一种晶圆级压电振动能量收集器真空封装结构的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于可再生资源领域，涉及到将振动能转换为电能的微能源技术，尤其是一种晶圆级压电振动能量收集器真空封装结构的制作方法，属于基于MEMS技术的微能源技术领域。
【背景技术】
[0002]压电振动能量收集器是利用材料的压电效应将环境中大量存在的振动能转换为电能的器件，与当前的MEMS技术结合，使其不仅具有体积小、寿命长、易集成等优点，在重量、寿命、能量密度、补给速度、可靠性、成本等方面均具有显著优势，是目前解决无线传感网络节点供能问题的有效途径，也是当今国际微能源领域研究的热点之一。
[0003]尽管基于MEMS技术的压电振动能量收集器已经取得了一定的成果，但由于其频带宽度窄和能量密度低的限制，大大影响了压电振动能量收集器的推广和应用。为解决上述问题，许多研究机构着力发展MEMS晶圆级真空封装技术和频带拓展技术。
【发明内容】
[0004]鉴于此，本发明提供一种一种晶圆级压电振动能量收集器真空封装结构的制作方法，该方法实现MEMS振动能量收集器的圆晶级真空封装，在提高其能力输出密度的同时，也可拓宽其频带宽度。
[0005]本发明的目的是通过以下技术方案实现的，一种晶圆级压电振动能量收集器真空封装结构的制作方法，所述晶圆级压电振动能量收集器真空封装结构包括第一晶圆、第二晶圆和第三晶圆，三者通过共晶键合方式连接成一体，形成真空腔室;所述第二晶圆设置于第一晶圆与第三晶圆之间，所述第二晶圆包括固定架、悬臂梁、质量块、上电极和下电极，其特征在于:该方法包括以下步骤:
[0006]S1.第二晶圆制作:
[0007]Sll.以SOI基片作为基底材料，双面分别生长顶层S12层和底层S12层，SOI基片包括顶层Si层、中间夹层Si02层和底层Si层；
[0008]S12.在顶层Si02层上生长下电极层并图形化，下电极层为Mo层；
[0009]S13.在下电极层上生长压电层并图形化，压电层材料AlN;
[0010]S14.在压电层上生长上电极层并图形化，上电极层为Al层；
[0011]S15.在上电极层上生长Ge层并图形化；
[0012]S16.1CP刻蚀功能层Si至夹层S12层;通过步骤Sll?S16形成第二晶圆；
[0013]S2.第一晶圆和第三晶圆作制；
[0014]S21.分别在硅层上依次生长S12层及Al层并图形化，ICP刻蚀至要求深度形成浅腔；
[0015]S3.第一晶圆和第二晶圆进行共晶键合；
[0016]S4.第二晶圆背面生长Al层并图形化，ICP刻蚀第二晶圆的底层Si层，形成质量块图形，RIE去除底层S12层；
[0017]S5.第三晶圆和第二晶圆进行共晶键合，最终形成晶圆级压电振动能量收集器真空封装结构。
[0018]由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点:
[0019]1.本发明提出的晶圆级压电振动能量收集器真空封装结构的制作方法，通过特定的结构设计，避免采用TSV及TGV等复杂方法，实现能量收集器的真空封装；
[0020]2.本发明提出的晶圆级MEMS压电振动能量收集器的封装结构和封装方法，主要是利用铝(Al)、锗(Ge)等金属作为共晶键合层，因此成本低、易实现等优点；
[0021]3.本发明所提出的晶圆级压电振动能量收集器真空封装结构的制作方法，在实现能量收集器真空封装的同时，也可通过特定的结构，对第二晶圆的悬臂梁结构进行限幅，在增加其能量输出密度的同时，实现能量收集器的频带宽度的拓展;压电材料可采用与集成电路兼容的氮化铝压电薄膜材料或者其他压电薄膜材料；
[0022]4.本发明提出的晶圆级压电振动能量收集器真空封装结构的制作方法，可广泛用于其他内部具有可动结构或部件，只有在真空环境下才能获得良好的工作性能的MEMS器件，如微加速度计、微陀螺仪等。
[0023]由此可见，本发明提出的晶圆级压电振动能量收集器真空封装结构的制作方法，具有较高的研究价值和广阔的市场应用前景。
【附图说明】
[0024]为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中:
[0025]图1为晶圆级压电振动能量收集器真空封装结构的结构图；
[0026]图2为晶圆级压电振动能量收集器真空封装结构的三视图；
[0027]图3为晶圆级压电振动能量收集器真空封装结构的制作方法流程图。
【具体实施方式】
[0028]以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述;应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
[0029]本发明的晶圆级压电振动能量收集器真空封装结构的制作方法，以SOI基片为衬底材料，通过MEMS技术实现器件的制备。如图1、2所示，晶圆级压电振动能量收集器真空封装结构主要包括:第一晶圆1、第二晶圆2和第三晶圆3，三者通过共晶键合方式连接成一体，形成真空腔室;所述第二晶圆设置于第一晶圆与第三晶圆之间，其中，第一晶圆和第三晶圆作为顶层和底层的盖帽使用；第二晶圆作为压电能量收集器的核心部件，主要由悬臂梁5、质量块4、电极6(上电极和下电极)等构成。
