專利名稱：微機(jī)電器件的晶圓級真空封裝方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微機(jī)電器件的晶圓級真空封裝方法。
背景技術(shù)：
對微機(jī)電(MEMS)器件來說，傳統(tǒng)的封裝技術(shù)主要是芯片級的封裝。工藝流程包括 如下步驟首先在硅晶圓上制備MEMS芯片；然后對晶圓進(jìn)行割片、釋放犧牲層、貼片、引線； 最后封蓋。這些步驟中，釋放犧牲層以后的步驟都是針對單個芯片進(jìn)行的。由于一個晶圓 割片后可以產(chǎn)生成百上千個芯片，因此這種芯片級封裝的成本很高。實(shí)際上，對一個MEMS 器件的成品來說，約90%的成本都消耗在封裝上。因此，降低封裝成本是MEMS工業(yè)的一個 主要發(fā)展趨勢。集成電路(IC)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了晶圓級封裝，在借鑒集成電路的晶圓級封裝技術(shù) 的基礎(chǔ)上，針對MEMS器件的特性提出了 MEMS器件的晶圓級封裝工藝的技術(shù)方案。如圖1、圖2A和圖2B所示，傳統(tǒng)的MEMS器件的晶圓級真空封裝方法中，參與封裝 的有兩片晶圓，MEMS傳感器(或集成電路)所在的晶圓稱為器件晶圓(Device Wafer)，另 一片則稱為封蓋晶圓(Cap Wafer)。器件晶圓1上用濺射的方法鍍了多層金屬形成密封環(huán)(Bond Ring)4，密封環(huán)4構(gòu) 成一個方形的框。在器件晶圓1的密封環(huán)4外側(cè)設(shè)有多個引線盤8，引線盤8從器件晶圓1 內(nèi)部穿過密封環(huán)4的下方，與器件晶圓1的MEMS傳感器(或集成電路)形成電連接。封蓋晶圓2上與器件晶圓1的密封環(huán)4相對應(yīng)位置用濺射的方法鍍了多層金屬， 形成密封環(huán)7。封蓋晶圓2的密封環(huán)7上還通過電鍍或電子印刷的方法鍍了一層焊料5。密封環(huán) 7的作用是既要增強(qiáng)焊料5熔化時的浸潤性，又要能阻擋焊料5擴(kuò)散滲透，避免焊料5與封 蓋晶圓2接觸。然后使用真空鍵合設(shè)備，將器件晶圓1上的密封環(huán)4與封蓋晶圓2的密封環(huán)7對 正并接觸，在大氣或真空環(huán)境下加熱使焊料5熔化后停止加熱；待焊料5冷卻后，兩片晶圓 就鍵合在一起了 ；最后用割片機(jī)將鍵合后形成的一個個單元切割下來，就成為一個完整的 管芯，芯片作為管芯的底部，封蓋作為管芯的頂部，焊料作為管芯的側(cè)墻。在該傳統(tǒng)的MEMS器件的晶圓級真空封裝方法中，由于MEMS傳感器通常都含有懸 空結(jié)構(gòu)，有一定的高度。在鍵合的過程中，焊料5會熔解并重新結(jié)晶，實(shí)際厚度將小于電鍍 時的厚度，鍵合后MEMS傳感器3的頂端有可能與封蓋晶圓2接觸，導(dǎo)致失效，該傳統(tǒng)方法的 封裝，失效率非常高。另外，以上所述的僅僅是一般性的MEMS晶圓封裝方法。不同的MEMS器件，其封裝 工藝的具體要求是不一樣的。某些器件，比如說非致冷式紅外熱輻射計陣列(IRFPA)，其芯 片需要在真空環(huán)境下才能正常工作，所以需要真空封裝，其難度要大于氣密性封裝和常規(guī) 封裝。因此如何實(shí)現(xiàn)真空和長期保持真空度一直是一個挑戰(zhàn)。通常的解決方法是使用吸氣 劑(Getter)材料。吸氣劑通常是塊體狀的，必須安裝固定在封裝管殼上。這種方式顯然不 適用于芯片級封裝。在晶圓級封裝中，吸氣材料(Ti、TiZr、Ti&V等)必須以薄膜的形式沉積在晶圓上，通常是沉積在封蓋晶圓上，鍵合之前在真空環(huán)境中激活。不選擇向器件晶圓沉 積吸氣材料的原因是(a)芯片的工藝流程比較復(fù)雜，要經(jīng)歷多次清洗、刻蝕，工藝過程中的高溫可能將 吸氣劑提前激活。(b)吸氣劑占有的區(qū)域會增大芯片的面積，同一晶圓上所能包含的芯片數(shù)量就會 減少，從而降低產(chǎn)能，增加成本。