一种MEMS层叠器件微波端口实现的工艺方法与流程

本发明属于微机电系统封装技术领域，特别是一种mems层叠器件微波端口实现的工艺方法。

背景技术：

在射频微系统中，通过三维堆叠的方式集成了有源芯片、无源集成器件（ipd）、体声波器件（fbar）以及微机电系统（mems）传感器等多领域器件或芯片。其中测试端口的引出一般是利用抽头的方式通过硅通孔（tsv）引至顶层或者底层衬底，然后通过表贴或者金丝引线的方式完成芯片/器件间互联或者封装，其制造工艺复杂，难度大。mems传感器包括了很多能实现不同功能的可动结构，并且在三维堆叠中采用了大量的腔体结构，超薄的腔体结构、可动结构以及制作有空气桥器件的芯片不能采用表贴的方式，测试端口通过表面引出不适合应用于此类器件。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种mems层叠器件微波端口实现的工艺方法，用以减少在mems层叠器件中制造中为测试端口的引出而增加的复杂工艺步骤。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种mems层叠器件微波端口实现的工艺方法，包括以下步骤：

步骤1、在下层衬底上完成mems器件、电路或者功能模块的制造；

步骤2、在下层衬底上完成测试端口的引出；

步骤3、在下层衬底上制作完成键合辅助层，形成辅助图形；

步骤4、在上层衬底上完成mems器件、电路或者功能模块的制造；

步骤5、在上层衬底上制作完成键合辅助层，形成辅助图形；

步骤6、上层衬底上通过光刻形成端口窗口，并将衬底刻蚀通，形成穿透式的窗口，通过干法刻蚀、湿法腐蚀或者激光切割进行窗口形成；

步骤7、上下两层衬底键合；

步骤8、采用划片完成芯片分割，同时将微波测试端口分开；

步骤9、清洗，将测试端口上的硅削去掉。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：（1）本发明通过在键合面形成测试端口的引出，避免了通过tsv引出的复杂工艺步骤，大大降低了芯片制造成本；（2）通过在键合面形成测试端口的引出，使得在金丝引线的过程中节省了一层衬底的高度，可以降低封装管壳的高度，大大减小封装体积；（3）通过在键合面形成测试端口的引出，引出抽头线条尺寸更短，微波损耗更小，可以大大提高芯片微波性能；（4）通过上层衬底图形化和刻蚀，形成端口窗口，该工艺过程可与上层衬底器件深刻蚀一次性完成，不增加工艺步骤；（5）通过划切完成芯片分离的同时形成端口露出，由于端口位置没有上层衬底，划切完成后端口金属附近崩边更小、沾污更少，可以缩小划切道尺寸，增加圆片有效使用面积。

附图说明

图1是传统方法通过通孔将测试端口引至上层或者下层衬底的示意图。

图2是本发明中通过中间层将测试端口引出的示意图。

图3是本发明中下层衬底完成器件或者电路、测试端口工艺后剖面示意图。

图4是本发明中下层衬底完成器件或者电路、测试端口工艺后俯视示意图。

图5是本发明中下层衬底完成辅助键合层后俯视示意图。

图6是本发明中上层衬底完成器件或者电路工艺后剖面示意图。。

图7是本发明中上层衬底完成辅助键合层后俯视示意图。

图8是本发明中上层衬底端口窗口刻蚀的示意图。

图9是本发明中上层衬底和下层衬底键合后的示意图。

图10是本发明中划切完成后芯片俯视示意图。

图中：101是下层衬底，201是上层衬底，301是封装基板，102和105是下层衬底mems器件，103是下层衬底绝缘层，104和106是下层衬底金属测试端口，107是下层衬底微带测试端口，108和109是下层衬底键合辅助层，202和205是上层衬底mems器件，203是上层互联走线，204和206是上层衬底键合辅助层，207是上层端口窗口，208和209是划切标记线。

具体实施方式

一种mems层叠器件微波端口实现的工艺方法，包括以下步骤：

（一）在下层衬底上完成设计的mems器件、电路或者功能模块的制造，所述mems器件包括可动结构器件、射频器件或体声波器件，所述电路为微波电路、数字电路或者模拟电路，所述功能模块为射频微系统功能模块、异质异构功能模块或者仿生化学功能模块；

