基于硅分子篩和聚四氟乙烯復合薄膜的晶圓級封裝方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于微機電系統(MEMS)制造技術領域，具體涉及到一種溫度、濕度和壓力多參數微傳感器的防塵、防化學雜質粘附的晶圓級封裝技術。
【背景技術】
[0002]隨著現代工業邁向4.0時代，過程控制在生產中扮演著越來越重要的角色。通常，為了確保生產過程處于受控狀態，對直接或間接影響產品質量的參數如溫度、濕度、壓力、流量、液位、成分、濃度等進行實時檢測和控制，使之接近給定值或保持在給定范圍內。通過對過程參數的控制，可提高生產效率、減少能耗、降低污染等。然而對于化工、石油、金屬冶煉等行業，由于其工作環境存在復雜的化學物質，如粉塵、漆霧、油污、強酸強堿等，容易導致用于檢測的傳感器表面沾污或“中毒”失效。作為傳感器的重要成員，微機電系統(MEMS)氣體傳感器由于其先天的成本優勢和體積優勢，已經被廣泛的應用于大消費領域。典型的MEMS氣體傳感器如工業用溫度、濕度、壓力傳感器或消防用甲烷、氫氣、二氧化碳、一氧化碳等都是基于成熟的硅加工工藝。然而，對于工業或消防用氣體傳感器，其氣體檢測功能只是其中一部分，更重要的是傳感器保護，即防止傳感器芯片的失效或損壞。因此，為了將MEMS氣體傳感器應用范圍拓展至以上復雜化學環境并保持其成本優勢，低成本的保護性封裝技術顯得尤為重要。對于傳感器的保護封裝，目前業界主流的方式是采用系統級封裝，即將傳感器及其電路系統用帶有窗口的管殼密閉封裝。這一封裝方式可以較好的保護整個傳感器系統免受外界干擾，但其封裝成本較高且體積較大，無法體現MEMS傳感器相對傳統傳感器的優勢。在MEMS封裝領域，晶圓級封裝憑借其低成本和高產出量等優勢，已經成為目前最重要發展最快的封裝技術。如果能將晶圓級封裝和防塵、防沾污的選擇性透過技術相結合應用于MEMS氣體傳感器制造，必將為其應用打開更廣闊的空間。鑒于目前尚未有MEMS器件的防塵、防化學物質沾污晶圓級封裝相關報道，本發明首次提出一種基于多孔硅分子篩和高分子聚四氟乙烯復合薄膜的溫度、濕度和壓力復合傳感器的晶圓級封裝技術。其中多孔硅用于化學雜質的選擇性透過，起分子篩的作用；高分子聚四氟乙烯(PTFE)薄膜用于降低傳感器表面的張力，起到表面疏水、疏油的抗粘附作用。采用該封裝技術的MEMS傳感器，不僅可以應用于復雜的化學雜質環境，實現精確的工業過程監測，同時還具有價格和體積優勢，適合產業化批量生產。

【發明內容】

[0003]本發明的目的在于提供一種基于絕緣層上硅的溫度、濕度和壓力多參數微機電傳感器的晶圓級真空封裝方法，該封裝方法具有出色的防塵、防化學物質粘附性能，適用于油漆噴涂、石油化工、金屬冶煉等復雜化學環境。該技術與現有的硅加工技術兼容，拓展了MEMS氣體傳感器的應用領域，同時大大降低了制造成本。
[0004]按照本發明提供的技術方案，所述基于硅分子篩和聚四氟乙烯復合薄膜的晶圓級封裝方法，選擇雙面拋光的SOI圓片，在其上下表面依次制備氧化娃薄膜和氮化娃薄膜作為后道光刻的硬掩膜；然后在SOI晶圓的上下表面進行雙面光刻和刻蝕工藝，其中，在SOI晶圓上表面以頂層硅為載體，刻蝕形成硅分子篩，在SOI晶圓下表面以體硅為載體，刻蝕形成傳感器腔體；濕法腐蝕去除上下表面的氧化硅和氮化硅，形成封帽晶圓；在頂層硅分子篩表面通過旋涂工藝或蒸鍍工藝，制備一層與硅分子篩的孔隙相對應的PTFE薄膜；最后使用共晶鍵合工藝，將封帽晶圓和芯片晶圓對準鍵合完成封裝。
[0005]所述SOI圓片的規格通常選取頂層硅厚度為50~100um。
