CN104671189B - 带有导通组件的微机械传感器及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有导通组件的微机械传感器及其加工方法。该微机械传感器包括上盖、敏感硅结构和下盖，所述上盖上设有上固定电容板，所述下盖上设有与所述上固定电容板相对的下固定电容板，所述敏感硅结构设于上固定电容板和下固定电容板之间，所述上盖和下盖之间还设有用于将所述上固定电容板的金属电极引至下盖的导通组件，有效解决上盖板电极的引出难题，结构简单、成本低廉；本发明的加工方法，包括以下步骤：S1：加工下盖、上盖、敏感硅结构和导通硅桥；S2：固连；S3：激光划片加工，该方法简便易行，大大降低了加工成本和加工工艺难度。

Description

带有导通组件的微机械传感器及其加工方法

技术领域

本发明涉及微机电系统中的微机械传感器领域，尤其涉及一种带有导通组件的微机械传感器及其加工方法。

背景技术

以MEMS技术为基础的微机械传感器具有体积小、重量轻、成本低等优点，在很多领域得到越来越广泛的应用。以电容式微机械传感器为例，传统的电容式微机械传感器通常是由具有敏感单元的硅结构和具有金属电极的玻璃盖板两部分组成，用于形成检测电容的两个极板。由于硅和玻璃的材料属性和热特性不同，导致二者在加工中将产生结构应力和变形，严重影响器件的性能。

为了改善热应力和机械变形，对称布置的“三明治”结构被作为一种常用的形式用在微机械传感器的结构设计中。公开号为CN102435780A的中国专利文献《一种单片三轴微机械加速度计》中公开了一种“三明治”结构的微机械传感器，通过在上、下玻璃盖板上均制备金属电极用以形成差分检测，以提高传感器敏感结构的灵敏度。但是这种结构设计方法会导致一些新的技术问题，即如何实现将上、下盖板的电极同时引出，这在很大程度上影响了该项技术的拓展应用。目前，将上盖板电极引出的方法有很多，常规的导通方式是基于TGVs（Through-Glass-Vias）的通孔技术。2013年Ju-Yong Lee等人在发表的《Through-glass copper via using the glass reflow and seedless electroplating processes for wafer-level RF MEMS packaging》中介绍了一种应用于圆片级的玻璃通孔技术，通过在玻璃基板上开孔和金属灌封的方式实现上玻璃盖板电极从元件内部导出到外部。这种设计方法对加工设备要求高，工艺成本也较高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种简便易行且成本低廉，可实现上盖板电极引至下盖，上、下盖板的电极同时从下盖引出的带有导通组件的微机械传感器及其加工方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种带有导通组件的微机械传感器，包括上盖、敏感硅结构和下盖，所述上盖上设有上固定电容板，所述下盖上设有与所述上固定电容板相对的下固定电容板，所述敏感硅结构设于上固定电容板和下固定电容板之间，其特征在于：所述上盖和下盖之间还设有用于将所述上固定电容板的金属电极引至下盖的导通组件。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述导通组件包括导通硅桥、上金属导线和下金属导线，所述上固定电容板与导通硅桥通过上金属导线电连接，所述下金属导线一端与导通硅桥电连接，另一端于下盖上设为引脚线。

所述上盖与导通硅桥键合连接并压紧上金属导线，所述下盖与导通硅桥键合连接并压紧下金属导线。

所述上盖设有上键合凸台，所述下盖设有下键合凸台，所述上键合凸台与导通硅桥上侧键合连接，所述下键合凸台与导通硅桥下侧键合连接，所述上金属导线端部压紧于所述上键合凸台与导通硅桥之间，所述下金属导线端部压紧于所述下键合凸台与导通硅桥之间。

所述下盖设有第一金属焊盘和第二金属焊盘，所述下金属导线的引脚引至所述第一金属焊盘上，所述下固定电容板的金属电极通过金属导线引至所述第二金属焊盘上。

所述上盖开设有与所述第一金属焊盘和第二金属焊盘位置对应的缺口。

所述下盖和上盖均设有用于容纳固定电容板的金属电极和金属导线的玻璃凹槽。

一种带有导通组件的微机械传感器的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：加工下盖、上盖、敏感硅结构和导通硅桥：在上盖上制作上固定电容板和上金属导线，在下盖上制作下固定电容板和下金属导线，在一硅片晶圆上加工敏感硅结构以及与敏感硅结构连接为一体的导通硅桥；

