CN108328570A - 一种带有薄膜背腔结构的mems芯片裂片方法及支撑工装 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有薄膜背腔结构的MEMS芯片裂片方法及支撑工装，所述方法包括以下步骤：1)在晶圆正面进行MEMS芯片加工工艺，完成MEMS芯片正面工艺的制备；2)将晶圆正面与玻璃陪片贴在一起，在晶圆背面进行背腔的刻蚀，刻蚀的同时完成刻蚀槽的制备；3)将刻蚀完成的晶圆与玻璃陪片分离，然后将刻蚀完成的晶圆背面贴在UV膜，将晶圆正面朝下放置在支撑工装上，在UV膜面用球形滚动装置顺着刻蚀槽的方向按压滚动，使芯片沿刻蚀槽分开；4)对完成步骤3)的晶圆上粘贴的UV膜进行扩膜，得到MEMS芯片单元。本发明具有成品率高、成本低、效率高、操作简单的特点。

Description

一种带有薄膜背腔结构的MEMS芯片裂片方法及支撑工装

技术领域

本发明属于微电子机械加工技术领域，尤其涉及一种带有薄膜背腔结构的MEMS芯片裂片方法及支撑工装。

背景技术

MEMS指的是微机电系统，即通过使用微机械加工技术制作各类微传感器等微机械单元，以及多种集成电路所构成的微机电器件单元的系统。该系统利用多种微机械加工、制造技术来生产各类机械单元，被广泛应用于多类技术领域。为了实现特定的功能，MEMS芯片有的会带有薄膜背腔结构，如MEMS电容式微麦克风、MEMS热膜式空气流量计等。

其中空气流量计是电控燃油喷射系统(ECU)的关键部位零部件，安装在空气滤清器和节气门之间，用来检测发动机单位时间内吸进气体的体积或质量(进气量)。ECU根据进气量大小、发动机转速及发动机运行情况等来确定喷油量和点火时间，使发动机工作在最佳空燃比状态，达到了即省油又环保的目的。热膜式质量流量计利用MEMS工艺生产，具有低成本、高精度等特点，是目前汽车空气流量计市场的主流产品。

由于薄膜背腔结构强度低，容易因机械接触而损坏，因此对裂片工艺提出了更高的挑战。目前在MEMS晶圆裂片领域，主要有砂轮裂片和激光裂片。激光裂片设备价格昂贵，不利于降低MEMS芯片的成本。砂轮裂片是目前应用最为广泛的裂片技术，其机理是通过砂轮的高速旋转实现对硅片的切割。但砂轮划切过程中伴随着冷却和清洗的较高压力的水流，会造成薄膜背腔的破裂，且划片刀在裂片过程中切割下来的硅屑会对芯片造成污染。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种带有薄膜背腔结构的MEMS芯片裂片方法及支撑工装，具有成品率高、成本低、效率高、操作简单的特点。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：根据本发明的一个方面，提供了一种带有薄膜背腔结构的MEMS芯片裂片方法，所述方法包括以下步骤：1)在晶圆正面进行MEMS芯片加工工艺，完成MEMS芯片正面工艺的制备；2)将晶圆正面与玻璃陪片贴在一起，在晶圆背面进行背腔的刻蚀，刻蚀的同时完成刻蚀槽的制备；3)将刻蚀完成的晶圆与玻璃陪片分离，然后将刻蚀完成的晶圆背面贴在UV膜，将晶圆正面朝下放置在支撑工装上，在UV膜面用球形滚动装置顺着刻蚀槽的方向按压滚动，使芯片沿刻蚀槽分开；4)对完成步骤3)的晶圆上粘贴的UV膜进行扩膜，得到MEMS芯片单元。

