專利名稱：超薄真空密封mems晶圓的加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超薄真空密封MEMS晶圓的方法。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)有MEMS產(chǎn)品 中，如氣壓計、加速度計或陀螺儀等，其主要市場都是基于消費電子應(yīng)用，智能手機則是其中一個巨大的市場。智能手機的功能也越來越強大，其外觀的發(fā)展是更精巧的外觀和輕薄的厚度< =0. 9_，所以要求各種MEMS傳感器的面積和厚度都要盡量減小。對于目前市場需求量巨大的加速度計和陀螺儀，一般都是包括襯底層、結(jié)構(gòu)層和封帽層，三層疊加后的厚度一般要到SOOum左右，這個是產(chǎn)品中無論如何也不能接受的厚度，所以必須在MEMS傳感器的工藝流程中增加晶圓減薄這一工序。既能實現(xiàn)穩(wěn)定的真空封裝，又能完成安全可靠的晶圓減薄工藝，這是MEMS產(chǎn)品量產(chǎn)過程中的一個關(guān)鍵步驟。目前為止，類似工藝主要包括兩種，在晶圓(wafer)鍵合前將開窗實現(xiàn)，然后將開窗的封帽層用黏結(jié)材料與結(jié)構(gòu)層晶圓黏結(jié)，但是該工藝很難進行雙面研磨減薄。另外一種工藝，先將封帽層和器件層用黏結(jié)材料進行鍵合，進行雙面研磨，再通過兩次切割晶圓的方式將開窗區(qū)域暴露出來以實現(xiàn)最終MEMS產(chǎn)品晶圓。前述第一種現(xiàn)有技術(shù)的技術(shù)方案如下為了實現(xiàn)晶圓級真空密封，用粘結(jié)劑層將密封帽層晶圓與結(jié)構(gòu)層、襯底層鍵合起來，形成高真空腔體。為了暴露出PAD區(qū)域，在鍵合前在密封帽層晶圓上制作出通孔，一般用濕法刻蝕工藝或干法刻蝕工藝進行雙面對準刻蝕，無論是干法刻蝕還是濕法刻蝕，刻蝕400um這么深的通孔都需要比較長的時間和較高的成本。由于密封蓋帽層晶圓上已經(jīng)刻蝕出很多通孔，在鍵合受力時非常容易碎裂，故密封蓋帽層晶圓一般比較厚，一般都大于400um,所以密封后的MEMS晶圓非常后，一般在800um以上。為了實現(xiàn)最終產(chǎn)品的輕薄厚度< =0. 9mm,以上晶圓級真空密封的MEMS晶圓必須進行雙面研磨至< =400um。由于密封帽層晶圓上均勻分布了刻蝕通孔，所以在研磨時非常容易發(fā)生晶圓碎裂，很難實現(xiàn)減薄工藝。該第一種現(xiàn)有技術(shù)的缺點為先在密封帽層晶圓上直接加工出通孔，再對密封帽層和器件層晶圓鍵合，該密封帽層容易發(fā)生碎裂。為了避免密封帽層碎裂，一般都選擇比較厚的密封帽層晶圓。為了最終實現(xiàn)較薄的MEMS晶圓，必須選用雙面研磨來減薄，但是分布了刻蝕通孔的密封帽層晶圓非常容易碎裂。第一種方案在鍵合和減薄工藝都有碎片的風(fēng)險，不易實現(xiàn)超薄的真空密封的MEMS晶圓。前述第二種現(xiàn)有技術(shù)的技術(shù)方案為如圖2所示，該第二種方案為密封帽層晶圓在切割道區(qū)域制備了一個凹槽，其深度同腔體內(nèi)深度。當密封帽層和結(jié)構(gòu)層實現(xiàn)真空密封鍵合后，可以對襯底層和密封帽層晶圓分別進行雙面研磨，實現(xiàn)最終的超薄MEMS晶圓<=400um。利用晶圓切片工藝在兩片晶圓之前內(nèi)嵌的空腔處劃片，只切透密封帽層晶圓，此處為第一刀。在芯片的真正切割道區(qū)域再進行劃片并切穿密封帽層晶圓和結(jié)構(gòu)層晶圓，此處為第二刀。經(jīng)過兩次切割，芯片上的PAD區(qū)域即可以暴露出來以實現(xiàn)最終產(chǎn)品。
