專利名稱：一種芯片級腔體密閉封裝方法及封裝結(jié)構(gòu)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于實現(xiàn)芯片級腔體密閉封裝的方法，也涉及該方法所實現(xiàn)的腔體密閉封裝結(jié)構(gòu)，屬于微機械電子系統(tǒng)(MEMS)技術領域。
背景技術：
微機械電子系統(tǒng)是20世紀80年代后期國際上興起的一項新技術，其主要特征是尺度微小，器件尺寸一般在微米、亞微米乃至納米量級。它作為一項新興的產(chǎn)業(yè)，在生物、醫(yī)療、航空、航天、電子產(chǎn)品、過程控制及測試技術等領域?qū)@得廣泛的應用。
在微機械器件中，為避免器件免受潮氣或其它腐蝕性氣體的滲入；或使器件處于特定的氛圍之中，常常需要為其提供全封閉的腔體來進行保護，這就是通常所說的腔體密閉封裝。密閉封裝工藝包括晶圓級封裝和芯片級腔體封裝兩種。其中芯片級腔體密閉封裝能夠同時對芯片上的所有器件提供封裝腔體，因而具有成本優(yōu)勢。該封裝方法可以減少器件制造中的低效操作。降低由于對單個器件進行煩瑣的金屬或陶瓷封裝所帶來的高成本。
芯片級腔體密閉封裝已經(jīng)用于如光學，射頻和傳感器類的微機械電子系統(tǒng)中。具體例子包括美國TI(德州儀器)公司的數(shù)字光學處理(DLP)器件、熱輻射測試器件、加速度計和陀螺儀。最早進行的大規(guī)模芯片級腔體密封腔體封裝是為了給具有可動表面單元的MEMS器件提供保護。在現(xiàn)今成百上千萬的汽車安全氣囊系統(tǒng)中起控制作用的MEMS加速度計，就是通過芯片級腔體密封腔體封裝的。最近，非密閉腔體的芯片級腔體封裝也被用來進行對消費類電器如數(shù)字相機等的封裝。
對腔體密閉封裝技術的進一步開發(fā)主要致力于兩個方面對使用壽命有限的產(chǎn)品，將致力于減小體積、重量和封裝成本；對高性能、長壽命的MEMS器件以及光器件和傳感器，要在保證器件性能的前提下降低成本。
目前，這兩方面的技術仍然在進一步發(fā)展之中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種新的芯片級腔體密閉封裝方法。該方法采用表面微加工技術，在控制氛圍下通過聚合物粘合鍵合和薄膜淀積來對MEMS或其它器件實施腔體密閉封裝。
本發(fā)明的另外一個目的在于提供一種通過上述方法獲得的芯片級腔體密閉封裝結(jié)構(gòu)。該密閉封裝結(jié)構(gòu)可以防潮、防氣體侵襲，并可保持真空。
為實現(xiàn)上述的發(fā)明目的，本發(fā)明采用下述的技術方案一種實現(xiàn)芯片級腔體密閉封裝的方法，其特征在于包括如下步驟(1)在襯底芯片上，形成至少一個環(huán)繞微機械結(jié)構(gòu)單元的環(huán)形支撐體；(2)將封蓋芯片與所述襯底芯片面對面對準貼合，并使兩者粘合鍵合，在所述封蓋芯片和所述襯底芯片之間保持所需的空間；(3)將所述封蓋芯片刻蝕或切割窄槽以形成出多個方塊；(4)在所述窄槽的側(cè)壁及底部淀積單層或/和多層的擴散阻擋層。
其中，所述步驟(1)中，所述環(huán)形支撐體也在所述封蓋芯片上形成。
所述步驟(3)中，所述窄槽貫穿所述封蓋芯片以及環(huán)形支撐體。
所述步驟(3)中，采用芯片切割鋸實現(xiàn)切割。
所述步驟(4)中，在淀積金屬層之前，首先淀積一層聚合物層。
另外，在全部去除所述粘合劑環(huán)之前，在所述封蓋芯片或襯底芯片上通過淀積和刻蝕出電介質(zhì)或金屬層來形成起支撐作用的支撐體。
一種芯片級腔體密閉封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于所述腔體密閉封裝結(jié)構(gòu)包括位于襯底芯片上的封閉腔體和分布在該腔體外的焊盤，所述封閉腔體由封蓋芯片，側(cè)壁和襯底芯片構(gòu)成，其中封閉有微機械結(jié)構(gòu)單元；所述封閉腔體的側(cè)壁覆蓋有擴散阻擋層；所述焊盤和所述襯底芯片的邊緣不被擴散阻擋層覆蓋。
