專利名稱：具有溝槽隔離的晶片級密封微器件及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明通常涉及一種氣密地密封在真空凹腔中的微器件，且尤其 涉及一種用于通過溝槽隔離的導電覆蓋晶片將在真空凹腔被不的內(nèi)部 微器件電性連接到外部環(huán)境的設計和方法。
背景技術：
通過MEMS技術制造的微器件在很多領域中起主要作用。例如， 微機械的陀螺儀在運輸和商業(yè)應用上具有激活的幾個重要控制系統(tǒng)。 其它的微器件如通過MEMS技術制造的壓力傳感器、加速器、激勵器 和共振器也可用在很多領域中。一些微器件如微陀螺儀和共振器含有需要保持在真空密封的凹腔 內(nèi)部的微結構。對于這些類型的器件來講，存在改進氣密地密封凹腔 的方法和技術的持續(xù)需要以增加器件壽命。對于氣密地密封的微器 件，由于幾個源引起的壓力增加能夠降低器件的性能并減少器件壽能夠引起在微器件的凹腔中壓力增加的一個源是不適當?shù)拿芊夥?法和技術。例如，微結構具有需要與外部環(huán)境電性連接的電極。持續(xù) 地需要改進的穿通設計和氣密的密封方法以確保在器件的壽命之上的 完全電性連接和適當凹腔真空級。對于芯片級氣密的密封來講，已經(jīng)公知通過形成在晶片中的確定 類型的導電孔電性連接微結構的電極。然而，該方法具有幾個缺點。 例如，在晶片中形成導電孔可導致對安裝在晶片上的微結構的機械損 壞。另外，由于微龜裂或?qū)щ娍字械钠渌毕?，隨著時間的過去會發(fā)
生真空度降低。如果導電孔延伸到容納微結構的真空密封的凹腔中， 則這尤其成立。而且，密封的微器件的尺寸隨著連接到微結構所需的 孔的數(shù)目而增加。在微器件凹腔中的另一個壓力增加源來自氣密的密封工藝期間的 氣體產(chǎn)生和自封裝材料、密封材料和凹腔內(nèi)部部件的除氣。關于除氣 問題，已經(jīng)公知通過使用吸氣劑吸收蒸汽和氣體種類來保持凹腔內(nèi)部 的密封真空。目前在器件中使用的兩種不同類型的吸氣劑是金屬吸氣 劑和非金屬吸氣劑。已經(jīng)公知在封裝級真空密封方法中使用金屬吸氣劑。在美國專利No.4，771，214中描述了由用于電子管應用的硅有機鹽 形成的非金屬吸氣劑。在美國專利No.5,614，785中描述了用于平板顯 示應用的沉積非晶硅或多晶硅形成的另一種非金屬吸氣劑。常規(guī)工序與變化的成功度相符。例如，通過金屬吸氣劑，存在嚴 格的可靠性問題，其由在制造工藝期間或在器件經(jīng)歷了由于不良機械 強度和使用的金屬吸氣劑的過大孔隙尺寸引起的振動或沖擊之后的吸 氣劑顆粒下降導致。已經(jīng)確定分離的吸氣劑顆粒的存在為密封有多孔金屬吸氣劑的一些微陀螺儀的主要故障模式。另外，由于金屬吸氣劑 通常具有大的孔隙尺寸，因此需要的吸氣劑尺寸通常也大。該尺寸限制和吸氣劑制造工藝通常禁止很多金屬吸氣劑用在晶片級真空密封 中。對于一些應用來講，金屬吸氣劑也是值得禁止的。通過與非金屬吸氣劑的關系，公知的非晶或多晶硅的機械特性將 隨著沉積條件而改變且難于重復。由于其限制的僅幾微米的厚度，公 知類型的非金屬吸氣劑通常用在具有大平面面積的大尺寸凹腔中。其 它類型的吸氣劑吸收在沒有完全氣密的凹腔內(nèi)部的濕氣。因此，需要提供一種具有位于微器件的氣密地密封的凹腔中的微 結構的改進的微器件及其制造方法，以克服若非全部的大部分現(xiàn)存問 題。


