叠层组合式MEMS芯片的制造方法及其叠层组合式MEMS芯片技术

本发明专利技术公开了一种叠层组合式MEMS芯片及其制造方法，首先制造第一MEMS圆片和硅穿孔圆片，将第一MEMS圆片和硅穿孔圆片键合得到密封圆片，在密封圆片上制作绝缘层和金属层形成金属化密封圆片，将第二MEMS圆片键合到金属化密封圆片上得到叠层组合式MEMS圆片，最后切割叠层组合式MEMS圆片得到叠层组合式MEMS芯片。本方法充分利用硅穿孔圆片的面积，在其上下两侧各形成至少一个上密封腔和至少一个下密封腔，密封腔内有MEMS结构，密封腔内的MEMS结构的信号通过金属层引出，在他们的信号线之间有屏蔽金属层用于隔离不同MEMS结构电信号之间的干扰。本方法的叠层组合式MEMS芯片，可以满足组合式运动传感器芯片对不同压力的要求，而且本芯片体积小、集成度高、设计灵活、成本低。

【技术实现步骤摘要】
叠层组合式MEMS芯片的制造方法及其叠层组合式MEMS芯片
本专利技术属于MEMS芯片制造
，具体是涉及一种叠层组合式MEMS芯片，本专利技术还涉及这种叠层组合式MEMS芯片的制造方法。
技术介绍
MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems)是微机电系统的缩写，MEMS 制造技术利用微细加工技术，特别是半导体圆片制造技术，制造出各种微型机械结构，结合专用控制集成电路(ASIC)，组成智能化的微传感器、微执行器、微光学器件等MEMS元器件。MEMS元器件具有体积小、成本低、可靠性高、抗恶劣环境能力强、功耗低、智能化程度高、易校准、易集成的优点，被广泛应用于消费类电子产品(如手机、平板电脑、玩具、数码相机、游戏机、空中鼠标、遥控器、GPS等)、国防工业(如智能炸弹、导弹、航空航天、无人飞机等)以及工业类产品(如汽车、机器人、智能交通、工业自动化、环境监测、平台稳定控制、现代化农业、安全监控等)，MEMS元器件逐渐成为物联网技术的基石。随着便携式电子产品，如手机、平板电脑等市场的迅猛增长，消费类电子产品已成为MEMS元器件的最大市场，几乎每个便携式电子产品中都会用到多个MEMS元器件，以智能手机为例，它用到了陀螺仪、加速度计、高度计、麦克风、电子指南针、调谐天线、滤波器等。随着市场对MEMS元器件的要求越来越严格，既要体积小、性能高，又要价格低、组合式MEMS元器件，特别是组合式MEMS运动传感器的市场份额越来越大。组合式MEMS元器件是将二种或二种以上的MEMS元器件的功能集中在一个元器件中，如陀螺仪+加速度计、加速度计+电子指南针、陀螺仪+加速度计+电子指南针等组合式运动传感器，它们大多是将独立的MEMS芯片通过封装的办法组合而成的，也有直接将三轴加速度计和三轴陀螺仪芯片做在同一个MEMS芯片中的，这就是组合式MEMS运动传感器芯片。但现有产品中，不同的MEMS结构都是制作在同一 MEMS层上，即加速度计和陀螺仪，或者二个量程不同的陀螺仪水平方向排列，如Invensense、Bosch、STMicroelectronics等的产品，由于不同的MEMS结构利用同一MEMS层制作，设计灵活性差，而且，MEMS陀螺仪和加速度计的工作原理不一样，陀螺仪在较低压力下工作性能最佳，一般在0.001大气压以下，而加速度计在较高压力下工作性能最佳，一般在0.1大气压以上，这就要求MEMS芯片同时满足两者需求，即将MEMS陀螺仪结构制作在较低气压中，将MEMS加速度计结构制作在较高的气压中。现有的双压力MEMS芯片圆片级封装方法由德国 Fraunhofer-1nstitut fiir Siliziumtechnologie 的K.Reimer,Ch.Schroder, M.WeiB 等人在((Dual pressure chip capping technology)) 一文中提出的，是在一个密封腔中制作有吸气剂，在另一个密封腔中没有吸气剂，当他们在圆片键合时密封腔中封入活性气体和惰性气体的混合物，然后加热后处理，有吸气剂的密封腔内的活性气体被吸收，只剩下惰性气体，内部压力较低，根据混合气体的比例不同，压力可接近真空；而没有吸气剂的密封腔内活性气体不会被吸收，气体压力不会变化，压力较高，这样达成双压力圆片级封装目的，此方法需要用到吸气剂，而且吸气剂还需要图形化，成本较高。