专利名称：一种具有亚微米间隙微机械谐振器及制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有亚微米间隙的微机械谐振器及制作方法，属于微机械谐振器 加工及微细加工技术领域。
背景技术：
时钟芯片作为电路系统中的时间基准源，在电路系统中有着重要的作用。传统的 时钟芯片一般采用石英晶振作为谐振器产生信号波形。但石英晶振一般是采用切割工艺 制作，因此其体积很难减小，从而阻碍了电路系统的微型化。此外，石英晶振也无法和电路 系统集成制作，提高了制作成本。近年来，由于微加工技术的发展，MEMS微机械谐振器得到 很大的发展。MEMS谐振器具有尺寸小、功耗小、成本低、与CMOS IC(Complementary Metal Oxide Semiconductor Integrated Circuit，互补金属氧化物半导体集成电路)工艺相兼 容等优点，在无线通讯等领域的需求与日俱增，将成为晶体谐振器的替代物。微机械谐振器的主要特性参数有谐振频率、品质因素(Q)、频率温漂等。其中，谐 振器的Q值是反应谐振器特性的最重要的参数之一，它可以表述为
_ = + ， ⑴其中Q是谐振器总的品质因素大小，是由空气阻尼引起的能量损耗机制,Qancto 是由锚点引起的能量损耗机制，Qted是材料的热弹性能量损耗机制，9。—3表示其它的能量 损耗机制。在这四种能量损耗机制中，后三种是由制作谐振器的材料及其结构设计等因 素引起的，而第一种是由谐振器工作环境的真空度引起的。对谐振器进行真空密封，就可 以大大减小由于空气阻尼引起的能量散耗，从而大大提高谐振器的Q值(Khine，L and M Palaniapan， High-Q bulk-mode SOI square resonators with straight-beam anchors. Journal ofMicromechanics and Microengineering,2009. 19(1) :p· 015017)。微机械谐振器的驱动及检测原理主要有静电力转换、压电效应、压阻效应、热电 效应等。电容式驱动及检测方法是通过静电力对外界信号进行处理，由于具有功耗低，结构 制作简单，工艺简单等优点，电容式驱动及检测被广泛应用于微结构的传感及制动。电容式 驱动及检测方法中的静电力可由(2)式表示F=—(2)
d其中F是静电力大小，ε是电介质常数，A是极板面积大小，d是两极板之间的间距 (C G Mattsson, K. B. , G Thungstrom, H-E Nilsson and H Martin, Thermal simulation and design optimization of a thermopile infrared detector with an SU_8membrane. Journal of Micromechanics and Microengineering,2009.19(5) :p. 055016.)。从(2)式 中可以看出，如果需要提高静电力以提高器件的灵敏度，最有效的方法就是减小极板之间 的间隙，因为静电力和极板间隙是成反比关系。通常电容式微机械谐振器包括谐振振子、固定振子的弹性结构、驱动电极及检测电极四部分结构。传统的MEMS谐振器，一般都是先制作好谐振器器件结构，然后制作盖板 硅片，最后对谐振器经行封装，其工艺复杂，加工难度大。传统的谐振器结构间的间隙一般 是通过光刻定义，如果要减小间隙，就需要提高光刻的精度，很难制作出亚微米间隙结构。 此外，也有利用氧化多晶硅或者单晶硅薄膜大间隙来制作亚微米间隙的方法，但是其仍然 需要光刻工艺来定义一个大间隙结构，然后利用热氧化工艺在薄膜间隙生长氧化层，将大 间隙转化为亚微米间隙结构，这种方法制作工艺复杂，制作成本高。
