Mems器件的真空封装结构及其制作方法

专利名称：Mems器件的真空封装结构及其制作方法
技术领域：
本发明涉及一种真空封装结构及其制作方法，特别是涉及一种MEMS器件的真空封装结构及其制作方法，采用微电子机械加工技术，属于微电子机械系统领域。
背景技术：
利用微电子机械加工技术制作的加速度计和角速度计在汽车导航和消费电子等领域得到了广泛应用。这些传感器具有成本低、可批量生产、稳定性好等优点。但是在机械结构达到微米量级时，空气阻尼效应成为了影响器件性能的关键因素。真空封装能够大幅减小空气阻尼效应，使器件的品质因子得到显著提高。气密性是影响真空封装效果的一个重要因素。由于器件内外的电连接很容易影响到真空封装的气密性，因此它决定了整个器件的真空封装结构。玻璃浆料封装是常用的真空封装方式之一ο R. Knechtel, M. ffiemer, J. Fromel 在 Special issue :ffafer-bonding workshop for MEMS technologies (WBff-MEMS), ll-120ctober 2004，Halle 中详细介绍了这种技术。玻璃浆料封装的器件结构简单，也很容易实现密闭性和器件内外的电连接。但是，由于玻璃浆料的流动性，一方面容易造成器件的沾污；另一方面通常需要密封环做的比较宽，同时需要增加附属的结构来控制玻璃浆料的流动，进而造成器件体积较大；更重要的是，玻璃浆料会释放气体，造成器件内部气压上升，影响器件的性能，因此器件内部需要再加入吸气剂，导致成本上升。为了同时满足气密性和与CMOS技术相兼容的要求，硅通孔(Through Silicon Via)技术也是比较常用的解决方案。Meven S. Nasiri和Anthony Francis Flannery, JR.提出了一种CMOS硅片和MEMS硅片键合并采用硅通孔引线的封装结构(Method of fabrication of Al/Ge bonding in a wafer packaging enviroment and a product produced therefrom, US 2008/0283990A1)。该方法利用铝锗共晶键合(也称作铝锗低温键合)的导电特性和CMOS硅片上的硅通孔实现器件内外的电连接。但是，硅通孔使器件制造工艺变得复杂，成本也大幅上升。

发明内容
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MEMS器件的真空封装结构及其制作方法，用于解决现有技术中在同时满足气密性和与CMOS技术相兼容的要求时，造成密封环较宽、封装体积较大、制造工艺复杂、成本上升等问题。为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种MEMS器件的真空封装结构制作方法，至少包括1)提供一下基板以及对应所述下基板且具有支撑衬底、绝缘层以及半导体层的半导体衬底，并在所述半导体层上定义出结构区域；2)刻蚀所述半导体层，在所述半导体层上定义的结构区域外侧刻蚀出第一凹槽； 以及在所述结构区域外侧刻蚀出暴露所述绝缘层的环形隔离槽，且所述环形隔离槽的一边位于所述第一凹槽中，在所述环形隔离槽中形成一孤岛；3)在所述下基板的表面对应所述第一凹槽的区域形成引线，用以实现MEMS器件封装结构内外的电连接；4)将所述下基板与所述半导体层对准键合，使所述引线连接于所述孤岛与结构区域之间；5)将键合后的结构去除所述支撑衬底，以形成器件结构体；6)刻蚀所述绝缘层，以在所述孤岛上预制备焊盘的区域形成露出所述半导体层的焊盘窗口，以及形成对应所述结构区域并露出所述半导体层的释放窗口 ；7)在所述焊盘窗口中形成连接至所述孤岛的焊盘，在所述绝缘层上对应所述环形隔离槽的区域形成隔离槽保护环以及环绕所述释放窗口形成密封环，且所述密封环的一边途经所述孤岛的绝缘层表面，所述密封环与隔离槽保护环相连接；8)刻蚀所述结构区域，以在所述器件结构体中形成所需MEMS器件；9)提供一上基板，在所述上基板对应所述密封环和隔离槽保护环的区域上沉积相应的键合材料；10)利用低温键合工艺将所述上基板真空键合至所述器件结构体，而后刻蚀所述上基板，直至暴露出所述孤岛上的焊盘，以完成MEMS器件的真空封装。可选地，所述半导体衬底为SOI衬底。可选地，所述步骤1)为提供一下基板以及对应所述下基板的半导体层，在所述半导体层上沉积绝缘层并在绝缘层上粘附或键合一个托片，以形成半导体衬底，并在所述半导体层上定义出结构区域。