（二）在下层衬底上完成测试端口的引出，所述测试端口为微带线或者金属焊盘；

（三）在下层衬底上制作完成键合辅助层，采用光刻刻蚀、金属剥离或者电镀形成辅助图形；

（四）在上层衬底上完成设计的mems器件、电路或者功能模块的制造，所述mems器件包括可动结构器件、射频器件或体声波器件，所述电路为微波电路、数字电路或者模拟电路，所述功能模块为射频微系统功能模块、异质异构功能模块或者仿生化学功能模块；

（五）在上层衬底上制作完成键合辅助层，采用光刻刻蚀、金属剥离或者电镀形成辅助图形；

（六）上层衬底上通过光刻形成端口窗口，并将衬底刻蚀通，形成穿透式的窗口，通过干法刻蚀、湿法腐蚀或者激光切割等进行窗口形成；

（七）上下两层衬底键合，所述键合为金属合金键合、硅硅键合或者聚合物键合；

（八）采用划片完成芯片分割，同时将微波测试端口分开，所述划片可以通过砂轮划切、激光划切或者水激光划切等方式完成；

（九）清洗，将测试端口上的硅削去掉。

进一步的，所述上、下层衬底厚度为50µm-1000µm，材料为硅、硅的化合物、陶瓷、金属或者聚合物。

进一步的，所述测试端口金属层厚度为1µm-50µm，材料为金属或者金属合金材料中的一种。

测试端口金属层通过剥离、光刻电镀或者溅射光刻腐蚀中的一种方法进行图形化，金属线宽为5µm-500µm，线宽误差小于0.5µm。

进一步的，所述步骤（三）和步骤（五）中键合辅助层材料为介质材料、高分子聚合物或金属合金材料，所用材料与衬底有很好的粘附性，采用光刻刻蚀、金属剥离或者电镀形成键合图形。

键合辅助层厚度为1µm-50µm，图形具有很高的平整度和一致性。键合辅助层还可以分别与步骤（一）和步骤（四）衬底功能器件或者电路制造的过程中同时完成，进一步简化mems层叠器件的工艺步骤。

进一步的，上层端口窗口通过干法刻蚀、湿法腐蚀或者激光切割进行加工。刻蚀深度为上层衬底厚度，刻蚀横向长度小于芯片长度的1/2，侧壁粗超度小于0.1µm。

进一步的，所述键合是上下衬底的键合辅助层材料通过熔融、扩散或者形成分子键完成，键合强度剪切力应大于10kg，键合温度低于400℃。

进一步的，所述上划片是采用砂轮划切、激光划切或者水激光划切中的一种或者几种配合完成，测试端口边缘无崩角，测试端口正面崩边小于10µm。

进一步的，所述上清洗是采用有机溶液浸泡、去离子水冲洗或者其他划片清洗液清洗的方法，清洗完成保证端口金属无沾污、无划伤。

进一步的，所述步骤（六）中端口窗口的尺寸按照实际设计中端口位置和微波测试位置设置，但总体长度不能超过芯片尺寸的1/2，以保证上层衬底有足够的强度完成制造工序。

进一步的，端口窗口的刻蚀可以采用与步骤（四）下层衬底功能器件或者电路制造的过程中同时完成，进一步简化mems层叠器件的工艺步骤。

进一步的，所述步骤（七）中键合层材料为金属、金属合金、硅的化合物或者聚合物，键合通过熔融、扩散或者形成分子键完成，键合强度剪切力应大于10kg，键合温度低于400℃。

键合过程可以采用真空或者填充惰性气体，以满足不同器件对真空度和气压的要求。

所述步骤（八）中采用划片的方式完成微波测试端口的露出，划片的方式有：砂轮划切，适合于全封闭型键合器件；激光划切，适合于半封闭性键合器件，可以避免硅削嵌入器件中；水激光切割，适合于mems层叠器件厚度超过1.5mm以上，保证切割面完全垂直，切口小于100μm。

