CN104555887B - 具有对键合进行保护的微机电器件和制造微机电器件的工艺 - Google Patents

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Abstract

一种微机电器件包括：衬底；键合至衬底并且并入微结构的半导体裸片；位于裸片和衬底之间的粘合膜层；以及位于裸片和膜粘合层之间的保护层。该保护层有开口，并且粘合膜层透过这些开口粘合至保护层。

Description

具有对键合进行保护的微机电器件和制造微机电器件的工艺
技术领域
本公开涉及具有对键合进行保护的微机电器件，以及涉及用于制造微机电器件的工艺。
背景技术
众所周知，近年来已经研发用于在传感器(加速度计、陀螺仪、压力传感器)领域和机械和流体致动(微电机、微泵)领域中的各种不同应用的微机电系统(也被称为MEMS器件)。该类型器件被例如广泛应用于诸如便携式计算机、膝上型笔记本或超极本、PDA平板电脑、蜂窝电话、智能手机、数字音频播放器、照相机或摄像机、以及视频游戏手柄之类便携式电子设备，从而在占用空间、面积和厚度以及消耗水平方面获得显著优势。
在多数情形下，MEMS器件包括具有可移动和/或可变形部分的微结构以及控制器件。控制器件根据情形可以通过测量相关的电学量(例如，具有可移动或者可变形电极的电容器的电容)来读取微结构的机械配置，或者施加电信号以用于引起微结构的受控移动和变形(例如，电容器的可移动电极之间的静电力)。
考虑到相应机械加工工艺显著不同，微结构和控制器件一般用不同半导体裸片制作，并且之后在具有所需电连接的共同的封装中被包封。
控制器件裸片和微结构裸片的组装需要使用粘合材料，并且可以包含晶片级别或者裸片级别的步骤。在前者的情形中，包含微结构的晶片被键合到支撑衬底并且只在之后被分割成裸片，使得每个微结构都已经耦合到相应衬底部分。在后者的情形中，晶片被分割成裸片，单独拾取每个裸片并将其放置在相应支撑物上(“拾取和放置”操作)。
组装可以呈现临界方面，尤其在微结构的情形下。
所使用的粘合材料通常在切片之前以膜的形式直接层叠在包含微结构的晶片上。该技术方案通常优于涂覆胶水，这是因为它产生最佳工艺产出之一。一方面，实际上膜粘合并不要求热固化的步骤，并且因此生产时间较短。另一方面，涂覆的胶水直至固化完成之前并不保证维持适当的定位，因此产生了更高比例的次品。
然而，即使当使用膜粘结时，也会出现一些问题，尤其是当微结构裸片在键合到支撑物的一侧具有宽的空腔或者深沟槽时，如同在麦克风和压力传感器的情形中。在需要使用压力的层叠期间，或者在拾取和放置操作(当替代地产生真空时)期间，粘合剂可能会钻入空腔中直至接触到微结构，从而限制了微结构的移动的自由度。即使在较不严重的情形下，其中粘合剂不与微结构的可移动部件直接接触，空腔中存在的粘合剂可以改变器件的操作。例如，在麦克风中，空腔用作谐振腔，且其特性限定器件的响应。显然，如果空腔中的自由空间部分地被诸如粘合剂之类的外来材料占据，则相比于设计状况以意想不到的方式修改器件的属性。
发明内容
本公开中中的一个或多个涉及微机电器件和制造微机电器件的工艺。一些实施方式可以克服或者至少缓解所述的限制。
根据本公开的一个实施例，微机电器件包括衬底和并入微结构的半导体裸片。裸片粘合至衬底。膜粘合层位于裸片和衬底之间。具有开口的保护层位于裸片和膜粘合层之间。膜粘合层通过保护层的开口将裸片粘合至衬底。
附图说明
为了更好地理解本公开，现在将完全通过非限制性的实施例并且参考附图描述一些实施例，其中：
图1为根据本公开的一个实施例的微机电器件的俯视图；
图2为沿图1中线II-II截取的图1所示的微机电器件的截面图；
图3为图1所示的微机电器件的细节的放大俯视图；
图4为并入图1所示的微机电器件的微机电麦克风的截面图；
图5为在制造图1所示微机电器件的工艺步骤中，并入多个微结构示例的半导体材料的晶片的截面图；
图6所示为图5中的晶片的第一放大细节；
图7所示为图5中的晶片的第二放大细节；
图8为包含了根据本公开的不同实施例的微机电器件的微机电压力传感器的截面图；
图9为图8的微机电器件的细节的放大俯视图；
图10为包含根据本公开的一个实施例的微机电器件的电子系统的简化框图。
具体实施方式