发明内容
针对传统微机械谐振器加工中存在的问题，本发明的目的在于提出了一种具有亚 微米间隙微机械谐振器及制作方法。本发明旨在利用简单的工艺和低廉的成本，实现微机 械谐振器亚微米间隙的制作及器件的真空密封。本发明最明显的特征在于是利用圆片级真 空对准键合形成谐振器亚微米间隙，在制作完谐振器结构的同时，实现对谐振器器件的真 空密封。亚微米间隙的大小由盖板硅片或者衬底硅片上的电绝缘介质层的厚度决定。本发明所述的微机械谐振器包括衬底硅片，结构硅片，盖板硅片，谐振振子，固定 振子的弹性结构，结构硅片与衬底硅片及盖板硅片之间的电绝缘介质层，金属焊盘，电极引 出通孔，基本工作原理如图1所示。其谐振振子可以是圆形柱或方形柱，也可以是圆形板或 者方形板。谐振振子的上下面两侧分别为固定驱动电极和固定检测电极，这样在固定驱动 电极与谐振振子之间施加交变电压时，由交变电压产生的交变静电力会激励振子进入指定 的谐振模式，然后通过检测输出电极端输出电流的变化，就可以将谐振器信号输出。用来固 定谐振振子的弹性结构为弹性板或弹性梁；用来固定谐振振子的弹性结构位于谐振振子中 间，位于谐振振子一端或位于谐振振子两端。本发明提出的谐振器是由衬底硅片、结构硅片及盖板硅片三层硅片键合在一起形 成的三明治结构，衬底硅片的正面与结构硅片的背面，结构硅片的正面与盖板硅片的背面 分别通过圆片级对准键合在一起。谐振器的亚微米间隙是通过将结构硅片与具有亚微米级 深度凹腔结构的衬底硅片或者盖板硅片进行圆片级对准键合形成的。结构硅片位于衬底硅 片与盖板硅片之间，衬底硅片正面和盖板硅片背面各有凹腔结构，这二个凹腔组成一个真 空密闭腔室，固定谐振振子的弹性结构将谐振振子悬空在衬底硅片和盖板硅片上的凹腔组 成的真空密闭腔室中。与一般的微机械谐振器的结构相比本发明提出的微机械谐振器由衬底硅片、结构硅片和盖板硅片三层硅片通过圆片 级真空对准键合制成的；本发明提出的微机械谐振器的衬底硅片及盖板硅片不仅为谐振器器件提供了真 空密闭腔室，同时也被用作是器件的驱动和检测的固定电极；本发明提出的微机械谐振器的衬底硅片和盖板硅片上具有凹腔结构；本发明提出的微机械谐振器的盖板硅片上具有电极引出通孔。与一般的微机械谐振器制作方法相比本发明提出的微机械谐振器的制作方法，在制作完器件结构的同时，完成了器件 的圆片级真空封装，无需后续复杂的真空封装工艺，降低了设计和加工的复杂度，提高了器 件性能。
本发明提出的微机械谐振器利用键合工艺制作器件间隙，不存在结构释放过程中 存在的结构易黏连、需要保护可动结构等问题，简化了加工工艺，提高了成品率。本发明利用圆片级对准键合工艺形成亚微米间隙，而不受光刻技术限制，降低制 作亚微米间隙的难度、复杂度和成本；由于本发明提出的制作方法在制作完谐振器器件结构的同时，就将器件进行了圆 片级真空密封，降低了设计和加工的复杂度；采用圆片级对准键合工艺形成亚微米间隙，降 低了制作亚微米间隙的难度和复杂度；对器件进行了圆片级真空封装，不仅提高了器件性 能，降低了成本，而且适用于批量生产。