熱隔離微機電系統（MEMS）器件的單片製造的製作方法

2023-08-01 09:07:01 6

本申請要求2015年5月22日提交的題為MONOLITHIC FABRICATION OF THERMALLY ISOLATED MEMS DEVICES的美國臨時專利申請序號62/165,286的權益，該申請通過引用被結合到本文中。

背景技術：

要求一些微機電系統（MEMS）器件在寬溫度範圍內進行操作，但是這些器件的性能常常受到溫度變化的不利影響。例如，MEMS慣性傳感器的偏置和比例因子從-45℃至85℃顯著地改變。為了使這些影響最小化，常常基於一次性工廠校準對傳感器輸出數據進行溫度補償。校準緩解差錯但並未將其完全消除。常常用來進一步改善MEMS器件的一種方法是保持器件在剛好在最大指定操作溫度以上的溫度下被加熱。使MEMS器件溫度穩定在理論上消除了溫度變化的不利影響。

溫度穩定化常常要求不可接受的功率消耗水平。如果實現了充分的熱隔離，則可以用有限的功率消耗來執行主動溫度控制。現有技術系統中的充分熱隔離由於施加於器件幾何結構和材料的約束而要求增加複雜性（和因此增加成本）。

由現有技術提供的解決方案包括其中與MEMS管芯分開地製造熱隔離臺階（stage）的非單片系統。在製造熱隔離臺階之後，通過焊接、熱超聲結合、凸塊結合等將MEMS管芯附著到熱隔離臺階。由於需要以下兩者而增加了成本和複雜性：1）製造單獨熱隔離臺階的過程；以及2）將MEMS管芯附著到熱隔離臺階的過程。將管芯附著到熱隔離臺階的附加處理可能對MEMS管芯的長期穩定性有害，並且由於附著點的機械漂移而導致退化的性能。

技術實現要素：

本申請涉及用於製造熱隔離微機電系統（MEMS）結構的方法。該方法包括用玻璃晶片來處理第一材料的第一晶片以形成複合襯底，該複合襯底包括玻璃和第一材料的至少一個犧牲結構；在第二材料中形成MEMS器件；在以下各項中的至少一個上形成至少一個溫度感測元件：複合襯底；以及MEMS器件；以及蝕刻掉複合襯底中的第一材料的至少一個犧牲結構以形成至少一個熱隔離玻璃彎曲部分。在熱隔離臺階上通過所述至少一個熱隔離玻璃彎曲部分將MEMS器件熱隔離。所述至少一個溫度感測元件在以下各項中的相應至少一個上：熱隔離臺階；以及MEMS器件。

附圖說明

圖1-7是根據本申請的實施例的包括嵌入玻璃中的至少一個嵌入式犧牲結構的複合襯底的各種生產階段的橫截面側視圖；

圖8A、8B和9是針對根據本申請的實施例的處理第二晶片以在襯底上形成MEMS器件的實施例的各種生產階段的橫截面側視圖；

圖10示出了被結合到圖5的複合襯底的圖9的已處理第二晶片；

圖11-12是根據本申請的一個實施例的處於各種生產階段的在集成熱隔離臺階上的MEMS結構的橫截面側視圖；

圖13示出了根據本申請的一個實施例的封裝上的MEMS結構的實施例的頂視圖；

圖14是圖13的MEMS結構的實施例的第一橫截面側視圖；

圖15是圖13的MEMS結構的實施例的第二橫截面側視圖；

圖16示出了根據本申請的一個實施例的MEMS結構的另一實施例的橫截面側視圖；

圖17示出了根據本申請的一個實施例的MEMS結構的另一實施例的橫截面側視圖；以及

圖18示出了根據本申請的MEMS結構的另一實施例的橫截面側視圖。

根據一般慣例，各種描述的特徵未被描繪成比例，而是被繪製以強調與示例性實施例有關的特定特徵。

具體實施方式

本文中描述的微機電系統（MEMS）結構或器件體系結構的實施例將MEMS器件集成在熱隔離結構中以將MEMS器件與外部環境熱隔離。熱隔離結構由充分地不導熱以將MEMS器件與外部環境隔離的材料形成。出於本說明書的目的，在其上集成了MEMS器件的術語「熱隔離結構」是具有足夠低的導熱率使得熱傳遞（到MEMS器件或從MEMS器件）以相對低的速率發生的結構。在本實施例的一個實施方式中，熱隔離結構包括熱隔離臺階和至少一個熱隔離彎曲部分。

本文中描述的MEMS結構是低成本MEMS結構，其以相對低的功率要求將MEMS器件維持在期望的溫度。通過主動地將熱隔離臺階加熱來將熱隔離臺階維持在所選溫度。維持熱隔離臺階的期望溫度所需的功率比在現有技術系統中的低得多，因為支撐MEMS器件的熱隔離臺階通過至少一個熱隔離彎曲部分與外部環境熱隔離。

熱隔離彎曲部分是將包含MEMS器件的熱隔離臺階連接到被錨定到封裝的固定框的梁（beam）。出於本說明書的目的，術語「熱隔離彎曲部分」是一個或多個彎曲部分，其具有足夠低的導熱率，使得從熱隔離臺階到外框的熱傳遞至少部分地由於彎曲部分的小橫截面面積而以相對低的速率發生。在本實施例的一個實施方式中，熱隔離結構由玻璃形成。

