CN103879950B - Mems器件真空封装结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种MEMS器件真空封装结构，至少包括基板、结构层及盖板。本发明基板中形成填充有外延材料及绝缘层的通孔，通孔（环形隔离结构）侧壁的绝缘材料实现电学隔离，且由于通孔采用外延生长的硅材料来填充，则其填充物致密性很高，提高器件真空封装结构的可靠性，同时有效解决金属填充物与硅的热膨胀系数差异引起的可靠性降低的问题；本发明为全硅结构，具有无放气、长期稳定性好和可靠性好的优势；当MEMS器件存在需要电极对应的组件时，则形成与所述组件垂直对应的通孔，且所述通孔中的外延材料作为填充电极，由于所述填充电极是与被封装的MEMS器件垂直对应的电极，从而提高了封装密度，减小了MEMS器件的封装面积。
Description
技术领域
本发明属于微电子机械系统领域，涉及一种MEMS器件真空封装结构。
背景技术
利用微电子机械加工技术制作的加速度计和角速度计在汽车导航和消费电子等领域得到了广泛应用。这些传感器具有成本低、可批量生产、稳定性好等优点。但是在机械结构达到微米量级时，空气阻尼效应成为了影响器件性能的关键因素。真空封装能够大幅减小空气阻尼效应，使器件的品质因子得到显著提高。
StevenS.Nasiri和AnthonyFrancisFlannery,JR.提出了一种CMOS硅片和MEMS硅片键合并采用硅通孔引线的封装结构（MethodoffabricationofAl/Gebondinginawaferpackagingenviromentandaproductproducedtherefrom,US2008/0283990A1）。该方法利用铝锗共晶键合（也称作铝锗低温键合）的导电特性和CMOS硅片上的硅通孔实现器件内外的电连接，由于铝锗材料存在放气（outgasing）过程，对于腔体内长期真空度的保持有不利影响，同时，铝锗材料在恶劣环境下、特别是较高工作温度环境下，如汽车应用环境中会发生泡起（popping）等失效过程，显著降低器件的可靠性，也限制了器件的应用范围。进一步，此种硅通孔制作使器件制造工艺变得复杂，成本也大幅上升，同时为借助硅通孔实现电连接该方法采用铜填充所述硅通孔，不过，由于铜与硅的热膨胀系数相差较大，在温度变化下，通孔中填充的铜会从通孔中突出而造成其上的焊球脱落，使器件可靠性降低。
真空封装结构中考虑器件内外的电连接同时，还需要要考虑位于连接电极周围的电学隔离结构。ThorbjornEbefors、EdvardKalvesten和TomasBauer的专利（MICROPACKAGINGMATHODANDDEVICES,US2010/0053922A1）中，电学隔离的结构的制作思路为：先形成高深宽比的凹槽，再直接利用CVD在所述凹槽内填充绝缘材料，以形成仅由绝缘材料组成的高深宽比的隔离结构，以达到电学隔离的目的。由于绝缘材料在真空封装时机械强度不足，当仅在凹槽中填充绝缘材料时，所述凹槽只能采用高深宽比结构，但高深宽比的凹槽易造成填充在其内的绝缘材料存在空隙，从而导致填充的绝缘材料致密性不好，影响隔离效果及器件在真空封装时的机械强度。
进一步，现有的MEMS器件封装结构在实现内外电连接时，通常使用的电极引线是从器件的旁侧引出，即所述电极引线与MEMS器件在封装结构中并不是最节省封装面积的垂直对应关系，导致了MEMS器件封装结构面积的增加，从而降低了封装密度（单位面积内引出电极连接的数量）。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种MEMS器件真空封装结构，用于解决现有技术中硅通孔中形成的金属填充物与硅的热膨胀系数差异引起的器件可靠性降低、用于电学隔离的硅通孔致密性不好导致的器件电学隔离效果降低、器件真空封装的机械强度降低、及器件封装密度低的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种MEMS器件真空封装结构，所述结构至少包括：
基板，形成有环形隔离结构以及位于所述环形隔离结构中的第一电极，环绕所述基板周侧的结构作为边框支撑结构，其中，所述环形隔离结构为填充有外延材料的第一通孔，且所述第一通孔的内侧壁上形成有绝缘材料以电学隔离所述第一电极；
结构层，位于所述基板上，至少包括结合于所述基板边缘内侧的边框、结合于所述第一电极上的所述MEMS器件的电极连接组件、及用以制作所述MEMS器件的第一区域；
盖板，结合于所述结构层上，形成有与所述环形隔离结构对应的第一凹槽，所述第一凹槽的外侧部分结合于所述边框上，内侧部分结合于所述电极连接组件上
可选地，所述基板的下表面形成有钝化层及电极引线，且所述电极引线至少包括与所述第一电极相连接的第一电极引线。
可选地，所述第一通孔下表面为与其侧壁相同且相连接的绝缘材料，则填充所述第一通孔的外延材料为多晶硅。
可选地，所述第一通孔下表面暴露出外延材料，则填充所述第一通孔的外延材料为多晶硅和单晶硅的混合物。
可选地，位于所述结构层的MEMS器件为微型角速度传感器，所述结构层至少包括：边框，形成于所述结构层中，结合于所述基板边缘内侧；两个锚点，形成于所述结构层中，且结合于所述第一电极；第一区域，悬于所述基板之上，包括固定梳齿及可动组件，所述固定梳齿连接所述锚点；所述可动组件，至少包括分别连接有可动梳齿的两个驱动质量块、分别位于各该驱动质量块中并与其分别对应的两个检测质量块、及弹性梁。