所述側(cè)壁為由聚合物構(gòu)成的環(huán)形支撐體。
所述環(huán)形支撐體具有側(cè)翼肩結(jié)構(gòu)。
所述封蓋芯片與所述襯底芯片之間具有支撐體。
所述擴散阻擋層中的最內(nèi)層為聚合物層。
所述擴散阻擋層中至少包含一層去氣層。
所述擴散阻擋層中具有腐蝕孔。
所述腐蝕孔位于所述環(huán)形支撐體的側(cè)翼肩結(jié)構(gòu)上。
本發(fā)明所提供的技術方案可以實現(xiàn)能夠防潮、防氣體侵襲，并可保持真空的芯片級腔體密閉封裝結(jié)構(gòu)。


下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步的說明。
圖1至圖14是一種微機械結(jié)構(gòu)特定部位的側(cè)視剖面圖及相關的透視圖。它們描示出了該結(jié)構(gòu)在MEMS器件芯片級腔體密閉封裝或真空封裝中不同階段的情況；圖15至圖22是另一種微機械結(jié)構(gòu)特定部位的側(cè)視剖面圖及相關的透視圖。它們描示出了該結(jié)構(gòu)在MEMS器件芯片級腔體密閉封裝或真空封裝中不同階段的情況；圖23是另一側(cè)視剖面圖。描示了一微結(jié)構(gòu)的特定部位在MEMS器件芯片級腔體密閉封裝中某一工藝步驟中的情況；圖24為一俯視圖。描示了一微結(jié)構(gòu)的特定部位在MEMS器件芯片級腔體密閉封裝中某一工藝步驟中的情況。
具體實施例方式
為避免影響被封裝器件的性能，在芯片級腔體封裝工藝中，不能在具有有源器件的芯片表面上增加其它附加層，所以腔體封裝主要由兩種方法來進行。一種是將已經(jīng)形成腔體的另一片腔體芯片粘合或鍵合到器件的芯片上。該方法稱為芯片迭加。另一種是先將具有腔體的芯片分成許多單個的腔體芯片，再將這些單個的腔體芯片粘合鍵合到器件芯片上。
對MEMS器件在芯片級腔體中進行密閉封裝，要在該類器件的制作工藝中或制作工藝完成后，襯底芯片分割成器件芯片前來進行。
圖1所示為襯底芯片10的剖面圖，其中包括已完成或幾近完成的含有MEMS器件400的襯底芯片10和封蓋芯片100。封蓋芯片100最好采用具有和襯底芯片10相近的熱膨脹系數(shù)的材料，如玻璃和硅。如圖1所示，在封蓋芯片100上可以有刻蝕出的腔體101。
作為本發(fā)明所述封裝方法的第一步，首先，在封蓋芯片100上或是在襯底芯片10上，形成至少一個環(huán)形支撐體102，將每個MEMS結(jié)構(gòu)單元環(huán)繞起來，環(huán)形支撐體102一般采用如聚酰亞胺或環(huán)氧樹脂等聚合物或/和無機絕緣體如SiO2或SiNx。它一般做在襯底芯片10上，而不是在封蓋芯片100上。圖中118為結(jié)構(gòu)間隙，對此，可以參見圖2所示的俯視圖。
作為封裝的第二步，圖3為上述微機械結(jié)構(gòu)特定部位的剖面圖。將封蓋芯片100與襯底芯片10面對面對準貼合，用加壓、置于真空或加熱等方法使兩者粘合鍵合，同時使環(huán)繞支撐體102起到支撐定位的作用，并使封蓋芯片100和襯底芯片10之間保持所需的空間。
第三步，用光刻的方法(用光刻膠)刻蝕或用芯片切割鋸(dicing saw)切割出一格一格的窄槽104。這些窄槽和通孔要貫穿封蓋芯片100，環(huán)形支撐體102和中間的其它粘合劑及SiO2(如果有的話)。
