CN103043604B - 硅-玻璃键合界面金属导线与悬空可动结构间电荷释放法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种硅-玻璃键合界面金属导线与悬空可动结构间电荷释放法，包括在器件版图设计上增加一种键合时辅助放电，键合后去除的结构，用来辅助硅基芯片单元的悬空可动部分电荷释放；通过辅助结构，金属引线与所有硅基悬空腔体结构实现欧姆接触，实现所有“孤立”在玻璃圆片上的金属信号传输线与硅基悬空腔体结构形成电信号通路，随后通过干法刻蚀实现电荷释放辅助结构的去除，恢复器件原有的设计和性能。优点：在版图上不增加工艺难度与步骤，不破坏器件原有的功能结构，通过电荷释放辅助结构的增、减，实现键合界面的电荷释放，提高成品率，避免产品电学性能失效，增加产品可靠性，低成本，实现方法简单巧妙，易推广等优势，显著拓宽适用领域。

Description

硅-玻璃键合界面金属导线与悬空可动结构间电荷释放法

技术领域

本发明涉及一种新型的针对硅-玻璃(Silicon on Glass)阳极键合双层结构MEMS器件在键合时界面的金属导线与悬空可动结构间电荷释放的方法，在器件原有结构的版图上巧妙设计辅助结构的增、减，实现，并可防止辅助结构与玻璃衬底进行键合，属于多层MEMS结构制造技术领域，广泛应用于含有可动结构的MEMS器件多层堆叠集成。

背景技术

阳极键合工艺是微机械系统加工中一个重要工艺。硅片接正极，玻璃片连负极，在适当的温度、压力作用下，玻璃片与硅片紧密接触的界面将形成牢固化学键，使键合界面具有良好的封装气密性和长期稳定性。该方法适应性强，其键合原理简单，键合强度高，由于阳极键和原理和工艺条件要求比较成熟，且取材简单、键合强度高而在MEMS的各个研究领域有着极其广泛的运用，如含有可动结构的MEMS器件如MEMS惯性器件、微流体芯片、RF MEMS、光MEMS、MEMS传感器等应用领域。阳极键合中，静电和释放是一个重要问题。阳极键合是指在电场辅助作用下进行键合，其中玻璃片与阴极相连，硅片接阳极。在高温高电压下，玻璃里面的Na₂O电离成Na⁺和O^2-，在外加电场作用下Na⁺向阴极漂移，从而在玻璃-硅的界面处形成带负电荷的耗尽层，与带正电的硅片形成很强的静电引力。在阳极键合工艺中，硅片通常要形成各种各样的结构，其中腔体结构的下表面与玻璃表面金属间隙过小时，键合过程中静电压产生的大量电荷容易在金属表面引发边缘辉光放电瞬间升温而烧蚀金属，引起金属表面发黑、变形，这种现象在金属引线边缘尤其严重，而金属烧蚀后其电阻变大改变信号传输性能，金属表面无法

进行引线键合。

现有技术的方法是，增加腔体的高度，该方法无法完全避免金属表面引发边缘辉光放电瞬间升温而烧蚀金属，另一种方法是避免在腔体底部的玻璃衬底上有金属线，在腔体外面布线。该方法虽也防止辉光放电，保护器件玻璃衬底上有金属线，但腔体外面实现金属化，大大增加了布线难度，有些器件甚至无法布线导致设计失败。

发明内容

本发明针对上述现有技术的问题，提供一种新型的针对硅-玻璃(Silicon on Glass)阳极键合双层结构MEMS器件在键合时界面的金属导线与悬空腔体结构间电荷释放的方法，通过巧妙设计版图，不增加工艺难度和步骤，不改变器件原有的结构与性能设计，实现键合时不同部分的电荷释放，避免某个部分因电荷积累过高导致放电而损坏，具有提高可靠性等优点。

本发明的技术方案是：一种针对硅-玻璃阳极键合双层结构MEMS器件在键合时界面的金属导线与悬空可动结构间电荷释放的方法，其特征是该方法包括如下工艺步骤：

一、在器件版图的悬空可动结构上设计一种电荷释放辅助结构，完成键合后，可方便去除；

二、通过该电荷释放辅助结构，金属引线与所有硅基悬空可动结构实现接触，实现所有“孤立”在玻璃圆片上的金属信号传输网络与硅基悬空可动结构形成电信号通路，键合时利用键合对准机，对准硅片与玻璃片，图形有良好的接触；在大压力的作用下悬空可动结构与金属引线间通过电荷释放辅助结构实现欧姆接触；

