CN202687944U - 一种集成吸气剂的mems薄膜封装结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种集成吸气剂的MEMS薄膜封装结构，属于MEMS封装的技术领域。按照本实用新型提供的技术方案，所述集成吸气剂的MEMS薄膜封装结构，包括薄膜封帽及位于所述薄膜封帽下方的承载衬底；所述薄膜封帽与承载衬底间设有用于容纳MEMS结构的腔体，所述腔体中收纳有MEMS结构，所述MEMS结构与薄膜封帽或承载衬底相连；所述薄膜封帽包括位于内侧的吸气剂层及位于外侧的最终密封层，薄膜封帽通过其中的吸气剂层及最终密封层与承载衬底相连，并通过吸气剂层与承载衬底间形成腔体内壁；最终密封层位于吸气剂层外侧，并将MEMS结构密封于腔体内。本实用新型结构简单且新颖，能提升薄膜密封的MEMS器件的性能，适应范围广，安全可靠。

Description

一种集成吸气剂的MEMS薄膜封装结构

技术领域

本实用新型涉及一种MEMS薄膜封装结构，尤其是一种集成吸气剂的MEMS薄膜封装结构，属于MEMS封装的技术领域。

背景技术

随着物联网技术的发展，越来越多的MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）器件需要被应用于微传感器等器件和系统中，但是居高不下的成本阻碍了大批量MEMS产品进入市场，其中很大的一部分产品成本则来自于MEMS器件的封装。经过了多年的探索与研究，MEMS封装技术已经较初始阶段有了长足的发展和进步。传统的MEMS封装方式，如器件级焊接封装等，已经不能满足目前市场的需求，而基于晶圆键合技术的MEMS晶圆级、芯片尺寸封装开始逐步成为新型MEMS器件的封装方式。然而，晶圆键合封装技术还有着它弱点，如：需要两块匹配的衬底，需要特殊的晶圆键合设备，封装后MEMS器件体积较大等。于是，基于表面微加工工艺的薄膜密封技术的诞生解决了上述问题，成为继晶圆键合技术之后的下一代先进的MEMS封装技术。但是，由于使用薄膜密封技术封装的MEMS器件腔体较小，封装材料的放气或是外界环境的漏气均会对封装腔体的压力产生巨大的影响。在一些对封装密封程度有较高要求的场合（如：红外焦平面传感器的封装等），由于先进工艺带来的腔体减小无疑对器件可靠性的维持提出了更加苛刻的要求。于是，在晶圆键合工艺中常用的吸气剂正在被研究人员们设法应用到薄膜密封技术中。

比较典型的，2009年，德国博世公司的Peter Rothacher提出了一种带有腔体内部阻气层的MEMS薄膜封装结构，该方法较传统薄膜密封的工艺的优势在于内部添加的阻气层，能够有效地阻碍封装材料在使用过程中放气而导致的MEMS腔体压力变化，但该发明中并未提出在薄膜密封腔体内集成吸气剂的方法，而且使用了复杂的材料转印技术形成封帽结构。对于在薄膜密封的腔体内集成吸气剂的实例，如2002年Anil Raj Duggal 等人在衬底材料中掺入了吸气剂颗粒，用于LED的真空封装；2004年，Jay S. Lewis和Michael S. Weaver针对LED的真空封装，采用了两种在封装内集成吸气剂的方法：一种是使用薄膜沉积，依次进行LED功能层，吸气剂层和密封层的沉积，但该方案中吸气剂与LED结构接触，无腔体的形成；另一种是采用键合的方式，通过环氧树脂键合块形成在两块衬底间形成腔体，吸气剂则位于上盖板上；2006年，Markus Lutz等人提出了一种MEMS薄膜封装的结构，其中吸气剂位于MEMS器件衬底上，封装腔体侧壁与顶盖上无吸气剂应用；类似的,在2011年，G. Dumont等人在芯片尺寸薄膜封装的MEMS红外焦平面阵列中也集成了吸气剂薄膜，该结构位于MEMS器件衬底上，不仅用于吸收封装腔体内的残余气体，还作为光反射层使用；2010年，Pezhman Monadgemi等人将吸气剂薄膜制作在MEMS薄膜密封的封帽结构内，一定程度上起到了吸气与阻气的作用，但该结构的缺点在于：吸气剂被夹在两层密封材料之间，从而吸气性能受到影响，也无法有效阻挡内层密封材料在器件使用过程中的放气。

