專利名稱：一種微機(jī)電系統(tǒng)圓片級真空封裝方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微機(jī)電系統(tǒng)封裝方法，特別是涉及一種微機(jī)電系統(tǒng)圓片級真空封裝方法。
背景技術(shù)：
微機(jī)電系統(tǒng)真空封裝技術(shù)是當(dāng)前微機(jī)電系統(tǒng)研究的一項(xiàng)重要內(nèi)容，它能夠?yàn)槲⒔Y(jié) 構(gòu)提供特定工作氣壓的環(huán)境，并能使微結(jié)構(gòu)免受外界污染的影響而使其性能下降，保證微 結(jié)構(gòu)在特定工作氣壓下長期可靠的工作。真空封裝可分為器件級真空封裝和圓片級真空封 裝，圓片級真空封裝具有批量加工的特點(diǎn)，能減小成本和提高封裝的一致性等優(yōu)點(diǎn)，因此具 有重要的應(yīng)用前景。目前微結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)常采用SOI結(jié)構(gòu)和玻璃基板上制作硅結(jié)構(gòu)兩種形式，為了實(shí)現(xiàn) 微結(jié)構(gòu)與外界的電氣互連，采用金屬焊盤或硅摻雜的方式在基板上提供與外界的電連接通 道，由于所采用電連接方式的差異，對后續(xù)真空鍵合工藝也提出了不同的要求，比如采用硅 摻雜的方式并不會改變基板鍵合平面，因而不會影響后續(xù)鍵合工藝，而采用玻璃基板時需 要制作分立的金屬焊盤，由于金屬焊盤突出基板平面，為了保證良好的氣密性必須同時實(shí) 現(xiàn)對微結(jié)構(gòu)和焊盤的可靠氣密封裝，同時還要在焊盤處留出電氣連接接口，從而對鍵合封 裝工藝提出了更復(fù)雜的要求；因此，為了能夠使真空封裝工藝有更強(qiáng)的可移植性和更廣的 適用性，有必要對現(xiàn)有的封裝方法進(jìn)行改進(jìn)或者提供全新的真空封裝方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，提供一種微機(jī)電系統(tǒng)圓片級真空封 裝方法，該方法實(shí)現(xiàn)了玻璃蓋板與微機(jī)電結(jié)構(gòu)之間的可靠結(jié)合，保證了良好的氣密性，并能 保護(hù)MEMS器件不受外界污染和破壞，提高M(jìn)EMS器件的成品率，并且還可以實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)， 提高生產(chǎn)效率。本發(fā)明的上述目的是通過如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的一種微機(jī)電系統(tǒng)圓片級真空封裝方法，包括如下步驟(1)在玻璃基板上制作MEMS結(jié)構(gòu)陣列，并制作與外電路電連接的電極金屬膜和環(huán) 形鍵合金屬層，形成包括若干個微機(jī)電系統(tǒng)單元的微機(jī)電系統(tǒng)圓片；(2)在玻璃基片上加工作為封裝腔體的若干個凹坑，并在每個凹坑的周圍加工圓 形且?guī)в幸欢ㄥF度的過孔；(3)在玻璃基片上的每個凹坑內(nèi)表面淀積吸氣劑薄膜，并在玻璃基片上設(shè)有凹坑 的一面上制作鍵合金屬層，形成玻璃蓋板圓片，鍵合金屬層的厚度為40 lOOnm，鍵合方法 為濺射、氣相沉積或蒸鍍，所述鍵合金屬層包括過孔周圍分立的金屬層，和包圍過孔并與金 屬層分離的封閉環(huán)形金屬層；(4)在真空條件下將步驟⑴得到的微機(jī)電系統(tǒng)圓片與步驟(3)得到的玻璃蓋板 圓片進(jìn)行氣密鍵合，使得一個微機(jī)電系統(tǒng)單元與一個凹坑相對應(yīng)，并使過孔與微機(jī)電系統(tǒng)
