疊層組合式mems芯片的制造方法及其疊層組合式mems芯片的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種疊層組合式MEMS芯片及其制造方法，首先制造第一MEMS圓片和硅穿孔圓片，將第一MEMS圓片和硅穿孔圓片鍵合得到密封圓片，在密封圓片上制作絕緣層和金屬層形成金屬化密封圓片，將第二MEMS圓片鍵合到金屬化密封圓片上得到疊層組合式MEMS圓片，最后切割疊層組合式MEMS圓片得到疊層組合式MEMS芯片。本方法充分利用硅穿孔圓片的面積，在其上下兩側(cè)各形成至少一個(gè)上密封腔和至少一個(gè)下密封腔，密封腔內(nèi)有MEMS結(jié)構(gòu)，密封腔內(nèi)的MEMS結(jié)構(gòu)的信號(hào)通過(guò)金屬層引出，在他們的信號(hào)線之間有屏蔽金屬層用于隔離不同MEMS結(jié)構(gòu)電信號(hào)之間的干擾。本方法的疊層組合式MEMS芯片，可以滿足組合式運(yùn)動(dòng)傳感器芯片對(duì)不同壓力的要求，而且本芯片體積小、集成度高、設(shè)計(jì)靈活、成本低。
【專利說(shuō)明】疊層組合式MEMS芯片的制造方法及其疊層組合式MEMS芯
片
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于MEMS芯片制造【技術(shù)領(lǐng)域】，具體是涉及一種疊層組合式MEMS芯片，本發(fā)明還涉及這種疊層組合式MEMS芯片的制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems)是微機(jī)電系統(tǒng)的縮寫(xiě)，MEMS 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)、國(guó)防工業(yè)(如智能炸彈、導(dǎo)彈、航空航天、無(wú)人飛機(jī)等)以及工業(yè)類產(chǎn)品(如汽車(chē)、機(jī)器人、智能交通、工業(yè)自動(dòng)化、環(huán)境監(jiān)測(cè)、平臺(tái)穩(wěn)定控制、現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)、安全監(jiān)控等)，MEMS元器件逐漸成為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基石。
[0003]隨著便攜式電子產(chǎn)品，如手機(jī)、平板電腦等市場(chǎng)的迅猛增長(zhǎng)，消費(fèi)類電子產(chǎn)品已成為MEMS元器件的最大市場(chǎng)，幾乎每個(gè)便攜式電子產(chǎn)品中都會(huì)用到多個(gè)MEMS元器件，以智能手機(jī)為例，它用到了陀螺儀、加速度計(jì)、高度計(jì)、麥克風(fēng)、電子指南針、調(diào)諧天線、濾波器等。隨著市場(chǎng)對(duì)MEMS元器件的要求越來(lái)越嚴(yán)格，既要體積小、性能高，又要價(jià)格低、組合式MEMS元器件，特別是組合式MEMS運(yùn)動(dòng)傳感器的市場(chǎng)份額越來(lái)越大。組合式MEMS元器件是將二種或二種以上的MEMS元器件的功能集中在一個(gè)元器件中，如陀螺儀+加速度計(jì)、加速度計(jì)+電子指南針、陀螺儀+加速度計(jì)+電子指南針等組合式運(yùn)動(dòng)傳感器，它們大多是將獨(dú)立的MEMS芯片通過(guò)封裝的辦法組合而成的，也有直接將三軸加速度計(jì)和三軸陀螺儀芯片做在同一個(gè)MEMS芯片中的，這就是組合式MEMS運(yùn)動(dòng)傳感器芯片。但現(xiàn)有產(chǎn)品中，不同的MEMS結(jié)構(gòu)都是制作在同一 MEMS層上，即加速度計(jì)和陀螺儀，或者二個(gè)量程不同的陀螺儀水平方向排列，如Invensense、Bosch、STMicroelectronics等的產(chǎn)品，由于不同的MEMS結(jié)構(gòu)利用同
一MEMS層制作，設(shè)計(jì)靈活性差，而且，MEMS陀螺儀和加速度計(jì)的工作原理不一樣，陀螺儀在較低壓力下工作性能最佳，一般在0.001大氣壓以下，而加速度計(jì)在較高壓力下工作性能最佳，一般在0.1大氣壓以上，這就要求MEMS芯片同時(shí)滿足兩者需求，即將MEMS陀螺儀結(jié)構(gòu)制作在較低氣壓中，將MEMS加速度計(jì)結(jié)構(gòu)制作在較高的氣壓中。