CN217264846U - Mems器件 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了MEMS器件，属于传感器技术领域，包括：支撑结构、位于支撑结构上的器件结构和位于器件结构上的盖顶结构；在器件结构和盖顶结构中设置至少两个腔体；至少一个腔体包括气孔，腔体通过气孔与外界连通；气孔位于盖顶结构中。本实用新型的MEMS器件，通过设置气孔，气孔位于盖顶结构，便于后续对盖顶结构进行减薄，改变气孔的深度。MEMS器件中一个腔体真空度为初始真空度；另一个腔体的真空度为将该腔体开孔后，再进行重密封开孔后环境的真空度，使得MEMS器件的真空度发生改变。

Description

MEMS器件

技术领域

本实用新型涉及移动通信技术领域，尤其涉及MEMS器件。

背景技术

MEMS(Microelectromechanical System，微机电系统)惯性传感器中的加速度传感器和陀螺仪器件正常工作时对环境的真空度的要求是不同的，陀螺仪要求高Q值因此采用真空封装，而加速度计采用低压封装。

单独的三轴加速度计和三轴陀螺仪不利于集成，为了提高集成度，对于具备不同真空度的单个MEMS传感器的需求也应运而生。

同时，传统的系统级封装(SIP，System In a Package)不利于提高集成度，需要更好的封装形式来减小芯片体积。

实用新型内容

实用新型目的：本实用新型的目的在于提供MEMS器件，使得气孔位于盖顶结构中，便于改变气孔的深度。

技术方案：为实现上述实用新型目的，本实用新型的MEMS器件，包括：支撑结构、位于所述支撑结构上的器件结构和位于所述器件结构上的盖顶结构；

在所述器件结构和盖顶结构中设置至少两个腔体；

至少一个所述腔体包括气孔，所述腔体通过所述气孔与外界连通；

所述气孔位于所述盖顶结构中。

在一些实施例中，至少一个所述腔体的真空度为所述气孔密封时外界的真空度。通过设置不同真空度的腔体，实现至少两种真空度的MEMS器件。

在一些实施例中，在所述气孔中设置膜层或者硅，所述气孔通过所述膜层或所述硅密封。

在一些实施例中，所述气孔包括相互连通的第一开孔和第二开孔。所述第一开孔和第二开孔通过至少两次开孔形成。通过设置第一开孔和第二开孔，采用至少两次开孔的方式形成所述第一开孔和第二开孔，可以分别设置不同的孔径和孔的深度，实现不同的工艺需求。

在一些实施例中，所述第一开孔的孔径等于或者大于所述第二开孔的孔径。所述第一开孔的孔径等于所述第二开孔的孔径，此时至少两次开孔形成第一开孔和第二开孔，分次形成便于控制和满足工艺需求；或者，所述第一开孔的孔径大于所述第二开孔的孔径，进一步实现较大孔径和深度刻蚀。

在一些实施例中，所述第一开孔的深度与所述第二开孔的深度之和等于所述气孔的深度。在一些实施例中，所述第一开孔和所述第二开孔接触并贯通形成所述气孔，所述气孔的深度等于所述第一开孔的深度与所述第二开孔的深度之和。

