Mems芯片圆片级封装方法及其单片超小型mems芯片的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种MEMS芯片圆片级封装方法及其单片超小型MEMS芯片，该方法包括硅穿孔圆片形成、第一键合圆片形成、盖板圆片形成、第二键合圆片形成、MEMS圆片形成和单片超小型MEMS芯片形成几个步骤。本方法通过缩小上腔体的深度，从而将部分硅穿孔层直接用作垂直电极，工艺简单，本发明还增加了屏蔽金属层，从而减小环境干扰信号对MEMS芯片性能的影响。本发明制得的单片超小型MEMS芯片体积小，成品率高，芯片上的屏蔽金属层还能够减小环境干扰信号和封装应力对MEMS器件性能的影响。
【专利说明】MEMS芯片圆片级封装方法及其单片超小型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MEMS芯片圆片级封装方法，本发明还涉及用这种方法制得的单片超小型MEMS芯片。
【背景技术】
[0002]电子封装是将一个或多个电子元器件芯片相互电连接，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、化学腐蚀保护等。对于某些电子产品，芯片表面不能与封装材料接触，特别是对那些有可动结构的MEMS器件，需要用陶瓷管壳，金属管壳，预成型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。随着MEMS器件在消费领域中使用越来越广泛，成本低、体积小的塑料封装方法，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，表面必须先通过圆片级封装的方法为MEMS结构加个盖板，将可动部分保护起来，然后再进行一般的塑料封装。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]在消费电子市场的的应用中，特别是便携式电子产品，如手机，平板电脑等，一个MEMS器件需要感应X、Y、Z三个轴向的信号，如三轴加速度计、三轴陀螺仪等。对于电子行业采用最广泛的电容式MEMS器件，要感应三个轴向的信号，就必须有X、Y、Z三个轴向的感应电极。通常感应电极制作在圆片级封装的空腔中，信号线从圆封装的侧面或底面引出。
[0005]图1是现有的圆片级封装的MEMS芯片，由下盖板层101上的下凹腔109b和硅穿孔层104上的上凹腔109a构成的密封腔109为MEMS结构103a提供一个可自由活动的密封空间，上凹腔深度为10?50 Mm, MEMS层103与下盖板层101间有键合材料层102提供气密性机械连接，键合材料层102可以是导电材料，如铝、金、铜、金-锡合金等金属，也可以是绝缘材料，如二氧化硅。硅穿孔层104上的隔离沟111，将硅穿孔层104分隔为盖板区104b和导电柱104c，隔离沟104中填充有绝缘材料，如二氧化硅。实际上导电柱104c、隔离沟111和盖板区104b共同构成了上盖板。由于上凹腔深度较深，盖板区无法感应MEMS结构的信号，因此盖板区132纯粹是用作盖板，而不能用作垂直电极。绝缘层105用于隔离硅穿孔层104和金属导线层106，金属导线层106通过在绝缘层105上的通孔105a中沉积金属导线与导电柱104c和盖板区104b进行电连接。这样，MEMS结构103a的信号通过键合块110、导电柱104c、通孔105a输出到金属导线层106上。钝化层107用于保护金属导线层106，在随后的二次封装中，通过钝化层107上的压焊窗口 107a打金属导线连接引线框，或在压焊窗口 107a内植倒装焊球就可将电信号引出。此方法无法直接形成垂直电极，若要制作垂直电极，只能先蚀刻MEMS层，形成不同部位的厚度差，再蚀刻出MEMS结构，这样，利用MEMS结构中的电极高度差作为垂直电极感应MEMS结构在垂直方向的运动。但此方法效率低，导致芯片面积大,成本高。
