专利名称：基于金锡共晶的谐振型压力传感器芯片局部真空封装方法
技术领域：
本发明涉及一种在微电子机械系统(MEMS)芯片上对MEMS芯片的局部部件进行真空封装的方法，特别涉及一种基于金锡共晶的谐振型压力传感器芯片局部真空封装方法， 它直接应用的领域是MEMS可动部件的局部真空封装领域。
背景技术：
目前，在谐振型压力传感器的真空封装技术中，其真空封装的主要方法有1.硅玻璃局部真空封装技术。这种技术是在两个芯片中的一片上涂覆一定厚度的 玻璃浆料，然后在硅_玻璃键合设备中加热熔化玻璃浆料，实现两个芯片的密封。这种方法 有两个缺陷1)封装后的气密性不好，导致封装后的真空度不高；2)由于玻璃烧结温度高， 对芯片热冲击影响大，从而导致传感器芯片的使用寿命减小。2.铅锡共晶烧结局部真空封装技术。此技术是在两个芯片中的一片上涂覆一定 厚度的焊料膏，然后在硅-玻璃键合设备中加热熔化焊料膏，来实现两个芯片的密封。这种 方法有以下缺点1)上下两个芯片的键合区�。噶细嗟耐扛膊环奖悖�2) —般用的是锡铅 焊料，铅有毒，不环保；3)焊料膏中的有机溶剂分解会产生大量杂质气氛，随着焊料膏的熔 化，杂质气体被包裹在熔融焊料膏里面，烧结气密性变差，从而使其密封的真空度降低，导 致局部真空封装的成品率低(一般只有80% )。
发明内容
为克服上述问题，本发明提供了一种基于金锡共晶的谐振型压力传感器芯片局部 真空封装方法，采用电镀和溅射的方法淀积Sn/Au层，利用金锡合金的等温凝固和共晶反 应，来实现局部真空封装，使局部真空封装的成品率达到99%，且使金锡层的厚度均勻性 好、传感器芯片的使用寿命提高。本发明解决上述技术问题的技术方案在于，该方法步骤包括(1)在待进行背面深槽腐蚀和正面释放可动部件的传感器硅片上，形成厚度为 3-10 μ m、环宽为100-200 μ m的TiW/Au环和进行深槽腐蚀和释放可动部件；(2)在用于局部真空封装的上盖板硅片上，形成厚度为3-10μπκ环宽为 100-200 μ m 的 TiW/Au/Sn/Au 环；(3)将划片后、带有TiW/Au环的传感器芯片与带有TiW/Au/Sn/Au环的上盖板芯 片，通过上下环对接，真空加热，等温凝固和共晶键合，形成一个密闭真空腔室，实现局部真 空封装。所述在待进行背面深槽腐蚀和正面释放可动部件的传感器硅片上，形成厚度为 3-10 μ m、环宽为100-200 μ m的TiW/Au环和进行深槽腐蚀和释放可动部件的方法包括(1)对待进行背面深槽腐蚀和正面释放可动部件的传感器硅片进行清洗，双面溅 射淀积TiW/Au层，Tiff/Au层的厚度为50nm/200nm，在400°C下退火处理40min ；(2)将上述双面已溅射TiW/Au层的硅片用光刻胶保护正面，进行背面光刻，腐蚀掉需要背面深槽腐蚀区域的Au层，再腐蚀掉TiW层，去胶；(3)用Au层做屏蔽层，腐蚀掉背面的硅，深度达到200-300 μ m ；(4)用光刻胶保护硅片的背面，腐蚀掉硅片正面的可动部件区域的TiW/Au层，去 胶，获得TiW/Au环；(5)电镀，在TiW/Au环上淀积厚度3-10 μ m的Au层；(6)腐蚀掉正面可动部件的硅，释放可动部件。