除此以外，非致冷式紅外熱輻射計陣列(IRFPA)多用于紅外成像或者溫度測量， 因此需要外界的紅外輻射能穿透封裝材料入射到芯片上，這對封蓋晶圓在紅外波段的透過 率也提出了要求。在紅外器件中，經(jīng)常用作光學(xué)窗口的材料有Si和Ge。Si和Ge在8-12um 波段透過率在40% _55%，在12-14um波段透過率則更低，因此單獨(dú)靠晶圓材料本身還不足 以達(dá)到透過率的要求。透過率偏低的原因是相當(dāng)一部分入射光在空氣_晶圓的表面被反射 了。為了降低反射，經(jīng)常需要在封蓋晶圓一面或兩面鍍上一層減反增透膜。吸氣劑需要激活后才能使用。薄膜吸氣劑的激活方式是在鍵合前通過加熱一段時 間來實(shí)現(xiàn)的，在這段時間中，必須保證MEMS傳感器和增透膜不受高溫的影響。由于鍵合的 溫度不能太低，因此往往會超過增透膜能承受的最高溫度。這樣一來也就限制了增透膜不 能鍍在封蓋晶圓的正面。密封環(huán)、吸氣劑和增透膜在光窗上占有不同的區(qū)域，因此需要有效的圖形化方式。 密封環(huán)可以使用常見的光刻或剝離工藝處理。但高溫、酸、堿、等離子體等都有可能改變增 透膜或吸氣劑的性能，針對紅外器件必須得有獨(dú)特的封裝工藝。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決紅外器件的晶圓級封裝的技術(shù)問題。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出如下技術(shù)方案本發(fā)明的微機(jī)電器件的晶圓級真空封裝方法依次包括如下步驟S1、晶圓準(zhǔn)備準(zhǔn)備封蓋晶圓和已經(jīng)制備好芯片的器件晶圓，其中該封蓋晶圓為區(qū) 熔法生長的硅單晶，晶向<100> ；S2、分別在該器件晶圓正面和該封蓋晶圓正面生長密封環(huán)；S3、在該封蓋晶圓正面的密封環(huán)上生長一層焊料；S4、利用密封環(huán)為掩模，使用反應(yīng)離子刻蝕工藝對封蓋晶圓正面進(jìn)行深硅刻蝕，形 成凹槽；S5、在該封蓋晶圓正面用濺射或蒸發(fā)工藝生長吸氣劑薄膜，其圖形直接由生長時 的掩模版獲得；S6、使用晶圓鍵合設(shè)備，先通過加熱激活增透膜，再將器件晶圓和封蓋晶圓鍵合在 一起；S7、在該封蓋晶圓反面用蒸發(fā)工藝生長增透膜，其圖形直接由生長時的掩模版獲 得；S8、割片。其中，所述步驟S2中的密封環(huán)由內(nèi)向外依次為鈦、鉻或釩厚度為300 700 A鎳
鈦、鉻或釩 鎳
金、鉬或鈀
-7000 A
looo A
-7000 A
looo Ac
厚度為5000 厚度為500 -厚度為5000 厚度為400 -優(yōu)選地，所述密封環(huán)由內(nèi)向外依次為 鈦厚度為500 A
鎳厚度為6000 A
鈦厚度為500 A
鎳厚度為6000 A
金厚度為500入。
所述步驟S3中，該焊料厚度為35 55um。 所述步驟S3中，該焊料是錫、鉛錫合金、錫銀合金或者錫金合金。 所述步驟4中，該凹槽深度50 400um，優(yōu)選的凹槽深度lOOum。 所述步驟S5中，該吸氣劑的材料是鈦、鈦鋯合金或者鈦鋯釩合金。 所述步驟S7中，該封蓋晶圓上的增透膜材料為硫化鋅、鍺和硒化鋅的一種或多種。本發(fā)明的微機(jī)電器件的晶圓級真空封裝方法的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是本發(fā)明通過調(diào) 整密封環(huán)生長、焊料沉積、吸氣劑生長、增透膜生長這幾個步驟的工藝次序，并且吸氣劑和 增透膜的圖形都是直接通過掩模版在薄膜生長階段就直接成型，從原則上就避開了可能改 變這兩種薄膜性能的光刻和刻蝕工藝，即避免了后道工藝對前道工藝結(jié)果的影響。同時，本 發(fā)明的方法中，以已經(jīng)形成的密封環(huán)做掩模，對封蓋晶圓進(jìn)行深硅刻蝕，刻蝕過程中所用的 氣體只與硅反應(yīng)，不與密封環(huán)7中的金屬反應(yīng)，因此不會損害密封環(huán)和焊料。深硅刻蝕在封 蓋晶圓上形成了凹槽，從而增加了鍵合后MEMS傳感器的頂端有可能與封蓋晶圓之間的距 離，確保了 MEMS傳感器和封蓋晶圓不會接觸，所以能夠避免因二者接觸而導(dǎo)致的失效，故 本發(fā)明的方法最大程度地降低了失效率。


