MEMS传感器结构的制作方法

mems传感器结构
技术领域
1.本技术涉及mems传感领域，具体涉及mems传感器结构。


背景技术：

2.随着物联网技术的发展，人们生活质量的提升，mems传感器结构的应用前景越来越广泛，其集成封装主要通过将mems芯片、热电堆芯片或滤波器等半导体芯片与其他功能器件或cmos电路集成封装起来，使得形成的传感器具有尺寸小、重量轻、无需致冷、灵敏度高等优点，在安全监视、医学治疗、生命探测和消费产品等方面有广泛应用，并且其发展也更为迅速。
3.在装配mems传感器结构时，要在检测芯片上下表面装配盖帽和底座，在装配过程中的失误很容易导致mems传感器结构在检测时出现工作误差，甚至造成所述mems传感器结构毁损，影响最终所述mems传感器结构的良率。


技术实现要素：

4.鉴于此，本技术提供一种mems传感器结构，能够降低所述mems传感器结构的工作误差出现的几率，并提升所述传mems传感器结构的良率。
5.本技术提供的一种mems传感器结构，包括：第一晶圆，用于形成功能器件，所述功能器件至少包括mems传感器，且所述第一晶圆上形成有贯穿所述第一晶圆上下表面的空腔，所述mems传感器位于所述空腔内，且所述空腔为一刻蚀空腔，由刻蚀剂刻蚀所述第一晶圆形成；第二晶圆，通过金属柱键合至所述第一晶圆的上表面，所述第二晶圆的中心区域与所述空腔相对，且所述空腔在所述第一晶圆、第二晶圆键合后形成；所述中心区域设置有第一凹槽，所述第一凹槽的开口与所述第一晶圆相对，并与所述空腔连通；所述第二晶圆与所述空腔相对的区域内设置有阻挡层，用于阻挡所述刻蚀剂对所述第二晶圆表面的刻蚀。
6.可选的，所述阻挡层的厚度大于或等于10nm。
7.可选的，所述阻挡层包括氧化硅层，所述氧化硅层的厚度大于或等于200nm。
8.可选的，所述阻挡层至少分布于所述第一凹槽的底表面和侧壁表面。
9.可选的，所述第二晶圆表面还形成有第二凹槽，所述第二凹槽的开口与所述第一晶圆相对，呈环形，环绕所述中心区域设置，至少部分所述金属柱位于所述第二凹槽内；所述金属柱包括第一金属柱和第二金属柱，其中所述第一金属柱设置于所述第一晶圆的上表面，所述第二金属柱设置于所述第二晶圆表面，并与所述第一金属柱一一对应设置，至少存在部分第二金属柱位于所述第二凹槽内，所述第一金属柱与对应的所述第二金属柱熔融键合，从而实现所述第一晶圆、第二晶圆的键合。
10.可选的，所述阻挡层分布于所述第二凹槽的底表面和侧壁表面，并且在形成所述第二金属柱前，将所述阻挡层形成到所述第二凹槽的底表面和侧壁表面。
11.可选的，所述第一晶圆的下表面设置有第三金属柱，所述mems传感器结构还包括：第三晶圆，表面上设置有第四金属柱，所述第四金属柱与所述第三金属柱一一对应设置，且
所述第三金属柱与对应的第四金属柱熔融键合，从而将所述第三晶圆键合至所述第一晶圆的下表面。
12.可选的，所述第三晶圆表面形成有第三凹槽，所述第三凹槽的开口朝向所述第一晶圆的下表面，且所述第四金属柱至少部分位于所述第三凹槽内。
13.可选的，所述第三金属柱和所述第四金属柱的接触面积大于或等于所述第一金属柱与第二金属柱的接触面积。
14.可选的，所述第三金属柱和所述第四金属柱的接触面积为所述第一晶圆面积的10％到30％。
15.可选的，所述第一晶圆还设置有电性引出端，位于所述第一晶圆的上表面，且所述电性引出端暴露于所述第二晶圆。
16.可选的，所述第二晶圆不与所述第一晶圆相对的一侧表面设置有增透膜。
17.本技术的mems传感器结构在其第二晶圆被所述空腔暴露的区域形成有阻挡层，该阻挡层能够有效降低所述第二晶圆在形成所述空腔的过程中发生刻蚀损耗的几率，从而能够降低mems传感器结构的光学特性发生变化的几率，有效减少所述mems传感器结构的工作误差，有效提高最终出产的mems传感器结构的良率。
附图说明
18.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1为本技术的一实施例中所述mems传感器结构的结构示意图。
