CN106167248A - 热隔离微机电系统（mems）器件的单片制造 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及热隔离微机电系统（MEMS）器件的单片制造。提供了一种用于制造热隔离微机电系统（MEMS）结构的方法。所述方法包括用玻璃晶片来处理第一材料的第一晶片以形成复合衬底，该复合衬底包括玻璃和第一材料的至少一个牺牲结构；在第二材料中形成MEMS器件；在以下各项中的至少一个上形成至少一个温度感测元件：复合衬底；以及MEMS器件；以及蚀刻掉复合衬底中的第一材料的所述至少一个牺牲结构以形成至少一个热隔离玻璃弯曲部分。在热隔离台阶上通过所述至少一个热隔离玻璃弯曲部分将MEMS器件热隔离。所述至少一个温度感测元件在以下各项中的相应至少一个上：热隔离台阶；以及MEMS器件。

Description

热隔离微机电系统（MEMS）器件的单片制造
相关申请的交叉引用
本申请要求2015年5月22日提交的题为MONOLITHIC FABRICATION OF THERMALLY ISOLATED MEMS DEVICES的美国临时专利申请序号62/165,286的权益，该申请通过引用被结合到本文中。
背景技术
要求一些微机电系统（MEMS）器件在宽温度范围内进行操作，但是这些器件的性能常常受到温度变化的不利影响。例如，MEMS惯性传感器的偏置和比例因子从-45℃至85℃显著地改变。为了使这些影响最小化，常常基于一次性工厂校准对传感器输出数据进行温度补偿。校准缓解差错但并未将其完全消除。常常用来进一步改善MEMS器件的一种方法是保持器件在刚好在最大指定操作温度以上的温度下被加热。使MEMS器件温度稳定在理论上消除了温度变化的不利影响。
温度稳定化常常要求不可接受的功率消耗水平。如果实现了充分的热隔离，则可以用有限的功率消耗来执行主动温度控制。现有技术系统中的充分热隔离由于施加于器件几何结构和材料的约束而要求增加复杂性（和因此增加成本）。
由现有技术提供的解决方案包括其中与MEMS管芯分开地制造热隔离台阶（stage）的非单片系统。在制造热隔离台阶之后，通过焊接、热超声结合、凸块结合等将MEMS管芯附着到热隔离台阶。由于需要以下两者而增加了成本和复杂性：1）制造单独热隔离台阶的过程；以及2）将MEMS管芯附着到热隔离台阶的过程。将管芯附着到热隔离台阶的附加处理可能对MEMS管芯的长期稳定性有害，并且由于附着点的机械漂移而导致退化的性能。
发明内容
本申请涉及用于制造热隔离微机电系统（MEMS）结构的方法。该方法包括用玻璃晶片来处理第一材料的第一晶片以形成复合衬底，该复合衬底包括玻璃和第一材料的至少一个牺牲结构；在第二材料中形成MEMS器件；在以下各项中的至少一个上形成至少一个温度感测元件：复合衬底；以及MEMS器件；以及蚀刻掉复合衬底中的第一材料的至少一个牺牲结构以形成至少一个热隔离玻璃弯曲部分。在热隔离台阶上通过所述至少一个热隔离玻璃弯曲部分将MEMS器件热隔离。所述至少一个温度感测元件在以下各项中的相应至少一个上：热隔离台阶；以及MEMS器件。
附图说明
图1-7是根据本申请的实施例的包括嵌入玻璃中的至少一个嵌入式牺牲结构的复合衬底的各种生产阶段的横截面侧视图；
图8A、8B和9是针对根据本申请的实施例的处理第二晶片以在衬底上形成MEMS器件的实施例的各种生产阶段的横截面侧视图；
图10示出了被结合到图5的复合衬底的图9的已处理第二晶片；
图11-12是根据本申请的一个实施例的处于各种生产阶段的在集成热隔离台阶上的MEMS结构的横截面侧视图；
图13示出了根据本申请的一个实施例的封装上的MEMS结构的实施例的顶视图；
图14是图13的MEMS结构的实施例的第一横截面侧视图；
图15是图13的MEMS结构的实施例的第二横截面侧视图；
图16示出了根据本申请的一个实施例的MEMS结构的另一实施例的横截面侧视图；
图17示出了根据本申请的一个实施例的MEMS结构的另一实施例的横截面侧视图；以及
图18示出了根据本申请的MEMS结构的另一实施例的横截面侧视图。
根据一般惯例，各种描述的特征未被描绘成比例，而是被绘制以强调与示例性实施例有关的特定特征。
具体实施方式
本文中描述的微机电系统（MEMS）结构或器件体系结构的实施例将MEMS器件集成在热隔离结构中以将MEMS器件与外部环境热隔离。热隔离结构由充分地不导热以将MEMS器件与外部环境隔离的材料形成。出于本说明书的目的，在其上集成了MEMS器件的术语“热隔离结构”是具有足够低的导热率使得热传递（到MEMS器件或从MEMS器件）以相对低的速率发生的结构。在本实施例的一个实施方式中，热隔离结构包括热隔离台阶和至少一个热隔离弯曲部分。
本文中描述的MEMS结构是低成本MEMS结构，其以相对低的功率要求将MEMS器件维持在期望的温度。通过主动地将热隔离台阶加热来将热隔离台阶维持在所选温度。维持热隔离台阶的期望温度所需的功率比在现有技术系统中的低得多，因为支撑MEMS器件的热隔离台阶通过至少一个热隔离弯曲部分与外部环境热隔离。