在此将具体参考电声换能器和压力传感器描述本公开的两个实施例。然而，这并不能被视为具有限制性。本公开的一些实施例可以有利地用于包含裸片的任何类型的微机电器件，该裸片并入具有键合到支撑衬底的可移动部件的微结构，该支撑衬底可以是另一半导体裸片，其可能集成控制电路或者不同的衬底，诸如用于集成器件的封装的一部分。另外，这些实施例尤其适用于在微机电器件中使用，其中裸片限定其中容纳微结构的空腔。
图1和图2示出了使用MEMS技术提供的电声换能器，其以参考标记1整体指示。
换能器1包括：第一裸片2，裸片2包括微结构3；第二裸片4，其中已形成集成控制电路或者ASIC(专用集成电路)5。第一裸片2和第二裸片4被键合在一起，如下文更详细说明的那样，第二裸片4也用作第一裸片2的支撑衬底。
第一裸片2具有彼此相对的两个面2a，2b，并且包括连接有微结构3的支撑框架7。支撑框架7和微结构3都是由半导体材料制成，例如单晶硅。
支撑框架7键合到面2b的一侧上并且在其内部限定空空腔8，并且微结构3悬置在空腔8之上。
微结构3形成在第一裸片2的面2a的一侧上，并且通过弹性连接元件10弹性耦合至支撑框架7。连接元件10例如可以由半导体材料的折叠板限定，并且被配置来实现微结构3的相对于平行于第一裸片2的面2a的支撑框架7的相对移动。实践中，连接元件10的连接可以使微结构3保持为以距第二裸片4一段距离来悬置在空腔8之上，并且可以消除或者显著减少引起变形或故障的热应力和机械应力的影响。
微结构3包括可移动框架11，例如具有四边形并且由沿其自身的周界由可移动框架11支撑的可变形的半导体薄膜12。可移动框架11通过连接元件10连接到支撑框架7并且开口，使得薄膜12面对空腔8。此外，薄膜12平行于第一裸片2的面2a。
在一个实施例中，连接元件10和可移动框架11的厚度等于或者小于支撑框架7的厚度。以此方式，连接元件10和可移动框架11在第一裸片2的面2a的一侧上只占据空腔8的一部分。
在与空腔8相对的另一侧上，导电和穿孔的刚性板13面对薄膜12。薄膜12和刚性板13被绝缘间隔体结构14电绝缘，并且限定具有各种电容的检测电容器的相应电极。具体而言，检测电容器的电容由薄膜12的配置决定，其可以响应于压力波形式的声信号而变化。
第二裸片2的面2b通过插入粘合膜层15和保护层16键合到第二裸片4的面4a。粘合薄膜15与第二裸片4的面4a接触，并且保护层16被设置在粘合膜层15和第二裸片的支撑框架7之间。保护层16还延伸到对应于空腔8的整个区域之上，由此限定空腔8本身并且将其与粘合膜层15分开。
保护层16由具有微型开口的材料制成，并且使粘性的粘合膜层15在加压力时穿透，而不从其逸出。实践中，选择保护层16，使得由形成粘合层15的材料在压力下将其穿透，然而该材料由于毛细现象被保留而不从保护层16的微型开口选出。以此方式，第一裸片2可以不适用额外的粘合材料被键合到第二裸片4，而且保护层16防止形成粘合层15的材料穿透进入空腔8，这也将在下面进行更详细的讨论。粘合层15可以为双面胶带。
此外，保护层16由弹力材料制成，使其可以在施加压力时承受变形，并在停止施加压力时返回到静止状态。
例如在图3示出的一个实施例中，保护层16为形成网格18的聚合纤维17的编织材料的层。聚合纤维17可以例如是聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)或者聚醚醚酮(PEEK)的单链。根据形成粘合膜层15的材料的粘性来选择网格18的尺寸，使得粘合膜层15在不逸出的情形下可以穿透。例如，网格18可以是边长为7微米到35微米之间的四边形，边长优选在10微米到27微米之间。
编织材料非常适合，这是因为由网格18限定的微开口尺寸可以简单地选择而且自由幅度很大，并且因为其具有弹性。备选地，保护层16可以由多孔聚合材料薄片制成，例如PET。
如图4所示，对于用于制作麦克风30的集成器件而言，电声换能器1可以被包封在封装20中。这里，仅通过举例的方式，导电连接21被标示在第一裸片2、第二裸片4和封装20的触点22以及限定电声传感器1的声学入口22的开口之间。
根据以下描述制作电声传感器1。如图5所示，通过微加工步骤，在半导体晶片50中形成阵列布置的多个微结构3。