20.图2为本技术的一实施例中所述mems传感器结构的结构示意图。
21.图3为本技术的一实施例中所述mems传感器结构的结构示意图。
22.图4为本技术的一实施例中所述mems传感器结构的结构示意图。
23.图5为本技术的一实施例中所述mems传感器结构的结构示意图。
24.图6为本技术的一实施例中进行了划片操作后获得的mems传感器结构的结构示意图。
具体实施方式
25.研究发现，现有技术中所述mems传感器结构容易出现工作误差的原因在于，现有技术中装配mems传感器结构时，出于提高第一晶圆的功能器件的良率的需要，或者制程的需要，需要在将所述检测器件所在的第一晶圆装配到第二晶圆后，刻蚀所述第一晶圆以形成空腔。这时，刻蚀气体或刻蚀液体非常容易对所述第一晶圆上耦合的第二晶圆造成影响，使所述第二晶圆朝向所述第一晶圆的一侧表面也被刻蚀，影响最后封装形成的mems传感器结构的光学特性，如红外光透过率等，引起所述mems传感器结构的工作误差。例如，第二晶圆朝向所述第一晶圆的一侧表面设置的两个金属柱之间的区域会发生不被期望的刻蚀，导致红外图像中出现不被期望的图案。
26.为了克服上述问题，以下提出了一种mems传感器结构。
27.以下结合附图和具体实施例对本实用新型的mems传感器结作进一步详细说明。根据下面的说明和附图，本实用新型的优点和特征将更清楚，然而，需说明的是，本实用新型技术方案的构思可按照多种不同的形式实施，并不局限于在此阐述的特定实施例。附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本实用新型实施例的目的。
28.在说明书和权利要求书中的术语“第一”“第二”等用于在类似要素之间进行区分，且未必是用于描述特定次序或时间顺序。要理解，在适当情况下，如此使用的这些术语可替换，例如可使得本文所述的本实用新型实施例能够以不同于本文所述的或所示的其他顺序来操作。类似的，如果本文所述的方法包括一系列步骤，且本文所呈现的这些步骤的顺序并非必须是可执行这些步骤的唯一顺序，且一些所述的步骤可被省略和/或一些本文未描述的其他步骤可被添加到该方法。若某附图中的构件与其他附图中的构件相同，虽然在所有附图中都可轻易辨认出这些构件，但为了使附图的说明更为清楚，本说明书不会将所有相同构件的标号标于每一图中。
29.请参阅图1，为本技术一实施例中mems传感器结构的结构示意图。
30.在该实施例中，所述mems传感器结构包括：第一晶圆101，用于形成功能器件，所述功能器件至少包括mems传感器200，且所述第一晶圆101上形成有贯穿所述第一晶圆101上下表面的空腔103，所述mems传感器200位于所述空腔103内，所述空腔103为一刻蚀空腔，由刻蚀剂刻蚀所述第一晶圆101形成；第二晶圆102，通过金属柱600键合至所述第一晶圆101上表面，且所述第二晶圆102的中心区域与所述空腔103相对，且所述空腔103在所述第一晶圆101、第二晶圆102键合后形成；所述中心区域设置有第一凹槽400，所述第一凹槽400的开口与所述第一晶圆101相对，并与所述空腔103连通；所述第二晶圆102与所述空腔103相对的区域内设置有阻挡层120，所述阻挡层120用于阻挡所述刻蚀剂对所述第二晶圆102表面的刻蚀。
31.在该实施例中，所述mems传感器结构的第二晶圆102表面所述空腔103暴露的区域形成有阻挡层120，该阻挡层120能够有效降低所述第二晶圆102在形成所述空腔103的过程中发生刻蚀损耗的几率，从而能够降低mems传感器结构的器件结构发生变化的几率，从而有效降低所述mems传感器结构出现工作误差的几率，并能够提高最终出产的mems传感器结构的良率。
32.在一些实施例中，所述第一晶圆101包括衬底101a和功能子层101b，功能器件依托于所述衬底101a和功能子层101b形成。
