CN104649221A - 一种复杂硅玻璃混合结构圆片的加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复杂硅玻璃混合结构晶圆的加工方法。复杂硅玻璃混合结构圆片包括不同形状的硅、玻璃、以及由硅与玻璃混合组成复杂的多维结构。该加工方法包括：在硅圆片上制备硅槽结构；将玻璃圆片之键合；或将玻璃粉填充至硅槽结构当中；采用高温炉热处理；采用化学机械抛光将圆片表面抛光；对于更复杂多层结构，采用以上步骤制备其他圆片；采用静电键合工艺将多个圆片键合或与硅圆片、玻璃圆片叠加键合，实现多层复杂硅玻璃混合结构。该类结构具有机械性能优越、电隔离简单、真空腔体与间隙控制精确、复杂结构易实现、结构可随要求设计的特点；同时该方法与其他微电子工艺兼容，无需担心后续封装的高温、无法电绝缘问题。

Description

一种复杂硅玻璃混合结构圆片的加工方法

技术领域

本发明涉及微电子机械加工领域，尤其涉及一种硅玻璃混合结构的加工方法。

技术背景

微电子机械系统器件在航空航天、地质勘探、武器导航、消费电子等领域都有广泛的应用。微电子机械系统器件由于其体积小、成本低、性能优良且便于批量制造等优势，获得了巨大的发展。随着所应用领域的拓展与应用要求的不断提高，微电子机械系统器件变得越来越复杂以满足越发提升的性能要求，传统的微电子机械加工方法已经不能满足微电子机械系统器件所需的复杂结构要求与性能要求。在传统工艺条件下，微电子机械系统器件在单晶硅圆片上制作出所需三维结构，由硅硅直接键合技术、硅玻璃静电键合技术进行封装或扩展纵向结构。对于基于单晶硅圆片的微电子机械系统器件，由于单晶硅的导电特性，体硅器件无法实现器件各个组成部分的良好电学隔离；对于表面结构器件，其机械部件尺寸与强度受到极大的限制。传统的微电子机械加工方法由于其制备的器件结构简单、制备工艺要求苛刻，导致新的需求在传统方法面前受到非常多的限制。

为了满足微电子机械系统器件的设计复杂度与性能要求，国内外的高等院校、研究机构与公司均进行了有益的探索。具体包括：发明硅硅低温直接键合技术、金属瞬态液相键合技术、三层键合技术等。

1998年德国马普微结构物理研究院的Gertrud等人提出了在100℃-600℃条件下的低温硅硅直接键合技术，该技术大大的降低了硅硅键合所需要的温度，键合强度达到2MPa。该技术应用一定的介质层提高圆片之间的键合质量，且在键合前需要表面处理。由于低温下硅硅直接键合技术对于键合晶圆表面清洁度要求极高，该类技术的成品率较低，且键合强度限制了该类技术在机械性能要求高的领域的应用，不适宜制备复杂的高强度结构。

2006年韩国三星电子的QIAN WANG等人应用金锡合金实现了硅硅金属瞬态液相键合，同时应用深刻蚀技术与电镀技术，成功的将两层晶圆之间的器件结构通过硅通孔引出。该技术应用多种不同金属作为粘附层，在钛、镍等金属的帮助下，晶圆间剪切键合强度达到65MPa。由于该技术采用低温局部液相键合，很难保证其键合区域金属完全浸润，气密性无法保证，且硅晶圆间隙无法精确控制。

2009年IBM公司的M.Despont等人研究了硅-玻璃-硅结构的一次性键合，该键合方式为应用交流电加载在两个硅晶圆上，随着交流电压的变化分时将不同硅晶圆与中间的玻璃晶圆键合到一起，方法简单，一次成型。缺点是该方法键合强度低，无法用于复杂结构的制作。

就一般的硅玻璃静电键合而言，其制备的器件结构简单，无法用于复杂结构的制备，且由于键合过程中碱金属离子在玻璃当中运动，如钠离子在表面堆积，使得该表面无法进行有效的二次键合，同时，在硅-玻璃-硅三层键合中，钠离子的反向运动会破坏第一次键合的键合面，会无法实现有效的多层多次键合。

传统的微电子机械系统器件制备方式，均无法制备横向结构复杂、纵向结构机械强度高、电隔离特性良好的器件。本发明极大的拓展了器件设计的复杂度，使得设计者可以轻松制备出复杂的多层硅玻璃横纵混合器件。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种制备复杂硅玻璃混合结构的加工方法，满足制备微电子机械系统器件复杂架构的要求，同时满足器件特殊的性能要求。

