一种MEMS器件的晶圆级封装方法与流程

本申请涉及一种晶圆级封装（wlp，waferlevelpackage）方法，特别是涉及一种mems（microelectromechanicalsystem，微机电系统）器件的晶圆级封装方法。

背景技术：

mems器件是一种具有机械可动结构的微电子器件，用来将电信号转换为位移、速度、振动、声波等物理信号，也可以将这些物理信号转换为电信号。mems器件中的机械可动结构通常在几微米至几百微米之间。在该几何尺度下，机械可动结构容易受到环境中灰尘、湿气、以及挥发性化学物质的干扰及破坏。例如，环境中颗粒较大的灰尘沉积到mems器件的机械可动结构的空隙中，引起机械可动结构的失效。又如，环境中的湿气在mems器件的机械可动结构上的凝结、挥发会引起机械可动结构的黏连。再如，mems器件对环境中特定气体成分的吸附，引起mems器件谐振频率的改变和/或灵敏度漂移等。因此，mems器件需要进行封装，以隔离、保护其机械可动结构不受外界环境的影响。

传统的mems器件的封装方法属于芯片级封装（csp，chipscalepackage），封装完成后的产品如图1所示。芯片级封装方法主要采用金属封盖和陶瓷基板（也称管壳）对mems器件进行封装。由于工艺互不兼容，mems芯片、金属封盖、陶瓷基板需要在各自的加工厂单独加工。mems芯片包括硅衬底及其上形成的mems器件，通过贴片、引线键合、封帽工艺等对每颗mems芯片进行独立的封装，使mems芯片密封在由金属封盖和陶瓷基板所形成的空腔内。芯片级封装方法具有成品率较低、成本较高、最终产品的尺寸较大等缺点。

针对芯片级封装技术的缺点，晶圆级封装技术应运而生。晶圆级封装技术是对整片晶圆（wafer）进行封装测试后，再切割得到单个成品芯片的技术，封装后的芯片（chip）尺寸与裸片（die）尺寸完全一致。根据不同的工艺，mems器件的晶圆级封装方法可归结为两类，第一类是采用晶圆键合（waferbonding）方法，第二类是采用薄膜沉积（thinfilmdeposition）方法。晶圆级封装方法具有成本较低、最终产品的尺寸较小等优点。

采用晶圆键合方法的晶圆级封装成品如图2所示。该方法首先在封帽晶圆上刻蚀出所需的空腔，并沉积用于形成密封环的特殊材料；然后利用金金共晶、铝锗共晶等晶圆键合的方法，将具有空腔的封帽晶圆与mems器件所在的晶圆键合到一起，使mems器件密封在空腔内。后续通过tsv（硅通孔）、引线键合等再布线技术将器件引线连接到外面。这种封装方法需要在芯片结构上制作用于形成密封环的特殊材料，密封环的宽度通常在50～200μm之间，会显著地增大mems器件的芯片尺寸，增加其封装成本。

采用薄膜沉积方法的晶圆级封装成品如图3所示。该方法首先在mems器件上方沉积牺牲层；然后在牺牲层上方沉积支撑层，并在支撑层上刻蚀出释放孔；后续通过干法刻蚀或者湿法腐蚀工艺去除牺牲层，形成容纳mems器件的空腔；最后沉积密封层对释放孔进行填充完成对释放孔的密封，使mems器件密封在空腔内。后续通过tsv、引线键合等再布线技术将器件引线连接到外面。这种封装方法在填充释放孔时，部分填充材料有可能会通过释放孔沉积到mems器件上形成玷污，造成mems器件的失效。

申请公布号为cn105565255a、申请公布日为2016年5月11日的中国发明专利申请《mems的晶片级封装》公开了一种采用两层聚合物膜制造mems封装结构的方案。该方案是在mems器件所在的晶圆上制造由两层聚合物膜形成的封装结构，一方面整个工艺过程会极大地增加mems器件的损害几率，另一方面为减少对mems器件的损害势必对聚合物膜的材料以及释放工艺有着较为严格的限制。

