CN205115033U - Mems器件、半导体器件 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种MEMS器件、半导体器件，所述MEMS器件具有密闭的腔体，所述腔体具有在第一平面内延伸的内壁，所述内壁包括用于淀积吸气剂薄膜的薄膜淀积区域，所述薄膜淀积区域形成有一个或多个凹槽，所述凹槽的侧壁与所述第一平面的夹角大于0°且小于180°，所述吸气剂薄膜覆盖所述凹槽的侧壁。本实用新型能够在常规的蒸发、溅射设备上以较小的入射角度形成吸气剂薄膜，即形成多孔性、高粗糙度的吸气剂薄膜。

Description

MEMS器件、半导体器件

技术领域

本实用新型涉及吸气剂薄膜的制造技术，尤其涉及一种MEMS器件、半导体器件。

背景技术

参考图1，图1示出了一种典型的MEMS器件的剖面结构，主要包括器件衬底101和封帽衬底102，器件衬底101和封帽衬底102通过键合材料105键合在一起。键合在一起的器件衬底101和封帽衬底102形成密闭的腔体103。通常要求腔体103内保持较高的真空度，例如其真空度要达到毫托级别。

真空封装是MEMS技术的难题之一，真空密封性的好坏对MEMS器件的性能有重要的影响，甚至决定着器件能否正常工作。由于键合材料105和腔体103周围材料内残余气体的存在和释放，随着器件工作时间的推移，腔体103内的真空度会逐渐降低，从而缩短了器件的使用寿命。因此，现有技术中通常利用吸气剂薄膜104来吸收MEMS器件封装后的残余气体，以提高并维持器件真空度。吸气剂薄膜104可以通过物理吸附和化学反应等方式来吸收腔体103内的气体，以延长器件的使用寿命，保证器件工作的稳定性和可靠性。吸气剂薄膜104通常是多孔性、高粗糙度的薄膜，该薄膜具有高孔隙率的纳米柱状结构，其表面积更大，从而可以改善气体吸收效果。

非蒸发型吸气剂在MEMS领域有着广泛的应用。目前，常用的非蒸发型吸气剂的主要材料为Ti、Zr、Tu以及这些元素的合金等，其中，Ti、Zr可作为单一元素形态作为吸气剂材料。Ti、Zr等吸气剂可在短时间内提高MEMS元器件的真空度以达到正常的工作范围，并能够吸收完成封装的MEMS器件在高温下释放出的内部残留气体，从而提高、保持MEMS器件内腔体的真空度。通常而言，多孔性以及高表面粗糙度的吸气剂形态可大大提高吸气剂的吸气速率、吸气量，甚至在常温环境下仍具有较高的吸气速率。因此，发展多孔状态的吸气剂尤其是非蒸发型吸气剂的工艺技术，对于MEMS器件的发展具有重要的意义。

如上所述，多孔性、高粗糙度的吸气剂具有较大表面积，因此可大大的提高吸气剂的吸气性能。通常认为，形成多孔性、高粗糙度的吸气剂，其加工工艺需满足以下三个条件：(1)较低的衬底温度；(2)较低的沉积(或者称为淀积)动能(例如，低功率，高压等)；(3)较小的入射角度。其中，较低的温度，较低的沉积动能可以通过调整工艺参数来比较容易地实现。但是，较小的入射角度通常需要通过调整衬底角度来实现，使衬底的沉积表面与入射方向呈所需角度。

更加具体而言，较小的入射角度使溅射出来的原子产生自屏蔽效应，导致先前到达衬底的原子遮挡了后续原子的行进路径，降低了原子选择沉积位置的机会，从而使得形成的薄膜呈现多孔性、高粗糙度的状态。有文献记载，当沉积入射角度为60°-90°时，单位质量吸气剂薄膜的表面积为2m²/g；而当沉积入射角度10°-60°时，随着沉积角度的减小，单位质量吸气剂薄膜的表面积增大，当入射角度为10°时，单位质量吸气剂薄膜的表面积可达26m²/g。

