專利名稱：減少靜摩擦和鈍化微電機表面的晶片水平處理方法及其所用化合物的制作方法
相關(guān)申請的交叉參考本申請要求于2000年2月1日遞交的第60/178,958號美國臨時專利申請的優(yōu)先權(quán)，該申請的內(nèi)容在此并入作為參考。
氣囊傳感器有一個隨快速減速過程中出現(xiàn)的慣性改變而移動的子元件。在其直接環(huán)境中，這個微元件和其它元件的粘著會導致減速過程中該子元件移動的失效。這種粘著被稱為“靜摩擦”，防止粘著的發(fā)生被稱為“抗靜摩擦”。
應(yīng)用于裝配和封裝中的抗靜摩擦的處理，目前已取得了一些發(fā)展。例如，美國專利5,694,740(下面寫為｀740)描述了在裝配過程中各種有機物對元件的汽相沉積，所述有機物包括硅樹脂、烷氧基硅烷、和全氟醚。雖然這種處理減小了粘著，但由于這些電子元件太小了，且同一時間要加工大量的這些元件，所以并不是對每一個元件的處理都有效。在美國專利5,936,758中描述了也是在裝配中使用的碳氟化合物被用作微光學器件的抗靜摩擦處理(基于光束被移動鏡子反射的概念)。
抗靜摩擦處理通常“鈍化”表面，被稱為鈍化劑。也就是說它們改變表面以減少其與其周圍環(huán)境的相互作用。
附圖的簡要說明

圖1表示一種典型的微電機裝置(加速計)。
圖2是一個關(guān)于被封裝前的含有半導體裝置的cerdip或cerpac的截面圖。
圖3表示這里公開的幾種化合物的化學結(jié)構(gòu)。
圖4是一個用于汽相沉積液體抗靜摩擦劑的爐子的示意5是一個用于汽相沉積固體抗靜摩擦劑的CVD爐管的示意圖。
本發(fā)明的詳細說明固體無機材料的原子間化學鍵通常具有基本的粒子特征。這些材料可以有限定的化學計量和微結(jié)構(gòu)，但是它們不形成明確的分子。相反，有機材料的化學鍵主要是共價的，并生成分散的分子。其結(jié)果是潔凈的無機表面具有一個高表面能。這使它們對靜摩擦敏感，并容易從周圍環(huán)境吸附氣體。有機表面的共價鍵分子具有較低的表面能，所以該表面具有相對低的靜摩擦和氣體吸附。依據(jù)本專利的方法和特殊材料制得的氧化硅表面富集有機苯基。這些苯基化學反應(yīng)成氧化物，并由于其降低了表面能而得到期望的結(jié)果。也就是說有機材料比無機材料有更低的表面能。所以，很明顯其它能用汽化方法沉積的有機材料(除了硅樹脂化合物)在用此方法沉積時也會產(chǎn)生有效的抗靜摩擦和鈍化特征。雖然作為苯基的載體的氧化硅的使用不是必須的，但對于半導體應(yīng)用卻有不尋常的價值，因為到分子降解的范圍，硅化物只簡單地形成二氧化硅(一種廣為了解的半導體材料)。本專利描述的是富集苯基的表面，因為這個特別的有機基團有突出的熱穩(wěn)定性和氧化穩(wěn)定性，并具有用微小變化來處理以進行半導體封裝的的特征。高沉積溫度使弱鍵吸附的粒子更完全的除去。這種類型的處理增強了潔凈反應(yīng)表面和有機抗靜摩擦蒸汽之間的強主要化學鍵，產(chǎn)生很穩(wěn)定的表面特征。
苯基的芳香性質(zhì)使能量移位。這個特性使苯基比其它有機基團具有更好的熱穩(wěn)定性。它也提高了耐磨性，這是必須承受反復或長期的表面接觸的微結(jié)構(gòu)的一個重要參數(shù)。
在半導體工業(yè)的早期，電路裝置經(jīng)常有不穩(wěn)定的電性質(zhì)。產(chǎn)生這種問題的一個原因是高能氧化表面吸附大氣蒸汽所引起的表面作用。用無機鈍化劑例如氮化硅覆蓋表面解決了這個問題。本發(fā)明說明了使用汽相沉積有機表面作為一種替代的鈍化技術(shù)。甚至當有機層厚度只有5-100埃時，它也能提高電穩(wěn)定性。有機表面層的低能量極大地降低了大氣氣體的吸附，這在有些應(yīng)用中是很有益的特征。
在一些特殊應(yīng)用中，有機物已經(jīng)被用來鈍化半導體晶片。一個例子是從液體中沉積的一類聚酰亞胺涂層。另一個例子是一類汽相沉積的聚對苯二甲撐薄膜。這兩例均沒有說明用可控方法形成小于100埃的鈍化層。這是一個重要的區(qū)別，因為有機物是絕緣體，能夠維持表面電荷，除非它們極薄。這樣的電荷對MEMS裝置的參數(shù)性能和可靠性會有巨大的影響。
總之，本發(fā)明用來獲得抗靜摩擦性質(zhì)的原理在許多應(yīng)用中也提供耐磨性、降低吸附性和提高電穩(wěn)定性。
很明顯，用來沉積有明確厚度和折射系數(shù)的富有機層的方法也有可能的光學和生物工藝學的應(yīng)用。在有些應(yīng)用中的限制是沉積溫度。當在低溫下使甲基烷氧基硅烷、苯基烷氧基硅烷、二苯基硅烷二醇、甲基苯基硅樹脂和六甲基二硅氮烷(HMDS)的蒸汽和含有微結(jié)構(gòu)的晶片的表面反應(yīng)時，能獲得抗靜摩擦和鈍化特性。應(yīng)注意的是，作為制備含有鋁的半導體晶片的重要因素，這些材料都不含有氯或氯化物，這是因為當濕氣存在時，鋁很容易受痕量氯化物腐蝕。這些材料之一HMDS在半導體工業(yè)中被用來提高保護層和晶片的粘著性，而在本專利中的用途有相反的作用降低相鄰表面接觸時的粘著性。
本發(fā)明不排除含氯材料的使用，因為這些材料仍在不受如上面所提到的鋁的例子的副作用影響的半導體生產(chǎn)中使用。
微電機裝置有很多應(yīng)用。特殊應(yīng)用會有一個或多個下述要求優(yōu)良的抗靜摩擦性、可控的表面電性能、所述裝置表面吸附的抑制、所述裝置表面吸附的控制、以及在所述裝置的至少一個表面上的耐磨性。
雖然在本申請中的討論集中在氣囊用的傳感器上，但所討論的概念適用于所有必須保持分離的微電機結(jié)構(gòu)。由本發(fā)明的方法得到的芯片通常被用于cerdip(雙列直插式陶瓷封裝)和cerpac中，cerpac是cerdip的變體，其中形成的引線能夠被焊在表面安裝的基片上。Cerdip和cerpac都使用矩形陶瓷基底，該基底含有在其中安裝芯片的空穴?？昭ǖ闹車怯妹芊獠ＡЦ采w的平面。當排成一行的引線架和基底通過一個爐子時，金屬引線架被鑲嵌在密封玻璃里。在由爐中通過期間，基底上的密封玻璃軟化并粘合在引線架上。通常，在用于在空穴中安裝芯片的銀—玻璃模片固定中，這種由爐子中通過的做法被用于燒光有機物，和燒結(jié)無機物。當導線把芯片連接到引線架后，陶瓷蓋被放在基底—引線架的組裝體上。該陶瓷蓋也具有和基底密封表面相配套的復蓋密封玻璃的表面。使蓋—引線架—基底組裝體由爐子中通過以軟化基底和蓋上的密封玻璃。高爐溫使玻璃流動并在含有芯片的空穴周圍產(chǎn)生密封。因此，典型的cerdip/cerpac制造方法包括幾次通過爐子。標準工業(yè)方法使用的爐子的條件(在空氣中通常約為430-460℃)能快速地降解有機物。由于此原因，cerdip和cerpac很少含有有機材料。
