一种MEMS加工工艺的温度监控装置及温度监控方法与流程

本发明涉及微电子机械系统(MEMS)加工工艺领域，具体涉及一种基于热驱执行器的MEMS加工工艺的温度监控装置及温度监控方法。

背景技术：

微电子机械系统是微电子技术发展和应用的一个重要方向，是下至纳米尺度，上至毫米尺度微结构加工工艺的通称，广义上讲，其工艺方式十分丰富，几乎涉及了各种现代加工技术，其起源于半导体和微电子工艺，是以光刻、外延等多种方法作为基本工艺步骤来制造复杂三维形体的微加工技术。如今，微电子机械系统的各类传感器已经广泛应用在民用、军用的方方面面，诸如压力计、加速度计和陀螺等，都在消费电子和高精端应用中成为了不可缺少的部件。

与传统的集成电路(IC)加工工艺相比，MEMS加工工艺更加复杂，不同的MEMS器件往往需要不同的加工工艺条件。而在MEMS器件的加工环境当中，工艺过程中的最高温度尤为重要，除了退火等给定温度的单项工艺中，深等离子刻蚀、阳极键合等工艺步骤也会产生不可控的温度环境。尤其在深等离子刻蚀中，由于离子轰击将在硅片产生巨大热能，而该热能带来的温度升高具有随机性，难以事先计算仿真获得，同时由于刻蚀过程一般在真空腔内进行，现阶段难以通过外加设备实现实时的温度监测。而MEMS器件中的接触电阻、残余应力等都受过程温度的极大影响，所以实现对工艺过程中器件经历的最高温度的监控显得尤为重要，而在实际MEMS工艺上，该类能随片检测的手段至今空白。

技术实现要素：

为克服上述不足，本发明提供一种MEMS加工工艺的温度监控装置及其制造方法，该装置用于检测MEMS加工工艺过程中器件经历的最高温度。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种MEMS加工工艺的温度监控装置，包括：

两个热驱执行器，每个热驱执行器均包括两个固定锚点，该两个固定锚点通过热驱梁连接，该两个热驱执行器通过一放大杠杆连接；

一活动锯齿开关，包括一锯齿扣和一锯齿锁，该锯齿扣连接于所述放大杠杆的中点处，含有多个一类锯齿；该锯齿锁包括两个平行长梁，在每个长梁的内侧设有多个与所述一类锯 齿配合的二类锯齿。

进一步地，所述两个热驱执行器关于中线对称。

进一步地，所述热驱梁为多个。

进一步地，所述热驱梁为V形结构。

进一步地，所述放大杠杆为V形结构。

进一步地，所述锯齿扣位于所述两个长梁中间。

进一步地，所述二类锯齿位于所述长梁靠近所述热驱执行器的一端。

进一步地，所述一类锯齿为对称齿，可同时与所述两个长梁上的二类锯齿咬合。

一种MEMS加工工艺的温度监控方法，步骤包括：

1)采用MEMS加工工艺制造功能器件时，随同一起制造上述温度监控装置；

2)制造完成后查看所述温度监控装置的活动锯齿开关的齿扣度量；

3)根据上述齿扣度量得到制造过程中所达到的最高温度。

本发明的有益效果是，当温度升高时，热驱执行器受热膨胀会产生位移，从而驱动锯齿扣移动，由于活动锯齿开关设计成当向开关，故当温度回落，在最高温度时膨胀导致位移的锯齿扣将被锁住，利用热膨胀系数和结构模型可以反算出过程最高温度。本装置结构简单，可随片一起制造，最重要的是可以实现实时监控，观测方便，可进行即时的温度记录。相比于现有技术对刻蚀键合时产生的温度因处于真空腔室难以监控，本装置及方法可以实现随片制作并随片检测，当功能器件制作工艺流程结束时，即可通过观察本装置获得最高温度记录。

附图说明

图1为实施例中一种MEMS加工工艺的温度监控装置示意图。

图中：1—固定锚点；2—放大杠杆；3—热驱梁；4—锯齿扣；5—锯齿锁。

图2为图1中装置随片制造工艺流程图。

图中：6—硅片；7—玻璃片；8—玻璃片上导线金属；9—硅片上方压焊pad。

具体实施方式

为使本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图作详细说明如下。

本实施例提供一种MEMS加工工艺的温度监控装置，根据实际需要大致估计工艺过程中可能经历的最高温度，本实例中以最高温度为800℃为例来设计热驱执行器相关尺寸，需指出的是，由于该装置用于监控工艺过程中的温度，其尺寸除厚度外与具体制造何种功能器件 没有关系，其结构如图1所示。本实施例中采取V形MEMS热驱执行器，一共设计10对V形热驱梁3，每根热驱梁3宽度为10μm，长度为100μm，厚度随功能器件厚度而定，一般为50至70μm，其中V形角度为5°。同时利用对称两个热驱执行器加放大杠杆2的设计，以保证输出位移为直线输出，其中放大杠杆2设计为长度200μm，宽度15μm，v形角度为5°。

在实际设计中，热驱梁的长度及对数与实际温度驱动产生的检测位移大致正相关，而热驱梁v形角度与驱动检测位移关系较为复杂，一般调整参数可设定为前两者。根据上述尺寸可计算出各个温度下热驱执行器的初始驱动力及极限驱动位移，根据该两项物理量设计锯齿扣和锯齿锁。在800℃下，热驱执行器的静态输出力为5mN，极限输出位移为40μm，故锯齿锁的长梁尺寸为：100μm×25μm，而齿数选为4个，间隔为10μm。以上结果可通过代入热膨胀应力的公式计算得到，也可直接通过ansys仿真得到，本领域内普通技术人员应可理解。

针对上述设计出来的一种MEMS加工工艺的温度监控装置，可通过SOG体硅工艺在同一硅片上随同功能器件一起制造，这里的功能器件即MEMS加工的对象，也是该温度监控装置检测的对象，由于该装置可随片直接进行制造，故可以实现在线进行等离子刻蚀等难以外加设备监控的工艺步骤温度监控，图2为其随片制造工艺流程图，具体工艺步骤包括：

1)定义锚点：第一次浅刻蚀，刻蚀深度4-8μm；

2)定义互联：第二场光刻，玻璃面，腐蚀500nm浅槽，溅射Au，之后剥离；

3)对准键合：硅玻璃阳极键合，键合温度500℃；

4)KOH减薄：硅片余厚50-70μm；

5)硅上压焊金属溅射：第三次光刻，定义压焊pad；

6)深刻蚀释放结构：第四次光刻，第一次深刻蚀，刻蚀深度50-70μm。

工艺流程结束后，取出原片放置于光学显微镜下观察，观看活动锯齿开关的齿扣度量，即锯齿锁与锯齿扣咬合的锯齿数，由该齿扣度量可得到最高温度。在本实例中，齿扣度量为第一个锁扣，即工艺过程中最高温度下热驱执行器驱动位移为10μm，通过固体力学经典公式及执行器尺寸可反算得到最高温度为400℃，也可直接通过ansys仿真得到，本领域内普通技术人员应可理解。

本发明通过实施例的方式揭露如上，本领域的普通技术人员可轻易地了解本发明的构造、优点与功效，在不背离本发明的构思和范围的情况下，可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，也可以对各细节进行各种修改与变更，保护范围以权利要求书为准。