MEMS组件及其制造方法与流程

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本发明涉及微电子领域，更具体地，涉及MEMS组件及其制造方法。

背景技术：

MEMS组件是在微电子技术基础上发展起来的采用微加工工艺制作的微电子机械器件，已经广泛地用作传感器和执行器。例如，MEMS组件可以是加速度计、陀螺仪、硅电容麦克风。

MEMS惯性传感器是利用质量块的惯性力测量物理量的传感器，包括质量块(传感元件)和检测电路。根据传感原理不同，主要有压阻式、电容式、压电式、隧道电流式、谐振式、热电耦合式和电磁式等结构。MEMS惯性传感器可以用于构成低成本的INS/GPS组合导航系统，在众多的民用和军用领域具有广阔的应用前景。

MEMS惯性传感器例如包括组装在一起的传感器芯片和电路芯片，从而形成MEMS组件。其中，在传感器芯片中形成机械结构。在电路芯片中形成保护腔，用于保护机械结构，以及形成检测电路。

在MEME组件的制造方法中，先制造传感器芯片，然后通过芯片键合技术，把传感器芯片和电路芯片键合在一起，形成MEMS组件。传感器芯片的机械结构密封在电路芯片的保护腔中，并且暴露焊盘用于外部电连接。

该制造方法的基础技术主要包括晶片刻蚀技术、电路芯片和传感器芯片键合技术等。在芯片切割步骤中，堆叠的MEMS组件的切割是一个技术难点，在划片操作时，既要暴露传感器芯片的焊盘用于引线焊接，又要避免划片损伤传感器芯片。

因此，期望进一步改进MEMS组件的结构以便于划片操作，从而提高MEMS组件的良率和可靠性。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是提供MEMS组件及其制造方法，其中，将传感器芯片和电路芯片键合形成MEMS组件，然后采用两次不同深度的划片暴露传感器芯片的焊盘和切割MEMS组件，从而提高良率和可靠性。

根据本发明的一方面，提供一种制造MEMS组件的方法，包括：在传感器芯片上形成凹槽；在器件芯片上形成焊盘；将所述传感器芯片与所述器件芯片键合，以形成键合组件；在所述传感器芯片的第一位置执行第一划片，以穿透所述传感器芯片到达所述凹槽；以及在所述传感器芯片的第二位置执行第二划片，以穿透所述传感器芯片和所述器件芯片，将所述键合组件分离成单个MEMS组件，其中，所述凹槽与所述焊盘的位置相对应，并且在所述第二划片的同时，在所述传感器芯片中形成开口，以暴露所述焊盘。

优选地，所述凹槽的横向尺寸大于所述焊盘的横向尺寸。

优选地，所述焊盘包括彼此相对的第一边缘和第二边缘，所述凹槽的边缘距离所述第一边缘和所述第二边缘大于等于20微米。

优选地，所述第一划片的第一位置距离所述第一边缘的垂直距离大于等于20微米，所述第二划片的第二位置距离所述第二边缘的垂直距离大于等于20微米。

优选地，所述凹槽的深度为50微米至100微米。

优选地，在所述第一划片之前，还包括对所述传感器芯片的第一衬底和所述器件芯片的第二衬底至少之一进行减薄，使得所述键合组件的厚度之和为400微米至500微米。

优选地，所述传感器芯片还包括传感器，所述键合步骤形成用于容纳所述传感器的封闭空腔。

优选地，所述键合包括硅-玻璃静电键合、硅-硅直接键合、金属热压键合或和金属焊料键合中的任意一种。

优选地，所述键合为铝锗共晶键合。

优选地，所述第一划片和所述第二划片包括采用划片刀进行机械划片，或者采用激光束进行激光划片。

优选地，在所述第二划片的步骤之后，还包括，在所述焊盘上焊接引线，所述焊盘与所述开口的侧壁邻接。

根据本发明的另一方面，提供一种MEMS组件，包括：传感器芯片，包括位于其第一表面上的第一键合层，以及穿透所述传感器芯片的开口；以及器件芯片，包括位于其第一表面上的第二键合层和焊盘，其中，所述第一键合层与所述第二键合层彼此接触且键合，所述开口暴露所述焊盘。

