CN104445045B - 晶振的形成方法 - Google Patents

Abstract

一种晶振的形成方法，包括：提供第一衬底，所述第一衬底具有第一表面和与第一表面相对的第二表面；沿第一表面形成若干硅通孔和真空腔，其中所述硅通孔围绕所述真空腔，且所述硅通孔深度大于真空腔深度；在所述硅通孔内填入填充物形成切割标记；提供第二衬底，所述第二衬底表面具有振动晶体；将第一衬底与第二衬底键合，所述真空腔正对振动晶体；沿第二表面减薄第一衬底，直至暴露出所述切割标记；沿所述切割标记对所述第一衬底进行切割。本发明实施例提供的晶振形成方法工艺简便，切割精度高。

Description

晶振的形成方法

技术领域

本发明涉及微电子机械系统制造工艺，特别涉及一种晶振的形成方法。

背景技术

晶体振荡器，简称晶振，是集成电路中的重要元器件。晶振器主要通过有源激励或者无缘电抗网络在晶体材料（常见的材料包括石英、锗金属等）中产生有规律的振荡，所述振荡的频率通常具有极高的准确度，能够作为基本的时钟信号，所述时钟信号再经由频率发生器的倍频或者分频后，就可以进一步得到电路中所常用的计数脉冲、时钟周期等。

图1为一种现有晶振器件的结构示意图，具体包括，绝缘壳体2，由绝缘壳体2包围而形成的密闭空腔；振动晶体1，位于密闭空腔内，且相对两端由支撑柱支撑，使振动晶体1悬浮于密闭空腔内；用于支撑振动晶体1支撑柱可以是连接振动晶体1的正极和负极；在所述空腔内振动晶体1一侧还设置有激励板3，用于诱发振动晶体产生振荡。在使用时，首先通过正、负极向振动晶体1通电，然后通过向激励板3通电在空腔内形成电场，振动晶体1即可以在上述电场的影响下，产生规律性的振动，并通过正负极向外输出具有固定频率的时钟信号。

现有的晶振，通常封装制作成分立器件，以外置的形式独立于半导体芯片，并不利于集成电路的微缩。然而，随着电路元器件密度的提高以及电路面积的限制，对于晶振的尺寸也要求越来越高。虽然近年微电子机械系统（Micro-Electro-MechanicalSystems，MEMS）技术的发展，已经可以制造出微米甚至纳米级的机械电子器件。但是如何优化晶振的形成工艺依然是亟待解决问题。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种优化的晶振的形成方法。

为解决上述问题，本发明提供一种晶振的形成方法，包括：提供第一衬底，所述第一衬底具有第一表面和与第一表面相对的第二表面；沿第一表面形成若干硅通孔和真空腔，其中所述硅通孔围绕所述真空腔，且所述硅通孔深度大于真空腔深度；在所述硅通孔内填入填充物形成切割标记；提供第二衬底，所述第二衬底表面具有振动晶体；将第一衬底与第二衬底键合，所述真空腔正对振动晶体；沿第二表面减薄第一衬底，直至暴露出所述切割标记；沿所述切割标记对所述第一衬底进行切割。

可选的，所述硅通孔深度为80微米至300微米。

可选的，所述真空腔的深度为20微米至40微米。

可选的，所述填充物材料为二氧化硅或氮化硅。

可选的，所述硅通孔的形成步骤在真空腔的形成步骤之前；或所述硅通孔的形成步骤在真空腔的形成步骤之后。

可选的，切割标记和真空腔的形成步骤包括：在形成真空腔的同时形成初级的硅通孔，采用光刻胶保护所述真空腔，暴露出初级硅通孔，采用刻蚀工艺沿初级硅通孔刻蚀预定厚度，形成硅通孔，使得硅通孔的深度大于真空腔深度，采用填充物填充所述硅通孔，形成切割标记。

可选的，所述硅通孔的形成工艺为深反应离子刻蚀工艺。

可选的，所述第一表面形成有氧化层。

可选的，所述氧化层表面形成有粘合层。

可选的，所述粘合层材料为锗或锗铝合金。

可选的，所述粘合层厚度为4500埃至5500埃。

可选的，所述氧化层厚度为1500埃至2500埃。

可选的，所述振动晶体材料为锗化硅或多晶硅。

可选的，所述第二衬底表面还具有第二粘合凸起。

可选的，所述第二粘合凸起材料为锗或锗铝合金。

可选的，将导电电极与驱动电极键合，使得真空腔容纳所述振动晶体，从而在振动晶体振动时提供振动空间。

可选的，所述键合工艺参数为：键合温度为300度至500度。

可选的，所述减薄为研磨工艺。

可选的，所述研磨工艺参数为：砂轮转数为1000转/分钟-4000转/分钟。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：本发明的实施例预先在第一衬底内形成多个硅通孔的切割标记，后续将第一衬底和第二衬底键合后，沿第二表面减薄第一衬底，暴露出切割标记，后续沿切割标记对所述第一衬底切割，本发明优化的实施例提供了精准的切割标记，使得切割工艺完全自动化且能够与CMOS切割工艺兼容。

