CN101638212A - 微机电***圆片级真空封装导线互连结构及其制造方法 - Google Patents

Abstract

微机电***圆片级真空封装互连结构及其制造方法，属于微机电***的导线互连结构及其制造方法，解决现有互连结构套刻精度要求较高、不能保证腐蚀深度一致性的问题，提高真空度保持性，并实现电信号连通。本发明的互连结构，硅基板上开有通孔，通孔和硅基板表面具有绝缘层，金属电极穿过通孔并将其封闭，金属电极和绝缘层之间具有中间层，盖板与硅基板键合，盖板内的空间为放置MEMS器件的真空腔。本发明的方法包括：刻蚀通孔、制作绝缘层、制作中间层、制作金属电极、制作焊环或者腐蚀形成环形槽以及键合等步骤。本发明密封质量高、真空保持时间长、键合应力小、可靠性好，而成本较低，可极大促进圆片级MEMS真空封装技术的商业化推广。

Description

微机电***圆片级真空封装导线互连结构及其制造方法

技术领域

本发明属于微机电***(MEMS)的导线互连结构及其制造方法，特别涉及一种微机电***圆片级真空封装互连结构及其制造方法。

背景技术

很多具有重要应用背景的MEMS器件加工时都需要进行真空封装。如基于谐振结构的微陀螺仪、微加速度计、微高精度战术振荡器、微滤波器、微超声波传感器、微生物分子质量检测仪等器件采用真空封装可以降低机械运动部件运动时气体的阻尼，极大地提高器件的品质因素，从而提高器件的性能，且整个微***消耗的能量也大大降低。MEMS真空封装就是一种采用密封的腔体提供高气密真空环境的封装技术。它能够在射频、惯性、真空微电子类MEMS产品芯片周围形成一个真空环境，保证其中的微结构具有优良的振动性能(例如使各种机械谐振器有高的品质因素)，使其能正常工作，并提高其可靠性。因此，真空封装技术已成为严重影响这些MEMS器件性能的共性技术与使能技术。真空封装可分为器件级真空封装与圆片级真空封装。圆片级真空封装具有低成本、高产量，真空保持性好等优点，具有重要的应用前景。在圆片级真空封装中，由于真空腔内外的环境是隔离的，真空腔内的器件电信号的连通必须通过导线的互连来实现。导线互连一般采用纵向通孔型和横向埋线型两种。

王玉传等人在圆片级气密封装及通孔垂直互连研究一文中(功能材料与器件学报，107-4252(2006)06-469-05)提出种圆片级气密封装结构：首先在硅盖板上用KOH湿法腐蚀和深反应离子刻蚀(DIRE)结合的方式刻蚀通孔，然后热氧化制作1.5μm厚的绝缘层，接下来由下而上电镀Cu以实现孔内金属化。选用金属Sn做键合材料，金属Ni层为阻挡层，Ni/Sn双层膜以电镀的方法实现；最后将盖板与其下方的基板完成纯Sn焊料键合，并在盖板的金属化孔上制作铅锡焊料凸点。该方案的缺点是：真空度保持性不好，制作工艺需要较高的套刻精度，另外不能保证湿法刻蚀深度的一致性以致影响后续的干法刻蚀等。

与传统的互连(如引线键合)不同，硅通孔互连是通过在硅片或玻璃上刻蚀通孔形成。这种互连技术因为是垂直连接电路的两端，所以电连接距离短、使用面积也较小、密度高、寄生、串扰等效应也较小。通孔垂直互连的制作主要由通孔刻蚀和孔内金属化两部份组成。目前在硅片上刻蚀孔的方法主要有两种，一种是湿法腐蚀，该方法成本虽较低，但难以腐蚀出均一孔径的孔；另一种是干法刻蚀，这种方法优点在于刻蚀孔的深宽比较高，缺点是刻蚀时间长、成本很高。孔内金属化的方法主要有熔融金属填充(MMSM)法和电镀法，熔融金属填充法虽然效果较好但对设备的要求高；电镀法相对简单便宜，且工艺比较好控制，对通孔的效果也很好。

发明内容

本发明提供一种微机电***圆片级真空封装互连结构，并提供其制造方法，解决现有互连结构套刻精度要求较高、湿法腐蚀不能保证腐蚀深度一致性的问题，使真空腔长时间保持真空的同时，实现真空腔内外电信号的连通。

本发明的一种微机电***圆片级真空封装互连结构，在硅基板表面具有绝缘层，绝缘层上具有金属电极，硅基板上表面具有焊环或者用于阳极键合的环形槽，盖板与硅基板在焊环或环形槽位置键合，盖板和硅基板之间的空间为真空腔，用于放置MEMS器件；其特征在于：