現(xiàn)有技術(shù)二的缺點如下這種通過先研磨再切割工藝實現(xiàn)超薄的真空密封MEMS晶圓的工藝方案，在第一次進行劃片時非常容易造成下層芯片表面線路劃傷。另外，還需要兩次研磨和兩次劃片工藝才能實現(xiàn)，成本不好控制。尤其是，兩次晶圓劃片時間非常長，嚴重延長了工藝加工周期。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種超薄的真空密封MEMS晶圓的加工方法在晶圓級真空密封晶圓的加工工藝過程中，可安全地通過研磨工藝來直接對MEMS晶圓進行減薄至超薄厚度，同時或進一步的能實現(xiàn)PAD區(qū)域開窗從而既可減少工藝步驟以縮短工藝加工時間、及或降低成本等目的。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的一個方面提供了一種超薄真空密封MEMS晶圓的加工方法，包括對襯底層晶圓進行刻蝕生成下腔體；將結(jié)構(gòu)層與襯底層晶圓進行陽極鍵合；將結(jié) 構(gòu)層減薄至設(shè)計的厚度；在結(jié)構(gòu)層晶圓表面制備金屬圖形，該金屬圖形至少包括一 PAD區(qū)域；在結(jié)構(gòu)層刻蝕出運動結(jié)構(gòu)；在一密封帽層晶圓上腐蝕出上腔體，其中，該上腔體包括對應(yīng)運動結(jié)構(gòu)的第一部分和對應(yīng)PAD區(qū)域的第二部分；在第二部分上定義一切割道，并在該切割道繼續(xù)刻蝕出陡直側(cè)壁的腔體；在密封帽層晶圓上制備鍵合層粘結(jié)劑；將結(jié)構(gòu)層晶圓與密封帽層晶圓進行鍵合；將鍵合好的晶圓進行雙面研磨減薄，其中至少將密封帽層晶圓減薄至PAD區(qū)域暴露出。如需加工成品，則再沿該切割道對前述得到的結(jié)構(gòu)進行切割。優(yōu)選的是，所述刻蝕方法為深離子反應(yīng)刻蝕(DRIE)。優(yōu)選的是，結(jié)構(gòu)層減薄方法采用化學(xué)機械平坦化工藝(CMP)。優(yōu)選的是，用氫氧化鉀(KOH)溶液或其他腐蝕性溶液腐蝕出上腔體。優(yōu)選的是,刻蝕陸直側(cè)壁的腔體至至少lOOum。優(yōu)選的是，雙面研磨減薄包括先研磨密封帽層晶圓至PAD區(qū)域露出，再研磨襯底層晶圓至所需厚度；或先研磨襯底層晶圓至所需厚度，再研磨密封帽層晶圓至PAD區(qū)域露出，或同時將密封帽層晶圓至PAD區(qū)域露出，且襯底層晶圓至所需厚度。本發(fā)明技術(shù)方案帶來的有益效果為該方法是在晶圓級真空密封晶圓的加工工藝過程中，可實現(xiàn)晶圓級密封、安全地通過研磨工藝來直接對MEMS晶圓進行減薄至超薄厚度，同時又能實現(xiàn)PAD區(qū)域開窗。相比目前的解決方案，該方案既可減少工藝步驟以縮短工藝加工時間，又能降低成本，是MEMS產(chǎn)品量產(chǎn)過程中比較實用的低風(fēng)險工藝。


圖I為第一種現(xiàn)有技術(shù)的真空密封MEMS晶圓的加工器件剖面2為第一種現(xiàn)有技術(shù)的真空密封MEMS晶圓的加工器件剖面3A為一依照本發(fā)明的一種實施例中的襯底層晶圓的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3B為在該襯底層晶圓上形成下腔體后的示意圖；圖3C為將結(jié)構(gòu)層與襯底層晶圓進行陽極鍵合；將結(jié)構(gòu)層減薄至設(shè)計的厚度；在結(jié)構(gòu)層晶圓表面制備金屬圖形，該金屬圖形至少包括一 PAD區(qū)域的示意圖3D為在結(jié)構(gòu)層刻蝕出運動結(jié)構(gòu)后的示意圖；圖4A為密封帽層晶圓的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4B為密封帽層晶圓用KOH溶液或其他溶液(是否還可以是其他溶液)腐蝕出上腔體后的結(jié)構(gòu)示意圖，圖4C為密封帽層在切割道區(qū)域刻蝕出陡直側(cè)壁的腔體后的示意圖；圖4D為S封帽制備鍵合層粘結(jié)劑后的不意圖；圖5A為將結(jié)構(gòu)層晶圓與密封帽層晶圓進行鍵合后的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5B為顯示研磨狀態(tài)的示意圖；