可选地，所述结构区域处制作的MEMS器件为微型加速度传感器，所述引线为呈一字排列的两条引线，所述环形隔离槽为两个且分别位于所述结构区域的两侧；所述步骤2) 还包括在所述结构区域刻蚀出第二凹槽以及在所述第二凹槽两侧形成所述结构区域的两个锚点的步骤，其中，所述锚点连接于所述第一凹槽和第二凹槽之间；所述步骤8)还包括 形成具有可动梳齿的可动质量块、通过该锚点与所述下基板相连的固定梳齿、以及用于连接所述可动质量块和下基板的弹性梁的步骤，以在所述结构区域形成微型加速度传感器； 所述步骤9)还包括在所述上基板对应所述结构区域中形成第三凹槽的步骤。可选地，当所述结构区域处的MEMS器件预制作下电极实现器件封装结构内外的电连接时，所述步骤幻还包括在所述下基板表面形成下电极的步骤。可选地，所述步骤10)中的低温键合包括铝锗键合、金硅键合或金锡键合。本发明还提供一种MEMS器件的真空封装结构，至少包括下基板，其上表面具有实现所述真空封装结构内外电连接的引线；半导体层，位于所述下基板上表面，包括与所述引线一端相连接且用以制作所述 MEMS器件的结构区域、与所述引线另一端相连接的孤岛、位于所述孤岛周侧并将该孤岛从所述半导体层隔离出来的贯穿所述半导体层的环形隔离槽、以及位于所述结构区域与孤岛之间的第一凹槽，且所述环形隔离槽的一边位于所述第一凹槽中；焊盘，形成在所述孤岛上；绝缘层，所述绝缘层位于除所述焊盘所在区域和结构区域以外的所述半导体层表面上；
密封环，位于所述绝缘层表面上，其内侧对应的半导体层包括所述结构区域，且所述密封环的一边途经所述孤岛的绝缘层表面使所述焊盘位于所述密封环外侧；隔离槽保护环，所述隔离槽保护环与所述环形隔离槽相对应，位于所述密封环外侧的绝缘层之上，且与所述密封环相交；上基板，通过对应所述密封环和隔离槽保护环的键合材料区域分别与所述密封环和隔离槽保护环相连，具有露出所述焊盘的窗口。可选地，所述结构区域处的MEMS器件为微型加速度传感器时，所述引线为呈一字排列的两条引线；所述环形隔离槽为两个且分别位于所述结构区域的两侧；所述结构区域包括位于所述结构区域边缘的分别与所述二引线相连接的两个锚点、通过所述锚点与下基板相连的固定梳齿、以及藉由四个弹性梁连接所述下基板和具有可动梳齿的可动质量块； 所述上基板包括对应所述结构区域的第三凹槽。可选地，所述下基板还包括用以实现所述MEMS器件的封装结构内外的电连接的下电极。如上所述，本发明的一种MEMS器件的真空封装结构及其制作方法，具有以下有益效果本发明提供的一种封装体积小、工艺简单而且成本低的MEMS器件真空封装结构及其制作方法，在保证气密性的同时，通过半导体层隔离出的孤岛来实现器件内外的电连接，不仅用于MEMS器件中的惯性器件的真空封装，也可应用于红外等其他器件，例如角速度传感器、能量采集器或红外传感器。本发明在同时满足气密性和与CMOS技术相兼容的要求时，避免了传统工艺导致的密封环较宽(宽度约为200 μ m)、封装体积较大、制造工艺复杂、成本上升等问题，使本发明在密封环宽度为50 100 μ m时就能实现良好的封装效果， 保证了较窄的密封环宽度进而缩小了器件封装后的体积，同时，本发明与CMOS工艺的完全兼容使其有较好的扩展性和较广的使用范围。


图IA至图IL显示为本发明MEMS器件的真空封装结构制作方法在实施例一中的结构示意图。图2显示为本发明MEMS器件的真空封装结构的除上基板以外的结构俯视图。图3显示为本发明MEMS器件的真空封装结构的绝缘层以下的结构俯视图。图4显示为本发明MEMS器件的真空封装结构的绝缘层以下的隔离槽结构俯视图。图5显示为本发明MEMS器件的真空封装结构示意图。元件标号说明1下基板2半导体衬底20半导体层201结构区域2011第二凹槽2012锚点2013可动质量块
20131可动梳齿2014固定梳齿2015弹性梁202第一凹槽203,203a,203b环形隔离槽204孤岛205焊盘206,206a,206b隔离槽保护环207、207a、207b密封环21绝缘层22支撑衬底3器件结构体4上基板401第三凹槽406、406a、406b上基板对应隔离槽保护环的区域407、407a、407b上基板对应密封环的区域