技术实现要素：

本申请所要解决的技术问题是提供一种mems器件的晶圆级封装方法，需要尽可能降低封装过程对mems器件的损害几率，同时增加封装结构的材料及工艺选择面。

为解决上述技术问题，本申请mems器件的晶圆级封装方法为：首先，在mems晶圆上制作mems器件，在承载晶圆上通过临时键合材料附着封装结构。其次，将承载晶圆上的封装结构与mems晶圆键合在一起，所述封装结构与mems晶圆一起将mems器件密闭包围。再次，去除该临时键合材料从而将承载晶圆与封装结构相剥离，完成对mems器件的封装。

优选地，所述承载晶圆为单晶硅或玻璃。上述晶圆材料可以满足承载封装结构的需求，并具有成本低的优点。

优选地，所述临时键合材料具有热敏、光敏、或易于被化学药剂腐蚀的特性，以便于在后续工艺过程中有效地将封装结构从承载晶圆上剥离下来。这为临时键合材料提供了较为宽泛的选择，便于在不同的生产环境中选择各具特色的临时键合材料。

优选地，所述封装结构为有机聚合物材料。有机聚合物材料可以满足构筑封装结构的需求，并具有键合温度低的特点，可为mems器件的加工过程增加温度预算。

进一步地，所述在承载晶圆上通过临时键合材料附着封装结构包括：在承载晶圆上先后沉积临时键合材料、第一层聚合物、第二层聚合物和粘合层；在第一层聚合物、第二层聚合物和粘合层上形成引线孔和空腔；引线孔贯穿粘合层、第二层聚合物和第一层聚合物；空腔贯穿粘合层和第二层聚合物；引线孔和空腔共同构成封装结构。这是本申请提供的制造封装结构的第一种实现方式。

进一步地，所述在承载晶圆上通过临时键合材料附着封装结构包括：在承载晶圆上先后沉积临时键合材料、第一层聚合物和第二层聚合物；在第一层聚合物和第二层聚合物上形成引线孔和空腔；引线孔贯穿第二层聚合物和第一层聚合物；空腔贯穿第二层聚合物；引线孔和空腔共同构成封装结构。这是本申请提供的制造封装结构的第二种实现方式。

优选地，所述第一层聚合物、第二层聚合物为环氧树脂、聚酰亚胺、su-8光刻胶、苯并环丁烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷、帕里纶中的任意一种或多种的组合。上述有机聚合物材料可以满足构筑封装结构的需求，并提供了较为宽广的选择面，以便在不同的生产环境中选择各具特色的封装结构材料。

进一步地，所述将承载晶圆上的封装结构与mems晶圆键合在一起包括：将mems器件的电极与封装结构上的引线孔对准，mems器件以及mems晶圆上的空腔与封装结构上的空腔对准；再由粘合层或第二聚合物层将承载晶圆上的封装结构与mems晶圆牢固连接。这是本申请提供的键合步骤的实现方式，其中作为粘合材料的可以是粘合剂。如果第二聚合物层的粘附性能足以满足要求，也可省略粘合剂，直接以第二聚合物层作为粘合材料。

进一步地，所述封装结构与mems晶圆一起将mems器件密闭包围包括：封装结构中的空腔与mems晶圆上的空腔一起构成了密封mems器件的密闭空腔。该密闭空腔由mems晶圆、粘合层、第二层聚合物、第一层聚合物共同形成。或者，该密闭空腔由mems晶圆、第二层聚合物、第一层聚合物共同形成。这是本申请提供的用来密封保护mems器件的密闭空腔的制造步骤。

优选地，所述沉积工艺包括化学气相沉积、物理气相沉积、旋涂或贴合。这为封装过程的具体实现提供了可供选择的工艺。

本申请取得的技术效果是：首先，mems器件和封装结构分别在两片晶圆上独立制作完成，这使得封装结构的制作过程不会影响或损害mems器件。而后再通过键合工艺一次性地将mems器件密封装配在封装结构之中，这使得封装过程对mems晶圆的处理最简化及影响最小化，降低了mems器件在封装过程中的损坏几率。其次，mems晶圆在封装之前已制造完成，就意味着已经完成了释放步骤，不再涉及材料腐蚀选择性的问题，因此封装结构的材料和工艺的可选范围较宽。再次，封装结构优选由有机聚合物制造，不仅降低了封装成本，而且有机聚合物的键合温度较低，有效的增加了mems器件加工过程中的温度预算。封装材料通过临时键合工艺附着在承载晶圆上，承载晶圆可重复利用，降低了封装成本。

