CN103058123A

CN103058123A - 一种自封装的mems器件及红外传感器

Info

Publication number: CN103058123A
Application number: CN2013100128068A
Authority: CN
Inventors: 赵丹淇; 张大成; 何军; 黄贤; 杨芳; 田大宇; 刘鹏; 王玮; 李婷; 罗葵
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2013-01-14
Filing date: 2013-01-14
Publication date: 2013-04-24
Anticipated expiration: 2033-01-14
Also published as: CN103058123B

Abstract

本发明公开一种基于表面牺牲层工艺制作的自封装的MEMS器件以及及采用该器件结构的红外传感器。该MEMS器件包括基片、衬底保护层、下电极、下电极保护层、结构层、金属层以及封装层，所述结构层和所述金属层位于由所述封装层形成的封装腔室内，所述封装腔室通过在释放MEMS器件结构时利用粘附效应将封装层粘附在下电极保护层上而形成。本发明适用于红外传感器等具有可动结构的MEMS器件，MEMS器件本身和封装一起完成，封装周期短，工艺质量和成品率高，适于批量大规模生产。

Description

一种自封装的MEMS器件及红外传感器

技术领域

本发明属于微电子机械系统（MEMS）加工工艺领域，特别应用在MEMS表面牺牲层工艺领域，具体涉及一种基于表面牺牲层工艺制作的自封装的MEMS器件，以及采用该器件结构的红外传感器。

背景技术

如今MEMS红外传感器被广泛研究，可应用于现代科技、国防和功能等科技领域。制作红外传感器的方法很多。九十年代以来，微电子机械系统（MEMS）技术进入了高速发展阶段，不仅是因为概念新颖，而且是由于MEMS器件跟传统器件相比，具有小型化、集成化以及性能更优的前景特点，因此，基于MEMS工艺的微型红外传感器也被广泛研究。

由于红外传感器的形貌一般是吸收红外，需要一个较大的水平表面来接收红外辐射，主流生产方法多采用表面牺牲层工艺制作。MEMS红外传感器主要分为两类，热应力形变式的和谐振式的红外传感器。这两类传感器的原理都是基于红外传感器芯片表面通过吸收红外，产生一定的形变或者是机械特性的改变，从而得到红外辐射量。主要的读出方式有光学读出和电学读出，光学读出需要较为复杂的光学仪器测量，而电学读出则是通过外接或者片上的读出电路，将红外量转换为电学信号输出。

如上所述，这两类的传感器往往在结构上都是悬臂梁结构，为了防止灰尘、颗粒等污染源进入传感器核心区域，作为敏感元件的可动悬臂梁需要被充分的保护，其封装方法非常重要，往往需要特制的芯片管壳，普通的广泛应用的金属管壳不适合此类芯片的封装，因为红外无法通过管壳。一般方法是使用特别定制透明的玻璃管壳，或者镶嵌了玻璃管壳的金属管壳，以提供红外进入的窗口。而谐振式的红外传感器往往需要真空封装，因为在真空下工作时谐振的幅度更大，更利于信号读出，真空封装需要管壳有一定的抗压强度和密封性。所以，不管是玻璃管壳还是镶嵌了玻璃的金属管壳都需要仔细的设计，到一些特殊厂家去定制，需要满足一定的强度和红外透明性的要求。综上，现有的MEMS红外传感器对封装的要求非常高。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题，提出一种基于表面牺牲层工艺制作的自封装的MEMS器件，以及采用该器件结构的MEMS红外传感器，器件本身和封装一起完成，可以缩短后期的封装周期，后续只需要使用简单封装即可，提高工艺质量和成品率，降低封装成本。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种自封装的MEMS器件，依次包括基片、衬底保护层、下电极、下电极保护层、结构层、金属层以及封装层，所述结构层和所述金属层位于由所述封装层形成的封装腔室内，所述封装腔室通过在释放MEMS器件结构时利用粘附效应将封装层粘附在下电极保护层上而形成。

进一步地，所述封装腔室内部和外部的电学互联由所述下电极引出。

下面进一步说明上述自封装的MEMS器件的制备过程，其步骤包括：

1）在基片上淀积并制作衬底保护层、下电极和下电极保护层，并化学机械抛光（CMP）下电极保护层的表面；

2）采用表面牺牲层工艺制作第一层牺牲层和MEMS器件的结构层；

3）在结构层上淀积金属层；

4）采用表面牺牲层工艺制作第二层牺牲层和封装层，并制作封装区域内外互联部分；

5）湿法腐蚀所有牺牲层，释放MEMS器件结构并利用粘附效应完成自封装。

步骤1）所述的制造下电极，以及化学机械抛光（CMP）表面其作用在于提供一个贯穿封装腔室内部和外部的电学互联，并保证在封装腔室边缘有一个平坦表面，以保证封装的密闭性，如图1所示。