3單元的電極金屬膜相對應(yīng)，并且使電極金屬膜完全覆蓋過孔；(5)在玻璃蓋板圓片的過孔內(nèi)沉積金屬膜制作電極引線，完成封裝，并對封裝結(jié)構(gòu) 進(jìn)行劃片，得到單個微機(jī)電系統(tǒng)封裝器件。在上述微機(jī)電系統(tǒng)圓片級真空封裝方法中，步驟(2)中凹坑為方形或圓形，且深 度大于玻璃基板上的MEMS結(jié)構(gòu)的高度。在上述微機(jī)電系統(tǒng)圓片級真空封裝方法中，步驟(2)過孔的錐度為60 75°。在上述微機(jī)電系統(tǒng)圓片級真空封裝方法中，步驟(3)中金屬層與封閉環(huán)形金屬層 的形狀均為圓形或方形。在上述微機(jī)電系統(tǒng)圓片級真空封裝方法中，步驟(3)中鍵合金屬層為金，鋁或銅。在上述微機(jī)電系統(tǒng)圓片級真空封裝方法中，步驟(3)中鍵合金屬層的厚度為45 60nmo在上述微機(jī)電系統(tǒng)圓片級真空封裝方法中，步驟(4)中微機(jī)電系統(tǒng)圓片與玻璃蓋 板圓片進(jìn)行氣密鍵合的方法為共晶鍵合。在上述微機(jī)電系統(tǒng)圓片級真空封裝方法中，步驟(5)中在玻璃蓋板圓片的過孔內(nèi) 沉積金屬膜制作電極引線的方法為濺射、蒸鍍或氣相沉積。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)(1)本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了玻璃基板上MEMS器件的圓片級真空封裝，由于采用圓片級封裝 方法，因此可以實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率；(2)本發(fā)明真空封裝方法通過在玻璃蓋板上制作金屬鍵合層，并采用共晶鍵合的 方法使微機(jī)電系統(tǒng)單元與玻璃蓋板之間實(shí)現(xiàn)可靠的結(jié)合，該方法大大提高了微機(jī)電系統(tǒng)與 玻璃蓋板的鍵合能力，保證了微機(jī)電系統(tǒng)封裝器件良好的氣密性，并能保護(hù)MEMS器件不受 外界污染和破壞，提高M(jìn)EMS器件的成品率；(3)本發(fā)明真空封裝方法中鍵合層的厚度為40 lOOnm，優(yōu)選45 60nm，鍵合層 金屬選則金、鋁或銅，大量實(shí)驗(yàn)表明通過使用上述鍵合層，封裝得到的微機(jī)電系統(tǒng)器件具有 最佳的氣密性，可靠性最高，可以適應(yīng)各種惡劣的環(huán)境。


圖1為本發(fā)明微機(jī)電結(jié)構(gòu)真空封裝后的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明玻璃基片示意圖；圖3為本發(fā)明玻璃基片上加工凹坑后的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明玻璃基片上加工過孔后的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5a為本發(fā)明玻璃基片的凹坑內(nèi)淀積吸氣劑薄膜后的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5b為本發(fā)明玻璃基片的凹坑內(nèi)淀積吸氣劑，并且在鍵合面淀積鍵合金屬層后 的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為本發(fā)明制備好的微機(jī)電系統(tǒng)圓片結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為本發(fā)明玻璃蓋板圓片與微機(jī)電系統(tǒng)圓片鍵合封裝后的結(jié)構(gòu)示意圖；圖8為本發(fā)明玻璃基片過孔內(nèi)淀積金屬膜后的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述如圖1所示為本發(fā)明微機(jī)電結(jié)構(gòu)真空封裝后的結(jié)構(gòu)示意圖，由圖可知本發(fā)明微機(jī) 電系統(tǒng)封裝器件主要由微機(jī)電系統(tǒng)圓片9和玻璃蓋板圓片10組成，一個微機(jī)電系統(tǒng)圓片9 上有若干個微機(jī)電系統(tǒng)單元，每個微機(jī)電系統(tǒng)單元包括玻璃基板1上設(shè)置的MEMS結(jié)構(gòu)陣列 