【发明内容】
[0006]本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种MEMS芯片的圆片级封装方法及其单片超小型MEMS芯片，该方法通过在硅穿孔层上蚀刻隔离沟和深度为I?5Mffl的上腔体，将硅穿孔层分为密封区、垂直电极和导电柱，从而不需要单独制作垂直电极，工艺流程简单，成本低，成品率高。
[0007]为解决上述技术问题，本发明提供了 MEMS芯片的圆片级封装方法，该方法通过在硅穿孔层上蚀刻隔离沟和深度为I?5 Mffl的上腔体，从而将部分硅穿孔层作为垂直电极，具体步骤为:
(I)硅穿孔圆片形成:
在第一圆片上通过涂胶、曝光、显影、蚀刻、去胶等半导体加工工艺，形成槽，槽的深度为50?250 Mm，槽的俯视图形为圆形或椭圆形等封闭图形；在槽中填入绝缘材料，如二氧化硅，其填充方法是玻璃浆料填充、烧结或化学气相淀积，然后利用反刻蚀工艺除去槽外的绝缘材料；利用普通的半导体加工工艺蚀刻出上腔体，上腔体深度为I?5 Mm，在刻蚀上腔体时，在中间留下一部分不刻蚀，形成键合块，这样就完成硅穿孔圆片的制作，所述第一圆片是重掺杂的硅圆片，电阻率在0.01 Ω.cm左右，是较好的导电材料。
[0008](2)第一键合圆片形成:
将硅穿孔圆片与第二圆片通过S1-Si键合工艺键合在一起，第二圆片的材料是重掺杂娃，再用化学机械抛光(CMP)的方法将第二圆片磨削到所需厚度，形成MEMS层；或将硅穿孔圆片与绝缘层隔离的重掺杂硅圆片通过键合工艺键合在一起，所述绝缘层隔离的重掺杂硅圆片是用绝缘层隔离硅衬底和重掺杂硅形成的圆片；然后剥离硅衬底和绝缘层，形成MEMS层；再通过普通半导体加工工艺，在MEMS层上蚀刻出MEMS结构，这样就制得第一键合圆片；由于硅穿孔圆片与MEMS层的材料都是重掺杂的硅，因此它们之间具有良好的电连接。
[0009](3)盖板圆片形成:
在第三圆片上制作密封材料层，密封材料层是绝缘体，如SiO2、低温玻璃或有机材料，也可以是导体，如金属、合金等，密封材料层的制作方法是热氧化、电镀、蒸发或溅射；然后将密封材料层图形化，其图形化方法是干法蚀刻、湿法蚀刻、掩模剥离法(lift-off)、掩模溅射法或它们几种方法的组合；图形化的密封材料层制作完成后，蚀刻出下腔体，从而完成盖板圆片的制作。
[0010]另一种方法是通过湿法或干法蚀刻工艺蚀刻第三圆片，形成下腔体，然后再在下腔体以外的部分用掩模剥离法(lift-off)、掩模溅射法或丝网印刷法制作密封材料层，从而完成盖板圆片的制作。
[0011]盖板圆片的作用是与硅穿孔圆片、MEMS层和密封材料层一起围成一个密封腔，保护MEMS结构不受外界环境的干扰。[0012](4)第二键合圆片形成:
将第一键合圆片与盖板圆片通过密封材料层键合在一起，由于密封材料层可以是绝缘材料也可以是导电材料，MEMS层与盖板圆片可以没有电连接，也可以有电连接；MEMS结构位于上腔体和下腔体组成的密封腔中；磨削硅穿孔圆片，露出填充有绝缘材料的槽，形成隔离沟，与此同时，露出硅穿孔圆片的其它部分，作为硅穿孔层，隔离沟将硅穿孔层分为三部分:两端主要起密封作用的密封区、能够感应MEMS结构在垂直方向的运动的垂直电极、通过键合块与MEMS结构进行电连接的导电柱，从而形成第二键合圆片。MEMS结构被密封在密封腔中，可自由运动，其电信号通过键合块和导电柱弓丨出密封腔。
[0013](5) MEMS 圆片形成:
在第二键合圆片上制作绝缘层，制作方法是化学气相淀积(CVD)、旋涂玻璃(SOG)或旋涂有机材料，如聚酰亚胺(PI)等；在绝缘层上开出通孔，淀积并图形化金属导线层，此时，通孔中也被填充入金属导线，这样，金属导线层通过通孔中沉积的金属导线分别与导电柱、垂直电极形成了电连接；所述金属导线层的淀积方法是化学气相淀积(CVD)、电镀、蒸发、溅射中的任何一种方法或它们几种方法的组合；所述金属导线层的图形化方法是干法蚀亥IJ、湿法蚀刻、掩模剥离法(lift-off)、掩模溅射法或它们几种方法的组合；然后在金属导线层和绝缘层上制作钝化层，用于保护金属导线层，所述钝化层的制作方法是化学气相淀积(CVD)、旋涂玻璃(S0G)、或旋涂有机材料，如聚酰亚胺(PI);在钝化层上淀积屏蔽金属层，再通过干法蚀刻的方法蚀刻屏蔽金属层和钝化层，开出压焊窗口 ；或者为了降低大面积屏蔽金属层的应力，在达到屏蔽外部环境电磁干扰的同时，避免其在随后的二次封装中可能发生的剥离问题，图形化屏蔽金属层，使其仅分布在垂直电极和导电柱的正上方，再通过干法蚀刻的方法蚀刻钝化层，开出压焊窗口，这样就形成MEMS圆片，所述屏蔽金属层的淀积方法是化学气相淀积(CVD )、电镀、蒸发、溅射中的任何一种方法或它们几种方法的组合。屏蔽金属层的作用是屏蔽外部环境对垂直电极的电磁干扰，在后续的二次封装中，屏蔽金属层通常接地，压焊窗口可用于后续封装时打金属线或生长倒装焊球用。
[0014](6)单片超小型MEMS芯片形成:
沿芯片外侧切割MEMS圆片，形成普通封装用的单片超小型MEMS芯片；或在压焊窗口上打金属焊块，在金属焊块上植金属焊球，再沿芯片外侧切割圆片，形成倒装焊用单片超小型MEMS芯片。
[0015]按照本发明提供的MEMS芯片的圆片级封装方法，MEMS结构的电信号通过硅穿孔层中的导电柱引出，硅穿孔层还被用作垂直电极感应MEMS结构在垂直方向的运动，所以无需在盖板腔体内特别制作垂直电极，简化了工艺流程。由于本发明的垂直电极的材料，也就是硅穿孔层的材料，是重掺杂的的硅，是较好的导电材料，所以垂直电极的信号直接由金属导线层引出，无需通过导电柱，缩小了 MEMS结构的面积。同时，硅穿孔层的三个部分:导电柱、垂直电极和密封区构成了相当于MEMS芯片的另一个盖板，为MEMS结构提供气密性封装保护。按照本发明提供的MEMS芯片的圆片级封装方法，垂直电极上方还制作有屏蔽金属层，屏蔽金属层与垂直电极间有绝缘层和钝化层电隔离，屏蔽金属层可以屏蔽外部环境的电磁信号对垂直电极所感应的MEMS结构运动信号的干扰。所以，本发明的MEMS芯片的圆片级封装方法，在保证MEMS芯片的性能与现有技术相同的情况下，可以将MEMS芯片的总面积做得更小，工艺流程更简单，成本更低，特别适用于消费级MEMS传感器的生产。[0016]本发明还提供了通过本方法制备的单片超小型MEMS芯片，由盖板、MEMS层和硅穿孔层键合而成，盖板、MEMS层和硅穿孔层的材料都为重掺杂的硅(Si)，其电阻率在0.01Ω.cm左右，是较好的导电材料；盖板上至少有一个开口向上的下腔体，硅穿孔层上至少有一个开口向下的上腔体，上腔体深度为I?5 Mm，上腔体、下腔体与MEMS层共同围成密封腔，MEMS结构位于密封腔内，为MEMS结构提供一个自由活动的密闭空间；盖板与MEMS层间有键合材料层，键合材料层可以是绝缘材料，如SiO2、低温玻璃、有机材料，也可以是导电材料，如金属、合金等，盖板与MEMS层之间可以有电连接，也可以没有电连接；
所述硅穿孔层上刻蚀有隔离沟，隔离沟内填充绝缘材料，如二氧化硅，隔离沟将硅穿孔层分为密封区、垂直电极和导电柱，隔离沟包围导电柱，隔离沟将导电柱与硅穿孔层其他部分电隔离，由于上腔体深度较浅，垂直电极可以用来感应MEMS结构在垂直方向的运动，密封区与隔离沟、导电柱、垂直电极共同组成一个完整的气密性保护层,MEMS结构至少通过一个键合块与导电柱电连接，从而将MEMS结构的信号引出；
