專利名稱：一種具有亞微米間隙微機(jī)械諧振器及制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有亞微米間隙的微機(jī)械諧振器及制作方法，屬于微機(jī)械諧振器 加工及微細(xì)加工技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
時(shí)鐘芯片作為電路系統(tǒng)中的時(shí)間基準(zhǔn)源，在電路系統(tǒng)中有著重要的作用。傳統(tǒng)的 時(shí)鐘芯片一般采用石英晶振作為諧振器產(chǎn)生信號(hào)波形。但石英晶振一般是采用切割工藝 制作，因此其體積很難減小，從而阻礙了電路系統(tǒng)的微型化。此外，石英晶振也無法和電路 系統(tǒng)集成制作，提高了制作成本。近年來，由于微加工技術(shù)的發(fā)展，MEMS微機(jī)械諧振器得到 很大的發(fā)展。MEMS諧振器具有尺寸小、功耗小、成本低、與CMOS IC(Complementary Metal Oxide Semiconductor Integrated Circuit，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體集成電路)工藝相兼 容等優(yōu)點(diǎn)，在無線通訊等領(lǐng)域的需求與日俱增，將成為晶體諧振器的替代物。微機(jī)械諧振器的主要特性參數(shù)有諧振頻率、品質(zhì)因素(Q)、頻率溫漂等。其中，諧 振器的Q值是反應(yīng)諧振器特性的最重要的參數(shù)之一，它可以表述為
_ = + ， ⑴其中Q是諧振器總的品質(zhì)因素大小，是由空氣阻尼引起的能量損耗機(jī)制,Qancto 是由錨點(diǎn)引起的能量損耗機(jī)制，Qted是材料的熱彈性能量損耗機(jī)制，9?！?表示其它的能量 損耗機(jī)制。在這四種能量損耗機(jī)制中，后三種是由制作諧振器的材料及其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等因 素引起的，而第一種是由諧振器工作環(huán)境的真空度引起的。對(duì)諧振器進(jìn)行真空密封，就可 以大大減小由于空氣阻尼引起的能量散耗，從而大大提高諧振器的Q值(Khine，L and M Palaniapan， High-Q bulk-mode SOI square resonators with straight-beam anchors. Journal ofMicromechanics and Microengineering,2009. 19(1) :p· 015017)。微機(jī)械諧振器的驅(qū)動(dòng)及檢測(cè)原理主要有靜電力轉(zhuǎn)換、壓電效應(yīng)、壓阻效應(yīng)、熱電 效應(yīng)等。電容式驅(qū)動(dòng)及檢測(cè)方法是通過靜電力對(duì)外界信號(hào)進(jìn)行處理，由于具有功耗低，結(jié)構(gòu) 制作簡(jiǎn)單，工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，電容式驅(qū)動(dòng)及檢測(cè)被廣泛應(yīng)用于微結(jié)構(gòu)的傳感及制動(dòng)。電容式 驅(qū)動(dòng)及檢測(cè)方法中的靜電力可由(2)式表示F=—(2)
d其中F是靜電力大小，ε是電介質(zhì)常數(shù)，A是極板面積大小，d是兩極板之間的間距 (C G Mattsson, K. B. , G Thungstrom, H-E Nilsson and H Martin, Thermal simulation and design optimization of a thermopile infrared detector with an SU_8membrane. Journal of Micromechanics and Microengineering,2009.19(5) :p. 055016.)。從(2)式 中可以看出，如果需要提高靜電力以提高器件的靈敏度，最有效的方法就是減小極板之間 的間隙，因?yàn)殪o電力和極板間隙是成反比關(guān)系。通常電容式微機(jī)械諧振器包括諧振振子、固定振子的彈性結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)電極及檢測(cè)電極四部分結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的MEMS諧振器，一般都是先制作好諧振器器件結(jié)構(gòu)，然后制作蓋板 硅片，最后對(duì)諧振器經(jīng)行封裝，其工藝復(fù)雜，加工難度大。