TW201350424A - 製造混合整合構件的方法 - Google Patents

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Abstract

一種製造一包括至少兩MEMS元件之混合整合構件(40；50)的簡單而廉價方法，該等MEMS元件各分配至少一ASIC元件，其中，該首先獨立地製成兩MEMS/ASIC晶圓疊層(100，200)，其特點為：互相獨立地處理兩ASIC基板(110，210)，往該二ASIC基板中的每個ASIC基板之經處理之表面上各安裝一半導體基板(120，220)，及隨後於該二半導體基板中(120，220)中的每個半導體基板中各製成一微機械結構，將該二MEMS/ASIC晶圓疊層(100，200)以MEMS緊挨MEMS的方式並列安裝在一起，及隨後再對該等構件實施分離操作。

Description

製造混合整合構件的方法
本發明係有關於一種製造一混合整合構件的方法，該構件包括至少兩MEMS(微機電系統)元件，該等MEMS元件各分配至少一ASIC元件。
多年以來，包含MEMS元件之構件被以量產的方式製造出來應用於汽車技術和消費電子等不同領域。構件的小型化具有愈來愈重要的意義。構件的小型化在降低製造成本方面起決定性作用。此外特別是在消費電子領域，可使得終端設備在減小自身體積的同時能夠容納更多功能。因此，應用電路板上提供給相應構件的空間愈來愈小。
從實踐中產生多種針對感測器構件的小型化方案，其中，將微機械式感測器功能與對感測器信號進行電路技術之處理及評價整合於一構件。除將MEMS功能及ASIC功能橫向整合於一共用晶片上外，亦有存在所謂“豎向混合整合”之方案，即由ASIC、MEMS及一罩蓋晶圓構成一晶片疊層。
此種豎向整合之構件及其製造方法可參閱US 2011/0049652 A1。根據該習知方法，將用於MEMS元件之基礎基板接合一經過處理及結構化之ASIC基板。隨後以與上述工藝無關的方式對一罩蓋晶圓實施結構化，且對其實施預處理以便將其安裝於MEMS基板之微機械結構上及ASIC基板上。MEMS基板之結構化處理完畢後，將經過上述處理之罩蓋晶圓接 合ASIC基板，使得該微機械結構被封閉於ASIC基板與罩蓋晶圓之間。
該習知構件方案能夠對具微機械感測器功能及信號處理電路之堅固構件進行低成本量產，因為該方法除在晶圓複合體中製造各構件組成部分-MEMS元件、罩蓋及ASIC-外，還能將此等組成部分安裝為一晶圓級構件。藉此便可對MEMS功能及ASIC功能進行晶圓級測試，甚至對各感測器構件進行晶圓級補償。此外，此等習知構件所採用的堆疊結構同樣有助於降低製造成本，因為此等構件在二級安裝過程中僅需使用相對較小的安裝面。
有鑒於US 2011/0049652 A1所揭露的構件結構，本發明提出若干措施以實現某種能夠簡單而低成本地進一步提高小型化程度的混合整合構件。
本發明之方法係製造包括至少兩MEMS元件的混合整合構件，該等MEMS元件各分配至少一ASIC元件。為此，首先獨立地製成兩MEMS/ASIC晶圓疊層，具體方式為：獨立地處理兩ASIC基板，往該二ASIC基板中的每個ASIC基板之經處理之表面上各安裝一半導體基板，再於該二半導體基板中的每個半導體基板中各製成一微機械結構。再將該二MEMS/ASIC晶圓疊層以MEMS緊挨MEMS的方式並列安裝在一起。隨後再使該等構件脫離該晶圓複合體並實施分離操作。
