微電子機械系統（mems）結構中的應力隔離特征的整塊式一體化的制作方法
【專利說明】
【背景技術】
[0001 ] 各種的微電子機械(MEMS)設備都容易受到它們周圍的封裝結構所施加的應力的影響，尤其是那些帶有電容讀出器、膜元件和共振結構的設備。例如，這些應力可能因封裝和傳感器中的不同材料的不同物理性質而出現。因此，溫度、周圍壓力和濕度的變化導致了MEMS設備的性能的降級。而且，設備性能在該設備的壽命中還可能因為機械漂移而降級，機械漂移例如是由于管芯結合的機械蠕變。
[0002]—種將MEMS設備與封裝引起的應力隔離的傳統方法是在封裝和MEMS設備之間制造界面層。這種界面層包含了一系列的可彎曲梁，這些梁在封裝引起的應力下偏轉，從而最小化了對MEMS設備的性能的影響。不過，這種技術要求制造額外的層。這增加了被封裝設備的復雜性、周期時間和成本。另外，這些特征可被制造在現有的MEMS結構中，但是進行這種制造的傳統方法不容易與MEMS制造工藝的其它方面兼容。
【發明內容】
[0003]提供了一種微電子機械(MEMS)結構。在一個實施例中，該MEMS結構包括玻璃基底層，該玻璃基底層包含至少一個嵌入式應力隔離特征。該玻璃基底還包括至少一個隆起結合部位，該隆起結合部位被構造成用于將該MEMS結構聯接到封裝。該MEMS結構還包括形成在該玻璃基底層上的半導體設備層，該半導體設備層包括MEMS傳感器。該MEMS結構還包括設置在該半導體設備層上的頂部玻璃層。
【附圖說明】
[0004]圖1-8是根據本發明的一個實施例的在不同生產階段的帶有一體應力隔離特征的MEMS結構的透視圖。
[0005]圖9是圖1-8的MEMS結構的實施例的側視圖。
[0006]圖10是圖1-9的實施例的透視圖，說明了用于MEMS結構的隆起結合的布置。
[0007]圖11-14是根據本發明的另一個實施例的在不同生產階段的帶有一體應力隔離特征的MEMS結構的另一實施例的透視圖。
[0008]圖15是圖11-14的MEMS結構的實施例的俯視圖。
[0009]圖16是圖11-14的實施例的俯視圖。
【具體實施方式】
[0010]本發明的實施例將應力隔離結構或特征集成或嵌入到微電子機械設備架構或結構中的玻璃層中。有利地，本發明的實施例被制造成在玻璃層中有嵌入式犧牲材料，該犧牲材料可被蝕刻掉以形成帶圖案的玻璃特征，這些帶圖案的玻璃特征被一體化到整塊式玻璃層中。這些玻璃特征在犧牲材料被移除后保留下來，在本文中這些玻璃特征被稱為應力隔離結構或特征。為了本說明書的目的，術語“應力隔離特征”或“應力隔離結構”指的是一組順從性彎曲，這些順從性彎曲具有足夠的剛度從而整個結構在各種振動或加速狀態下是相對穩健的，但是又足夠地順從使得該特征吸收由設備封裝施加的應力。在一個示例中，應力隔離結構是由足夠剛性的材料，例如玻璃，形成的一組梁。在其它實施例中，應力隔離特征采用適合于將MEMS設備與由容納該設備的封裝引起的應力隔離的其它形狀。在本文中使用時，術語“犧牲特征”指的是形成在材料層中的特征，該特征將在形成MEMS設備的工藝完成之前被移除。本質上，犧牲特征起限定MEMS設備的玻璃層中的應力隔離特征的結構(形狀、大小和位置)的模具的作用。
[0011]在MEMS設備的玻璃層中使用犧牲特征使一體化或嵌入式應力隔離特征能被形成在MEMS設備架構中。在玻璃上形成圖案的傳統方法包括濕化學蝕刻工藝和深反應離子蝕亥IJ。這些方法經常與MEMS設備架構中的各種材料不兼容，并且因此作為在MEMS設備的玻璃層中制造應力隔離特征的手段是不令人滿意的。有利地，借助犧牲材料工藝，應力隔離特征可在用凹部在玻璃上形成圖案和MEMS設備的金屬化之前就被限定。為此目的，犧牲特征是由具有在玻璃的熔化或軟化溫度之上的熔化或軟化溫度的材料形成。因此，可獲得并使用材料陣列。在一種表現形式中，諸如本征硅的半導體材料被選作犧牲材料。除了具有高熔化或軟化點之外，硅還容易通過深反應離子蝕刻被微機加工，使得這種應用所要求的高深寬比特征能被形成。而且，犧牲材料被設計制造成與后續的MEMS工藝步驟兼容。在MEMS設備的制造之后，嵌入式犧牲特征可被用合適的蝕刻劑移除，由此在玻璃層中留下了嵌入式應力隔尚特征。
[0012]有利地，這種技術可應用到在其架構中包含玻璃層的任何MEMS結構。在這種表現形式中，玻璃層因此是帶有有益于傳統的MEMS處理技術的嵌入式應力隔離特征的剛性晶片。
[0013]第一實施例
