[發明專利]MEMS器件圓片級芯片尺寸氣密封裝的結構及實現方法

無效

• 申請號: 200810207646.1
• 申請日: 2008-12-23
• 公開（公告）號: CN101434374A
• 公開（公告）日: 2009-05-20
• 發明（設計）人: 曹毓涵;羅樂
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海微系統與信息技術研究所
• 主分類號: B81B7/00
• 分類號: B81B7/00;B81C3/00
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司
• 代理人: 潘振甦

技術領域

本發明涉及一種微機電系統(MEMS)器件圓片級芯片尺寸氣密封裝的結構與實現的方法，屬于MEMS器件封裝領域。

背景技術

MEMS(micro-electro-mechanical?system)是指采用微細加工技術制作的集微型傳感器，微型構件，微型執行器，信號處理，控制電路等于一體的系統。MEMS器件在許多領域都有十分廣闊的應用前景。然而，在MEMS器件中，含有可動部件，這些可動部件十分脆弱，極易受到劃片和裝配過程中的灰塵，濕度，機械等因素的影響，從而造成器件的損壞或器件的整體性能下降。因此，必須采取氣密封裝措施，保護這些關鍵部位。

為了實現MEMS器件的氣密封裝，人們提出了很多種MEMS器件氣密封裝方法，基本的思想是將一個帶有空腔的蓋板鍵合到MEMS器件所在的圓片上，鍵合后的圓片再進行劃片，裝配等后道工藝，從而保護了MEMS器件，提高了成品率。如果MEMS器件需要和外界電聯通，通常的方法是在蓋板上制作垂直通孔，再采用電鍍等方法完成通孔內金屬化，從而實現空腔內的MEMS器件與外界的電學互聯。在蓋板上制作垂直通孔的方法通常有濕法腐蝕(如四甲基氫氧化銨(TMAH)腐蝕)，干法刻蝕(如深反應離子束刻蝕(DRIE))。濕法腐蝕的缺點在于：腐蝕是各向異性的，如果把整個蓋板腐蝕穿，水平方向上開口口徑的增大將會極大地降低封裝密度。干法刻蝕的缺點則在于：DRIE的成本高。蓋板越厚，所需DRIE的時間就越長，極大地增加了MEMS器件的封裝成本。目前大多數的MEMS器件圓片級封裝都是采用干法刻蝕，封裝的高成本也始終是制約MEMS器件大規模投入使用的瓶頸。也有方法先將蓋板減薄，再進行干法刻蝕。但這種方法也有不利的一面：減薄的圓片強度下降，在之后的DRIE、電鍍、鍵合等過程中很可能發生碎裂。因此，這種方法不能將蓋板圓片減薄許多，一般減薄到250～300μm，也有直接使用這一厚度范圍的薄晶片者。即便如此，薄晶片的價格遠貴于普通晶片，而且仍然有200μm以上的高度需要用到干法刻蝕處理，這使得封裝成本依然很高。

發明內容

為了避免諸如劃片的后道工藝對MEMS器件的破壞，提高MEMS器件的成品率，為MEMS器件提供氣密的工作環境，降低干法刻蝕帶來的成本增加，本發明提出了一種MEMS器件圓片級芯片尺寸氣密封裝結構與實現的相應工藝方法。

最終封裝結構如圖8所示，該結構的具體結構特點為：

(1)利用TMAH濕法將硅片減薄至120～160μm，通常為140μm(如圖8中所示的102)作為封裝結構的上蓋板；

(2)利用凸點(如圖8中所示的608)替代封裝結構中的垂直通孔。凸點由在減薄的硅蓋板上TMAH濕法腐蝕開出垂直通孔，植入焊球，回流后形成。凸點同時也作為封裝結構的I/O(輸入輸出端口)；

(3)由焊點與凸點(即如圖8中焊點617與凸點608)的電連接實現被封器件與外界之間的電互聯，由焊環(如圖8中所示314)實現上下蓋板的鍵合并提供器件工作所需的真空氣密環境；

實現該封裝結構的主要方案如下：

使用普通硅片作為蓋板(厚度450μm)；利用Cu/Sn固液互擴散(SLID)方法在真空條件下完成鍵合，達成對MEMS器件的氣密封裝保護；鍵合完成后，采用TMAH濕法腐蝕將蓋板整體減薄至140μm并進行化學機械拋光(CMP)，再利用光刻以及TMAH濕法腐蝕將蓋板上對應MEMS器件電極位置的區域腐蝕穿透，露出鍵合后剩余的銅層，然后濺射種子層，通過布置錫焊球并回流一次性完成通孔的金屬化以及蓋板表面的凸點制備。

上述工藝方法的特征在于：

(1)采用Cu/Sn鍵合實現氣密封裝。焊點和焊環由種子層TiW/Cu、反應金屬層Cu、焊料層Sn組成。反應金屬層Cu層厚度為8μm，焊料層Sn層厚度為3～4μm，焊點尺寸為100μm×100μm，焊環寬度為200μm～300μm。鍵合峰值溫度控制在350℃，對于絕大多數的MEMS器件不會造成損傷。鍵合過程中始終在圓片上施加200mbar大小的靜載荷，鍵合曲線為：從室溫升至250℃，保持5min，再由250℃升至350℃，保持10min，最后從350℃快速降至室溫。

(2)完成圓片鍵合后，利用TMAH濕法腐蝕對(100)硅片蓋板整體減薄至120～160μm，推薦減薄至140μm。