基于Si導電柱的圓片級封裝方法及其單片集成式MEMS芯片的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于Si導電柱的圓片級封裝方法及其單片集成式MEMS芯片，該方法包括MEMS圓片形成、待鍵合ASIC圓片形成、單片集成式MEMS圓片形成、Si導電柱形成和單片集成式MEMS芯片形成幾個步驟。本發(fā)明的芯片由MEMS圓片和待鍵合ASIC芯片鍵合而成，蓋板的上腔體與ASIC芯片的下腔體和MEMS結(jié)構(gòu)層圍成密封腔，MEMS結(jié)構(gòu)位于密封腔內(nèi)；蓋板與MEMS結(jié)構(gòu)層間有蓋板絕緣層，蓋板上有導電柱，導電柱連接金屬焊塊和導電塞；待鍵合ASIC圓片包括金屬密封層、第一金屬層和第二金屬層，第一金屬層與第二金屬層電連接，位于密封腔內(nèi)的第二金屬層作為下電極，來感應(yīng)MEMS結(jié)構(gòu)的運動。該方法操作簡單，制得的芯片體積小、成本低，環(huán)境干擾信號和封裝應(yīng)力對MEMS器件性能影響小。
【專利說明】基于Si導電柱的圓片級封裝方法及其單片集成式MEMS芯片
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于芯片封裝領(lǐng)域，具體是涉及一種單片集成式MEMS芯片，本發(fā)明還涉及這種MEMS芯片的圓片級封裝方法。
【背景技術(shù)】
[0002]電子封裝是將一個或多個電子芯片相互電連接，然后封裝在一個保護結(jié)構(gòu)中，其目的是為電子芯片提供電連接、機械保護或化學腐蝕保護等。然而有些電子產(chǎn)品，芯片表面不能與封裝材料接觸，特別是一些微傳感器，如MEMS器件、表聲波/體聲波濾波器、震蕩器等，需要用陶瓷管殼、金屬管殼或塑料管殼等進行氣密性封裝，但這些封裝方法成本高、體積大，不適用于消費類電子產(chǎn)品中。封裝技術(shù)的發(fā)展趨勢，是封裝外形越來越小，器件功能越來越多，成本越來越低。隨著MEMS器件在消費領(lǐng)域中的廣泛使用，低成本，小體積的塑料封裝方法，如LGA (柵格陣列封裝)、QFN (方形扁平無引腳封裝)、DFN (雙邊無鉛封裝)等被廣泛采用。但這些封裝方法中，塑封料是直接與芯片接觸的，所以對那些表面有可動部件的MEMS芯片，必須先通過圓片級封裝的方法將MEMS結(jié)構(gòu)保護起來，然后再進行一般的塑料封裝，這樣塑封料接觸圓片級封裝的外圍，而不會直接接觸MEMS結(jié)構(gòu)。圓片級封裝技術(shù)是對整個制作有電子器件的圓片進行封裝測試后再切割成單個成品電子器件的加工技術(shù)。圓片級封裝后的成品具有重量輕、體積小、厚度薄、價格低的優(yōu)點，是電子元器件封裝技術(shù)的發(fā)展趨勢。另外，圓片級封裝后的芯片后續(xù)加工方便，不需要超凈環(huán)境，圓片切割時也不需要特殊保護，節(jié)約了加工成本。
[0003]MEMS芯片的圓片級封裝中，蓋板一般是用與MEMS結(jié)構(gòu)相同的材料制作，通常為Si，下部制作有一個凹腔。蓋板的主要作用是與底板一起，形成一個密封的空腔，向被密封于該空腔的MEMS結(jié)構(gòu)提供一個可自由運動的空間，同時，保證MEMS結(jié)構(gòu)不受外部環(huán)境的干擾。底板可以是集成電路芯片，也可以是不帶電路的Si材料。
[0004]MEMS元器件成品通常由兩個芯片組成，一個為微機械芯片，即MEMS芯片，另一個是用于控制MEMS芯片的專用集成電路芯片，即ASIC芯片。這兩個芯片可以是獨立的，通過裝片，打線，包封等常規(guī)電子封裝方法組合在一起，成為MEMS成品器件。MEMS芯片也可以和ASIC芯片在圓片加工過程中，通過圓片級封裝集成在一起，成為單片集成式MEMS芯片，再通過常規(guī)封裝，或植焊球形成MEMS成品。在單片集成式MEMS芯片中，MEMS芯片與ASIC芯片面對面緊貼在一起，信號通道短，受外界環(huán)境干擾信號的影響小，所以MEMS芯片的原始信號可以設(shè)計得較小，從而使得MEMS芯片面積小，降低了芯片成本。而且，單片集成式MEMS芯片的體積小，后封裝簡單、便宜。本發(fā)明就是關(guān)于單片集成式MEMS芯片圓片級封裝的加工方法，特別是關(guān)于到帶Si導電柱的MEMS圓片級封裝方法。
[0005]現(xiàn)有圓片級封裝的MEMS芯片主要有以下兩種:
圖1是現(xiàn)有圓片級封裝的MEMS芯片的示意圖，由蓋板101和底板105構(gòu)成的密封腔106為MEMS結(jié)構(gòu)103a提供一個可自由活動的空間，MEMS層103與底板105間有密封層104提供氣密性連接，MEMS層103與蓋板101間有蓋板絕緣層102電隔離，所以MEMS層103與蓋板101是電絕緣的，蓋板101上蝕刻有兩個槽108，兩個槽108之間的蓋板形成導電柱IOla ；蓋板絕緣層102中有導電層107，導電柱IOla與MEMS結(jié)構(gòu)103a通過導電層107電連接，導電柱IOla上有金屬焊塊109，通過金屬線110將MEMS的信號引出到ASIC芯片或封裝基板上。該芯片只適用于獨立的MEMS芯片的圓片級封裝，不能用于單芯片集成式MEMS芯片的封裝，而且由于導電柱在芯片一側(cè)，不能通過植焊球的方式形成MEMS倒裝芯片。在后續(xù)封裝時，必須通過金屬線將MEMS芯片和ASIC芯片進行電連接，然后再將兩個或多個芯片封裝在一起。這種芯片后續(xù)封裝成本高，成品器件體積較大，且環(huán)境對信號干擾較大。
[0006]圖2是現(xiàn)有基于Si穿孔(TSV)的圓片級封裝的MEMS芯片的示意圖，由蓋板201和底板205構(gòu)成的密封腔206為MEMS結(jié)構(gòu)203a提供一個可自由活動的空間，MEMS結(jié)構(gòu)層203與蓋板201間有蓋板絕緣層202a提供電隔離，MEMS結(jié)構(gòu)層203與底板205間有絕緣層202b電隔離，所以MEMS結(jié)構(gòu)層203與蓋板201和底板205間是絕緣的，為了將MEMS結(jié)構(gòu)203a的電信號引出，在底板205上蝕刻出Si穿孔(TSV)，并在其側(cè)壁上形成絕緣層202c，用以將導電柱201a與底板205隔離，在導電柱201a的外端有金屬焊塊209，與底板205間有絕緣層202d隔離，金屬焊塊209上植有焊球210，這樣，MEMS元器件就可以直接倒裝焊在PCB板或其他芯片上。但是這種芯片形成Si穿孔(TSV)導電柱的工藝復雜，成本高。而且，焊球位置離MEMS結(jié)構(gòu)較近，在隨后的二次封裝時，封裝應(yīng)力會通過焊球傳導到MEMS結(jié)構(gòu)上，影響MEMS器件的性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于Si導電柱的圓片級封裝方法及其單片集成式MEMS芯片，該方法通過在蓋板上蝕刻深槽隔離Si導電柱和蓋板的其他部分，從而導出MEMS結(jié)構(gòu)的電信號，形成圓片級封裝的單片集成式MEMS芯片，工藝流程簡單，成本低，成品率高，該芯片體積小，能夠?qū)⒍畏庋b中應(yīng)力對MEMS器件性能的影響降至最小。
[0008]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了基于Si導電柱的圓片級封裝方法，該方法通過在蓋板上蝕刻深槽隔離Si導電柱和蓋板的其他部分，從而導出MEMS結(jié)構(gòu)的電信號，形成圓片級封裝的單片集成式MEMS芯片，具體步驟為:
(I)MEMS圓片形成:
氧化蓋板，生成蓋板絕緣層，蓋板的材料是硼元素重摻雜的單晶Si，電阻率在0.01Ω 左右，單晶Si氧化后為SiO2,所以蓋板絕緣層材料為SiO2,蓋板絕緣層用作后續(xù)MEMS圓片鍵合工序的S1-SiO2鍵合材料和蓋板與MEMS結(jié)構(gòu)層間的電隔離層；通過在氧化后的蓋板上涂膠、曝光、顯影、蝕刻、去膠等半導體加工工藝，在蓋板正面形成蓋板上腔體，用于容納MEMS結(jié)構(gòu)；將MEMS結(jié)構(gòu)層圓片與氧化后的蓋板鍵合在一起，削減MEMS結(jié)構(gòu)層圓片形成MEMS結(jié)構(gòu)層，MEMS結(jié)構(gòu)層的材料是硼元素重摻雜的單晶Si，在MEMS結(jié)構(gòu)層上通過半導體加工工藝蝕刻出深孔，在深孔中，蓋板絕緣層也同時被蝕刻掉，露出蓋板，在MEMS結(jié)構(gòu)層上和深孔中淀積導電材料，再反蝕刻除去MEMS結(jié)構(gòu)層上的導電材料，留下深孔底部的導電材料，形成導電塞，這樣，蓋板在導電塞處與MEMS結(jié)構(gòu)層形成電連接；所述淀積導電材料的方法，可以是濺射、化學氣相沉積、電鍍、蒸發(fā)等方法中的一種或幾種方法的組合；所述導電材料，可以是鎢、重摻雜多晶S1、鋁、鈦、銅、金、鎳、鉻、鉭、鈷等材料中的一種或幾種的組合物；在MEMS結(jié)構(gòu)層上通過深Si蝕刻工藝蝕刻出MEMS結(jié)構(gòu)的圖形，同時蝕刻出隔離溝，將MEMS結(jié)構(gòu)層分為MEMS結(jié)構(gòu)和MEMS導電塊，這樣，就形成MEMS圓片；