本申請主要描述了在硅晶片上形成微電機結(jié)構(gòu)來說明本發(fā)明。然而，如上說述，本發(fā)明有很廣泛的應(yīng)用性。它認識到靜摩擦是由表征潔凈無機材料的高表面能引起的。從而，在一些無機微結(jié)構(gòu)(甚至那些通常不被認為是半導體的無機材料形成的微結(jié)構(gòu))上生成薄的有機表面的汽相處理，將減少表面能并由此抑制靜摩擦。石英—一種結(jié)晶氧化硅是這種材料的實例。它已經(jīng)被用在利用它的壓電性以產(chǎn)生共振且表面敏感的微結(jié)構(gòu)的微結(jié)構(gòu)應(yīng)用中。
上一段描述了和靜摩擦相關(guān)的表面能抑制的廣泛應(yīng)用，然而，在本文中還討論了應(yīng)用于其它表面作用的類似描述，包括表面磨損、吸附和電性能。
本申請中所用的實施例是基于硅晶片的多硅微結(jié)構(gòu)。然而，很明顯，本發(fā)明是可應(yīng)用在任意基片上的潔凈無機微結(jié)構(gòu)。因此，本申請中所用的晶片一詞包括含有至少一個無機微結(jié)構(gòu)的無機基片。
本發(fā)明在一個優(yōu)選的實施方案中作為其在晶片中的使用被描述。在這個實施方案中，晶片上的芯片至少含有一個慣性傳感器，該慣性敏感器與電子電路集成在芯片上，并隨后封裝在cerdip和cerpac中。然而，本發(fā)明還可類地應(yīng)用于具有無集成電路的微電機裝置的芯片上，以及應(yīng)用于cerdip和cerpac之外的封裝。例如，許多標準的集成電路(IC)裝置在氮氣中，在溫度低于350℃時被封裝在無導線的芯片載體(LCC)中。LCC封裝也是空穴封裝。基底通常是陶瓷的，蓋通常是一種熱膨脹系數(shù)與基底相似的金屬。在LCC裝配過程中，裝置典型地使用低溫銀一玻璃或模片固定產(chǎn)品固定在基底上。當使用銀一玻璃時，部件通常在空氣中約350℃的溫度下通過爐子。有機模片固定材料的操作溫度比較低，氮氣使降解最小化。當芯片把導線焊片連接到孔穴中的連接板上的連接點之后，蓋被焊在或縫合密封在基底上，以此保護芯片并使它被電連接在表面安裝基片上。
塑料封裝也是很普遍的。在標準塑料封裝過程中，芯片被安裝在帶有模片固定材料的金屬引線架上，該模片固定材料通常是有機的。芯片上的焊片與引線架上的引線指狀元件之間的電連接典型地是由焊片和指狀元件間的球形焊接金絲形成的。該列安裝裝置被放在模具中，在該模具中，液態(tài)塑料化合物在高壓下流過每一個裝置，并密封它們。如果微結(jié)構(gòu)被罩住以免與流動塑料接觸，帶有微電機裝置的芯片可在這些塑料封裝中被模制。塑料操作溫度典型地是只有175℃，明顯低于cerdip和cerpac的操作溫度(如果金屬或玻璃被用來連接微電機裝置上的罩，應(yīng)用于罩上的技術(shù)要求溫度明顯高于175℃)。很明顯，其它封裝方法，包括裸芯片和倒裝芯片的安裝也是可能的，要求很小心地保護微結(jié)構(gòu)不受操作和使用過程中發(fā)生的粒子、物理損害和其它損害作用的影響。該關(guān)于封裝的討論表明cerdip和cerpac的替換封裝方法是可行的，并且其中的一些實施方法和本發(fā)明所描述的有機處理不發(fā)生矛盾。使用低溫軟化的密封玻璃以及用惰性氣體與裝配爐中使用的空氣混合以減少高溫氧化，也可以改善cerpac和cerdip操作中的侵蝕性。例如，氮氣和空氣的比例為6∶1可以使熱爐氣體中氧的含量從21％降低到3％。當在cerdip和cerpac高溫爐中使用該稀釋氣體時，將降低表面處理的氧化而不會明顯影響模片固定、引線架和封裝密封過程。這個基于低侵蝕性的過程的封裝技術(shù)討論加寬了本發(fā)明的應(yīng)用性。其中，在標準的cerdip和cerpac中，最理想的是形成基于苯基的涂層的處理，基于其它有機物的處理可以在和封裝過程不矛盾時使用。
圖1所示為一種典型的微電機加速計的說明，顯示了一種的單軸模擬裝置加速計的一般形狀。圖1中的交叉指狀元件(24、26和28)通常彼此之間以及和下面的基片之間分開距離小于2微米。它們中的一些也是具有高度機械順從性的彈性安裝物質(zhì)的一部分。因此，如果該裝置受到高機械或電子的撞擊力，微結(jié)構(gòu)會和相鄰的表面接觸。當表面分開后，該裝置通常會無損傷地恢復，然而，如果表面粘住了，性能就會下降。
圖2是一個關(guān)于被封裝前的含有半導體裝置的cerdip or cerpac的截面圖。
(圖1和圖2在美國專利5,694,740中有更詳細的描述，該專利的整個內(nèi)容在此并入作為參考。
為了認識靜摩擦問題的重要，我們需要了解芯片制造的基本原理。典型IC芯片的制造非常貴，因為這要求一系列的許多步驟，這些步驟包括純度極高的特殊材料的沉積、注入、移去和圖案形成。因此，許多應(yīng)用考慮到成本效益，裝置一定很小(通常小于幾平方毫米)。這使生產(chǎn)者需要從每一塊晶片上制得幾千個裝置，甚至在一個晶片加工區(qū)可以制得幾十個晶片。因此，在晶片階段的任意處理，如果處理效益能同時被轉(zhuǎn)移到幾千個芯片上，而不是單獨處理每一個芯片，則使該過程更有效和更經(jīng)濟，。很明顯，經(jīng)濟效益的度量是一個裝置在應(yīng)用中價值的體現(xiàn)。例如，一個高可靠的微鏡式轉(zhuǎn)換陳列帶給通訊系統(tǒng)的高價值是如此巨大，那么即使在一個晶片上只能放一個或兩個裝置，陳列也是有經(jīng)濟效益的。(因此，有些情況下，晶片不被切割成芯片，而使整塊晶片被用作一個裝置。)在此已經(jīng)發(fā)現(xiàn)把抗靜摩擦過程整合到晶片加工流水線上可以防止所得芯片的靜摩擦。有時使用縮略詞WASA(Wafer Anti-Stiction Agent晶片抗靜摩擦劑)描述該過程和涂覆材料。
在抑制微結(jié)構(gòu)加工過程的靜摩擦而進行的晶片水平處理方面，已經(jīng)發(fā)表了很多著作。在結(jié)構(gòu)被“釋放”后，晶片加工過程中的靜摩擦立即發(fā)生在晶片加工過程。相反，在空氣或其它氣體環(huán)境下，本發(fā)明卻應(yīng)用于那些含有已經(jīng)釋放的并起作用的微結(jié)構(gòu)的晶片上。這個區(qū)別在下面的段落中將被討論。
