CN102642808B - 基于静电键合的玻璃/硅/玻璃三层结构材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
基于静电键合的玻璃/硅/玻璃三层结构材料的制备方法，涉及一种用于制作微纳器件的三层结构材料。采用阳极键合将硅片与第1玻璃片键合得硅/第1玻璃组合片；采用磁控溅射法在硅/第1玻璃组合片的双面溅射金属得覆盖硅/第1玻璃组合片外表面金属结构；采用机械磨削法去除覆盖硅/第1玻璃组合片外表面金属结构靠近硅片一侧表面的金属，采用化学机械抛光法抛光裸露的硅片表面，加工后硅/第1玻璃组合片的第1玻璃片表面及侧壁覆盖有金属；将硅/第1玻璃组合片以及第2玻璃片置于键合机中，硅/第1玻璃组合片覆盖金属的第1玻璃片一侧连接键合机正极，正电压通过金属电极连接至硅片，第2玻璃片连接键合机负极，采用阳极键合加工得产物。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于制作微纳器件的三层结构材料，特别是涉及一种基于静电键合的玻璃/硅/玻璃三层结构材料的制备方法。
背景技术
微机电系统（MEMS）主要包括微传感器、微执行器、微制动器等微型器件。键合技术作为一种典型的MEMS加工技术，广泛应用于微器件的加工制作。键合是指通过物理/化学作用将硅片与硅片、硅片与玻璃等材料结合在一起的三维微加工技术。常用的MEMS键合技术包括金硅共晶键合、硅/玻璃阳极键合、硅/硅直接键合以及玻璃焊料烧结等。随着微器件结构越来越复杂，三层甚至多层结构不断涌现，对键合技术的要求也越来越高。
阳极键合是一种广泛应用于微传感器中的封装技术。主要是针对导体与玻璃，在一定温度和静电力的作用下，使紧密贴合的导体与玻璃在界面上发生化学作用，形成金属氧化键，最终实现导体与玻璃的永久键合。目前，MEMS圆片级阳极键合技术已经相当成熟，所选用的键合材料通常为硅与Pyrex7740玻璃。具体键合过程：对硅与玻璃施加一定压力，确保紧密接触的同时，对硅/玻璃施加200~1000V的直流电场，其中玻璃片接负极，硅片接正极。在电场力的作用下，玻璃中的钠离子向负极运动，因此相对于接触面而言，玻璃中的钠离子耗尽形成只含有氧离子的负电荷区域，与正极相连的硅中形成相反的电荷分布区；通过系统加热到300～400℃，氧离子与硅离子结合成Si-O键，进而形成永久键合，阳极键合的强度可以达到10~18MPa。
三层阳极键合方法是在传统的硅/玻阳极键合的基础上发展起来的，主要是为了实现交错的硅片和玻璃的键合，其中典型结构为玻璃/硅/玻璃，硅作为结构层，需要通过磨削、腐蚀、抛光、刻蚀等表面/体硅加工技术制作而成。三层阳极键合方法可以制作玻璃/硅/玻璃三层结构，硅结构层进行封装。
目前，基于阳极键合的三层键合方法，通常采用直接键合法和辅助电极键合法，两者的主要区别在于实现阳极键合的条件。
直接键合法，即在操作过程中硅片与玻璃片不采用其他辅助手段，直接加载电压进行阳极键合。