CN102803125B

CN102803125B - Mems器件

Info

Publication number: CN102803125B
Application number: CN201080027903.9A
Authority: CN
Inventors: 巴特·范维尔岑; 汉斯·范扎德尔霍夫; 格雷亚·乔安娜·阿德里亚娜·玛利亚·费尔海登
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2009-06-25
Filing date: 2010-06-24
Publication date: 2016-02-17
Anticipated expiration: 2030-06-24
Also published as: US20120091561A1; WO2010150224A1; US8872359B2; EP2266919A1; CN102803125A

Abstract

一种制造MEMS器件的方法包括：形成MEMS器件元件(12)。在所述MEMS器件元件周围形成侧壁(20)，并且在所述器件元件上以及在所述侧壁内形成牺牲层(14)。在所述牺牲层上提供封装覆盖层(16)，并且去除所述牺牲层。这种方法向在MEMS器件上设置的帽盖提供附加的侧壁。然后，这些附加的侧壁可以通过不同的工艺沉积到封装覆盖层的顶部部分上，并且可以由不同的材料形成。所述侧壁可以防止牺牲层的回流，并且改善了侧壁的密封性质。

Description

MEMS器件

技术领域

本发明涉及一种MEMS器件，具体地涉及封装器件的形成。

背景技术

MEMS技术逐渐用于集成电路。然而，由于难以提供合适且节约成本的封装，实际上还没有实现许多产品概念。因为MEMS器件由于移动部分而易碎，并且器件性能受到杂质的影响，必须通过封装针对器件的最终使用以及在晶片划片和结合期间(当从其上已经形成器件阵列的衬底上分离出单独器件时)进行保护。

对于MEMS器件和系统封装的高成本存在许多有贡献的因素。三种主要因素是：

-对于具有复杂几何形状的MEMS系统的小于几个毫米尺寸的部分和部件的正确封装和有效装配要求专用工具和夹具。

-高度多样化的MEMS器件和系统使得对于可靠封装的要求从一个产品到另一个产品而显著改变。例如，在许多情况下用于气密密封的真空封装是有必要的。

-MEMS器件和系统中的部分和部件的小尺寸在封装和装配时产生许多独特的问题。

存在多种用于密封MEMS器件的技术：

-使用现成的封装和仔细处理的技术；

-将通常是玻璃或硅的分离帽盖固定到最终MEMS器件部分的顶部上；

-集成晶片级封装(WLP)密封。

现成部件的选择是昂贵且耗时的过程。

使用分离帽盖要求帽盖晶片，所述帽盖晶片典型地包括由玻璃或硅预先制造的腔体。然后使用阳极熔化玻璃结合，因为其后端兼容工艺温度(400℃)优于更高温度(1000℃)下的熔融结合。如果在真空腔室中执行所述结合，可以实现腔体内的真空。这种方法要求晶片结合和倒装芯片对准设备。

集成晶片级方案包括使用标准表面微加工技术制造帽盖。这种方法耗用更少的面积，并且将芯片高度保持为比使用独立制造的帽盖更低。如果密封足够强，可以像普通IC那样进一步地封装所述MEMS芯片，这是低成本的。另外，这允许与CMOS工艺集成的可能性。

在晶片级封装工艺中，使用普通工艺步骤将MEMS结构内置到具有密封外壳的腔体内部。对于大多数MEMS结构，例如谐振器，由于较低的空气阻尼，Q因子在更低压力下增加。这意味着一些应用要求气密密封所述密封外壳以避免Q因子随时间减小。

已知的WLP结构方法使用两个堆叠的层。在图1A至1C中给出了示意性截面图。

所述图示出了衬底10、MEMS器件12和牺牲材料的下部层14。对下部层14构图以在所有侧面延伸超出有源MEMS器件12。上部层16由帽盖材料组成。如图1B所示，沉积上部层16以在所有的侧边处覆盖/密封底部层14。可以对层16构图，用于与层10电接触来操作器件12。

如图1C所示，去除牺牲材料以在MEMS器件周围产生腔体。可选地，在上部层中存在释放孔，以使能牺牲材料的去除，通过第三层密封所述释放孔。示例由以下部分组成：

-聚合物的下部层14；

-氧化硅的上部层16；

-通过如图1C中箭头所示的热降解去除聚合物材料。

这种WLP结构方法的常见问题是对于所使用的材料和工艺设置存在矛盾的限制。对于以上示例，在以下方面存在矛盾限制：

-下部层14的聚合物玻璃化温度(Tg)：低Tg的聚合物将具有回流问题，而高Tg聚合物将难以降解；

-氧化硅沉积温度：在低温度下台阶覆盖较差，而在高温度下聚合物将降解。

发明内容

本发明涉及用于形成MEMS器件封装的改进集成方法。

根据本发明，提出了一种制造MEMS器件的方法，包括：

形成MEMS器件元件；

在所述MEMS器件元件周围形成侧壁；

在所述器件元件上以及在所述侧壁内形成牺牲层；

在所述牺牲层上形成封装覆盖层；

去除所述牺牲层。

该方法为在MEMS器件上设置的帽盖提供了附加的侧壁。然后，这些附加的侧壁可以通过不同的工艺沉积到封装覆盖层的顶部部分上，并且可以由不同的材料形成。所述侧壁可以防止牺牲层的回流，并且改善侧壁的密封性质。

