一种体硅微机械谐振器及制作方法

专利名称：一种体硅微机械谐振器及制作方法
技术领域：
本发明提供了一种体硅微机械谐振器及制作方法，更确切地说涉及一种利用MEMS 等工艺制作的体硅谐振器，属于体硅微机械谐振器加工及微细加工技术领域。
背景技术：
时钟芯片作为电路系统中的时间基准源，在电路系统中有着重要的作用。传统的 时钟芯片一般采用石英晶振作为谐振器产生信号波形。但石英晶振一般是采用切割工艺 制作，使得其体积很难减小，从而阻碍了电路系统的微型化，此外石英晶振也无法和电路系 统集成制作，提高了制作成本。近年来，由于微加工技术的发展，MEMS微机械谐振器得到 很大的发展。MEMS谐振器具有尺寸小、功耗小、成本低、与CMOS IC(Complementary Metal OxideSemiconductor Integrated Circuit，互补金属氧化物半导体集成电路)工艺相兼容 等优点，在无线通讯等领域的需求与日俱增，将成为晶体谐振器的替代物。而在微机械谐振 器中，体硅纵声学波谐振器具有很高的Q值，并可以提供更高的谐振频率。体硅纵声学波微机械谐振器是利用体硅谐振振子结构的纵波谐振模态特性实现 器件的谐振。谐振器振子工作的三种基本模态是弯曲模态、扭曲模态和体模态。体模态 谐振器振子可以是方形板、圆环板或者圆形板结构。图1-1 (a)是谐振器工作的三种基本模 态示意图，图1-1 (b)是体模态谐振器谐振振子分别为方形板、圆环板及圆形板时不同谐振 模式不意图(Chandorkar，S. A.，M. Agarwal，et al. (2008). “ Limits of quality factor in bulk-modemicromechanical resonators. “ Mems 2008 :21st Ieee International Conference onMicro Electro Mechanical Systems, Technical Digest :74_77)。图 1-2 是方形板体硅微机械谐振器的工作原理图。其振子是一个方形的薄板，振子四周分别为驱 动电极和检测电极，这样在驱动电极和振子之间加不同相位的交变电压时，由电压产生的 静电力将会激励振子进入指定的谐振模式。然后通过检测输出电极端输出电流的变化，就 可以将谐振器信号输出。传统的体硅微机械谐振器是用SOI (Silicon-On-Insulator,绝缘衬底上的硅) 硅片制作的，谐振器是由结构层、埋层氧化硅和衬底硅组成。结构层包含有谐振器振子、 电极、斜拉梁、金属焊盘四部分。谐振器振子正下方的衬底硅片部分可以完全去除掉 (Khine，Land M. Palaniapan (2009). ” Hi gh-Qbu 1 k~mo de SOI square resonators with straight-beam anchors. “ Journal ofMicromechanics and Microengineering)，也可以 不去除掉(Mattila，T.，J.Kiihamaki，et al. (2002). “ A 12 MHz micromechanical bulk acoustic modeoscillator. “ Sensors and Actuators a—Physical 101(1-2) :l-9)。传统体硅微机械谐振器的制作方法主要有以下两种方法1)首先在S0I硅片上制作好金属焊盘。