微机电系统器件的封装结构及方法与流程

本发明涉及半导体封装技术领域，特别是涉及一种微机电系统器件的封装结构及方法。

背景技术：

微机电系统(micro-electro-mechanicalsystem，mems)传感器是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。与传统的传感器相比，它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。

由于大部分mems器件都有气密性要求，如红外传感器中的一种微测热辐射计(micro-bolometer)，现有技术中，mems传感器的封装方式通常采用一形成有密闭空间的盖帽，盖帽上形成有硅通孔，以实现mems的电连接和达到气密性要求，但是传统的封装方式需要额外加工该盖帽，存在工艺难度高，气密性低和成本高等问题。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种新的微机电系统器件的封装结构及方法。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种微机电系统器件的封装结构及方法，可提高其封装的密封性，降低其封装的生产成本。

为解决上述技术问题，本发明提供的微机电系统器件的封装结构，包括：

第一晶圆，所述第一晶圆具有第一中央区域和围绕在所述第一中央区域周围的第一边缘区域，在所述第一中央区域形成有微机电系统器件，在所述第一边缘区域形成有第一键合结构和接触孔，且所述第一键合结构至少包括一第一键合环，所述接触孔位于所述第一键合环的外侧；

第二晶圆，所述第二晶圆具有第二中央区域和围绕在所述第二中央区域周围的第二边缘区域，在所述第二边缘区域形成有第二键合结构，所述第二键合结构至少包括一第二键合环，所述第二键合结构与第一键合结构相对应键合在一起，在所述第一中央区域和第二中央区域间形成一密闭空间；以及

用于连接所述接触孔的连接结构。

可选的，在所述微机电系统器件的封装结构中，所述微机电系统器件为红外传感器，所述红外传感器包括一微桥结构和被所述微桥结构顶起的光敏材料层。

进一步的，在所述微机电系统器件的封装结构中，所述第二晶圆的中央区域的材料为红外线能够穿透的材料。

可选的，在所述微机电系统器件的封装结构中，所述红外线能够穿透的材料为硅、锗、氟化钙或者硫化锌中任意一种。

可选的，在所述微机电系统器件的封装结构中，所述第一键合结构和第二键合结构的键合方式为共晶键合。

可选的，在所述微机电系统器件的封装结构中，所述共晶键合的共晶材料为金-铟、铜-锡、金-锡、金-锗、金-硅或者硅-锗中任意一组合材料。

可选的，在所述微机电系统器件的封装结构中，所述第一键合结构还包括一第一支撑键合结构，所述第一支撑键合结构位于所述第一键合环的外侧。

进一步的，在所述微机电系统器件的封装结构中，所述第二键合结构还包括一第二支撑键合结构，所述第二支撑键合结构位于所述第二键合环的外侧。进一步的，在所述微机电系统器件的封装结构中，在所述第二边缘区域上还包括一空腔，所述空腔贯穿所述第二晶圆，且所述空腔位于所述第二键合环和第二支撑键合结构之间。

可选的，在所述微机电系统器件的封装结构中，所述连接结构包括连接托架、连接线以及通孔，所述连接线的一端与所述通孔相连，所述连接线的另一端与所述接触孔相连。

根据本发明的另一方面，本发明还提供了一种微机电系统器件的封装方法，包括：提供一第一晶圆，所述第一晶圆具有第一中央区域和围绕在所述第一中央区域周围的第一边缘区域，所述第一中央区域形成有微电机系统器件，所述第一边缘区域形成有第一键合结构和接触孔，且所述第一键合结构至少包括一第一键合环，所述接触孔位于所述第一键合环的外侧；

提供一第二晶圆，所述第二晶圆具有第二中央区域和围绕在所述第二中央区域周围的第二边缘区域，所述第二边缘区域形成有第二键合结构，所述第二键合结构至少包括一第二键合环，且所述第二键合结构与第一键合结构相互对应；

将所述第一键合结构和第二键合结构相键合，在所述第一中央区域和所述第二中央区域间形成一密闭空间；

通过一连接结构连接所述接触孔。

可选的，在所述微电机系统器件的封装方法中，所述微电机系统器件为红外传感器。

进一步的，在提供第一晶圆的步骤中，包括：在一第一基底的中央区域之上形成一牺牲层；在所述牺牲层的侧壁上形成一微桥结构；再形成一光敏材料层，所述光敏材料层覆盖所述微桥结构和牺牲层；释放所述牺牲层，使所述第一基底与所述光敏材料层之间通过所述微桥结构相连接；在所述第一基底的边缘区域之上形成所述第一键合结构和接触孔，以形成所述第一晶圆。

