CN101244802A - 基于硅硅键合的高深宽比微机械加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于硅硅键合的高深宽比微机械加工方法，属于微机械传感器加工领域，用于制作微机械高深宽比结构。其基本过程为：选用符合硅硅键合要求的单晶硅片；对单晶硅片局部刻蚀，形成具有一定深度的硅腔体；将带有硅腔体单晶硅片与另一片单晶硅片进行硅硅键合，形成一个带硅腔体的材料；再进行微结构的高深宽比刻蚀。本发明在硅硅键合前增加一步在支撑层或者结构层上刻蚀硅腔体的步骤，利用硅腔体的深度控制微机械结构和衬底之间的纵向距离，以调整活动结构的阻尼。利用本方法加工时，刻蚀的区域内没有氧化层，可以避免刻蚀过程中产生footing效应，能够精确的实现高深宽比的结构。

Description

基于硅硅键合的高深宽比微机械加工方法

技术领域

本发明涉及一种微机械加工方法，尤其是指一种基于硅硅键合的高深宽比微机械加工方法，属于微机械工艺加工技术领域。

背景技术

微机械加工技术是在IC(Integrated Circuit即集成电路)工艺上发展起来的，主要包括体硅加工技术、表面加工技术和键合技术等。键合技术可以将体硅加工技术和表面加工技术结合起来，使两者的优点得到充分地发挥。随着微机械技术的进步，很多复杂的器件和微结构不断出现，键合技术已经成为硅微加工技术中一项非常重要的加工手段。常用的键合方法有：硅玻璃静电键合、硅硅直接键合、金硅共晶键合等。硅玻璃静电键合是在一定的温度下，硅片与玻璃片在静电力的作用下通过化学键的作用牢牢地结合到一起。硅玻璃静电键合有很多优点，但是其工艺过程中过高的工作电压及材料的不匹配限制了它的使用，在用高深宽比刻蚀方法刻蚀微结构的过程中，硅玻璃界面处还存在footing效应(在高深宽比干法刻蚀的过程中，硅/玻璃或硅/二氧化硅界面由于电荷聚积会造成横向钻蚀，这种效应叫footing效应)，由于footing效应的影响，在刻蚀过程中会造成硅结构的侧壁与底部的损伤，此效应对刻蚀结构产生负面效应，造成结构不完整。而金硅共晶键合在密封性和工艺兼容性方面也存在着不足之处。

基于硅硅键合的高深宽比微机械器件结构通常由两层硅片制作，其中一层或两层硅片上存在氧化层(即二氧化硅层)，两硅片通过硅硅键合工艺结合到一起，顶层制作出器件的微机械结构(所以也叫结构层)，底层是支撑衬底，也叫支撑层。上下两层之间是一薄层二氧化硅，作为两层之间的隔离层。目前普遍采用的硅硅键合的微机械加工方法是先将两片硅片(或者其中的一片)经过氧化后再进行硅硅键合，形成一种具有特殊结构的SOI硅材料(SOI——Silicon OnInsulator)，再进行后续的工艺加工。这种结构的加工方法是采用高深宽比干法刻蚀技术形成设计结构，然后利用牺牲层腐蚀技术将结构层下面的氧化层腐蚀掉，形成腔体，使刻蚀出的微机械结构悬空在氧化层所形成的腔体内。

这种硅硅键合的微机械加工方法的优点是键合工艺难度减小，但是其具有如下的缺点：它是利用氧化层作为牺牲层而形成腔体的深度，因此氧化层的厚度就决定了结构层与支撑层的间隙，也就是决定了结构下面的腔体的深度；也就是说上下两个硅片之间的间距以及所容纳结构的腔体的纵向深度受到很大的限制，只能由氧化层的厚度确定，因此对于高深宽比的结构来说，深宽比受到限制。另外，刻蚀结构时硅和二氧化硅的界面处还存在footing效应，使这些微结构的器件不能满足所要求的性能。结构层与支撑层的间隙被限制在氧化层的厚度范围内，这在具体应用中不但会受到很大的限制，而且加工精度也会受到影响。