由于mems层叠器件中有较厚的金属层和类玻璃材料，划片可以采用几种划切方式的组合，如可以采用水激光切割完成金属面的开槽，然后采用砂轮划切完成芯片分离。

进一步的，所述步骤（九）中采用有机溶液浸泡、去离子水冲洗或者其他划片清洗液清洗的方法，将端口上残留的硅削或者金属削清洗干净，保证微波性能不会有偏差。

图1为传统方法通过通孔将测试端口引至上层或者下层衬底的示意图，图中，301是封装基板，101是下层衬底，201是上层衬底，其中测试端口的引出是利用抽头的方式通过硅通孔（tsv）引至顶层或者底层衬底，然后通过表贴或者金丝引线的方式完成芯片/器件间互联或者封装，其制造工艺复杂，难度大。图2是本发明中通过中间层将测试端口引出的示意图，本发明通过在键合面形成测试端口的引出，避免了通过tsv引出的复杂工艺步骤，大大降低了芯片制造成本；使得在金丝引线的过程中节省了一层衬底的高度，可以降低封装管壳的高度，大大减小封装体积；引出抽头线条尺寸更短，微波损耗更小，可以大大提高芯片微波性能；通过键合面完成测试端口的引出，不但避免了芯片正面结构的破坏，也能保证微波测试端口的电学性能不受到影响。

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

实施例

一种mems层叠器件微波端口实现的工艺方法，包括以下步骤：

如图3所示，在下层衬底101上制作完成器件或者电路102，在需要引出测试端口的位置生长一层绝缘层103，作为金属线与衬底材料的电学隔离层，其材料可以为硅的氧化物、电绝缘聚合物等，其厚度为100å-5000å。通过金属化工艺在103上形成金属层104，104作为微波测试端口，其厚度为5000å-10µm，制作方法有：按照光刻图形、溅射或者蒸发金属、剥离工艺顺序形成104；按照溅射金属种子层、光刻图形、电镀、去胶工艺顺序形成104；溅射金属种子层、电镀、光刻图形、腐蚀、去胶工艺顺序形成104。制作完成器件或电路105的下层衬底101和微波端口104的平面图形，如图4所示，106为金属测试端口，107为微带线测试端口。

然后在下层衬底101上制作键合辅助层108和109，如图5所示，键合辅助层材料为金属、金属合金、硅的化合物或者聚合物等，制作方法有：金属材料通过端口制造工艺相同的方式形成；聚合物通过旋涂、光刻图形、刻蚀的工艺形成。

在上层衬底201上制作完成器件或者电路205，然后在上层衬底201上制作键合辅助层204和206，如图6、图7所示，键合辅助层材料为金属、金属合金、硅的化合物或者聚合物，制作方法有：金属材料通过端口制造工艺相同的方式形成；聚合物通过旋涂、光刻图形、刻蚀的工艺形成。

上层衬底201光刻刻蚀图形，形成端口窗口图形，通过干法刻蚀、湿法腐蚀、激光切割等工艺中一种或者多种完成刻蚀，形成贯穿的端口窗口207，如图8所示，该步骤可以与mems深刻蚀器件一起完成。

上层衬底201与下层衬底101通过辅助键合层108、109、204和206键合，完成层叠器件，如图9所示，该图为正面俯视图。其中键合方式可以通过所使用的键合辅助层材料决定，一般键合方式有金属合金键合、硅硅键合或者聚合物键合。键合温度不能超过400℃，以保证mems器件结构和特殊电路的性能和可靠性。

对键合完成的层叠器件101/201进行划切，如图9所示，划切路径按照208和209进行切割，切割方式有砂轮切割、激光切割和水激光切割。切割完成后，芯片完全分离，微波测试端口同时得到露出，如图10所示。

综上所述，本发明提出了一种mems层叠器件微波端口实现的工艺方法，通过上层衬底图形化刻蚀出端口窗口，再通过切割的方式完成层叠器件分离的同时将微波测试端口露出，避免了测试端口通过通孔引至上层衬底或者下层衬底复杂的工艺步骤，并且缩短了传输线的长度，减低了微波损耗；降低了微组装过程中金丝引线露出芯片的高度，从而可以大大减小封装体积。