实现本发明的技术方案为(1)对结构硅片进行氧化、光刻及图形化后，利用深反应离子刻蚀工艺制作谐振器 振子下半部分结构；(2)在衬底硅片正面沉积一层亚微米厚度的电绝缘介质层，并对电绝缘介质层进 行刻蚀，形成凹腔结构；(3)将步骤⑴得到的结构硅片与步骤(2)得到的衬底硅片进行圆片级真空对准 键合，形成谐振振子下半部分结构与固定电极间的亚微米间隙；(4)氧化步骤(3)得到的结构硅片，并对氧化层进行光刻及刻蚀，利用深反应离子 刻蚀工艺制作出谐振器振子的上半部分结构；(5)在盖板硅片背面沉积一层亚微米厚度的电绝缘介质层，并对电绝缘介质层进 行刻蚀，形成凹腔结构；(6)将步骤(4)得到的结构硅片与步骤(5)得到的盖板硅片进行圆片级真空对准 键合，形成谐振振子上半部分结构与固定电极间的亚微米间隙；结构硅片位于衬底硅片与 盖板硅片之间；(7)在盖板硅片正面刻蚀出电极引出通孔，腐蚀掉电极引出通孔位置处的电绝缘 介质层；(8)在盖板硅片正面和衬底硅片背面沉积金属层，并将金属层图形化，制作金属焊总之，本发明涉及一种具有亚微米间隙的微机械谐振器及制作方法，其特征在于 谐振器是由盖板硅片、结构硅片和衬底硅片三层硅片键合组成的“三明治”结构。结构硅片 用来制作谐振器的振子，盖板硅片和衬底硅片分别用来制作驱动和检测的固定电极。谐振 器振子与固定电极间的亚微米间隙是通过圆片级对准键合工艺形成的，间隙大小不受光刻 工艺限制，而是由盖板硅片或者衬底硅片上的电绝缘介质层的厚度决定的。所述的电绝缘 介质层为氮化硅或氧化硅，但不只限于此；所述的结构硅片与衬底硅片、结构硅片与盖板硅 片之间的键合的焊料为金属、聚合物或玻璃浆料，也不只限于此。本发明提出的微机械谐振 器的制作方法，利用圆片级对准键合形成亚微米间隙，在制作完器件结构的同时实现了对 器件的圆片级真空密封，不但降低了器件设计和制作的难度，提升了器件性能和成品率，而 且减小了器件尺寸，降低了成本。且可以在盖板硅片上制作好CMOS电路部分，然后再与结 构硅片进行低温焊料键合，实现谐振器器件与CMOS电路的集成化。
图1-1是圆形柱微机械谐振器工作原理示意图，(a)为谐振器整体结构剖视图，其 中(i)悬空振子弹性结构位于振子中间部位，(ii)悬空振子弹性结构位于振子顶端部位， (iii)悬空振子弹性结构位于振子两端；(b)为振子结构俯视图。图1-2是方形板微机械谐振器工作原理示意图，(a)为剖视图，(b)为俯视图。图2是实施例1的具体工艺流程。图2-1 将氧化后的结构硅片进行光刻及刻蚀。图2-2 利用深反应离子刻蚀工艺刻蚀出谐振器振子的下半部分结构。图2-3 在衬底硅片正面沉积一层亚微米厚度的电绝缘介质层，并将其图形化。图2-4 将结构硅片与衬底硅片进行圆片级真空对准键合。图2-5 热氧化结构硅片，并对其正面氧化层进行光刻及图形化。图2-6 利用深反应离子刻蚀工艺刻蚀出谐振器振子的上半部分结构。图2-7 在盖板硅片背面沉积一层亚微米厚度的电绝缘介质层，并将其图形化。图2-8 将结构硅片和盖板硅片进行圆片级真空对准键合。图2-9 在盖板硅片上制作电极引出通孔。图2-10 沉积金属层，制作金属焊盘。图3是实施例2的最终器件结构。图4是实施例3的具体工艺流程。图4-1 在衬底硅片正面沉积一层亚微米厚度的电绝缘介质层，并将其图形化。图4-2 将结构硅片和衬底硅片进行圆片级对准键合，并将结构硅片减薄到需要 的厚度。图4-3 利用深反应离子刻蚀工艺刻蚀出谐振器振子结构。图4-4 在盖板硅片正面沉积一层亚微米厚度的电绝缘介质层，并将其图形化。图4-5 将结构硅片和盖板硅片进行圆片级真空对准键合。图4-6 在盖板硅片上制作电极引出通孔。图4-7 沉积金属层，制作金属焊盘。图5是实施例4最终器件结构。图6是实施例5具体工艺流程。图6-1 衬底硅片正面腐蚀或刻蚀出的焊料凹槽；图6-2 形成凹腔结构；图6-3 谐振振子下半部结构与固定电极间形成的亚微米间隙；图6-4 沉积金属层，制作出金属焊盘。图7是实施例6最终器件结构。图中各数字代表的含义为1衬底硅片；2结构硅片；3盖板硅片；4电极引出通孔；5氧化硅；6谐振振子；7悬 空振子结构；11电绝缘介质层；12亚微米间隙；13金属焊盘；14键合焊料层；15键合焊料 凹槽；16CM0S电路；21硅片正面；22硅片背面。以最终器件结构为参照，结构硅片、衬底硅片和盖板硅片朝上的一面为硅片正面， 朝下的一面为硅片背面。如图2-10示。
