CN109292729B - 一种全硅环境隔离mems器件的制备方法 - Google Patents

一种全硅环境隔离mems器件的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种全硅环境隔离MEMS器件的制备方法，包括以下步骤：在第一单晶硅片顶面中部刻蚀加热电阻图形、在顶面四周刻蚀悬臂梁图形；在第一SOI硅片的衬底硅四周刻蚀形成预埋空腔；第一SOI与第一单晶硅片硅硅直接键合；在第一SOI硅片的顶层硅上制备MEMS底部电极晶圆；在第二SOI硅片上制备MEMS敏感可动结构；第一SOI与第二SOI硅片硅硅直接键合；在第二单晶硅片顶面集成MEMS结构处理电路与温度控制电路；制备盖帽，盖帽与MEMS底部电极晶圆玻璃浆料键合，形成晶圆级真空封装；对第一单晶硅片底面减薄，形成加热电阻与悬臂梁；划片使加热电阻露出引线键合区；在引线键合区制备加热电阻PAD；划片露出MEMS器件PAD，完成所述全硅环境隔离MEMS器件的制备；整个器件可实现高性能指标，极大提高了环境适应性。

Description

一种全硅环境隔离MEMS器件的制备方法
技术领域
本发明涉及微机电技术领域，具体是一种全硅环境隔离MEMS器件的制备方法。
背景技术
微机电系统（Micro Electro-Mechanical Systems,MEMS）是在微电子制造技术基础上发展起来的一门跨学科技术，利用光刻、刻蚀、成膜、键合等微细加工手段形成电子机械结构，融合了电子、材料、机械、物理、化学、生物等多种领域。MEMS以其小型化、低功耗、批量化生产、成本低等诸多优点吸引了人们的广泛关注，在消费电子、汽车电子、智能终端、物联网、生物医学、国防技术等领域有广泛应用。
目前，硅基MEMS器件占据了整个MEMS行业的大部分市场份额，尤其是硅基MEMS惯性器件已经应用到日常生活的方方面面，MEMS器件在一般民用市场已经非常成熟。但对于高端应用领域，通常应用环境比较复杂，涉及高低温、振动、冲击等，MEMS器件表现出来的环境适应性还难以满足应用需求。
通常MEMS器件中都包含了可动结构，可动结构一般也是利用硅材料制备。由于硅材料的杨氏模量等物理参数随温度变化会有明显的改变，导致可动结构的各方面参数也随之变化，致使硅MEMS器件性能指标对工作温度比较敏感，这就限制了MEMS器件在高端领域的应用。另外，敏感可动结构对外界的振动冲击等也非常敏感，导致器件在振动冲击环境中指标偏离或者失效。
发明内容
本发明的目的在于提供一种全硅环境隔离MEMS器件的制备方法，通过本方法制备得到的MEMS器件具有恒温温控功能，且能够隔离振动冲击，提高MEMS器件的环境适应性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种全硅环境隔离MEMS器件的制备方法，包括以下步骤：
S1、取第一单晶硅片，利用光刻与深硅刻蚀工艺，在第一单晶硅片顶面中部刻蚀加热电阻图形、在第一单晶硅片顶面四周刻蚀悬臂梁图形；
S2、取第一SOI硅片，利用光刻、二氧化硅刻蚀及深硅刻蚀工艺，在第一SOI硅片的衬底硅四周刻蚀形成预埋空腔；
S3、第一SOI硅片的衬底硅底部与第一单晶硅片顶面硅硅直接键合；
S4、利用光刻与刻蚀工艺在第一SOI硅片的顶层硅上制备MEMS可动结构浅腔、引线图形以及保护氧化层，构成MEMS底部电极晶圆；
S5、取第二SOI硅片，第二SOI硅片与第一SOI硅片硅硅直接键合；
S6、通过减薄、光刻、刻蚀释放以及PAD金属化工艺，在第二SOI硅片上制备MEMS敏感可动结构；
S7、取第二单晶硅片，在第二单晶硅片顶面集成MEMS结构处理电路与温度控制电路，在第二单晶硅片底部通过光刻与刻蚀形成空腔，使第二单晶硅片构成盖帽，在键合环上印刷玻璃浆料；
S8、盖帽与MEMS底部电极晶圆玻璃浆料键合，形成晶圆级真空封装；
