一种晶圆级真空封装的MEMS晶振的制作方法

本实用新型实施例涉及半导体集成电路技术领域，尤其涉及一种晶圆级真空封装的MEMS晶振。

背景技术：

传统石英晶振是利用石英晶体的压电效应制成的一种谐振器件，其基本构成大致是：从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片，在它的两个对应面上涂敷银浆层作为电极，在每个电极上焊接引线接出到管脚，再封装上外壳就构成了石英晶振。但由于其受到传统制造工艺的限制以及下游原材料市场的垄断，因此性价比无法进一步提升。不仅如此，石英产品在温漂、老化、抗震性、稳定性、体积等方面的制约，也越来越不能适应现在的高精度产品。

MEMS晶振，则采用自然界最普通的硅作为原材料和全自动化的半导体IC技术的制作工艺，在性能方面弥补了石英振荡器的先天缺陷，同时降低了生产成本。随着MEMS技术的发展，其作为传统石英晶振的升级产品得到越来越广泛的应用。MEMS晶振，具有更小的尺寸，无温漂，更好的可靠性和更低的成本等优点，符合现代电子发展方向。

在封装方面，作为传统石英晶振的替代者，一般MEMS晶振采用与传统石英晶振相同的焊接管脚排列和封装，与传统石英晶振完全兼容，便于使用者直接替代而无须更改任何设计；同时，为了满足精度和长期可靠性，较少空气阻尼的影响，较少在后道组装和切割工艺中受到损伤，MEMS晶振需要真空封装。

为了满足以上两个要求，业界主流的解决方案为先对MEMS晶振进行晶圆级真空封装，再将其切割成单颗芯片，最后采用与替代目标传统石英晶振相同的封装形式进行封装。现有的MEMS晶振进行晶圆级真空封装均是通过采用生长单晶硅外延的办法形成封装外壳，但是外延单晶硅的应力较难控制，外延单晶硅的应力不当，其MEMS晶振的机械强度较低，降低了MEMS晶振的抗震能力。因而真空封装工艺中，外延单晶硅制备难度相对较高，进而使得MEMS晶振成品率较低。

技术实现要素：

本实用新型提供一种晶圆级真空封装的MEMS晶振，克服现有技术中采用单晶硅外延可靠性低的问题，采用单晶硅晶圆作为谐振器的真空密封外壳，提高产品的成本率，同时提高MEMS晶振的机械强度。

第一方面，本实用新型提供一种晶圆级真空封装的MEMS晶振，其中，包括

一盖板；

具有谐振器的晶振本体，其中，所述盖板覆盖所述晶振本体；

所述盖板具有第一类空腔和第二类空腔，所述第一类空腔结合所述谐振器形成一密封谐振空腔，

设置于与所述第二类空腔匹配的所述晶振本体表面的金属电极。

优选地，上述的一种晶圆级真空封装的MEMS晶振，其中，所述第二类空腔为梯形空腔。

优选地，上述的一种晶圆级真空封装的MEMS晶振，其中，所述第二类空腔为矩形空腔。

优选地，上述的一种晶圆级真空封装的MEMS晶振，其中，所述金属电极的高度完全匹配所述第二类空腔。

优选地，上述的一种晶圆级真空封装的MEMS晶振，其中，所述金属电极的高度大于所述第二类空腔，以使所述金属电极延伸至所述盖板表面。

优选地，上述的一种晶圆级真空封装的MEMS晶振，其中，所述盖板由单晶硅晶圆形成。

与现有技术相比，本实用新型的优点是：

本实用新型通过将设置有第一类空腔、第二类空腔的盖板键合至所述晶振本体表面，以使所述晶振本体与所述盖板形成一真空密封谐振空腔。解决了通过生长单晶硅外延形成封装外壳以实现密封而导致成品率低的技术问题，达到了提高生产的成品率、同时减少工艺难度。同时采用单晶硅晶圆形成盖板制成的MEMS晶振，因单晶硅的机械强度较高，进而其MEMS的机械强度较高，提高了MEMS晶振的抗震能力，使用过程中的残余应力小，MEMS晶振的稳定性相对提高。

附图说明

图1a～1d是本实用新型实施例一中一种晶圆级真空封装的MEMS晶振的制备方法的流程图；

图2a～2d是本实用新型实施例一中一种晶圆级真空封装的MEMS晶振的制备方法的流程图；

图3a～3e是本实用新型实施例二中一种晶圆级真空封装的MEMS晶振的制备方法的流程图；

图4a～4d是本实用新型实施例三中一种晶圆级真空封装的MEMS晶振的制备方法的流程图；

图5是本实用新型实施例四中一种晶圆级真空封装的MEMS晶振的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。