分析上述研究进展情况可知，在目前的LED封装中已有将吸气剂集成入薄膜密封结构的技术，该方案没有封装腔体的形成，难以应用到MEMS封装中；在MEMS薄膜封装技术中，还没有一种有效的方法将吸气剂层与封帽阻气层良好地结合起来，同时满足吸气与阻气的功能，虽然目前的封装方法能够满足一些MEMS产品的需求，但针对精度、可靠性要求很高的器件，仍然需要进一步的研究与开发。

发明内容

本实用新型的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种集成吸气剂的MEMS薄膜封装结构，其结构简单，能在不影响器件性能的情况下降低产品成本，适应范围广，安全可靠。

按照本实用新型提供的技术方案，所述集成吸气剂的MEMS薄膜封装结构，包括薄膜封帽及位于所述薄膜封帽下方的承载衬底；所述薄膜封帽与承载衬底间设有用于容纳MEMS结构的腔体，所述腔体中收纳有MEMS结构，所述MEMS结构与薄膜封帽或承载衬底相连；所述薄膜封帽包括位于内侧的吸气剂层及位于外侧的最终密封层，薄膜封帽通过薄膜封帽中的吸气剂层及最终密封层与承载衬底相连，并通过吸气剂层与承载衬底间形成腔体内壁；最终密封层位于吸气剂层外侧，并将MEMS结构密封于腔体内。

所述吸气剂层与最终密封层间设有一层或多层中间层，所述中间层与吸气剂层的形状相一致。

所述吸气剂层与腔体相接触的表面呈粗糙或多孔的表面，吸气剂层与腔体相接触的表面粗糙度的均方根值为5nm~1000nm。

所述承载衬底的材料为硅基材料、陶瓷材料或高分子材料。

所述薄膜封帽为通用封帽或光探测器封帽。

所述吸气剂层上设有若干吸气剂层通孔，所述吸气剂层通孔与腔体相连通。

本实用新型的优点：

1、本实用新型提出的一种集成吸气剂的MEMS薄膜封装结构，相对于键合封装MEMS的技术，所制得的产品拥有更小的体积，相对于薄膜密封LED的技术，本方案提供了供MEMS结构活动的腔体，而且结构中集成了吸气剂，能够有效控制MEMS封装腔体内的压力值。

2、本实用新型提出的一种集成吸气剂的MEMS薄膜封装结构，将吸气剂层作为MEMS封装封帽结构的最内层，直接与腔体接触，能够最大程度的发挥其吸气的功效，而且能够最大程度的阻挡封帽结构中外部材料在长期使用过程中的放气，以及阻挡外界环境中气体漏入腔体，从而提升了MEMS器件长期使用的精度以及产品的使用寿命和可靠性。

3、本实用新型提出的一种集成吸气剂的MEMS薄膜封装结构，由于存在封帽结构最内层设有兼有吸气功能、阻气功能的吸气剂层，本实用新型的外部密封层可以选用廉价的高分子材料，从而降低整个MEMS产品的成本。