然后使用 DRIE(De印-Reactive-Ion-Etch，深反应离子刻蚀)工艺刻蚀出谐振器的器件结构。再通 过旋涂PI(Polyimide，聚酰亚胺)做保护层，对谐振器结构进行保护，并从S0I硅片衬底背 面通过硅腐蚀工艺将谐振器结构层下方的硅去除。最后将S0I衬底的氧化硅埋层去除，从而将谐振器结构释放(Lee, J. E. Y.，J. Yan, etal. (2009). “ Low loss HF band SOI wine glass bulk mode capacitive square-plateresonator. " Journal of Micromechanics and MicroenRineerinR 19(7))。方法2):首先在SOI硅片上做金属焊盘。然后使用DRIE工艺加工出谐振器的器 件结构。最后利用湿法腐蚀将S0I硅片的氧化硅埋层去除，从而将谐振器结构释放(Shao， L. and M. Palaniapan(2008). " Effect of etch holes onquality factor of bulk-mode micromechanical resonators. " Electronics Letters44 (15) :938_940)。这些利用SOI MEMS工艺制作谐振器的方法存在以下问题第一，以上两种传统的微机械谐振器的制作方法都是在结构层制作完成后释放结 构层，工艺复杂，成本高；第二，方法1)要用聚酰亚胺做保护层，增加了工艺的难度和复杂度；第三，方法1)制成的器件，由于衬底硅片被完全刻穿，因此不易进行圆片级真空 封装。第四，方法2)用湿法腐蚀S0I硅片衬底的氧化硅埋层释放结构时，存在结构层容 易与衬底黏连不易完全释放的问题。

发明内容
针对一般体硅谐振器加工中存在的问题，特别是加工工艺难度大和复杂高等缺 点，本发明提出了一种体硅微机械谐振器制作方法。本发明提出的体硅谐振器的结构示意图如图1-3所示，整个器件的结构由七部分 组成，其中1)具有凹腔的低阻衬底硅片，凹腔处于悬空的谐振振子的正下方；2)具有体硅 谐振器振子、驱动电极和检测电极结构的低阻结构硅片；3)处于衬底硅片和结构硅片之间 的电隔离层；4)与盖板硅片上的焊球相接触的金属焊盘；5)用于固定悬空的谐振器振子的 斜拉支撑梁，支撑梁可以是T型斜拉梁，也可以是直拉梁，见图1-4 ;6)含有凹腔结构的盖板 硅片，它处于结构硅片正上方；7)位于盖板硅片背面的一层图形化的焊料层。本发明提出的体硅谐振器是由衬底硅片、结构硅片及盖板硅片三层键合在一起形 成的，衬底硅片的正面与结构硅片的背面，结构硅片的正面与盖板硅片的背面分别通过键 合黏合在一起。结构硅片位于衬底硅片与盖板硅片之间，衬底硅片正面凹腔与盖板硅片背 面凹腔组成一个真空腔室，谐振器振子位于这个真空腔室中。盖板硅片背面具有用于组成 真空腔室的凹腔结构和涂覆黏合剂凹槽，凹腔处于谐振器正上方，黏合剂凹槽分布在盖板 硅片凹腔的外侧一周。另外，为了增强驱动信号和检测信号的强度，提高谐振器性能，也可以将两个工作 在相同模态的方形板谐振振子通过一个梁耦合连接起来，其结构示意图及工作原理图见图 1-5。(1)通过氧化、光刻及硅的各向异性湿法腐蚀或者干法刻蚀工艺在衬底硅片上制 作出凹腔，然后通过氧化工艺，在衬底硅片上生长一层二氧化硅层；(2)通过键合工艺，将步骤(1)得到的衬底硅片与结构硅片键合在一起；(3)利用减薄工艺，将步骤(2)得到键合硅片上的结构硅片的厚度减薄到谐振器 结构所需的厚度；
