一种双面MEMS器件及其加工工艺

技术领域

本发明涉及MEMS器件技术领域，尤其涉及一种双面MEMS器件及其加工工艺。

背景技术

微机电系统(MEMS,Micro-Electro-Mechanical System)，也叫做微电子机械系统、微系统、微机械等，指尺寸在几毫米乃至更小的高科技装置。微机电系统其内部结构一般在微米甚至纳米量级，是一个独立的智能系统。微机电系统是在微电子技术(半导体制造技术)基础上发展起来的，融合了光刻、腐蚀、薄膜、LIGA、硅微加工、非硅微加工和精密机械加工等技术制作的高科技电子机械器件。微机电系统是集微传感器、微执行器、微机械结构、微电源微能源、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信等于一体的微型器件或系统。MEMS是一项革命性的新技术，广泛应用于高新技术产业，是一项关系到国家的科技发展、经济繁荣和国防安全的关键技术。

双面设置压电层结构的MEMS器件性能显著提高，但是由于MEMS器件的一侧是与基底键合的，故导致与基底键合的一面的压电层结构引线不方便。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的以上问题，提供一种双面MEMS器件及其加工工艺，该双面MEMS器件及其加工工艺可以解决与基底键合的一面的压电层结构引线不方便的问题。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

本发明提供一种双面MEMS器件，所述双面MEMS器件包括：

两侧分别设有第一振膜和第二振膜的结构层；

隔离层，设置于所述第二振膜上远离所述结构层的一侧，用于覆盖所述第二振膜，且所述隔离层上设置有开口；

第五金属层，覆盖所述隔离层，且所述第五金属层通过所述开口与所述第二振膜电性连通；

第一通孔，设置于所述结构层上，且所述第一通孔由所述结构层的一侧贯穿至所述结构层的另一侧，且允许所述第二振膜上靠近所述结构层的一侧裸露；以及

第二通孔，设置于所述结构层上，且所述第二通孔由所述结构层的一侧贯穿至所述结构层的另一侧，且允许所述第五金属层的一侧裸露。

在本发明的一个实施例中，所述第一振膜包括：

第一金属层，设置于所述结构层的一侧；

第一压电层，设置于所述第一金属层上且远离所述结构层的一侧；以及

第二金属层，设置于所述第一压电层上，且所述第二金属层位于所述第一压电层上远离所述第一金属层的一侧。

在本发明的一个实施例中，所述第二振膜包括：

第三金属层，设置于所述结构层的另一侧；

第二压电层，设置于所述第三金属层上且远离所述结构层的一侧；以及

第四金属层，设置于所述第二压电层上，且所述第四金属层位于所述第二压电层上远离所述第三金属层的一侧。

在本发明的一个实施例中，所述双面MEMS器件还包括基底，所述基底键合于所述结构层上，且所述基底包裹所述第五金属层。

在本发明的一个实施例中，所述双面MEMS器件还包括第一电极片，所述第一电极片设置于所述第一金属层上，且所述第一电极片位于所述第一压电层的一侧。

在本发明的一个实施例中，所述双面MEMS器件还包括第二电极片，所述第二电极片设置于所述第二金属层上。

在本发明的一个实施例中，所述双面MEMS器件还包括第三电极片，所述第三电极片覆盖所述第一通孔。

在本发明的一个实施例中，所述双面MEMS器件还包括第四电极片，所述第四电极片覆盖所述第二通孔。

本发明还提供一种双面MEMS器件的加工工艺，包括如下步骤：

取样片；

在所述样片上刻蚀所述第一振膜和所述第二振膜；

在所述第二振膜上生长所述隔离层；

生长所述第五金属层并且刻蚀所述第五金属层，使所述第五金属层与所述第四金属层电性导通；

键合所述基底，将所述基底键合于所述结构层上；

在所述结构层上刻蚀所述第一通孔和所述第二通孔，并且在所述第一通孔和所述第二通孔中电镀金属，将所述第三金属层和所述第四金属层的信号引出；以及

生长所述第一电极片、所述第二电极片、所述第三电极片和所述第四电极片并且刻蚀所述第一电极片、所述第二电极片、所述第三电极片和所述第四电极片。

综上所述，本发明提供一种双面MEMS器件及其加工工艺，该双面MEMS器件及其加工工艺通过在第四金属层上设置隔离层，在隔离层上设置第五金属层，将第四金属层与第五金属层电性连通，隔离层可以避免第五金属层与第三金属层导通造成短路，向第一通孔和第二通孔内电镀金属，将第三金属层和第四金属层的信号引出至第三电极片和第四电极片,可以解决与基底键合的一面的压电层结构引线不方便的问题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的整体结构爆炸图；

