专利名称：Mems器件圆片级芯片尺寸气密封装的结构及实现方法
技术领域：
本发明涉及一种微机电系统(MEMS)器件圆片级芯片尺寸气密封装的 结构与实现的方法，属于MEMS器件封装领域。
背景技术：
MEMS (micro-electro-mechanical system)是指采用微细加工技术制作 的集微型传感器，微型构件，微型执行器，信号处理，控制电路等于一体的 系统。MEMS器件在许多领域都有十分广阔的应用前景。然而，在MEMS 器件中，含有可动部件，这些可动部件十分脆弱，极易受到划片和装配过程 中的灰尘，湿度，机械等因素的影响，从而造成器件的损坏或器件的整体性 能下降。因此，必须采取气密封装措施，保护这些关键部位。 为了实现MEMS器件的气密封装，人们提出了很多种MEMS器件气密封装 方法，基本的思想是将一个带有空腔的盖板键合到MEMS器件所在的圆片 上，键合后的圆片再进行划片，装配等后道工艺，从而保护了MEMS器件， 提高了成品率。如果MEMS器件需要和外界电联通，通常的方法是在盖板 上制作垂直通孔，再采用电镀等方法完成通孔内金属化，从而实现空腔内的 MEMS器件与外界的电学互联。在盖板上制作垂直通孔的方法通常有湿法 腐蚀(如四甲基氢氧化铵(TMAH)腐蚀)，干法刻蚀(如深反应离子束刻蚀 (DRIE))。湿法腐蚀的缺点在于腐蚀是各向异性的，如果把整个盖板腐蚀 穿，水平方向上开口口径的增大将会极大地降低封装密度。干法刻蚀的缺点 则在于DRIE的成本高。盖板越厚，所需DRIE的时间就越长，极大地增 加了 MEMS器件的封装成本。目前大多数的MEMS器件圆片级封装都是采 用干法刻蚀，封装的高成本也始终是制约MEMS器件大规模投入使用的瓶 颈。也有方法先将盖板减薄，再进行干法刻蚀。但这种方法也有不利的一面: 减薄的圆片强度下降，在之后的DRIE、电镀、键合等过程中很可能发生碎 裂。因此，这种方法不能将盖板圆片减薄许多， 一般减薄到250-300um，也有直接使用这一厚度范围的薄晶片者。即便如此，薄晶片的价格远贵于普
通晶片，而且仍然有200um以上的高度需要用到干法刻蚀处理，这使得封
装成本依然很高。
发明内容
为了避免诸如划片的后道工艺对MEMS器件的破坏，提高MEMS器件 的成品率，为MEMS器件提供气密的工作环境，降低干法刻蚀带来的成本 增加，本发明提出了一种MEMS器件圆片级芯片尺寸气密封装结构与实现 的相应工艺方法。
最终封装结构如图8所示，该结构的具体结构特点为 (1) 利用TMAH湿法将硅片减薄至120 160pm，通常为140 P m (如图8中所示的102)作为封装结构的上盖板；
(2) 利用凸点(如图8中所示的608)替代封装结构中的垂直通孔。 凸点由在减薄的硅盖板上TMAH湿法腐蚀开出垂直通孔，植入 焊球，回流后形成。凸点同时也作为封装结构的1/0 (输入输出 端口)；
(3) 由焊点与凸点(即如图8中焊点617与凸点608)的电连接实现 被封器件与外界之间的电互联，由焊环(如图8中所示314)实 现上下盖板的键合并提供器件工作所需的真空气密环境；
实现该封装结构的主要方案如下
使用普通硅片作为盖板(厚度450Pm);利用Cu/Sn固液互扩散 (SLID)方法在真空条件下完成键合，达成对MEMS器件的气密封装保护； 键合完成后，采用TMAH湿法腐蚀将盖板整体减薄至140um并进行化学 机械抛光(CMP)，再利用光刻以及TMAH湿法腐蚀将盖板上对应MEMS 器件电极位置的区域腐蚀穿透，露出键合后剩余的铜层，然后溅射种子层， 通过布置锡焊球并回流一次性完成通孔的金属化以及盖板表面的凸点制备。 上述工艺方法的特征在于
(1)采用Cu/Sn键合实现气密封装。焊点和焊环由种子层TiW/Cu、反 应金属层Cu、焊料层Sn组成。反应金属层Cu层厚度为8ixm，焊料层Sn 层厚度为3 4um，焊点尺寸为lOOiimXlOOum，焊环宽度为200 " m 300 um。键合峰值温度控制在35(TC，对于绝大多数的MEMS器件不会造成损伤。 键合过程中始终在圆片上施加200mbar大小的静载荷，键合曲线为从室温 升至25(TC，保持5min，再由25(TC升至350°C，保持10min，最后从350