傳統(tǒng)的諧振器結(jié)構(gòu)間的間隙一般 是通過光刻定義，如果要減小間隙，就需要提高光刻的精度，很難制作出亞微米間隙結(jié)構(gòu)。 此外，也有利用氧化多晶硅或者單晶硅薄膜大間隙來制作亞微米間隙的方法，但是其仍然 需要光刻工藝來定義一個(gè)大間隙結(jié)構(gòu)，然后利用熱氧化工藝在薄膜間隙生長(zhǎng)氧化層，將大 間隙轉(zhuǎn)化為亞微米間隙結(jié)構(gòu)，這種方法制作工藝復(fù)雜，制作成本高。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)傳統(tǒng)微機(jī)械諧振器加工中存在的問題，本發(fā)明的目的在于提出了一種具有亞 微米間隙微機(jī)械諧振器及制作方法。本發(fā)明旨在利用簡(jiǎn)單的工藝和低廉的成本，實(shí)現(xiàn)微機(jī) 械諧振器亞微米間隙的制作及器件的真空密封。本發(fā)明最明顯的特征在于是利用圓片級(jí)真 空對(duì)準(zhǔn)鍵合形成諧振器亞微米間隙，在制作完諧振器結(jié)構(gòu)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)諧振器器件的真 空密封。亞微米間隙的大小由蓋板硅片或者襯底硅片上的電絕緣介質(zhì)層的厚度決定。本發(fā)明所述的微機(jī)械諧振器包括襯底硅片，結(jié)構(gòu)硅片，蓋板硅片，諧振振子，固定 振子的彈性結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)硅片與襯底硅片及蓋板硅片之間的電絕緣介質(zhì)層，金屬焊盤，電極引 出通孔，基本工作原理如圖1所示。其諧振振子可以是圓形柱或方形柱，也可以是圓形板或 者方形板。諧振振子的上下面兩側(cè)分別為固定驅(qū)動(dòng)電極和固定檢測(cè)電極，這樣在固定驅(qū)動(dòng) 電極與諧振振子之間施加交變電壓時(shí)，由交變電壓產(chǎn)生的交變靜電力會(huì)激勵(lì)振子進(jìn)入指定 的諧振模式，然后通過檢測(cè)輸出電極端輸出電流的變化，就可以將諧振器信號(hào)輸出。用來固 定諧振振子的彈性結(jié)構(gòu)為彈性板或彈性梁；用來固定諧振振子的彈性結(jié)構(gòu)位于諧振振子中 間，位于諧振振子一端或位于諧振振子兩端。本發(fā)明提出的諧振器是由襯底硅片、結(jié)構(gòu)硅片及蓋板硅片三層硅片鍵合在一起形 成的三明治結(jié)構(gòu)，襯底硅片的正面與結(jié)構(gòu)硅片的背面，結(jié)構(gòu)硅片的正面與蓋板硅片的背面 分別通過圓片級(jí)對(duì)準(zhǔn)鍵合在一起。諧振器的亞微米間隙是通過將結(jié)構(gòu)硅片與具有亞微米級(jí) 深度凹腔結(jié)構(gòu)的襯底硅片或者蓋板硅片進(jìn)行圓片級(jí)對(duì)準(zhǔn)鍵合形成的。結(jié)構(gòu)硅片位于襯底硅 片與蓋板硅片之間，襯底硅片正面和蓋板硅片背面各有凹腔結(jié)構(gòu)，這二個(gè)凹腔組成一個(gè)真 空密閉腔室，固定諧振振子的彈性結(jié)構(gòu)將諧振振子懸空在襯底硅片和蓋板硅片上的凹腔組 成的真空密閉腔室中。與一般的微機(jī)械諧振器的結(jié)構(gòu)相比本發(fā)明提出的微機(jī)械諧振器由襯底硅片、結(jié)構(gòu)硅片和蓋板硅片三層硅片通過圓片 級(jí)真空對(duì)準(zhǔn)鍵合制成的；本發(fā)明提出的微機(jī)械諧振器的襯底硅片及蓋板硅片不僅為諧振器器件提供了真 空密閉腔室，同時(shí)也被用作是器件的驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)的固定電極；本發(fā)明提出的微機(jī)械諧振器的襯底硅片和蓋板硅片上具有凹腔結(jié)構(gòu)；本發(fā)明提出的微機(jī)械諧振器的蓋板硅片上具有電極引出通孔。與一般的微機(jī)械諧振器制作方法相比本發(fā)明提出的微機(jī)械諧振器的制作方法，在制作完器件結(jié)構(gòu)的同時(shí)，完成了器件 的圓片級(jí)真空封裝，無需后續(xù)復(fù)雜的真空封裝工藝，降低了設(shè)計(jì)和加工的復(fù)雜度，提高了器 件性能。