上述带有薄膜背腔结构的MEMS芯片裂片方法中，在步骤2)中，用高温胶带将晶圆正面与玻璃陪片贴在一起，通过ICP刻蚀工艺在晶圆背面进行背腔的刻蚀。

上述带有薄膜背腔结构的MEMS芯片裂片方法中，在步骤1)中，MEMS芯片为热膜式MEMS空气流量计芯片。

上述带有薄膜背腔结构的MEMS芯片裂片方法中，MEMS芯片加工工艺包括：晶片表面制备介质膜层，其中，介质膜层为氧化硅层和氮化硅层，氧化硅层通过热氧化和PECVD沉积工艺形成，氮化硅层通过PECVD和LPCVD工艺形成；在介质膜层的上表面制备金属薄膜层，金属薄膜层通过电子束镀膜工艺来形成；金属薄膜层图形化；再次沉积介质膜层，通过腐蚀或者剥离工艺制备出金属引线pad。

上述带有薄膜背腔结构的MEMS芯片裂片方法中，金属薄膜层图形化为通过湿法腐蚀形成或通过剥离工艺来形成。

上述带有薄膜背腔结构的MEMS芯片裂片方法中，在步骤3)中，利用贴膜机将晶圆背面贴在厚度为70μm的UV膜上。

上述带有薄膜背腔结构的MEMS芯片裂片方法中，在步骤3)中，滚动装置在UV膜上沿刻蚀槽方向进行滚动按压时的滚动速度控制在2-10mm/s，按压力为5-10N。

上述带有薄膜背腔结构的MEMS芯片裂片方法中，在步骤3)中，球形滚动装置的球体为实体球或空心球，球体的材料为树脂类轻体材料，球的直径为3-10cm。

上述带有薄膜背腔结构的MEMS芯片裂片方法中，在步骤3)中，支撑工装包括下底座和环形侧壁；其中，所述环形侧壁与所述下底座一体连接；所述下底座的中心线与所述环形侧壁的中心线重合。

根据本发明的另一方面，还提供了一种用于带有薄膜背腔结构的MEMS芯片裂片的支撑工装，包括下底座和环形侧壁；其中，所述环形侧壁与所述下底座一体连接；所述下底座的中心线与所述环形侧壁的中心线重合。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明充分利用刻蚀背腔的刻蚀加工过程实现了干法裂片，避免了使用常规砂轮式裂片过程中水流冲刷导致带有薄膜背腔结构的MEMS芯片背腔上悬空薄膜破裂以及引入污染的问题，提高了带有薄膜背腔结构的MEMS芯片的成品率。

(2)本发明不需要昂贵的激光划切设备，在工艺流程中即可完成对晶片的划切，成本低、效率高。

(3)本发明制备完成刻蚀槽后芯片的分离过程中不需要复杂的工装，采用圆球在晶片背面滚动按压即可完成，操作简单。

综上，本发明具有成品率高、成本低、效率高、操作简单的特点。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是本发明实施例提供的带有薄膜背腔结构的MEMS芯片裂片方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的带有薄膜背腔结构的MEMS芯片的裂片示意图；

图3是本发明实施例提供的支撑工装的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的用球形滚动装置使芯片相互分离的示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

图1是本发明实施例提供的带有薄膜背腔结构的MEMS芯片裂片方法的流程图。如图1所示，该带有薄膜背腔结构的MEMS芯片裂片方法包括以下步骤：

1)在晶圆正面进行MEMS芯片加工工艺，完成MEMS芯片正面工艺的制备；

2)将晶圆正面与玻璃陪片贴在一起，在晶圆背面进行背腔的刻蚀，刻蚀的同时完成刻蚀槽的制备；

3)将刻蚀完成的晶圆与玻璃陪片分离，然后将刻蚀完成的晶圆背面贴在UV膜上，将晶圆正面朝下放置在支撑工装上，在UV膜背面，用球形滚动装置顺着刻蚀槽的方向按压滚动，使芯片沿刻蚀槽分开；如图4所示。

4)对完成步骤3)的晶圆上粘贴的UV膜进行扩膜，得到MEMS芯片单元。

在步骤2)中，用高温胶带将晶圆正面与玻璃陪片贴在一起，通过ICP刻蚀工艺在晶圆背面进行背腔的刻蚀。如图4所示，刻蚀槽包括若干个并行排列的纵向刻蚀槽和若干个并行排列的横向刻蚀槽，纵向刻蚀槽和横向刻蚀槽正交，进一步的，相邻的纵向刻蚀槽的距离相等，相邻的横向刻蚀槽的距离相等。

