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MEMS麥克風與壓力集成傳感器及其制作方法.pdf

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MEMS 麥克風 壓力 集成 傳感器 及其 制作方法
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申請專利號:

CN201110061170.7

申請日:

2011.03.15

公開號:

CN102158787B

公開日:

2015.01.28

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法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):H04R 19/04申請日:20110315|||公開
IPC分類號: H04R19/04; H04R31/00 主分類號: H04R19/04
申請人: 邁爾森電子(天津)有限公司
發明人: 柳連俊
地址: 300381 天津市南開區賓水西道奧城商業廣場A3-518室
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專利代理機構: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227 代理人: 逯長明;王寶筠
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201110061170.7

授權公告號:

102158787B||||||

法律狀態公告日:

2015.01.28|||2011.09.28|||2011.08.17

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

一種MEMS麥克風與壓力集成傳感器及其制作方法,包括:第一襯底,具有電容式壓力傳感單元的感應薄膜、麥克風單元的敏感薄膜和所述第一襯底表面的第一粘合層;第二襯底,具有導體間介質層、位于導體間介質層中的導體連線層和/或第二襯底表面的第二粘合層;第二襯底與第一襯底相對設置,通過第一粘合層和第二粘合層固定連接,第一粘合層與第二粘合層的圖案對應并且均為導電材料。本發明提供的MEMS麥克風及壓力傳感器及其制作方法,通過兩個襯底將電容式壓力傳感單元及麥克風單元集成,適用于大規模生產的、集成各種MEMS傳感器的芯片結構,有利于和集成電路工藝兼容,提高制作工藝和封裝工藝的標準化,器件體積小信噪比性能優良,抗干擾能力高。

權利要求書

1.一種MEMS麥克風與壓力集成傳感器,其特征在于,包括:第一襯底,具有電容式壓力傳感單元的感應薄膜、麥克風單元的敏感薄膜和所述第一襯底表面的第一粘合層;第二襯底,具有導體間介質層、位于所述導體間介質層中的導體連線層和/或所述第二襯底表面的第二粘合層;其中,所述第二襯底與第一襯底相對設置,通過第一粘合層和第二粘合層固定連接,所述第一粘合層與第二粘合層的圖案對應并且均為導電材料。2.根據權利要求1所述的MEMS麥克風與壓力集成傳感器,其特征在于,所述壓力傳感單元的感應薄膜與麥克風單元的敏感薄膜位于同一膜層中,或者,所述壓力傳感單元的感應薄膜與麥克風單元的背板電極位于同一膜層中。3.根據權利要求1所述的MEMS麥克風與壓力集成傳感器,其特征在于,所述麥克風單元包括敏感薄膜、空腔和背板電極,所述空腔形成于第一襯底和第二襯底之間,所述背板電極位于空腔內,與敏感薄膜的位置對應;所述第一襯底的背面具有第一開口,該第一開口與所述敏感薄膜或背板電極的位置對應。4.根據權利要求3所述的MEMS麥克風與壓力集成傳感器,其特征在于,所述電容式壓力傳感單元包括感應薄膜、參考壓力腔和固定電極,所述參考壓力腔位于第一襯底與第二襯底之間,所述固定電極位于參考壓力腔中,與感應薄膜的位置對應;所述第一襯底的背面具有第二開口,該第二開口將所述感應薄膜暴露。5.根據權利要求1所述的MEMS麥克風與壓力集成傳感器,其特征在于,所述麥克風單元的敏感薄膜和背板電極的位置可以互換。6.根據權利要求1-4任一項所述的MEMS麥克風與壓力集成傳感器,其特征在于,所述敏感薄膜的材料包括低應力多晶硅。7.根據權利要求1-4任一項所述的MEMS麥克風與壓力集成傳感器,其特征在于,所述第二粘合層位于導體連線層上方,或者,所述第二粘合層為導體連線層中的最上層導體層。8.根據權利要求1-4任一項所述的MEMS麥克風與壓力集成傳感器,其特征在于,所述第一粘合層和/或第二粘合層為Ge層、Si層、Au層、Al層、Au/Sn疊層或Al/Ge疊層。9.根據權利要求1所述的MEMS麥克風與壓力集成傳感器,其特征在于,所述第一襯底包括:硅襯底、所述硅襯底上的第一介質層、所述第一介質層上的第二介質層、鑲嵌于所述第二介質層中的第一導體層,以及所述第二介質層上的第二導體層;所述第一粘合層位于第二導體層上;所述電容式壓力傳感單元還包括位于所述參考壓力腔內的可動電極,所述可動電極通過支撐臂與所述感應薄膜中心位置連接;所述感應薄膜和敏感薄膜形成于第一導體層中,所述可動電極和背板電極形成于第二導體層中。10.根據權利要求1所述的MEMS麥克風與壓力集成傳感器,其特征在于,所述第二襯底為SOI襯底或者單晶硅襯底,所述導體間介質層下的襯底內還包括信號處理電路。11.根據權利要求3或4所述的MEMS麥克風與壓力集成傳感器,其特征在于,所述第二襯底的背面具有第三開口,與所述麥克風單元的敏感薄膜的位置對應,將所述空腔暴露。12.根據權利要求11所述的MEMS麥克風與壓力集成傳感器,其特征在于,還包括:封裝襯底,承載MEMS麥克風與壓力集成傳感器并對應于所述第二襯底的背面;封裝體,位于所述封裝襯底上方及所述第一襯底和第二襯底周圍,并暴露出所述第一開口和第二開口,該封裝體的材料包括塑料;封裝蓋,位于所述封裝體頂部,與所述第一襯底之間具有封裝空腔;其中,所述封裝襯底中具有與所述第三開口連通的聲音及壓力開口。13.根據權利要求4所述的MEMS麥克風與壓力集成傳感器,其特征在于,還包括:封裝襯底,承載MEMS麥克風與壓力集成傳感器并對應于所述第二襯底的背面;封裝體,位于所述封裝襯底上方及所述第一襯底和第二襯底周圍,并暴露出所述第一開口和第二開口,該封裝體的材料包括塑料。14.根據權利要求11或12所述的MEMS麥克風與壓力集成傳感器,其特征在于,所述封裝體和固定連接的第一襯底、第二襯底之間還包括應力緩沖層。15.根據權利要求1所述的MEMS麥克風與壓力集成傳感器,其特征在于,所述第二襯底還包括位于導體連線層外圍的多個壓焊焊墊,所述多個壓焊焊墊所對應的第一襯底被去除。16.一種如權利要求1所述的MEMS麥克風與壓力集成傳感器的制作方法,其特征在于,包括以下步驟:步驟S1:提供第一襯底,在所述第一襯底上形成電容式壓力傳感單元的感應薄膜、麥克風單元的敏感薄膜和所述第一襯底表面的第一粘合層;步驟S2:提供第二襯底,在所述第二襯底上形成導體間介質層和所述導體間介質層中的導體連線層和固定電極,和/或所述第二襯底表面的第二粘合層;步驟S3:將所述第一粘合層和第二粘合層相對設置并按照圖案對應的方式粘接,以連接第一襯底和第二襯底;步驟S4:在所述第一襯底的背面形成第一開口和第二開口,所述第一開口暴露出敏感薄膜或背板電極,所述第二開口暴露出感應薄膜。17.根據權利要求16所述的制作方法,其特征在于,還包括:形成第一開口和第二開口的同時,采用刻蝕工藝去除所述壓焊焊墊區對應的第一襯底和其表面的第一介質層,以暴露出壓焊焊墊區內的多個壓焊焊墊。18.根據權利要求16所述的制作方法,其特征在于,還包括:在所述第二襯底的背面形成第三開口,所述第三開口的位置對應于所述麥克風單元的敏感薄膜或背板電極。19.根據權利要求16所述的制作方法,其特征在于,將所述第一粘合層和第二粘合層相對設置并按照圖案對應的方式粘接包括以下步驟:將第一襯底的第一粘合層與第二襯底的第二粘合層的位置相對,使其圖案相互接觸;從兩個襯底的背面施加壓力,同時進行加熱使第一粘合層和第二粘合層的接觸面相互融合。

