CN107140598B - 一种微机电系统及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微机电系统及其制备方法，解决了现有技术中微机电器件单元和集成电路之间引线较长，从而引入较多干扰信号的问题。其中，该方法包括：在微机电器件芯片上制备环绕气体敏感单元的第一封装环和位于第一封装环内侧的气体敏感单元周围的第一电气连接点；在集成电路芯片上与第一封装环对应的位置和与第一电气连接点对应的位置分别制备第二封装环和作为电路层输入端的第二电气连接点；将微机电器件芯片和集成电路芯片对置；其中，第一电气连接点、第二电气连接点形成电气对接，第一封装环和第二封装环形成密封对接；在微机电器件芯片上开设由微机电器件芯片、集成电路芯片、第一封装环和第二封装环所形成的空间的导气通孔。
Description
技术领域
本发明涉及微机电技术领域，具体涉及一种微机电系统及其制备方法。
背景技术
微机电MEMS技术是指采用先进的半导体制造工艺将传统的电子器件制成一块包含该电子器件相应功能单元的芯片(即MEMS器件芯片)的高新技术，与由传统技术制作的电子器件相比，MEMS器件芯片在体积、功耗、重量及价格方面都具有十分明显的优势，并且可以批量生产。
通常，MEMS器件芯片需要与驱动、检测、信号处理等集成电路连接在一起组成一个具有完整独立功能的系统，即MEMS系统，比如目前市场上可见的MEMS系统包括压力传感器、加速度计及硅麦克风等。
MEMS气体压力传感器作为一种MEMS系统，其制备过程一般包括：
分别制备MEMS器件芯片和集成电路芯片，其中，MEMS器件芯片包括衬底和设置在衬底上的气体压力敏感单元，如图1A所示；集成电路芯片包括衬底和设置在衬底上的与气体压力敏感单元适配的电路层，如图2A所示。
(1)分别将MEMS器件芯片和集成电路芯片相邻地安装在同一基板上，并通过引线将两者进行电气连接。
(2)进行陶瓷或金属封装。
至此完成MEMS气体压力传感器的制备。
采用上述方法得到的MEMS气体压力传感器，由于MEMS器件芯片和集成电路芯片之间的引线较长，引入较多干扰信号，造成整体功能下降。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种微机电系统及其制备方法，解决了现有技术中MEMS器件芯片和集成电路芯片之间引线较长，从而引入较多干扰信号的问题。
本发明提供的一种微机电系统的制备方法，包括：
在微机电器件芯片上制备环绕气体敏感单元的第一封装环和位于第一封装环内侧的气体敏感单元周围的第一电气连接点；
在集成电路芯片上与第一封装环对应的位置和与第一电气连接点对应的位置分别制备第二封装环和作为电路层输入端的第二电气连接点；
将微机电器件芯片和集成电路芯片对置；其中，第一电气连接点、第二电气连接点形成电气对接，第一封装环和第二封装环形成密封对接；
在微机电器件芯片上开设由微机电器件芯片、集成电路芯片、第一封装环和第二封装环所形成的空间的导气通孔。
本发明还提供了一种微机电系统，包括：
微机电器件芯片，其包括环绕气体敏感单元的第一封装环和位于第一封装环内侧的气体敏感单元周围的第一电气连接点；
与微机电器件芯片对接的集成电路芯片，其包括与气体敏感单元适配的电路层、与第一封装环密封对接的第二封装环和与第一电气连接点电气对接的第二电气连接点；
微机电器件芯片上包括由微机电器件芯片、集成电路芯片、第一封装环、第二封装环所形成的空间的导气通孔。
本发明实施例提供的一种微机电系统及其制备方法，通过第一和第二电气连接点直接对接键合的方式实现电气连接，就无需使用较长的引线，从而避免了引入不必要的干扰信号，提高器件精确度。
附图说明
图1A所示为现有技术中的MEMS器件芯片的截面结构示意图。
图1B所示为本发明一实施例提供的MEMS器件芯片的截面结构示意图。