附图说明

图1是现有晶振器件的结构示意图；

图2至图8是本发明一实施例的晶振形成方法剖面过程示意图；

图9至图16是本发明又一实施例的晶振形成方法剖面过程示意图；

图17为对第一衬底减薄后但未进行切割前，本发明实施例与现有技术的对比示意图。

具体实施方式

由背景技术可知，如何优化晶振的形成工艺依然是亟待解决问题。

针对现有技术晶振的形成方法进行研究，发现采用MEMS工艺形成晶振通常包括采用深反应离子刻蚀(DRIE)在一衬底内形成真空腔；然后将形成有真空腔的衬底与形成有振动晶体的衬底键合，所述真空腔正对振动晶体，用以容纳振动晶体振动；对键合后的衬底进行切割。

下面结合附图对本发明提供的一实施例的晶振的形成方法进行详细说明。

请参考图2，提供第一衬底100，所述第一衬底100为形成真空腔提供平台。

所述第一衬底100为单晶的半导体材料，比如所述第一衬底100可以为单晶硅、单晶锗硅、单晶的半导体材料（比如II－VI族、III－V族化合物半导体），所述第一衬底100也可以为非晶衬底材料或者多晶衬底材料。

所述第一衬底100具有第一表面I和第二表面II，所述第一表面I与第二表面相对，所述第一表面I为工作面。所述第二表面II具有背部对准标记101。

所述第一表面I形成有氧化层110，所述氧化层110用于保护第一表面I且在后续的工艺中作为阻挡层。

所述氧化层110材料为氧化硅，厚度为1500埃至2500埃。

所述氧化层110表面形成有粘合层120，所述粘合层120在后续工艺中用以形成导电电极。

所粘合层120材料为锗或锗铝合金。由于粘合层形成的第一粘合凸起后续要与第二衬底的第二粘合凸起对应键合，而锗和锗合金键合能力较佳，做为一实施例，所述粘合层120的材料为锗。所述粘合层120的厚度为4500埃至5500埃。还需要说明的是，为了后续工艺对准方便，所述粘合层120内还形成有对准标记121，所述对准标记121暴露出所述氧化层110，所述对准标记121用于在晶振的形成方法内起到对准作用，以保障各步骤的形成工艺不会偏离工艺窗口。

请参考图3，在粘合层120表面形成掩膜图形(未图示)，以所述掩膜图形为掩膜，刻蚀所述粘合层120形成第一粘合凸起122。

所述第一粘合凸起122用于后续与第二衬底的第二粘合凸起键合，以形成容纳振动晶体的真空腔。

本领域的技术人员可以根据第一粘合凸起的尺寸和材料，以选择合适的刻蚀工艺，例如等离子体刻蚀或湿法刻蚀，在此特意说明，不应过分限制本发明的保护范围。

请参考图4，在所述氧化层110和第一粘合凸起122表面形成光刻胶图形130，以所述光刻胶图形130为掩膜，刻蚀所述氧化层110和第一衬底100，形成真空腔131。

所述刻蚀采用深反应离子刻蚀工艺，本领域的技术人员可以根据待形成的真空腔的尺寸选择深反应离子刻蚀，在此特意说明，不应过分限制本发明保护的范围。

作为一实施例，所述真空腔131的深度为20微米至40微米(所述真空腔131的深度为真空腔底部与第一衬底100第一表面I的距离)。

之后，去除光刻胶图形130。

请参考图5，提供第二衬底200，所述第二衬底200表面具有第二粘合凸起201和振动晶体202。

所述振动晶体202在电场的影响下，产生规律性的振动，并通过正负极向外输出具有固定频率的时钟信号。所述振动的频率取决于振动晶体202的材质。

作为一实施例，所述振动晶体202材料为锗化硅或多晶硅。

所述第二衬底表面还包括驱动电极(未标示)，其中部分所述驱动电极用以与第一衬底100的导电电极电连接；部分所述驱动电极为所述振动晶体202振动提供电场；部分所述驱动电极接受振动晶体202的振动向外输出具有固定频率的时钟信号。

