CN102295266A - 一种获得精密齐整棱边的mems划片方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能获得精密齐整棱边的MEMS划片方法，属于MEMS微细加工和晶圆划片领域。该方法首先在器件周围刻蚀贯通槽7，器件和晶圆间仅通过带裂片凹槽2的支撑梁3连接；而后在贯通槽7外围一定距离处以划片线4为基准实施划片，划片后便在器件周围形成划片保护环1；最后通过冲压或折断实现单个器件和划片保护环1的分离，完成划片。本方法使得划片工艺产生的缺陷通过划片保护环1与器件隔离，能大幅度减少器件的崩角、崩边、微裂纹等缺陷，使器件获得精密齐整的棱边；同时可采用目前最常用的砂轮划片技术，对划切参数并没有特殊要求，工艺效率高；划片保护环、支撑梁和裂片凹槽可以通过MEMS前道工艺同步得到，没有过多地增加工艺难度和工艺成本。

Description

一种获得精密齐整棱边的MEMS划片方法

所属领域：

本发明涉及一种能获得精密齐整棱边的微机电系统(MEMS)划片方法，属于MEMS微细加工和晶圆划片领域。

背景技术：

MEMS加工工艺包括前道工艺和后道工艺。前道工艺一般包括光刻、镀膜、刻蚀和牺牲层工艺，通过前道工艺可以在晶圆上加工出一系列MEMS器件。后道工艺一般指划片、裂片、贴片和键合等工艺，通过后道工艺形成MEMS产品。后道工艺在MEMS产品总费用中占据70％-80％的比例，后道工艺已经成为MEMS生产中的瓶颈。

划片工艺是MEMS后道工艺的第一步，其工艺质量对MEMS产品的质量有着很大的影响。目前MEMS划片工艺主要有砂轮划片、激光划片、干法刻蚀划片。砂轮划片采用超薄金刚石刀片作为划切加工刃具，主轴带动刀片高速旋转，通过强力磨削对各种硬脆材料进行高精度的开槽和分割实现划片。激光划片利用高能激光束照射在工件表面，使被照射区域局部熔化、气化，从而达到划片的目的。干法刻蚀划片是指采用离子束刻蚀(IBE)、反应离子刻蚀(RIE)、感应耦合离子刻蚀(ICP)等干法刻蚀工艺实现将单个器件从晶圆上分离的划片工艺。由于砂轮划片的经济性，目前其仍然是主流的划片工艺。

MEMS器件一般包含可动结构，划片过程中产生的缺陷(例如崩角、崩边、微裂纹等)不仅影响MEMS产品的成品率，同时在器件的工作过程中还可能对器件产生非常不利的影响，引起器件的失效。崩边、崩角产生的颗粒还会对电学组件造成致命污染。因此获得精密齐整的棱边是划片工艺质量的重要指标。

由于砂轮划片采用的是机械磨削原理，机械损伤和缺陷在所难免。一直以来，针对提高划片质量的研究有很多。1)甑万财在“砂轮划片机划切技术的研究”中，对划切中的关键参数(主轴转速、划切速度、基片固定、刀片选择等)进行了系统分析研究，指导性地提出了选择该类参数的方法；2)Jan C.E.Broekroelofs在“Laser separation of semiconductor elementsformed in a wafe of semiconductor material”中提到首先在晶圆上刻蚀浅槽，再通过超声振动裂片的方式实现划片的方法。3)Basil Coleman在“Semiconductor wafer dicing techniques”中提出首先在晶圆正面刻蚀浅槽，再通过背面磨削的方法达到划片的目的。上述方法对改善划片质量起到一定的效果，但由于基本原理仍然是机械式的，其改善效果有限。

激光划片主要应用激光的热效应，由于晶圆是硬脆性的，在激光的热效应下微裂纹、崩边等同样不可避免。Masayoshi Kumagai在“Advanced Dicing Technology for SemiconductorWafer Stealth Dicing”中提出用激光刻蚀的方法在晶圆内部刻蚀不贯通晶圆厚度方向的槽，然后通过热膨胀实现单个器件分离的方法。该方法有效地减少了崩边的缺陷和污染。考虑到激光的热效应，激光划片一般用于超薄的器件加工。

干法刻蚀划片工艺采用MEMS刻蚀工艺，可以得到很好的棱边质量。李晓莹在“基于SOI晶圆的MEMS结构制作及划片方法”中提出采用ICP刻蚀的方法对SOI晶圆的正反两面进行常规的MEMS加工工艺，实现MEMS结构制作与晶圆划片同步完成的方法。该方法对于基于SOI晶圆的微器件的制作来说具有明显的有益效果。由于干法刻蚀具有刻蚀不均匀性，工艺成本高等原因，该方法的使用目前还不普遍。总的来说，通过干法刻蚀实现划片工艺成本高，工艺复杂、工艺效率较低，这些因素限制了其使用。

