CN103011056A - 一种增强sog工艺微结构键合强度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种增强SOG工艺微结构键合强度的方法，该方法采用由多个锚点构成的组合式锚点结构进行微结构键合。该组合式锚点优选为阵列形式。可以通过拉伸或者剪切断裂试验确定使组合式锚点结构的键合强度最大的锚点数目，并作为组合式锚点中锚点的数目。可以通过光刻允许的最小间距、保持有利于应力释放的极限间距两个因素确定组合式锚点中锚点间的间隙尺寸。本发明还提供一种采用所述组合式锚点结构MEMS器件；本发明通过对锚点的分布进行合理的设计以减小工艺过程中带来的热失配应力，从而增强基于SOG工艺制造的微结构的键合强度，能够显著提高工艺成品率，提高基于SOG工艺制造的MEMS器件的可靠性。

Description

一种增强SOG工艺微结构键合强度的方法

技术领域

本发明属于微电子机械系统（MEMS）器件结构设计领域，具体涉及一种增强基于键合深刻蚀释放标准工艺（silicon on glass,SOG）制造的微结构键合强度的方法，特别应用在基于SOG工艺制造的MEMS器件结构设计领域。

背景技术

九十年代以来，微电子机械系统（MEMS）技术进入了高速发展阶段，不仅是因为概念新颖，而且是由于MEMS器件跟传统器件相比，具有小型化、集成化以及性能更优的前景特点。如今MEMS已经广泛用于汽车、航空航天、信息控制、医学、生物学等领域。

虽然各种MEMS器件的原理和结构都不尽相同，但通过同一种加工方法来实现是完全可能的，即标准工艺方法。键合深刻蚀释放（silicon on glass，SOG）工艺是由北京大学开发出来的一种标准工艺。这套工艺已得到广泛的应用，器件设计人员已利用这套工艺设计了几十种器件，涉及了惯性、流体、射频、自动控制等领域的传感器和驱动器等。SOG工艺的大致流程如图1所示，（a）硅浅台阶腐蚀，定义锚点；（b）溅射金属电极；（c）硅-玻璃阳极键合；（d）深刻蚀释放结构。

SOG工艺制造出来的器件，衬底材料为7740玻璃，器件结构材料为单晶硅（Si），由于利用温度通常在350℃以上的阳极键合工艺将两基片粘接在一起，热膨胀系数的不匹配，使键合界面存在着初始应力，且面积越大应力越大，而这种初始应力会严重影响微结构键合面的键合强度的大小，并且热失配还可能会引起微结构的位移偏差。一种减小这种由于热失配而导致的应力的方法是从工艺过程本身上解决问题，使单晶硅片和玻璃片在键合时温度不统一，对两基片采用两种不同温度进行阳极键合，这种方法能有效的减小热失配导致的初始应力大小，从而增强键合强度。但这种方法在进行阳极键合时，需要对上下两基片施加不同的稳定温度，对键合设备的要求很高，不容易实现。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题，提出一种增强SOG工艺微结构键合强度的方法，从器件结构设计的角度出发，利用结构利于应力释放的优点来减小工艺过程中带来的问题的影响，减小由于热失配而导致的初始应力，从而增强基于SOG工艺制造的微结构的键合强度。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种减小热失配应力从而增强SOG工艺微结构键合强度的方法，其特征在于，采用由多个锚点构成的组合式锚点结构进行微结构键合。

具体来说，上述方法是在进行基于SOG工艺制造的MEMS器件时，将单个锚点结构设计为组合式锚点（所占面积相等），组合式锚点由多个锚点构成，优选为m×n阵列形式，具体形式包括：2×2阵列，3×3阵列，4×4阵列，5×5阵列……等等，也可以是m≠n。每个锚点可为正方形、矩形、圆形、椭圆形等形状。如图2所示，为正方形锚点，其中（a）图为单个锚点形式，（b）图为2×2阵列形式的组合锚点，（c）图为3×3阵列形式的锚点，（d）图为4×4阵列形式的组合锚点。