三、阳极键合过程中玻璃里面的Na₂O在360℃、电压1000V下产生的电离成Na⁺和O^2-，在外加电场作用下Na⁺向阴极漂移，从而在玻璃-硅的界面处形成带负电荷O^2-的耗尽层，与带正电的硅片形成很强的静电引力；

四、通过干法刻蚀实现电荷释放辅助结构的去除，恢复器件原有的设计和性能。

 本发明具有以下优点：1）在版图设计阶段，辅助结构与器件结构一起设计，无须单独工艺制备，不增加工艺难度和步骤；待圆片完成键合后，通过干法刻蚀即可去除辅助结构，恢复器件本身功能，因此辅助结构主要用于阳极键合工艺，借助此方法可以有效地释放电荷； 2）辅助结构是利用硅基材料制成，便于后续工艺的去除，在完成键合后只需要通过干法刻蚀硅材料就可以简单去除辅助结构，不会增加工艺难度，一举两得；3）辅助结构的添加不受器件的位置限制，可以在金属线的任何部位上方对应添加静电释放结构，具有广泛的灵活性；4）、本发明中，玻璃片采用表面工艺制备金属引线图形，硅基结构采用ICP干法刻蚀技术，可实现结构尺寸与结构深度的精确可控，同时阳极键合的键合机理简单，可操作性强，工艺简化，成本低，可靠性高；5）本发明充分运用加、减原则，利用版图上设计增加辅助结构实现键合时界面的金属导线与悬空腔体结构间电荷释放，结构简单，不影响键合强度，去除简单，设计巧妙，具有易操作，成本低等特点。

附图说明

附图1是硅材料与玻璃衬底阳极键合原理图；

附图2是辅助结构与金属线接触示意图

附图3是辅助结构去除示意图；

附图4是未添加辅助结构键合的效果图；

附图5是添加辅助结构键合的效果图；

具体实施方式

一种针对硅-玻璃阳极键合双层结构MEMS器件在键合时界面的金属导线与悬空可动结构间电荷释放的方法，包括如下工艺步骤：

一、在器件版图的悬空可动结构上设计一种电荷释放辅助结构，完成键合后，可方便去除；

二、通过该电荷释放辅助结构，金属引线与所有硅基悬空可动结构实现接触，实现所有“孤立”在玻璃圆片上的金属信号传输网络与硅基悬空可动结构形成电信号通路，键合时利用键合对准机，对准硅片与玻璃片，图形有良好的接触；在1500MPa压力的作用下悬空可动结构与金属引线间通过电荷释放辅助结构实现欧姆接触；

三、阳极键合过程中玻璃里面的Na₂O在360℃、电压1000V下产生的电离成Na⁺和O^2-，在外加电场作用下Na⁺向阴极漂移，从而在玻璃-硅的界面处形成带负电荷O^2-的耗尽层，与带正电的硅片形成很强的静电引力；

四、通过干法刻蚀实现电荷释放辅助结构的去除，恢复器件原有的设计和性能。

所述的悬空可动结构是用硅片刻蚀深槽制备的，同时保留静电释放结构不被刻蚀，即完成静电释放结构的制备。

所述的键合时利用键合对准机，使硅片上电荷释放结构与金属导线接触压紧形成良好的电学通路。

所述的电荷释放辅助结构的宽度要小于金属线的宽度，电荷释放辅助结构的位置在金属线的上面，避免电荷释放辅助结构与衬底玻璃键合，导致后端无法去除。

所述的悬空可动结构与玻璃衬底之间通过锚区固定连接。

下面结合附图说明，

版图设计为了防止键合过程中静电压产生的大量电荷容易在金属表面引发边缘辉光放电瞬间升温而烧蚀金属，排版设计时根据套刻对准关系确定各辅助结构的位置。

对照附图1，根据阳极键合原理确定腔体可动结构，采用溅射金属薄膜方式在玻璃键合面形成一层金属薄膜，光刻后腐蚀金属薄膜，完成玻璃上的金属信号线的布置。进行加电加压，并保持键合温度在350℃~400℃之间，完成玻璃中电荷流动后，直到键合电流降为0，撤销电压和压力，并且将硅片降至室温完成阳极键合工艺。

