专利名称：带有微腔的图形硅片真空键合方法
技术领域：
本发明涉及硅微机械电子系统(MEMS)制造中的键合工艺，特别是涉及一种带有微腔 的图形硅片真空键合方法，它适用于微机电系统制造中的键合工艺。
(二)
背景技术：
微机电系统(MEMS)是利用半导体工艺，来制造整合机械及电子元件，以达到系统微小化 的目的。微电子机械系统(MEMS)制造中的键合工艺可以采用专用设备来实现(如SB6键 合设备)，针对一些特殊的MEMS系统结构，如高真空度的键合，就需要一些特殊的工艺和 装置来实现。
特别是在制作MEMS传感器时，需要两个硅片键合在一起，其中一个硅片上制作有一定 深度和宽度的微腔，且要求微腔达到一定的真空度。 一种方法是采用国外的进口设备，如德 国休斯公司的SB6键合设备，该设备不仅能够抽真空，而且能加压力、电极、加温，真空度 能达到10S 0.5Pa。但是，当硅片的微腔体内要求达到高真空度时，即低于10^Pa (—般来 说，低真空范围为103 10—1 Pa，高真空范围为1(T1 10—6Pa)时，采用上述办法实现就比 较困难了。另一种方法是通过大型高真空泵，如加速分子泵、冷凝泵，来实现硅片的微腔体 内的高真空，但这些设备成本昂贵，而且会给工艺制作过程中带来粘污，导致成品率下降。
(三)
发明内容
为克服上述问题，本发明提供一种带有微腔的图形硅片真空键合方法，达到硅片的微腔 内的高真空度要求。
为实现上述目的，本发明的一种带有微腔的图形硅片真空键合方法，包括以下工艺步骤-
(1) 准备一个4英寸带有微腔的图形硅片，以及一个4英寸普通硅片，其导电类型可以是N 型或P型，其晶向可以是(100)或(111)或(110);
(2) 对所述带有微腔的图形硅片进行干法刻蚀，温度为20 °C， SFe气体流量为200-500 sccm， 时间为3-6秒；C4Fs气体流量为200-500 sccm，时间为1-3秒，两种气体交替使用，直至其微 腔的内壁表面粗糙，使表面粗糙度达到0.5-1.5 "m;
(3) 将所述带有微腔的图形硅片放入简易予键合装置中的承片架和对位台上，将活动杆伸入 带有微腔的图形硅片的上方2 mm左右，再将普通硅片轻轻放下，其一部分边缘与带有微腔 的图形硅片接触，另一部分边缘搭在活动杆上，其与带有微腔的图形硅片之间形成一定空隙, 关上简易予键合装置的真空室上盖；
(4) 打开简易予键合装置的真空阀，进行抽真空，时间15秒，使其内部真空度达20000 Pa;
(5) 关闭简易予键合装置的真空阀，打开氧气进气阀，充入纯度达99.9999%的氧气，时间为3秒，关闭氧气进气阀；
(5) 重复步骤(4)和(5)的过程4-8次；
(6) 向外位动活动杆，使所述普通硅片靠自身重力自然下落，与所述带有微腔的图形硅片贴 合在一起，实现真空状态下的予键合；
(7) 打开简易予键合装置的真空室上盖，取出已经予键合在一起的硅片；
(8) 将已予键合在一起的硅片放入高温扩散炉，进行高温退火处理，温度为1000-1200'C， 时间为8-15小时，气氛为氧气一氢氧合成气一氧气，最终实现带有微腔的图形硅片的真空键 合。
有益效果
本发明方法由于采取了以上技术方案，具有以下特点-
1) 本发明方法操作简单，简单易行，实现了带有微腔的硅片键合的真空度，其微腔内的真空 度能达到10—i 10—6 Pa。
2) 由于本发明方法不会带来二次粘污，使带有微腔的硅片键合成品率提高，可提高85%。
3) 由于采用了简易的予键合装置，而无需使用昂贵的进口机器，大大降低了硅片键合的加工 成本。
