Mems器件真空封裝結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種MEMS器件真空封裝結(jié)構(gòu)的制作方法，采用外延生長的硅材料來填充側(cè)壁生長有絕緣層的封閉環(huán)形通槽，并利用封閉環(huán)形通槽環(huán)繞用于實現(xiàn)MEMS器件真空封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)外電連接的電極，以供所述電極周圍電學(xué)隔離。本發(fā)明中封閉環(huán)形通槽的填充物致密性很高，提高了器件的隔離效果、可靠性以及器件在真空封裝時的機械強度，能夠有效解決填充物與硅的熱膨脹系數(shù)差異引起的器件可靠性降低的問題；本發(fā)明對全硅結(jié)構(gòu)的真空封裝采用硅硅鍵合，具有無放氣、長期穩(wěn)定性好和可靠性好的優(yōu)勢。本發(fā)明與CMOS工藝的完全兼容，不僅用于MEMS器件中的慣性器件的真空封裝，也可用于紅外等其他器件，如角速度傳感器、能量采集器或紅外傳感器。
【專利說明】MEMS器件真空封裝結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明采用微電子機械加工技術(shù)，屬于微電子機械系統(tǒng)領(lǐng)域，涉及一種MEMS器件真空封裝結(jié)構(gòu)的制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]利用微電子機械加工技術(shù)制作的加速度計和角速度計在汽車導(dǎo)航和消費電子等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。這些傳感器具有成本低、可批量生產(chǎn)、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。但是在機械結(jié)構(gòu)達到微米量級時，空氣阻尼效應(yīng)成為了影響器件性能的關(guān)鍵因素。真空封裝能夠大幅減小空氣阻尼效應(yīng)，使器件的品質(zhì)因子得到顯著提高。
[0003]氣密性是影響真空封裝效果的一個重要因素。由于器件內(nèi)外的電連接很容易影響到真空封裝的氣密性，因此它決定了整個器件的真空封裝結(jié)構(gòu)。玻璃漿料封裝是常用的真空封裝方式之一。R.Knechtel, M.ffiemer, J.Fromel 在 Special issue: Wafer-bondingworkshop for MEMS technologies (WBff-MEMS), 11-12 October 2004, Halle 中詳細介紹了這種技術(shù)。玻璃漿料封裝的器件結(jié)構(gòu)簡單，也很容易實現(xiàn)密閉性和器件內(nèi)外的電連接。但是，由于玻璃漿料的流動性，一方面容易造成器件的沾污；另一方面通常需要密封環(huán)做的比較寬，同時需要增加附屬的結(jié)構(gòu)來控制玻璃漿料的流動，進而造成器件體積較大；更重要的是，玻璃漿料會釋放氣體，造成器件內(nèi)部氣壓上升，影響器件的性能，因此器件內(nèi)部需要再加入吸氣劑，導(dǎo)致成本上升。
[0004]Steven S.Nasiri 和 Anthony Francis Flannery, JR.提出了 一 種 CMOS 娃片和MEMS娃片鍵合并采用娃通孔引線的封裝結(jié)構(gòu)(Method of fabrication of Al/Gebonding in a wafer packaging enviroment and a product produced therefrom, US2008/0283990 Al)。該方法利用鋁鍺共晶鍵合(也稱作鋁鍺低溫鍵合)的導(dǎo)電特性和CMOS娃片上的娃通孔實現(xiàn)器件內(nèi)外的電連接，由于招鍺材料存在放氣(outgasing)過程,對于腔體內(nèi)長期真空度的保持有不利影響，同時，鋁鍺材料在惡劣環(huán)境下、特別是較高工作溫度環(huán)境下，如汽車應(yīng)用環(huán)境中會發(fā)生泡起(popping)等失效過程，顯著降低器件的可靠性，也限制了器件的應(yīng)用范圍。進一步，此種硅通孔制作使器件制造工藝變得復(fù)雜，成本也大幅上升，同時為借助硅通孔實現(xiàn)電連接該方法采用銅填充所述硅通孔，不過，由于銅與硅的熱膨脹系數(shù)相差較大，在溫度變化下，通孔中填充的銅會從通孔中突出而造成其上的焊球脫落，使器件可靠性降低。
