纵向双侧多组差分电容式微机械结构及其制备方法

本发明涉及差分电容式微机械结构及其制备方法，具体涉及纵向双侧多组差分电容式微机械结构及其制备方法。背景技术：：微机电系统(microelectromechanicalsystem,mems)是通过半导体工艺和微纳加工技术在硅或其他介质晶圆上形成微机械元件并最终与信号处理电路集成于一体的统称。由于mems器件具有可动结构易受组装工艺和实际应用场景的外力冲击和环境影响，因此通常需要进行气密或真空封装以保护器件脆弱的可动结构、实现与外界环境的隔离和器件性能的提升。其中以批量化制造为特征的mems晶圆级封装是实现mems器件产品化和实用化的进程中的关键技术，其技术的关键在于如何利用包括硅玻璃键合、硅硅键合、介质键合(如玻璃浆料、聚合物、金属等键合介质材料)等常用的晶圆键合技术实现mems器件结构的密封和相应电学信号的引出或信号接口。虽然真空封装是降低谐振式mems器件可动结构运动时的空气阻尼以提升器件谐振品质因数的基本手段，然而驱动-检测结构设计仍然是谐振式mems器件性能优化的主要途径。特别是电容式mems器件是各类谐振式mems传感器、执行器的基础，而这类电容式mems器件一方面是利用微机械电容极板结构间的静电力驱动可动结构运动，另一方面可以利用微机械电容极板结构间的电容改变来反映可动结构的形变量或位移量。随着技术的进步，学界与业界研发出了用于驱动或检测mems可动结构在面内运动的差分式平板电极结构，也即在平面内通过在可动结构两侧设置平板电极：一是可以施加反相的交流驱动电压则能将传统单侧平板电极驱动所对应的静电力提升一倍(或被称为静电推挽驱动)；二是可以用作感应可动结构位移量的电学信号差分输出从而将传统单侧平板电极电容检测的输出信号幅度增强一倍。然而目前差分式平板电极结构的构建往往局限于mems晶圆的平面内而难以运用于可动结构面外运动的静电驱动或检测上，但事实上面外运动的可动结构在mems器件中却十分关键，比如mems微镜阵列、rfmems射频开关、mems磁场传感器等等，这些mems器件的可动结构通常是在可动结构底部构建单边平板电容器来实现在面外谐振运动的扭转模态或折叠模态。因此，如何在可动结构顶部和底部同时设计并实现平板电容器来构建纵向上下两侧的差分电容结构则显得尤为关键和迫切，同时如能在此基础上进一步实现mems可动结构的真空封装将会进一步提升电容式mems器件的谐振性能，再次如能将可动结构上下侧异面布置的电极引出至封装盖板平面那也将方便后续的mems器件后道封装测试又或者能与同质/异质晶圆进一步键合堆叠集成。技术实现要素：本发明的目的在于克服上述存在的问题，提供一种纵向双侧多组差分电容式微机械结构，该微机械结构不仅可以构建纵向多组差分电容结构，而且可以在实现微机械可动结构真空或气密封装的同时将衬底、盖板以及器件可动结构对应的信号接口引出至同一水平面，便于后续微机械芯片到微机械器件的后道封装测试实施，或者可与同质/异质晶圆进一步晶圆级键合堆叠集成。本发明的另一个目的在于提供一种纵向双侧多组差分电容式微机械结构的制备方法。本发明的目的通过以下技术方案实现：一种纵向双侧多组差分电容式微机械结构,包括衬底单元、器件结构单元以及盖板封装单元；所述衬底单元包括衬底片，该衬底片上依次设置有衬底绝缘层和衬底键合金属层；所述衬底片上设有衬底空腔，该衬底空腔内设有通过刻蚀衬底键合金属层而形成的至少两个衬底空腔平板电极，所述衬底空腔平板电极通过衬底键合金属层引出衬底空腔外；所述器件结构单元通过键合结构与衬底单元连接，该器件结构单元包括器件可动结构，该器件可动结构的两侧表面均设有器件键合金属层；所述盖板和衬底片通过气密或真空封装结构将器件可动结构密封；所述盖板封装单元通过键合结构盖合在器件结构单元上，该所述盖板封装单元包括盖板，该盖板面向器件结构单元的一侧依次设置有盖板绝缘层和盖板键合金属层，另一侧设有盖板顶部金属层；所述盖板绝缘层上开设有盖板引出窗口，所述盖板键合金属层通过盖板引出窗口