针对射频MEMS器件应用的横向互连低温圆片级封装方法与流程

本发明涉及一种低温封装方法，尤其涉及一种针对射频MEMS器件应用的横向互连低温圆片级封装方法。

背景技术：

通过微型化和高度集成来开发出具有新功能的元器件或微系统，从而形成一种新的技术产业领域是MEMS发展的主要目标，而MEMS封装对这一目标的实现起着决定性的作用。封装是决定商用MEMS体积、成本及可靠性的最为关键的技术。射频MEMS器件就是一种对封装性能要求极高的MEMS器件，是MEMS封装的关键领域之一。在射频MEMS器件中至少会用到一种金属(金或铝)作为结构材料，因此对射频器件的封装必须是低温封装；由于射频MEMS器件中包含有可动悬臂梁或者双端固支梁结构，容易受到外界环境中水汽及一些杂质的影响而发生粘连失效，所以针对射频MEMS芯片的封装必须是气密性的；由于MEMS器件要实现与外界信号的交互，因此封装也必须能实现与外界的电气连接。

目前，适用于MEMS封装的具有多种工艺，如硅-玻璃等材料的阳极键合工艺、金-硅等材料的共晶键合工艺、硅硅熔融键合工艺、等离子或化学试剂处理后的低温键合工艺、玻璃浆料键合工艺、环氧树脂粘接工艺等。阳极键合一般只限于硅-玻璃键合，键合温度通常为300～400℃，偏压通常为800～2000V，同时阳极键合对圆片的表面平整度要求很高，一般达到了纳米量级。虽然阳极键合具有十分良好的机械强度和气密性，但是键合所加的高电压及高温，会对射频器件造成严重的影响甚至导致芯片的失效。焊料焊接的工艺温度较低，常用的金属焊料由于具有较低的硬度能够有效缓和热应力。但是焊接工艺较大的塑性易导致焊接界面产生疲劳失效，回流焊工艺产生的气孔也无法保证真空封装的气密性。同时焊料添加的有机物质在焊接的过程中会释放到封装腔体内，气密性无法保证。

表面活化低温键合是利用化学方法使待键合硅表面活化处理，进而实现硅硅的低温键合。但表面活化低温键合工艺时间长(一般为几小时到几十小时)，效率较低，退火温度高且易形成空洞，由于涉及表面处理，难以满足含图形电路和圆片键合的要求。粘接键合的介质层薄膜主要为有机材料(环氧树脂)、玻璃浆料等，但是有机物的易老化性和较差的热稳定性会造成器件性能的漂移，而玻璃浆料所使用的丝网印刷方法限制了结构的特征尺寸，造成封装成本的提高。

MEMS器件导线互连通常有两种方法，即纵向通孔型(TSV技术)和横向埋线型两种。TSV技术实现的垂直方式的导线互连技术虽然能大大提高引线的密度，但TSV技术的成本较高，对于引线密度要求不高的器件来说并没有太大优势，同时也造成了衬底材料较大的应力。横向引线互连的结构简单，成本相对较低，非常适用于射频MEMS器件的封装，但横向引线互连的封装材料必须是绝缘性的材料。有鉴于上述的缺陷，本设计人，积极加以研究创新，以期创设一种针对射频MEMS器件应用的横向互连低温圆片级封装方法，使其更具有产业上的利用价值。

进一步结合现有技术的缺陷来看，

1.现有技术中，低温封装易受待衬底材料的限制，如阳极键合封装工艺，其键合过程中要有钠离子迁移，通常只能用于硅-玻璃衬底间的键合；如表面活化低温键合封装工艺，通常只能实现硅-硅之间的直接键合封装。

2.现有技术中，低温封装工艺易受衬底表面的平整度的限制，如阳极键合，Au/Si共晶键合，硅硅键合等封装工艺，键合表面的平整度通常要求小于1um，这大大增加了工艺难度及工艺成本。

3.现有技术中，低温封装不易于图形化，如表面活化低温封装工艺。本发明中，键合线可以通过光刻形成图形掩模，利用薄膜沉积工艺形成Au、In金属薄膜及有机粘结剂材料，键合线线条均匀，键合界面不受图形的限制。

4.现有技术中，有机粘结剂键合封装工艺可以实现低温封装及引线的横向互连，但有机材料封装的强度及气密性均无法保证；采用金属封装时虽然可以保证封装的强度及气密性，但无法实现引线的横向互连，必须与通孔工艺相结合，这必然增加了封装的难度及封装成本。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种针对射频MEMS器件应用的横向互连低温圆片级封装方法。