[0005]真空封裝結(jié)構(gòu)中考慮器件內(nèi)外的電連接同時，還需要要考慮位于連接電極周圍的電學(xué)隔離結(jié)構(gòu)。Thorbjorn Ebefors、Edvard Kalvesten 和 Tomas Bauer 的專利(MICROPACKAGING MATHOD AND DEVICES, US 2010/0053922 Al)中，電學(xué)隔離的結(jié)構(gòu)的制作思路為:先形成高深寬比的凹槽，再直接利用CVD在所述凹槽內(nèi)填充絕緣物質(zhì)，以形成僅由絕緣物質(zhì)組成的高深寬比的隔離結(jié)構(gòu)，以達到電學(xué)隔離的目的。由于絕緣物質(zhì)在真空封裝時機械強度不足，當(dāng)僅在凹槽中填充絕緣物質(zhì)時，所述凹槽只能采用高深寬比結(jié)構(gòu)，但高深寬比的凹槽易造成填充在其內(nèi)的絕緣物質(zhì)存在空隙，從而導(dǎo)致填充的絕緣物質(zhì)致密性不好，影響隔離效果及器件在真空封裝時的機械強度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種MEMS器件真空封裝結(jié)構(gòu)的制作方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中硅通孔制作時沉積方法形成的金屬填充物與硅的熱膨脹系數(shù)差異引起的器件可靠性降低、用于電學(xué)隔離的硅通孔致密性不好導(dǎo)致的器件電學(xué)隔離效果和器件真空封裝的機械強度降低、以及某些非硅鍵合材料的不穩(wěn)定性導(dǎo)致器件長期穩(wěn)定性降低的問題。
[0007]為實現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種MEMS器件真空封裝結(jié)構(gòu)的制作方法，所述方法至少包括以下步驟:
[0008]I)提供一下基板，在所述下基板中預(yù)制作島狀支撐結(jié)構(gòu)處刻蝕封閉環(huán)形槽，以使所述封閉環(huán)形槽環(huán)繞出島狀支撐結(jié)構(gòu)；
[0009]2 )在所述下基板上表面形成絕緣層；
[0010]3)在所述絕緣層表面生長外延層直至填充滿所述封閉環(huán)形槽，而后減薄所述外延層直至暴露出所述封閉環(huán)形槽開口兩側(cè)的絕緣層；
[0011]4)去除暴露在所述下基板表面上的絕緣層；
[0012]5)提供一結(jié)構(gòu)層，將所述結(jié)構(gòu)層對準鍵合至所述下基板上表面；
[0013]6)圖形化并刻蝕所述結(jié)構(gòu)層，以形成所需的MEMS器件；
[0014]7)提供一上基板，在所述上基板中刻蝕出對應(yīng)所述封閉環(huán)形槽的第一凹槽，并利用鍵合工藝將所述上基板真空鍵合至所述結(jié)構(gòu)層；
[0015]8)背面減薄所述下基板，直至暴露出所述封閉環(huán)形槽，以使所述封閉環(huán)形槽形成填充有外延層及絕緣層的封閉環(huán)形通槽，完成真空封裝結(jié)構(gòu)的制作。
[0016]可選地，所述真空封裝結(jié)構(gòu)中的MEMS器件為能量采集器，所述步驟I)中在刻蝕所述封閉環(huán)形槽之前還包括在所述下基板中定義與所述能量采集器可動組件相對應(yīng)的結(jié)構(gòu)區(qū)域、并在所述結(jié)構(gòu)區(qū)域中刻蝕第二凹槽的步驟，其中，所述的第二凹槽與封閉環(huán)形槽相連接，所述第二凹槽的深度小于所述封閉環(huán)形槽的深度；所述步驟3)還包括減薄所述外延層后刻蝕所述外延層以暴露出所述第二凹槽表面絕緣層的步驟；所述步驟6)中的MEMS器件至少包括連接所述邊框支撐結(jié)構(gòu)的邊框、連接所述島狀支撐結(jié)構(gòu)的錨點、通過所述錨點與所述下基板相連的固定梳齒、具有與固定梳齒相對應(yīng)的可動梳齒的可動質(zhì)量塊、以及用于連接所述可動質(zhì)量塊和邊框的彈性梁，其中，所述的固定梳齒、可動梳齒、可動質(zhì)量塊及彈性梁均懸于所述下基板之上；所述步驟7)中還包括在鍵合前刻蝕所述上基板以形成對應(yīng)所述結(jié)構(gòu)區(qū)域的第三凹槽的步驟，以使上基板與結(jié)構(gòu)層扣合成一腔體，其中，所述的第三凹槽與第一凹槽形的深度相同、且均成于上基板的同一側(cè)；所述步驟8)還包括在經(jīng)減薄后的下基板背面形成鈍化層，并在所述鈍化層表面對應(yīng)所述島狀支撐結(jié)構(gòu)處開窗口，并在所述窗口中形成焊盤及引線。
[0017]可選地，所述步驟8)還包括在經(jīng)減薄后的下基板背面形成鈍化層，并在所述鈍化層表面預(yù)制作焊盤及引線處開窗口，并在所述窗口中形成焊盤及引線以實現(xiàn)電連接。
[0018]可選地，所述下基板和結(jié)構(gòu)層的材料為硅。
[0019]可選地，所述絕緣層材料為二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。[0020]可選地，所述上基板的材料為覆蓋有絕緣層的硅半導(dǎo)體層，其中，所述絕緣層由含硅的絕緣物質(zhì)形成。
[0021]可選地，采用化學(xué)機械拋光工藝對所述外延層或下基板進行研磨減薄。
[0022]可選地，在所述步驟2)中，采用熱生長、化學(xué)氣相沉積、或物理氣相沉積形成所述絕緣層。
[0023]可選地，所述步驟中的刻蝕工藝采用干法刻蝕或濕法刻蝕，其中，所述干法刻蝕至少包括反應(yīng)離子刻蝕或感應(yīng)耦合等離子體刻蝕，所述濕法刻蝕至少包括采用氫氧化鉀溶液。
