一种MEMS晶圆切割清洗及释放方法与流程

本发明设计一种MEMS晶圆切割清洗及释放方法，属于微机电系统微细加工和晶圆切割方法。

背景技术：

微机电系统(MEMS，Micro-Electro-Mechanical System)是一种基于微电子技术和微加工技术的一种高科技领域。MEMS技术可将机械构件、驱动部件、电控系统、数字处理系统等集成为一个整体的微型单元。MEMS器件具有微小、智能、可执行、可集成、工艺兼容性好、成本低等诸多优点。MEMS技术的发展开辟了一个全新的技术领域和产业，利用MEMS技术制作的微传感器、微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微电子器件、电力电子器件等在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事，物联网等领域中都有着十分广阔的应用前景。

在MEMS器件的制造工艺中，很多复杂的三维或支撑结构都利用牺牲层释放工艺。即在形成微机械结构空腔或者可活动微结构过程中，先在介质薄膜上沉积结构材料，再用光刻和蚀刻工艺制备所需的各种特殊结构，然后制备支撑层结构(空腔或微结构件)。由于被去掉结构材料只起分离层作用，故称其为牺牲层(Sacrificial Layer)，常用的牺牲层材料主要有氧化硅、多晶硅、聚酰亚胺(Polyimide)等。利用牺牲层可制造出多种活动的微结构，如微型桥、悬臂梁、移动部件和质量块等，所以MEMS器件制作完成后，MEMS结构释放是MEMS器件制造工艺中关键的一道工序。

MEMS晶圆需要在完成前道各种制造工序后进行切割，把晶圆切割成单个的芯片，然后进行封装测试。结构释放可以选择在切割之前进行，也可以选择在切割之后进行。由于晶圆中的芯片具有MEMS结构，所以在切割清洗释放的先后顺序上三者存在矛盾，如果处理不好会导致MEMS芯片损坏或全报废。

处理MEMS切割清洗和结构释放之间的矛盾，现有解决技术方案主要有：

1)先对晶圆进行结构释放，然后进行激光切割，不需要湿法清洗；利用隐形激光切割，设备昂贵且工艺复杂，晶圆需要先进行减薄处理，切割完后还需要用裂片机裂片和扩膜，且切割道不能有图形，尤其是带金属图形，会反射激光能量。切割道要求仅是硅材质，含有氮化硅或二氧化硅也会影响光的吸收。隐形激光切割对晶圆切割道的布局有特殊要求，把切割道的图形单独设计后会占用芯片面积，减少了晶圆上的有效芯片数目。

2)先对晶圆进行结构释放，对晶圆的MEMS结构进行打孔贴膜保护，再进行背面切割；由于对晶圆的MEMS结构进行贴膜保护，需要增加工序且工序复杂，背面切割问题是成本高，作业效率低，良率不稳定，不适合MEMS占比高的芯片

3)先对晶圆正面进行涂胶保护，然后进行光刻，利用等离子体切割进行切割，然后再进行释放；需要进行光刻，释放前还需要进行减薄，光刻设备，减薄设备及等离子体切割设备都非常昂贵。

对比文件中国专利CN 103068318 A公开了一种MEMS硅晶圆圆片切割和结构释放方法，显著问题是没有实现晶圆级作业，对于硅晶圆片需要两次贴膜和手动裂片，利用真空吸笔拾取单个芯片，再放置到托盘中去胶，而一个硅晶圆片中包含成千上万个芯片，单个拾取效率较低；且该对比文件没有公开晶圆的清洗方法，现有技术中晶圆的清洗都是将芯片取下，放到托盘中放到溶液中进行清洗，芯片之间容易触碰，进而损坏芯片；另外，该对比文件中两次切割在同一位置，且切割位置严格对齐，但是切割完一次后，再次从头切割，需要两次对位，且两次对位切割位置不可能完全重合，生产效率低。

技术实现要素：

本发明针对上述现有技术中存在的不足，提供一种切割效率高、清洗方便且释放简单的MEMS晶圆切割清洗及释放方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种MEMS晶圆切割清洗及释放方法，包括以下步骤：

步骤1：贴UV膜，将晶圆正面朝下放置在贴膜机吸盘正中央，所述吸盘为中间悬空的真空吸盘，UV膜外周固定在不锈钢框架上，从贴膜机卷筒中拉出UV膜，贴在不锈钢框架和晶圆背面上；