附图说明

图1~图6为本实用新型实施例1的具体实施工艺步骤剖视图，其中：

图1为本实用新型在承载衬底上设置MEMS结构，并覆盖第一保护层后的剖视图。

图2为本实用新型得到第二保护层后的剖视图。

图3为本实用新型在第二保护层上沉积吸气剂层并得到吸气剂层通孔后的剖视图。

图4为本实用新型在吸气剂层上设置第一中间层后的剖视图。

图5为本实用新型去除第二保护层形成腔体后的剖视图。

图6为本实用新型得到通用封帽的结构剖视图。

图7~图12为本实用新型实施例2中以红外探测器芯片级封装为例的具体实施工艺步骤剖视图，其中：

图7为本实用新型承载衬底上设置红外探测器结构，并覆盖第一保护层后的剖视图。

图8为本实用新型得到第二保护层后的剖视图。

图9为本实用新型在第二保护层上沉积吸气剂层并得到光窗后的剖视图。

图10为本实用新型在吸气剂层上设置第二中间层后的剖视图。

图11为本实用新型去除第二保护层后形成腔体后的剖视图。

图12为本实用新型得到红外探测器封帽的结构剖视图。

附图标记说明：1-承载衬底、2-MEMS结构、3-第一保护层、4-第二保护层、5-吸气剂层、6-吸气剂层通孔、7-第一中间层通孔、8-第一中间层、9-腔体、10-第一密封层、11-通用封帽、12-第二中间层、13-第二密封层、14-光窗、15-光探测器封帽及16-第二中间层通孔。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

如图1~图12所示：本实用新型实施例以MEMS结构2与承载衬底1相连的结构为例，来说明本实用新型的结构及其对应的制备过程。其中，承载衬底1的材料为硅基材料、陶瓷材料或高分子材料，其中，硅基材料包括硅、玻璃等，陶瓷材料包括氮化铝陶瓷、氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷、碳化硅陶瓷等，所述高分子材料包括聚酰亚胺、环氧树脂等，承载衬底1的材料为本技术领域人员所熟知，此处不再详述。本实用新型实施例中，吸气剂层5的材料为钡、钛、锆、基于钡的合金、基于钛的合金或基于锆的合金形成的薄膜，用于吸收腔体9内的水汽以及其他杂质气体，以提升腔体9内部气压的稳定性。

本实用新型中，薄膜封帽中设置中间层时，所述的中间层材料为硅基材料、金属材料、陶瓷材料、高分子材料或其任意组合，其中，金属材料为金、铝、铜、钨、钛或镍等，陶瓷材料、高分子材料与上述列举描述相同。本实用新型实施例中，薄膜封帽中的最终密封层材料为硅基材料、金属材料、陶瓷材料、高分子材料、硫化锌、氧化镁或其任意组合，其中，硅基材料、金属材料、陶瓷材料、高分子材料均与上述描述相同，且均为本技术领域人员所熟知，此处不再详述。

实施例1

如图6所示，本实施例中，集成吸气剂的MEMS薄膜封装结构包括通用封帽11及所述通用封帽11下方的承载衬底1；所述承载衬底1与通用封帽11间设有用于收纳MEMS结构2的腔体9，MEMS结构2位于腔体9内，MEMS结构2与承载衬底1相连；所述通用封帽11由三层材料形成，其中最内侧为激活的吸气剂层5，与腔体9直接接触，最外侧设有一层第一最终密封层10，在第一最终密封层10与吸气剂层5之间设有第一中间层8。通过通用封帽11能将MEMS结构2封装在腔体9内，以在腔体9内形成MEMS结构2所需的工作环境。

如图3所示，所述的通用封帽11中最内侧的吸气剂层5中设有四个垂直吸气剂层通孔6，以便进行对第二保护层4的腐蚀，其中吸气剂层5的图形边缘与承载衬底1形成良好接触；另外，如图6所示，吸气剂层5与MEMS腔体9接触的界面为粗糙或多孔的表面形貌，表面粗糙度的均方根值为100nm，以最大程度发挥吸气剂的吸气性能。

如图6所示，通用封帽11中设有第一中间层8，且该中间层8与吸气剂层5在相同位置设有第一中间层通孔7，即第一中间通孔7与吸气剂层通孔6相连通，第一中间层8将吸气剂层5完全覆盖。

所述的通用封帽11中最外侧的第一最终密封层10为连续无孔的结构，以将吸气剂层5与中间层8完全覆盖。

本实用新型实施例中承载衬底1为硅；所述的吸气剂层5为钛-锆-钒合金，用于吸收腔体9内的水汽以及其他杂质气体，以提升腔体9内部气压的稳定性；所述第一中间层8的材料为二氧化硅；所述第一最终密封层10的材料为氮化硅。