(2)待鍵合ASIC圓片形成:在標準ASIC圓片上淀積絕緣層，絕緣層為SiO2或SiO2與SiN的復合層，用化學機械拋光(CMP)方法磨平，形成第二絕緣層；在第二絕緣層上蝕刻出第二通孔，用于后續(xù)工序的電連接；在第二絕緣層上淀積金屬密封層，通過蝕刻法或掩模剝離法(lift-off)將其圖形化，金屬密封層按功能可分為導電塊、密封環(huán)和錨點，所述金屬密封層的淀積方法可以是濺射、蒸發(fā)、電鍍中的一種或它們幾種的組合；蝕刻帶有金屬密封層圖形的第二絕緣層，在對應(yīng)于蓋板上腔體的位置形成ASIC下腔體，為可MEMS結(jié)構(gòu)提供自由運動的空間，同時，在ASIC下腔體蝕刻時露出第二金屬層，作為下電極感應(yīng)MEMS結(jié)構(gòu)在垂直方向的運動，這樣，就形成了待鍵合ASIC圓片；
所述標準ASIC圓片為普通集成電路圓片，包括襯底、第一絕緣層、圖形化的第一金屬層和第二金屬層，第一絕緣層位于襯底上，第一金屬層位于第一絕緣層內(nèi)，第二金屬層位于第一絕緣層上，第一金屬層通過第一絕緣層的第一通孔與第二金屬層電連接；所述襯底材料為輕摻雜的單晶Si，其電阻率在10 Ω._左右，是不良導體，不能用作導電柱材料，所述第二金屬層既可用作MEMS結(jié)構(gòu)的垂直方向的感應(yīng)電極，還用作ASIC圓片與密封金屬層間的電信號通道；
(3)單片集成式MEMS圓片形成^fMEMS圓片與待鍵合ASIC圓片通過金屬密封層鍵合在一起，形成單片集成式MEMS圓片，金屬密封層在與MEMS結(jié)構(gòu)層鍵合處分為三部分:導電塊、密封環(huán)和錨點，密封環(huán)與蓋板上腔體、ASIC下腔體和MEMS結(jié)構(gòu)層共同圍成密封腔，密封腔內(nèi)部為真空或具有特定壓力、含有特定氣體，MEMS結(jié)構(gòu)在其中可自由運動；至少有一處MEMS結(jié)構(gòu)通過錨點與第二 金屬層電連接，錨點將MEMS結(jié)構(gòu)的信號導通到待鍵合ASIC圓片中；導電塊分別與第二金屬層和MEMS導電塊電連接，導電塊將待鍵合ASIC圓片的信號導通到MEMS結(jié)構(gòu)層中；
(4)Si導電柱形成:在蓋板上淀積并圖形化金屬層，在導電塞對應(yīng)位置處形成金屬焊塊，采用深Si反應(yīng)離子干法蝕刻法在蓋板上蝕刻出深槽，與待鍵合ASIC圓片的隔離溝相對應(yīng)，將蓋板分割為幾部分，其中，與金屬焊塊相對應(yīng)處形成導電柱，導電柱通過導電塞與MEMS導電塊電連接，MEMS結(jié)構(gòu)的信號通過錨點、第二金屬層和第一金屬層傳給ASIC，ASIC處理后的信號通過第一金屬層、第二金屬層、導電塊、MEMS導電塊、導電塞和導電柱傳導到金屬焊塊上；
(5)單片集成式MEMS芯片形成:沿蓋板外側(cè)深槽切割合成圓片，形成普通封裝用的單片集成式MEMS芯片。
[0009]為簡單說明問題起見，以下對本發(fā)明所述基于Si導電柱的圓片級封裝方法均簡稱為本方法。
[0010]本方法通過Si導電柱將MEMS結(jié)構(gòu)的電信號引出，無需制作Si穿孔(TSV)導電柱，工藝簡單；任何環(huán)境干擾信號都會對MEMS結(jié)構(gòu)的信號產(chǎn)生影響，影響MEMS器件的性能，ASIC芯片將MEMS結(jié)構(gòu)的信號放大，相對而言環(huán)境干擾信號就可忽略不計；MEMS圓片和待鍵合ASIC圓片通過金屬密封層鍵合在一起，MEMS結(jié)構(gòu)的信號通道短，抗環(huán)境干擾能力強，這樣，在同樣的性能的條件下，MEMS結(jié)構(gòu)的初始信號就可以弱于其他封裝方法的產(chǎn)品，相應(yīng)地，MEMS芯片體積就可以做得小一些，MEMS芯片制造成本也相應(yīng)變低；由于單片集成式MEMS芯片是由待鍵合AISC圓片與MEMS圓片鍵合后切割而成，后封裝時只要進行單芯片封裝，比獨立MEMS芯片和獨立AISC芯片的雙芯片或多芯片封裝體積小，成本低；在制作成倒裝焊封裝的芯片后，無需后續(xù)封裝，其成品MEMS器件體積等于芯片體積，這是最小的封裝形式，而且，由于導電柱位于芯片的外側(cè)，與MEMS結(jié)構(gòu)不直接相連，可以緩沖部分應(yīng)力，可以將應(yīng)力對MEMS器件的影響降至最低。
[0011]本發(fā)明的金屬焊塊可用于后封裝時打線用，其材料通常為鋁或金，通過濺射、電鍍、蒸發(fā)等方法淀積，還可以在金屬焊塊上植焊球，焊球材料通常為鋁或金上再淀積一層鎢鈦合金作為焊點下金屬層(UBM)，用于粘附焊球和阻擋焊料擴散用。
[0012]本發(fā)明還提供了通過本方法制備的單片集成式MEMS芯片，由蓋板、MEMS結(jié)構(gòu)層和ASIC芯片鍵合而成，蓋板上至少有一個上腔體，蓋板與MEMS結(jié)構(gòu)層通過蓋板絕緣層鍵合在一起，蓋板與MEMS結(jié)構(gòu)層之間沒有直接電連接，MEMS結(jié)構(gòu)層分為MEMS結(jié)構(gòu)(MEMS結(jié)構(gòu)層的可動部分)和MEMS導電塊(MEMS結(jié)構(gòu)層的不動部分)，蓋板上蝕刻有至少一個導電柱，所述導電柱為Si導電柱，導電柱第一端有金屬焊塊，導電柱第二端連有導電塞，導電柱通過所述導電塞與MEMS導電塊電連接；
