一种MEMS谐振器结构及制备方法与流程

本发明涉及微机电系统，特别是涉及一种mems谐振器结构及制备方法。

背景技术：

1、mems(micro electromechanical system，即微电子机械系统)是指集微型传感器、执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的微型机电系统，其是一种在融合多种微细加工技术并应用现代信息技术的最新成果的基础上发展起来的高科技前沿技术。

2、尤其是基于mems技术的谐振器，在现代电子设备和传感器中正在发挥着重要的作用。mems谐振器的重要性主要体现在以下几个方面，例如：1、mems谐振器可以提供稳定的振荡频率，实现对高精度的时钟和频率控制，在无线通信、计算机、消费电子等领域，高精度的时钟和频率控制是确保设备正常运行和数据传输的关键，因此，mems谐振器成为实现高精度的时钟和频率控制的理想选择；2、mems谐振器可以提供稳定的中心频率和窄带宽，用于无线通信系统中的频率选择和滤波，实现对信号的调制、解调和滤波，提高无线通信系统的性能和抗干扰能力，此外，mems谐振器还可以用于射频前端模块中的振荡器和滤波器，实现对高性能的射频信号处理；3、mems谐振器通过测量频率变化，可以实现对环境参数(如温度、压力、湿度等)的高精度测量，实现在传感器领域的广泛应用，此外，mems谐振器传感器具有体积小、响应快、功耗低等优点，可以实现微型化和集成化，适用于各种应用场景，例如汽车、医疗、工业等场景；4、mems谐振器可以与其他电子器件和系统集成在同一芯片上，从而实现高度集成化的电子设备且这种集成化方式可以减小设备尺寸、降低设备功耗、提高设备性能，实现多功能和多模态的操作。

3、但是，在现有的mems谐振器结构中，由于mems谐振器在工作过程中需要经历频繁的振动和应力加载，衬底与器件晶圆之间的金属层往往会发生塑性变形、应力松弛和疲劳等问题。上述问题的存在会导致金属层产生形变和损伤，既影响mems谐振器的性能和寿命，又降低mems谐振器的可靠性。

4、基于上述技术背景，如何不影响mems谐振器的性能和寿命，又能提高mems谐振器的可靠性，成为当下亟待解决的问题。

技术实现思路

1、鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种mems谐振器结构及制备方法，用于解决现有技术中在mems谐振器工作过程中经历频繁的振动和应力加载导致的金属层形变而引发的mems谐振器的性能、可靠性和寿命降低的问题。

2、为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种mems谐振器结构的制备方法，包括以下步骤：

3、提供第一衬底，所述第一衬底包括相对设置的正面和背面，于所述第一衬底的正面形成图案化的第一阻挡层并对所述第一阻挡层刻蚀，形成若干个凸岛结构和第一空腔；

4、提供器件晶圆，所述器件晶圆包括相对设置的第一表面和第二表面，所述器件晶圆的第一表面与所述第一衬底的正面进行第一次键合，并对所述器件晶圆的第二表面刻蚀形成封闭环连接部和功能结构；

5、提供第二衬底，对所述第二衬底刻蚀形成第二空腔；

6、将所述第二衬底与所述器件晶圆的第二表面进行第二次键合，从而使得所述第一空腔与所述第二空腔形成真空谐振腔；

7、于所述第一衬底的背面形成图案化的介电层并对所述介电层进行刻蚀形成开口，所述开口显露所述第一衬底，在所述开口内沉积金属，进行图案化刻蚀以形成金属引线层，所述金属引线层与所述凸岛结构电连接。

8、可选地，在形成若干个凸岛结构和第一空腔前，还包括于所述第一衬底的正面形成若干个深沟槽，且在所述深沟槽内热氧生长电介质材料形成绝缘环的步骤。

9、可选地，刻蚀形成所述封闭环连接部和所述功能结构后还包括对所述第一衬底的背面进行减薄的步骤，且减薄之后要显露所述绝缘环。

10、可选地，对所述第一衬底的背面进行减薄之后，还包括在所述器件晶圆的第二表面形成第一粘合层的步骤。

11、可选地，在形成所述第二空腔之后，还包括在所述第二衬底的一侧形成金属层的步骤，且所述金属层与所述第一粘合层之间键合。

12、可选地，形成所述第二空腔后，还包括在所述第二空腔内沉积吸气剂形成一定厚度的吸气层的步骤。

13、可选地，还包括对所述吸气层的两侧进行局部刻蚀使得所述吸气层不与所述第二空腔的侧壁连接的步骤，其中，所述吸气层与所述第二衬底的顶部之间还存在一定间隙，所述间隙的尺寸为1μm～10μm。

