具有电磁屏蔽功能的mems装置及其制作方法
技术领域
1.本发明属于微电子器件技术领域,特别是涉及一种mems器件及其制作方法。
背景技术:2.随着微纳加工技术和集成电路技术的不断发展,mems器件的制造工艺越来越先进,性能也越来越优异。mems器件在医疗、环境监测、能源管理等领域具有巨大潜力。例如,mems传感器可以用于医疗设备的监测和跟踪,mems振荡器可以用于无线通信中的时钟同步,mems能量收集器可以用于低功耗设备的供电。
3.通常,在设计和制造电子设备时,考虑到可能存在的外部电磁干扰,需要采用电磁屏蔽措施来提高设备的抗干扰能力,使得设备在复杂电磁环境中能够稳定运行。现阶段,mems的微细加工工艺较为常用的晶圆类型为soi晶圆,采用soi晶圆制作mems器件的工艺流程包括:在顶层硅刻蚀形成包括mems结构的器件层,然后通过诸如气相氟化氢(vhf)释放中间埋氧层,从而获得mems可动结构,最后使用键合技术及硅通孔(tsv)技术实现器件层的电学连接;但这种情况下soi晶圆的背衬底是电位浮动的。目前,业界在封装时会使用导电胶或者在soi晶圆背衬底的底部施加金属层,随后通过金线键合的方式,以将soi衬底电性引出,上述手段均存在工艺实现难度大、代价高而且存在一定局限。
4.应该注意,上面对技术背景的介绍只是为了方便对本技术的技术方案进行清楚、完整的说明,并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本技术的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。
技术实现要素:5.鉴于以上所述现有技术的缺点,本发明的目的在于提供一种具有电磁屏蔽功能的mems装置及其制作方法,用于解决现有mems的衬底存在浮空电位,从而影响微机电系统的稳定性和可靠性。
6.为实现上述目的及其他相关目的,本发明提供一种具有电磁屏蔽功能的mems装置,包括:
7.支撑衬底;
8.器件层,位于所述支撑衬底上,所述器件层包括谐振式mems器件和可动柔性部件,所述谐振式mems器件容纳于贯穿所述器件层的腔体内,所述可动柔性部件以其一端固定于所述器件层的本体上而悬空设置于所述支撑衬底之上,所述可动柔性部件包括以悬空于所述支撑衬底之上的状态下柔性连接至所述器件层本体的接触单元,所述接触单元包括第一柔性构件和连接于所述第一柔性构件与所述器件层的本体之间的凸块;
9.盖板晶圆,包括位于其表面的屏蔽层,所述盖板晶圆带有所述屏蔽层的一面与所述器件层对准键合以将mems器件气密性密封于所述腔体内,由此保持真空环境,以及使所述凸块抵靠所述屏蔽层于一锚点位置的状态下致使所述接触单元的自由端向下移动至与所述支撑衬底接触,所述支撑衬底与所述器件层的本体电绝缘而通过所述可动柔性部件面
外耦接所述盖板晶圆,用于对所述支撑衬底的浮空电位进行释放。
10.可选地,所述可动柔性部件与所述器件层的本体为一体化形成,所述可动柔性部件包括第二柔性构件,所述第二柔性构件被构造成将所述接触单元柔性连接至所述器件层的本体。
11.可选地,所述凸块包括中间连接块和位于所述中间连接块上且朝向所述盖板晶圆凸出的接触部,所述中间连接块通过所述第二柔性构件柔性连接至所述器件层的本体以提供所述接触部对所述锚点的软接触。
12.可选地,所述盖板晶圆带有所述屏蔽层的一面与所述器件层对准键合以于所述屏蔽层与所述器件层之间形成键合层,所述键合层包括第一键合区域,所述第一键合区域形成于所述谐振式mems器件外围的器件层与所述屏蔽层之间的界面处。
13.可选地,所述键合层还包括第二键合区域,所述第二键合区域形成于所述可动柔性部件外围的器件层与所述屏蔽层之间的界面处;所述接触部与所述锚点接触状态下,所述接触部和所述锚点的高度之和大于所述屏蔽层和所述第二键合区域的高度之和,以使所述接触部抵靠至所述盖板晶圆的状态下所述可动柔性部件的自由端至少点接触于所述支撑衬底上。
14.可选地,所述接触单元还包括设置于其自由端的可动质量块,所述可动质量块通过所述第一柔性构件柔性连接所述中间连接块,其中所述第一柔性构件被构造成弹性梁结构。
15.本发明还提供一种具有电磁屏蔽功能的mems装置的制作方法,所述制作方法包括以下步骤:
16.提供一支撑衬底,所述支撑衬底上依次形成有绝缘层和半导体层;
