一种用于MEMS晶圆级封装的应力补偿方法与流程

本发明涉及一种用于mems晶圆级封装的应力补偿方法，属于微机电系统(mems)微加工领域。涉及利用镜像补偿法降低待键合片挠曲的方法。

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。

mems晶圆在加工过程中，为实现电气连接需要加工出金属电极膜层，为实现电极层之间的绝缘需要加工出一些绝缘层介质膜层，si-sio2键合需要加工出sio2膜层，au-si键合需要加工出au薄膜层；这些膜层在沉积过程中在晶格不匹配、温度变化、形变、相变、结构缺陷等因素的作用下，薄膜中会不可避免的产生残余应力。残余应力过大会造成晶圆的极大挠曲，待键合片挠曲过大会给键合对准带来极大困难，而且在键合过程中会带来局部未键合上、晶圆键合片上一致性差的问题。单面大应力也会降低键合的机械强度，削弱芯片的抗冲击、抗机械振动能力，从而影响芯片的可靠性。此外，非平衡应力也会对器件的全温稳定性造成影响。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：为克服mems晶圆级键合封装工艺过程中晶圆挠曲过大导致的键合对准偏差大、键合强度低，以及非平衡应力会降低键合封装的机械可靠性和器件全温稳定性的问题，本发明提供了一种用于mems晶圆级封装的应力补偿方法，利用镜像对称补偿法，平衡键合片两侧应力，降低待键合片的挠曲。

本发明解决技术的方案是：

一种用于mems晶圆级封装的应力补偿方法，键合封装结构包括：封帽层、器件层和衬底层；封帽层正面包含腔体结构以及用于si-sio2键合的sio2膜层结构，封帽层背面有与正面同步加工的热氧化sio2膜，器件层包含有器件结构，衬底层正面包括腔体结构、au膜层结构、w电极膜层结构以及sio2绝缘层结构；封帽层正面与器件层背面之间通过si-sio2直接键合形成soi片，soi片器件层的正面完成器件结构加工后与衬底层正面通过au-si共晶键合形成封装；

在封帽层的背面加工出与正面完全镜像对称的sio2膜层结构；

再将封装层与器件层通过si-sio2直接键合形成soi片；

在衬底层硅片的背面加工出与正面完全镜像对称的膜层结构；

最后将衬底层硅片与完成器件层加工的soi键合在一起形成封装。

优选的，具体步骤如下：

(1)进行封帽层硅片的背面、与正面镜像对称图形的光刻；

(2)光刻完成后，进行封帽层硅片的背面、与正面镜像对称sio2图形结构的刻蚀；

(3)将刻蚀完成的封帽层硅片和器件层硅片通过si-sio2键合在一起形成soi片；

(4)根据衬底层硅片正面的sio2/w/sio2/au膜层结构，分别在衬底层硅片的背面沉积sio2、w、sio2、au；

(5)根据衬底层硅片正面图形结构，分别对衬底层硅片背面的sio2、w、sio2、au进行图形化，加工出与正面镜像对称的膜层结构。

(6)将完成镜像对称的膜层结构加工的soi片与衬底层硅片键合在一起，完成封装。

优选的，步骤(1)，封帽层背面的光刻，光刻胶可采用az5214或az4620，光刻胶厚度为1.7-3μm；曝光显影后通过烘箱或者热板，在80-120℃下进行坚膜30-60min。

优选的，步骤(2)中，sio2的刻蚀，采用湿法腐蚀或干法刻蚀；并且与正面的sio2膜采用相同的刻蚀方法及相同的刻蚀参数。

优选的，步骤步骤(4)中，衬底层硅片背面的sio2膜的沉积，采用pecvd或lpcvd进行沉积，并且与衬底层硅片正面的sio2膜，采用相同的沉积方法、相同的沉积参数。

优选的，步骤(4)中，衬底层硅片背面的w、au膜的沉积，采用磁控溅射或电子束蒸镀进行沉积，并且与衬底层硅片正面的w、au膜采用相同的沉积方法、相同的沉积参数。

优选的，步骤(5)中，衬底层硅片背面的sio2、w、sio2、au膜的图形化，采用湿法腐蚀或干法刻蚀；并且与衬底层硅片正面的sio2、w、sio2、au的图形化，采用相同的方法、相同的工艺参数。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明相对平坦的待键合片，可有效提高键合对准精度，降低了对准偏差对器件性能的影响；

