专利名称：具有三维止档结构的抗过载mems器件及其加工方法
技术领域：
本发明涉及一种MEMS器件及其加工方法，特别是一种用于MEMS器件的三维止档结构加工方法，属于微机械加工工艺技术领域。
背景技术：
微机械加工技术是在半导体IC (Integrated Circuit ,集成电路)工艺基础上发展起来的。不同于IC产品，MEMS(微电子机械系统)器件大多是三维结构，很多MEMS器件具有可动结构，如加速度计、陀螺仪等。对于具有可动结构的MEMS器件，应用中若遇到冲击、振动等恶劣环境，超出了器件所能承受的限度时，即发生了 “过载”，可能导致活动结构断裂而引起失效，从而影响器件乃至系统的整体可靠性。增加止档结构是提高MEMS器件的抗过载能力的一个有效方法。止档结构是在 MEMS器件固定部分增加的限位结构，当MEMS器件受到较大过载时，其活动结构的位移量将被止档结构限制，从而避免了因位移过大而导致活动结构断裂。常用的止档结构加工工艺，是在MEMS活动结构加工时同时制作出来的，但是这种止档结构只能对活动结构在平面内的位移进行限位，当器件受到垂直于平面的过载时，仍会导致结构断裂。经检索，申请号为2001110053174. 0的专利公开了一种加速度计的止档结构，包括衬底基板、面内止档层、离面止档层以及可动的止档接触头，面内止档层可用以控制止档接触头在X轴Y轴方向上的自由行程，离面止档层和衬底基板分别控制止档接触头Z轴方向上的自由行程，从而实现了止档接触头在三维方向上自由行程的有效控制。该专利中控制Z方向上的行程是通过增加的离面止档层来实现，从而增大产品的体积，并且该专利为公开其生产工艺。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种具有三维止档结构的MEMS器件及其加工方法，该MEMS器件能够抵抗三维方向上过载的问题，提高了器件的可靠性及安全性，该器件的加工方法解决了常规工艺无法加工出Z方向止档的问题，而且相对于普通没有止档的工艺，只增加了部分工序，对于整体工艺难度没有影响，加工方便易行。为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是一种具有三维止档结构的抗过载MEMS器件，包括底座、盖帽以及位于底座和盖帽之间的结构层，所述底座与结构层之间、盖帽与结构层之间均为周边键合，所述结构层包括活动结构以及位于活动结构周边、并且限制活动结构XY方向运动的结构层止档，所述结构层止档固定于结构层周边的固定结构上，其特征在于所述底座的上表面、与活动结构相对应位置设有底座腔体，所述底座腔体内设有底座止档，所述盖帽的下表面、与活动结构相对应位置设有盖帽腔体，所述盖帽腔体内设有盖帽止档。对上述结构作进一步限制，所述底座止档和盖帽止档为腔体底部竖起的一个以上的柱体，所述柱体顶端与活动结构之间留有间隙。本发明中的若干个柱体为Z方向上的止档，可以限制MEMS器件过载或高过载的情况下，产生过度Z向偏移，防止损坏部件，提高了产品的可靠性。柱体顶端的面积不能太大，防止发生吸合效应。对上述结构作进一步限制，所述周边键合的键合面之间之间设有介质层。一种如上所述的具有三维止档结构的抗过载MEMS器件的加工方法，其特征在于该加工方法的步骤如下
1、刻蚀浅腔利用光刻工艺和刻蚀工艺，在底座和盖帽上刻蚀出所述盖帽腔体和底座腔体，所述盖帽腔体和底座腔体为浅腔；
2、制作Z方向止档利用光刻工艺和刻蚀工艺，对底座和盖帽的浅腔内的区域进行选择性刻蚀，将需要加工止档位置处的结构保护，其余区域刻蚀掉，形成深腔，从而形成由深腔底部竖起的Z方向上的柱体，即为底座止档和盖帽止档； 3、一次键合采用圆片键合工艺，将底座有腔体的一面和结构层相对，将底座与结构层键合在一起；