ASIC芯片包括ASIC襯底，ASIC襯底上有第一絕緣層和第二絕緣層，第二絕緣層上沉積有圖形化的金屬密封層，金屬密封層可按功能分為導電塊、密封環(huán)和錨點；第一絕緣內(nèi)有圖形化的第一金屬層，第一絕緣層和第二絕緣層間有圖形化的第二金屬層，第二金屬層通過第一絕緣層的第一通孔與第一金屬層電連接，第二金屬層與導電塊連接；
第一絕緣層、第二絕緣層和金屬密封層共同界定出至少一個下腔體，所述下腔體與上腔體、MEMS結(jié)構(gòu)層和密封環(huán)形成密封腔，密封腔內(nèi)部可以是真空或特定壓力、特定氣體，MEMS結(jié)構(gòu)可在密封腔自由運動，MEMS結(jié)構(gòu)層通過金屬密封層與ASIC芯片鍵合在一起，MEMS結(jié)構(gòu)至少通過一個錨點與第二金屬層電連接，MEMS結(jié)構(gòu)的電信號可通過錨點輸入到ASIC芯片中，位于密封腔內(nèi)的第二金屬層作為下電極感應(yīng)MEMS結(jié)構(gòu)在垂直方向的運動；
所述ASIC芯片具有完整的集成電路功能，可將MEMS結(jié)構(gòu)輸入的信號加以處理后，輸出終端用戶需要的信號，或反向向MEMS芯片輸入信號，控制MEMS結(jié)構(gòu)運動。
[0013]為簡單說明問題起見，以下對本發(fā)明所述基于導電柱圓片級封裝的單片集成式MEMS芯片均簡稱為本芯片。
[0014]本芯片導電柱通過導電塞與MEMS導電塊電連接，而與MEMS結(jié)構(gòu)無電連接，MEMS結(jié)構(gòu)的信號通過錨點、導線和金屬層傳給ASIC芯片，ASIC芯片處理后的信號通過第一金屬層、第二金屬層、導電塊、MEMS導電塊、導電塞和導電柱傳導到金屬焊塊上，無需制作Si穿孔(TSV)導電柱,制作工藝簡單,而且由于導電柱分布于芯片的外側(cè)，與MEMS結(jié)構(gòu)層不直接相連，可以緩沖部分應(yīng)力，可以減小應(yīng)力對MEMS結(jié)構(gòu)的影響；MEMS結(jié)構(gòu)的初始信號一般非常微弱，任何環(huán)境干擾信號都會對MEMS信號產(chǎn)生影響，影響MEMS器件的性能，本芯片通過ASIC芯片將MEMS結(jié)構(gòu)的信號放大，這樣，環(huán)境干擾信號相對而言就可忽略不計；本芯片的MEMS結(jié)構(gòu)層和ASIC芯片通過金屬密封層鍵合在一起，MEMS結(jié)構(gòu)的信號通道較短，抗環(huán)境干擾能力強，這樣，在同樣的性能的條件下，即使MEMS結(jié)構(gòu)的初始信號弱于其它同類產(chǎn)品，也可通過ASIC芯片將信號放大，從而滿足要求，由于AISC芯片與MEMS結(jié)構(gòu)鍵合成一個芯片，后續(xù)封裝時只要進行單芯片封裝，比雙芯片或多芯片封裝體積小、成本低。[0015]所述金屬焊塊上植有焊球，焊球材料為鋁或金上再淀積一層鎢鈦合金作為焊點下金屬層(UBM)，用于粘附焊球和阻擋焊料擴散用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是現(xiàn)有圓片級封裝的MEMS芯片的示意圖。
[0017]圖2是現(xiàn)有基于Si穿孔(TSV)的圓片級封裝的MEMS芯片的示意圖。
[0018]圖3是本方法步驟(I)蓋板上生長蓋板絕緣層的示意圖。
[0019]圖4是本方法步驟(I)蝕刻出蓋板上腔體的示意圖。
[0020]圖5是本方法步驟(I)鍵合MEMS結(jié)構(gòu)層后的示意圖。
[0021]圖6是本方法步驟(I) MEMS結(jié)構(gòu)層蝕刻出深孔的示意圖。
[0022]圖7是本方法步驟(I) MEMS圓片的示意圖。
[0023]圖8是本方法步驟(2)標準ASIC圓片的不意圖。
[0024]圖9是本方法步驟(2)標準ASIC圓片上淀積第二絕緣層后的不意圖。
[0025]圖10是本方法步驟(2)待鍵合ASIC圓片的示意圖。
[0026]圖11是本方法步驟(3)合成圓片的示意圖。
[0027]圖12是本方法步驟(4)蓋板上形成金屬焊塊的示意圖。
[0028]圖13是本方法步驟(4)蓋板上形成導電柱的示意圖。
[0029]圖14是實施例一單片集成式MEMS芯片的示意圖。
[0030]圖15是實施例一單片集成式MEMS芯片的俯視圖。
[0031]圖16是實施例二單片集成式MEMS芯片的示意圖。
【具體實施方式】
[0032]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0033]實施例一
(1)MEMS圓片形成:
氧化蓋板301,生成蓋板絕緣層302,如圖3所示,蓋板301的材料為硼元素重摻雜的單晶Si，電阻率在0.01 Ω.cm左右，所以蓋板絕緣層302材料為SiO2 ;在蓋板絕緣層302上涂膠、曝光、顯影、蝕刻、去膠等半導體加工工藝，在蓋板301正面形成蓋板上腔體306a，如圖4所示；將MEMS結(jié)構(gòu)層303與帶有上腔體的蓋板301鍵合、退火，通過研磨的方法將MEMS結(jié)構(gòu)層303減薄到所需厚度，如圖5所示，MEMS結(jié)構(gòu)層的材料是硼元素重摻雜的單晶Si ;在MEMS結(jié)構(gòu)層303上通過標準的半導體加工步驟蝕刻出深孔305，在深孔305中，蓋板絕緣層302也被蝕刻掉，露出蓋板301，在MEMS結(jié)構(gòu)層303上和深孔305中淀積導電材料，反蝕刻除去MEMS結(jié)構(gòu)層303上的導電材料，只留下深孔305底部的導電材料，形成導電塞304，如圖6所示，這樣，蓋板301在導電塞304處與MEMS結(jié)構(gòu)層303形成電連接，所述導電材料的淀積方法是濺射，所述導電材料是重摻雜多晶Si ;在帶有導電塞304的圓片的MEMS結(jié)構(gòu)層303上通過深Si蝕刻工藝蝕刻出MEMS結(jié)構(gòu)的圖形，同時蝕刻出隔離溝，將MEMS結(jié)構(gòu)層303分為MEMS結(jié)構(gòu)303a和MEMS導電塊303b，如圖7所示，這樣，MEMS圓片300就制作完成；
(2)待鍵合ASIC圓片形成:
ASIC圓片的上淀積絕緣層，所述絕緣層材料為SiO2和SiN的復合層，用化學機械拋光(CMP)方法磨平絕緣層，形成第二絕緣層403，在第二絕緣層403上蝕刻出第二通孔401，用于后續(xù)工序的電連接，如圖9所示，在第二絕緣層403上淀積金屬密封層404，通過掩模剝離法(lift-off)將其圖形化，所述金屬密封層404的淀積方法是濺射；蝕刻第二絕緣層403，在對應(yīng)于蓋板上腔體306a的位置形成ASIC下腔體306b，為可活動的MEMS結(jié)構(gòu)303a提供自由運動的空間，同時露出部分第二金屬層407，作為下電極感應(yīng)MEMS結(jié)構(gòu)303a在垂直方向的運動，這樣經(jīng)形成了待鍵合ASIC圓片400 ;
所述ASIC圓片為普通集成電路圓片，其結(jié)構(gòu)如圖8所示，包括襯底405、第一絕緣層402、第一金屬層406和第二金屬層407,第一絕緣層402位于襯底405上,第一金屬層406位于第一絕緣層402內(nèi)，第二金屬層407位于第一絕緣層402上，第二金屬層407通過第一絕緣層402的第一通孔408與第一金屬層406電連接；所述襯底405為輕摻雜的單晶Si材料，其電阻率在10 Ω.αη左右，是不良導體，不能用作導電柱材料，第一金屬層406是ASIC的內(nèi)部金屬互連線，第二金屬層407可用作MEMS結(jié)構(gòu)303a在垂直方向的感應(yīng)電極，也用作ASIC與金屬密封層404間的電信號通道；
(3)單片集成式MEMS圓片形成:
將MEMS圓片300與待鍵合ASIC圓片400通過金屬密封層鍵合在一起，形成單片集成式MEMS圓片，如圖11所示，金屬密封層404在與MEMS結(jié)構(gòu)層303鍵合處分為三部分:導電塊404a、密封環(huán)404b和錨點404c，密封環(huán)404b與蓋板上腔體306a、ASIC下腔體306b和MEMS結(jié)構(gòu)層303共同圍成密封腔306，密封腔306內(nèi)部為真空，MEMS結(jié)構(gòu)303a在其中可自由運動；至少有一處MEMS結(jié)構(gòu)303a通過錨點404c與第二金屬層407連接，MEMS結(jié)構(gòu)303a的信號通過錨點404c、第二金屬層407和第一金屬層406傳輸?shù)紸SIC中；導電塊404a分別與第二金屬層407和MEMS導電塊303b電連接，ASIC處理后的信號通過第一金屬層406、第二金屬層407、導電塊404a傳導給MEMS導電塊303b ；
(4)Si導電柱形成:
在蓋板301上淀積并圖形化金屬層，在導電塞304對應(yīng)位置處形成金屬焊塊309，如圖12所示；采用深Si反離子干法蝕刻法在蓋板301上蝕刻出四個深槽308，與待鍵合ASIC圓片400的隔離溝相對應(yīng)，將蓋板301分割為五部分，其中，與金屬焊塊309相對應(yīng)的兩處形成導電柱301a，如圖13所示，導電柱301a通過導電塞304與MEMS導電塊303b電連接，MEMS導電塊的信號經(jīng)導電塞304傳導到導電柱301a上，然后再傳導給金屬焊塊309 ；
(5)單片集成式MEMS芯片形成:
沿蓋板301外側(cè)的深槽308切割合成圓片，形成單片集成是MEMS芯片，如圖14所示，所述切割面的沿伸線位于深槽308中，所述單片集成是MEMS芯片需要后封裝成LGA、DFN、QFN等形式，后封裝時在金屬焊塊309上打金屬線即可。
[0034]圖15為本實施例單片集成式MEMS芯片的俯視圖，導電柱301a分布于蓋板303的兩側(cè)，每個導電柱301a被深槽308包圍，與蓋板301完全隔離，每個導電柱301a上制作有金屬焊塊309。
[0035]本實施例制得的單片集成式MEMS芯片，如圖14和圖15所示，由蓋板301、MEMS結(jié)構(gòu)層303和ASIC芯片400鍵合而成，蓋板301的材料是重摻雜的Si片，其電阻率在0.01Ω.Cm左右，是較好的導電材料，MEMS結(jié)構(gòu)層303分為MEMS結(jié)構(gòu)303a和MEMS導電塊303b，MEMS結(jié)構(gòu)303a為MEMS結(jié)構(gòu)層303的可動部分，蓋板301上有一個上腔體306a，蓋板301與MEMS結(jié)構(gòu)層303通過蓋板絕緣層302鍵合在一起，蓋板絕緣層302的材料為SiO2,蓋板301與MEMS結(jié)構(gòu)層303之間沒有直接電連接，蓋板303上蝕刻有兩個深槽308，該深槽308將蓋板301的局部與蓋板301其他區(qū)域隔離，形成導電柱301a，所述導電柱308為Si導電柱，導電柱308第一端有金屬焊塊309，導電柱308第二端連有導電塞304，導電柱308通過所述導電塞304與MEMS導電塊303b電連接； ASIC芯片400包括ASIC襯底405，ASIC襯底405材料為輕摻雜的單晶Si，其電阻率在10 Ω.cm左右，ASIC襯底405上有第一絕緣層402和第二絕緣層403，第二絕緣層403上沉積有圖形化的金屬密封層404，金屬密封層404可按功能分為導電塊404a、密封環(huán)404b和錨點404c,第一絕緣層402內(nèi)有第一金屬層406,第一絕緣層402和第二絕緣層403之間有第二金屬層407,第一金屬層406與第二金屬層407通過第一絕緣層402的第一通孔408電連接，第二金屬層407與導電塊404a電連接；第一金屬層406是ASIC的內(nèi)部金屬互連線，第二金屬層407可用作MEMS結(jié)構(gòu)303a在垂直方向的感應(yīng)電極，也用作ASIC與密封金屬層404間的電信號通道；
第一絕緣層402、第二絕緣層403和金屬密封層404共同界定出一個下腔體306b，所述下腔體306b與上腔體306a、MEMS結(jié)構(gòu)層303和密封環(huán)404b形成一個密封腔306，密封腔306內(nèi)部是真空，MEMS結(jié)構(gòu)303a位于該密封腔306內(nèi)，為MEMS結(jié)構(gòu)303a提供一個自由活動的密閉空間，MEMS結(jié)構(gòu)層303通過金屬密封層404與ASIC芯片400鍵合在一起，第二金屬層407位于密封腔306內(nèi)的部分作為下電極感應(yīng)MEMS結(jié)構(gòu)303a在垂直方向的運動，MEMS結(jié)構(gòu)303a通過錨點404c與第二金屬層407電連接，MEMS結(jié)構(gòu)303a的電信號可通過錨點404c、第二金屬層407和第一金屬層406輸入到ASIC芯片400中，ASIC芯片400處理后的信號通過第一金屬層406、第二金屬層407、導電塊404a、MEMS導電塊303b、導電塞304和導電柱301a傳導到金屬焊塊309上；所述ASIC芯片400具有完整的集成電路功能，可將MEMS結(jié)構(gòu)303a輸入的信號加以處理后，輸出終端用戶需要的信號，或反向向MEMS結(jié)構(gòu)303a輸入信號，控制MEMS結(jié)構(gòu)303a運動。
[0036]實施例二
本實施例與實施例一的區(qū)別僅在于單片集成式MEMS芯片形成步驟，本實施例的單片集成式MEMS芯片形成為:在金屬焊塊309上植上焊球310，然后沿蓋板301外側(cè)的深槽308切割合成圓片，形成如圖16所示的普通封裝用的單片集成式MEMS芯片，本實施例的芯片可以直接倒裝焊在用戶的PCB板上使用。
[0037]本實施例制得的單片集成式MEMS芯片，如圖16所示，由蓋板301、MEMS結(jié)構(gòu)層303和ASIC芯片400鍵合而成，蓋板301的材料是重摻雜的Si片，其電阻率在0.01 Ω ^cm左右，是較好的導電材料，MEMS結(jié)構(gòu)層303分為MEMS結(jié)構(gòu)303a和MEMS導電塊303b，MEMS結(jié)構(gòu)303a為MEMS結(jié)構(gòu)層303的可動部分，蓋板301上有一個上腔體306a，蓋板301與MEMS結(jié)構(gòu)層303通過蓋板絕緣層302鍵合在一起，蓋板絕緣層302的材料為SiO2,蓋板301與MEMS結(jié)構(gòu)層303之間沒有直接電連接，蓋板303上蝕刻有兩個深槽308，該深槽308將蓋板301的局部與蓋板301其他區(qū)域隔離,形成導電柱301a,所述導電柱308為Si導電柱,導電柱308第一端有金屬焊塊309，金屬焊塊309上植有焊球310，導電柱308第二端連有導電塞304，導電柱308通過所述導電塞304與MEMS導電塊303b電連接；
