一种具有应力缓冲结构的MEMS芯片及其制造方法技术

本发明专利技术公开了一种具有应力缓冲结构的MEMS芯片及其制造方法，具体是通过半导体加工工艺将圆片级封装的MEMS圆片的底板SOI圆片的底氧化层形成底氧化层图形，露出部分底硅层表面；然后以底氧化层图形为掩膜，对MEMS圆片进行深硅蚀刻，露出埋氧层表面，底硅层被蚀刻成应力缓冲结构，形成划片区、外框、应力缓冲弹簧、空窗区、连接区以及释放孔；再将MEMS圆片浸入HF或缓冲HF溶液中，形成中心埋氧图形，形成具有应力缓冲结构的MEMS圆片；最后切割圆片完成具有应力缓冲结构的MEMS芯片的制造。本发明专利技术制造的具有应力缓冲结构的MEMS芯片的应力缓冲结构通过中心埋氧连接在MEMS芯片的底部，达到降低封装应力的目的，其优点在于工艺简单、芯片面积小、封装成品率高、成本低。

【技术实现步骤摘要】
一种具有应力缓冲结构的MEMS芯片及其制造方法
本专利技术涉及芯片的制造领域，特别是一种具有应力缓冲结构的MEMS芯片及其制造方法。
技术介绍
MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystems)是微机电系统的缩写，MEMS芯片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。一些MEMS芯片(如加速度计、陀螺仪、振荡器等)通常在圆片加工过程中将脆弱的MEMS结构密封在带有空腔在上下盖帽中加以保护，形成圆片级封装的MEMS芯片。这些圆片级封装的MEMS芯片(特别是工业级MEMS芯片)通常需要与独立的信号处理电路芯片(专用集成电路，ASIC)封装在一个陶瓷、金属或预成型的塑料管壳中，形成一个真正的微机电系统器件。MEMS芯片的材料绝大部分是Si，由于封装管壳的材料与MEMX芯片材料不一致，例如Si的热膨胀系数为2.5ppm/K，而氧化铝陶瓷的热膨胀系数为7ppm/K，贴装在陶瓷管壳底板上的MEMS芯片在外界温度变化时，由热膨胀系数不匹配导致的应力作用在MEMS芯片上，该应力引起MEMS器件性能下降，甚至失效。降低这种由封装引起的应力的方法主要有以下几种：1、采用与MEMS芯片相同材料或热膨胀系数相近材料作为封装管壳底板，相似地，在MEMS芯片与封装管壳底板间插入与MEMS芯片相同材料的衬板；2、减少MEMS芯片与封装管壳的接触面积；3、在MEMS芯片或封装插入衬板上制作应力缓冲结构；4、采用软胶粘贴MEMS芯片。这几种方法各有优缺点，其中以应力缓冲结构的效果最好。论文《IsolationofMEMSDevicesfromPackageStressesbyUseofCompliantMetalInterposers》描述了在封装管壳内制作金属框缓冲应力的方法，这种方法会使封装后的产品体积增大，金属与MEMS芯片材料Si的热膨胀系数也不同，应力缓冲效果有限，而且封装过程复杂，成本高。论文《DesignandVerificationofaStructureforIsolating》描述了在MEMS结构下形成Si应力缓冲结构，但不是圆片级封装的芯片，在后续封装时容易损伤MEMS结构，MEMS芯片的中心圆碟部分通过环氧树脂粘贴在封装管壳中，环氧树脂很容易溢流玷污MEMS结构，而且中心圆碟部分面积小，不容易保证芯片与管壳底板的平行度，这一点对MEMS传感器来说非常重要。