有鑒於此，本發明係製造一包括至少四個元件的晶圓疊層。僅憑此點便能在單位安裝面積上為本發明所製構件配設更多功能。任一MEMS元件較佳皆與一ASIC元件構成一例如實施為微機械感測器元件之功能單元，該感測器元件之信號處理及評價電路整合於對應之ASIC元件上。若一構件的兩MEMS元件執行可比的功能，則該二MEMS元件之微機械結構可相同或類似。但本發明之方法亦可在一構件內將具完全不同的功能並 具完全不同的微機械結構的MEMS元件相結合。
本發明之結構特別適用於實現非接觸式工作的感測器，如加速度感測器、轉速感測器及其他慣性感測器。若是慣性感測器，則該微機械感測器結構包括至少一彈性懸掛的感震質量，其會在加速度作用下發生偏轉。離心力或旋轉運動亦能引起此等加速度。對該感震質量之偏轉進行偵測及評價。應該將此種感測器元件之微機械結構封裝，以便將環境因素對測量信號的影響降至最低並保護該感測器結構免受雜質、水分及微粒的影響。此舉還能為感測器結構提供對感測器之衰減特性同樣起決定性共同作用之壓力狀況。本發明透過將該等MEMS元件夾層式佈置於該等對應之ASIC元件之間來實現此種封蓋或封裝，毋需專設相應封裝機構。
本發明之製造方法具有多種實施方案，特別是在為該四件式晶圓疊層的各組件間建立機械連接及電連接方面以及在對所產生之構件進行外部電接觸方面。在此情況下，必須將待製造構件之功能、用途及安裝地點考慮在內。
如前所述，較佳在該ASIC元件上整合用於該等MEMS元件的信號處理及評價電路。當然亦可為該ASIC元件配設其他電路功能。此外，對該ASIC基板進行處理的過程中亦可對供安裝該MEMS基板之用的表面實施結構化。其中，可在該ASIC表面上製成若干凹槽以及一用於安裝該MEMS基板的插座結構。藉此便能例如確保結構元件在對應之MEMS元件中的可動性。
較佳利用一接合工藝為MEMS基板與ASIC基板建立連接，因為此舉既能為MEMS元件與ASIC元件實現密封式機械連接，又能為二者實現可靠的電連接。先前技術中有多種相關成熟工藝可供選擇。
微機械慣性感測器的靈敏度主要取決於感震質量的大小。本發明之製造方法的某個方案特別適用於實現具有相對較大之感震質量的 MEMS元件。其中，利用一在該MEMS基板的整個厚度上實施之結構化工藝定義該感震質量並將其曝露。其中，可製成一具有最大厚度(即該MEMS基板之厚度)的感震質量。為此，首先對該MEMS基板進行薄化處理，直至達到規定的結構高度。在該薄化及拋光工藝過程中，可對該MEMS元件的表面實施相應製備，使其至少就粗糙度而言適於連接該另一MEMS元件。
較佳利用一溝槽工藝對該MEMS結構實施結構化，因為該工藝所產生之溝槽結構具有極高的深寬比。
為實現儘可能緊湊的構件結構且為該構件的各組件間建立可靠的內部電接觸，有利者係在該二MEMS基板中的至少一MEMS基板中製成若干貫穿接點，該等貫穿接點為該對應之ASIC基板與該MEMS基板之背離此ASIC基板的表面建立電連接。
與將該等MEMS基板安裝於該等對應之ASIC基板上的方式相同，本發明較佳亦利用一接合工藝來安裝該等MEMS/ASIC晶圓疊層，因為該工藝能夠為該二MEMS/ASIC晶圓疊層建立極為可靠且永久的機械連接及電連接。
本發明之方法的最終產品為一種包括至少兩MEMS元件的構件，該等MEMS元件各分配至少一ASIC元件，其中，該二MEMS元件縱向堆疊且夾層式安裝於該二ASIC元件之間，使得該二MEMS元件的微機械結構被該二ASIC元件封裝。該等微機械結構較佳分別在該二MEMS元件中的一個MEMS元件的整個厚度上延伸。
在二級安裝過程中一定會透過該二ASIC中的一個ASIC將該構件機械固定。較佳在該等ASIC元件中構建有若干貫穿接點，以便將該構件直接安裝於印刷電路板上。此舉除將該構件機械固定於該印刷電路板上外，亦與該印刷電路板上的導電通路建立電連接。若該等ASIC元件中的至少一ASIC上設有相應曝露之連接墊，則亦可藉由引線接合來對此種構件 進行外部電接觸。