可选的，在所述微电机系统器件的封装方法中，红外线能够穿透所述第二中央区域。

可选的，在所述微电机系统器件的封装方法中，将所述第一键合结构和第二键合结构相键合的方式为共晶键合。

可选的，在所述微电机系统器件的封装方法中，所述第一键合结构还包括一第一支撑键合结构，所述第一支撑键合结构位于所述第一键合环的外侧。

进一步的，在所述微电机系统器件的封装方法中，所述第二键合结构还包括一第二支撑键合结构，所述第二支撑键合结构位于所述第二键合环的外侧。

进一步的，在所述微电机系统器件的封装方法中，在提供第二晶圆的步骤中，还包括在所述第二边缘区域形成一空腔，所述空腔贯穿所述第二晶圆，且所述空腔位于所述第二键合环和第二支撑键合结构之间。

可选的，在所述微电机系统器件的封装方法中，在通过一连接结构连接所述接触孔的步骤中，所述连接结构包括连接托架、连接线以及通孔，所述连接线的一端与所述通孔相连，所述连接线的另一端与所述接触孔相连。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的微机电系统器件的封装结构包括第一晶圆和第二晶圆，所述第一晶圆具有第一中央区域和围绕在所述第一中央区域周围的第一边缘区域，所述第二晶圆具有第二中央区域和围绕在所述第二中央区域周围的第二边缘区域，通过将所述第一边缘区域的第一键合结构和第二边缘区域的第二键合结构相对应键合在一起，在所述第一中央区域和第二中央区域间形成一密闭空间，即第一晶圆中的微机电系统器件处于所述密闭空间中。这样，形成的微机电系统器件的封装结构密封性非常好，而且，第二晶圆的制程简易，不需要通过额外加工，因此，本发明的微机电系统器件的封装结构的气密性好、封装方法简易、生产成本低。

进一步的，将上述封装方法应用于红外传感器中，不仅有利于提高红外传感器的封装结构的气密性，而且，因红外传感器的封装需要一个红外线能够穿透的窗口，本发明的第二晶圆的第二中央区域的材料可以为常用的硅、锗、氟化钙或者硫化锌中任意一种红外线能够穿透的材料，相比于现有技术中，本发明不需要额外加工所需窗口，使得整个封装方法更加简易，生产成本更低。

附图说明

图1至图4为发明人所熟知的红外传感器的封装方法中各步骤对应的结构示意图；

图5为本发明实施例中微机电系统器件的封装方法的流程图；

图6至图11为本发明实施例中微机电系统器件的封装方法中各步骤对应的剖面结构示意图；

图12为本发明实施例中微机电系统器件的封装结构的立体结构图。

具体实施方式

如图1至图4所示，为发明人所熟知的一种红外传感器的封装方法中各个步骤对应的结构示意图。首先，如图1所示，提供一第一基底10，所述第一基底10中包括相应的电路结构，然后在所述第一基底10的第一平面上形成有若干个接触孔11，用于实现电路结构的外部电连接；另外，在所述第一基底10的第一平面上形成一牺牲层12，所述牺牲层12可以为常用的氧化硅、非晶硅或者光敏聚酰亚胺等材料；在所述牺牲层12的侧壁上形成一微桥结构13，再形成一光敏材料层14，所述光敏材料层覆盖所述牺牲层12和微桥结构13，上述结构可以统称为一待封装的晶圆；然后，对所述晶圆进行切割工艺，将上述晶圆(所述第一基底10的第二平面)与一蓝膜20相结合，进行切割工艺，形成如图2所示的结构；接着，释放所述牺牲层12，相应的，根据所述牺牲层12的材料会有不同的释放工艺技术，比如：常用气化氢氟酸来释放氧化硅；用二氟化氙来释放非晶硅；或者用氧气等离子体释放光敏聚酰亚胺等，得到如图3所示的结构。需要特别指出的是，发明人所熟知的这种封装方法中，所述牺牲层12的释放需要在晶圆的切割工艺之后，因为晶圆的切割工艺会出现少量的碎渣，如果在晶圆的切割工艺之前释放所述牺牲层12的话，可能会有碎渣出现在所述光敏材料层14的周围，影响红外传感器的性能。随后，就是晶圆的剥落步骤，将切割完成的晶圆与所述蓝膜20分开。

