CN109467045A - Mems器件的封装方法及微执行器的制备方法 - Google Patents

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俞挺
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Abstract

本发明公开了一种MEMS器件的封装方法，包括在第一衬底的第一表面上刻蚀形成盲孔；在所述盲孔内制作形成导电柱；在所述第一表面上制作形成第一布线层，所述第一布线层与所述导电柱接触；对所述第一衬底的与所述第一表面相对的第二表面进行刻蚀，直至使所述盲孔成为通孔且使所述导电柱暴露；在所述第一布线层上制作形成第一键合环；在第二衬底上制作形成MEMS器件以及与所述MEMS器件连接的器件导出线；在所述第二衬底上制作形成第二键合环，所述第二键合环与所述器件导出线连接；键合所述第一键合环和所述第二键合环。该封装方法加工效率高，封装成本低，连线的长度较短，大大缩短了信号的传输路径，减小了器件与外界电路之间的电阻。

Description

MEMS器件的封装方法及微执行器的制备方法
技术领域
本发明涉及微机电***(MEMS)器件领域，尤其涉及一种MEMS器件的封装方法及微执行器的制备方法。
背景技术
微机电***(MEMS)包括多个功能单元，涉及学科和应用领域十分广泛，对其做一个***的分类是比较困难的。根据组成单元的功能不同，MEMS大体可以分为微传感器、微执行器、微结构以及包括多个单元的集成***。根据加工的材料分类，MEMS加工技术主要包括硅基和非硅基两种加工技术。现在微机电***已经远远超越了“机”和“电”的概念，将处理热、光、磁、化学、生物等结构和器件通过微纳加工工艺制造在芯片上，并通过与电路的集成甚至相互间的集成来构筑复杂微型***，根据应用领域不同，将MEMS应用于通信、光学、生物医学、能源等领域，就分别产生了RF MEMS，Optical MEMS，BIOMEMS和Power MEMS等。其中流体是MEMS领域重要的基础科学和应用方向，包括气体传感器、生物芯片、流体传感器等。
封装是芯片从测试到产品的最后一个作业流程，有效的封装能实现芯片与环境的交互和隔离，提高芯片的可靠性。MEMS器件的封装形式是把基于MEMS的***方案推向市场的关键因素，也是MEMS设计与制造中的一个关键因素。很多MEMS芯片由于没有解决封装问题，而导致其不能成为产品投入市场进行实际应用。最佳的封装能使MEMS产品发挥其应有的功能，MEMS封装应满足以下要求：
(1)封装应至少提供一个器件与外界环境交互作用的通道，并保护器件敏感结构不因外界作用而损坏，使器件性能保持稳定；
(2)考虑到对应力特别敏感的微传感器和MEMS器件中使用的精度高但十分脆弱的微米或纳米尺度的零部件，MEMS封装带来的应力应尽可能的小；
(3)封装结构应满足高真空、高气密度、高隔离度等不同要求以保证器件免遭环境不利影响，能长期稳定地工作；
(4)对于工作在气体或液体等特殊环境的MEMS器件，封装必须提供稳定的工作环境和与外界的通路。
目前常采用圆片级封装工艺，其中涉及到键合技术，常见的键合技术包括阳极键合、硅-硅直接键和、玻璃浆料键合、金属共晶键合和金属热压键合等，但是上述几个技术具有如下几个缺点：1、加工环境要求高，键合时需要较高的外界温度，操作比较困难；2、工艺控制难，随着工艺步骤的增加，工艺难度会随之增大，对于器件的成品率、性能等都会造成影响；3、成本较高，中间环节较多，生产周期较长。
发明内容
鉴于现有技术存在的不足，本发明提供了一种方便加工、步骤较少且成本较低的MEMS器件的封装方法。
为了实现上述的目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种MEMS器件的封装方法，包括：
