专利名称：基于硅硅键合的全干法深刻蚀微机械加工方法
技术领域：
本发明涉及微电子机械系统加工技术领域中的一种基于硅硅键合的全干法深刻蚀微机械加工方法，特别适用于多种具有低应力、纵向尺寸大的可动微电子机械结构器件的制作。
背景技术：
微电子机械系统又称MEMS，它是指大小在厘米量级以下，特征尺寸在微米量级，可控制、可运动的微型机电装置，它是在毫微米尺寸上来实现许多宏观规模上存在的机械构件，并和微电子有机的结合构成具有特定功能的系统，它具有重量轻、体积小、成本低和集成化等优点。微电子机械系统技术兴起于80年代中期，90年代初得到迅猛发展。目前世界上许多发达国家都把微电子机械系统技术放在优先发展的地位。美国把微电子机械系统技术与航天技术和信息技术列为21世纪的三大关键技术。微电子机械系统既可以集传感器、执行器和数字电路于一块半导体芯片上，实现整个系统集成，又可以将传感器、执行器和电路分别制造再混合集成。微电子机械系统的主要应用领域有制导，导航，微型卫星，兵器，雷达，光通信，微波通信，医学等。在国外微电子机械系统技术飞速发展，研发成果向产品转化的速度极快。由于它符合人类技术发展的总趋势，即以更少的资源实现更多的功能，在过去10年间得到快速发展，和纳米技术并列为微/纳米技术，被称为二十一世纪的关键技术之一。
微电子机械加工技术作为MEMS加工基础，它的地位与作用也变得越来越重要。微电子机械加工技术以硅基微加工为主，还有LIGA，准LIGA和基于金属或非金属的精密机械加工。硅基微加工分为体硅加工工艺和表面加工工艺。LIGA工艺起源于德国，其优点是制作的深宽比高，制作出的器件性能高。但由于加工需要X光同步辐射源，加工成本太高，目前使用者较少。在硅基微加工工艺中，表面加工采用多层薄膜结构和牺牲层腐蚀技术，制作工艺复杂且不易控制，制备的可动结构部分结构，厚度一般在3微米以下。在体硅工艺中采用最多的是体硅溶片工艺，即硅一玻璃键合的双层结构，和表面工艺相比体硅工艺具有更大的加工空间(一般大于20μm)。但传统体硅溶片工艺由于采用浓扩散技术制备单晶硅浓硼层，单晶硅浓硼层的厚度一般小于40微米，制备的器件其硅可动结构部分的厚度相应也小于40微米，而且硅结构部分的应力较大，阻碍了器件性能的进一步提高。此外由于制备好的器件包括硅和玻璃两部分，容易受两种材料热膨胀系数差异所带来的应力影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是提供一种低电阻率单晶硅微机械结构加工工艺的基于硅硅键合的全干法深刻蚀微机械加工方法；并且本发明方法还具有制备的微机械可动结构的厚度可达100微米以上，器件性能高、应力低，制造工艺简单，可重复性强，制造成本低等优点。
本发明所要解决的技术问题由下列技术方案实现，它包括步骤
①在双面抛光的底层单晶硅片1表面用热氧化或淀积工艺制备一层0.2微米至2.0微米厚的二氧化硅层2，②用光刻工艺和反应离子刻蚀工艺在底层单晶硅片1底面光刻出键合台面和划片槽图形3，键合台面和划片槽图形3刻蚀深度为1至2微米，③用光刻工艺和反应离子刻蚀工艺在双面抛光的顶层单晶硅片4底面光刻出键合台面和划片槽图形5，键合台面和划片槽图形5刻蚀深度为2至20微米，④用键合工艺将顶层单晶硅片4有键合台面和划片槽图形5的一面键合在底层单晶硅片1表面的二氧化硅层2上，形成顶层单晶硅片4、二氧化硅层2、底层单晶硅片1整体三层材料结构，⑤用磨片、抛光工艺将顶层单晶硅片4减薄至厚度为100至200微米，⑥用双面光刻、溅射、