直接键合法同样可以分为两类，一类是三层圆片单步直接键合，采用两电极反接，实现在一次清洗和对准条件下金属和夹层玻璃键合，但是由于第一次加电后钠元素的积聚效应，使钠聚集区域内发生热特性变化，导致键合片在热应力的作用下产生破坏，影响封装效果，并且采用此方法无法保证玻璃与硅片上的图形精密对准（张廷凯，两电极多层阳极键合实验研究，传感器与微系统，2009，28（7））；另一类是分步阳极键合，即第一次键合时采用常规阳极键合条件形成硅/玻组合片，第二次通过高温度（420℃）、高压力（500N）、高电压（1200V）、长时间（>30min）的方法使已键合的硅/玻组合片与第二片玻璃键合，实现玻璃/硅/玻璃三层结构，这种方法由于第二次键合时采用高温条件，造成了硅与玻璃的热膨胀失配，键合片翘曲严重，因此缩小了其应用的范围，并且该方法存在另一个缺陷：二次键合时，对硅/玻璃组合片施加与此前键合相反的电压，扰乱了第一次键合时硅/玻璃组合片内部已形成的电荷分布，导致三层键合片强度达不到正常标准（AML-AWB-04/AWB-04P Aligner WaferBonder User Manual May 2005）。
另一类辅助电极键合法，同样采用分步阳极键合方式，不同点在于第二次键合时采用辅助手段，使硅/玻组合片中硅层与键合机正电极直接连接，采用常规阳极键合条件实现组合片与玻璃的键合。AML公司以及吴璟等（吴璟，基于中间硅片厚度可控的三层阳极键合技术，功能材料与器件学报，AML-AWB-04/AWB-04P Aligner Wafef Bonder User Manual May 2005）提出了硅片连接法，具体操作方法：在二次键合时，采用一块与组合片中玻璃厚度相当的导电硅使正电极与硅连接，克服了直接法键合条件苛刻和键合后缺陷较多的缺点，但是硅片连接法不能满足大规模自动化生产的要求。韩国的Moon Chul Lee等（Moon Chul Lee，Ahighyield rate MEMS gyroscope with a packaged SiOG process）提出通过在玻璃上的通孔结构溅射金属使得正电极与硅层连接，但是这类方法需要在第一次键合的玻璃上加工有通孔结构，限制了其他加工手段的运用，例如硅/玻璃组合片的硅湿法腐蚀工艺等，很大程度上限制了该方法在MEMS加工中的应用。
发明内容
本发明的目的在于针对现有的采用三层阳极键合方法存在的键合条件苛刻、干扰其他加工工艺等问题，提供一种基于静电键合的玻璃/硅/玻璃三层结构材料的制备方法。
本发明包括以下步骤：
1）采用阳极键合技术将硅片与第1玻璃片键合，得到硅/第1玻璃组合片；
2）采用磁控溅射法，在步骤1）所得的硅/第1玻璃组合片的双面溅射金属，得到覆盖硅/第1玻璃组合片外表面金属结构；
3）采用机械磨削法去除步骤2）所得的覆盖硅/第1玻璃组合片外表面金属结构靠近硅片一侧表面的金属，并采用化学机械抛光法（CMP）抛光裸露的硅片表面，加工后硅/第1玻璃组合片的第1玻璃片表面以及侧壁覆盖有金属；
4）将硅/第1玻璃组合片以及第2玻璃片置于键合机中，硅/第1玻璃组合片覆盖金属的第1玻璃片一侧连接键合机正极，正电压通过金属电极连接至硅片，第2玻璃片连接键合机负极，采用常规阳极键合条件，加工得到基于静电键合的玻璃/硅/玻璃三层结构材料。
本发明采用三层阳极键合的方法，其中，硅片与第1玻璃片键合，表面均覆盖金属的硅/第1玻璃组合片与第2玻璃片键合均在常规阳极键合条件完成。硅/第1玻璃组合结构片通过无方向性的溅射方式，在双面溅射金属，加工后可以保证金属结构覆盖组合片全部外表面。
本发明采用研磨方式去除金属结构靠近硅片侧面的金属，并且采用CMP技术抛光裸露硅片表面，确保硅片表面达到阳极键合要求的表面粗糙度。
本发明的第1玻璃片和第2玻璃片均采用热膨胀系数与硅片接近，并且可采用富含钠元素的pyrex7740玻璃。