可选地，所述的驱动质量块与边框之间、两个驱动质量块之间、驱动质量块和检测质量块之间通过弹性梁进行连接，所述锚点与各该驱动质量块之间通过固定梳齿与可动梳齿进行结合。
可选地，所述弹性梁至少包括连接所述的驱动质量块与边框的第一弹性梁、连接两个驱动质量块的第二弹性梁、连接驱动质量块和检测质量块第三弹性梁。
可选地，所述基板与结构层之间形成有空隙，所述空隙至少位于所述结构层的第一区域和与所述第一区域相对应的部分所述基板之间；所述基板至少包括：环形隔离结构，包括第一长边、平行该第一长边的第二长边、以及连通所述第一、第二长边的两个短边，且所述第二长边对应所述检测质量块，所述环形隔离结构为填充有外延材料的第一通孔且所述第一通孔的内侧壁上形成有绝缘材料，位于所述第二长边的外延材料形成填充电极；第一电极，位于所述环形隔离结构中；边框支撑结构，位于所述第一长边外侧。
可选地，所述基板与结构层之间形成有空隙，所述空隙至少位于所述结构层的第一区域和与所述第一区域相对应的部分所述基板之间；所述基板包括：环形隔离结构，为填充有外延材料的第一通孔且所述第一通孔的内侧壁上形成有绝缘材料；填充电极，为填充有外延材料及绝缘材料的第二通孔中的外延材料，位于所述环形隔离结构的外侧，且与所述检测质量块相对应，其中，所述绝缘材料形成于所述第一通孔的内侧壁上，所述填充材料形成于附有所述绝缘材料的内侧壁之间；第一电极，位于所述环形隔离结构中；边框支撑结构，为环绕所述基板周侧的结构，位于所述环形隔离结构外侧。
可选地，所述第二通孔下表面为与其侧壁相同且相连接的绝缘材料，则填充所述第二通孔的外延材料为多晶硅。
可选地，所述第二通孔下表面暴露出外延材料，且填充所述第二通孔的外延材料为多晶硅和单晶硅的混合物。
可选地，所述基板的下表面形成有钝化层及电极引线，且所述电极引线至少包括与所述第一电极相连接的第一电极引线、与所述填充电极连接的填充电极引线。
可选地，所述盖板还包括对应所述第一区域的第二凹槽，其中，所述第二凹槽的外侧部分结合于所述电极连接组件上。
可选地，所述两个驱动质量块对称分布在第二方向两侧，且可沿垂直于所述第二方向的第一方向振动；所述两个检测质量块对称分布在第二方向两侧，可沿第一方向振动、或沿垂直于所述微型角速度传感器所在平面的第三方向振动，其中，所述第一方向、第二方向及第三方向相互正交，且所述第一方向、第二方向均位于所述微型角速度传感器所在平面。
可选地，所述基板和结构层的材料为硅。
可选地，所述绝缘材料为氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。
可选地，所述盖板的材料为覆盖有绝缘层的硅半导体层，其中，所述绝缘层由含硅的绝缘物质形成，以避免所述MEMS器件中预电学隔离的组件与外界电连接造成短路。
如上所述，本发明的MEMS器件真空封装结构，具有以下有益效果：本发明基板中形成填充有外延材料及绝缘层的通孔，一方面，环绕所述真空封装MEMS器件第一电极周围的通孔（环形隔离结构）侧壁的绝缘材料，用于对所述第一电极实现内外电连接时进行电学隔离，由于所述通孔采用外延生长的硅材料来填充，因此其填充物致密性很高，提高了器件真空封装结构的可靠性，同时本发明的外延材料为多晶硅或多晶硅与单晶硅的混合物，其热膨胀系数与硅的热膨胀系数差异不大，能够有效解决金属填充物与硅的热膨胀系数差异引起的器件可靠性降低的问题，进一步，本发明是全部由硅材料组成的全硅器件结构，具有无放气、长期稳定性好和可靠性好的优势，有助于保证器件性能的长期稳定；另一方面，当MEMS器件存在需要电极对应的组件时（例如微型角速度传感器的检测质量块），在所述基板中形成有与所述组件对应的通孔，且所述通孔中的外延材料作为填充电极（即所述组件需要对应的电极），该填充电极与铝电极引线的接触面可为多晶硅与单晶硅的混合物外延材料，又由于单晶硅与金属之间的接触电阻小，因此所述混合物外延材料作为填充电极有利于填充电极引出，同时所述填充电极周侧（位于通孔侧壁）的绝缘层实现该填充电极与外界的电学隔离，进一步，由于所述填充电极是与被封装的MEMS器件垂直对应的电极，提高了封装密度（单位面积内引出电极连接的数量），减小了MEMS器件的封装面积。
附图说明
图1显示为本发明的MEMS器件真空封装结构在实施例一中的示意图。
图2显示为本发明的MEMS器件真空封装结构在实施例一及实施例二中结构层的俯视示意图。
图3显示为本发明的MEMS器件真空封装结构在实施例一中基板的俯视示意图。
图4显示为本发明的MEMS器件真空封装结构在实施例一及实施例二中盖板的示意图。
图5显示为本发明的MEMS器件真空封装结构在实施例一及实施例二中环形隔离结构一边的放大示意图。
图6显示为本发明的MEMS器件真空封装结构在实施例二中的示意图。
图7显示为本发明的MEMS器件真空封装结构在实施例二中基板的俯视示意图。
图8A至图8J显示为本发明的MEMS器件真空封装结构实施例二的制作方法示意图。
元件标号说明
1基板
101环形隔离结构
1011绝缘材料
1012外延材料
10121单晶硅
10122多晶硅
1013第一长边
1014第二长边
1015短边
102第一电极
103边框支撑结构
104填充电极
105钝化层
106电极引线
