CN108039319A - 硅片减薄方法及薄硅片 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种硅片减薄方法及薄硅片，该减薄方法包括以下步骤：S1、提供两个未加工硅片，定义为第一硅片和第二硅片；S2、先将第一硅片的上表面进行深硅刻蚀，再将第一硅片和第二硅片进行热氧处理；S3、将热氧处理后的第一硅片与第二硅片键合，得到键合硅片；S4、将键合硅片中的第二硅片进行减薄处理，再在其上表面进行顶硅刻蚀；S5、将刻蚀后的键合硅片中的第一硅片的下表面进行减薄去硅处理，最后除去氧化层，得到薄硅片。本发明的硅片减薄方法将深硅刻蚀放到第一步，并采用多次深硅刻蚀和键合工艺，最后制备得到翘曲度小的薄硅片，该减薄方法实现自动化操作，工艺稳定，适合大规模量产，且制备得到的薄硅片导热性较好，硅片翘曲能很好的控制。
Description
技术领域
本发明涉及一种硅片减薄方法及薄硅片，属于MEMS器件领域。
背景技术
微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)是指尺寸在几毫米乃至更小的高科技装置，其内部结构一般在微米甚至纳米量级，是一个独立的智能系统。主要由传感器、动作器和微能源三大部分组成。微机电系统涉及物理学、半导体、光学、电子工程、化学、材料工程、机械工程、医学、信息工程及生物工程等多种学科和工程技术，为智能系统、消费电子、可穿戴设备、智能家居、系统生物技术的合成生物学与微流控技术等领域开拓了广阔的用途。常见的产品包括MEMS加速度计、MEMS麦克风、微马达、微泵、微振子、MEMS压力传感器、MEMS陀螺仪、MEMS湿度传感器等以及它们的集成产品。
MEMS产品经常涉及到薄片工艺，有时可能需要厚度小于200μm的硅片。但硅片太薄会产生较大的翘曲，无法进行后续工艺和流通。而针对薄片工艺，目前现有的解决方案是：将一片干净的载片放在热板上加热，然后手动将蜡均匀的涂覆在载片表面，再将待工艺硅片贴到载片上，然后自然冷却。冷却后就可以做后续工艺，比如减薄至小于200μm所需工艺厚度，再进行后面的深硅刻蚀以及牺牲层释放等工艺，待所有工艺完成后用丙酮等湿法药液将载片分开。
然而该薄片工艺大部分需要手动操作，操作繁琐且工艺重复性较差，消耗时间和人力，不适合大规模量产。
发明内容
本发明的目的在于提供一种硅片减薄方法及薄硅片，该减薄方法采用多次深硅刻蚀以及键合工艺，实现自动化操作，工艺稳定，适合大规模量产，且制备得到的薄硅片导热性较好，硅片翘曲能很好的控制，有利于实现后续的深硅刻蚀以及释放等工艺。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种硅片减薄方法，包括以下步骤：
S1、提供两个未加工硅片，所述未加工硅片具有相对的上表面和下表面，分别定义为第一硅片和第二硅片；
S2、先将所述第一硅片的上表面进行深硅刻蚀，再将所述第一硅片和第二硅片进行热氧处理；
S3、将步骤S2中热氧处理后的第一硅片的上表面与所述第二硅片的下表面键合，得到键合硅片；
S4、将所述键合硅片中的第二硅片进行减薄处理，再在其上表面进行顶硅刻蚀；
S5、将步骤S4中刻蚀后的键合硅片中的第一硅片的下表面进行减薄去硅处理，最后除去热氧层，得到薄硅片。
进一步地，所述薄硅片的厚度为180至200μm。
进一步地，在所述薄硅片的结构中，所述第一硅片的厚度小于第二硅片。因为考虑到MEMS器件的性能和应用，其第一硅片部分通常用作质量块，其厚度越小越好。
进一步地，在所述薄硅片的结构中，所述第一硅片的厚度为50至90μm，所述第二硅片的厚度为90至130μm。
