基于Si导电柱的圆片级封装方法及其单片集成式MEMS芯片的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于Si导电柱的圆片级封装方法及其单片集成式MEMS芯片，该方法包括MEMS圆片形成、待键合ASIC圆片形成、单片集成式MEMS圆片形成、Si导电柱形成和单片集成式MEMS芯片形成几个步骤。本发明的芯片由MEMS圆片和待键合ASIC芯片键合而成，盖板的上腔体与ASIC芯片的下腔体和MEMS结构层围成密封腔，MEMS结构位于密封腔内；盖板与MEMS结构层间有盖板绝缘层，盖板上有导电柱，导电柱连接金属焊块和导电塞；待键合ASIC圆片包括金属密封层、第一金属层和第二金属层，第一金属层与第二金属层电连接，位于密封腔内的第二金属层作为下电极，来感应MEMS结构的运动。该方法操作简单，制得的芯片体积小、成本低，环境干扰信号和封装应力对MEMS器件性能影响小。
【专利说明】基于Si导电柱的圆片级封装方法及其单片集成式MEMS芯片
【技术领域】
[0001]本发明属于芯片封装领域，具体是涉及一种单片集成式MEMS芯片，本发明还涉及这种MEMS芯片的圆片级封装方法。
【背景技术】
[0002]电子封装是将一个或多个电子芯片相互电连接，然后封装在一个保护结构中，其目的是为电子芯片提供电连接、机械保护或化学腐蚀保护等。然而有些电子产品，芯片表面不能与封装材料接触，特别是一些微传感器，如MEMS器件、表声波/体声波滤波器、震荡器等，需要用陶瓷管壳、金属管壳或塑料管壳等进行气密性封装，但这些封装方法成本高、体积大，不适用于消费类电子产品中。封装技术的发展趋势，是封装外形越来越小，器件功能越来越多，成本越来越低。随着MEMS器件在消费领域中的广泛使用，低成本，小体积的塑料封装方法，如LGA (栅格阵列封装)、QFN (方形扁平无引脚封装)、DFN (双边无铅封装)等被广泛采用。但这些封装方法中，塑封料是直接与芯片接触的，所以对那些表面有可动部件的MEMS芯片，必须先通过圆片级封装的方法将MEMS结构保护起来，然后再进行一般的塑料封装，这样塑封料接触圆片级封装的外围，而不会直接接触MEMS结构。圆片级封装技术是对整个制作有电子器件的圆片进行封装测试后再切割成单个成品电子器件的加工技术。圆片级封装后的成品具有重量轻、体积小、厚度薄、价格低的优点，是电子元器件封装技术的发展趋势。另外，圆片级封装后的芯片后续加工方便，不需要超净环境，圆片切割时也不需要特殊保护，节约了加工成本。
[0003]MEMS芯片的圆片级封装中，盖板一般是用与MEMS结构相同的材料制作，通常为Si，下部制作有一个凹腔。盖板的主要作用是与底板一起，形成一个密封的空腔，向被密封于该空腔的MEMS结构提供一个可自由运动的空间，同时，保证MEMS结构不受外部环境的干扰。底板可以是集成电路芯片，也可以是不带电路的Si材料。
[0004]MEMS元器件成品通常由两个芯片组成，一个为微机械芯片，即MEMS芯片，另一个是用于控制MEMS芯片的专用集成电路芯片，即ASIC芯片。这两个芯片可以是独立的，通过装片，打线，包封等常规电子封装方法组合在一起，成为MEMS成品器件。MEMS芯片也可以和ASIC芯片在圆片加工过程中，通过圆片级封装集成在一起，成为单片集成式MEMS芯片，再通过常规封装，或植焊球形成MEMS成品。在单片集成式MEMS芯片中，MEMS芯片与ASIC芯片面对面紧贴在一起，信号通道短，受外界环境干扰信号的影响小，所以MEMS芯片的原始信号可以设计得较小，从而使得MEMS芯片面积小，降低了芯片成本。而且，单片集成式MEMS芯片的体积小，后封装简单、便宜。本发明就是关于单片集成式MEMS芯片圆片级封装的加工方法，特别是关于到带Si导电柱的MEMS圆片级封装方法。
[0005]现有圆片级封装的MEMS芯片主要有以下两种:
图1是现有圆片级封装的MEMS芯片的示意图，由盖板101和底板105构成的密封腔106为MEMS结构103a提供一个可自由活动的空间，MEMS层103与底板105间有密封层104提供气密性连接，MEMS层103与盖板101间有盖板绝缘层102电隔离，所以MEMS层103与盖板101是电绝缘的，盖板101上蚀刻有两个槽108，两个槽108之间的盖板形成导电柱IOla ；盖板绝缘层102中有导电层107，导电柱IOla与MEMS结构103a通过导电层107电连接，导电柱IOla上有金属焊块109，通过金属线110将MEMS的信号引出到ASIC芯片或封装基板上。该芯片只适用于独立的MEMS芯片的圆片级封装，不能用于单芯片集成式MEMS芯片的封装，而且由于导电柱在芯片一侧，不能通过植焊球的方式形成MEMS倒装芯片。在后续封装时，必须通过金属线将MEMS芯片和ASIC芯片进行电连接，然后再将两个或多个芯片封装在一起。这种芯片后续封装成本高，成品器件体积较大，且环境对信号干扰较大。
[0006]图2是现有基于Si穿孔(TSV)的圆片级封装的MEMS芯片的示意图，由盖板201和底板205构成的密封腔206为MEMS结构203a提供一个可自由活动的空间，MEMS结构层203与盖板201间有盖板绝缘层202a提供电隔离，MEMS结构层203与底板205间有绝缘层202b电隔离，所以MEMS结构层203与盖板201和底板205间是绝缘的，为了将MEMS结构203a的电信号引出，在底板205上蚀刻出Si穿孔(TSV)，并在其侧壁上形成绝缘层202c，用以将导电柱201a与底板205隔离，在导电柱201a的外端有金属焊块209，与底板205间有绝缘层202d隔离，金属焊块209上植有焊球210，这样，MEMS元器件就可以直接倒装焊在PCB板或其他芯片上。但是这种芯片形成Si穿孔(TSV)导电柱的工艺复杂，成本高。而且，焊球位置离MEMS结构较近，在随后的二次封装时，封装应力会通过焊球传导到MEMS结构上，影响MEMS器件的性能。
【发明内容】
[0007]本发明的要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种基于Si导电柱的圆片级封装方法及其单片集成式MEMS芯片，该方法通过在盖板上蚀刻深槽隔离Si导电柱和盖板的其他部分，从而导出MEMS结构的电信号，形成圆片级封装的单片集成式MEMS芯片，工艺流程简单，成本低，成品率高，该芯片体积小，能够将二次封装中应力对MEMS器件性能的影响降至最小。
[0008]为解决上述技术问题，本发明提供了基于Si导电柱的圆片级封装方法，该方法通过在盖板上蚀刻深槽隔离Si导电柱和盖板的其他部分，从而导出MEMS结构的电信号，形成圆片级封装的单片集成式MEMS芯片，具体步骤为:
(I)MEMS圆片形成:
氧化盖板，生成盖板绝缘层，盖板的材料是硼元素重掺杂的单晶Si，电阻率在0.01Ω 左右，单晶Si氧化后为SiO2,所以盖板绝缘层材料为SiO2,盖板绝缘层用作后续MEMS圆片键合工序的S1-SiO2键合材料和盖板与MEMS结构层间的电隔离层；通过在氧化后的盖板上涂胶、曝光、显影、蚀刻、去胶等半导体加工工艺，在盖板正面形成盖板上腔体，用于容纳MEMS结构；将MEMS结构层圆片与氧化后的盖板键合在一起，削减MEMS结构层圆片形成MEMS结构层，MEMS结构层的材料是硼元素重掺杂的单晶Si，在MEMS结构层上通过半导体加工工艺蚀刻出深孔，在深孔中，盖板绝缘层也同时被蚀刻掉，露出盖板，在MEMS结构层上和深孔中淀积导电材料，再反蚀刻除去MEMS结构层上的导电材料，留下深孔底部的导电材料，形成导电塞，这样，盖板在导电塞处与MEMS结构层形成电连接；所述淀积导电材料的方法，可以是溅射、化学气相沉积、电镀、蒸发等方法中的一种或几种方法的组合；所述导电材料，可以是钨、重掺杂多晶S1、铝、钛、铜、金、镍、铬、钽、钴等材料中的一种或几种的组合物；在MEMS结构层上通过深Si蚀刻工艺蚀刻出MEMS结构的图形，同时蚀刻出隔离沟，将MEMS结构层分为MEMS结构和MEMS导电块，这样，就形成MEMS圆片；