优选地，所述凹槽的横向尺寸大于所述焊盘的横向尺寸。

优选地，所述焊盘包括彼此相对的第一边缘和第二边缘，所述凹槽的边缘距离所述第一边缘和所述第二边缘大于等于20微米。

优选地，所述凹槽的深度为50微米至100微米。

优选地，所述MEMS组件的厚度之和为400微米至500微米。

优选地，所述传感器芯片还包括传感器，所述传感器位于所述第一键合层和所述第二键合层围绕的封闭空腔中。

优选地，所述第一键合层和所述第二键合层分别由选自硅、玻璃、金属、合金的任意一种组成。

优选地，所述的MEMS组件，还包括：在所述焊盘上焊接的引线，所述焊盘与所述开口的侧壁邻接。

优选地，所述MEMS组件为选自加速度计、陀螺仪、硅电容麦克风中的任意一种。

根据本发明实施例的方法，在传感器芯片上形成凹槽，以及在传感器芯片和电路芯片键合后，经由凹槽进行两次不同深度的划片，从而在划片分离获得MEMS组件的同时，在焊盘上方形成开口。该开口使得电路芯片的焊盘外露，又便于后续的引线焊接工艺，提高了器件的可靠性，本方法是一种新颖的制造方法，从而提高良率和可靠性。

优选地，在键合之后，对传感器芯片和电路芯片形成的键合组件进行双面减薄，以提高划片分离的效率，从而降低制造成本，可实现低成本和大规模生产的要求。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1至5分别示出根据本发明实施例的MEMS组件制造方法在各个阶段的截面图。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，可能未示出某些公知的部分。

在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。

本发明可以各种形式呈现，以下将描述其中一些示例。

图1至5分别示出根据本发明实施例的MEMS组件制造方法在各个阶段的截面图。

该方法开始于传感器芯片110，如图1所示。传感器芯片110包括衬底101、键合层102、凹槽103、传感器104。

衬底101例如是<100>晶向的单晶硅衬底，电阻率例如为5至10欧姆厘米。

传感器104形成在衬底101的第一表面上，例如包括由悬壁支撑的活动电极(即，质量块)，以及与活动电极相对设置的固定电极。在该活动电极产生位移时，改变与固定电极之间的重叠面积或间距，从而可以根据检测到的电容信号就可以实现对加速度的检测。尽管未示出，然而在衬底101中还可以形成布线，以提供活动电极、固定电极与键合焊盘之间的电连接。

键合层102形成于衬底101的第一表面上，用于传感器芯片与电路芯片之间的机械连接。例如，键合层由选自硅、玻璃、金属、合金的任意一种组成，从而实现硅-玻璃静电键合、硅-硅直接键合、金属热压键合或和金属焊料键合中的任意一种。例如，采用铝锗合金可以实现共晶键合，键合层102例如是由铝组成的单层，或者由铝和锗组成的叠层。优选地，键合层102图案化成多个键合焊盘，从而在提供机械固定的同时实现电连接。

凹槽103例如是采用蚀刻工艺在衬底101的第一表面中形成的开口。采用光刻方法,在衬底的表面形成具有开口的抗蚀剂掩模。在蚀刻期间，蚀刻剂经由开口去除衬底101的暴露部分。通过控制蚀刻时间可以获得预定的蚀刻深度。在形成凹槽103之后，采用溶剂溶解或灰化的方法去除抗蚀剂掩模。在该实施例中，凹槽103的横向尺寸与电路芯片的焊盘的尺寸相对应，深度大约为50微米至100微米。

然后，将传感器芯片110与电路芯片210各自的第一表面彼此相对且键合，如图2所示。电路芯片210包括衬底201、键合层202、焊盘203。

衬底201例如是<100>晶向的单晶硅衬底，电阻率例如为5至10欧姆厘米。尽管未示出，然而在衬底201上可以形成多个晶体管，以构成检测电路。进一步地，多个晶体管与键合层202和焊盘203相连接，从而经由所述键合层202和/或焊盘203与传感器芯片110中的传感器104电连接，以及经由焊盘203与外部电路电连接。