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种叠层组合式MEMS芯片的制造方法，以满足组合式MEMS芯片中不同的MEMS结构对不同气压、不同材料的要求；以及便携式电子产品对元器件体积最小化的要求。本专利技术要解决的另一个技术问题是提供一种叠层组合式MEMS芯片，该芯片不需要在密封腔内放入吸气剂，就可以满足组合式运动传感器芯片对不同压力的要求，而且本芯片尺寸小、集成度高、成本低、市场竞争力强。为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种叠层组合式MEMS芯片的制造方法，包括以下步骤: (I)第一 MEMS圆片形成:底板圆片的材料为〈100〉晶向的单晶硅，通过一般的半导体加工技术，在底板圆片上表面生长底板绝缘层，其材料为二氧化硅，通过涂胶，曝光、显影，蚀刻等半导体加工工艺在底板表面上蚀刻出至少一个底板凹腔，底板上表面未被蚀刻的部分成为底板密封区和第一硅柱，在所述第一硅柱和底板密封区表面上都有底板绝缘层保留；将一片双面抛光的重掺〈100〉晶向的单晶硅圆片通过硅-二氧化硅键合工艺键合到底板圆片上表面上，作为第一 MEMS层圆片，由于底板圆片上有底板绝缘层，所以底板圆片与单晶硅圆片之间没有电联接；由于键合工艺的要求，单晶硅圆片厚度一般在350— 750微米，比设计要求的厚，所以需通过磨削、抛光工艺将其厚度降低至设计要求的厚度，一般在10—100微米，形成第一 MEMS层，然后通过深硅蚀刻工艺蚀刻第一 MEMS层，形成第一 MEMS密封区、第一 MEMS结构和第一 MEMS导电区，这样就完成第一 MEMS圆片的制造。(2)硅穿孔圆片形成:在硅穿孔圆片衬底上通过深硅蚀刻工艺蚀刻出隔离沟，通过半导体加工工艺生长二氧化硅填满隔离沟，形成二氧化硅隔离层；在硅穿孔圆片衬底的正面蚀刻出第一凹腔，同时，硅穿孔圆片衬底正面未被蚀刻的部分形成导电键合区和密封键合区；湿法蚀刻除去隔离沟外的二氧化硅，就完成了硅穿孔圆片的制造，硅穿孔圆片衬底的材料是双面抛光的重掺〈100〉晶向的单晶硅，具有良好的导电性能。(3)密封圆片形成:将硅穿孔圆片正面的图形对准第一 MEMS圆片的第一 MEMS层的图形，在设定气压的键合设备中进行硅-硅键合，将硅穿孔圆片和第一 MEMS圆片键合在一起，形成密封圆片，其中，第一凹腔成为第一垂直电极间距，底板凹腔与第一凹腔共同组成下密封腔，第一 MEMS结构位于下密封腔内。(4)金属化密封圆片形成:磨削密封圆片中的硅穿孔圆片背面，露出隔离沟，硅穿孔圆片被隔离沟分割为第一垂直电极、密封区和硅导电柱； 在淀积第一绝缘层覆盖硅穿孔圆片，在第一绝缘层上蚀刻出第一通孔，淀积第一金属层覆盖第一绝缘层，同时填充第一通孔，通过蚀刻工艺图形化第一金属层，得到第一金属线和压焊块，第一金属线与第一 MEMS结构就有了电联接，第一 MEMS结构的信号就可以通过与硅导电柱相连的第一金属层引出； 由于第一 MEMS结构和第二 MEMS结构可能有不同的工作原理，为避免二者间的电信号干扰，还需要一层金属来将它们的电信号加以屏蔽，所以需要在第一金属层上淀积第二绝缘层，在第二绝缘层蚀刻出第二通孔，再淀积第二金属层覆盖第二绝缘层，同时填充第二通孔，然后通过蚀刻工艺图形化第二金属层，得到第二金属线和屏蔽区，第二金属线与第一金属线间就有了电联接，第一金属线一端连接压焊块，第二金属线与压焊块间就有了电联接；在第二金属层上淀积第三绝缘层，蚀刻第三绝缘层形成第三通孔，在第三绝缘层上淀积第三金属层，同时第三通孔也被填充，通过蚀刻工艺图形化第三金属层，得到第三金属线、第二垂直电极和金属密封区，第三金属层与第二金属层就有了电连接；最后通过蚀刻工艺将覆盖在压焊块上的第二绝缘层和第三绝缘层除去，形成压焊窗，露出压焊块，就制造完成金属化密封圆片。(5)第二本文档来自技高网...

