具有除氣屏蔽件的mems設(shè)備的制造方法
【專利摘要】罩式微機(jī)械設(shè)備具有位于第一氣密室內(nèi)的可動(dòng)微機(jī)械結(jié)構(gòu)以及在第二氣密室內(nèi)的一個(gè)以上的互連，所述第二氣密室氣密地隔離于所述第一氣密室，以及在其罩上的屏障層，其中罩面向第一氣密室，使得第一氣密室隔離于來(lái)自罩的除氣。
【專利說(shuō)明】
具有除氣屏蔽件的MEMS設(shè)備
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及微機(jī)械(“MEMS”)設(shè)備，更特別地涉及用于MEMS設(shè)備的封裝?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]現(xiàn)有技術(shù)已知?dú)饷艿卣肿EMS設(shè)備，以及經(jīng)由氣密罩外的絲焊實(shí)現(xiàn)MEMS設(shè)備與相關(guān)集成電路之間的電連接。
[0003]還已知的是將相關(guān)集成電路經(jīng)由密封圈附接到MEMS設(shè)備的基板，使得相關(guān)集成電路充當(dāng)罩以將MEMS設(shè)備氣密地密封在腔室內(nèi)。這些設(shè)備可以通過(guò)提供在基板與氣密腔室內(nèi)的相關(guān)集成電路之間直接延伸的導(dǎo)電互連來(lái)實(shí)現(xiàn)MEMS設(shè)備與罩式集成電路之間的電連接。
[0004]然而，已知的是典型的后端膜用于集成電路中的金屬間隔離和頂部鈍化，諸如例如PECVD氧化物和PECVD氮化物，典型的后端膜能夠釋放(S卩，“除氣”)氣體到腔室中。這些氣體，一旦釋放到設(shè)備的氣密密封的腔室內(nèi)部，就能夠產(chǎn)生比期望的高更多的密封壓力，并且不利地影響MEMS設(shè)備的性能。例如，這些氣體會(huì)導(dǎo)致加速度計(jì)或陀螺儀不能滿足它們相應(yīng)的規(guī)格。甚至對(duì)于在腔室內(nèi)不要求低壓腔室環(huán)境的設(shè)備，該除氣能夠?qū)е聣毫_(dá)到1個(gè)大氣壓或者大約1個(gè)大氣壓，因此用于氣密屏蔽的基本Q測(cè)量不是可能的。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]在第一實(shí)施例中，罩式微機(jī)械設(shè)備包括在MEMS室中的MEMS結(jié)構(gòu)以及罩，罩包括構(gòu)造為防止來(lái)自罩的除氣進(jìn)入MEMS室的除氣屏蔽件。特別地，罩式微機(jī)械設(shè)備包括:基板，其具有從基板懸置的MEMS結(jié)構(gòu)，以及與MEMS結(jié)構(gòu)以及與罩耦合的至少第一電導(dǎo)體。在各個(gè)實(shí)施例中，MEMS結(jié)構(gòu)可以是加速度計(jì)梁、陀螺儀結(jié)構(gòu)和開(kāi)關(guān)臂中的一個(gè)，僅列舉了幾個(gè)示例。
[0006]該設(shè)備還包括與基板平行地懸置以及與基板隔開(kāi)封罩間隙的罩。該罩包括至少第二電導(dǎo)體，諸如在罩的表面上或者在罩內(nèi)的摻雜導(dǎo)電線或金屬互連。在一些實(shí)施例中，罩是包括多個(gè)有源半導(dǎo)體器件的集成電路。事實(shí)上，在一些實(shí)施例中，罩是配置為處理來(lái)自MEMS 結(jié)構(gòu)的輸出信號(hào)的集成電路。[〇〇〇7]該設(shè)備還包括第一隔離壁，該第一隔離壁布置在基板與罩之間且跨越封罩間隙， 第一隔離壁和基板限定了MEMS室，該MEMS室封閉MEMS結(jié)構(gòu)而使得MEMS結(jié)構(gòu)能夠在MEMS室內(nèi)移動(dòng)。
[0008]另外，屏蔽層布置在罩的面與MEMS室之間(例如，在罩的面上)且構(gòu)造為提供罩的面與MEMS室之間的完全除氣屏障。換言之，屏蔽層布置在罩的面的區(qū)域與MEMS室之間，罩的面的區(qū)域是罩的面的與MEMS室正相對(duì)的部分。在一些實(shí)施例中，屏蔽層包括氮化鈦和鈦與氮化鈦組合層疊中的一個(gè)。
[0009]第二隔離壁也布置在基板與罩之間，且跨越封罩間隙。第二隔離壁、基板與罩限定了互連室，互連室被氣密地密封且氣密地隔離于MEMS室。通過(guò)這種方式，MEMS室氣密地隔離于罩和互連室，并且MEMS結(jié)構(gòu)與第二電導(dǎo)體電耦合。
[0010]在各個(gè)實(shí)施例中，第一隔離壁，和或第二隔離壁，可以包括焊環(huán)、玻璃熔塊或金屬密封圈。
[0011] 第一隔離壁和第二隔離壁的布置可以用各種構(gòu)造限定MEMS室和互連室。例如，在一些實(shí)施例中，MEMS室鄰近互連室，而在其它實(shí)施例中，MEMS室由互連室包圍。[〇〇12]在一些實(shí)施例中，MEMS室和互連室兩者封閉等同的初始內(nèi)部環(huán)境。
[0013]在一些實(shí)施例中，屏蔽層可以與電壓源耦合，電壓源配置為向屏蔽層供給固定電位，諸如D.C.電壓或地。[〇〇14]最后，該設(shè)備包括布置在互連室內(nèi)且跨越封罩間隙的互連結(jié)構(gòu)，該互連結(jié)構(gòu)將第一電導(dǎo)體與第二電導(dǎo)體電耦合。
