具有梁结构的压电MEMS硅谐振器及其形成方法、电子设备技术

本发明专利技术提出具有梁结构的压电MEMS硅谐振器及其形成方法，以及一种电子设备。该形成方法包括：提供带下空腔的SOI硅片作为衬底，下空腔的上方具有器件硅层；依次形成下电极、压电层和上电极；刻蚀器件硅层以形成梁结构；在当前半导体结构上形成牺牲层；在牺牲层之上生长封装材料以形成薄膜封装层，然后在薄膜封装层中的梁结构区域上方位置刻蚀通孔；去除梁结构的振动区上方的牺牲层以形成上空腔，并且保留梁结构的固定端上方的牺牲层；再次生长封装材料以封闭通孔；形成贯穿薄膜封装层以及被保留的牺牲层的电连接通孔；在电连接通孔中形成电极连接。该形成方法制得的压电MEMS硅谐振器可长期保持器件高真空度，实现谐振器高的品质因数以及长期稳定性。数以及长期稳定性。数以及长期稳定性。

【技术实现步骤摘要】
具有梁结构的压电MEMS硅谐振器及其形成方法、电子设备


[0001]本专利技术涉及谐振器
，具体涉及一种压电MEMS硅谐振器及其形成方法，以及一种电子设备。

技术介绍

[0002]谐振器利用了谐振频率可以被被测物理量改变的现象，具有重复性高、分辨率高、灵敏度高等优点。高品质因数的微机电系统(MEMS，Micro
‑
Electro
‑
Mechanical System)谐振器已广泛应用于传感器、振荡器和执行器中，以获得较高的机械灵敏度。
[0003]MEMS工艺中器件的真空封装是整个工艺过程中的难点，通过封装形成一个稳定的真空环境，对于MEMS器件的可靠性和高品质因数是至关重要的。封装的质量决定着整个器件的质量和使用寿命，良好的封装能够使器件在后续工艺中和在器件使用过程中避免潜在污染物(如灰尘颗粒、水蒸气、气体分子)对真空度的破坏。因此能够长期维持MEMS器件真空度的封装技术是实现MEMS器件商业产品化的主要障碍。
[0004]目前，最常用的MEMS器件封装方法是在MEMS器件上键合帽的方法。在MEMS器件上键合帽的工艺可以通过多种方法来实现，主要包括玻璃与硅的阳极键合、玻璃与硅热压键合以及硅与硅通过中间金层的键合。作为中间层的键合材料，磷硅酸盐玻璃(PSG)或玻璃粉，已被用于将玻璃键合到硅上，由于键合材料的应用可以在键合过程中将更多的拓扑结构覆盖。为了进一步提高键合的质量，可以在键合区域局部加热，优点包括：可以更好地控制键合温度和可以在键合区域获得比器件更高的温度，减轻对整个器件中温度敏感材料的热预算的担忧。采用多晶硅和金作为微加热器的局部加热技术的键合工艺已经被用于MEMS生产中。此外，吸气剂有时也被用于控制空腔内的压力，减少由于键合层和器件材料释放气体带来的影响。
[0005]尽管技术人员不断提高键合封装的质量，但由于键合界面层的致密度无法达到和硅基底致密度一样的量级，因而仍然不能在器件长期使用中完全避免键合层的漏气。另外，键合材料也会存在一定的释放气体的现象，即使存在吸气剂也无法完全解决气体释放问题。因此，采用现有封装工艺的器件在封装后内部不能有效保持真空度，这一难题依然是MEMS谐振器等需要在真空下工作的器件的瓶颈。由于现有技术谐振腔内真空度随着时间延长而降低使谐振器阻尼升高，谐振器的品质因数很难保持长期稳定性。因此，亟需开发出可靠的封装技术，实现长期有效地维持谐振腔内的高真空度，以提高谐振式传感器品质因数以及使用寿命。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本专利技术提出一种低成本、高品质因数、高稳定性的具有梁结构的压电MEMS硅谐振器及其形成方法，以及包括该具有梁结构的压电MEMS硅谐振器的电子设备。
[0007]本专利技术第一方面一种具有梁结构的压电MEMS硅谐振器的形成方法，包括：提供带下空腔的SOI硅片作为衬底，所述带下空腔的SOI硅片中所述下空腔的上方具有器件硅层；
在所述衬底之上依次形成下电极、压电层和上电极；刻蚀所述器件硅层以形成所述梁结构，其中所述器件硅层作为所述梁结构的从动层；在当前半导体结构上形成牺牲层，所述牺牲层完全覆盖所述当前半导体结构；在所述牺牲层之上生长封装材料以形成薄膜封装层，然后在所述薄膜封装层中的所述梁结构区域上方位置刻蚀通孔；去除所述梁结构的振动区上方的所述牺牲层以形成上空腔，并且保留所述梁结构的固定端上方的所述牺牲层；再次生长所述封装材料以封闭所述通孔；形成贯穿所述薄膜封装层以及被保留的所述牺牲层的电连接通孔；在所述电连接通孔中形成电极连接。
[0008]可选地，所述梁结构为悬臂梁或者固支梁，或者包含所述悬臂梁或者所述固支梁的多梁结构。
[0009]可选地，所述从动层为掺杂单晶硅，且掺杂浓度大于等于10
19
cm
‑3。
[0010]可选地，所述器件硅层下方还具有绝缘层，所述方法还包括：刻蚀所述器件硅层以形成所述梁结构的同时刻蚀所述绝缘层，其中所述器件硅层和所述绝缘层均作为所述梁结构的从动层。
[0011]可选地，所述牺牲层为氧化硅、光刻胶或聚合物。
[0012]可选地，所述封装材料为单晶硅或多晶硅。