4、活动结构和平面内止档的加工利用光刻工艺和刻蚀工艺，在结构层上刻蚀出活动结构和XY平面内结构层止档；
5、二次键合采用圆片键合工艺，将结构层和盖帽键合在一起，完成MEMS器件的加工。对上述加工方法做进一步补充，所述步骤(I)、(2)和(4)中所述的刻蚀工艺为干法刻蚀工艺或者湿法腐蚀工艺。对上述加工方法做进一步补充，所述步骤(3)和步骤(5)中的圆片键合工艺为阳极键合、硅硅键合、共晶键合、Glass frit键合、聚合物键合中的一种。对上述加工方法做进一步补充，当圆片键合工艺为阳极键合时，键合接触面之间为直接接触；当圆片键合工艺为硅硅键合、共晶键合、Glass frit键合或聚合物键合时，键合接触面之间需要有相应的介质层，所述介质层为氧化层、金属介质、玻璃浆料或者聚合物。对上述加工方法做进一步补充，所述介质层的加工工艺为
1、制备介质层米用介质层制备工艺，在底座的上表面制备一层底座介质层，同时在盖帽的下表面制备一层盖帽介质层，所述介质层制备工艺为氧化层生长工艺或者金属化工艺或其他介质层涂覆工艺中的一种；
2、刻蚀介质层利用光刻工艺和刻蚀工艺，将底座和盖帽上中间部分的介质层刻蚀掉，保留四周部分用于圆片键合的介质层。对上述加工方法做进一步补充，步骤4中，对结构层刻蚀前，可以采用磨抛减薄工艺，对其进行减薄。采用上述技术方案所产生的有益效果在于本发明与传统的MEMS器件相比，在原有零部件的基础上，通过改进工艺，从而增加了 Z方向上的止档结构，可以实现三维方向内的过载限制，本发明中的加工方法与传统MEMS器件的生产方向相比，仅仅增加了两步常规工艺，即可加工出Z方向的止档结构，该工艺过程简单，成本低，可批量生产，并且有效地提高了 MEMS器件的三维抗过载性能，增强了 MEMS器件的可靠性及安全性。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细的说明。图I是本发明的整体结构示意 图2-1 2-9是本发明的具体工艺流程图图2-1材料准备；图2-2a是底座材料制备介质层；图2_2b是盖帽材料制备介质层；图2_3a是底座刻蚀介质层；图2_3b是盖帽刻蚀介质层；图2-4a是底座刻蚀浅腔；图2-4b是盖帽刻蚀浅腔；图2-5a是底座刻蚀深腔和形成Z方向止档；图2-5b是盖帽刻蚀深腔和形成Z方向止档；图2-6是圆片键合；图2-7是结构层减薄；图2-8是刻蚀MEMS器件结构和平面内止档；图2-9是圆片键合形成器件；图中1、底座，2、底座止档，3、底座介质层，4、结构层，5、活动结构，6、结构层止档，7、盖帽介质层，8、盖帽，9、盖帽止档，10、固定结构。
具体实施例方式根据附图I可知，本发明具体涉及一种具有三维止档结构的MEMS器件，包括底座
I、盖帽8以及位于底座I和盖帽8之间的结构层4，底座I、盖帽8为周边接触并键合，所述结构层4包括活动结构5以及位于活动结构5周边、并且限制活动结构5在XY方向运动的结构层止档6，所述结构层止档6固定于结构层4周边的固定结构10上。本发明的创新之处为底座I的上表面、与活动结构5相对应位置设有腔体，腔体内设有底座止档2，所述盖帽8的下表面、与活动结构5相对应位置设有设有腔体，腔体内设有盖帽止档9。底座止档2和盖帽止档9为为腔体底部竖起的一个以上的柱体，柱体顶端与活动结构5之间设有间隙，柱体端面的面积不能太大，防止产生吸合效应，影响MEMS器件的可靠性。本发明中的MEMS器件能够抵抗Z方向的过载，比如在Z向受到剧烈撞击，使活动结构5在Z方向上的载荷超过额定载荷，活动结构5产生Z向位移，在底座止档2和盖帽止档9的保护下，其位移量得到了限制，从而避免活动结构5因位移过大而产生损伤，提高可靠性。图I中，由下至上依次是底座1、MEMS的活动结构5和盖帽8，其中结构5和底座I、盖帽8均采用圆片键合粘接在一起。