圆片级封装的真空度测试方法及圆片级封装结构

摘要

本发明提供一种圆片级封装的真空度测试方法及圆片级封装结构。该方法包括：将盖板圆片与结构圆片键合，在盖板圆片与结构圆片之间形成空腔，将键合后的圆片置于真空测试系统中抽真空，在不同真空度下激励谐振器，得到真空度与谐振器品质因数值的对应关系，在预设真空度下对键合后的圆片进行真空封装，并激活吸气剂，再次激励谐振器，得到对应的谐振器的第二品质因数值，根据真空度与谐振器品质因数值的对应关系和第二品质因数值，反推出圆片级真空封装的器件的空腔内部的真空度。本发明能够实现对圆片级真空封装的真空度的测试，解决现有技术中无法直接测试出芯片内部真空度大小的问题，有利于相关MEMS器件的进一步推广应用。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体MEMS圆片级封装技术领域，尤其涉及一种圆片级封装的真空度测试方法及圆片级封装结构。

背景技术

航空、航天、智能制造和5G通信等高科技领域对高性能微电子机械系统（Microelectro Mechanical Systems，MEMS）器件的需求不断提高且日益迫切，促进了MEMS器件的发展，但很多具有重要应用背景的MEMS器件加工时都需要进行真空封装，以确保器件的高性能和长期工作的稳定性。如果封装真空度不足，腔体内气体将对MEMS器件产生阻尼，导致器件灵敏度不高，性能不好，因此需要确定封装的真空度，确保器件性能的发挥，找到适合的最佳真空度数值。

MEMS真空封装主要分为器件级真空封装和圆片级真空封装。器件级真空封装方式的封装成本较高，圆片级真空封装技术可以在圆片划片前将带有器件的整个圆片在真空环境下进行批量封装，能极大地降低成本，提高工艺参数一致性、产品地成品率与可靠性。

但是由于圆片级封装芯片内部腔体较小，目前商用的真空规管体积大，无法应用于圆片级真空封装中，现有的技术也都无法直接测试出芯片内部真空大小，因此圆片级真空封装内部真空度测试这一关键问题一直未得到真正的解决，已严重阻碍了相关MEMS器件的进一步推广应用。

发明内容

本发明实施例提供了一种圆片级封装的真空度测试方法及圆片级封装结构，以解决无法直接测量圆片级封装的真空度的问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种圆片级封装的真空测试方法，包括：

将第一盖板圆片与第一结构圆片键合，在所述第一盖板圆片与所述第一结构圆片之间形成空腔，在所述空腔内的所述第一盖板圆片上设有吸气剂结构和贯穿所述第一盖板圆片的真空抽气孔，所述真空抽气孔将所述空腔与键合后的圆片外部连通，在所述空腔外的所述第一盖板圆片上设有贯穿所述第一盖板圆片的测试引线孔，在所述空腔内的所述第一结构圆片上设有可动MEMS结构和谐振器，在所述空腔外的所述第一结构圆片上设有金属焊盘，所述金属焊盘与所述测试引线孔对应；

将键合后的圆片置于真空测试系统后抽真空，在不同真空度下通过所述测试引线孔及所述金属焊盘激励所述谐振器，得到所述不同真空度下对应的所述谐振器的第一品质因数值，根据所述不同真空度与对应的谐振器的第一品质因数值，得到真空度与谐振器品质因数值的对应关系；

在预设的真空度下对所述键合后的圆片进行真空封装，并激活所述吸气剂，得到圆片级真空封装的器件，通过所述测试引线孔及所述金属焊盘激励所述谐振器，得到谐振器的第二品质因数值；