[0024]可選地，在所述步驟3)中，外延生長所述外延層的同時進行摻雜，生長的所述外延層為多晶娃。
[0025]可選地，所述步驟2)中還包括形成絕緣層后再去除所述封閉環(huán)形槽底部的絕緣層以保留所述封閉環(huán)形槽側(cè)壁的絕緣層的步驟；所述步驟8)中暴露出所述封閉環(huán)形槽中的外延層。
[0026]可選地，在所述步驟3)中，外延生長所述外延層的同時進行摻雜，生長的所述外延層為多晶硅與單晶硅的混合物。
[0027]可選地，采用光刻工藝及絕緣層刻蝕工藝去除所述絕緣層。
[0028]可選地，所述步驟7)中的鍵合為硅硅鍵合。
[0029]如上所述，本發(fā)明的MEMS器件真空封裝結(jié)構(gòu)的制作方法，具有以下有益效果:本發(fā)明環(huán)繞所述真空封裝MEMS器件結(jié)構(gòu)的內(nèi)外電連接的電極結(jié)構(gòu)(島狀支撐結(jié)構(gòu))，形成填充有外延層及絕緣層的封閉環(huán)形通槽，以實現(xiàn)所述電極結(jié)構(gòu)的電學(xué)隔離。與傳統(tǒng)方法形成填充金屬的硅通孔填充物相比，本發(fā)明的作為電學(xué)隔離結(jié)構(gòu)的封閉環(huán)形通槽，采用外延生長的硅材料來填充，因此封閉環(huán)形通槽的填充物致密性很高，提高了器件的可靠性；同時本發(fā)明的外延層填充物為多晶硅或多晶硅與單晶硅的混合物，其熱膨脹系數(shù)與硅的熱膨脹系數(shù)差異不大，能夠有效解決金屬填充物與硅的熱膨脹系數(shù)差異引起的器件可靠性降低的問題；最后，本發(fā)明對全硅結(jié)構(gòu)的真空封裝采用硅硅鍵合，形成了全部由硅材料組成的器件結(jié)構(gòu)，具有無放氣、長期穩(wěn)定性好和可靠性好的優(yōu)勢。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1至圖15顯示為本發(fā)明MEMS器件真空封裝結(jié)構(gòu)的制作方法在實施例中的示意圖，其中，圖6顯示為圖5中A區(qū)域的局部放大示意圖，圖11顯示為圖10中結(jié)構(gòu)層的俯視示意圖。
[0031]元件標號說明
[0032]100下基板
[0033]101結(jié)構(gòu)區(qū)域
[0034]102 第二凹槽
[0035]103封閉環(huán)形槽
[0036]103’封閉環(huán)形通槽
[0037]104島狀支撐結(jié)構(gòu)
[0038]105邊框支撐結(jié)構(gòu)[0039]106絕緣層
[0040]107外延層
[0041]1071 單晶硅
[0042]1072 多晶硅
[0043]108鈍化層
[0044]109焊盤及引線
[0045]200結(jié)構(gòu)層
[0046]201彈性梁
[0047]202可動質(zhì)量塊
[0048]2031固定梳齒
[0049]2032可動梳齒
[0050]204 錨點
[0051]205 邊框
[0052]300上基板
[0053]301 第一凹槽
[0054]303第三凹槽
【具體實施方式】
[0055]以下通過特定的具體實例說明本發(fā)明的實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的【具體實施方式】加以實施或應(yīng)用，本說明書中的各項細節(jié)也可以基于不同觀點與應(yīng)用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進行各種修飾或改變。
[0056]請參閱圖1至圖15。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實際實施時的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實際實施時各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。
[0057]如圖1至圖15所示，本發(fā)明提供一種MEMS器件真空封裝結(jié)構(gòu)的制作方法，所述制作方法至少包括以下步驟:
[0058]首先執(zhí)行步驟1)，提供一下基板100，在所述下基板100中預(yù)制作島狀支撐結(jié)構(gòu)104處，采用干法刻蝕或濕法刻蝕形成封閉環(huán)形槽102，以使所述封閉環(huán)形槽102環(huán)繞出島狀支撐結(jié)構(gòu)104，其中，所述干法刻蝕至少包括反應(yīng)離子刻蝕(RIE)或感應(yīng)耦合等離子體刻蝕(ICP)，所述濕法刻蝕至少包括采用氫氧化鉀溶液。所述封閉環(huán)形槽103側(cè)壁與開口的角度依賴于制作封閉環(huán)形槽103的方法，采用干法刻蝕時所述封閉環(huán)形槽103側(cè)壁與開口的角度可近似為90° (即所述封閉環(huán)形槽103側(cè)壁與開口近似垂直)，采用濕法刻蝕時所述封閉環(huán)形槽103側(cè)壁與開口的角度為54.7°。