(4)在步骤(3)得到的衬底硅片的背面沉积金属层；(5)在步骤(4)的结构硅片的正面沉积金属层，并通过光刻、腐蚀等工艺将结构硅 片正面的金属层图形化，形成与盖板硅片上的焊球相接触的金属焊盘；(6)通过光刻和深反应离子刻蚀工艺，将步骤(5)制作的结构硅片正面加工出所 需要的谐振器结构；(7)通过氧化、涂胶光刻、氧化硅腐蚀、硅腐蚀等方法在盖板硅片上制作出凹腔结 构，对其热氧化处理后，在其上沉积用于电接触的焊盘、导线、焊球及用于真空封装的黏合 剂；(8)将盖板硅片通过真空圆片对准键合固定在步骤(6)得到的结构硅片之上，对 谐振器进行圆片级真空封装；(9)采用划片机对步骤(8)的所述键合圆片进行一个方向上的划片，通过划片的 方法将体硅谐振器芯片盖板焊盘上的划片槽划开；(10)采用划片机对步骤(9)中所述键合圆片进行横轴和纵轴方向上的划片，将圆 片上的体硅谐振器单元进行分离；(11)将划片后得到的单个体硅谐振器芯片固定于一基板上，并通过打线的方法与 基板进行电连接。本发明所提供的体硅微机械谐振器，包括衬底硅片，结构硅片，盖板硅片，衬底硅 片与结构硅片之间的电绝缘层，谐振振子，焊盘，黏合剂等七部分结构，其特征在于1)谐振器是由衬底硅片、结构硅片及盖板硅片三层键合在一起形成的，衬底硅片 的正面与结构硅片的背面，结构硅片的正面与盖板硅片的背面分别通过键合黏合在一起；2)衬底硅片具有从正面腐蚀的凹腔结构；3)谐振器振子、驱动电极和检测电极结构位于结构硅片上；4)衬底硅片正面凹腔与盖板硅片背面凹腔组成一个真空腔室，谐振器振子位于这 个真空腔室中；5)结构硅片位于衬底硅片的上方，谐振振子悬空在衬底凹腔正上方；所述的谐振器盖板包括1)盖板硅片背面具有用于组成真空腔室的凹腔结构及涂覆黏合剂凹槽，凹腔处于 谐振器正上方，涂覆黏合剂凹槽分布在盖板硅片凹腔的外侧一周；2)盖板硅片的两面都具有电绝缘介质层；3)盖板的背面具有一层实现与外界电连接的图形化的金属层，金属层沉积在电绝 缘层上；4)盖板硅片的金属层上有金属焊球，焊球位于结构硅片焊盘的正上方位置，当 盖板硅片与结构硅片键合时，盖板上的焊球与结构硅片上的焊盘紧密接触，从而实现电接 触；5)盖板的背面具有一圈图形化的黏合剂，黏合剂处于盖板硅片黏合剂凹槽中，其 位于金属层之上，宽度要小于凹槽宽度；所述的谐振器振子结构为方形板、圆形板、圆环板，也可以是悬臂梁结构，且不限 于此；所述的谐振器振子结构的梁为T型斜拉梁，也可以是直拉梁，且不限于此；将两个及两个以上谐振器振子通过梁连接起来，这两个或两个以上谐振器振子和梁整体作为一个 谐振器振子；本发明所述的体硅谐振器制作方法的特征在于①衬底硅片上的凹腔是在谐振器结构层制作完成之前就已经制作完成的；②谐振器器件结构的制作和谐振器器件结构的释放是同时完成的；③可以采用湿法腐蚀或者干法刻蚀的方法制作衬底凹腔和盖板凹腔结构，且不限 于此；④将结构硅片减薄到谐振器结构所需的厚度，可以采用化学机械的方法，或者使 用湿法腐蚀进行减薄，且不限于此；⑤在结构硅片正面沉积金属层，通过光刻、腐蚀等工艺制作与盖板硅片上焊球相 接触的金属焊盘；⑥在衬底硅片背面沉积金属层，来实现器件衬底接地的电学连接；⑦盖板硅片可以利用金属导线实现结构硅片与外界的电连接，也可以利用重掺杂 区的低阻导通特性实现结构硅片与外界的电连接，且不限于此；⑧包含谐振器结构的圆片与盖板圆片通过黏合剂进行圆片级的密闭封装，用于结 构圆片与盖板圆片低温真空对准键合的黏合剂可以是玻璃浆料，也可以是聚合物或者金 属，且不限于此；⑨在通过划片的方法将盖板焊盘上的划片槽划开后，再通过划片的方法将圆片上 的谐振器单元进行分离，此时划片应该分别在横轴方向和纵轴方向上进行，划片厚度为键 合片的厚度；⑩划片后得到的单个谐振器芯片直接固定在一基板上，通过打线的方法与基板进 行电连接，其中该基板可为印刷电路板、陶瓷基板或封装管壳。