說明書

MEMS麥克風與壓力集成傳感器及其制作方法

技術領域

本發明涉及微電子機械系統工藝,特別涉及一種MEMS麥克風與壓力集成傳感器及其制作方法。

背景技術

近年來,各種MEMS傳感器在手機及其他便攜式電子產品中應用的越來越多,例如MEMS麥克風、壓力傳感器和陀螺儀等,以其小型化和輕薄化的特點取代傳統的傳感器。特別是智能手機的快速發展帶動了市場對各種MEMS傳感器的需求,智能手機應用軟件日益龐大的生態系統很大程度上要歸功于MEMS傳感器。

MEMS麥克風是通過微電子機械系統工藝在半導體上蝕刻壓力感測膜片而制成的微型麥克風,普遍應用在手機、耳機、筆記本電腦、攝像機和汽車上。在MEMS麥克風與CMOS兼容的需求和MEMS麥克風尺寸的進一步減小的驅動下,MEMS麥克風的封裝結構成為現在研究的熱點,Infineon、婁式、Omron等公司投入大量的資金和技術力量進行MEMS麥克風封裝結構的研究,但是,上述公司都是分別制作CMOS電路和MEMS麥克風,然后將CMOS電路和MEMS麥克風放置于基底上,采用Wire-bonding技術將CMOS電路和MEMS麥克風相連。

MEMS壓力傳感器相對于傳統的機械量傳感器來說尺寸更小,控制精度更高,制作工藝可以與硅集成電路技術兼容,因而其性價比大幅度提高。目前的MEMS壓力傳感器有電容式壓力傳感器和電容式壓力傳感器,兩者都是在硅片上制作的MEMS傳感器。電容式壓力傳感器具有以空氣為隔離介質的的薄膜平板電容結構,當平板電容的一個薄膜電極受到外界壓力而產生形變時,電容值隨之變化,經信號處理電路將電容值轉換成電壓信號后放大輸出,具有較高的測量精度和較低的功耗。

電容式壓力傳感器具有以空氣為隔離介質的的薄膜平板電容結構,當平板電容的一個薄膜電極受到外界壓力而產生形變時,電容值隨之變化,經信號處理電路將電容值轉換成電壓信號后放大輸出,具有較高的測量精度和較低的功耗。