在一些实施例中，减薄后所述盖顶结构对应位置处的厚度为100-200微米，所述第一开孔孔径为1-10微米，所述第二开孔孔径为几十微米以上。

在一些实施例中，所述盖顶结构采用减薄机减薄。所述盖顶减薄后，在减薄位置处设置气孔。

在一些实施例中，所述盖顶结构包括位于所述腔体外侧的第一表面和位于所述腔体内侧第二表面，所述气孔包括：

贯穿所述第二表面的第一开孔和贯穿所述第一表面的第二开孔；

或者，

贯穿所述第二表面的第二开孔和贯穿所述第一表面的第一开孔。

在一些实施例中，所述器件结构和所述盖顶结构中包括加速度传感器和/或陀螺仪器件。

在一些实施例中，加速度传感器和陀螺仪器件根据需求设置，其中，陀螺仪器件所在的腔体的真空度比加速度传感器所在的腔体的真空度高。

在一些实施例中，所述器件结构与所述盖顶结构通过第二介质层连接。

在一些实施例中，所述支撑结构包括第一衬底，所述器件结构与所述第一衬底通过键合层连接。

在一些实施例中，所述键合层包括第一金属和第二金属。

在一些实施例中，在所述键合层和所述第一衬底之间设置第一介质层，在所述第一介质层上设有焊盘。

在一些实施例中，所述支撑结构包括专用集成电路，所述器件结构与所述专用集成电路的输入端子相连。

在一些实施例中，所述支撑结构包括第二衬底，在所述第二衬底和所述器件结构之间设置第三介质层，所述第三介质层中包括专用集成电路。

在一些实施例中，所述专用集成电路包括输出端子，所述输出端子与位于所述第三介质层上的焊盘连接，或者所述输出端子与贯穿所述第二衬底的金属突起连接。

在一些实施例中，在所述第三介质层中设置金属走线，所述金属走线之间通过金属柱连接。

有益效果：与现有技术相比，本实用新型的MEMS器件，包括：支撑结构、位于支撑结构上的器件结构和位于器件结构上的盖顶结构；在器件结构和盖顶结构中设置至少两个腔体；至少一个腔体包括气孔，腔体通过气孔与外界连通；气孔位于盖顶结构中。本实用新型的MEMS器件，使得气孔位于盖顶结构中，便于改变气孔的深度。

附图说明

下面结合附图，通过对本实用新型的具体实施方式详细描述，将使本实用新型的技术方案及其它有益效果显而易见。

图1是微机电系统的惯性传感单元开孔后获得不同真空度的示意图；

图2是MEMS器件中激光熔融后开孔重密封的示意图；

图3是通过沉积或者外延的方式将开孔重密封的示意图；

图4是将改变刻蚀顺序得到小孔径开孔的示意图；

图5是在晶圆制造端将MEMS和ASIC粘合，提高封装集成度的示意图；

图6是通过硅通孔技术实现MEMS器件不同真空度的示意图；

附图标记：101-盖顶结构、102-第三开孔、1021-第一孔、1022-第二孔、1023-第三孔、1024-第四孔、1025-第五孔、1026-第六孔、1027-第七孔、103-照射区域、104-第一腔体、105-第二腔体、106-入射激光、201-器件结构、202-第一金属、301-第一支撑结构、302-第二金属、303-焊盘、304-金属走线、305-金属柱、306-第二支撑结构、307-第二衬底、308-第三支撑结构、309-金属突起、310-第一衬底、401-第一介质层、402-膜层、403-第二介质层、404-第三介质层。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本实用新型的不同结构。为了简化本实用新型的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本实用新型。此外，本实用新型可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本实用新型提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

MEMS器件，包括若干个腔体，通过开孔形成气孔的方式使得某一个腔体的真空度与其他腔体不同。气孔为第三开孔102，或者气孔为相互连通的第二开孔和第三开孔。第二开孔和第三开孔的孔径不同。

在一些实施例中，形成气孔的方式有两种，一种是直接开第三开孔102，或者开相互连通的第二开孔和第一开孔，再分别对第三开孔102进行密封，或者对第二开孔或第一开孔进行密封。其中，第二开孔的孔径和第一开孔的孔径不同，第一开孔的孔径等于或者大于第二开孔的孔径。

