TW200837005A - Methods and systems for wafer level packaging of MEMS structures - Google Patents

Description

200837005 九、發明說明： 夕 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於製造—物件。更具體地，本發 f MEMS結構氣密地密封在封射的方法和結構。僅作^ ; -M MEuslm 等可以被應用於其他微機電系統技術，例: ^ 【先前技術】 ，機電系統（MEMS)被用於各種應用領域，包 哭、 j度檢測器和感測器。—般利用諸如沉積、_ 墓 體地理技術來製造MEMS。由於這些處理的規模尺寸:所狀 置的多個部分由微加工加以形成MEMS的各 ^ 結構的各種固定丄== ，用，適當地移動。與這種封裝結構的侧面 狹擠的密度魅_。而且，—些賴處理在裝置⑥^ 贿S結構。這種處理需要相當多的時間和焓勞固 MEMS結構個體密封在封裝中。 -勞力來將各個 因此’習知技術中需要改進縣MEMS結構的方法和系統。 【發明内容】 根據本發明，提供了用於製造物件的技術。 明提供用於將MEMS結構氣密地密封在封穿中^f地，本發 作為示例，本發明已被細於晶 200837005 皆振器。該方法和結構也可以 術’例如，其他感測器、檢測器等。 〃他被枝私糸統技 根據本發明的一種實施例，接 職s結構形成難的方，，二=二，為耦合到基板的 並且將包封材料圖幸化以㈣基板上沉積包封材料 案。，還包括去除包封材料;且層伽釋放孔圖 根^本發明的另—個實施例，提供了—翻於廳 構ί且聰㈣碰⑽結構以及鄰近廳^結 f，哼第二f離的腔體區域。該封裝還包括第-密封 上的ί二部合部分和佈置在腔體區域 部分結合的第-部分和與第-密封層的ώ 用本發明’可以具有優於f知技_許錢點。偏，/ 本發_細親， =中的一種或多種。參考下面的詳細描述和附圖， ^ 瞭解本發明的其他目的、特徵和優點。ΰ 了以更王面地 【實施方式】 i: 1A7CMEMS諧振器的一部分的簡化立體圖。MEMS借振 liG’可騎構iig機縣細卜個或多個撓 。可動結構110以機械方式來回應利用驅動電極U0所 的減信號。電極122接著以電氣的方式應 j 1⑻k供機械支撐。而且，CM0S基板向雜器結構提 軋輸入並從谐振器結構接收電輸出。在本說明書中，具體地在下 7 200837005 文中，提供了與CMOS基板有關的其他討論。 薄於挽性，112的厚度在® 1A中被圖示為 在靜的厚度’但疋這不是本發明的實施例所必需的。 極3=田?的ί體實施例中，可動結構110、撓性構件112和電 盆他者mi由早鋪製造的，從喊供具有綱厚度的結構。在 二沉積或者其他方式形成的附加層產生具有不同 Ιΐί;? 於ΐ定之應用。僅透過示例’可動板的形狀被 。在其他實施财，其他形狀亦被细錢合特定之 本領域一般技術人員可思及許多變更、修改和替 ，1Β是W 1Α所示的meMS輸器励的簡化剖視圖。如圖 斤圖不’ MEMS諧振器1〇〇搞合到CM〇s基板1〇5，CM〇s 二反、L〇5為mems諧振器提供機械支撐。如上述，CM〇s基板1〇5 =適於為MEMS雜H提供電糊的CM()S電路。在其他實施 H i板包括適於接收由碰⑽譜振器所產生的電氣信號的 。因此，本發明的實施例提供了包括感測器、檢測器、 ，衣置專相關應用。如圖1B所圖示，施⑽諧振器11〇通過間 = 130而與驅動電極12〇分離，並且通過間隙132❿與傳感電極 ^分離。間隙130和132以及元件之間的其他適當間隔根據特定 而提供了 MEMS諧振器的移動，例如橫向、垂直、旋轉的移 動等。 、，雖然圖1中圖示了單個ΜΕ·諧振器，但是本發明的實施例 f限於單鍊置。