本发明专利技术涉及一种微机械加速度计圆片级封装工艺，其特征在于，采用粘接键合和深反应离子刻蚀微机械体加工工艺技术相结合，所述的圆片级封装工艺步骤是：使用各向异性腐蚀溶剂氢氧化钾双面同时腐蚀出保护腔体和未穿通的引线通孔；使用干刻蚀型苯丙环丁烯，涂覆于盖板的保护腔体一面的整个正面，即有保护腔体的这一面；使用键合机完成盖板硅片和微机械加速度器件的硅片的键合；利用深反应离子刻蚀技术将铝引线处通孔刻蚀穿通。本发明专利技术提供的圆片级封装工艺采用的设备和工艺均为微机械加工的常规工艺和设备，具有通用中性强特点，适用于从低量程微机械加速度计到高冲击微机械加速度计的制作。
【技术实现步骤摘要】
微机械加速度计器件的圆片级封装工艺
本专利技术涉及了微机械加速度计圆片级封装工艺，属于微机械圆片级封装领域。
技术介绍
目前，微电子机械系统(MEMS)封装技术是MEMS研究领域中的一个重要的研究方向。MEMS器件封装可分为单芯片封装和圆片级封装，而圆片级封装工艺使得单个MEMS芯片安装到引线框架的工序变得相对简单容易，而且可更好、更简捷地对器件进行保护，因此圆片级封装工艺成为人们所关注的技术。对于MEMS加速度器件来说，其通常包含了敏感的可动部分，因此要求尽可能减小外界环境因素对可动部分的影响，使其能得到较好的保护；另外，对于MEMS加速度计器件来说，其并不象压力传感器那样需要与外界之间有一接触窗口，因此MEMS加速度计器采用圆片级封装工艺是很值得考虑的和受到注目的，而且圆片级封装后也有利于如划片和灌封等后续工艺的操作。然而，如今我们常见的键合封装工艺主要有，硅玻璃阳极键合，硅硅热键合，熔融玻璃封接和有机粘接键合等。其中硅玻璃阳极键合工艺的要求比较苛刻，它要求较高的表明洁净度和较低的粗糙度；硅硅热键合的温度太高且时间也较长，因此工艺往往难以把握；而有机粘接键合工艺是一种相对简单、可靠、低成本的工艺，由于可在较低温度下进行键合工艺操作，因此其工艺所引入的残余热应力也较小。
技术实现思路
本专利技术提供了一工艺简单并可普遍适用于微机械加速度计器件的圆片级封装工艺。在所述的工艺中采用了干刻蚀型苯丙环丁烯(BCB，benzocyclobutene)作为粘接材料。工艺中实际使用的是美国Dow Chemical公司的干刻蚀型BCB预聚体溶液(Cylotene*型号3022-46)专利产品，其中BCB聚合度为40~50％，溶剂(1，3，5-三甲基苯)的存在使其呈液体状态。干刻蚀型BCB的固体含量(即BCB树脂)为46％。一定温度固化之后BCB才完全聚合、交联。在使用BCB时，还同时使用BCB的增粘剂(AP3000)。相比其它材料来说，-->其在键合工艺过程的流动性是较小的，在设计时只需适当的留有一定余地，就不会造成胶进入器件的可动部分，并且具有较高的键合强度，使保护腔体有较好的密封。另外，干刻蚀型BCB键合工艺能与MENS的体加工工艺兼容，且在较低温度下就可很好的与硅片键合，不会引入较大的热应力。本工艺中，采用于刻蚀型BCB将盖板硅片与加速度计器件硅片粘接键合起来，实现了对器件核心部件的正面的完全密封保护，并将铝引线通过BCB时被掩埋其中，而铝焊盘则可通过盖板硅片上制作的铝线通孔与外连接。虽然是直接在盖板正面进行的旋转涂覆BCB胶，但实际在键合过程中却实现了选择性的键合。具体得说，本专利技术提供得微机械圆片级封装工艺是通过两部分来实现完成的，下面对此进行详细的说明。