專利名稱：一種基于硅/玻璃陽極鍵合的微器件可動結構制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種微機電系統(tǒng)(MEMS)傳感器與制動器，尤其是涉及可應用于微器件可動結構制備的一種基于娃/玻璃陽極鍵合的微器件可動結構制備方法。
背景技術：
微機電系統(tǒng)(MEMS)傳感器與制動器已廣泛應用于航天、汽車、通訊以及醫(yī)療等領域，其中，可動結構是MEMS傳感器與制動器的核心，因此可動結構的制備工藝成為MEMS制造中的關鍵。傳統(tǒng)的可動結構制備工藝可以分為兩類:一種為基于晶圓鍵合；另一種為基于犧牲層?；诰A鍵合的可動結構制備工藝是MEMS傳感器中最常用的可動結構制備方法。以SOG (硅/玻璃鍵合組合片)工藝為例，其工藝步驟如下:步驟1、采用濕法腐蝕工藝在玻璃上刻蝕出槽結構；步驟2、采用陽極鍵合工藝，將玻璃與硅片粘貼在一起，形成硅/玻璃組合片；步驟3、采用研磨或者濕法腐蝕工藝對組合片的硅層減薄，保證硅層厚度降至要求厚度；步驟4、對減薄后的組合片硅層刻蝕，使硅上結構處于玻璃刻蝕槽的上部，從而制備出的可動結構。該方法由于工藝成熟，成本低，因此被廣泛應用于MEMS傳感器與制動器的加工中。但是減薄工藝精度的不穩(wěn)定性以及低的可靠性極大限制了采用該工藝加工硅結構層厚度小于50 μ m的MEMS器件。這主要由于傳統(tǒng)的研磨減薄工藝，制備硅結構層的厚度均勻性較差，總厚度偏差一般至少在3 5 μ m以上。而高精度的濕法減薄工藝能夠保持厚度均勻性在Iym以下，例如超聲腐蝕法制備硅膜(曾毅波，超聲技術在硅濕法腐蝕中的應用，光學精密工程，2009年I月)，然而由于腐蝕過程中超聲振動作用，組合片內玻璃刻蝕槽對應區(qū)域的懸空硅層，在厚度減少至80 μ m以下后會發(fā)生破裂?；跔奚鼘拥目蓜咏Y構制備工藝是MEMS加工中的另一類可動結構制備工藝方法，根據(jù)犧牲層的類型可以將這一方法分為兩類，一是基于表面犧牲層的可動結構制備工藝，即利用表面微加工工藝，通常為氧化、沉積、涂覆、光刻等方式在基底表面形成結構層與犧牲層的薄膜結構，然后將下層犧牲層腐蝕并保留上層結構層，使結構層與基底分離制備可動結構。由于基于表面犧牲層的可動結構制備工藝中，結構層與犧牲層都是通過MEMS微工藝沉積在基底之上，沉積過程中會產(chǎn)生較大的應力，對應的形變會很大程度地影響傳感器性能。另一類為基于體犧牲層的可動結構制備工藝，主要為SOI (絕緣襯底上的硅)工藝。SOI工藝步驟如圖2所示，工藝步驟如下:步驟1、參考圖2(a)，采用離子注入工藝在基底硅中摻入氧元素，從而硅體中間形成一層厚度可控的SiO2 (二氧化硅)犧牲層，即SOI片；步驟2、參考圖2 (b)，采用刻蝕工藝，在結構硅層上刻蝕出結構；步驟3、參考圖2 (C)，采用濕法腐蝕工藝，腐蝕刻蝕結構下方的犧牲層SiO2，從而制備懸空的可動結構。SOI工藝由于中間犧牲層的良好絕緣性能減小了寄生電容，結構層厚度可控性更高，是一種通用的MEMS傳感器與制動器的可動結構制備工藝，如微加速度計、微陀螺儀、微壓力傳感器等均可以采用這種加工工藝(Moon Chul Lee, A high yield rate MEMS gyroscope with a packagedSiOG process, J.Micromech.Microeng.)。但是由于SOI片加工困難,成本高,應力大,導致基于體犧牲層的可動結構制備工藝無法被大規(guī)模應用于MEMS可動結構的制備中。陽極鍵合技術是MEMS加工中常用的一項工藝，主要是針對硅基與玻璃，在一定溫度和電場的作用下，使緊密貼合的硅與玻璃在界面上發(fā)生化學鍵連接，最終實現(xiàn)硅與玻璃的永久粘貼，形成硅/玻璃組合片。近期試驗發(fā)現(xiàn)，陽極鍵合后硅與玻璃界面處會形成一層特殊的SiO2層，該層SiO2相較于玻璃本身在氫氟酸中的腐蝕速率更快，并且試驗證明該層SiO2的寬度由鍵合溫度與電壓決定，是一層自然形成，且可用以制備MEMS器件可動結構的犧牲層。