本发明提供了一种制备复杂硅玻璃混合结构的加工方法，该方法加工目标器件包括以下特征：所加工目标为硅玻璃混合结构，该类结构包括包括不同形状的硅组件，玻璃，由硅组件与玻璃混合组成复杂的硅玻璃混合结构。

本发明所提供制备复杂硅玻璃混合结构的加工方法，包括如下步骤：采用单晶硅圆片，在单晶硅圆片上制备硅槽结构；采用抛光的玻璃圆片，将玻璃圆片与已经制备的硅槽结构圆片键合；采用高温炉热处理硅玻璃键合圆片或硅玻璃粉填充圆片；采用化学机械抛光方法将热处理后的圆片表面抛光，制备出复杂硅玻璃混合结构圆片；对于更复杂多层结构，采用以上步骤制备其他圆片；采用静电键合工艺将所制备多个圆片键合实现多层复杂硅玻璃混合结构圆片，或将所制备圆片与硅圆片键合实现多层复杂硅玻璃混合结构结构圆片，或将所制备圆片与玻璃圆片键合实现多层复杂硅玻璃混合结构结构圆片，或将所制备圆片与硅圆片、玻璃圆片键合实现多层复杂硅玻璃混合结构结构圆片。

上述加工步骤中，硅玻璃键合圆片的热处理方法包括以下步骤：采用高温保温一定时间处理，使得玻璃软化以填充硅槽结构；待玻璃填充硅槽结构完成后，采用低温保温一定时间处理，以降低玻璃内部快速运动过程导致的不均匀性；待上述处理后的圆片结构稳定，降温至室温处理。

上述加工步骤中，热处理后的硅玻璃圆片的化学机械抛光处理方法包括以下步骤：根据所需厚度，研磨圆片去除多余玻璃；根据所需厚度，研磨圆片去除多余硅；抛光圆片所需表面，以达到进一步加工所需要求。

上述加工步骤中，热处理后的硅玻璃圆片的化学机械抛光处理方法，包括以下部分：研磨圆片去除多余玻璃至硅表面，抛光后的表面由硅与玻璃交错组成，玻璃镶嵌在硅当中，形成内嵌结构；研磨圆片去除多余玻璃，抛光后的表面由玻璃组成，硅与玻璃相互镶嵌，形成拉链结构；研磨圆片去除多余硅至露出玻璃，抛光后的表面由硅与玻璃交错组成，硅镶嵌在玻璃当中，形成内嵌结构；研磨圆片去除多余硅，抛光后的表面由硅组成，硅与玻璃相互镶嵌，形成拉链结构。

上述步骤中，由多层所制备圆片组成或所制备圆片与硅圆片、玻璃圆片混合组成的多层复杂硅玻璃混合结构圆片的键合方法，包括以下步骤：将圆片按照本层圆片硅与它层圆片玻璃相对的方式对齐，或将本层圆片玻璃与他层圆片硅相对的方式对齐，其中对准键合部分为硅一方连接阳极，对准键合部分为玻璃一方连接阴极，静电键合制备两层复杂硅玻璃混合结构圆片；将所制备两层复杂硅玻璃混合结构圆片与他层圆片采用硅对玻璃的方式对齐，电连接方式等同上述步骤，静电键合制备三层复杂硅玻璃混合结构圆片；类推上述步骤，制备多层复杂硅玻璃混合结构圆片。

上述步骤中，由多层所制备圆片组成或所制备圆片与硅圆片、玻璃圆片混合组成的多层复杂硅玻璃混合结构圆片的键合方法，包括以下步骤：将三层圆片按照本层圆片硅与它层圆片玻璃相对的方式对齐，其对准部分为硅-玻璃-硅结构或玻璃-硅-玻璃结构；其中对准键合部分为硅一方连接阳极，对准键合部分为玻璃一方连接阴极，静电键合制备三层复杂硅玻璃混合结构圆片；将所制备三层复杂硅玻璃混合结构圆片与他层圆片采用硅对玻璃的方式对齐，电连接方式等同上述步骤，静电键合制备四层复杂硅玻璃混合结构圆片；类推上述步骤，制备多层复杂硅玻璃混合结构圆片。