[0015]制作罩式微機(jī)械設(shè)備的方法包括:提供基板，該基板具有從基板懸置的MEMS結(jié)構(gòu)， 以及與MEMS結(jié)構(gòu)耦合的至少第一電導(dǎo)體。該方法還包括提供罩，所述罩具有至少第二電導(dǎo)體以及在罩的面上的屏蔽層。在一些實(shí)施例中，罩包括包含多個(gè)有源半導(dǎo)體器件的集成電路。事實(shí)上，在一些實(shí)施例中，該方法提供罩，該罩是配置為處理來(lái)自MEMS結(jié)構(gòu)的輸出信號(hào)的集成電路。在一些實(shí)施例中，屏蔽層是氮化鈦和鈦與氮化鈦組合層疊中的一個(gè)。
[0016]另外，該方法提供構(gòu)造為在基板與罩之間延伸的第一隔離壁；以及提供構(gòu)造為在基板與罩之間延伸的第二隔離壁。在一些實(shí)施例中，第一隔離壁和第二隔離壁中的每個(gè)均包括金屬密封圈。在一些實(shí)施例中，第二隔離壁包括焊環(huán)或玻璃熔塊中的一個(gè)。
[0017]而且，該方法提供構(gòu)造為在基板與罩之間延伸的互連結(jié)構(gòu)。
[0018]該方法還包括:將罩與基板耦合，而使得第一隔離壁、第二隔離壁和互連結(jié)構(gòu)跨越罩與基板之間的封罩間隙。因此，罩和第一隔離壁限定MEMS室，該MEMS室封閉MEMS結(jié)構(gòu)，使得MEMS結(jié)構(gòu)的至少一部分能夠在MEMS室內(nèi)移動(dòng)，屏蔽層布置成提供罩的面與MEMS室之間的完全氣體屏障。類似地，罩和第二隔離壁限定互連室，使得互連室被氣密地密封且氣密地隔離于MEMS室?；ミB結(jié)構(gòu)因此布置在互連室內(nèi)且將第一電導(dǎo)體與第二電導(dǎo)體電耦合。
[0019]在另一實(shí)施例中，罩式微機(jī)械設(shè)備包括:基板部件，該基板部件具有從基板部件懸置的MEMS結(jié)構(gòu)，以及與MEMS結(jié)構(gòu)耦合的至少第一電導(dǎo)體；以及罩部件，其包括至少第二電導(dǎo)體?；宀考驼植考?gòu)造為使得當(dāng)基板部件與罩部件耦合時(shí)，基板部件和罩部件形成 MEMS室，該MEMS室封閉MEMS結(jié)構(gòu)，使得MEMS結(jié)構(gòu)能夠在MEMS室內(nèi)移動(dòng)，以及互連室。互連室被氣密地密封且氣密地隔離于MEMS室。罩式微機(jī)械設(shè)備還包括布置在互連室內(nèi)的互連部件，該互連結(jié)構(gòu)將第一電導(dǎo)體與第二電導(dǎo)體電耦合。
[0020]在一些實(shí)施例中，罩部件包括包含多個(gè)有源半導(dǎo)體器件的集成電路部件，至少一個(gè)有源半導(dǎo)體器件經(jīng)由第一電導(dǎo)體、互連部件和第二電導(dǎo)體與MEMS結(jié)構(gòu)電耦合。事實(shí)上，在一些實(shí)施例中，罩部件是配置為處理來(lái)自MEMS結(jié)構(gòu)的輸出信號(hào)的集成電路部件。
[0021]在一些實(shí)施例中，屏蔽層部件包括布置在罩部件上的氮化鈦層或TI/TiN組合層。【附圖說(shuō)明】
[0022]通過(guò)結(jié)合附圖參考下面的發(fā)明詳述，更易于理解實(shí)施例的前述特征，在附圖中: [〇〇23]圖1A和1B和1C示意性地示出了罩式MEMS設(shè)備的第一實(shí)施例，該罩式MEMS設(shè)備具有氣密地隔離于互連的MEMS室；[〇〇24]圖1D和1E示意性地示出罩式MEMS設(shè)備的第二實(shí)施例，該罩式MEMS設(shè)備具有氣密地隔離于互連的MEMS室；
[0025] 圖1F和1G和1H示意性地示出了罩式MEMS設(shè)備的第三實(shí)施例，該罩式MEMS設(shè)備具有氣密地隔離于互連的MEMS室；
[0026]圖2A示意性地示出了罩式MEMS設(shè)備的實(shí)施例，該罩式MEMS設(shè)備具有氣密地隔離于互連和硅通孔和焊球的MEMS室；[〇〇27]圖2B和2C示意性地示出了罩式MEMS設(shè)備的替選實(shí)施例，該罩式MEMS設(shè)備具有氣密地隔離于互連且具有焊球的MEMS室；[〇〇28]圖3A是示意性地示出制作罩式MEMS設(shè)備的方法的實(shí)施例的流程圖，該罩式MEMS設(shè)備的具有氣密地隔離于互連的MEMS室；
[0029]圖3B示意性地示出了對(duì)應(yīng)于圖3A的流程圖的罩式MEMS設(shè)備的各部分；
[0030]圖4是示意性地示出制作罩的方法的實(shí)施例的流程圖；
[0031]圖5A-5F示意性地示出了根據(jù)圖4的流程圖的各生產(chǎn)階段的罩的實(shí)施例；
[0032]圖6A-6F示意性地示出了根據(jù)圖4的流程圖的各生產(chǎn)階段的罩的替選實(shí)施例；[〇〇33]圖7A示意性地示出了罩式MEMS設(shè)備的示例性實(shí)施例，該罩式MEMS設(shè)備具有氣密地隔離于安裝到印刷電路板上的互連的MEMS室；[〇〇34]圖7B示意性地示出了罩式MEMS設(shè)備的替選實(shí)施例，該罩式MEMS設(shè)備具有氣密地隔離于安裝在印刷電路板上的互連的MEMS室。【具體實(shí)施方式】[〇〇35]各實(shí)施例將罩式MEMS設(shè)備中的可動(dòng)微機(jī)械(或“MEMS”)結(jié)構(gòu)隔離于可能來(lái)自于罩的除氣。例如，罩可以包括除氣屏蔽件，用來(lái)防止來(lái)自罩的氣體進(jìn)入由罩覆蓋的MEMS室。如果MEMS設(shè)備包括從MEMS結(jié)構(gòu)到罩的電連接，則罩的“裸露”部分不包括除氣屏蔽件，使得電連接可以物理地且電氣地與罩耦合，但是罩的該裸露部分隔離于MEMS室，使得來(lái)自罩的裸露部分的除氣不進(jìn)入MEMS室。換言之，通過(guò)將MEMS結(jié)構(gòu)密封在氣密密封的腔室或室中來(lái)隔開(kāi)可動(dòng)的MEMS結(jié)構(gòu)，各個(gè)實(shí)施例將MEMS傳感器中的電連接隔離于可動(dòng)MEMS結(jié)構(gòu)。事實(shí)上，一些實(shí)施例將互連和可動(dòng)MEMS結(jié)構(gòu)隔開(kāi)成彼此氣密地隔離開(kāi)的單獨(dú)的腔室或室一被屏蔽于用于容納MEMS結(jié)構(gòu)的罩的MEMS室，以及用于容納互連的互連室。這樣，互連可以物理地且電氣地與罩耦合，而可以保護(hù)MEMS結(jié)構(gòu)以免來(lái)自罩的除氣進(jìn)入MEMS室。