附图说明

图1是一种现有的mems器件的芯片级封装成品的剖面结构示意图。

图2是一种现有的mems器件的晶圆级封装成品的剖面结构示意图。

图3是另一种现有的mems器件的晶圆级封装成品的剖面结构示意图。

图4是本申请mems器件的晶圆级封装方法的实施例一的流程图。

图5a至图5g是本申请mems器件的晶圆级封装方法的实施例一的各步骤剖面结构示意图，其中图5g是实施例一的晶圆级封装成品的剖面结构示意图。

图6是本申请mems器件的晶圆级封装方法的实施例二的流程图。

图7a至图7e是本申请mems器件的晶圆级封装方法的实施例二的部分步骤剖面结构示意图，其中图7e是实施例二的晶圆级封装成品的剖面结构示意图。

图中附图标记说明：101为承载晶圆；102为临时键合材料；103为第一层聚合物；104为第二层聚合物；105为粘合层；111为引线孔；112为承载晶圆上的空腔；113为密闭空腔；201为mems晶圆；202为mems器件；203为mems晶圆上的空腔；204为电极；206为引线电极；207为锡球。

具体实施方式

请参阅图4，本申请的mems器件的晶圆级封装方法的实施例一包括如下步骤。

步骤401，如图5a所示，在承载晶圆101上沉积一层临时键合材料102。晶圆101是用于承载封装结构的晶圆，其上并不具有mems器件。优选地，承载晶圆101可以是单晶硅、玻璃等材料。优选地，临时键合材料102具有热敏、光敏、或易于被化学药剂腐蚀的特性，以便于在后续工艺过程中可以有效地将封装结构从承载晶圆101上剥离下来。沉积工艺也称淀积工艺，优选为化学气相沉积（cvd）、物理气相沉积（pvd）等，也可以是旋涂或贴合的方式。

步骤402，如图5b所示，在临时键合材料102上沉积用于制作封装结构的第一层聚合物103，并对第一层聚合物103进行图形化以形成用于电极引出的引线孔111。引线孔111的侧壁为第一层聚合物103。引线孔111的底部暴露出临时键合材料102。第一层聚合物103可以是环氧树脂、pi（polyimide，聚酰亚胺）、su-8光刻胶、bcb（benzocyclobutene，苯并环丁烯）、pmma（poly(methylmethacrylate)，聚甲基丙烯酸甲酯）、pdms（polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷）、parylene（帕里纶）等聚合物材料。优选地，第一层聚合物103可以采用旋涂或贴合的方式沉积到临时键合材料102上。优选地，对第一层聚合物103的图形化工艺例如采用光刻和刻蚀工艺。

步骤403，如图5c所示，在第一层聚合物103上先后沉积用于形成空腔结构的第二层聚合物104以及用于使封装结构与mems晶圆牢固键合的粘合层105，并对这两种材料进行图形化以露出引线孔111同时形成用于保护mems器件的空腔112。第二层聚合物104的材料选择范围与第一层聚合物103的材料选择范围相同。此时引线孔111的侧壁为第一层聚合物103、第二层聚合物104和粘合层105。引线孔111的底部暴露出临时键合材料102。空腔112例如是去除某个区域的全部厚度的粘合层105和全部厚度的第二层聚合物104，并可选地去除该区域的部分厚度的第一层聚合物103以后形成的。此时，由第一层聚合物103、第二层聚合物104和粘合层105共同构成了承载晶圆101上的空腔112；由引线孔111和空腔112共同构成了封装结构。优选地，第二层聚合物104采用贴合的方式沉积到第一层聚合物103上，以保证第一层聚合物103上的引线孔111不被第二层聚合物104所填充。优选地，粘合层105可以由一种材料构成，也可以由两种或更多种材料叠加构成。

步骤404，如图5d所示，将经独立加工并已形成mems器件的mems晶圆201与已形成封装结构的承载晶圆101进行对准。在mems晶圆201上具有mems器件202，该mems器件202位于mems晶圆201上的空腔203之中。所述对准包括mems器件的电极204与封装结构上的引线孔111对准，还包括mems器件202及mems晶圆201上的空腔203与封装结构上的空腔112对准。此时，承载晶圆101例如倒置，即承载晶圆101上的封装结构朝下；mems晶圆201例如正置，即mems晶圆201上的mems器件202朝上；或者相反。