11，及與外電路電連接的金屬膜12和環(huán)形鍵合金屬層13，為了對每一個微機(jī)電系統(tǒng)單元進(jìn) 行真空封裝，在玻璃蓋板圓片10上加工出若干個凹坑3，凹坑3與微機(jī)電系統(tǒng)單元一一對 應(yīng)，在將微機(jī)電系統(tǒng)圓片9和玻璃蓋板圓片10鍵合封裝后形成若干個封裝真空腔3，真空 腔3的玻璃表面淀積一層吸氣劑薄膜4，凹坑3的周圍加工圓形且?guī)в幸欢ㄥF度的過孔8， 過孔8內(nèi)的金屬膜層5作為微機(jī)電系統(tǒng)的電極引線，過孔8與微機(jī)電系統(tǒng)單元的電連接區(qū) 域(即金屬膜層12)相對應(yīng)，并且使電極金屬膜12完全覆蓋過孔8。微機(jī)電系統(tǒng)是玻璃基板上制作硅結(jié)構(gòu)的形式，微機(jī)電系統(tǒng)與外界的電連接是金屬 焊盤(即金屬膜層12)的形式。通過在玻璃基片2鍵合面上淀積金屬層6和7(如圖5b所 示)，通過共晶鍵合工藝實(shí)現(xiàn)微機(jī)電系統(tǒng)圓片9與玻璃蓋板圓片10的鍵合封裝，在玻璃基 片2鍵合面的過孔8周圍淀積分立的金屬層6，同時包圍各分立金屬層6制作封閉環(huán)形金屬 層7，將玻璃蓋板圓片10和微機(jī)電系統(tǒng)圓片9對準(zhǔn)，如圖7所示，使每個微機(jī)電系統(tǒng)單元的 MEMS容納在玻璃蓋板圓片10的一個凹坑3內(nèi)，過孔8與微機(jī)電系統(tǒng)單元的金屬膜層12相 對應(yīng)，鍵合金屬層7與微機(jī)電系統(tǒng)的環(huán)形鍵合金屬層13相對應(yīng)，然后鍵合形成氣密真空封 裝，通過后續(xù)的金屬淀積工藝制作電連接金屬層5。本發(fā)明微機(jī)電系統(tǒng)圓片級真空封裝方法包括如下幾個主要部分玻璃蓋板圓片 10的加工、微機(jī)電系統(tǒng)圓片9的加工、玻璃蓋板圓片10與微機(jī)電系統(tǒng)圓片9的鍵合、和過孔 8的電極引線金屬膜層5淀積。下面分別描述玻璃蓋板圓片10加工步驟一、如圖2所示為本發(fā)明玻璃基片示意圖，采用超聲加工的方法在玻璃基片2 上加工出方形或圓形凹坑，加工好的玻璃基片2如圖3所示。步驟二、對步驟一得到的玻璃基片2，采用腐蝕或超聲加工的方法在玻璃基片2的 凹坑3周圍加工過孔8，過孔8為圓形且?guī)в幸欢ㄥF度，錐度為60 75°，并且過孔8的尺 寸小于微機(jī)電系統(tǒng)圓片9中金屬膜12的尺寸，以保證封裝的密封性。如圖4所示為玻璃基 片上加工過孔后的結(jié)構(gòu)示意圖。步驟三、在玻璃基片2的凹坑3內(nèi)表面淀積吸氣劑薄膜層4，如圖5a所示。步驟四、在玻璃基片2上有凹坑3的一面(即鍵合面)上制作鍵合金屬層6、7，其 中在過孔8周圍制作分立的金屬層6，制作包圍過孔8并與金屬層6分離的封閉環(huán)形金屬 層7，金屬層6與金屬層7形狀為均為方形或圓形，金屬層6被金屬層7完全包圍以實(shí)現(xiàn)微 結(jié)構(gòu)與外界可靠的氣密封裝和電氣連接。鍵合金屬層6、7的厚度為40 lOOnm，優(yōu)選45 60nm，金屬層選取金，鋁或銅，鍵合方法為濺射、氣相沉積或蒸鍍，如圖5b所示為本發(fā)明玻 璃基片的凹坑內(nèi)淀積吸氣劑膜層，并且在鍵合面淀積鍵合金屬層后的結(jié)構(gòu)示意圖，經(jīng)過上 述步驟制備得到玻璃蓋板圓片10。微機(jī)電結(jié)構(gòu)圓片9的加工在玻璃基板1上制作MEMS結(jié)構(gòu)陣列11，并制作與外電路電連接的金屬膜12和環(huán)形鍵合金屬層13，形成包括若干個微機(jī)電系統(tǒng)單元的微機(jī)電系統(tǒng)圓片9，如圖6所示為本發(fā) 明制備好的微機(jī)電系統(tǒng)圓片結(jié)構(gòu)示意圖(圖中僅示出一個微機(jī)電系統(tǒng)單元)。