专利US7830003描述了将MEMS芯片用导电材料粘接到应力缓冲结构上，再将应力缓冲结构用导电材料粘接到封装管壳上，这种封装方法工艺复杂，效率低；而且其实例描述中并没有说明MEMS芯片信号如何连接到封装管壳上，按常规工艺需要在应力缓冲结构上制作绝缘层，绝缘层上制作金属导线，应力缓冲结构制造工艺复杂；另外，由于应力缓冲结构的面积显著大于MEMS芯片面积，不但增加了封装管壳的成本，而且不适用于要求产品体积小的应用领域。专利US20170305740描述的是将圆片级封装的MEMS芯片密封在一个额外的空腔中，制作工艺十分复杂，体积大，而且MEMS芯片信号引出困难。专利US8614491描述的是应力缓冲结构键合在封装衬板上，再将一个或多个MEMS芯片粘贴在应力缓冲结构中，这种方法存在着对位精度差、封装工艺复杂、体积大的缺点，比较适合MEMS传感器模块的组装，不是单芯片级的应力缓冲方法。专利US7170140描述的是MEMS芯片的两端延伸出应力缓冲结构，用MEMS结构层制作应力缓冲弹簧，好处是上下盖板层可以制作过载冲击挡板，缺点是应力缓冲结构的厚度取决于MEMS结构层的厚度，不适用于MEMS结构层较薄的产品；另外，由于应力缓冲结构制作在芯片两侧，面积较大。专利US8322028描述了应力缓冲结构衬板，衬板的中间部分通过Au-Sn焊料贴装在封装管壳底板上，三个角通过Au-Sn焊料与MEMS芯片键合在一起，这种方法的应力缓冲结构不是直接制作在芯片上，需要单独制作应力缓冲衬板，还要制作Au-Sn焊料层，工艺复杂，成本高，而且芯片与衬板图形对准不易。专利US9334153描述的是在MEMS芯片上制作空心焊脚与基板焊接，达到既可以导电，又可以缓冲应力的目的，由于空心焊脚分布广，相当于MEMS芯片与基板接触面积大，应力缓冲效果有限，仅适用于消费级器件。专利CN105036060通过在MEMS芯片背面键合隔热结构层，隔热结构层不带图形，缓冲应力效果有限，而且加工过程中圆片也容易碎裂。专利CN105712283描述的是在陶瓷管壳底板与芯片间安装一片材料为7740玻璃或4J44铁钴镍合金的应力缓冲片，应力缓冲片不是制作在芯片上，而是在封装工艺中加入，对准精度差，且其材料与芯片不完全相同，应力缓冲效果受限。专利CN104535055和CN105182004描述的都是在MEMS芯片制作完成后，再在芯片底板上Si-Si键合应力缓冲Si板，目的是减少应力缓冲板与MEMS芯片的接触面积。实际上，在MEMS芯片制造完成后再进行Si-Si键合是非常困难的事，主要是MEMS芯片底板经多道加工后平整度变差，键合加压力时MEMS芯片易碎，而且还需要高温退火。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服现有技术中存在的不足，提供一种具有应力缓冲结构的MEMS芯片，用SOI圆片代替普通的Si圆片作为底板圆片，在MEMS圆片制造过程中，只增加一块光刻板，通过Si蚀刻和应力缓冲结构释放的工艺步骤，在MEMS圆片背面制作应力缓冲结构达到降低封装应力的目的，具有工艺简单、对准精度高、成本低、芯片面积小、封装成品率高等优点。为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种具有应力缓冲结构的MEMS芯片，由常规MEMS芯片和应力缓冲结构构成，应力缓冲结构通过中心埋氧与常规MEMS芯片的底板连接，所述的应力缓冲结构由连接区、应力缓冲弹簧和外框构成，应力缓冲弹簧位于外框和连接区之间，连接区的投影面积占常规MEMS芯片投影面积的1/10～1/3，应力缓冲结构上均布有释放孔，应力缓冲结构的外框边缘位于常规MEMS芯片边缘的投影区内，应力缓冲结构的投影面积小于常规MEMS芯片的投影面积；所述的应力缓冲结构和常规MEMS芯片的底板的材料都是硅。