根据所述真空度与谐振器品质因数值的对应关系和所述第二品质因数值，反推出所述圆片级真空封装的器件的空腔内部的真空度。

在一种可能的实现方式中，在所述将第一盖板圆片与第一结构圆片键合，在所述第一盖板圆片与所述第一结构圆片之间形成空腔之前，还包括：

在盖板圆片的下表面制备凹槽，在所述凹槽表面制备介质层，在所述介质层上的第一预设区域设置吸气剂结构，在所述介质层的第二预设区域制备键合区，得到第二盖板圆片；

在已制备凹槽、键合区和吸气剂结构的第二盖板圆片上的所述凹槽对应位置制备贯穿所述第二盖板圆片的真空抽气孔，得到所述第一盖板圆片；

所述第一结构圆片包括衬底、金属焊盘、可动MEMS结构以及谐振器，在所述衬底上设有凹槽，所述凹槽与所述MEMS结构以及谐振器对应，在所述凹槽外的所述MEMS结构以及谐振器上设有金属焊盘；

在所述将第一盖板圆片与第一结构圆片键合，在所述第一盖板圆片与所述第一结构圆片之间形成空腔之后，还包括：

在第一盖板圆片上与所述金属焊盘对应的区域制备贯穿所述第一盖板圆片的所述测试引线孔。

在一种可能实现的方式中，所述在已制备凹槽、键合区和吸气剂结构的第二盖板圆片上的所述凹槽对应位置制备贯穿所述第二盖板圆片的真空抽气孔，得到所述第一盖板圆片，包括：

采用双面光刻工艺，在所述已制备凹槽、键合区和吸气剂结构的第二盖板圆片上旋涂光刻胶，并进行曝光和显影，得到真空抽气孔图形；

对所述真空抽气孔图形对应区域进行深反应离子刻蚀，贯穿所述第二盖板圆片形成真空抽气孔，得到所述第一盖板圆片；

去除剩余的光刻胶。

在一种可能实现的方式中，所述真空抽气孔的直径为10微米至1000微米。

在一种可能实现的方式中，所述将第一盖板圆片与第一结构圆片键合时采用的键合技术可以包括：共晶键合、热压键合、直接键合、瞬态液相键合、粘接键合。

在一种可能实现的方式中，所述在第一盖板圆片上与所述金属焊盘对应的区域制备贯穿所述第一盖板圆片的所述测试引线孔，包括：

采用双面光刻工艺，在键合后的第一盖板圆片的上表面旋涂光刻胶，并进行曝光和显影，得到与所述金属焊盘对应的测试引线孔图形；

对所述测试引线孔图形对应区域进行深反应离子刻蚀，贯穿所述第一盖板圆片露出所述金属焊盘，形成测试引线孔；

去除剩余的光刻胶。

在一种可能实现的方式中，所述根据所述不同真空度与所述对应的谐振器的第一品质因数值，得到真空度与谐振器品质因数值的对应关系，包括：

根据不同的真空度以及所述对应的谐振器的第一品质因数值，得到真空度-谐振器品质因数值的曲线。

在一种可能实现的方式中，所述在预设真空度下对所述键合后的圆片进行真空封装，并激活所述吸气剂，包括：

采用薄膜封装技术，在预设真空度下对所述键合后的圆片生长密封薄膜，密封所述真空抽气孔，并激活所述吸气剂，使所述键合后的圆片实现真空封装。

在一种可能实现的方式中，其特征在于，所述根据所述真空度与谐振器品质因数值的对应关系和所述第二品质因数值，反推出所述圆片级真空封装的器件的空腔内部的真空度，包括：

在真空度-谐振器品质因数值的曲线上反推出所述第二品质因数值对应的真空度，并将反推出的真空度作为所述圆片级真空封装的器件的空腔内部的真空度。

第二方面，本发明实施例提供了一种圆片级封装结构，包括：盖板圆片与结构圆片键合连接，在所述盖板圆片与所述结构圆片之间形成空腔，所述空腔内的盖板圆片上设有吸气剂结构和贯穿所述盖板圆片的真空抽气孔，所述真空抽气孔将所述空腔与键合后的圆片外部连通，所述空腔外的所述盖板圆片上设有测试引线孔，所述空腔内的所述结构圆片上设有可动MEMS结构和谐振器，所述空腔外的所述结构圆片上设有金属焊盘，所述金属焊盘与所述测试引线孔对应；

