CN104649220A - 低成本超薄mems结构和制作工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种低成本超薄MEMS结构制作工艺，包括下述步骤：提供一硅基板；在硅基板背面先后沉积牺牲层和阻挡层；在硅基板的背面刻蚀制作应力槽和分割槽；在硅基板的背面覆盖一保护层，保护层的材料填充硅基板背面的应力槽和分割槽；然后对保护层表面进行平整化处理；对硅基板的正面进行减薄；在减薄后的硅基板中刻蚀形成MEMS核心结构；MEMS核心结构包括穿透硅基板的通道和通道间的硅薄膜；利用硅基板中的通道，采用刻蚀工艺在MEMS核心结构底部释放出MEMS结构单元需要的空腔；在硅基板正面的MEMS核心结构上形成金属互连；对硅基板进行划片，分割为各个独立的MEMS结构单元。本发明成本低且可提供有效保护。

Description

低成本超薄MEMS结构和制作工艺

技术领域

本发明涉及半导体工艺领域，尤其是一种低成本超薄MEMS结构的制作工艺。

背景技术

MEMS器件随着物联网的高速发展应用越发广泛。有些MEMS器件制造时需要精密控制硅基板的厚度，因而需要采用SOI晶圆，通过两个硅片中间的SiO₂层来控制其中一个薄晶圆的厚度。但是SOI晶圆制造工艺复杂，成本很高，直接影响这类MEMS器件的推广应用。

本文所述的MEMS即微机电系统(Micro-electro Mechanical Systems)。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种低成本超薄MEMS结构的制作工艺，以及制作出的MEMS结构单元，可有效降低制作成本，为超薄MEMS结构提供足够的保护，避免超薄硅基板和其上的MEMS结构受应力影响而产生损坏。本发明采用的技术方案是：

一种低成本超薄MEMS结构制作工艺，包括下述步骤：

S1，提供一硅基板；

S2，在硅基板背面先后沉积牺牲层和阻挡层；

S3，在硅基板的背面刻蚀制作应力槽和分割槽；分割槽位于待划分的MEMS结构单元之间；确保每个待划分的MEMS结构单元对应的硅基板背面区域至少有一个应力槽；

S4，在硅基板的背面覆盖一保护层，保护层的材料填充硅基板背面的应力槽和分割槽；然后对保护层表面进行平整化处理；

S5，对硅基板的正面进行减薄；

S6，对硅基板的正面进行：在减薄后的硅基板中刻蚀形成MEMS核心结构；MEMS核心结构包括穿透硅基板的通道和通道间的硅薄膜；

S7，利用硅基板中的通道，采用刻蚀工艺在MEMS核心结构底部释放出MEMS结构单元需要的空腔；

S8，在硅基板正面的MEMS核心结构上形成金属互连；

S9，根据分割槽位置对硅基板进行划片，分割为各个独立的MEMS结构单元。

进一步地，所述步骤S2中，通过沉积SiO₂形成牺牲层，通过沉积SiN形成阻挡层。

进一步地，所述步骤S2中，形成的牺牲层厚度为500～5000nm，形成的阻挡层厚度为100～600nm。

进一步地，所述步骤S3中，分割槽的深度大于应力槽的深度。

进一步地，所述步骤S4采用塑封工艺进行，且采用比硅材料韧性更好的塑封材料进行塑封。

进一步地，步骤S5采用机械研磨工艺进行。

进一步地，步骤S5中，硅基板减薄至50～400μm厚度。

上述步骤形成的低成本超薄MEMS结构，包括硅基板，在硅基板的背面设有至少一个应力槽，硅基板的背面覆盖有保护层，保护层的材料填充满应力槽；在硅基板的侧面自底边而上的部分区域或全部侧面区域覆盖有保护层；在硅基板中制作有MEMS核心结构，所述MEMS核心结构包括穿透硅基板的通道和通道间的硅薄膜；MEMS核心结构下方与保护层之间具有空腔。

