CN104249990B - 包含流体路径的mems器件及其制造工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了包含流体路径的MEMS器件及其制造工艺。一种MEMS器件，其中半导体材料的裸片具有第一面和第二面。在裸片中或在裸片上形成薄膜，并且该薄膜面向第一表面。帽体固定至第一裸片的第一面，并且与薄膜间隔开一定空间。裸片在其第二面上或固定至ASIC，该ASIC集成了用于处理由裸片生成的信号的电路。ASIC继而固定在支撑体上。封装区域覆盖裸片、帽体和ASIC并且将其密封与外部环境隔绝。流体路径被形成为通过支撑体、ASIC和第一裸片，并且将薄膜和裸片的第一面与外部连接，而不要求在帽体中的孔。
Description
技术领域
本公开涉及包含流体路径的MEMS器件及其制造方法。更具体而言，在不失普遍性的前提下，下面的描述参考封装类型的MEMS压力传感器的组装。
背景技术
已知传感器包括至少部分地由半导体材料制成并且使用MEMS(微机电***)技术的微机械结构。具体地，使用MEMS技术制成的压力传感器通常在医疗领域、在家庭用具、在电子消费品(蜂窝电话、个人数字助理-PDA)以及在汽车领域中使用。尤其在后面的行业中，压力传感器常规用于检测交通工具的轮胎压力，并且供用于信号传输警报的控制单元使用。压力传感器也用于监测气囊的压力、用于控制ABS***的故障压力以及用于监测引擎油压、燃料注入压力等。
MEMS传感器通常包括：微机械检测结构，其将待检测的机械量(例如一组声波、压力等)转换成电学量(例如与电容变化相关联)；以及电子读取电路，通常被制作为ASIC(专用集成电路)，其执行电学量的处理操作(包括放大和滤波)并且供应模拟类型(例如电压)或数字类型(例如PDM(脉冲密度调制))的电学输出信号。电学信号可能由电子接口电路进一步处理，并且继而可供例如包含传感器的电子设备的微处理器控制电路之类的外部电子***使用。
为了检测机械量，MEMS结构包括在半导体裸片中或裸片上形成并且在空腔之上悬置的薄膜。此外，薄膜面向外部环境或通过流体路径与后者连通，例如以本申请人名义提交的US8,049，287中所示，其公开了包括差分电容类型的MEMS压力传感器的检测结构。具体而言，在US8,049,287中，薄膜面向在保护帽体中形成的室，该保护帽体在其顶部固定至裸片，或者面向从裸片背部蚀刻并且通过孔与外部连接的空腔，该孔延伸通过支撑体元件。
专用于检测差分压力的已知MEMS结构可以被修改用于检测绝对压力，并且还可以经受关于简化制造的改进。实际上，帽体中存在的孔通常涉及封装区域的复杂模制，该封装区域必须形成为与帽体平齐以便防止其中的孔被闭塞，并且因此总体由预成形的帽体的键合替代。此外，面向背侧空腔的薄膜的形成难于获得，这是因为对于通过从衬底背部深蚀刻形成的薄膜的厚度的控制是复杂的。
发明内容
本公开的一个或多个实施例涉及包含流体路径的MEMS器件和对应制造工艺。一个实施例涉及一种包括半导体材料的第一裸片的MEMS器件，该第一裸片具有第一面和第二面。在第一裸片中或在第一裸片上形成薄膜，并且该薄膜面向第一面。帽体固定地耦合至第一裸片，面向第一裸片的第一面，并且与薄膜间隔开一定空间。将支撑体耦合至第一裸片，并且使其面向第一裸片的第二面。MEMS器件包括延伸通过支撑体和第一裸片并且将薄膜连接至MEMS器件外部的流体路径。
附图说明
为了更好地理解本公开，现在仅通过非限制性示例的方式参考所附附图来描述本公开的实施例，其中：
图1是本MEMS器件的一个实施例的截面图；
图2是本MEMS器件的不同实施例的截面图；
图3是本MEMS器件的另一实施例的截面图；
图4-6和图8-12显示图1和图2的MEMS器件的相继制造步骤期间的截面图；
图7是图4的结构的俯视平面图；
图13是不同类型的MEMS传感器的截面图；以及
图14显示了一种使用本器件的设备。
具体实施方式