圖1是具有用于將在微器件內(nèi)部的微結構電性連接至外部環(huán)境的 導電引線的微器件的一個實施例的頂視圖；圖2是在橫跨虛線2-2的圖1中示出的微器件的截面圖；圖3是本發(fā)明的微器件的另一實施例的截面圖；圖4A-4E是形成圖1-3中示出的微器件襯底部分的方法的一個實 施例的截面圖；圖5A-5G是形成圖1-2中示出的微器件帽蓋部分的方法的一個實 施例的截面圖；圖6A-6D是使用在圖4A-4E和5A-5G中形成的襯底部分和帽蓋 部分組裝圖1-2中示出的微器件的方法的一個實施例的截面圖；圖7A是具有多個微器件的晶片部分的頂視圖，每一個微器件具 有如圖1-2中示出的設計；圖7B是在與圖7A中示出的晶片分離之后的多個微器件的頂視圖；圖8是本發(fā)明的微器件的另一個實施例的截面圖；和 圖9是本發(fā)明的微器件的另一個實施例的截面圖。雖然本發(fā)明對于各種修改和改變形式都是敏感的，但是已經(jīng)借助 于例子在附圖中示出了具體實施例，并在此將更詳細地對其進行描 述。然而，應當理解，本發(fā)明不意指限于公開的特定形式，而是，本 發(fā)明覆蓋落在如通過附加的權利要求所限定的本發(fā)明范圍內(nèi)的所有的 修改、等同物和改變。
具體實施方式
描述了具有隔離溝槽和用于將在微器件中的密封微結構電性連接 到外部環(huán)境的導電引線的微器件及其制造方法。為了說明和描述的目 的，將使用微陀螺儀的例子。然而，本發(fā)明不限于制造和操作微陀螺 儀，而是也用于需要保持在真空凹腔內(nèi)部的其它微器件和結構。受益
于該公開的本領域技術人員將意識到，器件和這里描述的用于制造這 種器件的工序可用在其它應用中。為此，存在具有氣密地密封的凹腔以容納微結構的微器件。該微 器件包括襯底、隔離層和具有至少一個導電島和隔離溝槽的帽蓋。襯 底具有其上形成有多個導電軌跡的頂部側(cè)。導電軌跡提供至微結構的 電性連接。帽蓋具有基座部分和側(cè)壁。側(cè)壁從基座部分向外延伸以限 定帽蓋中的凹座。隔離層貼附到帽蓋的側(cè)壁和形成于襯底的頂部側(cè)上 的多個導電軌跡之間。導電島貼附至多個導電軌跡中的至少一個。隔 離溝槽設置于帽蓋和導電島之間也設置于兩個相鄰的導電島之間。隔離溝槽可以未填充或是至少部分填充有電性隔離材料如玻璃填 充材料。具有導電島和隔離溝槽的帽蓋可以由硅制成，和襯底和隔離 層可以由玻璃材料制成。在一個實施例中，帽蓋具有沿著其用于在凹 腔內(nèi)部保持真空的內(nèi)部凹座嵌入的單晶硅吸氣劑層。吸氣劑層可以是 平坦的或是沿著帽蓋的凹座底部表面呈波狀。微器件還可包括襯底、隔離層和具有導電島的帽蓋。襯底具有頂 部側(cè)和形成于其上的至少一個導電軌跡。導電軌跡具有第一端和第二 端。隔離層設置于至少部分導電軌跡的附近。帽蓋具有基座部分和側(cè) 壁。側(cè)壁從基座部分向外延伸以在帽蓋中限定凹座。帽蓋的側(cè)壁貼附 到至少隔離層。隔離溝槽分離帽蓋和導電島。隔離溝槽可以未填充或 至少部分地填充有電性隔離材料。導電軌跡的第一端電性貼附到在微 器件的氣密地密封的凹腔內(nèi)部的微結構。導電軌跡的第二端電性貼附 到導電島。導電島和導電軌跡提供至氣密地密封的凹腔內(nèi)部的微結構 的電性連接。也存在一種制造具有氣密地密封的凹腔以容納微結構的微器件的 方法。該方法可包括步驟提供具有頂部側(cè)和底部側(cè)的襯底；在襯底 的頂部側(cè)上形成導電軌跡，該導電軌跡具有第一和第二端；在襯底的
至少部分頂部側(cè)和導電軌跡的上方形成隔離層；在襯底中形成凹槽； 將微結構貼附到導電軌跡的第一端以使微結構的至少實質(zhì)部分設置于 凹槽上方；提供硅帽蓋和硅島，硅帽蓋通過隔離溝槽與硅島分離；將 硅帽蓋貼附到形成于襯底頂部側(cè)上的隔離層以使硅帽蓋容納微結構并 形成氣密地密封的凹腔；和將硅島貼附到導電軌跡的第二端。將硅帽蓋貼附到隔離層的步驟可包括陽極接合。在襯底頂部側(cè)的 至少一部分上方形成隔離層的步驟可包括在襯底頂部側(cè)上沉積玻璃層 和平坦化并拋光玻璃層的外部表面。在一些實施例中，該方法還可包 括步驟在硅帽蓋的凹座中形成單晶硅吸氣劑層；和激活吸氣劑層以 使吸氣劑層能夠在將硅帽蓋貼附到隔離層的步驟期間吸收產(chǎn)生的蒸汽 和氣體種類。