一种基于mems的惯性传感器生产及晶圆级封装工艺的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于MEMS的惯性传感器生产及晶圆级封装工艺，其步骤如下：1）工程化的绝缘硅（E-SOI）形成;2）在MEMS晶圆上面加工；3）在标准ASIC带工厂生产ASIC晶圆；4）MEMS晶圆和ASIC晶圆金属共熔键合；5）晶圆级芯片规模封装(WLCSP)。本发明做到ASIC芯片面积与MEMS芯片面积完全相同，充分利用MEMS芯片以及ASIC芯片的有效面积，为MEMS和ASIC芯片设计提供最有效的空间。晶圆级芯片规模封装省掉了芯片后续的封装工序。直接通过BGA完成终端电路板的贴片(Flip-Chip)，大幅度缩小芯片尺寸以及降低生产成本。
【专利说明】一种基于MEMS的惯性传感器生产及晶圆级封装工艺
【技术领域】
[0001]本发明涉及MEMS (微机电系统)生产惯性传感器，包括陀螺仪及加速器，尤其涉及一种基于MEMS (微机电系统)的惯性传感器生产及晶圆级封装工艺。
【背景技术】
[0002]近些年来，陀螺仪等惯性传感器在汽车、智能手机、平板电脑、玩具直升机、空中鼠标等领域得到越来越广泛的应用。基于MEMS生产的陀螺仪和加速度器是目前的主流产品，芯片的设计和晶片的加工是惯性传感器制造的两个关键步骤。
[0003]而现有的惯性传感器在封装芯片和晶片上存在如下几个缺点(美国专利号7，104，129B2):
[0004](I)、由于必须用划片工艺切除部分MEMS (微机电系统)面积从而暴露金属化区用来封装引线，部分MEMS面积被浪费。对于消费类产品，面积的损失会达到百分之十左右。其负面影响有两方面:A.MEMS芯片与ASIC (专用集成电路)芯片不匹配(MEMS芯片的面积小于ASIC的芯片的面积)，限制了 MEMS结构的设计空间；B.由于芯片的部分切除，造成生产成本的相应提闻;
[0005](2)、ASIC电路面与MEMS结构面键和为一体，造成ASIC电路面部分面积不能用作电路，而用于MEMS结构的沟槽，这同样限制了 ASIC的设计空间以及造成芯片生产成本的相应提闻;
[0006](3)、ASIC电路面朝MEMS的另外一个缺点是封装好的晶片不能做晶圆级芯片规模封装工艺(WLCSP)以及倒焊芯片封装(Flip-Chip)；
[0007](4)、由于用金属丝连接工艺作为封装引线，对器件的性能有一定影响。
【发明内容】
[0008]本发明的目的是解决现有技术中MEMS面积浪费、ASIC设计空间受限制以及其生产成本高，芯片尺寸大等问题，提供一种基于MEMS的惯性传感器生产及晶圆级封装工艺，可以将芯片尺寸降到2-4平方毫米，生产成本与传统工艺比可减低30-40%。
[0009]本发明的技术方案是:一种基于MEMS惯性传感器生产及晶圆级封装工艺，其步骤如下:
[0010]I)工程化的绝缘硅形成:
[0011]a、首先用娃托衬晶圆(handle wafer)《5》,背面蚀刻定位对准标记(第一光刻版)，然后在晶片正面采用等离子体工艺刻蚀沟槽(第二光刻板)《I》；通过热氧化工艺生长一层氧化膜《7》;用硅镕键合工艺与另外一片微机电器件晶圆(MEMS device wafer)《4》键合为一体；
[0012]b、在微机电器件晶圆面进行磨削到理想厚度；见图2。
[0013]2)用等离子体蚀刻工艺在微机电器件晶圆上面形成围沟(第三光刻板)，然后气相沉积一层锗或者硅《6》用于以后的晶圆键合，对锗或者硅薄镆与围沟对应作光刻图形(第四光刻板)以及等离子体刻蚀去掉不需要的锗，最后用DRIE工艺完成MEMS结构的刻蚀(第五光刻板)；见图3。