MEMS器件的棱边质量是其器件质量的重要指标，目前主流的划片工艺——砂轮划片不能满足较高的边角精度要求。激光划片和干法刻蚀划片能获得较精密齐整的棱边，但由于工艺成本高、工艺复杂、工艺效率低，目前并没有得到广泛应用。

发明内容：

本发明的目的是：为克服现有划片工艺中存在的棱边缺陷(崩角、崩边、微裂纹)问题和工艺成本高、工艺复杂、效率低等问题，本发明提出了一种简便且能获得精密齐整棱边的MEMS划片方法。

本发明的技术方案是：一种获得精密齐整棱边的MEMS划片方法，包括如下步骤：

步骤1：在晶圆背面绕器件外围一定距离刻蚀不贯通的背面刻蚀槽11；

步骤2：在晶圆正面做刻蚀，并与步骤1中的背面刻蚀槽11贯通，形成贯通槽7；

贯通槽7将每个器件的大部分边缘与晶圆隔离开，仅通过带裂片凹槽2的支撑梁3和晶圆相连。

步骤3：在步骤2形成的贯通槽7外围一定距离处以划片线4为基准实施划片；

划片后便在器件周围形成了划片保护环1。

步骤4：通过冲压、折断的方法实现单个器件和划片保护环1的分离，完成划片。

由于晶圆是硬脆性的，且工艺过程中制作了裂片凹槽2，此步骤中，将划片保护环1与器件分离时产生的缺陷对器件的影响将很小。

由于器件的棱边质量主要通过MEMS刻蚀工艺保证，将可以得到较高的精密齐整整程度。支撑梁3常常做成矩形，根据工艺要求可以有一个或多个，其作用是连接器件和划片保护环1，对划片保护环1起支撑作用。划片保护环1起保护器件和隔离划片缺陷的作用。裂片凹槽2位于支撑梁3上，根据工艺要求可以有一个或多个，裂片凹槽2的作用是限制裂片部位，减少裂片时产生的缺陷对器件的影响，利用裂片凹槽2可以通过冲压、折断的方法方便地将器件和划片保护环1分离。

本实施例的有益效果是：本发明提出的获得精密齐整棱边的MEMS划片方法，以简单方式达到了如下明显的效果：

(1)能大幅度减少器件的崩角、崩边、微裂纹等缺陷，使器件获得精密齐整的棱边；

由于器件的棱边质量主要依靠MEMS刻蚀工艺保证，质量较高，而划片工艺产生的缺陷则通过划片保护环与器件隔离，将划片保护环与器件分离的裂片工艺产生的缺陷对器件的影响也很小。

(2)采用主流划片技术，工艺简便、经济性好、工艺效率高。

本发明可以采用目前最常用的砂轮划片技术，对划切参数并没有特殊的要求，工艺效率高。划片保护环、支撑梁和裂片凹槽可以通过MEMS前道工艺同步得到，没有过多地增加工艺难度和工艺成本。

附图说明：

图1.实施例一中的相对式硅压阻压力传感器划片示意图

图2.图1的A-A剖视图

图3.实施例二中的压阻表面栅栏式壁面剪应力传感器划片示意图

图4.图3的A-A剖视图

图中：1-划片保护环；2-裂片凹槽；3-支撑梁；4-划片线；5-相对式硅压阻压力传感器；6-压敏电阻；7-贯通槽；8-压敏膜片；9-基座；10-背面刻蚀深腔；11-背面刻蚀槽；12-正面刻蚀浅槽；13-悬臂结构。

具体实施方式：

实施例一：

本实施例中的器件为相对式硅压阻压力传感器，如图1、图2所示。相对式硅压阻压力传感器5由压敏电阻6、压敏膜片8、基座9和导线、焊盘组成。图中没有显示导线和焊盘，因为它们与本发明提出的工艺关联性不高。在压力的作用下，相对式硅压阻压力传感器5上的压敏膜片8发生形变，从而导致制作在压敏膜片8上的压敏电阻6产生变化，输出电信号。工作过程中，由于压敏膜片8发生形变，相对式硅压阻压力传感器5上将产生应力和应变，相对式硅压阻压力传感器5边缘的缺陷将会被放大，有可能引起相对式硅压阻压力传感器5的失效。一般来说，相对式硅压阻式压力传感器的主要工艺流程是制作压敏电阻6——刻蚀背面刻蚀深腔10——制作导线和焊盘——划片——封装。