键合层202形成于衬底201的第一表面上，用于传感器芯片与电路芯片之间的机械连接。例如，键合层由选自硅、玻璃、金属、合金的任意一种组成，从而实现硅-玻璃静电键合、硅-硅直接键合、金属热压键合或和金属焊料键合中的任意一种。例如，键合层202例如是由铝组成的单层，或者由铝和锗组成的叠层。优选地，键合层202图案化成多个键合焊盘，从而在提供机械固定的同时实现电连接。

在该实施例中，采用铝锗合金实现共晶键合，从而将传感器芯片110和电路芯片210彼此键合。该共晶键合工艺可以兼容现有的CMOS工艺。在共晶键合工艺中，传感器芯片110的键合层102与电路芯片210的键合层202彼此接触，从而限定用于容纳传感器104的空腔301，以及用于容纳焊盘203的空腔302。优选地，空腔301为封闭空腔，从而避免传感器104受到外界环境的影响导致工作稳定性变差。

然后，将传感器芯片110的衬底101与电路芯片210的衬底201分别减薄，如图3所示。例如，对衬底101的第二表面和衬底201的第二表面进行研磨，所述第二表面与第一表面彼此相对。经过减薄后，传感器芯片110与电路芯片210的键合组件的厚度之和约为400微米至500微米。

在传感器芯片110的第二表面上的第一位置401进行划片。

该第一位置401距离电路芯片210的焊盘203的第一边缘的垂直距离大于等于20微米，并且位于凹槽302的边缘之内。划片深度到达所述凹槽302中，并且比传感器芯片110的衬底101的厚度小50微米至100微米，从而未到达电路芯片210的第一表面。

在该划片步骤中，可以采用划片刀进行机械划片，或者采用激光束进行激光划片。

然后，在传感器芯片110的第二表面上的第二位置402进行划片，如图4所示。

该第二位置402距离电路芯片210的焊盘203的第二边缘垂直距离大于等于20微米，并且位于凹槽302的边缘之内。焊盘203的第一边缘和第二边缘彼此相对。划片深度大于传感器芯片110的衬底101和电路芯片210的厚度之和，从而彻底穿透键合组件。

在该划片步骤中，可以采用划片刀进行机械划片，或者采用激光束进行激光划片。

在该划片步骤中，传感器芯片110的衬底101位于第一位置401和第二位置402之间的部分也同时去除，从而完全暴露焊盘203。

在随后的引线焊接步骤中，可以将引线直接连接至焊盘203上。传感器芯片100的衬底101提供了邻接焊盘203的侧壁，便于焊盘对准并且避免引线与传感器芯片110的边缘发生接触，从而提高良率和可靠性。

在该划片步骤之后，键合组件沿着划片位置402分离成单个的MEMS组件100。

MEMS组件100包括传感器芯片110和电路芯片210。传感器芯片101包括衬底101、键合层102、传感器104。电路芯片210包括衬底201、键合层202、焊盘203。

衬底101和201例如是<100>晶向的单晶硅衬底，电阻率例如为5至10欧姆厘米。

键合层102和202分别形成于衬底101和201的第一表面上，用于传感器芯片与电路芯片之间的机械连接。例如，键合层由选自硅、玻璃、金属、合金的任意一种组成，从而实现硅-玻璃静电键合、硅-硅直接键合、金属热压键合或和金属焊料键合中的任意一种。例如，采用铝锗合金可以实现共晶键合，键合层102和202例如是由铝组成的单层，或者由铝和锗组成的叠层。优选地，键合层102和202图案化成多个键合焊盘，从而在提供机械固定的同时实现电连接。

在该实施例中，采用铝锗合金实现共晶键合，从而将传感器芯片110和电路芯片210彼此键合。该共晶键合工艺可以兼容现有的CMOS工艺。在共晶键合工艺中，传感器芯片110的键合层102与电路芯片210的键合层202彼此接触，从而限定用于容纳传感器104的空腔301。优选地，空腔301为封闭空腔，从而避免传感器104受到外界环境的影响导致工作稳定性变差。传感器芯片110的衬底101在焊盘203的上方形成开口，从而暴露焊盘203用于引线焊接。

