一种具有应力缓冲结构的MEMS芯片的制作方法

本实用新型涉及芯片的制造领域，具体是一种具有应力缓冲结构的MEMS芯片。

背景技术：

MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）是微机电系统的缩写，MEMS芯片制造技术利用微细加工技术，特别是半导体圆片制造技术，制造出各种微型机械结构，结合专用集成电路（ASIC），组成智能化的微传感器、微执行器、微光学器件等MEMS元器件。一些MEMS芯片（如加速度计、陀螺仪、振荡器等）通常在圆片加工过程中将脆弱的MEMS结构密封在带有空腔在上下盖帽中加以保护，形成圆片级封装的MEMS芯片。这些圆片级封装的MEMS芯片（特别是工业级MEMS芯片）通常需要与独立的信号处理电路芯片（专用集成电路，ASIC）封装在一个陶瓷、金属或预成型的塑料管壳中，形成一个真正的微机电系统器件。

MEMS芯片的材料绝大部分是Si，由于封装管壳的材料与MEMX芯片材料不一致，例如Si的热膨胀系数为2.5 ppm/K，而氧化铝陶瓷的热膨胀系数为7 ppm/K，贴装在陶瓷管壳底板上的MEMS芯片在外界温度变化时，由热膨胀系数不匹配导致的应力作用在MEMS芯片上，该应力引起MEMS器件性能下降，甚至失效。降低这种由封装引起的应力的方法主要有以下几种：1、采用与MEMS芯片相同材料或热膨胀系数相近材料作为封装管壳底板，相似地，在MEMS芯片与封装管壳底板间插入与MEMS芯片相同材料的衬板；2、减少MEMS芯片与封装管壳的接触面积；3、在MEMS芯片或封装插入衬板上制作应力缓冲结构；4、采用软胶粘贴MEMS芯片。这几种方法各有优缺点，其中以应力缓冲结构的效果最好。