由此可见，与一般的体硅微机械谐振器的结构相比本发明提出的体硅微机械谐振器结构可以控制结构硅片与衬底硅片之间氧化层 的厚度；本发明提出的体硅微机械谐振器结构可以控制衬底硅片上的凹腔的深度；电绝缘 层处于衬底硅片和结构硅片之间。与一般的体硅微机械谐振器制作方法相比本发明首先在衬底硅片上制作好用于结构释放的凹腔结构，在器件结构制作完成 的同时就将器件结构释放了，无需后续的释放工艺，降低了工艺复杂度；本发明采用了低阻的普通硅片和硅硅直接键合、硅的各向异性湿法腐蚀等工艺， 降低器件的制作成本；本发明将结构层键合在事先腐蚀出凹腔的衬底硅片之上，然后利用干法刻蚀释放 结构，不使用PI做保护层，因此降低了工艺的复杂度；本发明使用湿法腐蚀制作衬底硅片上的凹腔结构，可以控制凹腔深度，且成本 低；本发明将结构层悬空在衬底硅片的凹腔之上，利用干法刻蚀释放结构，不存在结 构层与衬底之间黏连的问题；本发明将盖板通过真空圆片对准键合固定在结构硅片芯片上方，衬底硅片的空腔 与盖板上的空腔组成一个真空腔室，而谐振振子则正好位于此真空腔室之中，从而实现体硅微机械谐振器的圆片级真空封装，这样不仅提高了器件性能，而且适用于批量生产。由于本发明提出的加工方法在谐振器器件结构制作完成的同时就将器件结构释 放了，无需后续释放工艺，降低了工艺复杂度；通过普通硅片的键合制作器件，降低了成本； 使用湿法腐蚀制作衬底硅片上的凹腔结构，降低了成本，并且通过控制凹腔的深度，可以提 高器件的性能；不使用PI做保护层，降低了加工的复杂度；采用干法刻蚀释放结构，不存在 结构层与衬底黏连的问题；容易进行圆片级真空封装，提高了器件性能，适用于批量成产。综上所述，本发明涉及一种体硅微机械谐振器及制作方法，其特征在于先将悬浮 结构一谐振器振子正下方的空腔制作好，再通过键合的方法将器件结构层制作在空腔上 方，然后通过干法刻蚀在制作谐振器器件结构的同时，将谐振器器件结构进行释放，最后利 用真空圆片对准键合的方法将盖板硅片固定在结构硅片上方。由于谐振器下方的空腔在器 件结构制作之前用湿法腐蚀制成，并且采用圆片级封装对器件进行真空密封，从而使制作 的谐振器的成本可以大大降低。具体地说，本发明提供的体硅微机械谐振器的制作包括以 下步骤1)采用硅各向异性腐蚀在重掺杂的衬底硅片正面腐蚀出凹腔结构；2)利用硅硅直 接键合工艺将衬底硅片和重掺杂的结构硅片键合在一起。3)通过减薄的方法，将结构硅片 的厚度减薄到谐振器结构所需的厚度；4)在结构硅片正面和衬底硅片背面上通过金属镀 膜的方法制作出金属焊盘；5)利用深刻蚀技术，从正面刻蚀结构层，释放谐振器结构；6)通 过真空圆片对准键合将谐振器的结构层真空密封在盖板硅片和衬底硅片之中，实现谐振器 的圆片级的真空封装。7)将划片后得到的单个体硅谐振器芯片固定在基板上，并通过打线 方法与基板进行电连接。本发明可适用于批量生产，由于简化了加工工艺和采用圆片级真 空封装工艺，不仅可以降低生产成本，还可以提高成品率，可实现一种低成本、高性能的体 硅谐振器的制作