S2：固连：上盖、硅片晶圆和下盖键合固连，得到三层结构，且上金属导线和下金属导线分别与导通硅桥电连接；

S3：激光划片加工：在所述三层结构上划片得到单个的芯片结构，并实现敏感硅结构与导通硅桥的分离。

与现有技术相比，本发明的带有导通组件的微机械传感器具有下述技术效果：

1、通过在上盖和下盖之间布置用于将上固定电容板的金属电极引至下盖的导通组件，只需在上盖上开缺口，即可通过导通组件实现上、下盖板的电极同时从下盖导出，有效解决上盖板电极的引出难题，结构简单、成本低廉，无需进行玻璃打孔、金属灌封等复杂工艺。

2、该导通组件进一步包括导通硅桥、上金属导线和下金属导线，上固定电容板、上金属导线、导通硅桥和下金属导线依次串接，有效实现上固定电容板的金属电极引至下盖，并将上盖板电极电信号巧妙过渡到下玻璃盖板。

3、上盖、上金属导线以及导通硅桥之间通过键合实现固连，导通硅桥、下金属导线以及下盖之间也通过键合实现固连，采用阳极键合技术将玻璃盖板与金属导线、金属导线与导通硅桥键合在一起，不需要任何粘结剂，键合界面具有良好的气密性和长期稳定性，且金属导线与导通硅桥在键合的压力下形成较小的接触电阻和可靠的电气接触，有效实现上固定电容板的金属电极引至下盖，避免了常规的TSV技术，降低了工艺难度。

本发明的带有导通组件的微机械传感器的加工方法具有以下技术效果：

1、通过在刻蚀敏感硅结构的同时刻蚀导通硅桥、加工上盖和下盖的同时布置金属导线，再通过键合及激光划片加工，即可完成带有导通组件的微机械传感器的加工，且实现上固定电容板的金属电极引至下盖，简便易行，大大降低了加工成本和加工工艺难度。

附图说明

图1是本发明带有导通组件的微机械传感器的示意图。

图2是本发明带有导通组件的微机械传感器的拆分结构示意图。

图3是本发明带有导通组件的微机械传感器的导通结构截面示意图。

图4是本发明带有导通组件的微机械传感器导通结构的局部放大图。

图5是上盖局部仰视图。

图6是下盖局部俯视图。

图7是上盖、上金属导线和导通硅桥三者键合后的截面电镜照片。

图8是本发明的带有导通组件的微机械传感器的加工方法流程图。

图例说明：1、下盖；2、上盖；3、敏感硅结构；4、导通硅桥；501、下金属导线；502、上金属导线；601、下固定电容板；602、上固定电容板；701、第一金属焊盘；702、第二金属焊盘； 901、下键合凸台；902、上键合凸台。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

图1至图7示出了本发明的一种带有导通组件的微机械传感器的实施例，下面以一种电容式“三明治”结构微机械加速度计为例进行说明，该“三明治”结构微机械加速度计包括上盖2、敏感硅结构3和下盖1，上盖2上设有上固定电容板602，下盖1上设有与上固定电容板602相对的下固定电容板601，敏感硅结构3设于上固定电容板602和下固定电容板601之间，上盖2和下盖1之间还设有用于将上固定电容板602的金属电极引至下盖1的导通组件，本实施例的微机械传感器，通过在上盖2和下盖1之间设置导通组件，将上固定电容板602的金属电极巧妙地引至下盖1，即可实现上盖2、下盖1的电极同时从下盖1导出，有效解决上盖2电极的引出难题，结构简单、成本低廉，无需进行玻璃打孔、金属灌封等复杂工艺，大大降低了加工和封装的难度，在微机械传感器领域具有较高的实用和推广价值。

本实施例中，导通组件包括导通硅桥4、上金属导线502和下金属导线501，上固定电容板602与导通硅桥4通过上金属导线502电连接，下金属导线501一端与导通硅桥4电连接，另一端于下盖1上设为引脚，有效实现上固定电容板602的金属电极引至下盖1，并将上盖2电极电信号巧妙过渡到下盖1。