1、制作盖板的主要目的是保护MEMS加速度计芯片中的敏感可动部分，因此盖板的制作主要是腐蚀出可用于保护的腔体结构。腐蚀的工艺很多，干法和湿法腐蚀均可采用。氢氧化钾(KOH)腐蚀溶液系统设备简单，操作方便而且廉价，因此在此我们选用了KOH溶液作为腐蚀剂。1)、在双面抛光N型或P型的(100)晶石的硅片上生成热二氧化硅掩膜层或低压化学沉积氮化硅掩膜层，此掩膜层主要作为腐蚀孔和最后深反应离子刻蚀通孔的掩膜，因此尽可能生长得较厚，根据腐蚀深度等工艺需要生长二氧化硅掩膜层厚度为1μm～2μm，氮化硅掩膜层2000埃～3000埃。2)、使用各向异性的腐蚀液如四甲基氢氧化铵或氢氧化钾(KOH)腐蚀溶液，其中KOH溶液的浓度一般选择百分比为30-50％，温度可选择40℃～60℃，腐蚀出盖板背面的部分通孔，这次的腐蚀深度的确定，可根据所需保护腔体的深度和最终希望剩余的通孔硅层厚度来决定，一般来说保护腔体深度在20μm～100μm之间。总体来说，这次的腐蚀深度比较灵活，若所需腔体浅一些，则此次腐蚀就深一些。3)、双面对准光刻后，在盖板的正面通过氢氧化钾(KOH)腐蚀溶液同时腐蚀出保护器件的可动部分的腔体和铝引线通孔的另一部分。此次腐蚀是硅片双面同时进行，腐蚀深度由所需保护腔体的深度决定，这时盖板制作基本完成，其具体形貌可参考图6所示。2、采用键合机和深反应离子刻蚀机完成盖板与微机械加速度计器件硅片的圆片级封装。1)、涂敷BCB胶，用涂胶机在盖板正面，即在有保护腔体的一个面，进行BCB胶的涂敷(如图7所示)。为了使BCB胶有较好的覆盖性并能达到所需厚度，涂胶采用两步法，首先在涂胶机开盖时，在低加速度条件下，即涂胶的转速是从0转/分(rpm)逐渐增加速-->度到所需的涂胶转速，此时的速度为100rpm，进行边滴胶边涂覆，然后，根据所需的胶厚度，在较高速度下进行闭盖甩胶涂覆，胶厚在3μm～5μm之间。(详见实施例1)2)、为了使有机溶剂(1，3，5-三甲基苯)和易挥发物质挥发掉，在键合机键合之前用热板进行预烘，以利于获得没有孔洞的BCB胶粘接层。热烘温度100-110℃3)、利用键合机，进行键合工艺。主要键合工艺条件：常压氮气保护或真空环境下；施加一恒定压力；经历升温及保温过程，典型的BCB胶的固化温度在200℃-300℃。4)、采用深反应离子刻蚀(DRIE)方法，将通孔处剩余硅和通孔处腔体中涂覆的BCB胶同时刻蚀掉，形成引线通孔。本专利技术采用粘接键合和深反应离子刻蚀微机械体加工工艺相结合的方法，成功的实现了微机械加速度计器件的圆片级封装。从整套工艺流程来看，所用设备和采用的工艺均为微机械加工的常规工艺，因此工艺的实现十分简易。BCB固化过程中，并不会有很大的流动性，对可动部分绝对安全；且盖板和器件硅之间的键合强度可达到6Kg/cm2，能够承受上千g的高冲击，同时其能很好的保护器件，有利于之后的划片和灌封工作。从上述这套圆片级的封装工艺情况看，其并不仅局限于加速度计器件，他具有普遍性，任何需要进行正面保护的器件都可以运用此封装工艺。通用性强，从低量程微机械加速度计到高冲击微机械加速度计均能适用。