图1显示了在支撑主体101上固定的MEMS器件100，诸如封装的绝对压力传感器，支撑主体101例如由印刷电路板形成。MEMS器件100通过诸如(例如Au、Cu或Sn的)导电粘合区域102之类的粘合区域固定至支撑主体101，该粘合区域保持MEMS器件100相对于支撑主体101升起，因此在MEMS器件100和支撑主体101之间创建空隙103。粘合区域102彼此间隔开，使得空隙103与MEMS器件100外的环境流体连通。粘合区域102的数目和间隔可以变化。一般而言，粘合区域102提供在支撑主体101和MEMS器件100之间的合适粘合，并且充分地支撑MEMS器件100。
MEMS器件100包括诸如硅之类的半导体材料的裸片或芯片1，其集成薄膜2和电学部件(未示出)。具体而言，裸片1具有第一面1a和第二面1b，并且薄膜2与第一面1a(在下文中也被定义为裸片1的“顶部面”)平齐。在通过沟槽4与裸片1的其余部分分开并且通过弹性元件(也被称为“弹性件5”)由***部分8(下文中也被称为裸片1的“***部分8”)支撑的悬置区域3中形成薄膜2(也参见图7的俯视平面图)。
在所示出的示例中，悬置区域3和沟槽4具有矩形形状，尤其是方形，但是可以构思其它形状，例如圆形。在图1的实施例中，悬置区域3具有比裸片1的***部分8更小的厚度，使得空气间隙9在悬置区域3下方延伸，空气间隙9在横向上由裸片1的***部分8界定。
此外，薄膜2在底部由掩埋的空腔6界定，空腔6在悬置区域3内延伸。
帽体10在顶部覆盖悬置区域3(包括薄膜2)，保护悬置区域3使其免受冲击和外部应力影响，并且实现制造和组装工艺的简化，如下文更详细所述。帽体10经由例如金属(Au、Sn、Cu等)或玻璃粉或聚合物材料的键合区域11固定至裸片1的第一面1a，键合区域11固定至***部分8并且在裸片的在沟槽4外的顶部面1a之上延伸。由于键合区域11的厚度，因此帽体10继而距帽体10的一定距离12。此外，以未示出的方式，帽体10的面向悬置区域3的侧部可以被蚀刻，以便形成帽体的面向裸片1的面1a的空腔。
裸片1在其第二面1b上固定至第二裸片15，第二裸片15可以包含处理电路，例如ASIC。就此而言，可图案化的材料的第一粘合层16被设置在处理电路15和裸片1之间，第一粘合层16诸如双面粘合膜，例如，裸片附接膜(DAF)。在示出的示例中，裸片1以已知的方式通过接线连接17被连接至处理电路15。
处理电路15继而经由例如与第一粘合层16的双面粘合膜相似的双面粘合膜之类的可图案化的材料的第二粘合层21在底部固定至支撑体20，支撑体20例如有机多层衬底，诸如例如焊区栅格阵列(LGA)类型的双马来酰亚胺三嗪(bismaleimide-triazine(BT))层。处理电路15以已知方式通过接线连接22被电连接至支撑体20，并且具有比支撑体20更小的面积(在俯视平面图中)。
如下文更详细地描述的那样，孔23延伸通过支撑体20、第二粘合层21、处理电路15和第一粘合层16，并且将沟槽4设置成通过空气间隙9与外部连通。
封装材料25完全涂覆裸片1、帽体10和处理电路15并且在横向上与支撑体20平齐地延伸，以便包封裸片并且将除了包括孔23的流体路径之外的裸片与外部环境完全地绝缘，封装材料25例如是诸如树脂之类的塑料材料。
具体而言，如图所示，薄膜2的顶部表面通过沟槽4、空气间隙9、孔23和间隙103流体连通地连接至封装传感器1的外部，并且对MEMS器件100外的压力敏感。
以已知方式提供薄膜2，并且薄膜2未被示出，具有换能器元件，例如压电元件，该换能器元件在检测到因作用于薄膜2本身上的压力(并且等于外部压力，如所示)导致薄膜2的变形时生成被供应至处理电路15的电学信号，处理电路15继而生成指示所检测的压力的电学信号。
图2显示了MEMS器件200，其中悬置区域3具有突出部分或枝干(stem)30，其朝向处理电路15延伸进入空气间隙9，从而悬置区域3在突出部分30处的总厚度基本上等于裸片1的***部分8的厚度。在此情形下，即使孔23与空气间隙9和沟槽4连接以便提供流体路径，孔23也关于悬置区域3偏移。以此方式，底部部分30形成在来自外部的撞击或冲击应力的情形下限制在悬置区域3的竖直方向上的移动的元件，该撞击或冲击应力可能引起弹性件5的因冲撞在第二裸片15上所致的故障。