硅穿孔层外表面至少有一层绝缘层，绝缘层上开有通孔，绝缘层上至少有一层图形化的金属导线层，金属导线层通过绝缘层上的通孔与导电柱和垂直电极电连接，这样，MEMS结构的电信号就可通过键合块和导电柱输出到硅穿孔层外表面的金属导线层上；
所述绝缘层上至少有一层钝化层保护，钝化层材料为绝缘材料，金属导线层包裹在钝化层中，钝化层上至少有一个压焊窗口 ；
钝化层上至少有一层屏蔽金属层，用于屏蔽外部环境的电磁信号对垂直电极的干扰。
[0017]本发明的单片超小型MEMS芯片需要通过二次封装连接专用的集成电路芯片(ASIC)，ASIC用于处理MEMS结构的信号，反向向MEMS结构输入电信号控制、读出或调节MEMS结构。在二次封装时通过在MEMS芯片上的压焊窗口打金属线或植倒装焊球就可将MEMS结构的电信号输出到ASIC上。屏蔽金属层在二次封装时一般用于接地。
[0018]本发明的单片超小型MEMS芯片，MEMS结构的电信号通过硅穿孔层中的导电柱引出，部分硅穿孔层还被用作垂直电极感应MEMS结构在垂直方向的运动，所以无需在密封腔内特别制作垂直电极，简化了工艺流程。由于本发明的垂直电极的材料，也就是硅穿孔层的材料，是重掺杂的的硅，是较好的导电材料，所以垂直电极的信号直接由金属导线引出，无需通过导电柱，缩小了 MEMS结构的面积。同时，硅穿孔层的三个部分:导电柱、垂直电极、密封区，这三部分相当于超小型MEMS芯片的另一个盖板，为MEMS结构提供气密性封装保护，节约了 MEMS芯片的总面积。通常MEMS结构的初始信号非常微弱，所以需要ASIC芯片将MEMS结构的信号放大。本发明的单片超小型MEMS芯片，垂直电极表面有屏蔽金属层，屏蔽金属层与垂直电极间有绝缘层和钝化层电隔离。屏蔽金属层可以屏蔽外部环境的电磁信号对垂直电极所感应的MEMS结构运动信号的干扰。所以，本发明的单片超小型MEMS芯片，可以将MEMS芯片的总面积做得更小，工艺流程更简单，成本更低，特别适用于消费级MEMS传感器的生产。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1是现有圆片级封装的MEMS芯片的示意图。
[0020]图2是本方法步骤(I)在硅穿孔圆片上蚀刻出槽的示意图。
[0021]图3是本方法步骤(I)制得的硅穿孔圆片的示意图。[0022]图4是本方法步骤(2)制得的第一键合圆片的示意图。
[0023]图5是本方法步骤(3)制得的盖板圆片的示意图。
[0024]图6是本方法步骤(4)制得的第二键合圆片的示意图。
[0025]图7是本方法步骤(5)在第二键合圆片上形成金属导线层的示意图。
[0026]图8是本发明实施例一制得的单片超小型MEMS芯片的结构示意图。
[0027]图9是本发明实施例二制得的单片超小型MEMS芯片的结构示意图。
【具体实施方式】
[0028]下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
[0029]实施例一
(I)硅穿孔圆片形成:
第一圆片21的材料是重掺杂的单晶硅，电阻率在0.01 Ω.cm左右，是较好的导电材料。如图2所示，在第一圆片21上通过涂胶、曝光、显影、蚀刻、去胶等半导体加工工艺，形成槽211'，槽211'的深度为50 Mm，槽211'的截面图形为圆形；
用化学气相淀积方法在槽211,中填充绝缘材料二氧化硅，然后反刻蚀除去槽211,外的绝缘材料，这样，只有槽211'中有绝缘材料，如图3所示；然后在上面通过普通的半导体加工工艺，蚀刻出上腔体209a，上腔体209a的深度为I Mm ;在刻蚀上腔体209a时，在中间留下一部分不刻蚀，形成键合块210，这样就形成硅穿孔圆片22。
[0030](2)第一键合圆片形成:
将硅穿孔圆片22与第二圆片通过S1-Si键合工艺键合在一起，第二圆片的材料是重掺杂硅，再用化学机械抛光(CMP)的方法将第二圆片研磨到所需厚度，形成MEMS层203 ;通过普通半导体加工方法图形化MEMS层203，形成MEMS结构203a，这样就制得第一键合圆片23，如图4所示，由于硅穿孔圆片22与MEMS层203的材料都是重掺杂的硅，因此它们之间具有良好的电连接。
[0031](3)盖板圆片形成:
用电镀方式在第三圆片上制作密封材料层202，密封材料层202是绝缘体，然后干法掩模蚀刻将密封材料层202图形化，图形化的密封材料层202制作完成后，蚀刻出下腔体209b，从而完成盖板圆片24的制作，如图5所示。盖板圆片24的作用是与硅穿孔圆片22、MEMS层203和密封材料层202 —起围成一个密封腔209，保护MEMS结构203a不受外界环境的干扰。
[0032](4)第二键合圆片形成:
将第一键合圆片23与盖板圆片24通过密封材料层202键合在一起，由于密封材料层是绝缘材料，MEMS层203与盖板圆片24没有电连接；MEMS结构203a位于上腔体209a和下腔体209b组成的密封腔209中，形成一个芯片；研磨硅穿孔圆片22，露出填充有绝缘材料的槽211'，形成隔离沟211，与此同时，露出硅穿孔圆片22的其它部分，作为硅穿孔层204，隔离沟211将硅穿孔层204分为三部分:两端主要起密封作用的密封区204a，能够感应MEMS结构203a在垂直方向的运动的垂直电极204b，通过键合块210与MEMS结构203a进行电连接的导电柱204c，从而形成第二键合圆片25，如图6所示，MEMS结构203a被密封在密封腔209中，可自由运动，其电信号通过键合块210和导电柱204c引出密封腔209。[0033](5) MEMS 圆片形成:
在第二键合圆片25上用化学气相淀积(CVD)法制作绝缘层205，在绝缘层205上开出通孔205a，淀积并图形化金属导线层206，此时，通孔205a中也被填充入金属导线，如图7所示，这样，金属导线层206通过通孔205a中沉积的金属导线分别与导电柱204c、垂直电极204b形成了电连接。所述金属导线层206的淀积方法是溅射，所述金属导线层206的图形化方法是干法掩模蚀刻；然后在金属导线层206和绝缘层205上制作钝化层207，用于保护金属导线层206。所述钝化层207的制作方法是旋涂有机材料聚酰亚胺(PI);在钝化层207上淀积屏蔽金属层208，再通过干法蚀刻的方法蚀刻屏蔽金属层208和钝化层207，开出压焊窗口 207a，形成MEMS圆片，所述屏蔽金属层208的淀积方法是电镀，屏蔽金属层208的作用是屏蔽外部环境对垂直电极204b的电磁干扰，在后续的二次封装中，屏蔽金属层208通常接地，压焊窗口 207a可用于后续封装时打金属线或生长倒装焊球用。
[0034](6)单片超小型MEMS芯片形成:
沿芯片与芯片间的划片切割加工好的MEMS圆片，形成普通封装用的单片超小型MEMS芯片，如图8所示。
[0035]本实施例制得的单片超小型MEMS芯片，如图8所示，由盖板201、MEMS层203和硅穿孔层204组成，盖板201、MEMS层203和硅穿孔层204的材料都为重掺杂的硅(Si)，其电阻率在0.01 Ω.cm左右，是较好的导电材料。硅穿孔层204与MEMS层203通过S1-Si键合工艺键合在一起，它们之间有良好的电连接和机械连接，盖板201与MEMS层203间通过键合材料层202键合在一起，键合材料层202是绝缘材料，盖板201与MEMS层203之间没有电连接。盖板201上有一个开口向上的下腔体209b，硅穿孔层204上有一个开口向下的上腔体209a，上腔体209a的深度为I Mm，上腔体209a、下腔体209b与MEMS层203共同围成密封腔209，MEMS结构203a位于密封腔209内，为MEMS结构203a提供一个自由活动的密闭空间。