进一步地，进一步地，步骤S2中，在所述深硅刻蚀过程中，所述第一硅片的上表面的刻蚀深度为50至90μm。
进一步地，步骤S4中，在所述减薄处理过程中，通过砂轮将所述第二硅片减薄至90至130μm。
进一步地，步骤S4中，在所述顶硅刻蚀过程中，所述第二硅片的上表面的刻蚀深度为与减薄后的第二硅片厚度相同。当第二硅片的刻蚀深度与减薄后第二硅片厚度相同时，可以暴露出其热氧层，以便于在步骤S5中除去热氧层。
进一步地，所述第一硅片和第二硅片为普通硅片。
进一步地，步骤S5中，在所述减薄去硅处理过程中，先通过砂轮将所述第一硅片从下表面减薄至200至300μm，再通过刻蚀或腐蚀工艺将所述第一硅片从下表面减薄至50至90μm。
进一步地，所述第一硅片为SOI硅片，所述第二硅片为普通硅片。SOI硅片即绝缘衬底上硅片(Silicon On Insulator，SOI)，其从下到上依次包括衬底硅层、埋氧层和顶层硅三个部分。
进一步地，步骤S5中，在所述减薄去硅处理过程中，通过砂轮或刻蚀或腐蚀工艺将所述绝缘衬底上硅片减薄至埋氧层。
进一步地，所述第一硅片和第二硅片在热氧处理后形成的热氧层的总厚度为20至60μm。
为达到上述目的，本发明还提供了一种由所述的硅片减薄方法所制得的薄硅片，所述薄硅片从下到上逐层设置有第一硅片、第一硅片热氧层、第二硅片热氧层以及第二硅片，所述薄硅片的厚度为180至200μm。
进一步地，所述第一硅片的厚度小于第二硅片，所述第一硅片的厚度为50至90μm，所述第二硅片的厚度为90至130μm。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明的硅片减薄方法将深硅刻蚀放到第一步，并采用多次深硅刻蚀和键合工艺，最后制备得到翘曲度小的薄硅片，该减薄方法实现自动化操作，工艺稳定，适合大规模量产，且制备得到的薄硅片导热性较好，硅片翘曲能很好的控制，有利于实现后续的深硅刻蚀以及释放等工艺。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1为本发明所示的硅片减薄方法的流程步骤图；
图2a至图2g为本发明实施例一所示的硅片减薄方法的步骤示意图；
图3a至图3g为本发明实施例二所示的硅片减薄方法的步骤示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
请参见图1，本发明所示的硅片减薄方法包括以下步骤：
S1、提供两个未加工硅片，所述未加工硅片具有相对的上表面和下表面，分别定义为第一硅片和第二硅片，其中，所述第一硅片和第二硅片为普通硅片，或者，所述第一硅片为SOI硅片，所述第二硅片为普通硅片；
S2、将所述第一硅片的上表面进行深硅刻蚀，然后将所述第一硅片和第二硅片进行热氧处理；
S3、将步骤S2中热氧处理后的第一硅片的的上表面与所述第二硅片的下表面键合，得到键合硅片；
S4、将所述键合硅片中的第二硅片进行减薄处理，再在其上表面进行顶硅刻蚀；
S5、将步骤S4中刻蚀后的键合硅片中的第一硅片的下表面进行减薄去硅处理，最后除去热氧层，得到薄硅片。
该减薄方法的具体步骤包括：
步骤S2中，在所述深硅刻蚀过程中，在所述第一硅片的上表面的刻蚀深度为50至90μm；
步骤S4中，在所述减薄处理过程中，优选为通过砂轮将所述第二硅片减薄至90至130μm；在所述顶硅刻蚀过程中，所述第二硅片的上表面的刻蚀深度为与减薄后的第二硅片厚度相同，以便于在步骤S5中除去热氧层。
步骤S5中，在所述下表面减薄处理过程中，当第一硅片和第二硅片都是普通硅片时，优选为先通过砂轮将所述第一硅片从下表面减薄至200至300μm，再通过刻蚀或腐蚀工艺将所述第一硅片从下表面减薄至50至90μm。
