對封裝應(yīng)力不敏感的mems芯片的制造方法及其mems芯片的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及MEMS圓片制造技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種對封裝應(yīng)力不敏感的MEMS芯片的制造方法及其制造出的MEMS芯片。
【背景技術(shù)】
[0002]MEMSCMicro-Electro-Mechanical Systems)是微機(jī)電系統(tǒng)的縮寫，MEMS 芯片制造技術(shù)利用微細(xì)加工技術(shù)，特別是半導(dǎo)體圓片制造技術(shù)，制造出各種微型機(jī)械結(jié)構(gòu)，結(jié)合專用控制集成電路(ASIC)，組成智能化的微傳感器、微執(zhí)行器、微光學(xué)器件等MEMS元器件。MEMS元器件具有體積小、成本低、可靠性高、抗惡劣環(huán)境能力強(qiáng)、功耗低、智能化程度高、易校準(zhǔn)、易集成的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于消費(fèi)類電子產(chǎn)品，如手機(jī)、平板電腦、玩具、數(shù)碼相機(jī)、游戲機(jī)、空中鼠標(biāo)、遙控器、GPS等；在國防工業(yè)，如智能炸彈、導(dǎo)彈、航空航天、航海、潛水、無人飛機(jī)等，以及工業(yè)類產(chǎn)品，如汽車、通訊、機(jī)器人、智能交通、工業(yè)自動化、環(huán)境監(jiān)測、平臺穩(wěn)定控制、現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)、安全監(jiān)控等，MEMS元器件是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基石，是工業(yè)現(xiàn)代化的核心元器件。
[0003]MEMS器件的性能很大程度取決于MEMS芯片的加工工藝和封裝工藝，特別是MEMS器件的溫度特性?，F(xiàn)有的MEMS芯片中通常MEMS活動結(jié)構(gòu)與底板接觸面積大，垂直方向的電極直接制作在底板上作為下電極，在后續(xù)的MEMS芯片封裝時，芯片的底板必須與封裝材料接觸，例如MEMS芯片底板通過粘片膠安裝在封裝管座上，這樣，當(dāng)周圍溫度變化時，由于粘片膠與封裝管殼的材料與MEMS芯片的材料(通常為Si)的熱膨脹系數(shù)不同，由封裝材料產(chǎn)生的應(yīng)力就會傳導(dǎo)到MEMS芯片的底板上，再由MEMS的底板傳導(dǎo)到MEMS結(jié)構(gòu)和下電極上，引起MEMS結(jié)構(gòu)的微小形變，從而產(chǎn)生假信號，影響MEMS器件的性能。減少封裝對MEMS性能的影響現(xiàn)有幾種方法，其一是盡量選用與Si材料相近的熱膨脹系數(shù)的材料做封裝管殼；其二是選用比較軟的裝片膠；其三是減少M(fèi)EMS芯片與封裝管殼的接觸面積。但這些方法的缺點(diǎn)是:一，無法利用與Si材料熱膨脹系數(shù)一樣的材料來制作管殼；二，軟的裝片膠會導(dǎo)致某些MEMS器件無法工作，因?yàn)楣軞ば枰獮榛顒拥腗EMS結(jié)構(gòu)提供反作用力，而且軟膠不能承受太高溫度，與某些封裝工藝不兼容，如金屬熔封；三，MEMS芯片與封裝管殼的接觸面積過小會影響MEMS器件抵抗機(jī)械沖擊的能力。