图1-1 (a)是谐振器工作的三种基本模态示意图i)弯曲模态，ii)扭曲模态和 iii)体模态；图1-1 (b)是体模态谐振器谐振振子分部为方形板、圆环板及圆形板时不同谐 振模式形变示意图A)原结构图，B)Wine_Glass模态，C)Extensional模态和D)Lame模态。图1-2是体硅微机械谐振器工作的基本原理图图1-2 (a)为Wine-Glass模态的 谐振器基本工作原理示意图；图1-2 (b)为Extensional模态的谐振器基本工作原理示意 图。图1-3 (a)是体硅微机械谐振器的剖面结构示意图；图1-3 (b)是由图l_3(a)中截 面A-B截面的俯视结构图。图1-4是斜拉梁分别为T型梁和直拉梁的体硅微机械谐振器的基本结构示意 图(俯视图)图l_4(a)是T型梁(T-shape anchor)结构；图l_4(b)是直拉梁(Direct anchor)结构。图1-5是将两个体硅微机械谐振器的谐振振子通过梁耦合连接在一起的基本结 构示意图。图l_5(a)两个谐振振子连接在一起的结构示意图；图l_5(b)为此种结构的器 件的基本工作原理示意图。图2是实施例1的具体工艺流程。图2-1 具有凹腔结构的衬底硅片。
图2-2 将氧化后衬底硅片与结构硅片进行键合，并减薄结构硅片。图2-3 沉积金属后，制作金属焊盘。图2-4 释放谐振器结构。图2-5 具有组成真空腔室的凹腔和涂覆黏合剂的凹槽结构的盖板硅片。图2-6 在氧化后的盖板硅片上沉积金属层，并制作金属焊盘与焊球。图2-7 在盖板硅片上涂覆黏合剂。图2-8 将键合圆片和盖板硅片进行对准键合。图2-9 具体实施例1得到的最终器件结构。图2-10 打线、固定在基板上的谐振器芯片。图3是实施例2的步骤8-14的部分工艺流程。图3-1 对具有凹腔和凹槽结构的盖板硅片进行离子注入。图3-2 在盖板硅片上沉积金属层后制作金属焊盘和焊球。图3-3 在盖板硅片上涂覆黏合剂。图3-4 将键合圆片和盖板硅片进行对准键合。图3-5 具体实施例2得到的最终器件结构。图3-6 打线、固定在基板上的谐振器芯片。图中各数字代表的含义为1重掺杂的衬底硅片；2衬底硅片上的凹腔；3衬底硅片上的电隔离层；4重掺杂的 结构硅片；5谐振器振子；6与盖板硅片上焊球相接触的金属焊盘；7盖板硅片；8盖板硅片 上的凹腔；9盖板硅片上的电隔离层；10盖板硅片上的焊盘；11黏合剂；12焊球；14涂覆黏 合剂凹槽；15P型重掺杂区；16衬底硅片上的金属层；17电极；21基座或者管壳；22金属引 线；23基座或者管壳上的引脚
具体实施例方式下面结合附图和实施例，对本发明进行详细的描述。实施例1在谐振器结构圆片和盖板圆片上都沉积了一层TiW/Au金属层，通过光刻及腐蚀 的方法对结构圆片和盖板圆片上的金属层进行图形化。在盖板硅片的背面通过丝网印刷的 方法涂覆上一层黏合剂(黏合剂可以是玻璃浆料，聚合物或者金属)，并将黏合剂图形化， 黏合剂作为焊料层。谐振器器件通过金属层与外界电路实现电连接。衬底硅片与结构硅片 的电阻率范围为0.01-0. 3 Q cm，盖板硅片的电阻率没有要求，为普通硅片。