環(huán)境中。
本發(fā)明一種微機(jī)電系統(tǒng)圓片級真空封裝互連結(jié)構(gòu)的制造方法，包括步驟一、在厚度為l0 1000 ym硅基板上用干法刻蝕通孔； 步驟二、在制作好通孔的硅基板上制作絕緣層，厚度為O. 1 5M^;
步驟三、在絕緣層上制作中間層，中間層覆蓋所述通孔內(nèi)壁以及孔口周圍；中間層依次 包括黏附層和金屬種子層，各層厚度為5 5000nm;
步驟四、在通孔的金屬種子層上電鍍制作出所需要的金屬電極，金屬電極充滿并凸出通 孔，金屬電極的凸點覆蓋通孔；
步驟五、去除硅基板上金屬電極的凸點覆蓋以外的中間層，在硅基板上表面絕緣層上制 作焊環(huán)；或者在硅基板上表面腐蝕絕緣層形成環(huán)形槽，環(huán)形槽底露出硅基板；
步驟六、在真空氣氛下將蓋板與硅基板在焊環(huán)或環(huán)形槽位置完成鍵合。
所述的制造方法，其特征在于
所述步驟一中，所述通孔的形狀可以為圓形或者矩形，通孔截面積為0.785 200000拜2 ;
所述步驟二中，所述絕緣層材料為Si02或者Si3N4中的一種或兩種；
所述步驟三中，所述黏附層材料采用Ta、 TaN、 Cr、 Ti、 TiN、 Ni、 Ti/W、 Al、 Cu、 Pd、 Mo中的一種；
所述金屬種子層和金屬電極材料相同，采用Au、 Cu、 Ag、 W或者A1中的一種； 所述步驟六中，所述的蓋板材料為硅或玻璃，鍵合方式為金硅共晶鍵合、焊料鍵合或硅 -玻璃陽極鍵合中的一種。
本發(fā)明的真空封裝互連結(jié)構(gòu)采用通孔垂直互連并在圓片級工藝的基礎(chǔ)上完成，采用蓋板 與硅基板鍵合封裝，通孔刻蝕采用了干法刻蝕，解決了濕法刻蝕不能保證刻蝕深度一致性的 問題，孔內(nèi)金屬化采用了電鍍工藝，在金屬化通孔上下方均有尺寸較大的致密Cu電極凸點以 進(jìn)一步保證封裝的密封性能，采用縱向布線的方式完成封裝器件和外界環(huán)境的電互連，實現(xiàn) 封裝中互連與密封的要求，密封質(zhì)量高、真空保持時間長、鍵合應(yīng)力小、可靠性好，而成本 較低，可極大促進(jìn)圓片級MEMS真空封裝技術(shù)的商業(yè)化推廣。
圖l為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖2為圖1去除蓋板后的俯視示意圖;
圖3 圖10為本發(fā)明的工藝流程圖。圖中標(biāo)記
硅基板l、通孔2 、絕緣層3、中間層4、金屬電極5、硅蓋板6、金焊環(huán)7、環(huán)形槽8。
具體實施例方式
以下結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明進(jìn)一步說明。
如圖l、圖2所示，本發(fā)明實施例l所得到的互連結(jié)構(gòu)，硅基板l上開有通孔，通孔和硅基 板表面具有絕緣層3，金屬電極5穿過通孔并將其封閉，金屬電極和絕緣層之間具有中間層4 ，硅基板1上表面具有金焊環(huán)7，蓋板6與硅基板1在金焊環(huán)7位置鍵合，蓋板和硅基板之間的 空間為真空腔，用于放置MEMS器件。
以下為本發(fā)明方法的實施例。
實施例l，順序包括
步驟一、如圖3所示，在厚度為10Mm硅基板i上用干法刻蝕通孔2，孔為圓形，孔徑為
lPm，截面積O. 785^2;
步驟二、如圖4所示，在制作好通孔的硅基板1上制作絕緣層3，絕緣層3材料為Si02，厚 度為0.lM^;
步驟三、如圖5所示，在絕緣層上制作中間層4，中間層4覆蓋所述通孔內(nèi)壁以及孔口周 圍；中間層依次包括黏附層Cr和金屬種子層Cu，其中各層厚度為5nm;
步驟四、如圖6所示，在通孑L2的金屬種子層上電鍍制作出所需要的Cu金屬電極5，金屬 電極充滿并凸出通孔，金屬電極的凸點覆蓋通孔；
步驟五、如圖7所示，去除硅基板上金屬電極的凸點覆蓋以外的中間層，在硅基板上表 面絕緣層上四周制作矩形金焊環(huán)7;
步驟六、如圖8所示，在真空氣氛下將硅蓋板與硅基板在金焊環(huán)7位置完成金硅共晶鍵合
實施例2，包括
步驟一、如圖3所示，在厚度為1000 Mm硅基板l上用干法刻蝕通孔2，孔為圓形孔，孔 徑為500 Mm ，截面積196250拜2 ;
步驟二、如圖4所示，在制作好通孔的硅基板上制作絕緣層3，絕緣層材料為Si3N4，厚 度為5M^;
步驟三、如圖5所示，在絕緣層上制作中間層4，中間層4覆蓋所述通孔內(nèi)壁以及孔口周
7圍；中間層4依次包括黏附層Ni和Au金屬種子層，其中各層厚度為5000nm;
步驟四、如圖6所示，在通孑L2的Au金屬種子層上電鍍制作出所需要的Au電極5，金屬電 極充滿并凸出通孔，金屬電極的凸點覆蓋通孔；
