CN102795593A - 超薄真空密封mems晶圆的加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超薄真空密封MEMS晶圆的加工方法，其包括对衬底层晶圆进行刻蚀生成下腔体；将结构层与衬底进行阳极键合；将结构层减薄至设计的厚度；在结构层晶圆表面制备金属图形，该金属图形至少包括一PAD区域；在结构层刻蚀出运动结构；在一密封帽层晶圆上腐蚀出上腔体，其中，该上腔体包括对应运动结构的第一部分和对应PAD区域的第二部分；在第二部分上定义一切割道，并在该切割道继续刻蚀出陡直侧壁的腔体；在密封帽层晶圆上制备键合层粘结剂；将结构层晶圆与密封帽层晶圆进行键合；以及将键合好的晶圆进行双面研磨减薄，其中至少将密封帽层晶圆减薄至PAD区域暴露出。相比目前的解决方案，该方案既可减少工艺步骤以缩短工艺加工时间，又能降低成本。
Description
技术领域
本发明涉及超薄真空密封MEMS晶圆的方法。
背景技术
在现有MEMS产品中，如气压计、加速度计或陀螺仪等，其主要市场都是基于消费电子应用，智能手机则是其中一个巨大的市场。智能手机的功能也越来越强大，其外观的发展是更精巧的外观和轻薄的厚度＜=0.9mm，所以要求各种MEMS传感器的面积和厚度都要尽量减小。对于目前市场需求量巨大的加速度计和陀螺仪，一般都是包括衬底层、结构层和封帽层，三层叠加后的厚度一般要到800um左右，这个是产品中无论如何也不能接受的厚度，所以必须在MEMS传感器的工艺流程中增加晶圆减薄这一工序。既能实现稳定的真空封装，又能完成安全可靠的晶圆减薄工艺，这是MEMS产品量产过程中的一个关键步骤。
目前为止，类似工艺主要包括两种，在晶圆（wafer）键合前将开窗实现，然后将开窗的封帽层用黏结材料与结构层晶圆黏结，但是该工艺很难进行双面研磨减薄。另外一种工艺，先将封帽层和器件层用黏结材料进行键合，进行双面研磨，再通过两次切割晶圆的方式将开窗区域暴露出来以实现最终MEMS产品晶圆。
前述第一种现有技术的技术方案如下：为了实现晶圆级真空密封，用粘结剂层将密封帽层晶圆与结构层、衬底层键合起来，形成高真空腔体。为了暴露出PAD区域，在键合前在密封帽层晶圆上制作出通孔，一般用湿法刻蚀工艺或干法刻蚀工艺进行双面对准刻蚀，无论是干法刻蚀还是湿法刻蚀，刻蚀400um这么深的通孔都需要比较长的时间和较高的成本。由于密封盖帽层晶圆上已经刻蚀出很多通孔，在键合受力时非常容易碎裂，故密封盖帽层晶圆一般比较厚，一般都大于400um，所以密封后的MEMS晶圆非常后，一般在800um以上。
为了实现最终产品的轻薄厚度＜=0.9mm，以上晶圆级真空密封的MEMS晶圆必须进行双面研磨至＜=400um。由于密封帽层晶圆上均匀分布了刻蚀通孔，所以在研磨时非常容易发生晶圆碎裂，很难实现减薄工艺。
该第一种现有技术的缺点为：先在密封帽层晶圆上直接加工出通孔，再对密封帽层和器件层晶圆键合，该密封帽层容易发生碎裂。为了避免密封帽层碎裂，一般都选择比较厚的密封帽层晶圆。为了最终实现较薄的MEMS晶圆，必须选用双面研磨来减薄，但是分布了刻蚀通孔的密封帽层晶圆非常容易碎裂。第一种方案在键合和减薄工艺都有碎片的风险，不易实现超薄的真空密封的MEMS晶圆。
前述第二种现有技术的技术方案为：如图2所示，该第二种方案为密封帽层晶圆在切割道区域制备了一个凹槽，其深度同腔体内深度。当密封帽层和结构层实现真空密封键合后，可以对衬底层和密封帽层晶圆分别进行双面研磨，实现最终的超薄MEMS晶圆＜=400um。利用晶圆切片工艺在两片晶圆之前内嵌的空腔处划片，只切透密封帽层晶圆，此处为第一刀。在芯片的真正切割道区域再进行划片并切穿密封帽层晶圆和结构层晶圆，此处为第二刀。经过两次切割，芯片上的PAD区域即可以暴露出来以实现最终产品。