"C快速降至室温。
(2) 完成圆片键合后，利用TMAH湿法腐蚀对(100)硅片盖板整体减 薄至120 160|im，推荐减薄至140 u m。
(3) 在减薄的盖板上利用TMAH湿法腐蚀得到垂直通孔，该通孔为顶部 口径250umX250线底部口径50 y mX 50 u m，高度l飾m，倾角为54.74 °的斜槽，并在此斜槽中植入焊球并回流，以此作为垂直通孔。
(4) 在作为垂直通孔的湿法腐蚀形成的斜槽中布置焊球并回流， 一次性 完成垂直通孔的金属化以及盖板表面的凸点制备。
本发明的有益效果真空条件下的Cu/Sn键合能够在较低的温度下实现 MEMS器件的气密封装；键合使得盖板的强度得到加强，因此湿法腐蚀可 以将盖板减薄120 160um，薄的厚度可以减小湿法腐蚀对封装密度的影 响；通过布置焊球以及回流同时完成了通孔金属化以及盖板表面凸点制备， 简化了工艺；该封装结构的制造过程中不需使用干法刻蚀制备垂直互联通 孔，从而降低了封装成本。
图1是阵列MEMS器件的晶片俯视图。 图2是阵列腔体的盖板俯视图。 图3是盖板和MEMS器件晶片键合前的截面图。 图4是键合与减薄后盖板和MEMS器件晶片的截面图。 图5是湿法腐蚀刻穿盖板后，露出的铜层在MEMS器件晶片上所处位 置的俯视示意图。
图6是湿法腐蚀刻穿盖板后，盖板和MEMS器件晶片的截面图。 图7是通孔中溅射种子层后的盖板和MEMS器件晶片的截面图。 图8是布置焊球以及回流之后盖板和MEMS器件晶片的截面图。 各图中101为阵列MEMS器件的硅片，201为阵列腔体的盖板，11为 201盖板上的空腔，85为101硅片上的大焊环，86为201盖板上的大焊环， 313为MEMS器件硅片上的焊环，301为组成313焊环的种子层，302为组成313焊环的反应金属层，303为组成313焊环的焊料层，412为盖板上的 焊环，401为组成412焊环的种子层，402为组成412焊环的反应金属层， 501为MEMS器件的活动部分，613为MEMS器件硅片上的焊点，601为 组成613焊点的种子层，602为组成613焊点的反应金属层，603为组成613 焊点的焊料层，712为对应于613的盖板上的焊点，701为组成712焊点的 种子层，702为组成712焊点的反应金属层，720为键合之后盖板上焊点处 剩余的Cu, 420为键合之后盖板上焊环处剩余的Cu, 620为键合之后MEMS 器件硅片上焊点处剩余的Cu, 320为键合之后MEMS器件硅片上焊环处剩 余的Cu，67为键合之后焊点处生成的金属化合物(IMC)， 34为键合之后焊 环处生成的金属化合物，617为键合之后的焊点，314为键合之后的焊环， 102为减薄之后的盖板，77是TMAH腐蚀后盖板上露出的铜层，801为焊 球下金属层(UBMlayer)， 608为回流后的形成的凸点。
具体实施例方式
为了能使本发明的优点和积极效果得到充分的体现，下面结合附图和实 施例对本实用新型进一步说明。
在图1中，在硅片101上，313是依次由种子层301、反应金属层302、焊 料层303组成的焊环，焊环的宽度为200tim 300um， MEMS器件工作的 气密环境主要由键合后的焊环来保证。613是依次由种子层601、反应金属 层602、焊料层603组成的电极，称为焊点，尺寸100umX100um，它是 MEMS器件的一部分，MEMS器件是通过焊点与外界交换电信号。85是特 意做在硅片101边缘的由种子层301、反应金属层302和焊料层303组成的 大焊环，它环绕整个硅片，作用是在今后的湿法腐蚀中保护环内的芯片。以 上的种子层均为溅射的50nmTiW/100nmCu，反应金属层均为电镀得到的 Cu，厚度为8iim，焊料层均为电镀得到的Sn，厚度为3 4um。由于Sn 在空气中很容易氧化，氧化层将对键合带来不良影响，所以在Sn上溅射一 层100nm左右的Au，以防止Sn氧化(Au层在图中没有画出)。MEMS器 件活动部分501处在四个焊点613的中央，MEMS器件活动部分501和焊 点613都是组成MEMS器件的一部分。