[0014]3)在标准ASIC带工厂生产ASIC晶圆《2》；《3》是ASIC面的焊锡位(bondpads)。然后在此晶圆上进行以下加工工艺:(图4)
[0015]a、在有电路的ASIC正面光刻硅通孔(第六光刻板)，用DRIE工艺蚀刻足够深的沟槽，其深度为100-150微米，按照标准TSV工序对沟槽进行氧化物，金属的填充《8》，以及CMP的磨平，对ASIC晶圆背面进行磨削到100-150微米的厚度，再用CMP工艺磨平晶片表面(ASIC面的背面)；
[0016]b、用溅射工艺生长一层金属层《9》；对金属层《9》进行光刻走线图案制作(第七光刻板)以及湿法金属蚀刻，用化学气相沉积工艺长一层氧化物《10》，其厚度是金属层《9》的5-6倍；
[0017]C、进一步的光刻氧化层图案(第八光刻板)暴露金属层《9》，为金属层《11》作准备，先用溅射工艺生长一层金属层《11》，其厚度约为《9》的3-4倍，对金属层《11》进行光刻布线(第九光刻板)，使金属层《11》与微机电器件晶圆《6》进行金属共熔键合；
[0018]d、最后一步工序是光刻图案制备以及用等离子体工艺蚀刻沟槽《12》(第十光刻板)；见图4。
[0019]4) MEMS晶圆和ASIC晶圆锗/铝，硅/铝或者锗/金、硅/金金属共熔键合，该工艺在真空下进行，最后的陀螺仪沟槽内腔体的压力不应大于0.50-0.75Torr ;见图5。
[0020]到此为止，晶圆可以进行划片(wafer dicing),再进行芯片级封装(CSP-Chipscalepackaging),比如用LGA或QFN的封装形式,本发明提出用晶圆级芯片规模封装工艺(WLCSP)以及后续的倒焊芯片(Flip-Chip)封装；图6示意了最后芯片的结构图。
[0021]5)晶圆级芯片规模封装工艺
[0022]a、在键合好的晶圆的ASIC面形成一层聚酰亚胺(polyimide-PI)或环氧树月旨(Epoxy)《13》；b、用光刻工艺制备打开焊盘的图案(第十一光刻板)；用溅射工艺(Sputtering)生长一层金属(Al或Cu)《14》；
[0023]C、用光刻工艺制备重布线层(RDL)(第十二光刻板)；用干法或湿法蚀刻工艺制备金属重布线层；
[0024]d、再形成一层聚酰亚胺(polyimide-PI)或环氧树脂(Epoxy)《15》。
[0025]e、用光刻工艺制备锡球BGA图案(第十三光刻板);最后形成UBM《16》以及BGA锡球《17》。
[0026]本发明技术方案带来的有益效果如下几点:
[0027](I)由于采用了 TSV工艺，ASIC芯片面积与MEMS芯片面积完全相同，从而可以充分利用MEMS芯片以及ASIC芯片的有效面积，为MEMS和ASIC芯片设计提供最有效的空间；
[0028](2)因为MEMS和ASIC芯片面积充分最有效的利用，生产成本会得到大幅度降低，估计在30-40%左右；
[0029](3)运用TSV工艺把电路导线直接引出，进一步提高了器件的性能；
[0030](4)本发明将ASIC电路面朝外，封装好的晶片可以进一步做晶圆芯片规模封装工艺以及表面装配技术，可以适用于更广泛的封装领域以及进一步降低生产成本。
[0031 ] (5 )同时由于将AISC芯片与MEMS芯片进行晶圆级封装，省掉了芯片后续的封装工艺。直接通过BGA封装完成终端客户电路板的封装、贴片工艺。这样使产品的生产及测试成本大幅度降低，使芯片尺寸明显缩小。
【专利附图】
【附图说明】
[0032]图1为本发明加工MEMS惯性传感器装置的横截面；
[0033]图2为使用本工艺工程化绝缘硅(E-SOI)形成示意图；
[0034]图3为使用本工艺MEMS结构形成示意图；
[0035]图4为在ASIC带工厂生产ASIC晶圆加工TSV以及金属布线的示意图；
