CN102175603A - 一种测量硅片键合强度的微结构及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种测量硅片键合强度的微结构及其制造方法，包括衬底硅片、结构硅片，在所述结构硅片一面设置有键合区域、支撑点，另一面设置有加力点，所述支撑点设置在键合区域和加力点之间，所述衬底硅片和结构硅片通过键合区域键合成一体。制造这种微结构的方法，包括以下步骤：步骤1，对结构硅片表面进行氧化，形成腐蚀阻挡层，然后光刻所述腐蚀阻挡层，形成腐蚀窗口，再用腐蚀液将结构硅片腐蚀2微米至200微米深度；步骤2，将衬底硅片和结构硅片通过硅直接键合工艺键合成一体。本发明的微结构结构简单，设置灵活，操作方便。

Description

一种测量硅片键合强度的微结构及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种微结构及其制造方法，尤其是一种测量硅片键合强度的微结构及其制造方法。

背景技术

键合技术是指将两抛光硅片经化学清洗后贴合在一起，再经过高温退火处理，界面发生物理化学反应，形成化学键的连接。这种硅片直接键合技术现已成为制备复合材料及实现微机械加工的重要手段。

在键合技术中，键合强度是一个非常重要的参数，它是关系到键合好坏的一个重要技术指标。在工业应用中，许多器件都要求有足够的键合强度，键合强度小，在加工过程中键合片很有可能会开裂，导致失效；键合强度足够大，才能保证产品的成品率和质量。

目前键合强度测量有直拉法和裂纹传播法。直拉法被广泛用于键合片的键合强度测量中，是用拉开键合片的最大拉力来表示的，但这种方法却受到了拉力手柄粘合剂等的诸多限制，测量方法不够灵活、方便，同时也是一种破坏性检测方法。裂纹传播法，也称刀片法，是采用刀片沿键合界面插入，观测断裂深度来反映键合强度，这种方法虽然简单，对键合片的破坏小，但由于硅片性脆，操作困难且读数误差大。

发明内容

为了克服目前硅片键合强度测量方法存在的问题，本发明提供一种结构简单，设置灵活，操作方便的测量键合强度的微结构。

本发明的技术方案为，一种测量硅片键合强度的微结构，其特征在于，包括衬底硅片、结构硅片，在所述结构硅片一面设置有键合区域、支撑点，另一面设置有加力点，所述支撑点设置在键合区域和加力点之间，所述衬底硅片和结构硅片通过键合区域键合成一体。

本发明中，键合区域是用于测量键合强度的，支撑点在键合区域和加力点之间起杠杆支点和旋转的作用，当外加垂直作用力作用至加力点的位置时，根据杠杆传递原理，键合区域会产生向上的拉力。设键合区域到支点的距离为L2，支点到加力点的距离为L1，则由F·L₁＝F_pull·L₂，得到F_pull＝F·L₁/L₂。设置适当的L₁/L₂比例，可以调节作用力的大小；反之，当已知F，可以算出F_pull。

本发明可以是支撑点和加力点各为一个，与衬底硅片通过键合区域形成单端施力结构的方案，也可以是支撑点和加力点各为两个，且对称设置于所述键合区域的两侧，构成双端对称施力结构的方案。当采用双端对称施力结构时，两个加力点和两个支撑点关于键合区域对称分布，测量时，在两个加力点上施加大小一样的垂直于衬底硅片的力。与单端施力结构相比，双端对称施力结构由于作用力对称分布，水平方向剪切力相抵消，因而测量精度更高。

本发明的支撑点在所述键合区域和加力点的连线上时，构成一个标准的杠杆结构，可以直接运用公式F·L₁＝F_pull·L₂来计算检测，因而精度高，算法简单。当支撑点不在所述键合区域和加力点的连线上时，则需对公式F·L₁＝F_pull·L₂进行相应的修正，以便计算出所需结果。

本发明所述的支撑点为设置在结构硅片上的凸点，所述凸点与衬底硅片(1)有宽度小于2微米的接触区域。在本发明的另一技术方案中，所述凸点与衬底硅片(1)不接触并有小于1微米的间距。

制造这种微结构的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，对结构硅片表面进行氧化，形成腐蚀阻挡层，然后光刻所述腐蚀阻挡层，形成腐蚀窗口，再用腐蚀液将结构硅片腐蚀2微米至200微米深度；步骤2，将衬底硅片和结构硅片通过硅直接键合工艺键合成一体。

在上述步骤1中，用腐蚀液将结构硅片腐蚀一定深度，即可形成支撑点。

作为本发明的改进，所述的腐蚀阻挡层为SiO₂，所述的腐蚀液为四甲基氢氧氨溶液溶液。

作为本发明的改进，所述的步骤(2)为先将衬底硅片和结构硅片进行化学清洗，然后经过预键合、高温退火形成一体的键合硅片。

本发明的测量硅片键合强度的微结构，与传统的直拉法测量系统相比，由于可以制作成毫米级甚至更小的结构，因此具有体积小，放置位置灵活的优点，且可与器件同时制作在硅片上，可以实现实时工艺监测；与裂纹传播法相比，因结构体积小，可以在硅片上任意位置制造，检测对其他器件的键合区域没有损伤，有利于工艺监控。采用本发明的微结构，测量时通过记录断裂时的压力就可换算得到实际键合强度值，方法简单，操作方便，实用性强。

