带腔体器件的气密封装结构的制作方法

带腔体器件的气密封装结构【技术领域】1.本发明属于mems(micro-electro-mechanical system，微机电系统)器件领域，尤其涉及一种带腔体器件的气密封装结构。背景技术：2.区别于集成ic，很多mems结构工作在真空腔体中，真空度的高低直接关系到传感器最终的性能。目前，mems结构中真空度的降低主要涉及晶圆键合处的泄漏以及封装腔内部的放气。如何识别和消除mems制造过程中腔体的异常漏气和放气是改善腔体真空度，提高传感器性能的重要途径。一旦确定，就可做相应的改进。但此类问题极具挑战性，因为现有的真空结构(例如陀螺仪、加速度计等)无法轻易区分漏气和放气造成的真空变化。并且此类设备的故障分析十分困难，尤其是在有漏气和放气的情况下。3.此外，传统的封装方法采用单一的气体密封气压，而不同类型的mems器件其理想工作气压不同，如对于mems加速度计，为了保持高的性能及可靠性，其工作气压较高。而对于mems陀螺仪为保证高灵敏度和低功耗，其工作气压较低。目前的封装方式在封装同一晶圆上不同类mems器件时，不能满足不同气压的封装要求。4.因此，有必要提出一种新的技术方案来克服上述问题。技术实现要素：5.本发明的目的之一在于提供一种带腔体器件的气密封装结构，其可以识别mems制造过程中的腔体的异常漏气和放气，为mems性能的改善提供依据，提高良率，降低成本。6.根据本发明的一个方面，本发明提供一种带腔体器件的气密封装结构，其包括：半导体衬底，其正面设置有第一半开放空腔；微机电系统层，其设置于所述半导体衬底的正面上方，所述微机电系统层的第一区域与所述半导体衬底正面的所述第一半开放空腔形成第一密闭空腔a，所述微机电系统层的第一区域设置有mems器件；位移传感器，其设置于所述第一密闭空腔a内，其用于检测所述微机电系统层的第一区域在垂直于所述微机电系统层的方向发生的形变位移；盖板，其设置于所述微机电系统层的上方，所述盖板的正面与所述微机电系统层的第一区域的相对位置处设置有第二半开放空腔，所述第二半开放空腔与所述微机电系统层的第一区域形成第二密闭空腔b；键合层，其位于所述微机电系统层和盖板之间，用于将所述微机电系统层和盖板键合在一起，并密封所述第二密闭空腔b。7.进一步的，基于所述位移传感器检测到的所述微机电系统层的第一区域在垂直于所述微机电系统层的方向发生的形变位移，判定是所述键合层漏气还是所述半导体衬底放气。8.进一步的，所述第一密闭空腔a和第二密闭空腔b的初始气压一致；当所述位移传感器检测到所述微机电系统层的第一区域向靠近所述半导体衬底的方向发生形变位移时，则判定所述键合层处存在漏气；当所述位移传感器检测到所述微机电系统层的第一区域向靠近所述盖板的方向发生形变位移时，则判定所述半导体衬底存在放气。9.进一步的，所述位移传感器包括上下电容极板或者极板阵列；通过所述位移传感器的电容变化，检测所述微机电系统层的第一区域在垂直于所述微机电系统层的方向发生的形变位移。10.进一步的，所述微机电系统层沉积在所述半导体衬底的正面上方。11.进一步的，所述微机电系统层中设置的mems器件包括陀螺仪、加速度计、压力传感器、惯性传感器及生物化学传感器。12.根据本发明的另一个方面，本发明提供一种带腔体器件的气密封装结构，其包括：半导体衬底，其正面设置有相互间隔排布的第一半开放空腔和第二半开放空腔；微机电系统层，其设置于所述半导体衬底的正面上方，所述微机电系统层设置有沿其表面相互间隔排布的第一区域和第二区域，所述微机电系统层的第一区域与所述半导体衬底正面的第一半开放空腔形成第一密闭空腔a；所述微机电系统层的第二区域与所述第二半开放空腔相对；位移传感器，其设置于所述第一密闭空腔a内，其用于检测所述微机电系统层的第一区域在垂直于所述微机电系统层的方向发生的形变位移；盖板，其设置于所述微机电系统层的上方，所述盖板的正面与所述微机电系统层的第一区域和第二区域的相对位置处设置有第三半开放空腔，所述第三半开放空腔、所述微机电系统层的第一区域和所述半导体衬底的第二半开放空腔形成第二密闭空腔b；键合层，其位于所述微机电系统层和盖板之间，其用于将所述微机电系统层和盖板键合在一起，并密封所述第二密闭空腔b。13.进一步的，所述微机电系统层的第一区域设置有第一mems器件；所述微机电系统层的第二区域设置有至少一个第二mems器件。14.