专利名称：带有微型连接构件的基板及其制作方法
技术领域：
本发明涉及带有微型自对准锁定连接构件基板，是利用微机械机电加工技术制作的，可用于微机械机电系统(MEMS)器件的晶圆级封装。属于器件封装技术领域。
背景技术：
微机械机电系统(Micro Electro-Mechanical Systems，以下简略为MEMS)技术发展至今，在传感器、光通讯、生化检测、无线通讯等诸多领域得到广泛应用，显示出产品的多元性和良好的市场前景。但在向产业转化的过程中，由于MEMS器件在结构、工作原理、适用领域等方面的多样性，对器件的封装工艺也提出了繁复的要求，如对MEMS可动结构的保护、封装应力/温度的控制、与其他工艺的兼容性、与控制和信号处理电路的连接等，使得MEMS封装技术日趋复杂，而且通用性差，占用了开发成本的大半部分，正日益成为MEMS技术进一步发展的“瓶颈”。在现有的晶圆级(wafer-level)MEMS封装技术中，各种键合技术(waferbonding)应用得十分广泛，如固相键合，中介层键合，阳极键合，共晶键合或焊接等技术，涉及硅，玻璃和其它多种材料(U.Gsele and Q.Y.Tong，“Semiconductor wafer bonding，”Annu.Rev.Mater.Sci.，pp.215-241，1998.)。这些技术中普遍存在键合封装温度较高，需外加电场，基板表面处理工艺复杂，与器件制作工艺兼容性差等难点，较难成为泛用的MEMS封装手段。另外，有人提出一种局部加热键合技术(Y.T.Cheng，Liwei Lin，and Khalil Najafi，“Localized Silicon Fusion andEutectic Bonding for MEMS Fabrication and Packaging”，Journal ofMicroelectromechanical Systems，Vol.9，No.1，March 2000)，即在MEMS功能结构部分周围的基板上制备多晶硅加热电阻，通过加热电阻将基片的局部升温至数百度甚至1000度以上，但仍保持基板的整体温度无明显升高，从而实现基板间的局部键合，也就实现了晶圆级的MEMS封装。这种技术的缺陷在于局部的高温度梯度引起的局部应力较大。例如，在压阻式加速度传感器中，键合引起的应力将可能降低压敏电阻的一致性，也就对器件的零漂特性、成品率等有不利的影响。

发明内容
本发明的目的是为了实现工艺简单、封装应力低、具有通用性的晶圆级MEMS器件封装提出一种带有微型连接构件的基板及其制作方法本发明的目的是通过带有自对准锁定连接构件的基板来实现，可分为带有导入孔构件的第一基板和带有插入头构件的第二基板。前述导入孔构件，由第一基板上的至少两个导入孔部和至少两个隔离孔部，以及导入孔部和隔离孔部之间的间隔块部组成。该导入孔部由垂直于第一基板表面的导入直孔，该导入直孔上端与第一基板表面交接处的导入斜面部，与导入直孔下端相接的第一底部宽孔，以及位于该底部宽孔与导入直孔下端的交接处的、伸向该底部宽孔的第一突起部组成。前述隔离孔部由垂直于第一基板表面的隔离直孔，与该隔离直孔下端相接的第二底部宽孔，以及位于该第二底部宽孔与前述隔离直孔下端交接的、伸向该第二底部宽孔的第二突起部组成。前述导入孔部与隔离孔部之间的基板部分形成间隔块部。前述插入头构件，至少包含两个插入头部。该插入头部由垂直于第二基板表面的插入块，该插入块顶部的插入斜面，该插入块的下端两侧与第二基板表面交接的凹部、位于该凹部与插入块下端交接处的伸向第二基板表面的第三突起部组成。将前述插入头部与导入孔部对准，插入导入孔部，形成前述第一突起部与第三突起部的横向交叉，实现锁定连接。