S9、对第一单晶硅片底面减薄，形成加热电阻与悬臂梁；
S10、划片使加热电阻露出引线键合区；
S11、在引线键合区制备加热电阻PAD；
S12、划片露出MEMS器件PAD，完成所述全硅环境隔离MEMS器件的制备。
本发明还提供另外一种技术方案，具体为
一种全硅环境隔离MEMS器件的制备方法，包括以下步骤：
S1、取第一SOI硅片，利用光刻与深硅刻蚀工艺在第一SOI硅片的顶层硅中部刻蚀加热电阻图形、在顶层硅四周刻蚀悬臂梁图形，刻蚀时刻蚀至第一SOI硅片的埋氧层；
S2、取第二SOI硅片，利用光刻、二氧化硅刻蚀及深硅刻蚀工艺，在第二SOI硅片的衬底硅四周刻蚀形成预埋空腔；
S3、第二SOI硅片的衬底硅底部与第一SOI硅片的顶层硅硅直接键合；
S4、利用光刻与刻蚀工艺在第二SOI硅片的顶层硅上制备MEMS可动结构浅腔、引线图形以及保护氧化层，构成MEMS底部电极晶圆；
S5、取第三SOI硅片，第三SOI硅片的顶层硅与MEMS底部电极晶圆硅硅直接键合；
S6、通过减薄、光刻、刻蚀释放以及PAD金属化工艺，在第三SOI硅片上制备MEMS敏感可动结构；
S7、取单晶硅片，在单晶硅片顶面集成MEMS结构处理电路与温度控制电路，在单晶硅片底部通过光刻与刻蚀形成空腔，使单晶硅片构成盖帽，在键合环上制备玻璃浆料；
S8、盖帽与MEMS底部电极晶圆玻璃浆料键合，形成晶圆级真空封装；
S9、对第一SOI硅片底部减薄至埋氧层，并腐蚀埋氧层，形成加热电阻与悬臂梁；
S10、划片使加热电阻露出引线键合区；
S11、在引线键合区制备加热电阻PAD；
S12、划片露出MEMS器件PAD，完成所述全硅环境隔离MEMS器件的制备。
本发明的有益效果是：采用全硅晶圆级工艺，工艺应力低，单芯片集成了MEMS敏感结构、MEMS结构处理电路与温度控制电路、环境隔离结构，加热电阻、温度传感电阻均在隔离硅片上形成，为单晶硅材料，工艺兼容性好，工艺加工简单；整个器件采用降低热对流和热传导损失的管壳封装方式；工作时，温度控制电路控制加热电阻将整个MEMS芯片结构加热到超过环境要求的最高温度进行恒温控制，不管环境温度如何变化，始终保持MEMS器件温度不变；悬臂梁构成的弹性结构可以吸收大部分振动冲击，起到振动冲击隔离的作用，提高MEMS器件的环境适应性；整个器件可实现高性能指标，极大提高了环境适应性，并具有体积小、功耗低、成本低、可批量化制造等优点。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
图1是本发明实施例一步骤S1的示意图；
图2是本发明实施例一步骤S2的示意图；
图3是本发明实施例一步骤S3的示意图；
图4是本发明实施例一步骤S4的示意图；
图5是本发明实施例一步骤S5的示意图；
图6是本发明实施例一步骤S6的示意图；
图7是本发明实施例一步骤S7的示意图；
图8是本发明实施例一步骤S8的示意图；
图9是本发明实施例一步骤S9的示意图；
图10是本发明实施例一步骤S10的示意图；
图11是本发明实施例一步骤S11的示意图；
图12是本发明实施例一步骤S12的示意图；
图13是本发明实施例一得到的全硅环境隔离MEMS器件的俯视图；
图14是本发明实施例一得到的全硅环境隔离MEMS器件的仰视图；
图15是本发明实施例二步骤S1的示意图；
图16是本发明实施例二步骤S2的示意图；
图17是本发明实施例二步骤S3的示意图；
图18是本发明实施例二步骤S4的示意图；
图19是本发明实施例二步骤S5的示意图；
图20是本发明实施例二步骤S6的示意图；
图21是本发明实施例二步骤S7的示意图；
图22是本发明实施例二步骤S8的示意图；
图23是本发明实施例二步骤S9的示意图；
图24是本发明实施例二步骤S10的示意图；
图25是本发明实施例二步骤S11的示意图；
图26是本发明实施例二步骤S12的示意图。
具体实施方式
实施例一
