一种微机械结构释放窗口的封口结构及其制备方法与流程

1.本发明涉及mems(微电子机械系统)封口工艺领域，特别涉及一种微机械结构释放窗口的封口结构及其制备方法。

背景技术：

2.mems(微电子机械系统)加工工艺中，许多mems结构牺牲层释放后，需要将结构层上的释放窗口进行封口处理，以实现表面完整的薄膜，形成恒压的释放腔体。
3.现有技术中，封口方式通常为单层材料通过pecvd、lpcvd等方式直接封口。如果需要较高的腔体真空度，用pecvd难以达成，用lpcvd可以达成较高的真空度，但是单独沉积lpcvd材料，在封口的同时，腔体内部所有表面也会覆盖一层lpcvd材料，限制了腔体的小尺寸设计，比如小尺寸的腔体很有可能在沉积lpcvd封口材料时，整个腔体都长满lpcvd材料，导致腔体被填满，腔体结构失效。

技术实现要素：

4.本发明的目的在于，对结构层上的释放窗口进行封口处理，解决带有释放窗口的薄膜表面不完整或者导致腔体内部被填满的问题，提供一种微机械结构释放窗口的封口结构及其制备方法。
5.为解决上述技术问题，本发明提出了一种微机械结构释放窗口的封口结构，其特征在于，所述封口结构包括封体结构和保护结构1；
6.所述封体结构，包括封帽2和封体3；所述封体3用于填充释放窗口4；所述封帽2呈柱体形状或台体形状，用于完全盖住释放窗口4；
7.所述保护结构1，设置在所述封体结构的外侧，用于完全包裹住封体结构。
8.作为上述技术方案的改进之一，所述封帽2呈台体形状时，其远离封体3的部分窄，靠近封体3的部分宽。
9.作为上述技术方案的改进之一，所述封体3，呈柱体形状或台体形状；所述柱体形状包括：圆柱和棱柱；所述台体形状包括：圆台和棱台。
10.作为上述技术方案的改进之一，所述封体3呈台体形状时，其远离封帽2的部分窄，靠近封帽2的部分宽。
11.作为上述技术方案的改进之一，所述封体结构为单一材料或多种材料的复合膜层。作为上述技术方案的改进之一，所述封体结构为多种材料的复合膜层时，其中紧贴释放窗口膜层的材料为氧化硅。
12.本发明提出了一种上述之一所述微机械结构释放窗口的封口结构的制备方法，包括以下步骤：
13.a)沉积封体结构的薄膜材料，并利用干法刻蚀工艺去除释放窗口以外的薄膜材料；
14.b)沉积保护结构的薄膜材料，并利用干法刻蚀工艺去除释放窗口以外的薄膜材
料。
15.作为上述技术方案的改进之一，所述步骤a)中封体结构材料为氮化硅、多晶硅或非晶硅，或者为氧化硅、氮化硅、多晶硅、非晶硅中任意两种或者多种的复合膜层。
16.作为上述技术方案的改进之一，所述封体结构材料为氧化硅或氮化硅时，沉积方式为化学气相沉积cvd；所述cvd包括低压化学气相沉积lpcvd、常压化学气相沉积apcvd或等离子增强化学气相沉积pecvd；所述封口结构材料为多晶硅或非晶硅时，沉积方式为lpcvd。
17.作为上述技术方案的改进之一，所述步骤b)中保护结构的材料为硅的氮化物、多晶硅或非晶硅，其沉积方式为lpcvd。
18.本发明提出了一种释放窗口封口方式以及制作工艺，这种封口结构可以实现结构表面完整的薄膜、良好的密封性，从而形成较为稳定的恒压腔体，特别是高真空低压腔体。
19.本发明的技术效果：
20.1、封口结构可以改善微机械结构的完整性，实现表面完整的薄膜；
21.2、封口实现释放腔体恒压封闭，特别是高真空低压封闭效果，以实现特定器件功能；
22.3、封口薄膜生长方式及组合灵活多样，实现恒压腔体的同时，具备封口结构强度可靠的优点；
23.4、封口结构外围包裹保护材料，可以在后续加工工艺或者实际使用环境下，避免封口结构被腐蚀损坏，进而影响甚至破坏腔体恒压氛围。
附图说明
24.图1为本发明提出的封口结构截面示意图；
25.图2为微机械结构中释放窗口的截面示意图；
26.图3为本发明的封体结构截面示意图，其中，图3(a)的封体结构为单种薄膜材料，图3(b)的封体结构为复合薄膜材料；
27.图4为本发明的封体为台体形状的截面示意图，其中，图4(a)的封体结构为单种薄膜材料，图4(b)的封体结构为复合薄膜材料；
28.图5为本发明的封体为柱体形状的截面示意图，其中，图5(a)的封体结构为单种薄膜材料，图5(b)的封体结构为复合薄膜材料；
29.图6为本发明的封帽为台体形状的截面示意图。
30.附图标识
31.1、保护结构2、封帽3、封体4、释放窗口
具体实施方式
32.以下结合实施例进一步说明本发明所提供的技术方案。
