[發明專利]一種應用于微器件圓片級封裝通孔金屬互聯的制作方法

有效

• 申請號: 201310409343.9
• 申請日: 2013-09-09
• 公開（公告）號: CN103420330A
• 公開（公告）日: 2013-12-04
• 發明（設計）人: 孫道恒;占瞻;虞凌科;杜曉輝;王小萍;何杰;王凌云
• 申請（專利權）人: 廈門大學
• 主分類號: B81C1/00
• 分類號: B81C1/00
• 代理公司: 廈門南強之路專利事務所(普通合伙) 35200
• 代理人: 劉勇

技術領域

本發明涉及微器件封裝工藝，尤其是涉及一種應用于微機電系統中微器件圓片級封裝通孔金屬互聯的制作方法。

背景技術

微機電系統（MEMS）中的微器件（如傳感器）廣泛應用于航空、汽車、電子等方面，例如微加速度計、陀螺儀、壓力傳感器等。由于慣性傳感器的性能與其工作真空度有著直接關系，因此其封裝工藝是MEMS制造的關鍵工藝。MEMS封裝可以分為兩類，圓片級封裝與器件級封裝，由于圓片級封裝在器件的封裝效果以及成本上大大高于芯片級封裝，因此采用圓片級封裝是目前的主流趨勢。

例如，采用圓片級封裝結構所制作的傳感器，由于需要保持活動結構層密封在制備的真空腔室內，電學信號通常要求通過跨層的電極來實現，因此實現傳感器信號讀取與輸入是圓片級封裝中一項核心技術。針對典型圓片級封裝傳感器結構，即三層結構——用以承載可動結構的基底層，MEMS的核心活動結構層，帶有通孔的蓋帽層，例如全硅結構、玻璃/硅/玻璃結構、SOI/玻璃結構等。其電極跨層連接制作方案通常概括為以下步驟：

1、由基底層、結構層、帶有通孔的蓋帽層組成的三層結構真空封裝；

2、在蓋帽層表面、通孔側壁以及孔底未鍵合面沉積金屬制作電極，從而實現電信號在表面電極與結構層之間相連。

在電極跨層連接中，蓋帽層上的通孔制備與通孔互聯金屬制作工藝是圓片級封裝通孔互聯技術的兩大關鍵工藝。具體來說，通孔制備通常是指在蓋帽層基材上通過微加工工藝，如腐蝕、噴砂、激光、機械鉆等方式，制作完全貫穿的孔結構。而通孔金屬互聯制作是針對鍵合后的通孔結構進行金屬化，包括通孔內金屬沉積以及外延至蓋帽層表面用以引線鍵合焊盤。針對不同的通孔形狀以及尺寸，需要采用不同的微加工工藝金屬化。

目前通孔金屬互聯制作的工藝難點以及技術困境：

1、由于通孔制作工藝各異導致通孔形狀不盡相同，并且MEMS器件的真空封裝工藝順序千差萬別。沒有一種通用化適用于MEMS通孔互聯金屬制作工藝方法。如Moon?Chul?Lee(A?high?yield?rate?MEMS?gyroscopewith?a?packaged?SiOG?process)針對梯形通孔硬質掩膜版輔助磁控濺射工藝，實現互聯結構制作。中國專利CN1834000A（具有底深寬比通孔的圓片級氣密性封裝工藝）中針對Y型通孔則采用電鍍工藝制備互聯結構。

2、在實際情況下，通孔制備工藝中由于材料與工藝特性決定，無論采用機械方式或者化學方式，制作通孔底部都會存在崩邊現象，并且崩邊的高度離散度較大，從幾微米至幾十微米不等。如圖1所示斜通孔即為采用噴砂工藝所制備的通孔結構以及對應崩邊現象特寫。因此，采用傳統單次濺射或者蒸鍍工藝，是肯定無法直接連接崩邊。因此傳統解決方式是采用多次加工以克服這一現象，但是這就極大增加了工藝成本。并且由于崩邊離散度通常達到10μm以上，這也極大的降低了電學連接的可靠性，會導致傳感器失效。

3、微加工工藝中金屬材料與結構層硅之間的接觸電阻是影響MEMS中的一項重要指標。通常要求金屬材料與硅之間形成小電阻的歐姆接觸，即必須滿足金屬與硅的功函數（或者解釋為勢壘高度）接近，且需要熱處理。鋁、鈦、金等能夠在較低熱處理溫度下與硅形成歐姆接觸的金屬是MEMS常用電極材料。而其他金屬例如銀等也可以用于MEMS，但是通常受限制于其熱處理溫度過高（850℃）。在這類金屬與硅的歐姆接觸處理中，通常需要對硅面進行摻雜以降低兩者勢壘高度，使這類金屬同樣能夠在較低熱處理溫度下與硅形成歐姆接觸。中國專利CN101349602B（高摻雜點電極SOI壓阻式壓力傳感器及制造方法）中就同樣考慮到金屬電極與半導體間勢壘問題，利用摻雜工藝在低溫下實現歐姆接觸。

4、通孔金屬互聯中蓋帽層表面的由于存在通孔結構，無法采用傳統的光刻工藝，因此難于實現圖案化引線鍵合焊盤圖案化。

氣浮沉積法是一種新近開發的、按需噴印的表面涂層制備方法。氣浮沉積裝置主要由噴嘴，粉末霧化室等組成。氣浮沉積法所噴印基底溫度可以為常溫，沉積溫度低；基底可選擇金屬或者聚合物，材料適應性好；噴印表面可以是平面、斜面或者曲面、基底形貌兼容性強。通常氣浮沉積材料為銀等納米導電顆粒制備而成的墨水，通過對墨水燒結處理，去除其中有機成分，并且使納米導電顆粒熔融。目前，氣浮沉積法技術結合精密運動平臺配合已經開始應用于MEMS柔性器件的按需噴印加工當中。

發明內容