[0059]在本實施例中，所述真空封裝結(jié)構(gòu)中的MEMS器件為能量采集器，如圖1所示，則具體步驟I)為提供一硅材料下基板100，在所述下基板100中定義與所述能量采集器可動組件相對應(yīng)的結(jié)構(gòu)區(qū)域101，并采用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)在所述結(jié)構(gòu)區(qū)域101中刻蝕第二凹槽102，在所述下基板100中刻蝕與所述第二凹槽102相對側(cè)相連接的兩個封閉環(huán)形槽103，以使所述封閉環(huán)形槽103環(huán)繞出島狀支撐結(jié)構(gòu)104，且所述第二凹槽102的深度小于所述封閉環(huán)形槽103的深度，其中，所述的第二凹槽102形成于各該封閉環(huán)形槽103之間、且與封閉環(huán)形槽103形成于下基板的同一側(cè)，所述封閉環(huán)形槽103的一邊位于所述結(jié)構(gòu)區(qū)域101中，所述結(jié)構(gòu)區(qū)域101外的相對側(cè)形成有兩個島狀支撐結(jié)構(gòu)104，所述的封閉環(huán)形槽103及結(jié)構(gòu)區(qū)域101外、環(huán)繞所述下基板100邊緣形成邊框支撐結(jié)構(gòu)105。需要指出的是，所述第二凹槽102為所述能量采集器中可動組件留有活動空間。
[0060]在本實施例中，優(yōu)選的，所述封閉環(huán)形槽103的寬度范圍在80-150微米，深寬比值范圍是1~5，所述封閉環(huán)形槽103側(cè)壁與開口的角度依賴于制作封閉環(huán)形槽103的方法，采用干法刻蝕(反應(yīng)離子刻蝕)時所述封閉環(huán)形槽103側(cè)壁與開口的角度可近似為90° (即所述封閉環(huán)形槽103側(cè)壁與開口近似垂直)。
[0061]需要說明的是，本實施例中MEMS器件真空封裝結(jié)構(gòu)的制作方法的預(yù)制作的MEMS器件為能量采集器，但并不局限于此，預(yù)真空封裝的所述MEMS器件還可以是角速度傳感器或紅外傳感器等，即本發(fā)明不僅用于MEMS器件中的慣性器件的真空封裝，也可應(yīng)用于紅外等其他器件，其中，在步驟1)中對應(yīng)所述預(yù)制作的所述MEMS器件的可動組件在所述下基板中制作凹槽(并不局限于本實施例中第二凹槽的情況)，以供預(yù)制作的所述MEMS器件的可動組件留有活動空間。接著執(zhí)行步驟2)。
[0062]在步驟2)中，在所述下基板100上表面，采用熱生長、化學(xué)氣相沉積、或物理氣相沉積方法形成絕緣層106，其中，所述絕緣層106材料為二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅，所述絕緣層2的厚度范圍是10(T1000nm。在本實施例中，如圖2所示，采用化學(xué)氣相沉積在所述下基板100上表面形成氮化硅絕緣層106，其中，所述封閉環(huán)形槽103及第二凹槽102表面均形成有絕緣層106。
[0063]進一步，如圖3所示，在本實施例中，所述步驟2)中還包括采用光刻工藝及絕緣層刻蝕工藝去除所述封閉環(huán)形槽103底部的絕緣層106以保留所述封閉環(huán)形槽103側(cè)壁的絕緣層的步驟，以使所述封閉環(huán)形槽103底部暴露出所述下基板100材料(硅)，其中，絕緣層刻蝕工藝包括緩沖氧化層蝕刻液(BOE)或反應(yīng)離子刻蝕，本實施例中采用緩沖氧化層蝕刻液(BOE)去除所述絕緣層106。接著執(zhí)行步驟3)。
[0064]在步驟3)中，在本實施例中，如圖4所示，在所述絕緣層106表面，外延生長硅材料外延層107的同時進行摻雜，直至所述外延層107填充滿所述封閉環(huán)形槽103，而后，如圖5所示，采用化學(xué)機械拋光工藝減薄所述外延層107直至暴露出所述封閉環(huán)形槽103開口兩側(cè)的絕緣層106。
[0065]進一步，在本實施例中，由于前述步驟I)中刻蝕所述第二凹槽102，因此，化學(xué)機械拋光減薄所述外延層107后，所述第二凹槽102表面仍存在外延層107，則如圖7所示，所述步驟3)減薄所述外延層107后采用干法刻蝕或濕法刻蝕，去除存在于所述第二凹槽102表面的所述外延層107，以暴露出所述第二凹槽102表面絕緣層106，其中，所述干法刻蝕至少包括反應(yīng)離子刻蝕(RIE)或感應(yīng)耦合等離子體刻蝕(ICP)，所述濕法刻蝕至少包括采用氫氧化鉀溶液。本實施例中，采用RIE去除所述第二凹槽102表面的所述外延層107，以暴露出所述第二凹槽102表面絕緣層106，此時，位于所述封閉環(huán)形槽103內(nèi)的外延層107也同時被刻蝕，則暴露出位于所述封閉環(huán)形槽103側(cè)壁的部分絕緣層106，其中，所述刻蝕外延層107的深度與所述第二 凹槽102的深度相等。