图3显示了MEMS器件300，其中裸片1被减薄，使得***部分8具有与悬置区域3相同的厚度。此处，第一粘合层16也形成间隔体，使得在裸片1和处理电路15之间创建间隙，该间隙使得MEMS传感器300外的流体(空气、气体、液体)能够到达薄膜2。以此方式，并没有利用单独的元件以用于限制悬置区域3的竖直位移，而是下面的处理电路15形成针对由撞击或其它冲击应力引起的过度振荡的停止元件。
如下文参见图4至图12所描述的那样制造MEMS器件100、200。
如图4所示，处理第一硅晶片40以便形成在底部限定薄膜2的掩埋空腔6。可以以不同方式获得掩埋空腔6的形成，例如在EP1577656中教导的那样。
如图5所示，使用适当的掩膜(未示出)从背部蚀刻第一晶片40以形成在掩埋空腔6之下并且距离掩埋空腔6一定距离的空气间隙9。例如，可以使用诸如深硅蚀刻之类的干法工艺执行蚀刻，或使用诸如定时TMAH(四甲基氢氧化铵(tetramethyl-ammoniumhydroxide))之类的湿法工艺执行蚀刻。
如图6所示，通过深硅蚀刻从前部蚀刻第一晶片40以便限定沟槽4和弹性件5，并且释放悬置区域3，如图7的俯视平面图中所示。
作为上述内容的备选，可以在形成空气间隙9之前执行第一晶片40的前部蚀刻以限定沟槽4和弹性件5，实际上这与参考图5和图6描述的流程相反。在此情形下，可以对前部蚀刻定时以形成直至第一晶片40的给定深度的沟槽(非贯通沟槽)，并且在形成空气间隙9时获得悬置区域3的释放，空气间隙9延伸直至沟槽4。
如图8所示，使用已知的晶片到晶片键合工艺将具有矩形形状的贯通空腔51的第二晶片50固定至第一晶片40，从而***键合区域11。
由此获得复合晶片60，其中贯通空腔51具有实现访问用于电接线连接17的焊盘(未示出)的目的。
如图9所示，通过研磨步骤减薄第二晶片50，并且将复合晶片60划片，从而帽体10不再连接至第二晶片50的其余部分。相应地，获得多个元件55，每个元件55由裸片1和对应帽体10形成。
单独地(图10)，使用常规半导体制造技术形成处理电路(ASIC)15，并且然后例如经由对外延硅的反应离子蚀刻(DRIE)或通过激光或经由喷砂机在适当区域中对处理电路15进行穿孔。由此形成孔61，例如具有10-100μm级别的直径。例如可以经由DRIE在晶片级形成孔61，或在第二裸片15的划片之后例如通过激光形成孔61。
如图11所示，在支撑体20上固定处理电路50，支撑体20也具有自身的孔62，使得处理电路15和支撑体20的孔61、62被设置在彼此之上，并且形成图1的孔23。通过***已被穿孔的第二粘合层21执行蚀刻以获得如图11所示的堆叠65。
如图12所示，将堆叠65固定至元件55以形成未封装的压力传感器66。
随后执行用于形成接线连接17和22(图1)的定制步骤，并且继而模制封装25。具体而言，由于帽体10中孔的存在，可以根据标准半导体技术执行模制，从而避免所考虑的类型的MEMS传感器的预图案化帽体的复杂技术或键合。由此获得MEMS器件100/200。
为了制造图3的MEMS器件300，可以执行与上述步骤类似的步骤，除了形成参考图5所述的空腔9之外。实际上，对于MEMS传感器300而言，该步骤由第一晶片40的减薄来替代，该减薄一般在将第一晶片40固定在第二晶片50上之后并且由此在形成沟槽4之后执行。
图13显示了其中薄膜(这里由70指示)在裸片1的第一面1a之上延伸的实施例。在此情形下，制造工艺仅在薄膜70的(以已知方式)形成方面不同于已描述的实施例，而对于其余部分而言，该制造工艺包括与针对MEMS器件100、200或300描述的步骤相似的步骤。
图14是使用MEMS器件100-400的电子设备150的示意图示。
电子设备150除MEMS器件100-300之外还包括微处理器154、连接至微处理器154的存储器块155、也连接至微处理器154的输入/输入接口156。此外，还具有扬声器158以用于在电子设备150的一个音频输出(未示出)上生成声音。
具体而言，电子设备150固定至这里由印刷电路形成的支撑主体101，MEMS器件100-300以及微处理器154和存储器块155机械并且电耦合至该支撑主体101。
电子设备150例如是用于测量血压的设备(血压计)、家庭设备、移动通信设备(蜂窝电话、PDA、笔记本)或可以在汽车领域中使用的用于测量压力的设备。
本文描述的MEMS设备100-300具有若干优势。