主要工艺步骤 包括(1)在抛光的重掺杂的单晶硅片上，通过氧化、光刻、硅的各向异性湿法腐蚀工艺 制作用以谐振器结构释放的底部凹腔，此时衬底硅片并没有被腐穿(图2-1)；(2)通过热氧化在步骤(1)中的硅片上生长一层二氧化硅作电隔离层；(3)使用键合工艺，将步骤(2)的硅片与另外一片重掺杂单晶硅片直接键合在一 起，并通过减薄工艺将凹腔上方的硅片减薄到谐振器结构所需的厚度(图2-2)；(4)在步骤(3)的键合圆片的背面沉积金属层；(5)在步骤(4)的键合圆片的正面沉积金属层，并通过光刻、金属腐蚀等工艺将其图形化，在结构硅片正面制作与盖板硅片上焊球相接触的金属焊盘(图2-3)；(6)通过光刻、DRIE等工艺将步骤(5)制到的键合圆片的上层硅片进行结构释放， 形成谐振器的结构(图2-4)；(7)通过氧化、涂胶光刻、氧化硅腐蚀、硅腐蚀等方法在第三片低掺杂的盖板硅片 上制作出组成真空腔室的凹腔结构和涂覆黏合剂的凹槽结构(图2-5)；(8)对步骤(7)中的硅片进行热氧化处理后，在其背面沉积一层TiW/Au作为盖板 硅片圆片上的金属层，并通过涂胶光刻及化学腐蚀的方法对TiW/Au金属层进行图形化处 理。图形化好后的金属层作为盖板圆片上与外界电连接的导线及焊盘。然后通过涂胶光刻、 电镀等方法在金属层上制作与结构硅片上焊盘实现电接触的焊球(图2-6)；(9)在步骤(8)中的硅片的背面通过丝网印刷的方法涂覆上一层图形化的黏合 剂，作为盖板上的焊料层，然后对黏合剂进行烧结处理(图2-7)；(10)将步骤(6)中的包含谐振器结构单元的键合圆片与步骤(8)中的盖板硅片在 真空氛围下进行低温圆片对准键合，键合温度范围为300 500°C (图2-8)；(11)将步骤(10)中的键合圆片通过划片机在谐振器芯片盖板划片槽处进行划 片，将盖板划片槽划开，划片厚度控制为盖板硅片的厚度；(12)将步骤(11)中的键合圆片通过划片机在横轴和纵轴方向上进行划片，划片 厚度控制为键合圆片的厚度。通过划片的方法将圆片上的谐振器单元进行分离，得到体硅 微机械谐振器芯片(图2-9)；(13)将谐振器芯片安装固定在一基板或管座上，并通过打线的方法将探测器与基 板或管座进行电连接(图2-10)实施例2盖板硅片采用轻掺杂的N型硅片，通过氧化、涂胶光刻、氧化硅腐蚀、离子注入等 方法，在盖板硅片形成P+区。在谐振器结构圆片和盖板圆片上都沉积了一层TiW/Au金 属层，通过光刻及腐蚀的方法对结构圆片和盖板圆片上的金属层进行图形化。在盖板硅 片的背面通过丝网印刷的方法涂覆上一层黏合剂(黏合剂可以是玻璃浆料，聚合物或者 金属)，并将黏合剂图形化，黏合剂作为焊料层。谐振器器件通过P+区与外界电路实现电 连接。衬底硅片与结构硅片的电阻率范围为0.01-0. 3Q cm，盖板硅片的电阻率范围为 0. 01-1Q !!。主要工艺步骤包括(1)在抛光的单晶硅片上，通过氧化、光刻、硅的各向异性湿法腐蚀工艺制作用以 谐振器结构释放的底部凹腔，此时衬底硅片并没有被腐穿。(2)通过热氧化在步骤(1)中的硅片上生长一层二氧化硅作为电绝缘层。(3)使用键合工艺，将步骤(2)的硅片与另外一片单晶硅片直接键合在一起，并通 过减薄工艺将凹腔上方的硅片减薄到谐振器结构所需的厚度。(4)在步骤(3)的键合圆片的背面沉积金属层；(5)在步骤(4)的键合圆片的正面沉积金属层，并通过光刻、金属腐蚀等工艺将其 图形化，在结构硅片正面制作与盖板硅片上焊球相接触的金属焊盘。见图2-3。(6)通过光刻、DRIE等工艺将步骤(5)的上层硅片进行结构释放，形成谐振器的结 构。(7)通过氧化、涂胶光刻、氧化硅腐蚀、硅腐蚀等方法在第三片低掺杂的硅片上制作出组成真空腔室的凹腔结构和涂覆黏合剂的凹槽结构。(8)图形化步骤(7)得到的硅片上的氧化硅，并对其进行离子注入，在注入区域形 成P+区。见图3-1。(9)对步骤(8)中的硅片进行热氧化处理后，在其背面沉积一层TiW/Au作为盖板 硅片圆片上的金属层，并通过涂胶光刻及化学腐蚀的方法对TiW/Au金属层进行图形化处 理。