步骤405，如图5e所示，通过加压和/或加热的方式使承载晶圆101与mems晶圆201进行晶圆键合，粘合层105使承载晶圆101上的封装结构与mems晶圆201牢固地连接在一起。承载晶圆101上的空腔112与mems晶圆201上的空腔203一起构成了密闭空腔113，用于容纳、密封、隔离、保护mems器件202。密闭空腔113由mems晶圆201、粘合层105、第二层聚合物104、第一层聚合物103共同构成。密闭空腔113的顶部为第一层聚合物103。密闭空腔113的侧壁为第二层聚合物104和粘合层105和部分厚度的mems晶圆201，并可选地还包括部分厚度的第一层聚合物103构成侧壁的一部分。密闭空腔113的底部为mems晶圆201。

步骤406，如图5f所示，根据临时键合材料102的特性，采用加热、紫外照射、化学试剂腐蚀的一种或多种方式去除临时键合材料102，从而将承载晶圆101与封装结构脱离开来（即解理）。承载晶圆101与封装结构脱离后，引线孔111就暴露出来。优选地，承载晶圆101在完成解理后可以通过清洗被重复利用，以进一步降低封装过程中的材料成本。

步骤407，如图5g所示，对引线孔111进行金属填充，形成穿过封装结构的引线电极206，完成mems器件的电极204与外部电极的连接。可选地，引线电极206上再制作用于贴片安装的锡球207，完成最终的封装工艺步骤。这也是本申请mems器件的晶圆级封装方法的实施例一的封装成品的剖面结构示意图。

请参阅图6，本申请的mems器件的晶圆级封装方法的实施例二包括如下步骤。

步骤601，如图5a所示，在承载晶圆101上沉积一层临时键合材料102。晶圆101是用于承载封装结构的晶圆，其上并不具有mems器件。优选地，承载晶圆101可以是单晶硅、玻璃等材料。优选地，临时键合材料102具有热敏、光敏、或易于被化学药剂腐蚀的特性，以便于在后续工艺过程中可以有效地将封装结构从承载晶圆101上剥离下来。沉积工艺也称淀积工艺，优选为化学气相沉积（cvd）、物理气相沉积（pvd）等，也可以是旋涂或贴合的方式。

步骤602，如图5b所示，在临时键合材料102上沉积用于制作封装结构的第一层聚合物103，并对第一层聚合物103进行图形化以形成用于电极引出的引线孔111。引线孔111的侧壁为第一层聚合物103。引线孔111的底部暴露出临时键合材料102。第一层聚合物103可以是环氧树脂、pi（polyimide）、su-8光刻胶、bcb、pmma、pdms、parylene等聚合物材料。优选地，第一层聚合物103可以采用旋涂或贴合的方式沉积到临时键合材料102上。优选地，对第一层聚合物103的图形化工艺例如采用光刻和刻蚀工艺。

步骤603，如图7a所示，在第一层聚合物103上沉积用于形成空腔结构以及用于使封装结构与mems晶圆牢固键合的第二层聚合物104，对其进行图形化以露出引线孔111同时形成用于保护mems器件的空腔112。第二层聚合物104的材料选择范围与第一层聚合物103的材料选择范围相同。此时引线孔111的侧壁为第一层聚合物103和第二层聚合物104。引线孔111的底部暴露出临时键合材料102。空腔112例如是去除某个区域的全部厚度的第二层聚合物104，并可选地去除该区域的部分厚度的第一层聚合物103以后形成的。此时，由第一层聚合物103和第二层聚合物104共同构成了承载晶圆101上的空腔112；由引线孔111和空腔112共同构成了封装结构。优选地，第二层聚合物104采用贴合的方式沉积到第一层聚合物103上，以保证第一层聚合物103上的引线孔111不被第二层聚合物104所填充。

