基于表面犧牲層工藝的MEMS器件自封裝制備方法技術

本發明專利技術提供一種基于表面犧牲層工藝的MEMS器件自封裝制備方法，其步驟包括：在基片上淀積并制作襯底保護層、下電極和下電極保護層，并化學機械拋光下電極保護層的表面；采用表面犧牲層工藝制作第一層犧牲層和MEMS器件的結構層；在結構層上淀積金屬層；采用表面犧牲層工藝制作第二層犧牲層和封裝層，并制作封裝區域內外互聯部分；濕法腐蝕所有犧牲層，釋放MEMS器件結構并利用粘附效應完成自封裝。本發明專利技術適用于紅外傳感器等具有可動結構的MEMS器件，可使MEMS器件本身和封裝一起完成，能夠縮短封裝周期，提高工藝質量和成品率，降低封裝成本。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于微電子機械系統(MEMS)加工工藝領域，特別應用在MEMS表面犧牲層工藝領域，具體涉及一種基于表面犧牲層工藝制作自封裝的MEMS器件的方法。
技術介紹
如今MEMS紅外傳感器被廣泛研究，可應用于現代科技、國防和功能等科技領域。制作紅外傳感器的方法很多。九十年代以來，微電子機械系統(MEMS)技術進入了高速發展階段，不僅是因為概念新穎，而且是由于MEMS器件跟傳統器件相比，具有小型化、集成化以及性能更優的前景特點，因此，基于MEMS工藝的微型紅外傳感器也被廣泛研究。由于紅外傳感器的形貌一般是吸收紅外，需要一個較大的水平表面來接收紅外輻射，主流生產方法多采用表面犧牲層工藝制作。MEMS紅外傳感器主要分為兩類，熱應力形變式的和諧振式的紅外傳感器。這兩類傳感器的原理都是基于紅外傳感器芯片表面通過吸收紅外，產生一定的形變或者是機械特性的改變，從而得到紅外輻射量。主要的讀出方式有光學讀出和電學讀出，光學讀出需要較為復雜的光學儀器測量，而電學讀出則是通過外接或者片上的讀出電路，將紅外量轉換為電學信號輸出。如上所述，這兩類的傳感器往往在結構上都是懸臂梁結構，為了防止灰塵、顆粒等污染源進入傳感器核心區域，作為敏感元件的可動懸臂梁需要被充分的保護，其封裝方法非常重要，往往需要特制的芯片管殼，普通的廣泛應用的金屬管殼不適合此類芯片的封裝，因為紅外無法通過管殼。一般方法是使用特別定制透明的玻璃管殼，或者鑲嵌了玻璃管殼的金屬管殼，以提供紅外進入的窗口。而諧振式的紅外傳感器往往需要真空封裝，因為在真空下工作時諧振的幅度更大，更利于信號讀出，真空封裝需要管殼有一定的抗壓強度和密封性。所以，不管是玻璃管殼還是鑲嵌了玻璃的金屬管殼都需要仔細的設計，到一些特殊廠家去定制，需要滿足一定的強度和紅外透明性的要求。綜上，現有的MEMS紅外傳感器對封裝的要求非常高。
技術實現思路
本專利技術的目的是針對上述問題，提出一種基于表面犧牲層工藝的MEMS器件自封裝制備方法，此工藝方法適用于紅外傳感器等具有可動結構的MEMS器件，可以使MEMS器件本身和封裝一起完成，可以縮短后期的封裝周期，后續只需要使用簡單封裝即可，提高工藝質量和成品率，降低封裝成本。為實現上述目的，本專利技術采用如下技術方案—種基于表面犧牲層工藝的MEMS器件自封裝制備方法，其步驟包括I)在基片上淀積并制作襯底保護層、下電極和下電極保護層，并化學機械拋光(CMP)下電極保護層的表面；2)采用表面犧牲層工藝制作第一層犧牲層和MEMS器件的結構層；3)在結構層上淀積金屬層；4)采用表面犧牲層工藝制作第二層犧牲層和封裝層，并制作封裝區域內外互聯部分；5)濕法腐蝕所有犧牲層，釋放MEMS器件結構并利用粘附效應完成自封裝。步驟I)所述的制造下電極，以及化學機械拋光(CMP)表面其作用在于提供一個貫穿封裝腔室內部和外部的電學互聯，并保證在封裝腔室邊緣有一個平坦表面，以保證封裝的密閉性，如圖1所示。步驟2)所述的表面犧牲層工藝主要包括淀積犧牲層并圖形化第一層犧牲層；淀積結構層并圖形化結構層。所述犧牲層優選采用低壓化學氣相淀積(LPCVD)方法淀積，犧牲層的材料優選為磷硅玻璃(PSG);所述結構層優選采用LPCVD方法淀積，材料優選為多晶硅(Poly-Si)。在圖形化結構層時，優選采用反應離子刻蝕(RIE)方法。優選地，MEMS結構層制作防止粘附的凸點，這樣，在釋放步驟時，MEMS器件結構層由于含有凸點，不會因為粘附效應粘在襯底上，導致器件失效，而封裝層會因為面積大，所受水面張力大，而粘附在襯底上，完成自封裝過程。步驟3)所述金屬優選采用濺射或者蒸發的方法淀積，材料優選為金(Au)，并可增加鉻(Cr)薄層以增加金屬粘附性。該步驟采用干法或者濕法的方法圖形化金屬。步驟4)所述的表面犧牲層工藝主要包括淀積犧牲層并圖形化第二層犧牲層；淀積封裝并圖形化封裝層。所述犧牲層優選采用等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)方法淀積，犧牲層的材料優選為磷硅玻璃(PSG);因為步驟3)淀積了金屬，后續工藝均受到工藝溫度的限制，而PECVD的溫度較低，因此所述封裝層優選采用(PECVD)方法淀積，能夠滿足需求。