接着，就是用于封装上述晶圆的盖帽的制作，如图4所示，所述盖帽需要形成一个密封的空间a，所述密闭空间a的四周由一金属框架30和一特定窗口31组成，所述特定窗口31的材料是需要红外线能够穿透的，同时，所述特定窗口31需要与上述结构中的光敏材料层14的位置和大小相对应；此外，所述盖帽还包括硅通孔32和金属导线33，所述硅通孔32固定在所述金属框架30上，所述金属导线33的一端与硅通孔32相连，所述金属导线33的另一端连接所述接触孔11，用于实现红外传感器的外部电连接。最终，封装完成的结构如图4所示。

可见，上述封装方法中，所述盖帽是需要额外加工制作的，特别还需要制定特定窗口31；另外，所述牺牲层12的释放需要在切割工艺之后。上述封装方法存在封装工艺难度高，气密性难以保证，生产成本高等问题。

基于上述发现，发明人通过研究提供一种微机电系统器件的封装结构，包括：

第一晶圆，所述第一晶圆具有第一中央区域和围绕在所述第一中央区域周围的第一边缘区域，在所述第一中央区域形成有微机电系统器件，在所述第一边缘区域形成有第一键合结构和接触孔，且所述第一键合结构至少包括一第一键合环，所述接触孔位于所述第一键合环的外侧；

第二晶圆，所述第二晶圆具有第二中央区域和围绕在所述第二中央区域周围的第二边缘区域，在所述第二边缘区域形成有第二键合结构，所述第二键合结构至少包括一第二键合环，所述第二键合结构与第一键合结构相对应键合在一起，在所述第一中央区域和第二中央区域间形成一密闭空间；以及

用于连接所述接触孔的连接结构。

根据本发明的另一面，发明人还提供一种微机电系统器件的封装方法，包括：

提供一第一晶圆，所述第一晶圆具有第一中央区域和围绕在所述第一中央区域周围的第一边缘区域，所述第一中央区域形成有微电机系统器件，所述第一边缘区域形成有第一键合结构和接触孔，且所述第一键合结构至少包括一第一键合环，所述接触孔位于所述第一键合环的外侧；

提供一第二晶圆，所述第二晶圆具有第二中央区域和围绕在所述第二中央区域周围的第二边缘区域，所述第二边缘区域形成有第二键合结构，所述第二键合结构至少包括一第二键合环，且所述第二键合结构与第一键合结构相互对应；

将所述第一键合结构和第二键合结构相键合，在所述第一中央区域和所述第二中央区域间形成一密闭空间；

通过一连接结构连接所述接触孔。

本发明的微机电系统器件的封装结构包括第一晶圆和第二晶圆，所述第一晶圆具有第一中央区域和围绕在所述第一中央区域周围的第一边缘区域，所述第二晶圆具有第二中央区域和围绕在所述第二中央区域周围的第二边缘区域，通过将所述第一边缘区域的第一键合结构和第二边缘区域的第二键合结构相对应键合在一起，在所述第一中央区域和第二中央区域间形成一密闭空间，即第一晶圆中的微机电系统器件处于所述密闭空间中。这样，形成的微机电系统器件的封装结构密封性非常好，而且，第二晶圆的制程简易，不需要通过额外加工，因此，本发明的微机电系统器件的封装结构的气密性好、封装方法简易、生产成本低。

下面将结合流程图和示意图对本发明的微机电系统器件的封装结构及方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

以下列举所述微机电系统器件的封装结构及方法的实施例，本实施例以红外传感器的封装结构及方法为例，以清楚说明本发明的内容，应当明确的是，本发明的内容并不限制于以下实施例，其他通过本领域普通技术人员的常规技术手段的改进亦在本发明的思想范围之内。

图5示意出了本发明实施例中所述微机电系统器件的封装方法的流程图，图6至图11示意出了本发明实施例中所述微机电系统器件的封装方法中各步骤对应的剖面结构示意图，图12示意出了本发明实施例中所述微机电系统器件的封装结构的立体结构图。

