专利名称：基于soi晶圆的mems结构制作及划片方法
技术领域：
本发明涉及一种基于SOI晶圆的MEMS结构制作及划片同步完成的方法，属于微机电系统微细加工和晶圆划片领域。
背景技术：
IC工业的发展，极大的推动了划片技术的进步。现在普遍采用的划片方法是基于金刚石刀片的砂轮磨削，该方法以其高效率、工艺简单可控等优点而成为晶圆切割的主流。随着微机电系统这一新兴学科的发展及产业化进程的逐步加快，旋转砂轮式划片技术逐渐凸显出严重缺陷砂轮磨削会产生机械振动，砂轮与硅片间的压力和扭力会造成晶圆内应力，高压的清洗液和冷却水往往将MEMS结构冲坏，磨削产生的碎屑对结构表面和内部造成极大地污染，这些对MEMS器件都是致命的危害。 近年来，随着MEMS研究的不断深入，国内外研究人员及很多公司报道了多种划片方法。日本YoshioAwatani等人在2002年提出了一种glass c即ping方法(DamageFree Dicing Method for MEMS Devices, International Conference on OpticalMEMS，Conferen Digestpp. 137-138， 2002)，把带有腔体的玻璃片与MEMS晶圆键合，这样玻璃帽就将结构罩住，对芯片形成永久保护，然后进行砂轮划片，这样可实现圆片级封装；2004年，台湾S. H. Tseng等人提到了使用厚光刻胶对MEMS结构进行保护的划片方法(Solutionfor ReleasedCMOS-MEMSMulti-Project Wafer, DTIP， pp.55—59，lvol，2004)waterlilylO，当完成划片之后，用化学试剂将光刻胶去除，然后干燥，得到良好的MEMS器件。上述报道均是在工艺过程中添加保护层然后采用传统砂轮划片的方法，永久保护层不利于MEMS器件与外界信号的交互，特别是对于要求敏感的光学器件，并且添加或去除保护层都需要额外的制造步骤和工艺，易导致成品率低，增加了成本。MEMS晶圆划片的特殊性对传统的划片工艺提出了挑战，研究人员逐渐考虑用激光技术划片。常规激光划片是利用高能激光束照射在晶圆表面，使被照射区域烧熔，再辅以手动方式达到裂片目的。缺点是热影响区域大，污染严重，热变形严重。法国Synova S. A.公司的B. Richerzhagen博士发明了 一禾中微水导激光划片方法(Dicing of wafers bypatented water_jet_guided laser :thetotal damage—free cut，Proceedings of the Laser Materials ProcessingConference，pp. 197-200， 2005)，将激光束聚焦到一个喷嘴上，喷嘴处有微细的水柱(25 150 ym)流到晶圆的划线区域，水柱相当于一个光纤，激光在水柱中发生全反射，这样水柱一方面将激光束限制在水流中间，另一方面激光对晶圆产生的热量能够得到水流的及时冷却，热熔的残渣同时被水流带走。这种方法不烧伤器件、无应力，但仍然有水流和碎屑的存在，并且使用该技术须使用不会被激光切穿、透水的"激光胶带"用于贴片，这种胶带成本高昂，加之设备的昂贵，大大制约了其使用。日本HAMAMATSU公司FumitsuguFukuyo等人提出一种新的干式激光划片方法(Laser Processing Method and Laser Processing LaserApparatus，PatentNo :US6992026， 2006)，称为Stealth Dicing (SD)，利用聚焦装置将激光束能量点聚到晶圆内部，当聚焦在材料内部的激光强度迅速增强，材料就由结构紧凑、结合紧密的整体改变为结合松散、易于分裂的组织，然后通过扩张贴膜片，利用膜的张力分开芯片，完成划片过程。SD方法无发热、无应力损伤、无切屑，实现了完全干式切割，但划片设备昂贵，还未能规模化应用。 