步骤2）所述的表面牺牲层工艺主要包括：淀积牺牲层并图形化第一层牺牲层；淀积结构层并图形化结构层。所述牺牲层优选采用低压化学气相淀积（LPCVD）方法淀积，牺牲层的材料优选为磷硅玻璃（PSG）；所述结构层优选采用LPCVD方法淀积，材料优选为多晶硅(Poly-Si)。在图形化结构层时，优选采用反应离子刻蚀（RIE）方法。优选地，MEMS结构层制作防止粘附的凸点，这样，在释放步骤时，MEMS器件结构层由于含有凸点，不会因为粘附效应粘在衬底上，导致器件失效，而封装层会因为面积大，所受水面张力大，而粘附在衬底上，完成自封装过程。

步骤3）所述金属优选采用溅射或者蒸发的方法淀积，材料优选为金（Au），并可增加铬（Cr）薄层以增加金属粘附性。该步骤采用干法或者湿法的方法图形化金属。

步骤4）所述的表面牺牲层工艺主要包括：淀积牺牲层并图形化第二层牺牲层；淀积封装层并图形化封装层。所述牺牲层优选采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）方法淀积，牺牲层的材料优选为磷硅玻璃（PSG）；因为步骤3）淀积了金属，后续工艺均受到工艺温度的限制，而PECVD的温度较低，因此所述封装层优选采用（PECVD）方法淀积，能够满足需求。如果金属层采用了Cr/Au，PECVD多晶硅温度为需要低于450°C温度限制，现有设备可以满足此要求。如果需要真空封装，步骤4）可以在真空下进行，释放完成后，由于内外气压差，自封装层会受到方向由外向内的压力。因此步骤4）所述封装层材料优选为有一定刚度且又弹性非常好的多晶硅(Poly-Si)，有一定刚度可以使封装层不会由于外界气压而破裂，好的弹性可以更容易通过水面张力作用下拉，而完成自封装。步骤2）所述的多晶硅可以掺杂以提高其导电性能，而步骤4）所述多晶硅不能掺杂，以保证其红外透明特性，提高其红外透过率。为保证封装层受力均匀，封装层结构优选为圆形，如图1所示，封装区域内部为实心圆以内，E区域为自封装腔室边缘，虚线圆为实际的封装腔室，实心圆外部为焊盘区域，封装部分内外通过下电极层完成电学连接。

步骤5）释放腐蚀所有牺牲层，优选释放步骤包括：缓冲氢氟酸（BHF）溶液腐蚀PSG牺牲层，DI（去离子）水置换BHF溶液，取出芯片使其自然干燥。在干燥过程中，由于水面张力，封装层会受到下拉力，完成自封装。使用去离子水的原因为纯净的DI水的表面张力非常大，且无杂质，可以满足下拉力的要求的同时，还不会引入杂质导致MEMS可动结构失效。

本发明的原理是使用悬臂梁式的封装层作主体，利用释放步骤的水面张力，使悬臂梁式的封装层产生形变完成MEMS器件的自封装，该原理如图2所示，其中（a）为牺牲层腐蚀前的示意图，（b）为牺牲层腐蚀后完成自封装的示意图。

上述MWMS器件结构可应用于多种MEMS芯片，下面具体说明本发明的采用双材料悬臂梁结构的红外传感器结构。该红外传感器包括红外传感器部分、封装腔室部分以及腔室内外互联部分，该三部分可以采用本发明的方法同时制作完成。封装腔室的材料选用红外透明的材料，优选为非掺杂多晶硅。具体来说，该红外传感器依次包括基片、衬底绝缘层、下电极、下电极绝缘层、双材料检测结构以及封装层，所述双材料检测结构位于由所述封装层形成的封装腔室内，所述封装腔室通过在释放红外传感器结构时利用粘附效应将封装层粘附在下电极绝缘层上而形成。

上述红外传感器可被广泛应用于红外成像领域，原理是通过两种材料的热失配形成内应力，使梁产生变形；该红外传感器在工作时，红外辐射会通过对于红外辐射透明的自封装腔室照射到对于红外辐射非常敏感的双材料悬臂梁上，使双材料悬臂梁发生形变，并伴随着刚度、谐振频率等特性的变化，通过对焊盘连接线两端的电学性能的测量，即可得到红外辐射量和电学信号变化量的关系，实现对红外辐射的测量。

