一种MEMS器件真空封装方法与流程

本说明书实施例涉及微机电，尤其是一种mems器件真空封装方法。

背景技术：

1、mems(micro-electro-mechanical system，微机电系统)器件如mems谐振器、mems陀螺仪、mems加速度计以及mems压力传感器等需要工作在真空气密环境中，一方面避免空气中湿气、灰尘的玷污；另一方面，控制减小可动结构的空气阻尼影响。真空封装使mems器件处于真空环境中，能够保证mems器件可动结构具有优良的振动性能如谐振类器件具有高品质因数，或显著提高系统性能如使mems压力传感器具有好的量程、温度特性等。

2、现有的mems真空封装主要包括器件级封装和晶圆级封装。器件级封装相对成熟，但封装成本较高、过程相对复杂；晶圆级封装工艺简单、成本较低。常用的晶圆级真空键合工艺包括硅硅直接键合、硅-玻璃阳极键合、金硅共晶键合、玻璃浆料键合等。但这些工艺键合界面处有缺陷和孔隙导致气体泄漏，或键合材料本身的微孔渗透和材料本身吸附的气体释放等，导致键合后微型腔体真空度通常比设备键合腔真空度低数个量级。现有的改善mems器件微型腔体真空度的方法主要有两种。第一种方法是在盖板晶圆上沉积金属或金属合金材料的吸气剂薄膜，键合后在真空环境中高温激活。但高温环境会使微型腔体内的硅-吸气剂、吸气剂-气体发生化学反应，容易引起颗粒物掉落，影响mems器件的可动结构或隔离效果，而且由于化学反应过程可逆，再次经历更高温度后吸气剂容易失效，因此吸气剂的应用场景有限。第二种方法是在封装腔室预留排气孔，在高温高真空环境中，微型腔体的气体通过排气孔抽出，然后将器件置于低压环境中进行密封(如epi-seal工艺)，但这种方式所形成的微型腔体真空度受限于设备能力，对于已经带有可动结构且无法设置排气孔的mems器件，不能采用这种工艺进行封装。此外，上述两种方法通常需要增加很多工艺步骤，使得相应的封装流程十分复杂。

3、有鉴于此，本说明书旨在提供一种mems器件真空封装方法。

技术实现思路

1、本说明书实施例的目的在于，提供一种mems器件真空封装方法，以解决现有技术中mems器件封装过程复杂繁琐、工艺难度高、真空度较低的问题。

2、为了解决上述技术问题，本说明书实施例的具体技术方案如下：

3、本说明书实施例提供一种mems器件真空封装方法，包括：

4、获取一soi晶圆，所述soi晶圆依次包括顶层硅、埋氧层和衬底硅；

5、在所述顶层硅和所述埋氧层上制备mems结构得到mems结构晶圆，所述mems结构晶圆包括可动结构；

6、获取一硅晶圆或一soi晶圆并在其表面制备凹槽结构，得到盖板晶圆；

7、利用插片将所述mems结构晶圆和所述盖板晶圆进行非贴合对准，使所述mems结构与所述凹槽结构对准形成微型预备腔，所述可动结构容置于所述微型预备腔内；

8、将非贴合对准的mems结构晶圆和盖板晶圆置于键合设备中，以重复进行抽气、充气、抽气操作，直至达到预设轮次；

9、撤下所述插片，对重复预设轮次抽气、充气、抽气操作后的非贴合对准的mems结构晶圆和盖板晶圆进行键合以使所述微型预备腔形成微型气密腔，得到mems结构晶圆和盖板晶圆键合片；

10、将所述键合片置于加热设备中进行保温，以使所述微型气密腔内残留的气体逃逸或使所述微型气密腔的内壁面和所述可动结构的表面均与所述微型气密腔内残留的气体反应生成膜层。