如图1至图6所示：上述集成吸气剂的MEMS薄膜封装结构可以通过下述工艺步骤实现，具体地：

a、提供承载有MEMS结构2的承载衬底1，在所述承载衬底1上沉积完全覆盖MEMS结构2及对应的承载衬底1表面的第一保护层3；

如图1所示，第一保护层3的材料为聚甲基丙烯酸甲酯，所述MEMS结构2为任何所需的结构，在承载衬底1上采用常规的工艺制备所需MEMS结构2，具体的制备过程此处不再详述；

b、选择性地掩蔽和腐蚀第一保护层3，以在承载衬底1上得到用于覆盖MEMS结构2的第二保护层4；

如图2所示，使用紫外线光刻的工艺对第一保护层3进行图形化，并使用氧气等离子体腐蚀的方法去除第一保护层3，仅保留覆盖MEMS结构2及其周围的第一保护层3，以形成第二保护层4，第二保护层4保留的尺寸由设计的MEMS腔体9的尺寸决定；在得到第二保护层4后，使用氩原子轰击的方法，对第二保护层4表面进行粗糙化处理，使其表面粗糙度的均方根值达到100nm；通过对第二保护层4的表面进行粗糙化处理，以能够使得后续吸气剂层5的表面具有相应的粗糙度；

c、在承载衬底1及第二保护层4上制备吸气剂层5，所述吸气剂层5与承载衬底1相接触，并覆盖在第二保护层4的表面，以形成薄膜封帽的内层结构；吸气剂层5上设有贯通吸气剂层5的吸气剂层通孔6，以通过吸气剂层通孔6暴露对应位置的第二保护层4；

如图3所示，使用钛-锆-钒合金靶材（钛30%-锆20%-钒50%，99.5%纯度），通过磁控溅射的方法以及掀离工艺，在承载衬底1以及第二保护层4表面沉积300nm的钛-锆-钒吸气剂层5，使吸气剂层5沿第二保护层4的表面形成立体的通用封帽11的最内层，吸气剂层5图形边缘与承载衬底1形成良好的接触，吸气剂层5在图形化过程中形成四个直径为5μm的垂直吸气剂层通孔6以暴露对应位置的第二保护层4；

d、利用吸气剂层5上的吸气剂层通孔6，腐蚀去除覆盖MEMS结构2的第二保护层4，且将吸气剂层5激活；

本实用新型实施例中，通用封帽11包括第一中间层8，制备第一中间层8如图4所示，使用等离子增强型体化学气相沉积的方法，在吸气剂层5外侧制作5μm二氧化硅第一中间层8，并通过图形化工艺，使第一中间层8与吸气剂层5在相同位置设有四个第一中间层通孔7，通孔直径为3μm，且第一中间层8将吸气剂5层完全覆盖。

如图5所示，使用氧气等离子体腐蚀的方法，反应气体通过第一中间层通孔7及吸气剂层通孔6，去除聚甲基丙烯酸甲酯的第二保护层4之后，释放MEMS结构2，形成腔体9，并且将样品加热至350摄氏度，持续30分钟，激活吸气剂5；去除第二保护层4后，吸气剂层5的内壁形成与腔体9相接触的表面，吸气剂层5与腔体9相接触的表面形成与第二保护层4表面一致的粗糙度。吸气剂层5表面的粗糙度的均方根值为100nm。

e、在上述吸气剂层5上沉积最终密封层，所述最终密封层覆盖于吸气剂层5上，并填充在吸气剂层通孔6内，以在承载衬底1上形成所需的薄膜封帽。

本实施例中，最终密封层为第一密封层10，如图6所示，使用等离子增强型体化学气相沉积的方法，设置0.1帕的沉积腔室压力条件，在上述第一中间层8的外侧沉积10μm厚的完全连续且无孔的氮化硅薄膜，作为第一密封层10，第一密封层10与前述制备得到的吸气剂层5和第一中间层8一同形成通用封帽11，通用封帽11又与承载衬底1形成最终的MEMS薄膜封装结构。