[0030]如图3所示，晶圆级压电振动能量收集器真空封装结构的制作方法，【具体实施方式】如下所述:
[0031]制作第二晶圆:
[0032](I)采用总厚度为500um的SOI基片作为基底材料，顶层Si层7(功能层)厚度为50-70um，底层Si层9(结构层)厚度为450um，中间夹层S12层8厚度约为lum，如图3a所示；
[0033](2)双面热氧化生长300nm厚的S12层(顶层S12层10和底层S12层11)，如图3b所示；
[0034](3)磁控溅射生长下电极Mo层12，其厚度为200nm，图形化后如图3c所示；
[0035](4)生长压电材料AlN层13，其厚度约为1200-1500nm，图形化后如图3d所示；
[0036](5)长上电极Al层14，其厚度约为800-1000nm，图形化后如图3e所示；
[0037](6)磁控溅射生长Ge层15，其厚度为200nm，图形化后如图3f所示；
[0038](7)ICP刻蚀功能层Si至夹层S12层，如图3g所示；
[0039]第一晶圆和第三晶圆具有相同的结构，具体制作方式如下:
[0040](8)分别在Si层16上依次生长S12层17及Al层18，并图形化，ICP刻蚀至要求深度，如图3h所示；
[0041 ] (9)第一晶圆和第一■晶圆进彳丁共晶键合，如图3i所不；
[0042](10)第二晶圆背面生长Al层并图形化，ICP刻蚀第二晶圆结构层Si，形成质量块图形，RIE去除SOI夹层S12，如图3 j所示；
[0043](11)第二晶圆和第二晶圆进行共晶键合，如图3k所不。
[0044]MEMS晶圆级真空封装技术是基于MEMS技术，以娃圆片为单元进行圆片级的真空封装，之后进行划片工序，实现单个MEMS器件的真空封装，提高其能量输出密度。与传统封装相比，具有低成本、高效率等优点，另外还可提高单个MEMS器件的成品率和可靠性。
[0045]以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
【主权项】
1.一种晶圆级压电振动能量收集器真空封装结构的制作方法，所述晶圆级压电振动能量收集器真空封装结构包括第一晶圆、第二晶圆和第三晶圆，三者通过共晶键合方式连接成一体，形成真空腔室;所述第二晶圆设置于第一晶圆与第三晶圆之间，所述第二晶圆包括固定架、悬臂梁、质量块、上电极和下电极，其特征在于:该方法包括以下步骤: 51.第二晶圆制作: SI 1.以SOI基片作为基底材料，双面分别生长顶层S12层和底层S12层，SOI基片包括顶层Si层、中间夹层Si02层和底层Si层； 512.在顶层S12层上生长下电极层并图形化； 513.在下电极层上生长压电层并图形化； 514.在压电层上生长上电极层并图形化； 515.在上电极层上生长Ge层并图形化； 516.1CP刻蚀功能层Si至夹层S12层;通过步骤Sll?S16形成第二晶圆； 52.第一晶圆和第三晶圆作制； S21.分别在硅层上依次生长S12层及Al层并图形化，ICP刻蚀至要求深度形成浅腔； 53.第一晶圆和第二晶圆进行共晶键合； 54.第二晶圆背面生长Al层并图形化，ICP刻蚀第二晶圆的底层Si层，形成质量块图形，RIE去除底层S12层； 55.第三晶圆和第二晶圆进行共晶键合，最终形成晶圆级压电振动能量收集器真空封装结构。2.根据权利要求1所述的晶圆级压电振动能量收集器真空封装结构的制作方法，其特征在于:所述下电极Mo层的厚度为200nm。3.根据权利要求1所述的晶圆级压电振动能量收集器真空封装结构的制作方法，其特征在于:所述上电极Al层的厚度为800?lOOOnm。4.根据权利要求1所述的晶圆级压电振动能量收集器真空封装结构的制作方法，其特征在于:步骤S15中，所述Ge层的厚度为200nmo
【专利摘要】本发明公开了一种晶圆级压电振动能量收集器真空封装结构的制作方法，该方法包括：以SOI基片作为基底材料，双面生长顶层SiO2层和底层SiO2层；在顶层SiO2层上生长下电极层、压电层、上电极层、Ge层并分别图形化；ICP刻蚀功能层Si至夹层SiO2层；在硅层上依次生长SiO2层及Al层并图形化，ICP刻蚀至要求深度形成浅腔；第一晶圆和第二晶圆进行共晶键合；第二晶圆背面生长Al层并图形化，ICP刻蚀第二晶圆的底层Si层，形成质量块图形，RIE去除底层SiO2层；第三晶圆和第二晶圆进行共晶键合，最终形成晶圆级压电振动能量收集器真空封装结构。本发明以硅圆片为单元进行圆片级的真空封装，实现单个MEMS器件的真空封装，可在拓宽器件频谱的同时，提高其能量输出密度。
【IPC分类】B81C1/00
【公开号】CN105621350
【申请号】CN201610186003
【发明人】尚正国, 李东玲, 佘引
【申请人】重庆大学
【公开日】2016年6月1日
【申请日】2016年3月29日