在图2中，在盖板201上，对应于MEMS器件所在硅片101的焊环313、焊点613和大焊环85，也分别有焊环412、焊点713和大焊环86。焊环412 由种子层401和反应金属层402组成，焊点712由种子层701和反应金属层 702组成，大焊环86由种子层和反应金属层组成。由于键合反应采用单面 焊料的方案，盖板201上的键合结构中都没有Sn焊料层。
所述种子层为溅射的50nmTiW/100nmCu，反应金属层为电镀得到的 Cu，厚度为8um。
区域11代表盖板201上的空腔，高度20pm左右，湿法腐蚀或干法刻 蚀都可以用来做出空腔11的阵列。空腔11的作用是为MEMS器件的活动 部位提供空间。
与图l和图2俯视图对应的是截面图3。图3中画出了MEMS器件的 活动部分501，空腔ll为其提供活动空间。
接着将盖板和器件硅片进行键合。盖板和器件硅片在完成键合预对准 后被放入键合机的腔体中，键合机腔体抽真空，并对键合片施加一定的静载 荷。键合温度从室温上升至250°C，保持15分钟，接着升至300 350。C， 保持30秒，最后由温度峰值300 35(TC快速降至室温。在整个升降温过程 中，静载荷始终保持，大小为200mbar。键合完成之后，利用TMAH湿法 腐蚀对盖板201整体减薄再通过CMP得到光滑平整的表面，盖板201就是 普通(100)硅片，厚度为450um，通过减薄和CMP得到厚度为140um 的薄盖板102。之所以能将盖板减薄至120 160urn，通常为140um是因 为后续没有DRIE，键合等容易造成碎片的工艺，并且盖板己经和MEMS 器件晶片键合在了一起，MEMS器件晶片的厚度也可增强减薄盖板的强度。 因此在之后的CMP，划片，布置焊球，回流，倒装焊工艺中，120 160u m减薄盖板102的强度足以保证不会碎片。减薄后盖板和MEMS器件硅片 的截面图由图4给出。在键合过程中，当温度超过Sn的熔点23(TC时，金 属Sn就会熔化，施加的静载荷可以增强液态Sn和固态Cu表面的浸润。键 合反应通过液态的Sn和固态的Cu之间的相互扩散完成(SLID),生成的金 属化合物主要是Cu6Sn5，另有少量的Qi3Sn。采用的Cu层厚度与Sn层厚 度可以保证在键合结束之后，Sn焊料层603被完全消耗，而上下圆片的反 应金属层Cu都有剩余，这对于之后的湿法腐蚀垂直通孔会有帮助。键合之 后盖板上剩余的Cu层记为720 (焊点位置)/420 (焊环位置)，MEMS器件硅片上剩余的Cu层记为620 (焊点位置)/320 (焊环位置)，焊点和焊环上 的金属化合物(IMC)分别记为67 (焊点位置)/34 (焊环位置)，整个焊点 记为617，整个焊环记为314。(图l，图2中的大焊环85， 86在这里不再 画出)。它们在键合过程中也通过SLID形成IMC而被键合在一起，大焊环 环绕整个硅片，作用是在今后的湿法腐蚀中保护环内的芯片。
接着，通过PECVD沉积氧化硅，光刻，TMAH湿法腐蚀，盖板上将 被开出倾角为54.74°的斜槽(54.74°的固定角度由(100)晶向的硅片决 定)，斜槽贯穿盖板作为垂直通孔。在此，特别说明为什么湿法腐蚀不会对 封装密度带来影响由于盖板己经被减薄至了 120 160um，尤其是减薄至 140txm，通过54.74°的倾角，可以计算出水平方向上口径的增大为左右各 100 um，也就是总共200 um。但考虑到焊环的存在，在水平方向上原本就 需要左右各约200um的尺寸增加以满足焊环宽度。因此在这里侧向腐蚀的 影响几乎可以忽略。湿法腐蚀斜槽直到露出种子层701。实际上，由于TMAH 对TiW的腐蚀速率可观，对Cu几乎不腐蚀，裸露出金属将是种子层中的Cu 层，Cu层会阻止垂直方向的继续腐蚀。这也是之前需要设计Cu层和Sn层 厚度以保证Cu层不被消耗完的原因。设计中斜槽开口尺寸为250iimX250 u m，腐蚀到金属位置时的径向尺寸将是50 p mX 50 P m，而焊点的尺寸为100 ixmX100pm，因此开口周围仍然有20tim以上的金属层与盖板紧密结合， 这足以保证湿法腐蚀通孔不会破坏气密腔。图5是湿法腐蚀刻穿盖板后，露 出的铜层在MEMS器件硅片上所处位置的俯视示意图。区域77就是露出的 Cu层，它是种子层701中Cu层的中央50ymX50um的区域。图6是湿法 腐蚀刻穿盖板后，封装结构的截面图。