(2)待键合ASIC圆片形成:在标准ASIC圆片上淀积绝缘层，绝缘层为SiO2或SiO2与SiN的复合层，用化学机械抛光(CMP)方法磨平，形成第二绝缘层；在第二绝缘层上蚀刻出第二通孔，用于后续工序的电连接；在第二绝缘层上淀积金属密封层，通过蚀刻法或掩模剥离法(lift-off)将其图形化，金属密封层按功能可分为导电块、密封环和锚点，所述金属密封层的淀积方法可以是溅射、蒸发、电镀中的一种或它们几种的组合；蚀刻带有金属密封层图形的第二绝缘层，在对应于盖板上腔体的位置形成ASIC下腔体，为可MEMS结构提供自由运动的空间，同时，在ASIC下腔体蚀刻时露出第二金属层，作为下电极感应MEMS结构在垂直方向的运动，这样，就形成了待键合ASIC圆片；
所述标准ASIC圆片为普通集成电路圆片，包括衬底、第一绝缘层、图形化的第一金属层和第二金属层，第一绝缘层位于衬底上，第一金属层位于第一绝缘层内，第二金属层位于第一绝缘层上，第一金属层通过第一绝缘层的第一通孔与第二金属层电连接；所述衬底材料为轻掺杂的单晶Si，其电阻率在10 Ω._左右，是不良导体，不能用作导电柱材料，所述第二金属层既可用作MEMS结构的垂直方向的感应电极，还用作ASIC圆片与密封金属层间的电信号通道；
(3)单片集成式MEMS圆片形成^fMEMS圆片与待键合ASIC圆片通过金属密封层键合在一起，形成单片集成式MEMS圆片，金属密封层在与MEMS结构层键合处分为三部分:导电块、密封环和锚点，密封环与盖板上腔体、ASIC下腔体和MEMS结构层共同围成密封腔，密封腔内部为真空或具有特定压力、含有特定气体，MEMS结构在其中可自由运动；至少有一处MEMS结构通过锚点与第二 金属层电连接，锚点将MEMS结构的信号导通到待键合ASIC圆片中；导电块分别与第二金属层和MEMS导电块电连接，导电块将待键合ASIC圆片的信号导通到MEMS结构层中；
(4)Si导电柱形成:在盖板上淀积并图形化金属层，在导电塞对应位置处形成金属焊块，采用深Si反应离子干法蚀刻法在盖板上蚀刻出深槽，与待键合ASIC圆片的隔离沟相对应，将盖板分割为几部分，其中，与金属焊块相对应处形成导电柱，导电柱通过导电塞与MEMS导电块电连接，MEMS结构的信号通过锚点、第二金属层和第一金属层传给ASIC，ASIC处理后的信号通过第一金属层、第二金属层、导电块、MEMS导电块、导电塞和导电柱传导到金属焊块上；
(5)单片集成式MEMS芯片形成:沿盖板外侧深槽切割合成圆片，形成普通封装用的单片集成式MEMS芯片。
[0009]为简单说明问题起见，以下对本发明所述基于Si导电柱的圆片级封装方法均简称为本方法。
[0010]本方法通过Si导电柱将MEMS结构的电信号引出，无需制作Si穿孔(TSV)导电柱，工艺简单；任何环境干扰信号都会对MEMS结构的信号产生影响，影响MEMS器件的性能，ASIC芯片将MEMS结构的信号放大，相对而言环境干扰信号就可忽略不计；MEMS圆片和待键合ASIC圆片通过金属密封层键合在一起，MEMS结构的信号通道短，抗环境干扰能力强，这样，在同样的性能的条件下，MEMS结构的初始信号就可以弱于其他封装方法的产品，相应地，MEMS芯片体积就可以做得小一些，MEMS芯片制造成本也相应变低；由于单片集成式MEMS芯片是由待键合AISC圆片与MEMS圆片键合后切割而成，后封装时只要进行单芯片封装，比独立MEMS芯片和独立AISC芯片的双芯片或多芯片封装体积小，成本低；在制作成倒装焊封装的芯片后，无需后续封装，其成品MEMS器件体积等于芯片体积，这是最小的封装形式，而且，由于导电柱位于芯片的外侧，与MEMS结构不直接相连，可以缓冲部分应力，可以将应力对MEMS器件的影响降至最低。
[0011]本发明的金属焊块可用于后封装时打线用，其材料通常为铝或金，通过溅射、电镀、蒸发等方法淀积，还可以在金属焊块上植焊球，焊球材料通常为铝或金上再淀积一层钨钛合金作为焊点下金属层(UBM)，用于粘附焊球和阻挡焊料扩散用。
[0012]本发明还提供了通过本方法制备的单片集成式MEMS芯片，由盖板、MEMS结构层和ASIC芯片键合而成，盖板上至少有一个上腔体，盖板与MEMS结构层通过盖板绝缘层键合在一起，盖板与MEMS结构层之间没有直接电连接，MEMS结构层分为MEMS结构(MEMS结构层的可动部分)和MEMS导电块(MEMS结构层的不动部分)，盖板上蚀刻有至少一个导电柱，所述导电柱为Si导电柱，导电柱第一端有金属焊块，导电柱第二端连有导电塞，导电柱通过所述导电塞与MEMS导电块电连接；