热隔离弯曲部分是将包含MEMS器件的热隔离台阶连接到被锚定到封装的固定框的梁（beam）。出于本说明书的目的，术语“热隔离弯曲部分”是一个或多个弯曲部分，其具有足够低的导热率，使得从热隔离台阶到外框的热传递至少部分地由于弯曲部分的小横截面面积而以相对低的速率发生。在本实施例的一个实施方式中，热隔离结构由玻璃形成。
当热隔离结构由玻璃形成时，与玻璃热隔离台阶集成的MEMS器件通过至少一个热隔离玻璃弯曲部分与外部环境热隔离。在本文中可交换地使用术语“热隔离玻璃弯曲部分”、“热隔离弯曲部分”以及“玻璃弯曲部分”。
在本实施例的另一实施方式中，热隔离结构由除玻璃之外的材料形成，该材料具有适当熔点以允许制造MEMS结构，并且具有适当导热率以使热隔离台阶上的集成MEMS器件热隔离。适当熔点低于在下面描述的复合衬底中的牺牲材料的熔点。适当导热率小于或处于玻璃的导热率的数量级（即，处于或小于1 W/m-K的数量级）。
本文中描述的热隔离MEMS结构的一些实施例是在包括至少一个牺牲结构和玻璃的复合衬底中用嵌入式牺牲材料制造的。本文中描述的热隔离MEMS结构的其它实施例是用包括至少一个牺牲结构的复合衬底中的嵌入式牺牲材料以及具有适当熔点和适当导热率以允许制造MEMS结构的材料制造的。
如本文所使用的，术语“牺牲结构”指代在形成MEMS结构的过程完成之前被去除的材料层中形成的特征。本质上，牺牲结构充当用以定义MEMS结构的玻璃层中的热隔离特征的结构（形状、尺寸以及位置）的模具。
玻璃层中的牺牲结构的使用使得能够在MEMS体系结构中形成集成或嵌入式热隔离特征。将玻璃图案化的传统方法包括湿法化学蚀刻过程和深反应离子刻蚀。这些方法常常与MEMS器件体系结构中的各种材料不相容，并且因此作为在MEMS器件的玻璃层中制造热隔离特征的手段是不合期望的。
有利地，用本文中描述的牺牲材料过程，在用凹槽将玻璃图案化之前且在用于MEMS器件的金属化之前定义热隔离特征。为了实现这一点，用具有在玻璃的熔化或软化温度之上的熔化或软化温度的材料形成牺牲结构。因此，材料阵列可用于供作为牺牲结构之用。在一个实施例中，选择半导体材料（诸如本征硅）作为牺牲材料。除具有高熔化或软化温度之外，硅容易经由深反应离子刻蚀来进行微加工，从而使得能够形成对形成牺牲特征有用的高深宽比特征。
牺牲材料被设计成与后续MEMS过程步骤相容。在制造MEMS器件之后，可以用适当的蚀刻剂来去除嵌入式牺牲结构，从而在玻璃层中留下嵌入式热隔离特征。有利地，本技术适用于在其体系结构中包含玻璃层的任何MEMS结构。
下面描述的实施例提供了用于单片制造直接地集成在玻璃热隔离台阶上且被（一个或多个）玻璃弯曲部分锚定以将MEMS器件热隔离的MEMS器件的廉价方法。可以使用本文中描述的技术在单片热隔离封装中容易地制造MEMS器件，该MEMS器件是温度敏感的。由于本文中描述的MEMS结构在热隔离封装方面没有现有技术MEMS结构那么复杂，所以本文中描述的MEMS结构制造起来是相对廉价的，并且可以在不要求大量的功率来将MEMS器件保持在最佳操作温度的情况下在大的温度范围内使用。
本文中描述的制造过程使用使得能够在玻璃中嵌入牺牲结构的现有制造过程。这些牺牲结构稍后被去除以在玻璃中制作切口（空隙）。玻璃中的切口被用来形成至少一个玻璃弯曲部分、固定玻璃框以及保持MEMS器件的热隔离台阶。由于玻璃具有低导热率，所以玻璃弯曲部分具有高热阻，这使附着台阶的加热期间的功率消耗最小化。将附着到至少一个玻璃弯曲部分的热隔离台阶与MEMS器件单片集成。因此，该单片制造系统与现有技术系统相比制造起来不那么复杂且不那么昂贵。
在本实施例的一个实施方式中，通过一个或多个玻璃弯曲部分将玻璃热隔离台阶锚定到固定框以使得能够实现MEMS器件的低功率主动温度控制。可以在（一个或多个）玻璃弯曲部分上沉积具有可忽略的导热横截面的金属线（例如，迹线）以将外部电路电连接到MEMS器件和MEMS器件上或者保持MEMS器件的导热台阶上的任何其它温度控制或温度读取（即，温度感测）电路。在本实施例的一个实施方式中，在玻璃台阶上形成的电阻器被用于加热和/或温度读出（感测）。以这种方式，控制玻璃台阶的温度以改善MEMS器件的准确度和稳定性。
可以在复合衬底上或在结合到复合衬底的第二晶片上形成MEMS器件。下面参考图1-14描述的处理步骤提供了用以在相应至少一个玻璃热隔离台阶上建立至少一个MEMS器件的两个可选的可能制造流程。在本实施例的一个实施方式中，MEMS器件是一个或多个硅MEMS惯性传感器。MEMS器件可包括但不限于检测块、交错梳齿、弯曲部分和其它电极。参考热隔离台阶上的MEMS器件来描述用以制造MEMS结构的实施例的处理步骤。应理解的是用以制造MEMS结构的实施例的处理步骤适用于制造在相应的多个玻璃热隔离台阶上制造包括多个MEMS器件的多个MEMS结构。
