CN107512700B - 一种中心支撑式mems芯片封装结构的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中心支撑式MEMS芯片封装结构的制作方法，采用喷涂光刻胶的方法对芯片结构进行保护，然后对芯片硅衬底底部的光刻胶图形化，形成刻蚀掩膜。采用各向异性刻蚀工艺在MEMS芯片的衬底上刻蚀出一个面积较大的中心支撑结构和若干个面积较小的辅助支撑结构，然后将MEMS芯片粘胶或键合固定到陶瓷管壳腔体内进行金属引线键合，将含MEMS芯片的陶瓷管壳整体放入刻蚀腔体内，采用各向同性刻蚀气体进行刻蚀,将辅助支撑结构完全刻蚀去除，保留一部分的中心支撑结构不被刻蚀去除。通过在硅衬底上加工出中心支撑结构，将MEMS芯片支撑近似悬浮于封装管壳内，大幅减小MEMS芯片上的封装应力，实现MEMS芯片的低应力封装。该方法具有封装工艺简单、不显著增加封装成本，易于实现的优点。

Description

一种中心支撑式MEMS芯片封装结构的制作方法

技术领域

本发明涉及电子领域，具体涉及一种采用中心支撑的准悬浮式的MEMS电容传感器低应力封装。

背景技术

MEMS（Micro Electro Mechanical System）电容传感器具有体积小、质量轻、功耗低、成本低等优点，应用广泛。MEMS电容传感器通过测量微小敏感结构构成的电容变化来实现相应待测物理量的测量。通常MEMS传感器需封装在一定的结构中，以提供传感器所需的电连接、机械连接和相应的化学环境保护等。

金属封装、塑料封装和陶瓷封装是最常见的三种MEMS芯片的封装形式。由于陶瓷封装具有导热性、气密性好的优点，因此陶瓷封装使用的最为广泛。

通常陶瓷封装的MEMS传感器的封装结构如图1所示。传统MEMS电容传感器首先加工出MEMS传感器裸芯片100，然后通过粘胶或键合500的方式固定在陶瓷管壳200腔体内。裸芯片上的焊盘与陶瓷管壳腔体内的焊盘通过金属引线300相互连接，实现电信号在管壳内外的相互传输。最后采用可伐合金盖板400密封陶瓷管壳200腔体。然而不论是陶瓷封装还是金属封装亦或是塑料封装，始终存在着封装材料与硅材料的热膨胀系数不同，因此温度变化会产生封装应力。封装应力会对传感器的精度和稳定度产生影响。如何降低封装应力，是高精度MEMS电容传感器设计的重点和难点。

发明专利申请《具有应力隔离的MEMS惯性传感器封装结构》（申请号201020124304.6）提出通过在传感器芯片与封装管壳之间粘接一层与传感器衬底相同材料的应力隔离层，实现对MEMS惯性传感器芯片的应力隔离。发明专利申请《可降低封装应力的封装构造》（申请号200810083425.8）提出了一种包含承载器、中介基板、第一密封胶以及第二密封胶的一种降低芯片封装应力的构造。该方法通过在芯片与中介基板之间包覆第一密封胶，在中介基板与承载器之间包覆第二密封胶，选择第一密封胶的玻璃转化温度大于第二密封胶的玻璃转化温度，实现降低封装应力。

飞思卡尔半导体公司提出了若干改善封装应力的技术途径。发明专利申请《具有补偿封装应力的应力消除的电容传感器》（申请号200980119818.2）提出了一种在MEMS电容式传感器内活动元件的末端加工出朝旋转轴延伸的槽缝，实现补偿封装应力改善传感器性能的目的。发明专利申请《降低了对封装应力的敏感性的半导体器件》（申请号200980120339.2）提出了通过差分电容性换能器包括元件的对称布置以及由固定指锚的位置定义的锚区域的建立，用于可移动元件或者检测质量块的悬置锚位于该锚区域中，可以有效地消除移位的非线性分量，进而降低封装应力对传感器输出的影响。发明专利申请《具有用于应力隔离的中央锚的MEMS装置》提出通过相对于现有技术的装置显著减少元件到基板的连接以及通过使这些连接位于彼此很接近的范围内并且在基板的中央局部处，实现减小应力的目的。