实施例2

本实施例介绍一种使用本实用新型的红外探测器芯片级薄膜封装方案。如图12所示，所述集成吸气剂的MEMS薄膜封装结构，包括光探测器封帽15及位于所述光探测器封帽15下方的承载衬底1；所述承载衬底1与光探测器封帽15间设有腔体9以容纳MEMS结构2，MEMS结构2与承载衬底1相连；所述光探测器封帽15由三层材料形成，其中最内侧为激活的吸气剂层5，与腔体9直接接触，最外侧设有一层抗反射的第二密封层13，在第二密封层13与吸气剂层5之间设有一层对红外线透明的第二中间层12。

如图9所示，所述光薄膜封帽15中最内侧的吸气剂层5中设有光窗14以便进行对第二保护层4的腐蚀，其中吸气剂层5的图形边缘与承载衬底1良好接触；另外，如图9所示，吸气剂层5与腔体9接触的界面为粗糙或多孔的表面形貌，表面粗糙度的均方根值为100nm，以最大程度发挥吸气剂的吸气性能。

如图12所示，光探测器封帽15中设有第二中间层12，且该第二中间层12中设有通第二中间层通孔16，第二中间层通孔16与吸气剂层通孔6相连通，第二中间层12将吸气剂层5完全覆盖，第二中间层12为对红外透明的材料。

所述光探测器封帽15中最外侧的第二密封层13为连续无孔的结构，且将吸气剂层5与第二中间层12完全覆盖，第二密封层13也为抗反射层。

所述的承载衬底1为硅；所述的吸气剂层5为钛-锆-钒合金，用于吸收腔体9内的水汽以及其他杂质气体，以提升腔体9内部气压的稳定性；所述的第二中间层12的材料为非晶硅或非晶锗硅；所述的第二密封层13的硫化锌或氧化镁等。

如图7至图12所示：上述集成吸气剂的MEMS薄膜封装结构可以通过下述工艺步骤实现，具体地：

a、提供承载有MEMS结构2的承载衬底1，在所述承载衬底1上沉积完全覆盖MEMS结构2及对应的承载衬底1表面的第一保护层3；

如图7所示，第二保护层3的材料为聚甲基丙烯酸甲酯；MEMS结构2为红外探测器结构；

b、选择性地掩蔽和腐蚀第一保护层3，以在承载衬底1上得到用于覆盖MEMS结构2的第二保护层4；

如图8所示，使用紫外线光刻的工艺对第一保护层3进行图形化，并使用氧气等离子体腐蚀的方法去除第一保护层3，仅保留MEMS结构2及其周围的第二保护层4，第二保护层4保留的尺寸由设计的MEMS腔体的尺寸决定；使用氩原子轰击的方法，对聚甲基丙烯酸甲酯的第二保护层4表面进行粗糙化处理，使其表面粗糙度的均方根值达到100nm；

c、在承载衬底1及第二保护层4上制备吸气剂层5，所述吸气剂层5与承载衬底1相接触，并覆盖在第二保护层4的表面，以形成薄膜封帽的内层结构；吸气剂层5上设有贯通吸气剂层5的吸气剂层通孔6，以通过吸气剂层通孔6暴露相对的第二保护层4；

如图9所示，使用钛-锆-钒合金靶材（钛30%-锆20%-钒50%，99.5%纯度），通过磁控溅射的方法以及掀离工艺，在承载衬底1以及第二保护层4表面沉积300nm的钛-锆-钒吸气剂层5，使吸气剂层5沿第二保护层4的表面形成立体的光探测器封帽15的最内层，吸气剂层5图形边缘与承载衬底1形成良好的接触，吸气剂层5在图形化过程中形成直径为200μm的垂直通孔结构形成光窗14以透过红外线；

