CN102275857A - 微机电装置及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种微机电装置及其制造方法，该装置包括微机电器件，所述微机电器件包括：主体和可动电极，所述可动电极通过固定件和所述主体活动连接，所述主体内具有固定电极，所述可动电极可以相对于所述固定电极移动；所述主体中具有凹槽；所述可动电极悬置于所述凹槽内；在凹槽上方和在所述主体上具有第一介质层，所述第一介质层将所述凹槽围成封闭空间，所述可动电极通过所述固定件悬置在所述封闭空间内，在所述凹槽上方的第一介质层中具有通孔，所述通孔内填充有第二介质层，从而可以对微机电器件进行有效的封装。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种微机电装置及其制造方法。
背景技术
MEMS(Microelectromechanical System，微机电系统)技术是指对微米/纳米(micro/nanotechnology)材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术。MEMS是由机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统集成为一个整体单元的微型系统。MEMS通常应用在位置传感器、旋转装置或者惯性传感器中，例如加速度传感器、陀螺仪和声音传感器。
对于MEMS器件由于尺寸非常小，通常在微米量级，此时即便是环境中普通的水分、灰尘等微小颗粒对MEMS器件的影响都可能是致命，因此往往需要将MEMS密封封装，为其稳定工作、高可靠性以及抵抗各种恶劣环境提供保证。但是MEMS器件形成多样，而且其工艺要求高，因此其封装难度大。例如在美圆专利文献“US2010127377A1”也提供了一种MEMS的密封方法。
目前，MEMS密封封装工艺主要有两种，第一种是利用熔融焊接密封封盖，也就是利用熔融焊料直接将封盖与衬底焊接在一起，从而将衬底上的MEMS器件密封，但是这种密封技术需要高温，容易使得MEMS器件或者其周围的控制电路产生不良的热力学效应。另外，熔融焊料流动无法控制，容易造成器件区域的污染。另一类是先进的微加工键合密封封盖技术，也就是利用键合工艺使封盖与衬底牢固结合，实现密封封装，此方法步骤简单，与MEMS器件加工工艺完全兼容，应用范围较广，但是缺点是在电机引线两侧的封盖与衬底键合处无法实现完全密封，会有微小缝隙影响密封性能。
现有的一种MEMS密封封装方法包括：在玻璃片或者硅片上腐蚀出与MEMS器件相匹配的底部开口的微封盖结构，在该微封盖墙体的底端腐蚀出一凹槽；MEMS器件及其电极制备在一衬底上，在上述MEMS器件周围衬底的键合密封区域制备一隔离层，在隔离层上或者微封盖的底端凹槽内设置填充物。将上述微封盖与衬底键合，微封盖的底端凹槽位于隔离层上，形成一填充密封腔；上述填充物位于该填充密封腔内，加热使上述填充物熔融，实现微封盖密封MEMS器件。该方法既可以保留平面引线工艺，利于集成制造，又提高了密封的强度和性能。
但是上述方法需要制造微封盖，并且熔融填充物实现微封盖密封，因此步骤复杂，并且仍然存在MEMS器件或者其周围的控制电路产生不良的热力学效应的可能。
综上所述，现有的MEMS封装技术还非常不成熟，气密封性能还远远不能满足MEMS器件的应用需要。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种微机电装置及其制造方法，可以对微机电器件进行有效的封装。
为了解决上述问题，本发明提供了一种微机电装置一种微机电装置，其包括微机电器件，所述微机电器件包括：主体和可动电极，所述可动电极通过固定件和所述主体活动连接，所述主体内具有固定电极，所述可动电极可以相对于所述固定电极移动；
所述主体中具有凹槽；
所述可动电极悬置于所述凹槽内；
在凹槽上方和在所述主体上具有第一介质层，所述第一介质层将所述凹槽围成封闭空间，所述可动电极通过所述固定件悬置在所述封闭空间内，在所述凹槽上方的第一介质层中具有通孔，所述通孔内填充有第二介质层。
优选的，所述主体包括：衬底；位于衬底上的第一绝缘层；位于第一绝缘层上的第二绝缘层；所述凹槽位于第一绝缘层和第二绝缘层中；所述第一介质层位于所述凹槽上方和所述第二绝缘层上。
优选的，所述可动电极的材料为：铝、钛、铜、钴、镍、钽、铂、银、金或其组合。
优选的，所述第一介质层、第二介质层、第一绝缘层和第二绝缘层的材料为氧化硅、氮化硅、碳化硅、氮氧化硅或碳氮氧化硅及其组合。
优选的，所述第一介质层中的通孔呈阵列排布。
优选的，所述第二介质层的材料为二氧化硅，所述第一介质层中的通孔的孔径为0.2微米～1微米，所述通孔的深宽比为0.3～0.5。
相应的本发明还提供了一种上述的微机电装置的制造方法，包括步骤：