发明专利申请《一种消除封装应力的悬浮式力敏传感器芯片及其制作方法》（申请号201210333367.6）和发明专利申请《封装应力与温漂自补偿的双悬浮力敏传感器芯片及制备方法》（申请号201310234503.0）均是采用一种设计和加工手段将压力传感器集成在悬臂梁结构带上，充分依靠悬臂梁尾端活动自由结构的力学特性，使悬臂梁上的压力传感器能有效抑制芯片外部封装应力给力敏传感器性能带来的不利影响。

发明专利申请《一种加速度计及其制造工艺》（申请号201210356535.3）和发明专利申请《一种加速度计及其制造工艺》（申请号201210356922.7）提出加速度计的质量块通过不同的弹性梁与框架相连接，框架在通过四根悬臂梁与活动限位体相连接，从而实现结构的封装应力隔离。

发明专利申请《芯片附接应力隔离》（申请号201310016701.X）提出采用一种用于微结构设备的应力隔离托架，其包括托架底座并且具有第一托架臂和第二托架臂，第一托架臂用于附接至微结构设备并且相对于所述通道面向内的第一安装表面，第二托架臂相对于所述通道面向对外以附接至用于容纳微结构设备的封装的第二安装表面。

发明专利申请《通过背面图形化降低MEMS芯片封装应力的方法》（申请号201310140175.8）提出通过光刻胶图形作为刻蚀腌膜对MEMS芯片的背面层进行刻蚀，形成装片柱。在封装管壳的底板上涂覆粘片胶，将带有装片柱的MEMS芯片通过装片柱固定在封装管的壳底板上，进而实现降低封装应力的目的。

发明专利申请《一种MEMS传感器封装结构及其封装方法》（申请号201410183524.9）提出选用与MEMS传感器材料热膨胀系数接近的陶瓷基底作为封装材料，实现降低基座膨胀应力对MEMS传感器的影响。发明专利申请《MEMS传感器的封装结构及封装方法》（申请号201510441722.5）提出利用氮化硅陶瓷材料的热膨胀系数与硅接近的特点，选用氮化硅陶瓷作为封装MEMS传感器芯片的基座，实现减小封装应力的目的。

发明专利申请《一种基于硅硅键合的隔离封装应力的压力传感器》（申请号201410306360.4）和发明专利申请《一种基于硅硅键合的减小封装应力的微机械陀螺仪》（申请号201410816214.6）均是提出在支撑层表面刻蚀出一块用于硅硅键合的凸块，将传感器芯片通过硅硅键合固定在支撑层表面的凸块上。通过减小键合面积和深沟槽刻蚀减小因材料热膨胀系数不匹配而产生的热应力。

发明专利申请《一种MEMS器件热应力隔离结构》（申请号201410465729.6）提出了一种MEMS器件热应力隔离结构。该结构四角分别设有一个凸起的键合面与MEMS器件衬底硅硅键合，隔热结构中部形成贯通的空腔，空腔中设有纵横交错并贯通的散热槽。通过采用该热应力隔离结构可以降低封装应力对MEMS器件的影响。

发明专利申请《一种LCC封装应力释放结构》（申请号201410720844.3）提出一种与芯片外形匹配的LCC封装应力释放结构。该结构设置锚点和支撑点，锚点和支撑点之间通过连接梁连接。通过该结构可以有效减少LCC封装传递给芯片的热应力。

发明专利申请《对封装应力不敏感的MEMS芯片的制造方法及其MEMS芯片》（申请号201510114611.3）提出了一种对封装应力不敏感的MEMS芯片制造方法。采用该方法制造出的下电极和MEMS活动结构被密封在一个密封腔内，且下电极和MEMS活动结构与底板的接触面积都非常小，因此只有一部分热应力传导到下电极和MEMS活动结构上。

