微电子机械系统（mems）结构中的应力隔离特征的整块式一体化的制作方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001 ] 各种的微电子机械(MEMS)设备都容易受到它们周围的封装结构所施加的应力的影响，尤其是那些带有电容读出器、膜元件和共振结构的设备。例如，这些应力可能因封装和传感器中的不同材料的不同物理性质而出现。因此，温度、周围压力和湿度的变化导致了MEMS设备的性能的降级。而且，设备性能在该设备的寿命中还可能因为机械漂移而降级，机械漂移例如是由于管芯结合的机械蠕变。
[0002]—种将MEMS设备与封装引起的应力隔离的传统方法是在封装和MEMS设备之间制造界面层。这种界面层包含了一系列的可弯曲梁，这些梁在封装引起的应力下偏转，从而最小化了对MEMS设备的性能的影响。不过，这种技术要求制造额外的层。这增加了被封装设备的复杂性、周期时间和成本。另外，这些特征可被制造在现有的MEMS结构中，但是进行这种制造的传统方法不容易与MEMS制造工艺的其它方面兼容。
【发明内容】
[0003]提供了一种微电子机械(MEMS)结构。在一个实施例中，该MEMS结构包括玻璃基底层，该玻璃基底层包含至少一个嵌入式应力隔离特征。该玻璃基底还包括至少一个隆起结合部位，该隆起结合部位被构造成用于将该MEMS结构联接到封装。该MEMS结构还包括形成在该玻璃基底层上的半导体设备层，该半导体设备层包括MEMS传感器。该MEMS结构还包括设置在该半导体设备层上的顶部玻璃层。
【附图说明】
[0004]图1-8是根据本发明的一个实施例的在不同生产阶段的带有一体应力隔离特征的MEMS结构的透视图。
[0005]图9是图1-8的MEMS结构的实施例的侧视图。
[0006]图10是图1-9的实施例的透视图，说明了用于MEMS结构的隆起结合的布置。
[0007]图11-14是根据本发明的另一个实施例的在不同生产阶段的带有一体应力隔离特征的MEMS结构的另一实施例的透视图。
[0008]图15是图11-14的MEMS结构的实施例的俯视图。
[0009]图16是图11-14的实施例的俯视图。
【具体实施方式】
[0010]本发明的实施例将应力隔离结构或特征集成或嵌入到微电子机械设备架构或结构中的玻璃层中。有利地，本发明的实施例被制造成在玻璃层中有嵌入式牺牲材料，该牺牲材料可被蚀刻掉以形成带图案的玻璃特征，这些带图案的玻璃特征被一体化到整块式玻璃层中。这些玻璃特征在牺牲材料被移除后保留下来，在本文中这些玻璃特征被称为应力隔离结构或特征。为了本说明书的目的，术语“应力隔离特征”或“应力隔离结构”指的是一组顺从性弯曲，这些顺从性弯曲具有足够的刚度从而整个结构在各种振动或加速状态下是相对稳健的，但是又足够地顺从使得该特征吸收由设备封装施加的应力。在一个示例中，应力隔离结构是由足够刚性的材料，例如玻璃，形成的一组梁。在其它实施例中，应力隔离特征采用适合于将MEMS设备与由容纳该设备的封装引起的应力隔离的其它形状。在本文中使用时，术语“牺牲特征”指的是形成在材料层中的特征，该特征将在形成MEMS设备的工艺完成之前被移除。本质上，牺牲特征起限定MEMS设备的玻璃层中的应力隔离特征的结构(形状、大小和位置)的模具的作用。
