[发明专利]一种MEMS陀螺仪芯片双面阳极键合工艺

说明书

技术领域

本发明属于MEMS(Micro Electrical Mechanical System)封装技术领域，具体涉及基于阳极键合进行MEMS陀螺仪芯片的气密性封装工艺。

背景技术

随着MEMS技术的发展，封装已成为阻碍MEMS商业化的主要技术瓶颈。MEMS陀螺仪设计、加工完成之后，要进行气密性封装。MEMS陀螺仪对质量因子(Q值)要求较高，要求在真空氛围下进行气密性封装，而且要求气密性能够长时间保持，这对封装提出了挑战。

常用的MEMS器件真空气密性封装方法有阳极键合、硅-硅直接键合和共晶键合。阳极键合一般只限于硅-玻璃键合，键合温度为300℃～400℃，偏压为500V～1000V。MEMS陀螺仪常用的加工工艺是SOG(Silicon on Glass)，封装中采用传统的两次阳极键合简要过程如图1。图1(a)将玻璃和硅阳极键合(第一次阳极键合)然后对硅减薄至器件层所要求的厚度。如图1(b)加工出所需的MEMS结构，然后如图1(c)进行第二次阳极键合。第二次阳极键合要加一个与第一次阳极键合反向的电压，导致第一次阳极键合的键合层受损甚至破坏，而且第二次阳极键合界面的抗拉强度也会低于正常值，所以采用两次阳极键合进行陀螺仪的封装工艺本身存在不可克服的缺陷。

硅-硅直接键合是将两块表面光滑的硅片经过一定处理后在一定温度和压力下键合起来。硅-硅直接键合由于键合温度较高(一般高于800℃)，又称硅熔融键合。其一般要求待键合硅片表面粗糙度低于10nm，平行度小于3um，表面翘曲低于25um。由于键合要求较高的表面粗糙度(低于10nm)和退火温度(800℃以上)，这不利于降低封装成本，而且高温对微结构造成大的残余应力。

所谓共晶，就是两种(或多种)金属不以原子的形式互相固溶，而以晶粒形式互相结合构成的机械混合物状态。共晶体存在一个三相共存的最低熔点，称为共晶点。在共晶点时能形成共晶的两种金属相互接触，经过互扩散后便可在其间形成具有共晶成份的液相合金，冷却后液相层不断交替析出两种金属，每种金属又以自己的原始固相为基础长大、结晶析出，因此两种金属之间的共晶能将两种金属紧密地结合在一起。常见的共晶键合有金硅键合、金锡键合。

一般金硅键合过程为：先在硅衬底上沉积铬(或钛)，然后沉积一层金膜，最后将用HF清洗的硅帽层置于镀金的硅衬底上，施加一定的压力，并将温度升高到略高于金硅共晶点(363℃)的某一温度(一般在430℃左右)，金/硅间相互扩散，在界面形成共晶化合物。当温度保持一段时间后，形成更多的共晶合金，直到硅或金消耗完为止，冷却后就形成了共晶键合层。金硅键合的温度为430℃，远低于硅-硅直接键合温度(一般高于800℃)，键合强度高，对表面粗糙度不很敏感，与铝互联线兼容性好，这对于提高MEMS陀螺仪封装成品率和可靠性、降低成本有很大作用。

本发明中，临时高分子衬底是由环氧树脂E44和塞克-桐油酸酐(固化剂，呈液态)的混合溶液加热固化后形成的。混合溶液的环氧树脂E44的浓度是40％到60％之间。

发明内容

本发明提出一种MEMS陀螺仪芯片双面阳极键合工艺，目的在于简化工艺流程，提高MEMS陀螺仪芯片的成品率。

本发明提供的一种MEMS陀螺仪芯片双面阳极键合工艺，其步骤包括：

第1步在高分子衬底上沉积器件层硅；

第2步在器件层硅上进行光刻，并制作金属电极；

第3步在器件层硅上再次光刻，然后深刻蚀，直到器件层硅刻蚀穿，得到陀螺仪的微结构；

第4步去掉高分子衬底，剩下的仅为带有金属电极的器件层硅；

第5步玻璃基板一侧刻蚀有凹槽，玻璃盖帽上分别从两侧刻蚀凹槽和通孔，玻璃基板和玻璃盖帽加工有凹槽的一侧分别紧贴器件层硅的两侧，然后两面阳极键合；

第6步在玻璃盖帽的通孔中溅射或者蒸发金属引线材料，形成金属引线。

作为上述技术方案的改进，所述玻璃基板和玻璃盖帽均优选铝硅酸盐玻璃材料；所述高分子衬底优选环氧树脂E44和塞克-桐油酸酐(固化剂，呈液态)的40％～60％配比溶液固化后的产物。

作为上述技术方案的进一步改进，第5步中，两面阳极键合的加电方式为：器件层硅接电源正极，玻璃基板和玻璃盖帽同时加载电源负极，键合温度为300℃～400℃，电压500V～1000V，同时加载压力使得玻璃与器件层硅之间紧密接触。