所述在用于局部真空封装的上盖板硅片上，形成厚度为3-10 μ m、环宽为 100-200 μ m 的 TiW/Au/Sn/Au 环的方法包括(1)采用常规硅片作上盖板硅片，清洗，氧化生长厚度为500-650nm的Si02层；(2)在硅片正面，溅射TiW/Au层，TiW/Au层的厚度为50nm/200nm，在400°C下退火 处理40min ；(3)光刻正面的TiW/Au层，先腐蚀掉Au层，再腐蚀掉TiW层，去胶，获得环宽为 100-200 μ m 的 TiW/Au 环；(4)光刻正面的TiW/Au环，让TiW/Au环选择性的留上光刻胶，电镀淀积3_10 μ m 厚度的Sn层，再溅射淀积100-200nm厚度的Au层，去胶，形成厚度为3_10μπι、环宽为 100-200 μ m 的 TiW/Au/Sn/Au 环。所述将划片后、带有TiW/Au环的传感器芯片与带有TiW/Au/Sn/Au环的上盖板芯 片，通过上下两环对接，真空加热，等温凝固和共晶键合，形成一个密闭真空腔室，实现局部 真空封装的方法包括(1)将制作有TiW/Au环的传感器硅片和带有TiW/Au/Sn/Au环的上盖板硅片，一起 进行划片，得到单个的芯片；(2)将带有TiW/Au环的传感器芯片与带有TiW/Au/Sn/Au环的上盖板芯片，通 过环对接叠放在一起，放入硅玻璃键合设备的腔内，抽真空，真空度达5X 10_2Pa，加热到 330士 10°C，其中，上盖板芯片上的上环是TiW/Au/Sn/Au环，传感器芯片上的下环是TiW/Au 环，上下环通过等温凝固和共晶键合粘在一起，上下环对接、共同环围，形成了一个密闭的 真空腔室，实现了局部真空封装。在传感器芯片上形成的TiW/Au环与上盖板芯片上形成的TiW/Au/Sn/Au环上下对 接、共同环围后，形成了一个整体的环，此整体环中总的Au层与Sn层的厚度比为3 2。有益效果由于本发明的基于金锡共晶的谐振型压力传感器芯片局部真空封装方法采用了上述技术方案，具有以下优点1.常规的铅锡共晶烧结和硅玻璃的局部真空封装技术中，由于焊料膏和玻璃浆料 的涂覆面积�。液噶细嗪筒ＡЫ暇哂辛鞫裕渫扛埠穸染鶆蛐圆缓每刂疲痉⒚鞣� 法采用了电镀和溅射的方法淀积Sn/Au层，能很好地保证Sn/Au层、Tiff/Au/Sn/Au层厚度 的均勻性，其厚度偏差控制在10 μ m以内。2.本发明方法采用了电镀和溅射工艺一次成型Sn/Au层，划片后不再需要涂覆焊 料膏和玻璃浆料工艺，通过环对接，加热后实现密封。由于本发明方法的工艺过程中没有涉 及到有机溶剂的分解，没有杂质气体的产生，从而提高了局部密封的真空度，局部真空封装 的成品率可达到99%，而传统的铅锡共晶烧结工艺的成品率仅有80%。
3.本发明方法利用等温凝固和共晶烧结的原理，实现了上芯片和下芯片的密封。 常规的硅玻璃局部封装工艺，其共晶键合温度为400°C，涂覆玻璃浆料工艺的键合温度为 425°C 460°C，由于其温度高，会引起传感器芯片的机械和电性能下降。而本发明方法中， 采用的键合温度只有330士 10°C，能够有效地减弱键合温度对芯片的热冲击，从而提高传感 器芯片的使用寿命。
图1为本发明的待进行背面深槽腐蚀的正面释放可动部件的下传感器硅片示意 图；图2为在本发明图1的下传感器硅片上双面溅射TiW/Au后、背面光刻出所需图形 的剖面示意图；图3为在本发明图2的传感器硅片上正面光刻TiW/Au、形成TiW/Au环后的剖面示 意图；图4为在本发明图3的传感器硅片上电镀Au层后的剖面示意图；