ASIC芯片包括ASIC衬底，ASIC衬底上有第一绝缘层和第二绝缘层，第二绝缘层上沉积有图形化的金属密封层，金属密封层可按功能分为导电块、密封环和锚点；第一绝缘内有图形化的第一金属层，第一绝缘层和第二绝缘层间有图形化的第二金属层，第二金属层通过第一绝缘层的第一通孔与第一金属层电连接，第二金属层与导电块连接；
第一绝缘层、第二绝缘层和金属密封层共同界定出至少一个下腔体，所述下腔体与上腔体、MEMS结构层和密封环形成密封腔，密封腔内部可以是真空或特定压力、特定气体，MEMS结构可在密封腔自由运动，MEMS结构层通过金属密封层与ASIC芯片键合在一起，MEMS结构至少通过一个锚点与第二金属层电连接，MEMS结构的电信号可通过锚点输入到ASIC芯片中，位于密封腔内的第二金属层作为下电极感应MEMS结构在垂直方向的运动；
所述ASIC芯片具有完整的集成电路功能，可将MEMS结构输入的信号加以处理后，输出终端用户需要的信号，或反向向MEMS芯片输入信号，控制MEMS结构运动。
[0013]为简单说明问题起见，以下对本发明所述基于导电柱圆片级封装的单片集成式MEMS芯片均简称为本芯片。
[0014]本芯片导电柱通过导电塞与MEMS导电块电连接，而与MEMS结构无电连接，MEMS结构的信号通过锚点、导线和金属层传给ASIC芯片，ASIC芯片处理后的信号通过第一金属层、第二金属层、导电块、MEMS导电块、导电塞和导电柱传导到金属焊块上，无需制作Si穿孔(TSV)导电柱,制作工艺简单,而且由于导电柱分布于芯片的外侧，与MEMS结构层不直接相连，可以缓冲部分应力，可以减小应力对MEMS结构的影响；MEMS结构的初始信号一般非常微弱，任何环境干扰信号都会对MEMS信号产生影响，影响MEMS器件的性能，本芯片通过ASIC芯片将MEMS结构的信号放大，这样，环境干扰信号相对而言就可忽略不计；本芯片的MEMS结构层和ASIC芯片通过金属密封层键合在一起，MEMS结构的信号通道较短，抗环境干扰能力强，这样，在同样的性能的条件下，即使MEMS结构的初始信号弱于其它同类产品，也可通过ASIC芯片将信号放大，从而满足要求，由于AISC芯片与MEMS结构键合成一个芯片，后续封装时只要进行单芯片封装，比双芯片或多芯片封装体积小、成本低。[0015]所述金属焊块上植有焊球，焊球材料为铝或金上再淀积一层钨钛合金作为焊点下金属层(UBM)，用于粘附焊球和阻挡焊料扩散用。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是现有圆片级封装的MEMS芯片的示意图。
[0017]图2是现有基于Si穿孔(TSV)的圆片级封装的MEMS芯片的示意图。
[0018]图3是本方法步骤(I)盖板上生长盖板绝缘层的示意图。
[0019]图4是本方法步骤(I)蚀刻出盖板上腔体的示意图。
[0020]图5是本方法步骤(I)键合MEMS结构层后的示意图。
[0021]图6是本方法步骤(I) MEMS结构层蚀刻出深孔的示意图。
[0022]图7是本方法步骤(I) MEMS圆片的示意图。
[0023]图8是本方法步骤(2)标准ASIC圆片的不意图。
[0024]图9是本方法步骤(2)标准ASIC圆片上淀积第二绝缘层后的不意图。
[0025]图10是本方法步骤(2)待键合ASIC圆片的示意图。
[0026]图11是本方法步骤(3)合成圆片的示意图。
[0027]图12是本方法步骤(4)盖板上形成金属焊块的示意图。
[0028]图13是本方法步骤(4)盖板上形成导电柱的示意图。
[0029]图14是实施例一单片集成式MEMS芯片的示意图。
[0030]图15是实施例一单片集成式MEMS芯片的俯视图。
[0031]图16是实施例二单片集成式MEMS芯片的示意图。
【具体实施方式】