前述导入孔部的数量，不少于前述插入头部的数量。前述第一基板的表面到第一底部宽孔的顶部之间的距离，不大于第二基板的表面到前述凹部的顶部之间的距离；同时，第一底部宽孔的顶部到底面之间的距离，不小于插入头部的表面到前述凹部的顶部之间的距离。前述插入头的宽度，大于前述导入直孔宽度。
本发明中的带有导入孔构件的第一基板的制造方法，其特征在于包括以下步骤a)在第一基板上形成导入斜面部；b)通过对该导入斜面部的下底面的腐蚀，形成宽度与前述下底面宽度相同的导入直孔；同时，形成隔离直孔；c)在第一基板的表面、导入斜面、导入直孔的侧面和底面、隔离直孔的侧面和底面同时形成抗腐蚀的钝化层；d)去除前述导入直孔底面和隔离直孔底面的钝化层；e)通过各向同性和各向异性腐蚀形成前述第一底部宽孔和第一突起部，和第二底部宽孔和第二突起部；同时，形成前述隔离块部。
本发明中的带有插入头构件的第二基板的制造方法，其特征在于包括以下步骤a)在第二基板上形成插入斜面部；b)通过对该插入斜面部两侧的第二基板的腐蚀，形成宽度与前述插入斜面部的宽度相同的插入块；c)在插入斜面部的侧面、插入块的侧面和两侧第二基板的表面形成抗腐蚀的钝化层；d)去除前述插入块两侧第二基板的表面的钝化层；e)形成前述凹部和第三突起部。
如上所述，本发明效果是显而易见的。根据本发明可以在(100)晶向的单晶硅片上制作出带有插入孔构件的第一基板和带有插入头构件的第二基板，再在该第一基板和第二基板上分别制作出多种微型器件所需的结构，通过第一基板上的插入孔构件和第二基板上的插入头构件，实现基板间的连接封装。该连接具有自对准特性，封装应力低，可适用于多种器件的晶圆级封装。


图1是制作在带有自对准锁定连接构件的基板上的光纤对准定位槽结构的分解断面图。其中(a)是带有导入孔构件的第一基板及其上的用于光纤定位的第一V形槽的断面图；(b)是带有插入孔构件的第二基板及其上的用于光纤定位的第二V形槽的断面图；
(c)是第一基板和第二基板经过自对准锁定连接后的光纤定位结构的断面图，两基板间已放入光纤。
图2是带有导入孔构件的第一基板及其上的用于光纤定位的第一V形槽的制作工艺流程的断面图。
图3是带有插入块构件的第二基板及其上的用于光纤定位的第二V形槽的制作流程工艺的断面4带有自对准锁定连接构件的基板上制作和封装的微型压阻式加速度传感器的分解断面图。图中，1-第一硅片基板 2-第二硅片基板2a-第一底面 3-导入直孔4-导入斜面 4a-底面5-第一底部宽孔 6-第一突起部7-隔离直孔 8-第二底部宽孔9-第二突起部 10-隔离块11-第一V形槽 12-插入块13-插入斜面 14-凹部15-第三突起部16-第二V形槽17-光纤21-光刻掩膜层23-钝化层24-各向同性底部宽孔 26-第一V形槽用腐蚀窗口30-各向同性凹部 32-第二V形槽用腐蚀窗口41-第三基板 42-质量块43-梁44-压力敏感电阻45-间隙 46-凹槽具体实施方式
下面通过二个应用实例进一步阐明本发明的实质性特点和显著进步，但本发明决非仅局限于介绍的实施例。
本实施例中涉及的光纤定位V形槽结构是由第一硅片基板1和第二硅片基板2制作而成的，均为(100)晶向的单晶硅片基板。光纤定位槽结构的分解断面图如图1所示。
如图1(a)所示，在第一硅片基板1上形成有垂直于该基板1表面的导入直孔3、该直孔3与基板1表面交接处的导入斜面4、与前述导入直孔3下端相接的第一底部宽孔5，和位于该底部宽孔5与导入直孔3下端的交接处的、伸向该底部宽孔5的第一突起部6；以及，垂直于基板1表面的隔离直孔7，与该直孔7下端相接的第二底部宽孔8，和位于该宽孔8与前述隔离直孔7下端的交接处的、伸向宽孔8的第二突起部9。以上构成带有导入孔构件的第一基板1。在第一基板1上形成有间隔块部10，和在基板1的中央部形成的用于光纤对准定位的第一V形槽11。