在第一衬底的第一表面上刻蚀形成盲孔；
在所述盲孔内制作形成导电柱；
在所述第一表面上制作形成第一布线层，所述第一布线层与所述导电柱接触；
对所述第一衬底的与所述第一表面相对的第二表面进行刻蚀，直至使所述盲孔成为通孔且使所述导电柱暴露；
在所述第一布线层上制作形成第一键合环；
在第二衬底上制作形成MEMS器件以及与所述MEMS器件连接的器件导出线；
在所述第二衬底上制作形成第二键合环，所述第二键合环与所述器件导出线连接；
键合所述第一键合环和所述第二键合环。
优选地，在所述通孔内制作形成导电柱之前，所述MEMS器件的封装方法还包括：分别在所述第一表面上、所述盲孔内壁制作形成导电柱种子层。
优选地，在所述第一表面上、所述盲孔内壁制作形成所述导电柱种子层之前，所述MEMS器件的封装方法还包括：分别在所述第一表面上、所述盲孔内壁制作形成绝缘层。
优选地，在所述盲孔内制作形成导电柱的方法具体包括：
在所述第一表面上形成导电材料层，所述导电材料层填充满所述盲孔；
将所述第一表面上的导电材料层以及导电柱种子层去除。
优选地，在将所述第一表面上的导电材料层以及导电柱种子层去除之后，所述MEMS器件的封装方法还包括：对所述第一表面上的所述绝缘层进行表面平坦化处理。
优选地，在键合所述第一键合环和所述第二键合环之后，所述MEMS器件的封装方法还包括：在所述第二表面上制作形成第二布线层，所述第二布线层与所述导电柱接触。
优选地，在所述第二表面上制作形成第二布线层之后，所述MEMS器件的封装方法还包括：在所述第二布线层上制作形成焊锡球。
本发明还提供了一种微执行器的制备方法，包括任一种上述的MEMS器件的封装方法，在所述第一表面上制作形成第一布线层同时，所述微执行器制备方法还包括：在所述第一表面上制作形成第一电极层；
在所述第二衬底上制作形成所述器件导出线之后，或者在所述第二衬底上制作形成所述第二键合环之后，所述微执行器的制备方法还包括：在所述第二衬底上制作形成第二电极层。
本发明提供的MEMS器件封装方法，实现了封装结构与器件在垂直方向进行通孔互连，连线的长度可以缩短到与衬底厚度相等，大大缩短了信号的传输路径，减小电阻以及信号传输过程中的寄生效应和延迟时间，从而降低芯片发热量，提高芯片的高频性能，同时封装后不影响的频率特性，且封装加工效率高，封装成本低。
附图说明
图1A至图1L为本发明的实施例一的MEMS器件封装方法的工艺流程图；
图2为本发明的实施例二的微执行器的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例一
图1A至图1K示出了本实施例一的MEMS器件的封装方法的工艺流程。本实施例一的MEMS器件的封装方法包括：
步骤一：参照图1A，提供第一衬底20，在第一衬底20的第一表面20a刻蚀形成盲孔21；
具体地，第一衬底20采用普通的半导体裸硅片，具有相对设置的第一表面20a和第二表面20b，其中本实例的第一衬底20厚度范围为400um至500um，盲孔21的直径范围为30um至100um，盲孔21的深度大于第一衬底20厚度的二分之一，但必须小于第一衬底20的厚度，盲孔21的数量根据需要可开设多个。上述的盲孔21深度的设置，一方面保证后续步骤中在第一衬底20上生长材料时，衬底不容易碎片，另一方面，降低了后续步骤中对第一衬底20进行减薄的难度。
步骤二：参照图1B，在盲孔21内和第一衬底20的第一表面20a上制作形成绝缘层70，绝缘层70用于隔离外界导电介质，防止后续步骤中制作的导电柱30与导电介质接触。当然在其他方式中，可省略该步骤。
步骤三：参照图1C，在盲孔21内的绝缘层70上和第一表面20a上的绝缘层70上制作形成导电柱种子层60。本实施例中优选采用电镀工艺，导电柱种子层60的设置有利于导电柱材料的电镀。当然在其他实施方式中，本步骤可省略。