提供微机电器件，所述微机电器件包括：主体和可动电极，所述主体内具有凹槽，所述凹槽底部具有第一牺牲层；所述可动电极位于所述第一牺牲层上，所述可动电极通过固定件和所述主体活动连接；
在所述凹槽中填充第二牺牲层，所述第二牺牲层覆盖所述可动电极；
在所述主体和所述第二牺牲层上形成第一介质层，所述第一介质层对应第二牺牲层的位置具有通孔；
利用所述通孔去除所述第一牺牲层和第二牺牲层；
向所述通孔中填充第二介质层。
优选的，所述微机电器件的形成步骤包括：
提供衬底；
在所述衬底上形成第一绝缘层，所述绝缘层中具有开口，所述开口底部暴露所述衬底；
在所述开口中填充第一牺牲层；
在第一牺牲层上形成可动电极；
在所述第一绝缘层上形成第二绝缘层；
形成连接所述可动电极和第二绝缘层，或者连接所述可动电极和衬底的固定件。
优选的，形成所述第二介质层的方法为化学气相沉积，参数为：反应气体包括SiH4、O2和N2，其中O2和SiH4的流量比为3∶1，总的反应气体流量为5L/min～20L/min，温度为250℃～450℃，常压。
优选的，所述去除第一牺牲层和第二牺牲层的方法为：利用氧气或者氮气的等离子体进行灰化。
与现有技术相比，本发明主要具有以下优点：
本发明通过在微机电器件主体和在可动电极的上方形成第一介质层和第二介质层，其中第二介质层位于第一介质层的通孔内，从而使得第一介质层和第二介质层与主体形成一个密闭的空腔，从而将所述可动电极封闭在该密闭空腔内。由于在微机电器件中容易受到影响的是可动电极，因此本发明通过对可动电极及其工作空间(即密闭空腔)的封装实现了对为微机电器件的有效封装。
附图说明
通过附图中所示的本发明的优选实施例的更具体说明，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
图1是本发明的微机电装置一实施例的结构示意图；
图2是本发明的微机电装置制造方法的流程图；
图3至图6是本发明的微机电装置制造方法的示意图。
具体实施方式
由背景技术可知，传统技术中对微机电器件的封装都存在一定的弊端，例如第一种利用熔融焊接密封封盖，由于需要高温，容易使得MEMS器件或者其周围的控制电路产生不良的热力学效应。另一类先进的微加工键合密封封盖技术，是在电机引线两侧的封盖与衬底键合处无法实现完全密封，会有微小缝隙影响密封性能。本发明的发明人经过大量的实验，得到了一种微机电装置及其制造方法，可以有效的实现对微机电器件的封装。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实现方式做详细的说明。本发明利用示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是实例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
图1是本发明的微机电装置一实施例的结构示意图。如图1所示，所述微机电装置包括主体10和可动电极20。所述可动电极20通过固定件(未图示)和所述主体10活动连接，所述主体10内具有固定电极110。所述可动电极20可以相对于所述固定电极110移动。所述主体10中具有凹槽30，所述可动电极20悬置于所述凹槽30内。在凹槽30上方和在所述主体10上具有第一介质层400，所述第一介质层400将所述凹槽30围成封闭空间。所述可动电极20通过所述固定件(未图示)悬置在所述封闭空间内，在所述凹槽30上方的第一介质层400中具有通孔405，所述通孔405内填充有第二介质层500。所述封闭空间是由第一介质层400和第二介质层500将凹槽30封闭而构成的空间，也是所述可动电极20可以自由活动的工作空间。所述第一介质层400的厚度为0.15微米～0.3微米。
继续参考图1，在一具体实现中，所述主体10包括：衬底100；位于衬底100上的第一绝缘层200；位于第一绝缘层200上的第二绝缘层300；所述凹槽20位于第一绝缘层200和第二绝缘层300中；所述第一介质层400位于所述凹槽30上方和所述第二绝缘层300上。所述第一介质层400、第二介质层500、第一绝缘层200和第二绝缘层300的材料为氧化硅、氮化硅或其组合。
如图1所示，在一具体实现中，所述第一介质层400中的通孔405呈阵列排布。所述第二介质层500的材料为二氧化硅，所述第一介质层400中的通孔405的孔径为0.2微米～1微米，所述通孔的深宽比为0.3～0.5，所述第二介质层500除填充所述通孔405的部分之外，还可以包括位于所述第一介质层400上方紧贴第一介质层400的一层，以及位于所述第一介质层400下方紧贴第一介质层400的一层，从而使得所述封闭空腔的密闭性更好。
所述第一介质层400、第二介质层500、第一绝缘层200和第二绝缘层300的材料为氧化硅、氮化硅、碳化硅、氮氧化硅或碳氮氧化硅及其组合。所述固定电极110的材料可以为：铝、钛、铜、钴、镍、钽、铂、银、金或其组合。所述可动电极20的材料为：铝、钛、铜、钴、镍、钽、铂、银、金或其组合。所述衬底可以为单晶、多晶或非晶结构的硅或硅锗(SiGe)，也可以是绝缘体上硅(SOI)，还可以包括其它的材料，例如锑化铟、碲化铅、砷化铟、磷化铟、砷化镓或锑化镓。在衬底内还可以具有MOS器件。
