CN101913553A - 一种体硅刻蚀和金硅键合复合工艺方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

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SOI，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1-3um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SiO₂、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。

附图说明

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)先用匀胶机在(110)第一硅片1上均匀地涂敷一层光刻胶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℃下对第一硅片进行腐蚀，获得200μm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5×10^-3pa，从室温开始加热，15min达到363℃，此时进行共晶键合，再经过15min达到450℃，保持5min，关闭加热，自然降温，20min后，温度降至363℃，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。

Claims (3)

1.一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。

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