[0066]需要說明的是，由于本實施例的前述步驟2)中已刻蝕所述封閉環(huán)形槽103底部的絕緣層106，并將所述封閉環(huán)形槽103底部的下基板100表面暴露出，因此在所述步驟3)中邊摻雜邊外延生長硅材料外延層3時，沿所述封閉環(huán)形槽103底部的下基板100表面外延生長的為單晶硅外延層1071，沿所述封閉環(huán)形槽103側(cè)壁的絕緣層106外延生長的為多晶硅外延層1072，形成填充所述封閉環(huán)形槽103的外延層107為多晶硅外延層1072與單晶硅層1071的混合物，且由于本實施例中優(yōu)選的所述封閉環(huán)形槽103的深寬比值范圍為廣5(本實施例中所述封閉環(huán)形槽103的深寬比值為1.5)，所述外延層107經(jīng)過減薄后，位于所述封閉環(huán)形槽103開口處的填充物(外延層107)表面暴露出單晶硅1071，即同時存在單晶硅1071和多晶硅1072，所述外延層107填充物中單晶硅和多晶硅的分布請參閱圖6，圖6為圖5中A區(qū)域(封閉環(huán)形槽103的一邊)的局部放大示意圖。需要指出的是，所述封閉環(huán)形槽103用于隔離作用時，其外延層107填充物為單晶硅和多晶硅混合物或為單純的多晶硅時，所述封閉環(huán)形槽103的隔離效果并無明顯區(qū)分。
[0067]需要進一步說明的是，在另一實施例中(未圖示)，當(dāng)前述步驟2)中未刻蝕所述封閉環(huán)形槽底部的絕緣層時，則步驟3)中，外延生長所述硅材料外延層的同時進行摻雜，填充滿所述封閉環(huán)形槽，此時，生長的所述外延層只為多晶硅(未圖示)。接著執(zhí)行步驟4)。
[0068]在步驟4)中，如圖8所示，采用光刻工藝及絕緣層刻蝕工藝去除暴露在所述下基板100表面上的絕緣層106，其中，絕緣層刻蝕工藝包括緩沖氧化層蝕刻液(BOE)或反應(yīng)離子刻蝕，本實施例中采用緩沖氧化層蝕刻液(BOE)去除所述絕緣層106。由于本實施例前述步驟3)中暴露出所述第二凹槽102表面絕緣層106時，對所述第二凹槽102及封閉環(huán)形槽103上的外延層同時進行反應(yīng)離子刻蝕(RIE)，因此，位于所述封閉環(huán)形槽103側(cè)壁的部分絕緣層106也為暴露在所述下基板100表面上的絕緣層106，則如圖8所示，位于所述封閉環(huán)形槽103側(cè)壁的部分絕緣層106也被去除。此時，所述島狀支撐結(jié)構(gòu)104與邊框支撐結(jié)構(gòu)105等聞，且均聞于所述下基板100中的其它區(qū)域。接著執(zhí)行步驟5)。
[0069]在步驟5)中，如圖9所示，提供一結(jié)構(gòu)層200，將所述結(jié)構(gòu)層200對準鍵合至所述下基板100上表面，其中，在本實施例中，所述結(jié)構(gòu)層200的材料為硅。此時，由于前述步驟中的絕緣層106作為掩膜，以保護所述下基板100上表面的半導(dǎo)體質(zhì)量，則所述等高的島狀支撐結(jié)構(gòu)104與邊框支撐結(jié)構(gòu)105的表面作為鍵合面，且所述鍵合面的半導(dǎo)體質(zhì)量不受前述工藝步驟的影響，以利于鍵合的實施，由于本實施例中下基板100及結(jié)構(gòu)層100均為硅材料，因此，所述對準鍵合采用常規(guī)的S1-Si鍵合(硅硅鍵合)。
[0070]需要指出的是，如圖9所示，在本實施例中，所述結(jié)構(gòu)層200與下基板100之間，所述結(jié)構(gòu)區(qū)域101及封閉環(huán)形槽103的開口處存在空隙，且所述結(jié)構(gòu)區(qū)域101的空間為所述預(yù)制作的MEMS器件(本實施例為能量采集器)中可動組件的活動空間。接著執(zhí)行步驟6)。
[0071]在步驟6)中，采用光刻膠(未圖示)及預(yù)制作MEMS器件的掩膜版(未圖示)對所述結(jié)構(gòu)層200進行圖形化處理，并干法刻蝕或濕法刻蝕所述結(jié)構(gòu)層200，以形成所需的MEMS器件，其中，所述干法刻蝕至少包括反應(yīng)離子刻蝕(RIE)或感應(yīng)耦合等離子體刻蝕(ICP)，所述濕法刻蝕至少包括采用氫氧化鉀溶液。在本實施例中，采用感應(yīng)耦合等離子體刻蝕(ICP)，對已經(jīng)過圖形化處理的結(jié)構(gòu)層200進行刻蝕，以釋放所需的MEMS器件的具體結(jié)構(gòu)。
[0072]本實施例的MEMS器件為能量采集器，則請參閱圖10及圖11，其中，圖11為結(jié)構(gòu)層200中能量采集器的俯視示意圖。所述MEMS器件至少包括連接所述邊框支撐結(jié)構(gòu)105的邊框205、連接所述島狀支撐結(jié)構(gòu)104的錨點204、通過所述錨點204與所述下基板100相連的固定梳齒2031、具有與固定梳齒2031相對應(yīng)的可動梳齒2032的可動質(zhì)量塊202、以及用于連接所述可動質(zhì)量塊202和邊框205的彈性梁201，其中，所述的固定梳齒2031、可動梳齒2032、可動質(zhì)量塊202及彈性梁201均懸于所述下基板之上，且所述可動梳齒2032、可動質(zhì)量塊202及彈性梁201為所述能量采集器的可動組件。