[0013]可选地，生长所述封装材料的方式为外延生长。
[0014]可选地，所述薄膜封装层的厚度为10至100微米，或者20至50微米。
[0015]可选地，所述牺牲层的厚度大于10微米。
[0016]可选地，当所述封装材料为多晶硅时，所述在所述薄膜封装层中的所述梁结构区域上方位置开通孔的步骤替换为如下步骤：通过电化学反应刻蚀所述多晶硅的薄膜封装层，以使其转变为多孔结构多晶硅的多孔薄膜封装层。
[0017]可选地，还包括：在所述提供带下空腔的SOI硅片作为衬底的步骤之前，在所述下空腔内侧形成吸气层；或/和，在形成所述牺牲层的步骤之后、所述生长封装材料以形成薄膜封装层的步骤之前，在所述牺牲层之上形成吸气层。
[0018]可选地，所述压电层材料为氮化铝或者掺杂氮化铝。
[0019]本专利技术第二方面提出一种具有梁结构的压电MEMS硅谐振器，其通过本专利技术公开的形成方法制得。
[0020]本专利技术第三方面提出一种具有梁结构的压电MEMS硅谐振器，包括：衬底，所述衬底的顶部具有下空腔；位于所述衬底之上的梁结构，所述梁结构包括从下至上依次堆叠的从动层、下电极、压电层和上电极；支撑结构，所述支撑结构位于所述梁结构的固定端的上方；薄膜封装层，所述薄膜封装层覆盖所述梁结构和所述支撑结构，所述薄膜封装层与所述梁结构之间构成上空腔；以及电极连接，所述电极连接贯穿所述支撑结构和所述薄膜封装层。
[0021]可选地，所述梁结构为悬臂梁或者固支梁，或者包含所述悬臂梁或者所述固支梁的多梁结构。
[0022]可选地，所述薄膜封装层的材料为单晶硅或多晶硅。
[0023]可选地，所述薄膜封装层的厚度为10至100微米，或者20至50微米。
[0024]可选地，所述上空腔的高度大于10微米。
[0025]可选地，还包括吸气层，所述吸气层位于所述上空腔和/或所述下空腔的内侧。
[0026]本专利技术第四方面提出一种电子设备，包括本专利技术公开的具有梁结构的压电MEMS硅
谐振器。
[0027]根据本专利技术的技术方案，基于压电MEMS硅谐振器(PSR)谐振器，采用了硅薄膜封装技术。和传统的封装技术相比，由于不需要键合层，气密性更好，可实现更高的真空度(<1Pa)；同时避免了由于键合材料释放气体和键合界面漏气导致的真空度漂移。此外，在外延封装的制作步骤中需要高温加热，而本专利技术实例中用硅薄膜封装技术封装的PSR全部采用耐高温材料，如氮化铝压电层，因此在制作上实现了工艺兼容，因此硅薄膜封装技术对于PSR等耐高温的器件封装具有较大优势。
附图说明
[0028]为了说明而非限制的目的，现在将根据本专利技术的优选实施例、特别是参考附图来描述本专利技术，其中：
[0029本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有梁结构的压电MEMS硅谐振器的形成方法，其特征在于，包括：提供带下空腔的SOI硅片作为衬底，所述带下空腔的SOI硅片中所述下空腔的上方具有器件硅层；在所述衬底之上依次形成下电极、压电层和上电极；刻蚀所述器件硅层以形成所述梁结构，其中所述器件硅层作为所述梁结构的从动层；在当前半导体结构上形成牺牲层，所述牺牲层完全覆盖所述当前半导体结构；在所述牺牲层之上生长封装材料以形成薄膜封装层，然后在所述薄膜封装层中的所述梁结构区域上方位置刻蚀通孔；去除所述梁结构的振动区上方的所述牺牲层以形成上空腔，并且保留所述梁结构的固定端上方的所述牺牲层；再次生长所述封装材料以封闭所述通孔；形成贯穿所述薄膜封装层以及被保留的所述牺牲层的电连接通孔；在所述电连接通孔中形成电极连接。2.根据权利要求1所述的形成方法，其特征在于，所述梁结构为悬臂梁或者固支梁，或者包含所述悬臂梁或者所述固支梁的多梁结构。3.根据权利要求1所述的形成方法，其特征在于，所述从动层为掺杂单晶硅，且掺杂浓度大于等于10
19
cm
‑3。4.根据权利要求1所述的形成方法，其特征在于，所述器件硅层下方还具有绝缘层，所述方法还包括：刻蚀所述器件硅层以形成所述梁结构的同时刻蚀所述绝缘层，其中所述器件硅层和所述绝缘层均作为所述梁结构的从动层。5.根据权利要求1至4任一项所述的形成方法，其特征在于，所述牺牲层为氧化硅、光刻胶或聚合物。6.根据权利要求1至4任一项所述的形成方法，其特征在于，所述封装材料为单晶硅或多晶硅。7.根据权利要求1至4任一项所述的形成方法，其特征在于，生长所述封装材料的方式为外延生长。8.根据权利要求1至4任一项所述的形成方法，其特征在于，所述薄膜封装层的厚度为10至100微米，或者20至50微米。9.根据权利要求1至4任一项所述的形成方法，其特征在于，所述牺牲层的厚度大于10微米。10.根据权利要求1至4任一项所述的形成方法，其特征在于，当所述封装材料为多晶...

【专利技术属性】
技术研发人员：张孟伦，杨清瑞，宫少波，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：