-般Μ ’在基板上製造裝置_並且利用 =裏所描述的技術來執行晶JJJ級封裝。隨後的邮用於分離個體 衣置。而且，雖然在圖1Α和圖1Β中圖示了 MEMS諧振器，但是 本發明的實施例不限於這種諧振器。其結構也包括在本 發明的實施例的範圍内。 在2007年12月4日提交的發明名稱為“Meth〇dandApparatus for MEMS Oscillator”的一同簽署和一起在審查中的美國專利申請 200837005 第Π^^0,373號中提供與MEMS諧振器和MEMS振盪器有關的 另外討論，該申請的内容併案供參考。 圖2是根據本發明實施例的mems封裝在第一形成階段的簡 化立體圖。在圖2所圖示的實施例中，包封材料21〇 (例如，犧牲 光=劑層）被沉積並圖案化以包封廳¥8諧振器，並且包封材料 在Ik後的製造步驟中被去除和/或排出時形成圍繞諧振器 間或腔體區域215。如下面更充分地描述，包括有機材料在内 _二、他材料將為後开〉成的層提供機械支撐並且在隨後的處理步 =間可被除去，這些材料也可於形成圖2中所圖示的包封 :由於在顯影之後，光阻劑提供了足触機械剛性和耐化 二性來支#所覆蓋的沉積層，並且㈣翻職漿灰化處理來去 此在-些實酬巾使用紐劑，該電漿灰化處理選擇性地 出除光阻劑而不會絲所覆麵_層社要部分。 心iilit利用適合於紐材料的旋塗（_-〇n)塗覆技術來形 ίί實關巾’該層_面在形狀後基本為平面。 ^他=例巾，在缝塗覆技術完成之後 的平面化表面用小於5〇⑽的波動(=) $述^波動被定義為波峰與波谷之 施例中，茲塗 所图I圖^ _?不的弟二厚度（即最終厚度）的包封層。如圖2 的_皮覆並埋入（embed)先前處理步射所製造 碰：垂直和橫向間隙 ，從而使得 相關且if it工?間運動。因此’包封層的尺寸將取決於 的範圍從大約0.5师至大約2 〇 ι封層210的厚度220 200837005 是，圖4戶=1 的包封層210為具有基本上為平面的上表面。但 、廷不疋本鲞明的實施例必需的。在一些實施 ，械強度的結構被圖2 t所示的結構取代或者與其結合地=。 ，利用金字塔形結構’這些金字塔形結、徵蔣 修改和替換形式。術人貝會思及許多變更、 技椒的形成在上面被稱為第一形成階段’但是本領域 驟。例如，如圖2所示形成包括光阻劑材Λ ^括t干個處理步驟，例如，底部抗反射塗敷步驟 ，光烘烤步驟、在掃描器中曝光、後曝光烘 | 等。因此’對“第-階段”、“第二階段’’等的提及健是^參=， 不應認為將本發明的實闕祕特定數目的處理步驟。本 通技術人員會思及許多變更、修改和替換形式。 、一曰 圖3是根據本發明實施例的mems封裝在第二形 化剖視圖。在圖3所圖示的實施例中，利用晶圓級均厚（biank a 沉積處理來形成第-絲（eappinglaye〇31()(例如，非晶石夕 也稱為密封層。因此，如圖3所圖示，形成厚度32()大約為〇曰 的共形（conformal敷形）塗層。本發明的其他實施例利用 非晶石夕的層來形成第-蓋層，例如，多㈣、氧化砍、氮化石夕、、 金屬等。如在整個本說明書中並且具體地在下面來更加全面描 述，第-蓋層310提供機械上和化學上穩定的蓋層，其在某^隨 後的處理步驟中去除。根據蓋層的橫向範圍來選擇其材料^和 厚度以使之具有需要的機械強度，從而使其可以承受内部空間215 與外部空間之間的至少$ 一個大氣壓的壓力差而不石皮裂和/或塌 陷。因此，適合作為蓋層的具有適當厚度和材料屬性的層包括 本發明實施例的範圍内。 利用與CMOS相容的沉積處理來執行圖3所圖示的非晶石夕層 200837005 =====按照與CM0S裝置基板相關聯的結 引=，因為高溫沉積 聯的結的擴散，所===;;CM0S電路相關 CMOS ΒΛ , 行的、、5Γ并、闰安體貝轭例中’利用在低於400°C所執 CMOS結構於溫度狀的㈣。 