论文《Isolation of MEMS Devices from Package Stresses by Use of Compliant Metal Interposers》描述了在封装管壳内制作金属框缓冲应力的方法，这种方法会使封装后的产品体积增大，金属与MEMS芯片材料Si的热膨胀系数也不同，应力缓冲效果有限，而且封装过程复杂，成本高。论文《Design and Verification of a Structure for Isolating》描述了在MEMS结构下形成Si应力缓冲结构，但不是圆片级封装的芯片，在后续封装时容易损伤MEMS结构，MEMS芯片的中心圆碟部分通过环氧树脂粘贴在封装管壳中，环氧树脂很容易溢流玷污MEMS结构，而且中心圆碟部分面积小，不容易保证芯片与管壳底板的平行度，这一点对MEMS传感器来说非常重要。专利US7830003描述了将MEMS芯片用导电材料粘接到应力缓冲结构上，再将应力缓冲结构用导电材料粘接到封装管壳上，这种封装方法工艺复杂，效率低；而且其实例描述中并没有说明MEMS芯片信号如何连接到封装管壳上，按常规工艺需要在应力缓冲结构上制作绝缘层，绝缘层上制作金属导线，应力缓冲结构制造工艺复杂；另外，由于应力缓冲结构的面积显著大于MEMS芯片面积，不但增加了封装管壳的成本，而且不适用于要求产品体积小的应用领域。专利US20170305740描述的是将圆片级封装的MEMS芯片密封在一个额外的空腔中，制作工艺十分复杂，体积大，而且MEMS芯片信号引出困难。专利US8614491描述的是应力缓冲结构键合在封装衬板上，再将一个或多个MEMS芯片粘贴在应力缓冲结构中，这种方法存在着对位精度差、封装工艺复杂、体积大的缺点，比较适合MEMS传感器模块的组装，不是单芯片级的应力缓冲方法。专利US7170140描述的是MEMS芯片的两端延伸出应力缓冲结构，用MEMS结构层制作应力缓冲弹簧，好处是上下盖板层可以制作过载冲击挡板，缺点是应力缓冲结构的厚度取决于MEMS结构层的厚度，不适用于MEMS结构层较薄的产品；另外，由于应力缓冲结构制作在芯片两侧，面积较大。专利US8322028描述了应力缓冲结构衬板，衬板的中间部分通过Au-Sn焊料贴装在封装管壳底板上，三个角通过Au-Sn焊料与MEMS芯片键合在一起，这种方法的应力缓冲结构不是直接制作在芯片上，需要单独制作应力缓冲衬板，还要制作Au-Sn焊料层，工艺复杂，成本高，而且芯片与衬板图形对准不易。专利US9334153描述的是在MEMS芯片上制作空心焊脚与基板焊接，达到既可以导电，又可以缓冲应力的目的，由于空心焊脚分布广，相当于MEMS芯片与基板接触面积大，应力缓冲效果有限，仅适用于消费级器件。专利CN105036060通过在MEMS芯片背面键合隔热结构层，隔热结构层不带图形，缓冲应力效果有限，而且加工过程中圆片也容易碎裂。专利CN105712283描述的是在陶瓷管壳底板与芯片间安装一片材料为7740玻璃或4J44铁钴镍合金的应力缓冲片，应力缓冲片不是制作在芯片上，而是在封装工艺中加入，对准精度差，且其材料与芯片不完全相同，应力缓冲效果受限。专利CN104535055和CN105182004描述的都是在MEMS芯片制作完成后，再在芯片底板上Si-Si键合应力缓冲Si板，目的是减少应力缓冲板与MEMS芯片的接触面积。实际上，在MEMS芯片制造完成后再进行Si-Si键合是非常困难的事，主要是MEMS芯片底板经多道加工后平整度变差，键合加压力时MEMS芯片易碎，而且还需要高温退火。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是克服现有技术中存在的不足，提供一种具有应力缓冲结构的MEMS芯片，在MEMS圆片背面制作应力缓冲结构达到降低封装应力的目的，具有工艺简单、对准精度高、成本低、芯片面积小、封装成品率高等优点。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种具有应力缓冲结构的MEMS芯片，由第一MEMS芯片和应力缓冲结构构成，应力缓冲结构通过中心埋氧与第一MEMS芯片的底板连接，所述的应力缓冲结构由连接区、应力缓冲弹簧和外框构成，应力缓冲弹簧位于外框和连接区之间，连接区的投影面积占第一MEMS芯片投影面积的1/10～1/3，应力缓冲结构上均布有释放孔，应力缓冲结构的外框边缘位于第一MEMS芯片边缘的投影区内，应力缓冲结构的投影面积小于第一MEMS芯片的投影面积；

所述的应力缓冲结构和第一MEMS芯片的底板的材料都是硅。

本实用新型所述的应力缓冲结构的MEMS芯片是在第一MEMS芯片背面制作应力缓冲结构达到降低封装应力的目的，其应力缓冲结构通过中心埋氧连接在第一MEMS芯片的底部，其应力缓冲结构由连接区、应力缓冲弹簧、外框三部分构成，应力缓冲弹簧位于外框和连接区中间，可沿X、Z方向伸缩，起到主要的应力缓冲作用，当受到外框传入的外力时，应力缓冲弹簧可以在空窗区内发生弹性形变，从而缓冲应力；连接区位于应力缓冲结构中心区域，通过中心埋氧与第一MEMS芯片连接，其投影面积占第一MEMS芯片面积的1/10～1/3，以进一步减少由于应力缓冲结构形变而产生的应力向第一MEMS芯片的传导；外框的四个角部区域为粘片区，在封装时通过粘片胶与封装基板连接，粘片胶由于表面张力的作用，呈点状分布，只接触到应力缓冲结构的外框粘片区部分，不会透过释放孔接触到第一MEMS芯片；应力缓冲结构上均匀分布有释放孔，用于在加工过程中释放应力缓冲结构，这样，由于第一MEMS芯片的材料与封装基板的材料的热膨胀系数不同而引起的封装应力就会被应力缓冲结构缓冲掉绝大部分。而且由于中心埋氧的位置和尺寸由连接区的图形决定，而连接区与第一MEMS芯片的相对位置由圆片加工时的光刻对准工艺决定，误差<2μm，所以本实用新型中的应力缓冲结构与第一MEMS芯片连接位置的精度要比通过封装工艺对准键合的精度高一个数量级。