本發(fā)明提出的微機(jī)械諧振器利用鍵合工藝制作器件間隙，不存在結(jié)構(gòu)釋放過程中 存在的結(jié)構(gòu)易黏連、需要保護(hù)可動(dòng)結(jié)構(gòu)等問題，簡(jiǎn)化了加工工藝，提高了成品率。本發(fā)明利用圓片級(jí)對(duì)準(zhǔn)鍵合工藝形成亞微米間隙，而不受光刻技術(shù)限制，降低制 作亞微米間隙的難度、復(fù)雜度和成本；由于本發(fā)明提出的制作方法在制作完諧振器器件結(jié)構(gòu)的同時(shí)，就將器件進(jìn)行了圓 片級(jí)真空密封，降低了設(shè)計(jì)和加工的復(fù)雜度；采用圓片級(jí)對(duì)準(zhǔn)鍵合工藝形成亞微米間隙，降 低了制作亞微米間隙的難度和復(fù)雜度；對(duì)器件進(jìn)行了圓片級(jí)真空封裝，不僅提高了器件性 能，降低了成本，而且適用于批量生產(chǎn)。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案為(1)對(duì)結(jié)構(gòu)硅片進(jìn)行氧化、光刻及圖形化后，利用深反應(yīng)離子刻蝕工藝制作諧振器 振子下半部分結(jié)構(gòu)；(2)在襯底硅片正面沉積一層亞微米厚度的電絕緣介質(zhì)層，并對(duì)電絕緣介質(zhì)層進(jìn) 行刻蝕，形成凹腔結(jié)構(gòu)；(3)將步驟⑴得到的結(jié)構(gòu)硅片與步驟(2)得到的襯底硅片進(jìn)行圓片級(jí)真空對(duì)準(zhǔn) 鍵合，形成諧振振子下半部分結(jié)構(gòu)與固定電極間的亞微米間隙；(4)氧化步驟(3)得到的結(jié)構(gòu)硅片，并對(duì)氧化層進(jìn)行光刻及刻蝕，利用深反應(yīng)離子 刻蝕工藝制作出諧振器振子的上半部分結(jié)構(gòu)；(5)在蓋板硅片背面沉積一層亞微米厚度的電絕緣介質(zhì)層，并對(duì)電絕緣介質(zhì)層進(jìn) 行刻蝕，形成凹腔結(jié)構(gòu)；(6)將步驟(4)得到的結(jié)構(gòu)硅片與步驟(5)得到的蓋板硅片進(jìn)行圓片級(jí)真空對(duì)準(zhǔn) 鍵合，形成諧振振子上半部分結(jié)構(gòu)與固定電極間的亞微米間隙；結(jié)構(gòu)硅片位于襯底硅片與 蓋板硅片之間；(7)在蓋板硅片正面刻蝕出電極引出通孔，腐蝕掉電極引出通孔位置處的電絕緣 介質(zhì)層；(8)在蓋板硅片正面和襯底硅片背面沉積金屬層，并將金屬層圖形化，制作金屬焊總之，本發(fā)明涉及一種具有亞微米間隙的微機(jī)械諧振器及制作方法，其特征在于 諧振器是由蓋板硅片、結(jié)構(gòu)硅片和襯底硅片三層硅片鍵合組成的“三明治”結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)硅片 用來制作諧振器的振子，蓋板硅片和襯底硅片分別用來制作驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)的固定電極。諧振 器振子與固定電極間的亞微米間隙是通過圓片級(jí)對(duì)準(zhǔn)鍵合工藝形成的，間隙大小不受光刻 工藝限制，而是由蓋板硅片或者襯底硅片上的電絕緣介質(zhì)層的厚度決定的。所述的電絕緣 介質(zhì)層為氮化硅或氧化硅，但不只限于此；所述的結(jié)構(gòu)硅片與襯底硅片、結(jié)構(gòu)硅片與蓋板硅 片之間的鍵合的焊料為金屬、聚合物或玻璃漿料，也不只限于此。本發(fā)明提出的微機(jī)械諧振 器的制作方法，利用圓片級(jí)對(duì)準(zhǔn)鍵合形成亞微米間隙，在制作完器件結(jié)構(gòu)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì) 器件的圓片級(jí)真空密封，不但降低了器件設(shè)計(jì)和制作的難度，提升了器件性能和成品率，而 且減小了器件尺寸，降低了成本。且可以在蓋板硅片上制作好CMOS電路部分，然后再與結(jié) 構(gòu)硅片進(jìn)行低溫焊料鍵合，實(shí)現(xiàn)諧振器器件與CMOS電路的集成化。


