[发明专利]一种MEMS器件及其晶圆级真空封装方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子机械技术领域，特别涉及一种基于硅硅键合技术的MEMS器件及其真空封装方法。

背景技术

微机电系统（Micro Electro-Mechanical Systems,MEMS）是以微电子、微机械以及材料科学为基础，研究、设计、制造具有特定功能的微型装置，包括微传感器、微执行器等，MEMS器件具有体积小、重量轻、功耗低、批量化生产等诸多优点。

通常MEMS器件是由一些可动结构组成，这些可动结构非常脆弱，易碎，易被灰尘、水汽等破坏，为了不影响后续的加工和装配，需要对其进行晶圆级封装，以提供良好的机械支撑以及环境保护等功能。此外，很多具有重要应用的MEMS器件都需要进行真空封装，如MEMS陀螺仪、MEMS加速度计、MEMS射频器件等，采用真空封装可以有效降低可动结构运动时的空气阻尼，提高器件的品质因数，从而能够极大的提高器件工作性能。

实现MEMS器件的真空封装方法较多，但基本思想一致，就是将带有空腔结构的盖帽圆片在真空腔室中与MEMS器件结构圆片进行键合，使得每个器件同时实现真空封装，真空度要求较高的器件还需要添加吸气剂。一般MEMS器件中的电互联导线是采用在结构上溅射金属薄膜引出的，真空封装的难点在于如何将电互联引出，同时又能保证器件腔室的密封性。通常的做法是将盖帽圆片压焊点处制作通孔，并在通孔四周制作密封键合环，通过常用的键合方法实现器件的密封，一般所用的键合方法有：静电键合、共晶键合、粘合剂键合等。这些键合方法都有各自的缺陷，例如：静电键合是将硅片与玻璃键合，难免存在残余应力，影响器件性能；共晶键合需要添加吸气剂；粘合剂在真空状态下会放出气体，影响腔室真空度。

发明内容

本发明的目的是为了解决MEMS器件晶圆级真空封装气密性差、电互联引出困难的问题，提出了一种MEMS器件晶圆级真空封装方法，这种方法具有简单可行，易于实现的特点。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种MEMS器件，由硅盖帽层、硅结构层和硅衬底经硅硅直接键合后组成，硅结构层中设有可动结构，其特征在于：硅结构层采用可作为导体的低阻硅片，并且直接在硅结构层上制作出电互联引线，硅盖帽层中设置的引线通孔与电互联引线压焊区对应，并在电互联引线压焊区上溅射铝电极。

一种MEMS器件晶圆级真空封装方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）硅衬底制作：利用光刻技术、ICP深硅刻蚀技术在硅衬底上形成浅腔，并经氧化工艺使硅衬底表面生长一定厚度的氧化层；

（2）硅盖帽制作：利用光刻工艺以及KOH腐蚀工艺形成结构浅腔以及电极引线通孔，并氧化使其表面形成一定厚度的氧化层；

（3）硅衬底与硅结构层直接键合：中间的硅结构层采用可作为导体的低阻硅片，采用硅硅直接键合工艺，将硅衬底与硅结构层直接键合；

（4）中间硅结构层中的可动结构以及电互联引线的制作：利用CMP减薄抛光技术将与硅衬底键合的低阻硅片减薄到需要的厚度，通过光刻工艺获得硅结构层中的可动结构以及电极引线图形，再利用ICP深硅刻蚀技术释放可动结构，同时刻蚀形成低阻硅电极引线两侧隔离槽；

中间低阻硅结构层采用电阻率为0.001-0.01Ω·cm的N型或P型硅片，一般电容式器件均可采用这种低阻硅作为电极引线，对电极引线电阻率没有严格要求的其他器件也可采用这种结构；

（5）将硅盖帽与硅结构层直接键合，使硅盖帽的引线孔对准硅结构层中的电极引线压焊区；

（6）压焊区域金属化：利用掩蔽shadow mask溅射工艺在引线孔中的电极引线压焊区上溅射铝，形成金属化的压焊点。

本发明提供的MEMS器件采用全硅结构，电互联引线不再采用金属引线，硅结构层采用低阻硅片，可利用低阻硅作为电极引线，在结构释放的同时，刻蚀形成低阻硅电极引线两侧的隔离槽，实现低阻硅电极引线间的电绝缘，从而克服了金属引线无法承受硅硅直接键合高温过程的难题；利用KOH腐蚀技术在硅盖帽上制作引线孔，引线孔的面积要小于硅电极引线压焊区域面积，完成盖帽键合后，压焊区域最外围一周是键合面，从而达到了密封的目的；利用真空硅硅直接键合技术将三层结构键合在一起，实现器件的真空封装，这种全硅结构封装形式气密性极好，不需要添加吸气剂；利用掩蔽（shadow mask）溅射工艺在引线孔中溅射铝，形成压焊点。