具有背面圆弧形棱边的MEMS芯片的制作方法

本实用新型属于MEMS芯片制造领域，具体是涉及一种具有背面圆弧形棱边的MEMS芯片。

背景技术：

MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）是微机电系统的缩写，MEMS芯片制造技术利用微细加工技术，特别是半导体圆片制造技术，制造出各种微型机械结构，结合专用控制集成电路（ASIC），组成智能化的微传感器、微执行器、微光学器件等MEMS元器件。有相当多种类的MEMS器件在圆片加工过程中完成了圆片级封装，即在MEMS圆片制造过程中，将MEMS结构121密封在一个由带有上凹腔111的盖板110、带有下凹腔131的底板130和MEMS结构层120围成的真空或固定气压的密封腔140中，以保证MEMS结构121在密封腔140中自由活动，如图1所示，现有的普通MEMS芯片100的侧面101与芯片正面103和底背面102垂直，具有直角棱边104，MEMS结构的电信号通过焊盘150引出；圆片级封装的MEMS芯片还需要和控制集成电路（ASIC）通过普通的封装方法封装成一个完整的MEMS器件。由至少三层圆片构成的MEMS芯片的厚度比普通集成电路芯片要厚得多，特别是应用于工业领域的MEMS芯片，其性能比消费级MEMS芯片高得多，为降低封装引入的应力的影响，芯片厚度比消费级MEMS芯片厚，在用普通的集成电路圆片切割设备将MEMS圆片切割成一个个MEMS芯片时，会遇到切深度不够的问题，例如一般的切割深度不超过800微米，而MEMS芯片可能超过900微米。解决方法之一是正面二次切割，即先在圆片的切割区中切割出一个较宽的半切割槽，再用较窄的切割砂轮切割到底，该方法的缺点一是切割区较宽，影响每个圆片的芯片产出率；缺点二是需要二次切割工序，费用高；另一个缺点是MEMS芯片背面的棱角是直角，易产生裂缝。解决方法之二是加大切割砂轮的直径以增加切割深度，如1000微米，但其缺点是砂轮直径越大，其偏心抖动也越大，会导致背面裂缝等缺陷产生。现有的普通MEMS芯片100的底背面102表面根据工艺或器件的要求可能有一层非单晶的薄膜，芯片的侧面101和背面102上有圆片切割引起的损伤，类似的其它损伤在后续的芯片取放、传输过程中也会发生，特别是在高性能MEMS器件，由于产量不大，一般都是手工取放，镊子很容易在MEMS芯片的直角棱边104上产生损伤，这种损伤多发生在芯片背面，有些损伤甚至非常小，不易被观察到，但是在封装应力的作用下这些损伤会形成裂缝延伸到MEMS芯片内部，引起器件失效，如图2所示，现有的普通MEMS芯片100的正面103朝上，背面用粘片胶160固定在封装基板170上，当MEMS器件使用环境中有振动或温度变化时，MEMS芯片100上的损伤105受到粘片胶160传递过来的应力，产生裂缝106延伸向芯片内部，引起器件失效，而这种失效在MEMS器件出厂检测中可能发现不了。高性能MEMS器件都被应用于高价值的复杂系统中，一旦MEMS器件失效，会导致整个系统失效，造成客户巨大损失。所以高性能MEMS器件对的可靠性的要求非常高。

一种避免圆片切割时产生损伤，而且降低在后续的芯片封装过程中产生损伤的方法是将芯片的底部棱角制作成粗糙的圆弧形，专利“US2010/0207237A1”通过在圆片切割区中制作多个小凹槽防止圆片切割时裂缝沿芯片表面延伸；专利“US9318405B2”通过二次切割的方法防止圆片切割时裂缝延芯片表面延伸；专利“US2007/0221613A1”在圆片表面制作沟槽防止圆片切割时裂缝沿芯片表面延伸；专利“US7498238B2”在圆片背面先半切割再从正面激光切割芯片以防止芯片崩边；专利“CN2016103577791”在芯片间的划片道内预制凹槽以方便划片；专利“US2008/0153262A1”在芯片正面半切割然后背面磨片分离芯片；专利“US2010/0015782A1”在LED芯片正面蚀刻凹槽然后背面磨片分离芯片，上述专利公开的芯片的棱角都是直角，都没有考虑后续封装应力的影响。

