專利名稱：一種微器件的真空封裝方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微器件的封裝方法，尤其是涉及一種采用微流道激光局部加熱技術(shù)的微電子機(jī)械(MEMQ器件真空封裝方法，可用于封裝諧振式壓力傳感器、微陀螺儀等需要工作在高氣密真空環(huán)境下的微小器件。
背景技術(shù)：
MEMS技術(shù)主要用來制作微傳感器、微電子、微制動(dòng)器和微結(jié)構(gòu)等。經(jīng)過多年的發(fā)展，MEMS器件的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，但是很多芯片仍未作為產(chǎn)品得到實(shí)際應(yīng)用， 其主要原因是未解決封裝問題。MEMS真空封裝是一種采用密封腔體提供高氣密真空環(huán)境的封裝技術(shù)，真空封裝使MEMS器件的可動(dòng)部分工作于真空環(huán)境下，大大的提高了 MEMS器件的品質(zhì)因數(shù)。如MEMS諧振器，在大氣環(huán)境下的品質(zhì)因數(shù)約為20 40，但當(dāng)它工作在10_5Pa 的真空環(huán)境時(shí)，其品質(zhì)因數(shù)可高達(dá)5000。隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，越來越多的MEMS器件需要真空封裝，如一些電子、機(jī)械以及光學(xué)傳感器，包括微諧振器、微陀螺儀、薄膜壓力傳感器、 射頻MEMS元件、真空?qǐng)霭l(fā)射器以及一些光學(xué)MEMS器件等。
MEMS器件的真空封裝可以分為器件級(jí)和圓片級(jí)。所謂器件級(jí)真空封裝，是指先將單個(gè)的芯片從硅圓片上分離出來，然后依次完成封裝工序。如Druck公司的RPT200諧振式壓力傳感器采用玻璃管實(shí)現(xiàn)諧振子結(jié)構(gòu)的真空封裝，主要采用玻璃漿料鍵合工藝。晶圓級(jí)的真空封裝是指以硅圓片為單位進(jìn)行封裝操作，芯片與封裝之間的連接等所有封裝工序全部以硅圓片為單位進(jìn)行操作，與單個(gè)芯片封裝相比，大大節(jié)省了封裝的成本，并且芯片不受后道工序的影響，如劃片等。目前常用的晶圓級(jí)真空封裝技術(shù)包括硅硅直接鍵合、陽極鍵合和金硅共晶鍵合等。其中，硅硅直接鍵合對(duì)表面質(zhì)量要求較高，需要高溫退火以增加鍵合強(qiáng)度，容易破壞器件中的金屬等結(jié)構(gòu)；陽極鍵合主要應(yīng)用于玻璃與硅、碳化硅等材料的鍵合， 對(duì)襯底的依賴性較強(qiáng)；金硅共晶鍵合利用金硅共熔點(diǎn)低的特點(diǎn)將金作為中間層實(shí)現(xiàn)硅與硅的鍵合，只能封裝硅材料，而且對(duì)鍵合界面要求比較高，必須首先去除Si02。以上三種鍵合方法可以應(yīng)用在圓片級(jí)封裝，但是很難引出器件所需要的電極，不利于后續(xù)的器件測(cè)試。玻璃漿料鍵合可以應(yīng)用于圓片級(jí)封裝，可以封裝大部分材料，對(duì)表面質(zhì)量要求也不高，但采用玻璃漿料直接封裝，有機(jī)溶劑很容易殘留在封裝腔體內(nèi)，從而影響器件的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。目前，MEMS器件的器件級(jí)封裝技術(shù)相對(duì)成熟，通常采用陶瓷外殼和金屬外殼對(duì)單個(gè)器件進(jìn)行封裝，封裝過程相對(duì)復(fù)雜，耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，封裝成本占整個(gè)器件成本的50% 80%。Druck公司采用玻璃管對(duì)壓力傳感器進(jìn)行真空封裝，玻璃管長(zhǎng)度在Icm以上，造成封裝后的器件體積嚴(yán)重增加，而且需要火焰融合玻璃、器件支撐夾具等大型設(shè)備，且對(duì)單個(gè)器件逐一封裝， 嚴(yán)重降低了封裝效率。
