叠层组合式mems芯片的制造方法及其叠层组合式mems芯片的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种叠层组合式MEMS芯片及其制造方法，首先制造第一MEMS圆片和硅穿孔圆片，将第一MEMS圆片和硅穿孔圆片键合得到密封圆片，在密封圆片上制作绝缘层和金属层形成金属化密封圆片，将第二MEMS圆片键合到金属化密封圆片上得到叠层组合式MEMS圆片，最后切割叠层组合式MEMS圆片得到叠层组合式MEMS芯片。本方法充分利用硅穿孔圆片的面积，在其上下两侧各形成至少一个上密封腔和至少一个下密封腔，密封腔内有MEMS结构，密封腔内的MEMS结构的信号通过金属层引出，在他们的信号线之间有屏蔽金属层用于隔离不同MEMS结构电信号之间的干扰。本方法的叠层组合式MEMS芯片，可以满足组合式运动传感器芯片对不同压力的要求，而且本芯片体积小、集成度高、设计灵活、成本低。
【专利说明】叠层组合式MEMS芯片的制造方法及其叠层组合式MEMS芯
片
【技术领域】
[0001]本发明属于MEMS芯片制造【技术领域】，具体是涉及一种叠层组合式MEMS芯片，本发明还涉及这种叠层组合式MEMS芯片的制造方法。
【背景技术】
[0002]MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems)是微机电系统的缩写，MEMS 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，结合专用控制集成电路(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。MEMS元器件具有体积小、成本低、可靠性高、抗恶劣环境能力强、功耗低、智能化程度高、易校准、易集成的优点，被广泛应用于消费类电子产品(如手机、平板电脑、玩具、数码相机、游戏机、空中鼠标、遥控器、GPS等)、国防工业(如智能炸弹、导弹、航空航天、无人飞机等)以及工业类产品(如汽车、机器人、智能交通、工业自动化、环境监测、平台稳定控制、现代化农业、安全监控等)，MEMS元器件逐渐成为物联网技术的基石。
[0003]随着便携式电子产品，如手机、平板电脑等市场的迅猛增长，消费类电子产品已成为MEMS元器件的最大市场，几乎每个便携式电子产品中都会用到多个MEMS元器件，以智能手机为例，它用到了陀螺仪、加速度计、高度计、麦克风、电子指南针、调谐天线、滤波器等。随着市场对MEMS元器件的要求越来越严格，既要体积小、性能高，又要价格低、组合式MEMS元器件，特别是组合式MEMS运动传感器的市场份额越来越大。组合式MEMS元器件是将二种或二种以上的MEMS元器件的功能集中在一个元器件中，如陀螺仪+加速度计、加速度计+电子指南针、陀螺仪+加速度计+电子指南针等组合式运动传感器，它们大多是将独立的MEMS芯片通过封装的办法组合而成的，也有直接将三轴加速度计和三轴陀螺仪芯片做在同一个MEMS芯片中的，这就是组合式MEMS运动传感器芯片。但现有产品中，不同的MEMS结构都是制作在同一 MEMS层上，即加速度计和陀螺仪，或者二个量程不同的陀螺仪水平方向排列，如Invensense、Bosch、STMicroelectronics等的产品，由于不同的MEMS结构利用同
一MEMS层制作，设计灵活性差，而且，MEMS陀螺仪和加速度计的工作原理不一样，陀螺仪在较低压力下工作性能最佳，一般在0.001大气压以下，而加速度计在较高压力下工作性能最佳，一般在0.1大气压以上，这就要求MEMS芯片同时满足两者需求，即将MEMS陀螺仪结构制作在较低气压中，将MEMS加速度计结构制作在较高的气压中。