相对以往研究成果，本发明提供了加工出多层结构、复杂镶嵌结构的方法；同时，本发明所加工出的圆片可进行其他工艺制备所需金属连接、机械结构、其他材料结构等之后进行键合，而不必考虑传统工艺中复杂多层结构所面临的高温工艺问题；本发明同样适用与对绝缘特性、机械稳定性有高要求的微电子机械器件的加工，解决传统工艺中机械特性差、无法绝缘制备多层复杂结构的问题。

附图说明

图1为本发明一种复杂硅玻璃混合结构圆片的加工方法的目标应用器件结构示意图；

图2为本发明一种复杂硅玻璃混合结构圆片的加工方法实施步骤流程图；

图3为硅玻璃键合圆片热处理过程控制示意图；

图4为化学机械抛光后结构示意图；

图5为多层复杂硅玻璃混合结构示意图；

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

参照图1，图1为本发明的目标应用器件示意图，其特征在于，该目标器件实现了硅、玻璃结构的混合；该目标器件拥有机械性能优越、复杂结构可实现性、电气隔断简单的特点；该目标器件可以在非高温情况下实现良好键合，实现多层复杂结构。

参照图1a所示，图1a为硅、玻璃混合结构实现的目标器件示意图，其中11为硅材料，12为玻璃材料，该结构中硅材料与玻璃材料实现了横向混合拼接。

参照图1b所示，图1b为多层硅、玻璃混合结构实现的目标器件示意图，其中11为硅材料，12为玻璃材料，13为硅圆片间空隙，该结构中硅材料与玻璃材料实现了纵向拼接。

参照图2，图2为本发明一种复杂硅玻璃混合结构圆片加工方法实施步骤流程图，其包含以下具体步骤：

参照图2a所示，本发明基于单晶硅圆片工艺，首先准备单晶硅圆片21，并为之后的工艺制备必要的薄膜，如二氧化硅薄膜；

参照图2b所示，本发明基于光刻工艺对单晶硅圆片进行图形化，基于刻蚀、腐蚀工艺在单晶硅圆片上制备硅槽结构，24为硅槽，硅结构包括硅槽周围块体部分210与硅槽下方厚膜部分211；

参照图2c所示，本发明本发明采用真空静电键合工艺、真空烧结键合工艺将玻璃圆片22与所制备的带有硅槽结构的单晶硅圆片210部分键合在一起，原硅槽24在键合完成后形成真空腔240；

参照图2d所示，本发明采用高温常压烧结工艺将所制备的硅玻璃键合圆片中玻璃软化，填充至硅槽结构空腔240当中，形成玻璃填充25，同时由于玻璃下陷形成玻璃槽26，对处在非硅槽空腔部位的玻璃220并不发生过多移动；

参照图2e、图2f所示，本发明采用化学机械抛光工艺根据所需厚度去研磨除多余的硅2101、玻璃220，并将表面抛光至所需表面粗糙度，去除粗糙的残留部分27；本发明一种复杂硅玻璃混合结构圆片加工方法实施步骤至此已经制备出复杂硅玻璃混合结构，其包含硅210部分与玻璃25部分，组成横向混合结构，参照以后图示与说明，本发明可以制备出多层复杂硅玻璃混合结构。

参照图3，图3为本发明所应用热处理工艺控制示意图，其特征在于，包含以下步骤：

参照图3a，将硅玻璃键合圆片放入高温炉中加热，其中31为温度指示，32为时间指示，加热气氛为氮气常压，经330曲线升至高温331(该温度高于玻璃软化点)，保温一定时间，使得玻璃充分软化，填充至硅槽结构；待玻璃填充硅槽结构完成，经332曲线降低温度，在较低温度333(该温度高于玻璃应变点)下保温一定时间，消除玻璃内部快速运动造成的不均匀性，使结构稳定，经334曲线降低至室温；对于硅玻璃键合圆片的热处理，主要包括高温烧结331与低温稳定333两个阶段。

参照图3b，将填充玻璃粉的硅圆片放入高温炉中加入，其中31为温度指示，32为时间指示，加热气氛为氮气常压，经335曲线升至温度336，在336温度下保温一定时间实现预烧结，升至高温337(该温度高于玻璃软化点)，保温一定时间，使得玻璃充分软化，填充至硅槽结构；待玻璃填充硅槽结构完成，降低温度，在较低温度338(该温度高于玻璃应变点)下保温一定时间，消除玻璃内部快速运动造成的不均匀性，使结构稳定，降低至室温；对于填充玻璃粉的硅圆片的热处理，主要包括预烧结336、高温烧结337与低温稳定338三个阶段。