在圖4和圖5所示的剖面圖中，窄槽104將環(huán)形支撐體102分為兩部分。一部分位于刻蝕出的窄槽104之內(nèi)，另一部分則位于封蓋芯片100下面?；蜻M一步地，如剖面圖4所示的，環(huán)形支撐體102可以具有一臺階狀的側(cè)翼肩103。而根據(jù)情況，如果在芯片粘合鍵合前有刻蝕出的腔體101，那么封蓋芯片10也可以具有對應的側(cè)翼肩143。如果封蓋芯片100中沒有腔體，則其剖面圖如圖5所示，環(huán)形支撐體102也可以具有一側(cè)翼肩103。該側(cè)翼肩103是本發(fā)明與現(xiàn)有技術的主要區(qū)別之一。
通過上述的步驟，參照圖6所示，封蓋芯片100從上面，環(huán)形支撐體102從四周，襯底芯片10從下面將MEMS器件完全密封在密閉的腔體200之中。
第四步，如圖7和圖8所示，在窄槽104的側(cè)壁及底部淀積單層或/和多層的絕緣層或/和金屬層110。金屬層110的作用是它具有較好的阻擋層性質(zhì)，用以覆蓋聚酰亞胺或環(huán)氧樹脂等聚合物的側(cè)壁，來防止潮氣侵入密封腔中。這一點是本發(fā)明與現(xiàn)有技術的主要區(qū)別之一。
金屬層110淀積前可以有一層通過旋轉(zhuǎn)涂敷(甩膠)淀積并加以刻蝕的聚合物層。由于液體的表面張力，可以在壁角處形成內(nèi)圓角，使隨后的淀積層實現(xiàn)良好的覆蓋。
另外，為了使壓焊焊盤150露出，我們也可以用中空移去(lift off)或腐蝕的方法刻蝕該金屬層，使其僅保留側(cè)壁和底部中的一部分，圖7的結(jié)構(gòu)剖視圖繪出了被密封于腔體200內(nèi)的器件。
實踐中，可能依需要有時全部或有時部分地去除密封腔200中的環(huán)形支撐體(即聚合物環(huán))。部分地去除環(huán)形支撐體可以避免由于環(huán)形支撐體102和擴散阻擋層110間熱膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生的熱應力。另外，剩余的環(huán)形支撐體還可以起支撐封蓋芯片100的作用。
上述工作可以由以下步驟來實現(xiàn)首先，參看剖視圖9和透視圖10，在擴散阻擋層110中刻蝕出腐蝕孔114。該腐蝕孔最好在聚合物環(huán)的側(cè)翼肩103上刻蝕出。然后，利用具有底切(under cut)的各向同性腐蝕，通過腐蝕孔114，全部或部分地將環(huán)形支撐體102去除。各向同性腐蝕可以是含氧等離子干性腐蝕，結(jié)果如剖面圖11和透視圖12所示。這里的擴散阻擋層110起到結(jié)構(gòu)層的作用，形成封裝的外部殼體。這樣，密封腔體200通過腐蝕孔114與外界相通。此時，可以通過腐蝕孔114，對密封腔體及其內(nèi)的MEMS器件進行防粘連氣體處理或/和抽真空。然后，再淀積一層擴散阻擋層116來將腐蝕孔114封住。擴散阻擋層116的淀積可以用濺射、真空蒸鍍、旋轉(zhuǎn)涂敷、等離子增強化學氣相淀積等具有良好側(cè)壁覆蓋效果的淀積技術來實現(xiàn)。該步制作工藝后封裝結(jié)構(gòu)的剖面圖及其透視圖由圖13和14示出。這阻擋層116一定要厚到足以填充腐蝕孔。填充后的腐蝕孔在附加阻擋層116中呈現(xiàn)出凹痕。接下來，將芯片切成許多各個單片，從而生成許多封好的單個密封的器件。需要指出的是，附加的擴散阻擋層116僅僅起擴散阻擋作用，其下面的環(huán)形支撐體102和側(cè)壁阻擋層110才起到結(jié)構(gòu)層的作用。而單有側(cè)壁阻擋層這一結(jié)構(gòu)層可能不足以支撐封蓋100。因此，可能需要額外的支撐體來將封蓋100支起，特別是構(gòu)成環(huán)形支撐體102的聚合物環(huán)被全部去除的時候。為此，要在封蓋100或襯底芯片10上形成支柱149來起支撐作用，如圖15所示。該支撐體可以通過淀積和刻蝕出電介質(zhì)或金屬層來形成。電介質(zhì)或金屬層的厚度要比聚合物粘接環(huán)的厚度稍薄。在芯片粘合鍵合過程中，這些支撐體還起到間距定位的作用，使封蓋100和襯底芯片10保持一定的間距，如圖16所示，因此也可以稱為間距定位體。再下來，用上述的步驟來制作出密封的真空腔體。該腔體可以抗拒外界壓力，使結(jié)構(gòu)不致被壓碎。
