一种多MEMS传感器的单芯片加工方法

摘要

一种多MEMS传感器的单芯片加工方法，首先在第一衬底的背面加工第二处理电路模块与第二传感结构模块所需的腔体、键合区，在正面制作第一传感结构模块、金属焊盘和通孔；然后在第二衬底圆片的正面制作第二处理电路模块、第二传感结构模块、金属焊盘和键合区，在背面加工腔体；最后将集成了第一传感结构模块的第一衬底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在真空环境中进行硅-金属-硅键合形成键合片，按照划片道进行划片，形成多个片上微系统单芯片。本发明方法采用了双衬底方式，对传感器种类和电路种类几乎没有限制，集成度高，并且工艺兼容性强，非常适合用于微型传感器系统单芯片集成领域。

权利要求

1.一种多MEMS传感器的单芯片加工方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)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(201)所需的腔体结构(101)和第二传感结构模块(202)所需的腔体结构(102)，然后在第一衬底的背面制作金属薄膜形成第一键合区(107)，其中，第二处理电路模块(201)所需的腔体结构(101)的长和宽比第二处理电路模块(201)的长和宽大，第二传感结构模块(202)所需的腔体结构(102)的长和宽比第二传感结构模块(202)的长和宽大；

(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(103)和第一金属焊盘(106)，在第二处理电路模块(201)所需的腔体结构(101)和第二传感结构模块(202)所需的腔体结构(102)对应的正面加工第一通孔(104)和第二通孔(105)；所述第一传感结构模块(103)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；

(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(201)，使用微纳加工技术制作第二传感结构模块(202)，使用微电子技术在第二处理电路模块(201)与第二传感结构模块(202)上制作第二金属焊盘(203)和第二键合区(205)，其中第二处理电路模块(201)的位置与第一衬底背面第二处理电路模块(201)所需的腔体结构(101)对应，第二传感结构模块(202)的位置与第一衬底背面第二传感结构模块(202)所需的腔体结构(102)对应；所述第二处理电路模块(201)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(202)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；

(4)在第二传感结构模块(202)的背面使用微纳加工技术加工腔体(204)；

(5)将集成了第一传感结构模块(103)的第一衬底的背面与集成了第二传感结构模块(202)和第二处理电路模块(201)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(301)。

2.根据权利要求1所述的一种多MEMS传感器的单芯片加工方法，其特征在于：所述第一衬底与第二衬底的材料为硅片或者SOI片。

3.根据权利要求1所述的一种多MEMS传感器的单芯片加工方法，其特征在于：所述的第一金属焊盘(106)、第二金属焊盘(203)、第一键合区(107)与第二键合区(205)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。

说明书

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] (1)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、第一键合区与第二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] (1)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为本发明中第一衬底上的单元分布示意图；

[0018] 图2为本发明中第一衬底完成背腔后的单个MEMS结构剖视图；

[0019] 图3为本发明第一衬底完成传感模块和通孔制作后的单个单元剖视图；

[0020] 图4为本发明第一衬底完成背面键合区制作后的单个单元剖视图；

[0021] 图5为本发明中第二衬底完成处理电路模块的单个单元剖视图；

[0022] 图6为本发明中第二衬底完成处理电路模块、传感模块以及键合区的单个单元剖视图；

[0023] 图7为本发明中第一衬底和第二衬底叠加后的单个单元剖视图；

[0024] 图8为本发明中第一衬底和第二衬底叠加后的单个单元俯视图；

[0025] 图9为本发明第一衬底与第二衬底叠加后的圆片示意。

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] 一、在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所示为本发明中第一衬底的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。在第一衬底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50μm。背面的位置也取决于处理电路模块201和传感结构模块202的位置，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、第一衬底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所示为本发明第一衬底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.在第一衬底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100μm)，该传感结构模块可以包括多个传感结构；

[0033] b.在第一衬底背面的腔体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、在第一衬底的背面制作键合区107。