通道间的硅薄膜厚度为30～50μm。

本发明的优点在于：

1）本发明的制作工艺避免了使用SOI晶圆来制作MEMS结构，也就避免了SOI晶圆制造工艺复杂，成本高的问题。

2）本发明的制作工艺可以制作出超薄的硅基板（厚度仅50～400μm）和硅基板中的MEMS结构。

3）为减薄后的硅基板和其上的MEMS结构提供足够的保护。

附图说明

图1为本发明的硅基板示意图。

图2为本发明的硅基板背面沉积牺牲层和阻挡层示意图。

图3为本发明的硅基板背面制作应力槽和分割槽示意图。

图4为本发明的硅基板背面塑封示意图。

图5为本发明的硅基板正面减薄示意图。

图6为本发明的硅基板中刻蚀形成MEMS核心结构示意图。

图7为本发明的制作MEMS结构单元需要的空腔示意图。

图8为本发明的划片步骤示意图。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

本实施例提供的超薄MEMS结构制作工艺，包括下述步骤：

S1，如图1所示，提供一硅基板1；该硅基板1为整块晶圆。

S2，如图2所示，在硅基板1背面先后沉积牺牲层2和阻挡层3；

此步骤中，首先在硅基板1背面沉积SiO₂，形成牺牲层2，牺牲层2在后续步骤中还兼作刻蚀的停止层用。然后在牺牲层2上沉积SiN形成阻挡层3；

SiO₂形成的牺牲层2厚度为500～5000nm，SiN形成的阻挡层3厚度为100～600nm；

S3，如图3所示，在硅基板1的背面刻蚀制作应力槽4和分割槽5；分割槽5位于待划分的MEMS结构单元之间；确保每个待划分的MEMS结构单元对应的硅基板1背面区域至少有一个应力槽4；分割槽5的深度大于应力槽4的深度；

此步骤中，应力槽4和分割槽5都可以采用干法刻蚀工艺制作，应力槽4和分割槽5的深度都大于牺牲层2和阻挡层3加起来的厚度。分割槽5是为了后续划片步骤更方便，还用于填充塑封材料，使得划片后的MEMS结构单元侧面能够收到保护。

S4，如图4所示，在硅基板1的背面覆盖一保护层6，保护层6的材料填充硅基板1背面的应力槽4和分割槽5；然后对保护层6表面进行平整化处理；

此步骤可使用塑封工艺进行，将塑封材料通过塑封工艺覆盖硅基板1背面形成保护层6；保护层6可对硅基板1的后续加工步骤提供保护，也可以对分割后的MEMS结构单元提供有效缓冲。塑封材料可采用环氧树脂或其它现有技术中的塑封料。塑封材料通常比硅材料韧性更好。

塑封后，对塑封材料形成的保护层6表面采用机械抛光工艺进行平整化处理；

S5，如图5所示，对硅基板1的正面进行减薄；

此步骤可采用机械研磨的工艺进行。由于硅基板1背面已经覆盖保护层6，所以进行机械研磨时，能够将硅基板1减薄至相当薄的程度，比如50～400μm厚度，可以满足超薄MEMS器件的需要。保护层6可以使得硅基板1不会在减薄过程中碎裂。

S6，如图6所示，在减薄后的硅基板1中刻蚀形成MEMS核心结构100；MEMS核心结构100包括穿透硅基板1的通道7和通道7间的硅薄膜8；

此步骤在硅基板1的正面进行。此步骤具体可先在硅基板正面旋涂光刻胶，然后通过光刻工艺在光刻胶中形成光刻胶开口图形，再利用等离子体刻蚀工艺将光刻胶开口图形转移到硅基板1中，形成穿透硅基板1的通道7和通道7间的硅薄膜8（membrane)；硅薄膜8厚度（图6中左右方向的厚度）通常为30～50μm，硅薄膜8在后续MEMS核心结构100下的空腔形成后，对外界信号敏感，比如对振动信号敏感。MEMS核心结构100主要由这些通道7和通道7间的硅薄膜8构成。

此步骤中，牺牲层2兼作刻蚀的停止层用。

S7，如图7所示，利用硅基板1中的通道7，采用刻蚀工艺在MEMS核心结构100底部释放出MEMS结构单元需要的空腔9；

此步骤在硅基板1的正面进行。此步骤可采用湿法刻蚀工艺进行，如使用氢氟酸溶液进行刻蚀。MEMS核心结构100底部的牺牲层2的SiO₂材料被刻蚀，形成空腔9，阻挡层3作为刻蚀停止层用。

MEMS核心结构100底部的空腔9形成后，MEMS结构已经基本制作好。

S8，在硅基板1正面的MEMS核心结构100上形成金属互连；

此步骤主要是在MEMS核心结构100上形成连接点，比如输入输出连接点，或者电源连接点等。此步骤为常规工艺，图中未显示。

S9，如图8所示，根据分割槽5位置对硅基板1进行划片，分割为各个独立的MEMS结构单元。

根据上述工艺步骤制作MEMS结构，可以避免使用SOI晶圆，降低成本。而且能够制作出超薄的MEMS结构（厚度50～400μm），提高MEMS结构的灵敏度。划片后，保护层6作为应力缓冲层可有效吸收冲击能量。应力槽4中填充有保护层塑封材料，应力槽可有效的传递分散受到的冲击应力，使得保护效果更好。

