[发明专利]超薄真空密封MEMS晶圆的加工方法

说明书

技术领域

本发明涉及超薄真空密封MEMS晶圆的方法。

背景技术

在现有MEMS产品中，如气压计、加速度计或陀螺仪等，其主要市场都是基于消费电子应用，智能手机则是其中一个巨大的市场。智能手机的功能也越来越强大，其外观的发展是更精巧的外观和轻薄的厚度＜=0.9mm，所以要求各种MEMS传感器的面积和厚度都要尽量减小。对于目前市场需求量巨大的加速度计和陀螺仪，一般都是包括衬底层、结构层和封帽层，三层叠加后的厚度一般要到800um左右，这个是产品中无论如何也不能接受的厚度，所以必须在MEMS传感器的工艺流程中增加晶圆减薄这一工序。既能实现稳定的真空封装，又能完成安全可靠的晶圆减薄工艺，这是MEMS产品量产过程中的一个关键步骤。

目前为止，类似工艺主要包括两种，在晶圆（wafer）键合前将开窗实现，然后将开窗的封帽层用黏结材料与结构层晶圆黏结，但是该工艺很难进行双面研磨减薄。另外一种工艺，先将封帽层和器件层用黏结材料进行键合，进行双面研磨，再通过两次切割晶圆的方式将开窗区域暴露出来以实现最终MEMS产品晶圆。

前述第一种现有技术的技术方案如下：为了实现晶圆级真空密封，用粘结剂层将密封帽层晶圆与结构层、衬底层键合起来，形成高真空腔体。为了暴露出PAD区域，在键合前在密封帽层晶圆上制作出通孔，一般用湿法刻蚀工艺或干法刻蚀工艺进行双面对准刻蚀，无论是干法刻蚀还是湿法刻蚀，刻蚀400um这么深的通孔都需要比较长的时间和较高的成本。由于密封盖帽层晶圆上已经刻蚀出很多通孔，在键合受力时非常容易碎裂，故密封盖帽层晶圆一般比较厚，一般都大于400um，所以密封后的MEMS晶圆非常后，一般在800um以上。

为了实现最终产品的轻薄厚度＜=0.9mm，以上晶圆级真空密封的MEMS晶圆必须进行双面研磨至＜=400um。由于密封帽层晶圆上均匀分布了刻蚀通孔，所以在研磨时非常容易发生晶圆碎裂，很难实现减薄工艺。

该第一种现有技术的缺点为：先在密封帽层晶圆上直接加工出通孔，再对密封帽层和器件层晶圆键合，该密封帽层容易发生碎裂。为了避免密封帽层碎裂，一般都选择比较厚的密封帽层晶圆。为了最终实现较薄的MEMS晶圆，必须选用双面研磨来减薄，但是分布了刻蚀通孔的密封帽层晶圆非常容易碎裂。第一种方案在键合和减薄工艺都有碎片的风险，不易实现超薄的真空密封的MEMS晶圆。

前述第二种现有技术的技术方案为：如图2所示，该第二种方案为密封帽层晶圆在切割道区域制备了一个凹槽，其深度同腔体内深度。当密封帽层和结构层实现真空密封键合后，可以对衬底层和密封帽层晶圆分别进行双面研磨，实现最终的超薄MEMS晶圆＜=400um。利用晶圆切片工艺在两片晶圆之前内嵌的空腔处划片，只切透密封帽层晶圆，此处为第一刀。在芯片的真正切割道区域再进行划片并切穿密封帽层晶圆和结构层晶圆，此处为第二刀。经过两次切割，芯片上的PAD区域即可以暴露出来以实现最终产品。

现有技术二的缺点如下：这种通过先研磨再切割工艺实现超薄的真空密封MEMS晶圆的工艺方案，在第一次进行划片时非常容易造成下层芯片表面线路划伤。另外，还需要两次研磨和两次划片工艺才能实现，成本不好控制。尤其是，两次晶圆划片时间非常长，严重延长了工艺加工周期。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超薄的真空密封MEMS晶圆的加工方法在晶圆级真空密封晶圆的加工工艺过程中，可安全地通过研磨工艺来直接对MEMS晶圆进行减薄至超薄厚度，同时或进一步的能实现PAD区域开窗从而既可减少工艺步骤以缩短工艺加工时间、及或降低成本等目的。

为实现上述目的，本发明的一个方面提供了一种超薄真空密封MEMS晶圆的加工方法，包括：

对衬底层晶圆进行刻蚀生成下腔体；将结构层与衬底层晶圆进行阳极键合；将结构层减薄至设计的厚度；在结构层晶圆表面制备金属图形，该金属图形至少包括一PAD区域；在结构层刻蚀出运动结构；在一密封帽层晶圆上腐蚀出上腔体，其中，该上腔体包括对应运动结构的第一部分和对应PAD区域的第二部分；

在第二部分上定义一切割道，并在该切割道继续刻蚀出陡直侧壁的腔体；在密封帽层晶圆上制备键合层粘结剂；将结构层晶圆与密封帽层晶圆进行键合；将键合好的晶圆进行双面研磨减薄，其中至少将密封帽层晶圆减薄至PAD区域暴露出。

如需加工成品，则再沿该切割道对前述得到的结构进行切割。

优选的是，所述刻蚀方法为深离子反应刻蚀（DRIE）。

优选的是，结构层减薄方法采用化学机械平坦化工艺（CMP）。