[0036]所述硅穿孔层204上刻蚀有隔离沟211，隔离沟211的深度为50 Mm,隔离沟211的截面图形为圆形，隔离沟211内填充绝缘材料，隔离沟211将硅穿孔层204分为密封区204a、垂直电极204b和导电柱204c，MEMS结构203a通过键合块210与导电柱204c电连接。
[0037]硅穿孔层204外表面有一层绝缘层205，绝缘层205上开有通孔205a，绝缘层205上有一层图形化的金属导线层206，金属导线层206通过在绝缘层205上的通孔205内沉积的金属导线与导电柱204c和垂直电极204b电连接。
[0038]绝缘层205上至少有一层钝化层207，钝化层207材料是聚酰亚胺，金属导线层206包裹在钝化层207中，两端各有一个压焊窗口 207a，从压焊窗口 207a中露出部分金属导线层206.钝化层207上有一层屏蔽金属层208,用于屏蔽外部环境的电磁信号对垂直电极204b所感应的MEMS结构203a运动信号的干扰，屏蔽金属层208覆盖在钝化层207上，并通过压焊窗口 207a露出金属导线层206。
[0039]MEMS结构203a的信号通过键合块210、导电柱204c、通孔205a中的金属导线、金属导线层206和压焊窗口 207a引出；垂直电极204b感应到的MEMS结构203a在垂直方向的运动信号通过通孔205a中的金属导线、金属导线层206和压焊窗口 207a引出。[0040]实施例二
(I)硅穿孔圆片形成:
第一圆片21的材料是重掺杂的单晶硅，电阻率在0.01 Ω.Cm左右，是较好的导电材料。如图2所示，在第一圆片21上通过涂胶、曝光、显影、蚀刻、去胶等半导体加工工艺，形成槽211'，槽211'的深度为250 Mm，槽211'的截面图形为椭圆形；
用玻璃浆料填充方式在槽211,中淀积绝缘材料二氧化硅，然后除去槽211,外的绝缘材料，加温烧结，这样，就只有槽211'中有绝缘材料，如图3所示；然后在上面通过普通的半导体加工工艺，蚀刻出上腔体209a，上腔体209a的深度为5 Mm ;在刻蚀上腔体209a时，在中间留下一部分不刻蚀，形成键合块210，这样就形成硅穿孔圆片22。
[0041](2)第一键合圆片形成:
将硅穿孔圆片22与第二圆片通过键合工艺键合在一起，第二圆片是绝缘层隔离的重掺杂娃圆片(SOI, Silicon on Isolator),所述绝缘层隔离的重掺杂娃圆片是用绝缘层隔离硅衬底和重掺杂硅形成的圆片；然后剥离硅衬底和绝缘层，形成MEMS层203 ;通过普通半导体加工方法图形化MEMS层203，形成MEMS结构203a，这样就第一键合圆片23，如图4所示，由于硅穿孔圆片22与MEMS层203的材料都是重掺杂的硅，因此它们之间具有良好的电连接。
[0042](3)盖板圆片形成:
通过湿法或干法蚀刻工艺蚀第三圆片，形成下腔体20%，然后再在下腔体20%以外的部分用掩模剥离法(lift-off)制作密封材料层202，从而完成盖板圆片24的制作，如图5所示。盖板圆片24的作用是与硅穿孔圆片22、MEMS层203和密封材料层202 —起围成一个密封腔209，保护MEMS结构203a不受外`界环境的干扰。
[0043](4)第二键合圆片形成:
将第一键合圆片23与盖板圆片24通过密封材料层202键合在一起，由于密封材料层是导电材料，MEMS层203与盖板圆片24有电连接；MEMS结构203a位于上腔体209a和下腔体209b组成的密封腔209中，形成一个芯片；研磨硅穿孔圆片22，露出填充有绝缘材料的槽211'，形成隔离沟211，与此同时，露出硅穿孔圆片22的其它部分，作为硅穿孔层204，隔离沟211将硅穿孔层204分为三部分，两端主要起密封作用的密封区204a，能够感应MEMS结构203a在垂直方向的运动的垂直电极204b，通过键合块210与MEMS结构203a形成电连接的导电柱204c，从而形成第二键合圆片25，如图6所示，MEMS结构203a被密封在密封腔209中，可自由运动，其电信号通过键合块210和导电柱204c引出密封腔209。