具体实施例方式下面结合附图和实施例，对本发明进行详细的描述。实施例1结构硅片、衬底硅片和盖板硅片都选用低阻硅片，电阻率为0. 01-1 Ω .cm.结构硅 片用来制作谐振振子结构，谐振振子是谐振器电容驱动和电容检测的可动电极。谐振振子 可以是圆形柱，也可以是方形柱。固定振子的弹性结构可以是弹性板，也可以是弹性梁。衬 底硅片和盖板硅片分别用来形成谐振器电容驱动和电容检测的固定电极。本实施例采用圆 片级硅硅真空对准键合，沉积在衬底硅片正面和盖板硅片背面的电绝缘介质层可以是氧化 硅，也可以是氮化硅。固定电极与谐振振子之间的亚微米间隙大小范围为0. 05-2 μ m。主要 工艺步骤包括(1)氧化结构硅片，对结构硅片背面氧化硅进行光刻及刻蚀。见图2-1。(2)在结构硅片背面刻蚀出谐振器振子的下半部分结构。见图2-2。(3)在衬底硅片正面沉积一层亚微米厚度的电绝缘介质层，并对此电绝缘介质层 进行光刻及刻蚀形成凹腔结构。见图2-3。(4)腐蚀掉步骤(2)得到的结构硅片上的氧化硅，然后将其背面与步骤(3)得到的 衬底硅片正面进行圆片级真空对准键合，形成谐振振子下半部分结构与固定电极间的亚微 米间隙。见图2-4。(5)氧化步骤(4)得到的结构硅片，并对其正面氧化层进行光刻及刻蚀。见图2-5。(6)在结构硅片正面刻蚀出谐振器振子的上半部分结构。见图2-6。(7)在盖板硅片背面沉积一层亚微米厚度的电绝缘介质层，并对此电绝缘介质层 进行光刻及刻蚀形成凹腔结构。见图2-7。(8)腐蚀掉步骤(6)得到的结构硅片上的氧化层，将其正面与步骤(7)得到的盖板 硅片背面进行圆片级真空对准键合，形成谐振器振子上半部分结构与固定电极间的亚微米 间隙。见图2-8。(9)在盖板硅片正面制作电极引出通孔，并腐蚀掉电极引出通孔位置处的电绝缘 介质层。见图2-9。(10)在盖板硅片正面和衬底硅片背面沉积金属层，并将金属层进行图形化，制作 金属焊盘。见图2-10。实施例2本实施例采用圆片级焊料真空对准键合，键合焊料可以是金属、聚合物，也可以是 玻璃浆料。其具体实施步骤部分与实施例1相同，主要区别在于第一，在实施例1步骤(3) 和步骤(7)中，首先在衬底硅片和盖板硅片上沉积一层电绝缘介质层，再在电绝缘介质层 上沉积或者旋涂一层焊料层，并对其进行光刻，然后分别对焊料层和电绝缘介质层进行刻 蚀或者腐蚀；第二，在实施例1步骤(4)和步骤(8)中，腐蚀结构硅片上的氧化层，在结构硅 片上沉积或者旋涂一层焊料层，并对其进行光刻及刻蚀，最后分别与实施例1中步骤(3)和 步骤(7)得到的硅片进行圆片级焊料真空对准键合。其余工艺步骤不变。最终器件几何构 型如图3所示。
实施例3谐振振子可以是圆形板，也可以是方形板。固定振子的结构为弹性梁。衬底硅片 和盖板硅片分别用来形成谐振器电容驱动和电容检测的固定电极。固定电极与谐振振子之 间的亚微米间隙大小范围为0. 05 μ m-2 μ m。主要工艺步骤包括(1)在衬底硅片正面沉积一层亚微米厚度的电绝缘介质层，并对此电绝缘介质层 进行光刻及图形化形成凹腔结构。见图4-1。(2)利用圆片级真空对准键合工艺，将结构硅片背面与步骤(1)得到的衬底硅片 的正面键合在一起，并通过物理减薄或者化学减薄的方法减薄结构硅片正面，将结构硅片 减薄到所需要的厚度。