MEMS器件加工材料和加工工艺的多样化发展，为MEMS晶圆的划片方法提供了进一步发展的空间，使得MEMS晶圆划片在现有MEMS工艺条件的基础上能够更好的实现。当前SOI晶圆已经在MEMS工艺中广泛使用，SOI晶圆结合深刻蚀工艺是高效率制作MEMS器件的极为重要的方法。参阅图1，S0I晶圆分为三层顶层，中间二氧化硅层，基底层。 一般SOI晶圆的整体厚度在400 ii m左右，使用STS公司的ICP刻蚀设备，已经能够完成宽度12 18 u m，深度500 um左右的深槽亥lj蚀(Anisotropic Silicon Trenches 300-500 u mDe印Employing Time Multiplexed Deep Etching, Sensors and Actuators A， val.91，pp. 381-385,2001)，利用这种ICP刻蚀的高深宽比效应，可以实现MEMS晶圆的划片。
发明内容
为了克服现有MEMS晶圆划片中存在的工艺风险大、设备昂贵、成品率低等不足，本发明提出一种基于SOI工艺的结构制作与划片同步完成的方法，能够不依赖于专门划片设备，在现有MEMS结构制作设备和工艺条件的基础上实现晶圆的的划片。
本发明解决其技术问题，所采用的技术方案如下 本发明提出的基于SOI晶圆的MEMS结构制作及划片方法，具体操作步骤为
步骤一 参阅图1 (a)，对SOI晶圆100进行清洗和预烘处理； 步骤二 参阅图1 (b)，在基底层3表面淀积一定厚度的深刻蚀掩蔽层4，深刻蚀掩蔽层4是金属层或者二氧化硅层； 步骤三在顶层1表面淀积一定厚度的第一光刻胶层9，在深刻蚀掩蔽层4表面淀积一定厚度的第二光刻胶层5，并热烘，参阅图1(C); 步骤四使用下掩膜版150和上掩膜版152，对经过步骤三处理的晶圆进行双面光刻，下掩膜版150和上掩膜版152的芯片单元尺寸相同、芯片排布相同且阴阳相同，参阅图2 ;下掩膜版150上有下芯片单元14和下对准标记7，上掩膜版152上有上芯片单元16和上对准标记8，下芯片单元14是矩形块，上芯片单元16是要制作的结构图案；曝光的时候，第二光刻胶层5使用下掩膜版150，第一光刻胶层9使用上掩膜版152，并且下对准标记7与上对准标记8对准；经过光刻，第一光刻胶层9形成MEMS结构的图案120，以及上划片区112，参阅图l(d); 步骤五以第二光刻胶层5为掩膜，对深刻蚀掩蔽层4进行刻蚀形成下划片区110，参阅图l(e); 步骤六去除第二光刻胶层5，并以深刻蚀掩蔽层4为掩膜，用感应耦合离子刻蚀方法刻蚀基底层3，直至刻蚀到中间二氧化硅层2停止，由于感应耦合离子对硅与二氧化硅有很高的选择刻蚀比，因此当刻蚀到中间二氧化硅层2时，刻蚀自发停止；该步骤通过刻蚀
形成下划片槽130，参阅图l(f); 步骤七去除深刻蚀掩蔽层4，参阅图l(g);
步骤八在基底层3粘帖蓝膜6，参阅图l(h); 步骤九以第一光刻胶层9形成的图案120为掩膜，对顶层1进行感应耦合离子刻
4蚀，到达中间二氧化硅层2刻蚀停止，形成上划片槽132、结构槽134以及未释放的MEMS结构122，参阅图l(i); 步骤十去除第一光刻胶层9，得到只靠中间二氧化硅层2连接的晶圆IO，参阅图1 (j); 步骤^^一 用氢氟酸溶液浸泡以上步骤得到的晶圆IO，或者采用气态HF释放方法，进行中间二氧化硅层2的腐蚀；由于HF与Si02反应具有各向同性，暴露面积大的地方腐蚀速度快，利用这一效应，去除连接各芯片单元的二氧化硅，连通上划片槽132与下划片槽130，实现划片；同时去除MEMS结构122下的部分二氧化硅，形成可动结构140和锚点142，得到结构完好的MEMS器件12，参阅图1 (k)。 本发明的优点在于(1)采用SOI深刻蚀及释放工艺进行划片，无机械振动，无应力损伤，无发热，无切屑产生，无污染，成品率高；(2)不需要昂贵的划片设备，在现有MEMS工艺设备基础上即可完成，成本低；(3)MEMS结构的制作过程与划片过程同步进行，最后释放时，器件结构与划片同时完成，效率高。(4)无需添加临时性或永久性保护层，不影响器件与外界信息的交互，由于释放是与划片同时完成的，中间工艺不致对MEMS可动结构造成破坏。