33.在一些实施例中，所述衬底101a的材料包括半导体材料，如硅(si)、锗(ge)、锗硅(sige)、碳硅(sic)、碳锗硅(sigec)、砷化铟(inas)、砷化镓(gaas)、磷化铟(inp)或者其它iii/v化合物半导体，还可以为双面抛光硅片(double side polished wafers，dsp)，也可为氧化铝等的陶瓷基底、石英或玻璃基底等。
34.在本实施例中，所述功能器件包括阵列的热电堆结构，热电堆结构包括多个热电偶对，热电偶对包括相互串联的两种不同材料，两种材料可以叠置或并列设置，此外，两种材料可以分别为多晶硅和铝；或者，两种材料可以分别为多晶硅和铜；或者，两种材料可以为两种不同掺杂程度的多晶硅。在其他实施例中，所述功能器件还可以包括滤波器结构、热敏电阻、光敏电阻等。
35.所述第二晶圆102的材料包括半导体材料，如硅(si)、锗(ge)、锗硅(sige)、碳硅(sic)、碳锗硅(sigec)、砷化铟(inas)、砷化镓(gaas)、磷化铟(inp)或者其它iii/v化合物半导体，还可以为双面抛光硅片(double side polished wafers，dsp)，也可为氧化铝等的陶瓷基底、石英或玻璃基底等。
36.在本实施例中，所述第二晶圆102的材料为半导体材料，能够透过红外线，进行与红外线相关的检测。其他实施例中，第二晶圆102的材料还可以是光学材料，如玻璃、滤光片，透镜等，或聚合物材料，如干膜、塑封料等。
37.所述阻挡层120包括氧化硅层，在其他的实施例中，所述阻挡层120也可以是其他能够阻挡刻蚀的材料，并且具有较好的红外线透过率。
38.在刻蚀所述第二晶圆102形成空腔103时，刻蚀剂包括刻蚀气体或刻蚀液体，所述刻蚀剂对所述第二晶圆102的刻蚀速度与以及对所述阻挡层120的刻蚀速度的刻蚀速率比大于100，因此，在完成对第二晶圆102的刻蚀后，所述阻挡层120的被刻蚀量很小，可以忽略不计。
39.需要注意的是，选用某种材料作为所述阻挡层120后，需要根据这种材料阻挡刻蚀的性能规划该阻挡层120的厚度。研究发现，在所述阻挡层120为氧化硅层时，所述氧化硅层的厚度至少是即对应至200nm，以起到较好的刻蚀阻挡作用，且在该厚度下，所述氧化物层也不会对红外线的传播造成影响。
40.研究发现，采用200nm的氧化硅层作为所述阻挡层120后，在对所述第一晶圆101进行空腔103刻蚀时，刻蚀将会停在所述空腔103暴露的氧化硅层上，并且，仿真显示，该mems传感器结构经过刻蚀后，对红外透过率影响小于3％，红外线的入射光路不发生变化。
41.在一些实施例中，不管选用哪种材料作为所述阻挡层120，所述阻挡层120的厚度大于或等于10nm。
42.在图1所示的实施例中，所述阻挡层120形成到所述第二晶圆102的整个第一表面。这样可以减小所述阻挡层120的制备难度，无需进行额外的图形化操作。
43.在图1所示的实施例中，所述阻挡层120至少分布于所述第一凹槽400的底表面和侧壁表面。所述第一凹槽400的开口与所述第一晶圆相对，并与所述空腔连通，刻蚀形成所述空腔时，刻蚀气体、刻蚀液体等会直接对所述第一凹槽400造成影响，因此，所述阻挡层120至少分布于所述第一凹槽400的底表面和侧壁表面。
44.因此，在制备形成所述第一凹槽400后，再制备形成所述阻挡层120。
45.在一些实施例中，所述第二晶圆102表面还形成有第二凹槽300，所述第二凹槽300的开口与所述第一晶圆101相对，呈环形，环绕所述中心区域设置，至少部分所述金属柱600位于所述第二凹槽300内。
46.在图3所示的实施例中，所述阻挡层120分布于所述第二凹槽的底表面和侧壁表面，并且在形成所述第二金属柱前，将所述阻挡层120形成到所述第二凹槽的底表面和侧壁表面。在这些实施例中，即使所述第二凹槽300与所述空腔103贯通，所述第二凹槽300被刻蚀气体、刻蚀液体影响的几率仍然较低。
47.所述第二凹槽还可以用于后续放置金属环等，以便在第一晶圆101与所述第二晶圆102之间形成空腔环境，实现隔热等。本领域的技术人员可以毫无意义的获知这些凹槽用作零层标记(zero mark)、密封环(sealing ring)以及耦合环(bonding ring)等时的结构