現(xiàn)有的雙壓力MEMS芯片圓片級(jí)封裝方法由德國(guó) 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，是在一個(gè)密封腔中制作有吸氣劑，在另一個(gè)密封腔中沒(méi)有吸氣劑，當(dāng)他們?cè)趫A片鍵合時(shí)密封腔中封入活性氣體和惰性氣體的混合物，然后加熱后處理，有吸氣劑的密封腔內(nèi)的活性氣體被吸收，只剩下惰性氣體，內(nèi)部壓力較低，根據(jù)混合氣體的比例不同，壓力可接近真空；而沒(méi)有吸氣劑的密封腔內(nèi)活性氣體不會(huì)被吸收，氣體壓力不會(huì)變化，壓力較高，這樣達(dá)成雙壓力圓片級(jí)封裝目的，此方法需要用到吸氣劑，而且吸氣劑還需要圖形化，成本較高。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種疊層組合式MEMS芯片的制造方法，以滿足組合式MEMS芯片中不同的MEMS結(jié)構(gòu)對(duì)不同氣壓、不同材料的要求；以及便攜式電子產(chǎn)品對(duì)元器件體積最小化的要求。
[0005]本發(fā)明要解決的另一個(gè)技術(shù)問(wèn)題是提供一種疊層組合式MEMS芯片，該芯片不需要在密封腔內(nèi)放入吸氣劑，就可以滿足組合式運(yùn)動(dòng)傳感器芯片對(duì)不同壓力的要求，而且本芯片尺寸小、集成度高、成本低、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)。
[0006]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種疊層組合式MEMS芯片的制造方法，包括以下步驟:
(I)第一 MEMS圓片形成:底板圓片的材料為〈100〉晶向的單晶硅，通過(guò)一般的半導(dǎo)體加工技術(shù)，在底板圓片上表面生長(zhǎng)底板絕緣層，其材料為二氧化硅，通過(guò)涂膠，曝光、顯影，蝕刻等半導(dǎo)體加工工藝在底板表面上蝕刻出至少一個(gè)底板凹腔，底板上表面未被蝕刻的部分成為底板密封區(qū)和第一硅柱，在所述第一硅柱和底板密封區(qū)表面上都有底板絕緣層保留；將一片雙面拋光的重?fù)健?00〉晶向的單晶硅圓片通過(guò)硅-二氧化硅鍵合工藝鍵合到底板圓片上表面上，作為第一 MEMS層圓片，由于底板圓片上有底板絕緣層，所以底板圓片與單晶硅圓片之間沒(méi)有電聯(lián)接；由于鍵合工藝的要求，單晶硅圓片厚度一般在350— 750微米，比設(shè)計(jì)要求的厚，所以需通過(guò)磨削、拋光工藝將其厚度降低至設(shè)計(jì)要求的厚度，一般在10—100微米，形成第一 MEMS層，然后通過(guò)深硅蝕刻工藝蝕刻第一 MEMS層，形成第一 MEMS密封區(qū)、第一 MEMS結(jié)構(gòu)和第一 MEMS導(dǎo)電區(qū)，這樣就完成第一 MEMS圓片的制造。
[0007](2)硅穿孔圓片形成:在硅穿孔圓片襯底上通過(guò)深硅蝕刻工藝蝕刻出隔離溝，通過(guò)半導(dǎo)體加工工藝生長(zhǎng)二氧化硅填滿隔離溝，形成二氧化硅隔離層；在硅穿孔圓片襯底的正面蝕刻出第一凹腔，同時(shí)，硅穿孔圓片襯底正面未被蝕刻的部分形成導(dǎo)電鍵合區(qū)和密封鍵合區(qū)；濕法蝕刻除去隔離溝外的二氧化硅，就完成了硅穿孔圓片的制造，硅穿孔圓片襯底的材料是雙面拋光的重?fù)健?00〉晶向的單晶硅，具有良好的導(dǎo)電性能。
[0008](3)密封圓片形成:將硅穿孔圓片正面的圖形對(duì)準(zhǔn)第一 MEMS圓片的第一 MEMS層的圖形，在設(shè)定氣壓的鍵合設(shè)備中進(jìn)行硅-硅鍵合，將硅穿孔圓片和第一 MEMS圓片鍵合在一起，形成密封圓片，其中，第一凹腔成為第一垂直電極間距，底板凹腔與第一凹腔共同組成下密封腔，第一 MEMS結(jié)構(gòu)位于下密封腔內(nèi)。
[0009](4)金屬化密封圓片形成:磨削密封圓片中的硅穿孔圓片背面，露出隔離溝，硅穿孔圓片被隔離溝分割為第一垂直電極、密封區(qū)和硅導(dǎo)電柱；
在淀積第一絕緣層覆蓋硅穿孔圓片，在第一絕緣層上蝕刻出第一通孔，淀積第一金屬層覆蓋第一絕緣層，同時(shí)填充第一通孔，通過(guò)蝕刻工藝圖形化第一金屬層，得到第一金屬線和壓焊塊，第一金屬線與第一 MEMS結(jié)構(gòu)就有了電聯(lián)接，第一 MEMS結(jié)構(gòu)的信號(hào)就可以通過(guò)與硅導(dǎo)電柱相連的第一金屬層引出；
由于第一 MEMS結(jié)構(gòu)和第二 MEMS結(jié)構(gòu)可能有不同的工作原理，為避免二者間的電信號(hào)干擾，還需要一層金屬來(lái)將它們的電信號(hào)加以屏蔽，所以需要在第一金屬層上淀積第二絕緣層，在第二絕緣層蝕刻出第二通孔，再淀積第二金屬層覆蓋第二絕緣層，同時(shí)填充第二通孔，然后通過(guò)蝕刻工藝圖形化第二金屬層，得到第二金屬線和屏蔽區(qū)，第二金屬線與第一金屬線間就有了電聯(lián)接，第一金屬線一端連接壓焊塊，第二金屬線與壓焊塊間就有了電聯(lián)接；在第二金屬層上淀積第三絕緣層，蝕刻第三絕緣層形成第三通孔，在第三絕緣層上淀積第三金屬層，同時(shí)第三通孔也被填充，通過(guò)蝕刻工藝圖形化第三金屬層，得到第三金屬線、第二垂直電極和金屬密封區(qū)，第三金屬層與第二金屬層就有了電連接；最后通過(guò)蝕刻工藝將覆蓋在壓焊塊上的第二絕緣層和第三絕緣層除去，形成壓焊窗，露出壓焊塊，就制造完成金屬化密封圓片。