上述微机电装置根据其包括的微机电器件的用途的不同可以有不同的结构，例如在微机电器件是用于测量加速度的传感器时，所述可动电极20可以通过连接于其外围的固定件与所述第二绝缘层300相连，并且可动电极20可以在所述密闭空间内上下移动，从而在主体10发生移动时，所述可动电极20在惯性的作用下保持不动，从而可以通过测量可动电极20和固定电极110构成的电容器的电容值来测量，主体10移动的加速度。另外如果所述微机电器件是陀螺仪，则所述可动电极20可以通过连接于其中心的旋转轴(即固定件)与所述衬底100相连，并且可动电极20可以在所述密闭空间内绕旋转轴旋转，从而在主体10发生旋转时，所述可动电极20在惯性的作用下保持不动，从而可以通过测量可动电极20和固定电极110构成的电容器的电容值来测量，主体10旋转的角速度。
本发明利用第一介质层400和第二介质层500将可动电极封闭于第一介质层400、第二介质层500和主体10构成的封闭的空间内，从而使得可动电极20可以不受环境影响，具有高可靠性。
图2是本发明的微机电装置制造方法的流程图；图3至图6是本发明的微机电装置制造方法的示意图。下面结合图2至图6对图1所示的上述实施例中的微机电装置的制造方法进行说明。
如图2所示，本发明的微机电装置制造方法包括步骤：
S10，提供微机电器件，所述微机电器件包括：主体和可动电极，所述主体内具有凹槽，所述凹槽底部具有第一牺牲层；可动电极，所述可动电极位于所述第一牺牲层上，所述可动电极通过固定件和所述主体活动连接；
S20，在所述凹槽中填充第二牺牲层，所述第二牺牲层覆盖所述可动电极；
S30，在所述主体和所述第二牺牲层上形成第一介质层，所述第一介质层对应第二牺牲层的位置具有通孔；
S40，利用所述通孔去除所述第一牺牲层和第二牺牲层；
S50，向所述通孔中填充第二介质层。
具体的，结合图3至图6对上述步骤进行详细说明。
首先，进行步骤S10，如图3所示，提供微机电器件，其包括主体10和可动电极20。所述主体10内具有凹槽30，还可以具有固定电极110。所述凹槽30底部具有第一牺牲层202。可动电极20位于所述凹槽30内的第一牺牲层202上。所述可动电极20通过固定件(未图示)和所述主体10活动连接。
在一具体实现中所述步骤S10微机电器件的形成步骤包括：
提供衬底100，所述衬底100可以是单晶、多晶或非晶结构的硅或硅锗(SiGe)，也可以是绝缘体上硅(SOI)，还可以包括其它的材料，例如锑化铟、碲化铅、砷化铟、磷化铟、砷化镓或锑化镓。
然后，在所述衬底100上形成第一绝缘层200，例如具体的可以利用化学气相沉积(CVD)或者物理气相沉积(PVD)的方法。所述第一绝缘层200中具有开口(即对应于凹槽30的位置)，所述开口底部暴露所述衬底100。
然后，在所述开口中填充第一牺牲层202；具体的可以利用化学气相沉积(CVD)或者物理气相沉积(PVD)的方法。所述第一牺牲层202的材料可以为：碳、锗或者聚酰胺(polyamide)。具体的第一牺牲层202可以为非晶碳(Amorphous Carbon)，利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺，在温度为350℃～450℃，气压：1torr～20torr，RF功率：800W～1500W，反应气体包括：C3H6和HE，反应气体流量为1000sccm～3000sccm，其中C3H6∶HE 2∶1～5∶1。
然后，在第一牺牲层202上形成可动电极，，具体的可以利用化学气相淀积(CVD)或物理气相淀积(PVD)，在所述第一牺牲层202和第一绝缘层200上淀积形成导电材料，所述导电材料可以为：铝、钛、铜、钴、镍、钽、铂、银、金或其组合。然后利用化学机械研磨(CMP)和刻蚀的方法去除多余的部分，保留在所述第一牺牲层202中央区域上的部分。
然后，在所述第一绝缘层200上形成第二绝缘层300，例如具体的可以利用化学气相沉积(CVD)或者物理气相沉积(PVD)的方法。然后形成连接所述可动电极20和第二绝缘层300，或者连接所述可动电极20和衬底100的固定件(未图示，不同的应用固定件可以有不同的结构和连接方式，可以参考前述实施例中装置的描述)。
接着，进行步骤S20，如图4所示，在所述第二绝缘层300和凹槽的第一牺牲层202及可动电极20上利用CVD或者PVD的方法形成第二牺牲层302，直到所述凹槽内的第二牺牲层302和第二绝缘层300齐平，然后再利用CMP去除第二绝缘层300上的第二牺牲层302。所述第二牺牲层302的材料可以为：碳、锗或者聚酰胺(polyamide)。具体的第二牺牲层302可以为非晶碳(Amorphous Carbon)，利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺，在温度为350℃～450℃，气压：1torr～20torr，RF功率：800W～1500W，反应气体包括：C3H6和HE，反应气体流量为1000sccm～3000sccm，其中C3H6∶HE 2∶1～5∶1。