發(fā)明內容
本發(fā)明目的在于針對傳統(tǒng)可動結構的加工工藝較困難、成本高、加工厚度均勻性較差等問題，提供一種基于硅/玻璃陽極鍵合的微器件可動結構制備方法。本發(fā)明包括以下步驟:I)將玻璃片與硅片鍵合在一起，形成硅/玻璃組合片以及中間的犧牲氧化層；2)將步驟I)得到的硅/玻璃組合片的硅片減薄并拋光；3)在減薄后的硅片上刻蝕出可動結構；4)將硅/玻璃組合片置于氫氟酸溶液中，腐蝕可動結構底部的犧牲氧化層，使刻蝕結構與玻璃片分離，得到基于硅/玻璃陽極鍵合的可動結構。在步驟I)中，所述將玻璃片與硅片鍵合在一起可采用陽極鍵合工藝；所述玻璃片可采用熱膨脹系數(shù)與硅相近的Pyrex7740玻璃片。在步驟2)中，所述減薄硅/玻璃組合片可采用超聲腐蝕方法；所述拋光可采用微加工工藝。在步驟3)中，所述在減薄后的硅片上刻蝕出可動結構可采用電感耦合等離子體(ICP)刻蝕工藝。在步驟4)中，所述氫氟酸溶液的組成按體積比可為氫氟酸:水=1: 20。本發(fā)明采用陽極鍵合技術將玻璃片與硅片鍵合，犧牲氧化層自然形成，并且犧牲層厚度通過鍵合電壓與溫度按需調節(jié)。本發(fā)明的玻璃片與硅片陽極鍵合后，由于玻璃片與硅片整面鍵合，可采用超聲腐蝕法對硅片減薄，從而保證減薄后的硅片厚度均勻并且不會破裂。另外，采用CMP (化學機械拋光)工藝修復濕法減薄工藝后產(chǎn)生的表面缺陷，最終使硅片達到預期的厚度與粗糙度。本發(fā)明將刻蝕后硅/玻璃組合片置于氫氟酸溶液中，充分攪拌并且控制腐蝕時間，腐蝕結構底部的犧牲氧化層，從而使結構可動。本發(fā)明的有益效果為:提供了一種基于硅/玻璃陽極鍵合的微器件可動結構制備方法，相較于晶圓鍵合的可動結構形成工藝，本方法制備的硅層厚度均勻性更高；相較于體犧牲層的可動結構形成工藝，本發(fā)明的工藝更為簡單、成本低廉，是一種有應用前景的MEMS可動結構制備工藝。


圖1是本發(fā)明實施例所述犧牲層氧化層腐蝕后硅/玻璃組合片斷面掃描電鏡圖。在圖1中，標尺為Ιμ ;01是玻璃片，02是硅片。圖2是本發(fā)明實施例所述基于硅/玻璃陽極鍵合的可動結構制備工藝流程示意圖。在圖2中，2是可動結構，3是犧牲氧化層，01是玻璃片，02是硅片。
具體實施例方式以下實施例將結合附圖對本發(fā)明作進一步說明:步驟1:參考圖2 (a)，將玻璃片01與硅片02置于AML-04鍵合機中，抽真空至鍵合機腔體內部壓力低于10_2Pa，加熱至380°C，鍵合電壓施加至1200V，壓力為100N，將所述玻璃片01與硅片02鍵合，形成硅/玻璃組合片，使玻璃片01與硅片02之間生成厚度約為I μ m的犧牲氧化層結構3 ；步驟2:參考圖2 (b)，采用質量分數(shù)為45%的KOH溶液，在溫度為75°C、超聲功率為120W的條件下腐蝕硅/玻璃組合片，濕法腐蝕減薄硅片02至所要求的厚度，采用ploy_400L化學機械拋光機拋光娃片02,修復濕法減薄工藝后產(chǎn)生的表面缺陷；步驟3:參考圖2 (C)，采用ICP刻蝕技術，刻蝕減薄后的硅片02，深度至玻璃層，得到結構2 ；步驟4:參考圖2(d)，將刻蝕后硅/玻璃組合片置于稀釋后的氫氟酸中(配比為氫氟酸:水=1:20)，充分攪拌并控制腐蝕時間，使結構2下方的犧牲氧化層3去除，從而使結構2與玻璃片01分離，制備懸空的可動結構。