与盖板电学连接；所述盖板上设有盖板空腔，该盖板空腔内设有通过刻蚀盖板键合金属层而形成的至少两个盖板空腔平板电极，所述盖板空腔平板电极通过盖板键合金属层引出盖板空腔外；所述器件可动结构的两侧的器件键合金属层分别与衬底空腔平板电极和盖板空腔平板电极相对设置，在器件硅片的上下两侧分别构成差分电容；所述盖板和盖板顶部金属层上设有环绕在所述盖板引出窗口周围的绝缘沟槽，位于绝缘沟槽内侧的盖板和盖板顶部金属层构成垂直硅柱引出结构；所述绝缘沟槽用于将器件可动结构与外界进行密封绝缘，其中，在绝缘沟槽刻蚀形成的同时实现器件可动结构的密封；所述垂直硅柱引出结构设有三类，其中，第一类是衬底空腔平板电极的电信号依次从衬底键合金属层、器件键合金属层、器件硅片、器件键合金属层、盖板键合金属引出至对应的垂直硅柱引出结构的盖板顶部金属层上，第二类是器件可动结构上下两侧所需引出的电信号依次从器件锚点结构、器件键合金属层、盖板键合金属引出至对应的垂直硅柱引出结构的盖板顶部金属层上，第三类是盖板空腔平板电极的电信号依次从盖板键合金属引出至对应的垂直硅柱引出结构的盖板顶部金属层上。一种纵向双侧多组差分电容式微机械结构的制备方法，包括以下步骤：(1)准备衬底片，在衬底片的一侧刻蚀形成用于器件可动结构进行运动的衬底空腔；(2)在衬底片含有衬底空腔的一侧沉积衬底绝缘层和衬底键合金属层，对衬底键合金属层进行刻蚀，在衬底空腔中形成至少两个衬底空腔平板电极，所述衬底空腔平板电极通过衬底键合金属层引出衬底空腔外；(3)准备器件硅片，并在其底侧沉积器件底侧绝缘层；在器件底侧绝缘层上刻蚀出器件底侧引出窗口和底侧体硅刻蚀释放窗口；(4)在器件底侧绝缘层上沉积器件键合金属层，并进行刻蚀；所述器件键合金属层通过器件底侧引出窗口与器件硅片电学连接，构成器件可动结构的底部平板电极；(5)将制备好的衬底片与器件硅片的键合金属层面对面对准放置并进行键合工艺；(6)在器件硅片顶侧沉积器件顶侧绝缘层，并对器件顶侧绝缘层进行刻蚀形成器件顶侧引出窗口和顶侧体硅刻蚀释放窗口；(7)在器件顶侧绝缘层上沉积器件键合金属层，并进行刻蚀；所述器件键合金属层通过器件顶侧引出窗口与器件硅片电学连接，构成器件可动结构的顶部平板电极；(8)在顶侧体硅刻蚀释放窗口的位置对器件硅片进行刻蚀，形成器件可动结构以及用于支撑器件可动结构的器件锚点结构；其中，所述衬底空腔平板电极通过键合结构引出至位于器件硅片顶部的器件键合金属层；(9)准备盖板，并在盖板的底侧刻蚀出用于器件可动结构进行运动的盖板空腔；(10)在盖板的底侧沉积盖板绝缘层，并在盖板绝缘层上刻蚀形成多个盖板引出窗口；(11)在盖板绝缘层上沉积盖板键合金属层，对盖板键合金属层进行刻蚀，在盖板空腔中形成至少两个盖板空腔平板电极，所述盖板空腔平板电极通过盖板键合金属层引出衬底空腔外；(12)将制备好的盖板与器件硅片的键合金属层面对面对准放置并进行键合工艺；(13)在盖板顶侧沉积盖板顶部金属层；在对盖板顶部金属层和盖板进行刻蚀形成环绕在盖板引出窗口周围的绝缘沟槽，位于绝缘沟槽内侧的盖板和盖板顶部金属层构成垂直硅柱引出结构；其中，在绝缘沟槽刻蚀形成的同时实现器件可动结构的密封；衬底空腔平板电极的电信号依次从衬底键合金属层、器件键合金属层、器件硅片、器件键合金属层、盖板键合金属引出至成对应的垂直硅柱引出结构的盖板顶部金属层上；器件可动结构的电信号依次从器件锚点结构、器件键合金属层、盖板键合金属引出至对应的垂直硅柱引出结构的盖板顶部金属层上；所述盖板空腔平板电极的电信号依次从盖板键合金属引出至对应的垂直硅柱引出结构的盖板顶部金属层上。本发明的一个优选方案，在步骤(5)中，当衬底片和器件硅片键合后，衬底空腔平板电极与器件可动结构的底部平板电极构成由衬底空腔提供电容间隙的底部平板电容器。本发明的一个优选方案，在步骤(6)中，在器件硅片顶侧沉积器件顶侧绝缘层之前，通过晶圆减薄技术对器件硅片进行减薄。