其中，所述的第一MEMS芯片由盖板、MEMS结构层和底板组成，盖板、MEMS结构层和底板围成一个密封腔，可动的MEMS结构被密封在密封腔内，盖板与MEMS结构层间有绝缘层隔离，绝缘层上有金属层，金属层上覆盖有钝化层保护，钝化层上具有压焊窗，压焊窗位于金属层上方，MEMS结构的电信号通过键合在压焊窗内金属层上金属线将引出到封装管壳上，金属线一般是直径20～30微米的Au或Al，非常柔软，不传导应力。

附图说明

图1是具有应力缓冲结构的MEMS芯片的剖视图。

图2是具有应力缓冲结构的MEMS芯片的封装剖视图。

图3是具有应力缓冲结构的MEMS芯片的封装仰视图。

图4是圆片级封装后的MEMS圆片的剖视图。

图5是形成底氧化层图形后的MEMS圆片剖视图。

图6是蚀刻形成应力缓冲结构后的MEMS圆片剖视图。

图7是形成压焊窗后的MEMS圆片剖视图。

图8是释放应力缓冲结构后的MEMS圆片的剖视图。

图9是具有应力缓冲结构的MEMS圆片的剖视图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

具有应力缓冲结构的MEMS芯片，如图1所示，由第一MEMS芯片100和应力缓冲结构231构成，应力缓冲结构231通过中心埋氧221与第一MEMS芯片100的底板210机械连接，中心埋氧221位于第一MEMS芯片100的中央区域，所述的应力缓冲结构231由连接区231e、应力缓冲弹簧231d和外框231b构成，如图2所示，应力缓冲弹簧231d位于外框231b和连接区231e之间，起到主要的应力缓冲作用，当受到外框231b传入的外力时，可以在空窗区231c内发生弹性形变，从而缓冲应力；连接区231e位于应力缓冲结构231的中心区域，通过中心埋氧221与第一MEMS芯片100连接，呈圆形或方形，其投影面积占第一MEMS芯片100投影面积的1/10～1/3，以进一步减少由于应力缓冲结构231形变而产生的应力芯片内部传导；应力缓冲结构231上均布有释放孔231f，用于在加工过程中释放应力缓冲结构231；外框231b的四个角部区域为粘片区，后续封装时可以通过粘片胶300与封装基板400连接，如图3所示，粘片胶300由于表面张力的作用，呈点状分布，只接触到应力缓冲结构231外框231b的粘片区部分，不会透过释放孔231f接触到芯片内部；应力缓冲结构231的外框边缘231b′位于第一MEMS芯片边缘100a的投影区内，应力缓冲结构231的面积略小于第一MEMS芯片100的面积；

本实施例所述的第一MEMS芯片100由盖板104、MEMS结构层106和底板210组成，盖板104、MEMS结构层106和底板210围成一个密封腔105，可动的MEMS结构106a被密封在密封腔105内，盖板104与MEMS结构层106间有绝缘层103隔离，绝缘层103上有金属层102，金属层102上覆盖有钝化层101保护，钝化层101上具有压焊窗107。后续封装时，MEMS结构106a的电信号可以通过键合在压焊窗107内金属层102上的金属线108将引出到封装管壳上，如图3所示，金属线108一般是直径20～30微米的金或铝线，非常柔软，不传导应力。

本实施例的具有应力缓冲结构的MEMS芯片是在用SOI圆片代替普通硅圆片作为MEMS圆片的底板材料的圆片级封装的MEMS圆片的制造过程中，只增加一块光刻版，通过硅蚀刻和应力缓冲结构释放的工艺步骤，在芯片背面制作应力缓冲结构的。