中國(guó)專利CN1561944公開一種可體內(nèi)降解高分子材料微器件真空熱融封裝方法， 首先采用準(zhǔn)LIGA技術(shù)的厚膠紫外光刻微制造工藝制作帶有凸臺(tái)的微陣列結(jié)構(gòu)的PDMS微器件模具，再用PDMS微器件模具建立帶有凹槽的微陣列結(jié)構(gòu)的可體內(nèi)降解高分子材料微器件；將藥物放入可體內(nèi)降解高分子材料微器件的凹槽內(nèi)，根據(jù)微器件的結(jié)構(gòu)尺寸，制作封裝墊板，將制成的可體內(nèi)降解高分子材料微器件放入封裝墊板中，連同墊板一并放入真空恒溫槽中使真空度達(dá)到-0. IMPa ；對(duì)真空恒溫槽加溫至40 45°C，保溫25 35min，在真空干燥箱干燥即可。本發(fā)明利用高分子材料分子自身的擴(kuò)散特性，經(jīng)加溫后，接觸表面分子相互擴(kuò)散，使接觸面自身相互融合，達(dá)到密封目的，可防止封裝中添加輔助材料所帶來的不良影響。
中國(guó)專利CN101905855A公開一種晶片級(jí)微器件的封裝方法。該方法包括在第一硅晶片的頂面上制備微器件；在第一硅晶片的頂面上沉積第一遮蔽碳膜層，覆蓋微器件； 通過第一遮蔽碳膜層來支撐第一硅晶片的頂面，由此從第一硅晶片的底面來完成晶片背面制備工藝；通過與碳進(jìn)行選擇性氣體反應(yīng)將第一遮蔽碳膜層移除；將封裝晶片封裝在第一硅晶片的頂面。本發(fā)明通過化學(xué)方法沉積和移除第一遮蔽碳膜層，從而在進(jìn)行晶片背面制備工藝時(shí)對(duì)晶片頂面的微器件進(jìn)行保護(hù)，避免了機(jī)械損傷和背面制備工藝帶來的化學(xué)污染。對(duì)晶片頂面的保護(hù)無需在進(jìn)行晶片背面制備工藝之前就使用封裝晶片進(jìn)行封裝，使得在隨后的晶片背面制備工藝過程中轉(zhuǎn)移的晶片很輕薄，轉(zhuǎn)移操作便捷。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種MEMS器件的晶圓級(jí)或器件級(jí)真空封裝方法及其工藝，進(jìn)一步降低MEMS器件真空封裝的成本。
本發(fā)明的另一目的在于提出一種采用微流道激光局部加熱技術(shù)實(shí)現(xiàn)腔體密封的方法，使MEMS器件的可動(dòng)結(jié)構(gòu)工作于高氣密真空環(huán)境，提高M(jìn)EMS器件的品質(zhì)因數(shù)等性能。
本發(fā)明包括以下步驟
1)采用微加工工藝在下硅片上加工硅島、可動(dòng)結(jié)構(gòu)及附屬金屬電極和引線；
2)采用濕法腐蝕法在上硅片正面加工出梯形通孔，在上硅片背面加工出微流道；
3)采用硅-玻璃陽極鍵合技術(shù)將上硅片與玻璃蓋板鍵合在一起；
4)采用玻璃漿料鍵合技術(shù)實(shí)現(xiàn)下硅片與上硅片的鍵合；
5)將鍵合后的圓片置于真空鍵合機(jī)中，通過微流道將腔體內(nèi)氣體抽走，激光局部加熱技術(shù)使玻璃蓋板的局部熔化，融化后的玻璃將微流道密封起來，最終實(shí)現(xiàn)MEMS器件的晶圓級(jí)真空封裝。
