基于硅分子筛和聚四氟乙烯复合薄膜的晶圆级封装方法技术

本发明专利技术公开了一种基于硅分子筛和聚四氟乙烯复合薄膜的晶圆级封装方法，该方法以绝缘层上硅晶圆为载体，通过双面光刻、深孔刻蚀，表面旋涂和共晶键合等技术，将晶圆上温度传感器芯片的真空封装和湿度、压力传感器芯片的防尘、防化学粘附的开放式封装整合成一套工艺。其中以绝缘层上硅晶圆的顶层硅作为刻蚀载体制备分子筛用作湿度和压力传感器封装窗口，以阻挡空气中大尺寸的杂质颗粒。通过表面改性技术，将聚四氟乙烯薄膜覆盖于硅分子筛表面进行疏水处理，有效提高表面的抗粘附性能。采用该封装技术的微机电气体传感器，不仅可以应用于复杂化学杂质环境，实现精确的工业过程监测，同时还具有显著的价格和体积优势，适合产业化批量生产。

【技术实现步骤摘要】
基于硅分子筛和聚四氟乙烯复合薄膜的晶圆级封装方法
本专利技术属于微机电系统（MEMS）制造
，具体涉及到一种温度、湿度和压力多参数微传感器的防尘、防化学杂质粘附的晶圆级封装技术。
技术介绍
随着现代工业迈向4.0时代，过程控制在生产中扮演着越来越重要的角色。通常，为了确保生产过程处于受控状态，对直接或间接影响产品质量的参数如温度、湿度、压力、流量、液位、成分、浓度等进行实时检测和控制，使之接近给定值或保持在给定范围内。通过对过程参数的控制，可提高生产效率、减少能耗、降低污染等。然而对于化工、石油、金属冶炼等行业，由于其工作环境存在复杂的化学物质，如粉尘、漆雾、油污、强酸强碱等，容易导致用于检测的传感器表面沾污或“中毒”失效。作为传感器的重要成员，微机电系统（MEMS）气体传感器由于其先天的成本优势和体积优势，已经被广泛的应用于大消费领域。典型的MEMS气体传感器如工业用温度、湿度、压力传感器或消防用甲烷、氢气、二氧化碳、一氧化碳等都是基于成熟的硅加工工艺。然而，对于工业或消防用气体传感器，其气体检测功能只是其中一部分，更重要的是传感器保护，即防止传感器芯片的失效或损坏。因此，为了将MEMS气体传感器应用范围拓展至以上复杂化学环境并保持其成本优势，低成本的保护性封装技术显得尤为重要。对于传感器的保护封装，目前业界主流的方式是采用系统级封装，即将传感器及其电路系统用带有窗口的管壳密闭封装。这一封装方式可以较好的保护整个传感器系统免受外界干扰，但其封装成本较高且体积较大，无法体现MEMS传感器相对传统传感器的优势。在MEMS封装领域，晶圆级封装凭借其低成本和高产出量等优势，已经成为目前最重要发展最快的封装技术。如果能将晶圆级封装和防尘、防沾污的选择性透过技术相结合应用于MEMS气体传感器制造，必将为其应用打开更广阔的空间。鉴于目前尚未有MEMS器件的防尘、防化学物质沾污晶圆级封装相关报道，本专利技术首次提出一种基于多孔硅分子筛和高分子聚四氟乙烯复合薄膜的温度、湿度和压力复合传感器的晶圆级封装技术。其中多孔硅用于化学杂质的选择性透过，起分子筛的作用；高分子聚四氟乙烯（PTFE）薄膜用于降低传感器表面的张力，起到表面疏水、疏油的抗粘附作用。采用该封装技术的MEMS传感器，不仅可以应用于复杂的化学杂质环境，实现精确的工业过程监测，同时还具有价格和体积优势，适合产业化批量生产。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于绝缘层上硅的温度、湿度和压力多参数微机电传感器的晶圆级真空封装方法，该封装方法具有出色的防尘、防化学物质粘附性能，适用于油漆喷涂、石油化工、金属冶炼等复杂化学环境。该技术与现有的硅加工技术兼容，拓展了MEMS气体传感器的应用领域，同时大大降低了制造成本。