[0036]图5为使用本工艺晶圆金属共熔键合示意图；
[0037]图6为晶圆金属共熔键合后重布线层(RDL)以及球形触点阵列(BGA)的锡球结构示意图。
【具体实施方式】
[0038]为了使本发明实现的技术手段、技术特征、发明目的与技术效果易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
[0039]一种基于MEMS惯性传感器生产及晶圆级封装工艺，见图1，其步骤如下:
[0040]I)工程化的绝缘硅形成(E-S0I):
[0041]a、首先用娃托衬晶圆(handle wafer)《5》,背面蚀刻定位对准标记(第一光刻版)，然后在晶圆正面采用等离子体工艺刻蚀沟槽《I》(第二光刻板)；通过热氧化工艺生长一层氧化膜《7》；用硅镕键合工艺与另外一片微机电器件晶圆(Device wafer)《4》键合为一体；
[0042]b、在微机电器件晶圆面进行磨削到理想厚度，如图2所示；
[0043]2)用等离子体蚀刻工艺在微机电器件晶圆上面形成围沟(第三光刻板)，然后气相沉积一层锗或者硅《6》用于以后的晶圆键合，对锗或者硅薄镆与围沟对应作光刻图形(第四光刻板)以及等离子体刻蚀去掉不需要的锗，最后用DRIE工艺完成MEMS结构的刻蚀(第五光刻板)，如图3所示；
[0044]3)在标准ASIC带工厂生产ASIC晶圆2。《3》是ASIC面的焊锡位(bondpads)。然后在此晶圆上进行以下加工工艺如图4所示:
[0045]a、在有电路的ASIC正面光刻硅通孔(第六光刻板)，用DRIE工艺蚀刻足够深的沟槽，其深度为100-150微米，按照标准TSV工序对沟槽进行氧化物，金属的填充《8》，以及CMP的磨平，对ASIC晶圆背面进行磨削到100-150微米的厚度，再用CMP工艺磨平晶片表面(ASIC面的背面)；
[0046]b、用溅射工艺生长一层金属层《9》。对金属层《9》进行光刻走线图案制作(第七光刻板)以及湿法金属蚀刻，用化学气相沉积工艺长一层氧化物《10》，其厚度是金属层《9》的5-6倍；
[0047]C、进一步的光刻氧化层图案(第八光刻板)暴露金属层《9》，为金属层《11》作准备，先用溅射工艺生长一层金属层《11》其厚度约为《9》的3-4倍，对金属层《11》进行光刻布线(第九光刻板)，使金属层《11》与微机电器件晶圆《6》进行金属共熔键合；
[0048]d、最后一步工序是光刻图案制备以及用等离子体工艺蚀刻沟槽《12》(第十光刻板)，如图4所示；
[0049]4) MEMS晶圆和ASIC晶圆锗/铝，硅/铝或者锗/金、硅/金金属共熔键合，该工艺在真空下进行，最后的陀螺仪沟槽内腔体的压力不应大于0.50-0.75Torr ;见图5。
[0050]到此为止，晶圆可以进行划片(wafer dicing),再进行芯片级封装(CSP-Chipscalepackaging),比如用LGA或QFN的封装形式,本发明提出用晶圆级芯片规模封装工艺(WLCSP)以及后续的倒焊芯片(Flip-Chip)封装，图6示意了最后的芯片结构图；
[0051]5)晶圆级芯片规模封装工艺
[0052]a、在键合好的晶圆的ASIC面形成一层聚酰亚胺(polyimide-PI)或环氧树脂(Epoxy)《13》；b、用光刻工艺制备打开焊盘《3》的图案(第^ 光刻板)；用派射工艺(Sputtering)生长一层金属《14》(Al或Cu)；
[0053]C、用光刻工艺制备重布线层(RDL)(第十二光刻板)；用干法或湿法蚀刻工艺制备金属重布线层；
[0054]d、再形成一层聚酰亚胺(polyimide-PI)或环氧树脂(Epoxy)《15》；
[0055]e、用光刻工艺制备锡球BGA图案(第十三光刻板);最后形成UBM《16》以及BGA锡球《17》。