中国专利200610024616.8公开的一种“凸点连接气密封装微机械系统器件的结构及制作方法”，是将含MEMS芯片的硅片和含有腔体图形的硅片利用硅硅键合形成一个腔体，这个硅片上的腔体就是形成在硅片的氧化层上。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种基于硅硅键合的高深宽比结构的微机械加工方法。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种基于硅硅键合的高深宽比结构的微机械加工方法，其基本过程包括：在符合硅硅键合要求的单晶硅片上刻蚀出一定深度的腔体，将上述所得的带有腔体的单晶硅片与另一片单晶硅片进行硅硅键合，在对应腔体的上面的结构层上刻蚀高深宽比的微机械结构。

上述方法的基本操作步骤如下：

A材料选用市售的符合硅硅键合要求的双抛单晶硅片；

B在上述单晶硅片的表面生长氧化层(即二氧化硅层)；

C局部腐蚀掉上述步骤B所得的单晶硅片界面处的二氧化硅，去除二氧化硅的部位是对应需要刻蚀腔体的部位，然后采用干法刻蚀工艺对被腐蚀掉的二氧化硅位置的硅片进行刻蚀并形成一定的深度硅腔体；

D将上述步骤中形成的带有腔体的硅片与另一片单晶硅片再进行硅硅键合，形成一个存在硅腔体的材料；

F最后在腔体的上面的结构层上进行微结构的加工。

本发明的技术方案具体采用三种工艺方案：

第一种技术方案是：在顶层硅即结构层上刻蚀出硅腔体和微机械器件的结构，这种方案的微机械器件的结构位于结构层中、硅腔体的上面，刻蚀腔体是在结构层下底面即将来和支撑层键合的一面开始的。然后进行其它工艺的加工。

第二种技术方案是：在结构层上刻蚀微机械器件的结构，而硅腔体是刻蚀在支撑层上，腔体的刻蚀是在支撑层的上表面开始，在对应微机械器件的结构的位置处刻蚀出硅腔体。然后进行其它工艺的加工。

第三种技术方案是在结构层和支撑层上都刻蚀出互相对应的硅腔体，然后进行其它工艺的加工。

在上述三种技术方案中高深宽比的微结构及其腔体均采全干法刻蚀技术实现。

上述的第一种在结构层上刻蚀腔体的基于硅硅键合的高深宽比微机械加工方法的工艺流程为：

A材料准备：采用抛光工艺对单晶硅片进行双面抛光，或者选用市售的符合硅硅键合要求的双抛单晶硅片；

B生长氧化层：采用氧化层生长工艺在作为结构层的单晶硅片上生长氧化层；

C刻蚀氧化层：利用光刻技术和湿法腐蚀工艺将结构层单晶硅片上的需要加工腔体和微机械结构的区域的氧化层腐蚀掉；

D刻蚀深腔：采用感应耦合等离子(ICP)干法刻蚀方法在步骤C所得到的结构层上刻蚀出要求深度的腔体，腔体刻蚀部位就是腐蚀掉氧化层的部位；

E硅硅键合：利用硅硅键合技术将支撑层单晶硅片和步骤D中刻蚀出的带有腔体的结构层键合到一起，结构层上具有腔体的一面向下与支撑层的上表面相对；

F溅射：采用光刻技术和磁控溅射技术在结构层的上表面制作出焊盘和引线；

G高深宽比干法刻蚀：在结构层上采用感应耦合等离子(ICP)刻蚀方法刻蚀出高深宽比的微机械结构。

其中步骤F和G的顺序可以倒换。步骤B中生长氧化层还可以在作为结构层和作为支撑层的两片单晶硅片上都生长氧化层；或者在单晶硅片上不生长氧化层而是用金属材料替代氧化层而作为刻蚀硅腔体的掩蔽层。并且在步骤B生长氧化层后还可以增加生长金锡合金的键合材料的步骤，即在任意一片单晶硅片的键合表面或两片单晶硅片的键合表面在生长氧化层后再生长一层金锡合金等介质作为键合材料。

本发明所述的第二种在支撑层上刻蚀腔体的基于硅硅键合的高深宽比微机械加工方法的工艺流程与第一种在结构层上刻蚀腔体的基于硅硅键合的高深宽比微机械加工方法的工艺流程的区别在于：步骤B中的生长氧化层、步骤C中的刻蚀氧化层、步骤D中的刻蚀腔体都是在支撑层单晶硅片进行，其加工过程及方法与第一种基本相同，只是另外还可以增加如下步骤：