圖1-1是圓形柱微機(jī)械諧振器工作原理示意圖，(a)為諧振器整體結(jié)構(gòu)剖視圖，其 中(i)懸空振子彈性結(jié)構(gòu)位于振子中間部位，(ii)懸空振子彈性結(jié)構(gòu)位于振子頂端部位， (iii)懸空振子彈性結(jié)構(gòu)位于振子兩端；(b)為振子結(jié)構(gòu)俯視圖。圖1-2是方形板微機(jī)械諧振器工作原理示意圖，(a)為剖視圖，(b)為俯視圖。圖2是實(shí)施例1的具體工藝流程。圖2-1 將氧化后的結(jié)構(gòu)硅片進(jìn)行光刻及刻蝕。圖2-2 利用深反應(yīng)離子刻蝕工藝刻蝕出諧振器振子的下半部分結(jié)構(gòu)。圖2-3 在襯底硅片正面沉積一層亞微米厚度的電絕緣介質(zhì)層，并將其圖形化。圖2-4 將結(jié)構(gòu)硅片與襯底硅片進(jìn)行圓片級(jí)真空對(duì)準(zhǔn)鍵合。圖2-5 熱氧化結(jié)構(gòu)硅片，并對(duì)其正面氧化層進(jìn)行光刻及圖形化。圖2-6 利用深反應(yīng)離子刻蝕工藝刻蝕出諧振器振子的上半部分結(jié)構(gòu)。圖2-7 在蓋板硅片背面沉積一層亞微米厚度的電絕緣介質(zhì)層，并將其圖形化。圖2-8 將結(jié)構(gòu)硅片和蓋板硅片進(jìn)行圓片級(jí)真空對(duì)準(zhǔn)鍵合。圖2-9 在蓋板硅片上制作電極引出通孔。圖2-10 沉積金屬層，制作金屬焊盤。圖3是實(shí)施例2的最終器件結(jié)構(gòu)。圖4是實(shí)施例3的具體工藝流程。圖4-1 在襯底硅片正面沉積一層亞微米厚度的電絕緣介質(zhì)層，并將其圖形化。圖4-2 將結(jié)構(gòu)硅片和襯底硅片進(jìn)行圓片級(jí)對(duì)準(zhǔn)鍵合，并將結(jié)構(gòu)硅片減薄到需要 的厚度。圖4-3 利用深反應(yīng)離子刻蝕工藝刻蝕出諧振器振子結(jié)構(gòu)。圖4-4 在蓋板硅片正面沉積一層亞微米厚度的電絕緣介質(zhì)層，并將其圖形化。圖4-5 將結(jié)構(gòu)硅片和蓋板硅片進(jìn)行圓片級(jí)真空對(duì)準(zhǔn)鍵合。圖4-6 在蓋板硅片上制作電極引出通孔。圖4-7 沉積金屬層，制作金屬焊盤。圖5是實(shí)施例4最終器件結(jié)構(gòu)。圖6是實(shí)施例5具體工藝流程。圖6-1 襯底硅片正面腐蝕或刻蝕出的焊料凹槽；圖6-2 形成凹腔結(jié)構(gòu)；圖6-3 諧振振子下半部結(jié)構(gòu)與固定電極間形成的亞微米間隙；圖6-4 沉積金屬層，制作出金屬焊盤。圖7是實(shí)施例6最終器件結(jié)構(gòu)。圖中各數(shù)字代表的含義為1襯底硅片；2結(jié)構(gòu)硅片；3蓋板硅片；4電極引出通孔；5氧化硅；6諧振振子；7懸 空振子結(jié)構(gòu)；11電絕緣介質(zhì)層；12亞微米間隙；13金屬焊盤；14鍵合焊料層；15鍵合焊料 凹槽；16CM0S電路；21硅片正面；22硅片背面。以最終器件結(jié)構(gòu)為參照，結(jié)構(gòu)硅片、襯底硅片和蓋板硅片朝上的一面為硅片正面， 朝下的一面為硅片背面。如圖2-10示。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。實(shí)施例1結(jié)構(gòu)硅片、襯底硅片和蓋板硅片都選用低阻硅片，電阻率為0. 01-1 Ω .cm.結(jié)構(gòu)硅 片用來制作諧振振子結(jié)構(gòu)，諧振振子是諧振器電容驅(qū)動(dòng)和電容檢測(cè)的可動(dòng)電極。諧振振子 可以是圓形柱，也可以是方形柱。固定振子的彈性結(jié)構(gòu)可以是彈性板，也可以是彈性梁。襯 底硅片和蓋板硅片分別用來形成諧振器電容驅(qū)動(dòng)和電容檢測(cè)的固定電極。本實(shí)施例采用圓 片級(jí)硅硅真空對(duì)準(zhǔn)鍵合，沉積在襯底硅片正面和蓋板硅片背面的電絕緣介質(zhì)層可以是氧化 硅，也可以是氮化硅。固定電極與諧振振子之間的亞微米間隙大小范圍為0. 05-2 μ m。主要 工藝步驟包括(1)氧化結(jié)構(gòu)硅片，對(duì)結(jié)構(gòu)硅片背面氧化硅進(jìn)行光刻及刻蝕。見圖2-1。(2)在結(jié)構(gòu)硅片背面刻蝕出諧振器振子的下半部分結(jié)構(gòu)。見圖2-2。(3)在襯底硅片正面沉積一層亞微米厚度的電絕緣介質(zhì)層，并對(duì)此電絕緣介質(zhì)層 進(jìn)行光刻及刻蝕形成凹腔結(jié)構(gòu)。見圖2-3。(4)腐蝕掉步驟(2)得到的結(jié)構(gòu)硅片上的氧化硅，然后將其背面與步驟(3)得到的 襯底硅片正面進(jìn)行圓片級(jí)真空對(duì)準(zhǔn)鍵合，形成諧振振子下半部分結(jié)構(gòu)與固定電極間的亞微 米間隙。見圖2-4。(5)氧化步驟(4)得到的結(jié)構(gòu)硅片，并對(duì)其正面氧化層進(jìn)行光刻及刻蝕。見圖2-5。(6)在結(jié)構(gòu)硅片正面刻蝕出諧振器振子的上半部分結(jié)構(gòu)。見圖2-6。