本发明的一个优选方案，在步骤(6)中，所述底侧体硅刻蚀释放窗口和顶侧体硅刻蚀释放窗口对称地设置在器件硅片的两侧；部分器件顶侧引出窗口和器件底侧引出窗口对称地设置在器件硅片的两侧。本发明的一个优选方案，在步骤(12)中，当器件硅片和盖板键合后，盖板空腔平板电极与器件可动结构的顶部平板电极构成由盖板空腔提供电容间隙的顶部平板电容器。本发明与现有技术相比具有以下有益效果：1、本发明的微机械结构能够在微机械可动结构上下两侧分别形成多组纵向平板电容器，从而构成纵向差分电容结构。2、在实现微机械可动结构真空或气密封装的同时将衬底、盖板以及器件可动结构对应的信号接口引出至同一水平面，便于后续微机械芯片到微机械器件的后道封装测试实施，或者能与同质/异质晶圆进一步进行晶圆级键合堆叠集成。3、本发明的微机械结构中的纵向平板电容器的电容间隙宽度直接等于盖板或衬底空腔深度，简化了电容间隙设计并免于对所沉积薄膜真实厚度值的考虑(如薄膜沉积厚度与设计值之间存在偏差等问题)。附图说明图1为本发明中的纵向双侧多组差分电容式微机械结构的剖面图。图2为纵向双侧多组差分电容器的结构简图，其中，作为可动结构的静电驱动来源，vd为直流偏置电压、va为交流驱动电压。(i)为2组差分电容结构(可动结构处于扭转谐振模态)，(ii)为2组差分电容结构(可动结构处于折叠谐振模态)，(iii)为4组差分电容结构(可动结构处于折叠谐振模态)。图3(i)为可动结构顶侧电容器示意图，图3(ii)为可动结构底侧电容器示意图，图3(iii)为可动结构顶侧电容器透视示意图。图4(i)为可动结构顶侧左半部分电容器电极透视+底侧右半部分电容器电极俯视图，示意图，图4(ii)可动结构顶侧左半部分电容器电极俯视+底侧右半部分电容器电极俯视透视图。图5-17为本发明中的纵向双侧多组差分电容式微机械结构的制备过程的剖面图，其中，图5为在衬底片上刻蚀出衬底空腔的剖面图，图6为在衬底片的一侧沉积衬底绝缘层的剖面图，图7为对衬底绝缘层进行刻蚀的剖面图，图8为在器件硅片底部上沉积底部绝缘层并进行刻蚀的剖面图，图9为在底部绝缘层上沉积器件底部键合金属层并进行刻蚀的剖面图，图10为将器件硅片与衬底片对准进行键合工艺的剖面图，图11为在器件硅片上顶部沉积顶部绝缘层并进行刻蚀的剖面图，图12为在顶部绝缘层上沉积器件顶部键合金属层并进行刻蚀的剖面图，图13为对器件硅片刻蚀形成器件可动结构的剖面图，图14为在盖板上刻蚀出盖板空腔的剖面图，图15为在盖板的一侧沉积盖板绝缘层的剖面图，图16为盖板绝缘层进行刻蚀的剖面图，图17为将盖板与器件硅片对准进行键合工艺的剖面图。图中附图标记分别为：11衬底片111衬底v型空腔12衬底绝缘层具体实施方式为了使本领域的技术人员很好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例和附图对本发明作进一步描述，但本发明的实施方式不仅限于此。本实施例中提供一种纵向双侧差分电容式微机械结构，在微机械可动结构上下两侧分别形成单组或多组纵向平板电容器作为纵向差分电容结构，并且在保证微机械可动结构真空或气密封装的同时实现衬底晶圆一侧、盖板晶圆一侧以及器件可动结构所对应不同平板电容器电极在盖板晶圆顶部的同平面化信号接口，可以实现纵向平板电容器的电容间隙宽度直接等于盖板或衬底空腔深度而简化了电容间隙设计并免于对所沉积薄膜真实厚度值的考虑。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。参见图2，本实施例中的纵向双侧差分电容式微机械结构不仅可以用于微机械可动结构的静电推挽驱动，还可以用于微机械可动结构的位移产生的电容变化量差分输出检测。由于静电驱动与电容检测的原理都是基于极板电容的变化，因此本发明接下来从静电驱动角度对所提出的纵向双侧差分电容结构及其原理进行阐释。如图2所示，微机械可动结构231在其上下侧有相应的金属极板电极，同时各金属极板接有互为反相的交流驱动电压va，而微机械可动结构本体则接直流偏置电压vd。