[0011]在MEMS设备的玻璃层中使用牺牲特征使一体化或嵌入式应力隔离特征能被形成在MEMS设备架构中。在玻璃上形成图案的传统方法包括湿化学蚀刻工艺和深反应离子蚀亥IJ。这些方法经常与MEMS设备架构中的各种材料不兼容，并且因此作为在MEMS设备的玻璃层中制造应力隔离特征的手段是不令人满意的。有利地，借助牺牲材料工艺，应力隔离特征可在用凹部在玻璃上形成图案和MEMS设备的金属化之前就被限定。为此目的，牺牲特征是由具有在玻璃的熔化或软化温度之上的熔化或软化温度的材料形成。因此，可获得并使用材料阵列。在一种表现形式中，诸如本征硅的半导体材料被选作牺牲材料。除了具有高熔化或软化点之外，硅还容易通过深反应离子蚀刻被微机加工，使得这种应用所要求的高深宽比特征能被形成。而且，牺牲材料被设计制造成与后续的MEMS工艺步骤兼容。在MEMS设备的制造之后，嵌入式牺牲特征可被用合适的蚀刻剂移除，由此在玻璃层中留下了嵌入式应力隔尚特征。
[0012]有利地，这种技术可应用到在其架构中包含玻璃层的任何MEMS结构。在这种表现形式中，玻璃层因此是带有有益于传统的MEMS处理技术的嵌入式应力隔离特征的刚性晶片。
[0013]第一实施例
图1-10说明了带有应力隔离特征的MEMS结构的第一实施例的制造，这些应力隔离特征被嵌入到或一体化到该MEMS结构的玻璃层中。这种MEMS结构包括了三个主要的层:底部玻璃层、半导体层和顶部玻璃层。底部玻璃层包括嵌入式应力隔离特征。在一个实施例中，该MEMS结构包括MEMS共振器设备，在该共振器设备中半导体层形成了共振结构和梳状驱动器，并且顶部和底部玻璃层形成了应力隔离结构和其它电极。
[0014]如图1中所示，用于制造MEMS结构的过程开始于牺牲材料层100。在一个实施例中，层100是诸如硅的半导体材料层。在其它实施例中，其它的材料被使用，这些材料具有在玻璃的熔化或软化温度之上的熔化或软化温度。使用深反应离子蚀刻工艺(DRIE)，在层100中蚀刻图案。这种图案包括空隙102和岛104。岛104也被称为上面定义的牺牲特征。联合空隙102，牺牲特征104起到模具的作用，该模具用于此后形成下面更具体地描述的应力隔尚特征。
[0015]在准备好了牺牲层100之后，就准备好了形成带有其嵌入式应力隔离特征的MEMS结构的底部玻璃层110。在接近真空的气氛下将玻璃晶片106结合到牺牲层100，如图2所示。图2中的结构被加热超过玻璃软化点。在真空中对玻璃晶片106的这种加热形成了MEMS结构的底部玻璃层110，因为玻璃晶片106的玻璃熔化或软化并且被拉到牺牲层100中的空隙102的图案内并围绕岛或牺牲特征104，从而形成结构112，如图3所示。结构112被从侧面114和116抛光以去除操作材料并且形成光滑玻璃基底。因此，牺牲特征104被嵌入到或一体化到底部玻璃层110中，如图4中所示。在这个实施例中，牺牲特征104限定了梁105和垫107。梁105在本实施例中就是所谓的应力隔离特征。在示出的实施例中，玻璃层110包括四个垫107，这些垫按照一定图案被分散在层110中以形成正方形109。每个梁105都从一个垫107延伸。两个梁105沿着正方形109的一个边从邻近的垫107延伸。另外两个梁105沿着正方形109的另外的相对边从另外两个垫107延伸。
[0016]如上所述，MEMS结构还包括半导体层。通过在底部玻璃层110中形成图案并蚀刻凹部111使底部玻璃层110准备好接收半导体层。底部玻璃层110中的凹部111被形成以用于MEMS结构的金属化部分。底部玻璃层110还接收方山区域118，该方山区域形成了用于结合到MEMS结构的半导体悬浮层120的区域，如图5所示。使用DRIE在半导体悬浮层120上形成图案。在一个实施例中，使用操作晶片上的退化掺杂外延硅或者使用被结合到低掺杂硅晶片并被抛光以生产25-100微米设备或半导体层的高掺杂硅晶片来形成半导体悬浮层。这个半导体层120被结合到底部玻璃晶片110并且硅操作层被溶解或蚀刻掉，从而仅留下该设备或半导体层120，如图6所示。