10‧‧‧ASIC基板
11‧‧‧氧化層
12‧‧‧電路平面
13‧‧‧鈍化層
14‧‧‧間隔結構，氧化層，插座結構
20‧‧‧MEMS基板
21‧‧‧通孔
22‧‧‧Via
23‧‧‧感震質量
24‧‧‧溝槽
31‧‧‧接合層
32‧‧‧接合層
40‧‧‧構件
41‧‧‧貫穿接點，TSV
42‧‧‧連接墊
43‧‧‧焊料凸塊
50‧‧‧構件
51‧‧‧連接墊
52‧‧‧引線接合
100‧‧‧晶圓疊層
110‧‧‧ASIC基板
120‧‧‧MEMS基板，MEMS元件
122‧‧‧貫穿接點，Via
200‧‧‧晶圓疊層
210‧‧‧ASIC基板
220‧‧‧MEMS基板，MEMS元件
222‧‧‧貫穿接點，Via
圖1-7為本發明方法之製造MEMS/ASIC晶圓疊層之製造過程的剖視圖；圖8、9為以兩MEMS/ASIC晶圓疊層為出發點的一構件之本發明結構的剖視圖；及圖10、11為對本發明所製成之構件進行外部電接觸的兩不同方案的剖視圖。
如前所述，本發明具有多種較佳設計方案及改良方案。該等方案一方面可參閱附屬項，另一方面可參閱下文中利用附圖對本發明之多個實施例所作的說明。
本發明之製造包括至少兩MEMS元件的混合整合構件的方法，該等MEMS元件各分配至少一ASIC元件，該方法係首先獨立地製成兩MEMS/ASIC晶圓疊層。下面結合圖1至7進行詳細說明。
製造此種MEMS/ASIC晶圓疊層之出發點為圖1所示之經處理的ASIC基板10。在該ASIC基板10上的氧化層11中構建有多個電路平面12。較佳在此處整合用於對應之MEMS元件的一信號處理及評價電路的至少部分。此外還可實現與MEMS無關的電路功能。本發明不對ASIC基板10之CMOS處理工藝進行進一步說明，本文亦不予詳述。基板表面設有一氮鈍化層13。
對該鈍化層13實施結構化，以便對ASIC基板10之上電路平面12進行電接觸。本實施例中，隨後製成一用於安裝MEMS基板的間隔(standoff)結構14。為此，在ASIC基板10之表面上的結構化鈍化層13上 沈積一氧化層14並相應實施結構化。圖2為此種結構化處理的結果。
該結構化之氧化層14構成用於一未結構化之MEMS基板20的安裝面。此處係用電漿活化直接接合工藝為MEMS基板20與ASIC基板10建立連接並予以密封。此時，對該相對較厚之MEMS基板20進行薄化處理，直至其厚度大致等於MEMS元件之期望結構高度。為此，先對MEMS基板20進行研磨再實施拋光，以便去除矽晶體之劃痕及損傷。該拋光工藝亦用於使得基板表面達到適於實施MEMS緊挨MEMS安裝的粗糙度。圖3為ASIC基板10與經薄化處理但未結構化之MEMS基板20，其中，該間隔結構14用作ASIC基板10之閉合表面與MEMS基板20間的間隔件。
在該MEMS基板20連接ASIC基板10後方對其實施結構化。本實施例中以兩個步驟實施該結構化。
第一結構化步驟用於製成貫穿接點，即所謂“ViA”22。其中，在MEMS基板20及結構化氧化層14中製成若干通孔，且在鈍化層13之為電接觸ASIC基板10而曝露的位置製成該等通孔。圖4為該等通孔21之佈置方案。該等通孔21之深寬比較佳為5：1至20：1，該等通孔在MEMS基板20的整個厚度上延伸、貫穿該結構化氧化層14並延伸至ASIC基板10的第一電路平面12。藉由沈積工藝用導電材料22(如銅或鎢)填滿該等通孔21。圖5為ASIC基板10與MEMS基板20的示意圖，其中，該等通孔已被填滿且沈積於MEMS基板20之表面上的導電材料已被重新去除。隨後在MEMS基板20之表面區域的一部分Via22上設置一結構化接合層31，參閱圖6。下文將結合圖8及9對該結構化接合層31進一步進行詳細說明。