圖17至圖22介紹了另一種刻蝕腐蝕孔114的方法。其中圖17所示的一小部分芯片，在封蓋100或襯底芯片10上形成的環(huán)形支撐體102由梳狀體131或條狀體組成。與前述一樣，圖19和圖20中的封蓋芯片100仍通過起間距定位體作用的環(huán)形支撐體102粘合鍵合到襯底芯片10上。而后用刻蝕或芯片切割鋸的方法形成圖19所示的槽104，槽104的側(cè)壁要同時具有開口133和梳狀叉指的末端端面。如圖20所示，用如化學氣相淀積(CVD)、物理氣相淀積(PVD)如濺射和真空蒸鍍、或旋轉(zhuǎn)涂敷等淀積法淀積結(jié)構(gòu)層110來將梳狀叉指末端的端面覆蓋。因為該110結(jié)構(gòu)層不足以厚到將其填滿，開口133還保持開口。因而，開口133可以用來作腐蝕孔。通過這些腐蝕孔133，參見圖21，用各向同性腐蝕可以將環(huán)形支撐體102全部或部分腐蝕掉。最后，如圖22所示，淀積擴散阻擋層或去氣層來將腐蝕孔133封上。被填充后的腐蝕孔仍呈凹槽211。
參見圖23所示的剖面圖和圖24的俯視圖，由于焊線所需的焊盤一般分布在結(jié)構(gòu)間隙118中。在現(xiàn)有的示例中，它們可以在三維封裝腔體之上的封蓋100中形成。這樣的分布可以減小封裝后的芯片面積和寄生電容。為了做到這一點，在封蓋芯片100與環(huán)形支撐體102的交迭位置刻蝕出互連通孔106(通孔要貫通封蓋芯片100，支撐體130和/或聚合物環(huán)102)。而后，進行覆蓋互連通孔側(cè)壁的金屬薄膜淀積和刻蝕，形成金屬互連151，焊盤150和它們的中間連接153。由此，在封蓋芯片之上形成了焊盤和金屬互連。
上述的封裝方法和系統(tǒng)適用于大多數(shù)MEMS器件的封裝。如可形變微反射鏡(DMD)或TI公司的數(shù)字光處理器，慣性傳感器和射頻開關。因為這些小型封裝呈全封閉或腔體結(jié)構(gòu)，非常類似于很多MEMS壓力傳感器(比如，Bryzek等人的美國專利6346742)。它們也可用于制作壓力傳感器。只不過在這種情況下，封蓋芯片要減薄成柔韌的芯片，密封腔也要作成空的。
上述本發(fā)明的特定實施例已經(jīng)對本發(fā)明的內(nèi)容做了詳盡的說明。對本領域的一般技術人員而言，在不背離本發(fā)明實質(zhì)精神的前提下對它所做的任何顯而易見的改動，都將構(gòu)成對本發(fā)明專利權(quán)的侵犯，將承擔相應的法律責任。
權(quán)利要求
1.一種實現(xiàn)芯片級腔體密閉封裝的方法，其特征在于包括如下步驟(1)在襯底芯片上，形成至少一個環(huán)繞微機械結(jié)構(gòu)單元的環(huán)形支撐體；(2)將封蓋芯片與所述襯底芯片面對面對準貼合，并使兩者粘合鍵合，在所述封蓋芯片和所述襯底芯片之間保持所需的空間；(3)將所述封蓋芯片刻蝕或切割窄槽以形成出多個方塊；(4)在所述窄槽的側(cè)壁及底部淀積單層或/和多層的擴散阻擋層。
2.如權(quán)利要求1所述的實現(xiàn)芯片級腔體密閉封裝的方法，其特征在于所述方法進一步包括如下步驟(1)在所述窄槽側(cè)壁的擴散阻擋層中刻蝕出腐蝕孔；(2)通過所述腐蝕孔全部或部分地將所述環(huán)形支撐體去除；(3)淀積擴散阻擋層將所述腐蝕孔封??；(4)將芯片切片，使單個的封裝與芯片分離，形成封好的單個密封器件。
3.如權(quán)利要求1所述的實現(xiàn)芯片級腔體密閉封裝的方法，其特征在于所述步驟(1)中，所述環(huán)形支撐體也在所述封蓋芯片上形成。
4.如權(quán)利要求1所述的實現(xiàn)芯片級腔體密閉封裝的方法，其特征在于所述步驟(3)中，所述窄槽貫穿所述封蓋芯片以及環(huán)形支撐體。
