CN102431961A

CN102431961A - 一种低温等离子体活化直接键合的三维硅模具制备方法

Info

Publication number: CN102431961A
Application number: CN2011104025521A
Authority: CN
Inventors: 廖广兰; 卓锐; 史铁林; 聂磊; 张昆
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2011-12-07
Filing date: 2011-12-07
Publication date: 2012-05-02

Abstract

本发明提供了一种低温等离子体活化直接键合的三维硅模具制备方法，将待制备微模具在Z方向进行分层设计；选择适当厚度的硅片作为每层基底，对各层硅片采用光刻及ICP（电感耦合等离子体）深硅刻蚀方法，精确刻蚀出模具对应层的结构图形；然后将各硅片表面进行清洗、等离子体活化、预键合、低温退火工艺，完成多层硅片直接键合；最后划片，批量得到三维微型硅模具。本发明适用于高效、高精度制备MEMS（微机电系统）器件中带有阶梯、高深宽比的三维微型结构（如微齿轮轴、微阶梯轴、微泵等）的硅模具。

Description

一种低温等离子体活化直接键合的三维硅模具制备方法

技术领域

本发明属于半导体直接键合及MEMS封装领域，涉及模具制造技术，特别是涉及三维微型模具的制造方法，具体为一种低温等离子体活化实现硅硅直接键合的制备方法。

背景技术

近年来，通讯、计算机、汽车电子、国防科技和其他消费类产品对微电子封装提出了更高的要求，即更小、更薄、更轻、多功能、高可靠、低功耗和低成本。同时，随着科技产品微型化趋势的发展，MEMS器件中的微型处理器、微执行等零部件的需求越来越大，对于高性能的复杂三维微纳结构更是受到重视，其应用越来越广泛。

在生产实际中，对微型零部件越来越大的需求，从而推动了各种微成形技术中微模具的开发研究。由于在微成形工艺中，微模具尺寸非常小，模具的设计、制造以及材料的选择发生了变化，传统的模具设计原则不能完全应用于微型尺度；相应地，微模具的加工已很难用传统的数控加工、电火花加工等手段。目前所采用的LIGA等特殊的加工方法，成本高、效率低，并且在加工复杂三维型腔、控制表面粗糙度等方面还不能令人满意。因此，开发出适合实际生产、高效、高精度的三维微模具加工工艺方法就成为MEMS微成形领域的关键问题。

键合技术作为一种微加工工艺中较新的工艺方法，可以将表面硅加工和体硅加工有机地结合在一起。直接键合相对于其它键合方式，有着明显的优点，现已成为键合技术研究中的重点。

发明内容

本发明提供一种低温等离子体活化直接键合的三维硅模具制备方法，该方法能够实现在低温环境下大批量制备微米尺度的三维微型模具，具有成本低、效率高、精度高和柔性大的优点。

本发明提供的一种等离子体活化直接键合的三维硅模具制备方法，其工艺步骤如下：

分层设计：将待制备微模具进行分层设计，选择与分层数量相同、对应层厚度相等的硅片作为每层的基底，需要键合的硅片表面为抛光面；厚度通常为150μm～1000μm；

直接键合：对已刻蚀出图形的各硅片表面依次进行等离子体活化、预键合、低温退火四步工艺，完成多层硅片直接键合；

划片：划片批量得到带有三维形腔的微模具。

对于带图形的微模具，在分层设计与直接键合步骤之间进行深硅刻蚀：将各层硅片采用光刻及ICP深硅刻蚀的方法，刻蚀出待制备零件相应各层的结构图形，然后再进行湿法清洗。湿法清洗可以优选下述的过程进行：对各硅片表面依次进行丙酮超声清洗、去离子水冲洗、甩干表面水颗粒，然后在80℃～120℃烘烤3min～10min。

上述技术方案中，可以优选下述处理过程完成直接键合：

(1)一次等离子体活化所有硅片的一个抛光表面，二次等离子体活化双抛硅片的另一面；表面活化气氛为氧气，流量50sccm～150sccm、射频功率50～150W、活化时间5～20s；

(2)对完成等离子体活化后的各硅片用去离子水冲洗，旋转甩干加烘干，按照从上往下的顺序对准贴合所有硅片；

(3)对贴合完成的多层硅片进行退火，退火温度160～300℃，退火时间3h～72h，完成硅片的多层键合。

本发明与现有技术相比，其优点是：

(1)相对于湿法直接键合，本发明的等离子体活化多层硅硅直接键合，是干法直接键合，其工艺操作简单，可控性高，污染小，键合率高(98％以上)、键合强度大(达到体硅强度)、整体工艺流程效率高；

(2)本发明所有工艺都在低温环境下，可以减小MEMS器件封装时的局部应力、增强材料的稳定性；

(3)本发明方法能够在完整硅片上，同时加工制造出大量具有不同图形、高深宽比的不同用途的三维微型硅模具。并且，制备出的微硅模具可以承受较大的压力和较高的温度。

(4)本发明适用于高效、高精度制备MEMS(微机电系统)器件中带有阶梯、高深宽比的三维微型结构(如微齿轮轴、微阶梯轴、微泵等)的硅模具

附图说明

图1为本发明实施例一中待制备的三维微型零件的模具示意图；

图2为本发明实施例一中的工艺流程图；

图3为本发明实施例二中硅片双层直接键合效果图；

图4为本发明实施例三中三层硅片直接键合效果图。图5为本发明实施例四中带有图形的硅片直接键合效果图；

具体实施方式

下面通过借助实施例更加详细地说明本发明，但以下实施例仅是说明性的，本发明的保护范围并不受这些实施例的限制。

实施例一：

图1为本实施例待制备的三维微型零件的模具，图2为本发明实现此模具的工艺流程图。将该零件在Z方向上分为4层，选择4片相应厚度的硅片，中间两层硅片为双抛硅片，最上方和最下方的硅片是单抛的。

