具有背侧引脚孔释放和重新密封的微机电系统(MEMS)器件的制作方法

具有背侧引脚孔释放和重新密封的微机电系统(mems)器件


背景技术：

1.微机电系统(mems)器件可用于广泛的应用，例如传感器或致动器。mems器件可以被制造在衬底上。mems器件对垂直应力和横向应力(例如封装引起的应力)很敏感，并且可能会受到从衬底传来的热量的影响。


技术实现要素：

2.在一个示例中，一种器件包括具有第一层和第二层以及在第一层和第二层之间的绝缘体层的衬底。微机电系统(mems)结构设置在第二层的一部分上。沟槽形成在第二层中并且围绕第二层的一部分的外围的至少一部分。底切部形成在绝缘体层中并且与第二层的该部分相邻。底切部将第二层的该部分与第一层分开。第一引脚孔和第二引脚孔从绝缘体层的平面并在第一层中延伸。第一引脚孔和第二引脚孔与底切部和沟槽流体连通。
附图说明
3.图1示出了根据所描述的示例在形成具有用于微机电系统(mems)结构的应力和热隔离的器件的示例阶段中的结构的横截面图。
4.图2示出了根据所描述的示例在形成具有用于mems结构的应力和热隔离的器件的示例阶段中的图1的结构的平面图。
5.图3示出了根据所描述的示例在形成具有用于mems结构的应力和热隔离的器件的另一示例阶段中的结构的横截面图。
6.图4a示出了根据所描述的示例的引脚孔的示例布置。
7.图4b示出了根据所描述的示例的引脚孔的另一示例布置。
8.图5示出了根据所描述的示例在形成具有用于mems结构的应力和热隔离的器件的另一示例阶段中的结构的横截面图。
9.图6示出了根据所描述的示例在形成具有用于mems结构的应力和热隔离的器件的另一示例阶段中的结构的横截面图。
10.图7示出了根据所描述的示例的具有用于mems结构的应力和热隔离的器件。
11.图8示出了根据所描述的示例用于形成具有用于mems结构的应力和热隔离的器件的方法。
12.图9示出了根据所描述的示例的系连件(tether)。
具体实施方式
13.所描述的示例包括具有用于微机电系统(mems)结构的应力和热隔离的器件以及用于形成该器件的方法。在一个示例中，该器件中的mems结构的应力和热隔离通过在绝缘体上硅(soi)衬底上使用背侧引脚孔释放和重新密封来实现。mems结构可以包括例如体声波(baw)谐振器。
14.参考图1和图8，该形成方法包括提供soi衬底110(图8中的s801)。该soi衬底110包
括第一硅层111、在第一硅层111上的绝缘体层112，以及在绝缘体层112的相对表面上的第二硅层113。相应地，绝缘体层112将第一硅层111与第二硅层113隔开。绝缘体层112的材料可以包括例如二氧化硅。soi衬底110包括第一表面114和相对的第二表面115。第一表面114是与第一硅层111的在上面提供绝缘体层112的表面相反的第一硅层111的表面。第二表面115是与第二硅层113的在上面提供绝缘体层112的表面相反的第二硅层113的表面。图1还示出了包括x、y和z的坐标系。x轴和y轴彼此正交并且平行于soi衬底110的平面，例如第一表面114、第二表面115或绝缘体层112。x轴和y轴因此被称为“面内方向”。z轴垂直于x轴和y轴，因此垂直于soi衬底110的平面。因此，z轴被称为“面外方向”。
15.图2是图1的俯视图。参考图1和图2，该形成方法还包括在第二硅层113的第二表面115上形成mems结构120(图8中的s802)以及在第二硅层113中形成沟槽130(图8中的s803)。可以通过图案化和蚀刻以去除第二硅层113中的硅来形成沟槽130。沟槽130可以将第二硅层113的第一部分116与第二硅层113的第二部分117部分地分开。第一部分116和第二部分117通过连接结构118彼此连接。在一个示例中，连接结构118是包括第一部分116和第二部分117之间的硅层的薄部分的桥接件(bridge)。在另一示例中，连接结构118是具有用于应力和热隔离的更复杂结构的系连件。系连件的一个示例是弹簧。系连件可以具有各种柔性，从具有较高弹簧常数的相对刚性到具有较低弹簧常数的更柔性。系连件可以具有耦合到第一部分116和第二部分117中的一个的第一端和耦合到第一部分116和第二部分117中的另一个的第二端。连接结构118的位置可以根据各种应用场景来选择，例如在第二部分117的一侧或多侧上，和/或第二部分117的一个或多个拐角处，和/或任何其他合适的位置。
16.图9示出了根据所描述的示例的系连件。参考图9，系连件910包括多个梁912以及第一端913和第二端914。系连件910可以在第一端913和第二端914之间蜿蜒。在一个示例中，系连件910的梁912占据或限定大致矩形区域917。梁912可以被设定形状和尺寸以在第一端913和第二端914之间蜿蜒，从而根据应用场景具有例如合适的弹簧常数。
