在真空状态下封装MEMS装置的方法以及用该方法生产的装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种利用Ｏ型圈来真空封装ＭＥＭＳ装置的方法，以及通过该方法所制造的真空封装的ＭＥＭＳ装置。该方法包括制备包括有空腔的上部衬底和包括有ＭＥＭＳ装置的下部衬底并将上部和下部衬底装载到真空室中；通过将Ｏ型圈安装到下部衬底的ＭＥＭＳ装置的边缘部分上来使下部和上部衬底对准；通过在上部和下部衬底之间施加压力而使Ｏ型圈被压在上部和下部衬底之间；对真空室进行排气；以及移除被施加在上部和下部衬底之间的压力。在该方法中，可采用简单的工艺来真空封装ＭＥＭＳ装置而不会从上部衬底的空腔产生放气和泄漏。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种在真空状态下封装微电子机械系统(Micro ElectroMechanical Systems，MEMS)装置的方法以及利用该方法所封装的微电子机械系统装置，更具体而言涉及一种利用O型圈在真空状态下封装MEMS装置的方法以及利用该方法所制造的MEMS装置。
技术介绍
近年来，MEMS已作为下一代电子元件领域中的领先的、创新的系统微型化技术而被提出。例如，各种MEMS产品如加速计、压力传感器、喷墨头和硬盘磁头在全世界是通用的。同样，在开始生产最初的微陀螺仪之后，已经开始大量生产微陀螺仪。如今，随着光学通信技术的发展，用于波长分割多路转换(wavelength division multiplexing，WDM)光学通信的各种高效元件如转换器、衰减器、滤波器以及OXC转换器正在作为新型的具有前景的MEMS 源自MEMS技术的代表性产品是MEMS陀螺仪传感器。硅振荡陀螺仪根据这样的原理来操作，即当某结构因静电力而在一定方向上振荡并且给出了所探测到的角旋转(或角速度)，则科里奥利力(Coriolis force)以直角作用到该结构的振荡上。此时，采用惯性主体与电极之间的电容偏差来测量由科里奥利力所产生的振荡以及外部施加的角旋转范围。微陀螺仪可被用于超微型的低价全球定位系统(GPS)，惯性导航系统(INS)，包括有车辆正控制和驱动安全装置如正悬挂装置的汽车工业，包括有虚拟现实的家用电器，三维鼠标和用于相机的防止手抖动的装置，包括有通用武器系统、导弹制导系统和智能军火系统的军事应用，以及包括有机床控制、振荡控制和机器人技术的其他工业等各种领域中。为了增加振荡陀螺仪的灵敏度，必须使给定方向上所获得的振荡频率与测量方向上所获得的振荡频率相符，并且阻尼较小。也就是说，当某一结构工作时，该结构将会由于气流和该结构周围的粘性所导致的阻尼效应而遇到阻力，并且Q值(质量因子)减小。为此，该结构需要在真空状态下操作以及在高真空下封装。图1是传统的振荡MEMS陀螺仪传感器的剖视图。参考图1，MEMS陀螺仪传感器采用硅绝缘体(SOI)晶片来制造，该晶片包括顺序地层叠的第一硅层1、氧化层5和第二硅层10。SOI晶片具有大约500微米的厚度，作为绝缘体的氧化层5具有大约3微米的厚度。层叠在氧化层5上的第二硅层10是p型<100>晶面，并具有40微米的厚度和大约0.0l至0.02欧姆·厘米的电阻。SOI晶片首先被净化，然后利用光刻胶(photo-resistor)来形成陀螺仪结构模式。对所得到的结构进行充分的烘烤，使得光刻胶不会碳化。之后，采用感应耦合等离子体反应性离子束刻蚀(ICP-RIE)来顺序地和垂直地刻蚀第二硅层10、氧化层5和作为牺牲层的第一硅层1。利用干灰化装置将光刻胶除去，将所得到的结构浸入氢氟(HF)酸溶液中，从而完全地释放陀螺仪结构20。为了对包括有陀螺仪结构20的下部衬底25进行封装，制备了上部衬底30。上部衬底30由康宁派瑞克斯(Corning Pyrex)7740玻璃来制成，其热膨胀系数比较接近于硅的热膨胀系数并且具有大约350微米的厚度。如图1所示，玻璃上部衬底30具有内部的空腔35和顶面中的通孔37。空腔35被要求用于保护陀螺仪结构20和产生真空状态。通孔37用作将陀螺仪结构20和外部电互连件连接起来的路径。玻璃上部衬底30的空腔35和通孔37利用喷砂法来形成。包括有陀螺仪结构20的下部衬底25和包括有空腔35的上部衬底30被对准并被装载到真空室中。真空室内的真空度设定为大约5×10-5托(Torr)，然后进行阳极结合。