然而問題在于,上述傳統的電容式壓力傳感器和麥克風傳感器的制作方法中,不管是壓力傳感器芯片還是麥克風傳感器芯片,它們與導體連線芯片或者信號處理電路芯片是分立的,各個芯片分別制作后通過封裝工藝集成,無論是帶空腔加蓋的塑封,或金屬殼封裝的方法,其封裝過程都較復雜,不便于和成熟的集成電路制造技術兼容,并且器件尺寸較大,成本也由此升高。

另外,由于各種傳感器的制作與封裝方法之間的明顯差異,迄今為止仍未有集成化產品進入市場。而隨著各種MEMS傳感器在手機中的應用,市場對各種MEMS傳感器實現集成的需求已變得越來越明顯,因此,研發適用于大規模生產的、集成各種MEMS傳感器的芯片結構和制作方法已成為將來的大趨勢。

發明內容

本發明解決的問題是提供一種MEMS麥克風與壓力集成傳感器及其制作方法,制作和封裝過程都相對簡單,便于和成熟的集成電路制造技術兼容,并且器件尺寸較小。

為解決上述問題,本發明提供一種MEMS麥克風與壓力集成傳感器,包括:

第一襯底,具有電容式壓力傳感單元的感應薄膜、麥克風單元的敏感薄膜和所述第一襯底表面的第一粘合層;

第二襯底,具有導體間介質層、位于所述導體間介質層中的導體連線層和/或所述第二襯底表面的第二粘合層;

其中,所述第二襯底與第一襯底相對設置,通過第一粘合層和第二粘合層固定連接,所述第一粘合層與第二粘合層的圖案對應并且均為導電材料。

所述壓力傳感單元的感應薄膜與麥克風單元的敏感薄膜位于同一膜層中,或者,所述壓力傳感單元的感應薄膜與麥克風單元的背板電極位于同一膜層中。

所述麥克風單元包括敏感薄膜、空腔和背板電極,所述空腔形成于第一襯底和第二襯底之間,所述背板電極位于空腔內,與敏感薄膜的位置對應;

所述第一襯底的背面具有第一開口,該第一開口與所述敏感薄膜或背板電極的位置對應。

所述電容式壓力傳感單元包括感應薄膜、參考壓力腔和固定電極,所述參考壓力腔位于第一襯底與第二襯底之間,所述固定電極位于參考壓力腔中,與感應薄膜的位置對應;

所述第一襯底的背面具有第二開口,該第二開口將所述感應薄膜暴露。

所述麥克風單元的敏感薄膜和背板電極的位置可以互換。

所述敏感薄膜的材料包括低應力多晶硅。

所述第二粘合層位于導體連線層上方,或者,所述第二粘合層為導體連線層中的最上層導體層。

所述第一粘合層和/或第二粘合層為Ge層、Si層、Au層、Al層、Au/Sn疊層或Al/Ge疊層。

所述第一襯底包括:硅襯底、所述硅襯底上的第一介質層、所述第一介質層上的第二介質層、鑲嵌于所述第二介質層中的第一導體層,以及所述第二介質層上的第二導體層;

所述第一粘合層位于第二導體層上;

所述電容式壓力傳感單元還包括位于所述參考壓力腔內的可動電極,所述可動電極通過支撐臂與所述感應薄膜中心位置連接;

所述感應薄膜和敏感薄膜形成于第一導體層中,所述可動電極和背板電極形成于第二導體層中。

所述第二襯底為SOI襯底或者單晶硅襯底,所述導體間介質層下的襯底內還包括信號處理電路。

所述第二襯底的背面具有第三開口,與所述麥克風單元的敏感薄膜的位置對應,將所述空腔暴露。

所述的MEMS麥克風與壓力集成傳感器,還包括:

封裝襯底,承載MEMS麥克風與壓力集成傳感器并對應于所述第二襯底的背面;

封裝體,位于所述封裝襯底上方及所述第一襯底和第二襯底周圍,并暴露出所述第一開口和第二開口,該封裝體的材料包括塑料;

封裝蓋,位于所述封裝體頂部,與所述第一襯底之間具有封裝空腔;

其中,所述封裝襯底中具有與所述第三開口連通的聲音及壓力開口。

可選的,所述的MEMS麥克風與壓力集成傳感器還包括:

封裝襯底,承載MEMS麥克風與壓力集成傳感器并對應于所述第二襯底的背面;

封裝體,位于所述封裝襯底上方及所述第一襯底和第二襯底周圍,并暴露出所述第一開口和第二開口,該封裝體的材料包括塑料。

優選的,所述封裝體和固定連接的第一襯底、第二襯底之間還包括應力緩沖層。

優選的,所述第二襯底還包括位于導體連線層外圍的多個壓焊焊墊,所述多個壓焊焊墊所對應的第一襯底被去除。

相應的、還提供一種所述的MEMS麥克風與壓力集成傳感器的制作方法,包括以下步驟:

步驟S1:提供第一襯底,在所述第一襯底上形成電容式壓力傳感單元的感應薄膜、麥克風單元的敏感薄膜和所述第一襯底表面的第一粘合層;

步驟S2:提供第二襯底,在所述第二襯底上形成導體間介質層和所述導體間介質層中的導體連線層和固定電極,和/或所述第二襯底表面的第二粘合層;

步驟S3:將所述第一粘合層和第二粘合層相對設置并按照圖案對應的方式粘接,以連接第一襯底和第二襯底;