剥离的工艺在顶层单晶硅片4表面制备钛、铂、金三层金属构成的引线键合点图形6，引线键合点图形6的厚度为1800埃至2200埃，⑦用光刻工艺在顶层单晶硅片4表面制备一层光刻胶7，光刻胶7进行曝光、显影后形成微机械结构图形8以及划片槽图形9，⑧用划片机沿着划片槽图形9划片，依次划透顶层单晶硅片4、划透二氧化硅层2、划但不划透底层单晶硅片1，⑨用深反应离子刻蚀工艺刻蚀顶层单晶硅片4，刻蚀深度至二氧化硅层2，用等离子体去胶工艺去除光刻胶7，形成微机械结构10，
⑩将底层单晶硅片1沿着划片槽图形9进行掰片，形成分立的微机械结构管芯，完成基于硅硅键合的全干法深刻蚀微机械加工。
上述第③步中双面抛光的顶层单晶硅片4的电阻率为0.01至0.001欧姆·厘米。
上述第④步中的键合工艺的温度为1000℃至1200℃。
本发明相比背景技术具有如下优点本发明采用基于硅硅键合的全干法深刻蚀微机械加工方法，避免了浓硼扩散工艺带来的可动微机械结构厚度低于40微米的局限，可大于100微米，并避免了浓硼扩散导致的结构层应力的缺点，并极大地降低了不同结构材料热膨胀系数不匹配所导致的应力和结构变形；避免了湿法体硅腐蚀工艺带来的微结构释放问题及环境毒害问题，其制作的器件性能高，可靠性高，可重复性强，提高了成品率，降低了成本。
图1为本发明基于硅硅键合的全干法深刻蚀微机械加工方法的工艺流程示意图。
图中1为底层单晶硅片，2为二氧化硅层，3为键合台面和划片槽图形，4为顶层单晶硅片，5为键合台面和划片槽图形，6为引线键合点图形，7为光刻胶，8为微机械结构图形，9为划片槽图形，10为微机械可动结构。
具体实施例方式
参照图1，包括加工步骤如下(1)用市售通用的氧化或淀积设备在市售的双面抛光的底层单晶硅片1的表面用热氧化或淀积工艺制备一层0.2微米至2.0微米厚的二氧化硅层2，实施例中热氧化生长的二氧化硅层2的厚度为0.4微米，如图1-1。
(2)用市售通用的光刻设备和市售通用的反应离子刻蚀设备，用常规光刻工艺在底层单晶硅片1的底面光刻出键合台面和划片槽图形3，键合台面和划片槽图形3刻蚀深度1至2微米，实施例中刻蚀了1.5微米，如图1-2。
(3)用市售通用的光刻设备和市售通用的反应离子刻蚀设备，在市售的电阻率低于0.01欧姆·厘米的双面抛光的顶层单晶硅片4的底面光刻出键合台面和划片槽图形5，键合台面和划片槽图形5刻蚀深度为2至20微米，实施例中采用了0.001欧姆·厘米的双抛单晶硅片，刻蚀深度为5微米，如图1-3。
(4)用市售通用的硅-硅键合设备将顶层单晶硅片4有键合台面和划片槽图形5的一面键合在底层单晶硅片1表面的二氧化硅层2上，形成顶层单晶硅片4、二氧化硅层2、底层单晶硅片1整体三层材料结构，实施例中键合温度为1100℃，如图1-4。
(5)用市售通用的磨片、抛光设备将顶层单晶硅4减薄至厚度为100至200微米，实施例中顶层单晶硅片4厚度减薄至120微米，如图1-5。
(6)用市售通用的双面光刻设备、市售通用的溅射设备、市售通用的超声剥离设备，用常规的光刻、溅射、剥离工艺在顶层单晶硅片4表面制备钛、铂、金三层金属构成的引线键合点图形6，引线键合点图形6厚度为1800埃至2200埃，实施例中引线键合点图形6的厚度为2000埃，如图1-6。
(7)用市售通用的光刻设备在顶层单晶硅片4的表面制备一层光刻胶7，对光刻胶7进行曝光、显影后形成微机械结构图形8以及划片槽图形9，实施例中使用了AZ1500光刻胶，如图1-7。