具体实施例方式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。请参阅图IA至图5，其中，图4为图3区域B的隔离槽结构俯视图。需要说明的是， 以下具体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，遂图式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型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。实施例一如图IA至图IL所示，本发明提供一种MEMS器件的真空封装结构制作方法，至少包括以下步骤首先执行步骤1)，如图IA和图IB所示，提供一下基板1以及对应所述下基板且具有支撑衬底22、绝缘层21以及半导体层20的半导体衬底2，并在所述半导体层20定义出结构区域201。需要指出的是，所述半导体衬底2可以是已制作完成的带绝缘层的半导体衬底， 也可以是由初始提供的半导体层20现行制作得到的半导体衬底。其中，已制作完成的带绝缘层的半导体衬底包括由支撑衬底、绝缘埋层、以及顶层半导体层组成的SOI衬底，所述 SOI衬底的绝缘埋层即为所述绝缘层21，所述SOI衬底的顶层半导体层即为所述半导体层 20 ；当需要现行制作所述半导体衬底2时，提供一对应所述下基板的半导体层20，并在所述半导体层20上沉积绝缘层21并在绝缘层21上粘附或键合一个托片，以形成半导体衬底2。 在本实施例一中，所述半导体衬底2采用已制作完成的SOI衬底，其中所述半导体层20的材料为硅，所述支撑衬底22的材料为硅。需要进一步说明的是，所述下基板1的材料为玻璃或表面具有氧化层的硅，以保证所述下基板表面具有绝缘性，具体地，在本实施例一中，所述下基板1为玻璃。需要特殊说明的是，在其他实施例中，所述半导体衬底2采用现行制作得到的半导体衬底时，初始提供的所述半导体层20的材料为硅、锗或锗硅。接着执行步骤2)。在步骤2)中，如图IC所示，利用硅深度反应离子刻蚀工艺(De印Reactive-Ion Etching, DRIE)刻蚀所述半导体层20，在所述半导体层20上定义的结构区域201外侧刻蚀出第一凹槽202，其中，所述第一凹槽202的个数由预真空封装的MEMS器件所需内外电连接决定，图IC中为预真空封装的MEMS器件需要两处内外电连接；而后，在所述结构区域 201外侧刻蚀出暴露所述绝缘层21的环形隔离槽203(含20 和20北，如图IC所示)，且所述环形隔离槽203的一边20 位于所述第一凹槽202中，其中，所述隔离槽203的个数对应所述第一凹槽202的个数，即一个所述第一凹槽202对应一个所述隔离槽203 ；同时， 在所述环形隔离槽203中形成一孤岛204，其中，所述孤岛204个数对应所述隔离槽203的个数，即一个所述环形隔离槽203中形成一个孤岛204，通过所述环形隔离槽203的隔离作用，所述半导体层20被隔离的部分(即孤岛204)与周围实现了完全的电绝缘。需要说明的是，所述环形隔离槽203的一边20 位于所述第一凹槽202中，是为了避免制作误差造成的后续步骤中引线101与除所述孤岛204和结构区域201以外的半导体层20接触，以致电连接失效。具体地，本实施例一中以微型加速度传感器作为预真空封装的MEMS器件进行说明，请参阅图1D，由于所述微型加速度传感器有可动器件部分并且需要从所述传感器两侧分别实现内外电连接(即需要两处内外电连接)，因此在步骤2)中还包括利用硅深度反应离子刻蚀工艺(De印Reactive-Ion Etching, DRIE)在所述结构区域201刻蚀出第二凹槽 2011以及在所述第二凹槽2011两侧形成所述结构区域的两个锚点2012的步骤，其中，所述第二凹槽2011保证所需可动器件部分悬空，所述锚点2012连接于所述第一凹槽202和第二凹槽2011之间，所述锚点2012的个数与所述第一凹槽202的个数相对应，即对于所述微型加速度传感器而言，所述步骤2)中制作位于所述结构区域201两侧的两个所述第一凹槽 202、两个环形隔离槽203、以及两个孤岛204，其中所述环形隔离槽203的俯视图为正方形的环(参见图3中区域B及图4)，但并不局限于此，其还可以为矩形环。对于其他MEMS器件而言，则需根据具体MEMS器件需要的内外电连接情况，制作相关位置及个数的所述第一凹槽202、环形隔离槽203、以及孤岛204，此处不再一一赘述。接着执行步骤3)。在步骤幻中，采用溅射铝或化学气相沉积多晶硅，在所述下基板1的表面对应所述第一凹槽202的区域形成引线101，用以实现MEMS器件封装结构内外的电连接。在本实施例一中，如图IE所示，以微型加速度传感器作为预真空封装的MEMS器件，于步骤2)中已制作两个分别位于所述结构区域201两侧的第一凹槽202，则采用化学气相沉积多晶硅，形成用以实现微型加速度传感器的封装结构内外的电连接的所述两条引线101，且所述二引线101呈一字排列，分别对应所述第一凹槽202。需要说明的是，对于其他MEMS器件而言，当所述结构区域201处的MEMS器件预制作下电极(未图示)实现器件封装结构内外的电连接时，在所述下基板表面，采用溅射铝或化学气相沉积多晶硅形成所述下电极。接着执行步骤4)。