本发明的针对射频MEMS器件应用的横向互连低温圆片级封装方法，其包括封装盖板制作、封装衬底制作、封装盖板与封装衬底对准键合，其中：

所述封装盖板制作，包括以下步骤，

步骤a1，选择合适的材料作为封装盖材料；

步骤a2，清洗后光刻出键合线图形掩模；

步骤a3，分别生成粘附层、阻挡层、金属层、In层；

步骤a4，制作封装腔体结构；

步骤a5，生成密封环，并在其上沉积有机粘结剂材料，完成封装盖板的制作；

所述封装衬底制作，包括以下步骤，

步骤b1，对衬底基板进行必要清洗；

步骤b2，对衬底基板的下部进行键合对准标记与划片标记；

步骤b3，在衬底基板的上表面生成密封环结构图形、粘附层、阻挡层、金属层；

步骤b4，剥离出键合线金属层图形；

步骤b5，在密封环引线接出位置沉积有机粘剂结材料，完成封装衬底基板的制作；

所述封装盖板与封装衬底对准键合，包括以下步骤，

步骤c1，将封装盖板与封装衬底对准并夹持固定；

步骤c2，送入键合机中进行键合；

步骤c3，冷却到室温，实现低温键合。

进一步地，上述的针对射频MEMS器件应用的横向互连低温圆片级封装方法，其中，步骤a1所述的合适材料是硅片，或是玻璃、或是GaN。

更进一步地，上述的针对射频MEMS器件应用的横向互连低温圆片级封装方法，其中，步骤a3所述的

生成粘附层为，热蒸发或是溅射20至50nm的Ti，作为粘附层；

生成阻挡层为，溅射50至100nm的Cu，作为反应的阻挡层；

生成金属层为，溅射或是电镀Au层材料，构成金属层；

生成In层为，溅射或是热蒸发或是电镀In层材料，构成In层。

更进一步地，上述的针对射频MEMS器件应用的横向互连低温圆片级封装方法，其中，步骤a3所述的In层表面，沉积有Au层。

更进一步地，上述的针对射频MEMS器件应用的横向互连低温圆片级封装方法，其中，步骤a4中，通过湿法腐蚀，或是干法腐蚀，或是激光烧结制作封装的腔体结构。

更进一步地，上述的针对射频MEMS器件应用的横向互连低温圆片级封装方法，其中，所述步骤b2中，通过光刻并刻蚀出2至5um的深度，作为键合对准标记和划片标记。

更进一步地，上述的针对射频MEMS器件应用的横向互连低温圆片级封装方法，其中，所述步骤b3中，在衬底基板的上表面进行光刻，制作密封环结构图形，通过热蒸发或是溅射20至50nm的Ti作为粘附层，通过溅射50至100nm的Cu，作为反应的阻挡层，通过溅射或是电镀Au，构成金属层。

更进一步地，上述的针对射频MEMS器件应用的横向互连低温圆片级封装方法，其中，所述步骤c2中，升温至100℃至50℃，保压1至3min，抽出夹具，快速升温到160℃至210℃，施加压力1000mbar至2500mbar，键合保压时间20min至30min，撤除压力或是加小压力，实现压力为100mbr至500mbr。

更进一步地，上述的针对射频MEMS器件应用的横向互连低温圆片级封装方法，其中，所述保压时间为2min。

再进一步地，上述的针对射频MEMS器件应用的横向互连低温圆片级封装方法，其中，所述有机粘结剂材料包括有聚酰亚胺、环氧树脂、BCB中的一种或是多种结合。

借由上述方案，本发明至少具有以下优点：

1、金In材料的性能高，In熔点低(156.6℃)，硬度低，可塑性强，原子半径大，非常适用于低温键合。金In等温凝固反应的速度快，键合界面不易出现气泡与空洞等缺陷，可使键合率高达95％以上。

2、相对现有一些低温键合技术，本发明通过Au/In等温凝固键合及有机粘结键合相结合的封装工艺，不仅适用于硅与硅、硅与玻璃衬底之间，还可以适于多种不同材料之间进行封装，其应用不受待封装基板材料的限制。

3、本发明中，Au/In等温凝固及有机材料在键合的过程中熔化成液体，使键合具有液态流动特性，对键合表面平整度要求较低，清洗过程中键合面不需要进行专门的表面键合增加处理，键合且易于实现，成本低，键合效率高。

4、键合线可以通过光刻形成图形掩模，通过热蒸发或溅射或电镀工艺沉积金属薄膜，并通过涂旋、喷涂或丝网印刷沉积有机材料，密封环线条均匀，键合界面不受图形的限制，省时省力且节约成本。