参照图4，图4为本发明目标器件化学机械抛光后结构示意图，其特征在于，根据所需结构调节化学机械抛光步骤减薄量，以实现不同的复杂硅玻璃混合结构。

参照图4a，图4a为所设计器件需要双面去除多余硅、玻璃结构示意图，该种情况下，抛光后的两个表面43均由硅与玻璃交错组成，器件呈现硅41、玻璃42横向混合拼接的特征；参照图4b，图4d为所设计器件需要去除多余玻璃至表面430出现硅材料的示意图，该种情况下，抛光后的一个表面430由硅与玻璃交错组成，另一个表面431为硅，器件呈现玻璃42镶嵌在硅41中的特征；参照图4c，图4c为所设计器件需要去除一定量的硅与玻璃结构示意图，该种情况下，两面432、433均不出现另外一种材料，抛光后的一个表面433为硅，另一个表面432为玻璃，器件呈现硅41玻璃42相互镶嵌的特征；参照图4d，图4d为所设计器件需要去除多余硅结构示意图，该种情况下抛光后的一个表面435由硅与玻璃交错组成，另一个表面434为玻璃，器件呈现硅41镶嵌在玻璃42当中的特征。

参照图5，图5为本发明目标应用多层复杂硅玻璃混合结构示意图，其特征在于，应用静电键合工艺，将多个应用本发明所制备硅玻璃混合结构圆片，或应用本发明所制备硅玻璃混合结构圆片与单晶硅圆片，或应用本发明所制备硅玻璃混合结构圆片与玻璃圆片，或应用本发明所制备硅玻璃混合结构圆片与单晶硅圆片、玻璃圆片键合在一起制备多层复杂硅玻璃混合结构圆片。

参照图5a所示，图5a为两层应用本发明所制备硅玻璃混合结构圆片键合圆片示意图，其特征在与，该多层结构实现了复杂的硅玻璃多层混合结构，其中上层圆片由硅51与玻璃52横向拼接而成，另一圆片由硅53镶嵌在玻璃54中，该结构具备优越的机械特性、电气隔断简单、复杂结构可实现性；该结构由静电键合工艺制备，其中一个圆片的硅51对应另一个圆片的玻璃52，其中硅连接阳极，玻璃连接阴极，在适当温度、压力下键合而成，两个圆片之间形成间隙55。

参照图5b所示，图5b为应用本发明所制备硅玻璃混合结构圆片与单晶硅圆片键合圆片示意图，其特征在于，应用玻璃57实现了两层硅之间的良好键合，其中上层圆片为硅晶圆56，下层圆片为玻璃57镶嵌在硅59中，该结构具有优越的机械特性，隔断了两层硅之间的电连接，实现了简单稳定的多层硅键合；该结构由静电键合工艺制备，其中硅圆片56对应应用本发明所制备硅玻璃混合结构圆片的玻璃57，其中硅圆片连接阳极，应用本发明所制备硅玻璃混合结构圆片连接阴极，在适当温度、压力下键合而成，两个圆片之间形成空腔58，实现了硅片56与硅片59之间的电隔离。

参照图5c所示，图5c为应用本发明所制备硅玻璃混合结构圆片与玻璃圆片60键合圆片示意图，其特征在于，该结构将硅材料61镶嵌到玻璃60、63当中，可以制备具有特殊用途的带有可电连接镶嵌材料的玻璃圆片；该结构由静电键合工艺制备，其中玻璃圆片60对应应用本发明所制备硅玻璃混合结构圆片的硅61，其中应用本发明所制备硅玻璃混合结构圆片连接阳极，玻璃圆片连接阴极，在适当温度、压力下键合而成，两层圆片之间可以形成间隙62，亦可以不留间隙，形成完全镶嵌结构。

参照图5d所示，图5d为应用本发明所制备硅玻璃混合结构圆片与硅圆片64、玻璃圆片67混合键合圆片示意图，其特征在于，实现了多层硅、玻璃结构的混合键合，包括横向拼接与纵向拼接，可以制备具有特殊用途的多层硅器件，同时满足器件内部之间需要电隔离、机械性能优越、真空腔体与间隙控制精确、需要玻璃封盖等要求；该结构由静电键合工艺制备，其中可根据器件特点设计键合方式，对于图示器件，可采用三层对准一次键合的方式，其中应用本发明所制备硅玻璃混合结构圆片的硅69对准玻璃圆片67，其玻璃部分65对准硅圆片64，硅圆片连接阳极，玻璃圆片连接阴极，在适当温度、压力下键合而成，三层圆片之间形成间隙68与空腔66，亦可不留间隙68；该结构亦可采用多次键合方式制备。