17.图形化所述半导体层的上表层以形成凸起部;
18.沿厚度方向第二次图形化所述半导体层直至显露出所述绝缘层,于所述半导体层中形成包括可动柔性部件和谐振式mems器件区域的器件层,所述可动柔性部件被构造成其一端接合于所述器件层的本体上,所述可动柔性部件包括接触单元,所述接触单元包括第一柔性构件和连接于所述第一柔性构件与所述器件层的本体之间的凸块;
19.去除位于所述谐振式mems器件和所述可动柔性部件下方的绝缘层以释放所述可动柔性部件和所述谐振式mems器件的谐振单元,所述可动柔性部件以其自由端悬空于所述支撑衬底的状态下使所述接触单元柔性连接于所述器件层的本体上;
20.提供一盖板晶圆,于所述盖板晶圆上形成金属层并对所述金属层进行图形化,图形化的金属层形成为屏蔽层;
21.将所述盖板晶圆带有屏蔽层的一面与所述半导体层对准键合以将所述谐振式mems传感器气密性密封于贯穿所述器件层的腔体内,由此保持真空环境,以及使所述凸块抵靠所述屏蔽层于一锚点位置的状态下致使所述接触单元的自由端向下移动至与所述支撑衬底接触,用于对所述支撑衬底的浮空电位进行释放。
22.可选地,采用气相氟化氢各向异性刻蚀所述绝缘层以释放所述可动柔性部件以及所述谐振式mems器件的谐振单元。
23.可选地,将所述盖板晶圆带有所述屏蔽层的一面与所述半导体层对准键合以至少于所述谐振式mems器件外围的器件层与所述屏蔽层之间的界面处形成键合层,所述键合层
包括金属焊料键合层和共晶键合层中的一种。
24.可选地,所述绝缘层选用为通过阳极键合工艺于所述支撑衬底与所述半导体层之间形成的绝缘键合层,其中所述半导体层的材料包括选自iv主族中的一种或多种的组合。
25.如上所述,本发明提供一种具有电磁屏蔽功能的mems装置及其制作方法,通过于器件层设置可动柔性部件,使所述支撑衬底通过所述可动柔性部件面外耦接盖板晶圆以对支撑衬底的浮空电位进行释放,抑制衬底电位浮动对器件层工作的电磁干扰,提升了微机电系统在复杂电磁环境中稳定运行的能力,从而提升了器件的稳定性和可靠性;此外,所述制作方法包括,将盖板晶圆带有图形化金属层的一面与器件层进行对准键合,于所述盖板晶圆与所述mems器件之间界定出气密性腔体,同时使支撑衬底通过所述可动柔性部件面外耦接所述盖板晶圆以对衬底的浮空电位进行释放,易于工艺实现,且具有广泛的应用前景。
附图说明
26.图1显示为本发明具有电磁屏蔽功能的mems装置的截面图。
27.图2显示为图1所示的可动柔性部件的截面示意图。
28.图3显示为图2所示的可动柔性部件的俯视图。
29.图4至图10显示为本发明具有电磁屏蔽功能的mems装置的制作方法各步骤呈现的结构示意图。
30.元件标号说明:
31.10支撑衬底
32.20器件层
33.30盖板晶圆
34.201腔体
35.21谐振式mems器件
36.22可动柔性部件
37.220接触单元
38.230第二柔性构件
39.223中间连接块
40.2231接触部
41.224第一柔性构件
42.225可动质量块
43.110绝缘层
44.200半导体层
45.301开口
46.31屏蔽层
47.311锚点
具体实施方式
48.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式,本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实
施方式加以实施或应用,本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用,在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
49.请参阅图1至图10。需要说明的是,本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想,虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制,其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变,且其组件布局形态也可能更为复杂。
50.实施例一