图形化好后的金属层作为盖板圆片上与外界电连接的导线及焊盘。然后通过光刻、电 镀等方法在金属层上制作用于与结构硅片上焊盘实现电接触的焊球。见图3-2。(10)在步骤(9)中的硅片的背面通过丝网印刷的方法涂覆上一层图形化的黏合 剂，作为盖板上的焊料层，然后对黏合剂进行烧结处理。见图3-3。(11)将步骤(6)中的包含谐振器结构单元的键合圆片与步骤(10)中的盖板硅片 在真空氛围下进行低温圆片对准键合，键合温度范围为300 500°C。见图3-4。(12)将步骤(11)中的键合圆片通过划片机在谐振器芯片盖板划片槽处进行划 片，将盖板划片槽划开，划片厚度控制为盖板硅片的厚度。(13)将步骤(12)中的键合圆片通过划片机在横轴和纵轴方向上进行划片，划片 厚度控制为键合圆片的厚度。通过划片的方法将圆片上的谐振器单元进行分离，得到体硅 微机械谐振器芯片，得到的结构见图3-5。(14)将谐振器芯片安装固定在一基板或管座上，并通过打线的方法将探测器与基 板或管座进行电连接。见图3-6。实施例3体硅谐振器的衬底硅片与结构硅片采用低阻硅片，衬底硅片与结构硅片的电阻率 范围为0.01-0. 3Q cm，盖板硅片为普通硅片。为了增强驱动信号和检测信号的强度，进 一步提高谐振器的性能，可将两个体硅微机械谐振器的谐振振子通过一个梁耦合连接在一 起。其具体实施方案与实施例1相同。主要区别在于(1)谐振振子不同实施例1的谐 振器的振子为一个方形板，本实施例的谐振器的振子为两个方形板通过一个梁相连接的图 形，见图l_5(a) ； (2)驱动电极不同实施例1的谐振器有对称分布在谐振器振子方形板四 周的四个电极，本实施例的电极有六个，见图1-5 (b)。其它工艺步骤与实施例1相应步骤相 同。
权利要求
一种体硅微机械谐振器，其特征在于包括衬底硅片、结构硅片、盖板硅片、电绝缘层、谐振器振子、焊盘及黏合剂其中，1)所述的谐振器是由衬底硅片、结构硅片及盖板硅片三层键合在一起形成的，衬底硅片的正面与结构硅片的背面，结构硅片的正面与盖板硅片的背面分别通过键合黏合在一起；2)衬底硅片具有从正面腐蚀的凹腔结构；3)谐振器振子、驱动电极和检测电极结构位于结构硅片上；4)衬底硅片正面凹腔与盖板硅片背面凹腔组成一个真空腔室，谐振器振子位于这个真空腔室中；5)结构硅片位于衬底硅片的上方，谐振振子悬空在衬底凹腔正上方；6)电绝缘层处于衬底硅片和结构硅片之间。
2.根据权利要求1所述的体硅微机械谐振器，其特征在于1)盖板硅片背面具有用于组成真空腔室的凹腔结构及涂覆黏合剂凹槽，凹腔处于谐振 器正上方，涂覆黏合剂凹槽分布在盖板硅片凹腔的外侧一周；2)盖板硅片的两面都具有电绝缘介质层；3)盖板硅片的背面具有一层实现与外界电连接的图形化的金属层，金属层沉积在电绝 缘层上；4)盖板硅片的金属层上有金属焊球，焊球位于结构硅片焊盘的正上方位置，当盖板硅 片与结构硅片键合时，盖板上的焊球与结构硅片上的焊盘紧密接触，从而实现电接触；5)盖板的背面具有一圈图形化的黏合剂，黏合剂处于盖板硅片黏合剂凹槽中，其位于 金属层之上，宽度要小于凹槽宽度。
3.根据权利要求1所述的体硅谐振器，其特征在于所述谐振器振子结构为方形板、圆 形板、圆环板或是悬臂梁结构。
4.根据权利要求1所述的体硅谐振器，其特征在于1)支撑谐振器振子结构的梁为T型斜拉梁或是直拉梁；2)将两个及两个以上谐振器振子通过梁连接起来，这两个或两个以上谐振器振子和梁 整体作为一个谐振振子。