[0073]需要說明的是，位于結(jié)構(gòu)層200的預(yù)真空封裝的所述MEMS器件(本實施例中為能量采集器)與下基板之間的存在空間，以供所述預(yù)真空封裝的所述MEMS器件的可動組件活動；所述封閉環(huán)形槽103上部與結(jié)構(gòu)層200之間存在的空間，目的是使結(jié)構(gòu)層200中的外框205與預(yù)封裝的MEMS器件中預(yù)電學(xué)隔離的組件實現(xiàn)電學(xué)隔離，以避免所述被真空封裝的MEMS器件與外界電連接造成短路。接著執(zhí)行步驟7)。
[0074]在步驟7)中，在本實施例中，如圖12所示，提供一上基板300，在所述上基板300中，采用干法刻蝕或濕法刻蝕形成對應(yīng)所述封閉環(huán)形槽103的第一凹槽301、及對應(yīng)所述結(jié)構(gòu)區(qū)域101的第三凹槽303 ;如圖13所示，利用鍵合工藝將所述上基板300真空鍵合至所述結(jié)構(gòu)層200，以使上基板300與結(jié)構(gòu)層200扣合成一腔體，為所述能量采集器的可動組件留有足夠的活動空間，其中，所述的第三凹槽303與第一凹槽301的深度相同且相連接、并均成形成于上基板300的同一側(cè)。所述干法刻蝕至少包括反應(yīng)離子刻蝕(RIE)或感應(yīng)耦合等離子體刻蝕(ICP)，所述濕法刻蝕至少包括采用氫氧化鉀溶液；所述鍵合為硅硅鍵合；所述真空鍵合是指將被鍵合物放入鍵合機腔體中后，在實施鍵合的過程中同時在鍵合機腔體中進行抽真空處理；所述上基板的材料為覆蓋有絕緣層的硅半導(dǎo)體層，其中，所述絕緣層由含硅的絕緣物質(zhì)形成，所述絕緣層避免所述MEMS器件中預(yù)電學(xué)隔離的組件與外界電連接造成短路。
[0075]復(fù)請參閱圖12及圖13，需要指出的是，在本實施例中，所述上基板300的材料為硅；先采用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)對硅材料上基板300進行刻蝕形成第一凹槽301及第三凹槽303，而后，在形成有所述凹槽的上基板300表面上生長絕緣層，所述絕緣層至少包括氧化硅、氮化硅或氮氧化硅，本實施例中，所述絕緣層為氧化硅，以電學(xué)隔離用于內(nèi)外電連接的電極結(jié)構(gòu)(島狀支撐結(jié)構(gòu))，防止其通過上基板存在電學(xué)導(dǎo)通而造成器件失效，換言之，所述上基板為形成有第一凹槽301及第三凹槽303、且表面覆蓋有絕緣層的硅材料上基板；采用的鍵合為硅硅鍵合，且所述第三凹槽303的外側(cè)及封閉環(huán)形槽301的外側(cè)均為所述上基板300的鍵合面，與所述結(jié)構(gòu)層200的錨點204及邊框205相對應(yīng)進行真空鍵合，其中，由于本實施例中，所述上基板300、結(jié)構(gòu)層200、下基板100均為硅材料，因此，本實施例中是對全娃結(jié)構(gòu)進行娃娃鍵合的，形成的器件結(jié)構(gòu)全部由娃材料組成，具有無放氣、長期穩(wěn)定性好、及可靠性好等優(yōu)勢。接著執(zhí)行步驟8)。
[0076]在步驟8)中，如圖14所示，采用化學(xué)機械拋光工藝背面減薄所述下基板100，直至暴露出所述封閉環(huán)形槽103，以使所述封閉環(huán)形槽103形成填充有外延層107及絕緣層106的、供電學(xué)隔離的封閉環(huán)形通槽103’，完成真空封裝結(jié)構(gòu)的制作。
[0077]需要指出的是，所述封閉環(huán)形通槽103’，采用外延生長的硅材料(為多晶硅外延層1072與單晶硅層1071的混合物)來填充，因此封閉環(huán)形通槽103’的填充物致密性很高，提高了器件的可靠性。
[0078]在本實施例中，如圖15所示，所述MEMS器件為能量采集器需要內(nèi)外電連接，則通過所述島狀支撐結(jié)構(gòu)104實現(xiàn)內(nèi)外電連接，因此，所述步驟8)還包括在經(jīng)減薄后的下基板100背面形成鈍化層108，并在所述鈍化層108表面對應(yīng)所述島狀支撐結(jié)構(gòu)104處開窗口，并在所述窗口中采用濺射鋁或化學(xué)氣相沉積(CVD)多晶硅形成焊盤及引線109，以形成由所述的焊盤及引線109、島狀支撐結(jié)構(gòu)104、錨點204形成的電連接通路，其中，所述封閉環(huán)形通槽103’供所述真空封裝結(jié)構(gòu)中島狀支撐結(jié)構(gòu)104與下基板的其余區(qū)域進行電學(xué)隔離，從而避免通過所述島狀支撐結(jié)構(gòu)104實現(xiàn)電連接時形成短路的情況。
[0079]需要指出的是，在本實施例中，由于步驟2)中去除了封閉環(huán)形槽103底部的絕緣層106，因此所述步驟8)中對所述下基板100進行背面減薄后，形成的封閉環(huán)形通槽的底面暴露出外延層107。在另一實施例中，步驟2)中未去除了封閉環(huán)形槽底部的絕緣層，則所述步驟8)中對所述下基板進行背面減薄后，形成的封閉環(huán)形通槽的底面暴露出位于底部的絕緣層。