[0036]定義。如在本說(shuō)明書和附圖中使用的，下面的術(shù)語(yǔ)應(yīng)當(dāng)具有所指示的含義，除非上下文要求:
[0037]術(shù)語(yǔ)“初始內(nèi)部環(huán)境”意思是，關(guān)于氣密密封的腔室，在制造時(shí)腔室內(nèi)的氣體的化學(xué)成分、溫度和壓力。例如，如果在相同的環(huán)境中同時(shí)密封，則兩個(gè)氣密密封的腔室將具有相同的初始內(nèi)部環(huán)境。然而，兩個(gè)氣密密封的腔室可以具有相同的初始內(nèi)部環(huán)境，即使它們不同時(shí)密封，例如如果它們各自的內(nèi)部環(huán)境在它們各自密封時(shí)是相同的。
[0038]術(shù)語(yǔ)“有源電路”意思是包括一個(gè)或多個(gè)晶體管(或“有源器件”或“有源半導(dǎo)體器件”)的電路。在各個(gè)實(shí)施例中，這些有源電路可配置為緩沖器、放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器或數(shù)字電路，僅列舉了幾個(gè)實(shí)施例。包括有源電路的設(shè)備還可以包括無(wú)源電路元件(例如，電容器) 以及導(dǎo)電元件(例如，電線)，用于互連電路特征，以及其有源電路。
[0039]術(shù)語(yǔ)“氣密地隔離”，當(dāng)與腔室或室相結(jié)合使用時(shí)，意指來(lái)自相鄰的結(jié)構(gòu)、腔室或室的氣體不能進(jìn)入腔室或室。術(shù)語(yǔ)“氣密地隔離”當(dāng)與腔室或室和罩相結(jié)合使用時(shí)，意指來(lái)自罩的氣體不能進(jìn)入腔室或室。
[0040]術(shù)語(yǔ)“鈦與氮化鈦組合層疊”意指包括由鈦和/或氮化鈦(“TiN”)構(gòu)成或者包含鈦和/或氮化鈦(“TiN”)的部分的結(jié)構(gòu)。例如，在兩個(gè)半導(dǎo)體構(gòu)件(例如，MEMS基板和罩)之間的密封圈可以包括鈦與氮化鈦組合層疊。
[0041]術(shù)語(yǔ)“半導(dǎo)體罩”意指具有諸如硅、摻雜硅、鍺、或摻雜鍺的材料，包含諸如硅、摻雜硅、鍺、或摻雜鍺的材料或者由諸如硅、摻雜硅、鍺、或摻雜鍺的材料制成的罩，僅列舉了材料的幾個(gè)示例。[〇〇42] “完全屏障”(或者“完全除氣屏障”)，當(dāng)用于描述罩與MEMS腔室之間的屏蔽時(shí)，是這樣的屏障:其不能透過(guò)可以是從罩除氣的氣體，并且在罩的表面與MEMS腔室接口的所有點(diǎn)覆蓋罩的該表面的區(qū)域。如果罩的表面的任何部分暴露于MEMS腔室而使得從罩除氣的氣體可以直接進(jìn)入MEMS腔室，則屏障不是完全的。[〇〇43]術(shù)語(yǔ)“跨越”，當(dāng)用于例如描述基板與罩之間的屏障壁時(shí)，意指屏障壁延伸整體距離或者基板與罩之間的間隙。
[0044]圖1A和圖1B示意性地示出了第一實(shí)施例，其中微機(jī)械設(shè)備100包括氣密地密封在第一腔室中的MEMS結(jié)構(gòu)102 JEMS結(jié)構(gòu)102的至少一部分能夠關(guān)于基板移動(dòng)。MEMS設(shè)備的其它部分(其可視為總體MEMS結(jié)構(gòu)的部分)可以不能相對(duì)于基板移動(dòng)，諸如例如電極122。圖1B 是設(shè)備100的沿線A-A的剖視圖，而且示出了基板101的某部分，用于參考。
[0045]微機(jī)械結(jié)構(gòu)102從基板101懸置且能夠關(guān)于基板101移動(dòng)。微機(jī)械結(jié)構(gòu)可以是各種微機(jī)械結(jié)構(gòu)中的任一的部分，諸如加速度計(jì)、陀螺儀或懸臂式開(kāi)關(guān)或繼電器，僅列舉了幾個(gè)示例。雖然微機(jī)械結(jié)構(gòu)102示意性地圖示為安置在基板101內(nèi)的阱102內(nèi)，這僅為了示例，不是任何實(shí)施例的限制。
[0046]微機(jī)械設(shè)備100還包括罩(或“頂板”)130,該罩與基板101耦合且與基板間隔開(kāi)封罩間隙131。在示例性的實(shí)施例中，罩130平行于基板。一般地，罩130包括能夠除氣的材料。 [〇〇47]在一些實(shí)施例中，罩130可以是半導(dǎo)體或者可由半導(dǎo)體材料制成，半導(dǎo)體材料諸如硅或鍺，僅列舉了幾個(gè)示例。該罩可稱為“半導(dǎo)體罩”。例如，罩可以是集成電路(“1.C.”)或?qū)Ｓ眉呻娐?“ASIC”)，具有配置為緩沖從MEMS結(jié)構(gòu)102輸出的處理信號(hào)的一個(gè)以上的有源電路135。