制造具有氣密地密封的凹腔以容納微結構的微器件的方法還可包 括步驟提供具有頂部側(cè)和底部側(cè)的襯底；在襯底的頂部側(cè)上形成導 電軌跡；在襯底頂部側(cè)的至少一部分和導電軌跡的上方形成隔離層； 在隔離層中形成第一接觸窗和第二接觸窗以允許至導電軌跡的第一端 部分和第二端部分的電性連接；通過第一接觸窗將微結構貼附到導電 軌跡；提供硅帽蓋和硅島，硅帽蓋通過隔離溝槽與硅島分離；將硅帽 蓋貼附到形成于襯底頂部側(cè)上的隔離層以使硅帽蓋容納微結構并形成 氣密地密封的凹腔；和通過第二接觸窗將硅島貼附到導電軌跡。將微 結構貼附到導電軌跡的步驟還可包括在第一接觸窗上方形成至少第一 金屬觸點以使第一金屬觸點與導電軌跡連接并然后將微結構貼附到第 一金屬觸點的步驟。將硅島貼附到導電軌跡的步驟還包括在第二接觸 窗上方形成至少第二金屬觸點以使第二金屬觸點與導電軌跡連接并然 后將硅島貼附到第二金屬觸點的步驟。轉(zhuǎn)到附圖，圖1-2示出具有以晶片級氣密地密封的凹腔22的微 器件20的一個實施例。圖1示出微器件20的頂視圖。圖2是橫跨圖 1中示出的虛線2-2的微器件20的截面圖。
微器件20可以是具有貼附到襯底30的微結構26的傳感器。這 里，微器件20可以是能夠提供傳感能力的類型。例如，微陀螺儀傳 感角速率。為了說明的目的，在傳感器的上下文中示出了描述和附圖。 然而，受益于該公開的本領域技術人員將認識到，本發(fā)明可應用于其 它應用。在本發(fā)明的一個實施例中，如圖1-2中所示，微器件20具有容 納微結構26的氣密地密封的凹腔22。微器件20可包括襯底30、帽 蓋40、隔離溝槽50、導電島60和隔離層70。器件微結構26可以以 多個定位點安裝到氣密地密封的凹腔22內(nèi)部。這允許微結構26的至 少主體部分懸于微器件20內(nèi)部。微結構可以是移動結構例如用于陀 螺儀或其它微器件的那些。襯底30具有頂部側(cè)32和底部側(cè)34，襯底30還可以具有形成于 襯底30的頂部側(cè)32的至少一部分上的一組導電軌跡36。如將說明的， 在該設計中的該組導電軌跡36是將在凹腔22內(nèi)部的微結構26電性 連接到外部環(huán)境的一組垂直導電引線。導電島60還可具有形成為至 微器件20外部的接合墊或電性觸點的一組導電軌跡38。該組導電軌 跡38通過該組導電軌跡36和導電島60提供微結構26和外部環(huán)境之 間的電性連接。帽蓋40具有基座部分42和側(cè)壁44。側(cè)壁44從基座部分42向 外延伸并在帽蓋40中限定凹座46。氣密地密封的凹腔22通過帽蓋40 中的凹座46至少部分地限定。在一個實施例中，帽蓋40由如下描述 的硅晶片制造。如下面將示出的，導電島60可由與用于形成帽蓋40相同的硅晶 片制造。然而，導電島60通過隔離溝槽50與帽蓋40分離。因此， 隔離溝槽50位于帽蓋40的外部側(cè)壁44和導電島60之間。在一個實
施例中，如圖2中所示，隔離溝槽50至少部分填充有電性隔離材料52 如玻璃填充材料。在另一個實施例中，如在圖3中所示，隔離溝槽50 是幵放的且是未填充的。導電島60通過該組導電軌跡36提供微結構 26和外部環(huán)境之間的電性連接。如下面也將示出的，隔離層70由電性隔離材料如玻璃填充材料 制成。隔離層70和隔離溝槽50 —起通過帽蓋40提供電性隔離以避 免在導電軌跡36之間的短路。在優(yōu)選實施例中，帽蓋40通過非粘著型氣密密封貼附到隔離層 70。例如，帽蓋40和隔離層70可以通過在真空中的陽極接合工藝貼 附到一起。在此，帽蓋40優(yōu)選由硅制成，和隔離層70優(yōu)選由玻璃制 成。應平坦化并拋光隔離層70的外部接合表面。陽極接合工藝包括 對準和夾緊在隔離層70上方的硅帽蓋40，并在其間以升高的溫度施 加高電壓。在升高的溫度和高的負電勢下，在玻璃內(nèi)部的陽離子自與 硅相鄰的玻璃表面漂移到大面積的玻璃中，和由于在界面處正離子的 耗盡，橫跨玻璃隔離層70和硅帽蓋40之間的空氣隙產(chǎn)生高電場。