[发明专利]MEMS器件的真空封装结构和真空封装方法

说明书

技术领域

本申请涉及微机电系统(MEMS，Micro-Electro-MechanicalSystems)技术领域，更具体地，涉及一种MEMS器件的真空封装结构和真空封装方法。

背景技术

微机电系统(下称MEMS)是一种包括微传感器、微执行器、微能源等微机械基本部分以及高性能的电子集成线路的微机电器件或装置，是一种获取、处理信息和执行机械操作的集成器件。

MEMS器件的真空封装技术是目前MEMS研究的一项重要内容。MEMS器件的特征尺寸微小，一般在微米量级，容易受到外界环境噪声的影响，或受空气中湿气、灰尘的玷污，以致MEMS器件的性能下降，严重时甚至失效。对于一些MEMS产品，例如谐振器、微陀螺等，真空封装能显著提高器件的品质因子(Q-factor)和灵敏度、降低环境噪声的影响、大幅度提高MEMS器件的整体性能。例如，MEMS谐振器在大气环境下的品质因子约为20～400，但当它工作在7.5×10-8的真空环境时，其品质因子可高达50000。

MEMS器件的真空封装可以分为器件级封装和圆片级封装。器件级封装技术相对成熟，通常采用陶瓷外壳或金属外壳对单个器件进行封装，但封装过程相对复杂，耗费时间长，封装成本占整个器件成本的比例较大。因此，目前MEMS器件的真空封装技术的发展趋势是逐渐转向工艺简单、成本较低的圆片级真空封装技术，主要包括硅硅熔融键合、阳级键合、金硅共晶键合等等。

尽管采用将具有一个空腔的作为封盖的晶圆和设置有MEMS器件的晶圆键合在一起的圆片级封装技术可以形成一个真空环境。但是，由于这些键合界面处有缺陷和孔隙致使气体泄漏，腔壁材料吸附的气体分子在键合过程中解析放气，以及键合材料本身的微孔渗透等都会使键合后腔室的真空度低于正常工作所需的真空度，现有技术中改善MEMS器件的真空环境的真空度的方法是预留放气孔排气，或者在作为封盖的晶圆上设置吸收的可逸出气体的吸气剂如金属钛(Ti)、金属锆(Zr)、锆铝合金或纳米级吸气剂等，在键合的时候激活吸气剂来吸收杂质气体。

图1和图2是现有技术中的一种MEMS器件——MEMS谐振器的真空封装结构的结构示意图。如图1所示，在该MEMS器件中，包括MEMS器件所在的第一晶圆100’和作为封盖的第二晶圆200’。

第一晶圆100’包括基体110’和设置在基体110’上的MEMS器件120’，本示例中，MEMS器件120’为MEMS谐振器。基体110’具有多层结构层，在图1中仅示出了位于最上层的第一绝缘层119’。在MEMS器件120’的四周设置了第一金属层130’，第一金属层130’在本示例中为铝金属层。另外，在第一金属层130’的外围还设置有金属引线140’。

图2示出了图1中的示例的基体110’的结构示意图。基体110’包括多层结构层，其中位于最底层的结构层为衬底层111’、位于最顶层的结构层为第一绝缘层119’，在衬底层111’和第一绝缘层119’之间还包括多层结构层，在本示例中，以112’、113’、114’和115’代表不同的结构层。

第二晶圆200’包括盖主体210’，盖主体210’与第一晶圆100’相对的一侧具有凹槽形结构，盖主体210’上与第一晶圆100’上的第一金属层130’对应地设有凸环，凸环围成前述凹槽形结构。在盖主体210’的与第一晶圆100’相对的一侧除凸环以外的表面上涂覆有金属钛层220’作为吸气剂，而在凸环上依次设置第二绝缘层230’和第二金属层240’，第二金属层240’在该示例中为金属锗(Ge)。第一金属层130’与第二金属层240’经共晶键合(Eutecticbonding)后相互融合形成融合层B’。

在实现本申请的过程中，发明人发现以上现有技术至少存在以下问题：单独采用吸气剂吸收气体的方式，由于受到吸气剂自身特性的限制，在MEMS器件所处的环境发生变化的情况下不能及时、充分地吸收杂质气体。

图3是利用残余气体分析仪(RGA，ResidualGasAnalyzer)分析图1和图2所示的现有技术的MEMS器件的真空环境中几种典型气体随环境的变化其浓度的变化情况。在图3中，横坐标代表时间T，纵坐标代表气体浓度C。T1代表对MEMS器件进行加热的起始时间，T2代表对MEMS器件进行加热的终了时间。图3中曲线1代表N₂的浓度曲线，曲线2代表H₂的浓度曲线，曲线3代表Ar的浓度曲线，曲线4代表F的浓度曲线。