在步骤4)中，将所述下基板1与所述半导体层20对准键合，使所述引线101连接于所述孤岛204与结构区域201之间，且所述引线101不与除所述孤岛204和结构区域201 以外的半导体层20连接，以防止短路而引起电连接失效。具体地，如图IF所示，在本实施例一中，所述下基板1为玻璃，所述半导体层20为硅，将所述下基板1与所述半导体层20 对准键合时，采用硅-玻璃键合工艺，使对应所述第一凹槽202的引线101连接于所述孤岛 204与结构区域201之间，更具体地，所述引线101连接于所述孤岛204与结构区域201的锚点2012之间，且所述引线101不与除所述孤岛204和结构区域201的锚点2012以外的半导体层20连接，以防止短路而引起电连接失效。接着执行步骤5)。在步骤5)中，将键合后的结构放入碱性溶液中去除所述支撑衬底22，以形成器件结构体3。具体地，如图IG所示，在本实施例一中，所述半导体衬底2采用已制作完成的SOI 衬底，所述半导体层20为硅，所述支撑衬底22为硅，去除所述支撑衬底22的碱性溶液为 KOH溶液。接着执行步骤6)。在步骤6)中，如图IH所示，在本实施例一中，利用缓冲氧化层蚀刻液(Buffered Oxide Etch, B0E)刻蚀所述绝缘层21，以在所述孤岛204上预制备焊盘205的区域形成露出所述半导体层的焊盘窗口，以及在所述绝缘层21形成对应所述结构区域201并露出所述半导体层20的释放窗口，此时，保留所述环形隔离槽203与所需隔离槽保护环206和所需密封环207之间的绝缘层21，有效地保证预制作的真空封装结构的气密性。接着执行步骤 7)。在步骤7)中，如图II所示，在所述焊盘窗口中形成连接至所述孤岛204的焊盘 205，在所述绝缘层21上，对应所述环形隔离槽203的区域形成隔离槽保护环206以及环绕所述释放窗口形成密封环207，且所述密封环207的一边途经所述孤岛204的绝缘层21表面，使所述孤岛204从密封环207内侧延伸到密封环207外侧，则部分所述环形隔离槽203 位于所述密封环207内侧，且所述环形隔离槽203与隔离槽保护环206之间存在绝缘层21、 以及所述环形隔离槽203与密封环207之间也存在绝缘层21，所述密封环207与所述隔离槽保护环206相连接(请参阅图2、，所述焊盘205位于所述密封环207外侧；所述焊盘205 的材料为铝，所述隔离槽保护环206和密封环207的材料包括铝、锗、金、硅、或锡。具体地，在本实施例一中，如图II所示，溅射铝，同时形成所述焊盘205、隔离槽保护环206 (即图11中的206a和206b)和密封环207 (即图11中的207a和207b)。需要说明的是，当所述隔离槽保护环206和密封环207的材料不是铝时，则同时溅射锗、金、硅、或锡的一种，以形成所述隔离槽保护环206和密封环207，此时同时形成的所述隔离槽保护环206和密封环207与形成所述铝焊盘205的步骤并不存在先后顺序。此时，实现了从焊盘205通过孤岛204到所述结构区域201的电流通路，其中，为了保证预制作的真空封装结构的气密性，环形隔离槽203上覆盖的绝缘层21避免了环形隔离槽203对的气密性的影响，另外，在所述绝缘层21上制作了所述密封环207，同时在所述密封环207外侧的环形隔离槽203对应的绝缘层上增加了隔离槽保护环206，则避免了因绝缘层21损坏而造成的漏气，进一步提高预制作的真空封装结构在气密性方面的可靠性。接着执行步骤8)。在步骤8)中，利用硅深度反应离子刻蚀工艺(De印Reactive-Ion Etching, DRIE) 刻蚀所述结构区域201，以在所述器件结构体3中形成所需MEMS器件。具体地，在本实施例