圖1-10說明了帶有應力隔離特征的MEMS結構的第一實施例的制造，這些應力隔離特征被嵌入到或一體化到該MEMS結構的玻璃層中。這種MEMS結構包括了三個主要的層:底部玻璃層、半導體層和頂部玻璃層。底部玻璃層包括嵌入式應力隔離特征。在一個實施例中，該MEMS結構包括MEMS共振器設備，在該共振器設備中半導體層形成了共振結構和梳狀驅動器，并且頂部和底部玻璃層形成了應力隔離結構和其它電極。
[0014]如圖1中所示，用于制造MEMS結構的過程開始于犧牲材料層100。在一個實施例中，層100是諸如硅的半導體材料層。在其它實施例中，其它的材料被使用，這些材料具有在玻璃的熔化或軟化溫度之上的熔化或軟化溫度。使用深反應離子蝕刻工藝(DRIE)，在層100中蝕刻圖案。這種圖案包括空隙102和島104。島104也被稱為上面定義的犧牲特征。聯合空隙102，犧牲特征104起到模具的作用，該模具用于此后形成下面更具體地描述的應力隔尚特征。
[0015]在準備好了犧牲層100之后，就準備好了形成帶有其嵌入式應力隔離特征的MEMS結構的底部玻璃層110。在接近真空的氣氛下將玻璃晶片106結合到犧牲層100，如圖2所示。圖2中的結構被加熱超過玻璃軟化點。在真空中對玻璃晶片106的這種加熱形成了MEMS結構的底部玻璃層110，因為玻璃晶片106的玻璃熔化或軟化并且被拉到犧牲層100中的空隙102的圖案內并圍繞島或犧牲特征104，從而形成結構112，如圖3所示。結構112被從側面114和116拋光以去除操作材料并且形成光滑玻璃基底。因此，犧牲特征104被嵌入到或一體化到底部玻璃層110中，如圖4中所示。在這個實施例中，犧牲特征104限定了梁105和墊107。梁105在本實施例中就是所謂的應力隔離特征。在示出的實施例中，玻璃層110包括四個墊107，這些墊按照一定圖案被分散在層110中以形成正方形109。每個梁105都從一個墊107延伸。兩個梁105沿著正方形109的一個邊從鄰近的墊107延伸。另外兩個梁105沿著正方形109的另外的相對邊從另外兩個墊107延伸。
[0016]如上所述，MEMS結構還包括半導體層。通過在底部玻璃層110中形成圖案并蝕刻凹部111使底部玻璃層110準備好接收半導體層。底部玻璃層110中的凹部111被形成以用于MEMS結構的金屬化部分。底部玻璃層110還接收方山區域118，該方山區域形成了用于結合到MEMS結構的半導體懸浮層120的區域，如圖5所示。使用DRIE在半導體懸浮層120上形成圖案。在一個實施例中，使用操作晶片上的退化摻雜外延硅或者使用被結合到低摻雜硅晶片并被拋光以生產25-100微米設備或半導體層的高摻雜硅晶片來形成半導體懸浮層。這個半導體層120被結合到底部玻璃晶片110并且硅操作層被溶解或蝕刻掉，從而僅留下該設備或半導體層120，如圖6所示。
[0017]通過添加頂部玻璃層并去除犧牲特征來完成MEMS設備。如圖7中所示，包含帶圖案的金屬化和凹部124的玻璃晶片122被結合到帶圖案的半導體層120。使用濕蝕刻，犧牲特征104被從底部玻璃層110移除并且形成了底部玻璃層110中的應力隔離結構126，如圖8所示。在一個實施例中，低摻雜硅被用作犧牲材料。這允許使用EDP去除犧牲特征，而不需將(退化摻雜的)半導體或設備層120蝕刻掉。MEMS設備128的橫截面在圖9中示出。有利地，這種類型的玻璃圖案形成的高深寬比、光滑的側壁和精確的特征控制允許將各種類型的應力隔離特征制造在MEMS架構的玻璃層中。
[0018]—旦被形成，就使用合適的管芯附接方法將MEMS設備128插入到封裝或殼體中。例如，在一個實施例中，MEMS設備128在制造在玻璃中的應力隔離結構上被隆起結合到封裝130。例如，隆起結合134被形成在墊107上以將MEMS設備128安裝在封裝130中，如圖10中所示。在其它的實施例中，其它的管芯附接方法被使用，例如，使用環氧樹脂或其它粘合劑、共晶焊、軟焊料或者其它管芯附接方法將MEMS設備128固定在封裝130內。
[0019]第二實施例
圖11-16說明了帶有不同的應力隔離特征布置的MEMS結構的第二實施例。出于簡要目的，僅具體解釋了這個MEMS結構的底部玻璃層的形成，因為該過程的其余部分都與第一實施例相同。在這個實施例中，MEMS結構也包括三個主要層:底部玻璃層、半導體層和頂部玻璃層。底部玻璃層包括不同的嵌入式應力隔離特征，該應力隔離特征基于圍繞中心玻璃墊的框架。
[0020]如圖11中所示，用于制造MEMS結構的過程開始于犧牲材料層500。在一個實施例中，層500是諸如硅的半導體材料層。在其它實施例中，其它的材料被使用，這些材料具有在玻璃的熔化或軟化溫