微結(jié)構(gòu)通常是通過在晶片的犧牲層上沉淀薄膜來制備的。絕緣硅片和各種連接晶片的技術(shù)也都被使用。圖案形成后，在使用液體蝕刻劑并進行漂洗的過程中，犧牲材料一般被除去(即“釋放”)。液體干燥后，表面張力吸引微結(jié)構(gòu)進入接觸面，如果沒有使用抗靜摩擦處理和其它一些防護技術(shù)，這些微結(jié)構(gòu)將在接觸面里粘著。不幸的是，因為相對于加工過程的靜摩擦而優(yōu)化的處理限制了熱穩(wěn)定性和氧化穩(wěn)定性，所以不能充足地承受大量的封裝過程。在微結(jié)構(gòu)表面上形成長鏈烷基的處理是這種限制的實例。一些表面處理也是基于氯硅烷進行的。由于鋁上的殘留氯化物相互連接，并且連接墊會引起腐蝕失效，所以氯硅烷會引起可靠性問題。通過使用具有高度熱穩(wěn)定性和氧化穩(wěn)定性的無氯材料以及通過在裝配過程近結(jié)束時使用該材料，在專利｀740中可避免這些問題。在｀740中，一種有機液體被分散入含有帶微結(jié)構(gòu)的芯片的空穴封裝中。該封裝隨后被加熱以除去所述液體。幾乎所有的液體都揮發(fā)進爐子中。然而，當液體蒸汽離開空穴時，會接觸芯片的表面，并在微結(jié)構(gòu)上形成一個薄有機層。此等處理提供了有效的抗靜摩擦。然而，一個優(yōu)選的實施方案要求液體揮發(fā)特征與熱剖面吻合，小液體流量的可控分散，并要求該處理應(yīng)用于單個裝置而非晶片區(qū)上。因此，該處理失去了表征晶片加工范圍的經(jīng)濟和過程可控的優(yōu)點。本專利申請公開了晶片上的微結(jié)構(gòu)具有抗靜摩擦性質(zhì)的技術(shù)，該技術(shù)避免了上述缺點。
雖然｀740公開了一些在裝配過程中適用的材料，而且這些材料應(yīng)用于晶片制造階段時能帶來效益，但應(yīng)該認識到從晶片制造直至芯片在電子元件里的裝配，芯片的操作要經(jīng)過若干步驟，在這些步驟中，芯片被暴露于高溫度(如500℃)、不同的化學環(huán)境、操作過程的機械損傷以及對符合產(chǎn)品性能要求的裝置的生產(chǎn)量產(chǎn)生一些影響的其他行為和力的變化中。另外，本申請內(nèi)容進一步的公開涉及抗靜摩擦處理，該靜摩擦處理在晶片加工階段的應(yīng)用效果比｀740所公開的效果好。應(yīng)該注意到，當這些新的抗靜摩擦涂層應(yīng)用于裝配中的元件時，也產(chǎn)生益處。
本申請中所使用的有機硅化合物(含硅的有機化合物)這個名詞所指如下。有機硅化合物必須在分子中至少含有一個Si-R基(R代表有機基團)。硅醇、氯硅烷和烷氧基硅烷是如下有機化合物，其中和分子中硅原子(Si)相連的一個或多個取代基分別是羥基(-OH)、氯基(-Cl)或烷氧基(-OR)。硅樹脂(也稱為硅氧烷)是含有重復單元(-Si-O-)的合成聚合物，這些重復單元中的硅原子可含有多達兩個取代基，例如包括苯基(-Ph)和甲基(-Me)。在本申請中，名詞苯基硅烷、苯基硅氧烷和苯基硅樹脂是指在至少一個硅原子上含有至少一個苯基的化合物，例如包括硅醇終止的聚二苯基硅氧烷、二苯基硅烷二醇、四苯基二硅氧烷二醇、六苯基二硅氧烷、四甲基苯基二硅氧烷、六苯基環(huán)三硅氧烷、八苯基環(huán)四硅氧烷、三苯基硅烷和三苯基硅醇。本申請中的大部分討論使用二苯基硅氧烷材料來說明本發(fā)明。然而，所有這些討論應(yīng)該被認為是較大范圍的苯基硅烷和苯基硅氧烷家族的實例。甲基苯基硅氧烷和甲基苯基硅樹脂是分子中含有至少一個甲基和至少一個苯基的化合物，例如1，1，3，5，5-五苯基-1，3，5-三甲基-三硅氧烷。烷氧基化合物的實例包括甲基三甲氧基硅烷、苯基三甲氧基硅烷、二苯基甲基乙氧基硅烷和二苯基二乙氧基硅烷。注意二苯基甲基乙氧基硅烷是一種甲基苯基烷氧基硅烷。硅醇的實例包括二苯基硅烷二醇、四苯基二硅氧烷二醇和硅醇終止的聚二苯基硅氧烷。本申請所使用的名詞硅烷包括如下化合物含有至少一個有機基團、至少一個硅原子和至少一個其它取代基(可以是氫、氯、烷氧基或羥基)。三苯基硅烷、二苯基二甲氧基硅烷和二苯基硅烷二醇是這個應(yīng)用的實例。硅樹脂的末端硅原子可以有三個取代基，可能是苯基、羥基或甲基。幾種代表性化合物如圖3所示。
在專利｀740中使用的含烷氧取代基的硅烷在裝配過程中賦予開放式cerdip以抗靜摩擦性。加工過程中這個時刻的沉積(即在晶片被切割后)使熱降解和氧化降解最小化。所用的烷氧基硅烷包括甲基和苯基烷氧基硅烷。那些含有苯基取代基的化合物非常難處理，因為其在室溫下的蒸氣壓較低。在以前，只含苯基取代基的硅烷或硅氧烷沒有因為抗靜摩擦性被考慮用在晶片上。
苯基硅氧烷比甲基硅氧烷熱穩(wěn)定性高，更可能應(yīng)用于包括芯片加工的裝配過程中。再者，科學文獻中的報道說明環(huán)硅氧烷比類似的線性硅氧烷的熱穩(wěn)定性高。然而，本發(fā)明調(diào)查表明，用化學反應(yīng)性的二苯基硅氧烷處理的表面比用類似的環(huán)硅氧烷處理的表面有更高的熱穩(wěn)定性。這個結(jié)論的得出是基于用cerdip和cerpac封裝的裝置的性能測試。在本說明書中，化學方應(yīng)性的硅氧烷和硅烷例如包括帶有羥基、烷氧基和氫光能團的產(chǎn)物。當裝置用塑料或密封封裝(焊接和縫合密封)來封裝時，反應(yīng)性的和非反應(yīng)性的硅氧烷之間的性能差別不大，這是因為這些封裝過程比cerdip和cerpac過程侵蝕性小。
用來加熱處理過的晶片的兩種爐子如圖4和5所示。改良的蒸汽主爐1(圖4)能獲得真空(通過連接真空泵的真空閥2)。氮氣或其它有關(guān)惰性氣體能通過進氣閥3加入爐子中。爐子還連接到一個含有涂層材料5的儲藏室4，該涂層材料在室溫下可以是液體的或固體的，而且該儲藏室有一個或多個熱源6以汽化涂層材料并使其在從儲藏室到爐子階段保持蒸汽形式。爐子也可以包括一個設(shè)計爐子的溫度和氣體壓力等的裝置(例如一臺計算機)。在圖4所示的爐子中，晶片放置在晶片艙7里。
