专利名称：一种基于硅/玻璃阳极键合的微器件可动结构制备方法
技术领域：
本发明涉及一种微机电系统(MEMS)传感器与制动器，尤其是涉及可应用于微器件可动结构制备的一种基于娃/玻璃阳极键合的微器件可动结构制备方法。
背景技术：
微机电系统(MEMS)传感器与制动器已广泛应用于航天、汽车、通讯以及医疗等领域，其中，可动结构是MEMS传感器与制动器的核心，因此可动结构的制备工艺成为MEMS制造中的关键。传统的可动结构制备工艺可以分为两类:一种为基于晶圆键合；另一种为基于牺牲层。基于晶圆键合的可动结构制备工艺是MEMS传感器中最常用的可动结构制备方法。以SOG (硅/玻璃键合组合片)工艺为例，其工艺步骤如下:步骤1、采用湿法腐蚀工艺在玻璃上刻蚀出槽结构；步骤2、采用阳极键合工艺，将玻璃与硅片粘贴在一起，形成硅/玻璃组合片；步骤3、采用研磨或者湿法腐蚀工艺对组合片的硅层减薄，保证硅层厚度降至要求厚度；步骤4、对减薄后的组合片硅层刻蚀，使硅上结构处于玻璃刻蚀槽的上部，从而制备出的可动结构。该方法由于工艺成熟，成本低，因此被广泛应用于MEMS传感器与制动器的加工中。但是减薄工艺精度的不稳定性以及低的可靠性极大限制了采用该工艺加工硅结构层厚度小于50 μ m的MEMS器件。这主要由于传统的研磨减薄工艺，制备硅结构层的厚度均匀性较差，总厚度偏差一般至少在3 5 μ m以上。而高精度的湿法减薄工艺能够保持厚度均匀性在Iym以下，例如超声腐蚀法制备硅膜(曾毅波，超声技术在硅湿法腐蚀中的应用，光学精密工程，2009年I月)，然而由于腐蚀过程中超声振动作用，组合片内玻璃刻蚀槽对应区域的悬空硅层，在厚度减少至80 μ m以下后会发生破裂。基于牺牲层的可动结构制备工艺是MEMS加工中的另一类可动结构制备工艺方法，根据牺牲层的类型可以将这一方法分为两类，一是基于表面牺牲层的可动结构制备工艺，即利用表面微加工工艺，通常为氧化、沉积、涂覆、光刻等方式在基底表面形成结构层与牺牲层的薄膜结构，然后将下层牺牲层腐蚀并保留上层结构层，使结构层与基底分离制备可动结构。由于基于表面牺牲层的可动结构制备工艺中，结构层与牺牲层都是通过MEMS微工艺沉积在基底之上，沉积过程中会产生较大的应力，对应的形变会很大程度地影响传感器性能。另一类为基于体牺牲层的可动结构制备工艺，主要为SOI (绝缘衬底上的硅)工艺。SOI工艺步骤如图2所示，工艺步骤如下:步骤1、参考图2(a)，采用离子注入工艺在基底硅中掺入氧元素，从而硅体中间形成一层厚度可控的SiO2 (二氧化硅)牺牲层，即SOI片；步骤2、参考图2 (b)，采用刻蚀工艺，在结构硅层上刻蚀出结构；步骤3、参考图2 (C)，采用湿法腐蚀工艺，腐蚀刻蚀结构下方的牺牲层SiO2，从而制备悬空的可动结构。SOI工艺由于中间牺牲层的良好绝缘性能减小了寄生电容，结构层厚度可控性更高，是一种通用的MEMS传感器与制动器的可动结构制备工艺，如微加速度计、微陀螺仪、微压力传感器等均可以采用这种加工工艺(Moon Chul Lee, A high yield rate MEMS gyroscope with a packagedSiOG process, J.Micromech.Microeng.)。但是由于SOI片加工困难,成本高,应力大,导致基于体牺牲层的可动结构制备工艺无法被大规模应用于MEMS可动结构的制备中。阳极键合技术是MEMS加工中常用的一项工艺，主要是针对硅基与玻璃，在一定温度和电场的作用下，使紧密贴合的硅与玻璃在界面上发生化学键连接，最终实现硅与玻璃的永久粘贴，形成硅/玻璃组合片。近期试验发现，阳极键合后硅与玻璃界面处会形成一层特殊的SiO2层，该层SiO2相较于玻璃本身在氢氟酸中的腐蚀速率更快，并且试验证明该层SiO2的宽度由键合温度与电压决定，是一层自然形成，且可用以制备MEMS器件可动结构的牺牲层。