进一步地，阵列数目方案的选择：理论上来说阵列中锚点的数目越多越好，但由于存在颗粒、污染等等，当键合面积小到一定程度时，会使键合质量变得很差，反而使整体键合强度变小，即整体键合强度会先随着阵列数目的增多而增大，到了某一个数目值之后，将随着阵列中锚点数目的增多而减小。这个最优数目可以通过拉伸或者剪切断裂试验获得实验数据。

进一步地，阵列锚点间隙尺寸的选择：理论上来说是间隙尺寸越小越好，当尺寸小到某一个值d时，组合式锚点的整体键合强度将会等于单个锚点（所占面积相等），而当尺寸小于d时，组合式锚点优于单个锚点。但并不能无限小下去，有两个因素限制：一是光刻所决定的最小间距；二是结构利于应力释放所决定的间距限制。不过在MEMS工艺中前者通常相比后者大，即间隙尺寸最终由光刻所决定的最小间距决定，所以间隙尺寸取这个最小间距值。

本发明还提供一种MEMS器件，采用上面所述的组合式锚点结构。

本发明提出了从MEMS器件结构设计的角度，对锚点的分布进行合理的设计，从而减小工艺过程中带来的热失配应力的思路。与现有的减小阳极键合中热失配应力的方法相比，本方法的优势在于：

（1）不需要改变工艺流程以及工艺设备，只是从器件结构设计的角度，改变锚点分布特点，所以无须增加生产成本。

（2）提高工艺成品率，减小由于颗粒等污染物造成的键合失效概率。这是由于随着键合面积的减小，对于单个锚点，颗粒等污染物可能足以使其键合不上，而组合式锚点有效地避免了这一情况。

（3）提高基于SOG工艺制造的MEMS器件的可靠性。这是由于：首先组合式锚点的设计减小了阳极键合过程中带来的热失配应力，提高了微结构键合强度，器件可靠性将有比较大的提高；其次由于单晶硅的脆性断裂特点，组合式锚点增加了器件的抗冲击能力。

附图说明

图1是键合深刻蚀释放（SOG）标准工艺的一般流程。

图2是单个锚点和组合式锚点的俯视示意图

图3是带有单一式锚点的悬臂梁结构剖面图和俯视图。

图4是带有阵列组合式锚点的悬臂梁结构剖面图和俯视图。

其中，1-硅；2-玻璃；3-金属。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并配合附图，对本发明做进一步的说明。

基于键合深刻蚀释放标准工艺制造的MEMS器件从上到下可大致分为结构、锚点、衬底（玻璃）三个主要部分。如图3所示为带有单个锚点的简单悬臂梁器件的剖面图和俯视图，其中结构和锚点都是由单晶硅材料构成，而衬底则是玻璃。

由于单晶硅和玻璃材料的热膨胀系数失配，导致在器件制成之后锚点底部，单晶硅和玻璃的界面产生初始热应力，这样对整个器件结构的可靠性带来了一定的负面影响，当悬臂梁受到横向或者纵向上较大的冲击力时，锚点处就会发生相应的扭转断裂或者拉压断裂。

本发明提供的方法是将单个锚点设计成如图4所示的阵列组合式锚点，但与单个锚点设计所占的面积相同。进一步需要确定的是阵列锚点之间的间隙尺寸和阵列数目：

（1）选择阵列锚点之间的间隙尺寸。如图4所示的组合式锚点相比如图3所示的单个锚点，有两个不同之处：首先，组合式锚点更加有利于热应力释放，这是因为热应力的大小跟界面的半径成正向的关系，组合式锚点每个锚点的面积比单个锚点形式小得多，即组合式锚点界面热应力会小很多，并且由于组合式锚点可以利用锚点的微小弯曲来释放间隙处玻璃的热应力，这是对组合式锚点有利的因素；其次，组合式锚点间隙处缺失的部分对悬臂梁的抗扭转或者抗拉压不起任何作用，这是对组合式锚点有害的因素。随着间隙尺寸的减小，前者有利因素的影响会越来越弱，后者有害因素的影响也越来越弱，但前者变化的比后者缓慢得多。即存在一个临界尺寸，当间隙小于这个尺寸时，组合式的锚点的整体键合强度（抗扭转或者抗拉压能力）比单一式锚点大。理论上，在不影响有利于应力释放这个优势以及大于光刻允许的最小间距时，间隙取越小越好。并且在MEMS工艺中，光刻允许的最小间距通常大于保持有利于应力释放的极限间距，故阵列锚点之间的间隙尺寸选取光刻允许的最小间距值。