(四)
图1本发明的带有微腔的图形硅片的示意图2是本发明带有微腔的图形硅片与普通硅片键合在一起后的示意图； 图3是本发明方法中使用的简易予键合装置的示意图。
(此简易予键合装置的内部结构俯视图和剖面图请参见实用新型"一种在硅片上制作真空微 腔的予键合装置"03234160.1中的说明书附图)
具体实施方式
下面结合具体实施例及附图，对本发明作进一步详细说明。 本发明的带有微腔的图形硅片真空键合方法，其包括以下工艺步骤-
(1) 准备一个4英寸带有微腔的图形硅片1,以及一个4英寸普通硅片2，其导电类型可以 是N型或P型，其晶向可以是(100)或(111)或(110)，电阻率根据实际设计需要而定， 一般为1-10 Q cm。
(2) 对带有微腔的图形硅片1进行干法刻蚀，设备为ALCATEL公司的A601E机，工艺条 件温度20 。C, SFs气体流量200-500 sccm，时间3-6秒;C4F8气体流量200-500 sccm，时 间l-3秒，两种气体交替使用，气体纯度均为99.999%，直至其微腔的内壁表面12粗糙，使 表面粗糙度达到0.5-1.5 um，如图1所示。
以下的操作步骤在10级以下的净化空间内进行。
本发明方法中使用的简易予键合装置的示意图如图3所示。此简易予键合装置的内部结构俯视图和剖面图请参见实用新型"一种在硅片上制作真空微腔的予键合装置"03234160.1 中的说明书附图。(3) 将所述带有微腔的图形硅片l，放入简易予键合装置中的承片架3和对位台4上，将活 动杆5伸入带有微腔的图形硅片l的上方2mm左右，再将普通硅片2轻轻放下，其一部分 边缘与带有微腔的图形硅片1接触，另一部分边缘搭在活动杆5上，靠活动杆5支撑，其与 带有微腔的图形硅片1之间形成一定空隙，如图3所示。关上简易予键合装置的真空室上盖 6。(4) 打开简易予键合装置的真空阀7，进行抽真空，时间15秒，使其内部真空度达20000 Pa， 可通过真空计9读出数据，。(5) 关闭简易予键合装置的真空阀7，打开氧气进气阀8，充入纯度达99.9999%的氧气，使 真空计9的读出数据为零，时间3秒，关闭氧气进气阀8。(5) 重复步骤(4)和(5)的过程4一8次，使整个予键合容器和硅片1的微腔内部全部充 满为氧气。(6) 向外位动活动杆5，使普通硅片2靠自身重力自然下落，与带有微腔的图形硅片1贴合， 实现了真空状态下的予键合。(7) 打开简易予键合装置的真空室上盖6，取出已经予键合在一起的硅片，两个硅片之间已 形成一个闭合的微腔10。此时，予键合在一起的硅片的真空微腔内的真空度只有20000 Pa。(8) 将予键合在一起的硅片放入高温扩散炉(型号为L4513II-49/ZM)，进行高温退火处理，温度1000—1200'C，时间8-15小时，气氛氧气一氢氧合成一氧气。这样，键合在一起的硅片的微腔体内的少量氧成份与微腔粗糙内表面12的硅反应，生成Si02层ll，逐渐消 耗，最终，实现带有微腔的图形硅片的真空键合。带有微腔的图形硅片与普通硅片键合在一 起后的示意图如图2所示。此时，根据理想气体方程式PV-RTn，可以推算出^[腔体内的真空度。在方程式中，P 为微腔内部的压强(真空度)，V为微腔的体积，R为比例常数，T为绝对温度，n为氧分子 摩尔数(可以用分子个数表示)。式中，T、 R为定值，V在高温前后变化量只有0."/。，可以 忽略不计，从方程式中可以看出，P与n是一种正比关系。