本发明为MEMS领域人员提供了一种自封装的MEMS器件，采用牺牲层工艺实现，该器件不存在后续复杂的封装等问题，具有以下优势：

1.本发明可以同时一次性完成自封装的MEMS器件，避免了后续复杂的封装过程。

2.本发明方法的工艺步骤以传统的表面牺牲层工艺为依托，充分考虑前后工艺的影响，不会影响芯片的工艺可靠性，不会对基本芯片的制作造成影响。

3.本发明设计的工艺包含合理的结构特征。

4.本发明所涉及的自封装方法可以广泛应用于表面牺牲层集成化技术加工的可动结构的MEMS器件芯片的制作，除上面所述的红外传感器外，还可制备加速度计、陀螺等传感器，以及可调电容结构等执行器等。

5.本发明的设计方法和结构，不会引入不必要的残余应力问题，提高了工艺的可靠性。

6.本发明由于器件和封装可以一次完成，适用于批量大规模生产MEMS芯片时使用。

7.本发明的工艺流程包含的结构的工艺难度比较低，易获得较高的成品率。

8.本发明的MEMS器件结构可以与IC工艺兼容，有很大的商业价值和市场。

附图说明

图1为自封装红外芯片成品示意图。

图2为释放时的自封装原理示意图。

图3为具体实施例中的工艺流程示意图，其中：图3(a)为LPCVD衬底保护层后的芯片基片的示意图；图3(b)为LPCVD并图形化底层多晶硅示意图；图3(c)为淀积下电极保护层并CMP的示意图；图3(d)为LPCVD牺牲层并刻蚀锚点的示意图；图3(e)LPCVD并图形化多晶硅结构层的示意图；图3(f)为刻蚀下电极保护层并淀积金属的示意图；图3(g)为PECVD牺牲层PSG的示意图；图3(h)为并图形化牺牲层PSG的示意图；图3(i)为PECVD并图形化多晶硅封装层的示意图；3(j)为结构释放的示意图。

图4为内外互联部分的示意图。

图中：1-基片；2-氧化硅层；3-氮化硅层；4-底层多晶硅；5-PSG牺牲层1；6—多晶硅结构层；7-Cr/Au金属层；8-PSG牺牲层2；9-多晶硅封装层；10-BHF腐蚀液；A—内外互联线；B，C-焊盘；D-双材料悬臂梁；E-自封装层与衬底接触区域；F-自封装腔室；G-凸点；H-封装层的支持结构。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并配合附图，对本发明做详细的说明。

本发明的红外芯片的自封装方法可以适用于表面牺牲层集成化技术加工的可动结构的MEMS器件芯片，如：红外传感器、加速度计、陀螺等传感器、可调电容结构等执行器。以制作多晶硅/金双材料悬臂梁式红外传感器为例，采用电容读出方式的互联结构，具体的工艺流程如图3所示，对其说明如下：

1、备片：单晶硅基片作为芯片的基片1；

2、淀积衬底保护层，包括：LPCVD SiO₂，厚度为3000

即形成图3（a）中氧化硅层2；LPCVD Si₃N₄，厚度为1800

即形成图3（a）中氮化硅层3；

3、淀积多晶硅下电极，图形化，如图3（b）中多晶硅4，包括完成下电极引线部分，如图3（b）中的A所示；

4、淀积下电极保护层，包括：LPCVD SiO₂，厚度为3000

LPCVD Si₃N₄并CMP，保证一个水平Si₃N₄表面，厚度为1800

如图3（c）所示；该下电极保护层中，氧化硅层和氮化硅层有两个作用，一是释放时的保护作用，即在释放器件结构时使腐蚀液不会腐蚀下电极，二是起绝缘作用；

5、采用MEMS表面牺牲层工艺制作可动结构，包括：

a)LPCVD PSG牺牲层5，厚度为2μm；光刻凸点；BHF腐蚀PSG3000光刻锚点；RIE PSG2μm；如图3（d）所示；

b)LPCVD poly-Si结构层6，厚度为2μm；注入P+；致密退火950℃作MOS和谐振器激活，10min从650℃开始升温；光刻定义谐振体结构；RIE Poly-Si2μm，如图3（e）所示，结构层由于含有凸点G，不会因为粘附效应粘在衬底上而导致器件失效；

c)刻蚀淀积衬底保护层，制作金属层7，形成双材料检测结构，包括：光刻；溅射Cr/Au，厚度为

剥离光刻胶；合金（即使金属Au、Cr在高温工艺下相互扩散），如图3（f）所示；其中Cr为粘附层，采用合金工艺增加所述结构层和所述金属层的粘附力；在其它实施例中，Cr层厚度也可以选择其它值，如150

也可以直接溅射Au层；图3（f）中B所示为焊盘，D所示为双材料悬臂梁；

6、制作封装层，步骤包括：PECVD PSG牺牲层8，厚度为2μm，如图3（g）所示；RIEPSG4μm，即刻蚀牺牲层5和8，如图3（h）中间空槽部分所示；PECVD并图形化poly-Si封装层9，厚度为2μm，同时poly-Si在中间的空槽部分形成封装层的支持结构H，如图3（i）所示。