（2）选择阵列数目。如图4所示，阵列数目的增加，在所占面积相同的情况下，即会减小阵列中每个锚点的面积，即减小由于热失配导致的热应力的大小，从而增加键合强度的大小。但对于阳极键合工艺来说，随着键合面积的减小，颗粒、污染、硅片粗糙等因素的影响将会显著增加，甚至当减小到一定程度时，锚点将键合不上。即对于某一个固定面积的锚点区域来说，将其设计成阵列组合锚点形式，会有一个最优的阵列数目值。而这个最优阵列数目值可以通过设计实验获得，即通过一系列的实验，可获得最优阵列数目与键合区所占面积一一对应的数据库。

采用上述组合式锚点结构，可以与现有工艺流程以及工艺设备兼容，只需要在器件结构设计时改变锚点的形状及分布特点。下面以3×3阵列形式的组合式锚点为例，说明含有3×3阵列形式锚点的MEMS器件的制备过程，器件选用最简单的单根悬臂梁器件，工艺选择键合深刻蚀释放标准工艺：

1）设计版图，值得注意的是，只需对锚点层的版图进行重新设计，其他层版图不变。锚点层的版图改动为：将单个锚点拆分为3×3阵列形式，间隙设置为光刻以及刻蚀允许的最小间距，本套工艺为4um。

2）制版，工艺流片，采用ASE（Advanced silicon etch，先进硅刻蚀）方法刻蚀硅片，刻蚀深度为4um，刻出ANCHOR台阶，版图选用步骤1）中设计的锚点层光刻版；

3）采用BHF（Buffer HF，缓冲氢氟酸）腐蚀玻璃，腐蚀深度为

然后溅射Ti/Pt/Au，以防止footing效应；

4）硅片和玻璃片阳极键合；

5）KOH减薄硅面，余厚75±5um；

6）ASE硅片，结构释放，得到单根悬臂梁器件。

根据上面的制备方法，可制备不同阵列形式锚点设计的单根悬臂梁器件，通过对不同的悬臂梁器件进行扭转断裂测试，即可得到不同阵列形式的锚点的扭转键合强度的大小，并以此数据建立数据库。对于以后的MEMS器件设计，可依据此数据库，选择锚点的阵列数目，从而优化设计，即增加器件键合微结构的键合强度的大小。

以上通过一个实施例描述了本发明方法在MEMS器件结构设计中的一个应用，即在带有单一锚点的悬臂梁结构中，将单个形式的锚点设计成阵列组合式锚点。但需要说明的是，本发明方法适合其他任何基于键合深刻蚀释放标准工艺制造的MEMS器件。本领域的技术人员应当理解，在不脱离本专利实质的范围内，保持本发明中将单一式锚点重新设计为组合式锚点特征外，可对阵列锚点分布做一定的变化和修改，能应用的器件类型也不一定只局限于基于键合深刻蚀释放这套标准工艺制造。本发明的保护范围应以权利要求所述为准。

Claims (10)

1.一种减小热失配应力从而增强SOG工艺微结构键合强度的方法，其特征在于，采用由多个锚点构成的组合式锚点结构进行微结构键合。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述多个锚点以m×n阵列形式排列。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述组合式锚点结构中各锚点的底面形状为下列中的一种或多种：正方形、长方形、圆形、椭圆形。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述阵列中m=n。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述阵列为下列中的一种：2×2阵列、3×3阵列、4×4阵列、5×5阵列。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：通过拉伸或者剪切断裂试验确定使所述组合式锚点结构的键合强度最大的锚点数目，并作为所述组合式锚点中锚点的数目。

7.如权利要求1或6所述的方法，其特征在于，通过如下两个因素确定所述组合式锚点中锚点间的间隙尺寸：光刻允许的最小间距、保持有利于应力释放的极限间距。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于：所述间隙尺寸为所述光刻允许的最小间距。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于：在设计MEMS器件版图时，仅对锚点层的版图进行重新设计，其它层版图不变。

10.一种MEMS器件，其特征在于，采用权利要求1至8中任一项所述的组合式锚点结构。

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