在所述真空抽气孔上制备密封薄膜，所述密封薄膜位于所述盖板圆片的上表面，使所述空腔形成真空的密封腔。

本发明实施例提供一种圆片级封装的真空度测试方法及圆片级封装结构，通过在盖板圆片上设置贯穿盖板圆片的真空抽气孔，使键合圆片内的空腔与外部连通，当将键合后的圆片置于真空测试系统中后，空腔内部的真空度与真空测试系统的真空度一致，通过在不同真空度下激励谐振器，得到真空度与谐振器品质因数值的对应关系，完成真空封装后，再次激励谐振器，得到真空封装后的谐振器的品质因数值，根据真空度与谐振器品质因数值的对应关系，反推出真空封装的器件的空腔内部的真空度，从而解决了现有技术中无法直接测试出芯片内部真空度大小的问题，有利于相关MEMS器件的进一步推广应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的圆片级封装的真空度测试方法的实现流程图；

图2是本发明实施例提供的第一盖板圆片的示意图；

图3是本发明实施例提供的第一结构圆片的示意图；

图4是本发明实施例提供的键合后的圆片的示意图；

图5是本发明实施例提供的已制备测试引线孔的键合后的圆片的示意图；

图6是本发明实施例提供的对键合后的圆片进行探针测试的示意图；

图7是本发明实施例提供的圆片级真空封装的器件的示意图；

图8是本发明实施例提供的对圆片级真空封装的器件进行探针测试的示意图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图通过具体实施例来进行说明。

图1为本发明实施例提供的一种圆片级封装的真空度测试方法的实现流程示意图，详述如下：

步骤101，将第一盖板圆片与第一结构圆片键合，在第一盖板圆片与第一结构圆片之间形成空腔，在空腔内的第一盖板圆片上设有吸气剂结构和贯穿第一盖板圆片的真空抽气孔，真空抽气孔将空腔与键合后的圆片外部连通，在空腔外的第一盖板圆片上设有贯穿第一盖板圆片的测试引线孔，在空腔内的第一结构圆片上设有可动MEMS结构和谐振器，在空腔外的第一结构圆片上设有金属焊盘，金属焊盘与测试引线孔对应。

在一种实施方式中，在步骤101中，将第一盖板圆片与第一结构圆片键合，在第一盖板圆片与第一结构圆片之间形成空腔之前，还包括：

在已制备凹槽、键合区和吸气剂结构的第二盖板圆片上的凹槽对应位置制备贯穿第二盖板圆片的真空抽气孔，得到第一盖板圆片，如图2所示为第一盖板圆片，1表示盖板圆片，2表示真空抽气孔，3表示介质层，4表示圆片键合区，5表示吸气剂结构；

如图3所示，第一结构圆片9包括衬底6、金属焊盘7、可动MEMS结构以及谐振器8，在衬底6上设有凹槽，凹槽与可动MEMS结构以及谐振器8对应，在凹槽外的可动MEMS结构以及谐振器8上设有金属焊盘7。

在一种实施方式中，得到第一盖板圆片的过程，包括：

采用双面光刻工艺，在已制备凹槽、键合区和吸气剂结构5的第二盖板圆片上旋涂光刻胶，并进行曝光和显影，得到真空抽气孔图案；

对真空抽气孔图案对应区域进行深反应离子刻蚀，贯穿第二盖板圆片形成真空抽气孔2，得到第一盖板圆片；

去除光刻胶。

在一种实施方式中，真空抽气孔2的直径为10微米至1000微米。当真空抽气孔2小于10微米时，真空测试系统的真空度达到稳定的时间较长，且容易使键合后的圆片损坏；当真空抽气孔2大于1000微米时，对键合后的圆片进行封装的难度较高，不利于后续封装。