33.如图1所示，为本发明提出的封口结构截面示意图；所述封口结构包括封体结构和保护结构1；所述封体结构包括封帽2和封体3；所述封体3用于填充释放窗口4；所述封帽2呈柱体形状或台体形状，用于完全盖住释放窗口4；所述保护结构1，设置在所述封体结构的外侧，用于完全包裹住封体结构。
34.所述封体3，呈柱体形状或台体形状；所述柱体形状包括：圆柱和棱柱；所述台体形状包括：圆台和棱台。当所述封体3呈台体形状时，其远离封帽的部分窄，靠近封帽的部分宽。
35.如图5所示，为本发明的封体为柱体形状的截面示意图，其中，图5(a)的封体结构为单种薄膜材料，图5(b)的封体结构为复合薄膜材料。
36.本发明提出：mems结构完成牺牲层释放刻蚀后，沉积封口薄膜材料对释放窗口进行封口处理，利用干法刻蚀工艺去除释放窗口以外的薄膜材料，继续沉积封口结构保护材料，加强封口结构外部边缘保护，利用干法刻蚀工艺去除释放窗口以外的薄膜材料。通过对封口薄膜材料的分步生长、不同生长方式pecvd和lpcvd的灵活组合，再搭配合适的图形化，达成释放窗口封口形成恒压腔体，特别是低压高真空腔体同时增强腔体密封性的效果。
37.本发明提出的微机械结构释放窗口的封口结构的实施关键制程和顺序包括如下步骤：
38.a)沉积牺牲层；
39.b)沉积结构层，在结构层上刻蚀形成释放窗口4；
40.c)牺牲层释放刻蚀，形成释放空腔，如图2所示；
41.d)沉积封口薄膜材料得到封体结构，对释放窗口进行封口处理，利用干法刻蚀工艺去除释放窗口以外的薄膜材料，如图3所示，其中，图3(a)的封体结构为单种薄膜材料，图3(b)的封体结构为复合薄膜材料；
42.e)沉积封口结构保护薄膜材料得到保护结构1，加强封口外部边缘保护，利用干法刻蚀工艺去除释放窗口以外的薄膜材料，形成密封恒压腔体，如图4所示，其中，图4(a)的封体结构为单种薄膜材料，图4(b)的封体结构为复合薄膜材料；
43.优选的，牺牲层材料为氧化硅、磷硅玻璃、硼硅玻璃、硼磷硅玻璃类材料或由至少其中两种随机堆叠的复合材料；
44.优选的，结构层为多晶硅、单晶硅、非晶硅、氮化硅材料中的一种或多种材料构成的复合层；
45.优选的，步骤c)中牺牲层释放刻蚀工艺为缓冲氧化物刻蚀液boe湿法刻蚀或者气相vapor-phase hf刻蚀；
46.优选的，步骤d)中封口薄膜材料为氮化硅、多晶硅、非晶硅中的一种，或者氧化硅、氮化硅、多晶硅、非晶硅中任意两种或者多种的复合层，氧化硅、氮化硅为采用lpcvd、apcvd、pecvd沉积，多晶硅、非晶硅为采用lpcvd沉积；当封口结构为多种复合膜层材料时，各膜层材料分次沉积，如果复合层包含氧化层，氧化层第一层沉积，后续的氮化硅、多晶硅、非晶硅的沉积次序不限。
47.优选的，步骤e)中封口结构保护材料为硅的氮化物材料、多晶硅、非晶硅材料，其生长方式为低压力化学气相沉积(lpcvd)。
48.对于柱体或台体形状的制备，在刻蚀时，相应的将需要刻蚀的部分进行直角或者斜角刻蚀即可；如图6所示，为本发明的封帽为台体形状的截面示意图。对于台体形状的封帽，相比于柱体形状的封帽，更有利于后续层次覆盖效果，从而使保护结构起到更好的保护效果。
49.实际制备过程中，有少量封体结构的材料沉积到腔体中，但并不会堆起来使腔体
上层和下层粘在一起，故可忽略。
50.本发明最典型的案例为沉积两层材料，一层为通过pecvd方式沉积的氧化硅，一层为通过lpcvd方式沉积的氮化硅，并且尽量使通过pecvd沉积的氧化硅多、膜层厚，但注意不能把开口封住；完全封口时由lpcvd方式实现，使用lpcvd方式进行封口时能够实现更低的腔体真空度。
51.本发明关键亮点在于将pecvd和lpcvd组合使用，首先pecvd将开口封住一部分，剩余很小的口用lpcvd封，lpcvd能实现更低的腔体真空度，pecvd后很小的孔再用lpcvd封时，只要沉积很薄的一层lpcvd材料即可，这样腔体内壁的lpcvd也会很薄，兼顾小尺寸腔体设计。
52.从上述对本发明的具体描述可以看出，本发明提供的封口结构可以改善微机械结构的完整性，实现表面完整的薄膜；封口结构外围包裹保护材料，可以在后续加工工艺或者实际使用环境下，避免封口结构被腐蚀损坏或是封口材料随时间与环境影响老化后进而影响甚至破坏腔体恒压氛围。
53.最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：