传感器芯片100的衬底101提供了邻接焊盘203的侧壁，便于焊盘对准并且避免引线与传感器芯片110的边缘发生接触，从而提高良率和可靠性。

应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

技术特征：

1.一种制造MEMS组件的方法，包括：

在传感器芯片上形成凹槽；

在器件芯片上形成焊盘；

将所述传感器芯片与所述器件芯片键合，以形成键合组件；

在所述传感器芯片的第一位置执行第一划片，以穿透所述传感器芯片到达所述凹槽；以及

在所述传感器芯片的第二位置执行第二划片，以穿透所述传感器芯片和所述器件芯片，将所述键合组件分离成单个MEMS组件，

其中，所述凹槽与所述焊盘的位置相对应，并且在所述第二划片的同时，在所述传感器芯片中形成开口，以暴露所述焊盘。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述凹槽的横向尺寸大于所述焊盘的横向尺寸。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述焊盘包括彼此相对的第一边缘和第二边缘，所述凹槽的边缘距离所述第一边缘和所述第二边缘大于等于20微米。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述第一划片的第一位置距离所述第一边缘的垂直距离大于等于20微米，所述第二划片的第二位置距离所述第二边缘的垂直距离大于等于20微米。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述凹槽的深度为50微米至100微米。

6.根据权利要求1所述的方法，在所述第一划片之前，还包括对所述传感器芯片的第一衬底和所述器件芯片的第二衬底至少之一进行减薄，使得所述键合组件的厚度之和为400微米至500微米。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述传感器芯片还包括传感器，所述键合步骤形成用于容纳所述传感器的封闭空腔。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述键合包括硅-玻璃静电键合、硅-硅直接键合、金属热压键合或和金属焊料键合中的任意一种。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述键合为铝锗共晶键合。

10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一划片和所述第二划片包括采用划片刀进行机械划片，或者采用激光束进行激光划片。

11.根据权利要求1所述的方法，在所述第二划片的步骤之后，还包括，在所述焊盘上焊接引线，所述焊盘与所述开口的侧壁邻接。

12.一种MEMS组件，包括：

传感器芯片，包括位于其第一表面上的第一键合层，以及穿透所述传感器芯片的开口；以及

器件芯片，包括位于其第一表面上的第二键合层和焊盘，

其中，所述第一键合层与所述第二键合层彼此接触且键合，所述开口暴露所述焊盘。

13.根据权利要求12所述的MEMS组件，其中，所述凹槽的横向尺寸大于所述焊盘的横向尺寸。

14.根据权利要求13所述的MEMS组件，其中，所述焊盘包括彼此相对的第一边缘和第二边缘，所述凹槽的边缘距离所述第一边缘和所述第二边缘大于等于20微米。

15.根据权利要求14所述的MEMS组件，其中，所述第一划片的第一位置距离所述第一边缘的垂直距离大于等于20微米，所述第二划片的第二位置距离所述第二边缘的垂直距离大于等于20微米。

16.根据权利要求13所述的MEMS组件，其中，所述凹槽的深度为50微米至100微米。

17.根据权利要求13所述的MEMS组件，其中，所述MEMS组件的厚度之和为400微米至500微米。

18.根据权利要求13所述的MEMS组件，其中，所述传感器芯片还包括传感器，所述传感器位于所述第一键合层和所述第二键合层围绕的封闭空腔中。

19.根据权利要求13所述的MEMS组件，其中，所述第一键合层和所述第二键合层分别由选自硅、玻璃、金属、合金的任意一种组成。

20.根据权利要求13所述的MEMS组件，还包括：在所述焊盘上焊接的引线，所述焊盘与所述开口的侧壁邻接。

21.根据权利要求20所述的MEMS组件，其中，所述MEMS组件为选自加速度计、陀螺仪、硅电容麦克风中的任意一种。

技术总结

本申请公开了MEMS组件及其制造方法。所述方法包括：在传感器芯片上形成凹槽；在器件芯片上形成焊盘；将所述传感器芯片与所述器件芯片键合，以形成键合组件；在所述传感器芯片的第一位置执行第一划片，以穿透所述传感器芯片到达所述凹槽；以及在所述传感器芯片的第二位置执行第二划片，以穿透所述传感器芯片和所述器件芯片，将所述键合组件分离成单个MEMS组件，其中，所述凹槽与所述焊盘的位置相对应，并且在所述第二划片的同时，在所述传感器芯片中形成开口，以暴露所述焊盘。该方法采用两次不同深度的划片暴露传感器芯片的焊盘和切割MEMS组件，从而提高良率和可靠性。