其中，所述的圆片级封装的MEMS圆片可以是购买的，也可以是按照现有的圆片级封装方法制作的，其结构如图4所示，可活动的MEMS结构106a被密封在由MEMS结构层106、盖板104、底板210围成的密封腔105中，这三层的材料均为硅；MEMS结构层106的厚度在10～200 μm，一部分被制作成MEMS结构106a，另一部分用作制造密封腔105；盖板104的厚度在50～500 μm，在其上制作Si通孔（TSV），将MEMS结构106a的电信号引出到金属层102上，金属层102与盖板104间有绝缘层103，绝缘层103的材料为氧化硅、氮化硅或它们的组合，金属层102的材料为铝、金、铅或铜等，厚度通常在0.5～3 μm，在其上面覆盖有钝化层101，用于保护金属层102，钝化层101的材料通常为氧化硅、氮化硅或它们的组合，厚度通常在0.5～3 μm；底板210实际上是SOI圆片200的顶硅层，厚度通常在100～500 μm，在本实施例中，SOI圆片200代替了一般MEMS芯片的单层硅底板；SOI圆片200由顶硅层210、埋氧层220、底硅层230和底氧化层240构成，通常埋氧层220和底氧化层240厚度相同，在0.5～3 μm之间，底硅层230用于后续制作应力缓冲结构231，厚度通常在50～500 μm。除底氧化层240、底硅层230和埋氧层220以外的部分，构成了本实用新型所述的常规MEMS圆片。

本实施例具有应力缓冲结构的MEMS芯片的制造方法，步骤为：

（1）将圆片级封装的MEMS圆片的底氧化层240朝上，钝化层101朝下，如图5所示，通过涂胶、光刻、显影、蚀刻、去胶、清洗等普通半导体加工步骤，形成底氧化层图形241，露出部分底硅层230表面，这正是在后续工艺步骤中要被蚀刻掉的部分；钝化层101在此工艺步骤中起到保护金属层102的作用，更进一步，也可在此工艺步骤前在钝化层101上涂覆保护膜，如聚酰亚胺，保护钝化层101，并在蚀刻后的去胶工艺步骤中去除；

（2）以底氧化层图形241为掩膜，对经过步骤（1）的圆片级封装的MEMS圆片进行深硅蚀刻，深硅蚀刻采用BOSCH工艺，即在高密度反应离子蚀刻设备中交叉通入蚀刻性气体SF6和钝化性气体C4F8，在硅槽的侧面形成起阻挡蚀刻的聚合物层，而在硅槽的底部由于离子轰击而无法形成聚合物层，达到只向下蚀刻而不向侧面蚀刻的效果。步骤（1）形成的底氧化层图形241作为深硅蚀刻的掩模，即有底氧化层图形241覆盖的底硅层230部分不被蚀刻，而露裸的底硅层230表面对应的部分底硅层230被全部蚀刻掉，露出埋氧层220表面，如图6所示，底硅层230被蚀刻成应力缓冲结构231，形成划片区231a、外框231b、应力缓冲弹簧231c、空窗区231c、连接区231e以及释放孔231f；更进一步，也可在此工艺步骤前在钝化层101上涂覆保护膜，如聚酰亚胺，保护钝化层101，并在此工艺步骤后通过去胶工艺去除。此时，整个应力缓冲结构231通过埋氧层220固定在常规MEMS圆片上，还不能活动；

（3）将经过步骤（2）的圆片级封装的MEMS圆片的钝化层101朝上，如图7所示，在其上进行涂胶、光刻、显影、蚀刻、去胶、清洗等普通半导体加工步骤，在金属层102上方形成压焊窗107，用于后续封装工序中键合金属线，将MEMS芯片的电信号引出。钝化层101的材料通常为氧化硅、氮化硅或它们的组合，厚度通常在0.5～3μm，通常用含氟气体的等离子工艺蚀刻。这步工艺步骤是常规MEMS芯片加工所需要的，本实施例只是将它放在形成应力缓冲结构231的深硅蚀刻后进行，当然，实际操作中也可以放在其它步骤进行。在此工艺步骤中，底氧化层图形241起到保护应力缓冲结构231的作用；