[0017]通过添加顶部玻璃层并去除牺牲特征来完成MEMS设备。如图7中所示，包含带图案的金属化和凹部124的玻璃晶片122被结合到带图案的半导体层120。使用湿蚀刻，牺牲特征104被从底部玻璃层110移除并且形成了底部玻璃层110中的应力隔离结构126，如图8所示。在一个实施例中，低掺杂硅被用作牺牲材料。这允许使用EDP去除牺牲特征，而不需将(退化掺杂的)半导体或设备层120蚀刻掉。MEMS设备128的横截面在图9中示出。有利地，这种类型的玻璃图案形成的高深宽比、光滑的侧壁和精确的特征控制允许将各种类型的应力隔离特征制造在MEMS架构的玻璃层中。
[0018]—旦被形成，就使用合适的管芯附接方法将MEMS设备128插入到封装或壳体中。例如，在一个实施例中，MEMS设备128在制造在玻璃中的应力隔离结构上被隆起结合到封装130。例如，隆起结合134被形成在垫107上以将MEMS设备128安装在封装130中，如图10中所示。在其它的实施例中，其它的管芯附接方法被使用，例如，使用环氧树脂或其它粘合剂、共晶焊、软焊料或者其它管芯附接方法将MEMS设备128固定在封装130内。
[0019]第二实施例
图11-16说明了带有不同的应力隔离特征布置的MEMS结构的第二实施例。出于简要目的，仅具体解释了这个MEMS结构的底部玻璃层的形成，因为该过程的其余部分都与第一实施例相同。在这个实施例中，MEMS结构也包括三个主要层:底部玻璃层、半导体层和顶部玻璃层。底部玻璃层包括不同的嵌入式应力隔离特征，该应力隔离特征基于围绕中心玻璃垫的框架。
[0020]如图11中所示，用于制造MEMS结构的过程开始于牺牲材料层500。在一个实施例中，层500是诸如硅的半导体材料层。在其它实施例中，其它的材料被使用，这些材料具有在玻璃的熔化或软化温
【专利说明】
【背景技术】
[0001 ] 各种的微电子机械(MEMS)设备都容易受到它们周围的封装结构所施加的应力的影响，尤其是那些带有电容读出器、膜元件和共振结构的设备。例如，这些应力可能因封装和传感器中的不同材料的不同物理性质而出现。因此，温度、周围压力和湿度的变化导致了MEMS设备的性能的降级。而且，设备性能在该设备的寿命中还可能因为机械漂移而降级，机械漂移例如是由于管芯结合的机械蠕变。
[0002]—种将MEMS设备与封装引起的应力隔离的传统方法是在封装和MEMS设备之间制造界面层。这种界面层包含了一系列的可弯曲梁，这些梁在封装引起的应力下偏转，从而最小化了对MEMS设备的性能的影响。不过，这种技术要求制造额外的层。这增加了被封装设备的复杂性、周期时间和成本。另外，这些特征可被制造在现有的MEMS结构中，但是进行这种制造的传统方法不容易与MEMS制造工艺的其它方面兼容。
【发明内容】
[0003]提供了一种微电子机械(MEMS)结构。在一个实施例中，该MEMS结构包括玻璃基底层，该玻璃基底层包含至少一个嵌入式应力隔离特征。该玻璃基底还包括至少一个隆起结合部位，该隆起结合部位被构造成用于将该MEMS结构联接到封装。该MEMS结构还包括形成在该玻璃基底层上的半导体设备层，该半导体设备层包括MEMS传感器。该MEMS结构还包括设置在该半导体设备层上的顶部玻璃层。
【附图说明】
[0004]图1-8是根据本发明的一个实施例的在不同生产阶段的带有一体应力隔离特征的MEMS结构的透视图。
[0005]图9是图1-8的MEMS结构的实施例的侧视图。
[0006]图10是图1-9的实施例的透视图，说明了用于MEMS结构的隆起结合的布置。
[0007]图11-14是根据本发明的另一个实施例的在不同生产阶段的带有一体应力隔离特征的MEMS结构的另一实施例的透视图。