步骤2：切割，采用台阶切割，两步切割连续完成，沿切割方向上依次设有对齐的后切刀片和前切刀片，即前切刀片和后切刀片在切割方向对齐或者中心对齐；切割时，前切刀片先接触晶圆，后切刀片后接触晶圆；两个切刀片连续切割，前切刀切割的厚度为晶圆总厚度的20％～60％；后切刀片将晶圆划透，且不划透所述UV膜，例如晶圆后675um，UV膜厚度100um，总共厚度就是775um了，那么划进去725um，就保证能将晶圆划透，也不会把膜划破；切割的进刀速度3～30mm/s，前后切刀片的厚度为30～60μm，两次切割后，晶圆全划透，切割成单个芯片；

步骤3：清洗和甩干晶圆；

步骤4：照射，使用UV照射机，对晶圆背面的UV膜进行照射30～100s，调节UV灯管能量120～360mJ/cm²之间，可将UV的粘性降到以前的1～10％；

步骤5：利用扩膜机对晶圆进行扩膜处理，使所有芯片向四周均匀扩开；

步骤6：利用芯片拾取设备，将芯片从UV膜取下放入专门MEMS释放石英托盘中；

步骤7：把托盘放在去胶机的Chamber中，进行结构释放。

本发明中MEMS晶圆切割清洗及释放方法的有益效果是：

(1)步骤1中利用悬空的真空吸盘固定晶圆，只有晶圆边缘不完整的芯片和吸盘接触，中间完整芯片不会有接触，保证芯片不会碰触，不会有划伤，也能避免沾污；

(2)步骤2中采用台阶切割，两步切割连续完成，一次切割就能将晶圆切割成若干个芯片，不需要重新对位，切割位置完全重合，切割效率高、质量好；

(3)步骤4中通过控制UV照射机的照射能量和照射时间，将UV膜的粘性降到以前的1～10％，粘性更低，效果更好；

(4)将对晶圆的扩膜处理提到晶圆结构释放之前，是因为释放前芯片结构是可以碰触的，拾取芯片会非常简单，释放后有些结构是悬空了，拾取芯片只能吸取芯片边缘，拾取困难，所以提到晶圆结构释放之前对晶圆进行扩膜处理更加容易；

(5)步骤6和步骤7中利用拾取设备拾取芯片，将芯片放入专用托盘中，托盘带有与芯片大小一致的格子卡槽，然后进行MEMS晶圆的结构释放，大大提高了释放效率及重复性。

进一步，还包括步骤8：封装测试，利用芯片拾取设备，将芯片从MEMS释放石英托盘中取下放入芯片储存盒中，进行测试。

进一步，步骤3中，清洗和甩干晶圆时，将固定晶圆的不锈钢框架整体放在可旋转的陶瓷密孔吸盘上，所述陶瓷密孔吸盘可以固定不锈钢框架的四周，所述陶瓷密孔吸盘上方设有喷液系统，所述喷液系统包含若干个可左右摆动喷洒溶液的喷头，所述若干个左右摆动的喷头喷洒溶液清洗所述晶圆，清洗完之后，陶瓷密孔吸盘高速旋转，将废液甩出，甩干晶圆；

采用上一步技术方案的有益效果：步骤3中带不锈钢框架和UV膜的晶圆进行清洗，陶瓷密孔吸盘表面非常平整，喷头可左右摆动喷洒液体，陶瓷密孔盘旋转保证晶圆清洗无死角，对晶圆全方位进行清洗，晶圆清洗完后，陶瓷密孔吸盘高速旋转利用离心力将晶圆甩干，属于干进干出，实现了晶圆级的清洗，清洗效率高。

进一步，步骤1中的贴UV膜时，从贴膜机后卷筒中拉出UV膜，长度超出所述不锈钢框架2～10cm。

进一步，所述UV膜的厚度为80～120mm。

进一步，步骤5中得到扩散的芯片，每个芯片之间的间距大于120μm。

进一步，所述前切刀片的厚度大于所述后切刀片的厚度。

进一步，所述后切刀片的刀刃在高度方向上，高于所述UV膜的下表面，且低于所述晶圆的背面。

采用上述进一步技术方案的有益效果是：无论多么均匀的UV膜，厚度都会有偏差，刀刃高于所述UV膜的下表面，且低于所述晶圆的背面，即后切刀片在切割晶圆时，刀刃切割到UV膜，但不划透UV膜，这样才能保证晶圆全划透。

本发明还涉及一种MEMS晶圆切割清洗及释放方法中使用的托盘，包括托盘本体，所述托盘本体上设有圆形凹槽，所述圆形凹槽的直径与晶圆的直径一致，所述圆形凹槽被分隔成若干个和芯片尺寸一致的方格槽。