17.参考图2，沟槽130围绕其上形成有mems结构120的第二部分117的外围的至少一部分。沟槽130从第二表面115朝向第一表面114延伸。作为一个示例，沟槽130可以沿z轴从第二表面115延伸，并穿透第二硅层113到达绝缘体层112的平面。
18.作为一个示例，第二部分117可以从第一部分116悬挑伸出，其间具有连接结构118，并且沟槽130在第二表面115上的正交投影可以具有c形。图2示出了具有一个连接结构118的示例，但是在其他示例中可以提供任何合适数量的连接结构，例如1个、2个、3个、4个或其他合适的数量。可以根据不同的应用场景选择沟槽的形状。沟槽形状可以包括c形、方括号形、双l形或任何其他合适的形状。对于方括号形，两个沟槽可以被两个连接结构分开，并且两个沟槽在第二表面115上的正交投影可以包括两个方括号。对于双l形，两个沟槽可以被两个连接结构分开，并且两个沟槽在第二表面115上的正交投影可以包括两个l形。
19.参考图3，该形成方法还包括在第一硅层111中形成引脚孔140(图8中的s804)。该引脚孔从第一表面114延伸到绝缘体层112。因此引脚孔140形成在绝缘体层112的与面向mems结构120和第二硅层113的第二部分117的一侧相对的一侧上。引脚孔140可以通过蚀刻来形成。例如，可以进行深反应离子蚀刻(drie)以去除第一硅层111中的硅来形成引脚孔140。每个引脚孔140具有第一端141、第二端142和内侧壁143。内侧壁143可以相对于第一表面114形成角度β。
20.参考图4a，引脚孔140排列成方形阵列。每个引脚孔140的平面内孔尺寸d1是平行于第一表面114和第二表面115的平面内的孔尺寸。在图4a的示例中，引脚孔140在第一表面114上的正交投影是圆形(即，引脚孔在图1所示的x-y平面上的横截面为大致圆形)，因此，平面内孔尺寸d1是圆的直径或引脚孔140的直径。在图4a的示例中，引脚孔形成为阵列并且相邻引脚孔140分开距离d2(间距)。在另一个示例中，相邻引脚孔之间的间距可以在引脚孔的阵列上变化——因此，一些相邻引脚孔可以比其他相邻引脚孔更靠近在一起。
21.例如，每个引脚孔140的直径可以在0.5μm至5μm的范围内。相邻引脚孔之间的距离可以例如在5μm至20μm的范围内。例如，引脚孔的数量可以在25个至2500个引脚孔的范围内。
22.参考图4b，引脚孔140排列成六边形阵列。每个引脚孔140的平面内孔尺寸d1是平行于第一表面114和第二表面115的平面内的孔尺寸。在图4b的示例中，引脚孔140在第一表面114上的正交投影是圆形(即，引脚孔在图1所示的x-y平面上的横截面为大致圆形)，因此，平面内孔尺寸d1是圆的直径或引脚孔140的直径。在图4b的示例中，引脚孔形成为六边形阵列并且相邻引脚孔140分开距离d2(间距)。两个阵列方向b1和b2之间的角度α是120度。在另一个示例中，相邻引脚孔之间的间距可以在引脚孔的阵列上变化——因此，一些相邻引脚孔可以比其他相邻引脚孔更靠近在一起。
23.如上所述，图3中的引脚孔140在图1所示的x-y平面上的横截面是近似圆形的。作为另一示例，引脚孔140在第一表面114上的正交投影可以是椭圆，并且平面内孔尺寸d1可以是椭圆的长轴和短轴的尺寸的平均值——或者d1可以是长轴或短轴尺寸。
24.可以根据实际应用场景选择引脚孔的各种形状和布置。引脚孔140在第一表面114上的正交投影可以包括圆形、椭圆形、正方形、矩形、三角形或其任意组合。例如，引脚孔140的形状可以是圆形横截面并且具有不同的直径(即，一些引脚孔的直径大于其他引脚孔的直径)。引脚孔140的内侧壁143相对于第一表面114的角度β可以具有各种值。内侧壁143的角度β可以是大约90度、小于90度(例如大约70度或80度)，或者具有任何其他合适的值。在一个示例中，内侧壁143的角度β小于90度，并且引脚孔140具有截头圆锥体的形状，例如为部分圆锥体的形状。在另一示例中，内侧壁143的角度β小于90度，并且引脚孔140具有截头棱锥体的形状，例如，部分棱锥体的形状。
25.引脚孔140可以布置成矩形阵列(例如图4a中所示)、六边形阵列(例如图4b中所示)或任何其他合适的引脚孔布置。引脚孔140可以具有随机布置，而无需遵循诸如阵列的排列规则。
26.参考图5，该形成方法还包括在第一硅层111与第二硅层113的第二部分117之间形成底切部150(图8中的s805)。底切部150形成在绝缘体层112中。底切部150可以通过经由引脚孔140引入蚀刻剂以去除绝缘体层112的一部分来形成。蚀刻剂可以包括例如蒸气氟化氢(hf)和/或氢氟酸。