[0008]图15是图11-14的MEMS结构的实施例的俯视图。
[0009]图16是图11-14的实施例的俯视图。
【具体实施方式】
[0010]本发明的实施例将应力隔离结构或特征集成或嵌入到微电子机械设备架构或结构中的玻璃层中。有利地，本发明的实施例被制造成在玻璃层中有嵌入式牺牲材料，该牺牲材料可被蚀刻掉以形成带图案的玻璃特征，这些带图案的玻璃特征被一体化到整块式玻璃层中。这些玻璃特征在牺牲材料被移除后保留下来，在本文中这些玻璃特征被称为应力隔离结构或特征。为了本说明书的目的，术语“应力隔离特征”或“应力隔离结构”指的是一组顺从性弯曲，这些顺从性弯曲具有足够的刚度从而整个结构在各种振动或加速状态下是相对稳健的，但是又足够地顺从使得该特征吸收由设备封装施加的应力。在一个示例中，应力隔离结构是由足够刚性的材料，例如玻璃，形成的一组梁。在其它实施例中，应力隔离特征采用适合于将MEMS设备与由容纳该设备的封装引起的应力隔离的其它形状。在本文中使用时，术语“牺牲特征”指的是形成在材料层中的特征，该特征将在形成MEMS设备的工艺完成之前被移除。本质上，牺牲特征起限定MEMS设备的玻璃层中的应力隔离特征的结构(形状、大小和位置)的模具的作用。
[0011]在MEMS设备的玻璃层中使用牺牲特征使一体化或嵌入式应力隔离特征能被形成在MEMS设备架构中。在玻璃上形成图案的传统方法包括湿化学蚀刻工艺和深反应离子蚀亥IJ。这些方法经常与MEMS设备架构中的各种材料不兼容，并且因此作为在MEMS设备的玻璃层中制造应力隔离特征的手段是不令人满意的。有利地，借助牺牲材料工艺，应力隔离特征可在用凹部在玻璃上形成图案和MEMS设备的金属化之前就被限定。为此目的，牺牲特征是由具有在玻璃的熔化或软化温度之上的熔化或软化温度的材料形成。因此，可获得并使用材料阵列。在一种表现形式中，诸如本征硅的半导体材料被选作牺牲材料。除了具有高熔化或软化点之外，硅还容易通过深反应离子蚀刻被微机加工，使得这种应用所要求的高深宽比特征能被形成。而且，牺牲材料被设计制造成与后续的MEMS工艺步骤兼容。在MEMS设备的制造之后，嵌入式牺牲特征可被用合适的蚀刻剂移除，由此在玻璃层中留下了嵌入式应力隔尚特征。
[0012]有利地，这种技术可应用到在其架构中包含玻璃层的任何MEMS结构。在这种表现形式中，玻璃层因此是带有有益于传统的MEMS处理技术的嵌入式应力隔离特征的刚性晶片。
[0013]第一实施例
图1-10说明了带有应力隔离特征的MEMS结构的第一实施例的制造，这些应力隔离特征被嵌入到或一体化到该MEMS结构的玻璃层中。这种MEMS结构包括了三个主要的层:底部玻璃层、半导体层和顶部玻璃层。底部玻璃层包括嵌入式应力隔离特征。在一个实施例中，该MEMS结构包括MEMS共振器设备，在该共振器设备中半导体层形成了共振结构和梳状驱动器，并且顶部和底部玻璃层形成了应力隔离结构和其它电极。
[0014]如图1中所示，用于制造MEMS结构的过程开始于牺牲材料层100。在一个实施例中，层100是诸如硅的半导体材料层。在其它实施例中，其它的材料被使用，这些材料具有在玻璃的熔化或软化温度之上的熔化或软化温度。使用深反应离子蚀刻工艺(DRIE)，在层100中蚀刻图案。这种图案包括空隙102和岛104。岛104也被称为上面定义的牺牲特征。联合空隙102，牺牲特征104起到模具的作用，该模具用于此后形成下面更具体地描述的应力隔尚特征。