本發(fā)明所述MEMS器件真空封裝方法，其中，下硅片上的可動(dòng)結(jié)構(gòu)及附屬金屬電極通過硅微加工技術(shù)制作而成；
本發(fā)明所述MEMS器件真空封裝方法，其中，上硅片包括微流道和梯形通孔，梯形通孔通過各向異性濕法腐蝕工藝制作而成，濕法腐蝕和ICP干法刻蝕技術(shù)均可制作微流道，微流道4的形狀采可用“S”形折線形式；
本發(fā)明所述MEMS器件真空封裝方法，其中，蓋板選擇7740玻璃，采用陽極鍵合技術(shù)將上硅片與玻璃蓋板鍵合起來；
本發(fā)明所述MEMS器件真空封裝方法，其中，玻璃漿料的熱膨脹系數(shù)與硅片接近， 玻璃漿料通過絲網(wǎng)印刷涂覆在上硅片正面，下硅片和上硅片在晶片鍵合機(jī)中進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)和鍵合。玻璃漿料鍵合對(duì)硅片的表面質(zhì)量要求較低，鍵合溫度要低于MEMS結(jié)構(gòu)和金屬電極的承受溫度，以免對(duì)其造成損壞。
本發(fā)明所述MEMS器件真空封裝方法，其中，最關(guān)鍵的是微流道的封閉，在真空鍵CN 102530844 A合機(jī)中，腔體內(nèi)氣體通過微流道被抽走，當(dāng)腔體真空度達(dá)到目標(biāo)值后，激光局部加熱使蓋板位于“S”形折線上方區(qū)域的玻璃熔化，融化后的玻璃填充到“S”形微流道中，同時(shí)將真空鍵合機(jī)內(nèi)的氣壓迅速恢復(fù)到大氣壓，或者使鍵合機(jī)內(nèi)的壓強(qiáng)繼續(xù)降低1 2個(gè)數(shù)量級(jí)，靠器件腔體內(nèi)外的壓強(qiáng)差值使融化后的玻璃充滿微流道，實(shí)現(xiàn)封裝腔體的密封。
相對(duì)于現(xiàn)有的MEMS器件級(jí)封裝成本較高、晶圓級(jí)封裝真空度較低等問題，該發(fā)明不僅更容易獲得較高的真空度，而且節(jié)約了封裝成本。整個(gè)封裝過程所涉及的刻蝕、硅-玻璃陽極鍵合、玻璃漿料鍵合和激光局部加熱等技術(shù)已經(jīng)比較成熟，可以保證MEMS器件真空封裝的順利實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明采用玻璃漿料鍵合技術(shù)形成封裝腔體，通過微流道將封裝腔體內(nèi)的氣體抽走，隨后采用激光局部加熱方法將微流道封閉，最終實(shí)現(xiàn)MEMS器件的晶圓級(jí)或器件級(jí)真空封裝。該封裝方法簡(jiǎn)單有效，不僅實(shí)現(xiàn)了 MEMS器件與外部的電學(xué)連接，可以在玻璃漿料中的有機(jī)成分完全揮發(fā)后再進(jìn)行真空封裝，使得封裝腔體的真空度得以保證，在MEMS器件的真空封裝領(lǐng)域具有廣闊的前景。
圖1為在下硅片上加工可動(dòng)結(jié)構(gòu)的一種實(shí)施方案。
圖2為在上硅片上加工微流道和梯形通孔的一種實(shí)施方案。
圖3為上硅片和蓋板的配合關(guān)系示意圖。
圖4為三層結(jié)構(gòu)裝配完成后的整體視圖。
圖5為三層結(jié)構(gòu)的爆炸示意圖。
圖6為三層結(jié)構(gòu)裝配完成后的的剖視圖。
在圖1 6中，各主要配件的標(biāo)記為1可動(dòng)結(jié)構(gòu)，2硅島，3融化后的玻璃，4微流道，5梯形通孔，01下硅片，02上硅片，03蓋板。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明包括以下步驟
參見圖1，采用微加工工藝在下硅片01上加工出如圖1所示的硅島2、MEMS可動(dòng)結(jié)構(gòu)1及附屬金屬電極和引線；
