一種晶圓級(jí)壓電振動(dòng)能量收集器真空封裝結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于可再生資源領(lǐng)域，涉及到將振動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能的微能源技術(shù)，尤其是一種晶圓級(jí)壓電振動(dòng)能量收集器真空封裝結(jié)構(gòu)的制作方法，屬于基于MEMS技術(shù)的微能源技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]壓電振動(dòng)能量收集器是利用材料的壓電效應(yīng)將環(huán)境中大量存在的振動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能的器件，與當(dāng)前的MEMS技術(shù)結(jié)合，使其不僅具有體積小、壽命長(zhǎng)、易集成等優(yōu)點(diǎn)，在重量、壽命、能量密度、補(bǔ)給速度、可靠性、成本等方面均具有顯著優(yōu)勢(shì)，是目前解決無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供能問(wèn)題的有效途徑，也是當(dāng)今國(guó)際微能源領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。
[0003]盡管基于MEMS技術(shù)的壓電振動(dòng)能量收集器已經(jīng)取得了一定的成果，但由于其頻帶寬度窄和能量密度低的限制，大大影響了壓電振動(dòng)能量收集器的推廣和應(yīng)用。為解決上述問(wèn)題，許多研究機(jī)構(gòu)著力發(fā)展MEMS晶圓級(jí)真空封裝技術(shù)和頻帶拓展技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]鑒于此，本發(fā)明提供一種一種晶圓級(jí)壓電振動(dòng)能量收集器真空封裝結(jié)構(gòu)的制作方法，該方法實(shí)現(xiàn)MEMS振動(dòng)能量收集器的圓晶級(jí)真空封裝，在提高其能力輸出密度的同時(shí)，也可拓寬其頻帶寬度。
[0005]本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，一種晶圓級(jí)壓電振動(dòng)能量收集器真空封裝結(jié)構(gòu)的制作方法，所述晶圓級(jí)壓電振動(dòng)能量收集器真空封裝結(jié)構(gòu)包括第一晶圓、第二晶圓和第三晶圓，三者通過(guò)共晶鍵合方式連接成一體，形成真空腔室;所述第二晶圓設(shè)置于第一晶圓與第三晶圓之間，所述第二晶圓包括固定架、懸臂梁、質(zhì)量塊、上電極和下電極，其特征在于:該方法包括以下步驟:
[0006]S1.第二晶圓制作:
[0007]Sll.以SOI基片作為基底材料，雙面分別生長(zhǎng)頂層S12層和底層S12層，SOI基片包括頂層Si層、中間夾層Si02層和底層Si層；
[0008]S12.在頂層Si02層上生長(zhǎng)下電極層并圖形化，下電極層為Mo層；
[0009]S13.在下電極層上生長(zhǎng)壓電層并圖形化，壓電層材料AlN;
[0010]S14.在壓電層上生長(zhǎng)上電極層并圖形化，上電極層為Al層；
[0011]S15.在上電極層上生長(zhǎng)Ge層并圖形化；
[0012]S16.1CP刻蝕功能層Si至夾層S12層;通過(guò)步驟Sll?S16形成第二晶圓；
[0013]S2.第一晶圓和第三晶圓作制；
[0014]S21.分別在硅層上依次生長(zhǎng)S12層及Al層并圖形化，ICP刻蝕至要求深度形成淺腔；
[0015]S3.第一晶圓和第二晶圓進(jìn)行共晶鍵合；
[0016]S4.第二晶圓背面生長(zhǎng)Al層并圖形化，ICP刻蝕第二晶圓的底層Si層，形成質(zhì)量塊圖形，RIE去除底層S12層；
[0017]S5.第三晶圓和第二晶圓進(jìn)行共晶鍵合，最終形成晶圓級(jí)壓電振動(dòng)能量收集器真空封裝結(jié)構(gòu)。
[0018]由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有如下的優(yōu)點(diǎn):
[0019]1.本發(fā)明提出的晶圓級(jí)壓電振動(dòng)能量收集器真空封裝結(jié)構(gòu)的制作方法，通過(guò)特定的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，避免采用TSV及TGV等復(fù)雜方法，實(shí)現(xiàn)能量收集器的真空封裝；
[0020]2.本發(fā)明提出的晶圓級(jí)MEMS壓電振動(dòng)能量收集器的封裝結(jié)構(gòu)和封裝方法，主要是利用鋁(Al)、鍺(Ge)等金屬作為共晶鍵合層，因此成本低、易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)；