【技术保护点】
叠层组合式MEMS芯片的制造方法，步骤为：（1）第一MEMS圆片形成：在底板圆片上表面生长底板绝缘层，蚀刻出至少一个底板凹腔，底板上表面未被蚀刻的部分成为底板密封区和第一硅柱；将单晶硅圆片键合到底板圆片上表面上，作为第一MEMS层圆片，磨削第一MEMS层圆片到10—100 µm，形成第一MEMS层，蚀刻第一MEMS层，形成第一MEMS密封区、第一MEMS结构和第一MEMS导电区，这样，就完成第一MEMS圆片的制造；（2）硅穿孔圆片形成：在硅穿孔圆片衬底上蚀刻出隔离沟，生长二氧化硅填满隔离沟，形成二氧化硅隔离层，然后蚀刻出至少一个第一凹腔，硅穿孔圆片衬底上未被蚀刻的部分成为导电键合区和密封键合区，最后蚀刻除去隔离沟外的二氧化硅，形成硅穿孔圆片；（3）密封圆片形成：将第一MEMS圆片和硅穿孔圆片在设定气压的键合室中对准键合，形成密封圆片，其中第一凹腔与底板凹腔共同组成下密封腔，第一MEMS结构位于下密封腔内；（4）金属化密封圆片形成：磨削密封圆片上的硅穿孔圆片，露出隔离沟，硅穿孔圆片被隔离沟分割为第一垂直电极、密封区和硅导电柱；在硅穿孔圆片上淀积至少一层绝缘层覆盖硅穿孔圆片，在绝缘层上蚀刻出通孔，淀积金属层覆盖绝缘层，同时填充通孔，然后图形化金属层，得到金属线和圧焊块，最后将覆盖在压焊块上的绝缘层蚀刻掉，露出压焊块，制造完成金属化密封圆片；（5）第二MEMS圆片形成：在盖板圆片上表面生长盖板绝缘层，蚀刻出至少一个盖板凹腔，盖板上表面未被蚀刻的部分成为盖板密封区和第二硅柱；将单晶硅圆片键合到盖板圆片上表面上，作为第二MEMS层圆片，磨削第二MEMS层圆片到10—100 µm，形成第二MEMS层，在第二MEMS层上对应盖板凹腔处蚀刻出第二凹腔，最后蚀刻第二MEMS层，形成第二MEMS密封区、第二MEMS结构和第二MEMS导电区，这样，就完成第二MEMS圆片的制造；（6）叠层组合式MEMS圆片形成：将金属化密封圆片和第二MEMS圆片在设定气压的键合设备内对准键合，形成叠层组合式MEMS圆片，其中第二凹腔与盖板凹腔共同组成上密封腔，第二MEMS结构位于上密封腔内；（7）叠层组合式MEMS芯片形成：首先叠层组合式MEMS圆片中将压焊块上方的第二MEMS圆片切割掉，露出压焊块，然后切割叠层组合式MEMS圆片，得到叠层组合式MEMS芯片。...