高 靜電力非常緊密地夾緊兩個接合表面以形成牢固并均勻的接合。在本發(fā)明的一個實施例中，帽蓋40由硅制成。如果帽蓋40由硅 制成，則帽蓋40還可具有沿著凹座46嵌入的單晶硅吸氣劑層48。吸 氣劑層48為自器件微結構26以定距離間隔的關系。激活的吸氣劑層 48有助于保持凹腔22內(nèi)部的真空。由于其能夠吸收在密封工藝期間 產(chǎn)生的很多蒸汽和氣體種類，并自微器件20的材料如微結構26、襯 底30和在一些實施例中的密封材料的器件壽命之上解吸附，因此優(yōu) 選在硅帽蓋40中的嵌入單晶硅吸氣劑層48。多孔單晶硅吸氣劑層48可通過使用在硅晶片上的電化學蝕刻技 術便利地形成到硅帽蓋40中。由于其允許更好的柔性、可重復性和 在孔隙尺寸和孔隙分布和多孔層厚度的選擇上的控制，所以對于該應
用優(yōu)選使用電化學技術。在電化學蝕刻工藝中，硅帽蓋40 (作為在晶片上的部分多個硅帽蓋)可設置到HF溶液中。取決于應用，圖1-3 中示出的設計僅需要硅帽蓋的一側(cè)具有嵌入的吸氣劑層48。因此，在 HF溶液中的多孔形成工藝期間，應通過蝕刻固定設備或覆蓋有硬掩 膜材料的另外設備來保護保留硅帽蓋40的晶片的另一側(cè)。另外，通 過在保留硅帽蓋40的晶片的凹座側(cè)上形成并圖案化硬掩膜材料使得 選擇性形成多孔層。通過這種方式，僅沿著在硅帽蓋40中的凹座46 形成單晶硅吸氣劑層48。選擇慘雜類型和濃度或多孔形成參數(shù)如HF 濃度和電流密度可以便利地改變吸氣劑層48。如果使用單晶硅吸氣劑層48，則通過不同的方法如熱、電或光 方法激活吸氣劑層48。例如，在升高的溫度下在真空環(huán)境中熱激活適 當?shù)某掷m(xù)時間將從多孔硅表面移除氫和其它種類并使得其對蒸汽和氣 體種類是活潑的。在本發(fā)明的又一可選實施例中，可用確定類型的金屬材料如鈦 (Ti)、鈀(Pd)、鉑(Pt)和鋯(Zr)選擇性地摻雜單晶硅吸氣劑 層48，以增加硅吸氣劑對確定種類的反應度。多孔硅的摻雜可以通過 濺射或蒸發(fā)或通過在含有需要的摻雜種類的水溶液中浸漬多孔硅的化 學沉積來完成。在又一實施例中，硅氧化物薄層可保留在單晶硅吸氣劑層48的 表面上以增加吸氣劑與確定類型的氣體或蒸汽分子的反應度。在凹座46內(nèi)部使用單晶硅吸氣劑層48的益處在于，其允許比在 公知的現(xiàn)有技術器件中發(fā)現(xiàn)的更大的活性吸氣劑表面對除氣表面的面 積比率。而且，使用單晶硅吸氣劑的其它益處在于，其可以修改外部 吸氣劑表面以進一步增強吸氣劑的效率。例如，2002年9月30日提 交的、名稱為 "Hermetically Sealed Microdevices Having a Single Crystalline Silicon Getter for Maintaining Vacuum"、由本發(fā)明的代理
人共同擁有的申請序列No.10/260,675說明了用于硅帽蓋的另一種設 計，該硅帽蓋具有沿著在帽蓋中的凹座的底部表面呈波狀的單晶硅吸 氣劑層，在此通過引用將其整體并入本文。如在本申請中教導和解釋 的，波紋可包括到硅帽蓋的晶片制造工藝步驟中?？蛇x地，硅晶片的 吸氣劑側(cè)可以通過低濃度KOH溶液輕微地蝕刻以在多孔形成之前粗 加工該表面。現(xiàn)在，將進一步解釋如在圖1-2中示出的用于制造微器件20的 工藝。圖4A-4E示出了在玻璃晶片80中形成具有微結構26和隔離層 70的多個襯底30的方法。圖5A-5G示出了在硅晶片90中形成多個 帽蓋40、隔離溝槽50和導電島60的方法。圖6A-6D示出了組裝玻 璃晶片80和硅晶片90 (與組裝的器件100 —起)以形成多個微器件 20的步驟。圖6C中示出的組裝晶片頂部部分在圖7A中示出。然后 鋸開組裝晶片或者將其切成小塊以形成如圖7B中示出的多個微器件 20。開始轉(zhuǎn)向圖4A-4E，存在一種自玻璃晶片80形成具有微結構26 和隔離層70的多個襯底30的方法。