圖5C為研磨完成后，顯示切割狀態(tài)的示意圖。
具體實施例方式下面將參照附圖對本發(fā)明的實施例作進一步的描述。本發(fā)明所提供的工藝方案可實現(xiàn)超薄的晶圓級真空封裝的MEMS晶圓，其主要包括形成襯底層晶圓結(jié)構(gòu)，在襯底層晶圓上形成結(jié)構(gòu)層以及在結(jié)構(gòu)層上鍵合密封帽層后再進行研磨可切割的等步驟。其中，如圖3A至3D所示。首先如圖3A所示選擇標準晶圓材料作為襯底層晶圓10，例如400um的晶圓，當然也可以是其他厚度?？衫蒙铍x子反應(yīng)刻蝕，DRIE，或其他方法刻蝕襯底層晶圓，生成下腔體11，如圖3B所示；將結(jié)構(gòu)層晶圓20與襯底層晶圓10進行陽極鍵合，利用化學(xué)機械平坦化，CMP，工藝將結(jié)構(gòu)層減薄至設(shè)計的厚度，比如40um，之后在結(jié)構(gòu)層表面通過例如濺射工藝形成金屬層，制備金屬圖形21 ;其中，該金屬圖形中至少包括PAD區(qū)域211，如圖3C所示，此后，再利用DRIE法在結(jié)構(gòu)層刻蝕出運動結(jié)構(gòu)22，如圖3D所示。如圖4A至4D所示，選擇標準晶圓材料制備密封帽層30，以400um厚度晶圓為例，也可是其他厚度，如圖4A所示；用氫氧化鉀(KOH)溶液或其他溶液腐蝕出上腔體31，其深度約10um，該腔體包括第一部分311對應(yīng)運動結(jié)構(gòu)，以及一第二部分312對應(yīng)結(jié)構(gòu)層上形成的PAD區(qū)域211，其中KOH刻蝕的腔體不能太深，IOum是適當?shù)?，否則可能無法在該晶圓上繼續(xù)光刻與DRIE刻蝕，如圖4B所示。再用例如深反應(yīng)離子刻蝕DRIE或其他工藝在切割道所在區(qū)域刻蝕出陡直側(cè)壁的腔體313，其深度約IOOum或更深，由于氫氧化鉀(KOH)不能刻蝕該腔體太深，太深的話會由于斜度的原因而導(dǎo)致占用很大面積，所以在KOH刻蝕之后要用DRIE或其他刻蝕工藝刻蝕出陡直側(cè)壁的腔體，以確保后續(xù)研磨密封帽層晶圓至該區(qū)域時PAD露出，S卩，設(shè)計的切割道A的臨近區(qū)域，從而便于后續(xù)工序的切割。如圖4C所示。特別的是，DRIE刻蝕腔體的深度可根據(jù)設(shè)計需要的晶圓厚度來設(shè)定，為了保證可靠性盡量保持深度大于lOOum。此后再在密封帽層晶圓上可用絲網(wǎng)印刷(Screen printing)或其他工藝制備鍵合層粘結(jié)劑40，如圖4D所示；粘結(jié)劑制備完成后將結(jié)構(gòu)層晶圓與密封帽層晶圓進行鍵合形成如圖5A所示的結(jié)構(gòu)。參照圖5B，將鍵合好的晶圓進行雙面研磨減薄可以為先研磨密封帽層晶圓至PAD區(qū)域露出，即32所指代的區(qū)域，再研磨襯底層晶圓至所需厚度，或者為先研磨襯底層晶圓至所需厚度，再研磨密封帽層晶圓至PAD區(qū)域露出，或者為同時研磨襯底層晶圓和密封帽層晶圓進行雙面研磨后，晶圓的厚度達到了設(shè)計需要的厚度，并且PAD區(qū)域暴露出來，至此完成晶圓加工工藝。