在一些实施例中，第一开孔包括第二孔1022、第四孔1024、第六孔1026。第二开孔包括第三孔1023、第五孔1025、第七孔1027。

在一些实施例中，也可以通过多次开孔的方式，使得某几个腔体的真空度与其他腔体不同。

在一些实施例中，器件结构201与盖顶结构101中包括加速度传感器和/或陀螺仪器件。

在一些实施例中，器件结构201与盖顶结构101通过第二介质层403连接。

在一些实施例中，支撑结构包括第一衬底310，器件结构201与第一衬底310通过键合层连接。

在一些实施例中，键合层包括第一金属202和第二金属302。

在一些实施例中，在键合层和第一衬底310之间设置第一介质层401，在第一介质层401上设有焊盘303。

在一些实施例中，支撑结构包括第二衬底307，在第二衬底307和器件结构201之间设置第三介质层404，第三介质层404中包括专用集成电路。

在一些实施例中，专用集成电路包括输出端子，输出端子与位于第三介质层404上的焊盘303连接，或者输出端子与贯穿第二衬底307的金属突起309连接。

在一些实施例中，在第三介质层404中设置金属走线304，金属走线304之间通过金属柱305连接。

在一些实施例中，MEMS器件的制备方法，包括：

提供包括盖顶结构101、器件结构201和支撑结构的一体式结构；器件结构201位于盖顶结构101和支撑结构之间；

在盖顶结构101和器件结构201中形成至少两个腔体；

至少一个腔体中形成气孔，腔体通过气孔与外界连通；

气孔包括通过刻蚀形成的第一开孔和第二开孔，第一开孔和第二开孔连通，第一开孔的孔径等于或者大于第二开孔的孔径。

在一些实施例中，至少两个腔体包括第一腔体104和第二腔体105；

第一腔体104的真空度为初始真空度；

在第二腔体105中形成气孔，第二腔体105的真空度为将气孔进行密封时外界的真空度。

在一些实施例中，气孔进行密封的方式包括：入射激光熔融密封，或者通过沉积或者外延的方式密封，或者采用PECVD的方式低温沉积氧化物密封，或者在低温下生长多晶硅密封，或者采用胶水固化密封，或者采用液态金属固化密封，或者采用芯片级堆叠式封装的方式密封。

在一些实施例中，盖顶结构101与器件结构201粘合，器件结构201与支撑结构键合，形成一体式结构。

在一些实施例中，至少一个腔体中形成气孔，包括：在盖顶结构101中形成第一开孔，再形成与第一开孔连通的第二开孔；或者在盖顶结构101中形成第二开孔，再形成与第二开孔连通的第一开孔。

在一些实施例中，盖顶结构101包括位于腔体外侧的第一表面和位于腔体内侧第二表面，形成气孔，包括：

在第二表面刻蚀，形成第一开孔；

在第一开孔内继续刻蚀，形成第二开孔；

在第一表面减薄盖顶结构101直至露出第二开孔，第一开孔连通第二开孔形成气孔；

或者，

在第二表面刻蚀，形成第二开孔；

在第一表面减薄盖顶结构101后继续刻蚀，形成第一开孔，第一开孔连通第二开孔形成气孔；

或者，

在第一表面减薄盖顶结构101，在减薄对应的位置处刻蚀，形成第一开孔；

在第一开孔内继续刻蚀，形成第二开孔；

第一开孔连通第二开孔形成气孔。

在一些实施例中，减薄后盖顶结构101对应位置处的厚度为100-200微米，第一开孔孔径为1-10微米，第二开孔孔径为几十微米以上。

在一些实施例中，第一开孔的深度与第二开孔的深度之和等于气孔的深度。盖顶结构采用减薄机减薄。

在一些实施例中，支撑结构为第一支撑结构301，第一支撑结构301为硅衬底，第一支撑结构301上覆盖第一介质层401。在第一介质层401上设置焊盘303，焊盘303用于后续的打线连接。第一支撑结构301通过第一金属202和第二金属302连接器件结构201。

在一些实施例中，支撑结构包括专用集成电路(Application SpecificIntegrated Circuit，ASIC)。支撑结构包括专用集成电路，器件结构(201)与专用集成电路的输入端子相连。