(7)在蓋板硅片背面沉積一層亞微米厚度的電絕緣介質(zhì)層，并對(duì)此電絕緣介質(zhì)層 進(jìn)行光刻及刻蝕形成凹腔結(jié)構(gòu)。見圖2-7。(8)腐蝕掉步驟(6)得到的結(jié)構(gòu)硅片上的氧化層，將其正面與步驟(7)得到的蓋板 硅片背面進(jìn)行圓片級(jí)真空對(duì)準(zhǔn)鍵合，形成諧振器振子上半部分結(jié)構(gòu)與固定電極間的亞微米 間隙。見圖2-8。(9)在蓋板硅片正面制作電極引出通孔，并腐蝕掉電極引出通孔位置處的電絕緣 介質(zhì)層。見圖2-9。(10)在蓋板硅片正面和襯底硅片背面沉積金屬層，并將金屬層進(jìn)行圖形化，制作 金屬焊盤。見圖2-10。實(shí)施例2本實(shí)施例采用圓片級(jí)焊料真空對(duì)準(zhǔn)鍵合，鍵合焊料可以是金屬、聚合物，也可以是 玻璃漿料。其具體實(shí)施步驟部分與實(shí)施例1相同，主要區(qū)別在于第一，在實(shí)施例1步驟(3) 和步驟(7)中，首先在襯底硅片和蓋板硅片上沉積一層電絕緣介質(zhì)層，再在電絕緣介質(zhì)層 上沉積或者旋涂一層焊料層，并對(duì)其進(jìn)行光刻，然后分別對(duì)焊料層和電絕緣介質(zhì)層進(jìn)行刻 蝕或者腐蝕；第二，在實(shí)施例1步驟(4)和步驟(8)中，腐蝕結(jié)構(gòu)硅片上的氧化層，在結(jié)構(gòu)硅 片上沉積或者旋涂一層焊料層，并對(duì)其進(jìn)行光刻及刻蝕，最后分別與實(shí)施例1中步驟(3)和 步驟(7)得到的硅片進(jìn)行圓片級(jí)焊料真空對(duì)準(zhǔn)鍵合。其余工藝步驟不變。最終器件幾何構(gòu) 型如圖3所示。
實(shí)施例3諧振振子可以是圓形板，也可以是方形板。固定振子的結(jié)構(gòu)為彈性梁。襯底硅片 和蓋板硅片分別用來形成諧振器電容驅(qū)動(dòng)和電容檢測(cè)的固定電極。固定電極與諧振振子之 間的亞微米間隙大小范圍為0. 05 μ m-2 μ m。主要工藝步驟包括(1)在襯底硅片正面沉積一層亞微米厚度的電絕緣介質(zhì)層，并對(duì)此電絕緣介質(zhì)層 進(jìn)行光刻及圖形化形成凹腔結(jié)構(gòu)。見圖4-1。(2)利用圓片級(jí)真空對(duì)準(zhǔn)鍵合工藝，將結(jié)構(gòu)硅片背面與步驟(1)得到的襯底硅片 的正面鍵合在一起，并通過物理減薄或者化學(xué)減薄的方法減薄結(jié)構(gòu)硅片正面，將結(jié)構(gòu)硅片 減薄到所需要的厚度。見圖4-2。(3)在結(jié)構(gòu)硅片正面進(jìn)行光刻和圖形化，刻蝕出諧振器結(jié)構(gòu)。見圖4-3。(4)在蓋板硅片背面沉積一層亞微米厚度的電絕緣介質(zhì)層，并對(duì)此電絕緣介質(zhì)層 進(jìn)行光刻及圖形化形成凹腔結(jié)構(gòu)。見圖4-4。(5)利用圓片級(jí)真空對(duì)準(zhǔn)鍵合工藝，將步驟(3)得到的結(jié)構(gòu)硅片的正面與步驟(4) 得到的蓋板硅片的背面鍵合在一起。見圖4-5。(6)在蓋板硅片正面制作電極引出通孔，并腐蝕掉電極引出通孔位置處的電絕緣 介質(zhì)層。見圖4-6。(7)在蓋板硅片正面和襯底硅片背面沉積金屬層，并將金屬層進(jìn)行圖形化，制作金 屬焊盤。見圖4-7。實(shí)施例4其具體實(shí)施步驟部分與實(shí)施例1相同，主要區(qū)別在于在實(shí)施例1步驟(1)和步 驟(5)中，在刻蝕制作器件結(jié)構(gòu)之前，對(duì)器件結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行保護(hù)，然后將結(jié)構(gòu)硅片上器件結(jié) 構(gòu)外的其它部分進(jìn)行整體減薄，使得器件結(jié)構(gòu)部分凸出結(jié)構(gòu)硅片表面。其它工藝步驟不變。 最終器件幾何構(gòu)型如圖5所示。實(shí)施例5本實(shí)施例采用圓片級(jí)焊料真空對(duì)準(zhǔn)鍵合，鍵合焊料可以是金屬、聚合物，也可以是 玻璃漿料。本實(shí)施例中可以通過控制焊料凹槽的深度，使得焊料完全填充滿焊料凹槽且無 溢出，從而保證結(jié)構(gòu)硅片表面與襯底硅片及蓋板硅片表面完全接觸。襯底硅片和蓋板硅片 分別用來形成諧振器電容驅(qū)動(dòng)和電容檢測(cè)的固定電極。固定電極與諧振振子之間的亞微米 間隙大小范圍為0. 05 μ m-2 μ m。主要工藝步驟包括主要工藝步驟包括(1)在結(jié)構(gòu)硅片背面刻蝕出諧振器振子的下半部分結(jié)構(gòu)。