在一种实施方式中，在盖板圆片1的下表面制备凹槽，在凹槽表面制备介质层3，在介质层3上的第一预设区域设置吸气剂结构5，在介质层3的第二预设区域制备键合区，用于与第一结构圆片9的键合区进行对应键合，从而得到第二盖板圆片。

在一种实施方式中，将第一盖板圆片与第一结构圆片9键合的过程包括：

将第一盖板圆片与第二盖板圆片进行圆片对位，并将对位后的圆片进行键合，在第一盖板圆片与第一结构圆片9之间形成空腔，如图4所示为第一盖板圆片与第一结构圆片进行键合得到的键合后的圆片。

在一种实施方式中，将第一盖板圆片与第一结构圆片9键合时，采用的键合技术可以包括：共晶键合、热压键合、直接键合、瞬态液相键合、粘接键合，但不限于这几种技术。

在一种实施方式中，将第一盖板圆片与第一结构圆片9键合，在第一盖板圆片与第一结构圆片9之间形成空腔之后，包括：

在第一盖板圆片上与金属焊盘7对应的区域制备贯穿第一盖板圆片的测试引线孔10，如图5所示为在键合后的圆片上制备的测试引线孔10，10为测试引线孔。

在一种实施方式中，制备测试引线孔10的过程，包括：

采用双面光刻工艺，在键合后的第一盖板圆片的上表面旋涂光刻胶，并进行曝光和显影，得到与金属焊盘7对应的测试引线孔图形；

对测试引线孔图形对应区域进行深反应离子刻蚀，贯穿第一盖板圆片露出金属焊盘7，形成测试引线孔10；

去除剩余的光刻胶。

在一种实施方式中，测试引线孔10的直径与金属焊盘7的直径相对应，以便使金属焊盘7暴露。

步骤102，将键合后的圆片置于真空测试系统后抽真空，在不同真空度下通过测试引线孔10及金属焊盘7激励谐振器，得到不同真空度下对应的谐振器的第一品质因数值，根据不同真空度与对应的谐振器的第一品质因数值，得到真空度与谐振器品质因数值的对应关系。

如图6所示为对键合后的圆片进行探针测试的示意图，即对键合后的圆片，在不同真空度下通过测试引线孔10及金属焊盘7激励谐振器。谐振器设置在可动MEMS结构内部，当通过测试引线孔10及金属焊盘7激励可动MEMS结构时，内部的谐振器也被激励，从而得到谐振器的品质因数值。

在一种实施方式中，得到不同真空度下对应的谐振器的第一品质因数值的过程包括：

将键合后的圆片置于真空测试系统中，对真空测试系统进行抽真空；

将真空测试系统调至不同的真空度，并在每个真空度下通过测试引线孔10和金属焊盘7激励谐振器，得到每个真空度下对应的谐振器的第一品质因数值。

在一种实施方式中，根据真空度与谐振器品质因数值对应关系，得到真空度-谐振器品质因数值的曲线。

MEMS谐振器件的品质因数值是一个与气体阻尼相关的数值，气体阻尼与腔体压强有关，随着腔体真空度的升高，品质因数值呈上升趋势。

在一种实施方式中，将键合后的圆片置于真空测试系统中，对真空测试系统进行抽真空，由于键合后的圆片的空腔通过真空抽气孔2与真空测试系统的真空环境相通，因此当真空测试系统的真空度保持稳定后，空腔内部的真空度与真空测试系统的真空度一致，此时通过测试引线孔10激励谐振器，可以得到对应真空度下谐振器的品质因数值，从而可以得到不同真空度下对应的谐振器的第一品质因数值。

步骤103，在预设真空度下对键合后的圆片进行真空封装，并激活吸气剂，得到圆片级真空封装的器件，通过测试引线孔10及金属焊盘7激励谐振器，得到谐振器的第二品质因数值。