微機(jī)電系統(tǒng)圓片9和玻璃蓋板圓片10的鍵合在真空條件下將圖5b所示的玻璃蓋板圓片10和圖6所示的微機(jī)電系統(tǒng)圓片9用 共晶鍵合的方法進(jìn)行氣密鍵合，使得一個微機(jī)電結(jié)構(gòu)單元與一個凹坑3相對應(yīng)，并使過孔8 與微機(jī)電系統(tǒng)圓片9的電連接區(qū)域(金屬膜12) —一對應(yīng)，保證電極金屬膜12完全覆蓋過 孔8，同時微機(jī)電系統(tǒng)圓片9的環(huán)形鍵合金屬層13與玻璃蓋板圓片10的鍵合金屬層7相對 應(yīng)。如圖7所示為本發(fā)明玻璃蓋板圓片與微機(jī)電系統(tǒng)圓片鍵合封裝后的結(jié)構(gòu)示意圖。本發(fā)明微機(jī)電系統(tǒng)圓片級真空封裝方法中微機(jī)電系統(tǒng)圓片9和玻璃蓋板圓片10 的鍵合也可以采用陽極鍵合的方法，只是在玻璃蓋板圓片10加工過程中省去步驟四中在 玻璃基片2上鍵合金屬層6、7的步驟即可。過孔8的電極引線金屬膜層5淀積對于如圖7所示的微機(jī)電系統(tǒng)圓片9和玻璃蓋板圓片10的鍵合結(jié)構(gòu)，采用濺射、 氣相沉積或蒸鍍工藝在過孔8內(nèi)淀積金屬層5作為電極引線，最后經(jīng)過劃片得到單個的微 機(jī)電系統(tǒng)封裝器件，如8所示為本發(fā)明玻璃基片過孔內(nèi)淀積金屬膜后的結(jié)構(gòu)示意圖。本發(fā)明采用鍵合工藝實(shí)現(xiàn)玻璃蓋板與微機(jī)電結(jié)構(gòu)之間的可靠結(jié)合，微機(jī)電結(jié)構(gòu)是 基于玻璃基板制作的微系統(tǒng)結(jié)構(gòu)單元，并且包圍每個單元在玻璃基板上制作環(huán)形鍵合金屬 層；玻璃蓋板上加工作為封裝腔體的凹坑，并且制作過孔用于實(shí)現(xiàn)微機(jī)電結(jié)構(gòu)與外界的電 氣連接，過孔位置與微機(jī)電結(jié)構(gòu)電連接焊盤相對應(yīng)，在每個過孔周圍制作相互分離的鍵合 金屬層實(shí)現(xiàn)微機(jī)電結(jié)構(gòu)電連接焊盤與玻璃蓋板的氣密鍵合，在玻璃蓋板單元外圍邊沿制作 金屬層，使其能夠完全包圍所有過孔周圍的金屬層；將玻璃蓋板和微機(jī)電結(jié)構(gòu)進(jìn)行對準(zhǔn)，使 玻璃蓋板單元的外圍金屬層與微機(jī)電結(jié)構(gòu)單元環(huán)形鍵合金屬層相對應(yīng)，并且使玻璃蓋板過 孔與微機(jī)電結(jié)構(gòu)電連接焊盤相對應(yīng)，采用鍵合的方法實(shí)現(xiàn)玻璃蓋板與微機(jī)電結(jié)構(gòu)之間的可 罪結(jié)合。以上所述，僅為本發(fā)明最佳的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此， 任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換， 都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知技術(shù)。
權(quán)利要求
一種微機(jī)電系統(tǒng)圓片級真空封裝方法，其特征在于包括如下步驟(1)在玻璃基板(1)上制作MEMS結(jié)構(gòu)(11)陣列，并制作與外電路電連接的電極金屬膜(12)和環(huán)形鍵合金屬層(13)，形成包括若干個微機(jī)電系統(tǒng)單元的微機(jī)電系統(tǒng)圓片(9)；(2)在玻璃基片(2)上加工作為封裝腔體的若干個凹坑(3)，并在每個凹坑(3)的周圍加工圓形且?guī)в幸欢ㄥF度的過孔(8)；(3)在玻璃基片(2)上的每個凹坑(3)內(nèi)表面淀積吸氣劑薄膜(4)，并在玻璃基片(2)上設(shè)有凹坑(3)的一面上制作鍵合金屬層，形成玻璃蓋板圓片(10)，鍵合金屬層的厚度為40～100nm，鍵合方法為濺射、氣相沉積或蒸鍍，所述鍵合金屬層包括過孔(8)周圍分立的金屬層(6)，和包圍過孔(8)并與金屬層(6)分離的封閉環(huán)形金屬層(7)；(4)在真空條件下將步驟(1)得到的微機(jī)電系統(tǒng)圓片(9)與步驟(3)得到的玻璃蓋板圓片(10)進