本發明屬于微電子機械，尤其涉及一種超厚結構和超小結構間隙的mems器件及加工方法。

背景技術：

1、微機電系統(micro?electro-mechanical?systems，mems)可以實現大批量、低成本制造的優勢，同時器件尺寸小、功耗低在生物、氣體、和慣性傳感等領域獲得越來越多的應用。

2、mems器件結構加工一般可分為表面微加工工藝和體硅加工工藝。體硅加工工藝通過晶圓鍵合的方式實現晶圓的結合或者器件的密封，結構層可以采用單晶硅晶圓，相比沉積的多晶硅，單晶硅材料具有更優的機械和電學特性，在高精度慣性傳感的mems陀螺儀、加速度計等器件中應用廣泛。mems陀螺和加速度計通過提高可動結構厚度的方法可以有效增加傳感質量，提高器件性能。對于電容式mems器件，電容間隙也是影響器件信噪比的關鍵參數，減小電容間隙可以顯著增加電容驅動能力，或者顯著提高電容檢測靈敏度。

3、相比于表面微加工工藝，體硅工藝通過光刻結合各向異性的干法刻蝕和各向同性的濕法刻蝕可以實現更厚的mems器件核心結構加工。然而受限于mems加工能力尤其是drie刻蝕深寬比，結構厚度和最小結構間隙比值受限。一般mems可動結構厚度在50um～70um，電容最小間隙一般在2um～5um。對于超厚結構的加工，一方面隨著刻蝕深度的增加，刻蝕效率顯著降低，刻蝕時間顯著延長，光刻膠掩膜損耗更多，drie刻蝕深寬比提升更加困難。另一方面，刻蝕過程中結構間隙小的區域刻蝕速率顯著低于結構間隙大的區域也即lag效應導致mems器件加工均勻性顯著下降。為了提高刻蝕均勻性，一般在結構中加入dummy填充結構，保證刻蝕的結構間隙一致。但該方法結構間隙受限于干法刻蝕深寬比，隨著結構厚度的增加，結構間隙較大。

技術實現思路

1、發明目的：提供一種超厚結構和超小結構間隙的mems器件及加工方法，解決超厚硅結構加工過程中刻蝕深寬比提升困難，結構間隙受限于刻蝕深寬比的問題，有效消除lag效應影響，同時實現大結構間隙和小結構間隙的刻蝕。該方法打破超厚結構drie刻蝕深寬比的限制，進一步降低超厚結構中最小結構間隙的尺寸。

2、技術方案：

3、一種超厚結構和超小結構間隙的mems器件，包括：蓋板333、硅結構層201和硅通孔片111，三者通過鍵合組成，

4、硅通孔片111包括：第一腔6、第一支撐結構7、硅通孔5、氧化層4和導電金屬9，其中，第一腔6為位于片內的方形淺腔，第一腔6側壁為第一支撐結構7，硅通孔5包括干法刻蝕孔8和與干法刻蝕孔8位置對應的濕法刻蝕形成的梯形孔，干法刻蝕孔8為圓形、方形或多邊形，導電金屬9位于硅通孔5內壁面；

5、所述硅結構層201包括：mems器件的薄可動結構24、厚可動結構26、第一錨點25、填充結構錨點29、電極22和第一密封環21，小結構間隙23為薄可動結構24和電極22之間的間隙；厚可動結構26和第一錨點25之間間隙、厚可動結構26和填充結構錨點29之間間隙以及厚可動結構26之間間隙均為大結構間隙27；片內薄可動結構24和小結構間隙23背面區域有第二腔28，第二腔28為干法刻蝕制作的方形淺腔或濕法刻蝕制作的梯形淺腔，硅結構層201和硅通孔片111通過硅硅鍵合方式連接，第一錨點25位于片內和硅通孔片111的支撐結構7對應，第一密封環21位于片外圍也與硅通孔片111的支撐結構7對應，硅結構層電極22與硅通孔片111上的硅通孔5的干法刻蝕孔8對應，信號直接通過硅通孔片111上的硅通孔5導電金屬9引出；

6、所述蓋板333所用soi片包括與硅結構層201鍵合的頂層硅31、中間緩沖層32和支撐層33，所述蓋板333頂層硅31結構包括和硅結構層201第一密封環21位置對應的第二密封環36，和硅結構層201錨點對應的第二錨點37，蓋板333和硅結構層201通過中間金屬層35鍵合方式密封。