(2)在襯底硅片正面腐蝕或者刻蝕出鍵合焊料凹槽。見圖6-1。(3)在襯底硅片正面沉積一層亞微米厚度的電絕緣介質(zhì)層，并對(duì)此電絕緣介質(zhì)層 進(jìn)行光刻及刻蝕形成凹腔結(jié)構(gòu)。見圖6-2。(4)將步驟⑴得到的結(jié)構(gòu)硅片背面與步驟(3)得到的襯底硅片正面進(jìn)行圓片級(jí) 焊料真空對(duì)準(zhǔn)鍵合，形成諧振振子下半部分結(jié)構(gòu)與固定電極間的亞微米間隙。見圖6-3。(5)在步驟(4)得到的結(jié)構(gòu)硅片正面刻蝕出諧振器振子的上半部分結(jié)構(gòu)。(6)在蓋板硅片背面上腐蝕或者刻蝕出鍵合焊料凹槽。(7)在蓋板硅片背面沉積一層亞微米厚度的電絕緣介質(zhì)層，并對(duì)此電絕緣介質(zhì)層進(jìn)行光刻及刻蝕形成凹腔結(jié)構(gòu)。(8)將步驟(5)得到的結(jié)構(gòu)硅片正面與步驟(7)得到的蓋板硅片背面進(jìn)行圓片級(jí) 焊料真空對(duì)準(zhǔn)鍵合，形成諧振器振子上半部分結(jié)構(gòu)與固定電極間的亞微米間隙。(9)在蓋板硅片正面制作電極引出通孔，并腐蝕掉電極引出通孔位置處的電絕緣 介質(zhì)層。(10)在蓋板硅片正面和襯底硅片背面沉積金屬層，并將金屬層進(jìn)行圖形化，制作 金屬焊盤。見圖6-4。實(shí)施例6本實(shí)施例采用圓片級(jí)低溫焊料鍵合，鍵合焊料可以是金屬、聚合物，也可以是玻璃 漿料。其具體實(shí)施步驟部分與實(shí)施例5相同，主要區(qū)別在于第一，在實(shí)施例5步驟(8) 中，在真空對(duì)準(zhǔn)鍵合之前，先通過CMOS工藝在蓋板硅片上制作出CMOS電路，然后再利用低 溫焊料鍵合工藝將其與結(jié)構(gòu)硅片進(jìn)行圓片級(jí)低溫焊料鍵合。第二，在實(shí)施例5步驟(10)中， 制作好金屬焊盤之后，利用打線工藝實(shí)現(xiàn)諧振器器件與CMOS電路的引線互連。其它工藝步 驟不變。最終器件幾何構(gòu)型如圖7所示。由上述實(shí)施例的介紹可以看出本發(fā)明提及的亞微米間隙的方法有以下幾種1)在襯底硅片正面和蓋板硅片背面上分別沉積一層亞微米厚度的電絕緣介質(zhì)層， 分別刻蝕掉諧振振子相應(yīng)位置處的電絕緣介質(zhì)層形成凹腔結(jié)構(gòu)，然后將襯底硅片、蓋板硅 片分別與結(jié)構(gòu)硅片進(jìn)行圓片級(jí)對(duì)準(zhǔn)鍵合形成諧振振子與固定電極間的亞微米間隙。亞微米 間隙大小就是襯底硅片或者蓋板硅片上電絕緣介質(zhì)層的厚度；2)在襯底硅片正面和蓋板硅片背面上分別沉積一層亞微米厚度的電絕緣介質(zhì)層 和焊料層，分別腐蝕掉諧振振子相應(yīng)位置處的絕緣介質(zhì)層和焊料層形成凹腔結(jié)構(gòu)，然后，將 襯底硅片、蓋板硅片分別與結(jié)構(gòu)硅片進(jìn)行圓片級(jí)焊料對(duì)準(zhǔn)鍵合形成諧振振子與固定電極間 的亞微米間隙；亞微米間隙的大小就是襯底硅片或者蓋板硅片上電絕緣介質(zhì)層和焊料層總 的厚度。3)在襯底硅片正面和蓋板硅片背面上分別沉積一層電絕緣介質(zhì)層，分別刻蝕掉諧 振振子相應(yīng)位置處的電絕緣介質(zhì)層形成凹腔結(jié)構(gòu)。對(duì)結(jié)構(gòu)硅片諧振振子結(jié)構(gòu)之外的部分進(jìn) 行雙面整體減薄后，將襯底硅片、蓋板硅片分別與結(jié)構(gòu)硅片進(jìn)行圓片級(jí)對(duì)準(zhǔn)鍵合形成亞微 米間隙。亞微米間隙的大小就是襯底硅片或者蓋板硅片上電絕緣介質(zhì)層的厚度減去諧振振 子凸出結(jié)構(gòu)硅片平面高度的差值。4)在襯底硅片正面和蓋板硅片背面上分別沉積一層亞微米厚度的電絕緣介質(zhì)層， 分別刻蝕掉諧振振子相應(yīng)位置處的電絕緣介質(zhì)層形成凹腔結(jié)構(gòu)。然后在襯底硅片正面和蓋 板硅片背面刻蝕出用來涂覆鍵合焊料的凹槽，接著將襯底硅片、蓋板硅片分別與結(jié)構(gòu)硅片 進(jìn)行圓片級(jí)焊料對(duì)準(zhǔn)鍵合形成亞微米間隙。鍵合焊料應(yīng)完全填充焊料凹槽且無溢出。亞微 米間隙的大小就是襯底硅片或者蓋板硅片上電絕緣介質(zhì)層的厚度。
權(quán)利要求