现有的双压力MEMS芯片圆片级封装方法由德国 Fraunhofer-1nstitut fiir Siliziumtechnologie 的K.Reimer,Ch.Schroder, M.WeiB 等人在((Dual pressure chip capping technology)) 一文中提出的，是在一个密封腔中制作有吸气剂，在另一个密封腔中没有吸气剂，当他们在圆片键合时密封腔中封入活性气体和惰性气体的混合物，然后加热后处理，有吸气剂的密封腔内的活性气体被吸收，只剩下惰性气体，内部压力较低，根据混合气体的比例不同，压力可接近真空；而没有吸气剂的密封腔内活性气体不会被吸收，气体压力不会变化，压力较高，这样达成双压力圆片级封装目的，此方法需要用到吸气剂，而且吸气剂还需要图形化，成本较高。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种叠层组合式MEMS芯片的制造方法，以满足组合式MEMS芯片中不同的MEMS结构对不同气压、不同材料的要求；以及便携式电子产品对元器件体积最小化的要求。
[0005]本发明要解决的另一个技术问题是提供一种叠层组合式MEMS芯片，该芯片不需要在密封腔内放入吸气剂，就可以满足组合式运动传感器芯片对不同压力的要求，而且本芯片尺寸小、集成度高、成本低、市场竞争力强。
[0006]为解决上述技术问题，本发明提供了一种叠层组合式MEMS芯片的制造方法，包括以下步骤:
(I)第一 MEMS圆片形成:底板圆片的材料为〈100〉晶向的单晶硅，通过一般的半导体加工技术，在底板圆片上表面生长底板绝缘层，其材料为二氧化硅，通过涂胶，曝光、显影，蚀刻等半导体加工工艺在底板表面上蚀刻出至少一个底板凹腔，底板上表面未被蚀刻的部分成为底板密封区和第一硅柱，在所述第一硅柱和底板密封区表面上都有底板绝缘层保留；将一片双面抛光的重掺〈100〉晶向的单晶硅圆片通过硅-二氧化硅键合工艺键合到底板圆片上表面上，作为第一 MEMS层圆片，由于底板圆片上有底板绝缘层，所以底板圆片与单晶硅圆片之间没有电联接；由于键合工艺的要求，单晶硅圆片厚度一般在350— 750微米，比设计要求的厚，所以需通过磨削、抛光工艺将其厚度降低至设计要求的厚度，一般在10—100微米，形成第一 MEMS层，然后通过深硅蚀刻工艺蚀刻第一 MEMS层，形成第一 MEMS密封区、第一 MEMS结构和第一 MEMS导电区，这样就完成第一 MEMS圆片的制造。
[0007](2)硅穿孔圆片形成:在硅穿孔圆片衬底上通过深硅蚀刻工艺蚀刻出隔离沟，通过半导体加工工艺生长二氧化硅填满隔离沟，形成二氧化硅隔离层；在硅穿孔圆片衬底的正面蚀刻出第一凹腔，同时，硅穿孔圆片衬底正面未被蚀刻的部分形成导电键合区和密封键合区；湿法蚀刻除去隔离沟外的二氧化硅，就完成了硅穿孔圆片的制造，硅穿孔圆片衬底的材料是双面抛光的重掺〈100〉晶向的单晶硅，具有良好的导电性能。
[0008](3)密封圆片形成:将硅穿孔圆片正面的图形对准第一 MEMS圆片的第一 MEMS层的图形，在设定气压的键合设备中进行硅-硅键合，将硅穿孔圆片和第一 MEMS圆片键合在一起，形成密封圆片，其中，第一凹腔成为第一垂直电极间距，底板凹腔与第一凹腔共同组成下密封腔，第一 MEMS结构位于下密封腔内。
[0009](4)金属化密封圆片形成:磨削密封圆片中的硅穿孔圆片背面，露出隔离沟，硅穿孔圆片被隔离沟分割为第一垂直电极、密封区和硅导电柱；
在淀积第一绝缘层覆盖硅穿孔圆片，在第一绝缘层上蚀刻出第一通孔，淀积第一金属层覆盖第一绝缘层，同时填充第一通孔，通过蚀刻工艺图形化第一金属层，得到第一金属线和压焊块，第一金属线与第一 MEMS结构就有了电联接，第一 MEMS结构的信号就可以通过与硅导电柱相连的第一金属层引出；
由于第一 MEMS结构和第二 MEMS结构可能有不同的工作原理，为避免二者间的电信号干扰，还需要一层金属来将它们的电信号加以屏蔽，所以需要在第一金属层上淀积第二绝缘层，在第二绝缘层蚀刻出第二通孔，再淀积第二金属层覆盖第二绝缘层，同时填充第二通孔，然后通过蚀刻工艺图形化第二金属层，得到第二金属线和屏蔽区，第二金属线与第一金属线间就有了电联接，第一金属线一端连接压焊块，第二金属线与压焊块间就有了电联接；在第二金属层上淀积第三绝缘层，蚀刻第三绝缘层形成第三通孔，在第三绝缘层上淀积第三金属层，同时第三通孔也被填充，通过蚀刻工艺图形化第三金属层，得到第三金属线、第二垂直电极和金属密封区，第三金属层与第二金属层就有了电连接；最后通过蚀刻工艺将覆盖在压焊块上的第二绝缘层和第三绝缘层除去，形成压焊窗，露出压焊块，就制造完成金属化密封圆片。