圖1是傳統(tǒng)的微機(jī)電器件的晶圓級真空封裝原理示意圖；圖2A表示圖1所示的微機(jī)電器件中器件晶圓的密封環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2B表示圖1所示的微機(jī)電器件中封蓋晶圓的密封環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖；圖3A-圖3H表示以非致冷式紅外微測熱輻射計的封裝為例來說明本發(fā)明的微機(jī) 電器件的晶圓級真空封裝方法的流程示意圖；圖4表示本發(fā)明的微機(jī)電器件的晶圓級真空封裝方法中生長吸氣劑所使用的掩 模版的一個單元的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中只顯示了掩模版的一個單元圖形，實(shí)際掩模版包括多 個這樣的圖形單元，覆蓋整個晶圓，圖中的虛線示出了密封環(huán)的位置；圖5表示本發(fā)明的微機(jī)電器件的晶圓級真空封裝方法中生長增透膜步驟所使用 的掩模版的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中只顯示了掩模版的一個單元圖形，實(shí)際掩模版包括多個這樣 的圖形單元，覆蓋整個晶圓，圖中的虛線示出了密封環(huán)的位置。圖中附圖標(biāo)記1.器件晶圓；2.封蓋晶圓；3. MEMS傳感器；4.器件晶圓密封環(huán)；5.焊料；6.吸氣劑薄膜；7.封蓋晶圓密封環(huán)；8.引線盤；9.封蓋晶圓反面增透膜。
具體實(shí)施例方式下面以非致冷式紅外微測熱輻射計芯片的封裝為例來說明微機(jī)電器件的晶圓級
真空封裝方法。參照圖3A-圖3H、圖4和圖5。依照本發(fā)明的方法，非致冷式紅外微測熱輻射計芯 片30的晶圓級真空封裝方法依次包括如下步驟S1、晶圓準(zhǔn)備準(zhǔn)備封蓋晶圓2和器件晶圓1，其中封蓋晶圓2為熔法生長的硅單 晶或鍺單晶，晶向<100> ；器件晶圓1內(nèi)已經(jīng)制備有非致冷式紅外微測熱輻射計30和引線 盤8。
S2、分別在器件晶圓1正面和封蓋晶圓2正面生長密封環(huán)4，7，具體步驟為 S2a、分別在器件晶圓1正面和封蓋晶圓2正面旋涂2um左右的光刻膠(正膠)； S2b、曝光顯影，刻出密封環(huán)圖形； S2c、在密封環(huán)圖形上面依次濺射生長

可行的
鈦(Ti) 鎳(Ni) 鈦(Ti) 鎳(Ni) 金(Au)
厚度為500 A 厚度為6000 A 厚度為500 A 厚度為6000 A 厚度為500 A;
當(dāng)然組成密封環(huán)的各個層的厚度不限于上述的點(diǎn)值，各層厚度在下列范圍內(nèi)都是
鈦(Ti) 厚度為300 700 A 鎳(Ni) 厚度為5000 7000 A 鈦(Ti) 厚度為500 1000 A 鎳(Ni) 厚度為5000 7000 A 金(Au) 厚度為400 1000 A，
其中的鈦(Ti)也可以由鉻(Cr)或者釩(V)代替，金(Au)也可以由鉬(Pt)或鈀 (Pd)代替；S2d、用丙酮分別將器件晶圓1和封蓋晶圓2在超聲清洗機(jī)里清洗，剝離去掉光刻 膠和密封環(huán)上方多余的金屬膜；S2e、在300°C下退火8分鐘。S3、在封蓋晶圓2正面的密封環(huán)7上，用微滴噴射、電鍍或化學(xué)鍍的方法生長一層 用作焊料5的灰錫(Sn)，灰錫的厚度為50士5um，焊料5的厚度在35 55um范圍內(nèi)均是可 行的。以電鍍或化學(xué)鍍方法生長灰錫時，要在電鍍或化學(xué)鍍之前在封蓋晶圓2正面旋涂 2um左右的光刻膠(正膠)；之后曝光顯影，露出密封環(huán)7;然后進(jìn)行電鍍或化學(xué)鍍；最后去 除殘留的光刻膠。S4、以密封環(huán)7和其上的焊料5為掩模，用反應(yīng)離子刻蝕工藝對封蓋晶圓進(jìn)行深硅 刻蝕，刻蝕深度定為lOOum，以形成深度為lOOum的凹槽。該步驟中，刻蝕深度不限于lOOum，