本发明提供一种全硅环境隔离MEMS器件的制备方法，包括以下步骤：
S1、如图1所示，取第一单晶硅片1，利用光刻与深硅刻蚀工艺，在第一单晶硅片顶面中部刻蚀加热电阻图形2、在第一单晶硅片1顶面四周刻蚀悬臂梁图形3；第一单晶硅片1采用N型或者P型低阻双面抛光单晶硅；
S2、结合图2所示，取第一SOI硅片4，利用光刻、二氧化硅刻蚀及深硅刻蚀工艺，在第一SOI硅片4的衬底硅4a四周刻蚀形成预埋空腔5；
S3、结合图3所示，第一SOI硅片4的衬底硅底部与第一单晶硅片1的顶面硅硅直接键合；
S4、结合图4所示，利用光刻与刻蚀工艺在第一SOI硅片1的顶层硅上制备MEMS可动结构浅腔6、引线图形7以及保护氧化层8，构成MEMS底部电极晶圆；
S5、结合图5所示，取第二SOI硅片9，第二SOI硅片9与第一SOI硅片4硅硅直接键合；
S6、结合图6所示，通过减薄、光刻、刻蚀释放以及PAD金属化工艺，在第二SOI硅片9上形成密封环10、可动结构缝隙11与MEMS器件PAD12，制备MEMS敏感可动结构，并形成温度传感电阻23；
S7、结合图7所示，取第二单晶硅片13，在第二单晶硅片13顶面集成MEMS结构处理电路与温度控制电路14，以及电路PAD15；在第二单晶硅片13底部通过光刻与刻蚀形成空腔16，使第二单晶硅片13构成盖帽17，盖帽17底边还印刷烧结有键合环玻璃浆料18；
S8、结合图8所示，盖帽17与MEMS底部电极晶圆玻璃浆料键合，形成晶圆级真空封装；
S9、结合图9所示，对第一单晶硅片1底面减薄，形成加热电阻19与悬臂梁20；
S10、结合图10所示，划片使加热电阻19露出引线键合区21；
S11、结合图11所示，在引线键合区制备加热电阻PAD22；
S12、结合图12～14所示，划片露出MEMS器件PAD12，完成所述全硅环境隔离MEMS器件的制备。
实施例二
本发明还提供另外一种技术方案，具体为
一种全硅环境隔离MEMS器件的制备方法，包括以下步骤：
S1、如图15所示，取第一SOI硅片1，利用光刻与深硅刻蚀工艺在第一SOI硅片1的顶层硅中部刻蚀加热电阻图形2、在顶层硅四周刻蚀悬臂梁图形3，刻蚀时刻蚀至第一SOI硅片1的埋氧层；
S2、结合图16所示，取第二SOI硅片4，利用光刻、二氧化硅刻蚀及深硅刻蚀工艺，在第二SOI硅片4的衬底硅四周刻蚀形成预埋空腔5；
S3、结合图17所示，第二SOI硅片4的衬底硅底部与第一SOI硅片1的顶层硅硅直接键合；
S4、结合图18所示，利用光刻与刻蚀工艺在第二SOI硅片4的顶层硅上制备MEMS可动结构浅腔5、引线图形6以及保护氧化层7，构成MEMS底部电极晶圆；
S5、结合图19所示，取第三SOI硅片8，第三SOI硅片8的顶层硅与MEMS底部电极晶圆硅硅直接键合；
S6、结合图20所示，通过减薄、光刻、刻蚀释放以及PAD金属化工艺，在第三SOI硅片8上形成密封环9、可动结构缝隙10与MEMS器件PAD11，制备MEMS敏感可动结构，并形成温度传感电阻22；
S7、结合图21所示，取单晶硅片12，在单晶硅片12顶面集成MEMS结构处理电路与温度控制电路13，以及电路PAD14，并在单晶硅片12底部通过光刻与刻蚀形成空腔15，使单晶硅片构成盖帽16；盖帽16底边还印刷烧结有键合环玻璃浆料17；
S8、结合图22所示，盖帽16与MEMS底部电极晶圆玻璃浆料键合，形成晶圆级真空封装；
S9、结合图23所示，对第一SOI硅片1底部减薄至埋氧层，并腐蚀埋氧层，形成加热电阻18与悬臂梁19；
S10、结合图24所示，划片使加热电阻18露出引线键合区20；
S11、结合图25所示，在引线键合区制备加热电阻PAD21；
S12、结合图26所示，划片露出MEMS器件PAD11，完成所述全硅环境隔离MEMS器件的制备。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (2)