[0032]下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
[0033]实施例一
(1)MEMS圆片形成:
氧化盖板301,生成盖板绝缘层302,如图3所示,盖板301的材料为硼元素重掺杂的单晶Si，电阻率在0.01 Ω.cm左右，所以盖板绝缘层302材料为SiO2 ;在盖板绝缘层302上涂胶、曝光、显影、蚀刻、去胶等半导体加工工艺，在盖板301正面形成盖板上腔体306a，如图4所示；将MEMS结构层303与带有上腔体的盖板301键合、退火，通过研磨的方法将MEMS结构层303减薄到所需厚度，如图5所示，MEMS结构层的材料是硼元素重掺杂的单晶Si ;在MEMS结构层303上通过标准的半导体加工步骤蚀刻出深孔305，在深孔305中，盖板绝缘层302也被蚀刻掉，露出盖板301，在MEMS结构层303上和深孔305中淀积导电材料，反蚀刻除去MEMS结构层303上的导电材料，只留下深孔305底部的导电材料，形成导电塞304，如图6所示，这样，盖板301在导电塞304处与MEMS结构层303形成电连接，所述导电材料的淀积方法是溅射，所述导电材料是重掺杂多晶Si ;在带有导电塞304的圆片的MEMS结构层303上通过深Si蚀刻工艺蚀刻出MEMS结构的图形，同时蚀刻出隔离沟，将MEMS结构层303分为MEMS结构303a和MEMS导电块303b，如图7所示，这样，MEMS圆片300就制作完成；
(2)待键合ASIC圆片形成:
ASIC圆片的上淀积绝缘层，所述绝缘层材料为SiO2和SiN的复合层，用化学机械抛光(CMP)方法磨平绝缘层，形成第二绝缘层403，在第二绝缘层403上蚀刻出第二通孔401，用于后续工序的电连接，如图9所示，在第二绝缘层403上淀积金属密封层404，通过掩模剥离法(lift-off)将其图形化，所述金属密封层404的淀积方法是溅射；蚀刻第二绝缘层403，在对应于盖板上腔体306a的位置形成ASIC下腔体306b，为可活动的MEMS结构303a提供自由运动的空间，同时露出部分第二金属层407，作为下电极感应MEMS结构303a在垂直方向的运动，这样经形成了待键合ASIC圆片400 ;
所述ASIC圆片为普通集成电路圆片，其结构如图8所示，包括衬底405、第一绝缘层402、第一金属层406和第二金属层407,第一绝缘层402位于衬底405上,第一金属层406位于第一绝缘层402内，第二金属层407位于第一绝缘层402上，第二金属层407通过第一绝缘层402的第一通孔408与第一金属层406电连接；所述衬底405为轻掺杂的单晶Si材料，其电阻率在10 Ω.αη左右，是不良导体，不能用作导电柱材料，第一金属层406是ASIC的内部金属互连线，第二金属层407可用作MEMS结构303a在垂直方向的感应电极，也用作ASIC与金属密封层404间的电信号通道；
(3)单片集成式MEMS圆片形成:
将MEMS圆片300与待键合ASIC圆片400通过金属密封层键合在一起，形成单片集成式MEMS圆片，如图11所示，金属密封层404在与MEMS结构层303键合处分为三部分:导电块404a、密封环404b和锚点404c，密封环404b与盖板上腔体306a、ASIC下腔体306b和MEMS结构层303共同围成密封腔306，密封腔306内部为真空，MEMS结构303a在其中可自由运动；至少有一处MEMS结构303a通过锚点404c与第二金属层407连接，MEMS结构303a的信号通过锚点404c、第二金属层407和第一金属层406传输到ASIC中；导电块404a分别与第二金属层407和MEMS导电块303b电连接，ASIC处理后的信号通过第一金属层406、第二金属层407、导电块404a传导给MEMS导电块303b ；
(4)Si导电柱形成:
在盖板301上淀积并图形化金属层，在导电塞304对应位置处形成金属焊块309，如图12所示；采用深Si反离子干法蚀刻法在盖板301上蚀刻出四个深槽308，与待键合ASIC圆片400的隔离沟相对应，将盖板301分割为五部分，其中，与金属焊块309相对应的两处形成导电柱301a，如图13所示，导电柱301a通过导电塞304与MEMS导电块303b电连接，MEMS导电块的信号经导电塞304传导到导电柱301a上，然后再传导给金属焊块309 ；