另外，还可以在制作圆弧形棱边的同时，在MEMS芯片背面制作装片柱以减少芯片与封装基板的接触面积，从而降低封装应力对MEMS器件性能影响。专利“US2010/0147075A1”就公开了在MEMS芯片背面盖上掩模，进行喷砂切削形成背面装片柱的方法，缺点是：无法将装片柱精确对准芯片正面的MEMS结构，而且装片柱尺寸控制精度差；无法形成锯齿形装片柱，而且加工过程容易引起圆片碎裂。专利“JP特开2012-6092A”公开了一种带有薄膜结构的MEMS芯片，如压力传感器、麦克风、压阻式加速度计等MEMS芯片，其背面中心是大空腔，装片柱分布于空腔的四周，也就是芯片的边缘，装片柱在芯片剖面方向的间距大，而且装片柱不能按照需要设置在芯片背面的非边缘区域；专利“EP1944266A1”通过计算获得MEMS芯片背面三个装片柱的位置、尺寸、形状以降低封装应力；专利“CN203238029U”在MEMS芯片背面通过蚀刻锯齿状装片柱降低封装应力，同时保证粘片力。以上专利均要在MEMS圆片加工完成后，增加制作装片柱的工艺步骤，增加了工艺步骤，而且，上述专利中的装片柱和芯片侧面的棱角都是直角，不是圆弧形的，仍然容易产生损伤，影响MEMS器件的可靠性。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是克服现有技术中存在的不足，提供一种具有背面圆弧形棱边的MEMS芯片，该MEMS芯片通过背面圆角化以避免芯片裂缝引起的可靠性差的问题。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种具有背面圆弧形棱边的MEMS芯片，由盖板、MEMS结构层和底板组成，盖板下表面至少有一个上凹腔，底板上表面至少有一个下凹腔，上凹腔和下凹腔共同形成密封腔；MEMS结构层由MEMS结构和MEMS密封区组成，MEMS结构位于密封腔中，并可在密封腔中自由活动；盖板和底板分别键合在MEMS结构层上下两侧，盖板表面还具有焊盘，底板侧面由垂直于底板下表面的垂直部分和圆弧形棱边组成，所述的圆弧形棱边由下圆角、侧壁、上圆角和顶部构成，所述的圆弧形棱边表面呈波浪形，且布满凹坑。

为简单说明问题起见，以下对本实用新型所述的具有背面圆弧形棱边的MEMS芯片均简称为本MEMS芯片。

本MEMS芯片背面具有圆弧形棱边，可以避免在圆片切割或后续封装工序中在背面棱边处产生损伤，这种损伤可能在封装基板应力的作用下形成裂缝延伸MEMS芯片内部，造成MEMS器件失效。而且圆弧形棱边的表面呈波浪形，且布满凹坑，当表面产生微小的损伤时，由于凹坑的阻挡，不易向外扩张，进一步降的MEMS器件失效的可能性。而且在随后的封装工序中，本MEMS芯片和信号控制集成电路芯片通过粘片胶固定在封装管壳的基板上，在高性能MEMS器件中，封装管壳的材料大多为陶瓷，MEMS芯片的背面和圆弧形棱边与粘片胶有接触，MEMS芯片的侧面垂直部分与粘片胶无接触，这样就降低了由封装应力引起芯片裂缝发生的可能性；MEMS结构的信号通过在芯片焊盘与管壳焊盘间键合金属线连接到管壳上。

本实用新型的另一个实施例是在底板下表面还具有至少两个凹槽，凹槽将底板下表面分割成若干个装片柱，所述的装片柱由背面、装片柱下圆角、装片柱侧壁、装片柱上圆角和装片柱顶部构成，所述的装片柱下圆角、装片柱侧壁、装片柱上圆角和装片柱顶部的表面都呈波浪形，且布满凹坑。装片柱可以降低MEMS芯片与封装基板的接触面积，降低封装应力的影响；装片柱同样具有圆弧形棱边，以及粗糙的表面，降低裂缝发生的可能性，同时还可以增加与粘片胶的接触面积，保证芯片粘接力，从而达到既降低封装应力，又保证其抗机械冲击能力的目的。

优选地，圆弧形棱边的深度为10～400 μm。一些高性能MEMS器件的厚度在700～1200 μm，圆弧形棱边的深度随圆片切割要求而定，设置在10～400微米，便于圆片切割。