保护层16和粘合膜层15被层叠在晶片50的空腔8所在的面上(因此与微结构3的可移动框架11相对)，在层叠期间，压力部件51(例如滚筒)被用来在粘合膜层15和保护层16上施加相对于晶片50的压力。在这一步骤中，粘合膜层15穿透过保护层16的微开口(即网格18)，并且粘合到晶片50上，从而也保持保护层16(图6)。粘合层15倾向于穿透进入空腔8，从而使保护层16变形(图7)。然而，保护层16保持无法朝空腔8逸出的粘合层15，并且由于其弹性，因此一旦压力部件51的动作终止，则保护层倾向于返回未变形配置(如图7中虚线所示)。
晶片50被分离为多个单独的第一裸片，每个第一裸片包括微结构3以及保护层16和粘合膜层15的相应部分。
单独地加工另一半导体晶片(未示出)以提供集成控制电路5并且将该另一半导体晶片分离为多个单独的第二裸片4。
第一裸片2被通过拾取放置(pick-and-place)工艺分别键合到各自的第二裸片4上，从而得到如图1和图2所示类型的电声传感器1。电声传感器1配备有导电连接21，其实现微结构3和集成控制电路5之间的电耦合，并且被包封到相应封装20中以获得图3的麦克风30。
备选地，在切片之前，键合包含微结构3的半导体晶片和包含集成电路5的半导体晶片，微结构3具有保护层16和粘合膜层15，由此在组装期间避免使用拾取放置工艺。
在任何一种情形中，保护层16有利地促进膜粘合剂的使用，同时防止微结构的腔被外来材料占据。上述的技术方案由此保持微结构的移动性以及传感器的声学响应的特性。
根据图8说明的实施例，压力传感器100包括在封装120中包封的压力变换器101。压力变换器101包括具有微结构103的第一裸片102以及其中已形成集成控制电路或ASIC105的第二裸片104。第一裸片102和第二裸片104被键合在一起，而且第二裸片104也用作第一裸片102的支撑衬底。
第一裸片102包括在其中形成空腔108的支撑框架107以及占据空腔108的一部分并且通过连接元件110弹性耦合至支撑框架107的微结构103。
微结构103包括可移动的主体111，其中提供基准室，该基准室由封闭的空腔限定，并且在一侧由薄膜112界定。薄膜112因基准室114和外界环境之间的压力差而变形。在一个实施例中，薄膜112为导电的，并且与可移动主体111绝缘，并且限定可变电容电容器的第一电极。固定的第二电极可以在基准室114的底部提供。备选地，薄膜112可以包括压电区域，其在薄膜112的形变后产生机械应力。压电区域继而能够供应表示薄膜112的配置的电信号。
使用粘合膜层115将第一裸片102和第二裸片104键合在一起，其中第一裸片102的空腔108面对第二裸片104。另外，保护层116被设置在第一裸片102和粘合膜层之间，并且界定空腔108，从而防止形成粘合膜层115的材料的进入。
保护层116由弹性材料制成并且具有微开口，该微开口能够使形成粘合膜层115的材料在施加压力时穿过保护层116本身，直至其粘合至第一裸片102的面，然而不从保护层另一面逸出。
在一个实施例中，保护层116(图9)为具有孔118的多孔聚合物材料层，该孔的直径在5微米到35微米之间，优选为7微米到27微米之间。
图10所示为根据本公开的一个实施例的电子系统200的一部分。系统200包含电机变换器1并且可以用于例如可能有无线连接能力的膝上型计算机或平板电脑、蜂窝电话、智能手机、消息传输设备、数码音乐播放器、数码相机、或设计用于处理、存储、传输或接收信息的其它装置。具体而言，电声变换器1可以例如在计算机的运动激活用户界面或者视频游戏的控制器或者卫星导航设备中用于提供语音控制的功能，。
电子系统200可以包括通过总线250耦合的控制单位210、输入/输出(I/O)设备220(例如，键盘或显示器)、电声变换器1、无线界面240以及易失性或非易失性存储器260。在一个实施例中，电池280可以用于为系统200供电。注意，本公开的范围不限于必须包含所述设备中的一个或多个。
控制单元210可以例如包括一个或多个微处理器、微控制器或类似物。
I/O装置220可以用于生成消息。系统200可以使用无线界面240以用于利用射频(RF)信号收发消息并且形成无线通信网络。无线界面的示例可以包括天线、无线收发器(诸如偶极天线)，但是本公开的范围不被这一观点限制。此外，I/O设备220可以供应表示以数字输出形式(如果已经存储数字信息)或者以模拟输出形式(如果已经存储模拟信息)存储的电压。
最后，很明显的是，可以对于描述的微机电器件和工艺进行修改和变化，而不背离本公开的范围。
首先，可以提供除电声变换器和压力传感器之外的微机电器件，例如加速计和陀螺仪。