接着，进行步骤S30，如图5所示，在第二绝缘层300和第二牺牲层302上利用CVD或者PVD的方法形成第一介质层400，然后在掩膜下进行刻蚀，第二牺牲层302对应的第一介质层400中形成通孔405，所述通孔405可以呈阵列排布，从而可以去除第一牺牲层和第二牺牲层的时候更加均匀，效果更好。例如具体的可以制作具有方形阵列排布的图形的掩膜版，然后利用该掩膜版进行光刻在第一介质层400上形成光掩膜图形，利用所述光掩膜图形掩蔽下进行刻蚀。
接着，进行步骤S40，如图6所示，可以利用清洗或者灰化的方法从所述通孔中去除第一牺牲层202和第二牺牲层302，例如所述灰化方法可以为利用氧气或氮气的等离子体进行灰化。在本实施例中所述第一牺牲层202和第二牺牲层302材质为CVD化学气相沉积工艺所形成的致密活性炭，所述去除材料为氧气，采用加热温度为350℃～450℃，在此温度下，致密活性炭并不会发生剧烈燃烧，而可以被氧化成二氧化碳气体，并通过通孔排出，第一牺牲层和第二牺牲层能够彻底地去除，而器件的其余部分并不会受到影响。
接着，进行步骤S50，如图1所示，可以利用化学气相沉积(CVD)或者物理气相沉积(PVD)的方法，向所述通孔中填充第二介质层405，第二介质层405的材料可以为TEOS、FSG、SiON，Si3N4，SiC等等。以第二介质层405的材料可以为TEOS为例，具体的利用APCVD，反应气体包括SiH4、O2和N2，其中O2和SiH4的流量比为2∶1～5∶1，总的反应气体流量为5L/min～20L/min，温度为250℃～450℃，常压。
本发明通过先将微机电器件的可动电极形成在第一牺牲层和第二牺牲层围成的区域内，然后从顶部利用第一介质层将第一牺牲层、第二牺牲层及可动电极封闭，接着通过在第一介质层中形成通孔，从通孔中去除第一牺牲层和第二牺牲层，最后再将第一介质层的通孔用第二介质层封闭，从而就将可动电极封闭在衬底、第一绝缘层、第二绝缘层、第一介质层及第二介质层围成的一个封闭空腔内，从而实现了对可动电极的封装，在MEMS中最容易受到环境影响的就是可动电极及其活动的空间，因此密封其活动空间，可以有效的保证MEMS的不受环境干扰的稳定工作。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (10)
1.一种微机电装置，其包括微机电器件，所述微机电器件包括：主体和可动电极，所述可动电极通过固定件和所述主体活动连接，所述主体内具有固定电极，所述可动电极可以相对于所述固定电极移动；其特征在于，
所述主体中具有凹槽；
所述可动电极悬置于所述凹槽内；
在凹槽上方和在所述主体上具有第一介质层，所述第一介质层将所述凹槽围成封闭空间，所述可动电极通过所述固定件悬置在所述封闭空间内，在所述凹槽上方的第一介质层中具有通孔，所述通孔内填充有第二介质层。
2.根据权利要求1所述的微机电装置，其特征在于，所述主体包括：衬底；位于衬底上的第一绝缘层；位于第一绝缘层上的第二绝缘层；所述凹槽位于第一绝缘层和第二绝缘层中；所述第一介质层位于所述凹槽上方和所述第二绝缘层上。
3.根据权利要求1所述的微机电装置，其特征在于，所述可动电极的材料为：铝、钛、铜、钴、镍、钽、铂、银、金或其组合。
4.根据权利要求1所述的微机电装置，其特征在于，所述第一介质层、第二介质层、第一绝缘层和第二绝缘层的材料为氧化硅、氮化硅、碳化硅、氮氧化硅或碳氮氧化硅及其组合。
5.根据权利要求1所述的微机电装置，其特征在于，所述第一介质层中的通孔呈阵列排布。
6.根据权利要求5所述的微机电装置，其特征在于，所述第二介质层的材料为二氧化硅，所述第一介质层中的通孔的孔径为0.2微米～1微米，所述通孔的深宽比为0.3～0.5。
7.一种权利要求1至6任意一项所述的微机电装置的制造方法，其特征在于，包括步骤：
提供微机电器件，所述微机电器件包括：主体和可动电极，所述主体内具有凹槽，所述凹槽底部具有第一牺牲层；所述可动电极位于所述第一牺牲层上，所述可动电极通过固定件和所述主体活动连接；
在所述凹槽中填充第二牺牲层，所述第二牺牲层覆盖所述可动电极；
在所述主体和所述第二牺牲层上形成第一介质层，所述第一介质层对应第二牺牲层的位置具有通孔；
利用所述通孔去除所述第一牺牲层和第二牺牲层；
向所述通孔中填充第二介质层。
8.根据权利要求7所述的微机电装置的制造方法，其特征在于，
所述微机电器件的形成步骤包括：
提供衬底；
在所述衬底上形成第一绝缘层，所述绝缘层中具有开口，所述开口底部暴露所述衬底；
在所述开口中填充第一牺牲层；
在第一牺牲层上形成可动电极；
在所述第一绝缘层上形成第二绝缘层；
形成连接所述可动电极和第二绝缘层，或者连接所述可动电极和衬底的固定件。