在步骤3)中，利用贴膜机将晶圆背面贴在厚度为70μm的UV膜上。滚动装置在UV膜上沿刻蚀槽方向进行滚动按压时的滚动速度控制在2-10mm/s，按压力为5-10N。球形滚动装置的球体为实体球或空心球，球体的材料为树脂类轻体材料，球的直径为3-10cm。带有薄膜背腔结构的热膜式MEMS空气流量计芯片

下面以带有薄膜背腔结构的热膜式MEMS空气流量计芯片为例，该带有薄膜背腔结构的MEMS芯片裂片方法包括以下步骤：

1)在晶片正面进行常规的MEMS芯片加工工艺。MEMS芯片加工工艺包括：氧化、镀膜、光刻、腐蚀、剥离以及退火等工艺。以图2为例，具体步骤包括：①硅片1表面制备介质膜层2，介质膜层2可以是氧化硅和氮化硅，氧化硅层可以通过热氧化、PECVD沉积等工艺形成，氮化硅层可以通过PECVD、LPCVD等工艺形成；②制备金属薄膜层3，金属薄膜层3可以是镍、铂、钛、铬等材料，金属薄膜层可以通过电子束镀膜工艺来形成；③金属薄膜层图形化，金属薄膜的图形化可以通过湿法腐蚀形成，也可以通过剥离工艺来形成；④再次沉积介质膜层，通过腐蚀或者剥离工艺制备出金属引线pad5。

2)用高温胶带将晶圆正面与玻璃片贴在一起，通过ICP刻蚀工艺在晶圆背面进行背腔的刻蚀，刻蚀的同时完成刻蚀槽的制备。如图2所示，要求刻蚀槽的尺寸小于背腔的尺寸。由于刻蚀过程中存在开口效应，窄的刻蚀槽内的刻蚀速度较慢，因此当背腔被刻蚀完全后，刻蚀槽内的硅不会被完全刻蚀掉，而是留有一部分。以500μm宽的背腔和25μm宽的刻蚀槽为例，当背腔刻蚀深度为300μm时，刻蚀槽的刻蚀深度仅为240μm～260μm左右。

3)将背腔刻蚀完成的晶圆从玻璃陪片上轻轻取下，利用贴膜机将晶圆背面贴在厚度为70μm的UV膜上，这一过程中吸真空并加热到50℃以使其牢牢贴紧，正面朝下放置于裂片工装支架上。图3为裂片工装支架结构示意图。然后利用直径为3-10cm的塑料球在UV膜背面进行按压滚动，使MEMS芯片相互分离，如图4所示，其中，刻蚀槽包括若干个横向刻蚀槽和若干个纵向刻蚀槽，若干个纵向刻蚀槽和若干个横向刻蚀槽纵横排列。塑料球分别沿纵向和横向进行按压，使得MEMS芯片相互分离。

4)利用扩膜机对UV膜进行扩膜，扩膜后两个芯片之间的间距大约为2mm，将UV膜放置在紫外曝光灯下2min，用镊子轻轻拾取MEMS芯片。

如图3所示，在步骤3)中，支撑工装包括下底座8和环形侧壁9；其中，环形侧壁9与下底座8一体连接；下底座8的中心线与环形侧壁9的中心线重合。下底座8为圆形底座，下底座8的直径与环形侧壁9的直径大致相等。支撑工装的材质为树脂、陶瓷或不锈钢材料均可。

图3是本发明实施例提供的支撑工装的结构示意图。本实施例还提供了一种用于带有薄膜背腔结构的MEMS芯片裂片的支撑工装，其特征在于包括下底座8和环形侧壁9；其中，环形侧壁9与下底座8一体连接；下底座8的中心线与环形侧壁9的中心线重合。下底座8为圆形底座，下底座8的直径与环形侧壁9的直径大致相等。支撑工装的材质为树脂、陶瓷或不锈钢材料均可。

