一种具有Z轴止挡的圆片级真空封装方法和MEMS封装结构与流程

一种具有z轴止挡的圆片级真空封装方法和mems封装结构技术领域1.本发明涉及mems圆片级封装技术领域，尤其是涉及一种具有z轴止挡的圆片级真空封装方法和mems器件。背景技术：2.mems器件的封装成本最多已经占到了产品总成本的95％，目前滞后的封装技术与高昂的封装成本严重制约了mems器件的产业化发展。圆片级封装技术利用键合技术在制备有mems器件的圆片上加装盖板来完成对圆片上所有器件的封装，然后通过切割等工艺，将圆片上的器件分割成一个个独立的器件。多数情况下圆片级封装形成的器件可以直接应用，不需要每个器件再单独进行封装，具有低成本和可批量的优点。3.mems产品器件大多是三维结构，除了具有微电子产品的电性能指标外还具有可动微结构的机械性能指标。由于工作原理经常涉及到机械部件的运动，对于具有可动结构的mems器件如加速度计、陀螺仪等，在应用中常会遇到冲击、振动等恶劣环境，从而可能导致活动结构断裂失效，继而影响器件乃至系统的整体可靠性。4.因此，为了提高mems器件抗过载能力，可以增加止档结构设计，止档结构是在mems器件固定部分增加的限位结构，当mems器件受到较大过载时，其活动结构的位移量将被止档结构限制，从而避免了因位移过大而导致活动结构断裂。在实现本发明过程中，发明人发现：常规的止档结构加工工艺，是在mems活动结构加工时同时制作出来的，这种止档结构只能对活动结构在平面内的位移进行限位，当器件受到垂直于平面的过载时，仍会导致结构断裂。因而，现有加工工艺无法解决mems结构在z轴方向上的过载问题。技术实现要素：5.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种具有z轴止挡的圆片级真空封装方法，包括：制备盖板圆片；在所述盖板圆片刻蚀键合用空腔及止挡结构，其中，所述止挡结构构造为空腔凹槽内侧的凸起部，且所述止挡结构的设置位置与在完成键合后mems器件可动结构在z轴方向上的活动位置相对应；在所述盖板圆片的表面制备介质层；去除止挡结构表面的介质层；在所述盖板圆片中制备用来实现键合的键合区，以及在所述空腔内制备吸气剂；将经过一系列处理的盖板圆片与结构圆片进行键合实现圆片级真空封装；对封装好的mems器件进行引线孔刻蚀。6.优选地，所述止挡结构的端面用来限制所述mems器件可动结构在z轴方向上的活动范围。7.优选地，根据所述mems器件可动结构在z轴方向上的允许活动范围确定所述介质层的厚度。8.优选地，使用rie刻蚀机或湿法腐蚀工艺去除止挡结构表面的介质层。9.优选地，采用热氧化工艺、或低压化学气相沉积工艺、或等离子体增强化学气相沉积工艺来制备介质层。10.优选地，在实现圆片级真空封装过程中，包括：将经过一系列处理的盖板圆片与结构圆片的表面进行清洁、激活处理，而后进行圆片对位；将完成对位的圆片放置真空键合设备中，采用圆片级真空键合技术进行键合；激活所述吸气剂实现圆片级真空封装。11.优选地，使用干法在完成真空封装的圆片的上表面进行刻蚀，刻蚀穿透盖板圆片暴露出金属焊盘，从而形成引线孔。12.优选地，所述圆片级真空键合技术，包括但不限于：共晶键合、热压键合、直接键合、瞬态液相键合和粘接键合。13.优选地，所述盖板圆片的材料采用硅双抛片。14.另一方面，本发明还提供了一种mems封装结构，所述mems封装结构利用如上述所述的圆片级真空封装方法而制成。15.与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：16.本发明公开了一种具有z轴止挡的圆片级真空封装方法、以及利用该方法制成的mems封装结构。该方案包括：1)盖板圆片材料准备；2)同时制备键合空腔及空腔内的z轴止挡结构；3)介质层制备；4)去除止挡结构表面的介质层；5)键合区制备；6)吸气剂制备；7)将待键合圆片对准后进行键合，并激活吸气剂实现圆片级真空封装；8)引线孔刻蚀。这样，本发明利用不同区域间的介质层厚度差实现mems可动结构在z轴方向上的止挡功能，从而在实现圆片级真空封装的同时，还解决了z轴方向上的过载问题，相对于没有z轴止挡设计的圆片级真空封装工艺，仅增加了两步光刻、介质腐蚀工艺即可加工出高精度的z轴方向止挡结构，增加的工序对于整体工艺难度没有提升，具有工艺兼容性强、成本低、可实现批量生产的特点。