应用本发明提出的获得精密齐整棱边的MEMS划片方法，对本实施例中的相对式硅压阻压力传感器5进行划片，其步骤如下：

步骤1：在刻蚀背面刻蚀深腔10的同时，绕单个器件外围一定距离刻蚀不贯通的背面刻蚀槽11；

步骤2：在晶圆正面做刻蚀，并与步骤1中的背面刻蚀槽11贯通，形成贯通槽7；

贯通槽7将每个器件的大部分边缘与晶圆隔离开，仅通过带裂片凹槽2的支撑梁3和晶圆相连。

步骤3：在步骤2形成的贯通槽7外围一定距离处以划片线4为基准，采用激光划片技术实施划片；

划片后便在相对式硅压阻压力传感器5的周围形成了划片保护环1。划片过程中的缺陷只会沿划片线4产生，通过划片保护环1的保护、隔离作用使相对式硅压阻压力传感器5不受划片缺陷的影响。

步骤4：通过冲压的方式折断裂片凹槽2，实现单个器件和划片保护环1的分离，完成本实施例中相对式压阻压力传感器5的划片。

由于晶圆材料是硬脆性的且工艺过程中制作了裂片凹槽2，此步骤中，将划片保护环1与相对式硅压阻压力传感器5分离时产生的缺陷对相对式硅压阻压力传感器5的影响将很小。

由于相对式硅压阻压力传感器5的棱边质量主要通过MEMS刻蚀工艺保证，将可以得到较高的棱边质量。

实施例二：

本实施例中的器件为压阻表面栅栏式壁面剪应力传感器，如图3、图4所示。器件由基座9、悬臂结构13、压敏电阻6和导线、焊盘组成。图中没有显示导线和焊盘，因为它们与本发明提出的工艺关联性不高。器件用于测量壁面剪应力时，悬臂结构13将发生弯曲，用于动态测量时悬臂结构13将发生振动。悬臂结构13的形变导致制作在其上的压敏电阻6发生变化，从而输出电信号。一般来说，压阻表面栅栏式壁面剪应力传感器的主要工艺流程是制作压敏电阻6——制作导线和焊盘——刻蚀背面刻蚀深腔10——刻蚀正面刻蚀浅槽12形成悬臂结构13——划片——封装。对于有悬臂结构的器件，砂轮在划切过程中的载荷不是连续的，存在冲击载荷。因此器件的边角往往存在较多的缺陷。器件工作过程中，边缘的缺陷将会被放大，引起器件的失效。

应用本发明提出的获得精密齐整棱边的MEMS划片方法，对本实施例中的压阻表面栅栏式壁面剪应力传感器进行划片，其步骤如下：

步骤1：刻蚀背面刻蚀深腔10；

步骤2：刻蚀正面刻蚀浅槽12，并与步骤1中的背面刻蚀深腔10贯通；

刻蚀背面刻蚀深腔10和正面刻蚀浅槽12的同时还形成了半环形的贯通槽7和裂片凹槽2。因为基座9尺寸较大且不是主要部件，这里不对基座9做划片保护，将划片保护环1做成半环。

步骤3：在步骤2形成的贯通槽7外围一定距离处以划片线4为基准，采用砂轮划片技术实施划片；

砂轮在划切过程中的载荷是连续的，划片后便在器件的周围形成了划片保护环1。划片过程中的缺陷只会沿划片线4产生，通过划片保护环1使器件不受划片缺陷的影响。

步骤4：通过冲压的方式折断裂片凹槽2，实现单个器件和划片保护环1的分离，完成本实施例中压阻表面栅栏式壁面剪应力传感器的划片。

由于晶圆材料是硬脆性的且工艺过程中制作了裂片凹槽2，此步骤中，将划片保护环1与器件分离时产生的缺陷对器件的影响将很小。

由于器件的棱边质量主要通过MEMS刻蚀工艺保证，将可以得到较高的精度。

Claims (1)

1.一种获得精密齐整棱边的MEMS划片方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：在晶圆背面绕器件外围一定距离刻蚀不贯通的背面刻蚀槽(11)；

步骤2：在晶圆正面做刻蚀，并与步骤1中的背面刻蚀槽(11)贯通，形成贯通槽(7)；所述贯通槽(7)将每个器件的大部分边缘与晶圆隔离开，仅通过带裂片凹槽(2)的支撑梁(3)和晶圆相连；

步骤3：在步骤2形成的贯通槽(7)外围一定距离处以划片线(4)为基准实施划片；划片后在器件周围形成了划片保护环(1)；

步骤4：通过冲压或折断的方法实现单个器件和划片保护环(1)的分离，完成划片。

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