娜縣板上的 化剖Γ圖是明實施例的施Ms封裝在第三形成階段的簡 被餃刻:带成羅中所沉積的非晶石夕層310被圖案化，然後 ^/成釋放孔（re〗eaSe h〇le)圖案41〇。 劑層215的頂層的一部分曝露於隨後的^里圖步案驟= 放,夜體和氣體。在圖4所圖示的實施例中，釋 奋二f„向上位於應MS諳振器的旁it，但這不是本發明的 而的。如下該’圖4所圖示的釋放孔圖案410僅僅'是允 终描逑釋放孔®案的目的和魏的示例。 氣體圖案41㈣尺寸和形狀係提供化學品、液體和/或 的區雨到ir石夕層310所包圍限定的區域内圍繞碰廳諧振器 提供310外的區域。也就是說’釋放孔圖案410 trt 到區則22的流動，反之亦然。因此，雖缺 放孔圖案彻，但是本發明的實施例不^於 可以以或位置、。例如，取決於實施情況，釋放孔圖案410 才一此i &何圖形為特徵，這些圖形包括孔、U列後等。 哭，根據施⑽讀振器的結構和圍繞嫌MS‘ lifn^ 215) 310 圖5是根據本發明實施例的MEMS封裳在第四形成階段的簡 11 200837005 化剖視圖。如圖5所圖示，電漿灰化處理被用於去除先前形成的 如圖2所圖示的包封MEMS諧振器的光阻劑材料。因此，光阻劑 材料210 —般被稱為犧牲光阻劑材料。如圖5所示，區域42〇和 區域510中的光阻劑材料在這些處理步驟時被去除。在圖4所圖 示的步驟中形成的釋放孔圖案用於提供在去除處理期間對區域 420和510中的犧牲光阻劑材料來接進（ACCESS)。本領域技術 人員將會了解，非晶矽層310對圖4中所圖示的電漿灰化處理具 相當抗性。因此，層310在電漿灰化處理期間保持其結構屬性了 攸而保持MEMS谐振裔的可動部分不與層接觸。 在電漿灰化處理之後，由於包封材料被去除，因此_]^§諧 振器可以根據特定應用而適當地再次移動。除了電漿灰化之外， 其他適當的去除處理也包括在本發明的實施例的範圍内。去除處 ^與（-個或多個）釋放孔圖案和諧振器的元件之間的 二種間隙結合而起作用的。在—些實施例中，可以利用多個去除 3枯f 的速率從結構的不同元件中去除材料。本領域 曰通技術人貝將會認識到許多變更、修改和替換形式。 化剖=是ΐ據例的職s封裝在第五形成階段的簡 第-非：J例ί ’非晶石夕層)被均厚沉積在基板上。 二—如MEMS雜益右側的附加沉積物62 在廷坠實施例中，釋放孔圖案的位 遲、 明的只施例，釋放孔圖案的佈置被 且处很儺不知 職_器的操作的影響z、t：擇為使件任何附加沉積物對 ⑽本z月的=例於，夕的層作為第二蓋層 第二非_ 蚁 等。參考圖6， 610的共料财觸示时補 12 200837005 修改，釋放孔圖案在沉積處理期間被填充並密封。可以在完成的 封裝内部提供吸除（gettering)結構（未圖示）來吸除在形成第二 非晶矽層之後存在於封裝中的材料。在一些實施例中，用於形成 層610的沉積處理在鄰近mems諧振器的區域42〇中產生直空。 因此，在一些實施例中提供^!^8諧振器的氣密密封，包^在區 域j20中^5：仏真空或壓力降低的氣體。在其他實施例中，利用其 他氣體惰性氣體、適合於吸除材料的氣體等等。雖然這裏 涉及的是氣密真雜封，但這不是本㈣的實酬所必需的。取 決於特錢_提供適合於MEMS諧㈣操作的纽。本領 通技術人員將會思及許多變更、修改和替換形式。 以^用低溫（即，相容CM〇S)沉積處理或較高溫度的處 $執仃弟一非晶石夕層的沉積。在一些較高溫度的處理中（例如， 、二於i約4GG°C的溫度下沉積），施㈣鎌器附近的污染物在 和/或沉積期間被烘烤光。在一些實施例中，在第二非晶 中時所使师裒境基本上是真空環境，以致在區域420 氣上戶:圖Ϊ1巧月的實施例提供了用於廳MS諧振器的