[0006]所述氧化硅薄膜采用熱氧化方法沉積，選取厚度為110~300A。所述氮化硅薄膜采用低壓化學氣相沉積方法制備，厚度選為1500~3000A。
[0007]所述硅分子篩的具體制備方法是:在SOI圓片正面的第一氮化硅薄膜(5)表面通過光刻技術定義多孔圖案；通過干法刻蝕技術，將光刻膠定義的多孔圖案下的氮化硅和氧化硅去除，形成多孔氮化硅氧化硅硬掩膜；S0I圓片頂層硅(3)的刻蝕采用標準的Bosch氣體交換刻蝕工藝，并用02氣清理刻蝕有機殘留物，在硬掩膜未覆蓋的地方刻蝕出硅深孔，形成多孔硅。其中，所述氮化硅和氧化硅的刻蝕采用CFjP CHFjg合氣體，根據具體刻蝕速率增加20%~30%的過刻蝕量；所述Bosch氣體交換刻蝕的主刻蝕氣體是SF#P C4F s混合氣體，多孔娃的孔徑控制在0.5~10um。
[0008]在S0I圓片背面制備所述傳感器腔體的方法包括:a、在S0I圓片背面的第二氮化硅薄膜(7)表面，通過光刻技術定義溫度傳感器的腔體圖案；通過干法刻蝕工藝將光刻膠定義的圖案下的氮化硅和氧化硅去除，露出S0I圓片背面的體硅(1)，形成氮化硅氧化硅硬掩膜；再采用標準的Bosch氣體交換刻蝕工藝將硬掩膜暴露出的體硅(1)去除，露出體硅(1)上層的埋層氧化硅(2)，從而形成溫度傳感器腔體(9)山、在S0I圓片背面的第二氮化硅薄膜(7)表面，通過光刻技術定義濕度和壓力傳感器的腔體圖案；通過干法刻蝕工藝將光刻膠定義的圖案下的氮化硅和氧化硅去除，露出S0I圓片背面的體硅(1)，形成氮化硅氧化硅硬掩膜；再采用標準的Bosch氣體交換刻蝕工藝去除硬掩膜暴露出的體硅(1)和埋層氧化硅(2)，形成壓力傳感器腔體(10)、濕度傳感器腔體(11)以及分子篩窗口。其中，所述氮化硅和氧化硅的刻蝕采用CFjP CHF3混合氣體，通過終點檢測技術實現刻蝕的自停止；刻蝕體硅(1)和埋層氧化硅(2)的步驟包括:第一步利用SF#P C4FS混合氣體刻蝕體硅(1)，第二步利用CFjP CHF3混合氣體刻蝕埋層氧化硅(2)，最后用02氣清除刻蝕留下的有機殘留物；每一步刻蝕都增加20%~30%的過刻蝕量。
[0009]制備所述PTFE薄膜所用材料是杜邦公司的TE-3893特氟龍乳液，質量分數是60%，旋涂制備PTFE薄膜之前以1:5的比例進行稀釋；PTFE薄膜的制備選擇旋涂法，或選擇包括物理氣相沉積、化學氣相沉積在內的鍍膜技術。
[0010]按照上述方法，通過在S0I晶圓背面多次刻蝕制作傳感器腔體，能夠形成不同類型、不同尺寸、不同數量MEMS傳感器的真空、氣密或開放式封裝腔體。
[0011]本發明具有以下優點:
1.將選擇性透過技術和表面改性技術相結合，創造性的在硅分子篩上制備抗粘附薄膜，該復合薄膜不僅能有效過濾大分子化學顆粒，還具有優異的疏水、疏油特性。
[0012]2.將傳統的系統級封裝和先進的晶圓級封裝技術結合，將大尺寸、高成本的系統封裝替換為晶圓上芯片的批量封裝，不僅提高了封裝效率，而且大大降低了封裝成本。
[0013]3.同時實現溫度傳感器的真空封裝和壓力、濕度傳感器的開放式封裝，為多參數傳感器的集成制造和封裝提供工藝基礎。
[0014]4.旋涂法制備的PTFE多孔薄膜厚度均勻，通孔率高，附著力高且具有成本優勢。
[0015]5.整套封裝工藝跟MEMS加工工藝兼容，可以整合進MEMS生產線，實現產業化批量生產。
[0016]6.采用共晶鍵合的真空封裝技術，工藝溫度低，可以有效保護傳感器芯片和管殼表面的PTFE薄膜。
【附圖說明】
[0017]圖1為本發明提供的MEMS傳感器晶圓級真空封裝工藝流程圖.圖2為本發明所采用的SOI晶圓的結構示意圖。
[0018]圖3為在SOI襯底晶圓的雙面沉積氧化硅和氮化硅后的剖視圖。
[0019]圖4為正面光刻和深孔刻蝕工藝后圓片上多