CN113184796A - 一种微机电***器件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微机电***器件及其制造方法。微机电***器件包括第一晶片、第二晶片、工作元件及电极等。工作元件形成于第一晶片上，第二晶片与第一晶片键合连接；第二晶片具有腔体结构，该工作元件处于腔体结构内，电极贯穿设置于键合界面上；电极与工作元件连接。该制造方法包括：提供第一晶片和具有腔体结构的第二晶片，在第一晶片上形成工作元件，在第一晶片上制备与工作元件连接的电极，将第二晶片与第一晶片键合连接，并使电极贯穿于第一晶片与第二晶片的键合界面上，以及使工作元件设置于腔体结构内。本发明保证微机电***器件的工作元件处在真空环境内，使微机电***器件具有更高的灵敏度、精确性以及稳定性，提高了器件使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电***)器件技术领域，更为具体地，本发明提供了一种微机电***器件及其制造方法。
背景技术
键合技术一般是指将两片同质或异质半导体材料在一定条件下直接结合之后通过范德华力、分子力甚至原子力使晶片键合成为一体的技术，所以键合技术被广泛地应用于微机电***中。但是，由于现有微机电***器件设计上存在的技术瓶颈，常规的微机电***器件制造方法或产品结构经常会出现工作元件灵敏性低、精确性差、稳定性差或使用寿命短等问题，亟待需要解决。
发明内容
为解决现有微机电***器件设计上存在的至少一个问题，本发明能够提供一种微机电***器件及其制造方法，以达到提高微机电***器件中的工作元件灵敏性、精确性、稳定性以及使用寿命等一个或多个技术目的。
为实现上述技术目的，本发明具体能够提供一种微机电***器件，该微机电***器件可包括但不限于第一晶片、第二晶片、工作元件及电极等。
工作元件，形成于所述第一晶片上。
第二晶片，与所述第一晶片键合连接；其中，所述第二晶片具有腔体结构，所述工作元件处于所述腔体结构内。
电极，贯穿设置于所述第一晶片与所述第二晶片的键合界面上；所述电极与所述工作元件连接。
进一步地，所述电极厚度小于或等于50纳米。
进一步地，所述腔体结构内为真空。
进一步地，该微机电***器件还包括金属丝。
金属丝，处于所述腔体结构内；其中所述电极通过所述金属丝与所述工作元件电连接。
进一步地，所述电极与所述工作元件通过直接欧姆接触的方式电连接。
进一步地，所述电极为碳纳米管电极、石墨烯电极、金属电极中的至少一种；即本发明电极有以下材料中的至少一种制成：金属、石墨烯、碳纳米管。
进一步地，所述电极一端与所述工作元件电连接，所述电极另一端设于键合界面外。
进一步地，所述第一晶片为玻璃片、硅片、金属片、陶瓷片、有氧化硅层的硅片、有金属层的硅片、有金属层的玻璃片中的至少一种。
进一步地，所述第二晶片为玻璃片、硅片、金属片、陶瓷片、有氧化硅层的硅片、有金属层的硅片、有金属层的玻璃片中的至少一种。
进一步地，所述键合连接包括但不限于阳极键合、共熔键合、焊烧键合、直接键合、热压键合、共晶键合中的至少一种。
进一步地，所述微机电***器件例如可以是微谐振器、微陀螺仪、薄膜压力传感器、射频MEMS器件、真空热发射器件、真空场发射器件或光学MEMS器件中的至少一种。
为实现上述技术目的，本发明还能够提供一种微机电***器件的制造方法，该制造方法可包括但不限于如下的至少一个步骤。
提供第一晶片和具有腔体结构的第二晶片。
在所述第一晶片上形成工作元件。
在所述第一晶片上制备用于与所述工作元件连接的电极。
将所述第二晶片与所述第一晶片键合连接，并使所述电极贯穿于所述第一晶片与所述第二晶片的键合界面上，以及使所述工作元件设置于所述腔体结构内。
进一步地，所述在所述第一晶片上制备用于与所述工作元件连接的电极包括：
在所述第一晶片表面设置标志。
在所述第一晶片上的标志所在位置形成用于与所述工作元件连接的电极。
进一步地，所述在所述第一晶片表面设置标志包括：
对所述第一晶片进行清洗，以去掉所述第一晶片表面上的杂质和/或污染物。
通过光刻和/或镀膜的方式在所述第一晶片表面形成具有凹陷结构或凸起结构的标志。
进一步地，所述在所述第一晶片上的标志所在位置形成用于与所述工作元件连接的电极包括：
在所述第一晶片上的标志所在位置形成电极。
设置金属丝，以及使所述金属丝两端分别电连接所述工作元件和所述电极。