[0010](5)第二 MEMS圓片形成:第二 MEMS圓片的制造方法與第一 MEMS圓片的制造方法類似，通過(guò)一般的半導(dǎo)體加工技術(shù)，在以〈100〉晶向的單晶硅為材料的蓋板圓片上表面生長(zhǎng)蓋板絕緣層，蓋板絕緣層的材料是二氧化硅，然后通過(guò)涂膠，曝光、顯影，蝕刻等半導(dǎo)體加工工藝蝕刻出至少一個(gè)蓋板凹腔，蓋板上表面未被蝕刻的部分成為蓋板密封區(qū)和第二硅柱；
將一片雙面拋光的重?fù)健?00〉晶向的單晶硅圓片通過(guò)硅-二氧化硅鍵合工藝鍵合到蓋板圓片第二硅柱和蓋板密封區(qū)上，作為第二 MEMS層圓片，由于第二硅柱和蓋板密封區(qū)表面上都有蓋板絕緣層，第二 MEMS層圓片與蓋板圓片間沒(méi)有電連接；由于鍵合工藝的要求，需通過(guò)磨削、拋光工藝將第二 MEMS層圓片磨削到厚度在10 —100 Mm之間，形成第二 MEMS層，第二 MEMS層的厚度可以與第一 MEMS層的厚度不同，也可以相同；在第二 MEMS層上對(duì)應(yīng)蓋板凹腔處蝕刻出第二凹腔，為第二 MEMS結(jié)構(gòu)提供自由活動(dòng)的空間以及作為第二垂直電極間距；最后通過(guò)深硅蝕刻工藝蝕刻第二 MEMS層，形成第二 MEMS密封區(qū)、第二 MEMS結(jié)構(gòu)和第
二MEMS導(dǎo)電區(qū)，這樣，就完成第二 MEMS圓片的制造；
(6)疊層組合式MEMS圓片形成:將第二 MEMS圓片的蓋板表面朝上，第二 MEMS導(dǎo)電區(qū)和第二 MEMS密封區(qū)分別對(duì)準(zhǔn)金屬化密封圓片的第三金屬線和金屬密封區(qū)，在設(shè)定氣壓的鍵合設(shè)備內(nèi)進(jìn)行硅-金屬鍵合，形成疊層組合式MEMS圓片，其中第二凹腔與蓋板凹腔共同組成上密封腔，第二 MEMS結(jié)構(gòu)位于上密封腔內(nèi)，第二 MEMS層與金屬化密封圓片上的第二垂直電極間形成第二垂直電極間距，用于感應(yīng)第二 MEMS結(jié)構(gòu)在垂直方向的運(yùn)動(dòng)，所述上密封腔內(nèi)的氣壓可以與下密封腔內(nèi)的氣壓不同，也可以相同，至此，疊層組合式MEMS圓片制造完成。
[0011](7)疊層組合式MEMS芯片形成:為將圓片切割成芯片，首先控制切割刀的深度，將疊層組合式MEMS圓片中位于壓焊塊上方的第二MEMS圓片切割掉，露出壓焊塊；然后通過(guò)普通的圓片切割工藝切割疊層組合式MEMS圓片，得到疊層組合式MEMS芯片。
[0012]本發(fā)明的疊層組合式MEMS芯片的制造方法，充分利用硅穿孔圓片的面積，在其上下兩側(cè)各形成至少一個(gè)上密封腔和至少一個(gè)下密封腔，每個(gè)密封腔內(nèi)至少有一個(gè)MEMS結(jié)構(gòu)，上下密封腔內(nèi)的MEMS結(jié)構(gòu)的信號(hào)通過(guò)金屬層引出，在他們的信號(hào)線之間有屏蔽金屬層用于隔離不同MEMS結(jié)構(gòu)的電信號(hào)之間的干擾。利用本發(fā)明的方法制造的疊層組合式MEMS芯片，上下密封腔內(nèi)的氣壓可以不同也可以相同，上下MEMS結(jié)構(gòu)可以采用不同的厚度，具有體積小，設(shè)計(jì)靈活，成本低的優(yōu)勢(shì)。
[0013]為解決本發(fā)明的另一個(gè)技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種疊層組合式MEMS芯片，由底板、第一 MEMS層、硅穿孔集成層、第二 MEMS層和蓋板組成，底板上至少有一個(gè)底板凹腔，蓋板上至少有一個(gè)蓋板凹腔，底板凹腔與硅穿孔集成層形成至少一個(gè)下密封腔，蓋板凹腔與硅穿孔集成層形成至少一個(gè)上密封腔，二個(gè)密封腔的內(nèi)部氣壓不同，第一 MEMS結(jié)構(gòu)位于下密封腔內(nèi)，第二 MEMS結(jié)構(gòu)位于上密封腔內(nèi)，底板與第一 MEMS層間有底板絕緣層隔離，蓋板與第二 MEMS層間有蓋板絕緣層隔離；所述硅穿孔集成層包括硅穿孔層、至少一層絕緣層和至少一層金屬層，所述硅穿孔層上有隔離溝，隔離溝內(nèi)填充隔離層，硅穿孔層被隔離溝分為密封鍵合區(qū)、第一垂直電極和硅導(dǎo)電柱，密封鍵合區(qū)和硅導(dǎo)電柱都與第一 MEMS層直接鍵合，第一垂直電極與第一 MEMS結(jié)構(gòu)間存在第一垂直電極間距；所述硅穿孔層上積淀有絕緣層，絕緣層內(nèi)開(kāi)有通孔，金屬層分布在絕緣層上并同時(shí)填充在通孔內(nèi)。