51.如图1至图3所示,本实施例提供一种具有电磁屏蔽功能的mems装置,包括:支撑衬底10、器件层20和盖板晶圆30,所述器件层20位于所述支撑衬底10上,所述器件层20包括谐振式mems器件21和可动柔性部件22,所述谐振式mems器件21容纳于贯穿所述器件层的腔体201内,所述可动柔性部件22以其一端固定于所述器件层的本体上而悬空设置于所述支撑衬底10之上,所述可动柔性部件22包括以悬空于所述支撑衬底10之上的状态下柔性连接至所述器件层本体的接触单元220,所述接触单元220包括第一柔性构件224和连接于所述第一柔性构件224与所述器件层20的本体之间的凸块;所述盖板晶圆30包括形成于其表面的屏蔽层31,所述盖板晶圆30带有所述屏蔽层31的一面与所述器件层20对准键合以将所述谐振式mems器件气密性密封于所述腔体内,由此保持真空环境,以及使所述凸块抵靠所述屏蔽层31于一锚点311位置的状态下致使所述接触单元220远离所述器件层本体的自由端向下移动至与所述支撑衬底10相接触,所述支撑衬底10与所述器件层的本体电绝缘而通过所述可动柔性部件22面外耦接所述盖板晶圆30,用于对所述支撑衬底的浮空电位进行释放。由于所述谐振式mems器件气密性密封于腔体内以保持真空环境,可以有效减小谐振子的空气阻尼损耗,从而提高谐振子的品质因数(quality factor,q)值。
52.具体地,所述可动柔性部件22与所述器件层的本体为一体化形成,所述可动柔性部件22包括第二柔性构件230,所述第二柔性构件230被构造成将所述接触单元220以悬空于所述支撑衬底10之上的状态下柔性连接至所述器件层的本体,所述第二柔性构件230接合于所述器件层的本体上,用于提供所述接触单元220上下偏转的柔性力,封装过程中所述可动柔性部件22设置成使所述凸块抵靠至对应的锚点的状态下,提供对接触单元220的支撑力,同时提供使所述凸块抵靠于盖板晶圆的柔性力。
53.参见图3,其示出图2所示的可动柔性部件的俯视图,第二柔性构件230被构造成弹性梁结构,例如选用折叠梁,s形柔性梁顺次首尾相连的弹簧结构,所述折叠梁允许适配凸块相对于器件层本体的摆动或转动,进一步降低机械连接的刚度,以及提高工艺的可制造性;或者,第二柔性构件选用,例如弯曲梁、直梁或类似的弹性梁。
54.如图2所示,所述凸块包括中间连接块223,以及设置于所述中间连接块223上且向所述盖板晶圆30凸出的接触部2231,例如触头,其中所述中间连接块223连接于所述第一柔性构件224与所述第二柔性构件230之间。
55.一些实施例中,所述中间连接块223采用与所述接触部相同或不同的材料形成。
56.继续参见图2,所述锚点311与所述接触部2231设置成活动连接,其中所述接触部2231与所述锚点311至少形成点接触,通过第二柔性构件230提供将接触部2231抵靠于锚点311的应力,实现所述接触部2231对所述锚点311的软接触,降低接触的刚性,进而提升了器件的稳定性和可靠性,其中,所述屏蔽层选用为金属屏蔽层,其材料包括但不限于:al、ge、
ti、pt、au、in、sn、cu或类似金属。
57.参见图2,所述器件层20与所述盖板晶圆30可固定连接,例如,所述盖板晶圆带有所述屏蔽层的一面与所述器件层20对准键合以于所述屏蔽层与所述器件层之间形成键合层,所述键合层包括第一键合区域,所述第一键合区域形成于所述谐振式mems器件外围的屏蔽层与所述器件层之间的界面处以将所述谐振式mems器件气密性密封于所述腔体201内,由此保持真空环境。
58.一些实施例中,所述屏蔽层选用为金属屏蔽层,可以通过所述金属屏蔽层与所述器件层上设置的金属焊料进行对应键合而形成所述键合层,其中所述金属焊料的材料可以根据金属键合反应的设计而设置,二者可以采用公开的各种金属键合材料。在其他实施例中,所述键合层选用为共晶键合层,实现器件层与盖板晶圆之间的低温真空气密性键合。
59.进一步地,所述键合层还包括第二键合区域,所述第二键合区域形成于所述可动柔性部件外围的器件层20与所述屏蔽层31之间的界面处,以使围绕所述可动柔性部件的器件层本体固定连接于所述盖板晶圆30上,增加所述可动柔性部件的自由端偏转时的稳定性;所述接触部2231与所述锚点311接触状态下,所述接触部2231和所述锚点311的高度之和大于所述屏蔽层31和所述第二键合区域的高度之和,以使所述接触部2231抵靠至所述盖板晶圆30的同时,所述接触单元远离所述器件层本体的端部通过所述第一柔性构件224带动向下移动以使所述接触单元的自由端至少点接触于所述支撑衬底10上。