所以上述這些方法無法從根本上解決問題，要從根本上解決問題，必須將MEMS結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得對封裝材料引起的應(yīng)力不敏感，其中一個最有效的方法是MEMS活動結(jié)構(gòu)與MEMS芯片底板只有一個接觸點(diǎn)，而且MEMS的垂直方向的感應(yīng)或驅(qū)動電極與MEMS芯片底板也只有一個接觸點(diǎn)，這二個接觸點(diǎn)挨得足夠近。這樣，封裝材料熱膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力引起MEMS芯片底板的形變只有很小一部分傳導(dǎo)到MEMS結(jié)構(gòu)中，MEMS芯片的性能受封裝材料影響非常小。
[0004]因此亟需提供一種新型的對封裝應(yīng)力不敏感的MEMS芯片制造方法及其MEMS芯片來解決上述問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種對封裝應(yīng)力不敏感的MEMS芯片制造方法，制造流程短，成品率高，制造出的MEMS芯片對封裝應(yīng)力不敏感。
[0006]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的一個技術(shù)方案是:提供一種對封裝應(yīng)力不敏感的MEMS芯片的制造方法，包括以下步驟:
(1)形成蝕刻出下電極的SOI圓片:取一個SOI圓片，其從上至下依次為第一氧化層、頂層S1、中間氧化層、底層Si，頂層Si用于制作下電極，在第一氧化層上涂膠、光刻形成導(dǎo)電井、凸塊井圖形，蝕刻導(dǎo)電井內(nèi)中間氧化層至完全除去、凸塊井內(nèi)中間氧化層至部分除去；去膠清洗后在第一氧化層上淀積重?fù)诫s多晶Si，導(dǎo)電井和凸塊井被填充，通過返蝕刻工藝去除表面的重?fù)诫s多晶Si及第一氧化層，保留導(dǎo)電井與凸塊井中的多晶Si，分別形成導(dǎo)電塞與凸塊塞；蝕刻頂層Si形成下電極圖形；
(2)形成底板圓片:取一個重?fù)诫s雙面拋光單晶Si圓片，通過光刻、Si蝕刻形成下空腔、底板鍵合柱、底板密封區(qū)，然后高溫?zé)嵫趸诘装鍒A片表面形成第二氧化層；
(3)形成鍵合圓片:將經(jīng)過步驟(I)的SOI圓片翻轉(zhuǎn)，使其下電極層對準(zhǔn)經(jīng)過步驟(2)后的底板圓片，進(jìn)行硅-二氧化硅鍵合、退火，形成鍵合圓片；然后將鍵合圓片中SOI圓片的底層Si研磨至10~100 μ m，形成MEMS活動結(jié)構(gòu)層；
(4)形成金屬壓焊塊:在經(jīng)過步驟(3)的鍵合圓片的MEMS活動結(jié)構(gòu)層上淀積金屬層，蝕刻金屬層，形成金屬壓焊塊圖形，退火后形成金屬壓焊塊；
(5)形成鍵合圓片上的MEMS圖形:蝕刻經(jīng)過步驟(4)的鍵合圓片，將MEMS活動結(jié)構(gòu)層分割為MEMS活動結(jié)構(gòu)、導(dǎo)電區(qū)、第一密封槽、第二密封槽、分隔槽、銷區(qū)；然后通過光刻用光刻膠保護(hù)第一密封槽，濕法腐蝕中間氧化層，從而釋放MEMS活動結(jié)構(gòu)；去膠后用干法蝕刻工藝將第一密封槽內(nèi)的中間氧化層及第二氧化層除去形成密封區(qū)隔離溝；
(6)形成蓋板圓片:取一個重?fù)诫s雙面拋光單晶Si圓片，通過光刻、Si蝕刻形成上空腔、密封墻、壓焊腔圖形，然后在密封墻的端面通過絲網(wǎng)印刷刷上低溫玻璃密封層圖形；
(7)形成密封圓片:將經(jīng)過步驟(6)的蓋板圓片翻轉(zhuǎn)與經(jīng)過步驟(5)的鍵合圓片對準(zhǔn)鍵合，退火，形成密封圓片；