由于存在由孔23、沟槽4、以及可能的空气间隙9、以及间隙103形成的流体路径，因此可以将薄膜2暴露至外部环境，即使在帽体10中不存在前部孔的情形下。这显著有利于封装25的模制操作，这是因为不再需要在模制期间保护前部孔。在此之后，可以使用标准全模制工艺执行模制，这廉价得多并且确保高的产率。
此外，与其中使用预图案化的并且胶合的帽体的技术方案相比，最终结构更为紧凑，这使得本MEMS传感器也能够在空间关键的应用中使用。
通过将薄膜2保持在裸片1的前部侧(面向帽体10)上，来获得对外部环境的暴露，这使得能够使用对硅的表面加工的已知工艺并且暗示流体路径的错综复杂的结构。错综复杂的结构减小薄膜2对诸如颗粒、尘埃和湿气之类外部污染物的暴露，外部污染物可能沿流体路径被俘获而不堵塞流体路径，并且无法到达薄膜2。在此之后，也由于本MEMS传感器的单片结构，因此增强了MEMS传感器的可靠性和鲁棒性。
此外，如在支撑主体101上组装的特定技术方案(例如在蜂窝电话的板上组装的情形中)中所期望的那样，MEMS传感器还在底部区域中被暴露至外部环境，其中部件被安装在板的相对侧上并且通过板中的孔连接。
由沟槽4所致的裸片1的***部分8和悬置区域3之间的间隔以及由此的***部分8和薄膜2之间的间隔防止任何组装应力上升导致薄膜的变形和传感器电学参数的变化，薄膜的变形和传感器电学参数的变化导致读取不精确。
最后，显然可以对本文所描述和示出的MEMS传感器和制造方法做出修改和变化，而不由此偏离本公开的范围。
例如，替代压力传感器，本MEMS传感器可以是湿度传感器、流量传感器、环境传感器(即组合的压力/湿度/温度传感器)、空气/气体传感器、微流体器件或微型化麦克风。
如上所述，帽体10可以具有形成了在薄膜2之上的室的空腔，如图13所示，即使这需要特定处理操作。此外，帽体10可以成形为包围裸片1并且被直接固定至集成电路15或支撑体20。
裸片1和集成电路15之间的连接可能并非是接线类型；例如，可以使用通孔和/或从背部的连接。
上述各种实施例可以被组合以提供另一些实施例。可以参照上面具体描述对实施例做出这些改变或其它一些改变。总体而言，在所附权利要求书中，所使用的术语不应被解释为将权利要求限制到说明书中描述的具体实施例，而是权利要求书应该被解释为包括所有可能的实施例以及这些权利要求所赋予的全部等同范围。相应地，权利要求书不由本公开所限制。
Claims (18)
1.一种MEMS器件，包括：
第一半导体裸片，具有第一面和第二面；
薄膜，形成在所述第一半导体裸片中或形成在所述第一半导体裸片上，并且形成在所述第一面处；
帽体，耦合至所述第一半导体裸片的所述第一面，所述帽体具有面向所述薄膜并且与所述薄膜间隔开一定空间的内表面，所述帽体具有与所述内表面相对的外表面；
支撑体，耦合至所述第一半导体裸片并且面向所述第一半导体裸片的所述第二面；
封装材料，包封所述帽体的所述外表面和部分所述第一半导体裸片；以及
流体路径，延伸通过所述支撑体和所述第一半导体裸片，并且将所述薄膜流体耦合至所述MEMS器件外部的环境。
2.根据权利要求1所述的MEMS器件，还包括弹性元件，其中所述第一半导体裸片包括由沟槽彼此隔开的悬置区域和***区域，所述悬置区域支撑所述薄膜并且通过所述弹性元件耦合至所述***区域，其中所述弹性元件延伸进入所述沟槽并且与所述悬置区域和所述***区域单片形成。
3.根据权利要求2所述的MEMS器件，其中所述流体路径包括所述沟槽、延伸通过所述支撑体的第一孔、以及在所述薄膜和所述帽体之间的所述空间。
4.根据权利要求3所述的MEMS器件，还包括第二半导体裸片，所述第二半导体裸片位于所述第一半导体裸片和所述支撑体之间，所述第二半导体裸片具有第二孔，所述第二孔是所述流体路径的一部分，所述第二半导体裸片包括处理电路。
5.根据权利要求2所述的MEMS器件，其中所述悬置区域具有第一厚度并且所述***区域具有第二厚度，所述第一厚度小于所述第二厚度，所述MEMS器件还包括位于所述悬置区域之下并且在所述流体路径中的空气间隙。
6.根据权利要求2所述的MEMS器件，其中所述悬置区域和所述***区域具有相同厚度，所述MEMS器件还包括位于所述第一半导体裸片的所述第二面的至少一部分之上以形成间隙的间隔体层，所述间隙是所述流体路径的一部分。