图1是基于SOI晶圆的MEMS结构制作及划片同步实现的工艺流程图
图l(a)是SOI晶圆结构示意图，包括顶层1，中间二氧化硅层2和基底层3。
图1 (b)是淀积深刻蚀掩蔽层4之后的结构示意图。 图l(c)是双面涂胶后的结构示意图，晶圆两面分别为涂覆第二光刻胶层5和第一光刻胶层9。 图l(d)是双面光刻后的结构示意图，第一光刻胶层9形成MEMS结构的图案120和上划片区112。 图l(e)是刻蚀掩蔽层4后的结构示意图，形成下划片区110。
图l(f)是刻蚀基底层3后的结构示意图，形成下划片槽130。
图1 (g)是去除深刻蚀掩蔽层4后的结构示意图。
图1 (h)是粘帖蓝膜6后的结构示意图。 图1 (i)是刻蚀顶层1后的结构示意图，形成上划片槽132、结构槽134及未释放的MEMS结构122。 图l(j)是去除第一光刻胶层9后的结构示意图，形成只有中间二氧化硅层2相连接的晶圆10。 图l(k)是HF腐蚀后的结构示意图，MEMS结构的释放与划片同步进行，形成可动结构140，锚点142，以及线框图中的完好的MEMS器件12.。
图2是实现双面光刻的掩膜版示意图。 图2(a)是下掩膜版150，包含下芯片单元14和下对准标记7，该掩膜版用于基底层3的光刻，下芯片单元14用于形成非划片区。 图2(b)是上掩膜版152，包含上芯片单元16和上对准标记8，该掩膜版用于顶层1的光刻，上芯片单元16是要复制的结构图案，用于形成MEMS结构。
图3是实施例一中基于SOI晶圆的MEMS光栅器件结构示意图 图4是实施例二中基于SOI晶圆的MEMS陀螺器件结构示意图 图5是本发明中基于SOI晶圆的MEMS结构制作与划片同步制作完成后的结构示
意图 其中1-顶层；2-中间二氧化硅层；3-基底层；4_深刻蚀掩蔽层；5_第二光刻胶 层；6-蓝膜；7-下对准标记；8-上对准标记；9-第一光刻胶层；10-只有中间的二氧化硅层 2相连接的晶圆；12-MEMS器件；14-下芯片单元；16-上芯片单元；100-S01晶圆；110-下
划片区;112-上划片区;120-MEMS器件的图案；122-未释放的MEMS结构;130-下划片槽;
132-上划片槽；134-结构槽；140-可动结构；142-锚点；150-下掩膜版；152-上掩膜版；
160-光栅锚点；162-光栅可动结构；164-光栅二氧化硅层；166-光栅基底层；170-陀螺锚
点；172-陀螺可动结构；174-陀螺二氧化硅层；176-陀螺基底层
具体实施例方式实施例一 本实施例为基于SOI晶圆的MEMS光栅器件结构制作及划片方法，参考图l(a)
(k)，所述的光栅器件结构参阅图3，具体操作步骤为 步骤一 参阅图1 (a)，对SOI晶圆100进行清洗和预烘处理。 步骤二 在基底层3表面淀积厚500nm的深刻蚀掩蔽层4，深刻蚀掩蔽层4采用金
属铝材料，参阅图l(b)。 步骤三在顶层1表面淀积1 i！ m厚的第一光刻胶层9，在深刻蚀掩蔽层4表面淀 积1 P m厚的第二光刻胶层5，并在110度温度下热烘1分钟，参阅图1 (c)。
步骤四使用下掩膜版150和上掩膜版152，对经过步骤三处理的晶圆进行双面光 刻，下掩膜版150和上掩膜版152的芯片单元尺寸相同、芯片排布相同且阴阳相同，参阅图 2。下掩膜版150上有下芯片单元14和下对准标记7，上掩膜版152上有上芯片单元16和 上对准标记8，下芯片单元14是矩形块，上芯片单元16是要制作的光栅结构图案。曝光的 时候，第二光刻胶层5使用下掩膜版150，第一光刻胶层9使用上掩膜版152，并且下对准标 记7与上对准标记8对准。经过光刻，第一光刻胶层9形成MEMS器件的图案120， MEMS器 件的图案120为光栅图案，以及上划片区112，参阅图l(d)。 步骤五以第二光刻胶层5为掩膜，对深刻蚀掩蔽层4进行刻蚀形成下划片区 110，参阅图l(e)。 步骤六采用氧离子清洗方法去除第二光刻胶层5，并以深刻蚀掩蔽层4为掩膜， 用感应耦合离子刻蚀方法刻蚀基底层3，直至刻蚀到中间二氧化硅层2停止，由于感应耦合 离子对硅与二氧化硅有很高的选择刻蚀比，因此当刻蚀到中间二氧化硅层2时，刻蚀自发 停止。该步骤通过刻蚀形成下划片槽130，参阅图1 (f)。
