專利名稱：基于硅硅鍵合的高深寬比微機械加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微機械加工方法，尤其是指一種基于硅硅鍵合的高深寬比 微機械加工方法，屬于微機械工藝加工技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
微機械加工技術(shù)是在IC (Integrated Circuit即集成電路)工藝上發(fā)展起 來的，主要包括體硅加工技術(shù)、表面加工技術(shù)和鍵合技術(shù)等。鍵合技術(shù)可以將 體硅加工技術(shù)和表面加工技術(shù)結(jié)合起來，使兩者的優(yōu)點得到充分地發(fā)揮。隨著 微機械技術(shù)的進步，很多復(fù)雜的器件和微結(jié)構(gòu)不斷出現(xiàn)，鍵合技術(shù)已經(jīng)成為硅 微加工技術(shù)中一項非常重要的加工手段。常用的鍵合方法有硅玻璃靜電鍵合、 硅硅直接鍵合、金硅共晶鍵合等。硅玻璃靜電鍵合是在一定的溫度下，硅片與 坡璃片在靜電力的作用下通過化學(xué)鍵的作用牢牢地結(jié)合到一起。硅玻璃靜電鍵 合有很多優(yōu)點，但是其工藝過程中過高的工作電壓及材料的不匹配限制了它的 使用，在用高深寬比刻蝕方法刻蝕微結(jié)構(gòu)的過程中，硅玻璃界面處還存在 footing效應(yīng)(在高深寬比干法刻蝕的過程中，硅/玻璃或硅/二氧化硅界面由 于電荷聚積會造成橫向鉆蝕，這種效應(yīng)叫footing效應(yīng))，由于footing效應(yīng)的 影響，在刻蝕過程中會造成硅結(jié)構(gòu)的側(cè)壁與底部的損傷，此效應(yīng)對刻蝕結(jié)構(gòu)產(chǎn)生 負面效應(yīng)，造成結(jié)構(gòu)不完整。而金硅共晶鍵合在密封性和工藝兼容性方面也存 在著不足之處?；诠韫桄I合的高深寬比微機械器件結(jié)構(gòu)通常由兩層硅片制作，其中一層 或兩層硅片上存在氧化層(即二氧化硅層)，兩硅片通過硅硅鍵合工藝結(jié)合到一 起，頂層制作出器件的微機械結(jié)構(gòu)(所以也叫結(jié)構(gòu)層)，底層是支撐襯底，也叫 支撐層。上下兩層之間是一薄層二氧化硅，作為兩層之間的隔離層。目前普遍采用的硅硅鍵合的微機械加工方法是先將兩片硅片(或者其中的一片)經(jīng)過氧化后再進行硅硅鍵合，形成一種具有特殊結(jié)構(gòu)的SOI硅材料(SOI — 一Silicon On Insulator),再進行后續(xù)的工藝加工。這種結(jié)構(gòu)的加工方法是采用高深寬比干 法刻蝕技術(shù)形成設(shè)計結(jié)構(gòu)，然后利用犧牲層腐蝕技術(shù)將結(jié)構(gòu)層下面的氧化層腐 蝕掉，形成腔體，使刻蝕出的微機械結(jié)構(gòu)懸空在氧化層所形成的腔體內(nèi)。這種硅硅鍵合的微機械加工方法的優(yōu)點是鍵合工藝難度減小，但是其具有 如下的缺點它是利用氧化層作為犧牲層而形成腔體的深度，因此氧化層的厚 度就決定了結(jié)構(gòu)層與支撐層的間隙，也就是決定了結(jié)構(gòu)下面的腔體的深度；也 就是說上下兩個硅片之間的間距以及所容納結(jié)構(gòu)的腔體的縱向深度受到很大的 限制，只能由氧化層的厚度確定，因此對于高深寬比的結(jié)構(gòu)來說，深寬比受到 限制。另外，刻蝕結(jié)構(gòu)時硅和二氧化硅的界面處還存在footing效應(yīng)，使這些 微結(jié)構(gòu)的器件不能滿足所要求的性能。結(jié)構(gòu)層與支撐層的間隙被限制在氧化層 的厚度范圍內(nèi)，這在具體應(yīng)用中不但會受到很大的限制，而且加工精度也會受 到影響。中國專利200610024616. 