在一些实施例中，支撑结构为第二支撑结构306，第二支撑结构306包括衬底307和第三介质层404，在第二支撑结构306上设置焊盘303，焊盘303用于后续的打线连接。第二支撑结构306通过第一金属202和第二金属302连接器件结构201。在第三介质层404中设有专用集成电路，通过金属走线304、金属柱305、第一金属202和第二金属302实现了器件结构201和第二支撑结构306的电连接，不同层的金属走线304通过第三介质层404电绝缘，器件整体体积小，集成度高。

在一些实施例中，支撑结构包括硅通孔晶圆级封装硅衬底；支撑结构为第三支撑结构308，第三支撑结构308包括衬底307和第三介质层404，在第三介质层404中，通过金属走线304和金属柱305实现电连接。通过金属走线304和金属柱305将需要电连接的部分从衬底307下方开孔并填入金属柱305，金属柱305突出于衬底307的部分形成若干个金属突起309，通过金属走线304、金属柱305、第一金属202和第二金属302实现了器件结构201和第二支撑结构306的电连接，不同层的金属走线304通过第三介质层404电绝缘，从而不用打线，即可进行封装，体积更小，集成度更高。

在一些实施例中，腔体至少为两个。当腔体为两个的时候，该两个腔体的真空度不同。当腔体为多个的时候，既可以是一个腔体的真空度和其他腔体不同，也可以是若干个腔体的真空度均不同。

在一些实施例中，腔体包括第一腔体104和第二腔体105；第一腔体104和第二腔体105的真空度不同。

在一些实施例中，第一腔体104和第二腔体105中，根据功能的需要设置加速度传感器和/或陀螺仪器件。

在一些实施例中，第一腔体104的真空度为初始真空度，第二腔体105的真空度为重密封时环境的真空度。根据设定的需求，可以通过调节环境的真空度，通过重密封实现第二腔体105的真空度与第一腔体104的真空度不同。

在一些实施例中，重密封的方式和腔体的开孔方式有关。采用两次刻蚀的方式开孔，在实现小孔径的同时避免深刻蚀无法刻蚀深宽比100：1以上的硅通孔的问题；两次刻蚀的方式中，两次刻蚀不同尺寸孔径的孔，兼顾小孔径和深度；主要解决的是要密封的孔的孔径很小，孔径为1-10微米，而盖顶结构101厚度在200微米以上，目前的技术难以做到深刻蚀，所以采用两次刻不同尺寸的孔。

在一些实施例中，第一腔体104的真空度为初始真空度，第二腔体105的真空度为重密封时环境的真空度。

在一些实施例中，第二腔体105的开孔方式可以是直接开第三开孔102，使得第二腔体105通过第三开孔102与外界连通。

在一些实施例中，第二腔体105的开孔方式是先开第二开孔，再开与第二开孔连通的第一开孔，或者先开第一开孔，再开与第一开孔连通的第二开孔。

本实用新型的MEMS器件的制备方法，一个腔体真空度为初始真空度；一个腔体的真空度为将该腔体开孔后，再进行重密封开孔后环境的真空度，通过开孔后再进行重密封使得MEMS器件的真空度发生改变。同时，本实用新型的开孔方式不同于传统的开孔方式，采用多次开孔的方式，如至少采用两次开孔，且这两次开孔的孔径不同，兼顾小孔径和深度，小孔径有利于密封，在实现小孔径的同时利用较大孔径实现深刻蚀。

图1中MEMS器件包括盖顶结构101、器件结构201、第一支撑结构301。将盖顶结构101减薄后进行反应离子刻蚀或者激光刻蚀，形成第三开孔102，使得第一腔体104和第二腔体105的真空度不同，第二腔体105的真空度与外界相同。

在一些实施例中，当外界真空度达到设定真空度时，入射激光106汇聚于盖顶结构101表面使得照射区域103的硅熔融并将第三开孔102密封，形成第一孔1021，这样就实现了不同的真空度。