发明内容
本发明目的在于针对传统可动结构的加工工艺较困难、成本高、加工厚度均匀性较差等问题，提供一种基于硅/玻璃阳极键合的微器件可动结构制备方法。本发明包括以下步骤:I)将玻璃片与硅片键合在一起，形成硅/玻璃组合片以及中间的牺牲氧化层；2)将步骤I)得到的硅/玻璃组合片的硅片减薄并抛光；3)在减薄后的硅片上刻蚀出可动结构；4)将硅/玻璃组合片置于氢氟酸溶液中，腐蚀可动结构底部的牺牲氧化层，使刻蚀结构与玻璃片分离，得到基于硅/玻璃阳极键合的可动结构。在步骤I)中，所述将玻璃片与硅片键合在一起可采用阳极键合工艺；所述玻璃片可采用热膨胀系数与硅相近的Pyrex7740玻璃片。在步骤2)中，所述减薄硅/玻璃组合片可采用超声腐蚀方法；所述抛光可采用微加工工艺。在步骤3)中，所述在减薄后的硅片上刻蚀出可动结构可采用电感耦合等离子体(ICP)刻蚀工艺。在步骤4)中，所述氢氟酸溶液的组成按体积比可为氢氟酸:水=1: 20。本发明采用阳极键合技术将玻璃片与硅片键合，牺牲氧化层自然形成，并且牺牲层厚度通过键合电压与温度按需调节。本发明的玻璃片与硅片阳极键合后，由于玻璃片与硅片整面键合，可采用超声腐蚀法对硅片减薄，从而保证减薄后的硅片厚度均匀并且不会破裂。另外，采用CMP (化学机械抛光)工艺修复湿法减薄工艺后产生的表面缺陷，最终使硅片达到预期的厚度与粗糙度。本发明将刻蚀后硅/玻璃组合片置于氢氟酸溶液中，充分搅拌并且控制腐蚀时间，腐蚀结构底部的牺牲氧化层，从而使结构可动。本发明的有益效果为:提供了一种基于硅/玻璃阳极键合的微器件可动结构制备方法，相较于晶圆键合的可动结构形成工艺，本方法制备的硅层厚度均匀性更高；相较于体牺牲层的可动结构形成工艺，本发明的工艺更为简单、成本低廉，是一种有应用前景的MEMS可动结构制备工艺。
图1是本发明实施例所述牺牲层氧化层腐蚀后硅/玻璃组合片断面扫描电镜图。在图1中，标尺为Ιμ ;01是玻璃片，02是硅片。图2是本发明实施例所述基于硅/玻璃阳极键合的可动结构制备工艺流程示意图。在图2中，2是可动结构，3是牺牲氧化层，01是玻璃片，02是硅片。
具体实施例方式以下实施例将结合附图对本发明作进一步说明:步骤1:参考图2 (a)，将玻璃片01与硅片02置于AML-04键合机中，抽真空至键合机腔体内部压力低于10_2Pa，加热至380°C，键合电压施加至1200V，压力为100N，将所述玻璃片01与硅片02键合，形成硅/玻璃组合片，使玻璃片01与硅片02之间生成厚度约为I μ m的牺牲氧化层结构3 ；步骤2:参考图2 (b)，采用质量分数为45%的KOH溶液，在温度为75°C、超声功率为120W的条件下腐蚀硅/玻璃组合片，湿法腐蚀减薄硅片02至所要求的厚度，采用ploy_400L化学机械抛光机抛光娃片02,修复湿法减薄工艺后产生的表面缺陷；步骤3:参考图2 (C)，采用ICP刻蚀技术，刻蚀减薄后的硅片02，深度至玻璃层，得到结构2 ；步骤4:参考图2(d)，将刻蚀后硅/玻璃组合片置于稀释后的氢氟酸中(配比为氢氟酸:水=1:20)，充分搅拌并控制腐蚀时间，使结构2下方的牺牲氧化层3去除，从而使结构2与玻璃片01分离，制备悬空的可动结构。