所述第二粘合凸起201材料为锗或锗铝合金。

请参考图6，将第一衬底100的第一表面I与所述第二衬底200具有第二粘合凸起201和振动晶体202的表面正对，并将第一衬底100和第二衬底200键合，使得所述第一粘合凸起122与部分所述第二粘合凸起201键合。

采用高温键合工艺将将第一衬底100和第二衬底200键合，由于所述第一粘合凸起采用锗或锗铝合金，从而能够与锗或锗铝合金所述第二粘合凸起201键合形成稳固结构。

请参考图7，沿第一衬底100的所述第二表面II减薄第一衬底。

减薄工艺为研磨工艺，减薄后第一衬底100的厚度为150微米至250微米，减薄后第一衬底100的厚度为第二表面至真空腔底部的距离。

请参考图8，切割第一衬底100，暴露出部分所述驱动电极。

所述切割工艺为机械切割工艺，使得部分所述驱动电极暴露，从而较易进行电学连接。

但对上述实施例的晶振的形成方法进一步研究后发现，工艺步骤还有待于进一步优化，且由于第一衬底100背面的背部对准标记101在减薄工艺中被磨去，导致后续切割工艺没有对准标记，容易出现偏差。

为此，本发明提供一种优化的晶振的形成方法，预先在第一衬底内形成多个硅通孔的切割标记，后续将第一衬底和第二衬底键合后，沿第二表面减薄第一衬底，暴露出切割标记，后续沿切割标记对所述第一衬底切割，本发明优化的实施例提供了精准的切割标记，使得切割工艺完全自动化且能够与CMOS切割工艺兼容。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

请参考图9，提供第一衬底300，所述第一衬底300具有第一表面I和与第一表面I相对的第二表面II。

所述第一衬底300为单晶的半导体材料，比如所述第一衬底300可以为单晶硅、单晶锗硅、单晶的半导体材料（比如II－VI族、III－V族化合物半导体），所述第一衬底300也可以为非晶衬底材料或者多晶衬底材料。

所述第一衬底300具有第一表面I和第二表面II，所述第一表面I与第二表面相对，所述第一表面I为工作面。所述第二表面II具有背部对准标记301。

请依旧参考图9，沿所述第一表面I形成若干硅通孔302，所述硅通孔302深度为80微米至300微米。所述硅通孔302深度为硅通孔底部到第一表面的距离。

所述硅通孔302用于后续填入填充物形成切割标记，所述硅通孔302包围后续形成的真空腔。

所述硅通孔302的形成工艺可以为湿法刻蚀或等离子体刻蚀工艺，例如：深反应离子刻蚀工艺；本领域的技术人员可以根据待形成的硅通孔的尺寸选择对应的刻蚀工艺，在此特意说明，不应过分限制本发明保护的范围。

请参考图10，对所述硅通孔302填入填充物形成切割标记303。

所述填充物材料为氧化硅或氮化硅，所述硅通孔302填入氧化硅或氮化硅以形成填充插塞，所述填充插塞构成切割标记303。

在所述硅通孔302填入填充物可以选用化学气相沉积工艺、深通孔填充工艺。

所述切割标记303虽然是沿第一表面I形成的，但是由于所述切割标记303具有较深的厚度，在后续的减薄工艺中较易被暴露出来，从而能够被用于切割对准。

请依旧参考图10，在所述第一表面I形成氧化层310，所述氧化层310用于保护第一表面I且在后续的工艺中作为阻挡层，所述氧化层310覆盖所述切割标记303。

所述氧化层310材料为氧化硅，厚度为1500埃至2500埃。

所述氧化层310表面形成有粘合层320，所述粘合层320在后续工艺中用以形成第一粘合凸起。

所述粘合层320材料为锗或锗铝合金。由于粘合层形成的第一粘合凸起后续要与第二衬底的第二粘合凸起对应键合，而锗键合能力较佳，做为一实施例，所述粘合层320的材料为锗。所述粘合层320的厚度为4500埃至5500埃。还需要说明的是，为了后续工艺对准方便，所述粘合层320内还形成有对准标记321，所述对准标记321暴露出所述氧化层310，所述对准标记321用于在晶振的形成方法内起到对准作用，以保障各步骤的形成工艺不会偏离工艺窗口。

但是，需要说明的是，由于MEMS形成晶振的过程中需要将第一衬底300与后续的第二衬底键合，并沿第一衬底300的第二表面II减薄，减薄时必然会将背部对准标记301磨除；而形成在粘合层320的对准标记321也会在形成真空腔的工艺中被刻蚀去除，因此，所述背部对准标记301和对准标记321无法在后续切割工艺中被有效利用，使得切割工艺时容易出现偏差。

