CN103395736A

CN103395736A - Mems玻璃浆料键合结构及其制造方法

Info

Publication number: CN103395736A
Application number: CN2013103469454A
Authority: CN
Inventors: 闻永祥; 季锋; 刘琛; 饶晓俊
Original assignee: Hangzhou Silan Integrated Circuit Co Ltd
Current assignee: Hangzhou Silan Integrated Circuit Co Ltd
Priority date: 2013-08-09
Filing date: 2013-08-09
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2033-08-09
Also published as: CN103395736B

Abstract

本发明提供了一种MEMS玻璃浆料键合结构及其制造方法，该结构包括：封帽硅片，其上设置有微机械保护腔和位于该微机械保护腔外围的第一玻璃浆料键合区；器件硅片，其上设置有微机械结构槽和位于该微机械结构槽外围的第二玻璃浆料键合区，该微机械结构槽与微机械保护腔的位置相对应；该封帽硅片上在该微机械保护腔和第一玻璃浆料键合区之间设置有玻璃浆料隔离槽，该器件硅片上在该微机械结构槽和第二玻璃浆料键合区之间设置有玻璃浆料保护槽，该玻璃浆料保护槽和所述封帽硅片上的玻璃浆料隔离槽的位置相对应，该第一玻璃浆料键合区和第二玻璃浆料键合区之间通过玻璃浆料键合。本发明能够减小玻璃浆料横向延展而扩大的玻璃浆料键合区域的面积。

Description

MEMS玻璃浆料键合结构及其制造方法

技术领域

本发明涉及MEMS技术，尤其涉及一种MEMS玻璃浆料键合结构及其制造方法。

背景技术

微电子机械系统（MEMS，Micro Electro Mechanical System）是近年来发展起来的一种新型多学科交叉的技术，该技术将对未来人类生活产生革命性的影响。MEMS技术被誉为21世纪带有革命性的高新技术，其发展始于20世纪60年代，是微电子和微机械的巧妙结合。MEMS的基础技术主要包括硅各向异性刻蚀技术、硅硅键合技术、表面微机械技术、LIGA技术等，上述技术已成为研制生产MEMS必不可少的核心技术。

在以硅为基础的MEMS加工技术中，部分产品如加速度计、陀螺仪等需要对微机械的器件结构部分实施保护，这种保护的方法就是在器件上方采用空腔封帽片保护结构，通过硅硅键合、阳极键合、金硅共晶键合、低温玻璃浆料键合等各种键合工艺，使器件硅片和封帽片密闭结合在一起，这样使微机械的器件结构和外部环境得到隔离。而在这些键合工艺中，与其他键合工艺相比，低温玻璃浆料键合的优势在于其具有密封效果好、键合强度高、生产效率高，并且对于封接基板的表面没有特殊要求，可以广泛应用于MEMS产品圆片级的封装；缺点是玻璃浆料在印刷和键合烧结过程中，容易产生延展或流动，需要占用较大的键合区域面积，并且，其延展部分浆料有可能影响MEMS微机械可动部分结构的工作，从而使器件毁坏或整体性能下降。

因此，如何合理设定和控制键合区玻璃浆料所占用的尺寸，对封装成品率及成品可靠性的影响是至关重要的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种MEMS玻璃浆料键合结构及其制造方法，可以减小玻璃浆料横向延展而扩大的玻璃浆料键合区域的面积，从而减小整个产品的版图面积，利于增加有效管芯的数量，降低制造成本。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种MEMS玻璃浆料键合结构，包括：

封帽硅片，该封帽硅片上设置有微机械保护腔和位于所述微机械保护腔外围的第一玻璃浆料键合区；

器件硅片，该器件硅片上设置有微机械结构槽和位于所述微机械结构槽外围的第二玻璃浆料键合区，该微机械结构槽与微机械保护腔的位置相对应；

其中，所述封帽硅片上在该微机械保护腔和第一玻璃浆料键合区之间设置有玻璃浆料隔离槽，所述器件硅片上在该微机械结构槽和第二玻璃浆料键合区之间设置有玻璃浆料保护槽，所述玻璃浆料保护槽和所述封帽硅片上的玻璃浆料隔离槽的位置相对应，所述第一玻璃浆料键合区和第二玻璃浆料键合区之间通过玻璃浆料键合。