如图10所示，使用等离子增强型体化学气相沉积的方法，在吸气剂层5外侧制作5μm非晶硅第二中间层12，并通过图形化工艺，形成四个直径为5μm的第二中间层通孔16，第二中间层通孔16与吸气剂层通孔6相连通，以暴露第二构保护层4，通孔直径为3μm，且第二中间层12将吸气剂5层完全覆盖。

d、利用吸气剂层5上的吸气剂层通孔6，腐蚀去除覆盖MEMS结构2的第二保护层4，且将吸气剂层5激活；

如图11所示，使用氧气等离子体腐蚀的方法，反应气体通过第二中间层通孔16及吸气剂层通孔6，去除聚甲基丙烯酸甲酯的第二保护层4之后，释放MEMS结构2，形成腔体9，并且将样品加热至350摄氏度，持续30分钟，以激活吸气剂5；

e、在上述吸气剂层5上沉积最终密封层，所述最终密封层覆盖于吸气剂层5上，并填充在吸气剂层通孔6内，以在承载衬底1上形成所需的薄膜封帽。

本实施例中，最终密封层为第二密封层13，如图12所示，使用等离子增强型体化学气相沉积的方法，设置1帕的沉积腔室压力条件，在上述第二中间层12的外侧沉积10μm厚的完全连续且无孔的硫化锌薄膜，作为第二密封层13，第二密封层13与前述制备得到的吸气剂层5和第二中间层12一同形成光探测器封帽15，光探测器封帽15又与MEMS承载衬底1形成最终的红外探测器MEMS芯片的薄膜封装结构。

本实用新型相对于键合封装MEMS的技术，所制得的产品拥有更小的体积，相对于薄膜密封LED的技术，本方案提供了供MEMS结构2活动的腔体9，而且结构中集成了吸气剂，能够有效控制MEMS封装腔体内的压力值。

本实用新型将吸气剂层5作为MEMS封装封帽结构的最内层，直接与腔体9接触，能够最大程度的发挥其吸气的功效，而且能够最大程度的阻挡封帽结构中外部材料在长期使用过程中的放气，以及阻挡外界环境中气体漏入腔体9，从而提升了MEMS器件长期使用的精度以及产品的使用寿命和可靠性。

本实用新型由于存在封帽结构最内层设有兼有吸气功能和阻气功能的吸气剂层5，该薄膜密封结构的外部密封层可以选用廉价的高分子材料，从而降低整个MEMS产品的成本。

上述例可以用来说明本实用新型的结构和制造过程，但本实用新型的实施绝不仅限于此实施例。在不脱离本实用新型及所附的权利要求的范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本实用新型的保护范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (6)

1.一种集成吸气剂的MEMS薄膜封装结构，包括薄膜封帽及位于所述薄膜封帽下方的承载衬底（1）；其特征是：所述薄膜封帽与承载衬底（1）间设有用于容纳MEMS结构（2）的腔体（9），所述腔体（9）中收纳有MEMS结构（2），所述MEMS结构（2）与薄膜封帽或承载衬底（1）相连；所述薄膜封帽包括位于内侧的吸气剂层（5）及位于外侧的最终密封层，薄膜封帽通过薄膜封帽中的吸气剂层（5）及最终密封层与承载衬底（1）相连，并通过吸气剂层（5）与承载衬底（1）间形成腔体（9）内壁；最终密封层位于吸气剂层（5）外侧，并将MEMS结构（2）密封于腔体（9）内。

2.根据权利要求1所述的集成吸气剂的MEMS薄膜结构，其特征是：所述吸气剂层（5）与最终密封层间设有一层或多层中间层，所述中间层与吸气剂层（5）的形状相一致。

3.根据权利要求1所述的集成吸气剂的MEMS薄膜结构，其特征是：所述吸气剂层（5）与腔体（9）相接触的表面呈粗糙或多孔的表面，吸气剂层（5）与腔体（9）相接触的表面粗糙度的均方根值为5nm~1000nm。

4.根据权利要求1所述的集成吸气剂的MEMS薄膜结构，其特征是：所述承载衬底（1）的材料为硅基材料、陶瓷材料或高分子材料。

5.根据权利要求1所述的集成吸气剂的MEMS薄膜结构，其特征是：所述薄膜封帽为通用封帽（11）或光探测器封帽（15）。

6.根据权利要求2所述的集成吸气剂的MEMS薄膜结构，其特征是：所述吸气剂层（5）上设有若干吸气剂层通孔（6），所述吸气剂层通孔（6）与腔体（9）相连通。

Images