种子层的刻蚀方法、晶圆级封装键合环及其制作方法与流程

本发明涉及mems晶圆级封装技术领域，具体为一种种子层的刻蚀方法、晶圆级封装键合环及其制作方法。

背景技术：

mems是microelectromechanicalsystem(微电子机械系统)的缩写。一个mems通常包含一些尺寸极其微小的精细结构。这些结构在组装为相关产品前，如果没有经过良好的封装，就很容易受到外界环境的干扰，影响其性能的发挥，甚至导致结构损坏。一般而言，mems封装主要有金属封装和陶瓷封装两种形式。无论金属封装还是陶瓷封装，都需要先将圆片切割为数百个单独的芯片，然后再进行贴片、打线等操作，最终完成芯片级封装。由于封装工序繁杂且只能针对单个芯片进行操作，使得封装成本居高不下，占了很大一部分生产成本，也制约了mems更广泛的应用，迫切需要一种更优化的封装形式。

在众多封装形式中，晶圆级封装脱颖而出。晶圆级封装是在圆片上同时对多个芯片进行封装，最后切割成单个器件。因此，晶圆级封装不但加工效率高，还可以充分利用圆片的制造设备，新增投入少。晶圆级封装的这些优势使其很受欢迎并得到了快速的发展。

为了实现良好的封装效果，晶圆级封装需要制备优良的盖帽晶圆。盖帽晶圆先经光刻和干法刻蚀，形成一定深度的mems腔，得到晶圆级封装所需要的键合环；再通过pvd溅射钛铜种子层并对种子层进行光刻、电镀和湿法刻蚀，实现键合环的金属化。

键合环金属化过程中，种子层通常采用湿法刻蚀去除。一般先用过硫酸铵去除铜，再用含氢氟酸药液去除钛。上述工艺分两步进行且使用了昂贵的进口材料，使得该方案的工艺时间长、生产成本高，容易产生侧向侵蚀。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种种子层的刻蚀方法、晶圆级封装键合环及其制作方法，至少可以解决现有技术中的部分缺陷。

为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：一种种子层的刻蚀方法，用于晶圆级封装中，包括如下步骤：

s1，对长有种子层且具有mems腔的晶圆进行掩膜作业，作业时仅露出键合环；

s2，在掩膜作业完成后，对所述键合环处的所述种子层进行电镀作业；

s3，在电镀作业完成后，去除掩膜露出种子层；

s4，待掩膜去除完毕后，采用氨水、双氧水以及水的混合物刻蚀去除种子层，以使键合环金属化。

进一步，在所述s2步骤中，电镀作业具体为：先在种子层上电镀铜，与所述种子层共同作为粘附层，然后再在电镀的铜上再电镀焊料。

进一步，所述氨水、双氧水以及水的混合物中，双氧水：氨水：水＝1:2:17。

进一步，在所述s1步骤中，所述种子层的制备包括于具有mems腔的晶圆上依次溅射钛和铜。

进一步，所述种子层的具体制备方法为：采用pvd设备，用纯度99.99％的钛和铜靶材，在dc功率源条件下用氩气轰击靶材，得到高质量的种子层薄膜。

进一步，所述dc功率源是ti:1.2kw；cu：3.5kw，钛溅射所使用氩气的流量是19scc；铜溅射所用氩气流量是50scc。

进一步，在所述s4步骤中，所述混合物刻蚀的方法具体为：所述混合液以stream的形式喷洒在晶圆上，同时晶圆以100～500r/min的速度旋转，喷洒时间3～7分钟；刻蚀后，用di水冲洗去除晶圆上残留的混合溶液，然后旋转甩干。

本发明实施例提供另一种技术方案：一种晶圆级封装键合环的制作方法，包括如下步骤：

sa，对硅衬底进行掩膜作业，形成晶圆级盖帽的拓扑结构；

sb，对所述晶圆级盖帽的拓扑结构进行刻蚀形成具有深度的mems腔，并经过清洗得到键合环；

sc，采用上述的种子层的刻蚀方法，得到晶圆级封装键合环。

本发明实施例提供另一种技术方案：一种晶圆级封装键合环，采用上述的制作方法制得，包括硅衬底，所述硅衬底具有mems腔和在所述mems腔之间的凸出的键合环，于所述硅衬底的键合环上依次制作有钛层、铜层以及焊料层。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过探索新的刻蚀方法，不仅实现了种子层的一次性刻蚀，大大缩短了工艺时间，增强了产品的稳定性，还可以显著降低企业成本，突破国外对关键材料的限制；巧妙地运用了sc1的理化性质，不仅实现了钛、铜的同时刻蚀，还实现了关键材料的国产化，同时，还减少了铜的侧向侵蚀，使键合环的结构更加稳定。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种晶圆级封装键合环的制作方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种晶圆级封装键合环的结构示意图；