在一种实施方式中，采用薄膜封装技术对键合后的圆片进行真空封装，包括：在预设真空度下对所述键合后的圆片生长密封薄膜11，密封真空抽气孔2，并激活吸气剂，使键合后的圆片实现真空封装，如图7所示，11为密封薄膜。

上述预设真空度为器件需求的真空度，在本实施例中不限定预设真空度的取值。

在一种实施方式中，薄膜密封技术采用化学气相沉积（Chemical VaporDeposition，CVD）工艺，包括等离子体增强化学气相沉积（Plasma Enhanced CVD，PECVD）、低压化学气相沉积（Low-pressure CVD，LPCVD）等。

完成真空封装后，可以通过测试引线孔10及金属焊盘7激励谐振器，得到预设真空度对应的谐振器的第二品质因数值，第二品质因数值即为圆片级真空封装的谐振器对应的品质因数值。

如图8所示为对圆片级真空封装的谐振器进行探针测试的示意图，即对圆片级真空封装的谐振器，通过测试引线孔10及金属焊盘7激励谐振器。

步骤104，根据真空度与谐振器品质因数值的对应关系和第二品质因数值，反推出圆片级真空封装的器件的空腔内部的真空度。

在一种实施方式中，在真空度-谐振器品质因数值的曲线上反推出第二品质因数值对应的真空度，并将反推出的真空度作为圆片级真空封装的器件的空腔内部的真空度。

本发明实施例通过提出一种圆片级封装的真空度测试方法，在盖板圆片1上设置贯穿盖板圆片1的真空抽气孔2，可以使键合后的圆片内的空腔与外部连通，当将键合后的圆片置于真空测试系统中后，空腔内部的真空度与真空测试系统的真空度一致，从而可以在不同真空度下通过测试引线孔10和金属焊盘7激励谐振器，得到真空度与谐振器品质因数值的对应关系及对应曲线，完成真空封装后，再次通过测试引线孔10和金属焊盘7激励谐振器，得到真空封装后的谐振器的品质因数值，再根据真空度-谐振器品质因数值的曲线，可以精确反推出真空封装的器件的空腔内部的真空度，从而解决了现有技术中无法直接测试出芯片内部真空度大小的问题，有利于相关MEMS器件的进一步推广应用。

应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

以下为本发明的圆片级封装结构的实施例，图7示出了本发明实施例提供的圆片级封装结构的示意图，如图7所示，该圆片级封装结构可以包括：

键合连接的盖板圆片1和结构圆片9，在盖板圆片1和结构圆片9之间形成空腔，空腔内的盖板圆片1上设有吸气剂结构5和贯穿盖板圆片1的真空抽气孔2，空腔外的盖板圆片1上设有测试引线孔10，空腔内的结构圆片9上设有可动MEMS结构以及谐振器8，空腔外的结构圆片9上设有金属焊盘7，金属焊盘7与测试引线孔10对应，结构圆片9还包括衬底6；

在真空抽气孔2上制备密封薄膜11，密封薄膜11位于盖板圆片1的上表面，使空腔形成真空的密封腔。

在一种实施方式中，真空抽气孔2的直径为10微米至1000微米。

本发明实施例通过提出一种圆片级真空封装结构，在盖板圆片1上设置真空抽气孔2，可以使键合后的圆片内的空腔与外部连通，当将键合后的圆片置于真空测试系统中后，空腔内部的真空度与真空测试系统的真空度一致，从而可以在不同真空度下通过测试引线孔10和金属焊盘7激励谐振器，得到真空度与谐振器品质因数值的对应关系及对应曲线，完成真空封装后，再次通过测试引线孔10和金属焊盘7激励谐振器，得到真空封装后的谐振器的品质因数值，再根据真空度-谐振器品质因数值的曲线，可以精确反推出真空封装的器件的空腔内部的真空度，从而解决了现有技术中无法直接测试出芯片内部真空度大小的问题，有利于相关MEMS器件的进一步推广应用。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。