The invention relates to a wafer level package MEMS chip structure and a processing method thereof. By successively bonding the cap layer, the device layer and the substrate layer, a cavity structure for the comb microstructure of the device layer to move is formed. The electrical signal in the package cavity is first led out from the structural side through the first lead of the double-layer metal lead arranged on the substrate layer across the substrate bonding seal ring. After the completion of the metal eutectic bonding wafer level vacuum package, the through-hole is formed by deep silicon etching at the corresponding position of the metal electrode on the back of the substrate wafer, and the through-hole is filled with the conductive material or the conductive silicon column is formed at the back Carry out electrode extraction. The structure can be integrated with the signal processing circuit by flip chip welding. Compared with the way of making TSV through-hole from the package chamber for electrical extraction, it avoids the problem of package air tightness caused by the filling cavity of insulating medium and the problem of temperature stability and reliability caused by the mismatch of thermal expansion coefficient between the filling material and silicon material.
【技术实现步骤摘要】
一种圆片级封装MEMS芯片结构及其加工方法
本专利技术属于微机电系统(MEMS)制造
，具体涉及一种圆片级封装MEMS芯片结构及其加工方法。
技术介绍
圆片级封装技术，通过晶圆键合的方式，一次性实现对整片晶圆上的器件进行气密或真空封装，并完成MEMS芯片不同结构层次之间机械与电气连接。简化了封装工艺过程，降低封装成本，同时也极大的降低了器件的整体外形尺寸。圆片级真空封装可以最大限度保护MEMS器件中的可动结构在划切过程中水流及颗粒的污染，有利于降低批量成本，提高产品的一致性、成品率与可靠性。采用纵向垂直电极引出技术，实现晶圆级封装纵向电学互连引出，可采用倒装焊(Flipchip)的方式实现MEMS器件与IC处理芯片三维堆叠，极大降低整体外形尺寸，使MEMS产品具有批量化、小体积、低成本的优势，便于应用于各种微小型系统中。MEMS谐振器、MEMS陀螺仪、MEMS红外传感器等器件需要工作在高真空状态下才能确保其最佳性能，MEMS谐振器和惯性器件等的微可动结构需要工作在谐振条件下，真空封装能够尽可能的减小空气阻尼，提高谐振的Q值，从而获得更高的测试精度；MEMS红外传感器需要对其进行高真空封装，以减小空气对流散热，从而提高灵敏度。在采用纵向TSV电极引出方式的MEMS晶圆级真空封装中，硅通孔等电极引出结构是造成真空密封泄漏的最大风险因素。真空腔内的微结构需要通过硅通孔方式实现与外界的互联。为了满足电学绝缘和密封性的要求，硅通孔中需要填充绝缘介质和导电材料。在高深宽比的深孔中填充材料存在的一个工...
【技术保护点】