步骤七去除深刻蚀掩蔽层4，参阅图1 (g)。
步骤八在基底层3粘帖蓝膜6，参阅图1 (h)。 步骤九以第一光刻胶层9形成的MEMS器件的图案120为掩膜，对顶层1进行感 应耦合离子刻蚀，到达中间二氧化硅层2刻蚀停止，形成上划片槽132、结构槽134以及未释 放的MEMS结构122，未释放的MEMS结构122为未释放的光栅结构，参阅图1 (i)。
步骤十去除第一光刻胶层9，得到只靠中间二氧化硅层2连接的晶圆IO，参阅图 1 (j)。 步骤i^一 采用气态HF释放方法，进行中间二氧化硅层2的腐蚀。由于HF与Si02
反应具有各向同性，暴露面积大的地方腐蚀速度快，利用这一效应，去除连接各芯片单元的 二氧化硅，连通上划片槽132与下划片槽130，实现划片；同时去除未释放的MEMS结构122 下的部分二氧化硅，形成可动结构140和锚点142，得到结构完好的MEMS器件12， MEMS器 件12为光栅器件，参阅图l(k)。光栅器件结构图参阅图3。
实施例2 : 本实施例为基于SOI晶圆的MEMS陀螺器件结构制作及划片方法，参考图l(a)
(k)，所述的陀螺器件结构参阅图4，具体操作步骤为 步骤一 对如图1 (a)所示的SOI晶圆100进行清洗和预烘处理。 步骤二 在基底层3表面淀积厚2 ii m的深刻蚀掩蔽层4，深刻蚀掩蔽层4采用二
氧化硅材料，参阅图l(b)。 步骤三在顶层1表面淀积0. 9 ii m厚的第一光刻胶层9，在深刻蚀掩蔽层4表面 淀积0. 9 ii m厚的第二光刻胶层5，并在90度温度下热烘1分钟，参阅图1 (c)。
步骤四使用下掩膜版150和上掩膜版152，对经过步骤三处理的晶圆进行双面光 刻，下掩膜版150和上掩膜版152的芯片单元尺寸相同、芯片排布相同且阴阳相同，参阅图 2。下掩膜版150上有下芯片单元14和下对准标记7，上掩膜版152上有上芯片单元16和 上对准标记8，下芯片单元14是矩形块，上芯片单元16是要制作的陀螺结构图案。曝光的 时候，第二光刻胶层5使用下掩膜版150，第一光刻胶层9使用上掩膜版152，并且下对准标 记7与上对准标记8对准。经过光刻，第一光刻胶层9形成陀螺结构的图案120，以及上划 片区112，参阅图l(d)。 步骤五以第二光刻胶层5为掩膜，对深刻蚀掩蔽层4进行刻蚀形成下划片区 110，参阅图l(e)。 步骤六采用丙酮去除第二光刻胶层5，并以深刻蚀掩蔽层4为掩膜，用感应耦合
离子刻蚀方法刻蚀基底层3，直至刻蚀到中间二氧化硅层2停止，由于感应耦合离子对硅与
二氧化硅有很高的选择刻蚀比，因此当刻蚀到中间二氧化硅层2时，刻蚀自发停止。该步骤
通过刻蚀形成下划片槽130，参阅图1 (f)。 步骤七去除深刻蚀掩蔽层4，参阅图1 (g)。 步骤八在基底层3粘帖蓝膜6，参阅图1 (h)。 步骤九以第一光刻胶层9形成的陀螺结构的图案120为掩膜，对顶层1进行感应 耦合离子刻蚀，到达中间二氧化硅层2刻蚀停止，形成上划片槽132、结构槽134以及未释放 的MEMS结构122，未释放的MEMS结构122为未释放的陀螺结构，参阅图1 (i)。
步骤十去除第一光刻胶层9，得到只靠中间二氧化硅层2连接的晶圆IO，参阅图 1 (j)。 步骤十一 采用氢氟酸溶液释放方法，进行中间二氧化硅层2的腐蚀。由于HF与 Si02反应具有各向同性，暴露面积大的地方腐蚀速度快，利用这一效应，去除连接各芯片单 元的二氧化硅，连通上划片槽132与下划片槽130，实现划片；同时去除未释放的MEMS结构 122下的部分二氧化硅，得到可动结构140和锚点142，得到结构完好的MEMS器件12，MEMS器件12为陀螺器件，参阅图l(k)。陀螺器件结构图参阅图4.