进一步的，基于所述位移传感器检测到的所述微机电系统层的第一区域在垂直于所述微机电系统层的方向发生的形变位移，判定是所述键合层漏气还是所述半导体衬底放气。15.进一步的，所述第一密闭空腔a和第二密闭空腔b的初始气压一致；所述第一密闭空腔的体积小于所述第二密闭空腔的体积，当所述位移传感器检测到所述微机电系统层的第一区域向靠近所述半导体衬底的方向发生形变位移时，则判定所述键合层处存在漏气；当所述位移传感器检测到所述微机电系统层的第一区域向靠近所述盖板的方向发生形变位移时，则判定所述半导体衬底存在放气。16.进一步的，所述位移传感器包括上下电容极板或者极板阵列；通过所述位移传感器的电容变化，检测所述微机电系统层的第一区域在垂直于所述微机电系统层的方向发生的形变位移。17.进一步的，所述微机电系统层沉积在所述半导体衬底的正面上方。18.进一步的，所述微机电系统层中设置的第一mems器件和第二mems器件包括陀螺仪、加速度计、压力传感器、惯性传感器及生物化学传感器。19.与现有技术相比，本发明中的带腔体器件的气密封装结构集成有位移传感器，并通过该位移传感器监测密闭腔体的晶圆键合处漏气或者衬底及腔体放气引起腔体的气压变化，以实现对于mems制造过程中气密性的控制监测，从而为mems性能的改善提供依据，提高良率，降低成本。【附图说明】20.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：21.图1为本发明在第一个实施例中的带腔体器件的气密封装结构的部分纵剖面图；22.图2为本发明在一个实施例中如图1所示的带腔体器件的气密封装结构的漏气示意图；23.图3为本发明在一个实施例中如图1所示的带腔体器件的气密封装结构的放气示意图；24.图4为本发明在第二个实施例中的带腔体器件的气密封装结构的部分纵剖面图；25.图5为本发明在一个实施例中如图4所示的带腔体器件的气密封装结构的漏气示意图；26.图6为本发明在一个实施例中如图4所示的带腔体器件的气密封装结构的放气示意图。【具体实施方式】27.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。28.此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。除非特别说明，本文中的连接、相连、相接的表示电性连接的词均表示直接或间接电性相连。29.请参考图1所示，其为本发明在第一个实施例中的带腔体器件的气密封装结构的部分纵剖面图。图1所示的带腔体器件的气密封装结构包括半导体衬底110、微机电系统层(或mems层)120、键合层130、盖板140、位移传感器150、第一半开放空腔(或第一凹槽)170、第二半开放空腔(或第二凹槽)160。30.半导体衬底110可以是包含cmos(complementary metal oxide semiconductor，即互补金属氧化物半导体)集成电路的衬底或者单纯的衬底(即不集成cmos电路)。第一半开放空腔170设置于半导体衬底110的正面，第一半开放空腔170可由刻蚀形成或者沉积侧壁形成。31.微机电系统层120设置于半导体衬底110的正面上方，用以制造mems器件(或mems结构)，例如，微机电系统层120可以沉积在半导体衬底110的正面上方。微机电系统层120在适当的条件下可以发生形变，微机电系统层120的第一区域(未标识)与半导体衬底110正面的第一半开放空腔170形成密闭的第一密闭空腔a，其中，微机电系统层120的第一区域设置有mems器件(或mems结构)。32.位移传感器150设置于第一密闭空腔a内，位移传感器150用于检测微机电系统层120的第一区域在垂直于微机电系统层120的方向发生的形变位移(或检测微机电系统层120的第一区域上下的形变位移)。33.在一个实施例中，位移传感器150包括上下电容极板或者极板阵列，例如，设置于所述第一半开放空腔170表面(或底面)的金属极板等，其与微机电系统层120形成位移传感器150，典型的如平行板电容器，其电容可以随着微机电系统层120向上或者向下的运动发生变化。也就是说，通过位移传感器150的电容变化，检测微机电系统层120的第一区域在垂直于微机电系统层120的方向发生的形变位移。34.