专利名称：一种体硅刻蚀和金硅键合复合工艺方法
技术领域：
本发明涉及一种微机电系统(MEMS)制作技术，尤其涉及一种体硅刻蚀和金硅键
合复合工艺方法。
背景技术：
键合是MEMS技术中的一项重要的加工方法，利用键合技术可以降低单个硅片加 工的复杂程度，并实现复杂的沟道、腔体以及S0I，同时也是重要的封装方法。键合主要包括 硅-玻键合、硅-硅键合、合金键合等，比较成熟的是硅-玻阳极键合。但要实现一个好的阳 极键合，大面积的硅是必需的。如对于密封结构，在腔体和凹处周围至少需要留有约200um 的“项圈”。而合金键合只需要l-3um就能实现封闭结构，因而近年来合金键合受到了业界 的广泛关注。合金键合又称为共晶键合，常用的共晶键合包括AU-Si，AU-Sn，In-Sn，Al-Si， Pb-Sn, Au-Ge等，其中应用最为广泛的当数Au-Si共晶键合。在许多MEMS器件的加工中，都需要采用体硅刻蚀和金硅键合这两道工艺。通常是 首先进行体硅刻蚀，然后紧接着进行金硅键合。体硅刻蚀通常采用Si02、Si3N4或者Al作为 掩模，刻蚀出体硅结构后，需要去除掉掩蔽层材料，清洗键合表面，然后在另一块硅片上沉 积金膜后，再进行键合。因此，工艺中所用的掩模材料和键合材料是不同的，存在工艺流程 多且冗余的缺点。
发明内容
本发明所要解决的问题是如何有效地减少体硅刻蚀和金硅键合工艺中所必须使 用的材料，从而减化工艺步骤，提高生产效率。本发明所提出的技术问题是这样解决的提供一种体硅刻蚀和金硅键合复合工艺方法，其特征在于，包括以下步骤①在第一硅片上制作图案化的Cr/Au或Ti/Au薄膜作为体硅刻蚀的掩模；②对第一硅片进行湿法或干法刻蚀，形成体硅微结构；③将第二硅片置于上述已形成图形结构的第一硅片上，利用共晶键合技术实现第 一硅片和第二硅片的键合。按照本发明所提供的体硅刻蚀和金硅键合复合工艺方法，其特征在于，在步骤① 中采用金属剥离或金属湿法腐蚀法形成Cr/Au或Ti/Au薄膜的掩模图案。按照本发明所提供的体硅刻蚀和金硅键合复合工艺方法，其特征在于，Cr/Au或 Ti/Au薄膜的制备方法包括真空蒸发方法或溅射方法。本发明的实质是采用金一种材料，既作为体硅刻蚀的掩模材料，同时也作为后续 共晶键合的粘附材料，在前后两道工艺中都能使用，将两道工艺有机地联系起来，不再需要 制备另外一种刻蚀硅的掩模材料，有效地简化了工艺步骤，提高了效率。此外，本发明由于 采用金硅键合，与硅玻键合相比，具有更好的微细加工能力。
图1为本发明的体硅刻蚀和金硅键合复合工艺方法的流程示意图；图2为本发明实施例1的工艺流程示意图；图3为本发明实施例2的工艺流程示意图；其中，1为第一硅片，2为光刻胶，3为钛或者铬金属薄膜，4为金薄膜，5为第一硅片 上刻蚀出的微结构，6为第二硅片，7为共晶键合层。
具体实施例方式下面结合附图以及实施例对本发明作进一步描述本发明所提供的一种体硅刻蚀和金硅键合复合工艺方法，系按图1所示的工艺步 骤进行①在第一硅片上制作图案化的Cr/Au或Ti/Au薄膜；②以Cr/Au或Ti/Au薄膜作 掩模对第一硅片进行湿法或干法刻蚀，形成体硅微结构；③将第二硅片置于上述已形成图 形结构的第一硅片上，利用硅金共晶键合技术实现两个硅片的键合。其中工艺步骤①Cr/Au 或Ti/Au薄膜掩模的制备包含剥离和湿法腐蚀两种方法；工艺步骤②体硅的加工也包括湿 法和干法两种方法。因此本发明的工艺方法一共有4种不同的工艺流程。实施例1-微型气体富集器微型气体富集器是在硅片上刻蚀出具有垂直侧壁的数个平行深槽，然后在硅片正 面键合上一个顶盖完成槽的密封。