发明专利申请《一种MEMS器件及其制作方法》（申请号201510365845.5）提出通过在MEMS器件下部添加一个独立的隔离结构来实现降低热应力的目的。

发明专利申请《一种低应力加速度计的制备方法》（申请号201510661783.2）提出将传统固定电极结构改变为双端固支悬浮电极结构，使得热应力对电极结构的影响大幅下降，从而实现提高加速度计全温性能的目的。

发明专利申请《MEMS芯片的封装结构及封装方法》（申请号201610046817.1）提出用引线结构将MEMS芯片固定在封装结构内，使其悬空在封装结构内部，不与封装基板接触，从而彻底隔离封装所导致的应力。

发明专利《具有应力隔离的MEMS惯性传感器封装结构》、《可降低封装应力的封装构造》、《芯片附接应力隔离》、《一种基于硅硅键合的隔离封装应力的压力传感器》、《一种MEMS器件热应力隔离结构》、《一种MEMS器件及其制作方法》等均是在现有MEMS裸芯片下增加一层特殊的隔离结构来实现减小封装应力对芯片形变的影响，该方法的缺点是需要额外增加一层结构层，因此会增加器件的总厚度。发明专利《通过背面图形化降低MEMS芯片封装应力的方法》虽然采用了刻蚀工艺在芯片背面加工出了特殊的图形结构，减小了芯片与封装的接触面积，但芯片底部仍然存在着多部位与管壳固定连接的问题，多位置的固定连接依然会产生热应力，造成芯片的形变。发明专利《MEMS芯片的封装结构及封装方法》采用金属引线将芯片悬浮于封装腔体内，然后填充电绝缘的阻滞填充物，最后密封封装腔体。其缺点是封装腔体和阻滞填充物需特殊定制，增加了加工复杂程度和成本。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本专利提供了一种中心支撑式的MEMS芯片低应力封装制作方法。

为解决上述技术问题，本发明提供一种中心支撑式MEMS芯片封装结构的制作方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1：在标准SOI晶圆片A的硅电极层上加工出多组锚点结构、敏感结构腔体、位于敏感结构下腔体周围的键合密封区、相邻两个键合密封区之间的划片区和位于敏感结构腔体内的下电极结构；

步骤2：采用键合工艺将另一片标准SOI晶圆片B的硅电极层键合到标准SOI晶圆片A的键合密封区上；

步骤3：去除标准SOI晶圆片B的硅衬底和二氧化硅隔离层；

步骤4：在标准SOI晶圆片B的硅电极层上加工出敏感结构；

步骤5：采用键合工艺，将具有导电通孔的硅帽键合到SOI晶圆片B的硅电极层上形成芯片，将敏感结构密封到硅帽的腔体与敏感结构腔体形成的空间中；

步骤6：采用喷涂光刻胶的方法，在芯片的正、反面均喷涂光刻胶；

步骤7：将覆盖在硅帽的导电通孔上的光刻胶刻蚀去除，溅射金属，形成焊盘；

步骤8：在硅衬底外表面的光刻胶上刻蚀出中心支撑结构和辅助支撑结构图形；

步骤9：利用光刻胶上的中心支撑结构和辅助支撑结构图形作为掩膜，采用各向异性刻蚀工艺，在硅衬底上刻蚀形成设定深度的中心支撑结构和辅助支撑结构；

步骤10：划片形成多片相同且独立的MEMS芯片，将任一MEMS芯片通过粘胶或键合固定到陶瓷管壳腔体内，通过键合金属引线使焊盘与陶瓷管壳引脚之间电连接；

步骤11：将含MEMS芯片的陶瓷管壳整体放入刻蚀设备中，采用各向同性刻蚀气体对MEMS芯片暴露出的硅进行刻蚀，完全刻蚀去除辅助支撑结构，同时保留部分中心支撑结构不被刻蚀；