11、具体地，重复进行抽气、充气、抽气操作时，充入的第一气体为纯氧气、氢气、氢氧混合气体、氨氧混合气体中的一种。

12、进一步地，在对非贴合对准的mems结构晶圆和盖板晶圆进行键合之前，所述方法包括：

13、对所述键合设备进行充气以使所述微型预备腔内充入一定压力的第二气体。

14、具体地，所述第二气体为纯氧气或氢氧混合气体，以使所述微型气密腔的内壁面和所述可动结构的表面生成的膜层为二氧化硅膜层。

15、具体地，所述第二气体为氨氧混合气体，以使所述微型气密腔的内壁面和所述可动结构的表面生成的膜层为硅氧氮膜层。

16、进一步地，在所述顶层硅和埋氧层上制备mems结构得到mems结构晶圆，所述mems结构晶圆包括可动结构，包括：

17、在所述顶层硅上刻蚀出的预备可动结构；

18、将所述预备可动结构与所述衬底硅之间的所述埋氧层清除，得到所述可动结构。

19、具体地，所述方法还包括：

20、保留至少部分顶层硅与所述衬底硅之间的所述埋氧层以形成锚定结构；

21、去除至少部分顶层硅，以及去除至少部分顶层硅与衬底硅之间的埋氧层，得到隔离环，所述隔离环位于所述可动结构和所述锚定结构的外围。

22、优选地，在将所述mems结构晶圆和所述盖板晶圆进行非贴合对准之前，所述方法还包括：

23、对所述mems结构晶圆和盖板晶圆进行湿法或干法活化。

24、具体地，对所述微型预备腔重复进行抽气、充气、抽气操作，包括：

25、对所述键合设备的容腔进行抽气，直至所述容腔的真空度满足预定真空度条件并保持预定时间；

26、向所述键合设备的容腔充气，直至所述容腔的压强达到预定压强条件；

27、再次对所述键合设备的容腔抽气，直至所述容腔的真空度满足预定真空度条件并保持预定时间。

28、优选地，所述保温温度在800至1150℃范围内，保温时间为2至6小时。

29、采用上述技术方案，本说明书实施例提供的mems器件真空封装方法，工艺简单，通过使微型气密腔内残留的气体逃逸或使其在微型气密腔内壁面和可动结构表面生成膜层，消耗掉微型气密腔内的残余气体，从而提高微型气密腔的真空度，极大地提高了器件品质。

30、为让本说明书实施例的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

技术特征：

1.一种mems器件真空封装方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的mems器件真空封装方法，其特征在于，重复进行抽气、充气、抽气操作时，充入的第一气体为纯氧气、氢气、氢氧混合气体、氨氧混合气体中的一种。

3.根据权利要求1所述的mems器件真空封装方法，其特征在于，在对非贴合对准的mems结构晶圆和盖板晶圆进行键合之前，所述方法进一步包括：

4.根据权利要求3所述的mems器件真空封装方法，其特征在于，所述第二气体为纯氧气或氢氧混合气体，以使所述微型气密腔的内壁面和所述可动结构的表面生成的膜层为二氧化硅膜层。

5.根据权利要求3所述的mems器件真空封装方法，其特征在于，所述第二气体为氨氧混合气体，以使所述微型气密腔的内壁面和所述可动结构的表面生成的膜层为硅氧氮膜层。

6.根据权利要求1所述的mems器件真空封装方法，其特征在于，在所述顶层硅和埋氧层上制备mems结构得到mems结构晶圆，所述mems结构晶圆包括可动结构，进一步包括：

7.根据权利要求6所述的mems器件真空封装方法，其特征在于，所述方法还包括：

8.根据权利要求1所述的mems器件真空封装方法，其特征在于，在将所述mems结构晶圆和所述盖板晶圆进行非贴合对准之前，所述方法还包括：

9.根据权利要求1所述的mems器件真空封装方法，其特征在于，将非贴合对准的mems结构晶圆和盖板晶圆置于键合设备中，以重复进行抽气、充气、抽气操作，进一步包括：

10.根据权利要求1所述的mems器件真空封装方法，其特征在于，保温温度在800至1150℃范围内，保温时间为2至6小时。

技术总结本说明书实施例提供一种MEMS器件真空封装方法，包括获取一SOI晶圆；在SOI晶圆上制备MEMS结构得到包括可动结构的MEMS结构晶圆；获取一硅晶圆或一SOI晶圆并制备凹槽结构得到盖板晶圆；将MEMS结构晶圆和盖板晶圆进行非贴合对准以形成微型预备腔，可动结构容置于微型预备腔内；将MEMS结构晶圆和盖板晶圆置于键合设备中以重复进行抽气、充气、抽气操作；对MEMS结构晶圆和盖板晶圆进行键合以使微型预备腔形成微型气密腔得到键合片；将键合片置于加热设备中，以使微型气密腔内残留的气体逃逸或使其与微型气密腔内壁面和可动结构表面反应生成膜层。本方法工艺简单，能够提高器件中微型气密腔的真空度，提高器件品质。技术研发人员：赵婷受保护的技术使用者：北京中科格励微科技有限公司技术研发日：技术公布日：2024/1/16