當熱隔離結構由玻璃形成時，與玻璃熱隔離臺階集成的MEMS器件通過至少一個熱隔離玻璃彎曲部分與外部環境熱隔離。在本文中可交換地使用術語「熱隔離玻璃彎曲部分」、「熱隔離彎曲部分」以及「玻璃彎曲部分」。

在本實施例的另一實施方式中，熱隔離結構由除玻璃之外的材料形成，該材料具有適當熔點以允許製造MEMS結構，並且具有適當導熱率以使熱隔離臺階上的集成MEMS器件熱隔離。適當熔點低於在下面描述的複合襯底中的犧牲材料的熔點。適當導熱率小於或處於玻璃的導熱率的數量級（即，處於或小於1 W/m-K的數量級）。

本文中描述的熱隔離MEMS結構的一些實施例是在包括至少一個犧牲結構和玻璃的複合襯底中用嵌入式犧牲材料製造的。本文中描述的熱隔離MEMS結構的其它實施例是用包括至少一個犧牲結構的複合襯底中的嵌入式犧牲材料以及具有適當熔點和適當導熱率以允許製造MEMS結構的材料製造的。

如本文所使用的，術語「犧牲結構」指代在形成MEMS結構的過程完成之前被去除的材料層中形成的特徵。本質上，犧牲結構充當用以定義MEMS結構的玻璃層中的熱隔離特徵的結構（形狀、尺寸以及位置）的模具。

玻璃層中的犧牲結構的使用使得能夠在MEMS體系結構中形成集成或嵌入式熱隔離特徵。將玻璃圖案化的傳統方法包括溼法化學蝕刻過程和深反應離子刻蝕。這些方法常常與MEMS器件體系結構中的各種材料不相容，並且因此作為在MEMS器件的玻璃層中製造熱隔離特徵的手段是不合期望的。

有利地，用本文中描述的犧牲材料過程，在用凹槽將玻璃圖案化之前且在用於MEMS器件的金屬化之前定義熱隔離特徵。為了實現這一點，用具有在玻璃的熔化或軟化溫度之上的熔化或軟化溫度的材料形成犧牲結構。因此，材料陣列可用於供作為犧牲結構之用。在一個實施例中，選擇半導體材料（諸如本徵矽）作為犧牲材料。除具有高熔化或軟化溫度之外，矽容易經由深反應離子刻蝕來進行微加工，從而使得能夠形成對形成犧牲特徵有用的高深寬比特徵。

犧牲材料被設計成與後續MEMS過程步驟相容。在製造MEMS器件之後，可以用適當的蝕刻劑來去除嵌入式犧牲結構，從而在玻璃層中留下嵌入式熱隔離特徵。有利地，本技術適用於在其體系結構中包含玻璃層的任何MEMS結構。

下面描述的實施例提供了用於單片製造直接地集成在玻璃熱隔離臺階上且被（一個或多個）玻璃彎曲部分錨定以將MEMS器件熱隔離的MEMS器件的廉價方法。可以使用本文中描述的技術在單片熱隔離封裝中容易地製造MEMS器件，該MEMS器件是溫度敏感的。由於本文中描述的MEMS結構在熱隔離封裝方面沒有現有技術MEMS結構那麼複雜，所以本文中描述的MEMS結構製造起來是相對廉價的，並且可以在不要求大量的功率來將MEMS器件保持在最佳操作溫度的情況下在大的溫度範圍內使用。

本文中描述的製造過程使用使得能夠在玻璃中嵌入犧牲結構的現有製造過程。這些犧牲結構稍後被去除以在玻璃中製作切口（空隙）。玻璃中的切口被用來形成至少一個玻璃彎曲部分、固定玻璃框以及保持MEMS器件的熱隔離臺階。由於玻璃具有低導熱率，所以玻璃彎曲部分具有高熱阻，這使附著臺階的加熱期間的功率消耗最小化。將附著到至少一個玻璃彎曲部分的熱隔離臺階與MEMS器件單片集成。因此，該單片製造系統與現有技術系統相比製造起來不那麼複雜且不那麼昂貴。

在本實施例的一個實施方式中，通過一個或多個玻璃彎曲部分將玻璃熱隔離臺階錨定到固定框以使得能夠實現MEMS器件的低功率主動溫度控制。可以在（一個或多個）玻璃彎曲部分上沉積具有可忽略的導熱橫截面的金屬線（例如，跡線）以將外部電路電連接到MEMS器件和MEMS器件上或者保持MEMS器件的導熱臺階上的任何其它溫度控制或溫度讀取（即，溫度感測）電路。在本實施例的一個實施方式中，在玻璃臺階上形成的電阻器被用於加熱和/或溫度讀出（感測）。以這種方式，控制玻璃臺階的溫度以改善MEMS器件的準確度和穩定性。