步骤12：最后采用可伐合金盖板密封陶瓷管壳。

步骤1中的锚点结构、敏感结构下腔体、键合密封区、划片区和位于敏感结构下腔体内的下电极结构采用干法或湿法刻蚀工艺加工而成。

步骤3中，采用CMP和刻蚀工艺去除标准SOI晶圆片B的硅衬底和二氧化硅隔离层。

步骤4中，采用深槽刻蚀工艺在标准SOI晶圆片B的硅电极层上加工出敏感结构。

制备硅帽的步骤为：在单晶硅晶圆片上采用TSV工艺加工出导电通孔，然后采用光刻胶保护导电通孔的上下表面，再采用湿法或干法工艺，加工出硅帽腔体。

辅助支撑结构图形环绕设置在中心支撑结构图形的周围。

辅助支撑结构图形以中心支撑结构图形为中心，呈中心对称结构排列。

中心支撑结构图形面积大于辅助支撑结构图形的面积。

中心支撑结构图形为圆型或多边形；

辅助支撑结构图形为环绕设置在中心支撑结构图形周围的圆形、多边形或环形。

采用各向同性刻蚀气体对MEMS芯片进行刻蚀前，也可采用高温氧化或预埋二氧化硅保护层的方法对MEMS芯片进行保护。

本发明所达到的有益效果：

本专利提出通过在硅衬底上加工出中心支撑结构，将MEMS芯片支撑近似悬浮于封装管壳内，可以大幅减小MEMS芯片上的封装应力，实现MEMS芯片的低应力封装。该方法无需额外增加一层特殊的应力隔离结构层，因此可以保持原封装厚度不变。该方法仅需对MEMS芯片硅衬底进行加工，形成中心支撑结构，不改变MEMS芯片内传感器敏感结构的任何结构设计和工艺步骤，故而不显著增加MEMS芯片的加工步骤数量和复杂程度，并且不需特殊工艺材料，因此该方法具有封装工艺简单、不显著增加封装成本，易于实现的优点。

附图说明

图1为普通MEMS电容式传感器的封装示意图。

图2（a）-图2（p）为采用本发明方法的中心支撑式封装的MEMS电容式传感器的加工工艺步骤示意图。

图3（a）-图3（c）为采用本发明方法的中心支撑结构和辅助支撑结构的平面掩膜层示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

传统变间距式的MEMS电容传感器如图1所示。MEMS电容传感器的下电极直接固定在二氧化硅隔离层上，二氧化硅隔离层固定在硅衬底上。MEMS电容传感器的上电极（即MEMS敏感结构质量块）通过中心锚点结构支撑悬浮在下电极上。上电极与下电极相对构成电容，当存在外界敏感量输入时，上电极与下电极构成的电容容值发生变化，通过检测该容值的变化量即可实现待测敏感量的检测。

当MEMS芯片衬底通过粘胶或金属键合方式固定在陶瓷管壳内后，不同材料热膨胀系数不同，温度变化将产生热应力。由于下电极直接固定在二氧化硅隔离层上，因此下电极形变较大。而上电极通过一个中心锚点结构支撑悬浮于下电极之上，且锚点面积小，因此上电极受热应力影响很小。故温度变化时，上电极与下电极随温度的形变不一致，导致上电极与下电极构成的电容宜受温度影响，传感器的温度特性较差。

本申请通过在MEMS芯片的衬底上刻蚀出一个面积较大的中心支撑结构和若干个面积较小的辅助支撑结构。然后将MEMS芯片划片后，粘胶或键合固定到陶瓷管壳腔体内，再进行金属引线键合。

然后将含MEMS芯片的陶瓷管壳整体放入刻蚀腔体内，采用各向同性刻蚀气体（例如气态二氟化氙），对MEMS芯片进行各向同性刻蚀。

各向同性刻蚀气体以近似相同的刻蚀速率刻蚀暴露出的硅结构。通过合理设计以下参数：中心支撑结构的平面尺寸、辅助支撑结构平面尺寸、支撑结构的高度、各向同性刻蚀工艺参数（刻蚀时间、温度、刻蚀气体压强等），可以实现既将辅助支撑结构完全刻蚀去除，又能保留一部分的中心支撑结构不被刻蚀去除。