图3为传统的两步刻蚀和本发明实施例的一步刻蚀后形貌对比图；

附图标记中：1-硅衬底；2-mems腔；3-钛层；4-铜层；5-焊料层；6-光刻胶；7-键合环。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1、图2和图3，本发明实施例提供一种种子层的刻蚀方法，用于晶圆级封装中，包括如下步骤：s1，对长有种子层且具有mems腔2的晶圆进行掩膜作业，作业时仅露出键合环7；s2，在掩膜作业完成后，对所述键合环7处的所述种子层进行电镀作业；s3，在电镀作业完成后，去除掩膜露出种子层；s4，待掩膜去除完毕后，采用氨水、双氧水以及水的混合物刻蚀去除种子层，以使键合环7金属化。在本实施例中，通过探索新的刻蚀方法，不仅实现了种子层的一次性刻蚀，大大缩短了工艺时间，增强了产品的稳定性，还可以显著降低企业成本，突破国外对关键材料的限制；巧妙地运用了sc1的理化性质，不仅实现了钛、铜的同时刻蚀，还实现了关键材料的国产化，同时，还减少了铜的侧向侵蚀，使键合环7的结构更加稳定。具体地，在经过前期处理后，得到具有mems腔2，且长有种子层的晶圆，该晶圆仅露出键合环7，然后经过掩膜、电镀等环节后，再次露出种子层，接下来采用氨水、双氧水以及水的混合物来刻蚀种子层，最终得到金属化的键合环7。在其中，我们采用的氨水、双氧水以及水的混合物称为sc1，其中双氧水具有很强的氧化性，可以把无机物氧化层高价例子，氨水充当络合剂的作用，可以与cu、ti等金属离子发生络合反应，生成的络合物溶于水，因此可以巧妙地去除铜和钛，sc1这种独特的理化特性为同时去除钛和铜提供了可能，不仅实现了钛和铜的同时刻蚀，还实现了关键材料的国产化，同时这种刻蚀工艺还减少了铜的侧向侵蚀，使得结构更为稳定，例如图3所示的微观结构示意图，与传统的两步刻蚀工艺(左侧的图)相比，本实施例可以实现钛和铜的同时刻蚀并减少铜电镀成的侧向侵蚀，从图3右侧的图可以看到，键合环7铜结构几乎没有侧向侵蚀，而两步法刻蚀方案出现了左侧的图中所示的侧向侵蚀，形成了4μm左右的屋檐结构，该屋檐结构的存在有两个缺点，一个是键合后结构不稳定，二是容易残留污染源，污染源的存在可能导致封装后器件的真空度下降进而影响器件的性能和寿命。由于没有屋檐结构的存在，本发明所提供的种子层刻蚀方案更优。

作为本发明实施例的优化方案，掩膜作业具体为：先在种子层上涂布光刻胶6，仅露出键合环7，然后依次经过曝光和显影工序。在本实施例中，掩膜的具体方式是先涂布光刻胶6，然后曝光显影，采用掩膜的方式便于后期去除光刻胶6露出种子层。

作为本发明实施例的优化方案，先在种子层上电镀铜，与所述种子层共同作为粘附层，然后再在电镀的铜上再电镀焊料。在本实施例中，电镀作业具体是分为两部分，一部分需要先在种子层上电镀铜，使之与种子层共同作为粘附层，然后再在铜上继续电镀焊料。

作为本发明实施例的优化方案，所述氨水、双氧水以及水的混合物中，双氧水：氨水：水＝1:2:17。在本实施例中，该混合物是按照一定的比例混合而成，才可以达到想要的效果。优选的，sc1需要现配现用，因此配设混合器来提供现场混合。可以采用流量计来控制各组分的量。

作为本发明实施例的优化方案，所述种子层的制备包括于具有mems腔2的晶圆上依次溅射钛和铜。在本实施例中，种子层的制作要依附于具有mems腔2的晶圆，但mems腔2凹陷出来后，凸出的部分即为键合环7，我们在制备种子层时，只需要覆盖整个部分，即凹陷的mems腔2以及凸出的键合环7即可。制备时采用pvd设备，用纯度99.99％的钛和铜靶材，在dc功率源条件下用氩气轰击靶材，得到高质量的种子层薄膜。如此可以得到优质的种子层。优选的，控制所述dc功率源是ti:1.2kw；cu：3.5kw，钛溅射所使用氩气的流量是19scc；铜溅射所用氩气流量是50scc，可以更容易得到优质的种子层。