可以在複合襯底上或在結合到複合襯底的第二晶片上形成MEMS器件。下面參考圖1-14描述的處理步驟提供了用以在相應至少一個玻璃熱隔離臺階上建立至少一個MEMS器件的兩個可選的可能製造流程。在本實施例的一個實施方式中，MEMS器件是一個或多個矽MEMS慣性傳感器。MEMS器件可包括但不限於檢測塊、交錯梳齒、彎曲部分和其它電極。參考熱隔離臺階上的MEMS器件來描述用以製造MEMS結構的實施例的處理步驟。應理解的是用以製造MEMS結構的實施例的處理步驟適用於製造在相應的多個玻璃熱隔離臺階上製造包括多個MEMS器件的多個MEMS結構。

圖1-7是根據本申請的實施例的包括嵌入玻璃中的至少一個嵌入式犧牲結構的複合襯底的各種生產階段的橫截面側視圖。提供第一材料的第一晶片100（圖1）。第一晶片100是在當在促使玻璃軟化的溫度下處理時保持其形狀的任何材料中製造的晶片。在本實施例的一個實施方式中，第一材料是半導體材料。在本實施例的另一實施方式中，第一材料是矽。在本實施例的又一實施方式中，第一晶片100是P型矽晶片100。下面參考圖1-5和6B-13來描述該後者實施例。

蝕刻第一材料層108以形成至少一個犧牲結構110（圖2）。犧牲結構110被支撐在圖案化和蝕刻完成之後剩餘的第一晶片100的底部部分109上。至少一個犧牲結構110限定用於所述至少一個熱隔離玻璃彎曲部分和熱隔離臺階的模具。在本實施例的一個實施方式中，使用深反應離子刻蝕（DRIE）來對矽晶片100進行圖案化和蝕刻以形成犧牲矽結構110，其在本文中也被稱為「犧牲結構110」。可以使用其它技術來形成犧牲結構110。

根據MEMS器件、熱隔離臺階以及玻璃彎曲部分的期望設計來將犧牲結構110圖案化。在形成犧牲矽結構110之後，將圖2中示出的蝕刻矽晶片110稱為「圖案化第一晶片115」或「圖案化矽晶片115」。

如圖3中示出的，玻璃晶片125在小於外部環境氣氛75（即，壓強P1）的氣氛（即，壓強P2）被定位於圖案化第一晶片115上且被結合到（例如，被陽極結合到）圖案化第一晶片115。結合到圖案化第一晶片115的玻璃晶片125在本文中被稱為晶片堆疊105。在本實施例的一個實施方式中，圖案化第一晶片115是圖案化矽晶片115，並且結合到圖案化矽晶片115的玻璃晶片125在本文中被稱為玻璃矽晶片堆疊105。參考作為矽晶片110的第一晶片110來描述以下示例性處理步驟。

玻璃晶片125在處於小於外部環境氣氛75的壓強P1（P1＞P2）的壓強P2下的氣氛中被結合到圖案化第一晶片115，由表面111、玻璃晶片125的表面119以及犧牲結構110（例如，犧牲第一材料結構110）包圍的腔體116相對於環境氣氛76的壓強P1處於較低壓強P2。在本文中也將玻璃晶片125稱為實心玻璃晶片125，因為為了確保在結合過程期間形成低壓腔體116，玻璃晶片125沒有延伸通過玻璃晶片125的兩個表面（相對表面119和126）的任何孔或開口。

在通常處於或約為大氣壓強的環境氣氛75中，玻璃矽晶片堆疊105被加熱至或超過玻璃的軟化溫度。環境氣氛75的壓強P1與腔體116中的氣氛的較低壓強P2之間的壓強差ΔP＝P1－P2促使軟化的玻璃被拉入腔體116中，如圖4中示出的那樣。該過程從晶片堆疊105（圖3）形成改性玻璃晶片117（圖4）。通過熔化/軟化對實心玻璃晶片125（圖3）進行改造作為覆蓋犧牲矽結構110的區中的表面128上具有凸塊124的改造玻璃晶片118。改性玻璃晶片117包括圖案化矽晶片115的底部部分109、犧牲矽結構110和包圍犧牲矽結構110（圖2）的改造玻璃晶片118。

改造玻璃晶片118的表面128和矽晶片100的表面112（例如，改性玻璃晶片117的表面128和112被研磨、拋光和/或蝕刻以去除無關的矽和無關的玻璃以形成複合襯底120（圖5），其在本文中也被稱為「玻璃襯底120」。複合襯底120具有相對的玻璃表面126和127。為了確保嵌入式犧牲特徵113不會突出到表面127以上，將犧牲矽結構110的末端129蝕刻至在複合襯底120的表面127以下或與複合襯底120的表面127齊平。

如本文定義的，無關的矽是圖案化矽晶片115的底部部分109（圖2）。如本文定義的，無關的玻璃包括玻璃凸塊124和覆蓋在改性玻璃晶片117的犧牲矽結構110的末端129以上的玻璃（圖4）。圖案化第一晶片115（圖2和3）上的犧牲結構110被稱為「複合襯底120中的犧牲結構113」、「嵌入式犧牲結構113」以及「嵌入式犧牲矽結構113」。