參考圖4A，示出了具有頂部側(cè)82 和底部側(cè)84的玻璃晶片80的一部分。該工藝包括在玻璃晶片80的 頂部側(cè)82上形成一組導電軌跡36的步驟。這可以通過向玻璃晶片80 的頂部側(cè)82沉積和圖案化橫向金屬軌跡來完成。如前面所示，該組 導電軌跡36將最終成為用于微器件20的垂直導電引線。關于圖4B，工藝中下面的步驟為在玻璃晶片80的頂部側(cè)82上 方包括在形成于其上的導電軌跡26上方涂敷或沉積隔離層70。用于 隔離層70的合適的材料為玻璃填充材料。尤其，可以在玻璃晶片80 上涂敷或沉積玻璃填充材料并然后通過固化步驟硬化。如果使用玻璃 填充材料(并然后固化)形成隔離層70，該工藝還應包括平坦化和拋 光隔離層70的頂部表面的步驟以使可以通過使用硅到玻璃的陽極接 合來完成氣密的密封。這在圖4C中示出。隔離層70的合適厚度為約
3至5 m。如圖4D中所示，然后該工藝包括在隔離層70中形成多個接觸窗 72以暴露出每個導電軌跡36的端部并然后形成金屬觸點73的步驟。 金屬觸點73可用于將金屬軌跡36電性連接至導電島60和微結構26。 形成接觸窗72的工藝還在隔離層70中產(chǎn)生凹槽74以使得微結構26 能夠獨立地位于凹槽74的上方。如果隔離層70由玻璃材料制成，則 形成凹槽74和接觸窗72的步驟包括通過掩模層圖案化隔離層70和 然后進行在HF基溶液中的濕法蝕刻或干法蝕刻如反應離子蝕刻。如圖4E中所示，該工藝還包括通過接觸窗72中的一個將晶片80 上的微結構26形成或貼附到金屬軌跡36上。這可以通過將微結構26 的任一電極形成或貼附到連接到金屬軌跡36的金屬觸點73上來完 成。而且，應定位微結構26以使微結構26的移動位置獨立地位于凹 槽74上方?，F(xiàn)在參考圖5A-5G，存在一種形成多個帽蓋40、隔離溝槽50和 自硅晶片90的導電島60的方法?？梢允褂貌煌膿诫s類型和硅晶片 的結晶方向。然而，在用于制造具有嵌入到硅凹槽40中的吸氣劑層48 的氣密地密封的微器件工藝的以下解釋中選擇P-型(100)硅晶片。 盡管這里教導的該方法示出在帽蓋40中形成吸氣劑層48的一種方 式，但是可以使用其它技術以在凹座46內(nèi)部形成吸氣劑層，另外， 圖5A-5G示出具有相對平坦的單晶硅層48的硅帽蓋40的形成。吸氣 劑層也與在由Xiaoyi Ding于2002年9月30日提交的名稱為 "Hermetically Sealed Microdevices Having a Single Crystalline Silicon Getter for Maintaining Vacuum"的申請序列No. 10/260,675中教導和描 述的相類似的波紋。參考圖5A，示出了具有第一側(cè)92和第二側(cè)94的硅晶片90的一 部分。該工藝包括在硅晶片90的第一側(cè)92上形成隔離溝槽50的步 驟。隔離溝槽50可以通過使用公知的微機械方法形成。在一個實施例中，如在圖5B中示出的，形成掩膜材料96如二氧化硅和氮化硅的 復合層并在蝕刻隔離溝槽50之前將其圖案化。在圖5C中，隔離溝槽 50可通過使用如由深反應離子蝕刻的等離子體蝕刻或由氫氧化鉀 (KOH)、乙二胺鄰苯二酚(EDP)或四甲基氫氧化銨(TMAH)的 各向異性濕法化學蝕刻的技術形成于晶片90的第一側(cè)92中。隔離溝 槽50的深度為專用的但應取決于硅帽蓋40的希望厚度。在一個例子 中，硅帽蓋40的希望厚度為約200um且帽蓋凹座的深度為約100 y m時，溝槽50的蝕刻深度為約300 u m。如在圖5D中所示，該工藝還可包括在硅晶片90的第一側(cè)92上 方包括在形成于其上的隔離溝槽50的上方和內(nèi)部涂敷或沉積電性隔 離材料52。電性隔離材料52的適合材料為玻璃填充材料。尤其，應 將玻璃填充材料涂敷或沉積于硅晶片90上并然后通過固化步驟硬化。 