包含微结构和集成控制电路的裸片可以不被堆叠，而是直接或通过插入另一支撑和/或功能层而被键合到共用支撑物。例如，裸片可以被键合到形成封装的一部分的衬底。
上述各种实施例可以被组合以提供其它实施例。可以根据上述具体描述来对实施例做出这些改变和其它改变。总体而言，在下面的权利要求书中，所使用的项不应被解读为将权利要求限制于说明书和权利要求书中公开的特定的实施例，而应被解读为符合该权利要求的等同物的全部范围的所有可能实施例。相应地，权利要求不受不公开限制。

Claims (23)

1.一种微机电器件，包括：
衬底；
半导体裸片，粘合至所述衬底并且并入微结构；
膜粘合层，在所述裸片和所述衬底之间；以及
保护层，在所述裸片和所述膜粘合层之间，所述保护层具有开口，所述膜粘合层将所述裸片通过所述保护层的所述开口粘合至所述衬底。
2.根据权利要求1所述的器件，其中所述保护层由弹性材料制成。
3.根据权利要求1所述的器件，其中所述保护层由编织材料制成并且所述开口由所述编织材料的网格限定。
4.根据权利要求3所述的器件，其中所述开口为四边形并且具有在7微米至35微米之间的边长。
5.根据权利要求1所述的器件，其中所述保护层由多孔材料制成并且所述开口由多孔材料的孔限定。
6.根据权利要求5所述的器件，其中所述开口具有在35微米到5微米之间的直径。
7.根据权利要求1所述的器件，其中所述保护层由聚合物材料制成。
8.根据权利要求7所述的器件，其中所述保护层由聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)或者聚醚醚酮(PEEK)制成。
9.根据权利要求1所述的器件，其中所述裸片包括支撑框架，所述支撑框架限定空腔，并且所述微结构距所述衬底一段距离地被容纳在所述空腔中。
10.根据权利要求9所述的器件，其中所述膜粘合层粘合至所述支撑框架。
11.根据权利要求9所述的器件，其中所述微结构通过弹性连接元件被弹性耦合至所述支撑框架，并且悬置在所述空腔上方。
12.根据权利要求11所述的器件，其中所述连接元件被配置为允许所述微结构关于所述支撑框架相对移动。
13.根据权利要求9所述的器件，其中所述微结构包括弹性耦合至所述支撑框架的可移动支撑元件，以及由所述可移动支撑元件支撑的半导体薄膜。
14.根据权利要求1所述的微机电器件，其中所述衬底包括电耦合至所述微结构的集成控制电路。
15.一种微机电麦克风，包括：
微机电器件，包括：
衬底；
半导体裸片，面对所述衬底并且并入微结构；
膜粘合层，位于所述裸片和所述衬底之间；以及
保护层，位于所述裸片和所述膜粘合层之间，所述保护层包含多个开口，所述膜粘合层将所述裸片通过所述保护层的所述开口粘合至所述衬底。
16.根据权利要求15所述的微机电麦克风，其中所述保护层包括弹性材料、编织材料层和多孔聚合物材料薄片中的至少一种。
17.一种电子系统，包括：
控制单元；以及
微机电器件，耦合至所述控制单元，所述微机电器件包括：
衬底，具有表面；
半导体裸片，面对所述衬底的表面，所述裸片并入微结构；
膜粘合层，粘合至所述衬底的表面；以及
保护层，位于所述裸片和所述膜粘合层之间，所述保护层包含多个开口，所述膜粘合层将所述裸片通过所述保护层的所述开口粘合至所述衬底。
18.根据权利要求17所述的电子系统，其中所述保护层包括弹性材料、编织材料层、多孔聚合物材料薄片、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚醚醚酮(PEEK)中的至少一种。
19.一种用于制作微机电器件的工艺，所述工艺包括：
将膜粘合层粘合至衬底的表面；
将具有开口的保护层置于并入微结构的半导体裸片和膜粘合层之间；
施加压力以使所述膜粘合层穿过所述保护层的所述开口并且通过所述开口粘合至所述裸片。
20.根据权利要求19所述的工艺，其中所述保护层由弹性材料制成。
21.根据权利要求19所述的工艺，其中所述保护层由编织材料制成并且所述开口由所述编织材料的网格限定。
22.根据权利要求19所述的工艺，其中所述保护层由多孔材料制成并且所述开口由所述多孔材料的孔限定。
23.根据权利要求19所述的工艺，其中施加压力包括对所述裸片的表面施加压力。
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