ASIC芯片400包括ASIC襯底405，ASIC襯底405材料為輕摻雜的單晶Si，其電阻率在10 Ω.cm左右，ASIC襯底405上有第一絕緣層402和第二絕緣層403，第二絕緣層403上沉積有圖形化的金屬密封層404，金屬密封層404可按功能分為導電塊404a、密封環(huán)404b和錨點404c,第一絕緣層402和第二絕緣層403之間有第二金屬層407,第二金屬層407可作為下電極感應(yīng)MEMS結(jié)構(gòu)303a在垂直方向的運動，也用作ASIC與金屬密封層404間的電信號通道，兩端的第二金屬層407與導電塊404a電連接，ASIC芯片400有一層圖形化的第一金屬層406，位于第一絕緣層402中，第一金屬層406通過第一絕緣層402的第一通孔408與第二金屬層407電連接；
第一絕緣層402、第二絕緣層403和金屬密封層404共同界定出一個下腔體306b，所述下腔體306b與上腔體306a、MEMS結(jié)構(gòu)層303和密封環(huán)404b形成一個密封腔306，密封腔306內(nèi)部是真空，MEMS結(jié)構(gòu)303a位于該密封腔306內(nèi)，為MEMS結(jié)構(gòu)303a提供一個自由活動的密閉空間，MEMS結(jié)構(gòu)層303通過金屬密封層404與ASIC芯片400鍵合在一起，第二金屬層407位于密封腔306內(nèi)的部分作為下電極感應(yīng)MEMS結(jié)構(gòu)303a在垂直方向的運動，MEMS結(jié)構(gòu)303a通過錨點404c與第二金屬層407電連接，MEMS結(jié)構(gòu)303a的電信號可通過錨點404c、第二金屬層407和金屬層406輸入到ASIC芯片400中，ASIC芯片400處理后的信號通過第一金屬層406、第二金屬層407、導電塊404a、MEMS導電塊303b、導電塞304和導電柱301a傳導到金屬焊塊309上；所述ASIC芯片400具有完整的集成電路功能，可將MEMS結(jié)構(gòu)303a輸入的信號加以處理后，輸出終端用戶需要的信號，或反向向MEMS結(jié)構(gòu)303a輸入信號，控制MEMS結(jié)構(gòu)303a運動。
[0038]以上所述僅是本發(fā)明的【具體實施方式】。應(yīng)當指出，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進行若干變形或者等同替換，例如，導電柱根據(jù)需要可以分布在蓋板的一側(cè)、三側(cè)或四側(cè)；導電柱中至少有一個與蓋板相連，用于蓋板接地；這些變形或替換也能實現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)效果，也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1. 基于Si導電柱的圓片級封裝方法，步驟為: (1)MEMS圓片形成:氧化蓋板，生成蓋板絕緣層；在氧化后的蓋板上涂膠、曝光、顯影、蝕刻、去膠，在蓋板正面形成蓋板上腔體；將MEMS結(jié)構(gòu)層圓片與氧化后的蓋板鍵合在一起，削減MEMS結(jié)構(gòu)層圓片形成MEMS結(jié)構(gòu)層；在MEMS結(jié)構(gòu)層上通過半導體加工工藝蝕刻出深孔，在深孔中，蓋板絕緣層也同時被蝕刻掉，露出蓋板，在MEMS結(jié)構(gòu)層上和深孔中淀積導電材料，再反蝕刻除去MEMS結(jié)構(gòu)層上的導電材料，留下深孔底部的導電材料，形成導電塞；在MEMS結(jié)構(gòu)層上蝕刻出MEMS結(jié)構(gòu)的圖形，同時蝕刻出隔離溝，將MEMS結(jié)構(gòu)層分為MEMS結(jié)構(gòu)和MEMS導電塊，這樣，就形成MEMS圓片； (2)待鍵合ASIC圓片形成:在ASIC圓片上淀積絕緣層、磨平，形成第二絕緣層；在第二絕緣層上蝕刻出第二通孔，在第二絕緣層上和第二通孔內(nèi)淀積金屬密封層，然后將金屬密封層圖形化，金屬密封層分為導電塊、密封環(huán)和錨點；蝕刻帶有金屬密封層圖形的第二絕緣層，在對應(yīng)于蓋板上腔體的位置形成ASIC下腔體，同時，露出第二金屬層，作為下電極感應(yīng)MEMS結(jié)構(gòu)在垂直方向的運動，這樣，就形成了待鍵