接下來，可通過第一圖案化和蝕刻隔離溝槽52形成晶片90頂部側(cè)92 上的凹座46以開放凹座窗。然后可使用公知的蝕刻技術如DRIE、 EDP、 KOH或TMAH來形成凹座46。凹座46的深度為專用的，且通 常為約50至lOOu m。圖5E示出了可用于形成圖2和8中的帽蓋40、 140的完全的帽 蓋晶片90。在此，自帽蓋晶片90的頂部表面92完全地移除隔離材料 52，但其仍至少部分地填充在溝槽50中。對于將用在圖3和9中的 帽蓋晶片90，自帽蓋晶片90完全地移除隔離材料52。如將示出的， 凹座46將用于限定至少部分氣密地密封的凹腔22。注意到，隔離溝 槽50位于襯底晶片80上方，但不用于限定氣密地密封的凹腔22的 部分。如果人們希望在凹座46中形成單晶硅吸氣劑層48，則另外的步 驟可包括在晶片90的制造工藝中。如圖5F中所示，在用于在凹座46 上選擇性形成吸氣劑層48的第一側(cè)92上產(chǎn)生并圖案化掩膜材料98。
另外，應當完全移除在晶片90的第二側(cè)94上的掩膜材料并用沉積在 硅晶片90的第二側(cè)94上的薄金屬層99來代替。該薄金屬層99將在 多孔形成步驟期間提供橫跨硅晶片90的均勻?qū)щ娦?。在一個實施例 中的適合的薄金屬層99為約lym厚的鋁。在凹座46中形成單晶硅吸氣劑層48的步驟在圖5F中示出。如 上所述，通過在HF溶液中進行電化學蝕刻形成吸氣劑層48。由于其 允許更好的柔性、可重復性和在孔隙尺寸、孔分布和多孔層厚度的選 擇上的控制，因此對于該應用，使用電化學技術優(yōu)于沉積技術。吸氣 劑層48的厚度為專用的，并取決于凹腔的尺寸和將在器件壽命之上 被吸收的氣體分子的數(shù)量。在一個具有與圖1-3中示出的相似的設計 的應用中，內(nèi)部凹腔22的容積為約9X10一4 cm3和硅帽蓋40和襯底 30的內(nèi)部表面面積為約2X10—5 cm2。選擇合適的多孔硅吸氣劑層48 以具有沿著凹座46為約1.8X10—3 cm3的容積。這提供了有利的比公 知的現(xiàn)有技術器件的活性吸氣劑表面面積對輸出氣體表面面積的更大 比率。在晶片90中形成吸氣劑層48之后，如圖5G中所示，移除晶 片90上的掩膜材料98和金屬層99。如圖6A-6D中所示，接下來的步驟為氣密地密封具有硅晶片90 (具有多個帽蓋40)的玻璃晶片80 (具有多個器件襯底)。如圖6A 中所示，組裝工藝包括將玻璃晶片80以凹座46將位于相應的微結構 26的頂部上的方式與硅晶片對準。開始，小的凹槽存在于硅晶片90 和玻璃晶片80之間。然后使晶片組件經(jīng)受真空和升高的溫度。這允 許包括在微器件中材料的最初排氣。如果微器件20包括吸氣劑層48，則該工藝然后還包括激活吸氣 劑層48的步驟。如上所述，在一個實施例中，通過熱、電或光工藝 激活吸氣劑層48以從硅吸氣劑表面移除氫和其它種類。這釋放了在 硅吸氣劑表面上的不飽和鍵以用作吸收蒸汽和氣體種類的反應單元。 在一個實施例中，可恰在將硅晶片90接合到玻璃晶片80之前或期間 進行激活步驟。參考圖6B，該工藝包括通過使用如上面更詳細地描述的陽極接 合技術的技術在真空環(huán)境中將硅晶片90接合到玻璃晶片80的步驟。 硅晶片卯至玻璃晶片80的接合產(chǎn)生組裝的晶片100。參考圖6C，該工藝還包括移除硅晶片90的第二側(cè)94的一部分 以暴露出隔離溝槽50。在一個實施例中，如在圖2和6C中所示，隔 離溝槽50填充有電性隔離材料52。在另一個實施例中，如在圖3中 所示，開放并未填充隔離溝槽50。最后，如圖6D中所示，在工藝中接下來的步驟為在導電島60上 方沉積和圖案化金屬接合墊38。然后將組裝的晶片IOO切割成獨立的 微器件20。對于一些應用，也可在導電島60的外部壁上沉積和圖案 化金屬接觸層38，其在圖6D中未示出。該設計的一個優(yōu)點在于，由于其為真空凹腔22的外部，因此隔 離溝槽不需要氣密地密封。在這種情況下，在溝槽內(nèi)部或上的龜裂和 其它的缺陷將不影響凹腔22的真空完全性。