步驟S4:在所述第一襯底的背面形成第一開口和第二開口,所述第一開口暴露出敏感薄膜或背板電極,所述第二開口暴露出感應薄膜。

所述的制作方法還包括:形成第一開口和第二開口的同時,采用刻蝕工藝去除所述壓焊焊墊區對應的第一襯底和其表面的第一介質層,以暴露出壓焊焊墊區內的多個壓焊焊墊。

優選的,所述的制作方法還包括:在所述第二襯底的背面形成第三開口,所述第三開口的位置對應于所述麥克風單元的敏感薄膜或背板電極。

將所述第一粘合層和第二粘合層相對設置并按照圖案對應的方式粘接包括以下步驟:

將第一襯底的第一粘合層與第二襯底的第二粘合層的位置相對,使其圖案相互接觸;

從兩個襯底的背面施加壓力,同時進行加熱使第一粘合層和第二粘合層的接觸面相互融合。

與現有技術相比,本發明具有以下優點:本發明提供的MEMS麥克風及壓力傳感器及其制作方法,通過兩個襯底將電容式壓力傳感單元及麥克風單元集成在一起,適用于大規模生產的、集成各種MEMS傳感器的芯片結構,有利于和集成電路工藝兼容,提高制作工藝和封裝工藝的標準化和統一化,而且器件體積小,信噪比性能優良,抗干擾能力高。

附圖說明

圖1為實施例一中MEMS麥克風與壓力集成傳感器的結構示意圖;

圖2為圖1中MEMS麥克風與壓力集成傳感器的封裝結構示意圖;

圖3為實施例二中MEMS麥克風與壓力集成傳感器的結構示意圖;

圖4為圖3中MEMS麥克風與壓力集成傳感器的封裝結構示意圖;

圖4a為圖3中MEMS麥克風與壓力集成傳感器的另一封裝結構示意圖;

圖5為實施例三中MEMSMEMS麥克風與壓力集成傳感器的制作方法流程示意圖;

圖6至圖13為圖5中提供的制作方法的過程示意圖。

具體實施方式

目前,市場對各種MEMS傳感器實現集成的需求已變得越來越明顯,但是發明人發現,各種傳感器不僅制作與封裝方法具有明顯差異,而且MEMS傳感器芯片和導體連線或CMOS電路的芯片也要先分開制造,然后在進行封裝,導致制造工藝和封裝工藝復雜,且體積龐大,成本高。

為此,本發明的發明人提出一種MEMS麥克風與壓力集成傳感器和制作方法,利用麥克風和壓力傳感器各自的特點,實現獨特的器件結構,制作工藝簡單,封裝成本低。與分立麥克風和壓力傳感器相比,利用該技術制作的麥克風與壓力集成傳感器具有明顯的體積和成本優勢。

以下結合附圖詳細說明所述麥克風與壓力集成傳感器的實施例。

圖1為本實施例中MEMS麥克風與壓力傳感器的結構示意圖,如圖所示,該MEMS麥克風與壓力集成傳感器包括:

第一襯底100,具有電容式壓力傳感單元101的感應薄膜101a和可動電極101d、麥克風單元108的敏感薄膜108a和背板電極108b、電連線層103,以及所述第一襯底100表面的第一粘合層102;

第二襯底200,具有導體間介質層203、位于所述導體間介質層203中的導體連線層201和所述第二襯底200表面的第二粘合層202,以及,電容式壓力傳感單元101的固定電極201a。

其中,所述第二襯底200與第一襯底100相對設置,通過第一粘合層102和第二粘合層202固定連接,所述第一粘合層102與第二粘合層202的圖案對應并且均為導電材料。所述“圖案對應”是指第一粘合層102與第二粘合層202相應位置的圖案匹配,尺寸、形狀均可以不同,位置可以也可錯位,只需要第二襯底200與第一襯底100相對設置后,圖案能夠具有交疊的部分可以相互接觸。需要說明的是,下文中表示位置關系的“上”、“下”僅限于圖中所示的第一襯底100倒置于第二襯底200上方的情況。

第二襯底200與第一襯底100相對粘接后,它們之間即形成電容式壓力傳感單元101的封閉的參考壓力腔101b,以及麥克風單元108的封閉的空腔108d,由于所述背板電極108b具有多個通孔108e,則空腔108d還包括背板電極108b和敏感薄膜108a之間的空間,此外,所述空腔還可以包括延伸至第二襯底200內的溝槽208。

第一襯底100背面(即背向第二襯底200)具有第二開口101c和第一開口108c,其中第二開口101c將所述電容式壓力傳感單元101的感應薄膜101a暴露,第一開口108c將所述麥克風單元108的敏感薄膜108a暴露。

所述第一粘合層102和/或第二粘合層202為Si層、Ge層、Au層、Al層、Au/Sn疊層或Al/Ge疊層,也可以為其他金屬或合金材料。同為導電材料的第一粘合層102和第二粘合層202相互接觸,則可以實現第一襯底100和第二襯底200的電連接,從而將第一襯底100內的麥克風單元108、電容式壓力傳感單元101與第二襯底200內的導體連線層201電性連接,從而實現傳感單元和導體連線的集成。