參見圖2，通過硅片的各向異性濕法腐蝕在上硅片02正面腐蝕出梯形通孔5，玻璃漿料鍵合時(shí)，可動(dòng)機(jī)構(gòu)1置于梯形通孔5內(nèi)；上硅片02背面的微流道4的尺寸在微米量級(jí)， 微流道4的形狀采用“S”形折線形式，通過濕法腐蝕或ICP干法刻蝕技術(shù)制作而成；
參見圖3，蓋板03選擇7740玻璃，采用陽極鍵合技術(shù)將上硅片02與玻璃蓋板03 鍵合在一起；
參見圖4 6，上硅片02正面通過絲網(wǎng)印刷涂覆一層玻璃漿料，玻璃漿料的熱膨脹系數(shù)與上硅片02接近。預(yù)燒結(jié)后，在晶圓鍵合機(jī)中進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)，使可動(dòng)機(jī)構(gòu)置于梯形通孔 5內(nèi)，再對(duì)玻璃漿料進(jìn)行燒結(jié)，將下硅片01與上硅片02鍵合在一起；
鍵合后的圓片放在真空鍵合機(jī)中，腔體內(nèi)的氣體通過微流道4被抽走，當(dāng)腔體真空度達(dá)到目標(biāo)值后，激光局部加熱，使蓋板特定區(qū)域的玻璃熔化，融化后的玻璃3填充到微流道4中，同時(shí)將真空鍵合機(jī)內(nèi)的氣壓迅速恢復(fù)到大氣壓，或者使鍵合機(jī)內(nèi)的壓強(qiáng)繼續(xù)降低1 2個(gè)數(shù)量級(jí)，靠器件腔體內(nèi)外的壓強(qiáng)差值使融化后的玻璃3充滿微流道，最終將封裝腔體密封起來，使封裝腔體的真空度保持在一個(gè)較高量級(jí)，最終實(shí)現(xiàn)MEMS器件的晶圓級(jí)真空封裝。
權(quán)利要求
1. 一種微器件的真空封裝方法，其特征在于包括以下步驟1)采用微加工工藝在下硅片上加工硅島、可動(dòng)結(jié)構(gòu)及附屬金屬電極和引線；2)采用濕法腐蝕法在上硅片正面加工出梯形通孔，在上硅片背面加工出微流道；3)采用硅-玻璃陽極鍵合技術(shù)將上硅片與玻璃蓋板鍵合在一起；4)采用玻璃漿料鍵合技術(shù)實(shí)現(xiàn)下硅片與上硅片的鍵合；5)將鍵合后的圓片置于真空鍵合機(jī)中，通過微流道將腔體內(nèi)氣體抽走，激光局部加熱技術(shù)使玻璃蓋板的局部熔化，融化后的玻璃將微流道密封起來，最終實(shí)現(xiàn)MEMS器件的晶圓級(jí)真空封裝。
全文摘要
一種微器件的真空封裝方法，涉及一種微器件的封裝方法。采用微加工工藝在下硅片上加工硅島、可動(dòng)結(jié)構(gòu)及附屬金屬電極和引線；采用濕法腐蝕法在上硅片正面加工出梯形通孔，在上硅片背面加工出微流道；采用硅-玻璃陽極鍵合技術(shù)將上硅片與玻璃蓋板鍵合在一起；采用玻璃漿料鍵合技術(shù)實(shí)現(xiàn)下硅片與上硅片的鍵合；將鍵合后的圓片置于真空鍵合機(jī)中，通過微流道將腔體內(nèi)氣體抽走，激光局部加熱技術(shù)使玻璃蓋板的局部熔化，融化后的玻璃將微流道密封起來，最終實(shí)現(xiàn)MEMS器件的晶圓級(jí)真空封裝。
文檔編號(hào)B81C1/00GK102530844SQ201210025120
公開日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2012年2月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月3日
發(fā)明者占瞻, 呂文龍, 孫道恒, 左文佳, 杜曉輝, 王凌云, 蘇源哲 申請(qǐng)人:廈門大學(xué)