(jìn)行氣密鍵合，使得一個微機(jī)電系統(tǒng)單元與一個凹坑(3)相對應(yīng)，并使過孔(8)與微機(jī)電系統(tǒng)單元的電極金屬膜(12)相對應(yīng)，并且使電極金屬膜(12)完全覆蓋過孔(8)；(5)在玻璃蓋板圓片(10)的過孔(8)內(nèi)沉積金屬膜(5)制作電極引線，完成封裝，并對封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃片，得到單個微機(jī)電系統(tǒng)封裝器件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微機(jī)電系統(tǒng)圓片級真空封裝方法，其特征在于所述步 驟(2)中凹坑(3)為方形或圓形，且深度大于玻璃基板(1)上的MEMS結(jié)構(gòu)(11)的高度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微機(jī)電系統(tǒng)圓片級真空封裝方法，其特征在于所述步 驟(2)過孔(8)的錐度為60 75°。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微機(jī)電系統(tǒng)圓片級真空封裝方法，其特征在于所述步 驟(3)中金屬層(6)與封閉環(huán)形金屬層(7)的形狀均為圓形或方形。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微機(jī)電系統(tǒng)圓片級真空封裝方法，其特征在于所述步 驟(3)中鍵合金屬層為金，鋁或銅。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微機(jī)電系統(tǒng)圓片級真空封裝方法，其特征在于所述步 驟⑶中鍵合金屬層的厚度為45 60nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微機(jī)電系統(tǒng)圓片級真空封裝方法，其特征在于所述步 驟(4)中微機(jī)電系統(tǒng)圓片(9)與玻璃蓋板圓片(10)進(jìn)行氣密鍵合的方法為共晶鍵合。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微機(jī)電系統(tǒng)圓片級真空封裝方法，其特征在于所述步 驟(5)中在玻璃蓋板圓片(10)的過孔⑶內(nèi)沉積金屬膜(5)制作電極引線的方法為濺射、 蒸鍍或氣相沉積。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種微機(jī)電系統(tǒng)圓片級真空封裝方法，該方法包括如下步驟加工微機(jī)電系統(tǒng)圓片；在玻璃圓片上加工作為封裝腔體的凹坑，然后在凹坑周圍加工過孔；在加工所得到的玻璃片的凹坑內(nèi)沉積吸氣劑薄膜，在玻璃圓片上設(shè)有凹坑的一面制作鍵合金屬層；然后在真空條件下將所得到的玻璃蓋板圓片和微機(jī)電系統(tǒng)圓片進(jìn)行氣密鍵合；在玻璃蓋板圓片的過孔內(nèi)沉積金屬膜制作電極引線；將所得到的封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃片，得到微機(jī)電系統(tǒng)真空封裝器件。本發(fā)明方法實(shí)現(xiàn)了玻璃蓋板與微機(jī)電結(jié)構(gòu)之間的可靠結(jié)合，保證了良好的氣密性，并能保護(hù)MEMS器件不受外界污染和破壞，提高M(jìn)EMS器件的成品率，并且還可以實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率。
文檔編號B81C1/00GK101941673SQ20101027947
公開日2011年1月12日 申請日期2010年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月10日
發(fā)明者孫鵬, 張廷凱, 王巖, 王巍, 邢朝洋 申請人:北京航天時代光電科技有限公司