图3是本发明的纵向剖视图；

图4是本发明第一振膜的结构示意图；

图5是本发明第二振膜的结构示意图；

图6是本发明隔离层的结构示意图；

图7是本发明第五金属层的结构示意图；

图8是本发明中腔体为深腔的基底结构示意图；

图9-1至图9-7是本发明双面MEMS器件的加工工艺流程图。

图中标号说明：1-基底、2-第二缓冲层、3-结构层、4-第一金属层、5-第一压电层、6-第二金属层、7-第一振膜、8-第三电极片、9-第四电极片、10-第一缓冲层、11-第五金属层、12-第三金属层、13-第四金属层、14-第二压电层、15-第二振膜、16-隔离层、17-第二电极片、18-第一电极片、19-第二通孔、20-第一通孔、21-腔体、22-开口、23-第一过渡层、24-第二过渡层。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。

请参阅图1至图4，本发明提供一种双面MEMS器件，该双面MEMS器件包括两侧分别设有第一振膜7和第二振膜15的结构层3。第一振膜7设置于结构层3上，且第一振膜7位于结构层3的一侧。结构层3上还可以设置有第一过渡层23和第二过渡层24，第一过渡层23设置于结构层3与第一振膜7之间，第二过渡层24设置于结构层3与第二振膜15之间。具体的，第一振膜7包括第一金属层4、第一压电层5和第二金属层6，第一金属层4设置于结构层3的一侧，且第一金属层4的横向截面积小于结构层3的横向截面积。第一压电层5设置于第一金属层4的一侧，且第一压电层5的横向截面积小于第一金属层4的横向截面积，使第一金属层4有一部分裸露出来，便于引出第一金属层4的信号。本申请对第一压电层5的材料不加以限定，在本发明的一个实施例中，第一压电层5的材料可以为氮化铝，也可以为掺钪氮化铝，还可以为锆钛酸铅。第二金属层6设置于第一压电层5上。第一金属层4和第二金属层6的材料可以为钼或铂或金，然不限于此。第一金属层4和第二金属层6的厚度可以为几十至几百纳米。根据第一压电层5的材料，在第一金属层4和第一压电层5之间可以设置有第一缓冲层10，也可以不设置第一缓冲层10。

请参阅图1至图5，在本发明的一个实施例中，第二振膜15设置于解雇层3上，且第二振膜15位于结构层3的另一侧。第二振膜15包括第三金属层12、第二压电层14和第四金属层13，第三金属层12设置于结构层3的另一侧。第二压电层14设置于第三金属层12上，且第二压电层14位于第三金属层12上远离结构层3的一侧。第二压电层14的材料可以为铌酸锂，也可以为铌酸钾钠，还可以为氧化锌，然不限于此。第四金属层13设置于第二压电层14上，且第四金属层13位于第二压电层14远离第三金属层12的一侧。第三金属层12和第四金属层13的材料可以为钛或铂或金，然不限于此。根据第二压电层14的材料，在第三金属层12和第二压电层14之间可以设置有第二缓冲层2，也可以不设置第二缓冲层2。第一缓冲层10和第二缓冲层2可为压电材料的生长提供缓冲和指向性晶向，第一缓冲层10和第二缓冲层2的材料可以为氧化锆或氧化铅或钌酸锶或铌酸镧或锰酸镧或氮化铝，然不限于此。本申请对第一过渡层23和第二过渡层24的具体结构不加以限定，在本发明的一个实施例中，第一过渡层23和第二过渡层24可以包括粘附层，可增强层间的粘附性，粘附层的材料可以为二氧化硅，也可以为氧化钛，还可以为金属钛，然不限于此。第一过渡层23和第二过渡层24还可以包括应力层，可调控晶圆内应力，应力层的材料可以为氧化硅或氮化硅或金属铝，然不限于此。粘附层、应力层的厚度可以为几十纳米到几微米。

请参阅图1至图6，在本发明的一个实施例中，该双面MEMS器件还包括隔离层16和第五金属层11，隔离层16设置于第二振膜15上远离结构层3的一侧，用于覆盖第二振膜15，且隔离层16上设置有开口22。本申请对开口22的形状不加以限定，在本发明的一个实施例中，开口22可以为圆形，也可以为方形，还可以为其他不规则的形状。具体的，隔离层16设置于第四金属层13上远离第二压电层14的一侧，且隔离层16覆盖第三金属层12。隔离层16的端部呈斜坡设置，且延伸至结构层3，用于隔离第三金属层12，避免第三金属层12与第五金属层11之间发生电性连通，造成短路。本申请对隔离层16的材料不加以限定，在本发明的一个实施例中，隔离层16的材料可以为致密氧化硅，也可以为氮化硅，还可以为氧化铝。

请参阅图1至图7，在本发明的一个实施例中，第五金属层11覆盖隔离层16，且第五金属层11通过开口22与第二振膜15电性连通。具体的，第五金属层11覆盖隔离层16，且第五金属层11通过开口22与第四金属层13电性连通，第五金属层11的一端延伸至结构层3的一侧。本申请对第五金属层11的具体材料不加以限定，在本发明的一个实施例中，第五金属层11可以为金或铝。