5、将密封环的制作主要集中在封装盖板上，使封装工艺对芯片的影响降到最小。同时金属引出线与密封材料可以同为Au材料，大大简化了工艺流程，提高封装效率，降低成本。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是封装盖板的结构示意图(从下至上，依次为Si、SiN₂、Ti、Cu、Au、In、Au)。

图2是封装衬底的结构示意图(从下至上，依次为Si、Ti、Cu、Au)。

图3是MEMS器件的成品结构示意图。

图4是密封环结构示意图。

图中各附图标记的含义如下。

1 封装盖板 2 封装衬底

3 封装腔体 4 金属电极

5 有机绝缘材料

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1至4的针对射频MEMS器件应用的横向互连低温圆片级封装方法，其包括封装盖板1制作、封装衬底2制作、封装盖板1与封装衬底2对准键合，其与众不同之处在于：

封装盖板1制作，包括以下步骤：

首先，选择硅片，或是玻璃、或是GaN等非硅材料，作为封装盖材料。待清洗后，光刻出键合线图形掩模。

接着，通过热蒸发或是溅射20至50nm的Ti，作为粘附层。随即，溅射50至100nm的Cu，作为反应的阻挡层。同时，溅射或是电镀Au层材料，构成金属层。并且，溅射或是热蒸发或是电镀In层材料，构成In层。在In层表面，沉积有Au层。这样，能防止表层被氧化影响键合的效果。

之后，通过湿法腐蚀，或是干法腐蚀，或是激光烧结等工艺制作封装的腔体结构。最终，生成密封环，并在其上沉积有机粘结剂材料，完成封装盖板1的制作。

封装衬底2制作，包括以下步骤：

首先，对要键合的衬底基板的上下表面进行必要清洗。对衬底基板的下部进行键合对准标记与划片标记。具体来说，可通过光刻并刻蚀出2至5um的深度，作为键合对准标记和最后的划片标记。在此期间，若为透明的材料，则可省略对准标记的制作。

之后，在衬底基板的上表面生成密封环结构图形、粘附层、阻挡层、金属层。具体来说，为了便于制备，在衬底基板的上表面进行光刻，制作密封环结构图形。通过热蒸发或是溅射20至50nm的Ti作为粘附层。通过溅射50至100nm的Cu，作为反应的阻挡层。通过溅射或是电镀Au，构成金属层。

随后，剥离出键合线金属层图形。之后，在密封环引线接出位置沉积有机粘剂结材料，完成封装衬底2基板的制作。

封装盖板1与封装衬底2对准键合，包括以下步骤：

首先，将封装盖板1与封装衬底2对准并夹持固定。之后，送入键合机中进行键合。具体来说，在键合机中先升温至100℃至50℃，保压1至3min(2min为佳)。接着，抽出夹具，快速升温到160℃至210℃。在此期间，施加压力1000mbar至2500mbar，键合保压时间20min至30min。最后，撤除压力或是加小压力，实现压力为100mbr至500mbr即可。完成上述步骤后，冷却到室温，实现低温键合。

结合本发明一较佳的实施方式来看，考虑到制备的便利，可适应不同的最终工艺需求，本发明所采用的有机粘结剂材料包括有聚酰亚胺、环氧树脂、BCB中的一种或是多种结合。

为了进一步说明本发明的技术方案，下面结合附图，并以Si片作为封装的上下基板材料，并选择BCB4000作为本次有机粘结剂材料，对本发明具体实施工艺，作进一步详细的说明。

本次实施实例选择Si片作为封装的盖板及衬底材料。首先对盖板及衬底材料进行清洗，去除表面有机污染及金属离子。

首先，对封装盖板1的封装腔体3制作，本次实例选择KOH溶液温法腐蚀工艺进行制作。首先在封装盖板1上PECVD或热氧沉积50-100nm的SiO2材料作为过渡层材料(Si3N4与Si的应力匹配性较差)，然后利用LPCVD沉积100-300nm的Si3N4作为腐蚀的掩模图形，溅射沉积50nm的Ti作为粘附层材料，沉积50-100nmCu材料作为等温凝固的阻挡层材料，溅射沉积100-200nm的Au作为电镀的种子层材料。

接着，利用光刻制作电镀的掩模图形，电镀1um的Au层及10um的In层，并在In层的表面沉积50nm的Au层以防止In表面被氧化。去除密封环以外的种子层材料，光刻并用RIE工艺刻蚀出腐蚀窗口，通过KOH溶液湿法腐蚀出封装盖板1的封装腔体3结构，在密封环电极引线位置沉积一层12umBCB4000材料，完成封装盖板1的密封环的制作。