（4）在经过步骤（3）的圆片级封装的MEMS圆片的压焊窗107和钝化层101上涂覆保护膜110，如光刻胶、聚酰亚胺等，保护金属层102和钝化层101不被腐蚀；然后将经过步骤（3）的圆片级封装的MEMS圆片浸入HF或缓冲HF溶液，HF溶液具有各向同性蚀刻的特点，即在X、Y、Z各个方向的腐蚀SiO2速度相同，HF溶液通过划片区231a、空窗区231c和释放孔231f腐蚀埋氧层220，同时也腐蚀位于应力缓冲结构231上面的底氧化层图形241，如图8所示，直至将应力缓冲弹簧231d和外框231b底部的埋氧层220全部除去，此时底氧化层图形241也被全部除去；应力缓冲结构231和顶硅层210的材料都是硅，不会被HF溶液腐蚀；图8中每根应力缓冲弹簧231d和外框231b沿X方向的尺寸一般在5～40μm，释放孔231f的尺寸在5～100μm，连接区231e的尺寸一般在100～1000μm，HF溶液腐蚀氧化硅的速率在相同条件下是恒定的，当HF溶液沿X方向腐蚀应力缓冲结构231底部的埋氧层220时，由于连接区231e的尺寸显著大于应力缓冲弹簧231d和外框231b的尺寸，所以控制腐蚀时间，可以将位于应力缓冲弹簧231d和外框231b底部的埋氧层220全部除去，同时，保留部分位于连接区231e底部的埋氧层220，形成中心埋氧221；最后除去保护膜110，此时除了连接区231e通过中心埋氧221固定在常规MEMS圆片上外，应力缓冲结构231的其余部分相对于常规MEMS圆片可以活动；应力缓冲弹簧231d可沿X、Z方向伸缩，但沿Y方向不能伸缩，至此，就制造完成了具有应力缓冲结构的MEMS圆片；由于中心埋氧221的位置和尺寸由连接区231e的图形决定，而连接区231e与常规MEMS圆片的相对位置由圆片加工时的光刻对准工艺决定，误差< 2μm，所以，本实施例的应力缓冲结构231与常规MEMS圆片连接位置的精度要比通过封装工艺对准键合的的精度至少高一个数量级。另外，这里所述的中心埋氧221并不一定对准常规MEMS圆片的几何中心位置，根据MEMS芯片结构的设计而定；所述中心埋氧221也并不限定一个，可以有多个；

（5）将步骤（4）制造完成的具有应力缓冲结构的MEMS圆片的钝化层101一面贴在划片膜120上，应力缓冲结构231朝上，如图9所示，在圆片切割设备上用切割砂轮130沿划片区231a切割具有应力缓冲结构的MEMS圆片，将具有应力缓冲结构的MEMS圆片分割为多个具有应力缓冲结构的MEMS芯片，如图1所示，应力缓冲结构231的投影面积小于第一MEMS芯片100，第一MEMS芯片100的边缘与应力缓冲结构231边缘的间距在10～200μm，所以在圆片切割时，应力缓冲结构231不会被损伤。将切割后的具有应力缓冲结构的MEMS芯片从划片膜120上取下，就完成了具有应力缓冲结构的MEMS芯片的制造，其应力缓冲结构231在连接区231e通过中心埋氧221连接在第一MEMS芯片100上，应力缓冲结构231的其它部分可以相对于第一MEMS芯片100活动，与第一MEMS芯片100之间的间距等于中心埋氧221的厚度。

需要说明的是，圆片级封装的MEMS圆片的结构不限于上述实施例所述的一种，同样地，所述的第一MEMS芯片的结构也不限于上述一种，凡是可以通过圆片级封装工艺制作的，且底板可以用SOI圆片的，都可以用来制作本实用新型所述的应力缓冲结构，进而制造出具有应力缓冲结构的MEMS芯片。