见图4-2。(3)在结构硅片正面进行光刻和图形化，刻蚀出谐振器结构。见图4-3。(4)在盖板硅片背面沉积一层亚微米厚度的电绝缘介质层，并对此电绝缘介质层 进行光刻及图形化形成凹腔结构。见图4-4。(5)利用圆片级真空对准键合工艺，将步骤(3)得到的结构硅片的正面与步骤(4) 得到的盖板硅片的背面键合在一起。见图4-5。(6)在盖板硅片正面制作电极引出通孔，并腐蚀掉电极引出通孔位置处的电绝缘 介质层。见图4-6。(7)在盖板硅片正面和衬底硅片背面沉积金属层，并将金属层进行图形化，制作金 属焊盘。见图4-7。实施例4其具体实施步骤部分与实施例1相同，主要区别在于在实施例1步骤(1)和步 骤(5)中，在刻蚀制作器件结构之前，对器件结构部分进行保护，然后将结构硅片上器件结 构外的其它部分进行整体减薄，使得器件结构部分凸出结构硅片表面。其它工艺步骤不变。 最终器件几何构型如图5所示。实施例5本实施例采用圆片级焊料真空对准键合，键合焊料可以是金属、聚合物，也可以是 玻璃浆料。本实施例中可以通过控制焊料凹槽的深度，使得焊料完全填充满焊料凹槽且无 溢出，从而保证结构硅片表面与衬底硅片及盖板硅片表面完全接触。衬底硅片和盖板硅片 分别用来形成谐振器电容驱动和电容检测的固定电极。固定电极与谐振振子之间的亚微米 间隙大小范围为0. 05 μ m-2 μ m。主要工艺步骤包括主要工艺步骤包括(1)在结构硅片背面刻蚀出谐振器振子的下半部分结构。(2)在衬底硅片正面腐蚀或者刻蚀出键合焊料凹槽。见图6-1。(3)在衬底硅片正面沉积一层亚微米厚度的电绝缘介质层，并对此电绝缘介质层 进行光刻及刻蚀形成凹腔结构。见图6-2。(4)将步骤⑴得到的结构硅片背面与步骤(3)得到的衬底硅片正面进行圆片级 焊料真空对准键合，形成谐振振子下半部分结构与固定电极间的亚微米间隙。见图6-3。(5)在步骤(4)得到的结构硅片正面刻蚀出谐振器振子的上半部分结构。(6)在盖板硅片背面上腐蚀或者刻蚀出键合焊料凹槽。(7)在盖板硅片背面沉积一层亚微米厚度的电绝缘介质层，并对此电绝缘介质层进行光刻及刻蚀形成凹腔结构。(8)将步骤(5)得到的结构硅片正面与步骤(7)得到的盖板硅片背面进行圆片级 焊料真空对准键合，形成谐振器振子上半部分结构与固定电极间的亚微米间隙。(9)在盖板硅片正面制作电极引出通孔，并腐蚀掉电极引出通孔位置处的电绝缘 介质层。(10)在盖板硅片正面和衬底硅片背面沉积金属层，并将金属层进行图形化，制作 金属焊盘。见图6-4。实施例6本实施例采用圆片级低温焊料键合，键合焊料可以是金属、聚合物，也可以是玻璃 浆料。其具体实施步骤部分与实施例5相同，主要区别在于第一，在实施例5步骤(8) 中，在真空对准键合之前，先通过CMOS工艺在盖板硅片上制作出CMOS电路，然后再利用低 温焊料键合工艺将其与结构硅片进行圆片级低温焊料键合。第二，在实施例5步骤(10)中， 制作好金属焊盘之后，利用打线工艺实现谐振器器件与CMOS电路的引线互连。其它工艺步 骤不变。最终器件几何构型如图7所示。由上述实施例的介绍可以看出本发明提及的亚微米间隙的方法有以下几种1)在衬底硅片正面和盖板硅片背面上分别沉积一层亚微米厚度的电绝缘介质层， 分别刻蚀掉谐振振子相应位置处的电绝缘介质层形成凹腔结构，然后将衬底硅片、盖板硅 片分别与结构硅片进行圆片级对准键合形成谐振振子与固定电极间的亚微米间隙。亚微米 间隙大小就是衬底硅片或者盖板硅片上电绝缘介质层的厚度；2)在衬底硅片正面和盖板硅片背面上分别沉积一层亚微米厚度的电绝缘介质层 和焊料层，分别腐蚀掉谐振振子相应位置处的绝缘介质层和焊料层形成凹腔结构，然后，将 衬底硅片、盖板硅片分别与结构硅片进行圆片级焊料对准键合形成谐振振子与固定电极间 的亚微米间隙；亚微米间隙的大小就是衬底硅片或者盖板硅片上电绝缘介质层和焊料层总 的厚度。