实施例一

本实用新型实施例一提供的一种晶圆级真空封装的MEMS晶振的制备方法的流程图，本实施例可适用于MEMS晶振的制造，具体包括如下步骤：

步骤S110、提供一具有谐振器的晶振本体、单晶硅晶圆；

步骤S120、如图1a所示，于所述单晶硅晶圆上蚀刻第一类空腔21、第二类空腔22以形成盖板2；其中所述第一类空腔21的深度小于所述第二类空腔22的深度；

步骤S130、如图1b所示，键合所述晶振本体1、所述盖板2，以使所述晶振本体1与所述盖板2形成一密封谐振空腔3；

步骤S140、如图1c所示，减薄所述盖板2，以使与所述第二类空腔22匹配的所述晶振本体1表面显露；

步骤S150、如图1d所示，于显露的所述晶振本体设置金属电极5。

该晶圆级真空封装的MEMS晶振的制备方法的工作原理：

首先于所述单晶硅晶圆上蚀刻第一类空腔、第二类空腔以形成盖板；其中所述第一类空腔的深度小于所述第二类空腔的深度，键合所述晶振本体、所述盖板，以使所述晶振本体与所述盖板形成一密封谐振空腔，减薄所述盖板，以使与所述第二类空腔匹配的所述晶振本体表面显露；于显露的所述晶振本体设置金属电极以完成MEMS晶振的制造。

本实施例的技术方案，通过将设置有第一类空腔、第二类空腔的盖板键合至所述晶振本体表面，其中第一类宫腔的深度小于第二类空腔的深度，在对所述盖板做减薄操作时，可以做到第二类空腔被贯通的状态下，第一类空腔仍可以与所述晶振本体形成一真空密封谐振空腔。解决了通过生长单晶硅外延形成封装外壳以实现密封而导致成品率低的技术问题，达到了提高生产的成品率、同时减少工艺难度。同时采用单晶硅晶圆形成盖板制成的MEMS晶振，因单晶硅的机械强度较高，进而其MEMS的机械强度较高，提高了MEMS晶振的抗震能力，使用过程中的残余应力小，MEMS晶振的稳定性相对提高。

在上述技术方案的基础上，上述的晶圆级真空封装的MEMS晶振的制备方法流程示意图，其中，提供一具有谐振器的晶振本体，包括

步骤S1101、如图2a所示，提供第一晶圆，所述第一晶圆包括第一单晶硅层11、第二单晶硅层12以及设置于所述第一单晶硅与所述第二单晶硅之间的第一氧化硅层13；

步骤S1102、如图2b所示，于所述第二单晶硅层12的第一预定位置和第二预定位置湿法腐蚀工艺或干法腐蚀形成以使所述第一氧化硅层13显露的第一硅刻蚀孔121和第二硅刻蚀孔122；所述第一硅刻蚀孔121和第二硅刻蚀孔122结合所述第二单晶硅层12形成所述谐振器14；进一步地，采用热氧工艺或沉积工艺于所述第二单晶硅层12表面及所述第一硅刻蚀孔121和所述第二硅刻蚀孔122内填充第二氧化硅层以真空密封所述第一硅刻蚀孔121和所述第二硅刻蚀孔122。

步骤S1103、如图2c所示，于所述第二单晶硅层12表面及所述第一硅刻蚀孔121和所述第二硅刻蚀孔122内填充第二氧化硅15以真空密封所述第一硅刻蚀孔121和所述第二硅刻蚀孔122；