在阳极结合期间，在上、下部衬底30和25上施加电压，同时升高真空室内温度。在完成了阳极结合之后，将上、下部衬底30和25从真空室内卸下，并通过将铝沉积在玻璃上部衬底30上来形成电互连件40。之后，被结合好的上、下部衬底30和25被切割成单个的芯片。在上述晶片级真空封装工艺中，完成了传统的MEMS陀螺仪传感器。然而，在这种情况下，受环境条件影响的封装组件的真空度和时间的变化不是十分可靠的。当使用陀螺仪时，Q值是变化的。如果Q值或频率变化，则会直接影响作为陀螺仪性能因子的灵敏度和精确度。当使用陀螺仪时，Q值的减小意味着陀螺仪封装组件的真空度变化。换句话说，空腔内的压力与初始压力相比有所增加，使得空气的阻尼增大，从而降低了Q值。一般而言，空腔内压力的增加是由空腔内产生的放气或泄漏所引起的。泄漏由结合工艺完成后在结合好的衬底之间的界面中的孔或微裂纹或者材料缺陷所造成。放气指的是在结合工艺期间或之后从空腔内放出气体。在结合工艺期间，如果施加了高电压，则不仅是从玻璃衬底或结合好的衬底之间的界面处发出的氧离子，而且还有保持在封装内表面或材料表面上的污染物中所含的气体会随着温度的上升而连续地释放到空腔中去。通过分析SOI晶片和玻璃晶片所产生的放气，可以看到从晶片中发出的气体含有最大部分的水，以及二氧化碳，丙烯和其它污染物。由于玻璃晶片发出比SOI晶片大约大10倍量的气体，因此玻璃衬底成为从空腔释放气体的主要原因。从玻璃晶片中释放出很大量的水。特别是，已经证明，在采用喷砂法对玻璃晶片进行加工之后，将比以前释放出多大约2.5倍的气体。
技术实现思路
因此，需要一种新的在真空下封装MEMS设备的方法，其可解决泄漏和放气问题。本专利技术提供了一种在真空下封装微电子机械系统(MEMS)装置而不会造成气体泄漏的方法，以及通过该方法所制造的真空封装的MEMS装置。本专利技术还提供了一种在真空下封装MEMS装置的方法，其既不包括烘烤工艺也不包括阳极结合因此不会产生放气，并且提供了一种通过该方法所制造的真空封装的MEMS装置。根据本专利技术的一方面，提供了一种在真空下封装MEMS装置的方法。在该方法中，包括有空腔的上部衬底和包括有MEMS装置的下部衬底被制备并装载到真空室中。通过将O型圈安装到下部衬底的MEMS装置的边缘部分来使下部和上部衬底对准。通过在上、下部衬底之间施加压力而使O型圈被压在上、下部衬底之间。之后，对真空室进行排气，使得上、下部衬底可因真空与大气压力之间的压差而被封装在真空中。此后，松开被施加在上、下部衬底之间的压力。可在上、下部衬底之间的O型圈外侧填充密封胶如真空密封胶。为了保持气密性，可利用夹具来夹紧上、下部衬底的外部。在利用晶片级真空封装来封装MEMS装置之后，上、下部衬底可被切割成单个的芯片。同样，上、下部衬底可通过电连接件来连接并采用模塑料(molding compound)来模制，MEMS装置被嵌入上、下部衬底之间。模塑料可从包括有金属、陶瓷、玻璃和热固性树脂的组中选出。MEMS装置可以从包括有陀螺仪、加速计、光开关、射频开关、压力传感器的组中选出并可用于系统级封装(SoP)。根据本专利技术的另一方面，提供了一种真空封装的MEMS装置，其包括包括有MEMS装置的上部衬底；包括有空腔的下部衬底；以及插在上、下部衬底的边缘部分之间的弹性O型圈。真空封装的MEMS装置还可包括密封胶如真空密封胶，其被填充在O型圈外侧的上、下部衬底之间。同样，模塑料可被模制在上、下部衬底之外，在上、下部衬底之间嵌入了MEMS装置。模塑料可以是金属、陶瓷、玻璃和热固性树脂之一。附图说明本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在真空下封装微电子机械系统装置的方法，其特征在于，所述方法包括：制备包括有空腔的上部衬底和包括有微电子机械系统装置的下部衬底，并将所述上部和下部衬底装载到真空室中；通过将Ｏ型圈安装到所述下部衬底的微电子机械系统装置的边缘 部分来使所述上部和下部衬底对准；通过在所述上部和下部衬底之间施加压力而使所述Ｏ型圈被压在所述上部和下部衬底之间；对所述真空室进行排气；和移除被施加在所述上部和下部衬底之间的压力。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：李浩荣，金龙协，成宇镛，金曰濬，延淳昌，
申请(专利权)人：财团法人汉城大学校产学协力财团，
类型：发明
国别省市：KR[韩国]