图5为在本发明图4的传感器硅片上腐蚀释放可动部件后的剖面示意图；图6为用于局部真空封装的上盖板硅片形成Sn层和Au层的剖面示意图；图7为本发明图6的上盖板硅片上形成TiW/Au/Sn/Au环的剖面示意图；图8为本发明图6的上盖板硅片上形成TiW/Au/Sn/Au环的俯视图；图9为本发明图5与图7的硅片划片后，下传感器芯片对与上盖板芯片通过上下 环对接后叠在一起后的剖面示意图；图10为本发明图9的对接在一起后的下传感器芯片对与上盖板芯片通过真空加 热、共晶键合后的剖面示意图。注图1-10中，1表示传感器谐振梁两侧准备腐蚀硅、释放形成谐振梁的槽区；2 表示传感器硅片背面准备深槽腐蚀硅的区域；3表示传感器硅片；4表示为了制备可动的谐 振梁而形成的微腔；5表示双面溅射的TiW/Au层；6表示传感器的谐振梁即可动部件；7表 示上盖板硅片TiW/Au层上电镀的Sn层；8表示上盖板硅片TiW/Au/Sn层上溅射的Au层；9 表示上盖板硅片；10表示TiW/Au/Sn/Au环；11表示密闭的真空腔室。
具体实施例方式本发明的具体实施方式
不仅限于下面的描述，下面结合附图对本发明方法加以进
一步说明。1.在待进行背面深槽腐蚀和正面释放可动部件的传感器硅片3上，形成厚度为 3-10 μ m，环宽为100-200 μ m的TiW/Au环5和进行深槽腐蚀和释放可动部件6的步骤包 括(1)待进行背面深槽腐蚀和正面释放可动部件的传感器硅片3如图1所示，图1 中的1表示传感器谐振梁两侧准备腐蚀硅，释放形成谐振梁的区域，2表示传感器硅片背 面准备深槽腐蚀硅的区域。用通用的RCA清洗方法清洗传感器硅片，即传感器硅片3分 别用 1 号清洗液(NH4OH H2O2 H2O = 1 2 7)禾Π 2 号清洗液(HCL H2O2 H2O = 1:2: 7)各清洗10分钟。用通用的方法，双面溅射TiW/Au层5，TiW层/Au层的厚度分别为50nm/200nm，TiW溅射靶材的成分为10%的Ti，90%的W，溅射完后，在400°C下退火 处理40min ；(2)将上述双面已经溅射TiW/Au层5后的硅片3用光刻胶保护正面，背面进行 光刻，先用碘和碘化钾腐蚀液腐蚀掉背面需进行深槽腐蚀区域的Au层，再用双氧水腐蚀掉 TiW层，去掉背面与正面所有的光刻胶；(3)用Au层5做屏蔽层，用湿法腐蚀液(常用KOH溶液)腐蚀掉背面的硅，深度达到200-300 μ m,腐蚀形成的深槽2如图2所示，图2中的4表示为制备可动的谐振梁而形成 的微腔；(4)用光刻胶保护硅片的背面，光刻掉正面的TiW/Au层，腐蚀掉传感器可动部件 区域的TiW/Au层5，去掉正面和背面的所有光刻胶，获得宽度为100-200 μ m的TiW/Au环 5，如图3所示；(5)电镀Au，在TiW/Au环5上，电镀3-10 μ m的Au层，如图4所示；(6)用KOH溶液湿法腐蚀，腐蚀掉正面可动部件区域的硅，释放可动部件6，这样传 感器硅片上的可动部件6与局部真空封装用的厚度为3-10 μ m,环宽为100-200 μ m的TiW/ Au环5也制备完毕，如图5所示。2.在用于局部真空封装的上盖板硅片9上，形成厚度为3-10μπκ环宽为 100-200 μ m 的 TiW/Au/Sn/Au 环 10 的步骤包括(1)采用常规硅片作上盖板硅片9，对其进行RCA清洗，即分别用1号清洗液 (NH4OH H2O2 H2O = 1 2 7)禾口 2 号清洗液(HCL H2O2 H2O = 1 2 7)各清 洗10分钟，氧化生长厚度为500-600nm的SiO2层；(2)在上盖板硅片9正面溅射一层TiW/Au层，TiW层的厚度为50nm，Au层的厚度 为200nm，TiW溅射靶材的成分为10% Ti ；90% W，溅射完后，在400°C下退火处理40min ；(3)通用方法，光刻正面的TiW/Au层，同样，先用碘和碘化钾腐蚀液腐蚀掉背面需 进行深槽腐蚀区域的Au，再用双氧水腐蚀掉TiW，去掉背面与正面所有的光刻胶，获得宽为 100-200 μ m 的 Tiff/Au 环；(4)光刻正面的TiW/Au环，让TiW/Au环选择性的留上光刻胶，即TiW/Au环上没 有光刻胶，电镀3-10 μ m厚度的Sn层7，再溅射100-200nm厚度的Au层8，如图6所示；去 胶，形成厚度为3-10 μ m、环宽为100-200μπι的TiW/Au/Sn/Au环10，如图7所示。3.将划片后、带有TiW/Au环5的传感器芯片3与上盖板芯片9，通过上下环对接， 真空加热，等温凝固和共晶反应，形成一个密闭真空腔室11，实现局部真空封装的步骤包 括(1)将制备有TiW/Au环5的传感器硅片3与上盖板硅片9 一起进行划片，得到需 要封装的单个芯片；(2)将带TiW/Au环5的传感器芯片3与上盖板芯片9通过环对接叠放在一起，放 入硅-玻璃键合设备(DFJ-III型双面真空静电封接机)的腔室中，抽真空，如图9所示；在 真空腔室中的真空度达到了 5 X IO-2Pa时，进行加热，加热到330士 10°C，其中，上盖板芯片 上的上环是TiW/Au/Sn/Au环10，传感器芯片上的下环是TiW/Au环5，上下环通过等温凝固 和共晶键合粘在一起，上下环对接、共同环围，形成了一个密闭的真空腔室11，实现了局部 真空封装，如图10所示。
本发明中，在传感器芯片上形成的TiW/Au环5与上盖板芯片上形成的TiW/Au/Sn/Au环10上下对接、共同环围后，形成了一个整体的环，此整体环中总的Au层与Sn层的厚度 比为3 2。本发明中，传感器硅片3和上盖板硅片9均为P型<100>硅材料片，电阻率为7 13 Ω · cm。本发明方法中的单项工艺技术，如清洗、氧化、双面溅射TiW/Au、电镀Sn层、电镀 Au层、溅射Au层、Tiff/Au腐蚀、硅及硅氧化层的腐蚀、涂胶、去胶等均为本领域技术人员通 用技术，也不是本发明方法的主题，在此不再详述。
权利要求
一种基于金锡共晶的谐振型压力传感器芯片局部真空封装方法，其特征在于，该方法步骤包括(1)在待进行背面深槽腐蚀和正面释放可动部件的传感器硅片上，形成厚度为3-10μm、环宽为100-200μm的TiW/Au环和进行深槽腐蚀和释放可动部件；(2)在用于局部真空封装的上盖板硅片上，形成厚度为3-10μm、环宽为100-200μm的TiW/Au/Sn/Au环；(3)将划片后、带有TiW/Au环的传感器芯片与带有TiW/Au/Sn/Au环的上盖板芯片，通过上下环对接，真空加热，等温凝固和共晶键合，形成一个密闭真空腔室，实现局部真空封装。
2.根据权利要求1所述的一种基于金锡共晶的谐振型压力传感器芯片局部真空封装 方法，其特征在于所述在待进行背面深槽腐蚀和正面释放可动部件的传感器硅片上，形成 厚度为3-10 μ m、环宽为100-200 μ m的TiW/Au环和进行深槽腐蚀和释放可动部件的方法包 括(1)对待进行背面深槽腐蚀和正面释放可动部件的传感器硅片进行清洗，双面溅射淀 积TiW/Au层，Tiff/Au层的厚度为50nm/200nm，在400°C下退火处理40min ；(2)将上述双面已溅射TiW/Au层的硅片用光刻胶保护正面，进行背面光刻，腐蚀掉需 要背面深槽腐蚀区域的Au层，再腐蚀掉TiW层，去胶；(3)用Au层做屏蔽层，腐蚀掉背面的硅，深度达到200-300μ m ；(4)用光刻胶保护硅片的背面，腐蚀掉硅片正面的可动部件区域的TiW/Au层，去胶，获 得 TiW/Au 环；(5)电镀，在TiW/Au环上淀积厚度3-10μ m的Au层；(6)腐蚀掉正面可动部件的硅，释放可动部件。