圖1-5中示出的過程圖示出用於用玻璃晶片100來處理第一材料的第一晶片100以形成包括玻璃和第一材料的至少一個犧牲結構110的複合襯底120的步驟。

在本實施例的一個實施方式中，直接地在複合襯底120的拋光第一表面127上形成用於MEMS結構的MEMS器件321。圖1-6A中圖示的處理步驟是形成具有嵌入式犧牲結構113的玻璃襯底120和集成在複合襯底120的第一表面127上的MEMS器件321所需的處理步驟。在本實施例中，在複合襯底120的拋光第一表面127上沉積第二材料層。然後，將第二材料層圖案化並蝕刻以形成MEMS器件321。第二材料是如本領域的技術人員已知的適合於MEMS器件321的設計和功能的材料。在本實施例的另一實施方式中，在複合襯底120的拋光第一表面127上和/或在第二材料層上沉積至少一個導電層。對導電層進行圖案化和蝕刻以形成以下各項中的至少一個：電路；電路部件；導電互連；結合焊盤；電極、用於加熱的電阻器；以及用於溫度讀出的電阻器，其每個在本文中被稱為元件130。

在本實施例的另一實施方式中，在結合到複合襯底120的第二晶片上形成MEMS器件321。圖8A、8B和9是根據本申請的實施例的處理第二晶片210以在襯底215上形成MEMS器件321的實施例的各種生產階段的橫截面側視圖。圖1-5、6B和7中圖示的處理步驟示出了以下各項所需的處理步驟：形成具有嵌入式犧牲結構113的玻璃襯底120；形成用於稍後結合到圖9中示出的MEMS器件321的凸起區域121和122；以及形成電氣部件/或電氣特徵130。圖8A、8B和9中圖示的處理步驟示出了在第二晶片210的襯底215上形成MEMS器件321所需的處理步驟。如圖10中示出的，然後將已處理第二晶片211（圖9）結合到複合襯底120（圖7）。

在圖8A和8B中示出的實施例中，第二晶片210包括覆蓋襯底215的表面224的器件層220。處理第二晶片210以在已處理第二晶片211的表面224上形成MEMS器件321（圖9）。襯底215是用於在將第二晶片結合到複合襯底120時遵循處理步驟的把手（handle）。

在玻璃襯底120的表面127中對用於稍後結合到MEMS器件321的凸起區域121和122（圖6B和7）進行圖案化和蝕刻。為了確保嵌入式犧牲特徵113不會在蝕刻複合襯底120的表面123以上突出，將犧牲矽結構110的末端129蝕刻至在複合襯底120的表面123（圖6）以下或與該表面123齊平。

在本實施例的一個實施方式中，還在玻璃襯底120上形成電氣部件和/或電氣特徵130。在這種情況下，在拋光第一表面127（圖5）上或在複合襯底120中的凸起區域121和122之後被暴露的表面123（圖6B）上沉積至少一個導電層。然後對所述至少一個導電層進行圖案化（使用光致抗蝕劑和/或其它已知技術），並蝕刻以形成以下各項中的至少一個：電路；電路部件；導電互連；結合焊盤；電極、用於加熱的電阻器；以及用於溫度讀出的電阻器。這些導電特徵在本文中一般地被稱為元件130。在本實施例的一個實施方式中，導電特徵130由金屬或金屬合金形成。在本實施例的另一實施方式中，在半導體材料中形成導電特徵130。

在本實施例的一個實施方式中，至少一個導電層被沉積，圖案化和蝕刻以在通過玻璃襯底120的後處理形成的熱隔離臺階上形成溫度感測元件130。在本實施例的另一實施方式中，至少一個導電層被沉積，圖案化和蝕刻以在熱隔離臺階上形成溫度控制元件130。在本實施例的又一實施方式中，至少一個導電層被沉積，圖案化和蝕刻以在熱隔離臺階上形成溫度感測元件130和溫度控制元件130。溫度感測元件130和溫度控制元件130可以是電阻元件。在本實施例的一個實施方式中，溫度感測元件130是由在玻璃襯底120上圖案化的電阻元件形成的惠斯通電橋130。

在其中通過處理圖8A的第二晶片210來形成MEMS器件321（圖9）的示例性實施例中，MEMS器件321包括第一部分221、第二部分222以及第三部分223。用於MEMS器件321的其它配置是可能的。在一個實施例中，在圖9中示出的MEMS器件321上不存在溫度感測元件或溫度控制元件。

在本實施例的一個實施方式中，第二晶片210的襯底215是低摻雜P型矽襯底220，並且器件層220是高摻雜P++矽層220。用DRIE對第二晶片210進行圖案化和處理以從高摻雜P++矽層220定義示例性矽MEMS器件321（圖9）。在本實施例的另一實施方式中，在半導體材料中形成第二晶片210。在本實施例的又一實施方式中，在除半導體之外的材料中形成MEMS器件321。

在其中通過處理第二晶片210（圖8A）來形成MEMS器件321（圖9）的另一示例性實施例中，在第二晶片210（圖8B）上沉積導電層135。進一步處理塗敷有導電層135的第二晶片212以如下描述的那樣對具有可選溫度感測元件131和/或溫度控制元件131（可選地在圖9中示出）的MEMS器件321進行圖案化和蝕刻。在此後一實施例中，存在形成於MEMS器件132上的至少一個電路。溫度感測元件131在本文中也被稱為溫度讀出元件131。溫度感測元件131是電阻元件，並且可以採取許多不同形式。在本實施例的又一實施方式中，將MEMS器件321的諧振頻率設計成提供溫度反饋。

