[發明專利]MEMS圓片級真空封裝結構及方法

有效

• 申請號: 201510278031.8
• 申請日: 2015-05-27
• 公開（公告）號: CN104986720A
• 公開（公告）日: 2015-10-21
• 發明（設計）人: 李東玲;尚正國;王勝強;溫志渝
• 申請（專利權）人: 重慶大學
• 主分類號: B81B7/00
• 分類號: B81B7/00;B81C1/00;B81C3/00
• 代理公司: 北京同恒源知識產權代理有限公司 11275
• 代理人: 趙榮之

技術領域

本發明屬于微機電系統(MEMS)封裝技術領域，尤其涉及一種MEMS圓片級真空封裝結構及加工方法。

背景技術

隨著微機電系統(MEMS)技術的飛速發展，各種MEMS器件產品作為高品質傳感器或者探測器在工業傳感、圖象通信、消費電子、汽車工業、軍事工業等領域得到越來越多的應用。很多MEMS器件，如基于諧振結構的微陀螺儀、微加速度計、微濾波器、微超聲波傳感器、微生物分子質量檢測儀等都需要采用真空封裝來降低機械運動部件運動時的氣體阻尼，提高器件的品質因數，從而改善器件的性能。

真空封裝可分為器件級真空封裝與圓片級真空封裝。目前在工業生產中MEMS器件主要采用器件級真空封裝，器件級真空封裝成本較高，主要應用于航空航天、國防等領域。而圓片級真空封裝能極大地降低成本，提高工藝參數一致性、產品的成品率與可靠性，能進一步拓展高性能MEMS器件在國防、航空航天、通訊、汽車、工業自動化、電子等眾多領域的應用，是MEMS封裝技術發展的重點。

目前，MEMS圓片級真空封裝通常采用圓片級鍵合方式實現，金屬引線一般采用縱向通孔(TSV或GSV)，工藝復雜，成本高，可靠性差。為此，眾多研究機構著力開發新結構和新工藝實現MEMS圓片級真空封裝。

發明內容

有鑒于此，本發明的目的在于提供一種MEMS圓片級真空封裝結構及加工方法，本發明能夠解決圓片級真空封裝中鍵合工藝不穩定以及金屬引線互連的問題，降低工藝難度和加工成本，提高工藝成品率。

本發明采用如下技術方案達到所述目的：

1、MEMS圓片級真空封裝結構，包括絕緣襯底、MEMS芯片結構層和蓋板，三者通過圓片級鍵合方式連接成一體，形成真空腔室；

所述MEMS芯片結構層設置在絕緣襯底和蓋板之間，包括閉合環狀的支撐結構和位于支撐結構環內部的敏感單元；支撐結構上端面設置有與支撐結構適形的第三鍵合環，下端面設置有與支撐結構適形的第四鍵合環；

所述絕緣襯底包括設置在絕緣襯底上同時與第三鍵合環鍵合的第一、第二鍵合環和設置在第一鍵合環內部的金屬電極，以及設置在第一鍵合環外部的焊盤；所述第二鍵合環為不完全閉合結構，在金屬引線處設置有開口，所述金屬電極與焊盤通過設置在開口處的金屬引線連通；

所述絕緣襯底上設置有與第一鍵合環適形的環狀凹槽I，所述環狀凹槽I延伸穿過第一鍵合環；所述第二鍵合環包括填充于凹槽I中的電絕緣層和位于電絕緣層之上的鍵合層；所述鍵合層高于第一鍵合環；

所述蓋板上設置有與第四鍵合環鍵合的第五鍵合環和給敏感單元提供運動空間的凹槽II；所述凹槽II底部設有薄膜吸氣劑。

優選的，所述敏感單元包括敏感質量塊和將敏感質量塊固定于支撐結構上的懸臂梁，所述敏感質量塊與金屬電極尺寸位置相對應。

優選的，所述絕緣襯底為Pyrex?7740玻璃；所述MEMS芯片結構層為單晶硅；所述蓋板為玻璃蓋板或硅蓋板。

優選的，所述粘附層厚度在5-50nm之間，金屬層厚度在100-500nm之間。

更優選的，所述金屬層的材料為Au、Pt、Cu、Ag、Al、W中的一種，所述粘附層的材料為Ti、TiW、Cr、Ta、Ni、Pd、Mo中的一種。

更優選的，粘附層厚度為40nm，金屬層厚度為120nm。

優選的，所述第一鍵合環為閉合環狀玻璃鍵合環；所述第二鍵合環為不完全閉合的金屬或聚合物鍵合環，第二鍵合環的不完全閉合環狀結構設計一方面可以實現金屬引線的橫向互連，另一方面可以將真空腔室與外界環境隔開，保證真空腔室的密封性。

優選的，所述電絕緣層為SiO₂層、Si₃N₄層或AlN層，所述電絕緣層高度與第一鍵合環持平或略低于第一鍵合環。

優選的，所述鍵合層寬度小于電絕緣層。

優選的，所述鍵合層為金屬層或聚合物層。

更優選的，所述鍵合層為Ti/Au、Cu、苯丙環丁烯(BCB)或SU8光刻膠，鍵合層厚度為200nm-3μm。

優選的，所述鍵合層為金屬層時，鍵合層高于第一鍵合環100-500nm，所述鍵合層為聚合物層時，鍵合層高于第一鍵合環1-3μm，兩者具有一定的高度差可以保證鍵合時兩鍵合環都能充分接觸，且減小鍵合環邊緣由于高度差引入的空隙。

優選的，所述薄膜吸氣劑為鎬、鈦、鍺或它們的合金。

優選的，所述薄膜吸氣劑厚度為0.5-3μm。

優選的，所述凹槽I深度1-3μm。