3)在衬底硅片正面和盖板硅片背面上分别沉积一层电绝缘介质层，分别刻蚀掉谐 振振子相应位置处的电绝缘介质层形成凹腔结构。对结构硅片谐振振子结构之外的部分进 行双面整体减薄后，将衬底硅片、盖板硅片分别与结构硅片进行圆片级对准键合形成亚微 米间隙。亚微米间隙的大小就是衬底硅片或者盖板硅片上电绝缘介质层的厚度减去谐振振 子凸出结构硅片平面高度的差值。4)在衬底硅片正面和盖板硅片背面上分别沉积一层亚微米厚度的电绝缘介质层， 分别刻蚀掉谐振振子相应位置处的电绝缘介质层形成凹腔结构。然后在衬底硅片正面和盖 板硅片背面刻蚀出用来涂覆键合焊料的凹槽，接着将衬底硅片、盖板硅片分别与结构硅片 进行圆片级焊料对准键合形成亚微米间隙。键合焊料应完全填充焊料凹槽且无溢出。亚微 米间隙的大小就是衬底硅片或者盖板硅片上电绝缘介质层的厚度。
权利要求
1.一种具有亚微米间隙的微机械谐振器，其特征在于所述的谐振器包括衬底硅片，结 构硅片，盖板硅片，谐振振子，固定振子的弹性结构，结构硅片与衬底硅片及盖板硅片之间 的电绝缘介质层，金属焊盘，电极引出通孔，其中1)谐振器是由衬底硅片、结构硅片及盖板硅片三层键合在一起形成的三明治结构，衬 底硅片的正面与结构硅片的背面，结构硅片的正面与盖板硅片的背面分别通过圆片级真空 对准键合在一起；2)衬底硅片正面和盖板硅片背面具有凹腔结构；衬底硅片正面的凹腔和盖板硅片背 面的凹腔组成一个真空密闭腔室；3)结构硅片用来制作谐振器的振子，盖硅片和衬底硅片分别用来制作驱动和检测的固 定电极，谐振器振子与固定电极间的亚微米间隙是通过圆片级键合工艺形成。4)固定谐振振子的弹性结构将谐振振子固定并悬空在由盖板硅片与衬底硅片组成的 真空密闭腔室中；5)电极引出通孔位于谐振器盖板硅片上。
2.根据权利要求1所述的谐振器，其特征在于1)所述的谐振振子为圆形柱、方形柱、圆形板，或者方形板结构；2)用来固定谐振振子的弹性结构为弹性板或弹性梁；3)用来固定谐振振子的弹性结构位于谐振振子中间，位于谐振振子一端或位于谐振振 子两端。
3.根据权利要求1或2所述的谐振器，其特征在于谐振振子的上下两侧分别为驱动固 定电极和检测固定电极。
4.根据权利要求1所述的谐振器，其特征在于所述的组成三明治结构的衬底硅片、结 构硅片和盖板硅片选用电阻率为0. 01 1 Ω · CM的低阻硅片。
5.根据权利要求1所述的谐振器，其特征在于所述固定电极-5谐振振子之间的亚微米 间隙为0. 05 2μπι。
6.根据权利要求1或5所述的谐振器，其特征在于所述的间隙大小是盖板硅片或衬底 硅片上的电绝缘介质层厚度决定的。
7.根据权利要求1所述的谐振器，其特征在于结构硅片与衬底硅片、结构硅片与盖板 硅片之间的电绝缘介质层为氧化硅或氮化硅。
8.根据权利要求1所述的谐振器，其特征在于结构硅片与衬底硅片、结构硅片与盖板 硅片之间的键合的焊料为金属、聚合物或玻璃浆料。