图1-7是根据本申请的实施例的包括嵌入玻璃中的至少一个嵌入式牺牲结构的复合衬底的各种生产阶段的横截面侧视图。提供第一材料的第一晶片100（图1）。第一晶片100是在当在促使玻璃软化的温度下处理时保持其形状的任何材料中制造的晶片。在本实施例的一个实施方式中，第一材料是半导体材料。在本实施例的另一实施方式中，第一材料是硅。在本实施例的又一实施方式中，第一晶片100是P型硅晶片100。下面参考图1-5和6B-13来描述该后者实施例。
蚀刻第一材料层108以形成至少一个牺牲结构110（图2）。牺牲结构110被支撑在图案化和蚀刻完成之后剩余的第一晶片100的底部部分109上。至少一个牺牲结构110限定用于所述至少一个热隔离玻璃弯曲部分和热隔离台阶的模具。在本实施例的一个实施方式中，使用深反应离子刻蚀（DRIE）来对硅晶片100进行图案化和蚀刻以形成牺牲硅结构110，其在本文中也被称为“牺牲结构110”。可以使用其它技术来形成牺牲结构110。
根据MEMS器件、热隔离台阶以及玻璃弯曲部分的期望设计来将牺牲结构110图案化。在形成牺牲硅结构110之后，将图2中示出的蚀刻硅晶片110称为“图案化第一晶片115”或“图案化硅晶片115”。
如图3中示出的，玻璃晶片125在小于外部环境气氛75（即，压强P1）的气氛（即，压强P2）被定位于图案化第一晶片115上且被结合到（例如，被阳极结合到）图案化第一晶片115。结合到图案化第一晶片115的玻璃晶片125在本文中被称为晶片堆叠105。在本实施例的一个实施方式中，图案化第一晶片115是图案化硅晶片115，并且结合到图案化硅晶片115的玻璃晶片125在本文中被称为玻璃硅晶片堆叠105。参考作为硅晶片110的第一晶片110来描述以下示例性处理步骤。
玻璃晶片125在处于小于外部环境气氛75的压强P1（P1＞P2）的压强P2下的气氛中被结合到图案化第一晶片115，由表面111、玻璃晶片125的表面119以及牺牲结构110（例如，牺牲第一材料结构110）包围的腔体116相对于环境气氛76的压强P1处于较低压强P2。在本文中也将玻璃晶片125称为实心玻璃晶片125，因为为了确保在结合过程期间形成低压腔体116，玻璃晶片125没有延伸通过玻璃晶片125的两个表面（相对表面119和126）的任何孔或开口。
在通常处于或约为大气压强的环境气氛75中，玻璃硅晶片堆叠105被加热至或超过玻璃的软化温度。环境气氛75的压强P1与腔体116中的气氛的较低压强P2之间的压强差ΔP＝P1－P2促使软化的玻璃被拉入腔体116中，如图4中示出的那样。该过程从晶片堆叠105（图3）形成改性玻璃晶片117（图4）。通过熔化/软化对实心玻璃晶片125（图3）进行改造作为覆盖牺牲硅结构110的区中的表面128上具有凸块124的改造玻璃晶片118。改性玻璃晶片117包括图案化硅晶片115的底部部分109、牺牲硅结构110和包围牺牲硅结构110（图2）的改造玻璃晶片118。
改造玻璃晶片118的表面128和硅晶片100的表面112（例如，改性玻璃晶片117的表面128和112被研磨、抛光和/或蚀刻以去除无关的硅和无关的玻璃以形成复合衬底120（图5），其在本文中也被称为“玻璃衬底120”。复合衬底120具有相对的玻璃表面126和127。为了确保嵌入式牺牲特征113不会突出到表面127以上，将牺牲硅结构110的末端129蚀刻至在复合衬底120的表面127以下或与复合衬底120的表面127齐平。
如本文定义的，无关的硅是图案化硅晶片115的底部部分109（图2）。如本文定义的，无关的玻璃包括玻璃凸块124和覆盖在改性玻璃晶片117的牺牲硅结构110的末端129以上的玻璃（图4）。图案化第一晶片115（图2和3）上的牺牲结构110被称为“复合衬底120中的牺牲结构113”、“嵌入式牺牲结构113”以及“嵌入式牺牲硅结构113”。
图1-5中示出的过程图示出用于用玻璃晶片100来处理第一材料的第一晶片100以形成包括玻璃和第一材料的至少一个牺牲结构110的复合衬底120的步骤。
在本实施例的一个实施方式中，直接地在复合衬底120的抛光第一表面127上形成用于MEMS结构的MEMS器件321。图1-6A中图示的处理步骤是形成具有嵌入式牺牲结构113的玻璃衬底120和集成在复合衬底120的第一表面127上的MEMS器件321所需的处理步骤。在本实施例中，在复合衬底120的抛光第一表面127上沉积第二材料层。然后，将第二材料层图案化并蚀刻以形成MEMS器件321。第二材料是如本领域的技术人员已知的适合于MEMS器件321的设计和功能的材料。在本实施例的另一实施方式中，在复合衬底120的抛光第一表面127上和/或在第二材料层上沉积至少一个导电层。对导电层进行图案化和蚀刻以形成以下各项中的至少一个：电路；电路部件；导电互连；结合焊盘；电极、用于加热的电阻器；以及用于温度读出的电阻器，其每个在本文中被称为元件130。