步骤四：参照图1D，在盲孔21内制作形成导电柱30，在盲孔21内和第一衬底20的第一表面20a上生长导电材料层，使其覆盖导电柱种子层60，其中导电柱种子层60和导电材料层的材料一样，均为铜，其中，本实施例的导电柱种子层60厚度优选为100nm。
步骤五：参照图1E，将第一表面20a上有多余的导电材料层和多余的导电柱种子层60去除，使得导电柱30的一端露出于第一衬底20外。去除多余的导电材料层和导电柱种子层60后，绝缘层70的表面和导电柱30的端面会凹凸不平，需对其进行表面平坦化处理，保证绝缘层70外表面平坦。
步骤六：参照图1F，在第一衬底20的第一表面20a上制作形成第一布线层40，且第一布线层40连接导电柱30的端面，使得各导电柱30导通。
步骤七：参照图1G，对第一衬底20的与第一表面20a相对的第二表面20b进行刻蚀，直至使所述盲孔21成为通孔且使导电柱30暴露。
步骤八：参照图1H，在第一布线层40上制作形成第一键合环50；
具体地，第一键合环50为设置于第一表面20a四周的一圈环形结构，第一键合环50与第一布线层40连接。其中第一键合环50的材料为金或铟。
步骤九：参照图1I，在第二衬底10上制作形成MEMS器件，接着在第二衬底10上生长导电材料形成器件导出线12，器件导出线12用于导通MEMS器件与外界电路。
步骤十：参照图1J，在第二衬底10上制作形成第二键合环12，第二键合环12与器件导出线11连接。具体地，第二键合环12为设置于第二衬底10四周的一圈环形结构，第二键合环12与器件导出线12电连接。为了更好地确定第二键合环12生长位置，可将第一衬底20与第二衬底10对准，在第二衬底10背面设置标记，该标记对准第一键合环50，这样在第二衬底10正面生长第二键合环12即可。
步骤十一：参照图1K，键合第一键合环50和第二键合环12。
具体地，将第二衬底10和第一衬底20对准，并夹持固定，将第二衬底10和第一衬底20送入键合机进行键合，使得第二键合环12与第一键合环50，这样完成了对MEMS器件10的安装。在本实施例中，第一键合环50的材料优选为金，第二键合环12的材料优选为铟，在键合机中，第二键合环12融化，实现与第一键合环50的键合。在其他实施方式中，第一键合环50的材料优选为铜，第二键合环12的材料优选为锡。
步骤十二：参照图1L，为了方便MEMS器件与外界电路接通，在第一衬底20与第一表面20a相对的表面上制作形成第二布线层80，且第二布线层80与导电柱30连接。
进一步地，在第一衬底20与第一表面20a相对的表面上制作形成焊锡球90，焊球与第二布线层80电连接，当MEMS器件切割形成独立芯片后，方便进行表面贴装工艺，简化后续流程。当然在其他实施方式中，本步骤可省略。
本实施例一中的MEMS器件的封装方法，实现了封装结构与器件在纵向方向进行通孔互连，连线的长度可以缩短到与衬底厚度相等，大大缩短了信号的传输路径，减小电阻以及信号传输过程中的寄生效应和延迟时间，从而降低芯片发热量，提高芯片的高频性能，同时封装后不影响的频率特性，且封装加工效率高，封装成本低。
实施例二
图2示出了本实施例二的微执行器的结构示意图，该微执行器制备方法包括实施例一的封装方法，两者的不同之处在于：在步骤六中，在第一表面20a上制作形成第一布线层40的同时，在第一表面20a上制作形成第一电极层41；在步骤九中，在第二衬底10上制作形成器件导出线12的同时，在第二衬底10上制作形成第二电极层13，或者在步骤十中，在第二衬底10上制作形成第二键合环12的同时，在第二衬底10上制作形成第二电极层13，第一电极层41与第二电极层13所带电荷的电性相反，这样第二衬底10与第一衬底20封装后，第一电极层41与第二电极层13之间产生静电吸附，通过控制第一电极层41与第二电极层13的电荷量，可驱动MEMS器件振动，从而实现微执行器的功能。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (8)