根据上述讨论，入射角度是多孔性、高粗糙度的吸气剂薄膜加工工艺的关键因素之一。而目前很多半导体工厂的设备入射角通常为90度，衬底无法偏转，从而不具有调整溅射、蒸发的入射角度的能力，导致无法制造出多孔性、高表面粗糙度的吸气剂薄膜。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种MEMS器件、半导体器件，能够在常规的蒸发、溅射设备上以较小的入射角度形成吸气剂薄膜，也即可以形成多孔性、高粗糙度的吸气剂薄膜。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种MEMS器件，所述MEMS器件具有密闭的腔体，所述腔体具有在第一平面内延伸的内壁，所述内壁包括用于淀积吸气剂薄膜的薄膜淀积区域，所述薄膜淀积区域形成有一个或多个凹槽，所述凹槽的侧壁与所述第一平面的夹角大于0°且小于180°，所述吸气剂薄膜覆盖所述凹槽的侧壁。

根据本实用新型的一个实施例，所述凹槽的侧壁与所述第一平面的夹角为20°～90°。

根据本实用新型的一个实施例，所述凹槽的形状为圆弧形、梯形或V形。

根据本实用新型的一个实施例，所述吸气剂薄膜的材料选自Ti、Zr、Tu或者其任意组合形成的合金。

根据本实用新型的一个实施例，相邻的凹槽之间相互邻接或具有间隔。

根据本实用新型的一个实施例，所述MEMS器件包括器件衬底和封帽衬底，所述器件衬底上形成有第一空腔，所述封帽衬底上形成有第二空腔，所述封帽衬底与所述器件衬底键合，所述第一空腔和第二空腔拼合形成所述腔体。

为了解决上述技术问题，本实用新型还提供了一种半导体器件，包括：半导体衬底，所述半导体衬底具有在第一平面内延伸的表面，所述表面包括用于淀积吸气剂薄膜的薄膜淀积区域，所述薄膜淀积区域形成有一个或多个凹槽，所述凹槽的侧壁与所述第一平面的夹角大于0°且小于180°，所述吸气剂薄膜覆盖所述凹槽的侧壁。

根据本实用新型的一个实施例，所述凹槽的侧壁与所述第一平面的夹角为20°～90°。

根据本实用新型的一个实施例，所述凹槽的形状为圆弧形、梯形或V形。

根据本实用新型的一个实施例，所述吸气剂薄膜的材料选自Ti、Zr、Tu或者其任意组合形成的合金。

根据本实用新型的一个实施例，相邻的凹槽之间相互邻接或具有间隔。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

本实用新型实施例的MEMS器件中，腔体内壁的薄膜淀积区域形成有一个或多个凹槽，凹槽的侧壁与腔体内壁所处的第一平面的夹角大于0°且小于180°，而吸气剂薄膜淀积过程中的入射方向基本上垂直于该第一平面，这使得凹槽侧壁与原子入射方向呈一较小的角度，从而可以利用常规的蒸发、溅射等薄膜淀积设备而无需偏转衬底即可在凹槽侧壁上形成多孔性、高粗糙度的吸气剂薄膜，有利于增加吸气剂薄膜的有效表面积。

本实用新型实施例的MEMS器件的制造方法与晶圆级封装工艺兼容，在晶圆级真空封装技术中具有广泛的应用前景。

附图说明

图1是现有技术中一种MEMS器件的剖面结构示意图；

图2是根据本实用新型第一实施例的MEMS器件的剖面结构示意图；

图3是根据本实用新型第二实施例的半导体器件的剖面结构示意图；

图4是根据本实用新型第三实施例的半导体器件的剖面结构示意图；

图5至图9是根据本实用新型第四实施例的半导体器件的制造方法中各步骤对应的剖面结构示意图；

图10至图12是根据本实用新型第五实施例的半导体器件的制造方法中各步骤对应的剖面结构示意图；

图13是根据本实用新型第六实施例的MEMS器件的制造方法形成的MEMS器件的剖面结构示意图；

图14是根据本实用新型第二实施例的半导体器件的局部扫描电镜图；

图15是图14的局部放大图；

图16是根据本实用新型第二实施例的半导体器件中位于凹槽侧壁上的吸气剂薄膜的表面扫描电镜图；

图17是根据本实用新型第二实施例的半导体器件中位于半导体衬底上的吸气剂薄膜的表面扫描电镜图；

图18是根据本实用新型第二实施例的半导体器件中位于凹槽侧壁和半导体衬底上的吸气剂薄膜的俯视扫描电镜图；

图19是图18的局部放大图；

图20是根据本实用新型第二实施例的半导体器件中位于半导体衬底上的吸气剂薄膜的断面扫描电镜图；

图21是根据本实用新型第二实施例的半导体器件中位于半导体衬底上的吸气剂薄膜的表面扫描电镜图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本实用新型作进一步说明，但不应以此限制本实用新型的保护范围。