一種典型的CVD爐子8如圖5所示。該爐子也有一個真空源9、氮氣或其它相關(guān)惰性氣體源10、一個熱偶11、一個或多個加熱器12和一個用來支撐待處理材料的支架13，該支架通常被稱為槳板。晶片艙14中的晶片被放置于盒子16中并遮蓋起來，該盒子不是真空密閉的。承載盒子16的槳板隨后經(jīng)門15被送進去，該門隨后關(guān)閉。盒子16被用來保持一個高的局部蒸汽濃度。注意，涂層材料17被放置于容器19里，該容器也放在盒子中，并帶有護罩18以降低潑濺。
顯而易見，不同的材料具有不同的蒸汽壓力，所以當使用不同的材料時，為了維持相等的沉積速率，可以調(diào)整沉積溫度范圍。例如，二苯基硅烷二醇或四苯基二硅氧烷二醇被用作沉積物質(zhì)，而不是八苯基四環(huán)硅氧烷或硅醇終止的聚二苯基硅氧烷，就是出于這樣的考慮。二苯基硅烷二醇是硅醇終止的聚二苯基硅氧烷家族中最小的分子。它的分子量(216)遠小于八苯基環(huán)四硅氧烷的分子量(793)，所以它很明顯地更易揮發(fā)。它也更容易反應(yīng)，溫度高于約140℃時，它將轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的二苯基硅氧烷。四苯基二硅氧烷二醇是硅醇終止的二苯基硅氧烷家族中的第二小的一員。
爐子被加熱到的溫度是重要的，因為該溫度必須足夠熱以汽化有機硅化合物，但又不能太熱以致于系統(tǒng)的元件或晶片受到損傷。應(yīng)該注意到，本發(fā)明的一些實施例使用的是真空爐。另外，加熱過程發(fā)生的時間也是一個因素。因此，如果加熱步驟發(fā)生在一個相對長的時間段內(nèi)，能產(chǎn)生較低汽化速率的相對低溫則是可以接受的?？紤]到所有的這些因素，在約100-500℃之間加熱是可以接受的，加熱范圍優(yōu)選300-500℃，前提是晶片或其它基片能承受這個范圍。許多基片在較低的溫度下涂覆(例如100-300℃)，這是因為其所含元素有限的熱穩(wěn)定性。
過程問題和熱-氧化因素把焦點集中在硅醇終止的聚二甲基硅氧烷上。多數(shù)商用硅氧烷是基于二甲基硅氧烷(二苯基硅氧烷相對特殊些)。然而，基于二甲基硅氧烷的硅醇是不穩(wěn)定的，它們甚至在室溫下就可以發(fā)生縮聚反應(yīng)，生成較高分子量的產(chǎn)物。苯基取代基能穩(wěn)定二苯基硅氧烷上的硅醇基團。這種穩(wěn)定化作用使硅醇終止的聚二苯基硅氧烷可以在加工環(huán)境下應(yīng)用。
平均分子量高達約5000范圍的硅醇終止的聚二苯基硅氧烷要求上述的過程條件只能有很小的變化或無變化(見圖3，這對應(yīng)于范圍約為1-25的n，當n大于50時，化合物在此特定條件下不揮發(fā))。優(yōu)選的n的范圍為約4-25。冷卻后，晶片被移走，并切成芯片，該芯片隨后裝配進入封裝中。雖然本測評中用的是cerpac和cerdip，但其它封裝可以同樣應(yīng)用。
上述討論大多集中于室溫或接近室溫條件下具有低揮發(fā)性的材料的過程。然而，同樣的原理和設(shè)備可以應(yīng)用于中溫揮發(fā)的材料，以下部分將對其解釋。
六甲基二硅氮烷(HMDS)一般汽相沉積于晶片上以加強晶片表面光致刻蝕劑的粘著性。在本發(fā)明中，它有相反的作用，當應(yīng)用于微結(jié)構(gòu)時，它給予抗靜摩擦性。為了利用HMDS的抗靜摩擦性，通過使用一般用于沉積HMDS而加強光致刻蝕劑粘著性的同樣設(shè)備，它既可以被應(yīng)用于單獨的芯片，也可以被應(yīng)用于大批的晶片(在它們被切割成芯片之前)。該設(shè)備是一典型的加熱到220℃-250℃、帶有一儲藏室的真空爐，該儲藏室用來盛裝室溫下是液體的HMDS(圖4所示為此爐的改進型)。HMDS在室溫下有一個合適的蒸氣壓，所以當連接儲藏室和爐子的閥門打開后，HMDS蒸汽就流入爐子中，并與熱的晶片表面反應(yīng)。
HMDS處理過的晶片很少保存很長時間，因為處理效果隨時間惡化，這部分歸因于吸收的材料逐漸蒸發(fā)。本發(fā)明所用的處理的主要貢獻是長期的穩(wěn)定性和持久性。為獲得這些性質(zhì)，要求更多的表面發(fā)生反應(yīng)，而且所吸收的材料被除去。這就要求增加氣相沉積涂層和表面之間的強化學鍵。提高爐溫和延長過程的沉積與烘烤部分的時間，可以促進這樣的反應(yīng)。
以上實例使用HMDS。然而，類似的裝置(也許帶有一熱儲藏室和熱跟蹤管)可以用于使用任意有機物來處理晶片，該有機物是液態(tài)的或是固態(tài)的，具有中等的揮發(fā)性。例如，如上面提到的，雖然二苯基硅烷二醇在140℃以上分解，但在接近室溫時是相當穩(wěn)定的。因此，這種類型的爐子可以使用二苯基硅烷二醇(放在儲藏室里，純的或是在溶劑里)。一旦在熱的爐子中，二苯基硅烷二醇蒸汽很快地與熱的晶片表面發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生穩(wěn)定的、低能量的表面鈍化作用。
除了以上公開的特殊的抗靜摩擦化合物，應(yīng)該注意到這些化合物的混合物可用用作抗靜摩擦劑?？紤]到所能用到的抗靜摩擦化合物的變化，爐子的溫度范圍可以為100-500℃。在一些例子中，特殊材料可以被用于大部分或全部這個溫度范圍。例如，本申請引用了155-470℃的二苯基硅烷二醇的具體數(shù)據(jù)。其它材料因為低揮發(fā)性受到實用低溫限制。例如，低于300℃時，八苯基環(huán)四硅氧烷是基本上不揮發(fā)的。晶片的特性也能造成溫度限制。例如，一種帶有集成CMOS(互補金屬氧化物半導體)電路的MEMS晶片會被CMOS電路限制為低于450℃的過程。含有光學的MEMS鏡的晶片可以有一個較高的溫度限制，這是由用于制備鏡子的薄膜的擴散設(shè)定的。通過以上這些可能被想到的限制，上面的過程形成了一個貫穿于芯片加工和產(chǎn)品壽命的持久的涂層。
進行了幾個靜摩擦測試。一類測試是在相鄰的微結(jié)構(gòu)之間施加靜電力，以使它們發(fā)生接觸。另外一組測試是施加機械沖擊。在所有的這些測試中，通過抗靜摩擦處理，僅從理論上來講，靜摩擦被充分抑制。幾個說明測試過程的實施例如下所述。