如果金屬層采用了 Cr/Au，PECVD多晶硅溫度為需要低于450° C溫度限制，現有設備可以滿足此要求。如果需要真空封裝，步驟4)可以在真空下進行，釋放完成后，由于內外氣壓差，自封裝層會受到方向由外向內的壓力。因此步驟4)所述封裝層材料優選為有一定剛度且又彈性非常好的多晶硅(Poly-Si)，有一定剛度可以使封裝層不會由于外界氣壓而破裂，好的彈性可以更容易通過水面張力作用下拉，而完成自封裝。步驟2)所述的多晶硅可以摻雜以提高其導電性能，而步驟4)所述多晶硅不能摻雜，以保證其紅外透明特性，提高其紅外透過率。為保證封裝層受力均勻，封裝層結構優選為圓形，如圖1所示，封裝區域內部為實心圓以內，E區域為自封裝腔室邊緣，虛線圓為實際的封裝腔室，實心圓外部為焊盤區域，封裝部分內外通過下電極層完成電學連接。步驟5)釋放腐蝕所有犧牲層，優選釋放步驟包括緩沖氫氟酸(BHF)溶液腐蝕PSG犧牲層，DI (去離子)水置換BHF溶液，取出芯片使其自然干燥。在干燥過程中，由于水面張力，封裝層會受到下拉力，完成自封裝。使用去離子水的原因為純凈的DI水的表面張力非常大，且無雜質，可以滿足下拉力的要求的同時，還不會引入雜質導致MEMS可動結構失效。本專利技術的原理是使用懸臂梁式的封裝層作主體，利用釋放步驟的水面張力，使懸臂梁式的封裝層產生形變完成MEMS器件的自封裝，該原理如圖2所示，其中(a)為犧牲層腐蝕前的示意圖，(b)為犧牲層腐蝕后完成自封裝的示意圖。本專利技術方法可制備多種MEMS芯片，主要適用于含有可動結構、需要真空封裝或對封裝腔有密閉要求、使用表面犧牲層工藝制造的MEMS器件，尤其適用于MEMS紅外傳感器。下面具體說明如何利用上述方法制備采用雙材料懸臂梁結構的紅外傳感器結構。該紅外傳感器包括紅外傳感器部分、封裝腔室部分以及腔室內外互聯部分，該三部分可以采用本專利技術的方法同時制作完成。封裝腔室的材料選用紅外透明的材料，優選為非摻雜多晶硅。具體來說，其制備方法為I)在基片上淀積襯底保護層，包括氧化硅層和氮化硅層；2)淀積多晶硅下電極并進行圖形化，同時完成下電極引線部分；3 )淀積下電極保護層，包括氧化硅層和氮化硅層，并化學機械拋光(CMP )氮化硅層的表面；4)采用MEMS表面犧牲層工藝制作可動結構，包括制作第一犧牲層、結構層和金屬層，形成雙材料檢測結構；5)制作第二犧牲層和封裝層；6)濕法腐蝕第一犧牲層和第二犧牲層，釋放器件結構；7)對釋放的器件結構進行自然干燥，使封裝層在水面張力作用下完成自封裝，形成自封裝的紅外傳感器。上述方法制備的紅外傳感器利用了封裝層的紅外透明性，能夠產生一個有一定強度的密閉自封裝腔，可被廣泛應用于紅外成像領域，原理是通過兩種材料的熱失配形成內應力，使梁產生變形；該紅外傳感器在工作時，紅外輻射會通過對于紅外輻射透明的自封裝腔室照射到對于紅外輻射非常敏感的雙材料懸臂梁上，使雙材料懸臂梁發生形變，并伴隨著剛度、諧振頻率等特性的變化，通過對焊盤連接線兩端的電學性能的測量，即可得到紅外輻射量和電學信號變化量的關系，本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于表面犧牲層工藝的MEMS器件自封裝制備方法，其步驟包括：1）在基片上淀積并制作襯底保護層、下電極和下電極保護層，并化學機械拋光下電極保護層的表面；2）采用表面犧牲層工藝制作第一層犧牲層和MEMS器件的結構層；3）在結構層上淀積金屬層；4）采用表面犧牲層工藝制作第二層犧牲層和封裝層，并制作封裝區域內外互聯部分；5）濕法腐蝕所有犧牲層，釋放MEMS器件結構并利用粘附效應完成自封裝。

【技術特征摘要】
1.一種基于表面犧牲層工藝的MEMS器件自封裝制備方法，其步驟包括: 1)在基片上淀積并制作襯底保護層、下電極和下電極保護層，并化學機械拋光下電極保護層的表面； 2)采用表面犧牲層工藝制作第一層犧牲層和MEMS器件的結構層； 3)在結構層上淀積金屬層； 4)采用表面犧牲層工藝制作第二層犧牲層和封裝層，并制作封裝區域內外互聯部分； 5)濕法腐蝕所有犧牲層，釋放MEMS器件結構并利用粘附效應完成自封裝。2.如權利要求1所述的方法，其特征在于:所述第一犧牲層和所述結構層采用低壓化學氣相淀積方法淀積，所述第二犧牲層和所述封裝層采用等離子體增強化學氣相沉積方法淀積。3.如權利要求1或2所述的方法，其特征在于:步驟2)所述結構層上制作防止粘附的凸點。4.如權利要求1或2所述的方法，其特征在于:...

【專利技術屬性】
技術研發人員：趙丹淇，張大成，何軍，黃賢，楊芳，田大宇，劉鵬，王瑋，李婷，羅葵，
申請(專利權)人：北京大學，
類型：發明
國別省市：