1061第一电极引线
1062填充电极引线
107第三凹槽
108绝缘层
109外延层
2结构层
201第一区域
2011固定梳齿
2012可动梳齿
2013驱动质量块
2014检测质量块
2015弹性梁
20151第一弹性梁
20152第二弹性梁
20153第三弹性梁
202锚点
203边框
3盖板
301第一凹槽
302第二凹槽
303第一凹槽的外侧部分
304第二凹槽的外侧部分、第一凹槽的内侧部分
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
请参阅图1至图8J，其中，图中，F1为第一方向、F2为第一方向、F3为第一方向，所述第一方向、第二方向及第三方向相互正交，且所述第一方向、第二方向均位于所述MEMS器件所在平面。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
实施例一
如图1至图5所示，本发明提供一种MEMS器件真空封装结构，所述结构至少包括：基板1、结构层2、盖板3。其中，所述基板1至少包括环形隔离结构101、第一电极102、及边框支撑结构103；所述结构层2至少包括边框203、电极连接组件、及制作所述MEMS器件的第一区域201；所述盖板3至少包括第一凹槽301。具体地，在本实施例一中，以微型角速度传感器作为结构层2的MEMS器件进行具体说明。
所述结构层2位于所述基板1上，至少包括结合于所述基板1边缘内侧的边框203、结合于所述第一电极102上的所述MEMS器件的电极连接组件、及用以制作所述MEMS器件的第一区域201，其中，所述结构层的材料为硅。
请结合图1及图2，其中，图2为图1中结构层的俯视图，图1的结构层为图2中沿A-A方向的截面示意图，具体地，在本实施例一中，结构层2为硅材料的MEMS器件为微型角速度传感器，则所述结构层2至少包括结合于所述基板1边缘内侧的边框203，结合于所述第一电极102上、且作为电极连接组件的两个锚点202，悬于所述基板1之上、且用以制作所述MEMS器件的第一区域201，其中，所述第一区域201包括可动组件及连接所述锚点202的固定梳齿2011，且所述可动组件至少包括分别连接有可动梳齿2012的两个驱动质量块2013、分别位于各该驱动质量块2013中并与其分别对应的两个检测质量块2014、及弹性梁2015，则所述锚点202与各该驱动质量块2013之间通过固定梳齿2011与可动梳齿2012进行结合，所述的驱动质量块2013与边框203之间、两个驱动质量块2013之间、驱动质量块2013和检测质量块2014之间通过弹性梁2015进行连接，进一步，所述弹性梁2015至少包括连接所述的驱动质量块2013与边框203的第一弹性梁20151、连接两个驱动质量块2013的第二弹性梁20152、连接驱动质量块2013和检测质量块2014第三弹性梁20153。
需要说明的是，所述微型角速度传感器的所述两个驱动质量块2013对称分布在第二方向（F2）两侧，且可沿垂直于所述第二方向的第一方向（F1）进行反向振动，为各该检测质量块2014提供反相的驱动；所述两个检测质量块2014对称分布在第二方向两侧，用以检测第二方向上的外部角速度，且所述两个检测质量块2014可随其各自对应的各该驱动质量块2013一起进行无相对位移的沿第一方向的反相振动、或沿垂直于所述微型角速度传感器所在平面的第三方向（F3）反相振动，其中，第一方向、第二方向及第三方向为相互正交的三个方向，且所述第一方向、第二方向均位于所述微型角速度传感器所在平面。具体地，在本实施例一中，第一方向（F1）为X轴方向，第二方向（F2）为Y轴方向，第三方向（F3）为Z轴方向。
所述基板1形成有环形隔离结构101以及位于所述环形隔离结构101中的第一电极102，环绕所述基板1周侧的结构作为边框支撑结构103，其中，所述环形隔离结构101为填充有外延材料的第一通孔，且所述第一通孔的内侧壁上形成有绝缘材料以电学隔离所述第一电极，其中，所述绝缘材料与外延材料均填充于第一通孔内，所述绝缘材料为氧化硅、氮化硅或氮氧化硅，所述基板的材料为硅。进一步，所述第一通孔下表面为与其侧壁相同且相连接的绝缘材料时，则填充所述第一通孔的外延材料为多晶硅；所述第一通孔下表面暴露出外延材料时，则填充所述第一通孔的外延材料为多晶硅和单晶硅的混合物。
具体地，请参阅图1、图3及图5，其中，图1中的基板为图3中沿A-A方向的截面示意图，图3为图1中基板1的俯视图，图5为图1中部分环形隔离结构的放大示意图。
在本实施例一中，所述基板1包括所述环形隔离结构101、第一电极102、边框支撑结构103及填充电极104，具体如下：
如图1、图3及图5所示，所述环形隔离结构101为填充有外延材料1012的第一通孔，且所述第一通孔的内侧壁上形成有绝缘材料1011以电学隔离所述第一电极102，即所述绝缘材料1011与外延材料1012均填充于第一通孔内；所述基板1的材料为硅，所述绝缘材料1011为氧化硅，所述第一通孔下表面暴露出外延材料1012，填充所述第一通孔的外延材料1012为多晶硅10122和单晶硅10121的混合物，且所述外延材料为边掺杂边外延生长而成，沿所述环形隔离结构101侧壁的绝缘材料1011外延生长的为多晶硅外延材料10122，沿所述环形隔离结构101底部外延生长的为单晶硅外延材料10121；