各向同性刻蚀完成后，最后采用可伐合金盖板密封陶瓷管壳封装腔体。

为避免在衬底硅的各向同性刻蚀过程中，刻蚀气体刻蚀芯片的其它硅结构，可以采用高温氧化芯片表面、喷涂光刻胶、预埋二氧化硅保护层等方法对芯片结构进行保护。

辅助支撑结构图形环绕设置在中心支撑结构图形的周围，以中心支撑结构图形为中心，呈中心对称结构排列。中心支撑结构图形面积大于辅助支撑结构图形的面积。

较佳地，中心支撑结构的掩膜可以为圆型、正方形等图形。辅助支撑结构的掩膜可以为按一定分布的小圆形、小矩形、环形、长条形等图形，如图3（a）－图3（c）所示。

具体实施步骤如下：

步骤1：MEMS电容传感器采用标准SOI晶圆片，包括硅电极层1、二氧化硅隔离层2和硅衬底3，如图2（a）所示。首先对晶圆片A的硅电极层1采用干法或湿法刻蚀工艺加工出锚点结构11和敏感结构下腔体12，如图2（b）所示。

步骤2：采用干法或湿法刻蚀工艺在晶圆片A的硅电极层上加工出下电极结构13、键合密封区14和划片区15，如图2（c）所示。

步骤3：采用键合工艺将另一片SOI晶圆片B的硅结构层键合到晶圆片A的键合密封区上，如图2（d）所示。

步骤4：采用CMP（Chemical Mechanical Polishing）和刻蚀工艺去除晶圆片B的硅衬底和二氧化硅隔离层，如图2（e）所示。

步骤5：采用深槽刻蚀工艺，在晶圆片B的硅电极层上加工出敏感结构，如图2（f）所示。

步骤6：制备硅帽。首先在单晶硅晶圆片C上采用TSV（Though Silicon Via）工艺加工出导电硅通孔结构，然后采用光刻胶保护硅通孔的上下表面，再采用湿法或干法工艺，加工出硅帽腔体21和硅帽分隔区域22，如图2（g）所示。

步骤7：采用键合工艺，将硅帽晶圆片C键合到晶圆片B的硅电极层上，从而将敏感结构密封到MEMS芯片的腔体内，如图2（h）所示。

步骤8：采用干法刻蚀工艺或划片工艺，去除晶圆片C的硅帽分隔区域22的部分或全部单晶硅，将每个芯片的硅帽分隔开，如图2（i）所示。

步骤9：采用喷涂光刻胶的方法，在晶圆片的正反面均喷涂光刻胶，如图2（j）所示。

步骤10：去除硅帽硅导电通孔上方的光刻胶刻蚀，然后溅射金属，形成芯片的焊盘，如图2（k）所示。

步骤11：在芯片硅衬底底部的光刻胶上刻蚀出中心支撑结构和辅助支撑结构图形，如图2（l）所示。

步骤12：利用步骤11中加工出的中心支撑结构和辅助支撑结构光刻胶图形作为掩膜，采用各向异性刻蚀工艺，在硅衬底上刻蚀形成一定深度的中心支撑结构和辅助支撑结构，如图2（m）所示。

步骤13：对晶圆片进行划片，划片后的MEMS芯片通过粘胶固定到陶瓷管壳腔体内，然后进行金属引线键合，如图2（n）所示。

步骤14：将含MEMS芯片的陶瓷管壳整体放入刻蚀设备中。采用各向同性刻蚀气体对MEMS芯片暴露出的硅进行刻蚀。通过合理的设计中心支撑结构和辅助支撑结构图形尺寸、支撑结构高度、各向同性刻蚀工艺等参数，可以既完全刻蚀去除辅助支撑结构，同时又保留部分中心支撑结构不被刻蚀。因划片而暴露出的硅衬底侧壁和下电极层硅侧壁会同时被各向同性刻蚀气体，通过合理的增大划片区宽度，可以增加划片区下部的硅衬底宽度，以保证硅帽下部的硅衬底不会被气体横向刻蚀。刻蚀完成后，MEMS芯片与陶瓷管壳仅通过中心支撑结构连接，MEMS芯片实现近似悬浮于陶瓷腔体内，如图2（o）所示。

