MEMS陀螺芯片的晶圆级真空封装

刘福民， 张乐民， 张树伟， 刘 宇， 王学锋

(北京航天控制仪器研究所，北京 100039)

0 引 言

微机电系统(micro-electro-mechanical system，MEMS)陀螺[1,2]的微结构需要工作在真空环境下以实现高谐振Q值并确保其检测灵敏度[3,4]。当前，采用晶圆级真空封装是国外发展MEMS陀螺的主流工艺方案[4,5]，它通过采用晶圆级封装，可以避免MEMS微结构在后续芯片划切中的粘连、颗粒污染，还可以降低真空封装成本、提高芯片的加工成品率。此外，晶圆级真空封装可实现器件的小型化、集成化，是实现惯性微系统的必由之路，对于进一步提高MEMS陀螺性能和可靠性，满足工程应用需求具有重要的意义。

目前开展MEMS惯性器件晶圆级真空封装的代表性研究机构有德国Bosch、加拿大DALSA、美国Inversense[6]和瑞典Silex[7,8]等公司，他们的技术方案各具特色，并已经实现了工程化应用产品。MEMS惯性器件的晶圆级真空封装在实现微可动敏感结构真空密封的同时也要实现可动结构与封装结构外的电气互联[4]。整个晶圆级封装的工艺设计需要兼顾这两方面的要求。

本文围绕MEMS陀螺的工程化需求，进行晶圆级真空封装的工艺技术研究，采取全硅(Si)基的芯片结构设计，开展了相关关键工艺技术研究，实现了晶圆级真空封装的MEMS陀螺仪芯片，实现了约为2 Pa的真空度，晶圆级真空封装达到MEMS陀螺工程化研制需求。

1 MEMS陀螺晶圆级封装结构与工艺流程

本文设计的芯片整体结构如图1所示，芯片由三层结构组成，包括衬底层、器件层和封帽层。其中，在器件层的MEMS陀螺微结构是整个芯片的核心部分，其周边是键合环，用于与衬底层和封帽层进行键合，形成密封空腔结构；……