CN1209808C - 体硅mems器件集成化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种体硅MEMS器件集成化方法。本方法包含集成电路加工(可在任何集成电路生产线上完成)、MEMS器件结构加工和集成化三部分。将复杂的集成化工艺技术分解为三个独立的工艺部分部分，集成电路加工(可在任何集成电路生产线上完成)、MEMS器件结构加工和集成化。具有工艺简单、成品率高、适用于多种MEMS器件的加工、同时具有芯片级封装的功能，解决了目前MEMS技术发展中芯片级封装和集成化两大难题，而且还充分利用了加工技术的社会资源。由于这项技术能够满足多种器件加工的需求，因此也可以说是一种MEMS标准工艺。利用这种简单实用的标准工艺来实现各种功能的MEMS器件，给MEMS技术的发展带来革命性的变化和发展。可广泛应用与MEMS技术领域。
Description
技术领域：本发明涉及一种微电子机械系统(MEMS)器件的加工方法，尤其涉及一种具有芯片级封装功能的体硅MEMS器件集成化方法。
背景技术：微电子机械系统(MEMS)作为起源于上世纪90年代的跨学科和先进制造技术对改善人们的生活质量、提高人们的生活水平以及增强国力起到了重要的作用。作为微电子机械系统其发展具有很明显的不平衡性。由于强烈的多学科交叉特征，MEMS的研究方式和加工技术就与生俱来的带有多样性。
尽管近年来硅工艺已成为MEMS工艺的主流，由于器件加工工艺的复杂，集成化和芯片级封装一直使MEMS技术发展中的制约。以差分电容取样的体硅MEMS器件能够提供的电容变化量通常在af(10-15法)量级；很显然，没有集成化技术的支持MEMS器件技术的优势就难以体现出来。
另一方面，只有充分利用集成电路强大的信号处理能力才能够使MEMS器件不仅在体积和成本上，而且在精度、一致性等方面也有比传统器件更出色的表现。如何能够解决MEMS器件在小型化过程中造成的输出信号较小的问题，使这一行业能走向良性的市场循环是从事MEMS技术研究和市场开发人员的梦想。
目前常用的集成化技术有表面牺牲层工艺与CMOS工艺集成、薄膜压阻工艺与CMOS的集成、还有将MEMS芯片和集成电路封装在一个管壳内的多芯片模块(MGM)封装集成化技术。但牺牲层和薄膜压阻与CMOS集成的工艺复杂，微结构和集成电路做在一个芯片上，器件的成品率受到很大影响。MCM属于后期集成，需要逐个操作，生产效率较低，成本较高。
发明内容：
本发明的目的在于针对MEMS技术在集成化发展过程中存在的工艺复杂、成品率低、生产效率低的主要问题，提供一种降低工艺复杂性、提高了器件的成品率，降低对器件工艺加工环境的要求。
本发明的目的还在于在实现集成化的同时解决芯片级封装的问题。
本发明的体硅MEMS器件集成化方法，其步骤包括：
1)MEMS器件结构工艺部分
在PYREX7740玻璃上采用键合工艺制造MEMS结构，其中MEMS器件结构周围在版图设计时留出集成化键合用的区域；在MEMS结构工艺过程中不要划片。
2)集成电路工艺部分
用双面抛光的硅片，尺寸与MEMS标准工艺的硅片尺寸相同；留出划片时去掉的部分；
3)集成化工艺部分
3-1)集成电路硅片背面生长PECVD氧化硅；
3-2)集成电路硅片背面光刻；
3-3)刻蚀集成电路硅片背面氧化硅、去胶；
3-4)腐蚀或高深宽比硅刻蚀集成电路硅片背面；
3-5)刻蚀集成电路硅片背面氧化硅；
3-6)集成电路硅片背面生长PECVD氧化硅；
3-7)集成电路硅片与MEMS标准工艺的玻璃片键合对准；
3-8)静电键合；
3-9)划片、裂片；
3-10)粘片、压焊。
所述在PYREX7740玻璃上采用键合工艺制造MEMS结构，其步骤包括
1)硅片上的工艺部分
1.1)淀积或热生长SiO2、第一面涂胶保护、腐蚀SiO2、去胶；
1.2)第一面光刻、腐蚀SiO2、去胶；
1.3)硅浅台阶腐蚀、腐蚀去除SiO2；
2)PYREX7740玻璃片上的工艺部分
2.1)光刻、腐蚀玻璃浅槽；
2.2)溅射电极金属；
2.3)剥离形成金属电极；
3)组合工艺部分
3.1)硅片，玻璃片键合对准；
3.2)硅/玻璃静电键合；
3.3)硅片腐蚀减薄；
3.4)双面光刻；
3.5)高深宽比硅刻蚀、去胶。
所述的金属电极选自Ti/Pt/Au三层复合结构的金属电极。
本发明是一种将MEMS器件结构和集成电路两者集成起来而形成一个集成化MEMS器件的技术方案。这个方案包含集成电路加工(可在任何集成电路生产线上完成)、MEMS器件结构加工和集成化三部分。这种集成化方法很具创新性，但其工艺实现并不复杂。三个工艺部分中，前两个都是比较成熟的标准工艺，只有第三部分工艺略有特殊，但工艺过程很简单。集成化的电路连接通过最后的压焊实现。