電容式壓力傳感單元101包括感應薄膜101a、可動電極101d、參考壓力腔101b和固定電極201a,可動電極101d通過支撐臂106a與所述感應薄膜101a的中心位置連接。所述固定電極201a位于參考壓力腔101b中,與感應薄膜101a的位置對應,第一開口108c將所述感應薄膜101a暴露。

麥克風單元108包括敏感薄膜108a、空腔108d和背板電極108b,所述背板電極108b位于空腔108d內,與敏感薄膜108a的位置對應,第一開口108c與所述敏感薄膜108a的位置對應。

本實施例中,第一襯底依次包括:硅襯底100、所述硅襯底100上的第一介質層105、所述第一介質層105上的第二介質層106、鑲嵌于所述第二介質層106中的第一導體層104,以及所述第二介質層106上的第二導體層107。

其中,敏感薄膜108a和感應薄膜101a均形成于所述第一導體層104中,背板電極108b和可動電極101d均形成于所述第二導體層107中,所述第一粘合層102的圖案形成于第二導體層107表面上。支撐臂106a可以由第一導體層104和第二導體層107的材料形成,也可以有第二介質層的材料106形成。

所述第二襯底200包括SOI襯底或者單晶硅襯底,優選的,第二襯底200內還具有信號處理電路(圖中未示出),位于導體間介質層203和導體連線層201的下方,所述信號處理電路例如為CMOS電路,用于接收、轉化和檢測電容式壓力傳感單元101感應到的外界壓力信號,導體連線層201用于連接不同的器件并連接第二粘合層202和第二襯底200內的信號處理電路。所述第二粘合層202位于導體連線層201上方,或者,所述第二粘合層202為導體連線層201中的最上層導體連線層。

正是由于所述開口101c和參考壓力腔101b的存在,感應薄膜101a才具有沿垂直于第一襯底100和第二襯底200方向形變的自由度。所述參考壓力腔101b和開口101c分別位于感應薄膜101a的兩側,并且參考壓力腔101b相對于外界密封,從而為另一側開口端的壓力變化提供固定的參考壓力值。

此外,所述電容式壓力傳感單元101及麥克風單元108上還可以具有保護介質層(圖中未示出),用于防止在后續形成第一粘合層的過程中損傷感應薄膜,同時也可以作為后續工藝的刻蝕停止層。

所述第二襯底200包括SOI襯底或者單晶硅襯底,以及襯底上的導體間介質層203、位于所述導體間介質層203中的導體連線層201。

優選的,第二襯底200內具有信號處理電路(圖中未示出),位于導體間介質層203和導體連線層201的下方,所述信號處理電路例如為CMOS電路,用于接收、轉化和檢測電容式壓力傳感單元101感應到的外界壓力信號,導體連線層201用于連接不同的器件并連接第二粘合層202和第二襯底200內的信號處理電路。

所述固定電極201a形成于最上層的導體連線層201中,與所述可動電極101d相對設置。所述第二粘合層202位于導體連線層201上方,或者,所述第二粘合層202為導體連線層201中的最上層導體層。

當外界壓力變化時,電容式壓力單元101的感應薄膜101a沿垂直于第一襯底100和第二襯底200的方向形變,可動電極101d也隨之移動,與固定電極201a之間的距離發生變化,從而使得電容式壓力傳感單元101的電容值改變,經由信號處理電路輸出。由于支撐臂106a與感應薄膜101a的中心位置連接,這樣,可動電極101d的移動能夠反映感應薄膜101a的最大形變,從而實現更好的靈敏度及線性度。

所述麥克風的背板電極108b的位置固定,它與敏感薄膜108a構成電容器的兩個極板,麥克風的敏感薄膜變形時,所述電容器的兩個極板之間的距離改變,將聲音信號轉為電信號。第一開口108c作為將聲音信號施加至麥克風的敏感薄膜的入口,聲音信號通過第一開口108c可以傳遞至所述麥克風的敏感薄膜上。

優選的,所述敏感薄膜的材料包括低應力多晶硅,由低應力多晶硅的制作的敏感薄膜108a能夠降低外界給予所述敏感薄膜108a的應力的敏感度,受外界的應力影響較小;所述敏感薄膜108a的形狀為方形、圓形或者其他形狀,本領域的技術人員可以根據待形成MEMS麥克風選擇適應的形狀,在此特意說明,不應過分限制本發明的保護范圍;還需要說明的是,由于選擇低應力多晶硅來形成敏感薄膜108a,使得采用低應力多晶硅的敏感薄膜108的MEMS麥克風能夠進一步減小尺寸,從而降低生產成本。

此外,所述第二襯底200上還具有多個壓焊焊墊204,所述壓焊焊墊204位于第二襯底200的導體連線層201(或信號處理電路)之外,位于所述第二粘合層202的同一膜層。壓焊焊墊204對應的第一襯底100被去除,使得壓焊焊墊204暴露,與引線焊接。

優選的,本發明的另一實施例中的MEMS集成傳感器還可以包括與所述電容式壓力傳感單元的結構相同的參考單元,電容式壓力傳感單元和參考單元共同組成差分式傳感器,兩者均由第一襯底和第二襯底相對連接而成,而且結構相同,但參考單元的感應薄膜上方的第一襯底中并沒有開口。同時測量電容式壓力傳感單元電容和參考單元電容,取其差值做差分輸出,可以減小外界環境因素(溫度,應力等)對傳感器輸出的影響。