最后，盖板表面溅射种子层，光刻，并且布置焊球，回流。光刻后作为 UBM的种子层801示例于图7。它由500ATiW， 2000ACu组成。图8中示 意了凸点608，回流的峰值温度为215'C，这对键合后的焊点617、焊环314 和MEMS器件均不会造成影响。
至此，MEMS器件的圆片级芯片尺寸封装完成。划片之后可得到单个 气密封装的MEMS器件芯片。
权利要求
1. 一种MEMS器件圆片级芯片尺寸的封装结构，其特征在于(1)利用TMAH湿法减薄硅片作为封装结构的盖板；(2)利用凸点替代封装结构中的垂直通孔，所述的凸点是由在减薄的硅盖板上TMAH湿法腐蚀开出的垂直通孔，植入焊球，回流后形成，凸点同时作为封装结构的输入和输出端口；(3)由焊点(617)与凸点(608)的电连接实现被封器件与外界之间的电互联，由焊环(314)实现上下盖板的键合并提供器件工作所需的真空气密环境。
2. 按权利要求1所述的MEMS器件圆片级芯片尺寸的封装结构，其特 征在于所述的垂直通孔是在减薄后的上盖板利用TMAH湿法腐蚀得 到的斜槽。
3. 实现如权利要求1或2所示的MEMS器件圆片级芯片尺寸的封装结 构的方法，其特征在于实施步骤是(1) 使用普通硅片作为盖板;利用Cu/Sn固液互扩散方法在真空条 件下完成圆片键合，达成对MEMS器件的气密封装保护；(2) 键合完成后，采用TMAH湿法腐蚀将盖板整体减薄并进行化(3 )再利用光刻以及TMAH湿法腐蚀方法将盖板上对应MEMS器 件电极位置的区域腐蚀穿透开出倾斜角为54.74。的斜槽，斜槽 贯穿盖板作为垂直通孔，露出键合后剩余的同层；(4) 最后溅射种子层，通过布置锡焊球并回流一次性完成通孔的金 属以及盖板表面的凸点制备。
4. 按权利要求3所述的MEMS器件圆片级芯片尺寸的封装结构的实现 方法，其特征在于气出封装时焊点和焊环由种子层Tiw/Cu,反应金属层Cu 和焊料层Sn层组成，其中反应金属层Cu层厚度为8^im，焊料层Sn层厚度 为3 4|_im。
5. 按权利要求4所述的MEMS器件圆片级芯片尺寸的封装结构的实现 方法，其特征在于焊点尺寸为100X100pm，焊环宽度200[jm 300^im。
6. 按权利要求3所述的MEMS器件圆片级芯片尺寸的封装结构的实现方法，其特征在于步骤1键合时在圆片上施加200mabar的静载荷，从室温 升至250。C，保持5min，再由250。C升至350°C ，保持10min，最后从350x:快速降至室温。
7. 按权利要求3或6所述的MEMS器件圆片级芯片尺寸的封装结构的 实现方法，其特征在于完成圆片键合后采用TMAN湿法腐蚀将盖板减薄至 120-160,。
8. 按权利要求7所述的MEMS器件圆片级芯片尺寸的封装结构的实现 方法，其特征在于盖板减薄至140pm。
9. 按权利要求3所述的MEMS器件圆片级芯片尺寸的封装结构的实现 方法，其特征在于所述的垂直通孔的顶部口径为250^imx250iim，底部口径 为50,x50)am，高度为140,。
全文摘要
本发明涉及一种MEMS器件圆片级芯片尺寸的封装结构及实现方法。所述封装结构特征在于①利用TMAH湿法减薄硅片作为封装结构的盖板；②利用凸点替代封装结构中的垂直通孔，所述的凸点是由在减薄的硅盖板上TMAH湿法腐蚀开出的垂直通孔，植入焊球，回流后形成，凸点同时作为封装结构的输入和输出端口；③由焊点(617)与凸点(608)的电连接实现被封器件与外界之间的电互联，由焊环(314)实现上下盖板的键合并提供器件工作所需的真空气密环境。它是采用盖板和MEMS器件的晶片键合，然后TMAH湿法腐蚀，通过在盖板上形成斜槽，最后一次性完成通孔的金属化以及盖板表面凸点制备的，不需使用干法刻蚀制备垂直互连通孔，降低了封装成本。
文档编号B81C3/00GK101434374SQ20081020764
公开日2009年5月20日 申请日期2008年12月23日 优先权日2008年12月23日
发明者曹毓涵, 乐 罗 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所