盖板140设置于微机电系统层120的上方，盖板140与微机电系统层120相邻的一侧表面称为盖板140的正面，盖板140的正面与微机电系统层120的第一区域的相对位置处设置有第二半开放空腔(第二凹槽)160，盖板140的正面的第二半开放空腔160与微机电系统层120的第一区域形成密闭的第二密闭空腔b。在一个实施例中，盖板140可以是半导体材料或者玻璃等材料。35.键合层130位于微机电系统层120和盖板140之间，其用于将微机电系统层120和盖板140键合在一起，并密封第二密闭空腔b。在一个实施例中，键合层130的键合的方式可以为粘合剂/阳极键合、金属键合和混合金属/聚合物晶圆键合等。36.其中，第一密闭空腔a和第二密闭空腔b的初始气压一致，微机电系统层120设置有mems器件的第一区域由于上部的第二密闭空腔b的漏气或者下部的第一密闭空腔a的放气会发生垂直于微机电系统层120的方向发生的形变位移(或上下的形变位移)，因此，可以基于位移传感器150检测到的微机电系统层120的第一区域在垂直于微机电系统层120的方向发生的形变位移，判定是第二密闭空腔b的漏气还是第一密闭空腔a的放气。37.请参考图2所示，其为本发明在一个实施例中如图1所示的带腔体器件的气密封装结构的漏气示意图。在图2所示的实施例中，在微机电系统层120和盖板140之间的键合层130处存在漏气，该漏气使得上部第二密闭空腔b的气压大于下部第一密闭空腔a的气压，由于气压差微机电系统层120的第一区域会向下运动(或使得微机电系统层120的第一区域向靠近半导体衬底110的方向发生形变位移)，使得微机电系统层120与底部电容极板之间的距离减小，电容增大，因此可通过该电容值是否增大来监测键合层130处是否漏气。也可以说，当位移传感器150检测到微机电系统层120的第一区域向靠近半导体衬底110的方向发生形变位移时，则判定键合层130处存在漏气。38.请参考图3所示，其为本发明在一个实施例中如图1所示的带腔体器件的气密封装结构的放气示意图。在图3所示的实施例中，半导体衬底110存在放气现象，使得下部的第一密闭空腔a的气压大于上部的第二密闭空腔b的气压，由于气压差微机电系统层120的第一区域会向上运动(或使得微机电系统层120的第一区域向靠近盖板140的方向发生形变位移)，使得微机电系统层120与底部电容极板之间的距离增大，电容减小，因此可通过该电容值是否减小来监测半导体衬底110有无放气。也可以说，当位移传感器150检测到微机电系统层120的第一区域向靠近盖板140的方向发生形变位移时，则判定半导体衬底110存在放气。39.在一个实施例中，微机电系统层120中设置的mems器件包括陀螺仪、加速度计、压力传感器、惯性传感器及生物化学传感器等。40.综上所述，本发明图1所示的带腔体器件的气密封装结构中集成有位移传感器150，其通过该位移传感器150监测键合层130处漏气或者半导体衬底110放气引起密闭腔体a和b的气压变化，以实现对于mems制造过程中气密性的控制监测，从而为mems性能的改善提供依据，提高良率，降低成本。41.请参考图4所示，其为本发明在第二个实施例中的带腔体器件的气密封装结构的部分纵剖面图。图4所示的带腔体器件的气密封装结构包括半导体衬底210、微机电系统层(或mems层)220、键合层230、盖板240、位移传感器250、第一半开放空腔(或第一凹槽)270、第二半开放空腔(或第二凹槽)280和第三半开放空腔(或第三凹槽)260。42.半导体衬底210可以是包含cmos(complementary metal oxide semiconductor，即互补金属氧化物半导体)集成电路的衬底或者单纯的衬底(即不集成cmos电路)。第一半开放空腔270和第二半开放空腔280沿半导体衬底210的正面间隔排布，第一半开放空腔270和第二半开放空腔280可由刻蚀形成或者沉积侧壁形成。43.微机电系统层220设置于半导体衬底210的正面上方，用以制造mems器件(或mems结构)，例如，微机电系统层220可以沉积在半导体衬底210的正面上方。微机电系统层220在适当的条件下可以发生形变，微机电系统层220设置有沿微机电系统层220的表面相互间隔排布的第一区域(未标识)和第二区域(未标识)，微机电系统层220的第一区域与半导体衬底210正面的第一半开放空腔270形成密闭的第一密闭空腔a，其中，微机电系统层220的第一区域设置有第一mems器件(或第一微机电系统结构)mems1；微机电系统层220的第二区域与第二半开放空腔280相对，微机电系统层220的第二区域设置有至少一个第二mems器件(或第二微机电系统结构)mems2。