在步骤E硅硅键合后增加顶层硅减薄步骤：即先利用磨片技术对键合后结构层的硅片进行减薄，再利用抛光技术对其进行抛光处理，使结构层达到制作微机械结构所需要的厚度；然后再进行溅射以及高深宽比的微机械结构加工。

第三种技术方案与前面两种技术方案的区别在于：在支撑层和结构层单晶硅片上都刻蚀有腔体，其它步骤与上述两种相同。

由于采用了上述技术方案，本发明所取得的技术进步是：

本发明在硅硅键合前增加一步刻蚀硅腔体的步骤，界面处的二氧化硅被腐蚀掉并且形成具有一定的纵向深度的硅腔体；这样在干法深刻蚀的过程中，由于刻蚀的区域内没有氧化层等造成等离子反射的材料，所以不会造成由于电荷聚积而形成的钻蚀，避免了footing效应，同时也可以控制硅腔体的深度实现结构和衬底之间的纵向距离的控制。这种方法可以通过调节硅腔体的深度，达到调节结构层与支撑层的间距，进而可以调整结构层中的活动结构的阻尼。所以采用此加工方法不但能避免了其它键合技术的缺点，还可以弥补现有硅硅键合工艺等加工方法所固有的纵向尺寸受氧化层的限制的不足。

本发明的高深宽比的微结构及其腔体均采全干法刻蚀技术实现，可以避免采用湿法腐蚀技术制作的结构缺点，提高结构的加工精度和器件成品率以及结构尺寸的一致性。在单晶硅片表面生长氧化层或者金属掩蔽层是为了便于工艺操作，提高器件的质量，在氧化层上再增加金锡合金等键合材料能够满足一些特定的要求。

附图说明

图1(包括图1-A到图1-G)为利用本发明的方法在结构层上刻蚀腔体的加工工艺过程的结构图；

图2(包括图2-A到图2-H)为利用本发明的方法在支撑层上刻蚀腔体的加工工艺过程的结构图。

其中：1、支撑层，2、氧化层，3、结构层，4、焊盘和引线，5、微机械结构，6、腔体，7、单晶硅片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明：

