具有吸氣劑層的mems器件的制作方法
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及一種MEMS器件，包括:
[0002]a)密封在一起的第一層、第二層和第三層，
[0003]b)第二層中的移動結構，其由第二層中的開口限定，
[0004]c)在第一層中，至少一個第一層空腔，其具有朝向第二層的移動結構的開口，
[0005]d)在第三層中，至少一個第三層空腔，其具有朝向第二層的移動結構的開口，其中第三層空腔和第二層共同限定MEMS器件內的空間，
[0006]本發明還涉及一種MEMS器件的制造方法。
【背景技術】
[0007]US 6，929，974B1 (摩托羅拉)公開了一種具有氣密密封的空腔以容納襯底和蓋之間的微結構的微器件。微結構可以是安裝在襯底的突起上的陀螺儀(US 6, 929, 974B1的圖1B)。可替換地，微結構可以是安裝在襯底的凹部的邊緣上的元件(圖6B)。蓋具有一個用于各微結構的凹部以及在每個凹部中具有嵌入的晶體硅吸氣劑層。吸氣劑層有助于在空腔內保持真空。在一個實施例中，微器件包括襯底、蓋和隔離層。空腔至少部分地由蓋中的凹部限定。
[0008]US 2010/0025845A1 (弗勞恩霍夫研究所)公開了一種多元件部件，其通過包含有源結構(active structure)的成形元件隨后個體化。所述部件包括平坦襯底以及還包括平坦蓋結構，其彼此連接使得它們包圍每個部件的彼此密封并朝向外側的至少一個第一空腔和一個第二空腔。兩個空腔的第一個設置有吸氣劑材料，并且由于吸氣劑材料具有與第二空腔不同的內部壓力。
[0009]EP 1 412 550B1 (賽斯吸氣材料)公開了一種具有集成的吸氣劑的MEMS器件的制造方法。當在已知的固態生產步驟的過程中使用已知的用于產生氣體吸收材料的局部沉積的CVD或濺射步驟時，產生了問題。很顯然，EP 1412550B1基于如下假設:局部沉積將意味著樹脂沉積、樹脂的局部致敏、氣體吸收材料的沉積和隨后致敏樹脂和氣體吸收材料的移除，使得氣體吸收材料被留在樹脂已被移除的區域中。這將提高器件的生產的復雜性并具有交叉污染的風險。EP 1 412 550B1的目的是克服現有技術中關于制造工藝的復雜性的問題。MEMS器件構建在其上的支撐件的表面具有空腔或空穴(hollow)。所述空穴設計成形成用于容納從基底突出的微機械器件的移動結構的空間。移動結構固定在底部部件的頂面并從所述頂面升起。因此，空穴所提供的空間是必要的并足以容納移動結構以及移動結構突出到空穴的空間中并被空穴包圍。
[0010]現有技術不能滿足現代MEMS技術(MEMS =微機電系統)的所有需求。
【發明內容】
[0011]本發明的目的在于提供開頭所述的技術領域中的MEMS器件。所述器件應當在器件的期望壽命內在其空腔中保持真空，并且它應當易于產生用于維持真空的措施。
[0012]本發明的技術方案由權利要求1的特征限定。根據本發明，MEMS器件包括密封在一起的第一層、第二層和第三層。這些層是平坦的并且也不必是物理上分離的元件。例如，第一層和第二層可以接合到一個物理單元。第一層和第二層可以形成基底以及第三層可以形成蓋。蓋和基底是自支撐的并因此可以在制造處理期間單獨進行處理。一般而言，所述三個層在X和y方向上(平行于層的方向)具有相同的尺寸。器件可以由三個以上的層構成。附加層可以存在于三個層之間。
[0013]根據本發明，移動結構設置在第二層內。移動結構由第二層中的開口限定。因此，移動結構不延伸到第一層或第三層的領域中。另外，移動結構由與第二層相同的材料構成。開口貫穿第二層。開口限定了在χ-y平面上或在z方向上可以振動或加速的元件。