所述第一 MEMS層包括第一 MEMS鍵合區(qū)、第一 MEMS結(jié)構(gòu)和第一 MEMS導(dǎo)電區(qū)，第一 MEMS鍵合區(qū)與密封鍵合區(qū)鍵合，第一 MEMS導(dǎo)電區(qū)與硅導(dǎo)電柱鍵合。所述絕緣層有三層，分別為第一絕緣層、第二絕緣層和第三絕緣層,所述金屬層有三層，分別為第一金屬層、第二金屬層和第三金屬層,第一絕緣層覆蓋在硅穿孔層上，第一絕緣層內(nèi)開(kāi)有第一通孔，第一金屬層分布在第一絕緣層上并同時(shí)填充在第一通孔內(nèi)，第一金屬層用于引出第一 MEMS結(jié)構(gòu)的電信號(hào)，同時(shí)還作為壓焊塊引出第一 MEMS結(jié)構(gòu)和第二 MEMS結(jié)構(gòu)的電信號(hào)；第二絕緣層淀積在第一金屬層上，第二絕緣層內(nèi)開(kāi)有第二通孔，第二金屬層覆蓋在第二絕緣層上并同時(shí)填充在第二通孔內(nèi)，第二金屬層用于屏蔽第一金屬層與第三金屬層間的電信號(hào)干擾，同時(shí)用于連接第三金屬層和第一金屬層；第二金屬層上淀積第三絕緣層，第三絕緣層內(nèi)開(kāi)有第三通孔，第三金屬層覆蓋在第三絕緣層上并同時(shí)填充在第三通孔內(nèi)，第三金屬層用于引出第二 MEMS結(jié)構(gòu)的電信號(hào)，同時(shí)用于圍成上密封腔，第三金屬層的第二垂直電極部分與第二 MEMS結(jié)構(gòu)間存在第二垂直電極間距。所述第一金屬層按功能分為第一金屬線和壓焊塊，第一金屬線通過(guò)第一通孔與第一垂直電極和硅導(dǎo)電柱電聯(lián)接，壓焊塊裸露在第二絕緣層外。所述第二金屬層按功能分為第二金屬線和屏蔽區(qū)，第二金屬線通過(guò)第二通孔與第一金屬線電聯(lián)接，第一金屬線一端與壓焊塊連接。所述第三金屬層按功能分為第三金屬線、金屬密封區(qū)和第二垂直電極，第三金屬線與第二 MEMS層電聯(lián)接，第二垂直電極通過(guò)第三通孔與第二金屬線電聯(lián)接，金屬密封區(qū)與第二 MEMS層直接鍵合。
[0014]本發(fā)明的疊成組合式MEMS芯片具有至少一個(gè)上密封腔和至少一個(gè)下密封腔，上下密封腔相互獨(dú)立且疊置設(shè)置，上下密封腔內(nèi)的氣壓可以不同也可以相同，不同的MEMS結(jié)構(gòu)分別位于上下密封腔內(nèi)，之間用金屬層來(lái)屏蔽信號(hào)干擾，不同的MEMS結(jié)構(gòu)制作在同一MEMS芯片內(nèi)，可以同時(shí)滿足不同集成式MEMS元器件的要求，而且具有體積小，設(shè)計(jì)靈活，成本低。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1是底板圓片的剖面圖。
[0016]圖2是第一 MEMS圓片的剖面圖。
[0017]圖3是硅穿孔圓片的剖面圖。
[0018]圖4是密封圓片的剖面圖。
[0019]圖5是形成第一金屬層的密封圓片的剖面圖。
[0020]圖6是形成第二金屬層的密封圓片的剖面圖。
[0021]圖7是壓焊塊側(cè)金屬布線俯視圖。
[0022]圖8是形成第三金屬層的密封圓片的剖面圖。
[0023]圖9是鍵合有第二 MEMS層的蓋板圓片的剖面圖。[0024]圖10是第二 MEMS圓片的剖面圖。
[0025]圖11是疊層組合式MEMS圓片的剖面圖。
[0026]圖12是切割掉第二 MEMS圓片的疊層組合式MEMS圓片的剖面圖。
[0027]圖13是疊層組合式MEMS芯片的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0029]實(shí)施例一
疊層組合式MEMS芯片的制造方法，包括以下步驟:
(I)第一 MEMS圓片100A形成:
底板圓片IOlA的材料為〈100〉晶向的單晶硅，通過(guò)一般的半導(dǎo)體加工技術(shù)，在底板圓片IOlA上生長(zhǎng)底板絕緣層102，底板絕緣層102材料為二氧化硅，通過(guò)涂膠，曝光、顯影，蝕刻等半導(dǎo)體加工工藝在底板圓片IOlA上表面蝕刻出一個(gè)底板凹腔103a，底板圓片IOlA上表面未蝕刻掉的部分成為第一娃柱IOla和底板密封區(qū)IOlb,如圖1所不,在所述第一娃柱IOla和底板密封區(qū)IOlb表面都帶有底板絕緣層102 ;底板凹腔103a由右半部和左半部組成，左半部和右半部是相通的，第一硅柱IOla被底板凹腔103a包圍；
將一片雙面拋光的重?fù)健?00〉晶向的單晶硅圓片通過(guò)硅-二氧化硅鍵合工藝鍵合到底板圓片IOlA上表面上,形成第一鍵合面，由于底板圓片IOlA上表面有底板絕緣層102,所以第一鍵合面只提供機(jī)械連接力，不提供電聯(lián)接通道，底板圓片IOlA與單晶硅圓片之間沒(méi)有電聯(lián)接；由于鍵合工藝的要求，雙面拋光的重?fù)健?00〉晶向的單晶硅圓片厚度一般在350—750微米，比設(shè)計(jì)要求的第一 MEMS層104厚，所以需通過(guò)磨削、拋光工藝將其厚度降低到設(shè)計(jì)要求的厚度，一般在10 —100微米，形成第一 MEMS層104，然后通過(guò)深硅蝕刻工藝蝕刻第一 MEMS層104，形成第一 MEMS密封區(qū)104a、第一 MEMS結(jié)構(gòu)104b和第一 MEMS導(dǎo)電區(qū)104c，這樣就制造完成第一 MEMS圓片100A，如圖2所示。