本实施例充分利用刻蚀背腔的刻蚀加工过程实现了干法裂片，避免了使用常规砂轮式裂片过程中水流冲刷导致带有薄膜背腔结构的MEMS芯片背腔上悬空薄膜破裂以及引入污染的问题，提高了带有薄膜背腔结构的MEMS芯片的成品率。本实施例不需要昂贵的激光划切设备，在工艺流程中即可完成对晶片的划切，成本低、效率高。本实施例制备完成刻蚀槽后芯片的分离过程中不需要复杂的工装，采用圆球在晶片背面滚动按压即可完成，操作简单。

以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种带有薄膜背腔结构的MEMS芯片裂片方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

1)在晶圆正面进行MEMS芯片加工工艺，完成MEMS芯片正面工艺的制备；

2)将晶圆正面与玻璃陪片贴在一起，在晶圆背面进行背腔的刻蚀，刻蚀的同时完成刻蚀槽的制备；

3)将刻蚀完成的晶圆与玻璃陪片分离，然后将刻蚀完成的晶圆背面贴在UV膜，将晶圆正面朝下放置在支撑工装上，在UV膜面用球形滚动装置顺着刻蚀槽的方向按压滚动，使芯片沿刻蚀槽分开；

4)对完成步骤3)的晶圆上粘贴的UV膜进行扩膜，得到MEMS芯片单元。

2.根据权利要求1所述的带有薄膜背腔结构的MEMS芯片裂片方法，其特征在于：在步骤2)中，用高温胶带将晶圆正面与玻璃陪片贴在一起，通过ICP刻蚀工艺在晶圆背面进行背腔的刻蚀。

3.根据权利要求1所述的带有薄膜背腔结构的MEMS芯片裂片方法，其特征在于：在步骤1)中，MEMS芯片为热膜式MEMS空气流量计芯片。

4.根据权利要求3所述的带有薄膜背腔结构的MEMS芯片裂片方法，其特征在于：MEMS芯片加工工艺包括：晶片表面制备介质膜层，其中，介质膜层为氧化硅层和氮化硅层，氧化硅层通过热氧化和PECVD沉积工艺形成，氮化硅层通过PECVD和LPCVD工艺形成；在介质膜层的上表面制备金属薄膜层，金属薄膜层通过电子束镀膜工艺来形成；金属薄膜层图形化；再次沉积介质膜层，通过腐蚀或者剥离工艺制备出金属引线pad。

5.根据权利要求4所述的带有薄膜背腔结构的MEMS芯片裂片方法，其特征在于：金属薄膜层图形化为通过湿法腐蚀形成或通过剥离工艺来形成。

6.根据权利要求1所述的带有薄膜背腔结构的MEMS芯片裂片方法，其特征在于：在步骤3)中，利用贴膜机将晶圆背面贴在厚度为70μm的UV膜上。

7.根据权利要求1所述的带有薄膜背腔结构的MEMS芯片裂片方法，其特征在于：在步骤3)中，滚动装置在UV膜上沿刻蚀槽方向进行滚动按压时的滚动速度控制在2-10mm/s，按压力为5-10N。

8.根据权利要求1所述的带有薄膜背腔结构的MEMS芯片裂片方法，其特征在于：在步骤3)中，球形滚动装置的球体为实体球或空心球，球体的材料为树脂类轻体材料，球的直径为3-10cm。

9.根据权利要求1所述的带有薄膜背腔结构的MEMS芯片裂片方法，其特征在于：在步骤3)中，支撑工装包括下底座(8)和环形侧壁(9)；其中，

所述环形侧壁(9)与所述下底座(8)一体连接；

所述下底座(8)的中心线与所述环形侧壁(9)的中心线重合。

10.一种用于带有薄膜背腔结构的MEMS芯片裂片的支撑工装，其特征在于包括下底座(8)和环形侧壁(9)；其中，

所述环形侧壁(9)与所述下底座(8)一体连接；

所述下底座(8)的中心线与所述环形侧壁(9)的中心线重合。