一种用于MEMS晶圆级共晶键合封装的硅槽结构及制备方法与流程

本发明属于微机电系统mems微加工技术领域，涉及一种用于mems晶圆级共晶键合封装的硅槽结构及制备方法。

背景技术：

mems器件封装的根本目的在于以最小的尺寸和重量、最低的价格和尽可能简单的结构服务于具有特定功能的一组元器件。mems晶圆级封装技术是指在单个mems芯片分离之前，以硅晶圆为单位，通过晶圆键合或薄膜淀积等技术途径，实现mems芯片不同层次之间机械与电气连接，实现晶圆上各个mems芯片微结构的独立密封的技术。与器件级封装相比，晶圆级封装使芯片上的可动结构不受后道工序如划片等的影响，提高器件成品率，同时可以大大节省封装成本，缩小封装尺寸。目前mems晶圆级封装技术已经成为mems器件的主流封装技术。

晶圆级共晶键合工艺对键合表面的形貌要求低、密封性好、键合强度大，可以在较小的键合面积上形成牢固的键合，非常适用于已经进行过多步工艺加工的mems器件的封装，已经成为了实现高可靠性晶圆级气密封装的关键技术之一。由于在共晶键合过程中金属-硅的液相合金具有一定的流动性，在键合压力的作用下，合金熔液会流入封装腔体内，固化后可能导致mems芯片电气连接和机械可动部件的失效，影响器件的良品率和可靠性。此外，如何在较小的键合面积预算下，保证实现足够大的键合强度以及良好的气密性，也是mems晶圆级共晶键合封装面临的重要挑战。

考虑到共晶键合过程中键合环上局部合金熔液的外溢问题、硅槽侧壁垂直度高的结构液-固界面张力大不利于合金熔液的流动、键合环上的深槽结构对键合环的机械强度造成的影响以及给后续加工环节中掩膜层的均匀涂覆带来的困难，现有技术中硅沟槽结构或制备方法都不适用于mems晶圆级共晶键合封装。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：共晶键合过程中共晶熔液局部的外溢会导致器件失效，为克服在有限的键合环面积下难以实现足够大的键合强度及难以实现良好密封效果的问题，提出一种用于mems晶圆级共晶键合封装的硅槽结构及制备方法，直接在器件层键合环两侧及内部刻蚀出横截面为等腰倒梯形的硅槽结构，以收纳在共晶键合过程中溢出的合金熔液，并通过合金熔液固化后形成楔形键合层，以提高键合强度和密封效果。

本发明解决技术的方案是：提出一种用于mems晶圆级共晶键合封装的硅槽结构及制备方法，在硅盖板片正面的键合环两侧及内部刻蚀出横截面为“等腰倒梯形”的硅槽结构，以收纳在共晶键合过程中溢出的合金熔液，并通过合金熔液固化后形成的“楔形”键合层结构提高键合强度和密封效果。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明在共晶键合过程中形成的液相合金液具有一定的流动性，在键合压力的作用下，合金液会填充到键合环内侧及外侧的环形防溢出硅槽和键合环内部的方形收纳硅槽，从而避免反应液溢出到腔室内部造成器件失效；

(2)本发明填充到硅槽里的合金液固化后形成的“楔形”的键合层能有效提高键合强度和密封效果；

(3)本发明非垂直的硅槽侧壁结构，降低了高深宽比硅槽结构表面液/固体相界面张力，促进了光刻胶、合金熔液的流动性，避免了后续器件结构加工过程中光刻胶涂覆存在气泡、厚度不均匀的现象而导致硅槽结构被刻蚀下去影响键合质量，避免了键合过程中合金熔液不均匀覆盖造成的键合层空洞。

附图说明

图1为本发明带硅槽结构键合环阵列的硅盖板片俯视图；

图2为本发明硅槽结构刻蚀工艺流程图；

图3为本发明键合环上的硅槽结构刻蚀掩膜图形；

图4为本发明键合环上的硅槽结构横截面示意图；

图5为本发明楔形键合层结构横截面示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

本发明提出的一种用于mems晶圆级共晶键合封装的硅槽结构及其制备方法，键合封装结构包括：硅盖板片和硅衬底片；硅盖板片正面上包含有键合环结构，硅衬底片正面包含有金属焊料环结构；键合时，硅衬底片上的金属焊料环落入盖板片上的键合环上，通过金属与si共晶键合将两片硅晶圆键合在一起。在硅盖板片正面键合环两侧及内部刻蚀出横截面为等腰倒梯形的硅槽结构，分布于键合环两侧的硅槽结构呈环状，分布于键合环内部的硅槽结构呈方形。带硅槽结构键合环阵列的硅盖板片俯视图，如图1所示。