6在50 400um范圍內(nèi)均是可行的，具體可以根據(jù)MEMS傳感器中懸空結(jié)構(gòu)的高度合理確定。S5、在封蓋晶圓2正面用濺射或蒸發(fā)工藝生長吸氣劑薄膜6，吸氣劑材料為鈦鋯合 金，生長過程中用掩模版擋住不需要長膜的區(qū)域。需要長膜的生長區(qū)域11 (見圖4)約為 IX6mm，掩模版的厚度僅為0. 5mm，在生長區(qū)域11內(nèi)不會產(chǎn)生明顯的遮擋效應(yīng)，也就是說， 生長區(qū)域11的尺寸比掩模板厚度大很多，則掩模版不會明顯遮擋生長區(qū)域11的邊緣，這樣 薄膜在絕大部分長生長區(qū)域11內(nèi)都是比較均勻的。吸氣劑的材料也可以選用鈦或者鈦鋯 釩合金等。S6、使用晶圓鍵合設(shè)備先通過加熱激活增透膜；然后將該封蓋晶圓與該器件晶圓 的密封環(huán)對準(zhǔn)并接觸，在真空條件下加該熱封蓋晶圓直至該焊料完全熔化，再冷卻至室溫， 從而將封蓋晶圓1與器件晶圓2鍵合到一起。S7、在封蓋晶圓2正面用電子束蒸發(fā)工藝生長增透膜9，增透膜材料為硫化鋅 (ZnS)、鍺(Ge)和硒化鋅(ZnSe)中的一種或多種，生長過程中用掩模版擋住不需要長膜的 區(qū)域。需要長膜的生長區(qū)域12(見圖5)約為8 X 8mm，掩模版的厚度僅為0.5mm，在生長區(qū) 域12內(nèi)不會產(chǎn)生明顯的遮擋效應(yīng)(Shadow effect)，也就是說，生長區(qū)域12的尺寸比掩模 板厚度大很多，則掩模版不會明顯遮擋生長區(qū)域12的邊緣，這樣薄膜在絕大部分長生長區(qū) 域12內(nèi)都是比較均勻的。S8、割片。本發(fā)明的微機(jī)電器件的晶圓級真空封裝方法中，生長密封環(huán)和焊料的步驟安排在 生長吸氣劑和生長增透膜步驟前面，這樣密封環(huán)圖形成型所需要的光刻刻蝕工藝、密封環(huán) 退火的高溫、以及電鍍液中的化學(xué)成分都不會影響到吸氣劑和增透膜的性質(zhì)。另外，本發(fā)明 中，密封環(huán)中的鎳(Ni)采用分層結(jié)構(gòu)。太厚的鎳薄膜可能會由于應(yīng)力過大而導(dǎo)致脫膜。在 中間插入一層500 1000 A的鈦薄膜可以有效地緩解應(yīng)力。總厚度為1. 2um的鎳薄膜起 的是阻擋焊料擴(kuò)散的作用。400 1000 A的金可以增強(qiáng)焊料的潤濕性。利用反應(yīng)離子刻蝕 技術(shù)中刻蝕氣體對材料的選擇性，以密封環(huán)和其上的焊料作為掩模，可直接對封蓋晶圓進(jìn) 行深硅刻蝕，節(jié)省了光刻的步驟。所以，本發(fā)明的微機(jī)電器件的晶圓級真空封裝方法，特別 適用于紅外微機(jī)電器件的晶圓級真空封裝。本發(fā)明的微機(jī)電器件的晶圓級真空封裝方法，工藝簡單，便于實(shí)現(xiàn)，可以大大縮短 微機(jī)電器件的封裝周期，提高產(chǎn)能，降低封裝成本。雖然已參照幾個典型實(shí)施例描述了本發(fā)明，但應(yīng)當(dāng)理解，所用的術(shù)語是說明和示 例性、而非限制性的術(shù)語。由于本發(fā)明能夠以多種形式具體實(shí)施而不脫離發(fā)明的精神或?qū)?質(zhì)，所以應(yīng)當(dāng)理解，上述實(shí)施例不限于任何前述的細(xì)節(jié)，而應(yīng)在隨附權(quán)利要求所限定的精神 和范圍內(nèi)廣泛地解釋，因此落入權(quán)利要求或其等效范圍內(nèi)的全部變化和改型都應(yīng)為隨附權(quán) 利要求所涵蓋。
權(quán)利要求