[0010](5)第二 MEMS圆片形成:第二 MEMS圆片的制造方法与第一 MEMS圆片的制造方法类似，通过一般的半导体加工技术，在以〈100〉晶向的单晶硅为材料的盖板圆片上表面生长盖板绝缘层，盖板绝缘层的材料是二氧化硅，然后通过涂胶，曝光、显影，蚀刻等半导体加工工艺蚀刻出至少一个盖板凹腔，盖板上表面未被蚀刻的部分成为盖板密封区和第二硅柱；
将一片双面抛光的重掺〈100〉晶向的单晶硅圆片通过硅-二氧化硅键合工艺键合到盖板圆片第二硅柱和盖板密封区上，作为第二 MEMS层圆片，由于第二硅柱和盖板密封区表面上都有盖板绝缘层，第二 MEMS层圆片与盖板圆片间没有电连接；由于键合工艺的要求，需通过磨削、抛光工艺将第二 MEMS层圆片磨削到厚度在10 —100 Mm之间，形成第二 MEMS层，第二 MEMS层的厚度可以与第一 MEMS层的厚度不同，也可以相同；在第二 MEMS层上对应盖板凹腔处蚀刻出第二凹腔，为第二 MEMS结构提供自由活动的空间以及作为第二垂直电极间距；最后通过深硅蚀刻工艺蚀刻第二 MEMS层，形成第二 MEMS密封区、第二 MEMS结构和第
二MEMS导电区，这样，就完成第二 MEMS圆片的制造；
(6)叠层组合式MEMS圆片形成:将第二 MEMS圆片的盖板表面朝上，第二 MEMS导电区和第二 MEMS密封区分别对准金属化密封圆片的第三金属线和金属密封区，在设定气压的键合设备内进行硅-金属键合，形成叠层组合式MEMS圆片，其中第二凹腔与盖板凹腔共同组成上密封腔，第二 MEMS结构位于上密封腔内，第二 MEMS层与金属化密封圆片上的第二垂直电极间形成第二垂直电极间距，用于感应第二 MEMS结构在垂直方向的运动，所述上密封腔内的气压可以与下密封腔内的气压不同，也可以相同，至此，叠层组合式MEMS圆片制造完成。
[0011](7)叠层组合式MEMS芯片形成:为将圆片切割成芯片，首先控制切割刀的深度，将叠层组合式MEMS圆片中位于压焊块上方的第二MEMS圆片切割掉，露出压焊块；然后通过普通的圆片切割工艺切割叠层组合式MEMS圆片，得到叠层组合式MEMS芯片。
[0012]本发明的叠层组合式MEMS芯片的制造方法，充分利用硅穿孔圆片的面积，在其上下两侧各形成至少一个上密封腔和至少一个下密封腔，每个密封腔内至少有一个MEMS结构，上下密封腔内的MEMS结构的信号通过金属层引出，在他们的信号线之间有屏蔽金属层用于隔离不同MEMS结构的电信号之间的干扰。利用本发明的方法制造的叠层组合式MEMS芯片，上下密封腔内的气压可以不同也可以相同，上下MEMS结构可以采用不同的厚度，具有体积小，设计灵活，成本低的优势。
[0013]为解决本发明的另一个技术问题，本发明提供一种叠层组合式MEMS芯片，由底板、第一 MEMS层、硅穿孔集成层、第二 MEMS层和盖板组成，底板上至少有一个底板凹腔，盖板上至少有一个盖板凹腔，底板凹腔与硅穿孔集成层形成至少一个下密封腔，盖板凹腔与硅穿孔集成层形成至少一个上密封腔，二个密封腔的内部气压不同，第一 MEMS结构位于下密封腔内，第二 MEMS结构位于上密封腔内，底板与第一 MEMS层间有底板绝缘层隔离，盖板与第二 MEMS层间有盖板绝缘层隔离；所述硅穿孔集成层包括硅穿孔层、至少一层绝缘层和至少一层金属层，所述硅穿孔层上有隔离沟，隔离沟内填充隔离层，硅穿孔层被隔离沟分为密封键合区、第一垂直电极和硅导电柱，密封键合区和硅导电柱都与第一 MEMS层直接键合，第一垂直电极与第一 MEMS结构间存在第一垂直电极间距；所述硅穿孔层上积淀有绝缘层，绝缘层内开有通孔，金属层分布在绝缘层上并同时填充在通孔内。所述第一 MEMS层包括第一 MEMS键合区、第一 MEMS结构和第一 MEMS导电区，第一 MEMS键合区与密封键合区键合，第一 MEMS导电区与硅导电柱键合。