CN1683234A - 在真空状态下封装mems装置的方法以及用该方法生产的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种利用O型圈来真空封装MEMS装置的方法，以及通过该方法所制造的真空封装的MEMS装置。该方法包括制备包括有空腔的上部衬底和包括有MEMS装置的下部衬底并将上部和下部衬底装载到真空室中；通过将O型圈安装到下部衬底的MEMS装置的边缘部分上来使下部和上部衬底对准；通过在上部和下部衬底之间施加压力而使O型圈被压在上部和下部衬底之间；对真空室进行排气；以及移除被施加在上部和下部衬底之间的压力。在该方法中，可采用简单的工艺来真空封装MEMS装置而不会从上部衬底的空腔产生放气和泄漏。

Description

在真空状态下封装MEMS装置的方法以及用该方法生产的装置
技术领域
本发明涉及一种在真空状态下封装微电子机械***(Micro ElectroMechanical Systems，MEMS)装置的方法以及利用该方法所封装的微电子机械***装置，更具体而言涉及一种利用O型圈在真空状态下封装MEMS装置的方法以及利用该方法所制造的MEMS装置。
背景技术
近年来，MEMS已作为下一代电子元件领域中的领先的、创新的***微型化技术而被提出。例如，各种MEMS产品如加速计、压力传感器、喷墨头和硬盘磁头在全世界是通用的。同样，在开始生产最初的微陀螺仪之后，已经开始大量生产微陀螺仪。如今，随着光学通信技术的发展，用于波长分割多路转换(wavelength division multiplexing，WDM)光学通信的各种高效元件如转换器、衰减器、滤波器以及OXC转换器正在作为新型的具有前景的MEMS
技术领域被人们研究。
源自MEMS技术的代表性产品是MEMS陀螺仪传感器。硅振荡陀螺仪根据这样的原理来操作，即当某结构因静电力而在一定方向上振荡并且给出了所探测到的角旋转(或角速度)，则科里奥利力(Coriolis force)以直角作用到该结构的振荡上。此时，采用惯性主体与电极之间的电容偏差来测量由科里奥利力所产生的振荡以及外部施加的角旋转范围。
微陀螺仪可被用于超微型的低价全球定位***(GPS)，惯性导航***(INS)，包括有车辆正控制和驱动安全装置如正悬挂装置的汽车工业，包括有虚拟现实的家用电器，三维鼠标和用于相机的防止手抖动的装置，包括有通用武器***、导弹制导***和智能******的军事应用，以及包括有机床控制、振荡控制和机器人技术的其他工业等各种领域中。
为了增加振荡陀螺仪的灵敏度，必须使给定方向上所获得的振荡频率与测量方向上所获得的振荡频率相符，并且阻尼较小。也就是说，当某一结构工作时，该结构将会由于气流和该结构周围的粘性所导致的阻尼效应而遇到阻力，并且Q值(质量因子)减小。为此，该结构需要在真空状态下操作以及在高真空下封装。
图1是传统的振荡MEMS陀螺仪传感器的剖视图。
参考图1，MEMS陀螺仪传感器采用硅绝缘体(SOI)晶片来制造，该晶片包括顺序地层叠的第一硅层1、氧化层5和第二硅层10。SOI晶片具有大约500微米的厚度，作为绝缘体的氧化层5具有大约3微米的厚度。层叠在氧化层5上的第二硅层10是p型<100>晶面，并具有40微米的厚度和大约0.0l至0.02欧姆·厘米的电阻。SOI晶片首先被净化，然后利用光刻胶(photo-resistor)来形成陀螺仪结构模式。对所得到的结构进行充分的烘烤，使得光刻胶不会碳化。之后，采用感应耦合等离子体反应性离子束刻蚀(ICP-RIE)来顺序地和垂直地刻蚀第二硅层10、氧化层5和作为牺牲层的第一硅层1。利用干灰化装置将光刻胶除去，将所得到的结构浸入氢氟(HF)酸溶液中，从而完全地释放陀螺仪结构20。
为了对包括有陀螺仪结构20的下部衬底25进行封装，制备了上部衬底30。上部衬底30由康宁派瑞克斯(Corning Pyrex)7740玻璃来制成，其热膨胀系数比较接近于硅的热膨胀系数并且具有大约350微米的厚度。如图1所示，玻璃上部衬底30具有内部的空腔35和顶面中的通孔37。空腔35被要求用于保护陀螺仪结构20和产生真空状态。通孔37用作将陀螺仪结构20和外部电互连件连接起来的路径。玻璃上部衬底30的空腔35和通孔37利用喷砂法来形成。
包括有陀螺仪结构20的下部衬底25和包括有空腔35的上部衬底30被对准并被装载到真空室中。真空室内的真空度设定为大约5×10-5托(Torr)，然后进行阳极结合。在阳极结合期间，在上、下部衬底30和25上施加电压，同时升高真空室内温度。在完成了阳极结合之后，将上、下部衬底30和25从真空室内卸下，并通过将铝沉积在玻璃上部衬底30上来形成电互连件40。之后，被结合好的上、下部衬底30和25被切割成单个的芯片。