另外,本發明的其他實施例中,所述麥克風單元的敏感薄膜和背板電極的位置可以互換,換言之,將圖1所示的敏感薄膜108a和背板電極108b交換位置,此時,從第一開口108c傳入的聲音信號能夠由所述背板電極108b的通孔108e中進入空腔108d,進而引起敏感薄膜108a針對,將聲音信號轉換為電信號。此種結構的優勢在于背板電極108b直接朝向第一開口108c能夠保護敏感薄膜。

不限于圖中所示,第一襯底100上可以包括多個所述MEMS電容式壓力傳感單元和麥克風單元組成的陣列,第二襯底200上包括與多個所述MEMS壓力傳感單元對應的導體連線或信號處理電路陣列(圖中未示出),兩者集成后再進行分割得到MEMS傳感器的芯片,經過芯片封裝工藝形成MEMS麥克風與壓力集成傳感器。

進行封裝工藝之后,如圖2所示,本實施例中所述麥克風與壓力集成傳感器還包括:

封裝襯底300,位于所述第二襯底200的背面(背向第一襯底100),具有多個壓焊管腳301;

封裝體302,位于所述封裝襯底300上方及所述第一襯底100和第二襯底周圍200,并暴露所述第一襯底100背面的一部分,使得第一開口108c和第二開口101c露出,該封裝體302的材料包括塑料;

粘合膠303,將所述第二襯底200和封裝襯底300連接;

引線304,位于所述封裝體301內,引線的兩端分別與壓焊焊墊204和壓焊管腳301焊接。

優選的,所述封裝體302和固定連接的第一襯底100、第二襯底200之間還包括應力緩沖層(圖中未示出),用于緩沖封裝體301的應力,從而避免對感應薄膜敏感度的干擾。

實施例一中,第一襯底100的背面一部分暴露于封裝體外,換言之,第一開口108c和第二開口101c作為分別聲音和壓力的入口,將聲波和壓力變化引入敏感薄膜和感應薄膜,實際上,也可以采用不同的聲音和壓力入口設計,以下實施例詳細說明。

實施例二

圖3為本實施例中所述的MEMS麥克風與壓力集成傳感器的結構示意圖,圖4為圖3中集成傳感器的封裝結構示意圖。

如圖所示,所述MEMS麥克風與壓力集成傳感器,與上述實施例不同之處在于,所述第二襯底200’的背面(背向第一襯底100’)具有第三開口109,與麥克風單元的敏感薄膜108c’的位置對應,將空腔108d’暴露,而所述敏感薄膜108a’和背板電極108b’中均具有通孔,于是,第一開口108c’、空腔108d’和第三開口209在第一襯底100’和第二襯底200’中形成一個貫穿的通道,能夠同時作為聲音及壓力的傳播通道。

第一襯底100’和第二襯底200’連接后實現了MEMS麥克風與壓力傳感單元單元和導體連線或信號處理電路的集成,然后再將襯底進行分割得到MEMS集成傳感器的芯片,經過芯片封裝工藝形成MEMS麥克風與壓力集成傳感器,還包括:

封裝襯底300’,位于所述第二襯底200’的背面,具有多個壓焊管腳301’,所述封裝襯底300’中具有與所述第三開口209連通的聲音及壓力開口300c;

封裝體302’,位于所述封裝襯底300’上方及所述第一襯底100’和第二襯底200’周圍,并暴露出所述第一襯底100’的背面的一部分(包括第一開口108c’和第二開口101c’),該封裝體302’的材料包括塑料;

封裝蓋306,位于所述封裝體302’頂部,與所述第一襯底100’之間具有封裝空腔307;

粘合膠303’,將所述第二襯底200’和封裝襯底300’連接,并將所述第一襯底100’和封裝蓋306連接;

引線304’,位于所述封裝體302’內,兩端分別與壓焊焊墊204’和壓焊管腳301’焊接。

與實施例一不同,本實施例中雖然第一襯底100’的背面暴露于封裝體302’外,但第一開口108c’和第二開口101c’被封裝蓋306密封與封裝空腔307內,并不與外界接觸,而聲音及壓力由封裝襯底背面的開口300c’進入,經由第三開口209’、空腔108d’和第一開口108c’進入封裝空腔307,對麥克風單元的敏感薄膜108a’和電容式壓力傳感單元的感應薄膜101a’作用。這種結構能夠有效防止敏感薄膜和感應薄膜暴露于外界而容易損壞。

本實施例中,所述MEMS麥克風與壓力集成傳感器還可以采用圖4a中的封裝結構,如圖所示,封裝體302’的上方沒有封裝蓋,封裝襯底300’中也沒有任何開口而是將第三開口209封堵,封裝體302’在第一襯底100’的背面形成喇叭形開口308,這樣,聲音及壓力通過喇叭形開口308分別進入第一開口108c’和第二開口101c’,而喇叭形開口308有利于收集聲音信號。第三開口209被封裝襯底封堵后作為麥克風單元的延伸空腔,此外,還可以通過設置于第二襯底和封裝襯底之間的另一襯底來形成更大的封裝空腔,這一襯底也通過粘合膠與封裝襯底連接。

類似的,實施例一中的MEMS麥克風與壓力集成傳感器也可以采用圖4a中的封裝結構,即封裝體高出第一襯底的背面,暴露第一開口和第二開口的同時形成喇叭形開口作為聲音和壓力的入口。