在本实施例的另一实施方式中，在结合到复合衬底120的第二晶片上形成MEMS器件321。图8A、8B和9是根据本申请的实施例的处理第二晶片210以在衬底215上形成MEMS器件321的实施例的各种生产阶段的横截面侧视图。图1-5、6B和7中图示的处理步骤示出了以下各项所需的处理步骤：形成具有嵌入式牺牲结构113的玻璃衬底120；形成用于稍后结合到图9中示出的MEMS器件321的凸起区域121和122；以及形成电气部件/或电气特征130。图8A、8B和9中图示的处理步骤示出了在第二晶片210的衬底215上形成MEMS器件321所需的处理步骤。如图10中示出的，然后将已处理第二晶片211（图9）结合到复合衬底120（图7）。
在图8A和8B中示出的实施例中，第二晶片210包括覆盖衬底215的表面224的器件层220。处理第二晶片210以在已处理第二晶片211的表面224上形成MEMS器件321（图9）。衬底215是用于在将第二晶片结合到复合衬底120时遵循处理步骤的把手（handle）。
在玻璃衬底120的表面127中对用于稍后结合到MEMS器件321的凸起区域121和122（图6B和7）进行图案化和蚀刻。为了确保嵌入式牺牲特征113不会在蚀刻复合衬底120的表面123以上突出，将牺牲硅结构110的末端129蚀刻至在复合衬底120的表面123（图6）以下或与该表面123齐平。
在本实施例的一个实施方式中，还在玻璃衬底120上形成电气部件和/或电气特征130。在这种情况下，在抛光第一表面127（图5）上或在复合衬底120中的凸起区域121和122之后被暴露的表面123（图6B）上沉积至少一个导电层。然后对所述至少一个导电层进行图案化（使用光致抗蚀剂和/或其它已知技术），并蚀刻以形成以下各项中的至少一个：电路；电路部件；导电互连；结合焊盘；电极、用于加热的电阻器；以及用于温度读出的电阻器。这些导电特征在本文中一般地被称为元件130。在本实施例的一个实施方式中，导电特征130由金属或金属合金形成。在本实施例的另一实施方式中，在半导体材料中形成导电特征130。
在本实施例的一个实施方式中，至少一个导电层被沉积，图案化和蚀刻以在通过玻璃衬底120的后处理形成的热隔离台阶上形成温度感测元件130。在本实施例的另一实施方式中，至少一个导电层被沉积，图案化和蚀刻以在热隔离台阶上形成温度控制元件130。在本实施例的又一实施方式中，至少一个导电层被沉积，图案化和蚀刻以在热隔离台阶上形成温度感测元件130和温度控制元件130。温度感测元件130和温度控制元件130可以是电阻元件。在本实施例的一个实施方式中，温度感测元件130是由在玻璃衬底120上图案化的电阻元件形成的惠斯通电桥130。
在其中通过处理图8A的第二晶片210来形成MEMS器件321（图9）的示例性实施例中，MEMS器件321包括第一部分221、第二部分222以及第三部分223。用于MEMS器件321的其它配置是可能的。在一个实施例中，在图9中示出的MEMS器件321上不存在温度感测元件或温度控制元件。
在本实施例的一个实施方式中，第二晶片210的衬底215是低掺杂P型硅衬底220，并且器件层220是高掺杂P++硅层220。用DRIE对第二晶片210进行图案化和处理以从高掺杂P++硅层220定义示例性硅MEMS器件321（图9）。在本实施例的另一实施方式中，在半导体材料中形成第二晶片210。在本实施例的又一实施方式中，在除半导体之外的材料中形成MEMS器件321。
在其中通过处理第二晶片210（图8A）来形成MEMS器件321（图9）的另一示例性实施例中，在第二晶片210（图8B）上沉积导电层135。进一步处理涂敷有导电层135的第二晶片212以如下描述的那样对具有可选温度感测元件131和/或温度控制元件131（可选地在图9中示出）的MEMS器件321进行图案化和蚀刻。在此后一实施例中，存在形成于MEMS器件132上的至少一个电路。温度感测元件131在本文中也被称为温度读出元件131。温度感测元件131是电阻元件，并且可以采取许多不同形式。在本实施例的又一实施方式中，将MEMS器件321的谐振频率设计成提供温度反馈。
在本实施例的一个实施方式中，导电层135是金属层。在本实施例的另一实施方式中，导电层135是半导体层。当在蚀刻半导体器件层220之前在MEMS衬底210上沉积，图案化和蚀刻导电层135时还形成用以将温度控制元件131和/或温度感测元件131通信地耦合到在MEMS结构外部的电路的迹线。
在本实施例的一个实施方式中，温度控制131和温度感测元件131中的一者或两者是惠斯通电桥131。在本实施例的另一实施方式中，MEMS器件321是MEMS传感器321。例如，MEMS器件321可以是MEMS惯性传感器321，并且包括加速度计321或陀螺仪321中的一个或多个。