1.一種具有亞微米間隙的微機(jī)械諧振器，其特征在于所述的諧振器包括襯底硅片，結(jié) 構(gòu)硅片，蓋板硅片，諧振振子，固定振子的彈性結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)硅片與襯底硅片及蓋板硅片之間 的電絕緣介質(zhì)層，金屬焊盤，電極引出通孔，其中1)諧振器是由襯底硅片、結(jié)構(gòu)硅片及蓋板硅片三層鍵合在一起形成的三明治結(jié)構(gòu)，襯 底硅片的正面與結(jié)構(gòu)硅片的背面，結(jié)構(gòu)硅片的正面與蓋板硅片的背面分別通過圓片級(jí)真空 對(duì)準(zhǔn)鍵合在一起；2)襯底硅片正面和蓋板硅片背面具有凹腔結(jié)構(gòu)；襯底硅片正面的凹腔和蓋板硅片背 面的凹腔組成一個(gè)真空密閉腔室；3)結(jié)構(gòu)硅片用來制作諧振器的振子，蓋硅片和襯底硅片分別用來制作驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)的固 定電極，諧振器振子與固定電極間的亞微米間隙是通過圓片級(jí)鍵合工藝形成。4)固定諧振振子的彈性結(jié)構(gòu)將諧振振子固定并懸空在由蓋板硅片與襯底硅片組成的 真空密閉腔室中；5)電極引出通孔位于諧振器蓋板硅片上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的諧振器，其特征在于1)所述的諧振振子為圓形柱、方形柱、圓形板，或者方形板結(jié)構(gòu)；2)用來固定諧振振子的彈性結(jié)構(gòu)為彈性板或彈性梁；3)用來固定諧振振子的彈性結(jié)構(gòu)位于諧振振子中間，位于諧振振子一端或位于諧振振 子兩端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的諧振器，其特征在于諧振振子的上下兩側(cè)分別為驅(qū)動(dòng)固 定電極和檢測(cè)固定電極。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的諧振器，其特征在于所述的組成三明治結(jié)構(gòu)的襯底硅片、結(jié) 構(gòu)硅片和蓋板硅片選用電阻率為0. 01 1 Ω · CM的低阻硅片。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的諧振器，其特征在于所述固定電極-5諧振振子之間的亞微米 間隙為0. 05 2μπι。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的諧振器，其特征在于所述的間隙大小是蓋板硅片或襯底 硅片上的電絕緣介質(zhì)層厚度決定的。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的諧振器，其特征在于結(jié)構(gòu)硅片與襯底硅片、結(jié)構(gòu)硅片與蓋板 硅片之間的電絕緣介質(zhì)層為氧化硅或氮化硅。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的諧振器，其特征在于結(jié)構(gòu)硅片與襯底硅片、結(jié)構(gòu)硅片與蓋板 硅片之間的鍵合的焊料為金屬、聚合物或玻璃漿料。
9.制作如權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于利用圓片級(jí)對(duì)準(zhǔn)鍵合形成亞 微米間隙，在制作完諧振器器件結(jié)構(gòu)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)器件的圓片級(jí)真空封裝，具體工藝步 驟是1)對(duì)結(jié)構(gòu)硅片進(jìn)行氧化、光刻及圖形化后，利用深反應(yīng)離子刻蝕工藝制作諧振器振子 下半部分結(jié)構(gòu)；2)在襯底硅片正面沉積一層亞微米厚度的電絕緣介質(zhì)層，并對(duì)電絕緣介質(zhì)層進(jìn)行刻 蝕，形成凹腔結(jié)構(gòu)；3)將步驟(1)得到的結(jié)構(gòu)硅片與步驟(2)得到的襯底硅片進(jìn)行圓片級(jí)真空對(duì)準(zhǔn)鍵合， 形成諧振振子下半部分結(jié)構(gòu)與固定電極間的亞微米間隙；4)氧化步驟(3)得到的結(jié)構(gòu)硅片，并對(duì)氧化層進(jìn)行光刻及刻蝕，利用深反應(yīng)離子刻蝕 工藝制作出諧振器振子的上半部分結(jié)構(gòu)；5)在蓋板硅片背面沉積一層亞微米厚度的電絕緣介質(zhì)層，并對(duì)電絕緣介質(zhì)層進(jìn)行刻 蝕，形成凹腔結(jié)構(gòu)；6)將步驟(4)得到的結(jié)構(gòu)硅片與步驟(5)得到的蓋板硅片進(jìn)行圓片級(jí)真空對(duì)準(zhǔn)鍵合， 形成諧振振子上半部分結(jié)構(gòu)與固定電極間的亞微米間隙；結(jié)構(gòu)硅片位于襯底硅片與蓋板硅 片之間；7)在蓋板硅片正面刻蝕出電極引出通孔，腐蝕掉電極引出通孔位置處的電絕緣介質(zhì)層；8)在蓋板硅片正面和襯底硅片背面沉積金屬層，并將金屬層圖形化，制作金屬焊盤。