靜摩擦失效是幾種力的最后結(jié)果。如果表面互相接觸，靜摩擦發(fā)生的條件是方程式1靜電力+表面靜摩擦力＞機械彈簧恢復力抗靜摩擦處理的目的是減小表面力至近乎于零。在下面描述的第一個ADXL202例子(實施例2)中的裝置是無動力的，所以，方程式1中靜電力為零。該實例的目的是減少靜摩擦力至一定的水平，以使機械彈簧能始終把連接的表面拉開。實施例3中的ADXL76測試表明了對模型增加靜電力，而實施例4中的第2個ADXL202例子則把靜電力和累積磨損結(jié)合在一起。在這些例子中，目的是使表面力與靜電力和機械力相比變得無關(guān)緊要。不同電壓下的導體的靜電引力和它們之間的距離的平方成反比。因此，如果抗靜摩擦處理是在有效厚度下進行，就可希望它能減小方程式1中的靜電力項(在兩個結(jié)構(gòu)接觸后)。這個結(jié)果是可以預料的，因為當結(jié)構(gòu)接觸時，導體之間的間距就是絕緣表面薄膜的厚度。不幸的是，厚絕緣涂層會產(chǎn)生靜電荷。這種電荷也會在一些應(yīng)用中引起靜摩擦。因此，如果涂層是不導電的，抗靜摩擦過程必須形成極薄的、易控制的涂層。
這個討論描述了幾個晶片的抗靜摩擦處理。然而，本過程強于｀740所描述的過程的一個優(yōu)點是在一單獨處理過程中，能夠被用來處理大量的晶片。因此，它具有真正的經(jīng)濟效益，并具有過程可控制的優(yōu)點。
當每個芯片都還以晶片的形式存在時，其電子特性能夠被測定并調(diào)整，相對于封裝后的調(diào)整，這有很顯著的成本優(yōu)點。然而，這要求裝置的性能不受封裝作用的影響。這個要求對于具有電子功能性的微結(jié)構(gòu)特別重要，因為與標準集成電路裝置不同，微結(jié)構(gòu)很少被鈍化。具有未鈍化表面的微結(jié)構(gòu)的電子性質(zhì)會受到吸附到該表面的氣體的影響。因此，即使帶有標準半導體電路元件的芯片部分是完全鈍化的，集成了帶有微結(jié)構(gòu)的電路的裝置還會有不希望的性質(zhì)。封裝環(huán)境和對室內(nèi)濕度的暴露會影響一些傳感器的設(shè)計，而另外一些傳感器則對封裝不敏感。因為本專利所描述的抗靜摩擦表面處理鈍化了表面，并且是在裝置被調(diào)整前進行，所以最終的產(chǎn)品會有較高的產(chǎn)量和較嚴密的性能規(guī)格。
本專利所描述的處理在微結(jié)構(gòu)上和其它晶片表面上形成薄的絕緣層，其太薄以致于不影響晶片上的鋁連接墊和引線的粘合性。薄的單層足夠獲得抗靜摩擦和控制氣體吸附。本專利所描述的方法和材料增加了存在于半導體裝置所用的硅、多硅、鋁和其它材料上絕緣的固有氧化物的厚度。然而，該有機硅氧化物增加的厚度典型地只有約5-25埃，多數(shù)在5-12埃的范圍。改變方法和材料以增加厚度是可能的。例如，在此方法中，當蒸汽沉積時，硅醇終止的聚二苯基硅氧烷的低分子量部分可被聚合以形成較厚的層。以得到超過100埃的厚度。更厚的處理可以被做到，并且是無害的，除非防礙了引線的接合或形成足夠承載電荷的絕緣體。這樣的電荷以一種不可控的方式影響電子特性，例如，不需要的表面電荷產(chǎn)生的靜電引力能移動微結(jié)構(gòu)。這里提到的厚度測量可以通過在平面基片上使用掃描橢圓偏振計來得到。
接觸角也可以用來檢測這些表面處理的存在。水很容易浸濕潔凈的二氧化硅表面，給出一個低的潤濕角。疏水表面不會被水浸濕，并有一個高的潤濕角。這里描述的表面處理都是疏水的，所以接觸角(用表面上的一滴水來測量)是檢驗一個涂層是否存在的簡易方法，也是測量涂層質(zhì)量的粗略方法。它能說明疏水涂層的存在和疏水的程度，且通常和抗靜摩擦質(zhì)量關(guān)聯(lián)。例如，水在潔凈的二氧化硅表面展開，會產(chǎn)生一個低于20度的接觸角。當用本專利所描述的方法處理后，接觸角典型地高于80度。
本發(fā)明覆蓋了為符合多種微結(jié)構(gòu)的應(yīng)用而優(yōu)化的方法和材料的范圍。下面的討論說明了一些包括選擇適宜的材料和過程特性的關(guān)鍵因素，并進一步說明慣性敏感器的抗靜摩擦涂層以外的應(yīng)用。
1.環(huán)甲基和苯基硅氧烷是極穩(wěn)定的。環(huán)苯基硅氧烷也具有很低的揮發(fā)性。其結(jié)果是，環(huán)硅氧烷在低溫下不和表面反應(yīng)(它們只形成吸附層)。足夠地升高溫度能促進反應(yīng)性。這種情況是通過正常的活化能影響、蒸汽濃度的升高以及由于被吸附氣體的熱解吸所活化的表面而發(fā)生的。經(jīng)掃描橢圓偏振計測量，得到了易控制的薄層。進一步反應(yīng)將在初始層增加表面處理的厚度，這發(fā)生得并不明顯，因為初始處理將表面改變?yōu)橐粋€低能量(非化學反應(yīng)的)表面。
2.靜摩擦測試是在若干個溫度和時間下，使用揮發(fā)程度和環(huán)苯基硅氧烷相似的硅醇終止的聚二苯基硅氧烷混合物來進行的。當在相似的沉積條件下做比較時，這些帶有反應(yīng)性末端基團的線性材料始終給出較好的抗靜摩擦特性。甲氧基末端的聚二苯基硅氧烷和硅醇終止的聚二苯基硅氧烷給出相似的結(jié)果。當反應(yīng)性末端基團被除去(使用六苯基二硅氧烷測試)時，結(jié)果很差。這肯定了在要求有持久穩(wěn)定特性的表面處理中形成主化學鍵的重要性。
3.使用在第1條和第2條中描述的環(huán)苯基硅氧烷和硅醇終止的聚苯基硅氧烷來處理多硅微結(jié)構(gòu)，其靜摩擦測試表明這些處理的熱-氧化穩(wěn)定性隨著沉積溫度和時間而增加。這些表面的飛行時間SIMS和XPS分析表明，增加熱暴露會引起表面的額外交聯(lián)。
4.當使用5000-8000分子量范圍的硅醇終止的聚二苯基硅氧烷混合物代替環(huán)苯基硅氧烷時，厚度控制仍是嚴密的。然而，當硅醇終止的聚二苯基硅氧烷的低分子量部分的比例增加時，薄膜的厚度的增加會變得更容易。這是因為一旦在表面上形成初始鍵，短的(相對剛性的)線性二苯基硅氧烷鏈的反應(yīng)性第二末端就暴露于蒸汽中，并能和蒸汽中的其它分子反應(yīng)。相反，較長長度的較高分子量物質(zhì)增加了一致性，因此增加了自由末端與表面而非蒸汽中的分子反應(yīng)的可能性。另外一個因素是，較長分子具有較低的每單位面積表面的“自由末端”密度。