图1给出本发明实施例所述牺牲层氧化层腐蚀后硅/玻璃组合片断面扫描电镜图。在图1中，01是玻璃片，02是硅片。本发明采用阳极键合技术将玻璃片01与硅片02键合，牺牲氧化层3自然形成，并且牺牲层厚度通过键合电压与温度按需调节。本发明的玻璃片01选择热膨胀系数与硅相近的Pyrex7740玻璃片。本发明的玻璃片01与硅片02阳极键合后，由于玻璃片01与硅片02整面键合，可采用超声腐蚀法对硅片01减薄，从而保证减薄后的硅片02厚度均匀并且不会破裂。采用CMP (化学机械抛光)工艺修复湿法减薄工艺后产生的表面缺陷，最终使硅片02达到预期的厚度与粗糙度。本发明将刻蚀后硅/玻璃组合片置于氢氟酸溶液中，充分搅拌并且控制腐蚀时间，腐蚀结构2底部的牺牲氧化层3，从而使结构2可动。
权利要求
1.一种基于硅/玻璃阳极键合的微器件可动结构制备方法，其特征在于包括以下步骤: 1)将玻璃片与硅片键合在一起，形成硅/玻璃组合片以及中间的牺牲氧化层； 2)将步骤I)得到的硅/玻璃组合片的硅片减薄并抛光； 3)在减薄后的硅片上刻蚀出可动结构； 4)将硅/玻璃组合片置于氢氟酸溶液中，腐蚀可动结构底部的牺牲氧化层，使刻蚀结构与玻璃片分离，得到基于硅/玻璃阳极键合的可动结构。
2.如权利要求1所述一种基于硅/玻璃阳极键合的微器件可动结构制备方法，其特征在于在步骤I)中，所述将玻璃片与硅片键合在一起采用阳极键合工艺。
3.如权利要求1所述一种基于硅/玻璃阳极键合的微器件可动结构制备方法，其特征在于在步骤I)中，所述玻璃片采用热膨胀系数与硅相近的PyreX7740玻璃片。
4.如权利要求1所述一种基于硅/玻璃阳极键合的微器件可动结构制备方法，其特征在于在步骤2)中，所述硅片减薄采用超声腐蚀方法。
5.如权利要求1所述一种基于娃/玻璃阳极键合的微器件可动结构制备方法，其特征在于在步骤2)中，所述抛光采用微加工工艺。
6.如权利要求1所述一种基于娃/玻璃阳极键合的微器件可动结构制备方法，其特征在于在步骤3)中，所述在减薄后的硅片上刻蚀出可动结构是采用电感耦合等离子体刻蚀工艺。
7.如权利要求1所述一种基于硅/玻璃阳极键合的微器件可动结构制备方法，其特征在于在步骤4)中，所述氢氟酸溶液的组成按体积比为氢氟酸:水=1: 20。
全文摘要
一种基于硅/玻璃阳极键合的微器件可动结构制备方法，涉及一种微机电系统传感器与制动器。提供一种基于硅/玻璃阳极键合的微器件可动结构制备方法。1)将玻璃片与硅片键合在一起，形成硅/玻璃组合片以及中间的牺牲氧化层；2)将步骤1)得到的硅/玻璃组合片的硅片减薄并抛光；3)在减薄后的硅片上刻蚀出可动结构；4)将硅/玻璃组合片置于氢氟酸溶液中，腐蚀可动结构底部的牺牲氧化层，使刻蚀结构与玻璃片分离，得到基于硅/玻璃阳极键合的可动结构。制备的硅层厚度均匀性更高；工艺更为简单、成本低廉，是一种有应用前景的MEMS可动结构制备工艺。
文档编号B81C1/00GK103193197SQ201310112200
公开日2013年7月10日 申请日期2013年4月2日 优先权日2013年4月2日
发明者孙道恒, 占瞻, 何杰, 杜晓辉, 虞凌科, 李益盼, 王凌云 申请人:厦门大学