本实施例中，上盖2与导通硅桥4键合连接并压紧上金属导线502，下盖1与导通硅桥4键合连接并压紧下金属导线501，如图7所示，采用阳极键合技术将玻璃盖板与导通硅桥键合在一起，不需要任何粘结剂，键合界面具有良好的气密性和长期稳定性，且金属导线与导通硅桥4在硅和玻璃键合产生的压力下形成较小的接触电阻和可靠的电气接触，有效实现上固定电容板602的金属电极引至下盖1，避免了常规的TSV技术，降低了工艺难度。

本实施例中，上盖2设有上键合凸台902，下盖1设有下键合凸台901，上键合凸台902与导通硅桥4上侧键合连接，下键合凸台901与导通硅桥4下侧键合连接，上金属导线502端部压紧于上键合凸台902与导通硅桥4之间，下金属导线501端部压紧于下键合凸台901与导通硅桥4之间。

本实施例中，下盖1设有第一金属焊盘701和第二金属焊盘702，下金属导线501的引脚引至第一金属焊盘701上，下固定电容板601的金属电极通过金属导线引至第二金属焊盘702上。

本实施例中，上盖2开设有与第一金属焊盘701和第二金属焊盘702位置对应的缺口，便于加速度计与外部设备进行连接。

本实施例中，下盖1和上盖2均设有用于容纳固定电容板的金属电极和金属导线的玻璃凹槽。

为了不影响键合的可靠性及信号的导通特性，上金属导线502和/或下金属导线501的宽度和厚度需控制在适当的尺寸范围内，上金属导线502和/或下金属导线501的宽度为：30 微米，厚度为：100纳米。为了不影响电极的导通特性，键合凸台的高度需控制在适当的尺寸范围内，上键合凸台902和/或下键合凸台901的高度为8微米。以上尺寸在其他实施例中还可以作适应性的调整。

图8示出了本发明的一种带有导通组件的微机械传感器的加工方法实施例流程，包括以下步骤：

S1：加工下盖1、上盖2、敏感硅结构3和导通硅桥4：在上盖2上制作上固定电容板602和上金属导线502，在下盖1上制作下固定电容板601和下金属导线501，在一硅片晶圆上加工敏感硅结构3以及与敏感硅结构3连接为一体的导通硅桥4；

S2：固连：上盖2、硅片晶圆和下盖1键合固连，得到三层结构，且上金属导线502和下金属导线501分别与导通硅桥4电连接；

S3：激光划片加工：在所述三层结构上划片得到单个的芯片结构，并实现敏感硅结构3与导通硅桥4的分离。

步骤S1具体包括以下分步骤：

S1.1：加工下盖1；

（a）首先，在下盖1上腐蚀出凹槽和下键合凸台901，凹槽是为键合后的敏感硅结构提供运动间隙。

（b）在腐蚀的玻璃凹槽内，制作形成检测电容的下固定电容板601、下固定电容板601的电极引出导线以及下金属导线501，并在下盖1上制备第一金属焊盘701和第二金属焊盘702，下金属导线501一端横跨在下键合凸台901之上，另一端引至第一金属焊盘701上，下固定电容板601的电极引出导线的一端引至第二金属焊盘702上。

S1.2：加工上盖2；

（a）首先，在上盖2上腐蚀出与下盖1同样深度的凹槽和与下键合凸台901同样高度的上键合凸台902，凹槽是为键合后的敏感硅结构提供运动间隙。

（b）在腐蚀的玻璃凹槽内，制作形成检测电容的上固定电容板602以及上金属导线502，上金属导线502一端与上固定电容板602相连，另一端横跨在上键合凸台902之上。

（c）通过激光切割技术，在上盖2与第一金属焊盘701和第二金属焊盘702对应位置形成通孔，为便于上盖2、硅片晶圆和下盖1的“三明治”键合以及第一金属焊盘701和第二金属焊盘702引线。