8公開的一種"凸點連接氣密封裝微機械系統(tǒng)器件 的結(jié)構(gòu)及制作方法"，是將含MEMS芯片的硅片和含有腔體圖形的硅片利用硅硅 鍵合形成一個腔體，這個硅片上的腔體就是形成在硅片的氧化層上。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明需要解決的技術(shù)問題是提供一種基于硅硅鍵合的高深寬比結(jié)構(gòu)的微機械加工方法。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是一種基于硅硅鍵合的高深寬比結(jié)構(gòu)的微機械加工方法，其基本過程包括 在符合硅硅鍵合要求的單晶硅片上刻蝕出一定深度的腔體，將上述所得的帶有腔體的單晶硅片與另一片單晶硅片進行硅硅鍵合，在對應(yīng)腔體的上面的結(jié)構(gòu)層 上刻蝕高深寬比的微機械結(jié)構(gòu)。上述方法的基本操作步驟如下A材料選用巿售的符合硅硅鍵合要求的雙拋單晶硅片；B在上述單晶硅片的表面生長氧化層(即二氧化硅層)；C局部腐蝕掉上述步驟B所得的單晶硅片界面處的二氧化硅，去除二氧化硅的部位是對應(yīng)需要刻蝕腔體的部位，然后采用干法刻蝕工藝對被腐蝕掉的二氧化硅位置的硅片進行刻蝕并形成一定的深度硅腔體；D將上述步驟中形成的帶有腔體的硅片與另 一片單晶硅片再進行硅硅鍵 合，形成一個存在硅腔體的材料；F最后在腔體的上面的結(jié)構(gòu)層上進行微結(jié)構(gòu)的加工。本發(fā)明的技術(shù)方案具體采用三種工藝方案第一種技術(shù)方案是在頂層硅即結(jié)構(gòu)層上刻蝕出硅腔體和微機械器件的結(jié) 構(gòu)，這種方案的微機械器件的結(jié)構(gòu)位于結(jié)構(gòu)層中、硅腔體的上面，刻蝕腔體是 在結(jié)構(gòu)層下底面即將來和支撐層鍵合的一面開始的。然后進行其它工藝的加工。第二種技術(shù)方案是在結(jié)構(gòu)層上刻蝕微機械器件的結(jié)構(gòu)，而硅腔體是刻蝕 在支撐層上，腔體的刻蝕是在支撐層的上表面開始，在對應(yīng)微機械器件的結(jié)構(gòu) 的位置處刻蝕出硅腔體。然后進行其它工藝的加工。第三種技術(shù)方案是在結(jié)構(gòu)層和支撐層上都刻蝕出互相對應(yīng)的硅腔體，然后 進行其它工藝的加工。在上述三種技術(shù)方案中高深寬比的微結(jié)構(gòu)及其腔體均采全干法刻蝕技術(shù)實現(xiàn)。上述的第一種在結(jié)構(gòu)層上刻蝕腔體的基于硅硅鍵合的高深寬比微機械加工 方法的工藝流程為A材料準備采用拋光工藝對單晶硅片進行雙面拋光，或者選用巿售的符 合硅硅鍵合要求的雙拋單晶硅片；B生長氧化層采用氧化層生長工藝在作為結(jié)構(gòu)層的單晶硅片上生長氧化層；C刻蝕氧化層利用光刻技術(shù)和濕法腐蝕工藝將結(jié)構(gòu)層單晶硅片上的需要加工腔體和微機械結(jié)構(gòu)的區(qū)域的氧化層腐蝕掉；D刻蝕深腔采用感應(yīng)耦合等離子(ICP)干法刻蝕方法在步驟C所得到 的結(jié)構(gòu)層上刻蝕出要求深度的腔體，腔體刻蝕部位就是腐蝕掉氧化層的部位； E硅硅鍵合利用硅硅鍵合技術(shù)將支撐層單晶硅片和步驟D中刻蝕出的帶有腔體的結(jié)構(gòu)層鍵合到一起，結(jié)構(gòu)層上具有腔體的一面向下與支撐層的上表面 相對；F濺射釆用光刻技術(shù)和磁控濺射技術(shù)在結(jié)構(gòu)層的上表面制作出焊盤和引線；G高深寬比干法刻蝕在結(jié)構(gòu)層上采用感應(yīng)耦合等離子(ICP)刻蝕方法 刻蝕出高深寬比的微機械結(jié)構(gòu)。其中步驟F和G的順序可以倒換。步驟B中生長氧化層還可以在作為結(jié)構(gòu)層和作為支撐層的兩片單晶硅片上都生長氧化層；或者在單晶硅片上不生長氧 化層而是用金屬材料替代氧化層而作為刻蝕硅腔體的掩蔽層。