作为本发明实施例的优化方案，所述混合物刻蚀的方法具体为：所述混合液以stream的形式喷洒在晶圆上，同时晶圆以100～500r/min的速度旋转，喷洒时间3～7分钟；刻蚀后，用di水冲洗去除晶圆上残留的混合溶液，然后旋转甩干。在本实施例中，混合物制备好后，其刻蚀方法具体是以小细流喷洒的形式作用在晶圆上，然后喷洒的过程中，要将晶圆以优选为300r/min的速度旋转，喷洒的时间优选为5min，在刻蚀后，再用去离子水冲洗去除圆片上残留的sc1溶液，然后旋转甩干即可。

本发明实施例提供一种晶圆级封装键合环7的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：sa，对硅衬底1进行掩膜作业，形成晶圆级盖帽的拓扑结构；sb，对所述晶圆级盖帽的拓扑结构进行刻蚀形成具有深度的mems腔2，并经过清洗得到键合环7；sc，采用上述的种子层的刻蚀方法，得到晶圆级封装键合环7。在本实施例中，将上述的刻蚀方法用在晶圆级封装键合环7的制作中，不仅实现了种子层的一次性刻蚀，大大缩短了工艺时间，增强了产品的稳定性，还可以显著降低企业成本，突破国外对关键材料的限制；巧妙地运用了sc1的理化性质，不仅实现了钛、铜的同时刻蚀，还实现了关键材料的国产化，同时，还减少了铜的侧向侵蚀，使键合环7的结构更加稳定。我们采用的氨水、双氧水以及水的混合物称为sc1，其中双氧水具有很强的氧化性，可以把无机物氧化层高价例子，氨水充当络合剂的作用，可以与cu、ti等金属离子发生络合反应，生成的络合物溶于水，因此可以巧妙地去除铜和钛，sc1这种独特的理化特性为同时去除钛和铜提供了可能，不仅实现了钛和铜的同时刻蚀，还实现了关键材料的国产化，同时这种刻蚀工艺还减少了铜的侧向侵蚀，使得结构更为稳定，例如图3所示的微观结构示意图，与传统的两步刻蚀工艺(左侧的图)相比，本实施例可以实现钛和铜的同时刻蚀并减少铜电镀成的侧向侵蚀，从图3右侧的图可以看到，键合环7铜结构几乎没有侧向侵蚀，而两步法刻蚀方案出现了左侧的图中所示的侧向侵蚀，形成了4μm左右的屋檐结构，该屋檐结构的存在有两个缺点，一个是键合后结构不稳定，二是容易残留污染源，污染源的存在可能导致封装后器件的真空度下降进而影响器件的性能和寿命。由于没有屋檐结构的存在，本发明所提供的种子层刻蚀方案更优。

请参阅图1，本发明实施例提供一种晶圆级封装键合环7，采用上述制作方法制得，包括硅衬底1，所述硅衬底1具有mems腔2和在所述mems腔2之间的凸出的键合环7，于所述硅衬底1的键合环7上依次制作有钛层3、铜层4以及焊料层5。在本实施例中，将上述的刻蚀方法用在晶圆级封装键合环7的制作中，不仅实现了种子层的一次性刻蚀，大大缩短了工艺时间，增强了产品的稳定性，还可以显著降低企业成本，突破国外对关键材料的限制；巧妙地运用了sc1的理化性质，不仅实现了钛、铜的同时刻蚀，还实现了关键材料的国产化，同时，还减少了铜的侧向侵蚀，使键合环7的结构更加稳定。我们采用的氨水、双氧水以及水的混合物称为sc1，其中双氧水具有很强的氧化性，可以把无机物氧化层高价例子，氨水充当络合剂的作用，可以与cu、ti等金属离子发生络合反应，生成的络合物溶于水，因此可以巧妙地去除铜和钛，sc1这种独特的理化特性为同时去除钛和铜提供了可能，不仅实现了钛和铜的同时刻蚀，还实现了关键材料的国产化，同时这种刻蚀工艺还减少了铜的侧向侵蚀，使得结构更为稳定，例如图3所示的微观结构示意图，与传统的两步刻蚀工艺(左侧的图)相比，本实施例可以实现钛和铜的同时刻蚀并减少铜电镀成的侧向侵蚀，从图3右侧的图可以看到，键合环7铜结构几乎没有侧向侵蚀，而两步法刻蚀方案出现了左侧的图中所示的侧向侵蚀，形成了4μm左右的屋檐结构，该屋檐结构的存在有两个缺点，一个是键合后结构不稳定，二是容易残留污染源，污染源的存在可能导致封装后器件的真空度下降进而影响器件的性能和寿命。由于没有屋檐结构的存在，本发明所提供的种子层刻蚀方案更优。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。