[0021]3.本發(fā)明所提出的晶圓級(jí)壓電振動(dòng)能量收集器真空封裝結(jié)構(gòu)的制作方法，在實(shí)現(xiàn)能量收集器真空封裝的同時(shí)，也可通過(guò)特定的結(jié)構(gòu)，對(duì)第二晶圓的懸臂梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行限幅，在增加其能量輸出密度的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)能量收集器的頻帶寬度的拓展;壓電材料可采用與集成電路兼容的氮化鋁壓電薄膜材料或者其他壓電薄膜材料；
[0022]4.本發(fā)明提出的晶圓級(jí)壓電振動(dòng)能量收集器真空封裝結(jié)構(gòu)的制作方法，可廣泛用于其他內(nèi)部具有可動(dòng)結(jié)構(gòu)或部件，只有在真空環(huán)境下才能獲得良好的工作性能的MEMS器件，如微加速度計(jì)、微陀螺儀等。
[0023]由此可見(jiàn)，本發(fā)明提出的晶圓級(jí)壓電振動(dòng)能量收集器真空封裝結(jié)構(gòu)的制作方法，具有較高的研究?jī)r(jià)值和廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。
【附圖說(shuō)明】
[0024]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，其中:
[0025]圖1為晶圓級(jí)壓電振動(dòng)能量收集器真空封裝結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖；
[0026]圖2為晶圓級(jí)壓電振動(dòng)能量收集器真空封裝結(jié)構(gòu)的三視圖；
[0027]圖3為晶圓級(jí)壓電振動(dòng)能量收集器真空封裝結(jié)構(gòu)的制作方法流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028]以下將結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述;應(yīng)當(dāng)理解，優(yōu)選實(shí)施例僅為了說(shuō)明本發(fā)明，而不是為了限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0029]本發(fā)明的晶圓級(jí)壓電振動(dòng)能量收集器真空封裝結(jié)構(gòu)的制作方法，以SOI基片為襯底材料，通過(guò)MEMS技術(shù)實(shí)現(xiàn)器件的制備。如圖1、2所示，晶圓級(jí)壓電振動(dòng)能量收集器真空封裝結(jié)構(gòu)主要包括:第一晶圓1、第二晶圓2和第三晶圓3，三者通過(guò)共晶鍵合方式連接成一體，形成真空腔室;所述第二晶圓設(shè)置于第一晶圓與第三晶圓之間，其中，第一晶圓和第三晶圓作為頂層和底層的蓋帽使用；第二晶圓作為壓電能量收集器的核心部件，主要由懸臂梁5、質(zhì)量塊4、電極6(上電極和下電極)等構(gòu)成。
[0030]如圖3所示，晶圓級(jí)壓電振動(dòng)能量收集器真空封裝結(jié)構(gòu)的制作方法，【具體實(shí)施方式】如下所述:
[0031]制作第二晶圓:
[0032](I)采用總厚度為500um的SOI基片作為基底材料，頂層Si層7(功能層)厚度為50-70um，底層Si層9(結(jié)構(gòu)層)厚度為450um，中間夾層S12層8厚度約為lum，如圖3a所示；
[0033](2)雙面熱氧化生長(zhǎng)300nm厚的S12層(頂層S12層10和底層S12層11)，如圖3b所示；
[0034](3)磁控濺射生長(zhǎng)下電極Mo層12，其厚度為200nm，圖形化后如圖3c所示；
[0035](4)生長(zhǎng)壓電材料AlN層13，其厚度約為1200-1500nm，圖形化后如圖3d所示；
[0036](5)長(zhǎng)上電極Al層14，其厚度約為800-1000nm，圖形化后如圖3e所示；
[0037](6)磁控濺射生長(zhǎng)Ge層15，其厚度為200nm，圖形化后如圖3f所示；
[0038](7)ICP刻蝕功能層Si至夾層S12層，如圖3g所示；
[0039]第一晶圓和第三晶圓具有相同的結(jié)構(gòu)，具體制作方式如下:
[0040](8)分別在Si層16上依次生長(zhǎng)S12層17及Al層18，并圖形化，ICP刻蝕至要求深度，如圖3h所示；
[0041 ] (9)第一晶圓和第一■晶圓進(jìn)彳丁共晶鍵合，如圖3i所不；
[0042](10)第二晶圓背面生長(zhǎng)Al層并圖形化，ICP刻蝕第二晶圓結(jié)構(gòu)層Si，形成質(zhì)量塊圖形，RIE去除SOI夾層S12，如圖3 j所示；
