一种密封硅结构电信号引出方法与流程

本发明属于mems(微机电系统)制造技术领域，涉及一种基于硅硅键合技术的密封硅结构电信号引出方法。

背景技术：

mems器件是mems是微机电系统micro-electromechanicalsystems的缩写，是一门融合了微电子、材料、机械、物理、化学、微加工技术等多个学科的高新技术，其应用领域涵盖了仪器仪表、汽车、航空航天、军事国防、生物医学、信息技术、化工等。在制导、导航与控制(gnc)领域mems技术已经展现出了强大的竞争实力及应用前景。相比传统器件，基于mems技术的器件及系统的优势在于其低成本、低功耗、小尺寸以及可批量化生产等特点。

封装技术和引线技术是mems器件制备的一个重要工艺，典型的mems器件需要圆片封装，带有器件的晶圆被键合到另一个晶圆上，可有效地封装敏感的mems结构，该方法被称为“零级封装”，能使器件在真空或惰性气体中自由地移动。这类键合通常是全封闭的，以防止湿气、污染及随后的微结构失效。键合后在微结构体的上面就产生了一个带有密闭空腔的保护体，这种方法使得微结构体处于真空或惰性气体环境中，提高了器件可靠性和环境适应性。

引线工艺是在圆片级封装前就需要考虑的关键技术，需要从结构设计、电路互联、壳体封装等工艺步骤综合考虑。如何将内部机械信号与外部的电信号连接，实现便捷、可靠的引线技术亦是mems封装的关键技术。常用的引线技术有玻璃通孔引线、硅通孔(tsv)引线、侧面压线引线技术等，基于阳极键合、硅硅键合、金属键合和浆料键合等技术实现。其中硅通孔的引线技术可以降低元器件的成本，缩小体积，提升可靠性采用硅通孔实现电信号引出。但是，需要解决高深宽比刻蚀、电绝缘和垂直互联技术等，传统的硅通孔引线技术是在硅片表面采用干法刻蚀实现，然后采用金属填充的技术将电信号引出，对于高深宽比硅通孔，这种工艺填充效果总是不理想，而且工艺难度较大。

与其他键合工艺相比，硅硅键合技术是一种常见的圆片封装工艺，是将两片表面光洁平整的晶片经过一定处理后在一定温度和压力下接触即可实现，然后进行退火处理，实现牢固的化学连接键。它的原理、方法和实验设备都比较简单,而且与键合材料的结构、晶向、点阵参数均无关，具有温度性能好，键合应力小等特点。

综上所示，采用硅硅键合技术，外加基于硅通孔的引线技术是一种可靠的封装方式。

技术实现要素：

鉴于现有技术的上述情况，本发明的目的是提供一种密封硅结构电信号引出方法，以实现可靠、便捷的电信号引出。

本发明的上述目的是利用以下技术方案实现的：

一种密封硅结构电信号引出方法，包括以下步骤：

步骤1：选取双抛硅片作为衬底硅层，先采用干法刻蚀的方式在正面刻蚀硅孔，再采用湿法刻蚀的方式在硅片背面相应位置加工硅孔，并使之与干法刻蚀孔贯穿；

步骤2：采用热氧氧化的方式对步骤1中带硅通孔的硅片进行氧化，氧化层厚度1～2μm；

步骤3：将步骤2中氧化后的带硅通孔的硅片与另一个硅片采用硅硅键合方式进行键合，并对键合硅片进行减薄；

步骤4：采用图形化和干法刻蚀的方式将步骤3中减薄后的硅片进行区域刻蚀，分别得到键合边框、可动硅结构和引线硅层；

步骤5：将步骤4刻蚀好的结构与另一个带浅槽的硅片或者玻璃片采用硅硅键合或者阳极键合的方式进行键合固联，形成密封结构；

步骤6：采用区域金属沉积的方式，分别在硅通孔底部、侧壁、衬底硅表面，以及和引线硅层表面沉积金属膜，并在高温下退火，使金属膜分别与可动硅结构和引线硅层之间形成欧姆接触。

从而，最终通过两次硅通孔和金属膜，即“可动硅结构对应的硅通孔-金属膜-引线硅层对应的硅通孔”，将可动硅结构产生的机械信号引出至正面的引线硅层。

进一步的，步骤1中所述的硅通孔干法刻蚀段是圆形孔，孔径为50～200μm，刻蚀深度为50～200μm；湿法刻蚀段是方孔。

进一步的，在步骤3的硅硅键合前，用等离子体活化对键合表面进行处理，最终在850～1000℃条件下退火3～5h，形成牢固化学键。

进一步的，步骤3中的减薄采用机械研磨抛光的方式，减薄后硅层的厚度为30～100μm。

进一步的，步骤6中采用硬掩膜实现区域金属沉积，常用物理气象沉积设备实现，沉积金属为铝，也可采用复合金属膜，厚度不小于3μm。金属膜与硅层之间的欧姆接触需要在高温下实现，高温退火在300℃～500℃的温度范围内进行，时间不少于30分钟。

本发明采用硅通孔的引线方式，实现密封硅结构内、外部信号连接。该方法中的硅通孔采用了干法刻蚀和湿法刻蚀结合的方式，在不明显增加硅通孔横向尺寸的条件下，减少硅通孔的深宽比，降低了硅通孔引线填充的难度。同时采用了硅硅键合方式，实现衬底硅与结构层可靠固联，使得固联结构具有更好的温度性能和可靠性。并采用两次硅通孔引线方式，将密封结构内部的信号引出至正面，方便后期引线键合和叠层封装。这种电信号引出方法可以用应于硅微加速度计、硅微陀螺等结构，实现密封腔室的电信号引出，对提升器件的温度性能和可靠性有重要意义。