并且在步驟B生 長氧化層后還可以增加生長金錫合金的鍵合材料的步驟，即在任意一片單晶硅 片的鍵合表面或兩片單晶硅片的鍵合表面在生長氧化層后再生長一層金錫合金 等介質(zhì)作為鍵合材料。本發(fā)明所述的第二種在支撐層上刻蝕腔體的基于硅硅鍵合的高深寬比微機 械加工方法的工藝流程與第一種在結(jié)構(gòu)層上刻蝕腔體的基于硅硅鍵合的高深寬 比微機械加工方法的工藝流程的區(qū)別在于步驟B中的生長氧化層、步驟C中 的刻蝕氧化層、步驟D中的刻蝕腔體都是在支撐層單晶硅片進行，其加工過程 及方法與第一種基本相同，只是另外還可以增加如下步驟在步驟E硅硅鍵合后增加頂層硅減薄步驟即先利用磨片技術(shù)對鍵合后結(jié) 構(gòu)層的硅片進行減薄，再利用拋光技術(shù)對其進行拋光處理，使結(jié)構(gòu)層達到制作 微機械結(jié)構(gòu)所需要的厚度；然后再進行濺射以及高深寬比的微機械結(jié)構(gòu)加工。第三種技術(shù)方案與前面兩種技術(shù)方案的區(qū)別在于在支撐層和結(jié)構(gòu)層單晶 硅片上都刻蝕有腔體，其它步驟與上述兩種相同。由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明所取得的技術(shù)進步是本發(fā)明在硅硅鍵合前增加一步刻蝕硅腔體的步驟，界面處的二氧化硅被腐蝕掉并且形成具有一定的縱向深度的硅腔體；這樣在干法深刻蝕的過程中，由于刻蝕的區(qū)域內(nèi)沒有氧化層等造成等離子反射的材料，所以不會造成由于電荷聚積而形成的鉆蝕，避免了 footing效應(yīng)，同時也可以控制硅腔體的深度實現(xiàn)結(jié)構(gòu)和襯底之間的縱向距離的控制。這種方法可以通過調(diào)節(jié)硅腔體的深度，達 到調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)層與支撐層的間距，進而可以調(diào)整結(jié)構(gòu)層中的活動結(jié)構(gòu)的阻尼。所以釆用此加工方法不但能避免了其它鍵合技術(shù)的缺點，還可以彌補現(xiàn)有硅硅鍵 合工藝等加工方法所固有的縱向尺寸受氧化層的限制的不足。本發(fā)明的高深寬比的微結(jié)構(gòu)及其腔體均釆全干法刻蝕技術(shù)實現(xiàn)，可以避免 釆用濕法腐蝕技術(shù)制作的結(jié)構(gòu)缺點，提高結(jié)構(gòu)的加工精度和器件成品率以及結(jié) 構(gòu)尺寸的一致性。在單晶硅片表面生長氧化層或者金屬掩蔽層是為了便于工藝 操作，提高器件的質(zhì)量，在氧化層上再增加金錫合金等鍵合材料能夠滿足一些 特定的要求。


圖1 (包括圖l-A到圖l-G)為利用本發(fā)明的方法在結(jié)構(gòu)層上刻蝕腔體的 加工工藝過程的結(jié)構(gòu)圖；圖2 (包括圖2-A到圖2-H)為利用本發(fā)明的方法在支撐層上刻蝕腔體的 加工工藝過程的結(jié)構(gòu)圖。其中1、支撐層，2、氧化層，3、結(jié)構(gòu)層，4、焊盤和引線，5、微機械結(jié) 構(gòu)，6、腔體，7、單晶硅片。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步詳細說明 實施例1:本實施例是在頂層硅即結(jié)構(gòu)層3上刻蝕出腔體6和微機械器件的結(jié)構(gòu)，如 圖1所示。此種技術(shù)方案的工藝流程為A材料準備選用巿售的符合硅硅鍵合要求的雙拋單晶硅片7,如圖1-A所示。鍵合材料需要這樣的單晶硅片共兩片， 一片作為支撐層l, 一片作為結(jié)構(gòu)層3。B生長氧化層釆用氧化層生長工藝在結(jié)構(gòu)層3的單晶硅片的表面生長一 層氧化層2;其結(jié)構(gòu)如圖1-B所示。