所述牺牲层可以包括热降解聚合物层。所述封装覆盖层对于热降解牺牲层是多孔的。所述封装覆盖层可以包括氧化硅，并且所述热降解层可以包括Unity400或ShipleyXP0733。然而，其他热降解聚合物对于本领域普通技术人员是众所周知的。

可以通过旋涂来沉积所述热降解层。

优选地，所述侧壁由例如氮化硅的密封材料形成，并且通过LPCVD或PECVD形成。非密封固化有机材料可以代替地用于所述侧壁。

侧壁的形成还可以包括在由所述侧壁限定的空间内形成支撑柱。这些侧壁材料的柱可以向顶部帽盖层提供附加的支撑。

本发明也提供了一种封装的MEMS器件，包括：

MEMS器件元件；

所述MEMS器件元件上的腔体，其中所述腔体具有围绕所述腔体的外围的侧壁；以及

设置在所述腔体和所述侧壁上的封装覆盖层。

所述MEMS器件元件可以包括开关、电容器或谐振器。

附图说明

现在将参考附图描述本发明的示例，其中：

图1A-1C示出了已知的晶片级密封工艺；

图2A-2D示出了本发明的晶片级密封工艺的示例，并且作为最终步骤示出了本发明的封装MEMS器件的示例；以及

图3示出了本发明的封装MEMS器件的另一个示例。

具体实施方式

本发明提出了一种制造MEMS器件的方法，其中在MEMS器件元件上形成腔体。所述腔体除了封装覆盖层之外还具有侧壁。

图2示出了本发明的晶片级密封工艺的示例。

图2A示出了在衬底10上形成的MEMS器件元件12。在MEMS器件元件20的周围形成侧壁20。所述侧壁形成于衬底的顶部上，所述衬底承载所述MEMS器件元件。对所述侧壁构图以在所有侧边都包围所述MEMS器件。按照传统方式对所述侧壁构图以定义完全垂直的结构。

这意味着具有独立工艺设置的不同材料的专用层用于腔体侧壁而不是用于腔体顶部表面。这提供了消除许多矛盾限制的解决方案。这些限制起源于腔体侧壁通常由上部层建造的事实。

在一个示例中，所述侧壁由氮化物制成，例如氮化硅。氮化物可以通过LPCVD涂覆。LPCVD氮化物是气密密封材料，具有大于降解聚合物熔化温度的沉积温度。

如图2B所示，在器件元件12上和侧壁内形成牺牲层14。

在优选示例中，牺牲层是诸如Unity400或ShipleyXP0733之类的热降解聚合物(TDP)材料。

ShipleyXP0733是一种可购得的聚甲基丙烯酸甲酯材料，研发用于集成电路内的互连结构中的空气隙。所述材料可以通过旋涂涂覆，并且在约150℃的初始软烘烤之后，其在直至300℃下完全稳定。如果将所述温度增加到350℃以上，直至400℃，所述材料无残留物地分解。

Unity400可购自公司“PromerusElectronicMaterials”，并且再次地不留下任何残留物的热分解。

这些是可以通过旋涂涂覆并且可以平坦化为较高程度的材料的示例。其厚度匹配侧壁的高度。在受限制的侧壁20的外部，通过正常构图去除了所有牺牲材料。

然后继续正常工艺。

这样，如图2C所示，在牺牲层14上形成封装覆盖层16。对这种上部层涂覆并且构图为超出侧壁。因此，按照与图1相同的方式，所述封装覆盖层16向下延伸至衬底，并且从而覆盖且密封了所述侧壁。这意味着侧壁由侧壁和封装覆盖层两者的材料制成。MEMS器件元件上的帽盖只由上部层制成，使得上部层限定了腔体的顶盖。

所述上部层16可以包括氧化硅或者氧碳化硅(SiOC，是天然多孔的)。氧化硅和SiOC的高沉积温度(例如300℃以上直至约400℃的PECVD工艺)将引起聚合物层14的一些回流，但是这种回流受到侧壁20的限制。所述侧壁能够承受氧化硅沉积温度，因为其LPCVD或PECVD氮化物形成。因此，避免了聚合物回流的问题。