1.一种微机械结构释放窗口的封口结构，其特征在于，所述封口结构包括封体结构和保护结构(1)；所述封体结构，包括封帽(2)和封体(3)；所述封体(3)，用于填充释放窗口(4)；所述封帽(2)呈柱体形状或台体形状，用于完全盖住释放窗口(4)；所述保护结构(1)，设置在所述封体结构的外侧，用于完全包裹住封体结构。2.根据权利要求1所述的微机械结构释放窗口的封口结构，其特征在于，所述封帽(2)呈台体形状时，其远离封体(3)的部分窄，靠近封体(3)的部分宽。3.根据权利要求1所述的微机械结构释放窗口的封口结构，其特征在于，所述封体(3)呈柱体形状或台体形状；所述柱体形状包括：圆柱和棱柱；所述台体形状包括：圆台和棱台。4.根据权利要求3所述的微机械结构释放窗口的封口结构，其特征在于，所述封体(3)呈台体形状时，其远离封帽(2)的部分窄，靠近封帽(2)的部分宽。5.根据权利要求1所述的微机械结构释放窗口的封口结构，其特征在于，所述封体结构为单一材料或多种材料的复合膜层。6.根据权利要求5所述的微机械结构释放窗口的封口结构，其特征在于，所述封体结构为多种材料的复合膜层时，其中紧贴释放窗口膜层的材料为氧化硅。7.一种权利要求1所述的微机械结构释放窗口的封口结构的制备方法，包括以下步骤：a)沉积封体结构的薄膜材料，并利用干法刻蚀工艺去除释放窗口以外的薄膜材料；b)沉积保护结构的薄膜材料，并利用干法刻蚀工艺去除释放窗口以外的薄膜材料。8.根据权利要求7所述的微机械结构释放窗口的封口结构的制备方法，其特征在于，所述步骤a)中封体结构材料为氮化硅、多晶硅或非晶硅，或者为氧化硅、氮化硅、多晶硅、非晶硅中任意两种或者多种的复合膜层。9.根据权利要求8所述的微机械结构释放窗口的封口结构的制备方法，其特征在于，所述封体结构材料为氧化硅或氮化硅时，沉积方式为化学气相沉积cvd；所述cvd包括：低压化学气相沉积lpcvd、常压化学气相沉积apcvd或等离子增强化学气相沉积pecvd；所述封口结构材料为多晶硅或非晶硅时，沉积方式为lpcvd。10.根据权利要求7所述的微机械结构释放窗口的封口结构的制备方法，其特征在于，所述步骤b)中保护结构的材料为硅的氮化物、多晶硅或非晶硅，其沉积方式为lpcvd。

技术总结

本发明涉及一种微机械结构释放窗口的封口结构及其制备方法。所述封口结构包括封体结构和保护结构；封体结构包括封帽和封体，封体用于填充释放窗口，封帽呈柱形，用于完全盖住释放窗口；保护结构设置在封体结构的外侧，用于完全包裹住封体结构。封口结构的制备步骤包括：沉积封体结构材料，对释放窗口进行封口处理，利用干法刻蚀工艺去除释放窗口以外的封体薄膜材料；沉积保护结构材料，加强封口外部边缘保护，利用干法刻蚀工艺去除释放窗口以外的保护结构薄膜材料，形成密封恒压腔体。本发明可以改善微机械结构的完整性，实现表面完整的薄膜；保护结构可以避免封口结构被腐蚀损坏或封口结构随时间与环境影响老化后导致有泄漏影响密封腔体恒压。影响密封腔体恒压。影响密封腔体恒压。