17.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。附图说明18.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：19.图1是本技术实施例的具有z轴止挡的圆片级真空封装方法的步骤图。20.图2是本技术实施例的具有z轴止挡的圆片级真空封装方法的工艺流程图。21.图3是本技术实施例的具有z轴止挡的圆片级真空封装mems器件可动结构的剖面示意图。具体实施方式22.以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。23.mems器件的封装成本最多已经占到了产品总成本的95％，目前滞后的封装技术与高昂的封装成本严重制约了mems器件的产业化发展。圆片级封装技术利用键合技术在制备有mems器件的圆片上加装盖板来完成对圆片上所有器件的封装，然后通过切割等工艺，将圆片上的器件分割成一个个独立的器件。多数情况下圆片级封装形成的器件可以直接应用，不需要每个器件再单独进行封装，具有低成本和可批量的优点。24.mems产品器件大多是三维结构，除了具有微电子产品的电性能指标外还具有可动微结构的机械性能指标。由于工作原理经常涉及到机械部件的运动，对于具有可动结构的mems器件如加速度计、陀螺仪等，在应用中常会遇到冲击、振动等恶劣环境，从而可能导致活动结构断裂失效，继而影响器件乃至系统的整体可靠性。25.因此，为了提高mems器件抗过载能力，可以增加止档结构设计，止档结构是在mems器件固定部分增加的限位结构，当mems器件受到较大过载时，其活动结构的位移量将被止档结构限制，从而避免了因位移过大而导致活动结构断裂。在实现本发明过程中，发明人发现：常规的止档结构加工工艺，是在mems活动结构加工时同时制作出来的，这种止档结构只能对活动结构在平面内的位移进行限位，当器件受到垂直于平面的过载时，仍会导致结构断裂。因而，现有加工工艺无法解决mems结构在z轴方向上的过载问题。26.为了解决上述技术问题，本发明实施例提出了一种具有z轴止挡的圆片级真空封装方法。具体地，该圆片级真空封装方案包括：盖板圆片和结构圆片(即制备有mems器件的圆片)。在盖板圆片上制备空腔、吸气剂、键合区以及用于限制mems器件可动结构在z轴方向上的运动范围的止挡结构，结构圆片制备有待封装的mems器件；盖板圆片与结构圆片通过圆片真空键合技术实现圆片级真空封装。进一步，在制备盖板圆片空腔的同时，还要在活动结构需要限制z轴方向位移的位置设置有z轴止挡结构；然后，在盖板圆片的上、下表面制备介质层；接下来，利用去除z轴止挡结构表面的介质层，从而利用不同区域间的介质层厚度差实现mems可动结构在z轴方向上的移动限制；最后，采用圆片真空键合技术实现mems结构的圆片级真空封装。27.这样，本发明实施例所提供的圆片级真空封装方法能够有效限制mems活动结构在z轴方向上的移动范围，从而解决了在该方向上的过载问题。28.另外，利用本发明实施例所提供的圆片级真空封装方法而制成的具有可动结构的mems器件，尤其是运动方向在z轴上的mems器件，可以极大地提高这类器件的三维抗过载能力，增强器件可靠性。29.图3是本技术实施例的具有z轴止挡的圆片级真空封装mems器件可动结构的剖面示意图。图3展示了利用本发明实施例所述的(下述)圆片级真空封装方法而制成的mems器件的可动结构的封装剖面图。如图3所示，mems器件的封装结构，包括但不限于：盖板圆片1和制备有待封装mems器件的结构圆片(参见图3中的虚线框，未编号)。盖板圆片1上至少具备：设置于盖板圆片1下表面的空腔2、介质层3、空腔2内的圆片键合区4、空腔2内的吸气剂5、空腔2内的止挡结构6和金属焊盘8。另外，在待封装mems器件的结构圆片上，具备有mems器件的可动结构7。30.图1是本技术实施例的具有z轴止挡的圆片级真空封装方法的步骤图。图2是本技术实施例的具有z轴止挡的圆片级真空封装方法的工艺流程图。下面结合图1和图2对本发明实施例所述的圆片级真空封装方法的实施过程进行说明。31.步骤s110制备盖板圆片。