[发明专利]具有梁结构的压电MEMS硅谐振器及其形成方法、电子设备

说明书

本发明提出具有梁结构的压电MEMS硅谐振器及其形成方法，以及一种电子设备。该形成方法包括：提供带下空腔的SOI硅片作为衬底，下空腔的上方具有器件硅层；依次形成下电极、压电层和上电极；刻蚀器件硅层以形成梁结构；在当前半导体结构上形成牺牲层；在牺牲层之上生长封装材料以形成薄膜封装层，然后在薄膜封装层中的梁结构区域上方位置刻蚀通孔；去除梁结构的振动区上方的牺牲层以形成上空腔，并且保留梁结构的固定端上方的牺牲层；再次生长封装材料以封闭通孔；形成贯穿薄膜封装层以及被保留的牺牲层的电连接通孔；在电连接通孔中形成电极连接。该形成方法制得的压电MEMS硅谐振器可长期保持器件高真空度，实现谐振器高的品质因数以及长期稳定性。

技术领域

本发明涉及谐振器技术领域，具体涉及一种压电MEMS硅谐振器及其形成方法，以及一种电子设备。

背景技术

谐振器利用了谐振频率可以被被测物理量改变的现象，具有重复性高、分辨率高、灵敏度高等优点。高品质因数的微机电系统(MEMS，Micro-Electro-Mechanical System)谐振器已广泛应用于传感器、振荡器和执行器中，以获得较高的机械灵敏度。

MEMS工艺中器件的真空封装是整个工艺过程中的难点，通过封装形成一个稳定的真空环境，对于MEMS器件的可靠性和高品质因数是至关重要的。封装的质量决定着整个器件的质量和使用寿命，良好的封装能够使器件在后续工艺中和在器件使用过程中避免潜在污染物(如灰尘颗粒、水蒸气、气体分子)对真空度的破坏。因此能够长期维持MEMS器件真空度的封装技术是实现MEMS器件商业产品化的主要障碍。

目前，最常用的MEMS器件封装方法是在MEMS器件上键合帽的方法。在MEMS器件上键合帽的工艺可以通过多种方法来实现，主要包括玻璃与硅的阳极键合、玻璃与硅热压键合以及硅与硅通过中间金层的键合。作为中间层的键合材料，磷硅酸盐玻璃(PSG)或玻璃粉，已被用于将玻璃键合到硅上，由于键合材料的应用可以在键合过程中将更多的拓扑结构覆盖。为了进一步提高键合的质量，可以在键合区域局部加热，优点包括：可以更好地控制键合温度和可以在键合区域获得比器件更高的温度，减轻对整个器件中温度敏感材料的热预算的担忧。采用多晶硅和金作为微加热器的局部加热技术的键合工艺已经被用于MEMS生产中。此外，吸气剂有时也被用于控制空腔内的压力，减少由于键合层和器件材料释放气体带来的影响。

尽管技术人员不断提高键合封装的质量，但由于键合界面层的致密度无法达到和硅基底致密度一样的量级，因而仍然不能在器件长期使用中完全避免键合层的漏气。另外，键合材料也会存在一定的释放气体的现象，即使存在吸气剂也无法完全解决气体释放问题。因此，采用现有封装工艺的器件在封装后内部不能有效保持真空度，这一难题依然是MEMS谐振器等需要在真空下工作的器件的瓶颈。由于现有技术谐振腔内真空度随着时间延长而降低使谐振器阻尼升高，谐振器的品质因数很难保持长期稳定性。因此，亟需开发出可靠的封装技术，实现长期有效地维持谐振腔内的高真空度，以提高谐振式传感器品质因数以及使用寿命。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种低成本、高品质因数、高稳定性的具有梁结构的压电MEMS硅谐振器及其形成方法，以及包括该具有梁结构的压电MEMS硅谐振器的电子设备。

本发明第一方面一种具有梁结构的压电MEMS硅谐振器的形成方法，包括：提供带下空腔的SOI硅片作为衬底，所述带下空腔的SOI硅片中所述下空腔的上方具有器件硅层；在所述衬底之上依次形成下电极、压电层和上电极；刻蚀所述器件硅层以形成所述梁结构，其中所述器件硅层作为所述梁结构的从动层；在当前半导体结构上形成牺牲层，所述牺牲层完全覆盖所述当前半导体结构；在所述牺牲层之上生长封装材料以形成薄膜封装层，然后在所述薄膜封装层中的所述梁结构区域上方位置刻蚀通孔；去除所述梁结构的振动区上方的所述牺牲层以形成上空腔，并且保留所述梁结构的固定端上方的所述牺牲层；再次生长所述封装材料以封闭所述通孔；形成贯穿所述薄膜封装层以及被保留的所述牺牲层的电连接通孔；在所述电连接通孔中形成电极连接。