S1.3：加工敏感硅结构3和导通硅桥4；

选用<100>晶向双面抛光硅片作为敏感硅结构3和导通硅桥4的加工基体，利用硅的各向异性湿法腐蚀或干法刻蚀，通过双面光刻技术，在硅片上表面与上固定电容板602对应位置上光刻、再在硅片晶圆下表面与下固定电容板601对应位置上光刻形成敏感硅结构3，在硅片晶圆上表面与上键合凸台902对应位置上光刻、再在硅片下表面与下键合凸台901对应位置上光刻形成导通硅桥4，敏感硅结构3和导通硅桥4均与硅片的外框架主体相连。

步骤S2具体包括以下步骤：

S2.1：通过阳极键合技术实现上盖2与敏感硅结构3的固连，形成“玻璃-硅”双层结构；上金属导线502横跨在上键合凸台902和导通硅桥4中间，并与导通硅桥4上表面形成可靠的电气接触。

S2.2：通过阳极键合技术实现下盖1与已经键合的双层结构固连，形成“玻璃-硅-玻璃”三层结构；同理，下金属导线501和导通硅桥4下表面形成可靠的电气接触。

该方法通过在刻蚀敏感硅结构的同时刻蚀导通硅桥、加工上盖和下盖的同时布置金属导线，再通过键合及激光划片加工，即可完成带有导通组件的微机械传感器的加工，且实现上固定电容板的金属电极引至下盖，简便易行，大大降低了加工成本和加工工艺难度。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (5)

1.一种带有导通组件的微机械传感器，包括上盖（2）、敏感硅结构（3）和下盖（1），所述上盖（2）上设有上固定电容板（602），所述下盖（1）上设有与所述上固定电容板（602）相对的下固定电容板（601），所述敏感硅结构（3）设于上固定电容板（602）和下固定电容板（601）之间，其特征在于：所述上盖（2）和下盖（1）之间还设有用于将所述上固定电容板（602）的金属电极引至下盖（1）的导通组件；所述导通组件包括导通硅桥（4）、上金属导线（502）和下金属导线（501），所述上固定电容板（602）与导通硅桥（4）通过上金属导线（502）电连接，所述下金属导线（501）一端与导通硅桥（4）电连接，另一端于下盖（1）上设为引脚线；所述上盖（2）与导通硅桥（4）键合连接并压紧上金属导线（502），所述下盖（1）与导通硅桥（4）键合连接并压紧下金属导线（501）；所述上盖（2）设有上键合凸台（902），所述下盖（1）设有下键合凸台（901），所述上键合凸台（902）与导通硅桥（4）上侧键合连接，所述下键合凸台（901）与导通硅桥（4）下侧键合连接，所述上金属导线（502）端部压紧于所述上键合凸台（902）与导通硅桥（4）之间，所述下金属导线（501）端部压紧于所述下键合凸台（901）与导通硅桥（4）之间。

2.根据权利要求1所述的带有导通组件的微机械传感器，其特征在于：所述下盖（1）设有第一金属焊盘（701）和第二金属焊盘（702），所述下金属导线（501）的引脚引至所述第一金属焊盘（701）上，所述下固定电容板（601）的金属电极通过金属导线引至所述第二金属焊盘（702）上。

3.根据权利要求2所述的带有导通组件的微机械传感器，其特征在于：所述上盖（2）开设有与所述第一金属焊盘（701）和第二金属焊盘（702）位置对应的缺口。

4.根据权利要求3所述的带有导通组件的微机械传感器，其特征在于：所述下盖（1）和上盖（2）均设有用于容纳固定电容板的金属电极和金属导线的玻璃凹槽。

5.一种如权利要求1至4任一项所述的带有导通组件的微机械传感器的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：加工下盖（1）、上盖（2）、敏感硅结构（3）和导通硅桥（4）：在上盖（2）上制作上固定电容板（602）和上金属导线（502），在下盖（1）上制作下固定电容板（601）和下金属导线（501），在一硅片晶圆上加工敏感硅结构（3）以及与敏感硅结构（3）连接为一体的导通硅桥（4），敏感硅结构（3）和导通硅桥（4）均与硅片的外框架主体相连；

S2：固连：上盖（2）、硅片晶圆和下盖（1）键合固连，得到三层结构，且上金属导线（502）和下金属导线（501）分别与导通硅桥（4）电连接；

S3：激光划片加工：在所述三层结构上划片得到单个的芯片结构，并实现敏感硅结构（3）与导通硅桥（4）的分离。