9.根据权利要求8所述的微机电装置的制造方法，其特征在于，
形成所述第二介质层的方法为化学气相沉积，参数为：反应气体包括SiH4、O2和N2，其中O2和SiH4的流量比为3∶1，总的反应气体流量为5L/min～20L/min，温度为250℃～450℃，常压。
10.根据权利要求9所述的微机电装置的制造方法，其特征在于，所述去除第一牺牲层和第二牺牲层的方法为：利用氧气或者氮气的等离子体进行灰化。
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20201204 Address after: 323000 Room 307, Block B, 268 Shiniu Road, Nanmingshan Street, Liandu District, Lishui City, Zhejiang Province Patentee after: Zhejiang Core Microelectronics Co.,Ltd. Address before: 201203 Shanghai City, Pudong New Area Zhangjiang hi tech park long East Road No. 3000 Building No. 5 room 501B Patentee before: Lexvu Opto Microelectronics Technology (Shanghai) Ltd. |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20230217 Address after: 201203 501b, building 5, No. 3000, Longdong Avenue, Pudong New Area, Shanghai Patentee after: LEXVU OPTO MICROELECTRONICS TECHNOLOGY (SHANGHAI) Ltd. Address before: 323000 room 307, block B, building 1, No.268 Shiniu Road, nanmingshan street, Liandu District, Lishui City, Zhejiang Province Patentee before: Zhejiang Core Microelectronics Co.,Ltd. |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20230525 Address after: 323000 room 307, block B, building 1, No.268 Shiniu Road, nanmingshan street, Liandu District, Lishui City, Zhejiang Province Patentee after: Zhejiang Core Microelectronics Co.,Ltd. Address before: 201203 501b, building 5, No. 3000, Longdong Avenue, Pudong New Area, Shanghai Patentee before: LEXVU OPTO MICROELECTRONICS TECHNOLOGY (SHANGHAI) Ltd. |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Microelectromechanical devices and their manufacturing methods Effective date of registration: 20231202 Granted publication date: 20140416 Pledgee: Lishui Economic Development Zone Sub branch of Bank of China Ltd. Pledgor: Zhejiang Core Microelectronics Co.,Ltd. Registration number: Y2023330002901 |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Granted publication date: 20140416 Pledgee: Lishui Economic Development Zone Sub branch of Bank of China Ltd. Pledgor: Zhejiang Core Microelectronics Co.,Ltd. Registration number: Y2023330002901 |