图2A所示为现有技术中的集成电路芯片的截面结构示意图。
图2B所示为本发明一实施例提供的集成电路芯片的截面结构示意图。
图3-图4所示为本发明一实施例提供的MEMS系统的制备过程示意图。
图5所示为本发明一实施例提供的根据本发明的MEMS系统的制备方法得到的MEMS系统的截面结构示意图。
图6所示为本发明另一实施例提供的根据本发明的MEMS系统的制备方法得到的MEMS系统的截面结构示意图。
图7为本发明又一实施例提供的根据本发明的MEMS系统的制备方法得到的MEMS系统的截面结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种微机电系统的制备方法，包括：
步骤S100，提供微机电器件芯片20和集成电路芯片10；其中，如图1A所示，微机电器件芯片20包括第一衬底201和设置在第一衬底201上的气体敏感单元200；如图2A所示，集成电路芯片10包括第二衬底101和设置在第二衬底101上的与气体敏感单元200适配的电路层100。对于微机电器件芯片20和集成电路芯片10的具体制备过程采用现有技术，这里不予赘述。
需要注意的是，如图1A所示微机电器件芯片20中的气体敏感单元200为环形连通槽结构，故其在图1A所示的截面示意图中呈现的是两个矩形孔。本领域技术人员可以理解，这里给出的气体敏感单元200还可以是十字形连通槽、矩形槽或其他结构，对此不予限定。
这里的气体敏感单元200，用于将敏感到的由气体产生的变化信号转变为电路可识别的，如电阻、电容的变化，例如可以是气体压力敏感单元或气敏单元。与该气体敏感单元20对应的集成电路芯片10上的电路层100，用于将气体敏感单元200敏感到的电阻或电容的变化转化为电信号输出。
步骤S102，参阅图1B，在图1A所示的微机电器件芯片20上制备环绕气体敏感单元200的第一封装环2041和位于第一封装环2041内侧的气体敏感单元200周围的第一电气连接点2040。
具体执行过程例如可以是，在如图1A所示的微机电器件芯片20的顶层淀积金属层，采用掩膜刻蚀工艺形成环绕气体敏感单元200的第一封装环2041和位于第一封装环2041内侧的气体敏感单元200周围的第一电气连接点2040，如图1B所示。根据本实施方式的第一封装环2041和第一电气连接点2040均采用相同的金属材质，这样可以一步成型，简化制备过程，本领域技术人员可以理解，第一封装环2041还可以采用任意其他现有的封装材质。图1B所示的第一电气连接点2040设置在环形连通槽型气体敏感单元200的中央，这样的好处是，可以保证后续对接键合后该第一电气连接点2040的受力均匀，其实际上还可以设置在气体敏感单元200的外侧四周或其他位置，这里不予限定。此外，虽然图1B所示的第一电气连接点2040包括两个，实际上该第一电气连接点2040的数量也是可以根据实际需要合理设置的。
步骤S106，参阅图2B，在如图2A所示的集成电路芯片10上与第一封装环2041对应的位置和与第一电气连接点2040对应的位置分别制备第二封装环1041和作为电路层100输入端的第二电气连接点1040。
具体制备过程例如可以是，在如图2A所示集成电路芯片10结构的顶层淀积一层或多层隔离层，在隔离层之上淀积金属层，对该金属层采用掩膜刻蚀工艺在集成电路芯片10上与第一封装环2041对应的位置和与第一电气连接点2040对应的位置分别制备第二封装环1041和作为电路层100输入端的第二电气连接点1040。
步骤S108，参阅图3，将微机电器件芯片20和集成电路芯片10对置；其中，第一电气连接点2040、第二电气连接点1040形成电气对接，第一封装环2041和第二封装1041环形成密封对接。本步骤中的对接方式可以采用两种金属高温互溶形成合金的方式实现密闭结构与电气连接，此时，第一封装环2041可以采用锗，对应的第二封装环采用铝；或者第一封装环2041采用金，对应的第二封装环采用多晶硅。