附图说明

图1是本发明的双端对称施力结构示意图，图2是本发明的单端施力结构示意图。

图中，1.衬底硅片，2.结构硅片，3.键合区域，4.支撑点，5.加力点，6.氧化硅薄膜。

具体实施方式

下面结合附图，对本方面做进一步说明。

实施例1：一种测量硅片键合强度的微结构，包括衬底硅片1、结构硅片2，在所述结构硅片2一面设置有键合区域3、一个支撑点4，另一面设置有一个加力点5，所述支撑点4设置在键合区域3和加力点5连线之间；所述衬底硅片1和结构硅片2通过键合区域3键合成一体。所述的支撑点4为设置在结构硅片2上的凸点，所述凸点与衬底硅片1不接触并有小于1微米的间距。

实施例2：一种测量硅片键合强度的微结构，包括衬底硅片1、结构硅片2，在所述结构硅片2一面设置有键合区域3、两个支撑点4，另一面设置有两个加力点5，所述支撑点设置在键合区域和加力点之间；两个支撑点和两个加力点对称设置于所述键合区域3的两侧，所述支撑点在其同侧加力点和所述键合区域(3)的连线上；所述衬底硅片1和结构硅片2通过键合区域3键合成一体。所述的支撑点为设置在结构硅片上的凸点，所述凸点与衬底硅片1有宽度小于2微米的接触区域。衬底硅片1可以是直接与结构硅片2连接，也可以根据应用要求在衬底硅片1上设置有氧化硅薄膜6。

实施例3：制造这种微结构的方法，包括以下步骤：步骤1，对结构硅片2表面进行氧化，形成SiO₂腐蚀阻挡层，确定将要形成键合区域3和支撑点4的部位，然后光刻上述两部位的腐蚀阻挡层，在两部位之间形成腐蚀窗口，再用四甲基氢氧氨溶液通过腐蚀窗口将结构硅片2腐蚀2微米深度。对应腐蚀深度，根据硅的各向异性腐蚀特性，设计支撑点宽度为深度的1.414倍，即约3微米宽度，这样在腐蚀深度达到时就同时形成支撑点；步骤2，将衬底硅片1和结构硅片2通过硅直接键合工艺键合成一体，具体为先将衬底硅片和结构硅片进行化学清洗，然后经过预键合、高温退火形成一体的键合硅片。

实施例4：同实施例3所述的微结构制造方法，不同之处在于步骤1中用腐蚀液腐蚀结构硅片2的深度为100微米，相应的支撑点的结构也同样由于硅的各向异性腐蚀特性而变大。这里按实施例3所述计算方法，支撑点宽度为142微米。

实施例5：同实施例3所述的微结构及其制造方法，不同之处在于步骤1中用腐蚀液腐蚀结构硅片2的深度为200微米，相应的支撑点的结构也同样由于硅的各向异性腐蚀特性而变大。这里按实施例3所述计算方法，支撑点宽度为284微米。

Claims (10)

1.一种测量硅片键合强度的微结构，其特征在于，包括衬底硅片（1）、结构硅片（2），在所述结构硅片（2）一面设置有键合区域（3）、支撑点（4），另一面设置有加力点（5），所述支撑点（4）设置在键合区域（3）和加力点（5）之间，所述衬底硅片（1）和结构硅片（2）通过键合区域（3）键合成一体。

2.根据权利要求1所述的一种测量硅片键合强度的微结构，其特征在于，所述支撑点（4）和加力点（5）各为一个。

3.根据权利要求2所述的一种测量硅片键合强度的微结构，其特征在于，所述支撑点（4）在所述键合区域（3）和加力点（5）的连线上。

4.根据权利要求1所述的一种测量硅片键合强度的微结构，其特征在于，所述支撑点（4）和加力点（5）各为两个，且对称设置于所述键合区域（3）的两侧。

5.根据权利要求4所述的一种测量硅片键合强度的微结构，其特征在于，所述支撑点在其同侧加力点和所述键合区域（3）的连线上。

6.根据权利要求1至5所述的任一种测量硅片键合强度的微结构，其特征在于，所述支撑点（4）为设置在结构硅片（2）上的凸点，所述凸点与衬底硅片（1）有宽度小于2微米的接触区域。

7.根据权利要求1至5所述的任一种测量硅片键合强度的微结构，其特征在于，所述支撑点（4）为设置在结构硅片（2）上的凸点，所述凸点与衬底硅片（1）不接触并有小于1微米的间距。

8.一种制造权利要求1所述微结构的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，对结构硅片（2）表面进行氧化，形成腐蚀阻挡层，然后光刻所述腐蚀阻挡层，在所述键合区域（3）与支撑点（4）之间形成腐蚀窗口，再用腐蚀液通过腐蚀窗口将结构硅片（2）腐蚀2微米至200微米深度；步骤2，将衬底硅片（1）和结构硅片（2）通过硅直接键合工艺键合成一体。

9.根据权利要求8所述制造微结构的方法，其特征在于，所述的腐蚀阻挡层为SiO₂，所述的腐蚀液为四甲基氢氧氨溶液。

10.根据权利要求8或9所述制造微结构的方法，其特征在于，所述的步骤2为先将衬底硅片（1）和结构硅片（2）进行化学清洗，然后经过预键合、高温退火形成一体的键合硅片。

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