根据本发明的一个实施例，所述微机械结构槽和玻璃浆料保护槽的深度相同，所述微机械保护腔和玻璃浆料隔离槽的深度相同或不同。

根据本发明的一个实施例，该结构还包括：位于所述微机械结构槽内的微机械质量块。

本发明还提供了一种MEMS玻璃浆料键合结构的制造方法，包括：

提供第一硅片和第二硅片；

对所述第一硅片进行刻蚀，在其上形成微机械保护腔和玻璃浆料隔离槽，该玻璃浆料隔离槽位于所述微机械保护腔的外围，该玻璃浆料隔离槽的外围为第一玻璃浆料键合区，以形成封帽硅片；

对所述第二硅片进行刻蚀，在其上形成有微机械结构槽和玻璃浆料保护槽，以形成器件硅片，该玻璃浆料保护槽位于所述微机械结构槽的外围，该玻璃浆料保护槽的外围为第二玻璃浆料键合区，该微机械结构槽与微机械保护腔的位置相对应，该玻璃浆料保护槽与玻璃浆料隔离槽的位置相对应；

使用玻璃浆料键合工艺对所述第一玻璃浆料键合区和第二玻璃浆料键合区进行键合。

根据本发明的一个实施例，对所述第一硅片进行刻蚀，在其上形成微机械保护腔和玻璃浆料隔离槽包括：

在所述第一硅片上形成第一掩膜层；

对所述第一掩膜层进行图案化，在其上开出第一窗口，该第一窗口的形状与所述微机械保护腔的形状对应；

在所述第一掩膜层上形成第二掩膜层；

对所述第二掩膜层和第一掩膜层进行图案化，在其上开出第二窗口，该第二窗口的形状与所述玻璃浆料隔离槽的形状对应；

以所述第二掩膜层为掩膜对所述第一硅片进行刻蚀，以在所述第一硅片上形成深度为d2的玻璃浆料隔离槽；

去除所述第二掩膜层，并以所述第一掩膜层为掩膜对所述第一硅片进行刻蚀，以在所述第一硅片上形成深度为d1的微机械保护腔，并将所述玻璃浆料隔离槽的深度加深为d2+d1；

去除所述第一掩膜层。

根据本发明的一个实施例，所述第一掩膜层的材料是二氧化硅，所述第二掩膜层的材料为光刻胶。

根据本发明的一个实施例，所述深度d2为3μm～100μm，所述深度d1为3μm～100μm。

在所述第一硅片上形成第一掩膜层；

对所述第一掩膜层进行图案化，在其上开出第一窗口和第二窗口；

以所述第一掩膜层为掩膜对所述第一硅片进行刻蚀，以在所述第一硅片上形成深度为d0的微机械保护腔和玻璃浆料隔离槽；

去除所述第一掩膜层。

根据本发明的一个实施例，所述深度d0为3μm～100μm。

根据本发明的一个实施例，所述器件硅片上的微机械结构槽和玻璃浆料保护槽的深度相同。

根据本发明的一个实施例，在刻蚀形成所述微机械结构槽时，同时刻蚀所述器件硅片以形成所述玻璃浆料保护槽。

根据本发明的一个实施例，在形成所述微机械结构槽之后，对所述第一玻璃浆料键合区和第二玻璃浆料键合区进行键合之前还包括：在所述器件硅片的微机械结构槽内形成微机械质量块。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明实施例的MEMS玻璃浆料键合结构及其制造方法，能够节省玻璃浆料键合工艺过程中，由于玻璃浆料横向延展而扩大的玻璃浆料键合区域的面积，从而减小整个产品的版图面积，增加有效管芯数量，降低制造成本；而且可以减小玻璃浆料键合工艺过程中，玻璃浆料对微机械的可动器件结构的影响，适合大批量工业化生产，有利于提高产品的可靠性。

进一步地，在深度和宽度满足产品需求时，封帽硅片的玻璃浆料隔离槽和微机械保护腔可以使用同一光刻图形同时形成，从而更加节省工艺步骤和成本。

此外，本发明实施例的MEMS玻璃浆料键合结构及其制造方法也可以推广应用至其他非MEMS器件的玻璃浆料键合工艺产品上，具有广泛的适用性。

附图说明

图1是本发明实施例的MEMS玻璃浆料键合结构的剖面结构示意图；

图2是本发明MEMS玻璃浆料键合结构的制造方法的流程示意图；

图3至图8示出了根据本发明第一实施例的封帽硅片的形成过程中各步骤对应的剖面结构示意图；

图9至图11示出了根据本发明第二实施例的封帽硅片的形成过程中各步骤对应的剖面结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