进一步，所述圆形凹槽的深度为1～3mm。

本发明中MEMS晶圆切割清洗及释放方法中使用的托盘的有益效果是:去胶机的Chamber都是按照圆形设计的，方形托盘虽然可以放多些芯片，但是均匀性差，本发明采用圆形托盘，均匀性较好，且不需要旋转托盘，释放工艺一步到位。

附图说明

图1为本发明中贴带有不锈钢框架UV膜之后的晶圆示意图；

图2为本发明中陶瓷密孔吸盘固定不锈钢框架示意图；

图3为本发明中使用喷液装置清洗晶圆状态示意图；

图4扩膜后的晶圆示意图；

图5托盘结构示意图；

图6晶圆放置在托盘中的结构示意图；

在附图中，各标号所表示的部件名称列表如下：1、晶圆，2、UV膜，3、不锈钢框架，4、陶瓷密孔吸盘，5、喷液系统，6、扩膜绷环，7、托盘，7-1、托盘本体，7-2、圆形凹槽，7-3、方格槽。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1-图4所示，一种MEMS晶圆切割清洗及释放方法，包括以下步骤：

步骤1：贴UV膜2，将晶圆1正面朝下放置在贴膜机吸盘正中央，所述吸盘为中间悬空的真空吸盘；从贴膜机后卷筒中拉出UV膜，长度超出所述不锈钢框架3的外周2～10cm，如果局部有皱，还需要进一步拉紧，直到四周均匀、平整后，用滚轮轻撵使膜平整紧贴晶圆1背面及不锈钢框架3上；将超出不锈钢框架3的UV膜2切割掉，所述UV膜的厚度为80～120mm，如图1所示。

步骤2：切割，采用台阶切割，两步切割连续完成，沿切割方向上依次设有对齐的后切刀片和前切刀片，切割时，前切刀片先接触晶圆1，后切刀片后接触晶圆1；设置两切刀片的高度，前切刀片切割的厚度为晶圆1总厚度的20％～60％，后切刀片将晶圆1划透，且不划透所述UV膜，例如晶圆后675um，UV膜厚度100um，总共厚度就是775um了，那么划进去725um，就保证能将晶圆划透，也不会把膜划破；设置切割的进刀速度3～30mm/s，低速切割，所述前切刀片的厚度大于所述后切刀片的厚度；设置晶圆的pitch值(即芯片在X方向和Y方向的大小)及其它的切割参数，对晶圆1进行对位操作，对Ch1，进行θ轴方向调整，左右移动工作台并调整切割基准线，确认参数后，进行Ch2的切割道和步进确认，确认参数后，开始划片；所述前后切刀片的为厚度为30～60μm，两次切割后，晶圆1全划透，分隔成单个芯片；

步骤3：清洗和甩干，将固定晶圆1的不锈钢框架3整体放在可旋转的陶瓷密孔吸盘4上，用陶瓷密孔吸盘4固定不锈钢框架3的四周，陶瓷密孔吸盘3上方设有喷液系统5，所述喷液系统5包含若干个可左右摆动喷洒溶液的喷头，所述若干个左右摆动的喷头喷洒溶液清洗所述晶圆1，清洗完之后，陶瓷密孔吸盘4高速旋转，将废液甩出，甩干晶圆，如图3所示；

步骤4：照射，使用UV照射机，对晶圆1背面的UV膜2进行照射30～100s，可将UV膜的粘性降到以前的1～10％；

步骤5：利用扩膜机对晶圆1进行扩膜处理，使所有芯片向四周均匀扩开，每个芯片之间的间距大于120μm，扩膜后，把扩膜绷环6外多余的UV膜2切割掉，如图4所示；

步骤6：利用芯片拾取设备，将芯片从UV膜2上取下放入专门MEMS释放石英托盘7中；

步骤7：把托盘7放在去胶机设备中，进行结构释放。

步骤8：封装测试，利用芯片拾取设备，将芯片从MEMS释放石英托盘7中取下放入芯片储存盒中，进行封装测试。

本发明还涉及一种MEMS晶圆切割清洗及释放方法中使用的托盘，包括托盘本体7-1，所述托盘本体7-1上设有圆形凹槽7-2，所述圆形凹槽7-2的直径与晶圆1的直径一致，所述圆形凹槽7-2被分隔成若干个和芯片尺寸一致的方格槽7-3，所述圆形凹槽7-2的深度为1～3mm。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。