7、進一步地，蓋板333的soi頂層硅31結構還包括：硅導帶38，硅導帶38將第二錨點37與電極22連接，硅導帶38通過在soi頂層硅31上兩次刻蝕形成，硅導帶38用于減少硅通孔5的數量以及排布，所述頂層硅31為低阻硅，電阻率為0.001ω·cm～0.1ω·cm。

8、進一步地，蓋板333為硅片666，蓋板333結構包括第三錨點63、氧化層61和第三密封環62，硅片666刻蝕出第三錨點63和第三密封環62，然后熱氧在表面形成氧化層61，最后制作鍵合用中間金屬層35與硅結構層201鍵合密封。

9、進一步地，硅通孔片111包括：第一腔6、硅通孔5、氧化層4、導電金屬9，硅通孔5包括干法刻蝕孔8和與干法刻蝕孔8位置對應的濕法刻蝕形成的梯形孔，硅結構層444包括第四密封環41、第四錨點46、第四填充結構錨點50、第四腔47、第五腔45、第四薄可動結構44、第四厚可動結構48，其中，

10、第四腔47位于片內第四錨點46周圍刻蝕制作的淺腔，為干法刻蝕制作的方形淺腔或濕法刻蝕制作的梯形淺腔，第五腔45位于第四薄可動結構44和第四小結構間隙43背面對應區域，其中第四腔47深度小于于第五腔45深度；

11、第四小結構間隙43為第四電極42和第四薄可動結構44之間間隙，第四大結構間隙43為第四厚可動結構44之間、第四厚可動結構44與第四填充結構錨點50之間以及第四厚可動結構44與第四錨點46之間的間隙。

12、進一步地，硅結構層444所用的soi頂層硅通過兩次光刻和刻蝕，刻蝕出第四腔47、第四錨點46和第五腔45；之后硅結構層444與硅通孔片111進行硅硅鍵合；然后在頂層硅401無圖形面光刻刻蝕，制作第四小結構間隙43和第四大結構間隙49，形成第四密封環41、第四錨點46、第四薄可動結構44、第四填充結構錨點50和第四厚可動結構48，最后與蓋板333進行鍵合密封。

13、一種上述的mems器件的方法，包括以下步驟：

14、a制作硅通孔片111，通過干法刻蝕制作支撐結構7和干法刻蝕孔8，濕法刻蝕制作硅通孔5，之后氧化硅通孔片111；

15、b制作硅結構層201，在一定厚度的頂層硅201的soi片沉積氧化硅13，在薄可動結構24和小結構間隙23背面區域旋涂光刻膠14，光刻、rie刻蝕氧化硅，干法刻蝕或濕法刻蝕硅制作第二腔28，去除頂層硅201表面氧化硅，清洗，soi片頂層硅201與硅通孔片111進行硅硅鍵合，去除soi片支撐層203和緩沖層202；與硅通孔片111硅硅鍵合的頂層硅201上光刻刻蝕制作小結構間隙23和大結構間隙27，形成薄可動結構24、厚可動結構26、鍵合錨點29、填充結構錨點29和電極22；

16、c在蓋板333soi的頂層硅31上制作第二密封環36、第二錨點37結構，沉積鍵合中間金屬層35，光刻、刻蝕中間金屬層35，采用金-硅鍵合或金-金鍵合的中間金屬層鍵合方式實現蓋板333與硅結構層201的連接和密封，通過硬掩膜在硅通孔片111硅通孔5內鍍制導電金屬9，實現電極的引出。

17、進一步地，硅結構層201選用雙拋硅片666，通過將雙拋硅片666與支撐片臨時鍵合的方式進行操作，光刻刻蝕制作第二腔28后，硅結構層201與硅通孔片111硅硅鍵合后去除臨時支撐片和臨時鍵合膠。

18、進一步地，硅結構層201為雙拋硅片，在硅片第一面完成第二腔28制作后與硅通孔片111鍵合，鍵合后通過對硅片減薄后得到的適當厚度的硅片，再進行第二面的制作。

19、有益效果：

20、本發明的全硅mems結構器件，溫度特性好，采用硅通孔直接引出電極，采用soi蓋板可同時實現腔內電極間的互連、硅通孔電極的重新排布和密封，電信號引出方便，設計靈活度高。通過在結構層小結構間隙區域背對準刻蝕降低高深寬比區域厚度，有效消除lag效應影響，同時實現大結構間隙和小結構間隙的刻蝕。該方法打破超厚結構drie刻蝕深寬比的限制，進一步降低超厚結構中最小結構間隙的尺寸，顯著提高電容式mems器件驅動和檢測能力。