所述绝缘层有三层，分别为第一绝缘层、第二绝缘层和第三绝缘层,所述金属层有三层，分别为第一金属层、第二金属层和第三金属层,第一绝缘层覆盖在硅穿孔层上，第一绝缘层内开有第一通孔，第一金属层分布在第一绝缘层上并同时填充在第一通孔内，第一金属层用于引出第一 MEMS结构的电信号，同时还作为压焊块引出第一 MEMS结构和第二 MEMS结构的电信号；第二绝缘层淀积在第一金属层上，第二绝缘层内开有第二通孔，第二金属层覆盖在第二绝缘层上并同时填充在第二通孔内，第二金属层用于屏蔽第一金属层与第三金属层间的电信号干扰，同时用于连接第三金属层和第一金属层；第二金属层上淀积第三绝缘层，第三绝缘层内开有第三通孔，第三金属层覆盖在第三绝缘层上并同时填充在第三通孔内，第三金属层用于引出第二 MEMS结构的电信号，同时用于围成上密封腔，第三金属层的第二垂直电极部分与第二 MEMS结构间存在第二垂直电极间距。所述第一金属层按功能分为第一金属线和压焊块，第一金属线通过第一通孔与第一垂直电极和硅导电柱电联接，压焊块裸露在第二绝缘层外。所述第二金属层按功能分为第二金属线和屏蔽区，第二金属线通过第二通孔与第一金属线电联接，第一金属线一端与压焊块连接。所述第三金属层按功能分为第三金属线、金属密封区和第二垂直电极，第三金属线与第二 MEMS层电联接，第二垂直电极通过第三通孔与第二金属线电联接，金属密封区与第二 MEMS层直接键合。
[0014]本发明的叠成组合式MEMS芯片具有至少一个上密封腔和至少一个下密封腔，上下密封腔相互独立且叠置设置，上下密封腔内的气压可以不同也可以相同，不同的MEMS结构分别位于上下密封腔内，之间用金属层来屏蔽信号干扰，不同的MEMS结构制作在同一MEMS芯片内，可以同时满足不同集成式MEMS元器件的要求，而且具有体积小，设计灵活，成本低。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是底板圆片的剖面图。
[0016]图2是第一 MEMS圆片的剖面图。
[0017]图3是硅穿孔圆片的剖面图。
[0018]图4是密封圆片的剖面图。
[0019]图5是形成第一金属层的密封圆片的剖面图。
[0020]图6是形成第二金属层的密封圆片的剖面图。
[0021]图7是压焊块侧金属布线俯视图。
[0022]图8是形成第三金属层的密封圆片的剖面图。
[0023]图9是键合有第二 MEMS层的盖板圆片的剖面图。[0024]图10是第二 MEMS圆片的剖面图。
[0025]图11是叠层组合式MEMS圆片的剖面图。
[0026]图12是切割掉第二 MEMS圆片的叠层组合式MEMS圆片的剖面图。
[0027]图13是叠层组合式MEMS芯片的示意图。
【具体实施方式】
[0028]下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0029]实施例一
叠层组合式MEMS芯片的制造方法，包括以下步骤:
(I)第一 MEMS圆片100A形成:
底板圆片IOlA的材料为〈100〉晶向的单晶硅，通过一般的半导体加工技术，在底板圆片IOlA上生长底板绝缘层102，底板绝缘层102材料为二氧化硅，通过涂胶，曝光、显影，蚀刻等半导体加工工艺在底板圆片IOlA上表面蚀刻出一个底板凹腔103a，底板圆片IOlA上表面未蚀刻掉的部分成为第一娃柱IOla和底板密封区IOlb,如图1所不,在所述第一娃柱IOla和底板密封区IOlb表面都带有底板绝缘层102 ;底板凹腔103a由右半部和左半部组成，左半部和右半部是相通的，第一硅柱IOla被底板凹腔103a包围；
将一片双面抛光的重掺〈100〉晶向的单晶硅圆片通过硅-二氧化硅键合工艺键合到底板圆片IOlA上表面上,形成第一键合面，由于底板圆片IOlA上表面有底板绝缘层102,所以第一键合面只提供机械连接力，不提供电联接通道，底板圆片IOlA与单晶硅圆片之间没有电联接；由于键合工艺的要求，双面抛光的重掺〈100〉晶向的单晶硅圆片厚度一般在350—750微米，比设计要求的第一 MEMS层104厚，所以需通过磨削、抛光工艺将其厚度降低到设计要求的厚度，一般在10 —100微米，形成第一 MEMS层104，然后通过深硅蚀刻工艺蚀刻第一 MEMS层104，形成第一 MEMS密封区104a、第一 MEMS结构104b和第一 MEMS导电区104c，这样就制造完成第一 MEMS圆片100A，如图2所示。
