一种微机电系统封装结构及其制备方法与流程

1.本发明属于微机电系统封装技术领域，更具体地，涉及一种微机电系统封装结构及其制备方法。


背景技术：

2.在经过了半个多世纪的发展之后，微机电系统(micro
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electro
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mechanical system,mems)的市场不断增长，前景令人鼓舞。封装是微机电系统工程化的关键步骤，是保证其高可靠性的重要条件。封装既能保护微机电系统芯片，又可以实现芯片与外界环境的电气连接，但封装mems的工艺一直存在各种各样的难题。
3.对于大部分mems来说，由于其结构精细、容易破损断裂，通常会采用单个芯片进行键合封装。然而，这种单个芯片封装方法导致整个芯片的费用昂贵，限制了芯片的多样化，在良率和产能方面也很难突破。


技术实现要素：

4.针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种微机电系统封装结构，通过在硅基底背面设置一定厚度的金属层用以固定mems器件薄弱结构，可实现晶圆片封装键合后再划片，旨在解决现有技术中采用先划片再键合工艺导致mems器件芯片成本高、产能低的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供了一种微机电系统封装结构，其包括硅基底、在所述硅基底上图案化制备得到的mems器件结构，以及用于对所述mems器件结构进行键合封装的盖板；
6.所述硅基底背面还依次设置有第二金属层和第一金属层，所述第一金属层和第二金属层的总厚度不低于5μm；所述第一金属层和第二金属层采用的金属种类相同或不同；所述第一金属层和第二金属层用于保护所述mems器件结构在键合封装时不受破坏，同时用于释放刻蚀过程中产生的热量。
7.优选地，所述第一金属层的厚度大于所述第二金属层的厚度。
8.优选地，所述第一金属层的厚度为5μm
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10μm，所述第二金属层的厚度为200nm
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800nm。
9.优选地，所述第一金属层采用的材料为铝、铬、铜、金中的一种或多种，所述第二金属层采用的材料为铝、铬、铜、金中的一种或多种。
10.优选地，所述盖板为硅基板。
11.按照本发明的另一个方面，提供了一种微机电系统封装结构的制备方法，包括如下步骤：
12.在硅基底正面图案化制备mems器件结构；
13.在硅基底背面形成第二金属层；
14.在第二金属层背面形成第一金属层；
15.在硅基底正面刻蚀该mems器件结构；
16.将硅基底和盖板键合封装，再划片；
17.去除硅基底背面的第一金属层和第二金属层。
18.优选地，通过溅射法、热蒸发法或电子束蒸发法形成第二金属层。
19.优选地，通过电镀工艺形成第一金属层。
20.优选地，通过深等离子体刻蚀工艺刻蚀mems器件结构。
21.优选地，采用激光划片机进行划片。
22.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
23.(1)本发明通过在硅基底背面设置一定厚度的金属层，可以固定刻蚀后硅基底正面的mems器件结构，同时由于金属具有良好的导热性，可以释放刻蚀过程中产生的热量，进一步保护mems器件结构不会因为温度过高而受损。
24.(2)本发明通过先在硅基底背面沉积金属层后再进行刻蚀，然后依次进行整片封装键合和划片的工艺，针对mems器件复杂结构可实现晶圆级封装，该封装方法不仅可以提高封装效率，也可以降低购买封装模具的成本。
25.(3)本发明采用硅基板替代普通玻璃板作为封装盖板，可以采用激光划片机进行划片，利用高能激光束照射待切割处，使被照射区域局部熔化、气化，从而达到划片的目的，这种划片方式由于是非接触式的，对内部器件本身无机械冲压力，进一步保护了器件的精细结构。
附图说明
26.图1是本发明实施例提供的一种微机电系统封装结构的示意图，其中：1
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第一金属层，2
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第二金属层，3
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硅基底，4
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mems器件结构，41