如图1(b)所示，在第二硅片基板2上形成有垂直于基板2表面的插入块12，该插入块12顶部的插入斜面部13，插入块12下端两侧与基板2表面交接处的凹部14、位于该凹部14与插入块12下端交接处的伸向基板2表面的第三突起部15。以上构成带有插入头构件的第二基板2。在第二基板2的中央部形成用于光纤对准定位的第二V形槽16。
如图1(c)所示，将第一硅片基板1上的第一V形槽11与第二硅片基板2上的第二V形槽16正相对，将光纤17置于第一V形槽11与第二V形槽16之间，同时将基板1上的导入直孔3与基板2上的插入块12正相对，再将插入块12插入导入直孔3中，插入过程中，间隔块部10可以向隔离直孔7发生弹性弯曲，插入结束后，间隔块部10回复原位，使第一突起部6与第三突起部15形成横向交叉，实现第一基板1与第二基板2之间的锁定连接，同时将光纤定位于第一V形槽11与第二V形槽16之间。
如上所述，第一硅片基板1与第二硅片基板2之间是通过插入块12及其下端的第一突起部6与导入直孔3及其下端的第三突起部15来实现自对准锁定连接的。其对准精度仅仅取决于微机械加工精度，而后者是可以得到精确控制的，这保证了第一V形槽11与第二V形槽16之间的对准精度，也就保证了光纤17在由第一V形槽11和第二V形槽16形成的空间中的精确定位，有利于减少在光传输过程中因光纤相互间定位不准而引起的传输损耗。
本实施例涉及的光纤定位V形槽结构及其封装结构的制作方法，参考图2和图3所示的工艺流程断面图进行说明。
首先，带有导入孔构件的第一硅片基板1的制作工艺，参考图2中的(a)～(i)进行说明。(a)在第一硅片基板1上形成掩膜层21，该掩膜层21通常由感光树脂材料构成，一般称为光刻胶，掩膜层21的图形由光刻技术形成。(b)利用碱性水溶液在第一基板1表面腐蚀出浅坑，形成导入斜面4和底面4a；随后将掩膜层21去除。(c)在第一基板1表面形成掩膜层21，通过光刻技术将底面4a露出。(d)利用DRIE技术刻蚀第一基板1上未被掩膜层21覆盖的底面4a，形成导入直孔3和隔离直孔7；随后将掩膜层21去除。(e)在第一基板1表面、导入斜面4、导入直孔3的侧面、隔离直孔7的侧面、底面4a处全面形成钝化层23。(f)利用RIE技术将导入直孔3和隔离直孔7的底面4a处的钝化层去除。(g)对导入直孔3和隔离直孔7的底面4a处实行各向同性腐蚀技术，形成各向同性底部宽孔24。(h)利用碱性水溶液对各向同性底部宽孔24进行各向异性腐蚀，形成第一底部宽孔5、第二底部宽孔8、第一突起部6和第二突起部9；同时，形成间隔块部10；(i)去除钝化层23。
由以上工艺步骤，形成带有导入孔构件的第一硅片基板1。
再由以下步骤(j)～(l)在第一硅片基板1上制作用于光纤阵列中的对准定位V形槽结构。(j)在第一硅片基板1表面、导入斜面4、导入直孔3的侧面、隔离直孔7的侧面、第一底部宽孔5的侧面和底面、第二底部宽孔8的侧面和底面、第一突起部6的侧面和第二突起部9的侧面全面形成钝化层23。(k)在第一硅片基板1的中央部形成第一V形槽用腐蚀窗口26。(l)利用碱性水溶液对第一V形槽用腐蚀窗口26进行腐蚀至所需深度，形成第一V形槽11；随后去除钝化层23。
其次，带有插入块构件的第二硅片基板2的制作工艺，参考图3中的(a)～(h)进行说明。(a)在第二硅片基板2上形成感光树脂材料(一般称为光刻胶)的掩膜层21，该掩膜层21的图形由光刻技术形成。(b)利用碱性水溶液在第二基板2表面腐蚀出浅坑，形成插入斜面13和第一底面2a；随后将掩膜层21去除。(c)在第二基板2上形成掩膜层21，通过光刻技术将第一底面2a露出。(d)利用DRIE技术刻蚀第二基板2上未被掩膜层21覆盖的底面2a，形成插入块12和第一底面2a；随后将掩膜层21去除。(e)在第一底面2a、插入斜面13和插入块12的侧面形成钝化层23。(f)利用RIE技术将第二底面2b处的钝化层去除。(g)对第一底面2a处进行各向同性腐蚀技术，形成各向同性凹部30。(h)利用碱性水溶液对各向同性凹部30进行各向异性腐蚀，形成凹部14、第三突起部15和第一底面2a；随后去除钝化层23。