请参考图11，在粘合层320表面形成掩膜图形(未图示)，以所述掩膜图形为掩膜，刻蚀所述粘合层320形成第一粘合凸起322。

所述第一粘合凸起322用于后续与第二衬底的第二粘合凸起键合，以形成容纳振动晶体的真空腔。

本领域的技术人员可以根据导电电极的尺寸和材料，以选择合适的刻蚀工艺，例如等离子体刻蚀或湿法刻蚀，在此特意说明，不应过分限制本发明的保护范围。

请参考图12，沿第一表面I刻蚀第一衬底300，形成真空腔330，所述真空腔330的深度小于切割标记303厚度。

所述真空腔330被若干所述切割标记303包围。

所述真空腔330的形成步骤为：在所述氧化层310和导电电极322表面形成光刻胶图形350，以所述光刻胶图形350为掩膜，刻蚀所述氧化层310和第一衬底300，形成真空腔330；在形成真空腔330后，去除所述光刻胶图形350。

所述刻蚀采用深反应离子刻蚀工艺，本领域的技术人员可以根据待形成的真空腔的尺寸选择深反应离子刻蚀，在此特意说明，不应过分限制本发明保护的范围。

作为一实施例，所述真空腔330的深度为20微米至40微米(所述真空腔330的深度为真空腔330底部与第一衬底300第一表面I的距离)。

需要说明的是，在本实施例中，所述切割标记303是在真空腔330之前形成的，在其他实施例中，所述切割标记也可以在真空腔之后形成、或所述切割标记的硅通孔部分与真空腔同时形成。

做为一实施例，所述切割标记303可以在真空腔330形成后，采用光刻胶图形保护所述真空腔，所述光刻胶图形还暴露出若干所述氧化层310，然后采用刻蚀工艺刻蚀出硅通孔；在所述硅通孔内填入填充物，形成切割标记。

作为另一实施例，也可以在形成真空腔的同时形成初级的硅通孔，后续采用光刻胶保护所述真空腔，暴露出初级硅通孔，再采用刻蚀工艺沿初级硅通孔刻蚀预定厚度，形成硅通孔，使得硅通孔的深度大于真空腔深度，然后采用填充物填充所述硅通孔，形成切割标记。

在本实施例中，所述切割标记303紧邻所述第一粘合凸起322，使得后续切割是能够最大限度去除多余的第一衬底300。

还需要说明的是，在形成真空腔330的步骤中，可以同时在真空腔的侧壁形成外部开口331，以减薄后续需要切割去除的部分第一衬底300；在形成外部开口331时，在本实施例中会相应的刻蚀部分切割标记303；在其他实施例中，可以选择不形成外部开口331。

请参考图13，提供第二衬底400，所述第二衬底400表面具有振动晶体401。

所述第二衬底400为单晶的半导体材料，比如所述第二衬底400可以为单晶硅、单晶锗硅、单晶的半导体材料（比如II－VI族、III－V族化合物半导体），所述第二衬底400也可以为非晶衬底材料或者多晶衬底材料。

所述振动晶体401在电场的影响下，产生规律性的振动，并通过正负极向外输出具有固定频率的时钟信号。所述振动的频率取决于振动晶体401的材质。

作为一实施例，所述振动晶体401材料为锗化硅或多晶硅。

所述第二衬底400表面还具有驱动电极，部分所述驱动电极为所述振动晶体401振动提供电场；部分所述驱动电极接受振动晶体401的振动向外输出具有固定频率的时钟信号。

所述第二衬底400还包括第二粘合凸起402，所述第二粘合凸起402材料为锗或锗铝合金。

请参考图14，将第一衬底300与第二衬底400键合，所述真空腔330正对振动晶体401。

采用高温键合工艺将将第一衬底300和第二衬底400键合，由于所述第一粘合凸起采用锗或锗铝合金，从而能够与锗或锗铝合金所述第二粘合凸起402键合形成稳固结构，使得真空腔330容纳所述振动晶体401，从而在振动晶体401振动时提供振动空间。

所述高温键合工艺参数为：键合温度为300度至500度。

请参考图15，沿第二表面II减薄第一衬底300，直至暴露出所述切割标记303。

减薄工艺为研磨工艺，采用砂轮对第一衬底进行减薄，减薄后，真空腔330底部的第一衬底厚度为100微米至200微米；所述研磨工艺参数为：砂轮转数为1000转/分钟-4000转/分钟。