制作完諧振器器件結(jié)構(gòu)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)器件的圓片級(jí)真空封裝。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于制作亞微米間隙的方法有以下四種1)在襯底硅片正面和蓋板硅片背面上分別沉積一層亞微米厚度的電絕緣介質(zhì)層，分別 刻蝕掉諧振振子相應(yīng)位置處的電絕緣介質(zhì)層形成凹腔結(jié)構(gòu)，然后將襯底硅片、蓋板硅片分 別與結(jié)構(gòu)硅片進(jìn)行圓片級(jí)對(duì)準(zhǔn)鍵合形成諧振振子與固定電極間的亞微米間隙。亞微米間隙 大小就是襯底硅片或者蓋板硅片上電絕緣介質(zhì)層的厚度；2)在襯底硅片正面和蓋板硅片背面上分別沉積一層亞微米厚度的電絕緣介質(zhì)層和焊 料層，分別腐蝕掉諧振振子相應(yīng)位置處的絕緣介質(zhì)層和焊料層形成凹腔結(jié)構(gòu)，然后，將襯底 硅片、蓋板硅片分別與結(jié)構(gòu)硅片進(jìn)行圓片級(jí)焊料對(duì)準(zhǔn)鍵合形成諧振振子與固定電極間的亞 微米間隙；亞微米間隙的大小就是襯底硅片或者蓋板硅片上電絕緣介質(zhì)層和焊料層總的厚 度。3)在襯底硅片正面和蓋板硅片背面上分別沉積一層電絕緣介質(zhì)層，分別刻蝕掉諧振振 子相應(yīng)位置處的電絕緣介質(zhì)層形成凹腔結(jié)構(gòu)。對(duì)結(jié)構(gòu)硅片諧振振子結(jié)構(gòu)之外的部分進(jìn)行雙 面整體減薄后，將襯底硅片、蓋板硅片分別與結(jié)構(gòu)硅片進(jìn)行圓片級(jí)對(duì)準(zhǔn)鍵合形成亞微米間 隙。亞微米間隙的大小就是襯底硅片或者蓋板硅片上電絕緣介質(zhì)層的厚度減去諧振振子凸 出結(jié)構(gòu)硅片平面高度的差值。4)在襯底硅片正面和蓋板硅片背面上分別沉積一層亞微米厚度的電絕緣介質(zhì)層，分別 刻蝕掉諧振振子相應(yīng)位置處的電絕緣介質(zhì)層形成凹腔結(jié)構(gòu)。然后在襯底硅片正面和蓋板硅 片背面刻蝕出用來涂覆鍵合焊料的凹槽，接著將襯底硅片、蓋板硅片分別與結(jié)構(gòu)硅片進(jìn)行 圓片級(jí)焊料對(duì)準(zhǔn)鍵合形成亞微米間隙。鍵合焊料應(yīng)完全填充焊料凹槽且無溢出。亞微米間 隙的大小就是襯底硅片或者蓋板硅片上電絕緣介質(zhì)層的厚度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有亞微米間隙的微機(jī)械諧振器及制作方法，其特征在于諧振器是由蓋板硅片、結(jié)構(gòu)硅片和襯底硅片三層硅片鍵合組成的“三明治”結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)硅片用來制作諧振器的振子，蓋板硅片和襯底硅片分別用來制作驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)的固定電極。諧振器振子與固定電極間的亞微米間隙是通過圓片級(jí)對(duì)準(zhǔn)鍵合工藝形成的，間隙大小不受光刻工藝限制，而是由蓋板硅片或者襯底硅片上的電絕緣介質(zhì)層的厚度決定的。本發(fā)明提出的微機(jī)械諧振器的制作方法，利用圓片級(jí)對(duì)準(zhǔn)鍵合形成亞微米間隙，在制作完器件結(jié)構(gòu)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)器件的真空密封，不但降低了器件設(shè)計(jì)和制作的難度，提升了器件性能和成品率，而且減小了器件尺寸，降低了成本。
文檔編號(hào)H03H3/02GK102122935SQ20111005955
公開日2011年7月13日 申請(qǐng)日期2011年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月11日
發(fā)明者吳國(guó)強(qiáng), 徐德輝, 熊斌, 王躍林 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所