为简单说明问题起见，以下对本专利技术所述的具有应力缓冲结构的MEMS芯片均简称为本MEMS芯片。本MEMS芯片在常规MEMS芯片背面制作应力缓冲结构达到降低封装应力的目的，其应力缓冲结构通过中心埋氧连接在常规MEMS芯片的底部，其应力缓冲结构由连接区、应力缓冲弹簧、外框三部分构成，应力缓冲弹簧位于外框和连接区中间，可沿X、Z方向伸缩，起到主要的应力缓冲作用，当受到外框传入的外力时，应力缓冲弹簧可以在空窗区内发生弹性形变，从而缓冲应力；连接区位于应力缓冲结构中心区域，通过中心埋氧与常规MEMS芯片连接，其投影面积占常规MEMS芯片面积的1/10～1/3，以进一步减少由于应力缓冲结构形变而产生的应力向常规MEMS芯片的传导；外框的四个角部区域为粘片区，在封装时通过粘片胶与封装基板连接，粘片胶由于表面张力的作用，呈点状分布，只接触到应力缓冲结构的外框粘片区部分，不会本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有应力缓冲结构的MEMS芯片，其特征在于：由常规MEMS芯片和应力缓冲结构构成，应力缓冲结构通过中心埋氧与常规MEMS芯片的底板连接，所述的应力缓冲结构由连接区、应力缓冲弹簧和外框构成，应力缓冲弹簧位于外框和连接区之间，连接区的投影面积占常规MEMS芯片投影面积的1/10～1/3，应力缓冲结构上均布有释放孔，应力缓冲结构的外框边缘位于常规MEMS芯片边缘的投影区内，应力缓冲结构的投影面积小于常规MEMS芯片的投影面积；所述的应力缓冲结构和常规MEMS芯片的底板的材料都是硅。

【技术特征摘要】
1.一种具有应力缓冲结构的MEMS芯片，其特征在于：由常规MEMS芯片和应力缓冲结构构成，应力缓冲结构通过中心埋氧与常规MEMS芯片的底板连接，所述的应力缓冲结构由连接区、应力缓冲弹簧和外框构成，应力缓冲弹簧位于外框和连接区之间，连接区的投影面积占常规MEMS芯片投影面积的1/10～1/3，应力缓冲结构上均布有释放孔，应力缓冲结构的外框边缘位于常规MEMS芯片边缘的投影区内，应力缓冲结构的投影面积小于常规MEMS芯片的投影面积；所述的应力缓冲结构和常规MEMS芯片的底板的材料都是硅。2.根据权利要求1所述的具有应力缓冲结构的MEMS芯片，其特征在于：所述的常规MEMS芯片由盖板、MEMS结构层和底板组成，盖板、MEMS结构层和底板围成一个密封腔，可动的MEMS结构被密封在密封腔内，盖板与MEMS结构层间有绝缘层隔离，绝缘层上有金属层，金属层上覆盖有钝化层保护，钝化层上具有压焊窗。3.根据权利要求1或2所述的具有应力缓冲结构的MEMS芯片，其特征在于：连接区位于应力缓冲结构的中心区域，呈圆形或方形。4.根据权利要求1或2所述的具有应力缓冲结构的MEMS芯片，其特征在于：应力缓冲结构的厚度为50～500μm；中心埋氧的厚度为0.5～3μm。5.一种具有应力缓冲结构的MEMS芯片的制造方法，步骤为：(1)将圆片级封装后的MEMS圆片的底氧化层朝上，钝化层朝下，通过半导体加工工艺形成底氧化层图形，露出部分底硅层表面；(2)以底氧化层图形为掩膜，对经过步骤(1)的MEMS圆片进行深硅蚀刻，露出埋氧层表面，底硅层被蚀刻成应力缓冲结构，形成划片区、外框、应...

【专利技术属性】
技术研发人员：华亚平，
申请(专利权)人：安徽北方芯动联科微系统技术有限公司，
类型：发明
国别省市：安徽,34