所述MEMS麥克風與壓力集成傳感器的其他結構與實施例一類似在此不再一一贅述。

實施例三

下面結合附圖詳細說明實施例一中MEMS麥克風及壓力傳感器的制作方法。圖5為本發明實施例中所述MEMS麥克風及壓力傳感器的制作方法的流程圖,圖6至圖13為所述MEMS壓力傳感器的制作方法的示意圖。如圖所示,所述制作方法包括:

步驟S1:提供第一襯底,在所述第一襯底上形成電容式壓力傳感單元的感應薄膜、麥克風單元的敏感薄膜和所述第一襯底表面的第一粘合層。

具體的,如圖6所示,首先,所述第一襯底100包括硅襯底,在所述硅襯底上形成第一介質層105,優選的,所述第一介質層105為氧化硅膜層,然后在所述第一介質層105上沉積第一導體層104,優選的,所述第一導體層104為多晶硅。接著,通過光刻、刻蝕工藝在所述第一導體層104中制作麥克風單元的敏感薄膜108a和電容式壓力傳感單元的感應薄膜101a及電連線層103。

所述敏感薄膜108a用于和后續形成背板電極形成電容,且所述敏感薄膜108a可以在聲信號的作用下振動,將聲信號轉換為電信號;所述敏感薄膜108a和感應薄膜101a的材料為低應力多晶硅,低應力多晶硅能夠降低外界給予所述敏感薄膜108a和感應薄膜101a的應力的敏感度,受外界的應力影響較小。

然后,如圖7所示,在具有敏感薄膜108a和電容式壓力傳感單元的感應薄膜101a的第一襯底表面淀積第二介質層106,優選的,所述第二介質層106為氧化硅膜層,進行光刻、刻蝕所述氧化硅膜層在第二介質層106中制作通孔(圖中未標號)。

接著,如圖8所示,在所述第二介質層106上沉積第二導體層107,同時也填充通孔(用于形成支撐臂和其他連接結構),優選的,所述第二導體層107為多晶硅,接著,通過光刻、刻蝕工藝在所述第二導體層107中制作麥克風單元的背板電極108b和電容式壓力傳感單元的可動電極101d,然后淀積第一粘合材料層(圖中未示出),所述第一粘合材料層形成于第二導體層107上面,但并不位于背板電極108b和可動電極101d上,避免影響器件的靈敏度;采用第一掩模板進行光刻工藝,然后對第一粘合材料層進行刻蝕從而形成第一粘合層102,優選的,還可以同時形成背板電極中的通孔,該步驟的刻蝕工藝可以采用傳統的濕法刻蝕或等離子刻蝕工藝。

最后,如圖9所示,進行MEMS結構釋放,去除暴露出的第二介質層106的材料,從而完成第一襯底100的制作過程。

步驟S2:提供第二襯底,在所述第二襯底上形成導體間介質層和所述導體間介質層中的導體連線層和固定電極,和/或所述第二襯底表面的第二粘合層。

參照圖10所示,所述第二襯底200包括SOI襯底或者單晶硅襯底,優選的,按照傳統工藝在該第二襯底200內先形成信號處理電路,所述信號處理電路例如包括CMOS電路;然后形成信號處理電路上的導體間介質層203(也可以直接形成導體連線層)、位于所述導體間介質層203中的導體連線層201,其中導體連線層中包括固定電極201a,該步驟可以采用銅互連工藝或者鋁互連工藝。

接著,在所述導體間介質層203上淀積第二粘合材料層(圖中未示出),采用第二掩模板進行光刻工藝,然后對第二粘合材料層進行刻蝕從而形成第二粘合層202,該第二粘合層202可以由導體間介質層中的通孔和連接插塞與其下方的導體連線層201電性連接。

所述固定電極201a用于與之前形成的感應薄膜101a形成電容,并將電容感應到的壓力信號轉換成電信號。

其中,所述第一粘合層102與第二粘合層202均為導電材料,例如,所述第一粘合層102和/或第二粘合層202為Au層、Al層、Au/Sn疊層或Al/Ge疊層。當所述第一粘合102層和/或第二粘合層202為Au/Sn疊層時,采用電鍍工藝形成其圖形,Al/Ge疊層可以采用光刻、刻蝕工藝形成其圖形。

優選的,第二粘合層202采用與導體連線層201相同的材料,例如Al,則所述第二粘合層202為導體連線層中的最上層導體層,換言之,在制造導體連線層中的最上層導體層的過程中,同時制作第二粘合層202的圖案,這樣可以節省一道光刻工藝,有利于降低成本。

經過光刻、刻蝕工藝后,所述第一粘合層102與第二粘合層202的圖案對應,這里“對應”的含義是當第一襯底100和第二襯底200相對設置時,第一粘合層102朝向第二粘合層202,兩者圖案的位置和形狀相互配合,能夠對應連接。

可選的,如圖11所示,制作第二襯底200過程還可以包括:在第二襯底200內形成對應與第一襯底100敏感薄膜位置的溝槽208,以延伸空腔108d(參見圖12、13)的空間。

形成第二粘合層202的同時,在所述導體連線層201以及之外的第二襯底200上形成壓焊焊墊區的多個壓焊焊墊204。各個壓焊焊墊204與第二粘合層202同一工藝中形成。