实施例1：

本实施例是在顶层硅即结构层3上刻蚀出腔体6和微机械器件的结构，如图1所示。此种技术方案的工艺流程为：

A材料准备：选用市售的符合硅硅键合要求的双抛单晶硅片7，如图1-A所示。键合材料需要这样的单晶硅片共两片，一片作为支撑层1，一片作为结构层3。

B生长氧化层：采用氧化层生长工艺在结构层3的单晶硅片的表面生长一层氧化层2；其结构如图1-B所示。这里的结构层3就是步骤A中的双抛单晶硅片7的其中一片。

C刻蚀氧化层：利用光刻技术和湿法腐蚀工艺将结构层3上的需要加工腔体和微机械结构的部位的氧化层腐蚀掉；所得的结构如图1-C。

D刻蚀深腔：采用感应耦合等离子(ICP)干法刻蚀方法在结构层3上、被腐蚀掉氧化层的对应区域处刻蚀出要求深度的腔体6；使结构如图1-D所示。

E硅硅键合：利用硅硅键合技术将结构层3和支撑层1键合到一起，步骤D中刻蚀出的具有腔体6的一面向下与支撑层1的上表面相对；所得的结构如图1-E。

F溅射：采用光刻技术和磁控溅射技术在结构层上制作出焊盘和引线4，所得的结构如图1-F。

G高深宽比干法刻蚀：采用感应耦合等离子(ICP)刻蚀方法刻蚀出高深宽比微机械结构5，所得的结构如图1-G。

实施例2

本实施例是在支撑层1上刻蚀硅腔体，腔体的刻蚀从支撑层1的上表面开始，在对应微机械器件的结构的位置处刻蚀出硅腔体6。此种工艺方法的工艺流程为：

A材料准备：选用市售的符合硅硅键合要求的双抛单晶硅片7；如图2-A所示；

B生长氧化层：取上述的一片双抛单晶硅片7作为支撑层1，采用氧化层生长工艺在支撑层1上生长氧化层2；所得的结构如图2-B；

C刻蚀氧化层：利用光刻技术和湿法腐蚀工艺将支撑层1上的需要加工腔体的部位的氧化层腐蚀掉；所得的结构如图2-C；

D刻蚀腔体：采用感应耦合等离子(ICP)干法刻蚀方法在上述腐蚀掉氧化层的支撑层的对应部位处刻蚀出要求深度的腔体6；所得的结构如图2-D；

E硅硅键合：利用硅硅键合技术将支撑层1和结构层3键合到一起，步骤D中刻蚀出的支撑层1具有腔体6的一面向上与结构层3的下表面相对；这里的结构层3是取用的另一片双抛单晶硅片7；所得的结构如图2-E；

F顶层硅减薄：先利用磨片技术对结构层3的硅片进行减薄，再利用抛光技术对其进行抛光处理；所得的结构如图2-F；

G溅射：采用光刻技术和磁控溅射技术在结构层3上制作出焊盘和引线4；所得的结构如图2-G；

H高深宽比干法刻蚀：利用感应耦合等离子(ICP)刻蚀技术在结构层3上刻蚀出高深宽比的微机械结构5；所得的结构如图2-H。

Claims (8)

1、一种基于硅硅键合的高深宽比微机械加工方法，其特征在于其加工过程包括：在符合硅硅键合要求的单晶硅片上刻蚀出一定深度的腔体，将上述所得的带有腔体的单晶硅片与另一片单晶硅片进行硅硅键合，在对应腔体的上面的结构层上刻蚀高深宽比的微机械结构。

2、根据权利要求1所述的基于硅硅键合的高深宽比微机械加工方法，其特征在于所述腔体是刻蚀在作为支撑层的单晶硅片或者作为结构层的单晶硅片的其中一片上，或者是在结构层和支撑层上都刻蚀有对应的腔体。

3、根据权利要求2所述的基于硅硅键合的高深宽比微机械加工方法，其特征在于：在结构层单晶硅片上刻蚀腔体时是在作为结构层(3)的单晶硅片上刻蚀出要求深度的腔体(6)；然后将结构层(3)上具有腔体(6)的一面向下与支撑层(1)的上表面相对并利用硅硅键合技术将支撑层(1)和结构层(3)键合在一起，再在腔体对应的结构层上制作高深宽比结构。

4、根据权利要求2所述的基于硅硅键合的高深宽比微机械加工方法，其特征在于：在支撑层单晶硅片上刻蚀腔体时是在支撑层单晶硅片上刻蚀出要求深度的腔体(6)，然后将支撑层(1)上具有腔体(6)的一面与作为结构层(3)的单晶硅片相对并利用硅硅键合技术将支撑层(1)和结构层(3)键合在一起，再在腔体对应的结构层上制作高深宽比结构。

5、根据权利要求2所述的基于硅硅键合的高深宽比微机械加工方法，其特征在于：在结构层和支撑层的单晶硅片上都刻蚀腔体的高深宽比微机械加工方法是在作为结构层和支撑层的单晶硅片上都对应刻蚀出一定深度的腔体，将上述所得的两个单晶硅片的腔体对准并进行硅硅键合，在对应腔体的上面的结构层上刻蚀高深宽比的微机械结构。

6、根据权利要求1所述的基于硅硅键合的高深宽比微机械加工方法，其特征在于所述单晶硅片为双抛单晶硅片；在刻蚀腔体之前增加在单晶硅片的表面制作掩蔽层的步骤；硅腔体的加工采用湿化学腐蚀或干法刻蚀的其中一种。

7、根据权利要求6所述的基于硅硅键合的高深宽比微机械加工方法，其特征在于所述单晶硅片表面生长氧化层是在每个单晶硅片的键合表面生长氧化层或在其中一片单晶硅片的键合表面生长氧化层。

8、根据权利要求7所述的基于硅硅键合的高深宽比微机械加工方法，其特征在于所述单晶硅片的键合表面生长氧化层后，再在其中的任意一片单晶硅片的键合表面或两片单晶硅片的键合表面生长一层介质作为键合材料。

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