27.底切部150将第二硅层113的第二部分117和mems结构120与第一硅层111分开，并因此增强mems结构120与第一硅层111之间的应力和热隔离。底切部150、引脚孔140和沟槽130被连接并流体连通。第二硅层113的第二部分117与mems结构120通过底切部150和沟槽130与soi衬底110分开，但是可以通过连接结构118连接到第二硅层113的第一部分116(参见图1和图5)。连接结构118可以支撑第二硅层113的第二部分117和mems结构120，并且底切
部150和沟槽130可以通过减少第二硅层113的第二部分117和mems结构之间的接触面积来减少它们由于与soi衬底110接触所产生的应力和热量。
28.底切部150的平面内尺寸l3大于第二硅层113的第二部分117的平面内尺寸l2；并且底切部150将第二硅层113的第二部分117的表面与第一硅层111分开。此外，底切部150可以在绝缘体层112的平面中沿x轴和y轴延伸。
29.通过经由引脚孔140引入蚀刻剂以蚀刻掉绝缘体层112的一部分来形成底切部150，底切部150的形成可以通过引脚孔140来调整，例如，相邻引脚孔140之间的距离和/或引脚孔140的尺寸。例如，由于引脚孔140被布置在底切部150的区域上方，因此与经由例如沟槽130引入蚀刻剂相比，通过经由引脚孔140引入蚀刻剂可以相对均匀地蚀刻对应于底切部150的绝缘体层部分。
30.在第二硅层113的第二部分117(通过蚀刻沟槽130和底切部150)从第一硅层111释放的点处，底切部150从靠近或处于第二硅层113的第二部分117的边缘区域的引脚孔140延伸并延伸到引脚孔140的区域之外的距离l1小于第二硅层113的第二部分117的平面内尺寸l2的一半。因此，l1《(0.5*l2)。
31.例如，距离l1可以与相邻引脚孔140之间的距离d2相同或相似。例如，距离l1可以在大约0.5*d2至d2的范围内。作为另一示例，距离l1等于大约距离l1可以通过引脚孔间距和大小来控制。相邻引脚孔140之间的距离d2可以被选择为小于第二硅层113的第二部分117的平面内尺寸l2，因此距离l1可以小于第二部分117的平面内尺寸l2。例如，相邻引脚孔140之间的距离d2可以被选择为(1/n)*l2，其中n是大于1的正值，例如2、3、4、5、5.3或6.2；因此，距离l1可以等于或小于(1/n)*l2。在更具体的示例中，相邻引脚孔140之间的距离d2可以被选择为(1/10)*l2，并且距离l1可以等于或小于0.1*l2。
32.参考图6，该形成方法还包括形成密封件160以覆盖引脚孔140(图8中的s806)。如图6所示，密封件160形成在引脚孔140的第一端141处。引脚孔140可以例如被图6中的密封件160部分地填充。密封件160可以朝引脚孔140的第二端142延伸。
33.作为一个示例，每个密封件160可以包括层压膜密封件。作为另一个示例，每个密封件160可以包括使用物理气相沉积(pvd)或化学气相沉积(cvd)(例如，等离子体增强化学气相沉积(pecvd))沉积的硅(或其他合适材料)密封件。
34.密封件的沉积可以例如通过成角度的沉积来执行，其中沉积方向c1(如图6中的箭头所指示)相对于soi衬底110的法线c2(即垂直于soi衬底110的线)倾斜一个角度θ。例如，θ可以在0至45度的范围内。密封件160可以包括例如在引脚孔140内部的倾斜表面161。该倾斜表面相对于第一表面114倾斜。通过成角度的沉积，沉积方向朝向引脚孔140的内侧壁143定向。因此，成角度的沉积可以帮助密封引脚孔140的第一端141而无需填满整个引脚孔和底切部150。
35.图1-图6中所示的mems结构被形成在soi衬底110上，该soi衬底110是晶片。因此，多个这样的mems结构和相关联的引脚孔140形成在soi晶片上。图7示出了晶片级封装，其中通过使用键合剂170将盖晶片180附接到soi衬底110(图8中的s807)。键合剂170可以包括有机材料。作为另一示例，键合剂170可以包括无机材料，例如氧化硅。盖晶片180可以包括例如硅层181和诸如氧化硅层的氧化物层182。键合剂170可以通过图案化和蚀刻来形成。通过向键合剂施加热量，盖晶片180被粘附到soi衬底110。
36.可以在形成引脚孔140和底切部150之后或之前执行晶片级封装。例如，盖晶片180可以在形成mems结构120之后且在形成引脚孔140和底切部150之前附接到soi衬底，以便在形成引脚孔140和底切部150的过程中保护mems结构120。可替代地，可以执行引脚孔140、底切部150和引脚孔密封，然后使用盖晶片180进行晶片级封装。
37.在权利要求的范围内，对所描述的实施例进行修改是可能的，并且其他实施例也是可能的。