這里的結(jié)構(gòu)層3就是步驟A中的雙拋單晶硅 片7的其中一片。C刻蝕氧化層利用光刻技術(shù)和濕法腐蝕工藝將結(jié)構(gòu)層3上的需要加工腔體和微機械結(jié)構(gòu)的部位的氧化層腐蝕掉；所得的結(jié)構(gòu)如圖l-c。D刻蝕深腔釆用感應(yīng)耦合等離子(ICP)干法刻蝕方法在結(jié)構(gòu)層3上、被腐蝕掉氧化層的對應(yīng)區(qū)域處刻蝕出要求深度的腔體6;使結(jié)構(gòu)如圖l-D所示。 E硅硅鍵合利用硅硅鍵合技術(shù)將結(jié)構(gòu)層3和支撐層l鍵合到一起，步驟D中刻蝕出的具有腔體6的一面向下與支撐層1的上表面相對；所得的結(jié)構(gòu)如圖l-E。F濺射釆用光刻技術(shù)和磁控濺射技術(shù)在結(jié)構(gòu)層上制作出焊盤和引線4， 所得的結(jié)構(gòu)如圖1-F。G高深寬比干法刻蝕采用感應(yīng)耦合等離子UCP)刻蝕方法刻蝕出高深 寬比微機械結(jié)構(gòu)5,所得的結(jié)構(gòu)如圖l-G。實施例2本實施例是在支撐層1上刻蝕硅腔體，腔體的刻蝕從支撐層1的上表面開 始，在對應(yīng)微機械器件的結(jié)構(gòu)的位置處刻蝕出硅腔體6。此種工藝方法的工藝流程為A材料準備選用巿售的符合硅硅鍵合要求的雙拋單晶硅片7;如圖2-A 所示；B生長氧化層取上述的一片雙拋單晶硅片7作為支撐層1，釆用氧化層 生長工藝在支撐層1上生長氧化層2;所得的結(jié)構(gòu)如圖2-B;C刻蝕氧化層利用光刻技術(shù)和濕法腐蝕工藝將支撐層l上的需要加工腔體的部位的氧化層腐蝕掉；所得的結(jié)構(gòu)如圖2-C;D刻蝕腔體釆用感應(yīng)耦合等離子(ICP)干法刻蝕方法在上述腐蝕掉氧 化層的支撐層的對應(yīng)部位處刻蝕出要求深度的腔體6;所得的結(jié)構(gòu)如圖2-D;E硅硅鍵合利用硅硅鍵合技術(shù)將支撐層l和結(jié)構(gòu)層3鍵合到一起，步驟 D中刻蝕出的支撐層1具有腔體6的一面向上與結(jié)構(gòu)層3的下表面相對；這里的 結(jié)構(gòu)層3是取用的另一片雙拋單晶硅片7;所得的結(jié)構(gòu)如圖2-E;F頂層硅減薄先利用磨片技術(shù)對結(jié)構(gòu)層3的硅片進行減薄，再利用拋光 技術(shù)對其進行拋光處理；所得的結(jié)構(gòu)如圖2-F;G濺射釆用光刻技術(shù)和磁控濺射技術(shù)在結(jié)構(gòu)層3上制作出焊盤和引線4; 所得的結(jié)構(gòu)如圖2-G;H高深寬比干法刻蝕利用感應(yīng)耦合等離子(ICP)刻蝕技術(shù)在結(jié)構(gòu)層3 上刻蝕出高深寬比的微機械結(jié)構(gòu)5;所得的結(jié)構(gòu)如圖2-H。
權(quán)利要求
1、一種基于硅硅鍵合的高深寬比微機械加工方法，其特征在于其加工過程包括在符合硅硅鍵合要求的單晶硅片上刻蝕出一定深度的腔體，將上述所得的帶有腔體的單晶硅片與另一片單晶硅片進行硅硅鍵合，在對應(yīng)腔體的上面的結(jié)構(gòu)層上刻蝕高深寬比的微機械結(jié)構(gòu)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的基于硅硅鍵合的高深寬比微機械加工方法，其特 征在于所述腔體是刻蝕在作為支撐層的單晶硅片或者作為結(jié)構(gòu)層的單晶硅片的 其中一片上，或者是在結(jié)構(gòu)層和支撐層上都刻蝕有對應(yīng)的腔體。