在上述晶片级真空封装工艺中，完成了传统的MEMS陀螺仪传感器。然而，在这种情况下，受环境条件影响的封装组件的真空度和时间的变化不是十分可靠的。
当使用陀螺仪时，Q值是变化的。如果Q值或频率变化，则会直接影响作为陀螺仪性能因子的灵敏度和精确度。当使用陀螺仪时，Q值的减小意味着陀螺仪封装组件的真空度变化。换句话说，空腔内的压力与初始压力相比有所增加，使得空气的阻尼增大，从而降低了Q值。
一般而言，空腔内压力的增加是由空腔内产生的放气或泄漏所引起的。
泄漏由结合工艺完成后在结合好的衬底之间的界面中的孔或微裂纹或者材料缺陷所造成。
放气指的是在结合工艺期间或之后从空腔内放出气体。在结合工艺期间，如果施加了高电压，则不仅是从玻璃衬底或结合好的衬底之间的界面处发出的氧离子，而且还有保持在封装内表面或材料表面上的污染物中所含的气体会随着温度的上升而连续地释放到空腔中去。
通过分析SOI晶片和玻璃晶片所产生的放气，可以看到从晶片中发出的气体含有最大部分的水，以及二氧化碳，丙烯和其它污染物。由于玻璃晶片发出比SOI晶片大约大10倍量的气体，因此玻璃衬底成为从空腔释放气体的主要原因。从玻璃晶片中释放出很大量的水。特别是，已经证明，在采用喷砂法对玻璃晶片进行加工之后，将比以前释放出多大约2.5倍的气体。
发明内容
因此，需要一种新的在真空下封装MEMS设备的方法，其可解决泄漏和放气问题。
本发明提供了一种在真空下封装微电子机械***(MEMS)装置而不会造成气体泄漏的方法，以及通过该方法所制造的真空封装的MEMS装置。
本发明还提供了一种在真空下封装MEMS装置的方法，其既不包括烘烤工艺也不包括阳极结合因此不会产生放气，并且提供了一种通过该方法所制造的真空封装的MEMS装置。
根据本发明的一方面，提供了一种在真空下封装MEMS装置的方法。在该方法中，包括有空腔的上部衬底和包括有MEMS装置的下部衬底被制备并装载到真空室中。通过将O型圈安装到下部衬底的MEMS装置的边缘部分来使下部和上部衬底对准。通过在上、下部衬底之间施加压力而使O型圈被压在上、下部衬底之间。之后，对真空室进行排气，使得上、下部衬底可因真空与大气压力之间的压差而被封装在真空中。此后，松开被施加在上、下部衬底之间的压力。
可在上、下部衬底之间的O型圈外侧填充密封胶如真空密封胶。为了保持气密性，可利用夹具来夹紧上、下部衬底的外部。
在利用晶片级真空封装来封装MEMS装置之后，上、下部衬底可被切割成单个的芯片。同样，上、下部衬底可通过电连接件来连接并采用模塑料(molding compound)来模制，MEMS装置被嵌入上、下部衬底之间。模塑料可从包括有金属、陶瓷、玻璃和热固性树脂的组中选出。
MEMS装置可以从包括有陀螺仪、加速计、光开关、射频开关、压力传感器的组中选出并可用于***级封装(SoP)。
根据本发明的另一方面，提供了一种真空封装的MEMS装置，其包括：包括有MEMS装置的上部衬底；包括有空腔的下部衬底；以及插在上、下部衬底的边缘部分之间的弹性O型圈。
真空封装的MEMS装置还可包括密封胶如真空密封胶，其被填充在O型圈外侧的上、下部衬底之间。同样，模塑料可被模制在上、下部衬底之外，在上、下部衬底之间嵌入了MEMS装置。模塑料可以是金属、陶瓷、玻璃和热固性树脂之一。
附图说明
通过详细介绍其示例性实施例并参考附图，本发明的上述目的和优点会更加清楚，在附图中：
图1是传统的振荡式微电子机械***(MEMS)装置的陀螺仪传感器的剖视图；
图2是根据本发明的一个实施例的真空封装的MEMS陀螺仪的剖视图；
图3A至图6A是显示了根据本发明的一个实施例的封装MEMS装置的方法的透视图；
图3B至图6B是显示了封装如图3A至图6A所示MEMS装置的方法的剖视图；和
图7是显示了根据本发明的另一个实施例的在晶片级真空状态下封装多个MEMS装置的方法的透视图。
具体实施方式
现在参考附图来更全面地介绍本发明，在附图中显示了本发明的示例性实施例。在附图中，为了清楚起见可能放大了层或区域的厚度。在整个说明书中采用相同的标号来表示相同的部件。
在本发明的实施例中，采用O型圈将包括有空腔的上部衬底和包括有微电子机械***(MEMS)装置的下部衬底结合到一起。具体而言，上、下部衬底通过真空室中的O型圈而被相互间隔开预定的距离，并且被压紧。然后，对真空室进行排气，使得上、下部衬底可因真空与大气压力之间的压差而结合起来。在该工艺中不需要传统的阳极结合。因此，不会发生放气的情况，并且工艺也是比较简单和经济的，并且不会产生泄漏从而可保持高真空。