5.本申請部分地基于環(huán)二苯基硅氧烷的沉積。一些測試還使用環(huán)狀化合物硅醇終止的聚二苯基硅氧烷的混合物。比較表明，當在晶片上測量時，這些線性和環(huán)狀前體的抗靜摩擦特性沒有實質(zhì)性區(qū)別。如果封裝過程不使用高溫空氣，那么封裝部分也沒有區(qū)別。然而，基于環(huán)二苯基硅氧烷的處理比基于線性硅醇終止的聚二苯基硅氧烷的處理，對高溫cerpac/cerdip裝配爐中的熱氧化更敏感。因此，使用純線性材料更適于cerdip和cderpacs。制造不含環(huán)狀副產(chǎn)物的線性硅醇終止的聚二苯基硅氧烷是困難的。然而，這些環(huán)狀-線形混合物可通過被稱為水解的化學反應(yīng)而用來沉積涂層，該涂層的質(zhì)量和由純線性材料制得的涂層接近。硅樹脂是防水的。然而，當溫度為聚二苯基硅氧烷過程所使用的溫度(高于約200℃)時，水快速水解硅樹脂。這個反應(yīng)打開環(huán)狀分子，并把它們轉(zhuǎn)變?yōu)榫€性分子。它也會斷開長的線性分子為較短的分子，因此促進在源容器中可能另外存在的物質(zhì)的揮發(fā)。CVD系統(tǒng)被設(shè)計為將諸如蒸汽的氣體導入過程中。另外一個簡單技術(shù)是基于這樣的事實，即硅醇終止的聚二苯基硅氧烷分子的硅醇部分是親水的，所以它們會使材料從室內(nèi)空氣中吸收水分。如果使用顆粒(顆粒具有高表面積)，則表面吸附快速進行而且有效。該吸附的水分當直接接觸硅氧烷加熱時，會促進沉積過程中的原位水解(在源艙里、在蒸氣中和在MEMS表面處)。生成的硅醇比環(huán)狀物質(zhì)更具反應(yīng)性，所以它們產(chǎn)生更能耐受熱-氧化的表面處理。注意，蒸汽的添加既適用于環(huán)硅氧烷，也適用于環(huán)狀—線性混合物。然而，在不含親水基團的硅樹脂中吸附是無意義的，所以當材料是上面討論的純的環(huán)硅氧烷時，該途徑是無效的。
6.如1-5條所述過程的350-500℃過程對許多應(yīng)用來說太高了。為了解決這個問題，可以使用蒸汽壓高于環(huán)狀和聚合的苯基硅氧烷的有機物，蒸汽的反應(yīng)性也會提高。這些方案通過使用烷氧基硅烷、HMDS、四苯基二硅氧烷二醇和通過使用二苯基硅烷二醇來加以說明。明顯地，非硅基有機材料也可以被使用。為說明此過程的低溫范圍，在下面實施例3中所述的ADXL76偏轉(zhuǎn)測試被用來表征在由單個批次中取出的晶片上的特性。在用cerpac封裝前，所有的沉積都展示了好的抗靜摩擦特性，所以它們適合在多數(shù)封裝中使用。然而，由HMDS產(chǎn)生的富甲基表面在cerpac過程中發(fā)生充分的降解。這些裝置具有5-7伏特的偏轉(zhuǎn)電壓，接近來自同樣加工區(qū)的未涂覆晶片的、在cerpac中裝配的裝置的測量值。甚至在cerpac中，雖然不如在470℃沉積的聚二苯基硅氧烷控制得好(7.5伏特，在空氣中密封)，在155℃使用二苯基硅烷二醇處理的裝置也是很合意的(6.3伏特；6.6伏特，當使用為降低氧氣量至3％而用惰性氣體稀釋的空氣來實施裝配爐過程時)。(見實施例)7.對于結(jié)合光學鏡的微結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，抗靜摩擦過程溫度的降低是特別重要的。多數(shù)這樣的鏡子是通過在基片上沉積薄的金層來形成的。金對多數(shù)表面的粘著性不好，所以作為粘著層，通常是鉻先于金沉淀。暴露于多數(shù)密封封裝過程所使用的溫度，會使下面的材料(例如鉻)通過金擴散至鏡子表面。互相擴散嚴重降低了光學性能(例如，反射性降低了)，所以通常使用特殊的障礙層來抑制互相擴散。然而，必須小心控制這些障礙薄膜，以避免惡化薄膜強度。擴散效果是累積的，所以增加另一個高溫過程是一個嚴重的問題。光學產(chǎn)品的成功生產(chǎn)也要求薄膜強度的嚴密控制，但是高溫過程使這樣的控制很難，且有時不可能。薄膜強度不可控的一個結(jié)果是微結(jié)構(gòu)的翹曲，降低鏡子和干涉儀的性能。干涉儀性能嚴格依賴于控制折射率和光程長度。明顯地，路徑長度控制受到影響光程的微結(jié)構(gòu)翹曲危害。Fabry-Perot干涉儀說明了對好控制的光學微結(jié)構(gòu)的需要。這些裝置可以由兩個具有低光學吸收的“鏡子”(例如，高光透射性)制成，并由一個空穴分開。一個鏡子是由一組薄膜層制得的，該薄膜層形成一個懸浮的且通?？梢苿拥溺R子，該鏡子是和晶片基片平行排列。第二個鏡子可以是晶片基片的表面層。懸浮鏡子上的入射光在由兩個鏡片及間隙組成的共振腔內(nèi)經(jīng)歷了多重反射。因此，在不同波長，鏡子-間隙-基片組合可產(chǎn)生建設(shè)性的和破壞性的干涉。反射或透過的波長隨間隙的增大或減小而變化。其結(jié)果是，這種類型的干涉儀在所選擇的波長展示的是透射性，而在其它波長則是反射性?？傊?，在低溫時形成抗靜摩擦表面的能力，大大簡化了要求制得低靜摩擦光學微結(jié)構(gòu)、同時使擴散以及降低光學性能的薄膜強度變換最小化的加工過程。
8.微結(jié)構(gòu)表面的電、生物學和光學特征都可通過沉積合適組成的材料來控制的。在以上的例子中，疏水性處理被用來抑制表面吸附，并因此能更好地控制電特性，不會產(chǎn)生承載表面電荷的厚的絕緣層。較厚的涂層和其它物理及化學的特性在一些應(yīng)用中是有意義的。例如，基于高苯基材料的涂層會有相對高的光學折射率，而氟化的或甲基前體的使用則產(chǎn)生低折射率層。另外，在為生物學應(yīng)用而設(shè)計的涂層中的生物活性組分現(xiàn)在是可能的，因為這些有機物現(xiàn)在可以在中等溫度下被汽相沉積、裝配和封裝。
9.如以上所注意的，這里所描述的處理會穩(wěn)定表面的電特性。這是通過使有機蒸汽和表面上的局部高能區(qū)反應(yīng)、并因此使之穩(wěn)定而獲得的。通過測量作為時間的函數(shù)的氧化物厚度，也可以說明鈍化效果。掃描橢圓偏振計特別適用于這個工作。硅上氧化物的初始厚度和生長速率都是由用來形成氧化物的特殊過程決定的。然而，若干過程中的一些將在單晶硅上形成10-12埃的氧化物。在室內(nèi)空氣中暴露一個月后，該薄膜典型地顯示為3-5埃厚，并在隨后的1-3個月內(nèi)再生長一個埃。用這里所描述的有機蒸汽方法處理的類似氧化物，在幾個月后典型地只有0.5埃的生長。這個差異是因為未處理的、高能的氧化物表面從周圍空氣吸附濕氣和其它氣體。因此，多數(shù)“明顯的”氧化物生長實際上是吸附材料的累積。相反，蒸汽處理過的氧化物的表面處于低能量的、非反應(yīng)性狀態(tài)。因此，它們幾乎沒有吸引和保持所吸附氣體的趨勢。