1.一种圆片级封装MEMS芯片结构，其特征在于，通过两次晶圆键合的方式将衬底层(1)、器件层(2)和盖帽层(3)三层结构依次键合，形成空腔结构(5)，通过键合密封环(6)密封；沿衬底层(1)表面形成第一金属层(12)，垂直互连结构(16)将第一金属层(12)从衬底层(1)背面引出，形成电学引出通路；垂直互连结构(16)与第一金属层(12)的连接处位于键合密封环(6)密封的空腔结构外侧。/n
【技术特征摘要】
1.一种圆片级封装MEMS芯片结构，其特征在于，通过两次晶圆键合的方式将衬底层(1)、器件层(2)和盖帽层(3)三层结构依次键合，形成空腔结构(5)，通过键合密封环(6)密封；沿衬底层(1)表面形成第一金属层(12)，垂直互连结构(16)将第一金属层(12)从衬底层(1)背面引出，形成电学引出通路；垂直互连结构(16)与第一金属层(12)的连接处位于键合密封环(6)密封的空腔结构外侧。
2.如权利要求1所述的圆片级封装MEMS芯片结构，其特征在于，器件层(2)形成一个梳齿结构(4)；器件层(2)的锚区结构(7)通过金属共晶键合与衬底层锚区结构(10)键合形成覆盖梳齿结构(4)下表面的空腔；
器件层(2)的锚区结构(7)支撑盖帽层(3)，使得器件层(2)与盖帽层(3)键合后形成覆盖梳齿结构上表面的空腔；盖帽层与器件层的键合面上，具有氧化硅层(8)，实现盖帽层与器件层的绝缘。
3.如权利要求2所述圆片级封装MEMS芯片结构，其特征在于，所述衬底层(1)上通过腐蚀形成空腔，并在衬底层(1)空腔内部留下于支撑器件层(2)的锚区结构(10)；衬底层(1)空腔的不同位置设置不同的深度，电极引线布置在深度较深的位置，检测电极布置在深度较潜的位置。
4.如权利要求2所述的圆片级封装MEMS芯片结构，其特征在于，所述衬底层(1)表面第一金属层(12)上下分别布有第二氧化硅层(13)和第一氧化硅层(14)；所述衬底层(1)锚区结构(10)为具有一定坡度的台面，第一金属层(12)从台面下延伸到台面上；所述衬底层(1)锚区结构(10)处第二氧化硅层(13)上布有第二金属层(11)做为键合介质层；所述所述衬底层(1)锚区结构(10)处的第二氧化硅层(13)具有通孔，使得第一金属层(12)与第二金属层(11)相连通。
5.如权利要求4所述的圆片级封装MEMS芯片结构，其特征在于，所述在衬底层(1)上，芯片结构的四周形成城墙状环型台面，环型台面上布第二金属层(11)作为有键合介质层，形成包围梳齿结构(4)的键合密封环(6)；所述第一金属层(12)，从衬底层空腔中延伸到衬底层(1)空腔外，该处第一金属层(12)与密封环(6)间有第二氧化硅层(13)，使得第一金属层(12)与键合密封环处(6)键合介质层电学隔离。
6.如权利要求5所述的圆片级封装MEMS结构，其特征在于，所述第二金属层(11)与第一金属层(11)采用不同材质，第二金属层材质电阻率小于第一金属层材质；第二金属层厚度大于第一金属层；第二金属层作为主布线层，第一金属层作为跳线层，减小引线电阻。
7.如权利要求6所述的圆片级封装MEMS结构，其特征在于，所述第二金属层制备电容极板，实现对器件层(2)结构在纵向方向上运动的检测。
8.如权利要求1或2所述圆片级封装MEMS芯片结构，其特征在于，该圆片级封装结构形成多个封装腔体，在衬底层(1)部分封装腔体的第二氧化硅介质层(13)上布置吸气剂层(15)实现高真空封装，在部分腔体衬底层背面制造漏气孔(20)，实现大气压封装。
9.如权利要求8所述的圆片级封装MEMS芯片结构，其特征在于，吸气剂层(15)中的吸气剂采用Ti、Zr、V的一种或几种，厚度为200nm-2000nm。
10.如权利要求1或2所述的圆片级封装MEMS芯片结构，其特征在于，在器件层键合密封环(6)外与垂直互连结构(16)对应位置存在支撑结构，支撑结构外围设置纵向空气隔离槽(9)，隔离与垂直互连结构(16)间的应力。
11.如权利要求1或2所述的圆片级封装MEMS芯片结构，其特征在于，在衬底层(1)垂直互连结构(16)的周围设置空气隔离槽(19)隔离垂直互连结构(16)的应力。
12.如权利要求1或2所述的圆片级封装MEMS芯片结构，其特征在于，垂直互连结构(16)通过TSV通孔内壁填充绝缘介质层(17)，绝缘介质层(17)内填充金属导电材料实现；TSV通孔外部制备金属焊点(18)。
13.如权利要求4或5所述的圆片级封装MEMS芯片结构，其特征在于，第一金属层(15)采用是钨、铝、钛、铜、金、镍、铬、钽、钴中的一种或几种；第二金属层(11)包括黏附阻挡层和金属共晶焊料层，黏附阻挡层采用Cr、Ti、Ni、W的一种或几种，金属共晶焊料层采用AuSi、AuS...
【专利技术属性】
技术研发人员：张乐民，刘福民，穆京京，刘宇，张树伟，杨静，刘国文，梁德春，吴浩越，崔尉，
申请(专利权)人：北京航天控制仪器研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11
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