考虑到，经过步骤S100-步骤S108得到的MEMS系统为一个密闭的整体，无法敏感到外界大气产生的变化，气体敏感单元200也就失去了它原本的作用。为了解决这一问题，需要将气体敏感单元的结构释放出来，使之与大气连通。
步骤S110，参阅图4，在微机电器件芯片20上开设由微机电器件芯片20、集成电路芯片10、第一封装环2041和第二封装环1041所形成的空间的导气通孔205。
根据本发明实施方式的微机电系统的制备方法，一方面，采用电气连接点直接对接键合的方式实现电气连接，就无需使用较长的引线，从而避免了引入不必要的干扰信号，提高器件精确度。与此同时，实现了MEMS器件芯片的晶圆级集成封装，减小封装成品尺寸。
在一个实施例中，如图5所示，步骤S110中形成的导气通孔205形成包围气体敏感单元200和第一电气连接点2040的贯通槽。
这样，当贯通槽包围气体敏感单元200和第一电气连接点2040时，气体敏感单元200就成了单纯依靠第一电气连接点2040和第二电气连接点1040支撑的孤岛。与现有技术中气体敏感单元200需要四周固定支撑相比，可以更有利于释放应力。本领域技术人员可以理解，这里的贯通槽结构的轮廓线不限于规则的图形，也可以是任意不规则图形。
这种情况下，该贯通槽一方面可以起到连通大气的作用，另一方面可以作为气体敏感单元200的应力释放出口。
在一个实施例中，参阅图6，当贯通槽包围气体敏感单元200和第一电气连接点2040时，根据本发明实施方式的微机电系统的制备方法，在步骤S110之后进一步包括：
步骤S111，在第一衬底201的裸露表面上以四周边沿固定的方式贴附硅片207。可以采用粘片胶206实现硅片207和第一衬底201之间的固定。由于这种情况下的气体敏感单元200成为了只依靠第一电气连接点2040和第二电气连接点1040支撑的孤岛，其很容易因为受力不均匀导致第一电气连接点2040和第二电气连接点1040之间的电气连接发生断路，或者气体敏感结构部分受到损坏，因此，通过增加防护层(即硅片207)的方式来保护气体敏感单元200，即实现对MEMS系统的封装。
本领域技术人员可以理解，在贴附硅片207之前可以对第一衬底201和/或待贴附硅片207进行减薄，这样可以减小器件体积，同时也便于后续刻蚀通孔208。
步骤S1052，在硅片207上刻蚀通孔208。该通孔208贯穿硅片207的上下表面，其是为了使气体敏感单元200与外界大气连通。该通孔208的具体位置和形状不予限定。
根据本实施方式的微机电系统的制备方法，利用硅片207实现对微机电系统的封装，而不再需要采用现有技术中的陶瓷或金属封装(参见背景技术)，降低成本。
在一个实施例中，根据本发明实施方式的微机电系统的制备方法，在步骤S108之前，进一步包括：
步骤S107，参阅图7，将集成电路芯片10上电路层100的输出端引出到第二衬底101的裸露表面，形成外电路电气连接点。这样，可以便于与外电路的集成。该步骤S107的具体执行过程只要位于步骤S108之前即可，至于其到底位于步骤S108之前的哪一步骤可以根据实际情况自行选择。
具体执行过程可以包括：在如图2A所示的集成电路芯片10结构的基础上，在电路层100的输出端位置刻蚀硅通孔102，一般通过在制作集成电路芯片的过程中预埋硅通孔102来实现，并在硅通孔102中填充金属；对第二衬底101的裸露表面进行减薄处理至露出硅通孔102中的金属；在金属的裸露表面制备焊料球106。本领域技术人员可以理解，为了合理布局焊料球106，也可以在经过减薄处理之后的第二衬底101的下表面安排布线105，用于电气连接硅通孔102中的金属和焊料球106。