(8)用市售通用的划片机沿着划片槽图形9划片，依次划透顶层单晶硅片4、划透二氧化硅层2、划但不划透底层单晶硅片1，实施例中划透顶层单晶硅片4，划透二氧化硅层2，底层单晶硅片1划片深度为100微米，如图1-8。
(9)用市售通用的深反应离子刻蚀设备刻蚀顶层单晶硅片4，刻蚀深度至二氧化硅层2，用等离子体去胶工艺去除光刻胶7，形成微机械结构9，实施例中使用了微波等离子体去胶设备，如图1-9。
(10)用市售通用的掰片设备将底层单晶硅片1沿划片槽图形9掰片，形成各个独立的微机械结构管芯，完成基于硅硅键合的全干法深刻蚀微机械加工，如图1-10。
权利要求
1.一种基于硅硅键合的全干法深刻蚀微机械加工方法，其特征在于它包括步骤①在双面抛光的底层单晶硅片(1)表面用热氧化或淀积工艺制备一层0.2微米至2.0微米厚的二氧化硅层(2)，②用光刻工艺和反应离子刻蚀工艺在底层单晶硅片(1)底面光刻出键合台面和划片槽图形(3)，键合台面和划片槽图形(3)刻蚀深度为1至2微米，③用光刻工艺和反应离子刻蚀工艺在低电阻率的双面抛光的顶层单晶硅片(4)底面光刻出键合台面和划片槽图形(5)，键合台面和划片槽图形(5)刻蚀深度为2至20微米，④用键合工艺将顶层单晶硅片(4)有键合台面和划片槽图形(5)的一面键合在底层单晶硅片(1)表面的二氧化硅层(2)上，形成顶层单晶硅片(4)、二氧化硅层(2)、底层单晶硅片(1)整体三层材料结构，⑤用磨片、抛光工艺将顶层单晶硅片(4)减薄至厚度为100至200微米，⑥用双面光刻、溅射、剥离工艺在顶层单晶硅片(4)表面制备钛、铂、金三层金属构成的引线键合点图形(6)，引线键合点图形(6)的厚度为1800埃至2200埃，⑦用光刻工艺在顶层单晶硅片(4)表面制备一层光刻胶(7)，光刻胶(7)曝光显影后形成微机械结构图形(8)及划片槽图形(9)，⑧用划片机沿着划片槽图形(9)划片，依次划透顶层单晶硅片(4)、划透二氧化硅层(2)、划但不划透底层单晶硅片(1)，⑨用深反应离子刻蚀工艺刻蚀顶层单晶硅片(4)，刻蚀深度至二氧化硅层(2)，用等离子体去胶工艺去除光刻胶(7)，形成微机械结构(10)，⑩将底层单晶硅片(1)沿着划片槽图形(9)进行掰片，形成分立的微机械结构管芯，完成基于硅硅键合的全干法深刻蚀微机械加工。
2.根据权利要求1所述的基于硅硅键合的全干法深刻蚀微机械加工方法，其特征在于所述的第③步中顶层单晶硅片(4)电阻率为0.01至0.001欧姆·厘米。
3.根据权利要求1或2所述的基于硅硅键合的全干法深刻蚀微机械加工方法，其特征在于所述的第④步中键合工艺的温度为1000℃至1200℃。
全文摘要
本发明公开了一种基于硅硅键合的全干法深刻蚀微机械加工方法，它涉及微电子机械工艺加工技术领域中的微电子机械系统结构器件的制造。它将低阻硅片和带氧化绝缘层的衬底硅片键合为整体，在低阻硅片上制备微机械结构。它采用硅－硅键合、双面光刻、深反应离子刻蚀等工艺，在硅衬底的二氧化硅层上制备低电阻率的单晶硅微机械结构，制成的微机械管芯由低阻硅－二氧化硅绝缘层－衬底硅三层材料构成。本发明的优点是管芯中的微机械可动结构层厚度大、应力很低、和衬底的热膨胀系数匹配极好；具有制造成本低，成品率高，制成的器件可靠性高等优点。本发明适合于微加速度计、光开关、微机械开关、可变电容、可变光衰减器等多种硅微机械器件的制作。
文档编号B81C1/00GK1489180SQ0314328
公开日2004年4月14日 申请日期2003年9月5日 优先权日2003年9月5日
发明者胡小东, 吕苗 申请人:中国电子科技集团公司第十三研究所