分别对各层硅片采用光刻及ICP(电感耦合等离子体)深硅刻蚀的方法，精确刻蚀出待制备零件相应各层的结构图形，第一、三层硅片一次性刻穿，第二层硅片需要正反面各光刻、ICP刻蚀一次实现硅片内的阶梯行腔；光刻及ICP深硅刻蚀工艺为：在洁净的硅片抛光表面匀胶，光刻胶厚度10μm，使用karl suss MA6光刻机、采用光刻工艺制备出所需图形；使用牛津仪器的Oxford Plasmalab ICP等离子刻蚀系统中的Bosch工艺，深硅刻蚀每50次循环停止，冷却1min后再启动，直至刻蚀到所需深度；将硅片取出，浸泡在丙酮溶液去胶。

对各硅片表面进行丙酮超声清洗、去离子水冲洗、用真空吸附的匀胶机旋转甩干表面水颗粒，再用热板80℃烘烤3min；

一次等离子活化所有硅片的一个抛光表面，二次等离子活化双抛硅片的另一面。使用的等离子体设备为国产ME-RIE，表面活化气氛为氧气流量100sccm、射频功率100W、活化时间5s；

对完成活化后的各硅片用去离子水冲洗3min，旋转甩干加烘干，按照从上往下的顺序对准贴合所有硅片；

对贴合完成多层硅片退火，温度300℃，时间5h，完成硅片的多层键合。

将完成多层键合后的硅片在Z方向整体进行切割，得到带有三维形腔的微模具。

实施例二：

图3为低温等离子体活化硅硅双层直接键合效果图，其工艺步骤：

对新出厂的2寸硅片裸片不进行湿法清洗，直接进行氧等离子体清洗及活化，流量50sccm、射频功率150W、活化时间20s；对完成活化后的各硅片用去离子水冲洗3min，旋转甩干加烘干，贴合硅片；

对贴合完成多层硅片退火，温度160℃，时间72h，完成硅片的双层直接键合。

实施例三：

图4为三层硅片直接键合效果图

材料为2片单抛的两寸硅片，1片双抛的两寸硅片；

对新出厂的2寸硅片裸片不进行湿法清洗，直接进行氧等离子体清洗及活化。一次活化所有硅片的一个抛光表面，二次活化双抛硅片的另一面。使用的等离子体设备为国产ME-RIE，表面活化气氛为氧气流量100sccm、射频功率100W、活化时间5s；

对完成活化后的各硅片用去离子水冲洗3min，旋转甩干加烘干，按照从上往下的顺序对准贴合所有硅片(双抛硅片在中间层)；

对贴合完成多层硅片退火，温度300℃，时间12h，完成硅片的多层键合。

实施例四：

图5为带有图形的硅片直接键合效果图，其工艺为：

对1片两寸硅片采用光刻及ICP深硅刻蚀的方法，精确刻蚀出待制备零件的表面结构图形，然后对其表面进行RCA溶液(体积比，氨水∶双氧水∶去离子水＝1∶1∶5)，70℃清洗15min、去离子水冲洗、用真空吸附的匀胶机旋转甩干表面水颗粒，再用热板100℃烘烤5min；

对此硅片和另一个两寸硅片裸片同时进行氧等离子体清洗及活化，流量150sccm、射频功率50W、活化时间10s；对完成活化后的各硅片用去离子水冲洗4min，旋转甩干加烘干，贴合硅片；

对贴合完成多层硅片退火，温度200℃，时间3h，完成带有图形硅片的双层直接键合。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims

1.一种等离子体活化直接键合的三维硅模具制备方法，其工艺步骤如下：

分层设计：将待制备微模具进行分层设计，选择与分层数量相同、对应层厚度相等的硅片作为每层的基底，需要键合的硅片表面为抛光面；

直接键合：对已刻蚀出图形的各硅片表面依次进行等离子体活化、预键合和低温退火工艺，完成多层硅片直接键合；

划片：划片批量得到带有三维形腔的微模具。

2.根据权利要求1所述的等离子体活化直接键合的三维硅模具制备方法，其特征在于，对于带图形的微模具，在分层设计与直接键合步骤之间进行深硅刻蚀：

将各层硅片采用光刻及ICP深硅刻蚀的方法，刻蚀出待制备零件相应各层的结构图形，然后再进行湿法清洗。

3.根据权利要求1或2所述的等离子体活化直接键合的三维硅模具制备方法，其特征在于，直接键合的具体步骤为：

（3.1）一次等离子体活化所有硅片的一个抛光表面，二次等离子体活化双抛硅片的另一面；表面活化气氛为氧气，流量50sccm～150sccm、射频功率50～150W、活化时间5～20s；

（3.2）对完成等离子体活化后的各硅片用去离子水冲洗，旋转甩干加烘干，按照从上往下的顺序对准贴合所有硅片；

（3.3）对贴合完成的多层硅片进行退火，退火温度160～300℃，退火时间3 h～72h，完成硅片的多层键合。

4.根据权利要求2所述的等离子体活化直接键合的三维硅模具制备方法，其特征在于，湿法清洗的具体过程为：

对各硅片表面依次进行丙酮超声清洗、去离子水冲洗、甩干表面水颗粒，然后在80℃～120℃烘烤3min～10min。