如图1及图3所示，所述第一电极102作为所述微型角速度传感器的驱动电极，位于所述环形隔离结构101中；所述边框支撑结构103为环绕所述基板1周侧的结构，位于所述环形隔离结构101外侧，其中，所述边框支撑结构103与第一电极102等高，且均高于所述基板1的其余部分的表面；
如图1及图3所示，所述填充电极104位于所述环形隔离结构101的外侧，一方面，所述填充电极104作为检测电极与所述检测质量块2014相对应，且在垂直所述微型角速度传感器所述平面的方向（所述第三方向，Z轴）上相对应，以提高所述微型角速度传感器的封装密度（单位面积内引出电极连接的数量），进而减小所述微型角速度传感器的封装面积；另一方面，所述填充电极104为填充有外延材料及绝缘材料的第二通孔中的外延材料，其中，所述绝缘材料形成于所述第一通孔的内侧壁上，所述填充材料形成于附有所述绝缘材料的内侧壁之间，所述绝缘材料用于电学隔离所述填充电极104，且所述第二通孔的外延材料类似于图5中第一通孔（环形隔离结构101）的外延材料1012，也为多晶硅和单晶硅的混合物。
需要说明的是，本实施例一中，所述环形隔离结构101是采用外延生长的硅材料（为多晶硅外延层10122与单晶硅层10121的混合物）来填充，所述填充电极104为外延生长的硅材料（为多晶硅外延层与单晶硅层的混合物），因此环形隔离结构101的填充物、及填充电极104的致密性均很高，提高了器件的可靠性；同时，环形隔离结构101的填充物热膨胀系数与硅的热膨胀系数差异不大，能够有效解决现有技术中金属填充物与硅的热膨胀系数差异引起的器件可靠性降低的问题；进一步，填充电极104与电极引线的接触面可为多晶硅与单晶硅的混合物外延材料，又由于单晶硅与金属之间的接触电阻小，因此多晶硅与单晶硅混合物外延材料作为填充电极有利于填充电极引出。
需要指出的是，在本实施例一中，所述第一通孔、第二通孔下表面暴露出外延材料，且填充所述第一通孔、第二通孔的外延材料为多晶硅和单晶硅的混合物，但并不局限于此，在另一实施例中，所述第一通孔和/或第二通孔下表面为与其侧壁相同且相连接的绝缘材料，则填充所述第一通孔和/或第二通孔的外延材料为多晶硅(未图示)。
在本实施例一中，由于以微型角速度传感器作为结构层2的MEMS器件，且所述微型角速度传感器存在可动组件，则所述基板1与结构层2之间形成有空隙，以利于所述可动组件悬于所述基板上，为所述可动组件留有活动空间，其中，所述空隙至少位于所述结构层2的第一区域201和与所述第一区域201相对应的部分所述基板之间。具体地，本实施例一中，所述填充电极104及环形隔离结构101与所述结构层2之间形成有空隙。
进一步，在本实施例一中，所述基板1的下表面形成有钝化层105及电极引线106，以供所述第一电极102及填充电极104电连接，其中，所述电极引线106至少包括与所述第一电极102相连接的第一电极引线1061、与所述填充电极104连接的填充电极引线1062，所述钝化层105为氧化硅，但并不局限于此，所述钝化层105还可为氮化硅或氮氧化硅，所述电极引线106为铝。
所述盖板3结合于所述结构层2上，形成有与所述环形隔离结构101对应的第一凹槽301，所述第一凹槽301的外侧部分303结合于所述边框203上，所述第一凹槽301的内侧部分304结合于所述电极连接组件上，其中，所述盖板3的材料为覆盖有绝缘层的硅半导体层，其中，所述绝缘层由含硅的绝缘物质形成，至少包括氧化硅、氮化硅或氮氧化硅，以避免所述MEMS器件中预电学隔离的组件与外界电连接造成短路。请参阅图1及图4，在本实施例一中，所述盖板1还包括对应所述第一区域201的第二凹槽302，其中，所述第二凹槽302的外侧部分（即为所述第一凹槽301的内侧部分）304结合于所述电极连接组件（锚点202）上，所述盖板3的材料为覆盖有绝缘层的硅半导体层，所述绝缘层为氧化硅。
所述微型角速度传感器静止时如图2所示。所述微型角速度传感器工作分为驱动模态和检测模态两种情况：
请参阅图1及图2，若在所述的第一电极102对应的第一电极引线1061和所述填充电极104对应的填充电极引线1062上施加一定频率的交变驱动电压，且此时没有被检测的外部角速度（第二方向的外部角速度），则所述微型角速度传感器开始工作并处于最初的驱动状态，所述二驱动质量块2013进行沿所述第一方向（X轴）的反相振动，为所述二检测质量块2014提供平动形式的驱动，且所述二检测质量块2014随其对应的各该驱动质量块2013一起进行无相对位移的沿所述第一方向（X轴）的反相振动；
在驱动状态下，当第二方向（Y轴）的存在外部角速度时，则所述微型角速度传感器处于检测模态，此时，所述二驱动质量块2013仍然进行沿所述第一方向（X轴）的反相振动，为所述二检测质量块2014提供平动形式的驱动，但由于存在第二方向（Y轴）的外部角速度，则所述检测质量块2014受到Coriolis力的影响，沿垂直于所述微型角速度传感器所在平面的第三方向（Z轴）进行接近或远离所述填充电极104的反相振动，所述的二检测质量块2014与其相对应的填充电极104相配合，用以检测第二方向（Y轴）的外部角速度。
所述微型角速度传感器的具体检测原理如下所述：