该器件的生产过程包括1)底座I和盖帽8准备分别在符合要求的圆片上刻蚀出一定深度的腔体，并加工出具有一定高度的Z向止档结构，作为底座I和盖帽8的基片；2) —次键合将上述具有腔体的底座I和结构层4进行圆片键合；3)结构层加工基于上述结构，在其腔体上面的结构层4上刻蚀出器件的活动部件和X、Y方向的止档结构；4) 二次键合将上述带有活动部件5的基片和盖帽8的基片对准键合。该工艺的关键在于，在底座I和盖帽8准备过程中，增加了一次刻蚀工艺，在加工腔体过程中同时加工出了 Z方向的止档结构。下面结合附图对本发明的工艺进行详细说明。I.材料准备基片准备，需要准备3片圆片，其中一片是硅片，作为结构层4;另外两片可以是硅片，也可以是玻璃片，做为盖帽8和底座I ;
2.底座I制备介质层米用介质层制备工艺，在底座的上表面制备一层底座介质层，其结构如图2_2a所示；
3.盖帽2制备介质层采用介质层制备工艺，在盖帽的下表面制备一层盖帽介质层，其结构如图2-2b所示；
4.底座I刻蚀介质层利用光刻工艺和刻蚀工艺，将底座I中间的介质层刻蚀掉，以便后续刻蚀腔体，如图2-3a所示；
5.盖帽8刻蚀介质层利用光刻工艺和刻蚀工艺，将盖帽8中间的介质层刻蚀掉，以便后续刻蚀腔体，如图2-3b所示；
6.底座I刻蚀浅腔利用刻蚀工艺在底座I上刻蚀出一个浅腔，其深度根据Z方向需要限位的位移决定；如图2_4a所示；
7.盖帽8刻蚀浅腔利用刻蚀工艺在盖帽8上刻蚀出一个浅腔，其深度根据Z方向需要限位的位移决定；如图2-4b所示；
8.底座I刻蚀深腔和制作Z方向止档通过光刻工艺和刻蚀工艺，将底座I需要加工腔体的结构刻蚀掉，需要加工止档位置处的结构则被保留，形成了深腔结构以及位于深腔中的Z方向的底座止档2，如图2-5a所示；
9.盖帽8刻蚀深腔和制作Z方向止档通过光刻工艺和刻蚀工艺，将盖帽8需要加工 腔体的结构刻蚀掉，需要加工止档位置处的结构则被保留，形成了深腔结构以及位于深腔中的Z方向的盖帽止档9，如图2-5b所示；
10.圆片键合采用圆片键合工艺，将结构层4和底座I键合在一起，底座层有腔体的一面和结构层相对，如图2-6所不；
11.结构层4减薄采用磨抛减薄工艺，将结构层4减薄至所需要的厚度，如图2-7所
示；
12.刻蚀MEMS器件结构利用光刻工艺和刻蚀工艺在结构层4上刻蚀出MEMS器件活动结构5和平面内结构层止档6，如图2-8所示；
13.圆片键合采用圆片键合工艺，将结构层4和盖帽8键合在一起，形成了具有三维止档结构的抗高过载MEMS器件，如图2-9所示；
14.划片按照预先设定好的划片槽，将其划开，形成单个MEMS器件。上述生产工艺中的圆片键合工艺，可以是阳极键合、硅硅键合、共晶键合、Glassfrit键合、聚合物键合中的一种。特别的，阳极键合专指玻璃和硅之间的键合，两种材料的键合面之间没有任何介质，若采用阳极键合工艺，可以省略工艺步骤中的2飞步，当为其他键合工艺时，键合接触面之间需要有相应的介质层，如氧化层、金属层、玻璃浆料或者聚合物。上述生产工艺中的步骤11结构层4减薄，是可选工艺，可以根据所需要的结构层厚度选择进行减薄或者不减薄。本发明的生产工艺中所述的氧化层层生长工艺、金属化工艺、光刻工艺、湿法腐蚀工艺、干法刻蚀工艺、圆片键合工艺和磨抛减薄工艺均为微机械加工工艺技术领域的常规加工工艺。
权利要求
1.ー种具有三维止档结构的抗过载MEMS器件，包括底座(I)、盖帽(8)以及位于底座(I)和盖帽(8)之间的结构层(4)，所述底座(I)与结构层(4)之间、盖帽(8)与结构层(4)之间均为周边键合，所述结构层(4)包括活动结构(5)以及位于活动结构(5)周边、并且限制活动结构(5)XY方向运动的结构层止档(6)，所述结构层止档(6)固定于结构层(4)周边的固定结构(10)上，其特征在于所述底座(I)的上表面、与活动结构(5)相对应位置设有底座腔体，所述底座腔体内设有底座止档(2)，所述盖帽(8)的下表面、与活动结构(5)相对应位置设有盖帽腔体，所述盖帽腔体内设有盖帽止档(9)。