9一中，如图IJ所示，所需MEMS器件为微型加速度传感器，则所述步骤8)中还包括利用DRIE 形成所述微型加速度传感器具体结构的步骤，即利用DRIE形成具有可动梳齿20131的可动质量块2013、通过该锚点2012与所述下基板1相连的固定梳齿2014、以及用于连接所述可动质量块2013和下基板1的弹性梁2015的步骤(请参阅图2和图幻，以在所述结构区域 201形成微型加速度传感器。其中，所述可动质量块2013与四个弹性梁2015组成一加速度的敏感结构；可动质量块2013上的可动梳齿20131与固定梳齿2014组成了电容式的检测结构。接着执行步骤 9)。在步骤9)中，如图IK所示，提供一上基板4，在所述上基板的对应所述密封环207 的区域407和对应所述隔离槽保护环206的区域406上沉积相应的键合材料，以供后续实施低温键合，其中，所述上基板材料为玻璃或硅。具体地，在本实施例一中，所需MEMS器件为微型加速度传感器，具有可动部分(即所述具有可动梳齿20131的可动质量块2013)，则所述步骤9)中还包括在所述上基板4对应所述结构区域201利用碱性溶液形成第三凹槽 401 ；具体地，所述上基板材料为硅，所述碱性溶液为KOH溶液。需要说明的是，所述“相应的键合材料”是根据所述密封环207和隔离槽保护环 206的材料、以及后续的低温键合工艺来决定的，沉积的方法采用溅射工艺。在本实施例一中，所述密封环207和隔离槽保护环206为铝，则当后续进行铝锗低温键合时，所述“相应的键合材料”为锗。需要特别说明的是，第三凹槽401避免了上基板4对可动器件部分的影响，进一步，所述对应密封环207和隔离槽保护环206的区域(即407和406所指区域)，将所述密封环207和隔离槽保护环206键合部分抬高，再次避免所述上基板4对可动部分的影响。接着执行步骤10)。在步骤10)中，利用低温键合工艺将所述上基板4真空键合至所述器件结构体3， 而后，利用硅深度反应离子刻蚀(De印Reactive-Ion Etching, DRIE)工艺，在所述上基板 4上开窗口，直至暴露出所述孤岛204上的焊盘205，以完成MEMS器件的真空封装。其中， 真空键合是指将被键合物放入键合机腔体中后，在实施键合的过程中同时在键合机腔体中进行抽真空处理；所述低温键合(又称共晶键合)包括铝锗键合、金硅键合或金锡键合。所述真空封装结构实现了从焊盘205通过孤岛204和引线101到制作所述MEMS器件的结构区域201的电流通路，另外，在实现所述MEMS器件内外电连接并保证所述真空封装结构气密性方面，所述环形隔离槽上覆盖的绝缘层21、隔离槽保护环206、及密封环207 起到了关键的作用。具体地，在本实施例一中，如图IL所示，所述低温键合为铝锗键合；所述上基板4 与器件结构体3通过所述密封环207 (含207a和207b)和隔离槽保护环206 (含206a和 206b)及其相对应的区域407 (含407a和407b)和406 (含406a和406b)连接，即所述器件结构体3与上基板4板键合时，不仅仅在所述密封环207上键合(即207a与407a键合， 207b与407b键合)，而且在所述隔离槽保护环206上也键合(即206a与406a键合，206b 与406b键合)，这样避免了因绝缘层损坏而造成的漏气，增强了整个真空封装结构的可靠性。实验数据表明，在密封环宽度为50 100 μ m时能实现良好的封装效果。需要说明的是，本实施例一中，所述密封环207和隔离槽保护环206为铝，进行的低温键合为铝锗键合，则前述步骤9)中的“相应的键合材料”为锗，但铝锗键合并不局限于此，在其他实施例中，还包括实施铝锗键合前，在前述步骤7)中的所述密封环207和隔离槽保护环206为锗、以及前述步骤9)中的“相应的键合材料”为铝，即溅射铝和锗的位置可互换。此处其他低温键合与铝锗键合类似，故不再一一赘述。由于MEMS器件真空封装结构的内外电连接很容易影响到真空封装结构的气密性，因此解决内外电连接的问题成为真空封装结构及其制作方法的关键。本发明通过在半导体层20上刻蚀环形隔离槽203将孤岛204从所述半导体层20中隔离出来，且使孤岛204 从密封环207内延伸到密封环207外，并通过半导体层20与下基板1键合，实现从孤岛204 上的焊盘205、孤岛204、下基板引线101直至所述MEMS器件的结构区域201的内外电连接，最后真空键合上基板4并开窗口露出焊盘205以完成真空封装。为保证真空封装的气密性，环形隔离槽203上方的绝缘层21、及位于绝缘层21上方的隔离槽保护环206和密封环207起到了至关重要的作用。