由于所述检测质量块2014沿所述第三方向（Z轴）进行接近或远离所述填充电极104的反相振动，使所述二检测质量块2014与其相对应的填充电极104之间的距离发生变化，引起二检测质量块2014与其相对应的填充电极104之间的电容发生变化，又由于第二方向（Y轴）的外部角速度与所述Coriolis的加速度成正比例关系，且所述Coriolis的加速度与所述距离变化成正比例关系引起所述Coriolis的加速度与所述电容变化成正比例关系，则通过检测二检测质量块2014与其相对应的填充电极104之间的电容变化，就可以得出第二方向（Y轴）的外部角速度的值。
本发明基板中形成填充有外延材料及绝缘层的通孔，一方面，环绕所述真空封装MEMS器件第一电极周围的通孔（环形隔离结构）侧壁的绝缘材料用于对所述第一电极实现内外电连接时进行电学隔离，由于所述通孔采用外延生长的硅材料来填充，因此其填充物致密性很高，提高了器件真空封装结构的可靠性，同时本发明的外延材料为多晶硅或多晶硅与单晶硅的混合物，其热膨胀系数与硅的热膨胀系数差异不大，能够有效解决金属填充物与硅的热膨胀系数差异引起的可靠性降低的问题，进一步，本发明是全部由硅材料组成的全硅器件结构，具有无放气、长期稳定性好和可靠性好的优势，有助于保证器件性能的长期稳定；另一方面，当MEMS器件存在需要电极对应的组件时（例如微型角速度传感器的检测质量块），在所述基板中形成有与所述组件对应的通孔，且所述通孔中的外延材料作为填充电极（即所述组件需要对应的电极），该填充电极与铝电极引线的接触面可为多晶硅与单晶硅的混合物外延材料，又由于单晶硅与金属之间的接触电阻小，因此所述混合物外延材料作为填充电极有利于填充电极引出，同时所述填充电极周侧（位于通孔侧壁）的绝缘层实现该填充电极与外界的电学隔离，进一步，由于所述填充电极是与被封装的MEMS器件垂直对应的电极，提高了封装密度（单位面积内引出电极连接的数量），减小了MEMS器件的封装面积。
实施例二
实施例二与实施例一的技术方案基本相同，不同之处在于所述基板的内部结构，在本实施例二中，仅阐述相关的不同之处，其中，与实施例一相同部分不再一一赘述。
如图2、图4至图7所示，本发明提供一种MEMS器件真空封装结构，所述结构至少包括：基板1、结构层2、盖板3。其中，所述基板1至少包括环形隔离结构101、第一电极102、及边框支撑结构103；所述结构层2至少包括边框203、电极连接组件、及制作所述MEMS器件的第一区域201；所述盖板3至少包括第一凹槽301。具体地，在本实施例二中，以微型角速度传感器作为结构层2的MEMS器件进行具体说明。
所述结构层2及盖板3的相关描述请参阅图2、图4及实施例一的相关描述。其中，图2为图6中结构层的俯视图，图6的结构层为图2中沿A-A方向的截面示意图。
所述基板1形成有环形隔离结构101以及位于所述环形隔离结构101中的第一电极102，环绕所述基板1周侧的结构作为边框支撑结构103，其中，所述环形隔离结构101为填充有外延材料的第一通孔，且所述第一通孔的内侧壁上形成有绝缘材料以电学隔离所述第一电极102，其中，所述绝缘材料与外延材料均填充于第一通孔内，所述绝缘材料为氧化硅、氮化硅或氮氧化硅，所述基板的材料为硅。进一步，所述第一通孔下表面为与其侧壁相同且相连接的绝缘材料时，则填充所述第一通孔的外延材料为多晶硅；所述第一通孔下表面暴露出外延材料时，则填充所述第一通孔的外延材料为多晶硅和单晶硅的混合物。
具体地，请参阅图5至图7，其中，图6中的基板为图7中沿A-A方向的截面示意图，图7为图6中基板的俯视图，图5为图6中部分环形隔离结构（环形隔离结构的一边）的放大示意图。
在本实施例二中，所述基板1包括所述环形隔离结构101、第一电极102、边框支撑结构103及填充电极104，具体如下：
如图5至图7所示，所述环形隔离结构101为填充有外延材料1012的第一通孔，且所述第一通孔的内侧壁上形成有绝缘材料1011以电学隔离所述第一电极102，即所述绝缘材料1011与外延材料1012均填充于第一通孔内；所述基板1的材料为硅，所述绝缘材料1011为氧化硅，复请参阅图5，所述第一通孔下表面暴露出外延材料1012，填充所述第一通孔的外延材料1012为多晶硅10122和单晶硅10121的混合物，且所述外延材料为边掺杂边外延生长而成，沿所述环形隔离结构101侧壁的绝缘材料1011外延生长的为多晶硅外延材料10122，沿所述环形隔离结构101底部外延生长的为单晶硅外延材料10121，但并不局限于此，在另一实施例中，所述第一通孔下表面为与其侧壁相同且相连接的绝缘材料，则填充所述第一通孔的外延材料为多晶硅(未图示)；
所述环形隔离结构101包括第一长边1013、平行该第一长边1013的第二长边1014、以及连通所述第一长边1013、第二长边1014的两个短边1015，其中，第一长边1013宽度小于第二长边1014；同时，所述第二长边1014对应所述检测质量块2014，且第二长边1014宽度大于检测质量块2014，位于所述第二长边1014的外延材料1012形成填充电极104，位于所述外延材料1012外侧的绝缘材料1011电学隔离所述填充电极104，进一步，所述填充电极104作为检测电极与所述检测质量块2014相对应，且在垂直所述微型角速度传感器所述平面的方向（所述第三方向，Z轴）上相对应，以提高所述微型角速度传感器的封装密度（单位面积内引出多少电极连接），进而减小所述微型角速度传感器的封装面积；