[0030](2)硅穿孔圆片200A形成:
在硅穿孔圆片衬底201上通过深硅蚀刻工艺蚀刻出隔离沟202，通过半导体加工工艺生长二氧化硅，将隔离沟202填满，形成二氧化硅隔离层；在硅穿孔圆片衬底201的正面蚀刻出第一凹腔203a，硅穿孔圆片衬底201正面未被蚀刻的部分形成密封键合区201a和导电键合区201b ;湿法蚀刻除去隔离沟202外的二氧化硅，就完成了硅穿孔圆片200A的制造，如图3所示。硅穿孔圆片衬底201的材料是双面抛光的重掺〈100〉晶向的单晶硅，具有良好的导电性能。
[0031](3)密封圆片300A形成:
将硅穿孔圆片200A正面的图形对准第一 MEMS圆片100A的第一 MEMS层104的图形，在设定气压的键合设备中进行硅-硅键合，通过第二键合面将硅穿孔圆片200A和第一MEMS圆片100A键合在一起，形成下密封腔103和第一垂直电极间距203，如图4所示，第一 MEMS结构104b位于下密封腔103内，这样就完成了密封圆片300A的制造。第二键合面既提供了机械连接力，也提供了导电通道。
[0032](4)金属化密封圆片400A形成:
首先磨削密封圆片300A中的硅穿孔圆片200A背面，直至露出隔离沟202背面，这样，硅穿孔圆片200A就被隔离沟202分割为第一垂直电极201d、密封键合区201c和硅导电柱201e ;然后淀积第一绝缘层401覆盖硅穿孔圆片200A，在所述第一绝缘层401上蚀刻出第一通孔402，再淀积第一金属层403覆盖第一绝缘层401以及填充第一通孔402，并通过蚀刻工艺图形化所述第一金属层403，得到第一金属线403a以及压焊块403b，如图5所示；这样，第一金属线403a与第一 MEMS结构104b就有了电联接。
[0033]由于两层MEMS结构可以有不同的工作原理,为避免二者间的电信号干扰，需要一层金属层来将它们的电信号加以屏蔽，首先在第一金属层403上淀积第二绝缘层404，在第二绝缘层404上蚀刻出第二通孔405，再淀积第二金属层406覆盖第二绝缘层404以及填充第二通孔405，并通过蚀刻工艺图形化第二金属层406，得到屏蔽区406b和第二金属线406a,如图6所不；这样，第二金属线406a与第一金属线403a就有了电联接。图6中M部是压焊块侧的金属布线区，其俯视图如图7所示，第一金属线403a通过第一通孔402与硅导电柱201e电联接,第二金属线406a通过第二通孔405与第一金属线403a电联接,第一金属线403a的一端连接压焊块403b，这样，第二金属线406a就与压焊块403b电连接。
[0034]如图6所示的第二金属层406上淀积第三绝缘层407，在第三绝缘层407上蚀刻出第三通孔408，再淀积第三金属层409覆盖第三绝缘层407，以及填充第三通孔408，并通过蚀刻工艺图形化第三金属层409，得到第二垂直电极409c、第三金属线409a和金属密封区409b，如图8所示，这样，第三金属层409通过第三通孔408与第二金属层406有了电联接；最后通过蚀刻工艺将覆盖在压焊块403b上的第二绝缘层404和第三绝缘层407除去，形成压焊窗，露出压焊块403b，制造完成金属化的密封圆片400A，如图8所示；所述硅穿孔圆片200A、第一绝缘层401、第一金属层403、第二绝缘层404、第二金属层406、第三绝缘层407和第三金属层409构成了硅穿孔集成层410。
[0035](5 )第二 MEMS 圆片 500A 形成:
第二 MEMS圆片500A的制造方法与第一 MEMS圆片100A的制造方法类似，以〈100〉晶向的单晶硅作为盖板圆片501A的材料，通过一般的半导体加工技术，在盖板圆片501A上生长盖板绝缘层502，盖板绝缘层502的材料为二氧化硅，然后通过涂胶，曝光、显影，蚀刻等半导体加工工艺，蚀刻出盖板凹腔503a，盖板圆片501A上表面未被蚀刻的部分成为盖板密封区501a和第二硅柱501b ;在所述第二硅柱501b和盖板密封区501a表面都带有盖板绝缘层502 ;盖板凹腔503a由左半部和右半部组成，第二硅柱501b被盖板凹腔503a包围；然后将一片双面抛光的重掺〈100〉晶向的单晶硅圆片通过硅-二氧化硅键合工艺键合到盖板圆片501A第二娃柱501b和盖板密封区501a上,形成第三键合面，由于第二娃柱501b和盖板密封区501a上有盖板绝缘层502，所以第三键合面只提供机械连接力，不提供电联接通道，单晶硅圆片与盖板圆片501A间没有电连接；由于键合工艺的要求，双面抛光的单晶硅圆片厚度一般在350— 750微米，比设计要求的第二 MEMS层504厚，所以需通过磨削、抛光工艺将其厚度降低到设计要求的厚度，一般在10 —100微米，形成第二MEMS层504，如图9所示，所述第二 MEMS层504的厚度可以与第一 MEMS层104的厚度不同，也可以相同。
[0036]然后在第二 MEMS层504上对应盖板凹腔503a处蚀刻出第二凹腔505a ;最后通过深硅蚀刻工艺蚀刻第二 MEMS层504，形成第二 MEMS结构504b、第二 MEMS导电区504c以及第二 MEMS密封区504a，这样就制造完成第二 MEMS圆片500A，如图10所示。
[0037](6)叠层组合式MEMS圆片600A形成: 将第二 MEMS圆片500A的盖板圆片50IA表面朝上，第二 MEMS导电区504c和第二 MEMS密封区504a分别对准金属化密封圆片400A上第三金属线409a和金属密封区409c的图形，在设定气压的键合设备内进行硅-金属键合，形成上密封腔503、第二垂直电极间距505以及压焊区密封腔，所述上密封腔503内的气压可以与下密封腔103内的气压不同，也可以相同；所述第四键合面除了提供机械连接力外，还为第二MEMS结构504b与第三金属层409提供了电信号通道；至此，叠层组合式MEMS圆片600A制造完成，如图11所示。
[0038](7 )叠层组合式MEMS芯片700形成:
为将圆片切割成芯片，首先控制切割刀的深度，将叠层组合式MEMS圆片600A中位于压焊块403b上方的第二 MEMS圆片500A部分切割掉，形成第一切割面，露出压焊块403b，如图12所示。
[0039]最后通过普通的圆片切割工艺切割叠层组合式MEMS圆片600A，得到叠层组合式MEMS芯片700，如图13所示。
[0040]实施例二
实施例一制得的叠层组合式MEMS芯片700，如图13所示，由底板101、第一MEMS层104、硅穿孔集成层410、第二 MEMS层504和盖板501组成，底板101上有一个底板凹腔103a，盖板上有一个盖板凹腔503a，底板凹腔103a与硅穿孔集成层410形成一个下密封腔103，盖板凹腔503a与硅穿孔集成层410形成一个上密封腔503，二个密封腔的内部气压不同，所述第一 MEMS层104包括第一 MEMS键合区104a、第一 MEMS结构104b和第一 MEMS导电区104c，第一 MEMS结构104b位于下密封腔103内，所述第二 MEMS层504包括第一 MEMS键合区504a、第一 MEMS结构504b和第一 MEMS导电区504c，第二 MEMS结构504b位于上密封腔503内，底板101与第一 MEMS层104间有底板绝缘层102隔离，盖板501与第二 MEMS层504间有盖板绝缘层502隔离；所述硅穿孔集成层410包括硅穿孔层200、第一绝缘层401、第一金属层403、第二绝缘层404、第二金属层406、第三绝缘层407和第三金属层409,所述硅穿孔层200上有隔离沟202，隔离沟202内填充二氧化硅隔离层，硅穿孔层200被隔离沟202分为密封键合区201c、第一垂直电极201d和硅导电柱201e，密封键合区201c和硅导电柱201e都与第一 MEMS层104直接键合，第一垂直电极201d与第一 MEMS结构104b间存在第一垂直电极间距203 ;第一绝缘层401覆盖在硅穿孔层200上，第一绝缘层401内开有第一通孔402，第一金属层分布在第一绝缘层401上并同时填充在第一通孔402内，第一金属层按功能分为第一金属线403a和压焊块403b，第一金属线403a通过第一通孔402与第一垂直电极201d和娃导电柱201e电联接,压焊块403b裸露在第二绝缘层404外,第一金属层用于引出第一 MEMS结构104b的电信号，同时还作为压焊块403b引出第一 MEMS结构104b和第二 MEMS结构504b的电信号；第二绝缘层404淀积在第一金属层上，第二绝缘层404内开有第二通孔405，第二金属层覆盖在第二绝缘层404上并同时填充在第二通孔405内，第二金属层按功能分为第二金属线406a和屏蔽区406b,第二金属线406a通过第二通孔405与第一金属线403a电联接,第二金属层用于屏蔽第一金属层与第三金属层间的电信号干扰，同时用于连接第三金属层和第一金属层；第二金属层上淀积第三绝缘层407，第三绝缘层407内开有第三通孔408，第三金属层覆盖在第三绝缘层407上并同时填充在第三通孔408内，第三金属层按功能分为第三金属线409a、金属密封区409c和第二垂直电极409b,第三金属线409a与第二 MEMS层504间电联接，第二垂直电极409b通过第三通孔408与第二金属线406a电联接，金属密封区409c与第二 MEMS层504直接键合，第三金属层用于引出第二 MEMS结构504b的电信号，同时用于围成上密封腔503,第三金属层的第二垂直电极部分与第二 MEMS结构间存在第二垂直电极间距505。
【权利要求】
1.叠层组合式MEMS芯片的制造方法，步骤为: (1)第一MEMS圆片形成:在底板圆片上表面生长底板绝缘层，蚀刻出至少一个底板凹腔，底板上表面未被蚀刻的部分成为底板密封区和第一硅柱；将单晶硅圆片键合到底板圆片上表面上，作为第一 MEMS层圆片，磨削第一 MEMS层圆片到10 —100 Mm，形成第一 MEMS层，蚀刻第一 MEMS层，形成第一 MEMS密封区、第一 MEMS结构和第一 MEMS导电区，这样，就完成第一 MEMS圆片的制造； (2)硅穿孔圆片形成:在硅穿孔圆片衬底上蚀刻出隔离沟，生长二氧化硅填满隔离沟，形成二氧化硅隔离层，然后蚀刻出至少一个第一凹腔，硅穿孔圆片衬底上未被蚀刻的部分成为导电键合区和密封键合区，最后蚀刻除去隔离沟外的二氧化硅，形成硅穿孔圆片； (3)密封圆片形成:将第一MEMS圆片和硅穿孔圆片在设定气压的键合室中对准键合，形成密封圆片，其中第一凹腔与底板凹腔共同组成下密封腔，第一 MEMS结构位于下密封腔内； (4)金属化密封圆片形成:磨削密封圆片上的硅穿孔圆片，露出隔离沟，硅穿孔圆片被隔离沟分割为第一垂直电极、密封区和硅导电柱；在硅穿孔圆片上淀积至少一层绝缘层覆盖硅穿孔圆片，在绝缘层上蚀刻出通孔，淀积金属层覆盖绝缘层，同时填充通孔，然后图形化金属层，得到金属线和圧焊块，最后将覆盖在压焊块上的绝缘层蚀刻掉，露出压焊块，制造完成金属化密封圆片； (5)第二MEMS圆片形成:在盖板圆片上表面生长盖板绝缘层，蚀刻出至少一个盖板凹腔，盖板上表面未被蚀刻的部分成为盖板密封区和第二硅柱；将单晶硅圆片键合到盖板圆片上表面上，作为第二 MEMS层圆片，磨削第二 MEMS层圆片到10 —100 Mm，形成第二 MEMS层，在第二 MEMS层上对应盖板凹腔处蚀刻出第二凹腔，最后蚀刻第二 MEMS层，形成第二MEMS密封区、第二 MEMS结构和第二 MEMS导电区，这样，就完成第二 MEMS圆片的制造； (6)叠层组合式MEMS圆片形成:将金属化密封圆片和第二MEMS圆片在设定气压的键合设备内对准键合，形成叠层组合式MEMS圆片，其中第二凹腔与盖板凹腔共同组成上密封腔，第二 MEMS结构位于上密封腔内； (7)叠层组合式MEMS芯片形成:首先叠层组合式MEMS圆片中将压焊块上方的第二MEMS圆片切割掉，露出压焊块，然后切割叠层组合式MEMS圆片，得到叠层组合式MEMS芯片。
2.根据权利要求1所述的叠层组合式MEMS芯片的制造方法，其特征在于:步骤(1)中键合工艺为硅一二氧化硅键合，步骤(3)中键合工艺为硅一娃键合，步骤(5)中键合工艺为硅一二氧化硅键合，步骤(6)中键合工艺为硅一金属键合。