44.位移传感器250设置于第一密闭空腔a内，位移传感器250用于检测微机电系统层220的第一区域在垂直于微机电系统层220的方向发生的形变位移(或检测微机电系统层220的第一区域上下的形变位移)。45.在一个实施例中，位移传感器250包括上下电容极板或者极板阵列，例如，设置于所述第一半开放空腔270表面(或底面)的金属极板等，其与微机电系统层220形成位移传感器250，典型的如平行板电容器，其电容可以随着微机电系统层220向上或者向下的运动发生变化。也就是说，通过位移传感器250的电容变化，检测微机电系统层220的第一区域在垂直于微机电系统层220的方向发生的形变位移。46.盖板240设置于微机电系统层220的上方，盖板240与微机电系统层220相邻的一侧表面称为盖板240的正面，盖板240的正面与微机电系统层220的第一区域和第二区域的相对位置处设置有第三半开放空腔(或第三凹槽)260，盖板240的正面的第三半开放空腔260经微机电系统层220的第二区域与第二半开放空腔280相连通，且盖板240的正面的第三半开放空腔260、微机电系统层220的第一区域和半导体衬底210的第二半开放空腔280形成密闭的第二半开放空腔b。在一个实施例中，盖板240可以是半导体材料或者玻璃等材料。47.键合层230位于微机电系统层220和盖板240之间，其用于将微机电系统层220和盖板240键合在一起，并密封第二密闭空腔b。在一个实施例中，键合层230的键合的方式可以为粘合剂/阳极键合、金属键合和混合金属/聚合物晶圆键合等。48.其中，第一密闭空腔a和第二密闭空腔b的初始气压一致，第一密闭空腔a的体积小于第二密闭空腔b的体积。微机电系统层220设置有第一mems器件mems1的第一区域由于键合层230的漏气或者半导体衬底210的放气会发生垂直于微机电系统层220的方向发生形变位移(或上下的形变位移)，因此，可以基于位移传感器250检测到的微机电系统层220的第一区域在垂直于微机电系统层220的方向发生的形变位移，判定是键合层230漏气还是半导体衬底210放气。49.请参考图5所示，其为本发明在一个实施例中如图4所示的带腔体器件的气密封装结构的漏气示意图。在图5所示的实施例中，在微机电系统层220和盖板240之间的键合层230处存在漏气，该漏气使得第二密闭空腔b的气压大于第一密闭空腔a的气压，由于气压差微机电系统层220的第一区域会向下运动(或使得微机电系统层220的第一区域向靠近半导体衬底210的方向发生形变位移)，使得微机电系统层220与底部电容极板之间的距离减小，电容增大，因此可通过该电容值是否增大来监测键合层230处是否漏气。也可以说，当位移传感器250检测到微机电系统层220的第一区域向靠近半导体衬底210的方向发生形变时，则判定键合层230处存在漏气。50.请参考图6所示，其为本发明在一个实施例中如图4所示的带腔体器件的气密封装结构的放气示意图。在图6所示的实施例中，半导体衬底210存在放气现象，使得第一密闭空腔a的气压大于第二密闭空腔b的气压，由于气压差微机电系统层220的第一区域会向上运动(或使得微机电系统层220的第一区域向靠近盖板240的方向发生形变位移)，使得微机电系统层220与底部电容极板之间的距离增大，电容减小，因此可通过该电容值是否减小来监测半导体衬底210有无放气。也可以说，当位移传感器250检测到微机电系统层220的第一区域向靠近盖板240的方向发生形变时，则判定半导体衬底110存在放气。51.在一个实施例中，微机电系统层220中设置的mems器件mems1、mems2包括陀螺仪、加速度计、压力传感器、惯性传感器及生物化学传感器等。52.这一示例为类似mems2结构的器件的空腔真空监测提供了支持，为后续的工艺制造研发提供依据。53.综上所述，本发明中的带腔体器件的气密封装结构集成有位移传感器，并通过该位移传感器监测密闭腔体的晶圆键合处漏气或者衬底及腔体放气引起腔体的气压变化，以实现对于mems制造过程中气密性的控制监测，从而为mems性能的改善提供依据，提高良率，降低成本。54.在本发明中，“连接”、“相连”、“连”、“接”等表示电性连接的词语，如无特别说明，则表示直接或间接的电性连接。55.以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。