[發(fā)明專利]基于晶圓鍵合工藝的圓片級封裝MEMS芯片結(jié)構(gòu)及其加工方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810401013.8
• 申請日: 2018-04-28
• 公開（公告）號: CN108529550B
• 公開（公告）日: 2019-12-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉福民;張樂民;梁德春;劉宇;張樹偉;李男男;莊海涵;邢朝洋;徐宇新
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航天控制儀器研究所
• 主分類號: B81B7/00
• 分類號: B81B7/00;B81C1/00
• 代理公司: 11009 中國航天科技專利中心
• 代理人: 徐輝

本發(fā)明涉及一種基于晶圓鍵合工藝的圓片級封裝MEMS芯片結(jié)構(gòu)及其制造方法，MEMS芯片包括襯底層、器件層、蓋帽層三層結(jié)構(gòu)，三層結(jié)構(gòu)鍵合在一起，形成一個(gè)可供器件層上的梳齒微結(jié)構(gòu)移動的空腔結(jié)構(gòu)；襯底層上布有電極圖形，并采用共面電極實(shí)現(xiàn)空腔結(jié)構(gòu)內(nèi)的器件層結(jié)構(gòu)與空腔外電極焊盤的互聯(lián)；在器件層與襯底的鍵合面上，具有陣列凹坑結(jié)構(gòu)。并且在器件層的鍵合密封環(huán)上有貫通于密封腔內(nèi)外的凹槽結(jié)構(gòu)，凹槽結(jié)構(gòu)在晶圓鍵合后將被鍵合介質(zhì)與硅的共晶體所填充。該結(jié)構(gòu)有助于提高金?硅鍵合強(qiáng)度，并能夠有助于提高真空密封的真空度。在該結(jié)構(gòu)的制造工藝中，使用氣態(tài)HF對鍵合表面進(jìn)行處理，去除表面的二氧化硅，保障金?硅鍵合強(qiáng)度的同時(shí)避免微結(jié)構(gòu)的粘連。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)領(lǐng)域，涉及一種MEMS芯片結(jié)構(gòu)及其加工方法，特別是一種全硅基的基于晶圓鍵合的圓片級封裝MEMS芯片結(jié)構(gòu)及其加工方法。

背景技術(shù)

具有諧振結(jié)構(gòu)的MEMS器件如MEMS慣性器件、振蕩器、濾波器等，工作過程中空氣阻尼對其性能影響明顯。真空封裝是保證器件高Q值、低插損、低能耗的必要條件。按照加工工藝不同，MEMS真空封裝可以分為器件級真空封裝和圓片級真空封裝兩種。圓片級真空封裝采用硅微加工工藝，能極大地縮小器件整體外形尺寸，同時(shí)可以最大限度保護(hù)MEMS器件中的可動結(jié)構(gòu)在劃切過程中水流及顆粒的污染，有利于降低批量成本，提高產(chǎn)品的一致性、成品率與可靠性。

早期發(fā)展的MEMS器件采用硅-玻璃結(jié)構(gòu)，利用陽極鍵合技術(shù)將二者結(jié)合在一起，也可以實(shí)現(xiàn)圓片級的封裝，但兩種材料之間存在熱失配，熱失配誘導(dǎo)的應(yīng)力成為制約MEMS器件性能提高的瓶頸。采用全硅結(jié)構(gòu)，可以解決硅-玻璃結(jié)構(gòu)中材料不匹配帶來的應(yīng)力問題，發(fā)展全硅基的圓片級封裝的MEMS器件是實(shí)現(xiàn)器件小型化、提高器件性能、實(shí)現(xiàn)與IC的高密度集成進(jìn)而實(shí)現(xiàn)微系統(tǒng)的必然選擇。

目前實(shí)現(xiàn)MEMS產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)圓片級封裝的技術(shù)方案大致分為兩種：一種是基于薄膜沉積和犧牲層腐蝕的方案，即通過一個(gè)小的開口實(shí)現(xiàn)犧牲層的干法刻蝕進(jìn)而完成微可動結(jié)構(gòu)釋放，然后進(jìn)行氧化硅等薄膜沉積，薄膜沉積造成上述開口被堵死進(jìn)而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的密封，另一種是基于晶圓鍵合的方案，完成MEMS微結(jié)構(gòu)加工的晶片與一個(gè)蓋帽晶圓相鍵合，實(shí)現(xiàn)晶圓的密封。對于需要有較高真空的MEMS產(chǎn)品，如慣性器件、諧振器等，主要采用基于晶圓鍵合的方案。

在基于晶圓鍵合的方案中，密封腔內(nèi)的電信號需要通過TSV技術(shù)進(jìn)行引出，或者通過平面電極橫向引出。對于前者，需要進(jìn)行硅通孔制備、側(cè)壁絕緣層生長、通孔金屬化等工序，加工難度大；此外，通孔內(nèi)的金屬與硅之間存在較大應(yīng)力，影響了器件的性能。目前通過平面電極橫向引出的方式仍是一種易于實(shí)現(xiàn)、具有較高可靠性的技術(shù)。

在基于晶圓鍵合的方案中，晶圓表面同樣會由于生長有不同的介質(zhì)薄膜，給晶片帶來較大的應(yīng)力，這些應(yīng)力的存在使得晶圓在加工過程中產(chǎn)生翹曲、進(jìn)而影響后續(xù)的鍵合等工序，造成界面鍵合的失敗；此外鍵合界面的鍵合強(qiáng)度也是影響圓片級封裝芯片的成品率和可靠性的重要因素，金-硅鍵合的鍵合強(qiáng)度受多種因素的影響很難實(shí)現(xiàn)高的鍵合強(qiáng)度；鍵合過程中密封腔內(nèi)的殘存氣體比較難排出，即使是在使用吸氣劑的情況下，密封腔里封住的真空度也遠(yuǎn)達(dá)不到鍵合設(shè)備中的真空度，這直接影響到具有諧振結(jié)構(gòu)的器件的Q值的進(jìn)一步提高。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)不足，給出一種基于晶圓鍵合工藝的圓片級封裝MEMS芯片結(jié)構(gòu)及其加工方法。該芯片結(jié)構(gòu)能夠?qū)π酒庸み^程中的應(yīng)力進(jìn)行有效控制，提高加工精度；同時(shí)提高晶圓界面鍵合強(qiáng)度；并可以提高鍵合后密封腔內(nèi)的真空度，提高產(chǎn)品性能，確保產(chǎn)品的可靠性。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：

提供一種基于晶圓鍵合工藝的圓片級封裝MEMS芯片結(jié)構(gòu)，包括襯底層、器件層和蓋帽層，三層結(jié)構(gòu)依次鍵合，形成一個(gè)可供器件層上的梳齒微結(jié)構(gòu)移動的空腔結(jié)構(gòu)。