第二結構化步驟係製成該MEMS元件的微機械結構，如圖7所示，該微機械結構在MEMS基板20的整個厚度上延伸。第一結構化步驟與第二結構化步驟較佳皆採用溝槽工藝為蝕刻工藝，因其所產生之結構具有極高的深寬比。本實施例中的微機械結構包括多個彈性佈置之用作感震 質量23，該等感震質量由MEMS基板20中的溝槽24定義且曝露出來。該ASIC基板10上的間隔結構14確保該等感震質量23的可動性。
本發明對兩個如圖7所示之MEMS/ASIC晶圓疊層以MEMS緊挨MEMS的方式實施安裝。在此需要再次明確指出的是，此處不一定指兩個相同的MEMS/ASIC晶圓疊層，而亦可能是將兩個在結構及功能方面有所區別的MEMS/ASIC晶圓疊層相結合。圖8及9示出此種方案。
圖8所示兩混合整合MEMS/ASIC晶圓疊層100及200以MEMS緊挨MEMS的方式縱向堆疊佈置。該二MEMS基板120與220的微機械結構互不相同。該二MEMS/ASIC晶圓疊層100與200僅在Via122與222的佈置方案方面以及在位於MEMS基板120與220之表面上的接合層31與32的結構化方面彼此匹配。此時係利用一接合工藝在接合層31、32之區域為該二MEMS/ASIC晶圓疊層100與200建立永久性機械連接。該工藝較佳將該二MEMS元件120及220的微機械結構密封，其中，可為該二ASIC基板110與220之間所形成的空腔30規定內壓。
如圖9所示，接合層31及32除為該二MEMS/ASIC晶圓疊層100與200建立機械連接外，亦為二者建立電連接。在此情況下，接合層31及32連同Via122及222一起構成該二ASIC基板110與210間的電連接件。
如前所述將該二MEMS/ASIC晶圓疊層100、200安裝完畢後再使單個構件脫離該晶圓複合體。例如可藉由鋸切實施構件分離。
實施二級安裝過程中，可將透過上述方式製成之構件簡單地以其兩ASIC中的一個安裝於一載體(如印刷電路板)上並進行電接觸，因為該構件的所有組件皆透過該等Via及接合連接件與該ASIC電連接並透過該ASIC受到電接觸。
圖10為一種對本發明之構件進行外部接觸的方案，此種方 案特別適用於直接安裝於印刷電路板上的情形。根據該方案，構件40之電信號透過ASIC基板110中的貫穿接點41，即所謂“TSV”(矽穿孔，Through Silicon Via)向外導引。該等TSV41自ASIC110之最下電路平面12出發延伸至該ASIC元件之構建有連接墊42的背面，且該背面用作構件40的安裝面。此處可簡單地利用焊料凸塊43來建立與印刷電路板的電連接，該等焊料凸塊亦可將構件40機械固定於該印刷電路板上。
亦可於二級安裝過程中透過引線接合來對本發明之構件進行電接觸。為此，在圖11所示構件50之ASIC110的表面上構建有若干電連接墊51。利用鋸切或蝕刻工藝將連接墊51之上的對應MEMS元件120之材料以及將第二MEMS/ASIC晶圓疊層200之材料移除，從而將連接墊61曝露以便透過引線接合52來對構件50進行外部接觸。
31‧‧‧接合層
32‧‧‧接合層
100‧‧‧晶圓疊層
110‧‧‧ASIC基板
120‧‧‧MEMS基板，MEMS元件
122‧‧‧貫穿接點，Via
200‧‧‧晶圓疊層
210‧‧‧ASIC基板
220‧‧‧MEMS基板，MEMS元件
222‧‧‧貫穿接點，Via

Claims (11)