本发明的体硅MEMS器件集成化方法是在总结了大量MEMS器件技术的基础上发明出来的，具有工艺简单、成品率高、适用于多种MEMS器件的加工、同时具有芯片级封装的功能。这项发明将复杂的集成化工艺技术分解为三个独立的工艺部分部分，用比较简单的工艺组合解决了目前MEMS技术发展中芯片级封装和集成化两大难题，而且还充分利用了加工技术的社会资源。由于这项技术能够满足多种器件加工的需求，因此也可以说是一种MEMS标准工艺。
本发明的积极意义在于可以让更多的人更专业的进入MEMS领域，利用这种简单实用的标准工艺来实现各种功能的MEMS器件，给MEMS技术的发展带来革命性的变化和发展。这种加工方式表明MEMS器件也可以像汽车、电视机一样用生产线来“组装”。
附图说明：
一)键合-深刻蚀释放MEMS工艺部分流程示意图：
图1热氧化300nm、第一面光刻
1--双面抛光硅片，3--光刻胶
图2 BHF蚀SiO2、去胶、KOH腐蚀浅台阶
2--氧化硅
图3光刻、BHF腐蚀玻璃120纳米、溅射金属Ti/Pt/Au 160纳米
4--PYREX7740玻璃
图4剥离形成金属电极
5--Ti/Pt/Au金属
图5硅/玻璃键合对准、硅/玻璃静电键合
图6KOH腐蚀减薄硅片
图7双面光刻、高深宽比硅刻蚀(结构释放)
二)具有芯片级封装功能的体硅MEMS器件集成化技术组合工艺部分流程示意图
图8已完成集成电路制造的双面抛光硅片
6--带集成电路硅片，7--硅片上的集成电路
图9背面生长PECVD氧化硅/氮化硅(厚度根据腐蚀的湿度决定)，光刻，腐蚀氧化硅/氮化硅
8--氧化硅/氮化硅
图10KOH腐蚀硅片背面(湿度根据需要定)
图11集成电路硅片背面淀积PECVD氧化硅300~400纳米
图12集成电路硅片与MEMS标准工艺的玻璃片键合对准，静电键合
9--带微结构的PYREX7740玻璃
图13划片
图14裂片，粘片，压焊
10--压焊丝
具体实施方式：
本发明的体硅MEMS器件集成化技术主要适用于各种采用PYREX7740玻璃为衬底制作的MEMS器件。如：加速度计、陀螺等传感器；和可调电容、继电器等执行器。附图示意了采用键合-深刻蚀释放工艺的集成化工艺流程。
如图1-7所示为MEMS器件结构工艺部分，在PYREX7740玻璃上采用键合-深刻蚀释放工艺制造MEMS结构，要求MEMS器件结构周围在版图设计时留出集成化键合用的区域，在MEMS结构工艺过程中不要划片。
集成电路工艺部分，可采用成熟的标准工艺制备集成电路硅片，要求用双面抛光的硅片，尺寸与MEMS标准工艺的硅片尺寸相同，留出划片时去掉的部分。
集成化工艺部分，如图8-14所示，包括集成电路硅片背面生长PECVD氧化硅(厚度根据腐蚀深度决定)；集成电路硅片背面光刻；刻蚀集成电路硅片背面氧化硅、去胶；KOH腐蚀或高深宽比硅刻蚀集成电路硅片背面；刻蚀集成电路硅片背面氧化硅；集成电路硅片背面生长PECVD氧化硅；集成电路硅片与MEMS标准工艺的玻璃片键合对准；静电键合；划片、裂片；粘片、压焊。
Claims (3)
1、一种体硅MEMS器件集成化方法，其步骤包括：
1)MEMS器件结构工艺部分
在PYREX7740玻璃上采用键合工艺制造MEMS结构，其中MEMS器件结构周围在版图设计时留出集成化键合用的区域；在MEMS结构工艺过程中不要划片；
2)集成电路工艺部分
用双面抛光的硅片，尺寸与1)的硅片尺寸相同；留出划片时去掉的部分；
3)集成化工艺部分
3-1)集成电路硅片背面生长PECVD氧化硅；
3-2)集成电路硅片背面光刻；
3-3)刻蚀集成电路硅片背面氧化硅、去胶；
3-4)腐蚀或高深宽比硅刻蚀集成电路硅片背面；
3-5)刻蚀集成电路硅片背面氧化硅；
3-6)集成电路硅片背面生长PECVD氧化硅；
3-7)集成电路硅片与MEMS标准工艺的玻璃片键合对准；
3-8)静电键合；
3-9)划片、裂片；
3-10)粘片、压焊。
2、如权利要求1所述的体硅MEMS器件集成化方法，其特征在于所述在PYREX7740玻璃上采用键合工艺制造MEMS结构，其步骤包括
1)硅片上的工艺部分
1.1)淀积或热生长SiO2、第一面涂胶保护、腐蚀SiO2、去胶；
1.2)第一面光刻、腐蚀SiO2、去胶；
1.3)硅浅台阶腐蚀、腐蚀去除SiO2；
2)PYREX7740玻璃片上的工艺部分
2.1)光刻、腐蚀玻璃浅槽；
2.2)溅射电极金属；
2.3)剥离形成金属电极；
3)组合工艺部分
3.1)硅片，玻璃片键合对准；
3.2)硅/玻璃静电键合；
3.3)硅片腐蚀减薄；
3.4)双面光刻；
3.5)高深宽比硅刻蚀、去胶。
3、如权利要求2所述的体硅MEMS器件集成化方法，其特征在于所述的金属电极选自Ti/Pt/Au三层复合结构的金属电极。
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