(2)本发明挠曲较小的两片晶圆相键合，可有效避免晶圆局部未键合上的问题，提高键合工艺的片上一致性；

(3)本发明镜像对称的应力分布，可提高键合的机械强度，改善芯片的机械可靠性；

(4)本发明芯片两侧的平衡应力分布，降低了温度变动下不同材料间热膨胀系数差异对芯片的结构形变的影响，从而提高了芯片的全温稳定性。

附图说明

图1为本发明封装结构示意图；

图2为本发明工艺流程图。

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晶圆级封装的应力补偿方法，键合封装结构包括：封帽层、器件层和衬底层；封帽层正面包含腔体结构以及用于si-sio2键合的sio2膜层结构，封帽层背面有与正面同步加工的热氧化sio2膜，器件层包含有器件结构，衬底层正面包括腔体结构、au膜层结构、w电极膜层结构以及sio2绝缘层结构；封帽层正面与器件层背面之间通过si-sio2直接键合形成soi片，soi片器件层的正面完成器件结构加工后与衬底层正面通过au-si共晶键合形成封装；在封帽层的背面加工出与正面完全镜像对称的sio2膜层结构，再将封装层与器件层通过si-sio2直接键合形成soi片，在衬底层硅片的背面加工出与正面完全镜像对称的膜层结构，最后将衬底层硅片与完成器件层加工的soi键合在一起形成封装；其封装结构示意图，如图1所示。

所述一种用于mems晶圆级封装的应力补偿方法具体步骤如图2所示，包括：

(1)进行封帽层硅片的背面、与正面镜像对称图形的光刻；

(2)光刻完成后，进行封帽层硅片的背面、与正面镜像对称sio2图形结构的刻蚀；

(3)将刻蚀完成的封帽层硅片和器件层硅片通过si-sio2键合在一起形成soi片；

(4)根据衬底层硅片正面的sio2/w/sio2/au膜层结构，分别在衬底层硅片的背面沉积sio2、w、sio2、au；

(5)根据衬底层硅片正面图形结构，分别对衬底层硅片背面的sio2、w、sio2、au进行图形化，加工出与正面镜像对称的膜层结构。

(6)将完成镜像对称的膜层结构加工的soi片与衬底层硅片键合在一起，完成封装。

其一，封帽层背面的光刻，光刻胶可采用az5214或az4620，光刻胶厚度为1.7-3μm；甩胶后需要用烘箱或者热板，在80-120℃下进行坚膜30-60min。

其二，sio2的刻蚀，可采用湿法腐蚀，也可以采用干法刻蚀；并且与正面的sio2膜，采用相同的刻蚀方法、相同的刻蚀参数。

其三，衬底层硅片背面的sio2膜的沉积，可采用pecvd或lpcvd进行沉积，也可以采用其它化学或物理气相沉积方法；并且与衬底层硅片正面的sio2膜，采用相同的沉积方法、相同的沉积参数；衬底层硅片背面的w、au膜的沉积，可采用磁控溅射或电子束蒸镀进行沉积，也可以采用其它物理气相沉积方法；并且与衬底层硅片正面的w、au膜，采用相同的沉积方法、相同的沉积参数。

其四，衬底层硅片背面的sio2、w、sio2、au膜的图形化，可采用湿法腐蚀，也可以采用干法刻蚀；并且与衬底层硅片正面的sio2、w、sio2、au的图形化，采用相同的方法、相同的工艺参数。

本发明相对平坦的待键合片，可有效提高键合对准精度，降低了对准偏差对器件性能的影响；本发明挠曲较小的两片晶圆相键合，可有效避免晶圆局部未键合上的问题，提高键合工艺的片上一致性；本发明镜像对称的应力分布，可提高键合的机械强度，改善芯片的机械可靠性；

本发明芯片两侧的平衡应力分布，降低了温度变动下不同材料间热膨胀系数差异对芯片的结构形变的影响，从而提高了芯片的全温稳定性。

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。