第一实施例

参考图2，第一实施例的MEMS器件具有密闭的腔体203。该腔体203可以通过器件衬底201和封帽衬底202键合而形成。更加具体而言，器件衬底201和封帽衬底202上分别具有空腔，器件衬底201和封帽衬底202可以通过键合材料205键合在一起，从而使得器件衬底201和封帽衬底202上的空腔对位拼合形成腔体203。器件衬底201和封帽衬底202可以是硅衬底，例如<100>晶向、<111>晶向或<110>晶向的硅衬底。器件衬底201上的空腔内还可以形成有各种MEMS元件。

优选地，该键合材料205与腔体203之间的器件衬底201和/或封帽衬底202可以形成有溢流凹槽，用于容纳键合过程中横向延展的键合材料205，以避免键合材料205侵入腔体203中。

腔体203具有一内壁2031，例如，该内壁2031可以是封帽衬底202上的空腔的底面，该内壁2031在第一平面内延伸。通常而言，该第一平面可以平行于封帽衬底202上的空腔所处的表面。

该内壁2031包含薄膜淀积区域，以用于淀积吸气剂薄膜204。其中，该薄膜淀积区域的内壁形成有一个或多个凹槽，该凹槽的侧壁与第一平面的夹角大于0°且小于180°，吸气剂薄膜204覆盖在凹槽的侧壁上。优选地，该凹槽的侧壁与第一平面的夹角为20°～90°。

该凹槽的形状可以是圆弧形、梯形或V型，例如，图2所示的例子中是V型。在第一实施例中，相邻的凹槽彼此邻接，换言之，相邻凹槽之间基本上不存在间隔或空隙。

吸气剂薄膜204任何适当的吸气剂类型，例如非蒸发型吸气剂。吸气剂薄膜204的材料可以选自Ti、Zr、Tu或者其任意组合形成的合金，另外，该吸气剂薄膜204中还可以含有Ni等光吸收材料。

第二实施例

参考图3，第二实施例的半导体器件包括：半导体衬底200，该半导体衬底200具有在第一平面延伸的表面2001，该表面2001包括用于淀积吸气剂薄膜的薄膜淀积区域。半导体衬底200可以是耐热玻璃等常见的晶圆级封装衬底、硅衬底等。作为一个非限制性的例子，本实施例中的半导体衬底200是硅衬底，例如晶向为<100>、<111>晶向或<110>的硅衬底。

该薄膜淀积区域形成有一个或多个凹槽，该凹槽的侧壁与第一平面的夹角大于0°且小于180°，吸气剂薄膜204覆盖在凹槽的侧壁上。优选地，该凹槽的侧壁与第一平面的夹角为20°～90°。

该凹槽的形状可以是圆弧形、梯形或V型，例如，图3所示的例子中是V型。在第二实施例中，相邻的凹槽彼此之间具有间隔，换言之，相邻的凹槽之间被半导体衬底200的表面2001隔开。吸气剂薄膜204还覆盖在凹槽之间的表面2001上。

吸气剂薄膜204任何适当的吸气剂类型，例如非蒸发型吸气剂。吸气剂薄膜204的材料可以选自Ti、Zr、Tu或者其任意组合形成的合金。

第二实施例中的半导体器件可以是MEMS器件的一部分，或者也可以是其他类型的半导体器件的一部分。

第三实施例

参考图4，图4示出了第三实施例的半导体器件的剖面结构图，其与图3基本相同，主要区别在于：相邻凹槽之间彼此邻接，并不存在间隔。此外，凹槽的侧壁与第一平面的夹角也略有不同。

第四实施例

下面结合图5至图9对第四实施例的半导体器件的制造方法进行详细说明，第四实施例的制造方法针对的是第二实施例的半导体器件。

参考图5，提供半导体衬底200。该半导体衬底200可以是硅衬底，例如晶向为<100>、<111>或<110>的硅衬底。该半导体衬底200具有在第一平面内延伸的表面2001。

