一种自封装的MEMS器件及红外传感器制造技术

本发明专利技术公开一种基于表面牺牲层工艺制作的自封装的MEMS器件以及及采用该器件结构的红外传感器。该MEMS器件包括基片、衬底保护层、下电极、下电极保护层、结构层、金属层以及封装层，所述结构层和所述金属层位于由所述封装层形成的封装腔室内，所述封装腔室通过在释放MEMS器件结构时利用粘附效应将封装层粘附在下电极保护层上而形成。本发明专利技术适用于红外传感器等具有可动结构的MEMS器件，MEMS器件本身和封装一起完成，封装周期短，工艺质量和成品率高，适于批量大规模生产。

【技术实现步骤摘要】
一种自封装的MEMS器件及红外传感器
本专利技术属于微电子机械系统(MEMS)加工工艺领域，特别应用在MEMS表面牺牲层 工艺领域，具体涉及一种基于表面牺牲层工艺制作的自封装的MEMS器件，以及采用该器件 结构的红外传感器。
技术介绍
如今MEMS红外传感器被广泛研究，可应用于现代科技、国防和功能等科技领域。 制作红外传感器的方法很多。九十年代以来，微电子机械系统(MEMS)技术进入了高速发展 阶段，不仅是因为概念新颖，而且是由于MEMS器件跟传统器件相比，具有小型化、集成化以 及性能更优的前景特点，因此，基于MEMS工艺的微型红外传感器也被广泛研究。由于红外传感器的形貌一般是吸收红外，需要一个较大的水平表面来接收红外辐 射，主流生产方法多采用表面牺牲层工艺制作。MEMS红外传感器主要分为两类，热应力形变 式的和谐振式的红外传感器。这两类传感器的原理都是基于红外传感器芯片表面通过吸收 红外，产生一定的形变或者是机械特性的改变，从而得到红外辐射量。主要的读出方式有光 学读出和电学读出，光学读出需要较为复杂的光学仪器测量，而电学读出则是通过外接或 者片上的读出电路，将红外量转换为电学信号输出。如上所述，这两类的传感器往往在结构上都是悬臂梁结构，为了防止灰尘、颗粒等 污染源进入传感器核心区域，作为敏感元件的可动悬臂梁需要被充分的保护，其封装方法 非常重要，往往需要特制的芯片管壳，普通的广泛应用的金属管壳不适合此类芯片的封装， 因为红外无法通过管壳。一般方法是使用特别定制透明的玻璃管壳，或者镶嵌了玻璃管壳 的金属管壳，以提供红外进入的窗口。而谐振式的红外传感器往往需要真空封装，因为在真 空下工作时谐振的幅度更大，更利于信号读出，真空封装需要管壳有一定的抗压强度和密 封性。所以，不管是玻璃管壳还是镶嵌了玻璃的金属管壳都需要仔细的设计，到一些特殊厂 家去定制，需要满足一定的强度和红外透明性的要求。综上，现有的MEMS红外传感器对封 装的要求非常高。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对上述问题，提出一种基于表面牺牲层工艺制作的自封装的 MEMS器件，以及采用该器件结构的MEMS红外传感器，器件本身和封装一起完成，可以缩短 后期的封装周期，后续只需要使用简单封装即可，提高工艺质量和成品率，降低封装成本。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案—种自封装的MEMS器件，依次包括基片、衬底保护层、下电极、下电极保护层、结 构层、金属层以及封装层，所述结构层和所述金属层位于由所述封装层形成的封装腔室内， 所述封装腔室通过在释放MEMS器件结构时利用粘附效应将封装层粘附在下电极保护层上 而形成。进一步地，所述封装腔室内部和外部的电学互联由所述下电极引出。下面进一步说明上述自封装的MEMS器件的制备过程，其步骤包括I)在基片上淀积并制作衬底保护层、下电极和下电极保护层，并化学机械抛光 (CMP)下电极保护层的表面；2)采用表面牺牲层工艺制作第一层牺牲层和MEMS器件的结构层；3)在结构层上淀积金属层；4)采用表面牺牲层工艺制作第二层牺牲层和封装层，并制作封装区域内外互联部 分；5)湿法腐蚀所有牺牲层，释放MEMS器件结构并利用粘附效应完成自封装。步骤I)所述的制造下电极，以及化学机械抛光(CMP)表面其作用在于提供一个贯 穿封装腔室内部和外部的电学互联，并保证在封装腔室边缘有一个平坦表面，以保证封装 的密闭性，如图1所示。步骤2)所述的表面牺牲层工艺主要包括淀积牺牲层并图形化第一层牺牲层；淀 积结构层并图形化结构层。所述牺牲层优选采用低压化学气相淀积(LPCVD)方法淀积，牺 牲层的材料优选为磷硅玻璃(PSG);所述结构层优选采用LPCVD方法淀积，材料优选为多晶 硅(Poly-Si)。在图形化结构层时，优选采用反应离子刻蚀(RIE)方法。优选地，MEMS结构 层制作防止粘附的凸点，这样，在释放步骤时，MEMS器件结构层由于含有凸点，不会因为粘 附效应粘在衬底上，导致器件失效，而封装层会因为面积大，所受水面张力大，而粘附在衬 底上，完成自封装过程。步骤3)所述金属优选采用溅射或者蒸发的方法淀积，材料优选为金(Au)，并可增 加铬(Cr)薄层以增加金属粘附性。该步骤采用干法或者湿法的方法图形化金属。步骤4)所述的表面牺牲层工艺主要包括淀积牺牲层并图形化第二层牺牲层；淀 积封装层并图形化封装层。所述牺牲层优选采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法 淀积，牺牲层的材料优选为磷硅玻璃(PSG);因为步骤3)淀积了金属，后续工艺均受到工艺 温度的限制，而PECVD的温度较低，因此所述封装层优选采用(PECVD)方法淀积，能够满足 需求。如果金属层采用了 Cr/Au，PECVD多晶硅温度为需要低于450° C温度限制，现有设 备可以满足此要求。如果需要真空封装，步骤4)可以在真空下进行，释放完成后，由于内外 气压差，自封装层会受到方向由外向内的压力。因此步骤4)所述封装层材料优选为有一定 刚度且又弹性非常好的多晶硅(Poly-Si)，有一定刚度可以使封装层不会由于外界气压而 破裂，好的弹性可以更容易通过水面张力作用下拉，而完成自封装。步骤2)所述的多晶硅 可以掺杂以提高其导电性能，而步骤4)所述多晶硅不能掺杂，以保证其红外透明特性，提高 其红外透过率。为保证封装层受力均匀，封装层结构优选为圆形，如图1所示，封装区域内 部为实心圆以内，E区域为自封装腔室边缘，虚线圆为实际的封装腔室，实心圆外部为焊盘 区域，封装部分内外通过下电极层完成电学连接。步骤5)释放腐蚀所有牺牲层，优选释放步骤包括缓冲氢氟酸(BHF)溶液腐蚀PSG 牺牲层，DI (去离子)水置换BHF溶液，取出芯片使其自然干燥。在干燥过程中，由于水面张 力，封装层会受到下拉力，完成自封装。使用去离子水的原因为纯净的DI水的表面张力非 常大，且无杂质，可以满足下拉力的要求的同时，还不会引入杂质导致MEMS可动结构失效。本专利技术的原理是使用悬臂梁式的封装层作主体，利用释放步骤的水面张力，使悬 臂梁式的封装层产生形变完成MEMS器件的自封装，该原理如图2所示，其中(a)为牺牲层腐蚀前的示意图，(b)为牺牲层腐蚀后完成自封装的示意图。上述MWMS器件结构可应用于多种MEMS芯片，下面具体说明本专利技术的采用双材料 悬臂梁结构的红外传感器结构。该红外传感器包括红外传感器部分、封装腔室部分以及腔 室内外互联部分，该三部分可以采用本专利技术的方法同时制作完成。封装腔室的材料选用红 外透明的材料，优选为非掺杂多晶硅。具体来说，该红外传感器依次包括基片、衬底绝缘层、 下电极、下电极绝缘层、双材料检测结构以及封装层，所述双材料检测结构位于由所述封装 层形成的封装腔室内，所述封装腔室通过在释放红外传感器结构时利用粘附效应将封装层 粘附在下电极绝缘层上而形成。上述红外传感器可被广泛应用于红外成像领域，原理是通过两种材料的热失配形 成内应力，使梁产生变形；该红外传感器在工作时，红外辐射会通过对于红外辐射透明的自 封装腔室照射到对于红外辐射非常敏感的双材料悬臂梁上，使双材料悬臂梁发生形变，并 伴随着刚度、谐振频率等特性的变化，通过对焊盘连接线两端的电学性能的测量，即可得到 红外辐射量和电学信号变化量的关系，实现本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自封装的MEMS器件，其特征在于，依次包括基片、衬底绝缘层、下电极、下电极绝缘层、结构层、金属层以及封装层，所述结构层和所述金属层位于由所述封装层形成的封装腔室内，所述封装腔室通过在释放MEMS器件结构时利用粘附效应将封装层粘附在下电极绝缘层上而形成。