[0030](2)硅穿孔圓片200A形成:
在硅穿孔圓片襯底201上通過(guò)深硅蝕刻工藝蝕刻出隔離溝202，通過(guò)半導(dǎo)體加工工藝生長(zhǎng)二氧化硅，將隔離溝202填滿，形成二氧化硅隔離層；在硅穿孔圓片襯底201的正面蝕刻出第一凹腔203a，硅穿孔圓片襯底201正面未被蝕刻的部分形成密封鍵合區(qū)201a和導(dǎo)電鍵合區(qū)201b ;濕法蝕刻除去隔離溝202外的二氧化硅，就完成了硅穿孔圓片200A的制造，如圖3所示。硅穿孔圓片襯底201的材料是雙面拋光的重?fù)健?00〉晶向的單晶硅，具有良好的導(dǎo)電性能。
[0031](3)密封圓片300A形成:
將硅穿孔圓片200A正面的圖形對(duì)準(zhǔn)第一 MEMS圓片100A的第一 MEMS層104的圖形，在設(shè)定氣壓的鍵合設(shè)備中進(jìn)行硅-硅鍵合，通過(guò)第二鍵合面將硅穿孔圓片200A和第一MEMS圓片100A鍵合在一起，形成下密封腔103和第一垂直電極間距203，如圖4所示，第一 MEMS結(jié)構(gòu)104b位于下密封腔103內(nèi)，這樣就完成了密封圓片300A的制造。第二鍵合面既提供了機(jī)械連接力，也提供了導(dǎo)電通道。
[0032](4)金屬化密封圓片400A形成:
首先磨削密封圓片300A中的硅穿孔圓片200A背面，直至露出隔離溝202背面，這樣，硅穿孔圓片200A就被隔離溝202分割為第一垂直電極201d、密封鍵合區(qū)201c和硅導(dǎo)電柱201e ;然后淀積第一絕緣層401覆蓋硅穿孔圓片200A，在所述第一絕緣層401上蝕刻出第一通孔402，再淀積第一金屬層403覆蓋第一絕緣層401以及填充第一通孔402，并通過(guò)蝕刻工藝圖形化所述第一金屬層403，得到第一金屬線403a以及壓焊塊403b，如圖5所示；這樣，第一金屬線403a與第一 MEMS結(jié)構(gòu)104b就有了電聯(lián)接。
[0033]由于兩層MEMS結(jié)構(gòu)可以有不同的工作原理,為避免二者間的電信號(hào)干擾，需要一層金屬層來(lái)將它們的電信號(hào)加以屏蔽，首先在第一金屬層403上淀積第二絕緣層404，在第二絕緣層404上蝕刻出第二通孔405，再淀積第二金屬層406覆蓋第二絕緣層404以及填充第二通孔405，并通過(guò)蝕刻工藝圖形化第二金屬層406，得到屏蔽區(qū)406b和第二金屬線406a,如圖6所不；這樣，第二金屬線406a與第一金屬線403a就有了電聯(lián)接。圖6中M部是壓焊塊側(cè)的金屬布線區(qū)，其俯視圖如圖7所示，第一金屬線403a通過(guò)第一通孔402與硅導(dǎo)電柱201e電聯(lián)接,第二金屬線406a通過(guò)第二通孔405與第一金屬線403a電聯(lián)接,第一金屬線403a的一端連接壓焊塊403b，這樣，第二金屬線406a就與壓焊塊403b電連接。
[0034]如圖6所示的第二金屬層406上淀積第三絕緣層407，在第三絕緣層407上蝕刻出第三通孔408，再淀積第三金屬層409覆蓋第三絕緣層407，以及填充第三通孔408，并通過(guò)蝕刻工藝圖形化第三金屬層409，得到第二垂直電極409c、第三金屬線409a和金屬密封區(qū)409b，如圖8所示，這樣，第三金屬層409通過(guò)第三通孔408與第二金屬層406有了電聯(lián)接；最后通過(guò)蝕刻工藝將覆蓋在壓焊塊403b上的第二絕緣層404和第三絕緣層407除去，形成壓焊窗，露出壓焊塊403b，制造完成金屬化的密封圓片400A，如圖8所示；所述硅穿孔圓片200A、第一絕緣層401、第一金屬層403、第二絕緣層404、第二金屬層406、第三絕緣層407和第三金屬層409構(gòu)成了硅穿孔集成層410。
[0035](5 )第二 MEMS 圓片 500A 形成:
第二 MEMS圓片500A的制造方法與第一 MEMS圓片100A的制造方法類似，以〈100〉晶向的單晶硅作為蓋板圓片501A的材料，通過(guò)一般的半導(dǎo)體加工技術(shù)，在蓋板圓片501A上生長(zhǎng)蓋板絕緣層502，蓋板絕緣層502的材料為二氧化硅，然后通過(guò)涂膠，曝光、顯影，蝕刻等半導(dǎo)體加工工藝，蝕刻出蓋板凹腔503a，蓋板圓片501A上表面未被蝕刻的部分成為蓋板密封區(qū)501a和第二硅柱501b ;在所述第二硅柱501b和蓋板密封區(qū)501a表面都帶有蓋板絕緣層502 ;蓋板凹腔503a由左半部和右半部組成，第二硅柱501b被蓋板凹腔503a包圍；然后將一片雙面拋光的重?fù)健?00〉晶向的單晶硅圓片通過(guò)硅-二氧化硅鍵合工藝鍵合到蓋板圓片501A第二娃柱501b和蓋板密封區(qū)501a上,形成第三鍵合面，由于第二娃柱501b和蓋板密封區(qū)501a上有蓋板絕緣層502，所以第三鍵合面只提供機(jī)械連接力，不提供電聯(lián)接通道，單晶硅圓片與蓋板圓片501A間沒(méi)有電連接；由于鍵合工藝的要求，雙面拋光的單晶硅圓片厚度一般在350— 750微米，比設(shè)計(jì)要求的第二 MEMS層504厚，所以需通過(guò)磨削、拋光工藝將其厚度降低到設(shè)計(jì)要求的厚度，一般在10 —100微米，形成第二MEMS層504，如圖9所示，所述第二 MEMS層504的厚度可以與第一 MEMS層104的厚度不同，也可以相同。
[0036]然后在第二 MEMS層504上對(duì)應(yīng)蓋板凹腔503a處蝕刻出第二凹腔505a ;最后通過(guò)深硅蝕刻工藝蝕刻第二 MEMS層504，形成第二 MEMS結(jié)構(gòu)504b、第二 MEMS導(dǎo)電區(qū)504c以及第二 MEMS密封區(qū)504a，這樣就制造完成第二 MEMS圓片500A，如圖10所示。
[0037](6)疊層組合式MEMS圓片600A形成: 將第二 MEMS圓片500A的蓋板圓片50IA表面朝上，第二 MEMS導(dǎo)電區(qū)504c和第二 MEMS密封區(qū)504a分別對(duì)準(zhǔn)金屬化密封圓片400A上第三金屬線409a和金屬密封區(qū)409c的圖形，在設(shè)定氣壓的鍵合設(shè)備內(nèi)進(jìn)行硅-金屬鍵合，形成上密封腔503、第二垂直電極間距505以及壓焊區(qū)密封腔，所述上密封腔503內(nèi)的氣壓可以與下密封腔103內(nèi)的氣壓不同，也可以相同；所述第四鍵合面除了提供機(jī)械連接力外，還為第二MEMS結(jié)構(gòu)504b與第三金屬層409提供了電信號(hào)通道；至此，疊層組合式MEMS圓片600A制造完成，如圖11所示。
[0038](7 )疊層組合式MEMS芯片700形成:
為將圓片切割成芯片，首先控制切割刀的深度，將疊層組合式MEMS圓片600A中位于壓焊塊403b上方的第二 MEMS圓片500A部分切割掉，形成第一切割面，露出壓焊塊403b，如圖12所示。
[0039]最后通過(guò)普通的圓片切割工藝切割疊層組合式MEMS圓片600A，得到疊層組合式MEMS芯片700，如圖13所示。
[0040]實(shí)施例二
實(shí)施例一制得的疊層組合式MEMS芯片700，如圖13所示，由底板101、第一MEMS層104、硅穿孔集成層410、第二 MEMS層504和蓋板501組成，底板101上有一個(gè)底板凹腔103a，蓋板上有一個(gè)蓋板凹腔503a，底板凹腔103a與硅穿孔集成層410形成一個(gè)下密封腔103，蓋板凹腔503a與硅穿孔集成層410形成一個(gè)上密封腔503，二個(gè)密封腔的內(nèi)部氣壓不同，所述第一 MEMS層104包括第一 MEMS鍵合區(qū)104a、第一 MEMS結(jié)構(gòu)104b和第一 MEMS導(dǎo)電區(qū)104c，第一 MEMS結(jié)構(gòu)104b位于下密封腔103內(nèi)，所述第二 MEMS層504包括第一 MEMS鍵合區(qū)504a、第一 MEMS結(jié)構(gòu)504b和第一 MEMS導(dǎo)電區(qū)504c，第二 MEMS結(jié)構(gòu)504b位于上密封腔503內(nèi)，底板101與第一 MEMS層104間有底板絕緣層102隔離，蓋板501與第二 MEMS層504間有蓋板絕緣層502隔離；所述硅穿孔集成層410包括硅穿孔層200、第一絕緣層401、第一金屬層403、第二絕緣層404、第二金屬層406、第三絕緣層407和第三金屬層409,所述硅穿孔層200上有隔離溝202，隔離溝202內(nèi)填充二氧化硅隔離層，硅穿孔層200被隔離溝202分為密封鍵合區(qū)201c、第一垂直電極201d和硅導(dǎo)電柱201e，密封鍵合區(qū)201c和硅導(dǎo)電柱201e都與第一 MEMS層104直接鍵合，第一垂直電極201d與第一 MEMS結(jié)構(gòu)104b間存在第一垂直電極間距203 ;第一絕緣層401覆蓋在硅穿孔層200上，第一絕緣層401內(nèi)開(kāi)有第一通孔402，第一金屬層分布在第一絕緣層401上并同時(shí)填充在第一通孔402內(nèi)，第一金屬層按功能分為第一金屬線403a和壓焊塊403b，第一金屬線403a通過(guò)第一通孔402與第一垂直電極201d和娃導(dǎo)電柱201e電聯(lián)接,壓焊塊403b裸露在第二絕緣層404外,第一金屬層用于引出第一 MEMS結(jié)構(gòu)104b的電信號(hào)，同時(shí)還作為壓焊塊403b引出第一 