参考图1，本实施例的MEMS玻璃浆料键合结构包括封帽硅片101和器件硅片105，其中，封帽硅片101上设置有微机械保护腔104、第一玻璃浆料键合区102a、玻璃浆料隔离槽103；器件硅片105上设置有微机械结构槽107、第二玻璃浆料键合区102b、玻璃浆料保护槽106。

进一步而言，玻璃浆料隔离槽103位于微机械保护腔104的外围，而第一玻璃浆料键合区102a位于玻璃浆料隔离槽103的外围，或者说，玻璃浆料隔离槽103位于微机械保护腔104和第一玻璃浆料键合区102a之间。

玻璃浆料保护槽106位于微机械结构槽107外围，而第二玻璃浆料键合区102b位于玻璃浆料保护槽106外围，或者说，玻璃浆料保护槽106位于微机械结构槽107和第二玻璃浆料键合区102b之间。其中，器件硅片105上的玻璃浆料保护槽106和封帽硅片101上的玻璃浆料隔离槽103的位置相对应，器件硅片105上的微机械结构槽107和封帽硅片101上的微机械保护腔104的位置相对应，微机械结构槽107中可以设置有微机械质量块108。

第一玻璃浆料键合区102a和第二玻璃浆料键合区102b之间通过玻璃浆料键合，使得封帽硅片101和器件硅片105键合在一起，使得微机械的器件结构与外部环境得到隔离。

封帽硅片101上的玻璃浆料隔离槽103和微机械保护腔104的深度可以相同，也可以不同，在实际应用中可以根据产品设计要求的尺寸来进行。而器件硅片105上的玻璃浆料保护槽106和微机械结构槽107的深度是相同的，可以在刻蚀形成微机械结构槽107时，一并刻蚀形成玻璃浆料保护槽106。

参考图2，本实施例的MEMS玻璃浆料键合结构的制造方法包括如下步骤：

步骤S11，提供第一硅片和第二硅片；

步骤S12，对所述第一硅片进行刻蚀，在其上形成微机械保护腔和玻璃浆料隔离槽，该玻璃浆料隔离槽位于所述微机械保护腔的外围，该玻璃浆料隔离槽的外围为第一玻璃浆料键合区，以形成封帽硅片；

步骤S13，对所述第二硅片进行刻蚀，在其上形成有微机械结构槽和玻璃浆料保护槽，以形成器件硅片，该玻璃浆料保护槽位于所述微机械结构槽的外围，该玻璃浆料保护槽的外围为第二玻璃浆料键合区，该微机械结构槽与微机械保护腔的位置相对应，该玻璃浆料保护槽与玻璃浆料隔离槽的位置相对应；

步骤S14，使用玻璃浆料键合工艺对所述第一玻璃浆料键合区和第二玻璃浆料键合区进行键合。

在步骤S12中，微机械保护腔和玻璃浆料隔离槽的深度可以相同，也可以不同。

图3至图8示出了第一实施例的封帽硅片制作工艺中各个步骤对应的剖面结构图，第一实施例中，封帽硅片的微机械保护腔和玻璃浆料隔离槽的深度不同。

参考图3，在第一硅片101a上形成第一掩膜层201。作为一个优选的实施例，该第一掩膜层201为二氧化硅薄膜层，该二氧化硅薄膜层201可以采用热氧化或者CVD沉积等方法形成，厚度例如可以是之间。作为一个非限制性的例子，该第一硅片101a可以是单晶硅形成的硅片。

参考图4，对二氧化硅薄膜层201进行图案化，在其上形成第一窗口104。例如，可以采用光刻工艺，在二氧化硅薄膜层201上的光刻胶（未示出）上开出第一窗口104的图形，其窗口宽度为D1，之后利用光刻胶为掩膜对二氧化硅薄膜层201进行刻蚀，从而在二氧化硅薄膜层201上形成第一窗口104。刻蚀气体可以是CF₄、CH₃F、Ar气体，刻蚀设备例如可以是LAM公司的Rainbow4500。该二氧化硅薄膜层201作为刻蚀第一硅片101a的第一种掩膜。