(8)形成MEMS芯片:切割蓋板圓片中覆蓋金屬壓焊塊的部分至漏出金屬壓焊塊，再進(jìn)行工藝切割密封圓片，得到MEMS芯片。
[0007]在本發(fā)明一個較佳實(shí)施例中，在步驟(I)中導(dǎo)電井的尺寸大于凸塊井的尺寸，利用干法蝕刻工藝的微負(fù)載效應(yīng)蝕刻導(dǎo)電井和凸塊井中暴露的中間氧化層，形成完整導(dǎo)電井和完整凸塊井。由于導(dǎo)電井的尺寸明顯大于凸塊井，所以導(dǎo)電井內(nèi)的中間氧化層刻蝕速度快，被全部蝕刻掉，形成完整導(dǎo)電井；凸塊井內(nèi)的中間氧化層蝕刻速度慢，只是部分被蝕刻掉，形成完整凸塊井。
[0008]在本發(fā)明一個較佳實(shí)施例中，在步驟(I)中所述凸塊塞伸入中間氧化層的部分形成凸塊，在MEMS芯片使用過程中防止下電極和MEMS活動結(jié)構(gòu)間粘連，增加抗沖擊能力，所述導(dǎo)電塞與凸塊塞的材料可用難熔金屬或難熔金屬的硅化物代替多晶Si。
[0009]在本發(fā)明一個較佳實(shí)施例中，下電極圖形包括下壓焊座、下導(dǎo)電區(qū)、下密封區(qū)、下電極、下鍵合區(qū)、密封區(qū)隔離溝、下電極隔離溝，下鍵合區(qū)包括導(dǎo)電鍵合柱、下電極錨區(qū)，導(dǎo)電鍵合柱中包括第二導(dǎo)電塞，下壓焊座中包括第一導(dǎo)電塞，下電極區(qū)域包括凸塊塞。
[0010]在本發(fā)明一個較佳實(shí)施例中，在步驟(5)中，所述導(dǎo)電區(qū)包括上壓焊座、密封擋塊，所述金屬壓焊塊位于上壓焊座上，通過第一導(dǎo)電塞與下壓焊座有電連接，用于在后續(xù)封裝時引出或輸入電信號。
[0011 ] 在本發(fā)明一個較佳實(shí)施例中，在步驟(5)中，所述干法蝕刻工藝是高選擇性各向異性蝕刻，MEMS活動結(jié)構(gòu)層、金屬壓焊塊、以及有MEMS活動結(jié)構(gòu)層覆蓋的中間氧化層不會被蝕刻，此步工序的目的在于保證密封隔離溝內(nèi)不會出現(xiàn)橫向腐蝕第二氧化層而產(chǎn)生的小空隙，以避免后續(xù)低溫玻璃密封時無法填滿空隙而發(fā)生漏氣。
[0012]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的另一個技術(shù)方案是:提供一種MEMS芯片，包括至少有一個下空腔的底板、下電極層、MEMS活動結(jié)構(gòu)層、至少有一個上空腔的蓋板，下電極層中的下電極和MEMS活動結(jié)構(gòu)層中的MEMS活動結(jié)構(gòu)被密封在從下至上依次由底板、第二氧化層、下導(dǎo)電區(qū)和下密封區(qū)、低溫玻璃、蓋板圍成的一個密封腔內(nèi)，蓋板通過低溫玻璃與下電極層的下導(dǎo)電區(qū)、下密封區(qū)結(jié)合，底板與下電極層通過硅-二氧化硅鍵合工藝結(jié)合，下電極層與MEMS活動結(jié)構(gòu)層相互平行，下電極層包括下壓焊座、下導(dǎo)電區(qū)、下密封區(qū)、下電極、下鍵合區(qū)、密封區(qū)隔離溝、下電極隔離溝，下鍵合區(qū)包括導(dǎo)電鍵合柱、下電極錨區(qū)，導(dǎo)電鍵合柱中包括第二導(dǎo)電塞，下壓焊座中包括第一導(dǎo)電塞，下電極包括凸塊塞，下電極上有凸塊，通過下電極錨區(qū)固定在底板鍵合柱上；MEMS活動結(jié)構(gòu)層包括MEMS活動結(jié)構(gòu)、上壓焊座、密封擋塊、第一密封槽、第二密封槽、分隔槽、錨區(qū)，密封擋塊位于分別位于下密封區(qū)與下導(dǎo)電區(qū)的上方，MEMS活動結(jié)構(gòu)通過錨區(qū)、中間氧化層、導(dǎo)電鍵合柱固定在底板鍵合柱