MEMS結(jié)構(gòu)104b和第二 MEMS結(jié)構(gòu)504b的電信號(hào)；第二絕緣層404淀積在第一金屬層上，第二絕緣層404內(nèi)開(kāi)有第二通孔405，第二金屬層覆蓋在第二絕緣層404上并同時(shí)填充在第二通孔405內(nèi)，第二金屬層按功能分為第二金屬線406a和屏蔽區(qū)406b,第二金屬線406a通過(guò)第二通孔405與第一金屬線403a電聯(lián)接,第二金屬層用于屏蔽第一金屬層與第三金屬層間的電信號(hào)干擾，同時(shí)用于連接第三金屬層和第一金屬層；第二金屬層上淀積第三絕緣層407，第三絕緣層407內(nèi)開(kāi)有第三通孔408，第三金屬層覆蓋在第三絕緣層407上并同時(shí)填充在第三通孔408內(nèi)，第三金屬層按功能分為第三金屬線409a、金屬密封區(qū)409c和第二垂直電極409b,第三金屬線409a與第二 MEMS層504間電聯(lián)接，第二垂直電極409b通過(guò)第三通孔408與第二金屬線406a電聯(lián)接，金屬密封區(qū)409c與第二 MEMS層504直接鍵合，第三金屬層用于引出第二 MEMS結(jié)構(gòu)504b的電信號(hào)，同時(shí)用于圍成上密封腔503,第三金屬層的第二垂直電極部分與第二 MEMS結(jié)構(gòu)間存在第二垂直電極間距505。
【權(quán)利要求】
1.疊層組合式MEMS芯片的制造方法，步驟為: (1)第一MEMS圓片形成:在底板圓片上表面生長(zhǎng)底板絕緣層，蝕刻出至少一個(gè)底板凹腔，底板上表面未被蝕刻的部分成為底板密封區(qū)和第一硅柱；將單晶硅圓片鍵合到底板圓片上表面上，作為第一 MEMS層圓片，磨削第一 MEMS層圓片到10 —100 Mm，形成第一 MEMS層，蝕刻第一 MEMS層，形成第一 MEMS密封區(qū)、第一 MEMS結(jié)構(gòu)和第一 MEMS導(dǎo)電區(qū)，這樣，就完成第一 MEMS圓片的制造； (2)硅穿孔圓片形成:在硅穿孔圓片襯底上蝕刻出隔離溝，生長(zhǎng)二氧化硅填滿隔離溝，形成二氧化硅隔離層，然后蝕刻出至少一個(gè)第一凹腔，硅穿孔圓片襯底上未被蝕刻的部分成為導(dǎo)電鍵合區(qū)和密封鍵合區(qū)，最后蝕刻除去隔離溝外的二氧化硅，形成硅穿孔圓片； (3)密封圓片形成:將第一MEMS圓片和硅穿孔圓片在設(shè)定氣壓的鍵合室中對(duì)準(zhǔn)鍵合，形成密封圓片，其中第一凹腔與底板凹腔共同組成下密封腔，第一 MEMS結(jié)構(gòu)位于下密封腔內(nèi)； (4)金屬化密封圓片形成:磨削密封圓片上的硅穿孔圓片，露出隔離溝，硅穿孔圓片被隔離溝分割為第一垂直電極、密封區(qū)和硅導(dǎo)電柱；在硅穿孔圓片上淀積至少一層絕緣層覆蓋硅穿孔圓片，在絕緣層上蝕刻出通孔，淀積金屬層覆蓋絕緣層，同時(shí)填充通孔，然后圖形化金屬層，得到金屬線和圧焊塊，最后將覆蓋在壓焊塊上的絕緣層蝕刻掉，露出壓焊塊，制造完成金屬化密封圓片； (5)第二MEMS圓片形成:在蓋板圓片上表面生長(zhǎng)蓋板絕緣層，蝕刻出至少一個(gè)蓋板凹腔，蓋板上表面未被蝕刻的部分成為蓋板密封區(qū)和第二硅柱；將單晶硅圓片鍵合到蓋板圓片上表面上，作為第二 MEMS層圓片，磨削第二 MEMS層圓片到10 —100 Mm，形成第二 MEMS層，在第二 MEMS層上對(duì)應(yīng)蓋板凹腔處蝕刻出第二凹腔，最后蝕刻第二 MEMS層，形成第二MEMS密封區(qū)、第二 MEMS結(jié)構(gòu)和第二 MEMS導(dǎo)電區(qū)，這樣，就完成第二 MEMS圓片的制造； (6)疊層組合式MEMS圓片形成:將金屬化密封圓片和第二MEMS圓片在設(shè)定氣壓的鍵合設(shè)備內(nèi)對(duì)準(zhǔn)鍵合，形成疊層組合式MEMS圓片，其中第二凹腔與蓋板凹腔共同組成上密封腔，第二 MEMS結(jié)構(gòu)位于上密封腔內(nèi)； (7)疊層組合式MEMS芯片形成:首先疊層組合式MEMS圓片中將壓焊塊上方的第二MEMS圓片切割掉，露出壓焊塊，然后切割疊層組合式MEMS圓片，得到疊層組合式MEMS芯片。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的疊層組合式MEMS芯片的制造方法，其特征在于:步驟(1)中鍵合工藝為硅一二氧化硅鍵合，步驟(3)中鍵合工藝為硅一娃鍵合，步驟(5)中鍵合工藝為硅一二氧化硅鍵合，步驟(6)中鍵合工藝為硅一金屬鍵合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的疊層組合式MEMS芯片的制造方法，其特征在于:步驟(1)和步驟(5)所述的單晶硅圓片和步驟(2)所述的硅穿孔圓片襯底的材料都是雙面拋光的重?fù)?lt;100>晶向的單晶硅。