在一些实施例中，通过将第一金属202和第二金属302键合，使得器件结构201和第一支撑结构301连接。第一支撑结构301包括第一衬底310。

在一些实施例中，在第一支撑结构301上覆盖第一介质层401。在第一介质层401上设置焊盘303，焊盘303用于后续的打线连接。

在一些实施例中，通过在盖顶结构101和器件结构201粘合前，在盖顶结构101和器件结构201之间设置第二介质层403。在形成第一腔体104和第二腔体105后，再进行一次刻蚀形成第三开孔102，此时第三开孔102并未贯穿盖顶结构101，在减薄盖顶结构101至第三开孔102顶点时，第三开孔102会暴露出来改变第二腔体105的真空度。

如图2所示，MEMS器件通过入射激光106熔融后第三开孔102进行重密封，形成第一孔1021，第一腔体104的真空度为初始真空度，第二腔体105的真空度为重密封时环境的真空度。

如图3所示，MEMS器件通过沉积或者外延的方式将第三孔1023进行重密封的示意图。为了使膜层402能够将第三孔1023密封，第三孔1023的孔径不能过大，同时考虑小孔径无法刻蚀200微米的深度。

在一些实施例中，首先在第二腔体105的一侧刻蚀大孔径的第二孔1022，第二孔1022的孔径可达几十微米，因此可以达到刻150微米以上的刻蚀深度，第二孔1022刻蚀完成之后再刻蚀小孔径的第三孔1023，第三孔1023的孔径在1-10微米，刻蚀深度在50微米左右。当减薄盖顶结构101后，第三孔1023露出，第二腔体105的真空度与外界相同，即可改变真空度。

在一些实施例中，第三孔1023的刻蚀也可以在减薄之后在盖顶结构101上表面进行。通过沉积氧化物或者多晶硅的方式将第三孔1023密封，即可获得相应的真空度。

在一些实施例中，由于MEMS装置可能存在金属结构，将第三孔1023密封可采用PECVD的方式低温沉积氧化物或者其他在低温下生长多晶硅的形式获得膜层402。

如图4所示，在一些实施例中，先在第二腔体105的一侧刻蚀小孔径的第五孔1025,减薄盖顶结构101之后再刻蚀大孔径的第四孔1024。考虑减薄时器件处于水溶液中，第一次刻蚀后进行减薄再第二次刻蚀的顺序更为合理。

在一些实施例中，也可以采取减薄盖顶结构101后先在盖顶结构101上表面刻蚀大孔径的第四孔1024后，刻蚀小孔径的第五孔1025的方式获得图4中的结构。

在一些实施例中，将大孔径的第四孔1024密封，通过入射激光106熔融或薄膜生长的方式，形成膜层402。

在一些实施例中，将大孔径的第四孔1024密封，也可以采用胶水固化或者液态金属固化的方式达到密封的效果，形成膜层402，此时膜层402的材料为胶或者金属。

如图5所示，在晶圆制造端将MEMS器件和ASIC粘合。图5的第二支撑结构306集成了ASIC功能，第二支撑结构306包括衬底307。

在一些实施例中，通过金属走线304、金属柱305、第一金属202和第二金属302实现了器件结构201和第二支撑结构306的电连接，不同层的金属走线304通过第三介质层404电绝缘。

在一些实施例中，通过反应离子刻蚀或者激光刻蚀的方式形成第六孔1026和第七孔1027，再沉积或者电镀金属形成金属柱305，其中金属走线304和金属柱305可能是同种材料也可能是不同材料，常见的可能有铜、钨等金属。这种设计的好处是第二支撑结构306不止起支撑作业还具备了ASIC芯片的功能，减小了芯片尺寸，同时之后只需要在ASIC晶圆一侧进行打线。