[0043](11)第二晶圓和第二晶圓進(jìn)行共晶鍵合，如圖3k所不。
[0044]MEMS晶圓級(jí)真空封裝技術(shù)是基于MEMS技術(shù)，以娃圓片為單元進(jìn)行圓片級(jí)的真空封裝，之后進(jìn)行劃片工序，實(shí)現(xiàn)單個(gè)MEMS器件的真空封裝，提高其能量輸出密度。與傳統(tǒng)封裝相比，具有低成本、高效率等優(yōu)點(diǎn)，另外還可提高單個(gè)MEMS器件的成品率和可靠性。
[0045]以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，并不用于限制本發(fā)明，顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種晶圓級(jí)壓電振動(dòng)能量收集器真空封裝結(jié)構(gòu)的制作方法，所述晶圓級(jí)壓電振動(dòng)能量收集器真空封裝結(jié)構(gòu)包括第一晶圓、第二晶圓和第三晶圓，三者通過(guò)共晶鍵合方式連接成一體，形成真空腔室;所述第二晶圓設(shè)置于第一晶圓與第三晶圓之間，所述第二晶圓包括固定架、懸臂梁、質(zhì)量塊、上電極和下電極，其特征在于:該方法包括以下步驟: 51.第二晶圓制作: SI 1.以SOI基片作為基底材料，雙面分別生長(zhǎng)頂層S12層和底層S12層，SOI基片包括頂層Si層、中間夾層Si02層和底層Si層； 512.在頂層S12層上生長(zhǎng)下電極層并圖形化； 513.在下電極層上生長(zhǎng)壓電層并圖形化； 514.在壓電層上生長(zhǎng)上電極層并圖形化； 515.在上電極層上生長(zhǎng)Ge層并圖形化； 516.1CP刻蝕功能層Si至夾層S12層;通過(guò)步驟Sll?S16形成第二晶圓； 52.第一晶圓和第三晶圓作制； S21.分別在硅層上依次生長(zhǎng)S12層及Al層并圖形化，ICP刻蝕至要求深度形成淺腔； 53.第一晶圓和第二晶圓進(jìn)行共晶鍵合； 54.第二晶圓背面生長(zhǎng)Al層并圖形化，ICP刻蝕第二晶圓的底層Si層，形成質(zhì)量塊圖形，RIE去除底層S12層； 55.第三晶圓和第二晶圓進(jìn)行共晶鍵合，最終形成晶圓級(jí)壓電振動(dòng)能量收集器真空封裝結(jié)構(gòu)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的晶圓級(jí)壓電振動(dòng)能量收集器真空封裝結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于:所述下電極Mo層的厚度為200nm。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的晶圓級(jí)壓電振動(dòng)能量收集器真空封裝結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于:所述上電極Al層的厚度為800?lOOOnm。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的晶圓級(jí)壓電振動(dòng)能量收集器真空封裝結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于:步驟S15中，所述Ge層的厚度為200nmo
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種晶圓級(jí)壓電振動(dòng)能量收集器真空封裝結(jié)構(gòu)的制作方法，該方法包括：以SOI基片作為基底材料，雙面生長(zhǎng)頂層SiO2層和底層SiO2層；在頂層SiO2層上生長(zhǎng)下電極層、壓電層、上電極層、Ge層并分別圖形化；ICP刻蝕功能層Si至夾層SiO2層；在硅層上依次生長(zhǎng)SiO2層及Al層并圖形化，ICP刻蝕至要求深度形成淺腔；第一晶圓和第二晶圓進(jìn)行共晶鍵合；第二晶圓背面生長(zhǎng)Al層并圖形化，ICP刻蝕第二晶圓的底層Si層，形成質(zhì)量塊圖形，RIE去除底層SiO2層；第三晶圓和第二晶圓進(jìn)行共晶鍵合，最終形成晶圓級(jí)壓電振動(dòng)能量收集器真空封裝結(jié)構(gòu)。本發(fā)明以硅圓片為單元進(jìn)行圓片級(jí)的真空封裝，實(shí)現(xiàn)單個(gè)MEMS器件的真空封裝，可在拓寬器件頻譜的同時(shí)，提高其能量輸出密度。
【IPC分類(lèi)】B81C1/00
【公開(kāi)號(hào)】CN105621350
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201610186003
【發(fā)明人】尚正國(guó), 李東玲, 佘引
【申請(qǐng)人】重慶大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年6月1日
【申請(qǐng)日】2016年3月29日