60.如图3所示,接触单元220包括至少一第一柔性构件224,所述第一柔性构件224被构造成具有与第二柔性构件相同的结构,例如被构造成折叠梁。需要说明的是,以图示的第一柔性构件的数量为例描述组件或元件的实现方式,但本发明不意味着将其结构和数量局限于此。
61.如图2和图3所示,接触单元220包括设置于其自由端处的可动质量块225,所述可动质量块225,位于所述接触单元220远离器件层本体的端部,由于所述可动质量块225与所述中间连接块223通过第一柔性构件224柔性连接,所述接触部2231抵靠至所述锚点311的状态下,所述中间连接块223引起所述第一柔性构件224偏转,由此带动远离所述器件层本体的所述可动质量块225向下移动至接触于所述支撑衬底10上。
62.一些实施例中,所述器件层20与所述支撑衬底10之间形成有绝缘键合层,以使所述支撑衬底10与所述器件层20的本体电绝缘,并且所述支撑衬底10通过所述可动柔性部件22面外耦接所述盖板晶圆30,所述支撑衬底的浮动电位被释放,从而提高了mems器件的抗干扰能力,使得器件在复杂电磁环境中具有更好的稳定性和可靠性。由于所述可动柔性部件被构造成接合于所述器件层的本体,因此与所述器件层的本体等电位。较佳地,所述器件层20与所述支撑衬底10气密级键合以于两者的界面处形成绝缘键合层,所述绝缘键合层包括二氧化硅。
63.所述器件层包括谐振式mems器件,所述谐振式mems器件选自mems谐振器、温度传感器、压力传感器和惯性传感器中的一种,其中所述惯性传感器包括mems加速度计和mems陀螺仪中的一种。
64.实施例二
65.本发明还提供一种具有电磁屏蔽功能的mems装置的制作方法,包括以下步骤:
66.首先,进行步骤s1:提供一支撑衬底10,所述支撑衬底10上依次形成有绝缘层110
和半导体层200;
67.具体地,所述支撑衬底10可以是单一材料层,也可以是由至少两层不同材料层组成的叠层结构,例如硅(si)、氧化硅(sio2)、或二者的叠层(sio2/si)等;所述半导体层200的材料可选用元素周期表第iv主族中的一种或多种,例如硅、锗、碳、硅锗或碳化硅,并且所述半导体层200可以包含掺杂剂,例如磷、砷、锑、硼或铝。
68.步骤s1包括:对所述半导体层的掺杂工艺可在生长所述半导体层时通过原位掺杂工艺执行,或者于生长所述半导体层的步骤之后且图形化的步骤之前执行。
69.需要说明的是,谐振式mems器件可以使用公知的技术由公知的材料制造,其包括但不限于选自iii、iv、v和vi主族中至少两种元素组成的二元化合物或多元化合物,例如,磷化镓、磷化铝镓、氮化硅、氧化硅、碳化铝、氮化铝和/或氧化铝等。
70.本实施例中,参见图4,采用包括埋氧层和顶半导体层的绝缘体上半导体衬底制作所述谐振式mems器件,所述顶半导体层在后续工艺中形成为器件层,举例而言,所述顶半导体层选用为顶硅层。或者,所述绝缘层选用为通过阳极键合工艺于所述支撑衬底10与所述半导体层200之间形成的绝缘键合层,例如,所述支撑衬底10选用为硅基衬底,所述半导体层200包含硅,所述绝缘键合层形成为氧-硅化学共价键合的键合层。
71.然后,进行步骤s2,图形化所述半导体层的上表层以形成接触部2231。
72.具体地,参见图5,采用例如等离子体增强化学气相沉积工艺于所述半导体层的表面形成掩膜层;随后,采用光刻、刻蚀等工艺重新显露出所述半导体层的表面,以及凸出于所述所述半导体层表面的接触部2231,其中刻蚀所述半导体层的的工艺可选用为干法刻蚀工艺。
73.一些实施例中,所述接触部2231形成为自显露的半导体层表面凸出的触头。
74.然后,进行步骤s3,沿厚度方向第二次图形化所述半导体层200直至显露出所述绝缘层110,于所述半导体层200中形成包括可动柔性部件和谐振式mems器件区域的器件层,所述可动柔性部件22被构造成其一端接合于所述器件层的本体上,所述可动柔性部件22包括接触单元220,所述接触单元220包括第一柔性构件224和连接于所述第一柔性构件224与所述器件层20的本体之间的凸块。