本发明提供的MEMS器件真空封装结构制作方法，在保证气密性的同时，通过半导体层隔离出的孤岛来实现器件内外的电连接，在同时满足气密性和与CMOS技术相兼容的要求时，避免了传统工艺导致的密封环较宽(宽度约为200 μ m)、封装体积较大、制造工艺复杂、成本上升等问题。本发明的制作方法工艺简单、成本低，且真空封装结构体积小、密封环宽度较窄(宽度为50 100 μ m)，同时，本发明与CMOS工艺的完全兼容使其有较好的扩展性和较广的使用范围。实施例二如图2至图5所示，本发明提供一种MEMS器件的真空封装结构，至少包括下基板 1、半导体层20、焊盘205、绝缘层21、密封环207、隔离槽保护环206以及上基板4。所述下基板1上表面具有实现所述真空封装结构内外电连接的引线101，其中，所述引线的数目由所述真空封装的MEMS需要的内外电连接决定。所述半导体层20位于所述下基板1上表面，包括与所述引线101 —端相连接且用以制作所述MEMS器件的结构区域201、与所述引线101另一端相连接的孤岛204、位于所述孤岛204周侧并将该孤岛204从所述半导体层20隔离出来的贯穿所述半导体层20的环形隔离槽203 (含203a和20 )、以及位于所述结构区域201与孤岛204之间的第一凹槽 202，且所述环形隔离槽203的一边20 位于所述第一凹槽202中。所述焊盘205形成在所述孤岛204上。所述绝缘层21位于除所述焊盘205所在区域和结构区域201以外的所述半导体层20表面上，且所述环形隔离槽203与隔离槽保护环206之间存在绝缘层21、以及所述环形隔离槽203与密封环207之间也存在绝缘层21。所述密封环207(含207a和207b)位于所述绝缘层21表面上，其内侧对应的半导体层20包括所述结构区域201，且所述密封环207的一边途经所述孤岛204的绝缘层21表面，使所述孤岛204从密封环207内侧(即207a与207b之间)延伸到密封环207外侧，则部分所述环形隔离槽203位于所述密封环207内侧(即207a与207b之间)，且所述焊盘 205位于所述密封环207外侧。所述隔离槽保护环206(含206a和206b)与所述环形隔离槽203相对应，位于所述密封环207外侧的绝缘层21之上，且与所述密封环207相交。
所述上基板4具有露出所述焊盘205的窗口 ；一方面，通过对应所述密封环的键合材料区域407 (含407a和407b)与所述密封环207 (含207a和207b)相连，即对应所述密封环的键合材料区域407a与所述密封环207a相连，对应所述密封环的键合材料区域407b 与所述密封环207b相连；另一方面，通过对应所述隔离槽保护环的键合材料区域406(含 406a和406b)与所述隔离槽保护环206 (含206a和206b)相连，即对应所述隔离槽保护环的键合材料区域406a与所述隔离槽保护环206a相连，对应所述隔离槽保护环的键合材料区域406b与所述隔离槽保护环206b相连。需要说明的是，当所述MEMS器件的封装结构实现内外电连接时需要下电极(未图示)，则所述下基板还包括用以实现内外电连接的所述下电极。需要指出的是，所述引线101和下电极的材料均为铝或多晶硅；所述下基板1材料为玻璃或表面具有氧化层的硅，以保证所述下基板表面具有绝缘性；所述半导体层20包括硅、锗或锗硅；所述上基板4材料为玻璃或硅；所述焊盘205的材料为铝；所述隔离槽保护环206和密封环207的材料包括铝、锗、金、硅、或锡；对应所述隔离槽保护环206和密封环 207的键合材料区域406和407的材料包括铝、锗、金、硅、或锡。需要特别说明的是，所述第一凹槽202与所述引线101相对应，且二者的数目均由所述真空封装的MEMS器件需要的内外电连接决定，所述隔离槽203的个数对应所述第一凹槽202的个数，所述孤岛204个数对应所述隔离槽203的个数；通过所述环形隔离槽203的隔离作用，所述半导体层20被隔离的部分(即孤岛)与周围实现了完全的电绝缘；所述环形隔离槽203的一边20 位于所述第一凹槽202中，是为了避免制作误差造成的后续步骤中引线101与除所述孤岛204和结构区域201以外的半导体层20接触，以致电连接失效。需要进一步说明的是，从所述焊盘205、孤岛204、下基板引线101直至所述结构区域201实现了真空封装结构电流通路，为了保证所述真空封装结构的气密性，所述环形隔离槽203上具有绝缘层21，避免了环形隔离槽203对的气密性的影响，且该绝缘层21位于所述环形隔离槽203与密封环207和隔离槽保护环206之间；另外，在所述绝缘层21上制作了所述密封环207，同时在所述密封环207外侧的环形隔离槽203对应的绝缘层上增加了隔离槽保护环206，则避免了因绝缘层21损坏而造成的漏气，进一步提高所述真空封装结构在气密性方面的可靠性。