权利要求
一种基于SOI晶圆的MEMS结构制作及划片方法，其特征在于，包括如下步骤步骤一对SOI晶圆100进行清洗和预烘处理；步骤二在基底层(3)表面淀积一定厚度的深刻蚀掩蔽层(4)；步骤三在顶层(1)表面淀积一定厚度的第一光刻胶层(9)，在深刻蚀掩蔽层(4)表面淀积一定厚度的第二光刻胶层(5)，并热烘；步骤四使用下掩膜版(150)和上掩膜版(152)，对经过步骤三处理的晶圆进行双面光刻，下掩膜版(150)和上掩膜版(152)的芯片单元尺寸相同、芯片排布相同且阴阳相同；下掩膜版(150)上有下芯片单元(14)和下对准标记(7)，上掩膜版(152)上有上芯片单元(16)和上对准标记(8)，下芯片单元(14)是矩形块，上芯片单元(16)是要制作的结构图案；曝光的时候，第二光刻胶层(5)使用下掩膜版(150)，第一光刻胶层(9)使用上掩膜版(152)，并且下对准标记(7)与上对准标记(8)对准；经过光刻，第一光刻胶层(9)形成MEMS结构的图案(120)，以及上划片区(112)；步骤五以第二光刻胶层(5)为掩膜，对深刻蚀掩蔽层(4)进行刻蚀形成下划片区(110)；步骤六去除第二光刻胶层(5)，并以深刻蚀掩蔽层(4v为掩膜，用感应耦合离子刻蚀方法刻蚀基底层(3)，直至刻蚀到中间二氧化硅层(2)自发停止，形成下划片槽(130)；步骤七去除深刻蚀掩蔽层(4)；步骤八在基底层(3)粘帖蓝膜(6)；步骤九以第一光刻胶层(9)形成的图案(120)为掩膜，对顶层(1)进行感应耦合离子刻蚀，到达中间二氧化硅层(2)刻蚀停止，形成上划片槽(132)、结构槽(134)以及未释放的MEMS结构(122)；步骤十去除第一光刻胶层(9)，得到只靠中间二氧化硅层(2)连接的晶圆(10)；步骤十一进行中间二氧化硅层(2)的腐蚀，去除连接各芯片单元的二氧化硅，连通上划片槽(132)与下划片槽(130)，实现划片；同时去除MEMS结构(122)下的部分二氧化硅，形成可动结构(140)和锚点(142)，得到结构完好的MEMS器件(12)。
2. —种如权利要求1所述的基于SOI晶圆的MEMS结构制作及划片方法，其特征在于， 所述步骤二中的深刻蚀掩蔽层(4)是金属层或者二氧化硅层。
3. —种如权利要求1所述的基于SOI晶圆的MEMS结构制作及划片方法，其特征在于， 所述步骤十一中进行中间二氧化硅层(2)的腐蚀，采用的方法是用氢氟酸溶液浸泡。
4. 一种如权利要求1所述的基于SOI晶圆的MEMS结构制作及划片方法，其特征在于， 所述步骤十一中进行中间二氧化硅层(2)的腐蚀，采用的方法是用气态HF释放。
5. —种如权利要求1所述的基于SOI晶圆的MEMS结构制作及划片方法，其特征在于， 所述步骤六中去除第二光刻胶层的方法为采用氧离子清洗方法或采用有机溶剂浸泡。
全文摘要
本发明公开了一种基于SOI晶圆的MEMS结构制作及划片方法，属于微机电系统微细加工和晶圆划片领域。该方法的关键在于利用ICP刻蚀的高深宽比效应，采用一张MEMS结构掩膜版与一张与其对应的掩膜版，对SOI晶圆的正反两面进行常规的MEMS加工工艺，包括涂胶、光刻、刻蚀、释放等，实现MEMS结构制作与晶圆划片同步完成。本发明的优点(1)无机械振动，无应力损伤，无发热，无切屑产生，无污染，成品率高；(2)不需要昂贵的划片设备，在现有MEMS工艺设备基础上即可完成，成本低；(3)MEMS结构的制作过程与划片过程同步完成，效率高。(4)无需添加临时性或永久性保护层，不影响器件与外界信息的交互，释放是与划片同时完成的，中间工艺不致对MEMS可动结构造成破坏。
文档编号B81C3/00GK101734613SQ20091021928
公开日2010年6月16日 申请日期2009年12月3日 优先权日2009年12月3日
发明者乔大勇, 孙瑞康, 李太平, 李晓莹, 燕斌, 虞益挺 申请人:西北工业大学