[0044](5) MEMS 圆片形成:
在键合圆片25上制作绝缘层205，制作方法是化学气相淀积(CVD) 二氧化硅，在绝缘层205上开出通孔205a，淀积并图形化金属导线层206，此时，通孔205a中也被填充入金属导线，如图7所示，这样，金属导线层206通过通孔205a中沉积的金属导线分别与导电柱204c、垂直电极204b形成了电连接。所述金属导线层206的淀积方法可以是蒸发，所述金属导线层206的图形化方法可以是掩模溅射法；最后，在金属导线层206和绝缘层205上制作钝化层207，用于保护金属导线层206。所述钝化层207的制作方法可以是旋涂玻璃(S0G)，在钝化层207上淀积屏蔽金属层208，然后图形化屏蔽金属层208，使其仅分布在垂直电极204b和导电柱204c的正上方，再通过干法蚀刻的方法蚀刻屏蔽钝化层207，开出压焊窗口207a，这样，就制得了 MEMS圆片，所述屏蔽金属层208的淀积方法是化学气相淀积(CVD)。图形化屏蔽金属层208的作用是降低大面积屏蔽金属层208的应力，在达到屏蔽外部环境电磁干扰的同时，避免其在随后的二次封装中可能发生的剥离问题，以及降低应力对MEMS器件性能，特别是温度特性的影响。在后续的二次封装中，屏蔽金属层208通常接地，压焊窗口 207a可用于后续封装时打金属线或生长倒装焊球用。
[0045](6)单片超小型MEMS芯片形成:
沿芯片与芯片间的划片切割加工好的MEMS圆片，形成普通封装用的单片超小型MEMS芯片，如图8所示。
[0046]本实施例制得的单片超小型MEMS芯片，如图9所示，由盖板201、MEMS层203和硅穿孔层204组成，盖板201、MEMS层203和硅穿孔层204的材料都为重掺杂的硅(Si)，其电阻率在0.01 Ω.cm左右，是较好的导电材料。硅穿孔层204与MEMS层203通过S1-Si键合工艺键合在一起，它们之间有良好的电连接和机械连接，盖板201与MEMS层203间通过键合材料层202键合在一起，键合材料层202是导电材料，盖板201与MEMS层203之间有电连接。盖板201上有一个开口向上的下腔体209b，硅穿孔层204上有一个开口向下的上腔体209a，上腔体209a的深度为5 Mm,上腔体209a、下腔体209b与MEMS层203共同围成密封腔209，MEMS结构203a位于密封腔209内，为MEMS结构203a提供一个自由活动的密闭空间。
[0047]所述硅穿孔层204上刻蚀有隔离沟211，隔离沟211的深度为250Mm，隔离沟211的截面图形为椭圆形，隔离沟211内填充绝缘材料，隔离沟211将硅穿孔层204分为密封区204a、垂直电极204b和导电柱204c，MEMS结构203a通过键合块210与导电柱204c电连接。
[0048]硅穿孔层204外表面有一层绝缘层205，绝缘层205上开有通孔205a，绝缘层205上有一层图形化的金属导线层206，金属导线层206通过在绝缘层205上的通孔205内沉积的金属导线与导电柱204c和垂直电极204b电连接。
[0049]绝缘层205上至少有一层钝化层207，钝化层207的材料是SiO2,金属导线层206包裹在钝化层207中，钝化层207两端各有一个压焊窗口 207a，从压焊窗口 207a中露出部分金属导线层206.钝化层207上有一层屏蔽金属层208，为了减小后续封装的封装应力，屏蔽金属层208覆盖在钝化层207上，其图形分布在垂直电极204b和导电柱204c正上方，并通过压焊窗口207a露出金属导线层206。