【技术特征摘要】
1.叠层组合式MEMS芯片的制造方法，步骤为: (1)第一MEMS圆片形成:在底板圆片上表面生长底板绝缘层，蚀刻出至少一个底板凹腔，底板上表面未被蚀刻的部分成为底板密封区和第一硅柱；将单晶硅圆片键合到底板圆片上表面上，作为第一 MEMS层圆片，磨削第一 MEMS层圆片到10 —100 Mm，形成第一 MEMS层，蚀刻第一 MEMS层，形成第一 MEMS密封区、第一 MEMS结构和第一 MEMS导电区，这样，就完成第一 MEMS圆片的制造； (2)硅穿孔圆片形成:在硅穿孔圆片衬底上蚀刻出隔离沟，生长二氧化硅填满隔离沟，形成二氧化硅隔离层，然后蚀刻出至少一个第一凹腔，硅穿孔圆片衬底上未被蚀刻的部分成为导电键合区和密封键合区，最后蚀刻除去隔离沟外的二氧化硅，形成硅穿孔圆片； (3)密封圆片形成:将第一MEMS圆片和硅穿孔圆片在设定气压的键合室中对准键合，形成密封圆片，其中第一凹腔与底板凹腔共同组成下密封腔，第一 MEMS结构位于下密封腔内； (4)金属化密封圆片形成:磨削密封圆片上的硅穿孔圆片，露出隔离沟，硅穿孔圆片被隔离沟分割为第一垂直电极、密封区和硅导电柱；在硅穿孔圆片上淀积至少一层绝缘层覆盖硅穿孔圆片，在绝缘层上蚀刻出通孔，淀积金属层覆盖绝缘层，同时填充通孔，然后图形化金属层，得到金属线和圧焊块，最后将覆盖在压焊块上的绝缘层蚀刻掉，露出压焊块，制造完成金属化密封圆片； (5)第二MEMS圆片形成:在盖板圆片上表面生长盖板绝缘层，蚀刻出至少一个盖板凹腔，盖板上表面未被蚀刻的部分成为盖板密封区和第二硅柱；将单晶硅圆片键合到盖板圆片上表面上，作为第二 MEMS层圆片，磨削第二 MEMS层圆片到10 —100 Mm，形成第二 MEMS层，在第二 MEMS层上对应盖板凹腔处蚀刻出第二凹腔，最后蚀刻第二 MEMS层，形成第二MEMS密封区、第二 MEMS结构和第二 MEMS导电区，这样，就完成第二 MEMS圆片的制造； (6)叠层组合式MEMS圆片形成:将金属化密封圆片和第二MEMS圆片在设定气压的键合设备内对准键合，形成叠层组合式MEMS圆片，其中第二凹腔与盖板凹腔共同组成上密封腔，第二 MEMS结构位于上密封腔内； (7)叠层组合式MEMS芯片形成:首先叠层组合式MEMS圆片中将压焊块上方的第二MEMS圆片切割掉，露出压焊块，然后切割叠层组合式MEMS圆片，得到叠层组合式MEMS芯片。2.根据权利要求1所述的叠层组合式MEMS芯片的制造方法，其特征在于:步骤(1)中键合工艺为硅一二氧化硅键合，步骤(3)中键合工艺为硅一娃键合，步骤(5)中键合工艺为硅一二氧化硅键合，步骤(6)中键合工艺为硅一金属键合。3.根据权利要求1所述的叠层组合式MEMS芯片的制造方法，其特征在于:步骤(1)和步骤(5)所述的单晶硅圆片和步骤(2)所述的硅穿孔圆片衬底的材料都是双面抛光的重掺<100>晶向的单晶硅。4.根据权利要求1所述的叠层组合式MEMS芯片的制造方法，其特征在于:步骤(4)所述的绝缘层有三层，分别为第一绝缘层、第二绝缘层和第三绝缘层，第一绝缘层覆盖硅穿孔圆片，在第一绝缘层上蚀刻出第一通孔，淀积第一金...

【专利技术属性】
技术研发人员：华亚平，
申请(专利权)人：安徽北方芯动联科微系统技术有限公司，
类型：发明
国别省市：安徽;34