特点，并能根据这些结构进行相应的规划。
48.实际上，也可在所述第二晶圆102表面规划形成其他凹槽结构，并不以所述第二凹槽为限制。
49.在一些实施例中，所述第二晶圆102表面的凹槽等结构的侧壁和底表面覆盖有所述阻挡层120，在形成凹槽等结构后，再形成所述阻挡层120。这样，即使基于所述凹槽形成的空腔环境与所述第一晶圆101的空腔103连通，也可以由所述阻挡层120阻挡刻蚀气体、刻蚀液体等对所述凹槽的影响。
50.所述金属柱600包括第一金属柱104和第二金属柱105，其中所述第一金属柱104设置于所述第一晶圆101的上表面，所述第二金属柱设置于所述第二晶圆102表面，并与所述第一金属柱104一一对应设置，至少存在部分第二金属柱105位于所述第二凹槽300内，所述第一金属柱104与对应的所述第二金属柱105熔融键合，从而实现所述第一晶圆101、第二晶圆102的键合。
51.所述第二金属柱105还可设置到所述第二晶圆102表面的其他位置，只要设置在所述第二晶圆102与所述第一晶圆101相对的一侧表面，即可帮助实现第一晶圆101和第二晶圆102的键合。
52.在图2所示的实施例中，所述第二凹槽300内没有所述阻挡层120的分布，所述第二金属柱105直接形成在所述第二晶圆102的表面。所述阻挡层120仅形成在与所述空腔103相对的区域内，可以节省所述阻挡层120的用量，并且，所述阻挡层120对所述第二晶圆102被所述空腔103直接暴露的区域进行了防护，具有较好的防护效果。
53.实际上，可以根据具体的需要，确定是否在所述第二晶圆102的表面的凹槽内设置所述阻挡层120。
54.在一些实施例中，先将所述第一金属柱104与第二金属柱105键合，之后再对所述第一晶圆101的下表面进行减薄，并在减薄后再在所述第一晶圆101的下表面进行其他的操作。在一些优选的方案中，还可以在熔融粘接位于晶圆的边缘位置的金属柱600时，在这些边缘位置填涂胶水，从而粘接所述第一晶圆101所在的晶圆以及所述第二晶圆102所在的晶圆，防止减薄过程中所述第一晶圆101发生剥落(peeling)。
55.在图1、图2所示的实施例中，所述空腔103正对所述第一凹槽400，并与所述第一凹槽400连通，且所述空腔103在所述第二晶圆102表面的投影位于所述第一凹槽400的底面内。
56.在图1所示的实施例中，所述第一凹槽400的底表面和侧壁表面形成有所述阻挡层120。此时，在刻蚀形成所述空腔103时，即使空腔103连通至所述第一凹槽400，也可以避免对所述第一凹槽400的毁损。并且，即使空腔103的投影面积小于底面的面积，也无法避免刻蚀所述空腔103时刻蚀液对所述第一凹槽400内其他区域的影响，因此，通过设置满铺在所述第一凹槽400的底表面和侧壁表面的阻挡层120，可以有效降低第二晶圆102表面的毁损几率。
57.在图2所示的实施例中，所述第一凹槽400与所述空腔103正对的区域铺设有所述阻挡层120，其他区域没有设置有所述阻挡层120。这样可以节省所述阻挡层120的用量，并且，所述阻挡层120对所述第二晶圆102被所述空腔103直接暴露的区域进行了防护，也具有较佳的防护效果。
58.在其他的实施例中，所述第一凹槽400位于所述中间区域，与所述空腔103连通，但并不正对于所述空腔103。
59.请参阅图3，为一实施例中所述mems传感器结构的结构示意图。
60.在该实施例中，所述第一晶圆101的下表面设置有第三金属柱109，所述mems传感器结构还包括：第三晶圆106，表面上设置有第四金属柱107，所述第四金属柱107与所述第三金属柱109一一对应设置，且所述第三金属柱109与对应的第四金属柱107熔融键合，从而将所述第三晶圆106键合至所述第一晶圆101的下表面。
61.所述第三晶圆表面形成有第三凹槽500，所述第三凹槽500的开口朝向所述第一晶圆101的下表面，且所述第四金属柱至少部分位于所述第三凹槽500内。
