[发明专利]一种MEMS圆片级真空封装结构及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种MEMS圆片级真空封装结构及其制作方法，应用于MEMS传感器封装领域。

背景技术

对于陀螺、加速度计、谐振器等MEMS谐振器件来说，工作在真空气密性环境中尤其重要，比如在一个标准大气压下,受空气阻尼影响，硅微MEMS陀螺的驱动模态和敏感模态品质因数非常低(Q值一般小于500)，而在真空环境中Q值能够达到50000，性能相差几个数量级。因此硅微MEMS陀螺等谐振器件在真空环境中来维持稳定的谐振频率和气体阻尼系数，保证良好的工作性能。

国内一般采用器件级真空封装来满足上述器件的需要，即将制作好的谐振器件敏感芯片整体放置在陶瓷或金属管壳的腔体内，在管壳封帽工序前将腔体内部抽成真空，形成器件工作的真空环境。这种封装方法不仅对设备要求很高，导致封装成本居高不下，而且由于管壳局限性，器件不能满足小型化要求，因此圆片级真空封装是取代这种传统封装形式的发展方向。

圆片级封装是封装技术取得革命性突破的标志，它以圆片为加工对象，在圆片上同时对众多芯片进行封装、老化、测试，最后切割成单个器件。圆片级封装使封装尺寸减小至IC芯片的尺寸，生产成本大幅度下降。圆片级封装目前使用较多的是采用阳极键合工艺，即用玻璃作为密封盖板，将硅结构密封在其腔体内部，但是这种方法尚存在以下不足：(1)由于玻璃与硅的热膨胀系数不一致，导致器件的温度漂移较大，严重影响器件性能。(2)阳极键合完成后，器件一旦切割下来还需要额外的键合引线才能正常使用，工序复杂。(3)玻璃在键合过程中会释放出气体，导致内部腔体真空度不能长期维持在低气压水平，不能满足高端器件的需求。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种MEMS圆片级真空封装结构及其制作方法，能够满足高端器件的需求，保证器件性能，且不需引线键合，工序简单。

本发明的技术方案是：一种MEMS圆片级真空封装结构，包括硅盖板和带可动结构的MEMS圆片；

所述硅盖板的下表面加工有N个用于容纳所述可动结构的凹槽，凹槽的底部覆盖一层吸气剂薄膜；硅盖板上加工有M个通孔，通孔中填充导电材料，所述导电材料的上端分别与硅盖板的上表面平齐；通孔的侧壁、硅盖板的下表面上除凹槽以外的区域以及硅盖板的上表面均设置有绝缘层，所述硅盖板下表面绝缘层上加工有金属键合区；

硅盖板通过金属键合区与MEMS圆片进行圆片键合，形成真空封装结构，所述导电材料一端与MEMS圆片的焊盘连接，另一端引出用于与外部电路连接的金属连线；其中M、N为大于1的自然数。

所述硅盖板的厚度为100μm—800μm。

所述凹槽深度不超过硅盖板厚度的4/5，长度和宽度至少比所述可动结构大50μm。

所述通孔直径为30μm—300μm。

所述硅盖板为电阻率大于1Ω·cm的P型或N型的双面抛光硅片。

所述绝缘层为SiO₂或Si₃N₄。

所述金属键合区为单层或多层AuSn制成的金属薄膜，厚度为1μm至5μm。

所述导电材料为Cu或Au。

一种MEMS圆片级真空封装结构的制作方法，包括以下步骤：

(9.1)选择硅片作为硅盖板，并将所选硅片进行双面抛光；

(9.2)选择硅盖板的下表面作为键合面，采用湿法腐蚀或干法刻蚀技术在硅盖板键合面制作出N个凹槽；

(9.3)在步骤(9.2)处理过的硅盖板上制作出M个垂直通孔，利用金属薄膜淀积工艺在通孔的侧壁、硅盖板的键合面上除凹槽以外的区域以及硅盖板的上表面生长一层绝缘层，利用电镀技术在通孔内部填充导电材料，然后在硅盖板上表面进行化学机械抛光，以保证导电材料的上端与硅盖板上表面平齐；

(9.4)利用金属薄膜淀积工艺在硅盖板键合面的绝缘层上形成金属薄膜层，然后再利用光刻和刻蚀工艺，在金属薄膜层上形成金属键合区；

(9.5)利用薄膜淀积工艺在凹槽底部生长一层吸气剂薄膜；

(9.6)将硅盖板通过金属键合区与事先制作好的带可动结构的MEMS圆片的金属区在真空环境中进行硅-金属-硅圆片键合，同时激活吸气剂，形成稳定的真空封装结构；

(9.7)采用硅通孔互联技术，将硅盖板上导电材料的一端与带可动结构的MEMS圆片的焊盘连接；

(9.8)利用金属薄膜淀积工艺在硅盖板上表面的绝缘层上形成金属薄膜层，然后再利用光刻和刻蚀工艺在该金属薄膜层上制作出与导电材料的另一端连接的金属连线。