[0080]需要說明的是，在真空鍵合所述上基板300與結(jié)構(gòu)層200之后再背面減薄所述下基板100,原因在于,所述結(jié)構(gòu)層的表面若未真空鍵合所述上基板300時對所述下基板100進行背面減薄時，容易造成對所述結(jié)構(gòu)層200中MEMS器件的污染，因此，需要先進行真空鍵合而后再對所述下基板100進行背面減薄。
[0081]綜上所述，本發(fā)明一種MEMS器件真空封裝結(jié)構(gòu)的制作方法，本發(fā)明環(huán)繞所述真空封裝MEMS器件結(jié)構(gòu)的內(nèi)外電連接的電極結(jié)構(gòu)(島狀支撐結(jié)構(gòu))，形成填充有外延層及絕緣層的封閉環(huán)形通槽，以實現(xiàn)所述電極結(jié)構(gòu)的電學(xué)隔離。與傳統(tǒng)方法形成填充金屬的硅通孔填充物相比，本發(fā)明的作為電學(xué)隔離結(jié)構(gòu)的封閉環(huán)形通槽，采用外延生長的硅材料來填充，因此封閉環(huán)形通槽的填充物致密性很高，提高了器件的可靠性；同時本發(fā)明的外延層填充物為多晶硅或多晶硅與單晶硅的混合物，其熱膨脹系數(shù)與硅的熱膨脹系數(shù)差異不大，能夠有效解決金屬填充物與硅的熱膨脹系數(shù)差異引起的器件可靠性降低的問題；最后，本發(fā)明對全硅結(jié)構(gòu)的真空封裝采用硅硅鍵合，形成了全部由硅材料組成的器件結(jié)構(gòu)，具有無放氣、長期穩(wěn)定性好和可靠性好的優(yōu)勢。所以，本發(fā)明有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中的種種缺點而具高度產(chǎn)業(yè)利用價值。
[0082]上述實施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬【技術(shù)領(lǐng)域】中具有通常知識者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
【權(quán)利要求】
1.一種MEMS器件真空封裝結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于，所述制作方法至少包括以下步驟: 1)提供一下基板，在所述下基板中預(yù)制作島狀支撐結(jié)構(gòu)處刻蝕封閉環(huán)形槽，以使所述封閉環(huán)形槽環(huán)繞出島狀支撐結(jié)構(gòu)； 2)在所述下基板上表面形成絕緣層； 3)在所述絕緣層表面生長外延層直至填充滿所述封閉環(huán)形槽，而后減薄所述外延層直至暴露出所述封閉環(huán)形槽開口兩側(cè)的絕緣層； 4)去除暴露在所述下基板表面上的絕緣層； 5)提供一結(jié)構(gòu)層，將所述結(jié)構(gòu)層對準鍵合至所述下基板上表面； 6)圖形化并刻蝕所述結(jié)構(gòu)層，以形成所需的MEMS器件； 7)提供一上基板，在所述上基板中刻蝕出對應(yīng)所述封閉環(huán)形槽的第一凹槽，并利用鍵合工藝將所述上基板真空鍵合至所述結(jié)構(gòu)層； 8)背面減薄所述下基板，直至暴露出所述封閉環(huán)形槽，以使所述封閉環(huán)形槽形成填充有外延層及絕緣層的封閉環(huán)形通槽，完成真空封裝結(jié)構(gòu)的制作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MEMS器件真空封裝結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于:所述真空封裝結(jié)構(gòu)中的MEMS器件為能量采集器， 所述步驟I)中在刻蝕所述封閉環(huán)形槽之前還包括在所述下基板中定義與所述能量采集器可動組件相對應(yīng)的結(jié)構(gòu)區(qū)域、并在所述結(jié)構(gòu)區(qū)域中刻蝕第二凹槽的步驟，其中，所述的第二凹槽與封閉環(huán)形槽相連接，所述第二凹槽的深度小于所述封閉環(huán)形槽的深度； 所述步驟3)還包括減薄所述外延層后刻蝕所述外延層以暴露出所述第二凹槽表面絕緣層的步驟； 所述步驟6)中的MEMS器件至少包括連接所述邊框支撐結(jié)構(gòu)的邊框、連接所述島狀支撐結(jié)構(gòu)的錨點、通過所述錨點與所述下基板相連的固定梳齒、具有與固定梳齒相對應(yīng)的可動梳齒的可動質(zhì)量塊、以及用于連接所述可動質(zhì)量塊和邊框的彈性梁，其中，所述的固定梳齒、可動梳齒、可動質(zhì)量塊及彈性梁均懸于所述下基板之上； 所述步驟7)中還包括在鍵合前刻蝕所述上基板以形成對應(yīng)所述結(jié)構(gòu)區(qū)域的第三凹槽的步驟，以使上基板與結(jié)構(gòu)層扣合成一腔體，其中，所述的第三凹槽與第一凹槽形的深度相同、且均成于上基板的同一側(cè)； 所述步驟8)還包括在經(jīng)減薄后的下基板背面形成鈍化層，并在所述鈍化層表面對應(yīng)所述島狀支撐結(jié)構(gòu)處開窗口，并在所述窗口中形成焊盤及引線。