合ASIC圓片；所述ASIC圓片包括第一絕緣層、圖形化的第一金屬層和第二金屬層，第一金屬層位于第一絕緣層內(nèi)，第二金屬層位于第一絕緣層上,第一金屬層與第二金屬層電連接； (3)單片集成式MEMS圓片形成JfMEMS圓片與待鍵合ASIC圓片通過金屬密封層鍵合在一起，形成單片集成式MEMS圓片，蓋板上腔體與ASIC下腔體、MEMS結(jié)構(gòu)層和密封環(huán)共同圍成密封腔，MEMS結(jié)構(gòu)位于密封腔內(nèi)，至少有一處MEMS結(jié)構(gòu)通過錨點與第二金屬層電連接，錨點將MEMS結(jié)構(gòu)的信號導通到待鍵合ASIC圓片中；導電塊分別與第二金屬層和MEMS導電塊電連接，導電塊將待鍵合ASIC圓片的信號導通到MEMS結(jié)構(gòu)層中； (4)Si導電柱形成:在蓋板上淀積并圖形化金屬層，在導電塞對應(yīng)位置處形成金屬焊塊，在蓋板上蝕刻出深槽，在與金屬焊塊相對應(yīng)處形成導電柱，導電柱通過導電塞與MEMS導電塊電連接； (5)單片集成式MEMS芯片形成:沿蓋板外側(cè)深槽切割合成圓片，形成單片集成式MEMS-H-* I I心/T O
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于Si導電柱的圓片級封裝方法，其特征在于:步驟(1)所述淀積導電材料的方法是濺射、化學氣相沉積、電鍍、蒸發(fā)等方法中的一種或幾種方法的組口 ο
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于Si導電柱的圓片級封裝方法，其特征在于:所述導電材料是鎢、重摻雜多晶S1、鋁、鈦、銅、金、鎳、鉻、鉭、鈷等材料中的一種或幾種的組合物。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于Si導電柱的圓片級封裝方法，其特征在于:步驟(2)所述金屬密封層圖形化方法為蝕刻法或掩模剝離法。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的基于Si導電柱的圓片級封裝方法，其特征在于:步驟(2)所述金屬密封層的淀積方法是濺射、蒸發(fā)、電鍍中的一種或它們幾種的組合。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于Si導電柱的圓片級封裝方法，其特征在于:步驟(3)所述密封腔內(nèi)部為真空。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于Si導電柱的圓片級封裝方法，其特征在于:步驟(5)還在金屬焊塊上植焊球。
8.單片集成式MEMS芯片，由蓋板、MEMS結(jié)構(gòu)層和待鍵合ASIC芯片鍵合而成，蓋板上至少有一個上腔體，蓋板與MEMS結(jié)構(gòu)層通過蓋板絕緣層鍵合在一起，蓋板上蝕刻有至少一個導電柱，導電柱第一端有金屬焊塊，MEMS結(jié)構(gòu)層分為MEMS結(jié)構(gòu)和MEMS導電塊，其特征在于: 導電柱第二端連有導電塞，導電柱通過所述導電塞與MEMS導電塊電連接； 所述ASIC芯片包括ASIC襯底，ASIC襯底上有第一絕緣層和第二絕緣層，第二絕緣層上沉積有圖形化的金屬密封層，金屬密封層分為導電塊、密封環(huán)和錨點，第一絕緣層內(nèi)有圖形化的第一金屬層，第一絕緣層和第二絕緣層間有圖形化的第二金屬層，至少有一處第一金屬層與第二金屬層電連接，第二金屬層與導電塊電連接； 第一絕緣層、第二絕緣層和金屬密封層共同界定出至少一個下腔體，所述下腔體與上腔體、MEMS結(jié)構(gòu)層和密封環(huán)形成密封腔，MEMS結(jié)構(gòu)位于該密封腔內(nèi)，MEMS結(jié)構(gòu)層通過金屬密封層與ASIC芯片 鍵合在一起，至少有一處MEMS結(jié)構(gòu)通過錨點與第二金屬層電連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單片集成式MEMS芯片，其特征在于:金屬焊塊上植有焊球。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單片集成式MEMS芯片，其特征在于:所述導電柱為Si導電柱。
【文檔編號】B81C1/00GK103523745SQ201310497005
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月21日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月21日
【發(fā)明者】華亞平 申請人:安徽北方芯動聯(lián)科微系統(tǒng)技術(shù)有限公司