在步骤s110中，参考图2，需要根据待封装mems器件的规格、类型等需求，选择与当前待封装器件的封装需求相对应的盖板圆片1的材料。具体地，在本发明实施例中，盖板圆片1的材料采用硅双抛片，进一步根据器件封装需求选择相适应的硅片材料。32.需要说明的是，本发明实施例对盖板圆片材料的厚度、尺寸、掺杂方式等不作具体限定，本领域技术人员可根据实际封装需求进行配置。33.在完成盖板圆片1的制备后，进入到步骤s120中。步骤s120在已配置好的盖板圆片1上刻蚀键合用空腔及止挡结构。如图2所示，在步骤s120中，在盖板圆片1上制备空腔的同时，还要在待封装mems器件内的活动结构需要限制z轴方向位移的位置处，设置有z轴止挡结构6。进一步，在盖板圆片1的下表面，制备上空腔(参考图3)，并且，在空腔凹槽的内侧设置有相应的凸起部，从而由凸起部形成空腔内的止挡结构6。其中，止挡结构6构造为空腔凹槽内侧的凸起部，并且，止挡结构6的设置位置与在完成圆片键合后mems器件的可动结构在z轴方向上的(z轴)活动位置相对应。34.更进一步地说，止挡结构6的端面用来限制mems器件可动结构在z轴方向上的活动范围。同时，止挡结构6的侧面为平面。另外，在本发明实施例中，止挡结构6的截面形状选自圆形、矩形和正方形中等任意图形中的一种。35.在同时制备键合空腔和z轴止挡结构的过程中，首先，使用光刻胶做掩膜，通过曝光和显影在盖板圆片材料的下表面形成用来实现圆片键合的空腔、以及z轴止挡结构；然后，使用具有反应离子刻蚀(reactive lon etching，rie)能力的刻蚀机，对盖板圆片的下表面进行刻蚀，刻蚀深度根据待封装mems器件封装要求来确定。这样，便完成上述步骤s120，进入到步骤s130中。36.步骤s130在盖板圆片1的表面制备介质层。也就是说，在步骤s130中，需要在已经同时制备了空腔和止挡结构的盖板圆片1的上、下表面分别制备用于实现绝缘及z轴止挡功能的介质层3。在实际应用过程中，由于本发明实施例是利用不同区域之间(键合区与止挡结构区)的介质层厚度差来实现mems器件可动结构在z轴方向上的活动范围制约。因而，介质层3不仅能够实现绝缘还同时具有z轴止挡功能，故在本发明实施例中，介质层3的厚度会根据待封装mems器件的可动结构在z轴方向上的允许活动范围来确定。37.进一步，在本发明实施例中，介质层3的制备可以采用热氧化工艺、或低压化学气相沉积(low pressure chemical vapor deposition，lpcvd)工艺、或等离子体增强化学气相沉积(plasma enhanced chemical vapor deposition，pecvd)工艺。38.需要说明的是，本发明实施例对介质层3的材料不作具体限定，本领域技术人员可以根据实际情况进行选择，只要可以实现绝缘、并且避免在后续圆片键合时出现漏电、并且其厚度可以满足止挡功能即可。例如：介质层3的材料可以采用氧化硅或者氮化硅等绝缘材料。39.这样，在完成介质层3的制备后，进入到步骤s140中。步骤s140去除止挡结构6表面的介质层3，从而利用不同区域之间的介质层厚度差便能够实现mems器件可动结构在z轴方向上的止挡功能。由于止挡结构表面没有介质层，所以mems器件可动结构7在z轴方向上的可动位移范围实际为介质层厚度，从而本发明能够通过不同介质的厚度可以实现mems器件可动结构在z方向上的运动范围限制。40.在步骤s140中，使用rie刻蚀机或湿法腐蚀工艺去除止挡结构表面的介质层。具体地，首先，使用光刻胶做掩膜，通过曝光和显影去除z轴止挡结构6表面的光刻胶；然后，使用rie刻蚀机或者湿法腐蚀技术去除z轴止挡结构6表面的介质层3，从而利用不同区域间的介质层厚度差，来实现mems可动结构在z轴方向上的止挡功能。此时，步骤s140结束，进入到步骤s150中。41.步骤s150在盖板圆片1中制备用来实现键合的键合区4。(参考图3)在步骤s150中，需要在盖板圆片1用来实现圆片键合的区域制备键合区4、以及在结构圆片用来实现键合的区域制备键合区4。具体地，首先，键合区4的制备工艺需要根据后续圆片键合技术所选用的键合技术的类型相适应。42.