62.在一些实施例中，第一晶圆101与第二晶圆102，以及第一晶圆101与第三晶圆的金属柱600的键合位置相同，以免耦合时因应力作用造成裂片。
63.由于在制备所述传感器封装的过程中，先将所述第一晶圆101与所述第二晶圆102键合，再将所述第一晶圆101与所述第三晶圆106键合，因此，键合所述第三晶圆106与第一晶圆101时，第一晶圆101第二次受到金属键键合的应力，易发生破碎，因此，将所述第三金属柱109和所述第四金属柱107的接触面积设置成大于或等于所述第一金属柱104与第二金属柱105的接触面积，以分散第一晶圆101在第二次键合时受到的应力，降低所述第一晶圆101发生破碎的几率。
64.实际上，在其他的实施例中，若在制备所述传感器封装的过程中，先键合所述第一晶圆101与所述第三晶圆106，再键合所述第一晶圆101与所述第二晶圆102，则可以将所述第一金属柱104与第二金属柱105的接触面积设置成大于或等于所述第三金属柱109与第四金属柱107的接触面积，从而降低第二次键合时产生的应力对所述第一晶圆101的影响。
65.实际上，也可如图4所示，对所述第三金属柱109与对应的第四金属柱107熔融结合后的接触面积的大小不做要求。
66.在该实施例中，通过规划所述第一面积的大小，可以有效的降低所述第一晶圆101装配到所述第三晶圆106时，因金属柱600的相互作用产生的应力导致的各个层板发生断裂(crack)的可能性。
67.在一些实施例中，所述第一面积为第一晶圆101面积的10％到30％，从而具有较佳的防裂效果。
68.在一些实施例中，由于所述第一晶圆101、第三晶圆分别位于两个整片的大尺寸晶圆上，需要后续划片(dicing)来分离出单颗的晶圆，且在键合所述第一晶圆101与第二晶圆102后再进行划片，因此位于这些边缘区域的第四金属柱107的尺寸可以设置成小于中间区域的第四金属柱107的尺寸，以减小金属用量，此处如图3所示。
69.实际上，也可根据需要设置所有第四金属柱107尺寸相同。
70.在一些实施例中，各种金属柱600之间的熔融耦合包括cu-sn耦合。所述金属柱600实际上也可根据规划呈现其他的形态，如金属凸块等。并不以金属柱600为限。
71.请参阅图5，为一实施例中所述mems传感器结构的结构示意图。
72.在该实施例中，所述的第二晶圆102不与所述第一晶圆101相对的一侧表面设置有增透膜130。所述增透膜可以用来增透所需波段的光线，例如红外线等。
73.请参阅图1至图5所示的实施例中，所述第一晶圆101还设置有电性引出端108，所
述电性引出端108暴露于所述第二晶圆102。具体的，请参阅图6，为进行了划片操作后，获得的mems传感器结构的结构示意图。在进行划片操作后，对所述第二晶圆102的形态进行了规划，使得所述电性引出端108能够直接暴露于所述第二晶圆102，以便后续的连接。
74.在该图6所示的实施例中，所述电性引出端108设置在所述第一晶圆101的上表面，所述第二晶圆102被减薄、图形化后，留存的结构可以将所述第一晶圆101上表面设置的电性引出端108暴露出来。实际上，若所述电性引出端108设置在所述第一晶圆101的下表面，也可以通过规划所述第三晶圆106的最终形态，来使所述电性引出端108外露。
75.在一实施例中，所述电性引出端108可以实现所述传感器与其他器件或芯片的电连接。其他的器件或芯片包括包含cmos电路的芯片或器件等。
76.需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于结构实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
77.以上所述仅为本技术的实施例，并非因此限制本技术的专利范围，凡是利用本技术说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，例如各实施例之间技术特征的相互结合，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本技术的专利保护范围内。