当P为20000 Pa、 V为1.2X10—8 m3、 T为300K、 R为22.4 J/mol.K时，根据方程式n-PV/RT,计算出在予键合后、高温键合前，其微腔10内部的氧分子有3.57X10'8mo1，即有氧 分子2.15X10"个(lmol为6.02XK^个分子)。因此，在进行了步骤(8)的高温键合后， 氧分子不断地与硅反应生成二氧化硅(02+Si = Si02)，在经过8-15小时后，氧分子数逐渐减 少，氧分子就只有约2.15X10" 2.15X1(^个，从而使微腔10内部的真空度达到2X1(T1 2 X10一3 Pa。上述所描述的加工工艺及其参数、化学溶液、加工设备等，除已描述的外，其余的均为 本领域普通技术人员所知的常用技术，不再加以详述。
权利要求
1.一种带有微腔的图形硅片真空键合方法，其包括以下工艺步骤(1)准备一个4英寸带有微腔的图形硅片，以及一个4英寸普通硅片，其导电类型可以是N型或P型，其晶向可以是(100)或(111)或(110)；(2)对所述带有微腔的图形硅片进行干法刻蚀，温度为20℃，SF6气体流量为200-500sccm，时间为3-6秒；C4F8气体流量为200-500sccm，时间为1-3秒，两种气体交替使用，直至其微腔的内壁表面粗糙，使表面粗糙度达到0.5-1.5μm；(3)将所述带有微腔的图形硅片放入简易予键合装置中的承片架和对位台上，将活动杆伸入带有微腔的图形硅片的上方2mm左右，再将普通硅片轻轻放下，其一部分边缘与带有微腔的图形硅片接触，另一部分边缘搭在活动杆上，其与带有微腔的图形硅片之间形成一定空隙，关上简易予键合装置的真空室上盖；(4)打开简易予键合装置的真空阀，进行抽真空，时间15秒，使其内部真空度达20000Pa；(5)关闭简易予键合装置的真空阀，打开氧气进气阀，充入纯度达99.9999％的氧气，时间为3秒，关闭氧气进气阀；(5)重复步骤(4)和(5)的过程4-8次；(6)向外位动活动杆，使所述普通硅片靠自身重力自然下落，与所述带有微腔的图形硅片贴合在一起，实现真空状态下的予键合；(7)打开简易予键合装置的真空室上盖，取出已经予键合在一起的硅片；(8)将已予键合在一起的硅片放入高温扩散炉，进行高温退火处理，温度为1000-1200℃，时间为8-15小时，气氛为氧气一氢氧合成气-氧气，最终实现带有微腔的图形硅片的真空键合。
全文摘要
本发明公开了一种带有微腔的图形硅片真空键合方法。本发明方法的主要工艺步骤(1)将所述带有微腔的图形硅片放入简易予键合装置中的承片架和对位台上，再将普通硅片轻轻放下，其一部分边缘与带有微腔的图形硅片接触，另一部分边缘搭在活动杆上；(2)打开简易予键合装置的真空阀，进行抽真空；(3)打开氧气进气阀，充入氧气；(4)重复步骤(2)和(3)的过程4-8次；(5)向外位动活动杆，使所述普通硅片与所述带有微腔的图形硅片贴合在一起，实现真空状态下的予键合；(6)将予键合在一起的硅片进行高温退火处理。本发明方法操作简单，简单易行，实现了带有微腔的硅片键合的高真空度，达10<sup>-1</sup>-10<sup>-3</sup>Pa，且无需使用昂贵的进口设备，大大降低了加工成本。它适用于微机电系统中的键合工艺。
文档编号B81C3/00GK101327906SQ20081007001
公开日2008年12月24日 申请日期2008年7月22日 优先权日2008年7月22日
发明者建 冯, 俊 徐, 谭开洲 申请人:中国电子科技集团公司第二十四研究所