如图6及图7所示，所述第一电极102作为所述微型角速度传感器的驱动电极，位于所述环形隔离结构101中；所述边框支撑结构103为环绕所述基板1周侧的结构，位于所述环形隔离结构101的所述第一长边2013的外侧，其中，所述边框支撑结构103与第一电极102等高，且均高于所述基板1的其余部分的表面。
需要说明的是，本实施例二中，所述环形隔离结构101是采用外延生长的硅材料（为多晶硅外延层10122与单晶硅层10121的混合物）来填充，且所述填充电极104为所述环形隔离结构101中第二长边1014的外延材料，即为多晶硅外延层与单晶硅层的混合物，因此环形隔离结构101的填充物、及填充电极104的致密性均很高，提高了器件的可靠性；同时，环形隔离结构101的填充物热膨胀系数与硅的热膨胀系数差异不大，能够有效解决现有技术中金属填充物与硅的热膨胀系数差异引起的器件可靠性降低的问题；进一步，填充电极104与电极引线的接触面可为多晶硅与单晶硅的混合物外延材料，又由于单晶硅与金属之间的接触电阻小，因此多晶硅与单晶硅混合物外延材料作为填充电极有利于填充电极引出。
在本实施例二中，由于以微型角速度传感器作为结构层2的MEMS器件，且所述微型角速度传感器存在可动组件，则所述基板1与结构层2之间形成有空隙，以利于所述可动组件悬于所述基板上，为所述可动组件留有活动空间，其中，所述空隙至少位于所述结构层2的第一区域201和与所述第一区域201相对应的部分所述基板之间。具体地，本实施例二中，所述填充电极104及环形隔离结构101与所述结构层2之间形成有空隙。
进一步，在本实施例二中，所述基板1的下表面形成有钝化层105及电极引线106，以供所述第一电极102及填充电极104电连接，其中，所述电极引线106至少包括与所述第一电极102相连接的第一电极引线1061、与所述填充电极104连接的填充电极引线1062，所述钝化层105为氧化硅，但并不局限于此，所述钝化层105还可为氮化硅或氮氧化硅，所述电极引线106为铝。
相关所述微型角速度传感器的工作及检测原理请参阅实施例一。
请参阅图2、及图8A至8J，以微型角速度传感器作为MEMS器件介绍所述MEMS器件真空封装结构的制作方法，所述制作方法至少包括如下步骤：
步骤1）如图8A及8B所示，提供一基板1，在所述基板1中定义与预制作的微型角速度传感器的可动组件和固定梳齿相对应的结构区域，采用反应离子刻蚀（RIE），在所述结构区域中刻蚀第三凹槽107，并在所述第三凹槽107中及第三凹槽107的相对侧外继续刻蚀与所述第三凹槽相连接的两个环形隔离结构101，以使所述环形隔离结构101环绕出第一电极102，且所述两个第一电极102形成于结构区域外的相对侧，所述的环形隔离结构101及结构区域外、环绕所述基板1的边缘形成边框支撑结构103。其中，各该环形隔离结构101包括第一长边1013、平行该第一长边1013的第二长边1014、以及连通所述第一、第二长边的两个短边，其中，第一长边1013宽度小于第二长边1014，所述第二长边1014位于所述第三凹槽107中，且与预制作的微型角速度传感器的检测质量块相对应，需要指出的是，所述第三凹槽107的深度小于所述环形隔离结构101的深度，所述第三凹槽107为所述微型角速度传感器中可动组件留有活动空间；所述基板1的材料为硅。
步骤2）采用热生长、化学气相沉积、或物理气相沉积方法，在所述基板1上表面形成绝缘层108，并采用光刻工艺及缓冲氧化层蚀刻液（BOE）去除所述环形隔离结构101底部的绝缘层108以保留所述环形隔离结构101侧壁的绝缘层108，以使所述环形隔离结构101底部暴露出所述基板1材料（硅）。其中，所述绝缘层108为氧化硅、氮化硅或氮氧化硅，在本实施例二中，如图8C所示，采用化学气相沉积在所述基板1上表面形成氧化硅绝缘材料。
步骤3）如图8D所示，在所述绝缘层108表面，外延生长硅材料外延层109的同时进行掺杂，直至所述外延层109填充满所述环形隔离结构101；而后，采用化学机械抛光工艺减薄所述外延层109直至暴露出所述环形隔离结构101开口两侧的绝缘层（绝缘材料），再采用干法刻蚀或湿法刻蚀，去除存在于所述第三凹槽107表面的所述外延层，以暴露出所述第三凹槽107表面绝缘层，其中，所述干法刻蚀至少包括反应离子刻蚀（RIE）或感应耦合等离子体刻蚀（ICP），所述湿法刻蚀至少包括采用氢氧化钾溶液。本实施例二中，采用RIE去除所述第三凹槽107表面的所述外延层，以暴露出所述第三凹槽107表面绝缘层，此时，位于所述环形隔离结构101内的外延层也同时被刻蚀，则暴露出位于所述环形隔离结构101侧壁的部分绝缘层（绝缘材料），其中，所述刻蚀外延层的深度与所述第三凹槽107的深度相等；之后，再采用光刻工艺及缓冲氧化层蚀刻液（BOE）去除暴露在所述基板1表面上的绝缘层，得到如图8E所示的基板1，此时，所述第一电极102与边框支撑结构103等高，且均高于所述基板1中的其它区域。
步骤4）如图8F所示，提供一结构层2，将所述结构层2对准键合至所述基板1上表面，其中，所述结构层2的材料为硅。
