MEMS器件的封装方法及其结构

本发明涉及微机电系统封装，特别涉及一种mems器件的封装方法及其结构。

背景技术：

1、目前，微机电系统(micro electro mechanical systems，mems)器件封装技术主要分为芯片级封装级和晶圆级封装。芯片级封装技术较为成熟，但封装前划片容易造成mems器件的可动结构受到破坏，并且封装效率较低导致成本较高不利于大批量生产；晶圆级封装技术能够实现快速量产以降低生产成本，但是传统晶圆级的封装工艺较为复杂，封装技术存在着封装良率与效率、器件服役性能与寿命等方面的问题，不能满足光学mems器件的高气密性、高可靠性和低成本等要求。因此，如何通过晶圆级封装为光学mems器件提供稳定的真空密闭腔和光学通路，提高封装效率与封装良率成为了亟需解决的问题。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种mems器件的封装方法及其结构，既能够实现高气密性、高可靠性和低成本的封装效果，又能够提高mems器件的封装效率和封装良率。

2、本发明第一方面实施例提供一种mems器件的封装方法，包括：

3、获取基体晶圆，所述基体晶圆设置有mems器件、晶圆键合区、第一对准标识和第一划片槽；

4、以玻璃晶圆为原材料，对所述玻璃晶圆进行预处理，基于所述mems器件和所述晶圆键合区，通过刻蚀工艺制作第二划片槽，以及通过刻蚀工艺制作第二对准标识，形成玻璃封盖晶圆；

5、以硅晶圆为原材料，对所述硅晶圆进行预处理，基于所述晶圆键合区，通过刻蚀工艺在目标位置制作凹槽和通孔并形成键合环台阶，以及通过刻蚀工艺制作第三对准标识，形成键合环晶圆；

6、基于第一键合方式，根据所述第二对准标识和所述第三对准标识将所述玻璃封盖晶圆和所述键合环晶圆进行键合，形成盖帽晶圆；

7、利用金属薄膜沉积工艺在所述盖帽晶圆的所述键合环台阶的表面制作金属中间层；

8、基于第二键合方式，根据所述第一对准标识和所述第二对准标识通过所述金属中间层将所述盖帽晶圆和所述基体晶圆进行键合，形成具有真空密闭腔室的封装晶圆；

9、分别沿所述第一划片槽和所述第二划片槽对所述封装晶圆进行晶圆划片，得到mems芯片单元。

10、根据本发明第一方面实施例提供的mems器件的封装方法，至少具有如下有益效果：获取基体晶圆，基体晶圆设置有mems器件、晶圆键合区、第一对准标识和第一划片槽；提供玻璃封盖晶圆，在玻璃封盖晶圆上制作第二对准标识和第二划片槽；提供键合环晶圆，在键合环晶圆上制作凹槽、通孔、键合环台阶和第三对准标识；在盖帽晶圆的键合环台阶的表面通过金属薄膜沉积工艺制作金属中间层；利用第一对准标识、第二对准标识和第三对准标识进行键合对准，基于第一键合方式将玻璃封盖晶圆与键合环晶圆进行键合形成盖帽晶圆，以及基于第二键合方式将盖帽晶圆的金属中间层与基体晶圆的晶圆键合区进行键合形成具有真空密闭腔室的封装晶圆；分别沿第一划片槽和第二划片槽对封装晶圆进行划片处理，得到mems芯片单元。根据本发明的技术方案，通过二次键合的方式实现mems器件的封装，利用第一对准标识、第二对准标识和第三对准标识进行键合对准，将玻璃封盖晶圆、键合环晶圆和基体晶圆三者依次键合连接，以使玻璃封盖晶圆、键合环晶圆和基体晶圆三者连接形成封装晶圆，并围成真空密闭腔室提供光学通路，能够在满足mems器件气密性和光学通路兼容的同时，避免传统封装工艺中存在的封装复杂、效率低和成本高等问题。因此，本发明既能够实现高气密性、高可靠性和低成本的封装效果，又能够提高mems器件的封装效率和封装良率。