75.具体地,参见图6,步骤s3包括:基于光刻掩膜,采用深反应离子刻蚀(drie)工艺沿厚度方向对所述半导体层200进行刻蚀以于所述半导体层中界定出mems器件的谐振单元、驱动电极及检测电极,以及可动柔性部件22,所述可动柔性部件22包括接合于所述器件层本体上的接触单元220,所述接触单元220包括第一柔性构件224和连接于所述第一柔性构件224与所述器件层20的本体之间的凸块。
76.然后,参见图7,进行步骤s4,去除位于所述谐振式mems器件和所述可动柔性部件下方的绝缘层以释放所述可动柔性部件22和所述谐振式mems器件的谐振单元,所述可动柔性部件22以其自由端悬空于所述支撑衬底的状态下使所述接触单元220柔性连接于所述器件层20的本体上。
77.参见图7,所述绝缘层选用为牺牲材料,例如含硅或锗的氧化物,采用气相氟化氢(vhf)各向异性刻蚀所述绝缘层110以释放所述可动柔性部件22,以及至少所述谐振单元。由于采用氟化氢的刻蚀工艺具有选择性,能够去除所述绝缘层,而不会影响谐振结构和支撑衬底的特性。
78.然后,参见图8,进行步骤s5,提供一盖板晶圆30,于所述盖板晶圆30上形成金属层,以及对所述金属层进行图形化,图形化的金属层形成为屏蔽层31。
79.具体地,所述盖板晶圆30的材料可以是硅或玻璃中的一种,参见图7,步骤s5包括:采用例如物理气相沉积、磁控溅射、电子束蒸发或电镀等工艺于所述盖板晶圆30上形成金属层;以及,通过光刻和湿法腐蚀工艺对所述金属层进行图形化,其中所述金属层的材料包括但不限于al、ge、ti、pt、au、in、sn、cu中的一种或多种的组合。
80.然后,进行步骤s6,将所述盖板晶圆30带有屏蔽层的一面与所述器件层20对准键合以将所述谐振式mems器件气密性密封于腔体201内,由此保持真空环境,以及使所述凸块抵靠所述屏蔽层于一锚点311位置的状态下致使所述接触单元远离所述器件层本体的自由端向下移动至与所述支撑衬底10相接触,用于对所述支撑衬底的浮空电位进行释放。
81.参见图8,于执行键合步骤之前,还包括:刻蚀所述盖板晶圆30以于所述盖板晶圆30带有屏蔽层的一面形成可动柔性部件22和谐振式mems器件对应的开口301。
82.如图9~图10所示,将所述盖板晶圆30带有屏蔽层的一面与所述器件层20对准键合,以于所述屏蔽层31与所述器件层20之间形成键合层,所述键合层包括金属焊料键合层和共晶键合层中的一种。
83.一些实施例中,采用低温键合工艺使所述屏蔽层31与所述谐振式mems器件外围的器件层之间气密级键合,以于所述谐振式mems器件外围的所述器件层与所述屏蔽层之间的界面处形成第一键合区域,由此提供真空环境下敏感器件的活动空间,用于实现气密级键合的键合层包括金属焊料键合层,例如pt-au、al-pt;或者,共晶键合层,例如al-ge共晶键合层、al-si共晶键合层、au-si共晶键合层。较佳地,所述键合层还包括第二键合区域,所述第二键合区域形成于所述可动柔性部件外围的器件层与所述屏蔽层31之间的界面处,以增加所述可动柔性部件的自由端偏转时的稳定性。
84.一些实施例中,于步骤s6处将所述盖板晶圆30带有屏蔽层的一面与所述器件层20对准键合之前或之后,所述制备方法还包括:于所述盖板晶圆30中形成垂直馈通,以将mems器件或棵片的电极引出端连接到外部电信号。
85.综上所述,本发明提供一种具有电磁屏蔽功能的mems装置,通过于器件层设置可动柔性部件,使所述支撑衬底通过所述可动柔性部件面外耦接所述盖板晶圆以对支撑衬底的浮空电位进行释放,抑制衬底电位浮动对器件层工作的电磁干扰,提升了微机电系统在复杂电磁环境中稳定运行的能力,提升了器件的稳定性和可靠性。所以,本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
86.上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效,而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下,对上述实施例进行修饰或改变。因此,举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变,仍应由本发明的权利要求所涵盖。
87.另外,在本技术的描述中,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个特征。在本技术的描述中,“多个”的含义是两个或两个以上,除非另有明确具体的限定。