一种多mems传感器的单芯片加工方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种传感器单芯片加工方法，特别是一种多MEMS传感器的单芯片加工方法。
【背景技术】
[0002]微系统集成技术具有划时代的意义。它利用先进的微细加工技术将微电子、微机械集成在一起来完成常规的和特殊的功能，可优质高产低耗，大大地提高其可靠性和智能化功能。微系统有巨大的市场，有量大面宽的应用领域，系统微型化是现代科学技术的一个发展趋势，可能引发新一轮工业革命。MEMS是微机械电子系统的缩写，采用MEMS技术将多种传感器和相关处理电路进行单芯片集成，实现一个片上微系统，是未来微系统领域的重要发展方向。
[0003]目前，国外已实现将一个或多个MEMS传感结构及处理电路进行单芯片集成的系统模块，这种微系统集成方式采用单个衬底的制作方式，工艺非常复杂，对设备能力要求很高，并且这种集成方式仅限于少数种类传感器之间的集成，如陀螺与加速度计、压力传感器与温度计或湿度计等，集成度低，不具有普遍的应用。中国的多传感结构的片上集成沿用了国外的工艺模式，采用单衬底制作，目前仅实现了多个传感结构的片上集成，不包含处理电路，并且成品率低。
【发明内容】
[0004]本发明解决的技术问题是:克服现有技术的不足，采用双衬底叠加和三维通孔的方式并利用MEMS技术，提供了一种多MEMS传感器的单芯片加工方法，可以集成多种传感器和执行器，系统集成度高且工艺兼容性强，可以实现批量生产，具有较强的实用性。
[0005]本发明的技术解决方案是:一种多MEMS传感器的单芯片加工方法，包括如下步骤:
[0006](I)在第一衬底的背面使用微纳加工工艺加工第二处理电路模块所需的腔体结构和第二传感结构模块所需的腔体结构，然后在第一衬底的背面制作金属薄膜形成第一键合区，其中，第二处理电路模块所需的腔体结构的长和宽比第二处理电路模块的长和宽大，第二传感结构模块所需的腔体结构的长和宽比第二传感结构模块的长和宽大；
[0007](2)在第一衬底的正面使用微纳加工工艺制作第一传感结构模块和第一金属焊盘，在第二处理电路模块所需的腔体结构和第二传感结构模块所需的腔体结构对应的正面加工第一通孔和第二通孔；所述第一传感结构模块包括陀螺、加速度计、RF MEMS、谐振器、压力传感器、温度传感器、湿度传感器、声传感器中的一个或任意组合；
[0008](3)在第二衬底的正面使用半导体工艺制作第二处理电路模块，使用微纳加工技术制作第二传感结构模块，使用微电子技术在第二处理电路模块与第二传感结构模块上制作第二金属焊盘和第二键合区，其中第二处理电路模块的位置与第一衬底背面第二处理电路模块所需的腔体结构对应，第二传感结构模块的位置与第一衬底背面第二传感结构模块所需的腔体结构对应；所述第二处理电路模块为微电子电路，包括集成电路或分立电路；所述第二传感结构模块包括陀螺、加速度计、RF MEMS、谐振器、压力传感器、温度传感器、湿度传感器、声传感器中的一个或任意组合；
[0009](4)在第二传感结构模块的背面使用微纳加工技术加工腔体；
[0010](5)将集成了第一传感结构模块的第一衬底的背面与集成了第二传感结构模块和第二处理电路模块的第二衬底的正面在真空环境中进行硅-金属-硅键合，形成片上微系统单芯片。
[0011]所述第一衬底与第二衬底的材料为硅片、蓝宝石片或者SOI片。
[0012]所述的第一金属焊盘、第二金属焊盘、第一键合区与键合区为一种金属形成的单层金属薄膜或多种金属形成的多层金属薄膜，其中金属为铝、金、钛、钨、锡、铬或镍。
[0013]本发明与现有技术相比的优点在于:
[0014](I)本发明采用双层衬底叠加的方式，可以将多种传感器与处理电路集成在一个芯片上，从而实现微系统单芯片集成，改变了采用单衬底的工艺方式，具有适用范围广，集成度高的特点；
[0015](2)本发明中的芯片可以在后续封装中采用真空环境中的封装方式，能够保证传感器在密闭真空腔体中长期稳定工作，提高了微系统的性能和长期可靠性；
[0016](3)本发明适用于包含RF MEMS、陀螺、加速度计、谐振器、压力传感器、温度传感器、湿度传感器、声传感器等在内的多种传感模块和各种微电子电路的系统集成，系统集成度高，工艺兼容性强，可以实现批量生产，具有较强的实用性。
【附图说明】
[0017]图1为本发明中衬底I上的单元分布示意图；
[0018]图2为本发明中衬底I完成背腔后的单个MEMS结构剖视图；
[0019]图3为本发明衬底I完成传感模块和通孔制作后的单个单元剖视图；
[0020]图4为本发明衬底I完成背面键合区制作后的单个单元剖视图；
[0021]图5为本发明中衬底2完成处理电路模块的单个单元剖视图；
[0022]图6为本发明中衬底2完成处理电路模块、传感模块以及键合区的单个单元剖视图；
[0023]图7为本发明中衬底I和2叠加后的单个单元剖视图；
[0024]图8为本发明中衬底I和2叠加后的单个单元俯视图；
[0025]图9为本发明衬底I与衬底2叠加后的圆片示意。
【具体实施方式】
[0026]下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述，本发明一种多MEMS传感器的单芯片加工方法具体包括步骤如下:
[0027]—、在衬底I (第一衬底)的背面形成处理电路模块201和传感结构模块202所需的腔体结构，分别记为101和102。
[0028]如图1所示为本发明中衬底I的MEMS圆片分布示意图，由图可知圆片上包括N个单元。如图2所示为本发明衬底I (第一衬底)完成背面腔体结构的MEMS圆片上单个MEMS结构单元剖视图。在衬底I的背面采用微纳加工工艺同时加工出N个MEMS腔体101和102，腔体深度不限(长和宽取决于处理电路模块和传感结构模块的大小，长和宽至少比各个模块大50 μ mo背面的位置也取决于处理电路模块201和传感结构模块的位202，没有特殊要求)。
[0029]为了简化说明与说明附图，本发明集成方法【具体实施方式】与图2?图9中的传感结构模块和处理电路模块只用一个图形区域进行示意，实际中每个模块可以有多个独立结构。
[0030]二、衬底I的正面制作出包括多种敏感结构在内的传感结构模块103和金属焊盘106 (金属焊盘106用于后续封装的键合引线，为便于后续封装，焊盘106尽量靠近图形区域的边缘)，并形成通孔104和通孔105。
[0031]如图3所示为本发明衬底I上完成传感结构模块103和通孔104和105制作后的单个单元剖视图，具体步骤如下:
[0032]a.在衬底I的正面利用微纳加工工艺制作出传感结构模块103 (为保证加工成品率，传感结构模块103应远离图形区域的边缘，距离图形区域边缘至少100 μ m)，该传感结构模块可以包括多个传感结构；
[0033]b.在衬底I背面的腔体101和102对应的位置，从正面制作出若干个腔体，形成通孔104和105，通孔的数量和位置与结构相关，通孔的数量不限，其制作工艺可以是半导体工艺、喷砂工艺或者激光工艺等。
[0034]三、在衬底I的背面制作键合区107。
[0035]如图4为本发明衬底I完成背面键合区制作后的单个单元剖视图，利用金属薄膜淀积技术，在衬底I的背面制作出金属薄膜形成键合区107，金属薄膜材料可以为铝、金、钛、钨、锡、铬或镍等的一种或多种，金属薄膜厚度不限。
[0036]四、在