在本實施例的一個實施方式中，導電層135是金屬層。在本實施例的另一實施方式中，導電層135是半導體層。當在蝕刻半導體器件層220之前在MEMS襯底210上沉積，圖案化和蝕刻導電層135時還形成用以將溫度控制元件131和/或溫度感測元件131通信地耦合到在MEMS結構外部的電路的跡線。

在本實施例的一個實施方式中，溫度控制131和溫度感測元件131中的一者或兩者是惠斯通電橋131。在本實施例的另一實施方式中，MEMS器件321是MEMS傳感器321。例如，MEMS器件321可以是MEMS慣性傳感器321，並且包括加速度計321或陀螺儀321中的一個或多個。

在如圖7中示出的複合襯底120或者如圖9中示出的第二晶片210上的MEMS器件321中的至少一個上分別形成至少一個溫度感測元件130或131。在本實施例的一個實施方式中，還在如圖7中示出的複合襯底120或如圖9中示出的第二晶片210上的MEMS器件321中的至少一個上形成至少一個溫度控制元件130或131。在本實施例的另一實施方式中，在如圖7中示出的複合襯底120上形成溫度控制元件130，並在如圖9中示出的第二晶片210上的MEMS器件321上形成溫度感測元件131。在本實施例的又一實施方式中，在如圖7中示出的複合襯底120上形成溫度感測元件130，並在如圖9中示出的第二晶片210上的MEMS器件321上形成溫度控制元件131。在本實施例的又一實施方式中，在如圖7中示出的複合襯底120上形成溫度感測元件130和溫度控制元件130兩者。在本實施例的又一實施方式中，在如圖9中示出的第二晶片210上的MEMS器件321上形成溫度感測元件131和溫度控制元件131兩者。

圖10示出了結合到圖5的複合襯底120的圖9的已處理第二晶片211。在本示例性實施例中，複合襯底120的凸起區域121和122被分別結合（例如，陽極結合）到MEMS器件321的第一部分221和第二部分223。如圖10中示出的，在複合襯底120上形成溫度感測元件130。

圖11-12是根據本申請的一個實施例的處於各種生產階段的在集成熱隔離臺階上的MEMS結構的橫截面側視圖。如圖11中示出的，圖10的結構已被處理以去除（蝕刻掉）低摻雜P型矽215，其在本文中被稱為「矽把手」。使用化學蝕刻劑來在蝕刻低摻雜P型矽215的同時保持MEMS器件321的第一、第二以及第三部分221、222以及223中的高摻雜P++矽。

圖12示出了嵌入玻璃襯底120中的犧牲矽結構113已被蝕刻掉使得剩餘玻璃襯底420包括空隙329之後的圖11的結構。犧牲矽結構113過去所在的區域現在是空隙329。空隙329在本文中還被稱為玻璃襯底420中的「切口329」。剩餘玻璃襯底420被附著到MEMS器件321。具有附著MEMS器件321的玻璃襯底420被稱為MEMS結構250。玻璃襯底420還包括被配置成用於將MEMS結構250電耦合到封裝/晶片載體的至少一個部位（例如，結合焊盤130）。

圖13示出了根據本申請的一個實施例的封裝350上的MEMS結構251的實施例的頂視圖。MEMS結構251是在玻璃襯底420被切割而形成多個MEMS結構251之後形成的晶片（管芯）。封裝350在本文中還被稱為晶片載體350。圖14是圖13的晶片載體350上的MEMS結構251的實施例的第一橫截面側視圖。在圖13中通過剖面線14-14來指示在其上得到圖14的橫截面視圖的平面。圖15是圖13的晶片載體350上的MEMS結構251的實施例的第二橫截面側視圖。在圖13中通過剖面線15-15來指示在其上得到圖15的橫截面視圖的平面。

如從圖13的頂視圖示出的，通過從複合襯底120（圖11）蝕刻掉第一材料的犧牲結構110而在玻璃襯底420中形成的空隙（切口329）形成熱隔離臺階327、至少一個玻璃彎曲部分401以及玻璃框328。MEMS器件321被直接地建立到還支撐溫度感測元件511的玻璃熱隔離臺階327上。熱隔離臺階327通過熱隔離玻璃彎曲部分401而被連接到玻璃框328，這提供在MEMS器件321的主動溫度控制期間使功率消耗最小化所必需的大的熱阻。玻璃彎曲部分401的窄寬度W減少了熱隔離臺階327上的MEMS器件321與玻璃框328之間的熱流。

在圖14和15的橫截面視圖中通過虛線框327示出了玻璃襯底420的熱隔離臺階327的部分。在圖14和15中通過虛線框328示出了玻璃襯底420的玻璃框328的部分。玻璃框328通過結合物214被附著到晶片載體350（圖14和15）。

如圖13中示出的，跡線134將MEMS器件321通信地耦合到結合焊盤132。玻璃襯底420的玻璃框328包括用於將MEMS結構251耦合到封裝350上的結合物133的至少一個部位（結合焊盤132）。多個導線136將結合焊盤132電耦合到封裝350上的結合焊盤133。經由跡線134和錨定玻璃框328上的結合焊盤132在MEMS器件321與封裝350上的結合焊盤133之間路由電信號。