[〇〇48] 在其它實(shí)施例中，罩130可以包括硅通孔(每個(gè)“TSV”)201和/或其它電導(dǎo)體203,其配置為將來(lái)自MEMS結(jié)構(gòu)102的電信號(hào)運(yùn)載到在罩130的與面向基板101的一側(cè)相對(duì)的一側(cè)上的焊盤203或焊球202,如圖2A中的實(shí)施例200所示意性示出。事實(shí)上，一些實(shí)施例可以具有有源電路和娃通孔(參考例如圖2A中的罩130)。[〇〇49] 在另一實(shí)施例250中，罩130包括導(dǎo)體203,該導(dǎo)體203構(gòu)造為將互連121與在罩的與 MEMS結(jié)構(gòu)101相同側(cè)(S卩，表面或側(cè)面130A)的焊球202耦合，如圖2B和圖2C中示意性示出的。 此處，圖2C示意性地示出了圖2B中的設(shè)備250的沿著表面130A的平面的剖面，并且還示出了與該表面130A耦合的特征，諸如焊盤204、焊球202和屏蔽層132。導(dǎo)體電耦合到罩130的表面 130A處的互連121，并且還在罩130的表面250上的另一地點(diǎn)經(jīng)由焊盤204與焊球222相接。因此，導(dǎo)體203在兩個(gè)不同的位置處與表面250會(huì)和，并且起到將MEMS結(jié)構(gòu)102經(jīng)由罩130與一個(gè)以上焊球222電耦合的作用。因此，設(shè)備250可以經(jīng)由焊球222安裝到基板702上，使得MEMS 結(jié)構(gòu)101從罩130懸置且位于基板702與罩130之間，如例如圖7B中的組件720所示意性地示出的。
[0050]因此，罩130中的有源電路，和/或諸如焊盤204和焊球202的其它電接口，可以經(jīng)由基板1 〇 1中與MEMS結(jié)構(gòu)10 2耦合的導(dǎo)體123，經(jīng)由跨越基板101與罩130之間的封罩間隙131的接觸盤或互連121，以及經(jīng)由罩130中的導(dǎo)體203,與MEMS結(jié)構(gòu)102或基板中的其它特征(例如，電極122)電耦合。
[0051]基板101和罩130通過(guò)內(nèi)密封圈140和外密封圈141耦合在一起。密封圈140,141 (還可以稱為隔離壁)中的任一個(gè)或兩個(gè)可以是金屬(例如，金屬密封圈，諸如TiN層疊)，或者例如鋁銅、焊環(huán)或玻璃熔塊。[〇〇52] 兩個(gè)密封圈140，141延伸跨封罩間隙131，使得基板101、罩130和密封圈140，141形成兩個(gè)氣密密封的腔室110和120。更具體地，內(nèi)密封圈140環(huán)繞MEMS結(jié)構(gòu)102,并且連同基板 101和罩130—起形成氣密腔室110(MEMS腔室或MEMS室)。外密封圈141環(huán)繞內(nèi)密封圈，并且因此環(huán)繞內(nèi)MEMS腔室110,以形成外腔室120(或其它室120)。外密封圈141環(huán)繞連接器121， 使得連接121氣密地密封在互連腔室120內(nèi)。因此，在該實(shí)施例中，外腔室120可被描述為具有圍繞MEMS腔室110的環(huán)形?？商娲兀馇皇?20可以被認(rèn)為包圍MEMS腔室110,或者M(jìn)EMS 腔室110由互連腔室120包圍。[〇〇53] 在一些實(shí)施例中，包括圖1A和1B示意性地示出的MEMS設(shè)備100，屏蔽層132布置在罩130的表面130A與MEMS腔室110之間(或者與罩130的表面130A物理接觸)，例如防止來(lái)自罩130的除氣進(jìn)入MEMS腔室110。在優(yōu)選實(shí)施例中，屏蔽層132不可透過(guò)除氣，并且在該表面 130A與MEMS腔室110相接的所有點(diǎn)覆蓋表面130A。例如，屏蔽層132可以延伸跨過(guò)表面130A 而形成跨越內(nèi)密封圈140和/或壁141和142的完整屏障(或者“除氣屏障”)。事實(shí)上，在一些實(shí)施例中，屏蔽層132可以由與內(nèi)密封圈140相同的材料制成。在一些實(shí)施例中，屏蔽層132 可以包括氮化鈦、或鈦與氮化鈦(“Ti/TiN”)組合層疊。在其它實(shí)施例中，屏蔽層132可以包括鎢(“W”)、鈦鎢(“TiW”)或者諸如硅化鈦(TiSi)等金屬硅化物，以及在屏蔽層的周邊134處跨越封罩間隙的金屬(例如，AlCu; AlGe)密封圈140。一般地，在本文所描述的任意實(shí)施例中，屏蔽層132和密封圈140,以及甚至是屏障壁141和142,可以包括相同的金屬并且由相同的工藝步驟制作。[〇〇54]圖1C示意性地示出了設(shè)備100的在線A’-A’處的剖面，并且示出了屏蔽層132,該屏蔽層跨越內(nèi)密封圈140以完全地屏蔽下方的MEMS腔室110。事實(shí)上，在一些實(shí)施例中，密封圈 140也不可透過(guò)從罩130除氣的氣體，并且密封圈140和屏蔽層132配合而使得MEMS腔室110 氣密地隔離于該氣體。