3.根据权利要求1所述的一种基于金锡共晶的谐振型压力传感器芯片局部真空封装 方法，其特征在于所述在用于局部真空封装的上盖板硅片上，形成厚度为3-10 μ m、环宽 为100-200 μ m的TiW/Au/Sn/Au环的方法包括(1)采用常规硅片作上盖板硅片，清洗，氧化生长厚度为500-650nm的SiO2层；(2)在硅片正面，溅射TiW/Au层，TiW/Au层的厚度为50nm/200nm，在400°C下退火处理 40min ；(3)光刻正面的TiW/Au层，先腐蚀掉Au层，再腐蚀掉TiW层，去胶，获得环宽为 100-200 μ m 的 TiW/Au 环；(4)光刻正面的TiW/Au环，让TiW/Au环选择性的留上光刻胶，电镀淀积3-10μπι 厚度的Sn层，再溅射淀积100-200nm厚度的Au层，去胶，形成厚度为3_10μπι、环宽为 100-200 μ m 的 TiW/Au/Sn/Au 环。
4.根据权利要求1所述的一种基于金锡共晶的谐振型压力传感器芯片局部真空封装 方法，其特征在于所述将划片后、带有TiW/Au环的传感器芯片与带有TiW/Au/Sn/Au环的 上盖板芯片，通过上下两环对接，真空加热，等温凝固和共晶键合，形成一个密闭真空腔室， 实现局部真空封装的方法包括(1)将制作有TiW/Au环的传感器硅片和带有TiW/Au/Sn/Au环的上盖板硅片，一起进行 划片，得到单个的芯片；(2)将带有TiW/Au环的传感器芯片与带有TiW/Au/Sn/Au环的上盖板芯片，通过环对接 叠放在一起，放入硅玻璃键合设备的腔内，抽真空，真空度达5 X IO-2Pa,加热到330士 10°C， 其中，上盖板芯片上的上环是TiW/Au/Sn/Au环，传感器芯片上的下环是TiW/Au环，上下环 通过等温凝固和共晶键合粘在一起，上下环对接、共同环围，形成了一个密闭的真空腔室， 实现了局部真空封装。
5.根据权利要求4所述的一种基于金锡共晶的谐振型压力传感器芯片局部真空封装 方法，其特征在于在传感器芯片上形成的TiW/Au环与上盖板芯片上形成的TiW/Au/Sn/Au 环上下对接、共同环围后，形成了一个整体的环，此整体环中总的Au层与Sn层的厚度比为
全文摘要
本发明涉及一种基于金锡共晶的谐振型压力传感器芯片局部真空封装方法。本发明方法采用电镀和溅射淀积Sn/Au层，利用金锡合金在加热时的等温凝固和共晶反应，来实现局部真空封装，能使局部真空封装的成品率达到99％。与常规铅锡共晶烧结和硅玻璃的局部真空封装方法相比，具有金锡层的厚度均匀性好、传感器芯片的使用寿命提高等特点，是一种新颖的的芯片局部真空封装方法。本发明方法适用于微电子机械系统(MEMS)可动部件的局部真空封装领域。
文档编号G01L1/16GK101819076SQ20101015164
公开日2010年9月1日 申请日期2010年4月21日 优先权日2010年4月21日
发明者何开全, 张志红, 朱虹娇, 李茂松, 熊化兵, 胡琼, 赵光辉 申请人:中国电子科技集团公司第二十四研究所
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