[0015]在准备好了牺牲层100之后，就准备好了形成带有其嵌入式应力隔离特征的MEMS结构的底部玻璃层110。在接近真空的气氛下将玻璃晶片106结合到牺牲层100，如图2所示。图2中的结构被加热超过玻璃软化点。在真空中对玻璃晶片106的这种加热形成了MEMS结构的底部玻璃层110，因为玻璃晶片106的玻璃熔化或软化并且被拉到牺牲层100中的空隙102的图案内并围绕岛或牺牲特征104，从而形成结构112，如图3所示。结构112被从侧面114和116抛光以去除操作材料并且形成光滑玻璃基底。因此，牺牲特征104被嵌入到或一体化到底部玻璃层110中，如图4中所示。在这个实施例中，牺牲特征104限定了梁105和垫107。梁105在本实施例中就是所谓的应力隔离特征。在示出的实施例中，玻璃层110包括四个垫107，这些垫按照一定图案被分散在层110中以形成正方形109。每个梁105都从一个垫107延伸。两个梁105沿着正方形109的一个边从邻近的垫107延伸。另外两个梁105沿着正方形109的另外的相对边从另外两个垫107延伸。
[0016]如上所述，MEMS结构还包括半导体层。通过在底部玻璃层110中形成图案并蚀刻凹部111使底部玻璃层110准备好接收半导体层。底部玻璃层110中的凹部111被形成以用于MEMS结构的金属化部分。底部玻璃层110还接收方山区域118，该方山区域形成了用于结合到MEMS结构的半导体悬浮层120的区域，如图5所示。使用DRIE在半导体悬浮层120上形成图案。在一个实施例中，使用操作晶片上的退化掺杂外延硅或者使用被结合到低掺杂硅晶片并被抛光以生产25-100微米设备或半导体层的高掺杂硅晶片来形成半导体悬浮层。这个半导体层120被结合到底部玻璃晶片110并且硅操作层被溶解或蚀刻掉，从而仅留下该设备或半导体层120，如图6所示。
[0017]通过添加顶部玻璃层并去除牺牲特征来完成MEMS设备。如图7中所示，包含带图案的金属化和凹部124的玻璃晶片122被结合到带图案的半导体层120。使用湿蚀刻，牺牲特征104被从底部玻璃层110移除并且形成了底部玻璃层110中的应力隔离结构126，如图8所示。在一个实施例中，低掺杂硅被用作牺牲材料。这允许使用EDP去除牺牲特征，而不需将(退化掺杂的)半导体或设备层120蚀刻掉。MEMS设备128的横截面在图9中示出。有利地，这种类型的玻璃图案形成的高深宽比、光滑的侧壁和精确的特征控制允许将各种类型的应力隔离特征制造在MEMS架构的玻璃层中。
[0018]—旦被形成，就使用合适的管芯附接方法将MEMS设备128插入到封装或壳体中。例如，在一个实施例中，MEMS设备128在制造在玻璃中的应力隔离结构上被隆起结合到封装130。例如，隆起结合134被形成在垫107上以将MEMS设备128安装在封装130中，如图10中所示。在其它的实施例中，其它的管芯附接方法被使用，例如，使用环氧树脂或其它粘合剂、共晶焊、软焊料或者其它管芯附接方法将MEMS设备128固定在封装130内。
[0019]第二实施例
图11-16说明了带有不同的应力隔离特征布置的MEMS结构的第二实施例。出于简要目的，仅具体解释了这个MEMS结构的底部玻璃层的形成，因为该过程的其余部分都与第一实施例相同。在这个实施例中，MEMS结构也包括三个主要层:底部玻璃层、半导体层和顶部玻璃层。底部玻璃层包括不同的嵌入式应力隔离特征，该应力隔离特征基于围绕中心玻璃垫的框架。
[0020]如图11中所示，用于制造MEMS结构的过程开始于牺牲材料层500。在一个实施例中，层500是诸如硅的半导体材料层。在其它实施例中，其它的材料被使用，这些材料具有在玻璃的熔化或软化温
再多了解一些
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