如图6所示，通过反应离子刻蚀或者激光刻蚀的方式形成第六孔1026和第七孔1027。

在一些实施例中，再通过硅通孔TSV(Through Silicon Via，芯片级堆叠式封装)的方式进行封装，第三支撑结构308与图5的区别在于取消了焊盘303，通过金属走线304和金属柱305将需要电连接的部分从衬底307下方开孔并填入金属柱305，这种硅通孔的先进封装方式取消了封装中的打线过程，提高了封装效率，进一步减小体积，集成度更高。

在一些实施例中，金属柱305突出于衬底307的部分形成若干个金属突起309，材料为铜或钨。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

以上对本实用新型实施例所提供的MEMS器件进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的技术方案及其核心思想；本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例的技术方案的范围。

Claims (16)

1.MEMS器件，其特征在于，包括：支撑结构、位于所述支撑结构上的器件结构(201)和位于所述器件结构(201)上的盖顶结构(101)；

在所述器件结构(201)和盖顶结构(101)中设置至少两个腔体；

至少一个所述腔体包括气孔，所述腔体通过所述气孔与外界连通；

所述气孔位于所述盖顶结构(101)中。

2.根据权利要求1所述的MEMS器件，其特征在于，至少一个所述腔体的真空度为所述气孔密封时外界的真空度。

3.根据权利要求1所述的MEMS器件，其特征在于，在所述气孔中设置膜层或者硅，所述气孔通过所述膜层或所述硅密封。

4.根据权利要求1所述的MEMS器件，其特征在于，所述气孔包括相互连通的第一开孔和第二开孔。

5.根据权利要求4所述的MEMS器件，其特征在于，所述第一开孔的孔径等于或者大于所述第二开孔的孔径。

6.根据权利要求4所述的MEMS器件，其特征在于，所述第一开孔的深度与所述第二开孔的深度之和等于所述气孔的深度。

7.根据权利要求4所述的MEMS器件，其特征在于，所述盖顶结构(101)包括位于所述腔体外侧的第一表面和位于所述腔体内侧第二表面，所述气孔包括：

贯穿所述第二表面的第一开孔和贯穿所述第一表面的第二开孔；

或者，

贯穿所述第二表面的第二开孔和贯穿所述第一表面的第一开孔。

8.根据权利要求1所述的MEMS器件，其特征在于，所述器件结构(201)和所述盖顶结构(101)中包括加速度传感器和/或陀螺仪器件。

9.根据权利要求1所述的MEMS器件，其特征在于，所述器件结构(201)与所述盖顶结构(101)通过第二介质层(403)连接。

10.根据权利要求1所述的MEMS器件，其特征在于，所述支撑结构包括第一衬底(310)，所述器件结构(201)与所述第一衬底(310)通过键合层连接。

11.根据权利要求10所述的MEMS器件，其特征在于，所述键合层包括第一金属(202)和第二金属(302)。

12.根据权利要求10所述的MEMS器件，其特征在于，在所述键合层和所述第一衬底(310)之间设置第一介质层(401)，在所述第一介质层(401)上设有焊盘(303)。

13.根据权利要求1所述的MEMS器件，其特征在于，所述支撑结构包括专用集成电路，所述器件结构(201)与所述专用集成电路的输入端子相连。

14.根据权利要求13所述的MEMS器件，其特征在于，所述支撑结构包括第二衬底(307)，在所述第二衬底(307)和所述器件结构(201)之间设置第三介质层(404)，所述第三介质层(404)中包括专用集成电路。

15.根据权利要求14所述的MEMS器件，其特征在于，所述专用集成电路包括输出端子，所述输出端子与位于所述第三介质层(404)上的焊盘(303)连接，或者所述输出端子与贯穿所述第二衬底(307)的金属突起(309)连接。

16.根据权利要求14所述的MEMS器件，其特征在于，在所述第三介质层(404)中设置金属走线(304)，所述金属走线(304)之间通过金属柱(305)连接。

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