相对于目前常用的圆片级三层阳极键合加工条件苛刻，键合率以及键合强度低下等问题，本发明不仅更容易实现多层键合，图形也更容易对准，可以加工三层乃至多层玻璃与硅片的层叠结构，键合过程也不会干涉其他加工工艺；而且整个键合过程涉及到的阳极键合、磁控溅射、机械研磨、化学机械抛光技术等已经非常成熟，可以保证圆片级三层键合的顺利实现。
本发明可用于制作三维可动微结构，也可用于封装硅微谐振式压力传感器、微机械陀螺仪等微纳器件。
附图说明
图1为本发明实施例的硅片与第1玻璃片的配合关系示意图。
图2为本发明采用硅/第1玻璃组合片结构上加工双面金属的一种实施方式示意图。
图3为本发明采用硅面裸露其余表面覆盖金属结构的硅/第1玻璃组合片结构加工的一种实施方式示意图。
图4为本发明实施例的结构装配完成后的整体示意图。
在图1～4中，各标记为：1金属结构，01硅片，02第1玻璃片，03第2玻璃片。
具体实施方式
步骤1：参考图1，采用阳极键合技术，将硅片01连接键合机正极，第1玻璃片02连接键合机负极，得到硅/第1玻璃组合片，第1玻璃片02选择pyrex7740玻璃。
步骤2：参考图2，采用磁控溅射法，在硅/第1玻璃组合片正反两面溅射导电金属，由于溅射的无方向性，金属能够覆盖整个硅/第1玻璃组合片外表面包括侧壁。溅射金属时，优先考虑溅射金属与硅片表面的吸附能力，金属结构1中的金属厚度介于纳米级与微米级之间。若硅/第1玻璃组合片中硅片面积大于键合区域，则可在硅/第1玻璃组合片的第1玻璃片表面单面溅射金属，直接加工得到硅片表面裸露，其余表面覆盖有金属的硅/第1玻璃组合片。
步骤3：参考图3，采用研磨技术去除金属结构1靠近硅片侧面的金属以及硅片。研磨后，采用化学机械抛光技术，抛光研磨造成的硅片表面损伤，使硅片的表面粗糙度达到阳极键合要求，得到硅片表面裸露，其余表面均覆盖有金属的硅/第1玻璃组合片。
步骤4：参考图4，采用阳极键合技术，将硅片表面裸露，其余表面均覆盖有金属的硅/第1玻璃组合片与第2玻璃片03键合。其中，硅/第1玻璃组合片覆盖有金属的第1玻璃片表面连接键合机正极，第2玻璃片03连接负极，采用阳极键合技术加工得到三层玻璃/硅/玻璃键合结构。第2玻璃片03采用pyrex7740玻璃，键合时放置在真空键合机中，对硅/第1玻璃组合片与第2玻璃片03施加一定的压力，减少第一次键合后组合片翘曲对第二次键合所造成的影响。
Claims (1)
1.基于静电键合的玻璃/硅/玻璃三层结构材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1）采用阳极键合技术将硅片与第1玻璃片键合，得到硅/第1玻璃组合片；
2）采用磁控溅射法，在步骤1）所得的硅/第1玻璃组合片的双面溅射金属，得到覆盖硅/第1玻璃组合片外表面金属结构；
3）采用机械磨削法去除步骤2）所得的覆盖硅/第1玻璃组合片外表面金属结构靠近硅片一侧表面的金属，并采用化学机械抛光法抛光裸露的硅片表面，加工后硅/第1玻璃组合片的第1玻璃片表面以及侧壁覆盖有金属；
4）将硅/第1玻璃组合片以及第2玻璃片置于键合机中，硅/第1玻璃组合片覆盖金属的第1玻璃片一侧连接键合机正极，正电压通过金属电极连接至硅片，第2玻璃片连接键合机负极，采用常规阳极键合条件，加工得到基于静电键合的玻璃/硅/玻璃三层结构材料。
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