跡線134覆蓋玻璃彎曲部分401。在圖15中，示出了覆蓋玻璃襯底420的玻璃框328的跡線134的橫截面視圖。在MEMS器件321與玻璃框328之間經由跡線134的熱傳遞是可忽略的，因為跡線134具有比玻璃彎曲部分401的寬度W（圖13）小得多的寬度。

本領域的技術人員認識到可以根據針對MEMS結構250中的MEMS器件321的結構和功能的要求將MEMS結構251封裝。由於玻璃襯底420的低導熱率，MEMS器件321與封裝/晶片載體350熱隔離。這使得能夠實現MEMS器件321的低功率主動溫度控制。

因此，結合到玻璃襯底420的器件層22（圖8A）在熱隔離臺階327上形成MEMS器件321和至少一個溫度感測元件511。在本實施例的一個實施方式中，結合到玻璃襯底420的器件層220（圖8A）形成MEMS器件321以及溫度感測元件511，因此溫度感測元件511在MEMS器件321上。在本實施例的一個實施方式中，溫度感測元件511是惠斯通電橋511。在本實施例的另一實施方式中，溫度控制元件511是MEMS器件321上的惠斯通電橋511。

在一些實施例中，MEMS器件321被兩個玻璃襯底包圍。在圖16-18中示出了此類MEMS結構的實施例。圖16-18示出了示例性玻璃彎曲部分401和501的各種實施例。圖16示出了將MEMS結構351中的MEMS器件321熱隔離的第一熱隔離臺階327和第二熱隔離臺階527的實施例。圖17示出了將MEMS結構352中的MEMS器件321熱隔離的附著到第一玻璃彎曲部分401的第一熱隔離臺階327和附著到第二玻璃彎曲部分501的第二熱隔離臺階527的實施例。圖17示出了將MEMS結構353中的MEMS器件321熱隔離的附著到第一玻璃彎曲部分401的第一熱隔離臺階327和附著到第二玻璃彎曲部分501的第二熱隔離臺階527的另一實施例。

圖16-18中示出的實施例要求用第二固體玻璃晶片100來處理第三材料的第三晶片以形成第二複合襯底520，其包括玻璃和第三材料的至少一個犧牲結構110。第二複合襯底520被結合到包括MEMS器件321的第二晶片210，並且玻璃襯底420是第一玻璃襯底420。以這種方式，相應的圖16、17或18的MEMS結構351、352或353包括設置在形成MEMS器件321的器件層220（圖8A和8B）上的第二玻璃襯底520。MEMS器件321通過每個具有相應的熱隔離玻璃彎曲部分401和501的兩個熱隔離臺階327和527（圖16-18）熱隔離。在這些實施例中，MEMS器件321被第一玻璃襯底420和第二玻璃襯底520包圍。

具有第二實心玻璃晶片100的第三材料的第三晶片的處理包括上文參考圖1-5描述的用於用實心玻璃晶片100來處理第一材料的第一晶片以形成第一複合襯底120的相同步驟。

第二玻璃襯底520還包含了嵌入式犧牲結構113、用於與MEMS器件321的區域221和223結合的玻璃的凸起區121和122以及圖案化導電材料以形成用以充當互連、結合焊盤、電極、用於加熱的電阻器以及用於溫度讀出的電阻器等的元件130。第二玻璃襯底520結合（例如，陽極結合）到晶片250（圖12）以形成結合晶片堆疊，結合晶片堆疊的部分被示出為相應的圖16、17和18中的MEMS結構351、352和353。以這種方式，將MEMS器件321密封在玻璃中。

在本實施例的一個實施方式中，第二玻璃襯底520被結合到晶片250（圖12）以在蝕刻出犧牲矽結構113之前形成結合晶片堆疊。在這種情況下，使用化學蝕刻劑來去除嵌入結合晶片堆疊325（圖13）的玻璃晶片120和520中的犧牲矽結構113。犧牲矽結構113過去所在的區域現在是第二複合襯底520中的切口329。在本實施例的另一實施方式中，第二玻璃襯底520被結合到晶片250（圖12）以在蝕刻出犧牲矽結構113之後形成結合晶片堆疊。

本領域的技術人員在閱讀和理解本文檔時將理解通過用第二玻璃晶片來處理第三材料的第三晶片而形成第二玻璃襯底520以形成第二複合襯底，其包括玻璃和第三材料的至少一個犧牲結構。如圖1-5中示出的，蝕刻第三材料層以形成至少一個犧牲結構110。至少一個犧牲結構110定義用於至少一個熱隔離玻璃彎曲部分和用於MEMS器件321的第二熱隔離臺階（例如，圖17中示出的527）的模具。

第三材料的至少一個犧牲結構在小於外部環境氣氛75（例如，壓強P1）的氣氛（例如，壓強P2）中被結合到第二玻璃晶片125。第二玻璃晶片被加熱超過玻璃軟化溫度以形成第二改性玻璃晶片117（圖4），其中在玻璃中嵌入第三材料的至少一個犧牲結構110。第二改性玻璃晶片117的第一表面128和第二表面112被拋光。