在表面2001上淀积形成掩膜层201。该掩膜层201的材料可以是光刻胶、SiO₂、Si₃N₄、Au、Cu，或者其他适当的材料。

作为一个非限制性的例子，掩膜层201可以是厚度为的SiO₂层，其形成方法可以是表面氧化法。

参考图6，图形化掩膜层201，以定义出凹槽的图形，形成腐蚀窗口。对掩膜层201进行图形化的方法可以包括光刻显影、湿法刻蚀、干法刻蚀等。

参考图7，以图形化的掩膜层201为掩膜对半导体衬底200进行刻蚀，以形成一个或多个凹槽206。凹槽206的刻蚀方式可以是干法刻蚀、湿法刻蚀、离子束轰击刻蚀、激光切割、离子铣等方式中的一种或多种。作为一个非限制性的例子，可以采用KOH或TMAH等腐蚀液进行湿法刻蚀，以形成凹槽206。优选地，该凹槽206的侧壁与第一平面的夹角可以是54.7°，凹槽206的形状为V形，凹槽206的深度为5-30μm。

形成的多个凹槽206中，相邻的凹槽206之间具有间隔。换言之，相邻的凹槽206之间被半导体衬底200的表面隔开。

参考图8，移除图形化的掩膜层。例如，可以采用BOE腐蚀液移除SiO₂材质的掩膜层。

参考图9，淀积吸气剂薄膜204，该吸气剂薄膜204至少覆盖凹槽的侧壁。在本实施例中，吸气剂薄膜204还覆盖相邻凹槽之间的半导体衬底200的表面。

其中，吸气剂薄膜204的形成方法可以是溅射、蒸发等方式，其原子入射方向垂直于第一平面。由于凹槽的侧壁与第一平面的夹角大于0°且小于180°，因此，入射方向与凹槽侧壁的夹角必然是小于90°的角。由此，通过控制凹槽侧壁的倾斜程度，可以使得入射方向与凹槽侧壁形成较优的角度，从而可以形成多孔性、高表面粗糙度的吸气剂薄膜204。

需要说明的是，相邻凹槽之间的半导体衬底200的表面仍然垂直于入射方向，因此，覆盖在凹槽之间的半导体衬底200的表面上的吸气剂薄膜204较为致密，其多孔性和表面粗糙度都较低。这一点可以从图14至图21看出，图14至图21示出为不同拍摄角度和位置的扫描电镜图。更具体而言，图14为图3或图9中位于半导体衬底200上的吸气剂薄膜204和位于凹槽侧壁上的吸气剂薄膜204的交界处的剖面扫描电镜图；图15是图14的局部放大图，用以更清楚地呈现吸气剂薄膜204在交界处的形貌；图16是图14中位于凹槽侧壁上的吸气剂薄膜的表面扫描电镜图；图17是图14中位于半导体衬底上的吸气剂薄膜的表面扫描电镜图；图18是图14对应的交界处的俯视扫描电镜图；图19是图18的局部放大图；图20是图14中位于半导体衬底上的吸气剂薄膜的断面扫描电电镜图；图21是图14中位于凹槽侧壁上的吸气剂薄膜的表面扫描电镜图。

尤其而言，从图16和图17的对比可以看出，图16所示的位于凹槽侧壁的吸气剂薄膜具有良好的多孔性，表面粗糙度较高，换言之，位于凹槽侧壁的吸气剂薄膜具有良好的纳米柱状结构，这样的特性使得吸气剂薄膜具有良好的吸气效果；而图17、图20和图21所示的位于半导体衬底表面上的吸气剂薄膜较为致密，其多孔性较差，表面粗糙度较低，并不具备纳米柱状结构。另外，从图18和图19所示的俯视图也可以清楚地看出位于凹槽侧壁的吸气剂薄膜和位于半导体衬底上的吸气剂薄膜的对比。

实际上，在现有技术中，如果淀积设备并不具备偏转衬底角度的功能，那么将会以基本上90°的入射角度在衬底表面淀积吸气剂薄膜，如此，整个吸气剂薄膜都是如同图17、20、21所示的致密结构，导致气体吸收效果较差。而在本实施例中，位于凹槽侧壁上的吸气剂薄膜具有多孔性、表面粗糙度高的特点，至少部分地改善了吸气剂薄膜的气体吸收效果。进一步而言，如果相邻凹槽之间不具有间隔，那么吸气剂薄膜将基本上全部位于凹槽侧壁上，如图2和图4所示，这将进一步改善气体吸收效果。

当然，在形成吸气剂薄膜时，入射方向也可以不垂直于第一平面，使得入射方向与第一平面的夹角为90°以外的其他角度。例如，在具备衬底偏转的淀积设备中，可以结合衬底的偏转以及凹槽侧壁相对于第一平面的倾斜角度来实现入射方向与凹槽侧壁夹角的最优化，从而实现吸气特性优良的吸气剂薄膜。