最后參照圖5C，封裝前，再沿其切割道A切割形成成品。本發(fā)明技術(shù)方案帶來的有益效果為該方法是在晶圓級真空密封晶圓的加工工藝過程中，可實現(xiàn)晶圓級密封、安全地通過研磨工藝來直接對MEMS晶圓進行減薄至超薄厚度，同時又能實現(xiàn)PAD區(qū)域開窗。相比目前的解決方案，該方案既可減少工藝步驟以縮短工 藝加工時間，又能降低成本，是MEMS產(chǎn)品量產(chǎn)過程中比較實用的低風(fēng)險工藝。
權(quán)利要求
1.超薄真空密封MEMS晶圓的加工方法，包括 對襯底層晶圓進行刻蝕生成下腔體； 將結(jié)構(gòu)層與襯底進行陽極鍵合； 將結(jié)構(gòu)層減薄至設(shè)計的厚度； 在結(jié)構(gòu)層晶圓表面制備金屬圖形，該金屬圖形至少包括一 PAD區(qū)域； 在結(jié)構(gòu)層刻蝕出運動結(jié)構(gòu)； 在一密封帽層晶圓上腐蝕出上腔體，其中，該上腔體包括對應(yīng)運動結(jié)構(gòu)的第一部分和對應(yīng)PAD區(qū)域的第二部分； 在第二部分上定義一切割道，并在該切割道繼續(xù)刻蝕出陡直側(cè)壁的腔體； 在密封帽層晶圓上制備鍵合層粘結(jié)劑； 將結(jié)構(gòu)層晶圓與密封帽層晶圓進行鍵合； 將鍵合好的晶圓進行雙面研磨減薄，其中至少將密封帽層晶圓減薄至PAD區(qū)域暴露出。
2.根據(jù)權(quán)利要求I的所述的方法，其特征在于再沿該切割道切割。
3.根據(jù)權(quán)利要求I的所述的方法，其特征在于所述刻蝕方法為深離子反應(yīng)刻蝕(DRIE)0
4.根據(jù)權(quán)利要求I的所述的方法，其特征在于結(jié)構(gòu)層減薄方法采用化學(xué)機械平坦化工藝(CMP)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I的所述的方法，其特征在于用KOH溶液腐蝕出上腔體。
6.根據(jù)權(quán)利要求I的所述的方法，其特征在于刻蝕陡直側(cè)壁的腔體至至少lOOum。
7.根據(jù)權(quán)利要求I的所述的方法，其特征在于雙面研磨減薄包括先研磨密封帽層晶圓至PAD區(qū)域露出，再研磨襯底層晶圓至所需厚度；或先研磨襯底層晶圓至所需厚度，再研磨密封帽層晶圓至PAD區(qū)域露出，或同時將密封帽層晶圓至PAD區(qū)域露出，且襯底層晶圓至所需厚度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種超薄真空密封MEMS晶圓的加工方法，其包括對襯底層晶圓進行刻蝕生成下腔體；將結(jié)構(gòu)層與襯底進行陽極鍵合；將結(jié)構(gòu)層減薄至設(shè)計的厚度；在結(jié)構(gòu)層晶圓表面制備金屬圖形，該金屬圖形至少包括一PAD區(qū)域；在結(jié)構(gòu)層刻蝕出運動結(jié)構(gòu)；在一密封帽層晶圓上腐蝕出上腔體，其中，該上腔體包括對應(yīng)運動結(jié)構(gòu)的第一部分和對應(yīng)PAD區(qū)域的第二部分；在第二部分上定義一切割道，并在該切割道繼續(xù)刻蝕出陡直側(cè)壁的腔體；在密封帽層晶圓上制備鍵合層粘結(jié)劑；將結(jié)構(gòu)層晶圓與密封帽層晶圓進行鍵合；以及將鍵合好的晶圓進行雙面研磨減薄，其中至少將密封帽層晶圓減薄至PAD區(qū)域暴露出。相比目前的解決方案，該方案既可減少工藝步驟以縮短工藝加工時間，又能降低成本。
文檔編號B81C3/00GK102795593SQ20121031265
公開日2012年11月28日 申請日期2012年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月29日
發(fā)明者李莉 申請人:深迪半導(dǎo)體(上海)有限公司