之后，对衬底基板进行背面光刻，刻蚀出键合时的对准标记及划片标记。溅射沉积50nm的Ti作为粘附层材料，沉积50-100nm的Cu材料作为等温凝固的阻挡层材料，溅射沉积100-200nm的Au作为电镀的种子层材料，电镀沉积2um的Au层材料。并且，在金属电极4区域沉积2um的BCB4000材料，完成封装衬底2基板的密封环的制作。

如附图1所示，封装盖板1的制作如下：

首先，选择合适的硅片，并用浓H₂SO₄与H₂O₂清洗硅片。采用PECVD或热氧沉积50-100nm的SiO₂材料作为过渡层材料。利用LPCVD工艺，沉积Si₃N₄薄膜，用作腐蚀掩模。溅射沉积50nm的Ti，作为粘附层材料。同时，沉积100nm的Cu作为反应的阻挡层材料及种子层材料。电镀沉积1um的Au层材料及10um的In层材料。同时，磁控溅射沉积50nm的Au层材料，以防止In层表面被氧化。之后，去除密封环以外的种子层材料。接着，光刻并用RIE工艺刻蚀出湿法腐蚀窗口。最终，在金属电极4区域沉积BCB有机键合材料即可。

如图2所示，采用的衬底基板的制作如下：

首先，选择合适的衬底材料，并清洗去除污染。之后，背面光刻，并用RIE刻蚀出键合的对准标记(若为透明衬底材料则可省略此步)。同时，溅射沉积50nm的Ti作为粘附层材料，沉积100nm的Cu作为反应的阻挡层材料及种子层材料，电镀沉积2um的Au层材料作为电极及键合层材料。之后，去除密封环以外的种子层材料，在金属电极4区域沉积BCB有机键合材料。

如图3所示，对于基板键合工艺来说，对上下基板进行键合对准并固定。然后，送入到键合机中进行真空键合。并且，键合温度采用阶梯式，升温至100℃，保压2min，抽出固定夹具，快速升温至250℃，并施加压力2000mbar，键合保压时间30min，然后降低压力至500mbar。最后，自然冷却到室温取片，实现盖板及衬底材料的低温封装。

最终，本次封装方案的密封环结构分布如图4所示，分别构成封装盖板1、封装衬底2、封装腔体3。在金属电极4周围采用有机绝缘材料5进行密封，其它区域采用金In等温凝固键合进行密封。本次封装方案既能实现射频MEMS器件的低温封装工艺，又能实现引线的横向互连，由于本次金属为主要的封装材料，封装也具有良好的导热特性及优良的机械强度。

也就是说，本发明中，Au/In等温凝固键合及有机材料键合相结合的封装工艺，不仅适用于硅与硅、硅与玻璃之间键合，还可以适于多种不同材料之间进行键合封装，其应用不受衬底材料的限制。同时，Au/In等温凝固及有机材料在键合的过程熔化成液体，使键合具有液态流动特性，对表面平整度要求较低且易于实现，成本低，键合效率高。键合线可以通过光刻形成图形掩模，利用薄膜沉积工艺形成Au、In金属薄膜及有机粘结剂材料，键合线线条均匀，键合界面不受图形的限制。

通过上述的文字表述并结合附图可以看出，采用本发明后，拥有如下优点：

1、金In材料的性能高，In熔点低(156.6℃)，硬度低，可塑性强，原子半径大，非常适用于低温键合。金In等温凝固反应的速度快，键合界面不易出现气泡与空洞等缺陷，可使键合率高达95％以上。

2、相对现有一些低温键合技术，本发明通过Au/In等温凝固键合及有机粘结键合相结合的封装工艺，不仅适用于硅与硅、硅与玻璃衬底之间，还可以适于多种不同材料之间进行封装，其应用不受待封装基板材料的限制。

3、本发明中，Au/In等温凝固及有机材料在键合的过程中熔化成液体，使键合具有液态流动特性，对键合表面平整度要求较低，清洗过程中键合面不需要进行专门的表面键合增加处理，键合且易于实现，成本低，键合效率高。

4、键合线可以通过光刻形成图形掩模，通过热蒸发或溅射或电镀工艺沉积金属薄膜，并通过涂旋、喷涂或丝网印刷沉积有机材料，密封环线条均匀，键合界面不受图形的限制，省时省力且节约成本。

5、将密封环的制作主要集中在封装盖板上，使封装工艺对芯片的影响降到最小。同时金属引出线与密封材料可以同为Au材料，大大简化了工艺流程，提高封装效率，降低成本。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。