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mems器件中的薄弱结构，5
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盖板。
27.图2是本发明对比例提供的一种加速度计封装结构的示意图，其中：2
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铝层，3
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硅基片，4
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加速度计器件结构，41
’‑
加速度计器件中的薄弱结构，5
’‑
玻璃盖板，6
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硅基托片，7
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光刻胶。
具体实施方式
28.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
29.本发明提供的一种mems器件封装结构，结合图1所示，其包括硅基底3、mems器件结构4和盖板5，所述mems器件结构4由在所述硅基底3上图案化制备得到，所述盖板5用于对所述mems器件结构4进行键合封装。所述mems器件结构4可以为mems加速度计的内部器件结构、微振子的内部器件结构、mems压力传感器的内部器件结构、mems陀螺仪的内部器件结构等。由于mems器件中的薄弱结构41很细，例如mems加速度计中的弹簧，在划片过程中可能因轻微的碰撞而出现断裂，就会使弹簧上的走线断开，实现不了信号的检测。本发明通过在所述硅基底背面设置一定厚度的金属层，用于释放刻蚀过程中产生的热量以及固定刻蚀后的mems器件中的薄弱结构41。具体地，所述硅基底3背面依次设置有第二金属层2和第一金属
层1，所述第一金属层1和第二金属层2的总厚度不低于5μm，所述第一金属层1和第二金属层2采用的金属种类可以相同，也可以不同。
30.一些实施例中，所述第一金属层1、第二金属层2均采用导热性能好、耐高温、硬度大的金属材料，优选铝、铬、铜、金中的一种或多种。所述第一金属层1的厚度大于所述第二金属层2的厚度，进一步优选地，所述第一金属层1的厚度为5μm
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10μm，所述第二金属层2的厚度为200nm
‑
800nm。
31.一些实施例中，所述盖板5为硅基板，使得微机电系统封装结构制备过程中可以采用激光划片机进行划片。
32.本发明还提供了一种mems器件封装结构的制备方法，包括如下步骤：
33.在硅基底3正面图案化制备mems器件结构4；
34.在硅基底3背面形成第二金属层2；
35.在第二金属层2背面形成第一金属层1；
36.在硅基底3正面刻蚀该mems器件结构4；
37.将硅基底3和盖板5键合封装，再划片；
38.去除硅基底背面的第一金属层1和第二金属层2。
39.一些实施例中，通过溅射法、热蒸发法或电子束蒸发法形成第二金属层2，所述第二金属层2采用的材料为铝、铬、铜、金中的一种或多种，第二金属层2的厚度为200nm
‑
800nm。
40.一些实施例中，通过电镀工艺形成第一金属层1，所述第一金属层1采用的材料为铝、铬、铜、金中的一种或多种，第一金属层1的厚度为5μm
‑
10μm。电镀工艺采用自组装设备，通过固定电压的方式，调整电镀时间达到控制膜厚的效果。
41.一些实施例中，采用匀胶、光刻、显影、镀膜、剥离等工艺在硅基底3上制备相应图案。
42.一些实施例中，采用匀胶、光刻、显影、电镀等工艺在盖板5上制备相应图案，盖板5上承载有封装焊料，以使硅基底3与盖板5进行键合封装。
43.本发明所述硅基底3或盖板5表面图案制备中，匀胶为常规的旋涂方式，一般pr胶厚度为5μm
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9μm；光刻设备主要采用ma6和直写式曝光机。
44.一些实施例中，采用深等离子体刻蚀工艺刻蚀mems器件结构，精准控制结构尺寸，刻蚀精度高。
45.一些实施例中，采用激光划片机进行划片，通过高温融化待切割处，这种设备振动较小，更加保护mems器件精细结构不受损坏。
46.一些实施例中，通过湿法刻蚀工艺去除第二金属层2和第一金属层1。湿法刻蚀选择性好、重复性好、生产效率高、成本低。
47.以下结合具体实施例，对上述技术方案详细说明。
48.实施例
49.本实施例以封装mems加速度计为例，提供一种加速度计封装结构，依次堆叠的第一金属铝层、第二金属铝层、硅基底、加速度计器件结构和硅基盖板，所述第一金属铝层、第二金属铝层、硅基底和硅基盖板的厚度分别为5μm、400nm、500μm、500μm。