[0014]在第一層中，具有至少一個第一層空腔，其具有朝向第二層的移動結構的開口。空腔在X和y方向上與移動結構是至少同延的(coextensive)。因此，移動結構在第一層空腔上方可自由振動或加速。
[0015]在第三層中，具有至少一個第三層空腔，其具有朝向第二層的移動結構的開口。該空腔在X和y方向上與移動結構是至少同延的。通常空腔在X和y方向上比移動結構更大。第三層空腔和第二層(即第二空腔的朝向第三層取向的表面)限定封閉MEMS器件內的空間的內表面。所述空間足以避免移動結構碰撞入第三層。它可以用于放置電極以驅動或檢測移動結構的運動。然而，空腔并非用于容納移動結構，因為移動結構完全在第二層內。
[0016]根據本發明，至少一個吸氣劑層布置在第二層和第三層之間的所述空間的內表面上。吸氣劑層由吸附了氣體分子的材料制成，所述氣體分子在密封三層結構之后可能存在于空間中。
[0017]吸氣劑材料在現有技術中是公知的。其可包括鋯、鈦、鈮、鉭、釩、這些金屬的合金、以及進一步包含鉻、錳、鐵、鈷、鎳、鋁、釓、鑭和稀土的合金(參見例如W0 2004/065289)。
[0018]根據本發明的一個具體實施例，所述至少一個吸氣劑層布置在第二層的表面上。這避免了吸氣劑材料沉積在第三層上。
[0019]優選地，至少一個吸氣劑層布置在第二層的靜止部分。這意味著，吸氣劑不在移動結構上并且沒有改變移動質量塊的移動特性的風險。可替代地，吸氣劑層可覆蓋移動結構。特別是吸氣劑層覆蓋震動質量塊(或振動質量塊)，而不是覆蓋支撐震動質量塊(或振動質量塊)的柔性梁或彈簧元件。
[0020]如果吸氣劑層在移動結構上，將移動部分上的吸氣劑材料分離成許多條或元件，以保持MEMS層的彈性模量，是有利的。單獨的元件的尺寸是例如吸氣劑層的厚度的10倍。一般來說，吸氣劑層的最大厚度在0.1至3微米、優選0.5至3微米的范圍中。因此，吸氣劑層元件在X或y方向上的尺寸可以在10-100微米的范圍中，更優選在50-100微米的范圍中。
[0021]根據本發明的一個具體實施例，第三層空腔具有至少兩個凹部以及吸氣劑層布置在凹部的表面上。凹部的深度可大于第三層空腔的常規深度。
[0022]優選地，第三層空腔(在X和y方向上)比移動結構更大。此外，凹部比移動結構小。這意味著可具有許多包含單獨的吸氣劑層的相對小的凹部。
[0023]在本發明的具體實施例中，第二層是絕緣體上半導體(SOI)層。絕緣體層是第一層(其可以是由標準的硅晶片制造的硅襯底)和第二層之間的附加層。移動結構被蝕刻到半導體和絕緣體層中。具有其他技術實現三個層。
[0024]第一層通常由不導電材料構成。出于接觸在MEMS器件中用于激活或讀取移動結構的運動的電極的目的，第一層包括貫穿第一層的導電結構。也可以通過貫穿第三層的電導體接觸MEMS器件內的電極。
[0025]用于制造本發明的MEMS器件的方法包括以下步驟:
[0026]a)提供三個層，其中所述層的第一層具有至少一個第一層空腔，第二層具有用于限定移動結構的開口和第三層具有至少一個第三層空腔，
[0027]b)將吸氣劑層設置在由第三層空腔和由第二層的頂面限定的區域上，
[0028]c)將三個層以此方式密封在一起以提供至少一個密封的內部空間，使得第一層空腔和第三層空腔具有朝向第二層的移動結構的開口。
[0029]三個層可以在本發明的方法中使用之前分別制造。優選地，本發明使用由(至少)第一層和第二層(其最優選是在頂部具有SOI結構的硅襯底)構成的組合結構。第三層與第一和第二層是分開的。
[0030]第二層可以在開始本發明處理之前已經包含移動結構。但是，也可以在根據本發明的處理過程中制造第二層中的開口。也就是說，第二層可設置成沒有任何移動結構的裸板(raw plate)。