5.根据权利要求1所述的体硅谐振器，其特征在于所述的体硅谐振器通过金属层与外 界电路连接或通过P+区与外界电路连接。
6.制作如权利要求1-5中任一项所述的体硅微机械谐振器的方法，其特征在于先将悬 浮结构——谐振振子正下方的空腔制作好，再将器件结构层通过键合的方法制作在空腔上 方，然后通过干法刻蚀在制作谐振器器件结构的同时，也将谐振器器件结构进行释放，最后 利用真空圆片对准键合把盖板硅片固定在结构硅片上方，具体制作步骤是(1)通过氧化、光刻及硅的各向异性湿法腐蚀或者干法刻蚀工艺在衬底硅片上制作出 凹腔，然后通过氧化工艺，在衬底硅片上生长一层二氧化硅层；(2)通过键合工艺，将步骤(1)得到的衬底硅片与结构硅片键合在一起；(3)利用减薄工艺，将步骤(2)得到键合硅片上的结构硅片的厚度减薄到谐振器结构 所需的厚度；(4)在步骤(3)得到的衬底硅片的背面沉积金属层；(5)在步骤(4)的结构硅片的正面沉积金属层，并通过光刻、腐蚀等工艺将结构硅片正面的金属层图形化，形成与盖板硅片上的焊球相接触的金属焊盘；(6)通过光刻和深反应离子刻蚀工艺，将步骤(5)制作的结构硅片正面加工出所需要 的谐振器结构；(7)通过氧化、涂胶光刻、氧化硅腐蚀、硅腐蚀等方法在盖板硅片上制作出凹腔结构，对 其热氧化处理后，在其上沉积用于电接触的焊盘、导线、焊球及用于真空封装的黏合剂；(8)将盖板硅片通过真空圆片对准键合固定在步骤(6)得到的结构硅片之上，对谐振 器进行圆片级真空封装；(9)采用划片机对步骤(8)的所述键合圆片进行一个方向上的划片，通过划片的方法 将体硅谐振器芯片盖板焊盘上的划片槽划开；(10)采用划片机对步骤(9)中所述键合圆片进行横轴和纵轴方向上的划片，将圆片上 的体硅谐振器单元进行分离；(11)将划片后得到的单个体硅谐振器芯片固定于一基板上，并通过打线的方法与基板 进行电连接。
7.如权利要求6所述的制作方法，其特征在于步骤3中结构硅片是使用化学机械方法 或湿法腐蚀方法减薄。
8.如权利要求6所述的制作方法，其特征在于谐振器器件结构的制作和谐振器器件结 构的释放同时完成的。
9.如权利要求6所述的制作方法，其特征在于所述的结构硅片或衬底硅片的电阻率为 0.01-0. 3 Ω · cm，盖板硅片电阻率无要求。
10.如权利要求6所述的制作方法，其特征在于盖板硅片采用轻掺杂的N型硅片，通过 氧化、涂胶光刻、氧化硅腐蚀和离子注入后，在盖板硅片形成P+区，使用的盖板硅片的电阻 率为 0. 01-1 Ω · cm。
全文摘要
本发明涉及一种体硅微机械谐振器及制作方法，其特征在于所述的谐振器是由衬底硅片、结构硅片及盖板硅片三层键合在一起形成的，衬底硅片的正面与结构硅片的背面，结构硅片的正面与盖板硅片的背面分别通过键合黏合在一起；制作时先将悬浮结构——谐振振子正下方的空腔制作好，再将器件结构层通过键合的方法制作在空腔上方，然后通过干法刻蚀在制作谐振器器件结构的同时，也将谐振器器件结构进行释放，最后利用真空圆片对准键合把盖板硅片固定在结构硅片上方。由于谐振器下方的空腔在器件结构制作之前用湿法腐蚀制成，并且采用圆片级封装对器件进行真空密封。
文档编号B81C1/00GK101867080SQ20101018110
公开日2010年10月20日 申请日期2010年5月21日 优先权日2010年5月21日
发明者吴国强, 徐德辉, 熊斌, 王跃林 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所