步骤5）采用光刻胶（未图示）及预制作MEMS器件的掩膜版（未图示）对所述结构层2进行图形化处理，并干法刻蚀或湿法刻蚀所述结构层2，以形成所需的MEMS器件，即微型角速度传感器，在本实施例二中，如图8G及图2（图2为图8G的结构层2的俯视图），所述结构层2至少包括结合于所述基板1边缘内侧的边框203，结合于所述第一电极102上、且作为电极连接组件的两个锚点202，悬于所述基板1之上、且用以制作所述MEMS器件的第一区域201，其中，所述第一区域201包括可动组件及连接所述锚点202的固定梳齿2011，且所述可动组件至少包括分别连接有可动梳齿2012的两个驱动质量块2013、分别位于各该驱动质量块2013中并与其分别对应的两个检测质量块2014、及弹性梁2015，则所述锚点202与各该驱动质量块2013之间通过固定梳齿2011与可动梳齿2012进行结合，所述的驱动质量块2013与边框203之间、两个驱动质量块2013之间、驱动质量块2013和检测质量块2014之间通过弹性梁2015进行连接，进一步，所述弹性梁2015至少包括连接所述的驱动质量块2013与边框203的第一弹性梁20151、连接两个驱动质量块2013的第二弹性梁20152、连接驱动质量块2013和检测质量块2014第三弹性梁20153。
步骤6）请参阅图8H及图8I，提供一盖板3，在所述盖板3中，采用干法刻蚀或湿法刻蚀形成对应所述环形隔离结构101的第一凹槽301、及对应所述第一区域201的第二凹槽302，而后，利用低温键合工艺将所述盖板3真空键合至所述结构层2，以使盖板3与结构层2扣合成一腔体，为所述微型角速度传感器的可动组件留有足够的活动空间，其中，所述第一凹槽301的外侧部分303结合于所述边框203上，所述第二凹槽302的外侧部分（即为所述第一凹槽301的内侧部分）304结合于所述电极连接组件（锚点202）上，所述盖板3的材料为覆盖有绝缘层的硅半导体层，其中，所述绝缘层由含硅的绝缘物质形成，以避免所述MEMS器件中预电学隔离的组件与外界电连接造成短路，在本实施例二中，所述盖板3的材料为覆盖有氧化硅的硅半导体层。
步骤7）如图8J所示，采用化学机械抛光工艺背面减薄所述基板1，直至暴露出所述环形隔离结构101，以使所述环形隔离结构101为填充有外延层（外延材料）及绝缘层（绝缘材料）的第一通孔，其中，所述环形隔离结构101的第二长边1014的外延材料形成填充电极104，位于所述外延材料外侧的绝缘材料电学隔离所述填充电极104；而后在经减薄后的基板1背面形成钝化层105，并在所述钝化层105表面对应所述第一电极102及填充电极104处开窗口，并在所述窗口中采用溅射铝或化学气相沉积（CVD）铝形成电极引线106（包括与所述第一电极102相连接的第一电极引线1061、与所述填充电极104连接的填充电极引线1062），以形成由所述的电极引线1061、第一电极102、锚点202形成的电连接通路，由所述的电极引线1062、填充电极104、检测质量块2014形成的检测通路，其中，所述第一通孔中的绝缘层供所述真空封装结构中所述第一电极102及填充电极104与基板1的其余区域进行电学隔离，从而避免所述第一电极102及填充电极104的短路的情况，在本实施例二中，所述电极引线106为铝，所述钝化层105为氧化硅，但并不局限于此，所述钝化层105还可为氮化硅或氮氧化硅。
需要说明的是，由于本实施例二的前述步骤2）中已刻蚀所述环形隔离结构103底部的绝缘层108，并将所述环形隔离结构101底部的基板1表面暴露出，因此在所述步骤3）中边掺杂边外延生长硅材料外延层109时，沿所述环形隔离结构101底部的1基板11表面外延生长的为单晶硅外延层，沿所述环形隔离结构101侧壁的绝缘层外延生长的为多晶硅外延层，形成填充所述环形隔离结构101的外延层为多晶硅外延层与单晶硅层的混合物，且由于本实施例二中优选的所述环形隔离结构101的第一长边1013的深宽比值范围为1~5（本实施例二中所述环形隔离结构101的深宽比值为1.5），如图5所示，其中，图5为图6中部分环形隔离结构（环形隔离结构101的第一长边1013）的放大示意图，所述外延层经过减薄和刻蚀后，位于所述环形隔离结构101第一长边1013的开口处的外延材料1012填充物表面暴露出单晶硅10121，即同时存在单晶硅10121和多晶硅10122，且所述单晶硅10121和多晶硅10122的分布复请参阅图5。
需要指出的是，所述第一通孔（环形隔离结构101）采用外延生长的硅材料（为多晶硅外延层与单晶硅层的混合物）来填充，因此第一通孔（环形隔离结构101）的填充物致密性很高，提高了器件的可靠性；同时，第一通孔（环形隔离结构101）的填充物热膨胀系数与硅的热膨胀系数差异不大，能够有效解决现有技术中金属填充物与硅的热膨胀系数差异引起的器件可靠性降低的问题；进一步，填充电极104与电极引线的接触面可为多晶硅与单晶硅的混合物外延材料，又由于单晶硅与金属之间的接触电阻小，因此多晶硅与单晶硅混合物外延材料作为填充电极有利于填充电极引出。
综上所述，本发明基板中形成填充有外延材料及绝缘层的通孔，一方面，环绕所述真空封装MEMS器件第一电极周围的通孔（环形隔离结构）侧壁的绝缘材料用于对所述第一电极实现内外电连接时进行电学隔离，由于所述通孔采用外延生长的硅材料来填充，因此其填充物致密性很高，提高了器件真空封装结构的可靠性，同时本发明的外延材料为多晶硅或多晶硅与单晶硅的混合物，其热膨胀系数与硅的热膨胀系数差异不大，能够有效解决金属填充物与硅的热膨胀系数差异引起的可靠性降低的问题，进一步，本发明是全部由硅材料组成的全硅器件结构，具有无放气、长期稳定性好和可靠性好的优势，有助于保证器件性能的长期稳定；另一方面，当MEMS器件存在需要电极对应的组件时（例如微型角速度传感器的检测质量块），在所述基板中形成有与所述组件对应的通孔，且所述通孔中的外延材料作为填充电极（即所述组件需要对应的电极），该填充电极与铝电极引线的接触面可为多晶硅与单晶硅的混合物外延材料，又由于单晶硅与金属之间的接触电阻小，因此所述混合物外延材料作为填充电极有利于填充电极引出，同时所述填充电极周侧（位于通孔侧壁）的绝缘层实现该填充电极与外界的电学隔离，进一步，由于所述填充电极是与被封装的MEMS器件垂直对应的电极，提高了封装密度（单位面积内引出电极连接的数量），减小了MEMS器件的封装面积。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (14)