如图5所示，首先，执行步骤s1，提供第一晶圆，所述第一晶圆具有第一中央区域和围绕在所述第一中央区域周围的第一边缘区域，所述第一中央区域形成有微电机系统器件，所述第一边缘区域形成有第一键合结构和接触孔，且所述第一键合结构至少包括一第一键合环，所述接触孔位于所述第一键合环的外侧。如图6所示，图6与图1相同的标号表示与图1所示的结构相同，图6中，所述第一晶圆i的结构与图1的待封装的晶圆结构不同之处在于：本实施例中，所述光敏材料层14和微桥结构13处于所述第一基底10上的中央区域(即在所述第一晶圆i的第一中央区域形成有微机电系统器件-红外传感器)，在所述第一基底10上的边缘区域还形成有第一键合结构15(即所述第一晶圆i的第一边缘区域形成有第一键合结构15，所述第一边缘区域围绕在所述第一中央区域周围)，所述第一键合结构15至少包括一第一键合环150，所述接触孔11位于所述第一键合环150的外侧。优选的，为了使其封装效果更加优质，在本实施例中，所述第一键合结构15还包括一第一支撑键合结构151(说明一下，因为所述第一键合环150和第一支撑键合结构151的材质是相同的，因此在图中采用相同的图案进行填充)，所述第一支撑键合结构151位于所述第一键合环150的外侧，可选的，所述第一支撑键合结构151的形状可以为条状或者环状等(在本实施例中，如图12所示，所述第一支撑键合结构151为条状)，在此并不做限定。此外，本实施例中，红外传感器的封装方法在后续的切割工艺之前已将牺牲层12释放掉，即所述第一晶圆i的结构中已经采用相应的工艺将牺牲层12释放掉了。

然后，执行步骤s2，提供一第二晶圆，所述第二晶圆具有第二中央区域和围绕在所述第二中央区域周围的第二边缘区域，所述第二边缘区域形成有第二键合结构，所述第二键合结构至少包括一第二键合环，所述第二键合结构与所述第一键合结构相互对应。具体的，所述第二晶圆的详细形成步骤如下：如图7所示，先提供一第二基底40，本实施例中，所述第二基底40的材料是红外线可以穿透的(则所述第二晶圆ii的第二中央区域也是红外线可以穿透的)，如所述第二基底40的材料可以但不限于硅、锗、氟化钙或者硫化锌中任意的一种材料。然后，通常在所述第二基底40的第一平面的边缘区域上形成一介质层41，所述介质层41可以为氧化硅层；接着，在所述介质层41上形成第二键合结构42(即所述第二晶圆ii的第二边缘区域形成有第二键合结构42，所述第二边缘区域围绕在所述第二中央区域的周围)，所述第二键合结构42至少包括一第二键合环420，优选的，在本实施例中，为了与所述第一键合结构15保持相互对应的结构，所述第二键合结构42还包括一第二支撑键合结构421，所述第二支撑键合结构421位于所述第二键合环420的外侧。同样的，所述第二支撑键合结构421的形状也可以为但不限于条状或者环状。所述第二晶圆ii的制程简易，通过常规的半导体制程即可实现。

接下来，执行步骤s3，将所述第一键合结构和第二键合结构相键合，在所述第一中央区域和所述第二中央区域形成一密闭空间。如图7所示，优选的，所述第一键合结构15和第二键合结构42的键合方式为共晶键合，共晶键合可用的材料可以为金-铟、铜-锡、金-锡、金-锗、金-硅或者硅-锗等任意一组合，在半导体制程中，所述共晶键合的工艺温度通常低于450摄氏度，依据不同的共晶组合，会存在不同的共晶比率和共晶温度，在此不做限定。于是，在所述第一中央区域和所述第二中央区域就形成了一个密闭空间b，因所述密闭空间b采用的是共晶键合方式形成的，其密封效果更佳。

接着，执行步骤s4，通过一连接结构连接所述接触孔。即将所述红外传感器(所述第一晶圆i的第一中央区域的微机电系统器件)通过所述接触孔11实现外部电连接。较佳的，所述连接结构至少包括连接线，例如，如果所述接触孔11裸露在外边，就可以直接进行切割工艺后，用连接线连接所述接触孔11。然而，在本实施例中，为了体现更佳的封装效果，所述接触孔11处在所述第一键合环150和第一支撑键合结构151之间，因此，在执行步骤s4时，还包括以下相应的工艺。