10.以上文字討論了薄有機涂層于氧化硅和氧化多硅上的汽相沉積。然而，本技術(shù)適用于多種基片，例如在鋁合金上、單晶鍺和新蝕刻的(無氧)硅上沉積類似涂層。使用波長掃描橢圓計表征鋁合金及無氧蝕刻的硅上的涂層厚度。在鋁接合墊上的引線接合實驗證實了涂層雖然存在，但太薄了，以至于不影響引線接合合格率和可靠性，即使X射線光電子能譜(XPS)測量表明在鋁上的沉積比在氧化硅上的沉積的覆蓋率略高一點。衰減全反射被用來比較沉積于鉻、無氧硅和氧化單晶硅上的薄膜的紅外特性。在三種材料上形成的涂層都有相似的吸收峰。
下面的實施例是用于說明本發(fā)明，但不是對本發(fā)明的限制。實施例1涂覆晶片的方法用八苯基環(huán)四硅氧烷(一種固體環(huán)硅樹脂)涂覆用來測試的晶片。幾克這種固體硅樹脂稱重后放入一個小容器中。固體硅樹脂和晶片被放入一個爐子中(可以使用CVD爐管或可編程箱式爐或真空蒸發(fā)器)，并加熱到約300-500℃之間(優(yōu)選約470-485℃)。隨著溫度升高，爐子可以被抽真空，并再充入惰性氣體以促進吸附材料從表面除去。進行若干次抽空和充氣循環(huán)，以加強熱傳遞，并由此減小溫度不均勻性。氮氣對此是合適的氣體。當溫度升高時，硅樹脂揮發(fā)、接觸晶片并反應(yīng)，在晶片表面上形成薄膜。當吸附材料被除去時，表面的化學反應(yīng)性升高。升高的溫度提高了反應(yīng)性和蒸汽濃度。所有這三個因素都提高了表面和蒸汽分子間的反應(yīng)速率。這是關(guān)鍵的，因為許多材料(如八苯基環(huán)四硅氧烷)是相對惰性的。因此，為了促進永久地將這樣的材料固定于表面上的反應(yīng)，要求高反應(yīng)的表面條件。此過程中的高溫沉積部分既可以在惰性氣體中，也可以在真空中進行。在本實施例中，八苯基環(huán)四硅氧烷的蒸汽壓在330℃時約為1托，所以實際生產(chǎn)速率要求沉積溫度是在300-500℃的范圍。低于300℃，沉積速率太低。溫度上限是由涉及晶片的因素(例如鋁金屬化)和硅樹脂的熱降解速率決定的。晶片到晶片間以及內(nèi)部晶片內(nèi)的溫度均勻性是對溫度勻變速率的關(guān)鍵限制。接近最大溫度的駐留時間可以是從1分鐘至超過1小時(優(yōu)選25-45分鐘)。其它環(huán)狀硅氧烷如六苯基環(huán)四硅氧烷材料已經(jīng)在此過程中使用，但非環(huán)狀分子也可以被沉積。例如，硅醇終止的聚二苯基硅氧烷是線性硅氧烷，發(fā)現(xiàn)其本身或和環(huán)狀硅氧烷結(jié)合都有獨特的作用。實施例2測試ADXL202加速計ADXL202是一種雙軸加速計，通常用cerpac封裝，并被設(shè)計為測試高至2g的加速度。部分ADXL202微結(jié)構(gòu)含有由8個多硅彈簧支撐的多硅慣性物質(zhì)。這些彈簧是折疊的(這通過在限定空間中增加彈簧長度而提高了機械柔順性)。如果分散的(安裝在電路板上之前)ADXL202 cerpac不經(jīng)抗靜摩擦處理就封裝，并隨后放在一個硬的表面上，那么懸浮的微結(jié)構(gòu)將和鄰近的表面接觸。用此方法制成的ADXL202有時將會粘接，所以抗靜摩擦處理是必不可少的。對靜摩擦定量的合適方法是使cerpac通過一個管子下落，直到撞到一個堅硬的表面，其中已使用幾種包括花崗巖的堅硬表面。管子保持cerpac在一個軸向排列，以保證更多的連貫的測試。當它們碰撞時，陶瓷封裝把機械撞擊轉(zhuǎn)移至芯片上，使安裝彈簧的微結(jié)構(gòu)撞擊相鄰表面。在ADXL202中，一個12英寸(30.5厘米)的管子足夠引起猛烈的接觸以及當沒有作抗靜摩擦處理時的失效。抗靜摩擦材料的使用防止該失效。使用含有來自25個晶片的芯片作超過8000次的降落，這些晶片已經(jīng)在一個箱式爐中用氮氣中的硅醇終止的聚二苯基硅氧烷處理過。使用來自12個晶片的芯片作另外的3000次降落，這些晶片是在同樣的爐子中用同樣的材料處理過。所有這些處理過的ADXL202裝置展示了靜摩擦失效。實施例3測試ADXL76加速計ADXL76是一種單軸加速計，為氣囊應(yīng)用而設(shè)計的，其額定設(shè)計范圍為50g。該電路使用一種特殊測試模式，該模式在固定指狀物和作為安裝彈簧的慣性物質(zhì)的一部分的指狀物之間產(chǎn)生靜電力(見圖1)。這種靜電力的應(yīng)用被命名為“偏轉(zhuǎn)測試”。當表面接觸，低于5伏特的“偏轉(zhuǎn)電壓”的環(huán)境產(chǎn)生時，未經(jīng)抗靜摩擦處理的裝置可能被粘著。一種如｀740所述的抗靜摩擦處理的應(yīng)用增加偏轉(zhuǎn)電壓至5.5伏特，這足夠消除靜摩擦導致的場失效。使用來自14個晶片(在一個箱式爐子中，使用硅醇終止的聚二苯基硅氧烷和氮氣覆蓋氣體涂覆的)的芯片構(gòu)成的cerpac進行測試，給出了一個典型的7.6伏特的偏轉(zhuǎn)電壓。使用由14個晶片(在CVD爐管中，使用同樣的材料進行真空涂覆的)構(gòu)成的cerpac進行平行測試，得到了8.9伏特的平均偏轉(zhuǎn)電壓。在另外一個箱式爐測試中，在同樣的470℃過程中對比了二苯基硅烷二醇和硅醇終止的聚二苯基硅氧烷。在這些測試條件下，在多數(shù)二苯基硅烷二醇和一些聚二苯基硅氧烷裝置(在這個聚二苯基硅氧烷處理區(qū)，平均偏轉(zhuǎn)電壓為7.8伏特)中，不會導致靜摩擦。實施例4在加速計中測試靜摩擦和磨損壽命用在ADXL202加速計上的表面處理的靜摩擦和磨損壽命已經(jīng)在cerpac中被測評。這個測試把“偏轉(zhuǎn)測試”和重復機械沖撞結(jié)合起來。這個技術(shù)表征了在一個模擬磨損測試中的表面處理的持久性。它用來說明當沉積溫度提高到晶片上的鋁互相連接所限定的溫度(約485℃)時，是用聚二苯基硅氧烷和環(huán)狀二苯基硅氧烷的混合物處理并在cerpac中封裝的裝置的抗靜摩擦特性得到了提高。實施例5得自ADXL110晶片的裝置測試為了用抗靜摩擦處理來說明電鈍化作用，三個ADXL110晶片和兩個得自同一區(qū)的對照晶片用硅醇終止的聚二苯基硅氧烷處理。ADXL110是一種為氣囊應(yīng)用而設(shè)計的閉環(huán)單軸加速計。晶片上的每一個裝置當被供以能量、并不遭受加速力(“零-g電壓”)時，都被調(diào)整以產(chǎn)生一組毫伏特輸出。調(diào)整三周后，晶片被再次測試，以觀察裝置特性是否由于在潔凈室內(nèi)空氣中老化而改變。未處理的晶片的芯片上測試的零-g電壓的標準偏移是在經(jīng)處理的晶片上的測量值的兩倍，因此說明抗靜摩擦處理維持電均勻性好于在未處理的對照晶片上的芯片所觀察到的。當比較零-g電壓時，更加證明了這種穩(wěn)定效果。