另一個優(yōu)點在于，該設 計相對于在真空凹腔內(nèi)部具有隔離溝槽的其它設計允許小的管芯尺 寸。該設計還通過從隔離溝槽50完全地移除隔離材料52在相鄰導電 島之間提供最小化寄生電容的適應性。參考圖8-9，在本發(fā)明的另一個實施例中，存在具有晶片級氣密 地密封的凹腔122的微器件120。圖8示出了微器件120的一個實施 例的截面圖。如在此可見，在該實施例中的垂直導電引線136也在襯 底130上延伸并終止于在氣密地密封的凹腔122內(nèi)部的點。在該實施例中，微器件120也可以是具有貼附到襯底130的微結 構126的傳感器。該微器件120可包括襯底130、帽蓋140、隔離溝
槽150、導電島160和隔離層170。器件微結構126可以以多個定位 點安裝到氣密地密封的凹腔122內(nèi)部。這允許微結構126的至少主體 部分懸于微器件120內(nèi)部。該微結構可以使移動結構如用于陀螺儀或 其它微器件的那些。襯底130具有頂部側(cè)132和底部側(cè)134。襯底130也可具有形成 于襯底130的頂部側(cè)132的至少一部分上的第一組導電軌跡136。微 器件120還具有形成于導電島160的外部拐角上的第二組導電軌跡 138。如在圖8中所示，隔離溝槽150還可填充有電性隔離材料152。圖8和9中示出的實施例超出圖2和3中示出的實施例的優(yōu)點在 于其不需要在整個導電軌跡上方涂敷玻璃填充材料、拋光玻璃填充材 料并開放和金屬化在玻璃填充材料上方的接觸窗。在該實施例中，通 過燒結玻璃接合將帽蓋140貼附到襯底130，和通過陽極接合將導電 島160貼附到襯底130。用于將帽蓋140和導電島160貼附到襯底130 的燒結玻璃接合和陽極接合在相同的工藝步驟中完成。自用在圖8和9中示出的實施例中的玻璃晶片形成多個襯底130 的方法較用在圖2和3中的實施例中的圖4A-4E中所教導的要簡單， 這是因為不需要用于在整個導電軌跡上方形成隔離層、拋光隔離層和 開放并金屬化在隔離層上的接觸窗的工藝步驟。自用在圖8和9中示 出的實施例中的硅晶片形成多個帽蓋140、隔離溝槽150和導電島160 的方法與圖5A-5G中教導的相類似，除了增加了蝕刻帽蓋140的側(cè)壁 144的接合表面至某一深度的工藝步驟。該蝕刻深度應稍小于如所沉 積的燒結玻璃層170的厚度。該蝕刻深度的常規(guī)范圍為約5至20微 米。用于圖8和9中示出的實施例的組裝方法是唯一的以具有在相同 工藝步驟中實現(xiàn)的燒結玻璃接合和陽極接合。燒結玻璃層170能沉積 于襯底130的接合表面上或帽蓋140的側(cè)壁144的接合表面上。在帽 蓋140的側(cè)壁144的接合表面上的預蝕刻深度確保橫跨晶片的最佳和 均一的最終燒結玻璃厚度。在沉積燒結玻璃層170之后，對準帽蓋晶 片和襯底晶片并在真空和升高的溫度下排氣。然后將兩個晶片夾緊到 一起以使得凹腔122容納微結構126，和導電島160的接合表面和襯 底130相互接觸。保持組件在真空中并加熱到燒結玻璃的熔化溫度， 然后通過負電勢下的導電島160對其施加陽極接合電壓。持續(xù)地施加 壓力和電壓以保持帽蓋140的側(cè)壁144的接合表面與襯底130之間的 接觸，直到完成了燒結玻璃接合和陽極接合。陽極接合形成了導電島 160和導電引線136之間的電性接觸，和燒結玻璃接合形成了帽蓋140 和襯底130之間的氣密密封。圖9示出了微器件120的另一個實施例的截面圖。微器件120與 圖8中示出的相類似，但是其隔離溝槽50未填充有電性隔離材料152。所描述的是新的微器件和制造具有隔離溝槽和用于將密封在真空 凹腔中的微結構電性連接到外部環(huán)境的導電引線的微器件的方法。在 一個實施例中，本發(fā)明提供一種通過定位在凹腔外部的任一垂直導電 路徑來以晶片級密封微結構的較好方法。在凹腔外部形成垂直路徑使 得器件更可靠，這是由于在路徑中的龜裂或其它缺陷將不干擾氣密地 密封的凹腔。這里教導的實施例具有允許在容納微結構的凹腔內(nèi)部結 合有效的吸氣劑層的更多益處。而且，本發(fā)明通過使用低成本材料和 工藝明顯地降低制造真空密封的微器件的成本。這對于高容量應用尤 其重要。本發(fā)明上面的描述意指為只是示意性的且并不意指限制由該應用 產(chǎn)生的任一專利范圍。本發(fā)明意指僅通過以下的權利要求的范圍來限 定。