请参阅图3，在本发明的一个实施例中，该双面MEMS器件还包括第一通孔20和第二通孔19，第一通孔20和第二通孔为高深宽比的通孔。第一通孔20设置于结构层3上，且第一通孔20由结构层3的一侧贯穿至结构层3的另一侧，且允许第二振膜15上靠近结构层3的一侧裸露。具体的，第一通孔20位于第一金属层4的一侧，第一通孔20由结构层3的一侧贯穿至结构层3的另一侧，使第三金属层12的一部分裸露出来。第二通孔19设置于结构层3上，且第二通孔19由结构层3的一侧贯穿至结构层3的另一侧，且允许第五金属层11的一侧裸露。具体的，第二通孔19位于第一通孔20的一侧，第二通孔19由结构层3的一侧贯穿至结构层3的另一侧，使第五金属层11的一部分裸露出来。可以向第一通孔20和第二通孔19中电镀金属，将第三金属层12和第四金属层13的信号引出。第一通孔20和第二通孔19可以通过TSV(高深宽比硅通孔刻蚀和通孔金属电镀技术)进行刻蚀和金属填充。

请参阅图1至图5，在本发明的一个实施例中，该双面MEMS器件还包括第一电极片18、第二电极片17、第三电极片8和第四电极片9，第一电极片18设置于第一金属层4上，且第一电极片18位于第一压电层5的一侧，用于与第一金属层4电性连通。第二电极片17设置于第二金属层6上，用于与第二金属层6电性连通。第三电极片8覆盖第一通孔20，与第一通孔20内的电镀金属连接，用于与第三金属层12电性连通。第四电极片9覆盖第二通孔19，与第二通孔19内的电镀金属连接，用于与第四金属层13电性连通。

请参阅图1至图3、图8，在本发明的一个实施例中，该双面MEMS器件还包括基底1，基底1键合于结构层3上，且基底1包裹第五金属层11。基底1上设置有腔体21，腔体21位于基底1上靠近第五金属层11的一侧。本申请对腔体21的具体类型不加以限定，在本发明的一个实施例中，腔体21可以为一端封闭另一端敞口的浅腔，也可以为两端敞口的深腔。

请参阅图9-1至图9-7，本发明还提供一种双面MEMS器件的加工工艺，包括如下步骤S1-S4：

S1取样片，样片是两侧分别设有第一振膜7和第二振膜15的结构层3。

S2在样片上刻蚀第一振膜7和第二振膜15，使第一金属层4的横向截面积小于结构层3的横向截面积，第一压电层5和第二金属层6的横向截面积小于第一金属层4的横向截面积，便于引出第一金属层4的信号。

S3在第二振膜15上生长隔离层16。具体的，在第四金属层13上生长隔离层16，隔离层16的端部呈斜坡设置，使隔离层16一端覆盖第三金属层12，且在隔离层16上还刻蚀至少一个开口22。

S4生长第五金属层11并且刻蚀第五金属层11，使第五金属层11与第四金属层13电性导通。具体的，第五金属层11覆盖于隔离层16上，且第五金属层11通过开口22与第四金属层电性连通，第五金属层11的一端延伸至结构层3的一侧。

S5键合基底，将基底1键合于结构层3的一侧，且包裹第五金属层11。具体的，在键合基底1的过程中，在基底1的键合面以及结构层3的键合面上分别生长一层金属层(图中未画出)，用于键基底1和结构层3。

S6在结构层22上刻蚀第一通孔20和第二通孔19，并且在第一通孔20和第二通孔19中电镀金属。具体的，第一通孔20和第二通孔19可以通过TSV技术进行刻蚀和填充金属，然不限于此。第一通孔20由结构层3的一侧贯穿至结构层的另一侧，使第三金属层12的一部分裸露出来，第二通孔19由结构层3的一侧贯穿至结构层3的另一侧，使第五金属层11的一部分裸露出来，并且在第一通孔20和第二通孔19内电镀金属，将第三金属层12和第四金属层13的信号引出。

S7生长第一电极片18、第二电极片17、第三电极片8和第四电极片9并且刻蚀第一电极片18、第二电极片17、第三电极片8和第四电极片9，使第一电极片18位于第一金属层4上且位于第一压电层5的一侧，第二电极片17位于第二金属层6上，第三电极片8位于第一通孔20处，引出第三金属层12的信号，第四电极片9位于第二通孔19处，引出第四金属层13的信号。

综上所述，本发明提供一种双面MEMS器件及其加工工艺，该双面MEMS器件及其加工工艺通过在第四金属层上设置隔离层，在隔离层上设置第五金属层，将第四金属层与第五金属层电性连通，隔离层可以避免第五金属层与第三金属层导通造成短路，向第一通孔和第二通孔内电镀金属，将第三金属层和第四金属层的信号引出至第三电极片和第四电极片,可以解决与基底键合的一面的压电层结构引线不方便的问题。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。