在切割晶片堆疊之後，將成品管芯結合到封裝/晶片載體350中。導線結合物136-1和136-2被分別附著到結合焊盤132-1和132-2（圖16）以根據要求完成到外部電路的電連接。由於第一玻璃襯底420和第二玻璃襯底520的低導熱率，所以結果產生的MEMS器件321與封裝350（圖13）和外部環境熱隔離以使得能夠實現MEMS器件321的低功率主動溫度控制。

在本實施例的一個實施方式中，第三晶片的第三材料與第一晶片的第一材料相同。在本實施例的另一實施方式中，第三材料和第一材料是矽。

在其它實施例中，熱隔離特徵採取適合於將MEMS器件與由容納器件的封裝誘導的相對高的溫度隔離的其它形狀。

在本實施例的一個實施方式中，熱隔離臺階327和527圍繞或包圍固定錨定件（例如，在管芯的中間的錨定件）或者管芯的部分被錨定，並且因此與封裝熱隔離。例如，在中心的管芯的部分未被熱隔離，而在周界周圍（例如，圍繞在中心的管芯的熱隔離部分）的區被熱隔離。

示例實施例

示例1包括一種用於製造熱隔離微機電系統（MEMS）結構的方法，該方法包括：用玻璃晶片來處理第一材料的第一晶片以形成複合襯底，該複合襯底包括玻璃和第一材料的至少一個犧牲結構；在第二材料中形成MEMS器件；在以下各項中的至少一個上形成至少一個溫度感測元件：複合襯底；以及MEMS器件；以及蝕刻掉複合襯底中的第一材料的至少一個犧牲結構以形成至少一個熱隔離玻璃彎曲部分，其中，在熱隔離臺階上通過至少一個熱隔離玻璃彎曲部分將MEMS器件熱隔離，並且其中，至少一個溫度感測元件在以下各項中的相應至少一個上：熱隔離臺階；以及MEMS器件。

示例2包括示例1的方法，其中，用玻璃晶片來處理第一材料的第一晶片以形成複合襯底包括：蝕刻第一材料層以形成至少一個犧牲結構，所述至少一個犧牲結構定義用於所述至少一個熱隔離玻璃彎曲部分和熱隔離臺階的模具；在小於外部環境氣氛的氣氛中將第一材料的所述至少一個犧牲結構結合到玻璃晶片；將玻璃晶片加熱超過玻璃軟化溫度以形成改性玻璃晶片，其中，在玻璃中嵌入第一材料的所述至少一個犧牲結構；對改性玻璃晶片的第一表面進行拋光；以及對改性玻璃晶片的第二表面進行拋光。

示例3包括示例2的方法，其中，所述玻璃晶片是第一玻璃晶片，並且所述複合襯底是第一複合襯底，該方法還包括：用第二玻璃晶片來處理第三材料的第三晶片以形成包括玻璃和第三材料的至少一個犧牲結構的第二複合襯底；以及將第二複合襯底結合到以下各項中的一個：包括MEMS器件的第二晶片；以及第一複合襯底。

示例4包括示例3的方法，其中，熱隔離臺階是第一熱隔離臺階，其中，改性玻璃晶片是第一改性玻璃晶片，並且其中，用第二玻璃晶片來處理第三材料的第三晶片以形成包括玻璃和第三材料的至少一個犧牲結構的第二複合襯底包括：蝕刻第三材料層以形成至少一個犧牲結構，所述至少一個犧牲結構定義用於至少一個熱隔離玻璃彎曲部分和用於MEMS器件的第二個熱隔離臺階的模具；在小於外部環境氣氛的氣氛中將第三材料的所述至少一個犧牲結構結合到第二玻璃晶片；將第二玻璃晶片加熱超過玻璃軟化溫度以形成第二改性玻璃晶片，其中，在玻璃中嵌入第三材料的至少一個犧牲結構；對第二改性玻璃晶片的第一表面進行拋光；以及對第二改性玻璃晶片的第二表面進行拋光。

示例5包括示例1-4中的任一個的方法，其中，在第二材料中形成MEMS器件包括：在複合襯底上沉積第二材料層；以及對第二材料層進行圖案化和蝕刻。

示例6包括示例1-5中的任一個的方法，其中，在第二材料中形成MEMS器件包括：處理第二材料中的第二晶片以在第二晶片上形成MEMS器件；以及將第二晶片結合到複合襯底。

示例7包括示例1-6中的任一個的方法，還包括：在複合襯底的拋光第一表面上沉積至少一個導電層；以及對所述至少一個導電層進行圖案化和蝕刻以形成以下各項中的至少一個：電路；電路部件；導電互連；結合焊盤；電極、用於加熱的電阻器；以及用於溫度讀出的電阻器。

示例8包括示例1-7中的任一個的方法，還包括：在以下各項中的至少一個上形成至少一個溫度控制元件：複合襯底；以及MEMS器件，其中，在蝕刻掉複合襯底中的第一材料的至少一個犧牲結構時，所述至少一個溫度控制元件在以下各項中的相應至少一個上：熱隔離臺階；以及MEMS器件。

示例9包括示例1-8中的任一個的方法，其中，在以下各項中的至少一個上形成至少一個溫度感測元件：複合襯底；以及MEMS器件包括：在複合襯底的拋光第一表面上將至少一個電阻元件圖案化，其中，在蝕刻掉複合襯底中的第一材料的至少一個犧牲結構時，所述至少一個溫度感測元件在熱隔離臺階上。