进一步地，所述在所述第一晶片上的标志所在位置形成用于与所述工作元件连接的电极包括：
在所述第一晶片上的标志所在位置形成与所述工作元件欧姆接触的电极。
进一步地，所述将所述第二晶片与所述第一晶片键合连接包括：
将所述第二晶片与所述第一晶片阳极键合或共熔键合或焊烧键合或直接键合或热压键合或共晶键合连接。
进一步地，制备电极的方式包括但不限于热蒸发沉积、磁控溅射沉积、电子束蒸发沉积、机械转移中的一种或多种。
本发明的有益效果为：基于本发明所提供的技术方案能够保证微机电***器件的工作元件处在真空环境内，从而使微机电***器件具有更高的灵敏度、精确性以及稳定性，并极大提高了器件的使用寿命。具体地，本发明所提供的技术方案能够极大地改善有电极贯穿的两晶片键合界面的气密性，以使MEMS器件的腔体内具有较高的真空度，进而可保证微机电***器件的腔体内工作元件灵敏性、精确性、稳定性和具有较长的使用寿命。
附图说明
图1示出了本发明一个或多个实施例中有电极贯穿的两个晶片键合后的三维结构示意图。
图2示出了本发明一个或多个实施例中通过金属丝电连接的电极与工作元件正视结构剖面示意图。
图3示出了本发明一个或多个实施例中直接欧姆接触的电极与工作元件正视结构剖面示意图。
图4示出了本发明一个或多个实施例中第一晶片与第二晶片键合后的侧视结构剖面示意图。
图5示出了本发明一个或多个实施例中制备碳纳米管(碳管)电极的流程示意图。
图中，
100、第一晶片。
200、第二晶片。
201、腔体结构。
202、缝隙。
300、电极。
400、工作元件。
500、金属丝。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本发明的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
在附图中示出了根据本发明实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
在本发明的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。
如图1至5所示，本发明一个或多个实施例能够具体提供一种微机电***器件及其制造方法，其中器件的制造方法可包括但不限于如下的一个或多个步骤。
提供待进行键合处理的两个晶片，具体准备第一晶片100和具有腔体结构201的第二晶片200，腔体结构201例如可以处在第二晶片200的下表面。本发明实施例的第一晶片100例如可以是但不限于玻璃片、硅片、金属片、陶瓷片、有氧化硅层的硅片、有金属层的硅片、有金属层的玻璃片中的至少一种。
按照设计构思，本发明在第一晶片100上形成工作元件400，例如可以在第一晶片100衬底的上表面制备工作元件400。
在第一晶片100上制备用于与工作元件400连接的电极300，例如在第一晶片100上表面制备电极300，并可使电极300的厚度小于或等于50纳米。本发明一个或多个实施例中在第一晶片100上制备用于与工作元件400连接的电极300包括：在第一晶片100表面设置标志，在第一晶片100上的标志所在位置形成用于与工作元件400连接的电极300。具体地，本发明制备电极的方式包括但不限于热蒸发沉积、磁控溅射沉积、电子束蒸发沉积、机械转移中的一种或多种。本发明中的电极300例如为碳纳米管电极、石墨烯电极中的至少一种。
如图5所示，更为具体来说，在第一晶片100表面设置标志包括：对第一晶片100进行清洗，清洗所使用的溶液例如可包括但不限于水、乙醇等溶液，以去掉第一晶片100表面上的杂质和/或污染物。通过光刻和/或镀膜的方式在第一晶片100表面形成具有凹陷结构或者凸起结构的标志，例如可通过光刻形成具有凹陷结构的槽标志或两侧凹陷的中间凸起标志，或者利用镀膜方式形成凸起状的标志或两竖条围成的凹陷状标志，当然本发明并不限于此。
如图2所示，本发明一些实施例中在第一晶片100上的标志所在位置形成用于与工作元件400连接的电极300包括但不限于：在第一晶片100上的标志所在位置形成电极300；并可设置至少一根金属丝500，以及使金属丝500两端分别电连接工作元件400和电极300。即本发明一些实施例通过金属丝500完成电极300与工作元件400的电连接。