按照本专利技术提供的技术方案，所述基于硅分子筛和聚四氟乙烯复合薄膜的晶圆级封装方法，选择双面抛光的SOI圆片，在其上下表面依次制备氧化硅薄膜和氮化硅薄膜作为后道光刻的硬掩膜；然后在SOI晶圆的上下表面进行双面光刻和刻蚀工艺，其中，在SOI晶圆上表面以顶层硅为载体，刻蚀形成硅分子筛，在SOI晶圆下表面以体硅为载体，刻蚀形成传感器腔体；湿法腐蚀去除上下表面的氧化硅和氮化硅，形成封帽晶圆；在顶层硅分子筛表面通过旋涂工艺或蒸镀工艺，制备一层与硅分子筛的孔隙相对应的PTFE薄膜；最后使用共晶键合工艺，将封帽晶圆和芯片晶圆对准键合完成封装。所述SOI圆片的规格通常选取顶层硅厚度为50~100um。所述氧化硅薄膜采用热氧化方法沉积，选取厚度为110~300A。所述氮化硅薄膜采用低压化学气相沉积方法制备，厚度选为1500~3000A。所述硅分子筛的具体制备方法是：在SOI圆片正面的第一氮化硅薄膜（5）表面通过光刻技术定义多孔图案；通过干法刻蚀技术，将光刻胶定义的多孔图案下的氮化硅和氧化硅去除，形成多孔氮化硅氧化硅硬掩膜；SOI圆片顶层硅（3）的刻蚀采用标准的Bosch气体交换刻蚀工艺，并用O2气清理刻蚀有机残留物，在硬掩膜未覆盖的地方刻蚀出硅深孔，形成多孔硅。其中，所述氮化硅和氧化硅的刻蚀采用CF4和CHF3混合气体，根据具体刻蚀速率增加20%~30%的过刻蚀量；所述Bosch气体交换刻蚀的主刻蚀气体是SF6和C4F8混合气体，多孔硅的孔径控制在0.5~10um。在SOI圆片背面制备所述传感器腔体的方法包括：a、在SOI圆片背面的第二氮化硅薄膜（7）表面，通过光刻技术定义温度传感器的腔体图案；通过干法刻蚀工艺将光刻胶定义的图案下的氮化硅和氧化硅去除，露出SOI圆片背面的体硅（1），形成氮化硅氧化硅硬掩膜；再采用标准的Bosch气体交换刻蚀工艺将硬掩膜暴露出的体硅（1）去除，露出体硅（1）上层的埋层氧化硅（2），从而形成温度传感器腔体（9）；b、在SOI圆片背面的第二氮化硅薄膜（7）表面，通过光刻技术定义湿度和压力传感器的腔体图案；通过干法刻蚀工艺将光刻胶定义的图案下的氮化硅和氧化硅去除，露出SOI圆片背面的体硅（1），形成氮化硅氧化硅硬掩膜；再采用标准的Bosch气体交换刻蚀工艺去除硬掩膜暴露出的体硅（1）和埋层氧化硅（2），形成压力传感器腔体（10）、湿度传感器腔体（11）以及分子筛窗口。其中，所述氮化硅和氧化硅的刻蚀采用CF4和CHF3混合气体，通过终点检测技术实现刻蚀的自停止；刻蚀体硅（1）和埋层氧化硅（2）的步骤包括：第一步利用SF6和C4F8混合气体刻蚀体硅（1），第二步利用CF4和CHF3混合气体刻蚀埋层氧化硅（2），最后用O2气清除刻蚀留下的有机残留物；每一步刻蚀都增加20%~30%的过刻蚀量。制备所述PTFE薄膜所用材料是杜邦公司的TE-3893特氟龙乳液，质量分数是60%，旋涂制备PTFE薄膜之前以1:5的比例进行稀释；PTFE薄膜的制备选择旋涂法，或选择包括物理气相沉积、化学气相沉积在内的镀膜技术。按照上述方法，通过在SOI晶圆背面多次刻蚀制作传感器腔体，能够形成不同类型、不同尺寸、不同数量MEMS传感器的真空、气密或开放式封装腔体。本专利技术具有以下优点：1.将选择性透过技术和表面改性技术相结合，创造性的在硅分子筛上制备抗粘附薄膜，该复合薄膜不仅能有效过滤大分子化学颗粒，还具有优异的疏水、疏油特性。2.将传统的系统级封装和先进的晶圆级封装技术结合，将大尺寸、高成本的系统封装替换为晶圆上芯片的批量封装，不仅提高了封装效率，而且大大降低了封装成本。3.同时实现温度传感器的真空封装和压力、湿度传感器的开放式封装，为多参数传感器的集成制造和封装提供工艺基础。