所述硅槽结构的深度h满足1.5μm≤h≤2.5μm，硅槽侧壁与竖直方向夹角θ满足5°≤θ≤20°；

分布于硅盖板片正面键合环内侧及外侧的环状硅槽为防溢出硅槽，其宽度w1与键合环的宽度w2之比为r满足1/20≤r≤1/10；分布于键合环内部的方形硅槽为收纳硅槽，其边长为l，在键合环上横向、纵向等间距排布，间距d和边长l满足20μm≤d＝l≤w2/10；

所述硅槽结构的具体加工步骤如图2所示，包括：

(1)将硅盖板片分别置于sc-1，sc-2和sc-3溶液中进行标准清洗；

硅盖板片标准清洗的溶液sc-1：体积比为1∶1∶5的nh4oh、h2o2、h2o的混合溶液，在温度70-85℃下，浸泡10-30min，取出后放入清洗槽中用去离子水15-25次；

sc-2：体积比为1∶1∶5的hcl、h2o2、h2o的混合溶液，在温度70-85℃下，浸泡10-30min，取出后放入清洗槽中用去离子水清洗15-25次；

sc-3:体积比为5∶1的h2so4、h2o2的混合溶液，加热至135-150℃，浸泡10-30min，取出后放入清洗槽中用去离子水清洗15-25次，并利用甩干机进行甩干处理。

(2)在清洗后的硅盖板片的正面加工出刻蚀掩膜层并进行图形化，形成刻蚀窗口；刻蚀窗口包括键合环内侧、外侧的环形防溢出硅槽图形和键合环内部的方形收纳硅槽图形。刻蚀掩膜为光刻胶、介质膜或金属膜中的一种；

若采用光刻胶作为掩膜，光刻胶厚度为1.5-1.7μm；

若采用介质膜作为掩膜，介质膜的厚度控制在0.3-0.6μm，在介质膜的上面旋涂1.5-1.7μm的光刻胶，对光刻胶进行图形化并利用干法刻蚀对介质膜进行加工；

若采用金属膜作为掩膜，用磁控溅射系统或电子束蒸发设备蒸镀铝膜，铝膜厚度为0.2-0.4μm，在铝膜的上面旋涂1.5-1.7μm的光刻胶，对光刻胶进行图形化并利用干法刻蚀对铝膜进行加工。

(3)将完成掩膜层加工的硅盖板片置于深反应离子刻蚀机中进行硅槽刻蚀，正面朝上，加工至需要刻蚀的深度；

(4)对完成硅槽刻蚀的硅盖板片进行原位氧气清洗，去除刻蚀过程中硅槽侧壁及底部表面形成的钝化层；

(5)将完成氧清洗的硅盖板片从刻蚀机中取出，去除硅盖板片正面剩余的掩膜层，并对硅盖板片进行标准清洗，若掩膜层为光刻胶，利用有机溶剂去除；若掩膜层为介质膜，利用体积比为1:6的hf、nh4f混合溶液去除；若掩膜层为金属膜，利用相应的金属腐蚀液去除金属膜层。

其一，硅盖板片正面的刻蚀掩膜层可以是光刻胶，也可以是介质膜、金属膜或复合膜层，掩膜层的厚度根据硅槽的刻蚀深度和刻蚀选择比确定。

其二，键合环上的硅槽结构刻蚀掩膜图形如图3所示，该图形上的刻蚀窗口包括键合环内侧及外侧的“环形”防溢出硅槽图形和键合环内部的“方形”收纳硅槽图形；“环形”防溢出硅槽图形的宽度w1与键合环的宽度w2之比为r满足1/20≤r≤1/10；方形收纳硅槽图形的边长为l，在键合环上横向、纵向等间距排布，间距d和l满足20μm≤d＝l≤w2/10。

其三，硅槽刻蚀过程采用一步式深反应离子刻蚀，刻蚀/钝化同时进行，通过调节刻蚀时间实现刻蚀深度的控制；保持刻蚀气体sf6的流量不变，通过调节钝化气体c4f8流量，实现硅槽侧壁与竖直方向夹角θ的控制；刻蚀深度控制在1.5μm≤h≤2.5μm，硅槽侧壁与竖直方向夹角θ控制在5°≤θ≤20°，形成横截面为“等腰倒梯形”的硅槽结构，如图4所示。

其四，掩膜层为光刻胶时，使用有机溶剂去除；掩膜层为介质膜时，使用介质膜腐蚀液去除；掩膜层为金属膜时，采用相应的金属腐蚀液去除。

其五，刻蚀出的硅槽结构在共晶键合过程中被溢出的合金熔液填充，固化后形成楔形的键合层结构，如图5所示。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。