7、采用BHF腐蚀PSG，释放结构，如图3（j）所示。

上述制备方法中，用于谐振器的结构层材料除了多晶硅以外，可以选用别的材料；相应的，牺牲层的材料以及腐蚀液也可以用别的材料和别的溶液。

上述制备工艺中，通过步骤7，把芯片置于BHF腐蚀液里，缓冲氢氟酸（BHF）溶液腐蚀PSG牺牲层，DI水置换BHF溶液，取出芯片使其自然干燥。在干燥过程中，由于水面张力，封装层会受到下拉力，完成自封装，原理如图2所示。

通过版图和工艺设计，最终完成的内外互联部分如图4所示，虚线框线内为封装的密闭腔室，虚线框外部为焊盘所在区域，内外互联部分均由底层多晶硅引出，以满足密闭腔室边缘部分的平整形和密闭性。由于本实施例采用了电容性的读出方式，所以需要同时引出上下电极，下电极直接为底层多晶硅部分，可以直接引出到图4右端的焊盘B上；而上电极则需要通过金属连接到底层多晶硅上引出，即为多晶硅结构6和金属7组成双材料敏感结构通过6的延长部分，再通过的7连接到底电极4，底电极4穿过封装腔室边缘，最终连接到左端的焊盘C上。

最终制作完成的电容读出的MEMS自封装红外传感器在使用时，红外辐射会通过非掺杂的多晶硅照射到对于红外辐射非常敏感的双材料悬臂梁上，使双材料悬臂梁发生形变，并伴随着刚度、谐振频率等特性的变化，通过对焊盘B、C连接线两端的电学性能的测量，即可得到红外辐射量和电学信号变化量的关系，实现对红外辐射的测量。

上述实施例中的MEMS牺牲层工艺仅是选用了牺牲层工艺，并选择以电容读出的自封装红外传感器的结构和制作来作例子说明，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明实质的范围内，可以针对本发明中器件结构、材料选择和制备方法的工艺步骤做一定的变化和修改，MEMS牺牲层工艺选用更复杂的多层牺牲层工艺（包含淀积多个电极，多层结构）也依然适用。本发明的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims

1.一种自封装的MEMS器件，其特征在于，依次包括基片、衬底绝缘层、下电极、下电极绝缘层、结构层、金属层以及封装层，所述结构层和所述金属层位于由所述封装层形成的封装腔室内，所述封装腔室通过在释放MEMS器件结构时利用粘附效应将封装层粘附在下电极绝缘层上而形成。

2.如权利要求1所述的自封装的MEMS器件，其特征在于：所述封装腔室内部和外部的电学互联由下电极引出。

3.如权利要求2所述的自封装的MEMS器件，其特征在于，所述封装腔室的形成方法为：

1）在基片上淀积并制作衬底绝缘层、下电极和下电极绝缘层，并化学机械抛光下电极绝缘层的表面；

3）在结构层上淀积金属层；

5）湿法腐蚀所有牺牲层，释放MEMS器件结构并利用粘附效应完成自封装，形成封装腔室。

4.如权利要求3所述的自封装的MEMS器件，其特征在于：所述第一牺牲层和所述结构层采用低压化学气相淀积方法淀积，所述第二牺牲层和所述封装层采用等离子体增强化学气相沉积方法淀积。

5.如权利要求1所述的自封装的MEMS器件，其特征在于：所述金属层采用溅射或者蒸发的方法淀积。

6.一种自封装的MEMS红外传感器，其特征在于，依次包括基片、衬底绝缘层、下电极、下电极绝缘层、双材料检测结构以及封装层，所述双材料检测结构位于由所述封装层形成的封装腔室内，所述封装腔室通过在释放红外传感器器件结构时利用粘附效应将封装层粘附在下电极绝缘层上而形成。

7.如权利要求6所述的自封装的MEMS红外传感器，其特征在于：采用电容性读出方式，所述封装腔室内部和外部的电学互联由下电极引出。

8.如权利要求6所述的自封装的MEMS红外传感器，其特征在于：所述衬底保护层包括氧化硅层和氮化硅层，所述下电极采用多晶硅，所述下电极保护层包括氧化硅层和氮化硅层。

9.如权利要求6所述的自封装的MEMS红外传感器，其特征在于：所述结构层的材料为掺杂的多晶硅，所述封装层的材料为不掺杂的多晶硅。

10.如权利要求6所述的自封装的MEMS红外传感器，其特征在于：所述双材料检测结构中的金属层为Cr/Au层。