图2是根据本发明的一个实施例的真空封装的MEMS陀螺仪的剖视图。
参考图2，通过普通方法在硅绝缘体(SOI)下部晶片125中形成了陀螺仪结构120，晶片125包括顺序地层叠的第一硅层100、氧化层105和第二硅层110。在其中形成了陀螺仪结构120的下部晶片125上，通过***O型圈150来在真空下对上部晶片130进行封装。上部晶片130优选包括内部的空腔135，并且密封胶155如真空密封胶被填充到***上、下部晶片125和130之间的O型圈150外侧。
图3A至图6A是显示了根据本发明的一个实施例的封装MEMS装置的方法的透视图，图3B至图6B是显示了封装如图3A至图6A所示MEMS装置的方法的剖视图。在本发明的实施例中，各种MEMS装置如陀螺仪、加速计、压力传感器、光开关、射频开关可在真空中封装。优选地，振荡式MEMS装置可在真空中封装。
参考图3A和图3B，制备了包括有MEMS装置220的下部衬底225和包括有空腔的上部衬底230。上部衬底230可由硅形成，可通过普通的光刻技术进行湿法或干法刻蚀来形成空腔。
然后，将下部和上部衬底225和230装载到真空室(未示出)中。为了保证超高真空状态，通过操作安装于真空室内的泵来进行排气过程。在真空室中安装了包括有加压板(图5A和5B中的260)的加压部件，以便能进行高真空的排气并对上部和下部衬底230和225加压。
然后，将O型圈250安装在下部衬底225上，使得MEMS装置220被O型圈围绕。O型圈250可由各种弹性材料之一形成，并且可在被装在下部衬底225上之前在大约230℃的温度下进行预处理。
参考图4A和4B，上部衬底230被对准在下部衬底225之上，下部衬底225上设有O型圈250。
参考图5A和5B，通过使用加压部件的加压板260在真空状态下对下部和上部衬底225和230加压。一旦下部和上部衬底225和230被加压之后，则弹性O型圈250被压缩并紧密地粘结在上部和下部衬底230和225上。
参考图6A和6B，当上部和下部衬底230和225通过***O型圈250而被压紧，则真空室被放气至大气压力下。一旦真空室处于大气压力下，则上部和下部衬底230和225因大气压力而相互间紧密结合在一起。
之后，加压板260所施加在上部和下部衬底230和225上的压力被移除。此时，上部和下部衬底230和225由于上部和下部衬底230和225内侧的真空与上部和下部衬底230和225外侧的大气压力之间的压差而在真空下封装。
将真空封装好的上部和下部衬底230和225从真空室中卸载。密封胶270如真空密封胶可被填充在上部和下部衬底230和225之间的O型圈250外侧。
在某些情况下，可利用夹紧件(未示出)来增强上部和下部衬底230和225之间的粘合力，使得可以保持高真空度。
上部和下部衬底230和225的外部还可采用模塑料(molding compound)来模制而成，在上部和下部衬底230和225之间嵌有MEMS装置220。在该模制工艺中，可以保持MEMS装置220的气密性，并且可保护部件不受环境条件如温度和湿度的侵扰，并且可避免机械振荡和冲击所造成的任何损伤或变形。模塑料可以是包括有金属、陶瓷、玻璃和热固性树脂(特别是热固性环氧树脂)的组中的一种材料。
图7是显示了根据本发明的另一个实施例的在晶片级真空状态下封装多个MEMS装置320的方法的透视图。
参考图7，可通过使包括有分别环绕MEMS装置320的多个O型圈350的O型圈结构对准，从而在晶片级真空状态下对包括有多个MEMS装置320的下部晶片325和包括有与MEMS装置320对应的空腔的上部衬底330进行封装。在这种情况下，MEMS装置320可以是多种MEMS装置，例如陀螺仪、加速计、光开关、射频开关和压力传感器。
在晶片级真空下进行封装之后，下部和上部晶片325和330可被切割成单个的芯片，从而可节省时间和成本。在将封装组件切割成单个的芯片之前或之后，可于下部和上部晶片325和330之间在O型圈结构外侧填充密封胶如真空密封胶。
同样，在被切割成单个的芯片并且在其之间嵌入了MEMS装置320的下部和上部晶片325和330通过电互连件而相互连接在一起并采用模塑料进行模制之后，就可将它们用于***级封装(System on a Package，SoP)。SoP指的是集成包括有传统多功能半导体器件的***级芯片(System on chip，SoC)的技术，传统多功能半导体器件带有模块如MEMS传感器器件、射频集成电路(IC)和功率器件。该SoP技术降低了各模块的研发成本以及封装成本。