(5)单片集成式MEMS芯片形成:
沿盖板301外侧的深槽308切割合成圆片，形成单片集成是MEMS芯片，如图14所示，所述切割面的沿伸线位于深槽308中，所述单片集成是MEMS芯片需要后封装成LGA、DFN、QFN等形式，后封装时在金属焊块309上打金属线即可。
[0034]图15为本实施例单片集成式MEMS芯片的俯视图，导电柱301a分布于盖板303的两侧，每个导电柱301a被深槽308包围，与盖板301完全隔离，每个导电柱301a上制作有金属焊块309。
[0035]本实施例制得的单片集成式MEMS芯片，如图14和图15所示，由盖板301、MEMS结构层303和ASIC芯片400键合而成，盖板301的材料是重掺杂的Si片，其电阻率在0.01Ω.Cm左右，是较好的导电材料，MEMS结构层303分为MEMS结构303a和MEMS导电块303b，MEMS结构303a为MEMS结构层303的可动部分，盖板301上有一个上腔体306a，盖板301与MEMS结构层303通过盖板绝缘层302键合在一起，盖板绝缘层302的材料为SiO2,盖板301与MEMS结构层303之间没有直接电连接，盖板303上蚀刻有两个深槽308，该深槽308将盖板301的局部与盖板301其他区域隔离，形成导电柱301a，所述导电柱308为Si导电柱，导电柱308第一端有金属焊块309，导电柱308第二端连有导电塞304，导电柱308通过所述导电塞304与MEMS导电块303b电连接； ASIC芯片400包括ASIC衬底405，ASIC衬底405材料为轻掺杂的单晶Si，其电阻率在10 Ω.cm左右，ASIC衬底405上有第一绝缘层402和第二绝缘层403，第二绝缘层403上沉积有图形化的金属密封层404，金属密封层404可按功能分为导电块404a、密封环404b和锚点404c,第一绝缘层402内有第一金属层406,第一绝缘层402和第二绝缘层403之间有第二金属层407,第一金属层406与第二金属层407通过第一绝缘层402的第一通孔408电连接，第二金属层407与导电块404a电连接；第一金属层406是ASIC的内部金属互连线，第二金属层407可用作MEMS结构303a在垂直方向的感应电极，也用作ASIC与密封金属层404间的电信号通道；
第一绝缘层402、第二绝缘层403和金属密封层404共同界定出一个下腔体306b，所述下腔体306b与上腔体306a、MEMS结构层303和密封环404b形成一个密封腔306，密封腔306内部是真空，MEMS结构303a位于该密封腔306内，为MEMS结构303a提供一个自由活动的密闭空间，MEMS结构层303通过金属密封层404与ASIC芯片400键合在一起，第二金属层407位于密封腔306内的部分作为下电极感应MEMS结构303a在垂直方向的运动，MEMS结构303a通过锚点404c与第二金属层407电连接，MEMS结构303a的电信号可通过锚点404c、第二金属层407和第一金属层406输入到ASIC芯片400中，ASIC芯片400处理后的信号通过第一金属层406、第二金属层407、导电块404a、MEMS导电块303b、导电塞304和导电柱301a传导到金属焊块309上；所述ASIC芯片400具有完整的集成电路功能，可将MEMS结构303a输入的信号加以处理后，输出终端用户需要的信号，或反向向MEMS结构303a输入信号，控制MEMS结构303a运动。
[0036]实施例二
本实施例与实施例一的区别仅在于单片集成式MEMS芯片形成步骤，本实施例的单片集成式MEMS芯片形成为:在金属焊块309上植上焊球310，然后沿盖板301外侧的深槽308切割合成圆片，形成如图16所示的普通封装用的单片集成式MEMS芯片，本实施例的芯片可以直接倒装焊在用户的PCB板上使用。