然后如图2D所示，通过从多孔氧化硅帽盖层溢出的气体去除牺牲层14。牺牲层的一些残余物仍然残留。

通过从腔体中溢出的降解材料气体去除了牺牲层。可以采用UV辅助固化。可以依赖于MEMS器件的要求将另外的层设置在帽盖层的顶部上，以密封所述腔体。然后将在真空环境中沉积所述密封层。

当要求气密性腔体时，侧壁20具有附加的益处：在晶片上存在牺牲层之前沉积侧壁，并且因此不会限制沉积温度。这具有可以选择良好质量层的益处。较强的侧壁也避免了腔体的倒塌。

牺牲层可以是不同的材料，并且不必通过温度处理来去除。例如，牺牲层可以是通过氧等离子去除的聚合物。

然后可以通过帽盖密封层密封所述刻蚀释放孔。这可以是诸如铝之类的PVD(物理气相沉积)层。在低压下涂覆所述密封层，使得按照所需的低压密封所述腔体。

侧壁沉积可以用于提供如图3所示的附加支撑结构22，例如用于包含多个MEMS器件12的大腔体。

本发明不会更改MEMS器件的制造，并且可以使用任意传统的技术。例如，所述MEMS器件可以是谐振器、电容器或开关。典型地，所述器件具有需要通过封装仔细地保护的可移动部分，例如所述器件可以具有悬置的谐振器块。可以通过使得在约450℃以下的温度执行所有工艺部分来使用CMOS工艺，避免了对已经形成的CMOS器件的损坏。

本发明可以使用具有低流动点温度的材料，而不只是TDP材料。聚合物的使用使得能够采用低应力、采用低成本的沉积工艺和工具、以及低温沉积进行沉积。

通过在牺牲层之前沉积侧壁，侧壁的沉积温度可以高于牺牲层的回流温度。

本发明的一种主要应用是MEMS谐振器。这些谐振器可以用于替代用于定时基准目的的晶体振荡器。

各种修改对于本领域普通技术人员是清楚明白的。

Claims

1.一种制造MEMS器件的方法，包括：

在衬底上形成MEMS器件元件(12)；

在所述MEMS器件元件周围的衬底上由独立工艺形成侧壁(20)；

在所述器件元件上以及在所述侧壁(20)内形成牺牲层(14)；

在所述牺牲层和所述侧壁上形成封装覆盖层(16)直至所述衬底上，所述封装覆盖层(16)从而覆盖且密封所述侧壁(20)的外部和顶部表面；封装覆盖层与侧壁的材料不同；以及

去除所述牺牲层(14)以形成腔体；

其中所述封装覆盖层(16)限定所述腔体的顶盖。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述牺牲层(14)包括热降解层。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述封装覆盖层(16)对于热降解牺牲层(14)是多孔的。

4.根据权利要求2所述的方法，其中所述封装覆盖层(16)包括氧化硅。

5.根据权利要求2、3或4所述的方法，其中所述热降解层(14)包括Unity400或ShipleyXP0733。

6.根据权利要求2所述的方法，其中通过旋涂来沉积所述热降解层(14)。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述侧壁(20)由氧化硅、氮化硅、多晶硅、氧氮化硅或固化有机材料形成。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述侧壁(20)通过LPCVD或PECVD形成。

9.根据权利要求1所述的方法，其中形成侧壁(20)还包括在由所述侧壁(20)限定的空间内形成支撑柱(22)。

10.根据权利要求1所述的方法，其中所述MEMS器件元件(12)包括开关、电容器或谐振器。

11.一种封装的MEMS器件，包括：

衬底上的MEMS器件元件(12)；

所述MEMS器件元件(12)上的腔体，其中所述腔体在衬底上具有围绕所述腔体的外围的侧壁(20)；其中所述侧壁(20)由独立工艺形成；

在所述腔体和所述侧壁(20)上延伸到衬底上的封装覆盖层(16)，封装覆盖层与侧壁的材料不同；从而所述封装覆盖层(16)覆盖所述侧壁的外部和顶部表面，并且密封所述侧壁(20)，并且限定腔体的顶盖，其中封装覆盖层与腔体空间直接接触。

12.根据权利要求11所述的器件，还包括具有热降解聚合物的牺牲层(14)的残留物。

13.根据权利要求12所述的器件，其中所述热降解层(14)包括Unity400或ShipleyXP0733。

14.根据权利要求11或12所述的器件，其中所述封装覆盖层(16)包括氧化硅或SIOC。

15.根据权利要求11至13中任一项所述的器件，其中所述侧壁(20)由氧化硅、氮化硅、多晶硅、氧氮化硅或固化有机材料形成。

16.根据权利要求11所述的器件，其中所述MEMS器件元件(12)包括开关、电容器或谐振器。