具体地，在本实施例二中，以微型加速度传感器作为真空封装的MEMS器件进行说明，请参阅图2至图5，所述结构区域201处的MEMS器件为微型加速度传感器时，其需要从所述传感器两侧分别实现内外电连接(即需要两处内外电连接)，则所述多晶硅引线101为位于玻璃下基板1上的呈一字排列的两条引线，分别连接于所述孤岛204与结构区域201 之间，且所述引线101不与除所述孤岛204和结构区域201以外的半导体层20连接，以防止短路而引起电连接失效；所述环形隔离槽203和孤岛204均为两个且分别位于所述结构区域201的两侧，其中所述环形隔离槽203的俯视图为正方形的环(参见图3中区域B及图4)，但并不局限于此，其还可以为矩形环；所述结构区域201包括位于所述结构区域201 边缘的分别与所述二引线101相连接的两个锚点2012、通过所述锚点2012与下基板1相连的固定梳齿2014、以及藉由四个弹性梁2015连接所述下基板1和具有可动梳齿20131的可动质量块2013。其中，所述可动质量块2013与四个弹性梁2015组成一加速度的敏感结构；可动质量块2013上的可动梳齿20131与固定梳齿2014组成了电容式的检测结构。由于微型加速度传感器具有可动部分(即所述具有可动梳齿20131的可动质量块 2013)，则所述硅材料上基板4还包括对应所述结构区域201的第三凹槽401，避免了上基板4对可动器件部分的影响；进一步，所述对应密封环207和隔离槽保护环206的区域(即 407和406所指区域)，将所述密封环207和隔离槽保护环206键合部分抬高，再次避免所述上基板4对可动部分的影响。。需要指出的是，在本实施例二中，所述引线101为多晶硅；所述下基板1为玻璃； 所述半导体层20及其孤岛204均为硅；所述上基板4材料为硅；所述焊盘205为铝；所述隔离槽保护环206和密封环207的材料均为铝；对应所述隔离槽保护环206和密封环207 的键合材料区域406和407为锗。综上所述，本发明提供的一种封装体积小、工艺简单而且应用范围广泛的MEMS器件真空封装结构及其制作方法，在保证气密性的同时，通过半导体层隔离出的孤岛来实现器件内外的电连接，不仅可用于MEMS器件中的惯性器件的真空封装，也可应用于红外等其他器件，例如角速度传感器、能量采集器或红外传感器。本发明在同时满足气密性和与CMOS 技术相兼容的要求时，避免了传统工艺导致的密封环较宽(宽度约为200 μ m)、封装体积较大、制造工艺复杂、成本上升等问题，使本发明在密封环宽度为50 100 μ m时就能实现良好的封装效果，保证了较窄的密封环宽度进而缩小了器件封装后的体积，同时，本发明与 CMOS工艺的完全兼容使其有较好的扩展性和较广的使用范围。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。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。
权利要求
1.一种MEMS器件的真空封装结构制作方法，其特征在于，该制作方法至少包括以下步骤1)提供一下基板以及对应所述下基板且具有支撑衬底、绝缘层以及半导体层的半导体衬底，并在所述半导体层上定义出结构区域；2)刻蚀所述半导体层，在所述半导体层上定义的结构区域外侧刻蚀出第一凹槽；以及在所述结构区域外侧刻蚀出暴露所述绝缘层的环形隔离槽，且所述环形隔离槽的一边位于所述第一凹槽中，在所述环形隔离槽中形成一孤岛；3)在所述下基板的表面对应所述第一凹槽的区域形成引线，用以实现MEMS器件封装结构内外的电连接；4)将所述下基板与所述半导体层对准键合，使所述引线连接于所述孤岛与结构区域之间；5)将键合后的结构去除所述支撑衬底，以形成器件结构体；6)刻蚀所述绝缘层，以在所述孤岛上预制备焊盘的区域形成露出所述半导体层的焊盘窗口，以及形成对应所述结构区域并露出所述半导体层的释放窗口 ；7)在所述焊盘窗口中形成连接至所述孤岛的焊盘，在所述绝缘层上对应所述环形隔离槽的区域形成隔离槽保护环以及环绕所述释放窗口形成密封环，且所述密封环的一边途经所述孤岛的绝缘层表面，所述密封环与隔离槽保护环相连接；8)刻蚀所述结构区域，以在所述器件结构体中形成所需MEMS器件；9)提供一上基板，在所述上基板对应所述密封环和隔离槽保护环的区域上沉积相应的键合材料；10)利用低温键合工艺将所述上基板真空键合至所述器件结构体，而后刻蚀所述上基板，直至暴露出所述孤岛上的焊盘，以完成MEMS器件的真空封装。