7.根据权利要求1所述的MEMS器件，其中所述第一半导体裸片和所述薄膜一起形成压力传感器、湿度传感器、流量传感器、环境传感器、气体传感器、微流体器件和微型化麦克风中的至少一个。
8.根据权利要求1所述的MEMS器件，其中所述帽体并不包括任何通孔，并且所述薄膜仅通过所述流体路径流体耦合所述MEMS器件外部的环境。
9.一种电子设备，包括：
处理单元；
输入/输出接口，耦合至所述处理单元；
存储器器件，耦合至所述处理单元；
电路板；以及
多个粘合区域；
MEMS器件，通过所述多个粘合区域固定至所述电路板，所述多个粘合区域彼此间隔开并且形成间隙，所述MEMS器件包括：
第一半导体裸片，具有第一面和第二面以及从所述第一面延伸至所述第二面的沟槽；
薄膜，形成在所述第一半导体裸片中或形成在所述第一半导体裸片上，并且形成在所述第一面处；
帽体，耦合至所述第一半导体裸片所述第一面，所述帽体具有内表面以及与所述内表面相对的外表面，所述内表面面向所述薄膜并且与所述薄膜间隔开一定空间；
支撑体，具有耦合至所述第一半导体裸片的通孔并且面向所述第一半导体裸片的所述第二面，所述支撑体的所述通孔与所述第一半导体裸片的所述沟槽流体连通；
封装材料，在所述帽体的整个外表面和部分所述第一半导体裸片上；以及
流体路径，包括所述支撑体的所述通孔、所述第一半导体裸片的所述沟槽、所述MEMS器件和所述电路板之间的所述间隙，所述流体路径将所述薄膜布置为与所述MEMS器件外部的环境流体连通。
10.根据权利要求9所述的设备，其中所述多个粘合区域是导电粘合区域。
11.根据权利要求9所述的设备，还包括第二半导体裸片，所述第二半导体裸片位于所述支撑体和所述第一半导体裸片之间，所述第二半导体裸片电耦合至所述第一半导体裸片并且包括集成电路。
12.根据权利要求11所述的设备，还包括导电接线，其中所述第二半导体裸片通过所述导电接线电耦合至所述第一半导体裸片。
13.一种用于制造MEMS器件的方法，所述方法包括：
将帽体固定至第一半导体裸片的第一面，所述帽体面向所述第一半导体裸片的所述第一面，并且包封所述帽体的内表面和薄膜之间的空间，所述薄膜形成在所述第一半导体裸片上或形成在所述第一半导体裸片中，并且形成在所述第一面处；
将支撑体固定至所述第一半导体裸片，所述支撑体面向所述第一半导体裸片的第二面，其中所述支撑体具有第一开口并且所述第一半导体裸片具有多个第二开口，所述多个第二开口提供从包封的所述空间到所述MEMS器件外部的环境的流体路径；以及
形成在所述帽体的外表面和部分所述第一半导体裸片周围并且包封所述帽体的外表面和部分所述第一半导体裸片的封装材料。
14.根据权利要求13所述的方法，包括：形成通过所述第一半导体裸片的沟槽，所述沟槽在所述第一面和所述第二面之间延伸并且将悬置区域与***区域间隔开，所述悬置区域支撑所述薄膜并且通过弹性元件耦合至所述***区域，所述弹性元件位于所述沟槽中。
15.根据权利要求13所述的方法，还包括：在所述第一半导体裸片中形成空腔，所述空腔从在所述薄膜之下的所述第二面延伸，以及从所述第二面减薄所述第一半导体裸片。
16.根据权利要求13所述的方法，其中将所述帽体固定至所述第一半导体裸片的所述第一面在晶片级执行，并且包括：
通过将包括所述第一半导体裸片的第一半导体晶片固定至包括所述帽体的第二半导体晶片来形成复合晶片，以及
划片所述复合晶片以形成多个MEMS器件。
17.根据权利要求13所述的方法，还包括：在将所述支撑体固定至所述第一半导体裸片之前在所述支撑体中形成第一通孔。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括：
在第二半导体裸片中形成第二通孔；
将所述第二半导体裸片固定至所述支撑体，其中所述第一通孔和所述第二通孔被对准或重叠；以及
其中，将所述支撑体固定至所述第一半导体裸片包括将所述第二半导体裸片固定至所述第一半导体裸片的所述第二面，并且其中所述第二通孔是所述流体路径的一部分。
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