需要说明的是，切割标记303可以作为研磨工艺的停止标记，以防止高速研磨的过度去除；另外，减薄后，所述切割标记303完全贯穿了减薄的第一衬底300，使得后续沿切割标记303切割时沿第一衬底300的纵向切割精准，且述切割标记303贯穿了减薄的第一衬底300，使得切割过程时切割不会在横向产生偏离，进一步提高了切割的精度。

还需要说明的是，沿第二表面II减薄第一衬底300，必然会将所述背部对准标记301去除。

请参考图16，沿所述切割标记303对所述第一衬底300进行切割。

所述切割工艺为机械切割工艺，使得部分所述驱动电极暴露，从而较易进行电学连接。

图17为对第一衬底减薄后，本发明实施例与现有技术的对比示意图（未进行切割前），图17中的a是现有技术中对第一衬底减薄后，沿第一衬底的第二表面俯视图，从图17的a中明显可以看出：所有的对准标记都完全去除，切割时没有任何参考标记；而图17中的b是采用本发明实施例对第一衬底减薄后，沿第二表面俯视图，从图17的b中可以明显看到，第一衬底的第二表面暴露出多个切割标记，若干切割标记围绕真空腔。后续可以沿切割标记进行切割，使得切割工艺完全自动化且能够与CMOS切割工艺兼容。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (19)

1.一种晶振的形成方法，其特征在于，包括：

提供第一衬底，所述第一衬底具有第一表面和与第一表面相对的第二表面；

沿第一表面形成若干硅通孔和真空腔，其中所述硅通孔围绕所述真空腔，且所述硅通孔深度大于真空腔深度；

在所述硅通孔内填入填充物形成切割标记；

提供第二衬底，所述第二衬底表面具有振动晶体；

将第一衬底与第二衬底键合，所述真空腔正对振动晶体；

沿第二表面减薄第一衬底，直至暴露出所述切割标记；

沿所述切割标记对所述第一衬底进行切割。

2.如权利要求1所述的晶振的形成方法，其特征在于，所述硅通孔深度为80微米至300微米。

3.如权利要求1所述的晶振的形成方法，其特征在于，所述真空腔的深度为20微米至40微米。

4.如权利要求1所述的晶振的形成方法，其特征在于，所述填充物材料为二氧化硅或氮化硅。

5.如权利要求1所述的晶振的形成方法，其特征在于，所述硅通孔的形成步骤在真空腔的形成步骤之前；或所述硅通孔的形成步骤在真空腔的形成步骤之后。

6.如权利要求1所述的晶振的形成方法，其特征在于，切割标记和真空腔的形成步骤包括：在形成真空腔的同时形成初级的硅通孔，采用光刻胶保护所述真空腔，暴露出初级硅通孔，采用刻蚀工艺沿初级硅通孔刻蚀预定厚度，形成硅通孔，使得硅通孔的深度大于真空腔深度，采用填充物填充所述硅通孔，形成切割标记。

7.如权利要求1所述的晶振的形成方法，其特征在于，所述硅通孔的形成工艺为深反应离子刻蚀工艺。

8.如权利要求1所述的晶振的形成方法，其特征在于，所述第一表面形成有氧化层。

9.如权利要求8所述的晶振的形成方法，其特征在于，所述氧化层表面形成有粘合层。

10.如权利要求9所述的晶振的形成方法，其特征在于，所述粘合层材料为锗或锗铝合金。

11.如权利要求9所述的晶振的形成方法，其特征在于，所述粘合层厚度为4500埃至5500埃。

12.如权利要求8所述的晶振的形成方法，其特征在于，所述氧化层厚度为1500埃至2500埃。

13.如权利要求1所述的晶振的形成方法，其特征在于，所述振动晶体材料为锗化硅或多晶硅。

14.如权利要求1所述的晶振的形成方法，其特征在于，所述第二衬底表面还具有第二粘合凸起。

15.如权利要求14所述的晶振的形成方法，其特征在于，所述第二粘合凸起材料为锗或锗铝合金。

16.如权利要求15所述的晶振的形成方法，其特征在于，将导电电极与驱动电极键合，使得真空腔容纳所述振动晶体，从而在振动晶体振动时提供振动空间。

17.如权利要求16所述的晶振的形成方法，其特征在于，所述键合工艺参数为：键合温度为300度至500度。

18.如权利要求1所述的晶振的形成方法，其特征在于，所述减薄为研磨工艺。

19.如权利要求18所述的晶振的形成方法，其特征在于，所述研磨工艺参数为：砂轮转数为1000转/分钟-4000转/分钟。