参考图5，在已经形成第一窗口104的二氧化硅薄膜层201上形成第二掩膜层202。作为一个优选的实施例，该第二掩膜层202为微电子集成电路工艺用的光刻胶，该光刻胶202的厚度例如可以是2.0μm。之后通过光刻和刻蚀工艺，再次对二氧化硅薄膜层201进行刻蚀工艺，在光刻胶202和二氧化硅薄膜层201上形成第二窗口103，该第二窗口103的宽度D2例如可以是4μm～60μm之间。该光刻胶202和二氧化硅薄膜层201共同作为刻蚀玻璃浆料隔离槽的第二种掩膜，此时二氧化硅薄膜层201上的第一窗口被光刻胶202覆盖而得到保护。

参考图6，采用光刻胶202和二氧化硅薄膜层201作为掩膜，对第一硅片101a进行刻蚀，也即通过第二窗口103对第一硅片101a进行刻蚀。刻蚀气体可以是SF₆和C₄F₈，刻蚀设备例如可以是Alcatel公司的AMS200，刻蚀工艺例如可以是MEMS业界熟知的Bosch工艺。通过刻蚀，在第一窗口103下方的第一硅片101a上形成深度d2的玻璃浆料隔离槽103。深度d2例如可以是3μm～100μm之间，可以根据产品的需要进行设定。

参考图7，将光刻胶去除，例如可以在氧气等离子气氛中，使用干法去除光刻胶。之后，使用二氧化硅薄膜层201作为掩膜，对第一窗口104下方的第一硅片101a进行刻蚀，形成深度d1的微机械保护腔。其中深度d1例如可以是3μm～100μm之间。在刻蚀的同时，玻璃浆料隔离槽103的深度被加深为d1+d2，也即6μm～200μm。

参考图8，将二氧化硅薄膜层去除。例如，采用常规的氢氟酸（HF）或BOE腐蚀液，湿法腐蚀掉二氧化硅薄膜层，得到具有玻璃浆料隔离槽103和微机械保护腔104的封帽硅片101，其中，玻璃浆料隔离槽103和微机械保护腔104具有不同的槽深。

图9至图11示出了第二实施例的封帽硅片制作工艺中各个步骤对应的剖面结构图，第二实施例中，封帽硅片的微机械保护腔和玻璃浆料隔离槽的深度相同。

参考图9，在第一硅片101a上形成第一掩膜层202，作为一个优选的实施例，该第一掩膜层202可以是微电子集成电路中常规的光刻胶，光刻胶202的厚度例如为2.0μm。使用光刻工艺对光刻胶202进行图案化，在光刻胶202上同时开出第一窗口104和第二窗口103。

参考图10，以图案化之后的光刻胶202为掩膜，对第一硅片101a进行刻蚀。刻蚀气体可以是SF₆和C₄F₈，刻蚀设备例如是Alcatel公司的AMS200，刻蚀工艺可以采用MEMS业界熟知的Bosch工艺。在第一窗口和第二窗口的位置分别形成深度d0的微机械保护腔104和玻璃浆料隔离槽103。其中，深度d0可以为3μm～100μm之间。

参考图11，将光刻胶去除。例如可以在氧气等离子气氛中，使用干法去除光刻胶，得到具有机械保护腔104和玻璃浆料隔离槽103的封帽硅片101，机械保护腔104和玻璃浆料隔离槽103的深度相同。

以上通过第一实施例和第二实施例介绍了封帽硅片的制作工艺，下面对器件硅片的制作工艺进行描述。

参考图1，器件硅片105中的玻璃浆料保护槽106、微机械结构槽107的深度必须一致。因此，在刻蚀形成微机械结构槽107时，可以同时一并在微机械结构槽107的外围形成玻璃浆料保护槽106，以保证微机械结构槽107和玻璃浆料保护槽106深度一致。

更加具体而言，可以对提供的第二硅片进行刻蚀，在同一刻蚀工艺中同时形成微机械结构槽107和玻璃浆料保护槽106。在形成微机械结构槽107之后，可以在该微机械结构槽107中形成微机械质量块108。

例如，在一非限制性的实例中，提供的第二硅片可以采用如下方式形成：在单晶硅硅片上形成第一氧化硅层，并在该第一氧化硅层上形成第一多晶硅层，对该第一多晶硅层进行图形化后形成图形，再在第一多晶硅层上形成第二氧化硅层，在第二氧化硅层上形成通孔，再淀积第二多晶硅层，使得第二多晶硅层通过该通孔与第一多晶硅层相连，之后进行多晶硅的外延生长，并通过例如化学机械抛光（CMP）等平坦化工艺使得外延生长的多晶硅和保留的第二多晶硅层表面齐平，从而得到该第二硅片。也就是说，该第二硅片在位于微机械结构槽107的区域具有第一和第二氧化硅层以及第一和第二多晶硅层，而在该微机械结构槽107以外的区域具有外延生长形成的多晶硅。