通过对交流驱动电压va在各平板电极处进行一定的相位组合，可以构建出图2(i)中微机械可动结构231在四端纵向双侧差分平板电容的静电推挽驱动下而处于扭转模态，也可以构建出图2(ii)中微机械可动结构231在四端纵向双侧差分平板电容的静电推挽驱动下而处于折叠模态。基于图2(i)和(ii)的两种基本结构，还可以进一步进行分割和组合以构建出不同的静电推挽驱动结构，比如将图2(i)中分割独立出单组两端双侧差分平板电容结构，又比如将图2(i)中的四端纵向双侧差分平板电容结构进行复制组合从而构建出图2(iii)中微机械可动结构231在八端纵向双侧差分平板电容的静电推挽驱动下处于折叠模态等。因此，本发明纵向双侧差分电容式微机械结构可以通过基本单元的适当组合来构建简单或更复杂的平板电容器结构以满足特定的微机械可动结构谐振要求。参见图3，可动结构通过器件锚点结构232实现电信号引出。参见图4，衬底空腔右端平板电极131和盖板空腔左端平板电极312沿着可动结构的长度方向通过引出衬底空腔或盖板空腔之外，继而引出至同一平面上，即共晶键合平面；衬底空腔左端平板电极132和盖板空腔右端平板电极311从可动结构的侧边引出衬底空腔或盖板空腔之外，继而引出至同一平面上，即共晶键合平面。参见图1-17，本发明中的纵向双侧差分电容式微机械结构的制备方法包括以下步骤：(1)准备一衬底片11(如(100)面硅晶圆)，在衬底硅片一侧光刻腐蚀，并利用koh腐蚀在衬底片11一侧形成衬底v型空腔111，提供给未来的可动结构以运动空间以及未来需构建的纵向差分平板电容器以一定的电容间隙，如图5。(2)在所述衬底片11含有衬底v型空腔111一侧沉积衬底绝缘层12，实现整个衬底片11一侧表面都被绝缘层12所覆盖和绝缘隔离，如图6。(3)在所述衬底绝缘层12处沉积衬底键合金属层13，光刻腐蚀，并通过金属的蚀刻在所述衬底v型空腔111底部形成衬底空腔右端平板电极131和衬底空腔左端平板电极132，同时所述平板电极131和132通过v型空腔111侧壁处键合金属层13形成在衬底片11非空腔区域的电互连或电引出区域，如图7。(4)准备一器件硅片23(如硅晶圆电阻率0.02ω·cm)，并在其底部沉积器件低阻硅片底部绝缘层22，光刻腐蚀，通过绝缘层蚀刻形成器件低阻硅片底部绝缘层窗口221，用作器件硅片23的体硅电极引出和体硅刻蚀释放区域的暴露，如图8。(5)在所述器件低阻硅片底部绝缘层22一侧沉积器件低阻硅片底部键合金属层21，光刻腐蚀，并通过金属蚀刻形成所述金属层21的图形化，所述金属层21在器件低阻硅片底部绝缘层窗口221处与器件硅片23体硅形成金属/半导体接触，同时在预设可动结构区域形成器件可动结构底部平板电极211，如图9。(6)将所述制备好的衬底片11与器件硅片23所对应的键合金属层12与21进行面对面对准键合工艺，形成由键合金属层12与21构成的键合结构，其中，所述衬底空腔右端平板电极131和衬底空腔左端平板电极132与器件可动结构底部平板电极211分别构成由衬底v型空腔111提供电容间隙的两对器件硅片23底部平板电容器，如图10。(7)将所述键合完毕的器件硅片23通过晶圆减薄技术减薄至所需厚度，随后在其顶部沉积器件低阻硅片顶部绝缘层24，光刻腐蚀，通过绝缘层蚀刻形成器件低阻硅片顶部绝缘层窗口241，用作器件硅片23的体硅电极引出和体硅刻蚀释放区域的暴露，其中用于体硅电极引出的器件低阻硅片顶部绝缘层窗口241可选择性与器件低阻硅片底部绝缘层窗口221相互对应，而用于体硅刻蚀释放区域暴露的器件低阻硅片顶部绝缘层窗口241须与器件低阻硅片底部绝缘层窗口221相互对应甚至对称排布，如图11。(8)在所述器件低阻硅片顶部绝缘层24一侧沉积器件低阻硅片顶部键合金属层25，光刻腐蚀，并通过金属蚀刻形成所述金属层25的图形化，所述金属层25在器件低阻硅片底部绝缘层窗口241处与器件硅片23体硅形成金属/半导体接触，同时在预设可动结构区域形成器件可动结构顶部平板电极251，如图12。