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的真空封裝結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于:所述步驟8)還包括在經(jīng)減薄后的下基板背面形成鈍化層，并在所述鈍化層表面預(yù)制作焊盤及引線處開窗口，并在所述窗口中形成焊盤及引線以實現(xiàn)電連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的真空封裝結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于:所述下基板和結(jié)構(gòu)層的材料為娃。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的真空封裝結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于:所述絕緣層材料為二氧化硅、氮化硅或氮 氧化硅。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的真空封裝結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于:所述上基板的材料為覆蓋有絕緣層的硅半導(dǎo)體層，其中，所述絕緣層由含硅的絕緣物質(zhì)形成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的真空封裝結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于:采用化學(xué)機械拋光工藝對所述外延層或下基板進行研磨減薄。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的真空封裝結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于:在所述步驟2)中，采用熱生長、化學(xué)氣相沉積、或物理氣相沉積形成所述絕緣層。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的真空封裝結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于:所述方法中的刻蝕工藝采用干法刻蝕或濕法刻蝕，其中，所述干法刻蝕至少包括反應(yīng)離子刻蝕或感應(yīng)耦合等離子體刻蝕，所述濕法刻蝕至少包括采用氫氧化鉀溶液。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的真空封裝結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于:在所述步驟3)中，外延生長所述外延層的同時進行摻雜，生長的所述外延層為多晶硅。
11.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的真空封裝結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于:所述步驟2)中還包括形成絕緣層后再去除所述封閉環(huán)形槽底部的絕緣層以保留所述封閉環(huán)形槽側(cè)壁的絕緣層的步驟；所述步驟8)中暴露出所述封閉環(huán)形槽中的外延層。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的真空封裝結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于:在所述步驟3)中，外延生長所述外延層的同時進行摻雜，生長的所述外延層為多晶硅與單晶硅的混合物。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的真空封裝結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于:采用光刻工藝及絕緣層刻蝕工藝去除所述絕緣層。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MEMS器件的真空封裝結(jié)構(gòu)制作方法，其特征在于:所述步驟7)中的鍵合為硅硅鍵 合。
【文檔編號】B81C1/00GK103879952SQ201210556515
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2012年12月19日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月19日
【發(fā)明者】焦繼偉, 王敏昌 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所