步骤604，如图7b所示，将经独立加工并已形成mems器件的mems晶圆201与已形成封装结构的承载晶圆101进行对准。在mems晶圆201上具有mems器件202，该mems器件202位于mems晶圆201上的空腔203之中。所述对准包括mems器件的电极204与封装结构上的引线孔111对准，还包括mems器件202及mems晶圆201上的空腔203与封装结构上的空腔112对准。此时，承载晶圆101例如倒置，即承载晶圆101上的封装结构朝下；mems晶圆201例如正置，即mems晶圆201上的mems器件202朝上；或者相反。

步骤605，如图7c所示，通过加压和/或加热的方式使承载晶圆101与mems晶圆201进行晶圆键合，第二层聚合物104使承载晶圆101上的封装结构与mems晶圆201牢固地连接在一起。承载晶圆101上的空腔112与mems晶圆201上的空腔203一起构成了密闭空腔113，用于容纳、密封、隔离、保护mems器件202。密闭空腔113由mems晶圆201、第二层聚合物104、第一层聚合物103共同构成。密闭空腔113的顶部为第一层聚合物103。密闭空腔113的侧壁为第二层聚合物104和部分厚度的mems晶圆201，并可选地还包括部分厚度的第一层聚合物103构成侧壁的一部分。密闭空腔113的底部为mems晶圆201。

步骤606，如图7d所示，根据临时键合材料102的特性，采用加热、紫外照射、化学试剂腐蚀的一种或多种方式去除临时键合材料102，从而将承载晶圆101与封装结构脱离开来（即解理）。承载晶圆101与封装结构脱离后，引线孔111就暴露出来。优选地，承载晶圆101在完成解理后可以通过清洗被重复利用，以进一步降低封装过程中的材料成本。

步骤607，如图7e所示，对引线孔111进行金属填充，形成穿过封装结构的引线电极206，完成mems器件的电极204与外部电极的连接。可选地，引线电极206上再制作用于贴片安装的锡球207，完成最终的封装工艺步骤。这也是本申请mems器件的晶圆级封装方法的实施例二的封装成品的剖面结构示意图。

上述实施例二与实施例一的主要区别在于：实施例二去除了粘合层105。如果第二层聚合物104具有足够的粘结强度，就可以直接用于粘结承载晶圆101上的封装结构与mems晶圆201，而省略实施例一中的粘合层105。

与现有的mems器件的晶圆级封装方法相比，本申请具有如下特点和有益效果。

其一，mems器件和封装结构分别在两片晶圆上独立制作完成后，通过有机物键合工艺一次性地将mems器件密封装配在封装结构之中。封装结构的制作过程不会影响或损害mems器件，整个封装过程对mems晶圆的处理最简化及影响最小化，极大地降低了mems器件被封装工艺损坏的几率。

其二，mems晶圆在封装之前已经完成了释放等步骤，释放工艺会涉及材料腐蚀选择性的问题。在制作mems晶圆上的空腔时，一般先沉积一层牺牲材料，再在牺牲材料上沉积形成空腔的材料，然后将牺牲材料移除形成所需空腔以释放mems器件使mems器件悬空。在释放步骤（即移除牺牲材料）的过程中，例如典型的氟化氢（hf）气体释放工艺，会对钛（ti）、铝（al）、硫化铝（al2s3）等电极材料造成腐蚀，也会对氧化硅（sio2）、氮化硅（si3n4）等介质材料造成腐蚀。本申请将mems晶圆上的释放步骤与封装结构的制作分别在两片晶圆上进行，因此封装结构的材料和工艺选择范围更宽。

其三，封装结构通过临时键合工艺采用两层有机聚合物叠加的方式附着在承载晶圆上，可通过加热、紫外照射或化学试剂腐蚀的方法完成从载片晶圆上剥离封装结构。承载晶圆可重复利用，降低了封装成本。采用有机聚合物作为封装结构，不仅降低了封装成本，而且有机聚合物的键合温度较低，有效的增加了mems器件加工过程中的温度预算。

本申请提供了一种对mems器件进行低成本气密封装的晶圆级封装方法，可以应用在mems陀螺仪、加速度计等需要气密封装的mems传感器中，也可以应用在mems硅谐振器、saw（声表面波）滤波器、baw（体声波）滤波器等需要气密封装的mems执行器中。

以上仅为本申请的优选实施例，并不用于限定本申请。对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。