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的疊層組合式MEMS芯片的制造方法，其特征在于:步驟(4)所述的絕緣層有三層，分別為第一絕緣層、第二絕緣層和第三絕緣層，第一絕緣層覆蓋硅穿孔圓片，在第一絕緣層上蝕刻出第一通孔，淀積第一金屬層覆蓋第一絕緣層，同時(shí)填充第一通孔，圖形化第一金屬層，得到第一金屬線和壓焊塊；在第一金屬層上淀積第二絕緣層，在第二絕緣層蝕刻出第 二通孔，再淀積第二金屬層覆蓋第二絕緣層，同時(shí)填充第二通孔，然后圖形化第二金屬層，得到第二金屬線和屏蔽區(qū)；在第二金屬層上淀積第三絕緣層，蝕刻第三絕緣層形成第三通孔，在第三絕緣層上淀積第三金屬層，同時(shí)第三通孔也被填充，圖形化第三金屬層，得到第三金屬線、第二垂直電極和金屬密封區(qū)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的疊層組合式MEMS芯片的制造方法制得的疊層組合式MEMS芯片，其特征在于:由底板、第一 MEMS層、硅穿孔集成層、第二 MEMS層和蓋板組成；底板上至少有一個(gè)底板凹腔，蓋板上至少有一個(gè)蓋板凹腔，底板凹腔與硅穿孔集成層形成至少一個(gè)下密封腔，第一 MEMS結(jié)構(gòu)位于下密封腔內(nèi)，蓋板凹腔與硅穿孔集成層形成至少一個(gè)上密封腔，第二 MEMS結(jié)構(gòu)位于上密封腔內(nèi)，上密封腔和下密封腔內(nèi)氣壓不同，第二MEMS層和第一 MEMS層分別鍵合在硅穿孔集成層上下兩側(cè)； 所述硅穿孔集成層包括硅穿孔層、至少一層絕緣層和至少一層金屬層，所述硅穿孔層上有隔離溝，隔離溝內(nèi)填充隔離層，硅穿孔層被隔離溝分為密封鍵合區(qū)、第一垂直電極和硅導(dǎo)電柱，密封鍵合區(qū)和硅導(dǎo)電柱都與第一 MEMS層直接鍵合，第一垂直電極與第一 MEMS結(jié)構(gòu)間存在第一垂直電極間距；硅穿孔層上積淀有絕緣層，絕緣層內(nèi)開(kāi)有通孔，金屬層分布在絕緣層上并同時(shí)填充在通孔內(nèi)； 第一 MEMS層與 底板之間有底板絕緣層隔離，第二 MEMS層與蓋板之間有蓋板絕緣層隔離。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的疊層組合式MEMS芯片，其特征在于:所述第一MEMS層包括第一 MEMS鍵合區(qū)、第一 MEMS結(jié)構(gòu)和第一 MEMS導(dǎo)電區(qū)，第一 MEMS鍵合區(qū)與密封鍵合區(qū)鍵合，第一 MEMS導(dǎo)電區(qū)與硅導(dǎo)電柱鍵合。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的疊層組合式MEMS芯片，其特征在于:所述絕緣層有三層，分別為第一絕緣層、第二絕緣層和第三絕緣層，所述金屬層有三層，分別為第一金屬層、第二金屬層和第三金屬層，第一絕緣層覆蓋在硅穿孔層上，第一絕緣層內(nèi)開(kāi)有第一通孔，第一金屬層分布在第一絕緣層上并同時(shí)填充在第一通孔內(nèi)；第二絕緣層淀積在第一金屬層上，第二絕緣層內(nèi)開(kāi)有第二通孔，第二金屬層覆蓋在第二絕緣層上并同時(shí)填充在第二通孔內(nèi)；第二金屬層上淀積第三絕緣層，第三絕緣層內(nèi)開(kāi)有第三通孔，第三金屬層覆蓋在第三絕緣層上并同時(shí)填充在第三通孔內(nèi)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的疊層組合式MEMS芯片，其特征在于:所述第一金屬層按功能分為第一金屬線和壓焊塊，第一金屬線通過(guò)第一通孔與第一垂直電極和硅導(dǎo)電柱電聯(lián)接，壓焊塊裸露在第二絕緣層外。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的疊層組合式MEMS芯片，其特征在于:所述第二金屬層按功能分為第二金屬線和屏蔽區(qū)，第二金屬線通過(guò)第二通孔與第一金屬線電聯(lián)接，第一金屬線一端與壓焊塊連接。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的疊層組合式MEMS芯片，其特征在于:所述第三金屬層按功能分為第三金屬線、金屬密封區(qū)和第二垂直電極，第三金屬線與第二 MEMS層電聯(lián)接，第二垂直電極通過(guò)第三通孔與第二金屬線電聯(lián)接，金屬密封區(qū)與第二 MEMS層直接鍵合。
【文檔編號(hào)】B81B7/00GK103922273SQ201410178952
【公開(kāi)日】2014年7月16日 申請(qǐng)日期:2014年4月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月30日
【發(fā)明者】華亞平 申請(qǐng)人:安徽北方芯動(dòng)聯(lián)科微系統(tǒng)技術(shù)有限公司