2.根据权利要求I所述的具有三维止档结构的抗过载MEMS器件，其特征在于所述底座止档(2)和盖帽止档(9)为腔体底部竖起的ー个以上的柱体，所述柱体顶端与活动结构(5)之间留有间隙。
3.根据权利要求I所述的具有三维止档结构的抗过载MEMS器件，其特征在于所述周边键合的键合面之间设有介质层。
4.一种如权利要求2所述的具有三维止档结构的抗过载MEMS器件的加工方法，其特征在于该加工方法的步骤如下 (1)刻蚀浅腔利用光刻エ艺和刻蚀エ艺，在底座(I)和盖帽(8)上刻蚀出所述盖帽腔体和底座腔体，所述盖帽腔体和底座腔体为浅腔； (2)制作Z方向止档利用光刻エ艺和刻蚀エ艺，对底座(I)和盖帽(8)的浅腔内的区域进行选择性刻蚀，将需要加工止档位置处的结构保护，其余区域刻蚀掉，形成深腔，从而形成由深腔底部竖起的Z方向上的柱体，即为底座止档(2)和盖帽止档(9)； (3)一次键合采用圆片键合エ艺，将底座(I)有腔体的一面和结构层(4)相対，将底座(I)与结构层键合在一起； (4)活动结构和平面内止档的加工利用光刻エ艺和刻蚀エ艺，在结构层(4)上刻蚀出活动结构(5)和XY平面内结构层止档(6)； (5)二次键合采用圆片键合エ艺，将结构层(4)和盖帽(8)键合在一起，完成MEMS器件的加工。
5.根据权利要求4所述的具有三维止档结构的MEMS器件器件的加工方法，其特征在于所述步骤(I)、(2)和(4)中所述的刻蚀エ艺为干法刻蚀エ艺或者湿法腐蚀エ艺。
6.根据权利要求4所述的具有三维止档结构的MEMS器件的加工方法，其特征在于所述步骤(3)和步骤(5)中的圆片键合エ艺为阳极键合、硅硅键合、共晶键合、Glass frit键合、聚合物键合中的ー种。
7.根据权利要求6所述的具有三维止档结构的MEMS器件的加工方法，其特征在于当圆片键合エ艺为硅硅键合、共晶键合、Glass frit键合或聚合物键合时，键合接触面之间需要有相应的介质层，所述介质层为氧化层、金属介质、玻璃浆料或者聚合物。
8.根据权利要求7所述的具有三维止档结构的MEMS器件的加工方法，其特征在于所述介质层的加工エ艺为 (1)制备介质层采用介质层制备エ艺，在底座(I)的上表面制备ー层底座介质层(3),同时在盖帽(8)的下表面制备ー层盖帽介质层(7)，所述介质层制备エ艺为氧化层生长エ艺或者金属化工艺或其他介质层涂覆エ艺中的ー种； (2)刻蚀介质层利用光刻エ艺和刻蚀エ艺，将底座(I)和盖帽(8)上中间部分的介质层刻蚀掉，保留四周部分用于圆片键合的介质层。
9.根据权利要求4所述的具有三维止档结构的MEMS器件的加工方法，其特征在于步骤(4)中，对结构层(4)刻蚀前，采用磨抛减薄エ艺，对其进行减薄。
全文摘要
本发明公开了一种具有三维止档结构的抗过载MEMS器件及其加工方法，属于微机械加工工艺技术领域。MEMS器件包括底座、盖帽以及位于底座和盖帽之间的结构层，底座与结构层之间、盖帽与结构层之间均为周边键合，底座的上表面、与活动结构相对应位置设有腔体，腔体中设有底座止档，盖帽的下表面、与活动结构相对应位置设有腔体，腔体中设有盖帽止档。通过在底座和盖帽上刻蚀浅腔、刻蚀深腔、制作Z方向止档及键合完成加工。本发明中增加了Z方向上的止档结构，工艺过程简单，成本低，可批量生产，并且有效地提高了MEMS器件的三维抗过载性能，增强了MEMS器件的可靠性和安全性。
文档编号B81B7/00GK102701137SQ20121020294
公开日2012年10月3日 申请日期2012年6月19日 优先权日2012年6月19日
发明者何洪涛, 徐淑静, 李博, 杨拥军 申请人:中国电子科技集团公司第十三研究所