工$衣，"亥封衣是利用半導體處理技術而不是傳統的封F

夫封狀今由t。因此，相鄰裝置之間的間隔可以被減小，從而烊 声亚降低裝置成本。在—些實施例中，封裝結構的壁 63〇tTlA^ , “。所採用的:Γ區:包括形成層310 二多個t出早個施廳結構’但是其他實施例包括每個封農中 的組i。S、结構、分離封裝中的多個MEMS、结構或者這兩'者 13 200837005 關11=示出根據本發明實施_製造氣密密封封裝的方法 和將包700包括沉積包封材料710(例如，光阻劑層） Ϊ 形成被包封在包封材料中的多個 成為種具體實施例中，多個犧牲光_結構被形 哭、、、u 刖在CM0S晶圓上形成的一個或多個MEMS窄择 i綠(例如，犧牲光阻劑結構）#尺寸被選擇為提供 1 = :,MEMS譜振器的腔體空間，同時在門 =父=離因此，與其他獅比，本發明的實施;$ 數的封裝。另外，包封結構為隨後形成^ 1非曰曰石夕層在内的蓋層提供機械支樓。同時，用 = 固ΐ多倾後形成的蓋__性_“ 方法700逖包括在晶圓上沉積第一蓋層714 (例如， 二）。在一種具體實施例中，第一蓋層是非晶矽的乒形声，= :和==在本發明實施例的範圍内。該“還包他 中形成—個或多個釋放孔圖案並且例如利用ΐϊ = 應用，釋放孔圖案可以具有各種幾何圖形和相ii) =s雜器的位置。第二蓋層（例如由非晶發層形成）被沉 在晶圓上720。在圖6所圖示的實施例中，第二蓋層埴’二 ^釋，孔圖案並城密地密封MEMS譜振器。，選擇二 =弟二盍層的沉積的氣體’以提供真空氣體、包括諸如^體之 ，-種或^流體在内的壓力降低的氣體或者其他適當的g 領域普通技術人員會思及許多變更、修改和替換形^。、材枓本 應該理解，圖7中所圖示的具體步驟提供了用於 =實施例^ MEMS結構騎裝的具體方法。根射#換^=^ 也可以執仃其他步料列。例如，本發明的可鶴例 不同的順序來執行上面所列出的步驟。而且，圖7 個步驟可以包括多鮮步驟，這些子娜可啸據各個步驟= 200837005 來執行。此外，取決於具體應用，可以增加或者 ίϊίϊ 本領域絲技術人員會思及許多變更、修改ί 紐瞭巧，這裏所描述的示例和實施例僅出於說明性目的，太 根據其可以做出各銜多改或變化，這些*改和變化 ^ 申請的精神和範圍以及所附申請專利範圍第的範圍内。 【圖式簡單說明】 _.1A是根據本發明實施例的MEMS雜器的一部分的簡化立體 是圖1A所示的MEMS諧振器的簡化剖視圖。 根縣發财補的腫·魏在f—戦隨的簡化剖 =是根據本判實施· MEMS雖在第二形鑛段的簡化剖 =是根據本發明實施例的MEMS封裝在第三形成階段的簡化剖 =是根據本發明實施例的MEMS封裝在第四形成階段的簡化剖 =是根據本發明實施_ MEMS封裝在第五形成階段的簡化剖

Uuii 4根據本發明實施綱製造氣密密封封裝的方法的簡 【主要元件符號說明】 100 MEMS諧振器 105 CMOS 基板 110可動結構 112撓性構件 15 200837005 120驅動電極 122傳感電極 130 間隙 132 間隙 210包封材料(層)/光阻劑材料 215腔體區域/光阻劑層 310第一蓋層/非晶矽層 220、320、630 厚度 410釋放孔圖案 420、422、510 區域 610第二蓋層/非晶矽層 620 附加沉積物 700 方法 710、712、714、716、718、720 步驟

Claims (1)

1. 200837005 十、申請專利範圍： 1· 一種耦合到基板的微機電系統^^…幻結構形成封裝的方法, 該方法包括： 在該基板上沉積包封材料； 將該包封材料圖案化以形成多個包封結構； 在該基板上沉積第一蓋層； 圖案 在該第一蓋層中形成一個或多個釋放孔 去除該包封材料；以及 沉積第二蓋層。

   2.，申請專利範圍第〗項所述的方法， 包封材料包括利職體包封材料來執^ 冗積該 該包封材料包括光 如申請專利範圍第2項所述的方法， 阻劑材料。 再中， 4·如申請專利範圍第1項所述的方 晶矽層。 其中，該第一蓋層包括非 5·如申請專利範圍第4項所述的方 二非晶矽層。 ，、中，該第二蓋層包括第 6·如申請專利範圍第i項所述的方法 f0gf低溫沉積處理’該低溫沉積處二f積該第—蓋層包 衫輪溫度低於 λ如申請專利範圍第丨項所述的方 括執行電聚灰化處理。 中，去除該包封材料包 8·如申請專利範圍第1項所述的方 MEMS雜器。 ’ 結構包括 17 200837005 200837005 該基板包括CMOS 9.如申請專利範圍第〗項所述的方法，a 電路。 ' T， 10.如申請專利範圍第丨項所述的方 括為該MEMS結構形成氣密密封^境、。中’沉積該第二蓋層包 區域; —域上的第二部分；以及 弟。卩刀和佈置在該腔體區 第二密封層，具有與該第一密封層 八狀 和與該第-密封層的第二部分結^第刀二 =弟一部分 12Hf利J 11項所述之用於MEMS結構的封穿，豆 中遠弟1封層的該第二部分基本為平面。㈣衣其 13. ΐΊΐ利範圍第U項所述之用於舰奶結構的封壯使 中’雜二密封層還包括-延伸穿過該第一密其 一，其 15’ ?之用於龐S結構的封裝，其 6· ί申:利? ’11項所述之用於邏應結構的封壯，f q封裝還包括與該腔體區域流體連通的吸除劑。、衣 級·結麵封裝，其 200837005 18·如申請專利範圍第11項所述之用於MEMS結構的封裝，其 中，該第二密封層包括非晶矽層。 19.如申請專利範圍第11項所述之用於MEMS結構的封裝，其 中，該基板包括CMOS電路。 20·如申請專利範圍第11項所述之用於MEMS結構的封裝，其 中，該MEMS結構包括MEMS諧振器。

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