附图说明

图1是本发明采用硅通孔实现密封硅结构电信号引出的封装结构的示意图；

图2图解说明按照本发明的一种密封硅结构电信号引出方法的制备流程；

图3是图解说明硅通孔结构的剖视图；

图4是图解说明硅通孔结构的俯视图；

图5是图解说明中间硅层各组成部分的示意图；

图6是图解说明基于硅通孔和金属膜实现的电信号连接的示意图。

图中：1-衬底硅、2-氧化层、3-中间硅层、4-盖板层、5-硅通孔、6-金属膜、7-引线硅层、8-硅通孔干法刻蚀段、9-硅通孔湿法刻蚀段、10-键合边框、11-可动硅结构

具体实施方式

为了更清楚地理解本发明的目的、技术方案及优点，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

本发明提供一种密封硅结构电信号引出方法。图2图解说明按照本发明的一种密封硅结构电信号引出方法的制备流程。如图2所示，本发明的密封硅结构电信号引出方法包括以下步骤：

步骤1：选取厚度为300～500μm双抛硅片作为衬底硅1，采用先干法刻蚀，后湿法刻蚀的方式在硅片上制备硅通孔5，如图2(a)所示。先采用光刻图形化在硅片正面形成直径为50～100μm的圆孔图案，之后采用深硅干法刻蚀设备刻蚀图形，刻蚀深度为50～150μm，使之形成圆孔。然后在硅片表面生长氮化硅，并在硅片背面与圆孔对应位置采用光刻图形化和rie刻蚀氮化硅的方式制备方形掩蔽层。采用湿法刻蚀的方式使之形成方形深槽，并与干法刻蚀深孔贯通。湿法刻蚀采用epw溶液(溶液配比h2o:邻苯二酚:乙二胺＝360ml:180g:1000ml)或者质量浓度为40％的koh溶液。最终去除氮化硅掩蔽层，形成正面为圆形孔，背面为方向孔的硅通孔5。硅通孔5由硅通孔干法刻蚀段8和硅通孔湿法刻蚀段9组成，硅通孔5的剖面图如图3所示，俯视图如图4所示。当然，也可不分段制作硅通孔，而是直接一次性成形硅通孔，不过这样在工艺上可能不太方便。另外，采用干法刻蚀和湿法刻蚀结合的方式实现硅通孔，可在不明显增加硅通孔横向尺寸的条件下，减少硅通孔的深宽比，降低硅通孔引线填充的难度。

步骤2：采用热氧氧化的方式对步骤1中带硅通孔5的硅片进行通体热氧氧化，制备氧化层2，氧化层厚度1～2μm，如图2(b)所示。氧化层2可以在后面说明的中间层硅3和金属膜6之间形成绝缘；

步骤3：将步骤2中氧化后的硅片与另一个双抛硅片采用硅硅键合方式进行键合，此次键合采用氧等离子活化，最终在1000℃条件下退火5h，使之形成牢固键合键。采用化学机械研磨抛光(cmp)的方式对所述键合的另一个硅片进行减薄，形成中间层硅3，减薄后硅片厚度为30～100μm，如图2(c)所示。

步骤4：采用光刻图形化的方式，形成所需结构的图案；采用干法刻蚀的方式将步骤3中减薄后的硅片进行区域刻蚀，分别得到键合边框10、可动硅结构11和引线硅层7，如图2(d)所示。可动硅结构11和引线硅层7分布于键合边框10的两侧，区域刻蚀后的中间层硅3的各部分分布如图5所示。

步骤5：将步骤4刻蚀好的结构与另一个带浅槽的硅片或者玻璃片采用硅硅键合或者阳极键合的方式进行键合固联，形成密封结构，如图2(e)所示；

步骤6：分别在硅通孔5表面和引线硅层7表面，以及二者之间的衬底硅1表面采用硬掩膜的方式沉积金属膜6。金属膜为铝金属膜或者复合金属膜，如铝-钨-铝，铝-铜-铝等，金属膜总厚度不小于3μm，一般不超过4μm。之后在高于300℃的温度进行退火，时间不少于30分钟，一般不高于1小时，使之与硅层形成可靠的欧姆接触，此时密封硅结构内部的电信号可以引出至正面引线硅层7，形成的布线图形如图6所示。

如上，获得采用硅通孔实现密封硅结构电信号引出的封装结构，如图1所示。

本发明采用硅通孔的引线方式，实现密封硅结构内、外部信号连接。硅通孔采用干法刻蚀和湿法刻蚀结合的方式实现，在不明显增加硅通孔横向尺寸的条件下，减少硅通孔的深宽比，降低了硅通孔引线填充的难度。同时采用了硅硅键合方式，实现衬底硅与结构层可靠固联，使得固联结构具有更好的温度性能和可靠性。并采用两次硅通孔引线方式，将密封结构内部的信号引出至正面，方便后期引线键合和叠层封装。这种电信号引出方法可以用应于硅微加速度计、硅微陀螺等结构，实现密封腔室的电信号引出，对提升器件的温度性能和可靠性有重要意义。