由以上工艺步骤，形成带有插入块构件的第二硅片基板2。
再由以下步骤(i)～(k)在第二硅片基板2上制作用于光纤阵列中的对准定位V形槽结构。(i)在第三底面2c、插入斜面13、插入块12的侧面、凹部14的侧面和底面、第三突起部15的侧面形成钝化层23。(j)在第三底面2c的中央部形成第二V形槽用腐蚀窗口32。(k)利用碱性水溶液对第二V形槽用腐蚀窗口32处进行腐蚀至所需深度，形成第二V形槽16；随后去除钝化层23。
本实施例中涉及的微型压阻式加速度传感器由第一硅片基板1和第二硅片基板2、以及第三基板41组成。其中，第一基板1和第二基板2均为(100)晶向的单晶硅片；第三基板41可采用硅片基板，但不局限于硅片基板，例如可以采用玻璃基板。
如图4(a)所示，在第一硅片基板1上形成垂直于基板1表面的导入直孔3、该直孔3与基板1表面交接处的导入斜面4、与前述导入直孔3下端相接的第一底部宽孔5，和位于该底部宽孔5与导入直孔3下端的交接处的、伸向该底部宽孔5的第一突起部6；以及，垂直于基板1表面的隔离直孔7，与该直孔7下端相接的第二底部宽孔8，和位于该宽孔8与前述隔离直孔7下端的交接处的、伸向宽孔8的第二突起部9，以及同时形成的间隔块部10；质量块42，以及质量块42与第一硅片基板1之间的梁43和间隙45；以及梁43上的压力敏感电阻44。
如图4(b)所示，在第二硅片基板2上形成垂直于基板2表面的插入块12，该插入块12顶部的插入斜面部13，插入块12下端两侧与基板2表面交接处的凹部14、位于该凹部14与插入块12下端交接处的伸向基板2表面的第三突起部15；以及，在基板2的中央部形成的凹槽46。凹槽46提供质量块42的运动空间，并形成一定的空气阻尼。
第一硅片基板1与第三基板41键合后，就构成了微型压阻式加速度传感器。将第一硅片基板1上的导入直孔3与第二硅片基板2上的插入块12正相对，再将插入块12插入导入直孔3中，使第一突起部6与第三突起部15形成横向交叉，实现第一硅片基板1与第二硅片基板2之间的锁定连接，完成了微型压阻式加速度传感器的封装。
当在Y轴方向有加速度发生时，质量块42受此加速度作用在Y轴方向发生运动，引起梁43的弯曲，从而引起压力敏感电阻44的阻值变化，由此变化可以换算出外部加速度的大小。由于第一硅片基板1与第二硅片基板2是通过锁定连接实现盖板封装的，由此引起的应力非常小，可极大地降低由封装应力引起的对压力敏感电阻44的特性和一致性的影响，有利于保证器件性能的可靠性、一致性和长期稳定性等。
权利要求
1.一种带有微型连接构件的基板，其特征在于1)由带有导入孔构件的第一基板和带有插入头构件的第二基板组成；2)所述的第一基板上的导入孔构件，由第一基板上的至少两个导入孔部和至少两个隔离孔部，以及所述导入孔部和隔离孔部之间的间隔块部组成；其中，导入孔部由垂直于第一基板表面的导入直孔、导入直孔下端相接的第一底部宽孔，以及位于该底部宽孔与所述导入直孔下端的交接处的、伸向该底部宽孔的第一突起部组成；隔离孔部由垂直于第一基板表面的隔离直孔、与该隔离直孔下端相接的第二底部宽孔，以及位于该第二底部宽孔与所述隔离直孔下端的交接处的、伸向该第二底部宽孔的第二突起部组成；3)所述的第二基板上的插入头构件，至少包含两个插入头部，它是由垂直于第二基板表面的插入块、该插入块的下端两侧与基板表面交接处的凹部、位于该凹部与所述插入块下端交接处的伸向第二基板表面的第三突起部组成。4)所述的插入头部与导入孔部对准，将插入头插入导入孔，形成所述第一突起部与第三突起部的横向交叉，实现锁定连接。