[0056] 综上所述仅为本发明较佳的实施例，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化及修饰，皆应属于本发明的技术范畴。
【权利要求】
1.一种基于MEMS惯性传感器生产及晶圆级封装工艺，其步骤如下: 1)工程化的绝缘娃形成(Engineered-SOIwafer): a、首先用娃托衬晶圆(handlewafer)《5》,背面蚀刻定位对准标记(第一光刻版)，然后在晶片正面采用等离子体工艺刻蚀沟槽《1》(第二光刻板)；通过热氧化工艺生长一层氧化膜《7》;用硅镕键合工艺与另外一片微机电器件晶圆(MEMS device wafer)《4》键合为一体； b、在微机电器件晶圆面进行磨削到理想厚度； 2)用等离子体蚀刻工艺在微机电器件晶圆上面形成围沟(第三光刻板)，然后气相沉积一层锗或者硅《6》用于以后的晶圆键合，对锗或者硅薄镆与围沟对应作光刻图形(第四光刻板)以及等离子体刻蚀去掉不需要的锗，最后用DRIE工艺完成MEMS结构的刻蚀(第五光刻板)； 3)在标准ASIC带工厂生产ASIC晶圆《2》；《3》是ASIC面的焊锡位(bondpads);然后在此晶圆上进行以下加工工艺: a、在有电路的ASIC正面光刻硅通孔(TSV)(第六光刻板)，用DRIE工艺蚀刻足够深的沟槽，其深度为100-150微米，按照标准TSV工序对沟槽进行氧化物，金属的填充《8》，以及CMP的磨平，对ASIC晶圆背面进行磨削到100-150微米的厚度，再用CMP工艺磨平晶片表面(ASIC面的背面)； b、用溅射工艺生长一层金属层《9》;对金属《9》进行光刻走线图案制作(第七光刻板)以及湿法金属蚀刻，用化学气相沉积工艺长一层氧化物《10》，其厚度是金属层《9》的5-6倍; C、进一步的光刻氧化层图案(第八光刻板)暴露金属层《9》，为金属层《11》作准备，先用溅射工艺生长一层金属层《11》，其厚度约为《9》的3-4倍，对金属层《11》进行光刻布线(第九光刻板)，使金属层《11》与微机电器件晶圆《6》进行金属共熔键合； d、最后一步工序是光刻图案制备以及用等离子体工艺蚀刻沟槽《12》(第十光刻板)； 4)MEMS晶圆和ASIC晶圆锗/铝，硅/铝或者锗/金、硅/金金属共熔键合，该工艺在真空下进行，最后的陀螺仪沟槽内腔体的压力不应大于0.50-0.75Torr ； 到处为止，晶圆可以进行划片(wafer dicing)以及芯片级封装(CSP_chip scalepackaging)。比如LGA或者QFN的封装形式。本发明提出用晶圆级芯片规模封装工艺(WLCSP)以及后续的倒焊封装(Flip-Chip)； 5)晶圆级芯片规模封装工艺(WLCSP) a、在键合好的晶圆的ASIC面形成一层聚酰亚胺(polyimide-PI)或环氧树脂(Epoxy)《13》； b、用光刻工艺制备打开焊盘的图案(第^光刻板);用派射工艺(Sputtering)生长一层金属(Al或Cu)《14》； C、用光刻工艺制备重布线层(RDL)(第十二光刻板)；用干法或湿法蚀刻工艺制备金属重布线层《14》； d、再形成一层聚酰亚胺(polyimide-PI)或环氧树脂(Epoxy)《15》； e、用光刻工艺制备锡球BGA图案(第十三光刻板)；最后形成UBM《16》以及BGA锡球《17》。
【文档编号】B81B7/00GK103922267SQ201310009174
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2013年1月10日 优先权日:2013年1月10日
【发明者】韩华, 邹波 申请人:深迪半导体(上海)有限公司