如图8所示，刻蚀所述第二基底40的第二平面的边缘区域，以暴露出所述接触孔11，在所述第二基底40中形成一空腔c(即所述空腔c位于所述第二键合环420和第二支撑键合结构421之间)，显然，所述空腔c贯穿所述第二基底40和介质层41，通常采用深反应离子刻蚀(deepreativeionetching，drie)工艺去除部分所述第二基底40和介质层41，以形成所述空腔c。当然，在刻蚀所述第二基底40之前，还会先将所述第二基底40进行化学机械平坦化(cmp)，这些都是本领域普通技术人员可以理解的，在此不做赘述。

接着，如图9和图10所示，对如图8所示的结构进行切割工艺(图9两边的虚线表示切割的位置，切割工艺完成后，将蓝膜20撕掉，形成如图10所示的结构)，本实施例中，因在切割工艺之前已形成了所述密闭空间b，因此，先释放掉了所述牺牲层12，再进行切割工艺，并不会影响器件的性能。在此，除了切割工艺处理的顺序上发生了变化，而实际的切割工艺是一样的，在此不做赘述。

这时，所述接触孔11已经暴露出来了，便可通过一连接结构实现所述红外传感器(所述微机电系统器件)的外部电连接。优选的，如图11所示，所述连接结构可以包括连接托架50、连接线51和连接所述连接线51一端的通孔52(本实施例中，所述通孔52和接触孔11都填充金属)，所述通孔52固定在所述连接托架50上，所述连接托架50安装在所述第一基底10的第二平面上，所述连接线51的另一端与所述接触孔11相连接，最终形成所述红外传感器的封装结构(如图11所示的剖面结构图，以及图12所示的所述封装结构的立体结构图，其中，图12中省略了连接结构)

所述红外传感器的封装结构包括：第一晶圆i，所述第一晶圆i具有第一中央区域和围绕在所述第一中央区域周围的第一边缘区域，在所述第一中央区域形成有微机电系统器件(红外传感器)，在所述第一边缘区域形成有第一键合结构15和接触孔11，所述第一键合结构15包括第一键合环150和第一支撑键合结构151，所述第一支撑键合结构151位于所述第一键合环150的外侧，所述接触孔11位于所述第一键合环150和第一支撑键合结构151之间；

第二晶圆ii，所述第二晶圆ii也具有第二中央区域和围绕在所述第二中央区域周围的第二边缘区域，在所述第二边缘区域形成有第二键合结构42，所述第二键合结构42包括第二键合环420和第二支撑键合结构421，所述第二边缘区域上还包括一空腔c，所述空腔c贯穿所述第二晶圆ii，且所述空腔c位于所述第二键合环420和第二支撑键合结构421之间，用于实现所述接触孔11的外部连接；以及

连接结构，所述连接结构包括连接托架50、连接线51和连接所述连接线51一端的通孔52，所述通孔52固定在所述连接托架50上，所述连接托架50安装在所述第一晶圆i的第二平面上。

本实施例中的所述红外传感器的封装方法简易、生产成低，红外线传感器的封装结构气密性好，有利于红外传感器的广泛应用。

综上，本发明的微机电系统器件的封装结构包括第一晶圆和第二晶圆，所述第一晶圆具有第一中央区域和围绕在所述第一中央区域周围的第一边缘区域，所述第二晶圆具有第二中央区域和围绕在所述第二中央区域周围的第二边缘区域，通过将所述第一边缘区域的第一键合结构和第二边缘区域的第二键合结构相对应键合在一起，在所述第一中央区域和第二中央区域间形成一密闭空间，即第一晶圆中的微机电系统器件处于所述密闭空间中。这样，形成的微机电系统器件的封装结构密封性非常好，而且，第二晶圆的制程简易，不需要通过额外加工，因此，本发明的微机电系统器件的封装结构的气密性好、封装方法简易、生产成本低。

进一步的，将上述封装方法应用于红外传感器中，不仅有利于提高红外传感器的封装结构的气密性，而且，因红外传感器的封装需要一个红外线能够穿透的窗口，本发明的第二晶圆的第二中央区域的材料可以为常用的硅、锗、氟化钙或者硫化锌中任意一种红外线能够穿透的材料，相比于现有技术中，本发明不需要额外加工所需窗口，使得整个封装方法更加简易，生产成本更低。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。