一种晶圆级三层结构的封装方法技术

本发明专利技术公开一种晶圆级三层结构的封装方法，包括：制备上层晶圆结构、中间层晶圆结构和下层晶圆结构；对中间层晶圆结构的背面和下层晶圆结构的正面进行等离子体活化处理；利用键合机将中间层晶圆结构的背面和下层晶圆结构的正面对准，对中间层晶圆结构和下层晶圆结构进行预键合，实现常温下的硅硅直接键合；利用键合机将中间层晶圆结构的正面和上层晶圆结构的背面对准，对中间层晶圆结构和上层晶圆结构进行热压键合，得到晶圆级三层结构，所述热压键合使得中间层晶圆结构和上层晶圆结构键合在一起，同时为所述预键合提供退火的过程，使所述预键合达到需求的键合强度和键合区域。本发明专利技术仅通过一次具有压力和温度的键合过程即可获得晶圆级三层结构。

A Packaging Method of Wafer-Level Three-Layer Structure

【技术实现步骤摘要】
一种晶圆级三层结构的封装方法
本专利技术涉及半导体制造及微电子器件封装
，更具体地，涉及一种晶圆级三层结构的封装方法。
技术介绍
随着高集成度、高性能、微型化的需求越来越大，MEMS器件单颗进行封装的成本越来越大，而晶圆级封装，可以大大地提高效率，降低成本。在封装的同时，通过垂向信号引出，可以有效降低电信号互联引入的寄生电容和减小芯片的面积，节约封装的成本。常用的晶元键合技术包括：玻璃浆料键合、聚合物粘合键合、直接键合、阳极键合、热压键合、固液互扩散键合。其中：玻璃浆料键合、聚合物粘合键合以及固液互扩散键合不能满足高集成度、高性能、微型化的需求；阳极键合由于键合过程中静电力过大可能会破坏脆弱结构。所以，对于高集成度、高性能、微型化的脆弱MEMS器件而言，热压键合和直接键合是较为合适的键合方式。公开号为CN1817784A的中国专利公开报道了一种凸点连接气密封装微机械系统器件的结构及制作方法，该专利技术基于一种硅/硅/玻璃的三层结构进行直接键合和阳极键合，将MEMS可动结构包封在中间，从而提高MEMS器件气密封装的气密特性和输出的电性能。公开号为CN101867080A的中国专利公开报道了一种体硅微机械谐振器及制作方法，该专利技术是基于三层硅结构图形化黏胶键合，实现晶圆级气密封装。公开号为CN102122935A的中国专利公开报道了一种具有亚微米间隙微机械谐振器及制作方法，该专利是基于具有中间层的三层硅结构进行晶圆级键合，在器件结构制作完成的同时实现了气密封装。目前的三层结构晶圆级键合都是通过复杂的工艺进行两次分别的键合，两次的键合过程可能会引入热应力问题，例如热应力过大会直接导致样品键合失败，降低成品率，同时较为复杂的封装程序也决定了较高的封装时间和经济成本。暂无相关技术能够通过一次性热压键合获得具有垂向信号引出的晶圆级三层气密结构。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于解决目前的三层结构晶圆级键合通过两次分别键合实现封装，两次的键合过程可能会引入热应力问题，降低成品率，同时较为复杂的封装需要较高的封装时间和经济成本的技术问题。为实现上述目的，本专利技术提供一种晶圆级三层结构的封装方法，包括以下步骤：(1)制备上层晶圆结构、中间层晶圆结构和下层晶圆结构；(2)对中间层晶圆结构的背面和下层晶圆结构的正面进行等离子体活化处理；(3)利用键合机将中间层晶圆结构的背面和下层晶圆结构的正面对准，对中间层晶圆结构和下层晶圆结构进行预键合，实现常温下的硅硅直接键合；(4)利用键合机将中间层晶圆结构的正面和上层晶圆结构的背面对准，对中间层晶圆结构和上层晶圆结构进行热压键合，得到晶圆级三层结构，所述热压键合使得中间层晶圆结构和上层晶圆结构键合在一起，同时为所述预键合提供退火的过程，使所述预键合达到需求的键合强度和键合区域。具体地，预键合指常温直接键合过程，热压键合是在具有压力和温度条件下的键合过程。常温直接键合的键合强度和键合区域都达不到所需要的要求，需要再进行一步退火工艺来使其达到相关的要求。热压键合的过程中，预键合中没有键合上的区域也已经全部键合上，且键合的强度大大提高。通过一次具有压力和温度的热压键合既使中间层和上层键合在一起，又能够在这次的热压过程中对之前的预键合提供退火的过程，使得其达到需求的键合强度和键合区域。一次的热压过程可以大大的降低器件封装所引入的热应力问题(热应力过大会直接导致样品键合失败)，提高圆片级键合的成品率，同时能够简化封装的流程，降低封装的成本。在一个可能的实例中，该方法还包括如下步骤：(5)在上层晶圆结构中制备垂向信号引出通孔，所述垂向信号引出通孔用于将封装后的三层结构的电信号垂向引出；(6)划片机对所述晶圆级三层结构划片，获得独立的MEMS器件。在一个可能的实例中，所述中间层晶圆结构的正面和上层晶圆结构的背面均包括氧化层。在一个可能的实例中，所述中间层晶圆结构和上层晶圆结构通过金属种子层热压键合。在一个可能的实例中，所述步骤(5)可提前至步骤(1)之前进行。在一个可能的实例中，所述下层晶圆结构为裸硅片或带有腔体的硅片结构。在一个可能的实例中，所述中间层晶圆结构还包括活动开口结构。