现有技术二的缺点如下：这种通过先研磨再切割工艺实现超薄的真空密封MEMS晶圆的工艺方案，在第一次进行划片时非常容易造成下层芯片表面线路划伤。另外，还需要两次研磨和两次划片工艺才能实现，成本不好控制。尤其是，两次晶圆划片时间非常长，严重延长了工艺加工周期。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超薄的真空密封MEMS晶圆的加工方法在晶圆级真空密封晶圆的加工工艺过程中，可安全地通过研磨工艺来直接对MEMS晶圆进行减薄至超薄厚度，同时或进一步的能实现PAD区域开窗从而既可减少工艺步骤以缩短工艺加工时间、及或降低成本等目的。
为实现上述目的，本发明的一个方面提供了一种超薄真空密封MEMS晶圆的加工方法，包括：
对衬底层晶圆进行刻蚀生成下腔体；将结构层与衬底层晶圆进行阳极键合；将结构层减薄至设计的厚度；在结构层晶圆表面制备金属图形，该金属图形至少包括一PAD区域；在结构层刻蚀出运动结构；在一密封帽层晶圆上腐蚀出上腔体，其中，该上腔体包括对应运动结构的第一部分和对应PAD区域的第二部分；
在第二部分上定义一切割道，并在该切割道继续刻蚀出陡直侧壁的腔体；在密封帽层晶圆上制备键合层粘结剂；将结构层晶圆与密封帽层晶圆进行键合；将键合好的晶圆进行双面研磨减薄，其中至少将密封帽层晶圆减薄至PAD区域暴露出。
如需加工成品，则再沿该切割道对前述得到的结构进行切割。
优选的是，所述刻蚀方法为深离子反应刻蚀（DRIE）。
优选的是，结构层减薄方法采用化学机械平坦化工艺（CMP）。
优选的是，用氢氧化钾（KOH）溶液或其他腐蚀性溶液腐蚀出上腔体。
优选的是，刻蚀陡直侧壁的腔体至至少100um。
优选的是，双面研磨减薄包括先研磨密封帽层晶圆至PAD区域露出，再研磨衬底层晶圆至所需厚度；或先研磨衬底层晶圆至所需厚度，再研磨密封帽层晶圆至PAD区域露出，或同时将密封帽层晶圆至PAD区域露出，且衬底层晶圆至所需厚度。
本发明技术方案带来的有益效果为该方法是在晶圆级真空密封晶圆的加工工艺过程中，可实现晶圆级密封、安全地通过研磨工艺来直接对MEMS晶圆进行减薄至超薄厚度，同时又能实现PAD区域开窗。相比目前的解决方案，该方案既可减少工艺步骤以缩短工艺加工时间，又能降低成本，是MEMS产品量产过程中比较实用的低风险工艺。
附图说明
图1为第一种现有技术的真空密封MEMS晶圆的加工器件剖面图
图2为第一种现有技术的真空密封MEMS晶圆的加工器件剖面图
图3A为一依照本发明的一种实施例中的衬底层晶圆的结构示意图；
图3B为在该衬底层晶圆上形成下腔体后的示意图；
图3C为将结构层与衬底层晶圆进行阳极键合；将结构层减薄至设计的厚度；在结构层晶圆表面制备金属图形，该金属图形至少包括一PAD区域的示意图；
图3D为在结构层刻蚀出运动结构后的示意图；
图4A为密封帽层晶圆的结构示意图；
图4B为密封帽层晶圆用KOH溶液或其他溶液（是否还可以是其他溶液）腐蚀出上腔体后的结构示意图，
图4C为密封帽层在切割道区域刻蚀出陡直侧壁的腔体后的示意图；
图4D为密封帽制备键合层粘结剂后的示意图；
图5A为将结构层晶圆与密封帽层晶圆进行键合后的结构示意图；
图5B为显示研磨状态的示意图；
图5C为研磨完成后，显示切割状态的示意图。
具体实施方式
下面将参照附图对本发明的实施例作进一步的描述。
本发明所提供的工艺方案可实现超薄的晶圆级真空封装的MEMS晶圆，其主要包括形成衬底层晶圆结构，在衬底层晶圆上形成结构层以及在结构层上键合密封帽层后再进行研磨可切割的等步骤。
其中，如图3A至3D所示。首先如图3A所示选择标准晶圆材料作为衬底层晶圆10，例如400um的晶圆，当然也可以是其他厚度。可利用深离子反应刻蚀，DRIE，或其他方法刻蚀衬底层晶圆，生成下腔体11，如图3B所示；将结构层晶圆20与衬底层晶圆10进行阳极键合，利用化学机械平坦化，CMP，工艺将结构层减薄至设计的厚度，比如40um，之后在结构层表面通过例如溅射工艺形成金属层，制备金属图形21；其中，该金属图形中至少包括PAD区域211，如图3C所示，此后，再利用DRIE法在结构层刻蚀出运动结构22，如图3D所示。
