[发明专利]一种光学可测且使用封帽电极的MEMS封装结构

说明书

技术领域

本发明涉及一种MEMS器件的封装结构，具体为一种光学可测且使用封帽电极的MEMS封装结构，属于半导体技术领域。

背景技术

随着物联网技术的发展，需要大量的传感器对不同类型的数据进行采集，因此降低MEMS传感器与执行器的产品成本有着重要的意义（如使用CMOS工艺兼容的工艺，或直接在CMOS电路中制作）。其中，MEMS器件的封测流程在整个MEMS器件生产过程中不仅占用了很长的时间，而且成本高昂。为了降低MEMS器件进入市场的门槛，可以通过改进MEMS器件的封装形式，使其能够应用于更加简易、高效的测试方法（如非接触式光学检测法），从而降低产品的成本。

在通常情况下，MEMS器件的测试是通过测试其对输入电信号的电学响应来判断其结构质量，封装情况等指标。但对于某些特殊工艺制作的MEMS传感器（如CMOS电路顶层金属-介质结构中的MEMS器件），无法同时在MEMS器件敏感单元两侧制作电极，于是，需要在封装过程中，在封帽上引入电极实现对MEMS器件可动结构性能的检测。例如，John R. Martin和Xin Zhang于2012年获得授权的专利US8100012，描述了一种使用封帽公共电极作为MEMS传感器另一电极的封装方式，用于测量MEMS结构中质量块在垂直方向的运动，克服了在质量块底部不易做电极这一难点；然而，该方法的缺陷有二：首先，该方法所提到的封帽电极为公共电极，无法对不同区域的器件分别施加不同的电信号，其次，该封装方式仍旧需要传统的电学测量方法对MEMS器件进行测试，存在潜在的高昂成本与器件损坏的风险。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术中存在的不足，提供一种光学可测且使用封帽电极的MEMS封装结构，是一种结构简单，且能够应用于非接触式光学测量方法的MEMS器件（包括传感器与执行器）封装结构，该封装结构还与CMOS工艺兼容，甚至能够直接用于封装CMOS顶层金属-介质结构组成的MEMS器件。

本发明为解决技术问题提出如下封装结构技术方案。

一种光学可测且使用封帽电极的MEMS封装结构，主要包括：MEMS结构、承载MEMS结构的衬底、所述MEMS结构和衬底上的封帽，所述封帽与衬底之间形成的腔体，MEMS结构密封在所述腔体内。

所述封帽包括封帽基体、封帽电极、导电凸块及其底部金属层，所述封帽电极、导电凸块的底部金属层使用同一层封帽导电层制作；封帽基体为对特定光线透明材料，所述封帽导电层为不透明导电材料或透明导电材料；所述封帽电极为分立电极或公共电极，位于封帽内侧，与腔体接触，用于感应MEMS结构的运动；当所述封帽导电层为不透明导电材料时，封帽电极中包含一个或多个位于MEMS结构的上方的透光孔。

所述MEMS结构为在平面内、平面外或平面内外运动的结构。所述MEMS结构为使用CMOS工艺中的金属与介质层制作的结构，或为使用MEMS工艺制作的结构。

所述封帽电极可以为分立电极，每一个分立的封帽电极的电信号由通过导电凸块及其底部金属层引出到衬底上的封帽电极接触板；密封环位于封帽基体最外侧边缘，与衬底形成气密键合结构。

所述封帽电极也可为公共电极，公共的封帽电极的电信号由通过导电凸块及其底部金属层引出到衬底上的封帽电极接触板，导电凸块及其底部金属层为闭合的环形，位于封帽基体的最外侧边缘，与衬底形成气密键合结构

公共的封帽电极的情况下，所述衬底上设有衬底基体、MEMS结构、MEMS电极接触板、封帽电极接触板及其他金属与介质层；MEMS结构为使用CMOS工艺中的金属与介质层制作的结构，包括CMOS工艺中自上而下的第一介质层、第一金属层、第二介质层、第二金属层；MEMS结构中包括由第二金属层形成的MEMS电极；位于第二金属层中设有MEMS电极接触板；第二金属层与第三金属层之间设有第三介质层；在第三金属层中设有封帽电极接触板，还能够设有MEMS参考电极。

分立的封帽电极的情况下，在第三金属层中上方再设有第四介质层，第四介质层中设有凹槽形的导电凸块键合位，槽深与封帽上的导电凸块的厚度相同，导电凸块插入所述导电凸块键合位。