所述硅基板上开有通孔，通孔内表面具有绝缘层，所述金属电极穿过通孔并将其封闭，金属电极和硅基板之间具有中间层，金属电极起MEMS器件和外界的电信号互连作用。

所述的微机电***圆片级真空封装互连结构，其特征在于：

所述中间层依次包括黏附层、扩散阻挡层和金属种子层；所述黏附层材料采用Ta、TaN、Cr、Ti、TiN、Ni、Ti/W、Al、Cu、Pd、Mo中的一种；

所述金属种子层和金属电极材料相同，采用Au、Cu、Ag、W或者Al中的一种。

所述的微机电***圆片级真空封装互连结构，其特征在于：

所述通孔的形状可以为圆形或者矩形，通孔截面积为0.785～200000μm²；

所述绝缘层材料为SiO₂或者Si₃N₄中的一种或两种；所述盖板材料为硅或者玻璃。

封装时，MEMS器件置于本发明硅基板上的金属电极之间，MEMS器件引出管脚与各个金属电极相连，金属电极起MEMS器件和外界的电信号互连作用，这样既保证了MEMS器件电信号的连通，也保证了MEMS器件工作在真空环境中。

本发明一种微机电***圆片级真空封装互连结构的制造方法，包括：

步骤一、在厚度为10～1000μm硅基板上用干法刻蚀通孔；

步骤二、在制作好通孔的硅基板上制作绝缘层，厚度为0.1～5μm；

步骤三、在绝缘层上制作中间层，中间层覆盖所述通孔内壁以及孔口周围；中间层依次包括黏附层和金属种子层，各层厚度为5～5000nm；

步骤四、在通孔的金属种子层上电镀制作出所需要的金属电极，金属电极充满并凸出通孔，金属电极的凸点覆盖通孔；

步骤五、去除硅基板上金属电极的凸点覆盖以外的中间层，在硅基板上表面绝缘层上制作焊环；或者在硅基板上表面腐蚀绝缘层形成环形槽，环形槽底露出硅基板；

步骤六、在真空气氛下将盖板与硅基板在焊环或环形槽位置完成键合。

所述的制造方法，其特征在于：

所述步骤一中，所述通孔的形状可以为圆形或者矩形，通孔截面积为0.785～200000μm²；

所述步骤二中，所述绝缘层材料为SiO₂或者Si₃N₄中的一种或两种；

所述步骤三中，所述黏附层材料采用Ta、TaN、Cr、Ti、TiN、Ni、Ti/W、Al、Cu、Pd、Mo中的一种；

所述金属种子层和金属电极材料相同，采用Au、Cu、Ag、W或者Al中的一种；

所述步骤六中，所述的盖板材料为硅或玻璃，键合方式为金硅共晶键合、焊料键合或硅玻璃阳极键合中的一种。

本发明的真空封装互连结构采用通孔垂直互连并在圆片级工艺的基础上完成，采用盖板与硅基板键合封装，通孔刻蚀采用了干法刻蚀，解决了湿法刻蚀不能保证刻蚀深度一致性的问题，孔内金属化采用了电镀工艺，在金属化通孔上下方均有尺寸较大的致密Cu电极凸点以进一步保证封装的密封性能，采用纵向布线的方式完成封装器件和外界环境的电互连，实现封装中互连与密封的要求，密封质量高、真空保持时间长、键合应力小、可靠性好，而成本较低，可极大促进圆片级MEMS真空封装技术的商业化推广。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1去除盖板后的俯视示意图；

图3～图10为本发明的工艺流程图。

图中标记：

硅基板1、通孔2、绝缘层3、中间层4、金属电极5、硅盖板6、金焊环7、环形槽8。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明进一步说明。

如图1、图2所示，本发明实施例1所得到的互连结构，硅基板1上开有通孔，通孔和硅基板表面具有绝缘层3，金属电极5穿过通孔并将其封闭，金属电极和绝缘层之间具有中间层4，硅基板1上表面具有金焊环7，盖板6与硅基板1在金焊环7位置键合，盖板和硅基板之间的空间为真空腔，用于放置MEMS器件。