1.一种MEMS器件的封装方法，其特征在于，包括：
在第一衬底(20)的第一表面(20a)上刻蚀形成盲孔(21)；
在所述盲孔(21)内制作形成导电柱(30)；
在所述第一表面(20a)上制作形成第一布线层(40)，所述第一布线层(40)与所述导电柱(30)接触；
对所述第一衬底(20)的与所述第一表面(20a)相对的第二表面(20b)进行刻蚀，直至使所述盲孔(21)成为通孔且使所述导电柱(30)暴露；
在所述第一布线层(40)上制作形成第一键合环(50)；
在第二衬底(10)上制作形成MEMS器件以及与所述MEMS器件连接的器件导出线(11)；
在所述第二衬底(10)上制作形成第二键合环(12)，所述第二键合环(12)与所述器件导出线(11)连接；
键合所述第一键合环(50)和所述第二键合环(12)。
2.根据权利要求1所述的MEMS器件的封装方法，其特征在于，在所述盲孔(21)内制作形成导电柱(30)之前，所述MEMS器件的封装方法还包括：在所述第一表面(20a)上以及所述盲孔(21)的孔壁上制作形成导电柱种子层(60)。
3.根据权利要求2所述的MEMS器件的封装方法，其特征在于，在所述第一表面(20a)上以及所述盲孔(21)的孔壁上制作形成导电柱种子层(60)之前，所述MEMS器件的封装方法还包括：在所述第一表面(20a)上以及所述盲孔(21)的孔壁上形成绝缘层(70)。
4.根据权利要求3所述的MEMS器件的封装方法，其特征在于，在所述盲孔(21)内制作形成导电柱(30)的方法具体包括：
在所述第一表面(20a)上形成导电材料层，所述导电材料层填充满所述盲孔(21)；
将所述第一表面(20a)上的导电材料层以及导电柱种子层(60)去除。
5.根据权利要求4所述的MEMS器件的封装方法，其特征在于，在将所述第一表面(20a)上的导电材料层以及导电柱种子层(60)去除之后，所述MEMS器件的封装方法还包括：对所述第一表面(20a)上的所述绝缘层(70)进行表面平坦化处理。
6.根据权利要求1所述的MEMS器件的封装方法，其特征在于，在键合所述第一键合环(50)和所述第二键合环(12)之后，所述MEMS器件的封装方法还包括：在所述第二表面(20b)上制作形成第二布线层(80)，所述第二布线层(80)与所述导电柱(30)接触。
7.根据权利要求6所述的MEMS器件的封装方法，其特征在于，在所述第二表面(20b)上制作形成第二布线层(80)之后，所述MEMS器件的封装方法还包括：在所述第二布线层(80)上制作形成焊锡球(90)。
8.一种微执行器的制备方法，其特征在于，包括权利要求1至7任一项所述的MEMS器件的封装方法；
其中，在所述第一表面(20a)上制作形成第一布线层(40)的同时，所述微执行器制备方法还包括：在所述第一表面(20a)上制作形成第一电极层(41)；
在所述第二衬底(11)上制作形成所述器件导出线(12)的同时，或者在所述第二衬底(11)上制作形成所述第二键合环(12)的同时，所述微执行器的制备方法还包括：在所述第二衬底(11)上制作形成第二电极层(13)；所述第一电极层(41)与所述第二电极层(13)所带电荷电性相反。
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PB01 Publication
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20190315

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