在如图7中示出的复合衬底120或者如图9中示出的第二晶片210上的MEMS器件321中的至少一个上分别形成至少一个温度感测元件130或131。在本实施例的一个实施方式中，还在如图7中示出的复合衬底120或如图9中示出的第二晶片210上的MEMS器件321中的至少一个上形成至少一个温度控制元件130或131。在本实施例的另一实施方式中，在如图7中示出的复合衬底120上形成温度控制元件130，并在如图9中示出的第二晶片210上的MEMS器件321上形成温度感测元件131。在本实施例的又一实施方式中，在如图7中示出的复合衬底120上形成温度感测元件130，并在如图9中示出的第二晶片210上的MEMS器件321上形成温度控制元件131。在本实施例的又一实施方式中，在如图7中示出的复合衬底120上形成温度感测元件130和温度控制元件130两者。在本实施例的又一实施方式中，在如图9中示出的第二晶片210上的MEMS器件321上形成温度感测元件131和温度控制元件131两者。
图10示出了结合到图5的复合衬底120的图9的已处理第二晶片211。在本示例性实施例中，复合衬底120的凸起区域121和122被分别结合（例如，阳极结合）到MEMS器件321的第一部分221和第二部分223。如图10中示出的，在复合衬底120上形成温度感测元件130。
图11-12是根据本申请的一个实施例的处于各种生产阶段的在集成热隔离台阶上的MEMS结构的横截面侧视图。如图11中示出的，图10的结构已被处理以去除（蚀刻掉）低掺杂P型硅215，其在本文中被称为“硅把手”。使用化学蚀刻剂来在蚀刻低掺杂P型硅215的同时保持MEMS器件321的第一、第二以及第三部分221、222以及223中的高掺杂P++硅。
图12示出了嵌入玻璃衬底120中的牺牲硅结构113已被蚀刻掉使得剩余玻璃衬底420包括空隙329之后的图11的结构。牺牲硅结构113过去所在的区域现在是空隙329。空隙329在本文中还被称为玻璃衬底420中的“切口329”。剩余玻璃衬底420被附着到MEMS器件321。具有附着MEMS器件321的玻璃衬底420被称为MEMS结构250。玻璃衬底420还包括被配置成用于将MEMS结构250电耦合到封装/芯片载体的至少一个部位（例如，结合焊盘130）。
图13示出了根据本申请的一个实施例的封装350上的MEMS结构251的实施例的顶视图。MEMS结构251是在玻璃衬底420被切割而形成多个MEMS结构251之后形成的芯片（管芯）。封装350在本文中还被称为芯片载体350。图14是图13的芯片载体350上的MEMS结构251的实施例的第一横截面侧视图。在图13中通过剖面线14-14来指示在其上得到图14的横截面视图的平面。图15是图13的芯片载体350上的MEMS结构251的实施例的第二横截面侧视图。在图13中通过剖面线15-15来指示在其上得到图15的横截面视图的平面。
如从图13的顶视图示出的，通过从复合衬底120（图11）蚀刻掉第一材料的牺牲结构110而在玻璃衬底420中形成的空隙（切口329）形成热隔离台阶327、至少一个玻璃弯曲部分401以及玻璃框328。MEMS器件321被直接地建立到还支撑温度感测元件511的玻璃热隔离台阶327上。热隔离台阶327通过热隔离玻璃弯曲部分401而被连接到玻璃框328，这提供在MEMS器件321的主动温度控制期间使功率消耗最小化所必需的大的热阻。玻璃弯曲部分401的窄宽度W减少了热隔离台阶327上的MEMS器件321与玻璃框328之间的热流。
在图14和15的横截面视图中通过虚线框327示出了玻璃衬底420的热隔离台阶327的部分。在图14和15中通过虚线框328示出了玻璃衬底420的玻璃框328的部分。玻璃框328通过结合物214被附着到芯片载体350（图14和15）。
如图13中示出的，迹线134将MEMS器件321通信地耦合到结合焊盘132。玻璃衬底420的玻璃框328包括用于将MEMS结构251耦合到封装350上的结合物133的至少一个部位（结合焊盘132）。多个导线136将结合焊盘132电耦合到封装350上的结合焊盘133。经由迹线134和锚定玻璃框328上的结合焊盘132在MEMS器件321与封装350上的结合焊盘133之间路由电信号。
迹线134覆盖玻璃弯曲部分401。在图15中，示出了覆盖玻璃衬底420的玻璃框328的迹线134的横截面视图。在MEMS器件321与玻璃框328之间经由迹线134的热传递是可忽略的，因为迹线134具有比玻璃弯曲部分401的宽度W（图13）小得多的宽度。
本领域的技术人员认识到可以根据针对MEMS结构250中的MEMS器件321的结构和功能的要求将MEMS结构251封装。由于玻璃衬底420的低导热率，MEMS器件321与封装/芯片载体350热隔离。这使得能够实现MEMS器件321的低功率主动温度控制。