如图4A至4D所示，选择标准晶圆材料制备密封帽层30，以400um厚度晶圆为例，也可是其他厚度，如图4A所示；用氢氧化钾（KOH）溶液或其他溶液腐蚀出上腔体31，其深度约10um，该腔体包括第一部分311对应运动结构，以及一第二部分312对应结构层上形成的PAD区域211，其中KOH刻蚀的腔体不能太深，10um是适当的，否则可能无法在该晶圆上继续光刻与DRIE刻蚀，如图4B所示。再用例如深反应离子刻蚀DRIE或其他工艺在切割道所在区域刻蚀出陡直侧壁的腔体313，其深度约100um或更深，由于氢氧化钾（KOH）不能刻蚀该腔体太深，太深的话会由于斜度的原因而导致占用很大面积，所以在KOH刻蚀之后要用DRIE或其他刻蚀工艺刻蚀出陡直侧壁的腔体，以确保后续研磨密封帽层晶圆至该区域时PAD露出，即，设计的切割道A的临近区域，从而便于后续工序的切割。如图4C所示。特别的是，DRIE刻蚀腔体的深度可根据设计需要的晶圆厚度来设定，为了保证可靠性尽量保持深度大于100um。此后再在密封帽层晶圆上可用丝网印刷（Screen printing）或其他工艺制备键合层粘结剂40，如图4D所示；粘结剂制备完成后将结构层晶圆与密封帽层晶圆进行键合形成如图5A所示的结构。
参照图5B，将键合好的晶圆进行双面研磨减薄：可以为先研磨密封帽层晶圆至PAD区域露出，即32所指代的区域，再研磨衬底层晶圆至所需厚度，或者为先研磨衬底层晶圆至所需厚度，再研磨密封帽层晶圆至PAD区域露出，或者为同时研磨衬底层晶圆和密封帽层晶圆进行双面研磨后，晶圆的厚度达到了设计需要的厚度，并且PAD区域暴露出来，至此完成晶圆加工工艺。
最后参照图5C，封装前，再沿其切割道A切割形成成品。
本发明技术方案带来的有益效果为该方法是在晶圆级真空密封晶圆的加工工艺过程中，可实现晶圆级密封、安全地通过研磨工艺来直接对MEMS晶圆进行减薄至超薄厚度，同时又能实现PAD区域开窗。相比目前的解决方案，该方案既可减少工艺步骤以缩短工艺加工时间，又能降低成本，是MEMS产品量产过程中比较实用的低风险工艺。
Claims (7)
1.超薄真空密封MEMS晶圆的加工方法，包括：
对衬底层晶圆进行刻蚀生成下腔体；
将结构层与衬底进行阳极键合；
将结构层减薄至设计的厚度；
在结构层晶圆表面制备金属图形，该金属图形至少包括一PAD区域；
在结构层刻蚀出运动结构；
在一密封帽层晶圆上腐蚀出上腔体，其中，该上腔体包括对应运动结构的第一部分和对应PAD区域的第二部分；
在第二部分上定义一切割道，并在该切割道继续刻蚀出陡直侧壁的腔体；
在密封帽层晶圆上制备键合层粘结剂；
将结构层晶圆与密封帽层晶圆进行键合；
将键合好的晶圆进行双面研磨减薄，其中至少将密封帽层晶圆减薄至PAD区域暴露出。
2.根据权利要求1的所述的方法，其特征在于：再沿该切割道切割。
3.根据权利要求1的所述的方法，其特征在于：所述刻蚀方法为深离子反应刻蚀（DRIE）。
4.根据权利要求1的所述的方法，其特征在于：结构层减薄方法采用化学机械平坦化工艺（CMP）。
5.根据权利要求1的所述的方法，其特征在于：用KOH溶液腐蚀出上腔体。
6.根据权利要求1的所述的方法，其特征在于：刻蚀陡直侧壁的腔体至至少100um。
7.根据权利要求1的所述的方法，其特征在于：双面研磨减薄包括先研磨密封帽层晶圆至PAD区域露出，再研磨衬底层晶圆至所需厚度；或先研磨衬底层晶圆至所需厚度，再研磨密封帽层晶圆至PAD区域露出，或同时将密封帽层晶圆至PAD区域露出，且衬底层晶圆至所需厚度。
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