14、可选地，所述功能结构至少包括一个谐振子、一个驱动电极和一个感应电极，其中，所述谐振子位于所述驱动电极与所述感应电极的中间，且所述谐振子、所述驱动电极和所述感应电极均与所述凸岛结构电连接。

15、可选地，所述第一次键合为硅硅键合，所述第二次键合为共晶键合。

16、本发明还提供一种mems谐振器结构，所述谐振器结构包括：

17、第一衬底，所述第一衬底具有相对设置的正面和背面，所述第一衬底的正面设有第一阻挡层，所述第一衬底的正面形成有若干个深沟槽，且所述深沟槽中填充有电介质材料以形成绝缘环，所述第一衬底中还形成有若干个凸岛结构和第一空腔，所述凸岛结构位于所述绝缘环之间；

18、介电层以及金属引线层，其中，所述介电层位于所述第一衬底的背面并显露所述凸岛结构对应区域的所述第一衬底，所述金属引线层位于所述介电层上并通过所述第一衬底与所述凸岛结构电连接；

19、器件晶圆，所述器件晶圆具有相对设置的第一表面和第二表面，所述器件晶圆的第一表面与所述第一衬底之间硅硅键合连接，所述器件晶圆中设有封闭环连接部和功能结构，其中，所述封闭环连接部与所述第一衬底之间电连接，所述功能结构与所述凸岛结构电连接；

20、第二衬底，所述第二衬底的内部具有第二空腔，所述第二衬底与所述器件晶圆的第二表面之间电连接，使得所述第一空腔与所述第二空腔形成真空谐振腔。

21、可选地，所述器件晶圆的第二表面还设第一粘合层，且所述第一粘合层与所述器件晶圆之间电连接。

22、可选地，所述第二衬底的一侧设有金属层，且所述金属层与所述第一粘合层之间共晶键合连接。

23、可选地，所述第二空腔内还设有吸气层，其中，所述吸气层不与所述第二空腔的侧壁连接。

24、可选地，所述吸气层与所述第二衬底的顶部之间存在一定间隙，且所述间隙的尺寸为1μm～10μm。

25、可选地，所述功能结构至少包括一个谐振子、一个驱动电极及一个感应电极，其中，所述谐振子位于所述驱动电极与所述感应电极的中间，且所述谐振子、所述驱动电极和所述感应电极均与所述凸岛结构电连接。

26、可选地，所述绝缘环的厚度为4μm～12μm。

27、可选地，所述介电层的厚度为2μm～4μm。

28、可选地，所述器件晶圆的厚度为10μm～40μm。

29、如上所述，本发明的一种mems谐振器结构及制备方法，具有以下有益效果：第一衬底与器件晶圆之间通过深沟槽与凸岛结构形成的硅通孔实现电连接，使得mems谐振器在三维方向堆叠的密度达到最大、且与传统的金属电连接相比，本发明中的各个晶圆衬底之间的互连线最短、外形尺寸最小，从而能够显著提高电信号的传输速度，降低mems谐振器的功耗和尺寸；本发明中的第一衬底与器件晶圆的直接硅硅键合，避免了现有技术中形成金属粘合层可能产生的金属塑性变形的问题，从而极大提高了mems谐振器结构的可靠性，且本发明中的mems谐振器结构中采用的键合工艺主要是硅硅键合和共晶键合，从而提升了mems谐振器结构的一致性，可以提高密封强度，能够更加有效的维持真空谐振腔的真空度，进一步提高形成的器件可靠性；在第二空腔中设置吸气层，吸气层与器件晶圆之间存在一定的间隙，以使得第二衬底与器件晶圆之间不存在相互作用力，使得mems谐振器结构的内部应力较小，从而提升了器件的性能。