2.根据权利要求1所述的MEMS器件的真空封装结构制作方法，其特征在于所述半导体衬底为SOI衬底。
3.根据权利要求1所述的MEMS器件的真空封装结构制作方法，其特征在于所述步骤1)为提供一下基板以及对应所述下基板的半导体层，在所述半导体层上沉积绝缘层并在绝缘层上粘附或键合一个托片，以形成半导体衬底，并在所述半导体层上定义出结构区域。
4.根据权利要求1所述的MEMS器件的真空封装结构制作方法，其特征在于所述结构区域处制作的MEMS器件为微型加速度传感器，所述引线为呈一字排列的两条引线，所述环形隔离槽为两个且分别位于所述结构区域的两侧；所述步骤2)还包括在所述结构区域刻蚀出第二凹槽以及在所述第二凹槽两侧形成所述结构区域的两个锚点的步骤，其中，所述锚点连接于所述第一凹槽和第二凹槽之间；所述步骤8)还包括形成具有可动梳齿的可动质量块、通过该锚点与所述下基板相连的固定梳齿、以及用于连接所述可动质量块和下基板的弹性梁的步骤，以在所述结构区域形成微型加速度传感器；所述步骤9)还包括在所述上基板对应所述结构区域中形成第三凹槽的步骤。
5.根据权利要求1所述的MEMS器件的真空封装结构制作方法，其特征在于当所述结构区域处的MEMS器件预制作下电极实现器件封装结构内外的电连接时，所述步骤3)还包括在所述下基板表面形成下电极的步骤。
6.根据权利要求1所述的MEMS器件的真空封装结构制作方法，其特征在于所述步骤10)中的低温键合包括铝锗键合、金硅键合或金锡键合。
7.—种MEMS器件的真空封装结构，其特征在于，至少包括下基板，其上表面具有实现所述真空封装结构内外电连接的引线；半导体层，位于所述下基板上表面，包括与所述引线一端相连接且用以制作所述MEMS器件的结构区域、与所述引线另一端相连接的孤岛、位于所述孤岛周侧并将该孤岛从所述半导体层隔离出来的贯穿所述半导体层的环形隔离槽、以及位于所述结构区域与孤岛之间的第一凹槽，且所述环形隔离槽的一边位于所述第一凹槽中；焊盘，形成在所述孤岛上；绝缘层，所述绝缘层位于除所述焊盘所在区域和结构区域以外的所述半导体层表面上；密封环，位于所述绝缘层表面上，其内侧对应的半导体层包括所述结构区域，且所述密封环的一边途经所述孤岛的绝缘层表面使所述焊盘位于所述密封环外侧；隔离槽保护环，所述隔离槽保护环与所述环形隔离槽相对应，位于所述密封环外侧的绝缘层之上，且与所述密封环相交；上基板，通过对应所述密封环和隔离槽保护环的键合材料区域分别与所述密封环和隔离槽保护环相连，具有露出所述焊盘的窗口。
8.根据权利要求7所述的MEMS器件的真空封装结构，其特征在于所述结构区域处的MEMS器件为微型加速度传感器时，所述引线为呈一字排列的两条引线；所述环形隔离槽为两个且分别位于所述结构区域的两侧；所述结构区域包括位于所述结构区域边缘的分别与所述二引线相连接的两个锚点、通过所述锚点与下基板相连的固定梳齿、以及藉由四个弹性梁连接所述下基板和具有可动梳齿的可动质量块；所述上基板包括对应所述结构区域的第三凹槽。
9.根据权利要求7所述的MEMS器件的真空封装结构，其特征在于所述下基板还包括用以实现所述MEMS器件的封装结构内外的电连接的下电极。
全文摘要
本发明提供一种MEMS器件的真空封装结构及其制作方法，通过在半导体层上刻蚀环形隔离槽将孤岛从所述半导体层中隔离出来，且使孤岛从密封环内延伸到密封环外，并通过半导体层与下基板键合，实现从孤岛上的焊盘、孤岛、下基板引线直至所述MEMS器件的结构区域的内外电连接，最后真空键合上基板并开窗口露出焊盘以完成真空封装。为保证MEMS器件真空封装结构的气密性，环形隔离槽上方的绝缘层、及位于绝缘层上方的隔离槽保护环和密封环起到了至关重要的作用。本发明工艺简单、成本低且真空封装结构体积小，与CMOS工艺的完全兼容使其有较好的扩展性和较广的使用范围。
文档编号B81C1/00GK102556956SQ20121006019
公开日2012年7月11日 申请日期2012年3月8日 优先权日2012年3月8日
发明者刘文俊, 宓斌玮, 焦继伟, 王敏昌, 颜培力 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所