步骤15：最后采用可伐合金盖板密封陶瓷管壳。最终加工完成的中心支撑式的MEMS传感器如图2（p）所示。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种中心支撑式MEMS芯片封装结构的制作方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1：在标准SOI晶圆片A的硅电极层上加工出多组锚点结构、敏感结构腔体、位于敏感结构下腔体周围的键合密封区、相邻两个键合密封区之间的划片区和位于敏感结构腔体内的下电极结构；

步骤2：采用键合工艺将另一片标准SOI晶圆片B的硅电极层键合到标准SOI晶圆片A的键合密封区上；

步骤3：去除标准SOI晶圆片B的硅衬底和二氧化硅隔离层；

步骤4：在标准SOI晶圆片B的硅电极层上加工出敏感结构；

步骤5：采用键合工艺，将具有导电通孔的硅帽键合到SOI晶圆片B的硅电极层上形成芯片，将敏感结构密封到硅帽的腔体与敏感结构腔体形成的空间中；

步骤6：采用喷涂光刻胶的方法，在芯片的正、反面均喷涂光刻胶；

步骤7：将覆盖在硅帽的导电通孔上的光刻胶刻蚀去除，溅射金属，形成焊盘；

步骤8：在硅衬底外表面的光刻胶上刻蚀出中心支撑结构和辅助支撑结构图形；

步骤9：利用光刻胶上的中心支撑结构和辅助支撑结构图形作为掩膜，采用各向异性刻蚀工艺，在硅衬底上刻蚀形成设定深度的中心支撑结构和辅助支撑结构；

步骤10：采用划片工艺形成多片相同且独立的MEMS芯片，将任一MEMS芯片通过粘胶或键合固定到陶瓷管壳腔体内，通过键合金属引线使焊盘与陶瓷管壳引脚之间电连接；

步骤11：将含MEMS芯片的陶瓷管壳整体放入刻蚀设备中，采用各向同性刻蚀气体对MEMS芯片暴露出的硅进行刻蚀，完全刻蚀去除辅助支撑结构，同时保留部分中心支撑结构不被刻蚀；

步骤12：最后采用可伐合金盖板密封陶瓷管壳。

2.根据权利要求1所述的一种中心支撑式MEMS芯片封装结构的制作方法，其特征是，步骤1中的锚点结构、敏感结构下腔体、键合密封区、划片区和位于敏感结构下腔体内的下电极结构采用干法或湿法刻蚀工艺加工而成。

3.根据权利要求1所述的一种中心支撑式MEMS芯片封装结构的制作方法，其特征是，步骤3中，采用CMP和刻蚀工艺去除标准SOI晶圆片B的硅衬底和二氧化硅隔离层。

4.根据权利要求1所述的一种中心支撑式MEMS芯片封装结构的制作方法，其特征是，步骤4中，采用深槽刻蚀工艺在标准SOI晶圆片B的硅电极层上加工出敏感结构。

5.根据权利要求1所述的一种中心支撑式MEMS芯片封装结构的制作方法，其特征是，制备硅帽的步骤为：在单晶硅晶圆片上采用TSV工艺加工出导电通孔，然后采用光刻胶保护导电通孔的上下表面，再采用湿法或干法工艺，加工出硅帽腔体。

6.根据权利要求1所述的一种中心支撑式MEMS芯片封装结构的制作方法，其特征是，辅助支撑结构图形环绕设置在中心支撑结构图形的周围。

7.根据权利要求1所述的一种中心支撑式MEMS芯片封装结构的制作方法，其特征是，辅助支撑结构图形以中心支撑结构图形为中心，呈中心对称结构排列。

8.根据权利要求1所述的一种中心支撑式MEMS芯片封装结构的制作方法，其特征是，中心支撑结构图形面积大于辅助支撑结构图形的面积。

9.根据权利要求1所述的一种中心支撑式MEMS芯片封装结构的制作方法，其特征是，中心支撑结构图形为圆型或多边形；

辅助支撑结构图形为环绕设置在中心支撑结构图形周围的圆形、多边形或环形。

10.根据权利要求1所述的一种中心支撑式MEMS芯片封装结构的制作方法，其特征是，采用各向同性刻蚀气体对MEMS芯片进行刻蚀前，采用高温氧化或预埋二氧化硅保护层的方法对MEMS芯片进行保护。