步驟五、如圖9所示，去除硅基板上金屬電極的凸點覆蓋以外的中間層，在硅基板上表 面按照蓋板底部形狀腐蝕絕緣層相應(yīng)的部分形成環(huán)形槽8，環(huán)形槽底露出硅基板；
步驟六、如圖10所示，在真空氣氛下將玻璃蓋板與硅基板在環(huán)形槽8位置完成陽極鍵合
權(quán)利要求
1.一種微機(jī)電系統(tǒng)圓片級真空封裝互連結(jié)構(gòu)，在硅基板表面具有絕緣層，絕緣層上具有金屬電極，硅基板上表面具有焊環(huán)或者用于陽極鍵合的環(huán)形槽，蓋板與硅基板在焊環(huán)或環(huán)形槽位置鍵合，蓋板和硅基板之間的空間為真空腔，用于放置MEMS器件；其特征在于所述硅基板上開有通孔，通孔內(nèi)表面具有絕緣層，所述金屬電極穿過通孔并將其封閉，金屬電極和絕緣層之間具有中間層，金屬電極起MEMS器件和外界的電信號互連作用。
2 如權(quán)利要求l所述的微機(jī)電系統(tǒng)圓片級真空封裝互連結(jié)構(gòu)，其特征在于所述中間層依次包括黏附層和金屬種子層；所述黏附層材料采用Ta、 TaN、 Ta、 TaN、 TiN、 Cr、 Ti、 Ni、 Ti/W、 Al、 Cu、 Pd、 Mo中的一禾中；所述金屬種子層和金屬電極材料相同，采用Au、 Cu、 Ag、 W或者A1中的一種。
3 如權(quán)利要求1或2所述的微機(jī)電系統(tǒng)圓片級真空封裝互連結(jié)構(gòu)，其特征在于所述通孔的形狀可以為圓形或者矩形，通孔截面積為O. 785 200000Mm2 ; 所述絕緣層材料為Si02或者Si3N4中的一種或兩種；所述蓋板材料為硅或者玻璃。
4 權(quán)利要求l所述的微機(jī)電系統(tǒng)圓片級真空封裝互連結(jié)構(gòu)的制造方法，包括步驟一、在厚度為l0 1000 ym硅基板上用干法刻蝕通孔；步驟二、在制作好通孔的硅基板上制作絕緣層，厚度為O. 1 5M^;步驟三、在絕緣層上制作中間層，中間層覆蓋所述通孔內(nèi)壁以及孔口周圍；中間層依 次包括黏附層和金屬種子層，各層厚度為5 5000nm;步驟四、在通孔的金屬種子層上電鍍制作出所需要的金屬電極，金屬電極充滿并凸出 通孔，金屬電極的凸點覆蓋通孔；步驟五、去除硅基板上金屬電極的凸點覆蓋以外的中間層，在硅基板上表面絕緣層上制作焊環(huán)；或者在硅基板上表面腐蝕絕緣層形成環(huán)形槽，環(huán)形槽底露出硅基板； 步驟六、在真空氣氛下將蓋板與硅基板在焊環(huán)或環(huán)形槽位置完成鍵合。
5.如權(quán)利要求4所述的制造方法，其特征在于 所述步驟一中，所述通孔的形狀可以為圓形或者矩形，通孔截面積為0.785 200000拜2 ;所述步驟二中，所述絕緣層材料為Si02或者Si3N4中的一種或兩種； 所述步驟三中，所述黏附層材料采用Ta、 TaN、 Cr、 Ti、 TiN、 Ni、 Ti/W、 Al、 Cu、 Pd 、Mo中的一種；所述金屬種子層和金屬電極材料相同，采用Au、 Cu、 Ag、 W或者A1中的一種； 所述步驟六中，所述的蓋板材料為硅或玻璃，鍵合方式為金硅共晶鍵合、焊料鍵合或 硅-玻璃陽極鍵合中的一種。
全文摘要
微機(jī)電系統(tǒng)圓片級真空封裝互連結(jié)構(gòu)及其制造方法，屬于微機(jī)電系統(tǒng)的導(dǎo)線互連結(jié)構(gòu)及其制造方法，解決現(xiàn)有互連結(jié)構(gòu)套刻精度要求較高、不能保證腐蝕深度一致性的問題，提高真空度保持性，并實現(xiàn)電信號連通。本發(fā)明的互連結(jié)構(gòu)，硅基板上開有通孔，通孔和硅基板表面具有絕緣層，金屬電極穿過通孔并將其封閉，金屬電極和絕緣層之間具有中間層，蓋板與硅基板鍵合，蓋板內(nèi)的空間為放置MEMS器件的真空腔。本發(fā)明的方法包括刻蝕通孔、制作絕緣層、制作中間層、制作金屬電極、制作焊環(huán)或者腐蝕形成環(huán)形槽以及鍵合等步驟。本發(fā)明密封質(zhì)量高、真空保持時間長、鍵合應(yīng)力小、可靠性好，而成本較低，可極大促進(jìn)圓片級MEMS真空封裝技術(shù)的商業(yè)化推廣。
文檔編號B81B7/00GK101638212SQ200910306690
公開日2010年2月3日 申請日期2009年9月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月8日
發(fā)明者川 劉, 勝 劉, 卓 張, 張鴻海, 汪學(xué)方, 甘志銀, 羅小兵 申請人:華中科技大學(xué)