權利要求
1.一種微器件，具有氣密地密封的凹腔以容納微結構，該微器件包括襯底，具有頂部側(cè)，該襯底具有形成于其頂部側(cè)的至少一部分上的多個導電軌跡，導電軌跡提供與微結構的電性連接；帽蓋，具有基座部分和側(cè)壁，側(cè)壁自基座部分向外延伸以在帽蓋中限定凹座；隔離層，貼附到至少帽蓋的側(cè)壁和形成于襯底的頂部側(cè)上的多個導電軌跡之間；至少一個導電島，貼附到襯底和至少一個的多個導電軌跡；和隔離溝槽，在帽蓋和至少一個導電島之間；其中微結構安裝到氣密地密封的凹腔內(nèi)部，該氣密地密封的凹腔至少部分地由在帽蓋中的凹座限定。
2. 根據(jù)權利要求1的微器件，其中隔離溝槽至少部分地填充有 玻璃填充材料。
3. 根據(jù)權利要求1的微器件，其中帽蓋和導電島由硅制成，且 其中帽蓋具有沿著用于保持凹腔內(nèi)部真空的凹座嵌入的單晶硅吸氣劑 層。
4. 根據(jù)權利要求3的微器件，其中嵌入的單晶硅吸氣劑層沿著 帽蓋的凹座的至少底部表面呈波狀。
5. 根據(jù)權利要求1的微器件，其中隔離層由玻璃填充材料制成， 隔離層通過陽極接合貼附到帽蓋的側(cè)壁。
6. 根據(jù)權利要求1的微器件，其中帽蓋的側(cè)壁的高度小于導電 島的高度。
7. —種制造具有氣密地密封的凹腔的微器件的方法，該方法包 括步驟提供具有頂部側(cè)和底部側(cè)的襯底；在襯底的頂部側(cè)上形成導電軌跡，該導電軌跡具有第一端和第二端；在襯底頂部側(cè)的至少一部分和導電軌跡的上方形成隔離層； 在襯底中形成凹槽；將微結構貼附到導電軌跡的第一端以使至少微結構的實質(zhì)部分設 置于凹槽上方；提供硅帽蓋和硅島，硅凹槽通過隔離溝槽與硅島分離；將硅帽蓋貼附到形成于襯底的頂部側(cè)上的隔離層以使得硅帽蓋容 納微結構并形成氣密地密封的凹腔；和將硅島貼附到導電軌跡的第二端。
8. 根據(jù)權利要求7的方法，其中該方法還包括步驟 在硅帽蓋的凹座中形成單晶硅吸氣劑層；和激活吸氣劑層以使得吸氣劑層能吸收在將硅帽蓋貼附到隔離層的 步驟期間產(chǎn)生的蒸汽和氣體種類。
9. 根據(jù)權利要求7的方法，其中將硅帽蓋貼附到隔離層的步驟 包括陽極接合硅帽蓋至隔離層。
10. 根據(jù)權利要求7的方法，其中將硅帽蓋與硅島分離的隔離溝 槽至少部分地填充有玻璃。 ，
全文摘要
一種具有氣密地密封的凹腔(22)以容納微結構(26)的微器件(20)。該微器件(20)包括襯底(30)、帽蓋(40)、隔離層(70)、至少一個導電島(60)和隔離溝槽(50)。襯底(30)具有其上形成有多個導電軌跡(36)的頂部側(cè)(32)。導電軌跡(36)提供至微結構(26)的電性連接。帽蓋(40)具有基座部分(42)和側(cè)壁(44)。側(cè)壁(44)自基座部分(42)向外延伸以在帽蓋(40)中限定凹座(46)。隔離層(70)貼附到帽蓋(40)的側(cè)壁(44)和多個導電軌跡(36)之間。導電島(60)貼附到多個導電軌跡(36)中的至少一個。隔離溝槽(50)設置于帽蓋(40)和導電島(60)之間并可未填充或至少部分地填充有電性隔離材料。以及制造該微器件的方法。
文檔編號B81B7/00GK101167187SQ200480022323
公開日2008年4月23日 申請日期2004年5月28日 優(yōu)先權日2003年7月31日
發(fā)明者丁孝義, 約翰·P·舒斯特 申請人:摩托羅拉公司