在该实施例中，采用剥离法制备Ti/Au薄膜掩模，湿法腐 蚀法刻蚀硅深槽，金硅键合完成密封，具体步骤如图2所示A)先用勻胶机在(110)第一硅片1上均勻地涂敷一层光刻胶2(AZ6112)，然后将 光刻版上的图形开窗方向与第一硅片1平边即{111}晶向族精确对准后曝光显影，将光刻 版上的图形转移到光刻胶2上，光刻胶2的断面形貌呈倒梯形；B)在具有光刻胶图形的第一硅片1上先后溅射厚度为50nm的钛薄膜3和500nm 的金薄膜4 ；C)采用丙酮浸泡法剥离掉光刻胶2，形成图案化的Ti/Au金属薄膜层；D)利用图案化的Ti/Au金属膜层作为腐蚀掩蔽层，采用50% KOH+饱和乙醇的混 合溶液作腐蚀液在80°C下对第一硅片进行腐蚀，获得200 μ m的垂直深槽微结构5 ；E)将第二硅片2清洗干净后紧贴到第一硅片1正面，使得硅金接触；F)在真空高温下进行金硅键合，工艺条件为真空度5X10_3pa，从室温开始加热， 15min达到363°C，此时进行共晶键合，再经过15min达到450°C，保持5min，关闭加热，自然 降温，20min后，温度降至363°C，键合过程结束，最终在界面处形成共晶键合层7。在完成刻蚀和键合工序后，还需进行划片、激光打孔、固定毛细管等步骤，最终完 成微型气体富集器的MEMS加工。实施例2-微型气相色谱柱微型气相色谱柱是在硅片上刻蚀出回形的垂直深槽，然后在硅片正面键合上一个 顶盖完成槽的密封。该实施例的工艺流程大致为先制作金属膜层，再进行光刻和湿法腐蚀 形成金属掩模，利用干法刻蚀形成体硅微结构，最后进行金硅共晶键合，具体步骤如图3所 示A)在清洗干净的第一硅片1上利用真空蒸发法先后沉积50nm的铬薄膜3和500nm
4的金薄膜4 ；B)旋涂光刻胶2后曝光显影，形成图案；C)利用光刻胶2作为刻蚀掩蔽层，分别用碘+碘化钾的混合溶液和硝酸四氨溶液 腐蚀金薄膜4和铬薄膜3，将图案转移到Cr/Au金属掩模层上；D)利用Cr/Au金属掩模对第一硅片1进行深度反应离子刻蚀(干法刻蚀)，得到 所需的体硅微结构5 ；E)将第二硅片2清洗干净后紧贴到第一硅片1正面，使得硅金接触；F)在真空高温下进行金硅键合，工艺条件与实施例1中的相同。在完成刻蚀和键合工序后，还需进行划片、固定毛细管等步骤，最终完成微型气相 色谱柱的MEMS加工。
权利要求
一种体硅刻蚀和金硅键合复合工艺方法，其特征在于，包括以下步骤①在第一硅片上制作图案化的Cr/Au或Ti/Au薄膜作为体硅刻蚀的掩模；②对第一硅片进行湿法或干法刻蚀，形成体硅微结构；③将第二硅片置于上述已形成图形结构的第一硅片上，利用共晶键合技术实现第一硅片和第二硅片的键合。
2.根据权利要求1所述的体硅刻蚀和金硅键合复合工艺方法，其特征在于，在步骤① 中采用金属剥离或金属湿法腐蚀法形成Cr/Au或Ti/Au薄膜的掩模图案。
3.根据权利要求1和2任一所述的体硅刻蚀和金硅键合复合工艺方法，其特征在于， Cr/Au或Ti/Au薄膜的制备方法包括真空蒸发方法或溅射方法。
全文摘要
本发明公开了一种体硅刻蚀和金硅键合复合工艺方法，包括以下步骤首先在第一硅片上形成金的掩模图形，然后利用金掩模对第一硅片进行干法刻蚀或者湿法腐蚀，形成体硅微结构，最后将第二硅片置于上述已形成图形结构的第一硅片上，进行金硅键合。本发明巧妙地应用了金薄膜层，使其既作为形成硅微结构的刻蚀工艺的掩蔽层，同时也作为后续共晶键合工艺中的粘接层。在传统工艺中，硅的刻蚀和硅片的键合是两步独立的工艺步骤。而本发明的工艺方法有机地将刻蚀和键合融合在了一起，简化了工艺流程，提高了生产效率。
文档编号B81C1/00GK101913553SQ20101025078
公开日2010年12月15日 申请日期2010年8月11日 优先权日2010年8月11日
发明者严炎, 廖明杰, 杜晓松, 王力, 蒋亚东, 郝敏 申请人:电子科技大学