附图说明

图1是现有的普通MEMS芯片的剖视图。

图2是封装后应力导致现有的普通MEMS芯片失效的示意图。

图3是实施例一的底板圆片的仰视图。

图4是图3的A-A剖视图。

图5是实施例一的底板圆片的凹槽的剖面SEM图。

图6是实施例一的底板圆片的凹槽侧面的SEM图。

图7是实施例一的底板圆片的凹槽侧面的SEM放大图。

图8是实施例一具有背面圆弧形棱边的MEMS芯片阻挡裂缝的示意图。

图9是实施例的MEMS结构圆片的剖视图。

图10是实施例一从具有背面圆弧形棱边的MEMS圆片背面切割的示意图。

图11是实施例一从具有背面圆弧形棱边的MEMS圆片正面切割的示意图。

图12是实施例一的具有背面圆弧形棱边的MEMS芯片的剖视图。

图13是实施例一的具有背面圆弧形棱边的MEMS芯片的封装示意图。

图14是实施例二的具有背面圆弧形棱边的MEMS圆片的剖视图。

图15是实施例二的具有背面圆弧形棱边的MEMS芯片的剖视图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

实施例一

具有背面圆弧形棱边的MEMS芯片500，如图12所示，由盖板510、MEMS结构层520和底板530通过圆片键合技术叠合在一起，盖板510下表面有一个上凹腔511，底板530上表面有一个下凹腔531，上凹腔511和下凹腔531共同形成密封腔540；MEMS结构层520的一部分制作成了MEMS结构521，MEMS结构521位于密封腔540中，并可在密封腔540中自由活动；盖板510表面还具有焊盘550，MEMS结构521的电信号通过信号传输部件传输到焊盘550上，MEMS芯片的侧面501由垂直于底板下表面502的垂直部分503和圆弧形棱边504组成，所述的圆弧形棱边504由下圆角504a、侧壁504b、上圆角504c和顶部504d构成，所述的圆弧形棱边504表面呈波浪形，且布满凹坑，某些高性能MEMS器件的厚度在700～1200微米，圆弧形棱边504的深度H随圆片切割要求而定，通常在10～400微米。

在随后的封装工序中，MEMS芯片500和信号控制集成电路芯片（未画出）通过粘片胶660固定在封装管壳600的基板620上，如图13所示，在高性能MEMS器件中，封装管壳600的材料大多为陶瓷，MEMS芯片500的背面502和圆弧形棱边504与粘片胶660有接触，侧面垂直部分503与粘片胶660无接触，这样就降低了由封装应力引起芯片裂缝发生的可能性；MEMS结构521的信号通过在焊盘550与管壳焊盘630间键合金属线610连接到封装管壳600上。

本实施例具有背面圆弧形棱边的MEMS芯片的制作方法，包括以下步骤：

（1）底板圆片230制作：在单晶硅圆片背面231上涂覆光刻胶，用光刻版对准曝光、显影、形成光刻胶图形作为蚀刻掩模，根据凹槽233蚀刻深度H的不同选择光刻胶厚度，甚至选择相对耐蚀刻的干光性聚酰亚胺作为蚀刻掩模；然后用反应离子设备对单晶硅圆片背面231进行深Si蚀刻，如果单晶硅圆片背面231上还有其它薄膜，如SiO₂、Si₃N₄、Al、Au、Ti、Ni、W、Pt或它们的复合层，则需要在深Si蚀刻前将所有薄膜通过干法或湿法工艺除去，而且必须有较大的横向蚀刻量，以保证薄膜不会影响深Si蚀刻时圆弧形棱边的形成。深Si蚀刻是一种干法蚀刻技术，一般常用“博世工艺”，即在反应离子蚀刻设备中交替使用蚀刻性气体和阻挡蚀刻性气体，形成高深宽比的Si图形。最常用的蚀刻性气体是SF₆，最常用的阻挡性气体是C₄F₈，交替通入这两种气体，或交替改变这两种气体的比例，调节蚀刻设备的压力、射频功率等参数，可以蚀刻出不同剖面形貌的Si图形。在深Si蚀刻工序完成后，除去光刻胶，在单晶硅圆片背面231形成对位标记232、凹槽233和背面图形234，如图3所示。