如图3所示，本发明另一些实施例在第一晶片100上的标志所在位置形成用于与工作元件400连接的电极300包括：在第一晶片100上的标志所在位置形成与工作元件400欧姆接触的电极300。更为具体地，本发明在做好标志的衬底上铺设碳纳米管，并使其尽可能地密致均匀、不歪不斜，且碳纳米管一端与工作元件400具有良好的欧姆接触，并可在铺设完成后在第一晶片100衬底上滴上水或酒精等溶剂，以使碳纳米管与衬底粘附的更牢固，最终形成由碳纳米管制成与工作元件400直接连接的电极300。
如图1、2、3所示，将第二晶片200与第一晶片100键合连接，从而能够将第一晶片100与第二晶片200键合为一体。并且使电极300贯穿于第一晶片100与第二晶片200的键合界面上，以及使工作元件400设置于腔体结构201内，腔体结构201内为真空。具体地，本发明键合连接方式例如可包括但不限于阳极键合、共熔键合、焊烧键合、直接键合、热压键合以及共晶键合中的至少一种。本发明实施例的第二晶片200例如可以是但不限于玻璃片、硅片、金属片、陶瓷片、有氧化硅层的硅片、有金属层的硅片、有金属层的玻璃片中的至少一种。
如图1至4所示，本发明一个或多个实施例能够提供一种微机电***器件，该微机电***器件可包括但不限于第一晶片100、第二晶片200、电极300及工作元件400等。
第一晶片100例如可以是但不限于玻璃片、硅片、金属片、陶瓷片、有氧化硅层的硅片、有金属层的硅片、有金属层的玻璃片中的至少一种。
第二晶片200例如可以是但不限于玻璃片、硅片、金属片、陶瓷片、有氧化硅层的硅片、有金属层的硅片、有金属层的玻璃片中的至少一种。其中，第二晶片200具有腔体结构201，腔体结构201例如可以处在第二晶片200的下表面。本发明一些实施例中的腔体结构201能够理解为第二晶片200本体围成的一个空腔，腔体结构201内为真空。本发明一个或多个实施例中第二晶片200与第一晶片100键合连接，即本发明中的第二晶片200与第一晶片100可通过晶片键合工艺连接为一体。键合连接具体可包括但不限于阳极键合、共熔键合、焊烧键合、直接键合、热压键合、共晶键合中的至少一种。
工作元件400形成于第一晶片100上，即本发明可在第一晶片100上加工出工作元件400。工作元件400处于腔体结构201内。工作元件400设于第二晶片200围成的空腔内。可理解的是，本发明涉及的工作元件400属于实现MEMS器件功能的核心元件，例如微陀螺仪中的角度检测元件、压力传感器中的压力检测元件等。
电极300用于作为传导媒介、贯穿设置于第一晶片100与第二晶片200的键合界面上，电极300一端与工作元件400连接、另一端设于键合界面外。如图4所示，基于本发明技术方案形成的电极300边缘的缝隙202非常小，外界气体几乎不会对腔体结构201内真空环境的工作元件400产生影响。
本发明一些优选的实施例中的电极300的厚度小于或等于50纳米，基于较小厚度的电极300能够进一步减小电极300边缘的缝隙202，下表为通过氦质谱检漏仪分别对300nm金/钛电极与50nm金/钛电极的器件漏率对比测试结果。相对于具有更大厚度的金属电极，本发明通过减薄电极厚度能够使MEMS器件具有更好的气密性，极大地降低了漏率。
| 电极 | 300nm金/钛电极 | 50nm金/钛电极 |
| 漏率(Pa·m<sup>3</sup>/s) | 10<sup>-8</sup> | 10<sup>-11</sup> |
本发明中的电极300可以由如下的材料制成：碳纳米管、石墨烯或金属等，所以电极300可为碳纳米管电极、石墨烯电极、金属电极中的至少一种。本发明一些优选的实施例中电极300为碳纳米管电极，使用碳纳米管制成的电极300能够进一步减小电极300边缘的缝隙202，下表为通过氦质谱检漏仪分别对300nm金/钛电极与300nm碳纳米管电极的器件漏率对比测试结果。与常规材质的电极相比，本发明技术方案中通过利用新的材料(由碳纳米管制成的电极)使MEMS器件具有更好的气密性，能够极大地降低漏率。
| 电极 | 300nm金/钛电极 | 300nm碳纳米管电极 |
| 漏率(Pa·m<sup>3</sup>/s) | 10<sup>-8</sup> | 10<sup>-11</sup> |
另外，本发明能够通过热蒸发沉积或磁控溅射沉积或电子束蒸发沉积或机械转移等方式制备电极300。
如图2所示，本发明一些实施例中的器件结构中可具有金属丝500。金属丝500处于腔体结构201内，电极300通过金属丝500与工作元件400电连接。具体地，金属丝500两端可分别电连接工作元件400和电极300，可见本发明一个或多个实施例能够通过引线键合的方式实现电极300与工作元件400线连接。