示例10包括用於製造熱隔離微機電系統（MEMS）結構的方法，所述方法包括：通過以下各項來形成包含至少一個嵌入式犧牲結構的複合襯底：蝕刻第一材料層以形成至少一個犧牲結構，所述至少一個犧牲結構定義用於至少一個熱隔離玻璃彎曲部分和用於MEMS器件的熱隔離臺階的模具；在小於外部環境氣氛的氣氛中將第一材料層結合到玻璃晶片；將玻璃晶片加熱超過玻璃軟化溫度以形成改性玻璃晶片，其中，在玻璃中嵌入所述至少一個犧牲結構；對改性玻璃晶片的第一表面進行拋光；以及對改性玻璃晶片的第二表面進行拋光；在第二材料中形成MEMS器件；在以下各項中的至少一個上形成至少一個溫度感測元件：複合襯底；以及MEMS器件；以及蝕刻掉複合襯底中的第一材料的至少一個犧牲結構以形成至少一個熱隔離玻璃彎曲部分和熱隔離臺階，其中，所述MEMS器件在熱隔離臺階上被熱隔離。

示例11包括示例10的方法，其中，在第二材料中形成MEMS器件包括：在複合襯底上沉積第二材料層；以及對第二材料層進行圖案化和蝕刻。

示例12包括示例10-11中的任一個的方法，其中，在第二材料中形成MEMS器件包括：處理第二材料中的第二晶片以形成MEMS器件；所述方法還包括：在複合襯底的拋光第一表面上形成凸起區域；以及將第二晶片結合到複合襯底的凸起區域。

示例13包括示例12的方法，其中，所述複合襯底是第一複合襯底，所述方法還包括：處理第三材料的第三晶片以形成包括玻璃和第三材料的至少一個犧牲結構的第二複合襯底；以及將已處理第三晶片結合到包括MEMS器件的第二晶片。

示例14包括示例13的方法，其中，模具是第一模具，玻璃晶片是第一玻璃晶片，改性玻璃晶片是第一改性玻璃晶片，並且熱隔離臺階是第一熱隔離臺階，並且其中，處理第三材料的第三晶片以形成第二複合襯底還包括：蝕刻第三材料層以形成至少一個犧牲結構，所述至少一個犧牲結構定義用於至少一個熱隔離玻璃彎曲部分和用於MEMS器件的第二熱隔離臺階的第二模具；在小於外部環境氣氛的氣氛中將第三材料的至少一個犧牲結構結合到第二玻璃晶片；將第二玻璃晶片加熱超過玻璃軟化溫度以形成第二改性玻璃晶片，其中，在玻璃中嵌入第三材料的至少一個犧牲結構；對第二改性玻璃晶片的第一表面進行拋光；以及對第二改性玻璃晶片的第二表面進行拋光。

示例15包括示例10-14中的任一個的方法，其中，在以下各項中的至少一個上形成至少一個溫度感測元件：複合襯底；以及MEMS器件包括以下各項中的至少一個：在複合襯底的拋光第一表面上對至少一個電阻元件進行圖案化和蝕刻，其中，在蝕刻掉複合襯底中的第一材料的至少一個犧牲結構時，所述至少一個溫度感測元件在熱隔離臺階上；以及對MEMS器件上的至少一個溫度感測元件進行圖案化和蝕刻。

示例16包括示例10-15中的任一個的方法，還包括：在以下各項中的至少一個上形成至少一個溫度控制元件：複合襯底；以及MEMS器件。

示例17包括示例10-16中的任一個的方法，還包括：在複合襯底的拋光第一表面上沉積至少一個導電層；以及對所述至少一個導電層進行圖案化和蝕刻以形成以下各項中的至少一個：電路；電路部件；導電互連；結合焊盤；電極、用於加熱的電阻器；以及用於溫度讀出的電阻器。

示例18包括一種微機電（MEMS）結構，包括：複合襯底，包括從包括玻璃和第一材料的至少一個犧牲結構的複合襯底蝕刻掉第一材料的至少一個犧牲結構的空隙，所述複合襯底還包括被配置成用於將MEMS結構耦合到封裝的至少一個部位；器件層，被附著到複合襯底，該器件層包括MEMS器件，其中，被至少一個熱隔離玻璃彎曲部分熱隔離的熱隔離臺階支撐MEMS器件；以及以下各項中的至少一個上的至少一個溫度感測元件：熱隔離臺階；以及MEMS器件。

示例19包括示例18的MEMS結構，還包括：多個結合物，其將複合襯底耦合到封裝，其中，被配置成用於將MEMS結構耦合到封裝的至少一個部位包括：耦合到複合襯底中的玻璃框的多個凸塊結合物。

示例20包括示例18-19中的任一個的MEMS結構，其中，複合襯底是第一複合襯底，MEMS結構還包括設置在器件層上的第二複合襯底，其中，熱隔離臺階上的MEMS器件被第一複合襯底和第二複合襯底包圍。

雖然在本文中已圖示並描述了特定實施例，但本領域的普通技術人員將領會到，被計劃來實現相同目的任何布置可以代替所示出的特定實施例。因此，顯然旨在僅僅由權利要求及其等價物來限制本發明。