  1. 一種製造一包括至少兩MEMS元件之混合整合構件(40；50)的方法，該等MEMS元件各分配至少一ASIC元件，其中，首先獨立地製成兩MEMS/ASIC晶圓疊層(100，200)，具體方式為：獨立地處理兩ASIC基板(110，210)，往該二ASIC基板中的每個ASIC基板之經處理之表面上各安裝一半導體基板(120，220)，及隨後於該二半導體基板中(120，220)中的每個半導體基板中各製成一微機械結構，將該二MEMS/ASIC晶圓疊層(100，200)以MEMS緊挨MEMS的方式並列安裝在一起，及隨後再對該等構件實施分離操作。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法，其特徵在於，對該二ASIC基板(110，210)中的至少一ASIC基板之經處理的表面實施結構化，具體方式為：在位於該MEMS元件之待製造微機械結構下方的區域內製成至少一凹槽以及/或者製成一用於安裝該對應之MEMS基板(120，220)的插座結構(14)。
  3. 如申請專利範圍第1或2項中任一項之方法，其特徵在於，將該二MEMS基板(120，220)中的至少一MEMS基板接合至該對應之ASIC基板(110，210)。
  4. 如申請專利範圍第1或2之方法，其特徵在於，對該二MEMS基板(120，220)中的至少一MEMS基板進行薄化處理，直至達到規定的結構高度，以便製成一在該MEMS基板(120，220)的整個厚度上延伸的微機械結構。
  5. 如申請專利範圍第1或2之方法，其特徵在於， 利用一溝槽工藝在該二MEMS基板(120，220)中的至少一MEMS基板中製成該微機械結構。
  6. 如申請專利範圍第1或2之方法，其特徵在於，在該二MEMS基板(120，220)中的至少一MEMS基板中製成若干貫穿接點(122，222)，該等貫穿接點為該對應之ASIC基板(110，210)與該MEMS基板(120，220)之背離該ASIC基板(110，210)的表面建立電連接。
  7. 如申請專利範圍第1或2之方法，其特徵在於，利用一接合工藝為該二MEMS/ASIC晶圓疊層(100，200)間建立機械連接及電連接。
  8. 一種包括至少兩MEMS元件(120，220)的構件(40，50)，該等MEMS元件各分配至少一ASIC元件(110，210)，該構件特定言之藉由如申請專利範圍第1至7項中任一項之方法製造，其特徵在於，該二MEMS元件(120，220)的微機械結構分別在相應MEMS元件的整個厚度上延伸，該二MEMS元件(120，220)縱向堆疊且夾層式安裝於該二ASIC元件(110，210)之間，使得該二MEMS元件(120，220)的微機械結構被該二ASIC元件(110，210)封裝。
  9. 如申請專利範圍第8項之構件(40)，其特徵在於，該二ASIC元件(110)中的至少一ASIC元件中構建有用於外部接觸該構件(40)的貫穿接點(41)。
  10. 如申請專利範圍第8或9項之構件(50)，其特徵在於，至少在該等ASIC元件(110)中的一ASIC元件上構建有用於外部接觸該構件(50)的曝露之連接墊(51)。
  11. 如申請專利範圍第8至9項中任一項之慣性感測器構件，其中，該二MEMS元件中的至少一MEMS元件之微機械結構包含至少一感震質量且 配設用於偵測該感震質量之偏轉的電路元件，在此情況下，至少該感震質量在該MEMS元件的整個厚度上延伸，且其中該對應之ASIC基板上整合用於感測器信號之評價電路的至少部分。
TW102114301A 2012-04-25 2013-04-23 製造混合整合構件的方法，包含至少兩 mems 元件的混合整合構件 TWI619669B (zh)

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