[0055]在圖1A的示例性實(shí)施例中，設(shè)備100可以描述為具有在相同的ASIC罩頂板130下面的兩個(gè)子腔室110,120以通過(guò)金屬密封圈140,141將感測(cè)結(jié)構(gòu)102與罩/傳感器互連盤121隔開(kāi)，并且描述為將導(dǎo)電的金屬屏蔽層132布置成完全覆蓋ASIC頂板130下方的子腔室110之一以阻擋來(lái)自ASIC 130的除氣。因此，MEMS傳感器結(jié)構(gòu)102能夠停留在由晶片焊接工藝設(shè)置的腔室110中的低壓環(huán)境(或其它期望的初始環(huán)境)中，并且同時(shí)位于第二腔室121內(nèi)的互連金屬121能夠除氣，而不會(huì)不利地影響MEMS感測(cè)結(jié)構(gòu)102。[〇〇56] MEMS設(shè)備150的替選實(shí)施例示意性地圖示在圖1D和圖1E中。圖1E示意性地示出設(shè)備150沿著線B-B的剖面，而且示出了基板101的某部分，用于參考。[〇〇57] MEMS設(shè)備150包括許多與上文所描述的以及圖1A和圖1B中示意性示出的設(shè)備100相同的特征。然而，在該實(shí)施例150中，兩個(gè)腔室110和120共用共同的分隔壁142。換言之，兩個(gè)腔室110和120兩者均由共同的分隔壁142限定，并且分隔壁142將腔室110與腔室120分開(kāi)。事實(shí)上，分隔壁142可以是密封圈141的部分。因此，MEMS腔室110和互連腔室120彼此緊鄰。[〇〇58] MEMS設(shè)備170的又一實(shí)施例示意性地示出在圖1F、圖1G和圖1H中。圖1G示意性地示出了設(shè)備170的沿線C-C的剖面，而且示出了基板101的某部分，用于參考。類似地，圖1F示意性地示出了設(shè)備17的沿線D-D的剖面。圖1H示意性地示出了設(shè)備170的沿著線E-E的剖面，并且示出了屏蔽層132跨腔室的整個(gè)寬度延伸。
[0059]MEMS設(shè)備170包括許多與上文所描述的以及如圖1A和圖1B中示意性地示出的設(shè)備 100相同的特征。基板101和罩130通過(guò)密封圈140和第二密封圈141耦合在一起。密封圈140， 141中的任一個(gè)或兩個(gè)可以是例如金屬或玻璃熔塊。兩個(gè)密封圈140,141延伸跨過(guò)封罩間隙 131，使得基板101、罩130和密封圈140,141形成兩個(gè)氣密密封的腔室110和120。更具體地， 內(nèi)密封圈141環(huán)繞互連121，并且連同基板101和罩130—起形成氣密腔室120(互連腔室)。外密封圈140環(huán)繞內(nèi)密封圈141，并且因此環(huán)繞內(nèi)互連腔室120,而形成外MEMS腔室110。內(nèi)密封圈141環(huán)繞互連121，使得互連121氣密地密封在互連腔室120內(nèi)。因此，在該實(shí)施例中，外腔室110可以被描述為具有圍繞互連腔室120的環(huán)狀形狀。
[0060]在各個(gè)實(shí)施例中，包括但不限于那些上述的實(shí)施例，屏蔽層132和/或隔離壁140， 142可以偏置到預(yù)定的電位，諸如例如固定(“D.C.”)電壓、或地電位。偏置電位可以通過(guò)如圖2A中示意性示出的間隙130中的電導(dǎo)體139，或者通過(guò)MEMS基板101中的電導(dǎo)體129，經(jīng)由例如圖1F中示意性地示出的互連121或屏障壁140或142中的一個(gè)而提供給屏蔽層132。因此，在一些實(shí)施例中，屏蔽層132執(zhí)行雙重功能:其提供將MEMS腔室隔離于從罩130除氣的氣體的除氣屏蔽件(與其它結(jié)構(gòu)相結(jié)合)，并且其提供鄰近MEMS腔室110的電偏置板。[〇〇61 ] 在一些實(shí)施例中，MEMS基板101可以包括平面，諸如地平面107。例如，具有地平面 107的設(shè)備100示意性地圖示在圖1A中，但是本文所描述的任何實(shí)施例可以具有這樣的地平面。地平面可以是基板101中的摻雜層，或者可以是基板101上的結(jié)構(gòu)。在這些實(shí)施例中，屏蔽層132可以偏置到與地平面107相同的電壓(例如，地)。在其它事項(xiàng)中，這可起到通過(guò)來(lái)自屏蔽層132的平衡靜電力來(lái)緩解或均等化從地平面107作用在MEMS結(jié)構(gòu)102上的靜電力的作用。
[0062]制作MEMS設(shè)備的方法300的實(shí)施例示意性地圖示在圖3A中。為示例的目的，來(lái)自圖 1A的示例性的MEMS 100的各組件示意性地圖示在圖3B中。然而，方法300基本上與本文描述的其它實(shí)施例相同。[〇〇63]方法300開(kāi)始于步驟301，提供罩130,諸如上述的罩。在該實(shí)施例中，罩包括在罩 130的表面130A上的屏蔽層132,但是其它實(shí)施例可以單獨(dú)地提供屏蔽層。事實(shí)上，在一些實(shí)施例中，屏蔽層132可以連同其它特征一起制作在罩130上，其它特征諸如例如隔離壁140， 141或142。下面描述這些實(shí)施例的示例。[〇〇64] 該方法還包括在步驟302中提供隔離壁，以及在步驟303中提供互連。在一些實(shí)施例中，諸如隔離壁140，141的隔離壁與互連121同時(shí)提供，但是在其它實(shí)施例中，它們單獨(dú)地提供。在一些實(shí)施例中，在設(shè)備100組裝之前，隔離壁140,141制作在罩130上或者在基板101 上。參見(jiàn)例如圖5F和圖6F。在這些實(shí)施例中，可以通過(guò)在罩130或基板101上沉積金屬以及將金屬圖案化而形成隔離壁140,141而制成隔離壁。在其它實(shí)施例中，隔離壁140,141中的一個(gè)或兩個(gè)可以是在組裝期間布置在罩130與基板101之間的玻璃熔塊。[〇〇65] 方法300在步驟304中提供基板101?；灏∕EMS結(jié)構(gòu)102,在一些實(shí)施例中，MEMS 結(jié)構(gòu)102被分離;也即，MEMS結(jié)構(gòu)102已經(jīng)關(guān)于基板101能移動(dòng)。MEMS結(jié)構(gòu)102可以通過(guò)本領(lǐng)域已知的各種方法和工藝制作在基板101上或者由基板101制成。