例如：在后续圆片键合过程选用金属共晶键合技术时，首先，采用物理气相沉积(physical vapor deposition，pvd)工艺或者金属有机化合物化学气相沉积(metal organic chemical vapor deposition，mocvd)工艺，在盖板圆片和结构圆片内用来实现键合的区域，来沉积圆片键合所需的金属层；而后，使用光刻胶做掩膜，通过曝光和显影去除非键合区域表面光刻胶；最后，使用湿法腐蚀技术去除非键合区域的金属，实现键合区4的制备。43.步骤s160在盖板圆片1空腔内制备用来实现真空封装mems器件的吸气剂5。也就是说，在步骤s160中，针对需要实现真空封装的mems器件，在盖板圆片1的空腔2内制备吸气剂5。44.在完成键合区4和吸气剂5的制备后，进入到步骤s170中。步骤s170将经过一系列处理的盖板圆片1与结构圆片进行键合，实现mems器件的圆片级真空封装。在步骤s170中，将经过步骤s110～步骤s160一系列处理的待键合圆片(盖板圆片和结构圆片)对准后，放入真空键合设备中，将圆片键合在一起，在激活吸气剂后，实现圆片级真空封装。45.具体地，首先，将经过一系列处理的盖板圆片和结构圆片的表面进行清洁、激活等处理；而后，将盖板圆片和结构圆片进行圆片对位，使盖板圆片和结构圆片上的图形精确地对准在一起；接着，将完成对位的圆片放置于真空键合设备中，采用圆片级真空键合技术将两种圆片键合在一起；激活吸气剂5实现圆片级真空封装。其中，在本发明实施例中，圆片级真空键合技术，包括但不限于：共晶键合、热压键合、直接键合、瞬态液相键合和粘接键合。本领域技术人员可以选择其中一种来实现圆片级真空封装。46.这样，在完成圆片级真空封装后，步骤s170结束，进入到步骤s180中。47.步骤s180已封装好的mems器件进行引线孔刻蚀，从而形成引线孔。在步骤s180中，使用干法(例如：具有深反应离子刻蚀能力的刻蚀机)在完成真空封装的圆片的上表面进行刻蚀，刻蚀穿透盖板圆片1露出焊盘结构，从而形成引线孔。48.具体地，首先，采用双面光刻工艺，使用光刻胶做掩膜，通过曝光和显影在盖板圆片材料的上表面形成引线孔图形；然后，使用具有深反应离子刻蚀(deep reactive lon etching，drie)能力的刻蚀机，对在完成真空封装的圆片上表面进行刻蚀，刻蚀穿通盖板圆片暴露出金属焊盘，从而形成引线孔。49.由此，本发明实施例通过上述步骤s110～步骤s180所述的圆片级真空封装方法，可以精确实现z轴方向上的止挡结构的设计，对于具有可动结构的mems器件，尤其是运动方向在z轴上的mems器件，可以极大地提高器件的三维抗过载性能，增强器件可靠性。50.本发明公开了一种具有z轴止挡的圆片级真空封装方法、以及利用前述方法制成的mems封装结构。该方案包括：1)盖板圆片材料准备；2)同时制备键合空腔及空腔内的z轴止挡结构；3)介质层制备；4)去除止挡结构表面的介质层；5)键合区制备；6)吸气剂制备；7)将待键合圆片对准后进行键合，并激活吸气剂实现圆片级真空封装；8)引线孔刻蚀。这样，本发明利用不同区域间的介质层厚度差实现mems可动结构在z轴方向上的止挡功能，从而在实现圆片级真空封装的同时，还解决了z轴方向上的过载问题，相对于没有z轴止挡设计的圆片级真空封装工艺，仅增加了两步光刻、介质腐蚀工艺即可加工出高精度的z轴方向止挡结构，增加的工序对于整体工艺难度没有提升，具有工艺兼容性强、成本低、可实现批量生产的特点。51.此外，本发明由于采用不同区域的介质层厚度差实现z轴止挡功能，介质层具有很高的厚度均匀性和厚度控制精度(≤±2％)，可以精确实现z轴止挡的尺寸设计。由此，对于具有可动结构的mems器件、尤其是运动方向在z轴上的mems器件，该设计可以极大地提高器件的三维抗过载性能，增强器件可靠性。52.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。53.应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。54.说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。55.虽然本发明所披露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。