[0031]吸氣劑材料設置在第二層上或第三層空腔中。一般來說，吸氣劑材料不會覆蓋所有的內表面，而是僅覆蓋其一部分。優選地，吸氣劑材料僅沉積在最終需要其的區域中。可替代地，在第一步驟中，吸氣劑可設置在第二層的整個主面上。然后可以在不需要其的區域部分中移除吸氣劑材料。
[0032]當吸氣劑設置在第三層空腔或第二層的期望區域中時，所述三個層以這樣的方式密封在一起，使得第一層空腔和第三層空腔具有朝向第二層的移動結構的開口。第三層空腔包含真空或受控的填充氣體。以此方式選擇吸氣劑材料，使得其吸收在空腔內的任何不希望的氣體分子。在空腔填充有惰性氣體(=受控填充氣體)的情況下，很明顯，吸氣劑選擇成使得惰性氣體不被吸收。
[0033]該方法適用于晶片級封裝。這意味著，第一層和第三層是具有合適厚度和具有許多相同結構的晶片。換句話說:具有多個移動結構、多個第一層空腔和多個第三層空腔。將三個層彼此密封的步驟產生了具有多個氣密密封的內部空間的多單元器件。密封的層結構然后可以切割成獨立的芯片，每個芯片包括密封在真空空腔中的至少一個移動結構。
[0034]從以下的詳細說明和全部權利要求中，可以得出其他有利的實施例和特征組合。
【附圖說明】
[0035]用于解釋實施例的附圖示出了:
[0036]圖1是本發明的第一實施例的橫截面不意圖；
[0037]圖2是本發明的第二實施例的橫截面示意圖；
[0038]圖3a、3b是第一實施例的基板和蓋板的示意性俯視圖；
[0039]圖4a、4b是第二實施例的基板和蓋板的不意性俯視圖；
[0040]圖5a_5e是示出了優選的制造工藝的示意圖。
【具體實施方式】
[0041]圖1示出了第一優選實施例的橫截面。第一層是厚度在例如200-750微米范圍內的硅襯底1。襯底1足夠厚(即自支撐結構)以便在生產處理過程中與其他層分別進行處理。在襯底1的頂部具有更薄的多絕緣體層4(例如厚度高達幾個微米、例如0.1至3微米的氧化物層)。在絕緣體層4的頂部具有MEMS層2 (其對應于根據本發明的術語“第二層”)。MEMS層2可以是晶體硅層，其適合于構建移動結構。MEMS層2的厚度為不小于10微米，優選厚度在20-100微米的范圍中(例如60微米)。MEMS層2的頂部具有蓋3 (其對應于本發明的術語“第三層”)。該層的厚度可以為200-750微米、例如300微米。
[0042]替代者是由硅的薄層構成的SOI層(100至500納米)、厚度在0_2微米范圍中的氧化物層、在10-60微米的范圍中的厚Si層。
[0043]襯底1和絕緣體上硅(SOI)部件(即MEMS層2與絕緣體層4組合)可以通過公知的方法密封在一起。蓋3可以通過金屬密封層5接合到頂表面2.1。(也有用于密封的其他方法、例如在低溫下硅直接接合)。
[0044]在器件內部，襯底1具有例如兩個空腔6.1、6.2。在各空腔6.1、6.2上方具有在MEMS層2中的移動結構7.1、7.2。所述移動結構7.U7.2由在MEMS層2中的開口 8.1、8.2限定。移動結構7.1,7.2可以是由彈簧元件懸掛在空腔6.1,6.2上方的兩個震動質量塊。震動質量塊響應于器件的加速度。另外，移動結構可以是音叉，包括執行反相位運動的兩個移動部分。
[0045]在移動結構7.1,7.2上方具有一個單一的第三層空腔9，其跨越了兩個移動結構
7.1、7.2的區域。所述空腔9的深度比MEMS層2的厚度小，并且可以在1_30微米的范圍中、例如15微米。空腔9并非用于容納移動結構7.1、7.2，因為移動結構被完全包含在MEMS層2中并且不延伸到空腔9中。
[0046]空腔9在X和y方向上比移動結構7.1、7.2更大。這意味著，MEMS層2具有圍繞移動結構7