[0037]本实施例制得的单片集成式MEMS芯片，如图16所示，由盖板301、MEMS结构层303和ASIC芯片400键合而成，盖板301的材料是重掺杂的Si片，其电阻率在0.01 Ω ^cm左右，是较好的导电材料，MEMS结构层303分为MEMS结构303a和MEMS导电块303b，MEMS结构303a为MEMS结构层303的可动部分，盖板301上有一个上腔体306a，盖板301与MEMS结构层303通过盖板绝缘层302键合在一起，盖板绝缘层302的材料为SiO2,盖板301与MEMS结构层303之间没有直接电连接，盖板303上蚀刻有两个深槽308，该深槽308将盖板301的局部与盖板301其他区域隔离,形成导电柱301a,所述导电柱308为Si导电柱,导电柱308第一端有金属焊块309，金属焊块309上植有焊球310，导电柱308第二端连有导电塞304，导电柱308通过所述导电塞304与MEMS导电块303b电连接；
ASIC芯片400包括ASIC衬底405，ASIC衬底405材料为轻掺杂的单晶Si，其电阻率在10 Ω.cm左右，ASIC衬底405上有第一绝缘层402和第二绝缘层403，第二绝缘层403上沉积有图形化的金属密封层404，金属密封层404可按功能分为导电块404a、密封环404b和锚点404c,第一绝缘层402和第二绝缘层403之间有第二金属层407,第二金属层407可作为下电极感应MEMS结构303a在垂直方向的运动，也用作ASIC与金属密封层404间的电信号通道，两端的第二金属层407与导电块404a电连接，ASIC芯片400有一层图形化的第一金属层406，位于第一绝缘层402中，第一金属层406通过第一绝缘层402的第一通孔408与第二金属层407电连接；
第一绝缘层402、第二绝缘层403和金属密封层404共同界定出一个下腔体306b，所述下腔体306b与上腔体306a、MEMS结构层303和密封环404b形成一个密封腔306，密封腔306内部是真空，MEMS结构303a位于该密封腔306内，为MEMS结构303a提供一个自由活动的密闭空间，MEMS结构层303通过金属密封层404与ASIC芯片400键合在一起，第二金属层407位于密封腔306内的部分作为下电极感应MEMS结构303a在垂直方向的运动，MEMS结构303a通过锚点404c与第二金属层407电连接，MEMS结构303a的电信号可通过锚点404c、第二金属层407和金属层406输入到ASIC芯片400中，ASIC芯片400处理后的信号通过第一金属层406、第二金属层407、导电块404a、MEMS导电块303b、导电塞304和导电柱301a传导到金属焊块309上；所述ASIC芯片400具有完整的集成电路功能，可将MEMS结构303a输入的信号加以处理后，输出终端用户需要的信号，或反向向MEMS结构303a输入信号，控制MEMS结构303a运动。
[0038]以上所述仅是本发明的【具体实施方式】。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明的技术方案进行若干变形或者等同替换，例如，导电柱根据需要可以分布在盖板的一侧、三侧或四侧；导电柱中至少有一个与盖板相连，用于盖板接地；这些变形或替换也能实现本发明的技术效果，也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1. 基于Si导电柱的圆片级封装方法，步骤为: (1)MEMS圆片形成:氧化盖板，生成盖板绝缘层；在氧化后的盖板上涂胶、曝光、显影、蚀刻、去胶，在盖板正面形成盖板上腔体；将MEMS结构层圆片与氧化后的盖板键合在一起，削减MEMS结构层圆片形成MEMS结构层；在MEMS结构层上通过半导体加工工艺蚀刻出深孔，在深孔中，盖板绝缘层也同时被蚀刻掉，露出盖板，在MEMS结构层上和深孔中淀积导电材料，再反蚀刻除去MEMS结构层上的导电材料，留下深孔底部的导电材料，形成导电塞；在MEMS结构层上蚀刻出MEMS结构的图形，同时蚀刻出隔离沟，将MEMS结构层分为MEMS结构和MEMS导电块，这样，就形成MEMS圆片； (2)待键合ASIC圆片形成:在ASIC圆片上淀积绝缘层、磨平，形成第二绝缘层；在第二绝缘层上蚀刻出第二通孔，在第二绝缘层上和第二通孔内淀积金属密封层，然后将金属密封层图形化，金属密封层分为导电块、密封环和锚点；蚀刻带有金属密封层图形的第二绝缘层，在对应于盖板上腔体的位置形成ASIC下腔体，同时，露出第二金属层，作为下电极感应MEMS结构在垂直方向的运动，这样，就形成了待键合ASIC圆片；所述ASIC圆片包括第一绝缘层、图形化的第一金属层和第二金属层，第一金属层位于第一绝缘层内，第二金属层位于第一绝缘层上,第一金属层与第二金属层电连接； (3)单片集成式MEMS圆片形成JfMEMS圆片与待键合ASIC圆片通过金属密封层键合在一起，形成单片集成式MEMS圆片，盖板上腔体与ASIC下腔体、MEMS结构层和密封环共同围成密封腔，MEMS结构位于密封腔内，至少有一处MEMS结构通过锚点与第二金属层电连接，锚点将MEMS结构的信号导通到待键合ASIC圆片中；导电块分别与第二金属层和MEMS导电块电连接，导电块将待键合ASIC圆片的信号导通到MEMS结构层中； (4)Si导电柱形成:在盖板上淀积并图形化金属层，在导电塞对应位置处形成金属焊块，在盖板上蚀刻出深槽，在与金属焊块相对应处形成导电柱，导电柱通过导电塞与MEMS导电块电连接； (5)单片集成式MEMS芯片形成:沿盖板外侧深槽切割合成圆片，形成单片集成式MEMS-H-* I I心/T O
2.根据权利要求1所述的基于Si导电柱的圆片级封装方法，其特征在于:步骤(1)所述淀积导电材料的方法是溅射、化学气相沉积、电镀、蒸发等方法中的一种或几种方法的组口 ο
3.根据权利要求1或2所述的基于Si导电柱的圆片级封装方法，其特征在于:所述导电材料是钨、重掺杂多晶S1、铝、钛、铜、金、镍、铬、钽、钴等材料中的一种或几种的组合物。
4.根据权利要求1所述的基于Si导电柱的圆片级封装方法，其特征在于:步骤(2)所述金属密封层图形化方法为蚀刻法或掩模剥离法。
5.根据权利要求1或4所述的基于Si导电柱的圆片级封装方法，其特征在于:步骤(2)所述金属密封层的淀积方法是溅射、蒸发、电镀中的一种或它们几种的组合。
6.根据权利要求1所述的基于Si导电柱的圆片级封装方法，其特征在于:步骤(3)所述密封腔内部为真空。
7.根据权利要求1所述的基于Si导电柱的圆片级封装方法，其特征在于:步骤(5)还在金属焊块上植焊球。
8.单片集成式MEMS芯片，由盖板、MEMS结构层和待键合ASIC芯片键合而成，盖板上至少有一个上腔体，盖板与MEMS结构层通过盖板绝缘层键合在一起，盖板上蚀刻有至少一个导电柱，导电柱第一端有金属焊块，MEMS结构层分为MEMS结构和MEMS导电块，其特征在于: 导电柱第二端连有导电塞，导电柱通过所述导电塞与MEMS导电块电连接； 所述ASIC芯片包括ASIC衬底，ASIC衬底上有第一绝缘层和第二绝缘层，第二绝缘层上沉积有图形化的金属密封层，金属密封层分为导电块、密封环和锚点，第一绝缘层内有图形化的第一金属层，第一绝缘层和第二绝缘层间有图形化的第二金属层，至少有一处第一金属层与第二金属层电连接，第二金属层与导电块电连接； 第一绝缘层、第二绝缘层和金属密封层共同界定出至少一个下腔体，所述下腔体与上腔体、MEMS结构层和密封环形成密封腔，MEMS结构位于该密封腔内，MEMS结构层通过金属密封层与ASIC芯片 键合在一起，至少有一处MEMS结构通过锚点与第二金属层电连接。
9.根据权利要求1所述的单片集成式MEMS芯片，其特征在于:金属焊块上植有焊球。
10.根据权利要求1所述的单片集成式MEMS芯片，其特征在于:所述导电柱为Si导电柱。
【文档编号】B81C1/00GK103523745SQ201310497005
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年10月21日 优先权日:2013年10月21日
【发明者】华亚平 申请人:安徽北方芯动联科微系统技术有限公司