2.按权利要求1所述带有微型连接构件的基板，其特征在于所述导入直孔上端与第一基板表面交接处为导入斜面部。
3.按权利要求1所述带有微型连接构件的基板，其特征在于导入孔部的数量，不少于插入头部的数量；导入孔构件中的第一基板的表面到底部宽孔的顶部之间的距离，不大于插入头构件中的插入头部的表面到所述凹部的顶部之间的距离；插入头构件的插入头的宽度，大于所述的导入孔构件的导入直孔宽度。
4.按权利要求1、2或3所述带有微型连接构件的基板，其特征在于第一基板和第二基板为(100)晶向的单晶硅片基板。
5.按权利要求1、2所述的带有微型连接构件的基板的的制造方法，其特征在于1)带有导入孔构件的第一基板的制作步骤是a)在第一基板上形成前记导入斜面部；b)通过对前记导入斜面部的下底面的腐蚀，形成宽度与所述下底面宽度相同的导入直孔；同时，形成隔离直孔；c)在第一基板的表面、导入斜面部的侧面、导入直孔的侧面和底面、隔离直孔的侧面和底面同时形成抗腐蚀的钝化层；d)去除所述导入孔底面和隔离直孔底面的钝化层；e)通过各向异性腐蚀形成所述第一底部宽孔和第一突起部，和第二底部宽孔和第二突起部；同时，形成所述隔离块部；2)带有插入头构件的第二基板的的制作步骤是a)在第二基板上形成前记插入斜面部；b)通过对前记插入斜面部的下缘两侧第二基板的腐蚀，形成宽度与所述插入斜面部的下缘宽度相同的插入块；c)在插入斜面部的侧面、插入块的侧面和两侧第二基板的表面形成抗腐蚀的钝化层；d)去除所述插入块两侧第二基板的表面的钝化层；e)通过各向异性腐蚀形成前记凹部和第三突起部。
6.按权利要求1所述的带有微型连接构件的基板用于光纤定位槽结构和封装，其特征在于在第一基板的中央部形成用于光纤对准定位的第一V形槽；在第二基板的中央部形成用于光纤对准定位的第二V形槽；将第一基板上的第一V形槽与第二基板上的第二V形槽正相对，将光纤置于第一V形槽和第二V形槽之间。
7.按权利要求1所述的带有微型连接构件的基板用于微型压阻式加速度传感器的封装，其特征在于在第一基板上形成质量块，以及质量块与第一基板间的梁和间隙；以及梁上的压力敏感电阻；在第二基板的中央部形成的凹槽。将第一基板与第三基板键合后，就构成了微型压阻式加速度传感器。将第一基板的导入直孔与第二基板上的插入块正相对，再将插入块插入导入直孔中，使第一突起部与第三突起部形成横向交叉，实现第一基板与第二基板之间的锁定连接，完成微型压阻式加速度传感器的封装。
8.按权利要求7所述的带有微型连接构件的基板用于微型压阻式加速度传感器的封装的应用，其特征在于所述的第三基板或为硅片基板或为玻璃基板。
全文摘要
本发明涉及带有微型连接构件的基板及其制作方法，可分为带有导入孔构件的第一基板和带有插入头构件的第二基板。导入孔构件，由第一基板上的至少两个导入孔部和至少两个隔离孔部，以及两者之间的间隔块部组成；导入孔部由垂直于第一基板表面的导入直孔及其下端的第一底部宽孔，以及位于该底部宽孔与导入直孔下端交接处的、伸向底部宽孔的第一突起部组成。插入头构件，包含至少两个插入头部，由垂直于第二基板表面的插入块及其下端两侧与基板表面交接处的凹部、及第三突起部组成。插入头部与导入孔部对准，将插入头插入导入孔，形成第一突起部与第三突起部的横向交叉，实现锁定连接。提供了一种工艺简单、封装应力低、具有多器件通用性的晶圆级封装规范。
文档编号G01P15/12GK1481000SQ0312899
公开日2004年3月10日 申请日期2003年5月30日 优先权日2003年5月30日
发明者焦继伟, 黄蓉, 王跃林 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所, 中国科学院上海微系统与信息技术研究