另外，MEMS結(jié)構(gòu)102可以在關(guān)于基板的各方位上移動(dòng)。例如，在加速度計(jì)或陀螺儀中，MEMS結(jié)構(gòu)可以平行于基板101的表面101A移動(dòng)。在開(kāi)關(guān)或繼電器中，或者在一些加速度計(jì)或陀螺儀中，MEMS結(jié)構(gòu)102可以沿基板101的表面101A的方向移動(dòng)。[〇〇66]在步驟305中，方法300然后根據(jù)本領(lǐng)域已知的方法將罩130與基板101耦合，使得隔離壁140,141和互連121布置在罩130與基板101之間，并且跨越封罩間隙131(參見(jiàn)如圖 1)。在典型的實(shí)施例中，罩130的表面130A平行于基板101的表面101A，并且MEMS結(jié)構(gòu)102被氣密地密封在MEMS腔室110內(nèi)?；ミB121與罩130上的或罩130中的對(duì)應(yīng)的導(dǎo)體(例如，硅通孔或其它導(dǎo)體)物理地且電地耦合。[〇〇67]典型地，耦合步驟305發(fā)生在受控環(huán)境中。罩環(huán)境的受控特性可以包括例如在封罩時(shí)腔室(以及因此設(shè)備的一個(gè)或多個(gè)腔室內(nèi))的封罩環(huán)境的氣體(如果有)的化學(xué)成分、溫度和壓力。例如，設(shè)備可以在真空中封罩(步驟305 )，使得MEMS腔室110和互連腔室120保持真空?？蛇x地，在一些實(shí)施例中，封罩環(huán)境包括氣體(例如，空氣、氮?dú)獾?，并且該氣體可以處于低壓(即，小于1個(gè)大氣壓的氣壓)、或高壓(即，大于1個(gè)大氣壓的氣壓)、或者甚至處于一個(gè)大氣壓。在任意情況下，當(dāng)設(shè)備在步驟305中被封罩時(shí)，該環(huán)境中的一些將被圈在MEMS腔室110和互連腔室120中的一個(gè)或兩者內(nèi)。在封罩時(shí)該腔室內(nèi)的環(huán)境是該腔室的初始內(nèi)部環(huán)境。本領(lǐng)域已知的是，可動(dòng)的MEMS結(jié)構(gòu)的性能特性會(huì)受密封可動(dòng)MEMS結(jié)構(gòu)的環(huán)境所影響。因此，在一些MEMS設(shè)備中，重要的通過(guò)例如防止氣體從該環(huán)境逸出，以及防止由于例如氣密件的破壞或接受了來(lái)自其它設(shè)備組件的除氣而導(dǎo)致來(lái)自環(huán)境外的氣體的氣體進(jìn)入，來(lái)維持該環(huán)境。[〇〇68]在此點(diǎn)，多次觀察將起到補(bǔ)充方法300的描述的作用。首先，步驟可以按不同于上述的那些次序的次序來(lái)執(zhí)行。例如，步驟301-304可以按任意次序(例如，301-304-303-302; 304-301-303-302;等)來(lái)執(zhí)行。其次，步驟302(提供隔離壁)以及步驟303(提供互連)可以組合，例如如果那些特征形成在罩130或基板101中的一個(gè)上。事實(shí)上，在該情況下，步驟302和 303可以與步驟301(提供罩)或304(提供基板)組合或者是它們的一部分。第三，雖然圖3A和圖3B描述為生產(chǎn)單個(gè)設(shè)備100,但是方法300可以在晶片級(jí)進(jìn)行，其中基板的晶片與罩的晶片耦合，并且組合的晶片隨后被切割而產(chǎn)出多個(gè)單個(gè)的設(shè)備100。[〇〇69]圖4示意性地示出了制作罩(例如，罩130)的方法400的實(shí)施例，并且圖5A-5F和圖 6A-6F示意性地示出了根據(jù)屏蔽層132和隔離壁140，141，142制作在罩130的表面130A上的實(shí)施例，在各制造階段的罩130的實(shí)施例。
[0070]方法開(kāi)始于步驟401，提供罩130。罩可以是硅構(gòu)件，諸如晶片的部分，或者可以是如上所述的集成電路或者集成電路(例如，ASIC)的晶片的部分。該罩示意性地圖示在圖5A 和圖6A中。[〇〇71] 在步驟402中，方法400將第一金屬層501添加到罩130的表面130A。在一些實(shí)施例中，第一金屬層可以是例如氮化鈦。如圖5A和圖6A不意性地不出的，第一金屬層501完全地覆蓋罩130的表面130A，在該表面130A的將面向MEMS腔室110的部分中，以及在該表面130A 的將面向互連腔室120的部分中。該表面130A的將面向互連腔室120的部分將在稍后步驟被移除，使得互連121可以與罩130物理地且電地耦合。[〇〇72]接著，在步驟403中，第二金屬層511沉積到第一金屬層501上，并且同樣覆蓋第一金屬層501，例如，如圖5B和圖6B中示意性地示出的。在一些實(shí)施例中，第二金屬層511可以是例如鋁銅(“AlCu”)。[〇〇73]該方法隨后在步驟404中將第二金屬層511圖案化，以在一個(gè)或多個(gè)地點(diǎn)暴露第一金屬層501，如圖?和圖6D中示意性地示出的。如圖所示，壁(例如，壁140,141，142)和互連 121已經(jīng)在該階段至少部分地形成。[〇〇74]在一些實(shí)施例中，如圖示意性示出的，第二金屬層511圖案化而暴露第一金屬層 501從而形成隨后形成互連腔室121的部分的空隙520,以及留下隨后將是互連121的部分的結(jié)構(gòu)521。[〇〇75]在其它實(shí)施例中，如圖6D中示意性示出的，第二金屬層5112類似地圖案化以暴露第一金屬層501從而形成隨后將形成互連腔室121的部分的空隙520,以及留下隨后將是互連121的部分的結(jié)構(gòu)521。