对照图2，光刻硅片，在硅片上形成锚区图形，同时刻蚀静电释放辅助结构表面处的深度与金属的高度一致，防止由于静电释放辅助结构 过高导致毛次键合不牢靠，最后进行深硅刻蚀形成腔体和突起的静电释放辅助结构。图2中结构在键合前，利用键合对准机进行图形对准，确保静电释放辅助结构紧压在金属导线上，形成良好的欧姆接触是积累的电荷可以迅速传递出来，在对准时确保静电释放辅助结构在金属线的中间且宽度不要超过线宽，避免静电释放辅助结构与玻璃衬底之间进行阳极键合。

完成键合后对硅片外表面进行化学减薄抛光处理，使其结构层的厚度D满足设计要求，同时使硅片表面起伏不超过1μm，镜面效果便于静电释放辅助结构刻蚀。

对照附图3，利用干法刻蚀去除静电释放辅助结构，恢复器件的原有结构设计。

实施例

针对硅-玻璃(Silicon on Glass)阳极键合双层结构MEMS器件在键合时界面的金属导线与悬空可动结构间电荷释放的方法，

在器件版图的悬空可动结构上设计一种电荷释放辅助结构，完成键合后，可方便去除；硅基芯片单元的悬空可动部分电荷释放辅助结构设计；通过该辅助结构，金属引线与所有硅基悬空可动结构实现接触，实现所有“孤立”在玻璃圆片上的金属信号传输网络与硅基悬空可动结构电信号通路，键合时利用键合对准机，对准硅片与玻璃片，图形有良好的接触；在大压力的作用下悬空可动结构与金属引线间通过电荷释放辅助结构实现欧姆接触；阳极键合过程中玻璃里面的Na₂O在360℃、电压1000V下产生的电离成Na⁺和O^2-，在外加电场作用下Na⁺向阴极漂移，从而在玻璃-硅的界面处形成带负电荷O^2-的耗尽层，与带正电的硅片形成很强的静电引力；大量电荷O^2-容易在金属表面引发边缘辉光放电瞬间升温而烧蚀金属，引起金属表面发黑、变形和影响信号传输等问题；最后通过干法刻蚀实现电荷释放辅助结构的去除，恢复器件原有的设计和性能。

本发明巧妙设计版图和工艺，不增加工艺难度与步骤，不破坏器件原有的功能结构，通过电荷释放辅助结构的增、减，实现键合界面的电荷释放，有效提高成品率，避免产品电学性能失效，增加产品可靠性，具有低成本，实现方法简单巧妙，易推广等优势，显著拓宽适用领域。

对照图4和图5，比较添加静电释放辅助结构前后的效果，图4是在没有添加辅助结构时金属导线被电荷击穿烧蚀的结果，图5为添加了释放结构后的效果图，可以看出该方法完全有效可行。

利用该方法可以有效的释放静电荷，避免辉光放电烧蚀金属线；在原有器件结构的版图上“添加”，不影响器件原有的结构与性能设计，不增加工艺难度和步骤，利用干法刻蚀技术等手段将辅助结构拆卸去掉，具有低成本、成品率高等优点。

Claims (1)

1.一种针对硅-玻璃阳极键合双层结构MEMS器件在键合时界面的金属导线与悬空可动结构间电荷释放的方法，其特征是该方法包括如下工艺步骤：

一、在器件版图的悬空可动结构上设计一种电荷释放辅助结构，完成键合后，可方便去除；

二、通过该电荷释放辅助结构，金属引线与所有硅基悬空可动结构实现接触，实现所有“孤立”在玻璃圆片上的金属信号传输网络与硅基悬空可动结构形成电信号通路，键合时利用键合对准机，对准硅片与玻璃片，图形有良好的接触；在1500MPa的作用下悬空可动结构与金属引线间通过电荷释放辅助结构实现欧姆接触；

三、阳极键合过程中玻璃里面的Na₂O在360℃、电压1000V下产生的电离成Na⁺和O^2-，在外加电场作用下Na⁺向阴极漂移，从而在玻璃-硅的界面处形成带负电荷O^2-的耗尽层，与带正电的硅片形成很强的静电引力；

四、通过干法刻蚀实现电荷释放辅助结构的去除，恢复器件原有的设计和性能；

所述悬空可动结构是用硅片刻蚀深槽制备的，同时保留静电释放结构不被刻蚀，即完成静电释放结构的制备；

所述键合时利用键合对准机，使硅片上电荷释放辅助结构与金属导线接触压紧形成良好的电学通路；

所述电荷释放辅助结构的宽度要小于金属线的宽度，电荷释放辅助结构的位置在金属线的上面，避免电荷释放辅助结构与衬底玻璃键合，导致后端无法去除；

所述悬空可动结构与玻璃衬底之间通过锚区固定连接。