相似地，通过涂覆光刻胶、曝光、显影、深Si蚀刻、去胶等工序，在单晶硅圆片正面形成下凹腔235和键合区域236，如图4所示，可以看出，由于蚀刻条件的不同，下凹腔235的剖面形貌与凹槽233不同，凹槽233由下圆角233a、侧壁233b、上圆角233c和顶部233d构成，图5是凹槽233的扫描电镜图，凹槽233的表面是不平坦的，放大了可以看出呈波浪形，如图6所示，波峰233f是深Si蚀刻过程中交替通入反应气体时通入C4F8时形成的，C4F8在射频功率源的作用下分解成-C-F-类活性基团，它们互相聚合在Si表面形成聚合物，阻挡-F-自由基与Si反应，即阻挡了Si的横向蚀刻，形成波峰233f；在深Si蚀刻凹槽233时交替通入SF6时，垂直方向有离子轰击除去聚合物，蚀刻反应可以向纵向和横向进行，形成波谷233e，但侧壁的聚合物离子轰击不到，即阻挡了Si的横向蚀刻，如此循环往复，形成波浪形凹槽233表面。在深Si蚀刻的不同阶段，采用不同的蚀刻参数，按顺序形成下圆角233a、侧壁233b、上圆角233c和顶部233d。进一部放大凹槽233表面，可以看出凹槽233的表面的波峰233f和波谷233e表面也是不平坦的，布满了凹坑233g，如图7所示，这种粗糙的表面有一个好处是当表面产生微小的损伤205时，由于凹坑233g的阻挡，不易向外扩张，如图8所示。

（2）MEMS结构圆片300制作：将MEMS结构层圆片220和制作有上凹腔211的盖板圆片210键合，通过涂敷光刻胶、曝光、显影、Si蚀刻、去胶等工艺步骤，制作MEMS结构221，使MEMS结构221位于盖板圆片210的上凹腔211中，形成MEMS结构圆片300，其中盖板圆片210上制作有焊盘250；

（3）具有背面圆弧形棱边的MEMS圆片400制作：将图9所示的MEMS结构圆片300和底板圆片200对准，在真空或设定的气氛、压力下键合，形成具有背面圆弧形棱边的MEMS圆片400，盖板圆片210的上凹腔211、MEMS结构层220和底板圆片200的下凹腔235共同围成密封腔240，MEMS结构221可在密封腔240中自由活动；

（4）具有背面圆弧形棱边的MEMS芯片500形成：用普通圆片切割机从具有背面圆弧形棱边的MEMS圆片400背面的凹槽233顶部开始切割，如图10所示，或从具有背面圆弧形棱边的MEMS圆片400正面垂直方向对应于凹槽233的位置开始切割，如图11所示，将具有背面圆弧形棱边的MEMS圆片400切割成多个具有背面圆弧形棱边的MEMS芯片500，其中被切割的凹槽233形成圆弧形棱边504，所述的圆弧形棱边504由下圆角504a、侧壁504b、上圆角504c和顶部504d构成。

实施例二

具有背面圆弧形棱边的MEMS圆片700的背面制作有与实施例一相同的凹槽233用于圆片切割，还制作有两个凹槽237，将具有背面圆弧形棱边的MEMS圆片700的背面702分割成三个装片柱238，如图14所示。凹槽233与凹槽237同时形成，不需添加任何圆片加工步骤，只需在实施例一的步骤（1）操作时改变光刻版的图形。切割具有背面圆弧形棱边的MEMS圆片700得到具有背面圆弧形棱边的MEMS芯片800。

本实施例制作的具有背面圆弧形棱边的MEMS芯片800，如图15所示，由盖板810、MEMS结构层820和底板830通过圆片键合技术叠合在一起，盖板810下表面有一个上凹腔811，底板830上表面有一个下凹腔831，上凹腔811和下凹腔831共同形成密封腔840；MEMS结构层820的一部分制作成了MEMS结构821，MEMS结构821位于密封腔840中，并可在密封腔840中自由活动；盖板810表面还具有焊盘850，MEMS结构821的电信号通过信号传输部件传输到焊盘850上，MEMS芯片的侧面801由垂直于底板下表面的垂直部分803和圆弧形棱边804组成，所述的圆弧形棱边804由下圆角804a、侧壁804b、上圆角804c和顶部804d构成，所述的圆弧形棱边804表面呈波浪形，且布满凹坑。MEMS芯片800的背面还制作有凹槽837，凹槽837将MEMS芯片800背面分割为三个装片柱838，装片柱838由芯片背面838e、下圆角838a、侧面838b、上圆角838c和顶部838d构成，除背面838e外，其它部分都具波浪形粗糙表面；与圆弧形棱边804相同，装片柱838的圆角和其粗糙的表面，可以进一步降低MEMS芯片800的背面损伤发生几率，提高可靠性。装片柱838的作用是封装时通过粘片胶固定在封装基板上，而MEMS芯片800的其它部分与粘片胶及封装基板无机械接触，这样就减少了MEMS芯片800与封装基板的接触面积，降低了MEMS芯片800与封装基板热膨胀系数不一致而产生的封装应力；另外，由于装片柱838具有是波浪形粗糙侧面，可以增加与粘片胶的接触面积，保证MEMS芯片800与封装基板的粘接强度。