50.上述加速度计封装结构的具体制备流程如下：
51.s1、在硅基底正面图案化并制备加速度计器件结构，具体包括如下步骤：
52.s1.1、起始硅基底厚度：500μm，其表面热氧化层(不导电衬底)厚度：300nm；
53.s1.2、对硅基底进行有机洗及氧等离子体清洗；
54.s1.3、采用英国oxford公司生产的plasmapro 80pecvd等离子体增强化学气相沉积系统，沉积200nm厚度的二氧化硅薄膜，沉积步骤的工艺参数为：温度为300℃，沉积速率为50nm/min，沉积时间为4min；
55.s1.4、采用电子束蒸发在二氧化硅表面镀铬100nm，镀膜速率
56.s1.5、采用匀胶机匀胶8μm，采用ma6进行光刻；
57.s1.6、刻蚀铬和二氧化硅，该二氧化硅和铬作为欧姆层；
58.s1.7、在所述欧姆层上沉积双金属复合层，步骤如下：采用电子束蒸发在欧姆层表面依次镀铬20nm，速率镀金200nm，镀铬可以用来增加金和二氧化硅之间的粘附性；
59.s1.8、采用数控匀胶旋涂仪在双金属复合层涂覆pi胶，厚度为10μm；
60.s1.9、梯度升温进行烘烤处理；
61.s1.10、在pi胶上再重复沉积双金属复合层。
62.s2、在有热氧化层的硅基底背面制作沉积第二金属铝层，具体包括如下步骤：
63.s2.1、对硅基底背面进行有机洗及氧等离子体清洗；
64.s2.2、采用电子束蒸发沉积第二金属铝层400nm，镀膜速率
65.s3、在第二金属铝层背面制作第一金属铝层，具体包括如下步骤：
66.s3.1、使用绝缘胶带将硅基底正面加速度计金属结构均覆盖；
67.s3.2、采用电镀方式镀第一金属铝层：设置电源0.2781ma，恒压为5v进行电镀，电镀厚度为5μm；
68.s3.3、采用去离子水清洗并烘干。
69.s4、采用stps设备对加速度计器件结构进行深硅刻蚀，器件结构中弹簧振子对应的区域刻穿，使得弹簧能够自由振动。
70.s5、浸泡丙酮≥12h，剥离内部结构表面光刻胶。
71.s6、硅基盖板厚度：500μm，在硅基盖板正面制作柱子，其背面制备识别mark。
72.s7、采用真空键合机将硅基底和硅基盖板键合封装。
73.s8、采用激光划片机对上述晶圆片进行切割成单个芯片。
74.s9、采用湿法刻蚀工艺去除芯片背面第一金属铝层。
75.s10、将上述芯片浸泡显影液去除背面第二金属铝层。
76.对比例
77.本对比例以封装mems加速度计为例，提供一种加速度计封装结构，如图2所示，包括依次堆叠的硅基托片6’、光刻胶7’、铝层2’、硅基片3’、加速度计器件结构4’和玻璃盖板5’。所述硅基托片6’、光刻胶7’、铝层2’、硅基片3’和玻璃盖板5’的厚度分别为500μm、4μm、400nm、500μm、500μm。
78.上述加速度计封装结构的具体制备流程如下：
79.s1、提供硅基片3’厚度：500μm，其表面热氧化层(不导电衬底)厚度：300nm；同本发
明实施例，在硅基片3’正面图案化并制备加速度计器件结构4’。
80.s2、同本发明实施例，在硅基片3’背面制作沉积铝层2’。
81.s3、提供硅基托片6’厚度：500μm，其表面热氧化层(不导电衬底)厚度：200nm。
82.s4、采用匀胶机在硅基托片6’表面涂覆光刻胶7’4μm，预烘烤120℃/5min。
83.s5、铝层2’和光刻胶7’贴合后，置于stps设备中抽真空处理使其紧密贴合。
84.s6、采用stps设备对加速度计器件结构4’进行深硅刻蚀。
85.s7、浸泡丙酮24h，剥离硅基托片6’。
86.s8、浸泡显影液去除铝层2’，形成单个芯片。
87.s9、提供玻璃盖板5’厚度：500μm，在玻璃盖板5’正面制作柱子。
88.s10、采用划片机将玻璃盖板5’进行划片处理。
89.s11、采用倒装贴合设备将划片后的玻璃盖板5’和单个芯片键合。
90.本发明为了降低微机电系统封装结构制备成本、提高封装效率和产能，采用晶圆封装再划片切割成单个芯片的工艺。但是，结合图1和图2所示，用对比例中现有的封装结构，由于硅基片3’背面铝层2’太薄，在丙酮去胶过程中，该铝层很容易起泡变形，减小了其和硅基底之间的附着力，使得该铝层容易脱落，形成单个芯片，无法实现晶圆级封装；同时，薄铝层脱落后，加速度计器件中的薄弱结构41’底部没有固定，仅靠上部与其他结构连接，在键合、划片过程中很容易移动或受到外力作用而断裂。因此，本发明实施例在硅基底3背面设置了一定厚度的金属层，由于刻蚀时会将硅基底刻穿，硅基底背面较厚的金属层可以很好地固定mems器件结构(包括器件中的薄弱结构41)，且浸泡丙酮时不会影响到金属层与硅基底连接的界面，这样就能够实现先键合封装再划片切割；同时，金属层具有良好的导热性，可以释放刻蚀过程中产生的热量，很好地保护mems内部器件结构。
91.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。