根据本发明的真空封装的MEMS装置促进了SoP，并可以更容易地构成SoP遥测传感器，其集成了高精度MEMS传感器技术、SoC技术和遥测技术。
根据本发明，上部衬底和下部衬底可容易地相互结合在一起，并且可采用简单的工艺来真空封装MEMS装置。
同样，可以制造具有优越的可靠性和长寿命的真空封装的MEMS装置，使得它可抵抗机械应力如冲击和振荡以及环境应力如温度、湿度和热冲击。
另外，可以可靠地真空封装MEMS装置而不会造成从空腔中产生泄漏或放气，并且可在晶片级真空下封装多个MEMS装置，从而减少了成本和时间。
而且，根据本发明的真空封装MEMS装置促进了SoP技术，并可以更容易地构成SoP遥测传感器，其集成了高精度MEMS传感器技术、SoC技术和遥测技术。
尽管已经参考其示例性实施例来特别显示和介绍了本发明，然而本领域的普通技术人员可以理解，在不偏离以下权利要求所定义的本发明的精神和范围的前提下，可以进行各种形式上和细节上的变化。

Claims (15)

1.一种在真空下封装微电子机械***装置的方法，其特征在于，所述方法包括：
制备包括有空腔的上部衬底和包括有微电子机械***装置的下部衬底，并将所述上部和下部衬底装载到真空室中；
通过将O型圈安装到所述下部衬底的微电子机械***装置的边缘部分来使所述上部和下部衬底对准；
通过在所述上部和下部衬底之间施加压力而使所述O型圈被压在所述上部和下部衬底之间；
对所述真空室进行排气；和
移除被施加在所述上部和下部衬底之间的压力。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括在所述O型圈外部的所述上部和下部衬底之间填充密封胶。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述密封胶是真空密封胶。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括利用夹具来夹紧所述上部和下部衬底的外部。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述微电子机械***装置采用晶片级真空封装来进行封装。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括使所述上部和下部衬底相连并采用模塑料来模制所述上部和下部衬底，在所述上部和下部衬底之间嵌入了微电子机械***装置。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述模塑料由从包括有金属、陶瓷、玻璃和热固性树脂的组中所选之一来形成。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述微电子机械***装置从包括有陀螺仪、加速计、光开关、射频开关、压力传感器的组中选出。
9.一种真空封装的微电子机械***装置，其特征在于，包括：
包括有微电子机械***装置的上部衬底；
包括有空腔的下部衬底；和
插在所述上部和下部衬底的边缘部分之间的弹性O型圈。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，还包括密封胶，其被填充在所述O型圈外侧的所述上部和下部衬底之间。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述密封胶是真空密封胶。
12.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述模塑料被模制在所述上部和下部衬底外侧，在所述上部和下部衬底之间嵌入了所述微电子机械***装置。
13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述模塑料由从包括有金属、陶瓷、玻璃和热固性树脂的组中所选之一来形成。
14.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述微电子机械***装置从包括有陀螺仪、加速计、光开关、射频开关、压力传感器的组中选出。
15.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述微电子机械***装置用于***级封装。
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