因此，结合到玻璃衬底420的器件层22（图8A）在热隔离台阶327上形成MEMS器件321和至少一个温度感测元件511。在本实施例的一个实施方式中，结合到玻璃衬底420的器件层220（图8A）形成MEMS器件321以及温度感测元件511，因此温度感测元件511在MEMS器件321上。在本实施例的一个实施方式中，温度感测元件511是惠斯通电桥511。在本实施例的另一实施方式中，温度控制元件511是MEMS器件321上的惠斯通电桥511。
在一些实施例中，MEMS器件321被两个玻璃衬底包围。在图16-18中示出了此类MEMS结构的实施例。图16-18示出了示例性玻璃弯曲部分401和501的各种实施例。图16示出了将MEMS结构351中的MEMS器件321热隔离的第一热隔离台阶327和第二热隔离台阶527的实施例。图17示出了将MEMS结构352中的MEMS器件321热隔离的附着到第一玻璃弯曲部分401的第一热隔离台阶327和附着到第二玻璃弯曲部分501的第二热隔离台阶527的实施例。图17示出了将MEMS结构353中的MEMS器件321热隔离的附着到第一玻璃弯曲部分401的第一热隔离台阶327和附着到第二玻璃弯曲部分501的第二热隔离台阶527的另一实施例。
图16-18中示出的实施例要求用第二固体玻璃晶片100来处理第三材料的第三晶片以形成第二复合衬底520，其包括玻璃和第三材料的至少一个牺牲结构110。第二复合衬底520被结合到包括MEMS器件321的第二晶片210，并且玻璃衬底420是第一玻璃衬底420。以这种方式，相应的图16、17或18的MEMS结构351、352或353包括设置在形成MEMS器件321的器件层220（图8A和8B）上的第二玻璃衬底520。MEMS器件321通过每个具有相应的热隔离玻璃弯曲部分401和501的两个热隔离台阶327和527（图16-18）热隔离。在这些实施例中，MEMS器件321被第一玻璃衬底420和第二玻璃衬底520包围。
具有第二实心玻璃晶片100的第三材料的第三晶片的处理包括上文参考图1-5描述的用于用实心玻璃晶片100来处理第一材料的第一晶片以形成第一复合衬底120的相同步骤。
第二玻璃衬底520还包含了嵌入式牺牲结构113、用于与MEMS器件321的区域221和223结合的玻璃的凸起区121和122以及图案化导电材料以形成用以充当互连、结合焊盘、电极、用于加热的电阻器以及用于温度读出的电阻器等的元件130。第二玻璃衬底520结合（例如，阳极结合）到晶片250（图12）以形成结合晶片堆叠，结合晶片堆叠的部分被示出为相应的图16、17和18中的MEMS结构351、352和353。以这种方式，将MEMS器件321密封在玻璃中。
在本实施例的一个实施方式中，第二玻璃衬底520被结合到晶片250（图12）以在蚀刻出牺牲硅结构113之前形成结合晶片堆叠。在这种情况下，使用化学蚀刻剂来去除嵌入结合晶片堆叠325（图13）的玻璃晶片120和520中的牺牲硅结构113。牺牲硅结构113过去所在的区域现在是第二复合衬底520中的切口329。在本实施例的另一实施方式中，第二玻璃衬底520被结合到晶片250（图12）以在蚀刻出牺牲硅结构113之后形成结合晶片堆叠。
本领域的技术人员在阅读和理解本文档时将理解通过用第二玻璃晶片来处理第三材料的第三晶片而形成第二玻璃衬底520以形成第二复合衬底，其包括玻璃和第三材料的至少一个牺牲结构。如图1-5中示出的，蚀刻第三材料层以形成至少一个牺牲结构110。至少一个牺牲结构110定义用于至少一个热隔离玻璃弯曲部分和用于MEMS器件321的第二热隔离台阶（例如，图17中示出的527）的模具。
第三材料的至少一个牺牲结构在小于外部环境气氛75（例如，压强P1）的气氛（例如，压强P2）中被结合到第二玻璃晶片125。第二玻璃晶片被加热超过玻璃软化温度以形成第二改性玻璃晶片117（图4），其中在玻璃中嵌入第三材料的至少一个牺牲结构110。第二改性玻璃晶片117的第一表面128和第二表面112被抛光。
在切割晶片堆叠之后，将成品管芯结合到封装/芯片载体350中。导线结合物136-1和136-2被分别附着到结合焊盘132-1和132-2（图16）以根据要求完成到外部电路的电连接。由于第一玻璃衬底420和第二玻璃衬底520的低导热率，所以结果产生的MEMS器件321与封装350（图13）和外部环境热隔离以使得能够实现MEMS器件321的低功率主动温度控制。
在本实施例的一个实施方式中，第三晶片的第三材料与第一晶片的第一材料相同。在本实施例的另一实施方式中，第三材料和第一材料是硅。
在其它实施例中，热隔离特征采取适合于将MEMS器件与由容纳器件的封装诱导的相对高的温度隔离的其它形状。
在本实施例的一个实施方式中，热隔离台阶327和527围绕或包围固定锚定件（例如，在管芯的中间的锚定件）或者管芯的部分被锚定，并且因此与封装热隔离。例如，在中心的管芯的部分未被热隔离，而在周界周围（例如，围绕在中心的管芯的热隔离部分）的区被热隔离。
示例实施例