11、根据本发明的一些实施例，所述第一键合方式为硅-玻璃阳极键合。

12、根据本发明的一些实施例，所述第二键合方式为金属中间层键合。

13、根据本发明的一些实施例，所述第一键合方式的工艺温度高于所述第二键合方式的工艺温度。

14、根据本发明的一些实施例，所述第二键合方式包括金-硅共晶键合、金-金扩散键合、铜-锡焊料键合。

15、根据本发明的一些实施例，所述基体晶圆还设置有吸气剂，所述吸气剂在金属中间层键合的工艺温度下激活。

16、本发明第二方面实施例提供一种mems芯片单元，包括：

17、基体晶圆，设置有mems器件、晶圆键合区、第一对准标识和第一划片槽；

18、玻璃封盖晶圆，设置有第二划片槽和第二对准标识；

19、键合环晶圆，设置有凹槽、通孔、键合环台阶和第三对准标识，其中所述键合环台阶设置有金属中间层；

20、所述玻璃封盖晶圆、所述键合环晶圆和所述基体晶圆之间依次键合连接，以形成具有真空密闭腔室的封装晶圆。

21、根据本发明第二方面实施例提供的mems芯片单元，至少具有如下有益效果：获取基体晶圆，基体晶圆设置有mems器件、晶圆键合区、第一对准标识和第一划片槽；提供玻璃封盖晶圆，在玻璃封盖晶圆上制作第二对准标识和第二划片槽；提供键合环晶圆，在键合环晶圆上制作凹槽、通孔、键合环台阶和第三对准标识；在盖帽晶圆的键合环台阶的表面通过金属薄膜沉积工艺制作金属中间层；利用第一对准标识、第二对准标识和第三对准标识进行键合对准，基于第一键合方式将玻璃封盖晶圆与键合环晶圆进行键合形成盖帽晶圆，以及基于第二键合方式将盖帽晶圆的金属中间层与基体晶圆的晶圆晶圆键合区进行键合形成具有真空密闭腔室的封装晶圆。根据本发明的技术方案，通过二次键合的方式实现mems器件的封装，利用第一对准标识、第二对准标识和第三对准标识进行键合对准，将玻璃封盖晶圆、键合环晶圆和基体晶圆三者依次键合连接，以使玻璃封盖晶圆、键合环晶圆和基体晶圆三者连接形成封装晶圆，并围成真空密闭腔室提供光学通路，能够在满足mems器件气密性和光学通路兼容的同时，避免传统封装工艺中存在的封装复杂、效率低和成本高等问题。因此，本发明既能够实现高气密性、高可靠性和低成本的封装效果，又能够提高mems器件的封装效率和封装良率。

22、根据本发明的一些实施例，所述金属中间层包括金属粘结层和金属键合层。

23、根据本发明的一些实施例，所述金属粘结层采用ti、gr、ta的一种或者多种制成，所述金属键合层采用au、cu、sn的一种或者多种制成。

24、根据本发明的一些实施例，所述基体晶圆还设置有吸气剂，所述吸气剂为ti金属或者ti基合金薄膜材料。

技术特征：

1.一种mems器件的封装方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的封装方法，其特征在于，所述第一键合方式为硅-玻璃阳极键合。

3.根据权利要求2所述的封装方法，其特征在于，所述第二键合方式为金属中间层键合。

4.根据权利要求3所述的封装方法，其特征在于，所述第一键合方式的工艺温度高于所述第二键合方式的工艺温度。

5.根据权利要求3所述的封装方法，其特征在于，所述第二键合方式包括金-硅共晶键合、金-金扩散键合、铜-锡焊料键合。

6.根据权利要求3所述的封装方法，其特征在于，所述基体晶圆还设置有吸气剂，所述吸气剂在金属中间层键合的工艺温度下激活。

7.一种mems芯片单元，其特征在于，包括：

8.根据权利要求7所述的mems芯片单元，其特征在于，所述金属中间层包括金属粘结层和金属键合层。

9.根据权利要求8所述的mems芯片单元，其特征在于，所述金属粘结层采用ti、gr、ta的一种或者多种制成，所述金属键合层采用au、cu、sn的一种或者多种制成。

10.根据权利要求6所述的mems芯片单元，其特征在于，所述基体晶圆还设置有吸气剂，所述吸气剂为ti金属或者ti基合金薄膜材料。

技术总结本发明涉及微机电系统封装技术领域，特别涉及一种MEMS器件的封装方法及其结构。其中MEMS器件的封装方法包括：通过刻蚀工艺制作基体晶圆、玻璃封盖晶圆和键合环晶圆；基于第一键合方式，根据第二对准标识和第三对准标识将玻璃封盖晶圆和键合环晶圆进行键合，形成盖帽晶圆；在盖帽晶圆的键合环台阶的表面制作金属中间层；基于第二键合方式，根据第一对准标识和第二对准标识通过金属中间层将盖帽晶圆和基体晶圆进行键合，形成具有真空密闭腔室的封装晶圆；分别沿第一划片槽和第二划片槽对封装晶圆进行晶圆划片，得到MEMS芯片单元。根据本发明的技术方案，既能够实现高气密性、高可靠性和低成本的封装效果，又能够提高MEMS器件的封装效率和封装良率。技术研发人员：刘湛,苏俊辉,张乾丰,李星星,邱天,陆许明,邹鹏,张昕受保护的技术使用者：五邑大学技术研发日：技术公布日：2024/1/13