[发明专利]一种MEMS芯片的低应力封装方法

说明书

本发明公开了一种MEMS芯片的低应力封装方法，属于微机械加工技术领域。该方法是将硅芯片和衬底硅片，依次进行化学液处理、热板烘干、等离子体处理、DIW清洗、硅片干燥、预键合、低温退火等工艺制作，实现MEMS硅芯片同质材料低应力封装。其中，化学液清洗主要是用SPM和RCA1溶液对硅片表面进行特定条件下的表面处理，使硅片具有亲水性并悬挂大量羟基；提出用Osubgt;2/subgt;和CFsubgt;4/subgt;混合气体等离子体激活芯片表面，且气流方向平行于硅片表面进行冲刷处理，增强了表面激活能，降低了粗糙度，形成易于消除界面空洞的多孔结构；DIW清洗及硅片干燥，使硅片表面脱水干燥且保持了适度的湿度，悬挂适于键合的烃基，形成良好的表面态；特定条件的预键合及分步退火，实现了满足MEMS芯片技术要求的低应力封装。

技术领域

本发明属于微机械加工技术领域，具体地说是一种基于单晶硅材料，实现MEMS芯片同质材料低应力封装的制造方法。

背景技术

众所周知，芯片封装是微机械加工制造的重要及关键技术。在三维微结构、IC以及MEMS器件制造中应用日趋广泛，是不可或缺也是决定MEMS器件性能优劣的关键制造技术。目前，硅基MEMS芯片的封装大都采用硅和玻璃组成的微结构，由于玻璃和硅为异质材料，其特性存在差异，因材料的热不匹配在封装过程中势必引入封装应力，容易导致MEMS器件的性能劣化。而硅硅同质材料封装技术是通过化学和物理的作用将硅片与硅片直接紧密连接在一起形成一个整体的封装方法，由于以同质材料替代异质材料实现MEMS芯片的封装，能显著的减小封装应力，在MEMS器件的制造中得到了越来越广泛的应用，在微机械加工中占有重要的地位。

硅硅封装是把两抛光硅片经表面处理，在室温下直接贴合，然后经高温热处理键合在一起的封装技术。经室温贴合的硅片仅靠范德瓦尔斯力或氢键力粘合在一起，键合强度小，很容易分开。一般在实际应用中要求键合的硅片之间结合牢固，有足够的键合强度，保证气密性连接，同时还要满足MEMS器件结构完成以后切成分立器件的技术要求。为了提高键合强度通常需要在预键合后对硅片进行高温热处理，以确保硅片之间形成很强的共价键，热处理温度一般要达到1000℃以上。由于处理温度较高，对硅芯片会带来一些副作用，如高温会引起在掺杂的再分布，影响到器件特性变化；在高温处理中由于材料热膨胀会带来应力，若热应力无法有效释放，不仅会损伤硅芯片的微细结构，也会造成MEMS器件工作不稳定和可靠性降低，产生诸多不利影响。因此，解决封装温度过高的问题，实现低温同质材料封装，才能使封装技术更好应用于MEMS器件制造中。

低温封装技术的键合温度较低，无法实现高温下SIO2粘滞流动将键合界面的空洞填平，容易造成键合界面的空洞较多，最终的键合率较低。必须探索出低温键合新的工艺手段和制造方法，消除界面空洞，增强键合强度，提高键合完整率，实现MEMS芯片低应力封装，可以提升MEMS器件性能，在MEMS器件的制造中具有重要的应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种实现MEMS硅芯片无空洞、高强度、同质材料低应力封装的方法，该方法无需采用价格昂贵的专用键合机，即可实现满足MEMS器件应用要求的低应力封装，而且还适于MEMS器件封装的批量生产。

本发明的目的是通过如下技术方案来实现的：

一种MEMS芯片的低应力封装方法，该方法包括将MEMS硅芯片和衬底硅片，依次进行化学液处理、热板烘干、等离子体处理、DIW清洗、硅片干燥、预键合、低温退火步骤，实现MEMS芯片同质材料低应力封装；具体步骤如下：

（1）化学液处理：使用SPM以及RCA1溶液对硅芯片和衬底硅片进行化学液表面处理，在待键合面形成Si-OH硅烷醇亲水基团，使硅片具有亲水性并悬挂大量羟基；