步骤S1104、如图2d所示，湿法腐蚀工艺或干法腐蚀所述第二硅刻蚀孔122和部分所述第二氧化硅层和部分所述第一氧化硅层13以释放所述谐振器14。

实施例二

本实用新型实施例二提供的一种晶圆级真空封装的MEMS晶振的制备方法工艺流程图，本实施例可适用于MEMS晶振的制造，具体包括如下步骤：

步骤S210、提供一具有谐振器的晶振本体和单晶硅晶圆；

步骤S220、如图3a所示，于所述单晶硅晶圆上刻蚀第一类空腔41和第二类空腔42以形成盖板4；其中所述第一类空腔41的深度等于所述第二类空腔42的深度；

步骤S230、如图3b所示，键合所述晶振本体1和所述盖板4，以使所述晶振本体1与所述盖板4形成一密封谐振空腔3；

步骤S240、如图3c所示，减薄所述盖板4于预定厚度；

步骤S250、如图3d所示,图案化并刻蚀所述盖板4以使与所述第二类空腔42匹配的所述晶振本体1显露；进一步地，采用光刻胶图案化并刻蚀所述盖板4。

步骤S260、如图3e所示,于显露的所述晶振本体1表面设置金属电极5。

上述实施例的工作原理是：

首先，于所述单晶硅晶圆上刻蚀第一类空腔41和第二类空腔42以形成盖板4；其中所述第一类空腔41的深度等于所述第二类空腔42的深度，然后键合所述晶振本体1和所述盖板4，以使所述晶振本体1与所述盖板4形成一密封谐振空腔3，接着减薄所述盖板4于预定厚度；图案化并刻蚀所述盖板4以使与所述第二类空腔42匹配的所述晶振本体1显露；最后于显露的所述晶振本体1表面设置金属电极5。

本实施例的技术方案，通过将设置有第一类空腔41、第二类空腔42的盖板4键合至所述晶振本体1表面，其中第一类宫腔的深度等于第二类空腔42的深度，在对所述盖板4做减薄操作时，第一类空腔41与所述晶振本体1形成一真空密封谐振空腔3，第二类空腔42继续处于密封状态，通过图案化并刻蚀所述盖板4以使与所述第二类空腔42匹配的所述晶振本体1显露，将所述第二类空腔42贯通。解决了通过生长单晶硅外延形成封装外壳以实现密封而导致成品率低的技术问题，达到了提高生产的成品率、同时减少工艺难度。同时采用单晶硅晶圆形成盖板4制成的MEMS晶振，因单晶硅的机械强度较高，进而其MEMS的机械强度较高，提高了MEMS晶振的抗震能力，使用过程中的残余应力小，MEMS晶振的稳定性相对提高。

在上述技术方案的基础上，上述的晶圆级真空封装的MEMS晶振的制备方法，其中，提供一具有谐振器的晶振本体1，包括

步骤S2101、提供第一晶圆，所述第一晶圆包括第一单晶硅层、第二单晶硅层以及设置于所述第一单晶硅与所述第二单晶硅之间的第一氧化硅层；

步骤S2102、于所述第二单晶硅层的第一预定位置和第二预定位置湿法腐蚀工艺或干法腐蚀形成以使所述第一氧化硅层显露的第一硅刻蚀孔和第二硅刻蚀孔；所述第一硅刻蚀孔和第二硅刻蚀孔结合所述第二单晶硅层形成所述谐振器；进一步地，采用热氧工艺或沉积工艺于所述第二单晶硅层表面及所述第一硅刻蚀孔和所述第二硅刻蚀孔内填充第二氧化硅层以真空密封所述第一硅刻蚀孔和所述第二硅刻蚀孔。

步骤S2103、于所述第二单晶硅层表面及所述第一硅刻蚀孔和所述第二硅刻蚀孔内填充第二氧化硅以真空密封所述第一硅刻蚀孔和所述第二硅刻蚀孔；

步骤S2104、湿法腐蚀工艺或干法腐蚀所述第二硅刻蚀孔和部分所述第二氧化硅层和部分所述第一氧化硅层以释放所述谐振器。

实施例三

本实用新型实施例二提供的一种晶圆级真空封装的MEMS晶振的制备方法工艺流程图，本实施例可适用于MEMS晶振的制造，具体包括如下步骤：

步骤S310、提供一具有谐振器的晶振本体和单晶硅晶圆；

步骤S320、如图4a所示，于所述单晶硅晶圆上蚀刻第一类空腔以形成盖板；

步骤S330、如图4b所示，键合所述MEMS晶振本体和所述盖板，以使所述MEMS晶振本体与所述盖板形成一密封谐振空腔；

步骤S340、如图4c所示，减薄所述盖板至预定厚度；

步骤S350、如图4d所示，于所述盖板的预定位置刻蚀所述盖板以显露的所述晶振本体；并于显露的所述晶振本体表面填充金属一形成金属电极。

上述实施例的工作原理是：

首先，于所述单晶硅晶圆上刻蚀第一类空腔以形成盖板；然后键合所述晶振本体和所述盖板，以使所述晶振本体与所述盖板形成一密封谐振空腔，接着减薄所述盖板于预定厚度；于所述盖板的预定位置刻蚀所述盖板以显露的所述晶振本体；于显露的所述晶振本体表面填充金属一形成金属电极。

