[发明专利]一种基于MEMS的惯性传感器生产及晶圆级封装工艺

说明书

技术领域

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

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。

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）：

（1）、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高；

（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高；

（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）；

（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

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%。

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：

1）工程化的绝缘硅形成：

a、首先用硅托衬晶圆（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)《1》；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；见图2。

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。

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）

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）；

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；

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)；见图4。

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。

到此为止，晶圆可以进行划片（wafer dicing），再进行芯片级封装（CSP-Chip scalepackaging），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。

5）晶圆级芯片规模封装工艺