(9)在所述器件硅片23顶部进行光刻腐蚀定义出器件硅片23体硅刻蚀释放区域，通过对硅的蚀刻形成器件可动结构231以及支撑器件可动结构的器件锚点结构232，同时还将所述衬底空腔平板电极131和132通过器件硅片23底侧已形成的金属键合结构(键合金属层12与21之间)引导至器件硅片23被硅蚀刻形成的独立体硅区域，进而引导至器件低阻硅片顶部键合金属层25，如图13。(10)准备一盖板33(如(100)面电阻率为0.02ω·cm的硅晶圆)，在所述盖板33一侧光刻腐蚀，并利用koh腐蚀在盖板33一侧形成v型的盖板空腔331，提供给未来的可动结构以运动空间以及未来需构建的纵向差分平板电容器以一定的电容间隙，如图14。(11)在所述盖板33含有v型的盖板空腔331一侧沉积盖板绝缘层32，光刻腐蚀，通过绝缘层蚀刻形成盖板绝缘层窗口321，用于盖板33的体硅电极引出，如图15。(12)在所述盖板绝缘层32处沉积盖板键合金属层31，光刻腐蚀，并通过金属的蚀刻在所述v型的盖板空腔331底部形成盖板空腔右端平板电极311和盖板空腔左端平板电极312，同时所述平板电极311和312通过v型的盖板空腔331侧壁处键合金属层31形成在盖板33非空腔区域的电互连或电引出区域，如图16。(13)将所述制备好的盖板33与器件硅片23所对应的键合金属层31与25进行面对面对准键合工艺，形成由键合金属层31与25构成的键合结构，其中所述盖板空腔右端平板电极311和盖板空腔左端平板电极312与器件可动结构顶部平板电极251分别构成由v型的盖板空腔331提供电容间隙的两对器件硅片23顶部平板电容器，如图17。(14)在所述键合后的盖板33顶侧沉积盖板顶部金属层34，光刻腐蚀，利用金属蚀刻对盖板顶部金属层34进行图形化，并进一步利用硅的蚀刻技术对盖板33的被金属层34图形化后所暴露出的体硅区域进行刻蚀，形成由盖板环形绝缘刻蚀沟槽332所隔离出来的盖板硅柱互连结构333(垂直硅柱引出结构)，如图1。(15)至此，完成纵向双侧差分电容式微机械结构的制备。一方面，所述器件可动结构231被位于其上下侧的盖板33和衬底片11所密封而形成气密或真空封装结构。另一方面，所述衬底空腔平板电极131和132通过在器件硅片23顶侧与底侧已形成的金属键合结构引导至盖板硅柱互连结构333，进而引导至盖板硅片顶部金属层34；而所述盖板空腔平板电极311和312直接通过在器件硅片23顶侧已形成的金属键合结构引导至盖板硅柱互连结构333，进而引导至盖板硅片顶部金属层34；而所述器件可动结构顶部平板电极251和器件可动结构底部平板电极211通过器件锚点结构232对应的体硅电极直接由在器件硅片23顶侧已形成的金属键合结构引导至盖板硅柱互连结构333，进而引导至盖板硅片顶部金属层34。可见纵向双侧差分电容式微机械结构中所需的所有电极都引出至了已形成的气密或真空封装结构外部对应的盖板硅片顶部金属层34，而同时由衬底空腔平板电极131和132与器件可动结构底部平板电极211之间、以及盖板空腔平板电极311和312与器件可动结构顶部平板电极251之间构成的纵向双侧差分电容器所对应的电容间隙宽度直接分别等于衬底v型空腔111和v型的盖板空腔331相应的空腔深度。综上所述，本实施例提供一种纵向双侧差分电容式微机械结构及其制备方法。此结构能够在微机械可动结构上下两侧分别形成单组或多组纵向平板电容器，从而构成纵向差分电容结构；可以在实现微机械可动结构真空或气密封装的同时实现衬底晶圆一侧、盖板晶圆一侧以及器件可动结构所对应不同平板电容器电极在盖板晶圆顶部的同平面化信号接口，将不同晶圆层级的电极统一引导至同一平面有利于后续微机械芯片到微机械器件的后道封装测试实施(如引线键合工艺、球栅阵列工艺等)；可以实现纵向平板电容器的电容间隙宽度直接等于盖板或衬底空腔深度而简化了电容间隙设计并免于对所沉积薄膜真实厚度值的考虑(如薄膜沉积厚度与设计值之间存在偏差等问题)。上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。当前第1页12