第五实施例

下面结合图10至图12对第五实施例的半导体器件的制造方法进行详细说明，第五实施例的制造方法针对的是第三实施例的半导体器件。

具体而言，第五实施例的制造方法中的在先步骤可以参考图5至图7及其相关描述；后续的步骤参考图10至图12进行描述。

参考图10，在以图形化的掩膜层201湿法腐蚀一定时间后，继续增加腐蚀时间，使得凹槽206变宽、变深，从而使得相邻的凹槽206彼此邻接。

参考图11，移除图形化的掩膜层201，移除方法可以参见先前的描述。

参考图12，淀积吸气剂薄膜204，吸气剂薄膜204覆盖凹槽的侧壁。吸气剂薄膜的形成方法可以参见先前的描述。

第六实施例

参考图13，提供器件衬底201和封帽衬底202。器件衬底201上形成有第一空腔，封帽衬底202上形成有第二空腔。第一空腔或第二空腔具有在第一平面内延伸的内壁2021，作为一个非限制性的例子，该内壁2021位于封帽衬底202内的第二空腔中，具体而言，该内壁2021位第二空腔的底面。当然，该内壁也可以位于器件衬底201的第一空腔内。

之后，在内壁2021上形成一个或多个凹槽，该凹槽的侧壁与第一平面的夹角大于0°且小于180°。凹槽的形成方法可以参见前述第四或第五实施例的相关描述。

之后，淀积吸气剂薄膜204，吸气剂薄膜204至少覆盖凹槽的侧壁，淀积时的入射方向垂直于第一方向。需要说明的是，本文的“垂直”并非限于严格垂直，还包括在垂直方向上有适度偏差的情况。

吸气剂薄膜204的淀积方法可以参见前述第四、第五实施例的相关描述。

之后，可以将器件衬底201和封帽衬底202键合，例如，通过键合材料205键合。键合后，第一空腔和第二空腔拼合形成密闭的腔体203。

应该理解到的是上述实施例只是对本实用新型的说明，而不是对本实用新型的限制，任何不超出本实用新型实质精神范围内的实用新型创造，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，均落入本实用新型保护范围之内。

Claims (11)

1.一种MEMS器件，所述MEMS器件具有密闭的腔体，所述腔体具有在第一平面内延伸的内壁，所述内壁包括用于淀积吸气剂薄膜的薄膜淀积区域，其特征在于，所述薄膜淀积区域形成有一个或多个凹槽，所述凹槽的侧壁与所述第一平面的夹角大于0°且小于180°，所述吸气剂薄膜覆盖所述凹槽的侧壁。

2.根据权利要求1所述的MEMS器件，其特征在于，所述凹槽的侧壁与所述第一平面的夹角为20°～90°。

3.根据权利要求1所述的MEMS器件，其特征在于，所述凹槽的形状为圆弧形、梯形或V形。

4.根据权利要求1所述的MEMS器件，其特征在于，所述吸气剂薄膜的材料选自Ti、Zr、Tu或者其任意组合形成的合金。

5.根据权利要求1所述的MEMS器件，其特征在于，相邻的凹槽之间相互邻接或具有间隔。

6.根据权利要求1所述的MEMS器件，其特征在于，所述MEMS器件包括器件衬底和封帽衬底，所述器件衬底上形成有第一空腔，所述封帽衬底上形成有第二空腔，所述封帽衬底与所述器件衬底键合，所述第一空腔和第二空腔拼合形成所述腔体。

7.一种半导体器件，包括：半导体衬底，所述半导体衬底具有在第一平面内延伸的表面，所述表面包括用于淀积吸气剂薄膜的薄膜淀积区域，其特征在于，所述薄膜淀积区域形成有一个或多个凹槽，所述凹槽的侧壁与所述第一平面的夹角大于0°且小于180°，所述吸气剂薄膜覆盖所述凹槽的侧壁。

8.根据权利要求7所述的半导体器件，其特征在于，所述凹槽的侧壁与所述第一平面的夹角为20°～90°。

9.根据权利要求7所述的半导体器件，其特征在于，所述凹槽的形状为圆弧形、梯形或V形。

10.根据权利要求7所述的半导体器件，其特征在于，所述吸气剂薄膜的材料选自Ti、Zr、Tu或者其任意组合形成的合金。

11.根据权利要求7所述的半导体器件，其特征在于，相邻的凹槽之间相互邻接或具有间隔。