以上对本发明所提供的一种复杂硅玻璃混合结构圆片的加工方法的一般工艺流程进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种复杂硅玻璃混合结构圆片的加工方法，其特征在于，所要加工的硅玻璃混合结构包括不同形状的硅组件，玻璃，由硅组件与玻璃混合组成复杂的多维结构。

2.根据权利要求1所述的复杂硅玻璃混合结构加工方法，其特征在于，复杂硅玻璃混合结构包括以下加工步骤：采用单晶硅圆片，在单晶硅圆片上制备硅槽结构；采用抛光的玻璃圆片，将玻璃圆片与已经制备的硅槽结构圆片键合；或采用玻璃粉，将玻璃粉填充至已经制备的硅槽结构圆片当中；采用高温炉热处理硅玻璃键合圆片或硅玻璃粉填充圆片；采用化学机械抛光方法将热处理后的圆片表面抛光，制备出复杂硅玻璃混合结构圆片；对于更复杂多层结构，采用以上步骤制备其他圆片；采用静电键合工艺将所制备多个圆片键合实现多层复杂硅玻璃混合结构圆片，或将所制备圆片与硅圆片键合实现多层复杂硅玻璃混合结构结构圆片，或将所制备圆片与玻璃圆片键合实现多层复杂硅玻璃混合结构结构圆片，或将所制备圆片与硅圆片、玻璃圆片键合实现多层复杂硅玻璃混合结构结构圆片。

3.根据权利要求2所述的复杂硅玻璃混合结构加工方法，其特征在于，硅玻璃键合圆片与或硅玻璃粉填充圆片的热处理方法包括以下步骤：对于硅玻璃键合圆片，采用高温保温一定时间处理；待玻璃填充硅槽结构完成后，采用低温保温一定时间处理；待上述处理后的圆片结构稳定，降温至室温处理；对于玻璃粉填充圆片，采用低温保温一定时间处理；待玻璃粉浆料蒸发干，采用高温保温一定时间处理；待玻璃粉浆料填充硅槽结构完成后，采用低温保温一定时间处理；待上述处理后的圆片结构稳定，降温至室温处理。

4.根据权利要求2所述的复杂硅玻璃混合结构加工方法，其特征在于，热处理后的硅玻璃圆片的化学机械抛光处理方法包括以下步骤：根据所需厚度，研磨圆片去除多余玻璃；根据所需厚度，研磨圆片去除多余硅；抛光圆片所需表面。

5.根据权利要求4所述的热处理后的硅玻璃圆片的化学机械抛光处理方法，其特征在于，包括如下部分：研磨圆片去除多余玻璃至硅表面，抛光后的表面由硅与玻璃交错组成；研磨圆片去除多余玻璃，抛光后的表面由玻璃组成；研磨圆片去除多余硅至露出玻璃，抛光后的表面由硅与玻璃交错组成；研磨圆片去除多余硅，抛光后的表面由硅组成。

6.根据权利要求2、权利要求4与权利要求5所述的复杂硅玻璃混合结构键合方法，其特征在于，由多层所制备圆片组成或所制备圆片与硅圆片、玻璃圆片混合组成的多层复杂硅玻璃混合结构圆片的键合方法包括以下步骤：将圆片按照本层圆片硅与它层圆片玻璃相对的方式对齐，或将本层圆片玻璃与他层圆片硅相对的方式对齐，静电键合制备两层复杂硅玻璃混合结构圆片；将所制备两层复杂硅玻璃混合结构圆片与他层圆片采用硅对玻璃的方式对齐，静电键合制备三层复杂硅玻璃混合结构圆片；类推上述步骤，制备多层复杂硅玻璃混合结构圆片。

7.根据权利要求2、权利要求4与权利要求5所述的复杂硅玻璃混合结构键合方法，其特征在于，由多层所制备圆片组成或所制备圆片与硅圆片、玻璃圆片混合组成的多层复杂硅玻璃混合结构圆片的键合方法包括以下步骤：将三层圆片按照本层圆片硅与它层圆片玻璃相对的方式对齐；静电键合制备三层复杂硅玻璃混合结构圆片；将所制备三层复杂硅玻璃混合结构圆片与他层圆片采用硅对玻璃的方式对齐，静电键合制备四层复杂硅玻璃混合结构圆片；类推上述步骤，制备多层复杂硅玻璃混合结构圆片。