然而，步驟403也可以將第二金屬511層圖案化從而在晶片130的一個(gè)或兩個(gè)端部133留下空間530。一個(gè)或多個(gè)空間530構(gòu)造為接受玻璃熔塊或其它結(jié)合劑以將罩130與基板101結(jié)合，和/或接受焊球202,例如，如圖2B和圖2C中示意性地示出。[〇〇76] 在步驟405中，方法400將第一金屬層501圖案化以通過(guò)圖案化的第二金屬層511暴露罩130的表面130A，如圖5E示意性地示出的，和/或暴露罩130的端部133,如圖6E中示意性地示出的。罩130的暴露部分130B可以稱為罩表面130A的“裸露”部分。圖5E和圖6E兩者展現(xiàn)出，通過(guò)步驟405,互連121已經(jīng)完全形成為罩130的一體部分。[〇〇77] 在步驟406中，方法400第二次圖案化第二金屬層511，以暴露第一金屬層，如圖5F 和圖6F所示意性地示出的。可選地，在步驟406中描述的圖案化可以執(zhí)行為步驟404的部分。 圖5F和圖6F展現(xiàn)出，在步驟406之后，屏蔽層132在圖5F的隔離壁141和142環(huán)繞的區(qū)域中以及通過(guò)圖6F中的隔離壁140來(lái)覆蓋罩130的整個(gè)表面130A。事實(shí)上，在兩個(gè)實(shí)施例中，屏蔽層 132和隔離壁(140; 141和142)—體地互連。事實(shí)上，屏蔽層132和隔離壁(140; 141和142)可以共用共同的金屬層501。因此，將防止任何來(lái)自罩130的除氣進(jìn)入MEMS腔室110,因?yàn)槠帘螌?32不能透過(guò)這些除氣的成分并且充當(dāng)屏障。[〇〇78] 一些實(shí)施例可以批處理方式制作設(shè)備，諸如通過(guò)在單個(gè)晶片上做出多個(gè)設(shè)備。在這些實(shí)施例中，晶片可以在步驟407中被鋸、切割或切塊以將單個(gè)設(shè)備(例如，100，170，200， 250等)與晶片分離。例如，在一些實(shí)施例中，每個(gè)單個(gè)的設(shè)備是不物理地連接到來(lái)自其晶片的任何其它設(shè)備的裸片，并且每個(gè)設(shè)備具有單個(gè)罩130和單個(gè)MEMS基板110,以及僅兩個(gè)腔室110和120。[〇〇79]如圖5F中示意性地示出的，第二金屬層511的圖案化形成了隔離壁141和142的部分(例如，參見(jiàn)圖1D，圖1E)，露出的第一金屬層511形成了屏蔽層132,如上所述。
[0080]在優(yōu)選的實(shí)施例中，第二金屬層511被圖案化而使得隔離壁141，142在平行于罩 130的表面130A的表面上至少寬5微米。如圖6F中示意性地示出的，第二金屬層511的圖案化形成了隔離壁140的具有在平行于罩130的表面130A的表面中至少寬5微米的表面的部分。
[0081]上述的罩式傳感器的各個(gè)實(shí)施例可在多種應(yīng)用中使用。例如，傳感器200可以與基板702耦合，諸如例如印刷電路板，并且因此可以與諸如無(wú)源器件(例如，703)和集成電路 (例如，701)的其它電氣元件電互連，全部如例如圖7A中的組件700中示意性地圖示的。雖然圖7A的實(shí)施例示意性地圖示出與基板702耦合的設(shè)備200,本文所描述的任意實(shí)施例(例如， 設(shè)備100,設(shè)備150,設(shè)備170)可以類似地使用。例如，圖7B示意性地示出了與基板702耦合的傳感器250。如圖所示，基板702的長(zhǎng)度710比罩130的長(zhǎng)度136長(zhǎng)很多。例如，在一些實(shí)施例中，基板702的長(zhǎng)度710是罩130的長(zhǎng)度136的至少2或3倍。
[0082]上述本發(fā)明的實(shí)施例僅意在為示范性的;若干變型例和改進(jìn)方案對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見(jiàn)的。全部這樣的變型例和改進(jìn)方案旨在如任何隨附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.罩式微機(jī)械設(shè)備，包括:基板，其包括從所述基板懸置的MEMS結(jié)構(gòu)，以及與所述MEMS結(jié)構(gòu)耦合的至少第一電導(dǎo) 體；半導(dǎo)體罩，其與所述基板平行地懸置并且與所述基板隔開(kāi)封罩間隙，所述罩包括至少 第二電導(dǎo)體；第一隔離壁，其布置在所述基板與所述罩之間且跨越所述封罩間隙，所述第一隔離壁 和所述基板限定了MEMS室，所述MEMS室封閉所述MEMS結(jié)構(gòu)，使得所述MEMS結(jié)構(gòu)能夠在所述 MHMS室內(nèi)移動(dòng)；屏蔽層，其布置在所述罩的面的區(qū)域與所述MEMS室之間，所述罩的所述面的所述區(qū)域 是所述罩的所述面的與所述MEMS室正相對(duì)的部分，并且構(gòu)造為提供所述罩的所述面的所述 區(qū)域與所述MEMS室之間的完全除氣屏障；第二隔離壁，其布置在所述基板與所述罩之間且跨越所述封罩間隙，所述第二隔離壁、 所述基板和所述罩限定互連室，所述互連室被氣密地密封且氣密地隔離于所述MEMS室；以 及互連結(jié)構(gòu)，其布置在所述互連室內(nèi)并且跨越所述封罩間隙，所述互連結(jié)構(gòu)將所述第一 電導(dǎo)體與所述第二電導(dǎo)體電耦合，使得所述MEMS室氣密地隔離于所述互連室，并且所述MEMS結(jié)構(gòu)與所述第二電導(dǎo)體電耦合。2.如權(quán)利要求1所述的罩式微機(jī)械設(shè)備，其中所述罩包括包含多個(gè)有源半導(dǎo)體器件的 集成電路。