总体而言，通过本专利技术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：1、本专利技术将传统的多次复杂键合工艺进行改进，使之通过一次具有压力和温度的键合过程即可获得晶圆级三层结构。2、本专利技术通过垂向信号引出，可以有效降低电信号互联引入的寄生电容和减小芯片的面积，节约封装的成本。3、本专利技术将MEMS的中间器件层包封在中间，在键合上下层时，可选择制备腔体，能够对器件提供气密封装。4、本专利技术与其他的晶圆级三层键合工艺相比较没有增加较复杂的步骤，仅仅通过一次具有压力和温度的键合过程即可获得晶圆级三层结构，制作步骤简单，制备成本低，可实现大规模生产。5、本专利技术的各个工艺流程之间并无严格的固定关系，可提供各种灵活的实际使用方案。附图说明图1是本专利技术实施例的晶圆级三层封装结构示意图；图2(a)是本专利技术实施例提供的中间层结构的硅基底以及图形化的金属焊盘示意图；图2(b)是本专利技术实施例提供的中间层结构的硅基底刻蚀后的结构示意图；图3(a)是本专利技术实施例提供的下层结构为裸硅片的结构的一种加工方法流程示意图；图3(b)是本专利技术实施例提供的下层结构为带腔体结构的硅片结构示意图；图4(a)是本专利技术实施例提供的上层结构的硅基底以及图形化的金属焊盘示意图；图4(b)是本专利技术实施例提供的上层结构的硅基底刻蚀后示意图；图4(c)是本专利技术实施例提供的上层结构的硅基底刻蚀出垂直信号引出通孔的结构示意图；图5(a)是本专利技术实施例提供的中间层结构和下层结构之间无压力和温度引入的预键合后的结构示意图；图5(b)是本专利技术实施例提供的一种热压键合后的三层结构示意图；图6是本专利技术实施例提供的另一种热压键合后的三层结构示意图；在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中，100为硅基底，101为氧化层，102为金属焊盘，103为中间结构层刻蚀的窗口，200为下层结构刻蚀的腔体，300为上层结构刻蚀的腔体，301为上层结构的信号引出通孔，400为分离器件后的金属引线。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术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专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。本专利技术的目的在于提供一种能够通过一次性热压键合获得具有垂向信号引出的晶圆级三层气密结构的方法，使得三层结构只经历一次具有压力和温度的键合过程，降低由键合引入的热应力，减少由互联引入的寄生电容和芯片面积。为实现上述目的，本专利技术提供一种新型晶圆级三层结构封装的方法，包括以下步骤：(1)制备上层，中间层和下层结构；(2)对中间层的背面和下层的正面进行等离子体活化处理；(3)利用键合机对准将中间层和下层对准，进行预键合；(4)将预键合的中间层正面和上层背面利用键合机进行热压键合；(5)对上层进行垂向通孔的制备；(6)划片机划片，获得独立的MEMS器件。具体地，预键合先对中间层和下层起到位置固定的作用，为后续的三层本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种晶圆级三层结构的封装方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)制备上层晶圆结构、中间层晶圆结构和下层晶圆结构；(2)对中间层晶圆结构的背面和下层晶圆结构的正面进行等离子体活化处理；(3)利用键合机将中间层晶圆结构的背面和下层晶圆结构的正面对准，对中间层晶圆结构和下层晶圆结构进行预键合，实现常温下的硅硅直接键合；(4)利用键合机将中间层晶圆结构的正面和上层晶圆结构的背面对准，对中间层晶圆结构和上层晶圆结构进行热压键合，得到晶圆级三层结构，所述热压键合使得中间层晶圆结构和上层晶圆结构键合在一起，同时为所述预键合提供退火的过程，使所述预键合达到需求的键合强度和键合区域。

【技术特征摘要】
1.一种晶圆级三层结构的封装方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)制备上层晶圆结构、中间层晶圆结构和下层晶圆结构；(2)对中间层晶圆结构的背面和下层晶圆结构的正面进行等离子体活化处理；(3)利用键合机将中间层晶圆结构的背面和下层晶圆结构的正面对准，对中间层晶圆结构和下层晶圆结构进行预键合，实现常温下的硅硅直接键合；(4)利用键合机将中间层晶圆结构的正面和上层晶圆结构的背面对准，对中间层晶圆结构和上层晶圆结构进行热压键合，得到晶圆级三层结构，所述热压键合使得中间层晶圆结构和上层晶圆结构键合在一起，同时为所述预键合提供退火的过程，使所述预键合达到需求的键合强度和键合区域。2.根据权利要求1所述的晶圆级三层结构的封装方法，其特征在于，还包括如下步骤：(5)在上层晶圆结构中制备垂向信...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏晓莉，范继，饶康，涂良成，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42