示例1包括一种用于制造热隔离微机电系统（MEMS）结构的方法，该方法包括：用玻璃晶片来处理第一材料的第一晶片以形成复合衬底，该复合衬底包括玻璃和第一材料的至少一个牺牲结构；在第二材料中形成MEMS器件；在以下各项中的至少一个上形成至少一个温度感测元件：复合衬底；以及MEMS器件；以及蚀刻掉复合衬底中的第一材料的至少一个牺牲结构以形成至少一个热隔离玻璃弯曲部分，其中，在热隔离台阶上通过至少一个热隔离玻璃弯曲部分将MEMS器件热隔离，并且其中，至少一个温度感测元件在以下各项中的相应至少一个上：热隔离台阶；以及MEMS器件。
示例2包括示例1的方法，其中，用玻璃晶片来处理第一材料的第一晶片以形成复合衬底包括：蚀刻第一材料层以形成至少一个牺牲结构，所述至少一个牺牲结构定义用于所述至少一个热隔离玻璃弯曲部分和热隔离台阶的模具；在小于外部环境气氛的气氛中将第一材料的所述至少一个牺牲结构结合到玻璃晶片；将玻璃晶片加热超过玻璃软化温度以形成改性玻璃晶片，其中，在玻璃中嵌入第一材料的所述至少一个牺牲结构；对改性玻璃晶片的第一表面进行抛光；以及对改性玻璃晶片的第二表面进行抛光。
示例3包括示例2的方法，其中，所述玻璃晶片是第一玻璃晶片，并且所述复合衬底是第一复合衬底，该方法还包括：用第二玻璃晶片来处理第三材料的第三晶片以形成包括玻璃和第三材料的至少一个牺牲结构的第二复合衬底；以及将第二复合衬底结合到以下各项中的一个：包括MEMS器件的第二晶片；以及第一复合衬底。
示例4包括示例3的方法，其中，热隔离台阶是第一热隔离台阶，其中，改性玻璃晶片是第一改性玻璃晶片，并且其中，用第二玻璃晶片来处理第三材料的第三晶片以形成包括玻璃和第三材料的至少一个牺牲结构的第二复合衬底包括：蚀刻第三材料层以形成至少一个牺牲结构，所述至少一个牺牲结构定义用于至少一个热隔离玻璃弯曲部分和用于MEMS器件的第二个热隔离台阶的模具；在小于外部环境气氛的气氛中将第三材料的所述至少一个牺牲结构结合到第二玻璃晶片；将第二玻璃晶片加热超过玻璃软化温度以形成第二改性玻璃晶片，其中，在玻璃中嵌入第三材料的至少一个牺牲结构；对第二改性玻璃晶片的第一表面进行抛光；以及对第二改性玻璃晶片的第二表面进行抛光。
示例5包括示例1-4中的任一个的方法，其中，在第二材料中形成MEMS器件包括：在复合衬底上沉积第二材料层；以及对第二材料层进行图案化和蚀刻。
示例6包括示例1-5中的任一个的方法，其中，在第二材料中形成MEMS器件包括：处理第二材料中的第二晶片以在第二晶片上形成MEMS器件；以及将第二晶片结合到复合衬底。
示例7包括示例1-6中的任一个的方法，还包括：在复合衬底的抛光第一表面上沉积至少一个导电层；以及对所述至少一个导电层进行图案化和蚀刻以形成以下各项中的至少一个：电路；电路部件；导电互连；结合焊盘；电极、用于加热的电阻器；以及用于温度读出的电阻器。
示例8包括示例1-7中的任一个的方法，还包括：在以下各项中的至少一个上形成至少一个温度控制元件：复合衬底；以及MEMS器件，其中，在蚀刻掉复合衬底中的第一材料的至少一个牺牲结构时，所述至少一个温度控制元件在以下各项中的相应至少一个上：热隔离台阶；以及MEMS器件。
示例9包括示例1-8中的任一个的方法，其中，在以下各项中的至少一个上形成至少一个温度感测元件：复合衬底；以及MEMS器件包括：在复合衬底的抛光第一表面上将至少一个电阻元件图案化，其中，在蚀刻掉复合衬底中的第一材料的至少一个牺牲结构时，所述至少一个温度感测元件在热隔离台阶上。
示例10包括用于制造热隔离微机电系统（MEMS）结构的方法，所述方法包括：通过以下各项来形成包含至少一个嵌入式牺牲结构的复合衬底：蚀刻第一材料层以形成至少一个牺牲结构，所述至少一个牺牲结构定义用于至少一个热隔离玻璃弯曲部分和用于MEMS器件的热隔离台阶的模具；在小于外部环境气氛的气氛中将第一材料层结合到玻璃晶片；将玻璃晶片加热超过玻璃软化温度以形成改性玻璃晶片，其中，在玻璃中嵌入所述至少一个牺牲结构；对改性玻璃晶片的第一表面进行抛光；以及对改性玻璃晶片的第二表面进行抛光；在第二材料中形成MEMS器件；在以下各项中的至少一个上形成至少一个温度感测元件：复合衬底；以及MEMS器件；以及蚀刻掉复合衬底中的第一材料的至少一个牺牲结构以形成至少一个热隔离玻璃弯曲部分和热隔离台阶，其中，所述MEMS器件在热隔离台阶上被热隔离。
示例11包括示例10的方法，其中，在第二材料中形成MEMS器件包括：在复合衬底上沉积第二材料层；以及对第二材料层进行图案化和蚀刻。
示例12包括示例10-11中的任一个的方法，其中，在第二材料中形成MEMS器件包括：处理第二材料中的第二晶片以形成MEMS器件；所述方法还包括：在复合衬底的抛光第一表面上形成凸起区域；以及将第二晶片结合到复合衬底的凸起区域。
示例13包括示例12的方法，其中，所述复合衬底是第一复合衬底，所述方法还包括：处理第三材料的第三晶片以形成包括玻璃和第三材料的至少一个牺牲结构的第二复合衬底；以及将已处理第三晶片结合到包括MEMS器件的第二晶片。