5.如權(quán)利要求1所述的實現(xiàn)芯片級腔體密閉封裝的方法，其特征在于所述步驟(3)中，采用芯片切割鋸實現(xiàn)切割。
6.如權(quán)利要求1所述的實現(xiàn)芯片級腔體密閉封裝的方法，其特征在于所述步驟(4)中，在淀積金屬層之前，首先淀積一層聚合物層。
7.如權(quán)利要求2所述的實現(xiàn)芯片級腔體密閉封裝的方法，其特征在于所述步驟(2)中，在全部去除所述粘合劑環(huán)之前，在所述封蓋芯片或襯底芯片上通過淀積和刻蝕出電介質(zhì)或金屬層來形成起支撐作用的支撐體。
8.一種芯片級腔體密閉封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于所述腔體密閉封裝結(jié)構(gòu)包括位于襯底芯片上的封閉腔體和分布在該腔體外的焊盤，所述封閉腔體由封蓋芯片，側(cè)壁和襯底芯片構(gòu)成，其中封閉有微機械結(jié)構(gòu)單元；所述封閉腔體的側(cè)壁覆蓋有擴散阻擋層；所述焊盤和所述襯底芯片的邊緣不被擴散阻擋層覆蓋。
9.如權(quán)利要求8所述的芯片級腔體密閉封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于所述側(cè)壁為由聚合物構(gòu)成的環(huán)形支撐體。
10.如權(quán)利要求9所述的芯片級腔體密閉封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于所述環(huán)形支撐體具有側(cè)翼肩結(jié)構(gòu)。
11.如權(quán)利要求8所述的芯片級腔體密閉封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于所述封蓋芯片與所述襯底芯片之間具有支撐體。
12.如權(quán)利要求8所述的芯片級腔體密閉封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于所述擴散阻擋層中的最內(nèi)層為聚合物層。
13.如權(quán)利要求8所述的芯片級腔體密閉封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于所述擴散阻擋層中至少包含一層去氣層。
14.如權(quán)利要求8所述的芯片級腔體密閉封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于所述擴散阻擋層中具有腐蝕孔。
15.如權(quán)利要求10或14所述的芯片級腔體密閉封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于所述腐蝕孔位于所述環(huán)形支撐體的側(cè)翼肩結(jié)構(gòu)上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于實現(xiàn)芯片級腔體密閉封裝的方法，也涉及該方法所實現(xiàn)的密閉封裝結(jié)構(gòu)。該封裝結(jié)構(gòu)包括襯底芯片上的封閉腔體和該腔體外的焊盤；腔體由封蓋芯片、側(cè)壁和襯底芯片構(gòu)成；所述腔體的側(cè)壁由一或多層的擴散阻擋層覆蓋；所述焊盤和所述襯底芯片的邊緣不被擴散阻擋層覆蓋。所述擴散阻擋層由淀積方法形成，并可有去氣的作用。本發(fā)明可以實現(xiàn)能夠防潮、防氣體侵襲，并可保持真空的芯片級腔體密閉封裝結(jié)構(gòu)。
文檔編號B81C3/00GK101016148SQ200610003520
公開日2007年8月15日 申請日期2006年2月7日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月7日
發(fā)明者萬長風 申請人:萬長風