3.如權(quán)利要求1所述的罩式微機(jī)械設(shè)備，其中所述MEMS結(jié)構(gòu)包括加速度計(jì)梁、陀螺儀結(jié) 構(gòu)和開(kāi)關(guān)臂中的一個(gè)。4.如權(quán)利要求1所述的罩式微機(jī)械設(shè)備，其中所述第二隔離壁包括焊環(huán)或玻璃熔塊中 的一個(gè)。5.如權(quán)利要求1所述的罩式微機(jī)械設(shè)備，其中所述第一隔離壁和所述第二隔離壁中的 每一個(gè)均包括金屬密封圈。6.如權(quán)利要求1所述的罩式微機(jī)械設(shè)備，其中所述MEMS室鄰近所述互連室。7.如權(quán)利要求1所述的罩式微機(jī)械設(shè)備，其中所述MEMS室由所述互連室包圍。8.如權(quán)利要求1所述的罩式微機(jī)械設(shè)備，其中所述MEMS室和所述互連室兩者封閉等同 的初始內(nèi)部環(huán)境。9.如權(quán)利要求1所述的罩式微機(jī)械設(shè)備，其中所述罩是配置為處理來(lái)自所述MEMS結(jié)構(gòu) 的輸出信號(hào)的集成電路。10.如權(quán)利要求1所述的罩式微機(jī)械設(shè)備，其中所述屏蔽層包括氮化鈦和鈦與氮化鈦組 合層疊中的一個(gè)并且一體地耦合到所述第一隔離壁，并且被偏置到固定電位。11.制作罩式微機(jī)械設(shè)備的方法，包括:提供基板，所述基板包括從所述基板懸置的MEMS結(jié)構(gòu)，以及與所述MEMS結(jié)構(gòu)耦合的至 少第一電導(dǎo)體；提供半導(dǎo)體罩，所述罩包括至少第二電導(dǎo)體以及在所述罩的面上的屏蔽層；提供第一隔離壁，所述第一隔離壁構(gòu)造為在所述基板與所述罩之間延伸；提供第二隔離壁，所述第二隔離壁構(gòu)造為在所述基板與所述罩之間延伸；提供互連結(jié)構(gòu)，所述互連結(jié)構(gòu)構(gòu)造為在所述基板與所述罩之間延伸；將所述罩與所述基板耦合而使得所述第一隔離壁、所述第二隔離壁和所述互連結(jié)構(gòu)跨 越所述罩與所述基板之間的封罩間隙，并且使得:所述罩和所述第一隔離壁限定MEMS室，所述MEMS室封閉所述MEMS結(jié)構(gòu)，使得所述MEMS 結(jié)構(gòu)能夠在所述MEMS室內(nèi)移動(dòng)，所述屏蔽層布置成提供所述罩的面與所述MEMS室之間的完 全屏障，以及所述罩和所述第二隔離壁限定互連室，所述互連室被氣密地密封且氣密地隔離于所述 MEMS室，所述互連結(jié)構(gòu)布置在所述互連室內(nèi)并且將所述第一電導(dǎo)體與所述第二電導(dǎo)體電耦 合，使得所述MEMS室氣密地隔離于所述互連室，并且所述MEMS結(jié)構(gòu)與所述第二電導(dǎo)體電耦合。12.如權(quán)利要求11所述的罩式微機(jī)械設(shè)備，其中所述罩包括包含多個(gè)有源半導(dǎo)體器件 的集成電路。13.如權(quán)利要求11所述的罩式微機(jī)械設(shè)備，其中所述第二隔離壁包括焊環(huán)或玻璃熔塊 中的一個(gè)。14.如權(quán)利要求11所述的罩式微機(jī)械設(shè)備，其中所述第一隔離壁和所述第二隔離壁中 的每一個(gè)均包括金屬密封圈。15.如權(quán)利要求11所述的罩式微機(jī)械設(shè)備，其中所述罩是配置為處理來(lái)自所述MEMS結(jié) 構(gòu)的輸出信號(hào)的集成電路。16.如權(quán)利要求11所述的罩式微機(jī)械設(shè)備，其中所述屏蔽層包括氮化鈦和鈦與氮化鈦 組合層疊中的一個(gè)。17.罩式微機(jī)械設(shè)備，包括:基板，其包括從所述基板懸置的MEMS結(jié)構(gòu)，以及與所述MEMS結(jié)構(gòu)耦合的至少第一電導(dǎo) 體；半導(dǎo)體罩，其與所述基板平行地懸置并且與所述基板隔開(kāi)封罩間隙，所述罩包括至少 第二電導(dǎo)體；第一隔離壁，其布置在所述基板與所述罩之間且跨越所述封罩間隙，所述第一隔離壁 和所述基板限定了MEMS室，所述MEMS室封閉所述MEMS結(jié)構(gòu)，使得所述MEMS結(jié)構(gòu)能夠在所述 MEMS室內(nèi)移動(dòng)；以及屏蔽層，其布置在所述罩的面的區(qū)域與所述MEMS室之間，所述罩的所述面的所述區(qū)域 是所述罩的所述面的與所述MEMS室正相對(duì)的部分，并且構(gòu)造為提供所述罩的所述面的所述 區(qū)域與所述MEMS室之間的完全除氣屏障；使得所述MEMS室氣密地隔離于所述半導(dǎo)體罩。18.如權(quán)利要求17所述的罩式微機(jī)械設(shè)備，其中所述屏蔽層包括氮化鈦、鈦與氮化鈦組 合層疊、鎢、鈦鎢和金屬硅化物中的一個(gè)。19.如權(quán)利要求17所述的罩式微機(jī)械設(shè)備，其中所述罩包括包含多個(gè)有源半導(dǎo)體器件 的集成電路。20.如權(quán)利要求19所述的罩式微機(jī)械設(shè)備，其中所述罩包括配置為處理來(lái)自所述MEMS結(jié)構(gòu)的輸出信號(hào)的集成電路。
【文檔編號(hào)】B81B7/00GK105980292SQ201480058060
【公開(kāi)日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2014年10月20日
【發(fā)明人】陳立, T·K·努南, 楊光隆
【申請(qǐng)人】美國(guó)亞德諾半導(dǎo)體公司