1.一种MEMS器件真空封装结构，其特征在于，所述结构至少包括：
基板，形成有环形隔离结构以及位于所述环形隔离结构中的第一电极，环绕所述基板周侧的结构作为边框支撑结构，其中，所述环形隔离结构为填充有外延材料的第一通孔，且所述第一通孔的内侧壁上形成有绝缘材料以电学隔离所述第一电极；
结构层，位于所述基板上，至少包括结合于所述基板边缘内侧的边框、结合于所述第一电极上的所述MEMS器件的电极连接组件、及用以制作所述MEMS器件的第一区域；
盖板，结合于所述结构层上，形成有与所述环形隔离结构对应的第一凹槽，所述第一凹槽的外侧部分结合于所述边框上，内侧部分结合于所述电极连接组件上；位于所述结构层的MEMS器件为微型角速度传感器，所述结构层至少包括：
边框，形成于所述结构层中，结合于所述基板边缘内侧；
两个锚点，形成于所述结构层中，且结合于所述第一电极；
第一区域，悬于所述基板之上，包括固定梳齿及可动组件，所述固定梳齿连接所述锚点；所述可动组件，至少包括分别连接有可动梳齿的两个驱动质量块、分别位于各该驱动质量块中并与其分别对应的两个检测质量块、及弹性梁；
所述基板与结构层之间形成有空隙，所述空隙至少位于所述结构层的第一区域和与所述第一区域相对应的部分所述基板之间；
所述基板至少包括：
环形隔离结构，为填充有外延材料的第一通孔且所述第一通孔的内侧壁上形成有绝缘材料；
填充电极，为填充有外延材料及绝缘材料的第二通孔中的外延材料，位于所述环形隔离结构的外侧，且与所述检测质量块相对应，其中，所述绝缘材料形成于所述第一通孔的内侧壁上，所述填充材料形成于附有所述绝缘材料的内侧壁之间；
第一电极，位于所述环形隔离结构中；
边框支撑结构，为环绕所述基板周侧的结构，位于所述环形隔离结构外侧。
2.根据权利要求1所述的MEMS器件真空封装结构，其特征在于：所述基板的下表面形成有钝化层及电极引线，且所述电极引线至少包括与所述第一电极相连接的第一电极引线。
3.根据权利要求1所述的MEMS器件真空封装结构，其特征在于：所述第一通孔下表面为与其侧壁相同且相连接的绝缘材料，则填充所述第一通孔的外延材料为多晶硅。
4.根据权利要求1所述的MEMS器件真空封装结构，其特征在于：所述第一通孔下表面暴露出外延材料，则填充所述第一通孔的外延材料为多晶硅和单晶硅的混合物。
5.根据权利要求4所述的MEMS器件真空封装结构，其特征在于：所述的驱动质量块与边框之间、两个驱动质量块之间、驱动质量块和检测质量块之间通过弹性梁进行连接，所述锚点与各该驱动质量块之间通过固定梳齿与可动梳齿进行结合。
6.根据权利要求4或5所述的MEMS器件真空封装结构，其特征在于：所述弹性梁至少包括连接所述的驱动质量块与边框的第一弹性梁、连接两个驱动质量块的第二弹性梁、连接驱动质量块和检测质量块第三弹性梁。
7.根据权利要求1所述的MEMS器件真空封装结构，其特征在于：所述第二通孔下表面为与其侧壁相同且相连接的绝缘材料，则填充所述第二通孔的外延材料为多晶硅。
8.根据权利要求1所述的MEMS器件真空封装结构，其特征在于：所述第二通孔下表面暴露出外延材料，且填充所述第二通孔的外延材料为多晶硅和单晶硅的混合物。
9.根据权利要求1所述的MEMS器件真空封装结构，其特征在于：所述基板的下表面形成有钝化层及电极引线，且所述电极引线至少包括与所述第一电极相连接的第一电极引线、与所述填充电极连接的填充电极引线。
10.根据权利要求1所述的MEMS器件真空封装结构，其特征在于：所述盖板还包括对应所述第一区域的第二凹槽，其中，所述第二凹槽的外侧部分结合于所述电极连接组件上。
11.根据权利要求1所述的MEMS器件真空封装结构，其特征在于：所述两个驱动质量块对称分布在第二方向两侧，且可沿垂直于所述第二方向的第一方向振动；所述两个检测质量块对称分布在第二方向两侧，可沿第一方向振动、或沿垂直于所述微型角速度传感器所在平面的第三方向振动，其中，所述第一方向、第二方向及第三方向相互正交，且所述第一方向、第二方向均位于所述微型角速度传感器所在平面。
12.根据权利要求1所述的MEMS器件真空封装结构，其特征在于：所述基板和结构层的材料为硅。
13.根据权利要求1所述的MEMS器件真空封装结构，其特征在于：所述绝缘材料为氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。
14.根据权利要求1所述的MEMS器件真空封装结构，其特征在于：所述盖板的材料为覆盖有绝缘层的硅半导体层，其中，所述绝缘层由含硅的绝缘物质形成，以避免所述MEMS器件中预电学隔离的组件与外界电连接造成短路。
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