圖1給出本發(fā)明實施例所述犧牲層氧化層腐蝕后硅/玻璃組合片斷面掃描電鏡圖。在圖1中，01是玻璃片，02是硅片。本發(fā)明采用陽極鍵合技術將玻璃片01與硅片02鍵合，犧牲氧化層3自然形成，并且犧牲層厚度通過鍵合電壓與溫度按需調節(jié)。本發(fā)明的玻璃片01選擇熱膨脹系數(shù)與硅相近的Pyrex7740玻璃片。本發(fā)明的玻璃片01與硅片02陽極鍵合后，由于玻璃片01與硅片02整面鍵合，可采用超聲腐蝕法對硅片01減薄，從而保證減薄后的硅片02厚度均勻并且不會破裂。采用CMP (化學機械拋光)工藝修復濕法減薄工藝后產(chǎn)生的表面缺陷，最終使硅片02達到預期的厚度與粗糙度。本發(fā)明將刻蝕后硅/玻璃組合片置于氫氟酸溶液中，充分攪拌并且控制腐蝕時間，腐蝕結構2底部的犧牲氧化層3，從而使結構2可動。
權利要求
1.一種基于硅/玻璃陽極鍵合的微器件可動結構制備方法，其特征在于包括以下步驟: 1)將玻璃片與硅片鍵合在一起，形成硅/玻璃組合片以及中間的犧牲氧化層； 2)將步驟I)得到的硅/玻璃組合片的硅片減薄并拋光； 3)在減薄后的硅片上刻蝕出可動結構； 4)將硅/玻璃組合片置于氫氟酸溶液中，腐蝕可動結構底部的犧牲氧化層，使刻蝕結構與玻璃片分離，得到基于硅/玻璃陽極鍵合的可動結構。
2.如權利要求1所述一種基于硅/玻璃陽極鍵合的微器件可動結構制備方法，其特征在于在步驟I)中，所述將玻璃片與硅片鍵合在一起采用陽極鍵合工藝。
3.如權利要求1所述一種基于硅/玻璃陽極鍵合的微器件可動結構制備方法，其特征在于在步驟I)中，所述玻璃片采用熱膨脹系數(shù)與硅相近的PyreX7740玻璃片。
4.如權利要求1所述一種基于硅/玻璃陽極鍵合的微器件可動結構制備方法，其特征在于在步驟2)中，所述硅片減薄采用超聲腐蝕方法。
5.如權利要求1所述一種基于娃/玻璃陽極鍵合的微器件可動結構制備方法，其特征在于在步驟2)中，所述拋光采用微加工工藝。
6.如權利要求1所述一種基于娃/玻璃陽極鍵合的微器件可動結構制備方法，其特征在于在步驟3)中，所述在減薄后的硅片上刻蝕出可動結構是采用電感耦合等離子體刻蝕工藝。
7.如權利要求1所述一種基于硅/玻璃陽極鍵合的微器件可動結構制備方法，其特征在于在步驟4)中，所述氫氟酸溶液的組成按體積比為氫氟酸:水=1: 20。
全文摘要
一種基于硅/玻璃陽極鍵合的微器件可動結構制備方法，涉及一種微機電系統(tǒng)傳感器與制動器。提供一種基于硅/玻璃陽極鍵合的微器件可動結構制備方法。1)將玻璃片與硅片鍵合在一起，形成硅/玻璃組合片以及中間的犧牲氧化層；2)將步驟1)得到的硅/玻璃組合片的硅片減薄并拋光；3)在減薄后的硅片上刻蝕出可動結構；4)將硅/玻璃組合片置于氫氟酸溶液中，腐蝕可動結構底部的犧牲氧化層，使刻蝕結構與玻璃片分離，得到基于硅/玻璃陽極鍵合的可動結構。制備的硅層厚度均勻性更高；工藝更為簡單、成本低廉，是一種有應用前景的MEMS可動結構制備工藝。
文檔編號B81C1/00GK103193197SQ201310112200
公開日2013年7月10日 申請日期2013年4月2日 優(yōu)先權日2013年4月2日
發(fā)明者孫道恒, 占瞻, 何杰, 杜曉輝, 虞凌科, 李益盼, 王凌云 申請人:廈門大學