示例14包括示例13的方法，其中，模具是第一模具，玻璃晶片是第一玻璃晶片，改性玻璃晶片是第一改性玻璃晶片，并且热隔离台阶是第一热隔离台阶，并且其中，处理第三材料的第三晶片以形成第二复合衬底还包括：蚀刻第三材料层以形成至少一个牺牲结构，所述至少一个牺牲结构定义用于至少一个热隔离玻璃弯曲部分和用于MEMS器件的第二热隔离台阶的第二模具；在小于外部环境气氛的气氛中将第三材料的至少一个牺牲结构结合到第二玻璃晶片；将第二玻璃晶片加热超过玻璃软化温度以形成第二改性玻璃晶片，其中，在玻璃中嵌入第三材料的至少一个牺牲结构；对第二改性玻璃晶片的第一表面进行抛光；以及对第二改性玻璃晶片的第二表面进行抛光。
示例15包括示例10-14中的任一个的方法，其中，在以下各项中的至少一个上形成至少一个温度感测元件：复合衬底；以及MEMS器件包括以下各项中的至少一个：在复合衬底的抛光第一表面上对至少一个电阻元件进行图案化和蚀刻，其中，在蚀刻掉复合衬底中的第一材料的至少一个牺牲结构时，所述至少一个温度感测元件在热隔离台阶上；以及对MEMS器件上的至少一个温度感测元件进行图案化和蚀刻。
示例16包括示例10-15中的任一个的方法，还包括：在以下各项中的至少一个上形成至少一个温度控制元件：复合衬底；以及MEMS器件。
示例17包括示例10-16中的任一个的方法，还包括：在复合衬底的抛光第一表面上沉积至少一个导电层；以及对所述至少一个导电层进行图案化和蚀刻以形成以下各项中的至少一个：电路；电路部件；导电互连；结合焊盘；电极、用于加热的电阻器；以及用于温度读出的电阻器。
示例18包括一种微机电（MEMS）结构，包括：复合衬底，包括从包括玻璃和第一材料的至少一个牺牲结构的复合衬底蚀刻掉第一材料的至少一个牺牲结构的空隙，所述复合衬底还包括被配置成用于将MEMS结构耦合到封装的至少一个部位；器件层，被附着到复合衬底，该器件层包括MEMS器件，其中，被至少一个热隔离玻璃弯曲部分热隔离的热隔离台阶支撑MEMS器件；以及以下各项中的至少一个上的至少一个温度感测元件：热隔离台阶；以及MEMS器件。
示例19包括示例18的MEMS结构，还包括：多个结合物，其将复合衬底耦合到封装，其中，被配置成用于将MEMS结构耦合到封装的至少一个部位包括：耦合到复合衬底中的玻璃框的多个凸块结合物。
示例20包括示例18-19中的任一个的MEMS结构，其中，复合衬底是第一复合衬底，MEMS结构还包括设置在器件层上的第二复合衬底，其中，热隔离台阶上的MEMS器件被第一复合衬底和第二复合衬底包围。
虽然在本文中已图示并描述了特定实施例，但本领域的普通技术人员将领会到，被计划来实现相同目的任何布置可以代替所示出的特定实施例。因此，显然旨在仅仅由权利要求及其等价物来限制本发明。

Claims (3)

1.一种用于制造热隔离微机电系统（MEMS）结构（251）的方法，所述方法包括：
用玻璃晶片（125）来处理第一材料的第一晶片（100）以形成复合衬底（120），所述复合衬底（120）包括玻璃和第一材料的至少一个牺牲结构（110）；
在第二材料中形成MEMS器件（321）；
在以下各项中的至少一个上形成至少一个温度感测元件（130）：复合衬底（120）；以及MEMS器件（321）；以及
蚀刻掉复合衬底（120）中的第一材料的至少一个牺牲结构（110）以形成至少一个热隔离玻璃弯曲部分（401），其中，在热隔离台阶（327）上通过所述至少一个热隔离玻璃弯曲部分（401）将MEMS器件（321）热隔离，并且其中，所述至少一个温度感测元件（130）在以下各项中的相应至少一个上：热隔离台阶（327）；以及MEMS器件（321）。
2.权利要求1的方法，其中，用玻璃晶片（125）来处理第一材料的第一晶片（100）以形成复合衬底（120）包括：
蚀刻第一材料层（108）以形成至少一个牺牲结构（110），所述至少一个牺牲结构（110）定义用于所述至少一个热隔离玻璃弯曲部分（401）和热隔离台阶（327）的模具；
在小于外部环境气氛的气氛中将第一材料的所述至少一个牺牲结构（110）结合到玻璃晶片（125）；
将玻璃晶片（125）加热超过玻璃软化温度以形成改性玻璃晶片（117），其中，在玻璃中嵌入第一材料的所述至少一个牺牲结构（110）；
对改性玻璃晶片（117）的第一表面（128）进行抛光；以及
对改性玻璃晶片（117）的第二表面（112）进行抛光。
3.权利要求2的方法，
其中，玻璃晶片（125）是第一玻璃晶片（125），并且复合衬底（120）是第一复合衬底（120），所述方法还包括：
用第二玻璃晶片（125）来处理第三材料的第三晶片以形成第二复合衬底（120），所述第二复合衬底（120）包括玻璃和第三材料的至少一个牺牲结构（110）；以及
将第二复合衬底（120）结合到以下各项中的一个：包括MEMS器件（321）的第二晶片；以及第一复合衬底（120）。
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