1.一种全硅环境隔离MEMS器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、取第一单晶硅片，利用光刻与深硅刻蚀工艺，在第一单晶硅片顶面中部刻蚀加热电阻图形、在第一单晶硅片顶面四周刻蚀悬臂梁图形；
S2、取第一SOI硅片，利用光刻、二氧化硅刻蚀及深硅刻蚀工艺，在第一SOI硅片的衬底硅四周刻蚀形成预埋空腔；
S3、第一SOI硅片的衬底硅底部与第一单晶硅片顶面硅硅直接键合；
S4、利用光刻与刻蚀工艺在第一SOI硅片的顶层硅上制备MEMS可动结构浅腔、引线图形以及保护氧化层，构成MEMS底部电极晶圆；
S5、取第二SOI硅片，第二SOI硅片与第一SOI硅片硅硅直接键合；
S6、通过减薄、光刻、刻蚀释放以及PAD金属化工艺，在第二SOI硅片上制备MEMS敏感可动结构以及温度传感电阻；
S7、取第二单晶硅片，在第二单晶硅片顶面集成MEMS结构处理电路与温度控制电路，在第二单晶硅片底部通过光刻与刻蚀形成空腔，使第二单晶硅片构成盖帽，盖帽键合环上设置有玻璃浆料；
S8、盖帽与MEMS底部电极晶圆玻璃浆料键合，形成晶圆级真空封装；
S9、对第一单晶硅片底面减薄，形成加热电阻与悬臂梁；
S10、划片使加热电阻露出引线键合区；
S11、在引线键合区制备加热电阻PAD；
S12、划片露出MEMS器件PAD，完成所述全硅环境隔离MEMS器件的制备。
2.一种全硅环境隔离MEMS器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、取第一SOI硅片，利用光刻与深硅刻蚀工艺在第一SOI硅片的顶层硅中部刻蚀加热电阻图形、在顶层硅四周刻蚀悬臂梁图形，刻蚀时刻蚀至第一SOI硅片的埋氧层；
S2、取第二SOI硅片，利用光刻、二氧化硅刻蚀及深硅刻蚀工艺，在第二SOI硅片的衬底硅四周刻蚀形成预埋空腔；
S3、第二SOI硅片的衬底硅底部与第一SOI硅片的顶层硅硅直接键合；
S4、利用光刻与刻蚀工艺在第二SOI硅片的顶层硅上制备MEMS可动结构浅腔、引线图形以及保护氧化层，构成MEMS底部电极晶圆；
S5、取第三SOI硅片，第三SOI硅片的顶层硅与MEMS底部电极晶圆硅硅直接键合；
S6、通过减薄、光刻、刻蚀释放以及PAD金属化工艺，在第三SOI硅片上制备MEMS敏感可动结构；
S7、取单晶硅片，在单晶硅片顶面集成MEMS结构处理电路与温度控制电路，在单晶硅片底部通过光刻与刻蚀形成空腔，使单晶硅片构成盖帽，盖帽键合环上设置有玻璃浆料；
S8、盖帽与MEMS底部电极晶圆玻璃浆料键合，形成晶圆级真空封装；
S9、对第一SOI硅片底部减薄至埋氧层，并腐蚀埋氧层，形成加热电阻与悬臂梁；
S10、划片使加热电阻露出引线键合区；
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Address after: No. 2016, Tanghe Road, economic development zone, Bengbu City, Anhui Province 233000

Patentee after: Anhui North Microelectronics Research Institute Group Co.,Ltd.

Address before: No. 2016, Tanghe Road, economic development zone, Bengbu City, Anhui Province 233000

Patentee before: NORTH ELECTRON RESEARCH INSTITUTE ANHUI Co.,Ltd.