【技术特征摘要】
1.一种自封装的MEMS器件，其特征在于，依次包括基片、衬底绝缘层、下电极、下电极绝缘层、结构层、金属层以及封装层，所述结构层和所述金属层位于由所述封装层形成的封装腔室内，所述封装腔室通过在释放MEMS器件结构时利用粘附效应将封装层粘附在下电极绝缘层上而形成。2.如权利要求1所述的自封装的MEMS器件，其特征在于所述封装腔室内部和外部的电学互联由下电极引出。3.如权利要求2所述的自封装的MEMS器件，其特征在于，所述封装腔室的形成方法为1)在基片上淀积并制作衬底绝缘层、下电极和下电极绝缘层，并化学机械抛光下电极绝缘层的表面；2)采用表面牺牲层工艺制作第一层牺牲层和MEMS器件的结构层；3)在结构层上淀积金属层；4)采用表面牺牲层工艺制作第二层牺牲层和封装层，并制作封装区域内外互联部分；5)湿法腐蚀所有牺牲层，释放MEMS器件结构并利用粘附效应完成自封装，形成封装腔室。4.如权利要求3所述的自封装的MEMS器件，其特征在于所述第一牺牲层和所述结构层采用低压化学气相淀积方法淀积，所述第二牺牲层和所述封装层...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵丹淇，张大成，何军，黄贤，杨芳，田大宇，刘鹏，王玮，李婷，罗葵，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：