如图3所示，本发明另一些实施例中电极300与工作元件400可通过直接欧姆接触的方式电连接。
应当理解的是，通过本发明技术方案形成的微机电***器件例如可为微谐振器、微陀螺仪、薄膜压力传感器、射频MEMS器件、真空热发射器件、真空场发射器件及光学MEMS器件中的一种或多种。本发明能够基于晶片键合技术对MEMS器件进行真空封装，具体在一定压力、温度、电压和真空度等条件下将第一晶片100和第二晶片200键合为一体，从而使MEMS器件内部形成一个密闭腔体。
在本说明书的描述中，参考术语“本实施例”、“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在以上的描述中，对于各层的构图、刻蚀等技术细节并没有做出详细的说明。但是本领域技术人员应当理解，可以通过各种技术手段，来形成所需形状的层、区域等。另外，为了形成同一结构，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。另外，尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。
以上对本发明的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本发明的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本发明的范围之内。
Claims (12)
1.一种微机电***器件，其特征在于，包括：
第一晶片；
工作元件，形成于所述第一晶片上；
第二晶片，与所述第一晶片键合连接；其中，所述第二晶片具有腔体结构，所述工作元件处于所述腔体结构内；
电极，贯穿设置于所述第一晶片与所述第二晶片的键合界面上；所述电极与所述工作元件连接。
2.根据权利要求1所述的微机电***器件，其特征在于，
所述电极，厚度小于或等于50纳米。
3.根据权利要求1所述的微机电***器件，其特征在于，
所述腔体结构内为真空。
4.根据权利要求1或2所述的微机电***器件，其特征在于，还包括：
金属丝，处于所述腔体结构内；其中所述电极通过所述金属丝与所述工作元件电连接。
5.根据权利要求1或2所述的微机电***器件，其特征在于，
所述电极与所述工作元件通过欧姆接触的方式电连接。
6.根据权利要求1或2所述的微机电***器件，其特征在于，
所述电极为碳纳米管电极、石墨烯电极、金属电极中的至少一种。
7.一种微机电***器件的制造方法，其特征在于，包括：
提供第一晶片和具有腔体结构的第二晶片；
在所述第一晶片上形成工作元件；
在所述第一晶片上制备用于与所述工作元件连接的电极；
将所述第二晶片与所述第一晶片键合连接，并使所述电极贯穿于所述第一晶片与所述第二晶片的键合界面上，以及使所述工作元件设置于所述腔体结构内。
8.根据权利要求7所述的微机电***器件的制造方法，其特征在于，所述在所述第一晶片上制备用于与所述工作元件连接的电极包括：
在所述第一晶片表面设置标志；
在所述第一晶片上的标志所在位置形成用于与所述工作元件连接的电极。
9.根据权利要求8所述的微机电***器件的制造方法，其特征在于，所述在所述第一晶片表面设置标志包括：
对所述第一晶片进行清洗，以去掉所述第一晶片表面上的杂质和/或污染物；
通过光刻和/或镀膜的方式在所述第一晶片表面形成具有凹陷结构或凸起结构的标志。
10.根据权利要求8或9所述的微机电***器件的制造方法，其特征在于，所述在所述第一晶片上的标志所在位置形成用于与所述工作元件连接的电极包括：
在所述第一晶片上的标志所在位置形成电极；
设置金属丝，以及使所述金属丝两端分别电连接所述工作元件和所述电极。
11.根据权利要求8或9所述的微机电***器件的制造方法，其特征在于，所述在所述第一晶片上的标志所在位置形成用于与所述工作元件连接的电极包括：
在所述第一晶片上的标志所在位置形成与所述工作元件欧姆接触的电极。
12.根据权利要求7所述的微机电***器件的制造方法，其特征在于，所述将所述第二晶片与所述第一晶片键合连接包括：
将所述第二晶片与所述第一晶片阳极键合或共熔键合或焊烧键合或直接键合或热压键合或共晶键合连接。
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