以上發(fā)明的進一步變化將被相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員所認可。
權(quán)利要求
1.一種賦予微電機裝置以抗靜摩擦性質(zhì)的方法，所述裝置是一種得自晶片的芯片，該方法包括a.將所述晶片和有機硅化合物一起置于爐子中，b.在所述爐子中選擇性地產(chǎn)生真空和選擇性地用如氮氣的非反應(yīng)性氣體替代爐子中的氣體，c.加熱所述爐子及所述儲藏室至一溫度，在此溫度下，至少一些所述有機硅被蒸發(fā)，并可以和所述晶片接觸，d.冷卻所述爐子，并取出所述晶片，然后，e.選擇性地切割所述晶片成為芯片。
2.如權(quán)利要求1所述方法，其所述有機硅化合物選自于以下組中甲基、甲基苯基或苯基烷氧基硅烷；二苯基二乙氧基硅烷；二苯基二甲氧基硅烷；二苯基硅烷二醇；二苯基硅氧烷；六甲基二硅氮烷；六苯基環(huán)三硅氧烷；六苯基二硅氧烷；甲基苯基硅氧烷；八苯基環(huán)四硅氧烷；苯基硅氧烷；苯基三甲氧基硅烷；硅醇終止的二苯基硅氧烷；硅醇終止的聚二苯基硅氧烷；四苯基二硅氧烷二醇；三苯基硅烷；三苯基硅醇；它們的混合物。
3.如權(quán)利要求2所述方法，其中所述有機硅化合物包括硅醇終止的聚二苯基硅氧烷、二苯基硅烷二醇或四苯基二硅氧烷二醇。
4.如權(quán)利要求1所述方法，其中所述溫度是在約100和500℃之間。
5.如權(quán)利要求4所述方法，其中所述溫度是在約300和500℃之間。
6.如權(quán)利要求4所述方法，其中所述溫度是在約100和300℃之間。
7.一種具有抗靜摩擦特性的芯片，所述芯片得自用有機化合物蒸汽處理的晶片。
8.如權(quán)利要求7所述的芯片，其中所述有機化合物是有機硅化合物。
9.如權(quán)利要求8所述芯片，其中所述有機硅化合物選自于以下組中二苯基硅烷二醇；二苯基硅氧烷；六苯基環(huán)三硅氧烷；六苯基二硅氧烷；八苯基環(huán)四硅氧烷；硅醇終止的二苯基硅氧烷；硅醇終止的聚二苯基硅氧烷；四苯基二硅氧烷二醇；三苯基硅烷；三苯基硅醇；以及它們的混合物。
10.如權(quán)利要求7所述的芯片，其中所述芯片包括至少一種慣性傳感器。
11.如權(quán)利要求10所述的芯片，其中所述慣性傳感器是一種加速計或一種陀螺儀。
12.如權(quán)利要求8所述的芯片，其中所述芯片包括至少一種慣性傳感器。
13.如權(quán)利要求12所述的芯片，其中所述慣性傳感器是一種加速計或一種陀螺儀。
14.如權(quán)利要求7所述的芯片，其中所述芯片包括至少一個具有光學功能的微結(jié)構(gòu)。
15.如權(quán)利要求8所述的芯片，其中所述芯片包括至少一個具有光學功能的微結(jié)構(gòu)。
16.如權(quán)利要求5所述的芯片，其中所述芯片具有至少一種微結(jié)構(gòu)，該微結(jié)構(gòu)具有選自以下組中的特征a.顯著的光透射性b.顯著的光反射性c.整體或部分地作為光學干涉儀的功能性
17.如權(quán)利要求7所述的芯片，其中所述芯片具有至少一個被強制靜電場反射或定位的微結(jié)構(gòu)。
18.如權(quán)利要求8所述的芯片，其中所述芯片具有至少一個被強制靜電場反射或定位的微結(jié)構(gòu)。
19.如權(quán)利要求7所述的芯片，其中所述芯片具有至少一個被強制磁場反射的微結(jié)構(gòu)。
20.如權(quán)利要求8所述的芯片，其中所述芯片具有至少一個被強制磁場反射的微結(jié)構(gòu)。
21.如權(quán)利要求7所述的芯片，其中所述用有機化合物蒸汽的處理控制微結(jié)構(gòu)表面的電特性。
22.如權(quán)利要求8所述的芯片，其中所述用有機硅化合物蒸汽的處理控制微結(jié)構(gòu)表面的電特性。
23.如權(quán)利要求7所述的芯片，其中所述用有機硅化合物的處理減少了有機硅上從周圍環(huán)境的氣體在微結(jié)構(gòu)上的吸附，或控制了微結(jié)構(gòu)和周圍環(huán)境的相互作用。
24.如權(quán)利要求8所述的芯片，其中所述用有機硅化合物的處理減少了周圍環(huán)境的氣體在微結(jié)構(gòu)上的吸附，或控制了微結(jié)構(gòu)和周圍環(huán)境的相互作用。
25.一種使用具有良好抗靜摩擦特性的微電機裝置的方法，所述裝置是在得自晶片的芯片里，所述晶片的加工方法包括a.將所述晶片和有機硅化合物一起置于爐子中，b.在所述爐子中選擇性地產(chǎn)生真空和選擇性地用如氮氣的非反應(yīng)性氣體替代爐子中的氣體，c.加熱所述爐子至一溫度，在此溫度下，至少一些所述有機硅被蒸發(fā)，d.冷卻所述爐子，并取出所述晶片，然后，e.選擇性地切割所述晶片成為芯片。
26.如權(quán)利要求25所述的方法，其中所述使用是選自于以下組中a.控制表面電性能，b.抑制在所述裝置表面上的吸附，c.控制在所述裝置表面上的吸附，以及d.對至少一個所述裝置的表面賦予耐磨損特性。
27.如權(quán)利要求26所述的方法，其中所述有機硅化合物是苯基硅化合物。
28.一種在高于約200℃時使?jié)駳夂凸铇渲牧戏磻?yīng)的方法。所述反應(yīng)促進含有一些該反應(yīng)產(chǎn)物的薄表面涂層的形成。
全文摘要
本發(fā)明公開了在微電機結(jié)構(gòu)上形成持久的抗靜摩擦表面的方法，且該結(jié)構(gòu)仍是以晶片的形式存在(例如在它們被分割成裝配封裝用的分散器件之前)。該方法包括產(chǎn)生低靜摩擦表面的材料的汽相沉積。它還公開了有效地賦予芯片以抗靜摩擦性質(zhì)的化合物，這些化合物包括苯基烷氧基硅烷、聚苯基硅氧烷、硅醇終止的苯基硅氧烷和類似材料。
文檔編號B81B3/00GK1397091SQ01804444
公開日2003年2月12日 申請日期2001年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2000年2月1日
發(fā)明者約翰·R·馬丁 申請人:模擬裝置公司