本发明还提供了一种微机电系统。如图4所示，根据本发明实施方式的微机电系统，包括：微机电器件芯片，其包括第一衬底，设置在第一衬底上的气体敏感单元、环绕所述气体敏感单元的第一封装环和位于第一封装环内侧的气体敏感单元周围的第一电气连接点；与微机电器件芯片对接的集成电路芯片，其包括第二衬底，设置在第二衬底上的与气体敏感单元适配的电路层、与第一封装环密封对接的第二封装环和与第一电气连接点电气对接的第二电气连接点；微机电器件芯片上包括由微机电器件芯片、集成电路芯片、第一封装环、第二封装环所形成的空间的导气通孔。该气体敏感单元包括气体压力敏感单元或气敏单元。
在一个实施例中，根据本发明实施方式的微机电系统，导气通孔形成包围气体敏感单元和第一电气连接点的贯通槽。
在一个实施例中，当贯通槽包围气体敏感单元和第一电气连接点时，在第一衬底的裸露表面上进一步包括其上开有通孔的硅片，硅片与第一衬底之间沿四周边沿固定。
在一个实施例中，根据本发明实施方式的微机电系统，第二衬底的裸露表面进一步包括连通电路层输出端的外电路电气连接点。
根据本发明各种实施方式的微机电系统，具有与上述与之对应的微机电系统制备方法相应的有益效果。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种微机电系统的制备方法，其特征在于，包括：
在微机电器件芯片上制备环绕气体敏感单元的第一封装环和位于第一封装环内侧的气体敏感单元周围的第一电气连接点；
在集成电路芯片上与第一封装环对应的位置和与第一电气连接点对应的位置分别制备第二封装环和作为电路层输入端的第二电气连接点；
将微机电器件芯片和集成电路芯片对置；其中，第一电气连接点、第二电气连接点形成电气对接，第一封装环和第二封装环形成密封对接；
在微机电器件芯片上开设由微机电器件芯片、集成电路芯片、第一封装环和第二封装环所形成的空间的导气通孔，所述导气通孔形成包围气体敏感单元和第一电气连接点的贯通槽。
2.如权利要求1所述的微机电系统的制备方法，其特征在于，当贯通槽包围气体敏感单元和第一电气连接点时，所述微机电系统的制备方法进一步包括：
在第一衬底的裸露表面上以四周边沿固定的方式贴附硅片；
在硅片上刻蚀通孔。
3.如权利要求1所述的微机电系统的制备方法，其特征在于，在将微机电器件芯片和集成电路芯片对置之前，进一步包括：
将集成电路芯片上电路层的输出端引出到第二衬底的裸露表面，形成外电路电气连接点。
4.如权利要求3所述的微机电系统的制备方法，其特征在于，所述将集成电路芯片上电路层的输出端引出到第二衬底的裸露表面，形成外电路电气连接点，具体包括：
在集成电路芯片上的电路层的输出端位置刻蚀硅通孔，并在硅通孔中填充金属；
对第二衬底的裸露表面进行减薄处理至露出硅通孔中的金属；
在金属的裸露表面制备焊料球。
5.如权利要求1-4中任一所述的微机电系统的制备方法，其特征在于，所述气体敏感单元包括气体压力敏感单元或气敏单元。
6.如权利要求1-4中任一所述的微机电系统的制备方法，其特征在于，气体敏感单元为环形连通槽结构，第一电气连接点设置于气体敏感单元的中央。
7.一种微机电系统，其特征在于，包括：
微机电器件芯片，其包括环绕气体敏感单元的第一封装环和位于第一封装环内侧的气体敏感单元周围的第一电气连接点；
与微机电器件芯片对接的集成电路芯片，其包括与气体敏感单元适配的电路层、与第一封装环密封对接的第二封装环和与第一电气连接点电气对接的第二电气连接点；
微机电器件芯片上包括由微机电器件芯片、集成电路芯片、第一封装环、第二封装环所形成的空间的导气通孔，所述导气通孔形成包围气体敏感单元和第一电气连接点的贯通槽。
8.如权利要求7所述的微机电系统，其特征在于，所述气体敏感单元包括气体压力敏感单元或气敏单元。
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