在上述实例中，形成微机械结构槽107和玻璃浆料保护槽106之后，可以使用氢氟酸气体进行熏蒸，将第二氧化硅层去除，而留下的第二多晶硅层即为微机械质量块108，该微机械质量快108大部分悬空，由上述通孔中的多晶硅锚点支撑。

当然，本领域技术人员应当理解，以上实例并非限制性的，本领域技术人员还可以通过其他任何已知的方式来形成微机械质量块108。

之后，可以对封帽硅片101和器件硅片105进行键合，例如使用低温玻璃浆料键合工艺将第一玻璃浆料键合区102a和第二玻璃浆料键合区102b进行键合，使得微机械的器件结构和外部环境得到隔离。

综上，本实施例的技术方案具有以下效果：

本发明提出一种MEMS玻璃浆料键合结构和制造方法，可以节省玻璃浆料键合工艺过程中，由于玻璃浆料横向延展而扩大的玻璃浆料键合区域的面积，从而减少整个产品的版图面积，增加有效管芯数量，降低制造成本，并有利于改善玻璃浆料键合工艺过程中玻璃浆料对微机械的可动器件结构的影响，适合大批量工业化生产，能够提高产品的可靠性。

本发明提出的MEMS玻璃浆料键合结构的封帽硅片的玻璃浆料隔离槽和微机械保护腔，当深度和宽度满足产品需求时，玻璃浆料隔离槽和微机械保护腔也可以在同一光刻图形中同时形成，这样可以更加节省工艺加工步骤和成本。

本发明的技术方案可以推广应用在其他非MEMS器件的玻璃浆料键合工艺产品上，具有广泛的应用性。

应该理解到的是上述实施例只是对本发明的说明，而不是对本发明的限制，任何不超出本发明实质精神范围内的发明创造，包括但不限于对局部构造的变更、对元器件的类型或型号的替换，以及其他非实质性的替换或修改，均落入本发明保护范围之内。

Claims

1.一种MEMS玻璃浆料键合结构，包括：

其特征在于，

所述封帽硅片上在该微机械保护腔和第一玻璃浆料键合区之间设置有玻璃浆料隔离槽，所述器件硅片上在该微机械结构槽和第二玻璃浆料键合区之间设置有玻璃浆料保护槽，所述玻璃浆料保护槽和所述封帽硅片上的玻璃浆料隔离槽的位置相对应，所述第一玻璃浆料键合区和第二玻璃浆料键合区之间通过玻璃浆料键合。

2.根据权利要求1所述的MEMS玻璃浆料键合结构，其特征在于，所述微机械结构槽和玻璃浆料保护槽的深度相同，所述微机械保护腔和玻璃浆料隔离槽的深度相同或不同。

3.根据权利要求1所述的MEMS玻璃浆料键合结构，其特征在于，还包括：位于所述微机械结构槽内的微机械质量块。

4.一种MEMS玻璃浆料键合结构的制造方法，其特征在于，包括：

提供第一硅片和第二硅片；

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，对所述第一硅片进行刻蚀，在其上形成微机械保护腔和玻璃浆料隔离槽包括：

在所述第一硅片上形成第一掩膜层；

在所述第一掩膜层上形成第二掩膜层；

去除所述第一掩膜层。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第一掩膜层的材料是二氧化硅，所述第二掩膜层的材料为光刻胶。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述深度d2为3μm～100μm，所述深度d1为3μm～100μm。

8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，对所述第一硅片进行刻蚀，在其上形成微机械保护腔和玻璃浆料隔离槽包括：

在所述第一硅片上形成第一掩膜层；

去除所述第一掩膜层。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述深度d0为3μm～100μm。

10.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述器件硅片上的微机械结构槽和玻璃浆料保护槽的深度相同。

11.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在刻蚀形成所述微机械结构槽时，同时刻蚀所述器件硅片以形成所述玻璃浆料保护槽。

12.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在形成所述微机械结构槽之后，对所述第一玻璃浆料键合区和第二玻璃浆料键合区进行键合之前还包括：在所述器件硅片的微机械结构槽内形成微机械质量块。