3.根据权利要求1所述的叠层组合式MEMS芯片的制造方法，其特征在于:步骤(1)和步骤(5)所述的单晶硅圆片和步骤(2)所述的硅穿孔圆片衬底的材料都是双面抛光的重掺<100>晶向的单晶硅。
4.根据权利要求1所述的叠层组合式MEMS芯片的制造方法，其特征在于:步骤(4)所述的绝缘层有三层，分别为第一绝缘层、第二绝缘层和第三绝缘层，第一绝缘层覆盖硅穿孔圆片，在第一绝缘层上蚀刻出第一通孔，淀积第一金属层覆盖第一绝缘层，同时填充第一通孔，图形化第一金属层，得到第一金属线和压焊块；在第一金属层上淀积第二绝缘层，在第二绝缘层蚀刻出第 二通孔，再淀积第二金属层覆盖第二绝缘层，同时填充第二通孔，然后图形化第二金属层，得到第二金属线和屏蔽区；在第二金属层上淀积第三绝缘层，蚀刻第三绝缘层形成第三通孔，在第三绝缘层上淀积第三金属层，同时第三通孔也被填充，图形化第三金属层，得到第三金属线、第二垂直电极和金属密封区。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的叠层组合式MEMS芯片的制造方法制得的叠层组合式MEMS芯片，其特征在于:由底板、第一 MEMS层、硅穿孔集成层、第二 MEMS层和盖板组成；底板上至少有一个底板凹腔，盖板上至少有一个盖板凹腔，底板凹腔与硅穿孔集成层形成至少一个下密封腔，第一 MEMS结构位于下密封腔内，盖板凹腔与硅穿孔集成层形成至少一个上密封腔，第二 MEMS结构位于上密封腔内，上密封腔和下密封腔内气压不同，第二MEMS层和第一 MEMS层分别键合在硅穿孔集成层上下两侧； 所述硅穿孔集成层包括硅穿孔层、至少一层绝缘层和至少一层金属层，所述硅穿孔层上有隔离沟，隔离沟内填充隔离层，硅穿孔层被隔离沟分为密封键合区、第一垂直电极和硅导电柱，密封键合区和硅导电柱都与第一 MEMS层直接键合，第一垂直电极与第一 MEMS结构间存在第一垂直电极间距；硅穿孔层上积淀有绝缘层，绝缘层内开有通孔，金属层分布在绝缘层上并同时填充在通孔内； 第一 MEMS层与 底板之间有底板绝缘层隔离，第二 MEMS层与盖板之间有盖板绝缘层隔离。
6.根据权利要求5所述的叠层组合式MEMS芯片，其特征在于:所述第一MEMS层包括第一 MEMS键合区、第一 MEMS结构和第一 MEMS导电区，第一 MEMS键合区与密封键合区键合，第一 MEMS导电区与硅导电柱键合。
7.根据权利要求5所述的叠层组合式MEMS芯片，其特征在于:所述绝缘层有三层，分别为第一绝缘层、第二绝缘层和第三绝缘层，所述金属层有三层，分别为第一金属层、第二金属层和第三金属层，第一绝缘层覆盖在硅穿孔层上，第一绝缘层内开有第一通孔，第一金属层分布在第一绝缘层上并同时填充在第一通孔内；第二绝缘层淀积在第一金属层上，第二绝缘层内开有第二通孔，第二金属层覆盖在第二绝缘层上并同时填充在第二通孔内；第二金属层上淀积第三绝缘层，第三绝缘层内开有第三通孔，第三金属层覆盖在第三绝缘层上并同时填充在第三通孔内。
8.根据权利要求7所述的叠层组合式MEMS芯片，其特征在于:所述第一金属层按功能分为第一金属线和压焊块，第一金属线通过第一通孔与第一垂直电极和硅导电柱电联接，压焊块裸露在第二绝缘层外。
9.根据权利要求7所述的叠层组合式MEMS芯片，其特征在于:所述第二金属层按功能分为第二金属线和屏蔽区，第二金属线通过第二通孔与第一金属线电联接，第一金属线一端与压焊块连接。
10.根据权利要求7所述的叠层组合式MEMS芯片，其特征在于:所述第三金属层按功能分为第三金属线、金属密封区和第二垂直电极，第三金属线与第二 MEMS层电联接，第二垂直电极通过第三通孔与第二金属线电联接，金属密封区与第二 MEMS层直接键合。
【文档编号】B81B7/00GK103922273SQ201410178952
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年4月30日 优先权日:2014年4月30日
【发明者】华亚平 申请人:安徽北方芯动联科微系统技术有限公司