以下为本发明方法的实施例。

实施例1，顺序包括：

步骤一、如图3所示，在厚度为10μm硅基板1上用干法刻蚀通孔2，孔为圆形，孔径为1μm，截面积0.785μm²；

步骤二、如图4所示，在制作好通孔的硅基板1上制作绝缘层3，绝缘层3材料为SiO₂，厚度为0.1μm；

步骤三、如图5所示，在绝缘层上制作中间层4，中间层4覆盖所述通孔内壁以及孔口周围；中间层依次包括黏附层Cr和金属种子层Cu，其中各层厚度为5nm；

步骤四、如图6所示，在通孔2的金属种子层上电镀制作出所需要的Cu金属电极5，金属电极充满并凸出通孔，金属电极的凸点覆盖通孔；

步骤五、如图7所示，去除硅基板上金属电极的凸点覆盖以外的中间层，在硅基板上表面绝缘层上四周制作矩形金焊环7；

步骤六、如图8所示，在真空气氛下将硅盖板与硅基板在金焊环7位置完成金硅共晶键合

实施例2，包括：

步骤一、如图3所示，在厚度为1000μm硅基板1上用干法刻蚀通孔2，孔为圆形孔，孔径为500μm，截面积196250μm²；

步骤二、如图4所示，在制作好通孔的硅基板上制作绝缘层3，绝缘层材料为Si₃N₄，厚度为5μm；

步骤三、如图5所示，在绝缘层上制作中间层4，中间层4覆盖所述通孔内壁以及孔口周围；中间层4依次包括黏附层Ni和Au金属种子层，其中各层厚度为5000nm；

步骤四、如图6所示，在通孔2的Au金属种子层上电镀制作出所需要的Au电极5，金属电极充满并凸出通孔，金属电极的凸点覆盖通孔；

步骤五、如图9所示，去除硅基板上金属电极的凸点覆盖以外的中间层，在硅基板上表面按照盖板底部形状腐蚀绝缘层相应的部分形成环形槽8，环形槽底露出硅基板；

步骤六、如图10所示，在真空气氛下将玻璃盖板与硅基板在环形槽8位置完成阳极键合。

Claims (5)

1.一种微机电***圆片级真空封装互连结构，在硅基板表面具有绝缘层，绝缘层上具有金属电极，硅基板上表面具有焊环或者用于阳极键合的环形槽，盖板与硅基板在焊环或环形槽位置键合，盖板和硅基板之间的空间为真空腔，用于放置MEMS器件；其特征在于：

所述硅基板上开有通孔，通孔内表面具有绝缘层，所述金属电极穿过通孔并将其封闭，金属电极和绝缘层之间具有中间层，金属电极起MEMS器件和外界的电信号互连作用。

2.如权利要求1所述的微机电***圆片级真空封装互连结构，其特征在于：

所述中间层依次包括黏附层和金属种子层；所述黏附层材料采用Ta、TaN、Ta、TaN、TiN、Cr、Ti、Ni、Ti/W、Al、Cu、Pd、Mo中的一种；

所述金属种子层和金属电极材料相同，采用Au、Cu、Ag、W或者Al中的一种。

3.如权利要求1或2所述的微机电***圆片级真空封装互连结构，其特征在于：

所述通孔的形状可以为圆形或者矩形，通孔截面积为0.785～200000μm²；

所述绝缘层材料为SiO2或者Si3N4中的一种或两种；所述盖板材料为硅或者玻璃。

4.权利要求1所述的微机电***圆片级真空封装互连结构的制造方法，包括：

步骤一、在厚度为10～1000μm硅基板上用干法刻蚀通孔；

步骤二、在制作好通孔的硅基板上制作绝缘层，厚度为0.1～5μm；

步骤三、在绝缘层上制作中间层，中间层覆盖所述通孔内壁以及孔口周围；中间层依次包括黏附层和金属种子层，各层厚度为5～5000nm；

步骤四、在通孔的金属种子层上电镀制作出所需要的金属电极，金属电极充满并凸出通孔，金属电极的凸点覆盖通孔；

步骤五、去除硅基板上金属电极的凸点覆盖以外的中间层，在硅基板上表面绝缘层上制作焊环；或者在硅基板上表面腐蚀绝缘层形成环形槽，环形槽底露出硅基板；

步骤六、在真空气氛下将盖板与硅基板在焊环或环形槽位置完成键合。

5.如权利要求4所述的制造方法，其特征在于：

所述步骤一中，所述通孔的形状可以为圆形或者矩形，通孔截面积为0.785～200000μm²；

所述步骤二中，所述绝缘层材料为SiO2或者Si3N4中的一种或两种；

所述步骤三中，所述黏附层材料采用Ta、TaN、Cr、Ti、TiN、Ni、Ti/W、Al、Cu、Pd、Mo中的一种；

所述金属种子层和金属电极材料相同，采用Au、Cu、Ag、W或者Al中的一种；

所述步骤六中，所述的盖板材料为硅或玻璃，键合方式为金硅共晶键合、焊料键合或硅玻璃阳极键合中的一种。

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