[發明專利]具有梁結構的壓電MEMS硅諧振器及其形成方法、電子設備

有效

• 申請號: 202110477297.0
• 申請日: 2021-04-29
• 公開（公告）號: CN113381717B
• 公開（公告）日: 2023-04-07
• 發明（設計）人: 張孟倫;楊清瑞;宮少波
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: H03H3/02
• 分類號: H03H3/02;H03H9/02
• 代理公司: 北京漢智嘉成知識產權代理有限公司 11682
• 代理人: 姜勁;谷惠敏

本發明提出具有梁結構的壓電MEMS硅諧振器及其形成方法，以及一種電子設備。該形成方法包括：提供帶下空腔的SOI硅片作為襯底，下空腔的上方具有器件硅層；依次形成下電極、壓電層和上電極；刻蝕器件硅層以形成梁結構；在當前半導體結構上形成犧牲層；在犧牲層之上生長封裝材料以形成薄膜封裝層，然后在薄膜封裝層中的梁結構區域上方位置刻蝕通孔；去除梁結構的振動區上方的犧牲層以形成上空腔，并且保留梁結構的固定端上方的犧牲層；再次生長封裝材料以封閉通孔；形成貫穿薄膜封裝層以及被保留的犧牲層的電連接通孔；在電連接通孔中形成電極連接。該形成方法制得的壓電MEMS硅諧振器可長期保持器件高真空度，實現諧振器高的品質因數以及長期穩定性。

技術領域

本發明涉及諧振器技術領域，具體涉及一種壓電MEMS硅諧振器及其形成方法，以及一種電子設備。

背景技術

諧振器利用了諧振頻率可以被被測物理量改變的現象，具有重復性高、分辨率高、靈敏度高等優點。高品質因數的微機電系統(MEMS，Micro-Electro-Mechanical?System)諧振器已廣泛應用于傳感器、振蕩器和執行器中，以獲得較高的機械靈敏度。

MEMS工藝中器件的真空封裝是整個工藝過程中的難點，通過封裝形成一個穩定的真空環境，對于MEMS器件的可靠性和高品質因數是至關重要的。封裝的質量決定著整個器件的質量和使用壽命，良好的封裝能夠使器件在后續工藝中和在器件使用過程中避免潛在污染物(如灰塵顆粒、水蒸氣、氣體分子)對真空度的破壞。因此能夠長期維持MEMS器件真空度的封裝技術是實現MEMS器件商業產品化的主要障礙。

目前，最常用的MEMS器件封裝方法是在MEMS器件上鍵合帽的方法。在MEMS器件上鍵合帽的工藝可以通過多種方法來實現，主要包括玻璃與硅的陽極鍵合、玻璃與硅熱壓鍵合以及硅與硅通過中間金層的鍵合。作為中間層的鍵合材料，磷硅酸鹽玻璃(PSG)或玻璃粉，已被用于將玻璃鍵合到硅上，由于鍵合材料的應用可以在鍵合過程中將更多的拓撲結構覆蓋。為了進一步提高鍵合的質量，可以在鍵合區域局部加熱，優點包括：可以更好地控制鍵合溫度和可以在鍵合區域獲得比器件更高的溫度，減輕對整個器件中溫度敏感材料的熱預算的擔憂。采用多晶硅和金作為微加熱器的局部加熱技術的鍵合工藝已經被用于MEMS生產中。此外，吸氣劑有時也被用于控制空腔內的壓力，減少由于鍵合層和器件材料釋放氣體帶來的影響。

盡管技術人員不斷提高鍵合封裝的質量，但由于鍵合界面層的致密度無法達到和硅基底致密度一樣的量級，因而仍然不能在器件長期使用中完全避免鍵合層的漏氣。另外，鍵合材料也會存在一定的釋放氣體的現象，即使存在吸氣劑也無法完全解決氣體釋放問題。因此，采用現有封裝工藝的器件在封裝后內部不能有效保持真空度，這一難題依然是MEMS諧振器等需要在真空下工作的器件的瓶頸。由于現有技術諧振腔內真空度隨著時間延長而降低使諧振器阻尼升高，諧振器的品質因數很難保持長期穩定性。因此，亟需開發出可靠的封裝技術，實現長期有效地維持諧振腔內的高真空度，以提高諧振式傳感器品質因數以及使用壽命。

發明內容

有鑒于此，本發明提出一種低成本、高品質因數、高穩定性的具有梁結構的壓電MEMS硅諧振器及其形成方法，以及包括該具有梁結構的壓電MEMS硅諧振器的電子設備。

本發明第一方面一種具有梁結構的壓電MEMS硅諧振器的形成方法，包括：提供帶下空腔的SOI硅片作為襯底，所述帶下空腔的SOI硅片中所述下空腔的上方具有器件硅層；在所述襯底之上依次形成下電極、壓電層和上電極；刻蝕所述器件硅層以形成所述梁結構，其中所述器件硅層作為所述梁結構的從動層；在當前半導體結構上形成犧牲層，所述犧牲層完全覆蓋所述當前半導體結構；在所述犧牲層之上生長封裝材料以形成薄膜封裝層，然后在所述薄膜封裝層中的所述梁結構區域上方位置刻蝕通孔；去除所述梁結構的振動區上方的所述犧牲層以形成上空腔，并且保留所述梁結構的固定端上方的所述犧牲層；再次生長所述封裝材料以封閉所述通孔；形成貫穿所述薄膜封裝層以及被保留的所述犧牲層的電連接通孔；在所述電連接通孔中形成電極連接。