9.制作如权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于利用圆片级对准键合形成亚 微米间隙，在制作完谐振器器件结构的同时，实现了对器件的圆片级真空封装，具体工艺步 骤是1)对结构硅片进行氧化、光刻及图形化后，利用深反应离子刻蚀工艺制作谐振器振子 下半部分结构；2)在衬底硅片正面沉积一层亚微米厚度的电绝缘介质层，并对电绝缘介质层进行刻 蚀，形成凹腔结构；3)将步骤(1)得到的结构硅片与步骤(2)得到的衬底硅片进行圆片级真空对准键合， 形成谐振振子下半部分结构与固定电极间的亚微米间隙；4)氧化步骤(3)得到的结构硅片，并对氧化层进行光刻及刻蚀，利用深反应离子刻蚀 工艺制作出谐振器振子的上半部分结构；5)在盖板硅片背面沉积一层亚微米厚度的电绝缘介质层，并对电绝缘介质层进行刻 蚀，形成凹腔结构；6)将步骤(4)得到的结构硅片与步骤(5)得到的盖板硅片进行圆片级真空对准键合， 形成谐振振子上半部分结构与固定电极间的亚微米间隙；结构硅片位于衬底硅片与盖板硅 片之间；7)在盖板硅片正面刻蚀出电极引出通孔，腐蚀掉电极引出通孔位置处的电绝缘介质层；8)在盖板硅片正面和衬底硅片背面沉积金属层，并将金属层图形化，制作金属焊盘。制作完谐振器器件结构的同时，实现了对器件的圆片级真空封装。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于制作亚微米间隙的方法有以下四种1)在衬底硅片正面和盖板硅片背面上分别沉积一层亚微米厚度的电绝缘介质层，分别 刻蚀掉谐振振子相应位置处的电绝缘介质层形成凹腔结构，然后将衬底硅片、盖板硅片分 别与结构硅片进行圆片级对准键合形成谐振振子与固定电极间的亚微米间隙。亚微米间隙 大小就是衬底硅片或者盖板硅片上电绝缘介质层的厚度；2)在衬底硅片正面和盖板硅片背面上分别沉积一层亚微米厚度的电绝缘介质层和焊 料层，分别腐蚀掉谐振振子相应位置处的绝缘介质层和焊料层形成凹腔结构，然后，将衬底 硅片、盖板硅片分别与结构硅片进行圆片级焊料对准键合形成谐振振子与固定电极间的亚 微米间隙；亚微米间隙的大小就是衬底硅片或者盖板硅片上电绝缘介质层和焊料层总的厚 度。3)在衬底硅片正面和盖板硅片背面上分别沉积一层电绝缘介质层，分别刻蚀掉谐振振 子相应位置处的电绝缘介质层形成凹腔结构。对结构硅片谐振振子结构之外的部分进行双 面整体减薄后，将衬底硅片、盖板硅片分别与结构硅片进行圆片级对准键合形成亚微米间 隙。亚微米间隙的大小就是衬底硅片或者盖板硅片上电绝缘介质层的厚度减去谐振振子凸 出结构硅片平面高度的差值。4)在衬底硅片正面和盖板硅片背面上分别沉积一层亚微米厚度的电绝缘介质层，分别 刻蚀掉谐振振子相应位置处的电绝缘介质层形成凹腔结构。然后在衬底硅片正面和盖板硅 片背面刻蚀出用来涂覆键合焊料的凹槽，接着将衬底硅片、盖板硅片分别与结构硅片进行 圆片级焊料对准键合形成亚微米间隙。键合焊料应完全填充焊料凹槽且无溢出。亚微米间 隙的大小就是衬底硅片或者盖板硅片上电绝缘介质层的厚度。
全文摘要
本发明涉及一种具有亚微米间隙的微机械谐振器及制作方法，其特征在于谐振器是由盖板硅片、结构硅片和衬底硅片三层硅片键合组成的“三明治”结构。结构硅片用来制作谐振器的振子，盖板硅片和衬底硅片分别用来制作驱动和检测的固定电极。谐振器振子与固定电极间的亚微米间隙是通过圆片级对准键合工艺形成的，间隙大小不受光刻工艺限制，而是由盖板硅片或者衬底硅片上的电绝缘介质层的厚度决定的。本发明提出的微机械谐振器的制作方法，利用圆片级对准键合形成亚微米间隙，在制作完器件结构的同时实现了对器件的真空密封，不但降低了器件设计和制作的难度，提升了器件性能和成品率，而且减小了器件尺寸，降低了成本。
文档编号H03H3/02GK102122935SQ20111005955
公开日2011年7月13日 申请日期2011年3月11日 优先权日2011年3月11日
发明者吴国强, 徐德辉, 熊斌, 王跃林 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所