[0035] 如图4为本发明第一衬底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，在第一衬底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、在第二衬底的正面形成处理电路模块201。

[0037] 如图5所示为本发明第二衬底完成处理电路模块201的MEMS圆片上单个单元剖视图。在第二衬底的正面采用半导体工艺加工出处理电路模块201(处理电路模块201的位置应与第一衬底背面用于处理电路模块所需的腔体结构101相对应)，处理电路类型可以包括各种集成电路和分立电路(二、三级管)等，数量和种类不限。

[0038] 五、在第二衬底的正面形成包括多种敏感结构在内的传感结构模块202，并形成金属焊盘203，在第二衬底的背面形成背腔，作为传感器敏感结构的一部分。并在第二衬底的正面制作出键合区205。

[0039] 如图6为本发明在完成处理电路模块的第二衬底中制作出传感结构模块202以及键合区205的单个单元剖视图，具体步骤如下：

[0040] a.在第二衬底的正面利用微纳加工技术制作出传感结构模块202(传感结构模块202的位置应与第一衬底背面用于传感结构模块所需的腔体结构102相对应)，该传感结构模块可以包括多个传感结构；

[0041] b.在第二衬底正面相应位置利用微电子技术制作出金属焊盘203和键合区205，金属焊盘和键合区可以同时制作也可以分开制作，材料可以相同也可以不同，金属焊盘203的位置应与第一衬底的通孔结构104和105相对应，金属焊盘应能从通孔中露出来，键合区205与第一衬底的键合区107位置相对应。

[0042] c.在第二衬底背面与传感结构模块202对应的位置，利用微纳加工技术制作出腔体204，作为传感结构模块的一部分结构，同时形成划片道302。

[0043] 六、将第一衬底100与第二衬底200按照键合区图形进行圆片键合，最终叠加在一起，形成一个完整的圆片300。通过这种叠加，将两个衬底中所有的传感结构模块和处理电路模块集成在了一体。

[0044] 如图7和图8所示为本发明第一衬底与第二衬底叠加后的结构图。将集成了传感结构模块103的第一衬底与集成了传感结构模块202和处理电路模块201的第二衬底在真空(100mBar到1E-6mBar)环境中进行硅-金属-硅键合，形成圆片300。

[0045] 七、将圆片300按照划片道302进行划片后，形成若干个单芯片301，每个单芯片就是一个片上微系统。

[0046] 其中，本发明方法中传感结构模块或处理电路模块可以分布在两个衬底，也可以分布在一个衬底中；传感器结构模块103和202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、声传感器等多种传感器中的一个或者任意组合，数量和种类不限；处理电路模块201为微电子电路，可以包括各种集成电路或分立电路(二、三级管)等，数量和种类不限；第一衬底上制作出通孔104和105，能够露出第二衬底的处理电路模块与传感结构模块的金属焊盘，其中通孔的数量和形状不限，仅与第二衬底的处理电路或传感结构相关；第一衬底100、第二衬底200可以是普通硅片，也可以是蓝宝石片、SOI片等其他特殊材料，衬底直径和厚度不限；金属焊盘106和203、键合区107和205可以采用相同金属形成的单层金属薄膜，或不同金属形成的多层金属薄膜，所述金属为铝、金、钛、钨、锡、铬或者镍，金属薄膜厚度不限。

[0047] 本发明通过采用双衬底叠加和三维通孔的结构方式，利用MEMS技术将多种传感结构与多种处理电路集成在一个芯片上，实现微系统片上集成。该方法不仅适用范围广，对集成的传感器种类没有过多限制，可以适用于MEMS陀螺、加速度计、压力传感器、温度计、湿度计、麦克风、磁传感器、谐振器等多种传感器和执行器，能够集成3种以上的传感器和执行器，系统集成度高，而且工艺兼容性强，可以实现批量生产，具有较强的实用性。

[0048] 本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。