4.旋涂法制备的PTFE多孔薄膜厚度均匀，通孔率高，附着力高且具有成本优势。5.整套封装工艺跟MEMS加工工艺兼容，可以整合进MEMS生产线，实现产业化批量生产。6.采用共晶键合的真空封装技术，工艺温度低，可以有效保护传感器芯片和管壳表面的PTFE薄膜。附图说明图1为本专利技术提供的MEMS传感器晶圆级真空封装工艺流程图.图2为本专利技术所采用的SOI晶圆的结构示意图。图3为在SOI衬底晶圆的双面沉积氧化硅和氮化硅后的剖视图。图4为正面光刻和深孔刻蚀工艺后圆片上多孔硅的剖视图。图5为背面光刻和刻蚀工艺后形成的温度传感器腔体剖视图。图6为背面二次光刻和刻蚀后形成的温度、压力和湿度腔体的剖视图。图7为湿法腐蚀去本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于硅分子筛和聚四氟乙烯复合薄膜的晶圆级封装方法，其特征是，选择双面抛光的SOI圆片，在其上下表面依次制备氧化硅薄膜和氮化硅薄膜作为后道光刻的硬掩膜；然后在SOI晶圆的上下表面进行双面光刻和刻蚀工艺，其中，在SOI晶圆上表面以顶层硅为载体，刻蚀形成硅分子筛，在SOI晶圆下表面以体硅为载体，刻蚀形成传感器腔体；湿法腐蚀去除上下表面的氧化硅和氮化硅，形成封帽晶圆；在顶层硅分子筛表面通过旋涂工艺或蒸镀工艺，制备一层与硅分子筛的孔隙相对应的PTFE薄膜；最后使用共晶键合工艺，将封帽晶圆和芯片晶圆对准键合完成封装。

【技术特征摘要】
1.基于硅分子筛和聚四氟乙烯复合薄膜的晶圆级封装方法，其特征是，选择双面抛光的SOI圆片，在其上下表面依次制备氧化硅薄膜和氮化硅薄膜作为后道光刻的硬掩膜；然后在SOI晶圆的上下表面进行双面光刻和刻蚀工艺，其中，在SOI晶圆上表面以顶层硅为载体，刻蚀形成硅分子筛，在SOI晶圆下表面以体硅为载体，刻蚀形成传感器腔体；湿法腐蚀去除上下表面的氧化硅和氮化硅，形成封帽晶圆；在顶层硅分子筛表面通过旋涂工艺或蒸镀工艺，制备一层与硅分子筛的孔隙相对应的PTFE薄膜；最后使用共晶键合工艺，将封帽晶圆和芯片晶圆对准键合完成封装；所述硅分子筛的制备方法是：在SOI圆片正面的第一氮化硅薄膜（5）表面通过光刻技术定义多孔图案；通过干法刻蚀技术，将光刻胶定义的多孔图案下的氮化硅和氧化硅去除，形成多孔氮化硅氧化硅硬掩膜；SOI圆片顶层硅（3）的刻蚀采用标准的Bosch气体交换刻蚀工艺，并用O2清理刻蚀有机残留物，在硬掩膜未覆盖的地方刻蚀出硅深孔，形成多孔硅。2.根据权利要求1所述基于硅分子筛和聚四氟乙烯复合薄膜的晶圆级封装方法，其特征在于，所述SOI圆片的规格选取顶层硅厚度为50~100um。3.根据权利要求1所述基于硅分子筛和聚四氟乙烯复合薄膜的晶圆级封装方法，其特征在于，所述氧化硅薄膜采用热氧化方法沉积，选取厚度为110~300A。4.根据权利要求1所述基于硅分子筛和聚四氟乙烯复合薄膜的晶圆级封装方法，其特征在于，所述氮化硅薄膜采用低压化学气相沉积方法制备，厚度选为1500~3000A。5.根据权利要求1所述基于硅分子筛和聚四氟乙烯复合薄膜的晶圆级封装方法，其特征在于，所述氮化硅和氧化硅的刻蚀采用CF4和CHF3混合气体，根据具体刻蚀速率增加20%~30%的过刻蚀量；所述Bosch气体交换刻蚀的主刻蚀气体是SF6和C4F8混合气体，多孔硅的孔径控制在0.5~10um。6.根据权利要求1所述基于硅分子筛和聚四氟乙烯复合薄膜的晶圆级...

【专利技术属性】
技术研发人员：马晶晶，欧文，罗九斌，
申请(专利权)人：江苏物联网研究发展中心，
类型：发明
国别省市：江苏;32