一種微機(jī)電器件的晶圓級真空封裝方法，其特征在于，該方法依次包括如下步驟S1、晶圓準(zhǔn)備準(zhǔn)備封蓋晶圓和已經(jīng)制備好芯片的器件晶圓，其中該封蓋晶圓為區(qū)熔法生長的硅單晶或鍺單晶，晶向<100>；S2、分別在該器件晶圓正面和該封蓋晶圓正面生長密封環(huán)；S3、在該封蓋晶圓正面的密封環(huán)上生長一層焊料；S4、利用密封環(huán)為掩模，使用反應(yīng)離子刻蝕工藝對封蓋晶圓正面進(jìn)行深硅刻蝕，形成凹槽；S5、在該封蓋晶圓正面用濺射或蒸發(fā)工藝生長吸氣劑薄膜，其圖形直接由生長時的掩模版獲得；S6、使用晶圓鍵合設(shè)備，先通過加熱激活增透膜，再將器件晶圓和封蓋晶圓鍵合在一起；S7、在該封蓋晶圓反面用蒸發(fā)工藝生長增透膜，其圖形直接由生長時的掩模版獲得；S8、割片。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微機(jī)電器件的晶圓級真空封裝方法，其特征在于，所述步驟 S2中的密封環(huán)由內(nèi)向外依次為鈦、鉻或釩厚度為300 700入 鎳厚度為5000 7000 A鈦、鉻或釩厚度為500 1000 A 鎳厚度為5000 7000 A金、鉬或鈀厚度為400 1000 A。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微機(jī)電器件的晶圓級真空封裝方法，其特征在于，所述密封 環(huán)由內(nèi)向外依次為鈦 厚度為500 A 鎳 厚度為6000 A 鈦 厚度為500 A 鎳 厚度為6000 A 金 厚度為500 A。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微機(jī)電器件的晶圓級真空封裝方法，其特征在于，所述步驟 S3中，該焊料厚度為35 55um。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的微機(jī)電器件的晶圓級真空封裝方法，其特征在于，所述步驟 S3中，該焊料是錫、鉛錫合金、錫銀合金或金錫合金。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微機(jī)電器件的晶圓級真空封裝方法，其特征在于，所述步驟 S4中，凹槽的深度為50 400um。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的微機(jī)電器件的晶圓級真空封裝方法，其特征在于，所述步驟 S4中，凹槽的深度為lOOum。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的微機(jī)電器件的晶圓級真空封裝方法，其特征在于，所述步驟 S5中，該吸氣劑的材料是鈦、鈦鋯合金或者鈦鋯釩合金。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-7之任一所述的微機(jī)電器件的晶圓級真空封裝方法，其特征在于， 所述步驟S7中，該封蓋晶圓上的增透膜材料為硫化鋅、鍺和硒化鋅的一種或多種。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種微機(jī)電器件的晶圓級真空封裝方法，依次包括如下步驟S1、準(zhǔn)備封蓋晶圓和器件晶圓；S2、分別在器件晶圓正面和封蓋晶圓正面生長密封環(huán)；S3、在封蓋晶圓正面的密封環(huán)上生長焊料；S4、以密封環(huán)為掩模，對封蓋晶圓進(jìn)行深硅刻蝕，形成凹槽；S5、在封蓋晶圓正面生長吸氣劑薄膜，其圖形直接由生長時的掩模版獲得；S6、用將鍵合設(shè)備先加熱激活吸氣劑薄膜，再將封蓋晶圓與器件晶圓鍵合到一起；S7、在封蓋晶圓的反面生長增透膜，圖形直接由生長時的掩模版獲得；S8、割片。本發(fā)明通過調(diào)整工藝次序，避免了后道工藝對前道工藝結(jié)果的影響，特別適用于紅外器件的封裝。
文檔編號B81C3/00GK101798054SQ20101016644
公開日2010年8月11日 申請日期2010年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月10日
發(fā)明者方輝, 雷述宇 申請人:北京廣微積電科技有限公司