具體的,所述信號處理電路和所述導體連線層201位于第二襯底200的器件區內,所述器件區之外為壓焊焊墊區,壓焊焊墊區包括多個壓焊焊墊204,用于與壓焊引線連接,此外,所述器件區之外還具有芯片分割區。

步驟S3:將所述第一粘合層102和第二粘合層202相對設置并按照圖案對應的方式粘接,以連接第一襯底100和第二襯底200。

具體的,參照圖12所示,先將第一襯底100的第一粘合層102與第二襯底200的第二粘合層202的位置相對,使其圖案相互接觸,然后從兩個襯底的背面施加壓力,同時進行加熱使第一粘合層102和第二粘合層202的接觸面相互融合,例如所述第一粘合層102和第二粘合層202為Al層,通過襯底背面的吸盤對襯底施加40k-90k牛頓壓力,加熱襯底至400℃,相互接觸的Al層發生固態擴散,降溫后實現固定連接。上述連接工藝的工藝參數因第一粘合層102和第二粘合層202材料不同而不同。

第一粘合層102和第二粘合層202均為導電材料,例如金屬或者合金,固定連接的同時還能夠將第一襯底100的電容式壓力傳感單元101及電連線層103與第二襯底200的導體連線層201(或信號處理電路)電連接,實現麥克風單元、電容式壓力傳感單元與導體連線層(或信號處理電路)的集成。

步驟S4:在所述第一襯底中形成第一開口和第二開口,所述第一開口暴露出敏感薄膜或背板電極,所述第二開口暴露出感應薄膜。

如圖13所示,在第一襯底背面形成具有第一開口和第二開口圖案的光刻膠層(圖中未示出),以第一襯底100的背面作為刻蝕起始面,去除未被光刻膠保護的硅襯底材料和第一介質層105的材料,直到暴露出敏感薄膜108c和感應薄膜101c。如果敏感薄膜108c和感應薄膜101c不在同一層,則分為兩道光刻程序刻蝕。

優選的,如圖13所示,連接第一襯底100和第二襯底200之后還包括:形成第一開口108c和第二開口101c的同時,采用刻蝕工藝去除所述壓焊焊墊區對應的第一襯底100和第一介質層105,以暴露出壓焊焊墊區內的多個壓焊焊墊204。為保證與第一開口108c和第二開口101c刻蝕過程的一致性,需要在制作第一襯底的過程中(步驟S1),刻蝕第二介質層106的通孔的同時去除壓焊焊墊區對應的第二介質層106材料。

另外,上述步驟也可以在第一襯底100的第一粘合層102與第二襯底200的第二粘合層202的圖案相互接觸之前單獨對第一襯底100進行,這樣可以避免刻蝕工藝對第二襯底200的污染。

去除電容式壓力傳感單元101的感應薄膜101a對應的第一襯底100可以依次去除第一襯底100和第一介質層105,僅剩余感應薄膜101a和敏感薄膜108a;也可以使刻蝕停止在第一介質層105表面而僅去除第一襯底100,這樣第一介質層105可以起到保護感應薄膜的作用,這種方案需要在制作第一襯底的步驟S1中提前去除壓焊焊墊區對應的第一襯底上的第一介質層105。

本發明的另一實施例中,以上步驟S1和步驟S2的順序可以相互調換,也可以同時進行,不分先后順序,實際生產中第一襯底和第二襯底制作工藝可以能夠在不同的機臺完成,有利于提高產能。

實施例二中MEMS麥克風及壓力傳感器的制作方法與本實施例不同之處在于還包括形成第三開口209(參見圖4),該第三開口209可以在第一襯底和第二襯底連接之前形成,也可以在第一襯底和第二襯底連接之后形成。例如,在第一襯底100’和第二襯底200’粘合工藝完成后,需要在第二襯底200’背面形成具有第三開口圖案的光刻膠層(圖中未示出),以第二襯底200’的背面作為刻蝕起始面,依次去除未被光刻膠保護的硅襯底材料和導體間介質層203’的材料,直到暴露出所述空腔108d’。本發明其他實施例中,優選的,在第二襯底的第二粘合層形成之后,在第二襯底的正面覆蓋具有第三開口圖案的光刻膠層,通過刻蝕工藝形成第三開口。

采用本發明提供的MEMS麥克風及壓力傳感器體積小,性能高,且所述第一基底和第二基底構成封閉結構,本發明的MEMS麥克風及壓力傳感器及其制作方法不但制造工藝和封裝工藝簡單,且體積小,信噪比性能優良,抗干擾能力高。

以上實施例所述MEMS麥克風及壓力集成傳感器,其第二襯底均包括至少一層導體連線層和第二粘合層,事實上,也可以僅具有一層導體連線層,該導體連線層兼作第二粘合層。

本發明實施例所述的導體連線層、導體間介質層或第一導體層、第二導體層中的“導體”包括但不限于金屬、合金或半導體等材料。

本發明雖然已以較佳實施例公開如上,但其并不是用來限定本發明,任何本領域技術人員在不脫離本發明的精神和范圍內,都可以利用上述揭示的方法和技術內容對本發明技術方案做出可能的變動和修改,因此,凡是未脫離本發明技術方案的內容,依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化及修飾,均屬于本發明技術方案的保護范圍。

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