附图说明图1：双面抛光N型(100)硅片图2：热生长SiO2掩膜层图3：硅片背面光刻腐蚀出铝引线通孔图形图4：KOH溶液腐蚀背面通孔图形图5：双面对准光刻腐蚀出保护腔体和正面铝引线通孔图6：KOH溶液腐蚀保护腔体和通孔图7：盖板正面涂敷BCB胶图8：盖板芯片与器件芯片键合图9：DRIE刻蚀铝引线通孔图10：量程5g加速度计圆片封装示意图图11：圆片级封装实物照片图12：圆片级封装实物局部放大照片-->图13：圆片级封装划片后实物照片图中：1-盖板硅片 2-热二氧化硅3-盖板背面通孔窗口 4-盖板背面通孔腐蚀坑5-盖板正面通孔窗口 6-盖板正面保护腔体窗口7-盖板正面通孔腐蚀坑 8-盖板正面保护腔体腐蚀坑9-盖板正面旋涂BCB胶 10-器件硅的铝引线PAD11-器件硅 12-与器件硅键合的玻璃13-铝引线通孔 14-悬臂梁15-质量块和梁 16-过载保护岛具体实施方式实施例1器件硅芯片是由一硅片和与之键合的prox 7740#玻璃两部分构成，此时硅片上的敏感悬臂梁部分已经释放成可动的机械部分，电路也完全成形了。具体可参见图8和9中的11部分。此器本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种微机械加速度计器件的圆片级封装工艺，其特征在于，采用粘接键合和深反应离子刻蚀微机械体加工工艺相结合的方法，所述的圆片级封装的工艺步骤是：（ａ）盖板制作（ｉ）在双面抛光Ｎ型或Ｐ型的（１００）晶面的硅片上生长掩膜层； （ｉｉ）用各向异性腐蚀溶液，腐蚀出盖板背面的部分通孔，腐蚀深度由保护腔体的深度和剩余的通孔硅层厚度决定；（ｉｉｉ）双面对准光刻后，在盖板正面腐蚀出保护器件的可动部分的腔体和铝引线通孔的另一部分；（ｂ）采用键合机和深反应离子刻 蚀机完成盖板与微机械加速度计器件硅片的圆片级封装（ｉ）用涂胶机在有保护腔体的一个面进行苯丙环丁烯的涂覆；（ｉｉ）键合机完成盖板硅片和微机械加速度计器件硅片的键合；（ｉｉｉ）利用深反应刻蚀方法，将通孔处剩余硅和通孔处腔 体中涂覆的苯丙环丁烯胶同时刻蚀掉，形成引线通孔。
【技术特征摘要】
1、一种微机械加速度计器件的圆片级封装工艺，其特征在于，采用粘接键合和深反应离子刻蚀微机械体加工工艺相结合的方法，所述的圆片级封装的工艺步骤是：(a)盖板制作(i)在双面抛光N型或P型的(100)晶面的硅片上生长掩膜层；(ii)用各向异性腐蚀溶液，腐蚀出盖板背面的部分通孔，腐蚀深度由保护腔体的深度和剩余的通孔硅层厚度决定；(iii)双面对准光刻后，在盖板正面腐蚀出保护器件的可动部分的腔体和铝引线通孔的另一部分；(b)采用键合机和深反应离子刻蚀机完成盖板与微机械加速度计器件硅片的圆片级封装(i)用涂胶机在有保护腔体的一个面进行苯丙环丁烯的涂覆；(ii)键合机完成盖板硅片和微机械加速度计器件硅片的键合；(iii)利用深反应刻蚀方法，将通孔处剩余硅和通孔处腔体中涂覆的苯丙环丁烯胶同时刻蚀掉，形成引线通孔。2、按权利要求1所述的微机械加速度计器件的圆片级封装工艺，其特征在于所述的掩膜层为热二氧化硅层或低压化学沉积氮化硅层，其厚度分别为1μm～2μm和2000埃～3000埃。3、按权利要求1所述的微机械加速度计器件的圆片级封装工艺，其特征在于所述的各向异性的腐蚀液为氢氧化钾腐蚀液或四甲基氢氧化铵；所述氢氧化钾腐蚀液的溶液百分浓度为30-50％，温度为40℃～60℃。4、按权利...
【专利技术属性】
技术研发人员：张鲲，李昕欣，杨恒，王跃林，罗乐，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]
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