分割槽5中填充有塑封材料，当分隔槽5被划分开后，里面的塑封材料刚好被一分为二，对分隔槽5两侧的MEMS结构单元的硅基板1侧面提供保护。

本发明形成的低成本超薄MEMS结构，包括减薄后的硅基板1，在硅基板1的背面设有至少一个应力槽4，硅基板1的背面覆盖有保护层6，保护层6的材料填充满应力槽4；在硅基板1的侧面自底边而上的部分区域或全部侧面区域覆盖有保护层6；在硅基板1中制作有MEMS核心结构100，所述MEMS核心结构100包括穿透硅基板1的通道7和通道7间的硅薄膜8；MEMS核心结构100下方与保护层6之间具有空腔9。

上述结构中，硅基板1的全部侧面区域覆盖有保护层6是可以实现的，比如在步骤S5中，硅基板1正面减薄时，机械研磨直至露出分割槽5中的塑封材料即可，后续的步骤则和上述其它步骤相同。

Claims (10)

1.一种低成本超薄MEMS结构制作工艺，其特征在于，包括下述步骤：

S1，提供一硅基板(1)；

S2，在硅基板(1)背面先后沉积牺牲层(2)和阻挡层(3)；

S3，在硅基板(1)的背面刻蚀制作应力槽(4)和分割槽(5)；分割槽(5)位于待划分的MEMS结构单元之间；确保每个待划分的MEMS结构单元对应的硅基板(1)背面区域至少有一个应力槽(4)；

S4，在硅基板(1)的背面覆盖一保护层(6)，保护层(6)的材料填充硅基板(1)背面的应力槽(4)和分割槽(5)；然后对保护层(6)表面进行平整化处理；

S5，对硅基板(1)的正面进行减薄；

S6，对硅基板(1)的正面进行：在减薄后的硅基板中刻蚀形成MEMS核心结构(100)；MEMS核心结构(100)包括穿透硅基板(1)的通道(7)和通道(7)间的硅薄膜(8)；

S7，利用硅基板(1)中的通道(7)，采用刻蚀工艺在MEMS核心结构(100)底部释放出MEMS结构单元需要的空腔(9)；

S8，在硅基板(1)正面的MEMS核心结构(100)上形成金属互连；

S9，根据分割槽(5)位置对硅基板(1)进行划片，分割为各个独立的MEMS结构单元。

2.如权利要求1所述的低成本超薄MEMS结构制作工艺，其特征在于：

所述步骤S2中，通过沉积SiO₂形成牺牲层(2)，通过沉积SiN形成阻挡层(3)。

3.如权利要求1所述的低成本超薄MEMS结构制作工艺，其特征在于：

所述步骤S2中，形成的牺牲层(2)厚度为500～5000nm，形成的阻挡层(3)厚度为100～600nm。

4.如权利要求1所述的低成本超薄MEMS结构制作工艺，其特征在于：

所述步骤S3中，分割槽(5)的深度大于应力槽(4)的深度。

5.如权利要求1所述的低成本超薄MEMS结构制作工艺，其特征在于：

所述步骤S4采用塑封工艺进行，且采用比硅材料韧性更好的塑封材料进行塑封。

6.如权利要求1所述的低成本超薄MEMS结构制作工艺，其特征在于：

步骤S5采用机械研磨工艺进行。

7.如权利要求1所述的低成本超薄MEMS结构制作工艺，其特征在于：

步骤S5中，硅基板(1)减薄至50～400μm厚度。

8.一种低成本超薄MEMS结构，包括硅基板(1)，其特征在于：在硅基板(1)的背面设有至少一个应力槽(4)，硅基板(1)的背面覆盖有保护层(6)，保护层(6)的材料填充满应力槽(4)；在硅基板(1)的侧面自底边而上的部分区域或全部侧面区域覆盖有保护层(6)；在硅基板(1)中制作有MEMS核心结构(100)，所述MEMS核心结构(100)包括穿透硅基板(1)的通道(7)和通道(7)间的硅薄膜(8)；MEMS核心结构(100)下方与保护层(6)之间具有空腔(9)。

9.如权利要求8所述的低成本超薄MEMS结构，其特征在于：

保护层(6)通过塑封工艺覆盖在硅基板(1)背面，保护层(6)的材料为比硅材料韧性更好的塑封材料。

10.如权利要求8所述的低成本超薄MEMS结构，其特征在于：

通道(7)间的硅薄膜(8)厚度为30～50μm。