本实施例的技术方案，通过将设置有第一类空腔盖板键合至所述晶振本体表面，在对所述盖板做减薄操作时，第一类空腔与所述晶振本体形成一真空密封谐振空腔，采用穿硅通孔工艺于显露的所述晶振本体表面填充金属形成所述金属电极。解决了通过生长单晶硅外延形成封装外壳以实现密封而导致成品率低的技术问题，达到了提高生产的成品率、同时减少工艺难度。同时采用单晶硅晶圆形成盖板制成的MEMS晶振，因单晶硅的机械强度较高，进而其MEMS的机械强度较高，提高了MEMS晶振的抗震能力，使用过程中的残余应力小，MEMS晶振的稳定性相对提高。

在上述技术方案的基础上，上述的晶圆级真空封装的MEMS晶振的制备方法，其中，提供一具有谐振器的晶振本体，包括

步骤S3101、提供第一晶圆，所述第一晶圆包括第一单晶硅层、第二单晶硅层以及设置于所述第一单晶硅与所述第二单晶硅之间的第一氧化硅层；

步骤S3102、于所述第二单晶硅层的第一预定位置和第二预定位置湿法腐蚀工艺或干法腐蚀形成以使所述第一氧化硅层显露的第一硅刻蚀孔和第二硅刻蚀孔；所述第一硅刻蚀孔和第二硅刻蚀孔结合所述第二单晶硅层形成所述谐振器；进一步地，采用热氧工艺或沉积工艺于所述第二单晶硅层表面及所述第一硅刻蚀孔和所述第二硅刻蚀孔内填充第二氧化硅层以真空密封所述第一硅刻蚀孔和所述第二硅刻蚀孔。

步骤S3103、于所述第二单晶硅层表面及所述第一硅刻蚀孔和所述第二硅刻蚀孔内填充第二氧化硅以真空密封所述第一硅刻蚀孔和所述第二硅刻蚀孔；

步骤S3104、湿法腐蚀工艺或干法腐蚀所述第二硅刻蚀孔和部分所述第二氧化硅层和部分所述第一氧化硅层以释放所述谐振器。

实施例四

图5为本实用新型实施例四提供的晶圆级真空封装的MEMS晶振的结构示意图，包括应用上述的晶圆级真空封装的MEMS晶振的制备方法形成的盖板；

具有谐振器的晶振本体7，其中，所述盖板8覆盖所述晶振本体7；

所述盖板8具有第一类空腔81和第二类空腔82，所述第一类空腔81结合所述谐振器形成一密封谐振空腔78，

设置于与所述第二类空腔82匹配的所述晶振本体7表面的金属电极9。

作为进一步优选实施方案，上述的一种晶圆级真空封装的MEMS晶振，其中，所述第二类空腔82为梯形空腔或矩形空腔。

作为进一步优选实施方案，上述的一种晶圆级真空封装的MEMS晶振，其中，所述金属电极9的高度完全匹配所述第二类空腔82。

作为进一步优选实施方案，上述的一种晶圆级真空封装的MEMS晶振，其中，所述金属电极9的高度大于所述第二类空腔82，以使所述金属电极9延伸至所述盖板9表面。

作为进一步优选实施方案，上述的一种晶圆级真空封装的MEMS晶振，其中，所述盖板9由单晶硅晶圆形成。

本实施例的晶圆级真空封装的MEMS晶振为上述晶圆级真空封装的MEMS晶振制备方法形成的MEMS晶振，具有上述晶圆级真空封装的MEMS晶振同样的技术效果。此处不做赘述。

如果期望的话，这里所讨论的不同功能可以以不同顺序执行和/或彼此同时执行。此外，如果期望的话，以上所描述的一个或多个功能可以是可选的或者可以进行组合。

如果期望的话，上文所讨论的各步骤并不限于各实施例中的执行顺序，不同步骤可以以不同顺序执行和/或彼此同时执行。此外，在其他实施例中，以上所描述的一个或多个步骤可以是可选的或者可以进行组合。

虽然本实用新型的各个方面在独立权利要求中给出，但是本实用新型的其它方面包括来自所描述实施方式的特征和/或具有独立权利要求的特征的从属权利要求的组合，而并非仅是权利要求中所明确给出的组合。

这里所要注意的是，虽然以上描述了本实用新型的示例实施方式，但是这些描述并不应当以限制的含义进行理解。相反，可以进行若干种变化和修改而并不背离如所附权利要求中所限定的本实用新型的范围。

注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。