[0050]MEMS结构203a的信号通过键合块210、导电柱204c、通孔205a中的金属导线、金属导线层206和压焊窗口 207a引出；垂直电极204b感应到的MEMS结构203a在垂直方向的运动信号通过通孔205a中的金属导线、金属导线层206和压焊窗口 207a引出。
【权利要求】
1.MEMS芯片圆片级封装方法，步骤为: (1)硅穿孔圆片形成:在第一圆片上蚀刻出槽，槽中填入绝缘材料；在第一圆片上蚀刻出上腔体，上腔体深度为I~5 Mm，制得硅穿孔圆片； (2)第一键合圆片形成:将硅穿孔圆片与第二圆片键合在一起，磨削第二圆片形成MEMS层，并在MEMS层上蚀刻出MEMS结构，形成第一键合圆片； (3)盖板圆片形 成:在第三圆片上蚀刻出下腔体，并在第三圆片上制作密封材料层，形成盖板圆片； (4)第二键合圆片形成:将制得的第一键合圆片与盖板圆片通过密封材料层键合在一起，MEMS结构位于上腔体与下腔体围成的密封腔内；磨削硅穿孔圆片，露出槽，形成隔离沟，隔离沟将硅穿孔层分为密封区、垂直电极和导电柱，MEMS结构通过键合块与导电柱电连接，从而形成第二键合圆片； (5)MEMS圆片形成:在第二键合圆片上淀积绝缘层，绝缘层上蚀刻出通孔，在绝缘层上淀积并图形化金属导线层，同时，通孔中也淀积有金属导线；然后在金属导线层上淀积绝缘材料作为钝化层，在钝化层上淀积金属层作为屏蔽金属层，蚀刻屏蔽金属层和钝化层形成压焊窗口，形成MEMS圆片； (6)单片超小型MEMS芯片形成:切割MEMS圆片，形成单片超小型MEMS芯片。
2.根据权利要求1所述的MEMS芯片圆片级封装方法，其特征在于:步骤(1)所述第一圆片是重掺杂娃圆片。
3.根据权利要求1或2所述的MEMS芯片圆片级封装方法，其特征在于:步骤(2)所述第二圆片是重掺杂硅圆片。
4.根据权利要求3所述的MEMS芯片圆片级封装方法，其特征在于:步骤(3)所述第三圆片是重掺杂娃圆片。
5.根据权利要求1所述的MEMS芯片圆片级封装方法，其特征在于:步骤(3)所述密封材料层是SiO2、低温玻璃或有机绝缘材料。
6.根据权利要求1所述的MEMS芯片圆片级封装方法，其特征在于:步骤(3)所述密封材料层是导电金属或合金。
7.根据权利要求1所述的MEMS芯片圆片级封装方法，其特征在于:步骤(5)还可以图形化屏蔽金属层，使屏蔽金属层分布在导电柱和垂直电极正上方。
8.单片超小型MEMS芯片，由盖板、MEMS层和硅穿孔层键合而成，盖板上至少有一个开口向上的下腔体，硅穿孔层上至少有一个开口向下的上腔体，上腔体、下腔体与MEMS层共同围成密封腔，MEMS结构位于密封腔内，盖板与MEMS层间有键合材料层，其特征在于: 所述上腔体的深度为I~5 Mm ; 所述硅穿孔层上刻蚀有隔离沟，隔离沟内填充绝缘材料，隔离沟将硅穿孔层分为密封区、垂直电极和导电柱,MEMS结构通过键合块与导电柱电连接； 硅穿孔层外表面至少有一层绝缘层，绝缘层上开有通孔，绝缘层上至少有一层图形化的金属导线层，金属导线层通过绝缘层上的通孔与导电柱和垂直电极电连接； 所述绝缘层上至少有一层钝化层，金属导线层包裹在钝化层中，钝化层上至少有一个压焊窗口 ； 钝化层上至少有一层屏蔽金属层。
9.根据权利要求8所述的单片超小型MEMS芯片，其特征在于:所述屏蔽金属层覆盖整个钝化层。
10.根据权利要求8所述的单片超小型MEMS芯片，其特征在于:所述屏蔽金属层位于垂直电极和导 电柱正上方。
【文档编号】B81C3/00GK103552980SQ201310571241
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年11月15日 优先权日:2013年11月15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