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于硅硅鍵合的高深寬比微機械加工方法，其特 征在于在結(jié)構(gòu)層單晶硅片上刻蝕腔體時是在作為結(jié)構(gòu)層(3)的單晶硅片上刻 蝕出要求深度的腔體(6);然后將結(jié)構(gòu)層(3)上具有腔體(6)的一面向下與 支撐層(1)的上表面相對并利用硅硅鍵合技術(shù)將支撐層(1)和結(jié)構(gòu)層(3)鍵 合在一起，再在腔體對應(yīng)的結(jié)構(gòu)層上制作高深寬比結(jié)構(gòu)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于硅硅鍵合的高深寬比微機械加工方法，其特 征在于在支撐層單晶硅片上刻蝕腔體時是在支撐層單晶硅片上刻蝕出要求深 度的腔體(6)，然后將支撐層(1)上具有腔體(6)的一面與作為結(jié)構(gòu)層(3) 的單晶硅片相對并利用硅硅鍵合技術(shù)將支撐層(1)和結(jié)構(gòu)層(3)鍵合在一起， 再在腔體對應(yīng)的結(jié)構(gòu)層上制作高深寬比結(jié)構(gòu)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于硅硅鍵合的高深寬比微機械加工方法，其特征在于在結(jié)構(gòu)層和支撐層的單晶硅片上都刻蝕腔體的高深寬比微機械加工方 法是在作為結(jié)構(gòu)層和支撐層的單晶硅片上都對應(yīng)刻蝕出一定深度的腔體，將上述所得的兩個單晶硅片的腔體對準并進行硅硅鍵合，在對應(yīng)腔體的上面的結(jié)構(gòu) 層上刻蝕高深寬比的微機械結(jié)構(gòu)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的基于硅硅鍵合的高深寬比微機械加工方法，其特 征在于所述單晶硅片為雙拋單晶硅片；在刻蝕腔體之前增加在單晶硅片的表面制作掩蔽層的步驟；硅腔體的加工采用濕化學(xué)腐蝕或干法刻蝕的其中一種。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于硅硅鍵合的高深寬比微機械加工方法，其特征在于所述單晶硅片表面生長氧化層是在每個單晶硅片的鍵合表面生長氧化層 或在其中一片單晶硅片的鍵合表面生長氧化層。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于硅硅鍵合的高深寬比微機械加工方法，其特征在于所述單晶硅片的鍵合表面生長氧化層后，再在其中的任意一片單晶硅片 的鍵合表面或兩片單晶硅片的鍵合表面生長一層介質(zhì)作為鍵合材料。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于硅硅鍵合的高深寬比微機械加工方法，屬于微機械傳感器加工領(lǐng)域，用于制作微機械高深寬比結(jié)構(gòu)。其基本過程為選用符合硅硅鍵合要求的單晶硅片；對單晶硅片局部刻蝕，形成具有一定深度的硅腔體；將帶有硅腔體單晶硅片與另一片單晶硅片進行硅硅鍵合，形成一個帶硅腔體的材料；再進行微結(jié)構(gòu)的高深寬比刻蝕。本發(fā)明在硅硅鍵合前增加一步在支撐層或者結(jié)構(gòu)層上刻蝕硅腔體的步驟，利用硅腔體的深度控制微機械結(jié)構(gòu)和襯底之間的縱向距離，以調(diào)整活動結(jié)構(gòu)的阻尼。利用本方法加工時，刻蝕的區(qū)域內(nèi)沒有氧化層，可以避免刻蝕過程中產(chǎn)生footing效應(yīng)，能夠精確的實現(xiàn)高深寬比的結(jié)構(gòu)。
文檔編號B81C3/00GK101244802SQ20081005469
公開日2008年8月20日 申請日期2008年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月27日
發(fā)明者呂樹海, 徐永青, 楊擁軍, 齊榮巧 申請人:中國電子科技集團公司第十三研究所