或者，步骤S5中，当第一硅片为SOI硅片，第二硅片为普通硅片时，在所述减薄去硅处理过程中，通过砂轮或刻蚀或腐蚀工艺将所述绝缘衬底上硅片减薄至埋氧层。
根据本发明的硅片减薄方法可以制备得到厚度为180至200μm的薄硅片，所述薄硅片从下到上逐层设置有第一硅片、第一硅片热氧层、第二硅片热氧层以及第二硅片。在所述薄硅片的结构中，所述第一硅片的厚度小于第二硅片，所述第一硅片的厚度为50至90μm，所述第二硅片的厚度为90至130μm。
实施例一
请参见图2a至图2g，本发明实施例一所示的硅片减薄方法的示意图。提供两个普通硅片，定义为第一硅片1和第二硅片2。首先在第一硅片1的上表面刻蚀出深硅图形，其深度为90μm，然后将第一硅片1和第二硅片2通过热氧处理。将处理后的第二硅片2与第一硅片1的上表面键合，得到键合硅片3，并将键合后的第二硅片2从上表面减薄至110μm，随后在第二硅片2上继续作业上表面工艺以及顶硅刻蚀，刻蚀深度为110μm。待刻蚀完成后，将第一硅片1从下表面减薄至150μm，随后使用DRIE干法刻蚀或者KOH湿法腐蚀，将第一硅片1腐蚀至70μm厚度，因为如果直接将第一硅片1减薄到70μm，减薄砂轮可能会将薄硅片损坏。最后使用RIE或者BOE湿法将BOX层氧化硅去除，即可得到厚度小于200μm左右的MEMS薄硅片。
实施例二
请参见图3a至图3g，本发明实施例二所示的硅片减薄方法的示意图。提供一个SOI硅片和一个普通硅片，定义为SOI硅片为第一硅片1’，普通硅片为第二硅片2’，其中，SOI硅片包括上层硅11’、氧化层12和背衬底13’。首先在上层硅11’上刻蚀出深硅图形，其深度为90μm，然后将第一硅片1’和第二硅片2’通过热氧处理。再将处理后的第二硅片2’与第一硅片1’的上表面键合，得到键合硅片3’，并将键合后的第二硅片2’从上表面减薄至90μm，随后在第二硅片2’上继续作业上表面工艺以及顶硅刻蚀，刻蚀深度为90μm。待刻蚀完成后，通过减薄砂轮或DRIE和KOH腐蚀，将第一硅片1’的背衬底13’去除，最后使用RIE或者BOE湿法将BOX氧化层12’去除，即可得到厚度小于200μm的MEMS薄硅片。
综上所述：本发明的硅片减薄方法将深硅刻蚀放到第一步，并采用多次深硅刻蚀和键合工艺，最后制备得到翘曲度小的薄硅片，该减薄方法实现自动化操作，工艺稳定，适合大规模量产，且制备得到的薄硅片导热性较好，硅片翘曲能很好的控制，有利于实现后续的深硅刻蚀以及释放等工艺。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (13)
1.一种硅片减薄方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、提供两个未加工硅片，所述未加工硅片具有相对的上表面和下表面，分别定义为第一硅片和第二硅片；
S2、先将所述第一硅片的上表面进行深硅刻蚀，再将所述第一硅片和第二硅片进行热氧处理；
S3、将步骤S2中热氧处理后的第一硅片的上表面与所述第二硅片的下表面键合，得到键合硅片；
S4、将所述键合硅片中的第二硅片进行减薄处理，再在其上表面进行顶硅刻蚀；
S5、将步骤S4中刻蚀后的键合硅片中的第一硅片的下表面进行减薄去硅处理，最后除去氧化层，得到薄硅片。
2.如权利要求1所述的硅片减薄方法，其特征在于，所述薄硅片的厚度为180至200μm。
3.如权利要求2所述的硅片减薄方法，其特征在于，在所述薄硅片的结构中，所述第一硅片的厚度小于第二硅片。
4.如权利要求3所述的硅片减薄方法，其特征在于，在所述薄硅片的结构中，所述第一硅片的厚度为50至90μm，所述第二硅片的厚度为90至130μm。
5.如权利要求1或2或3或4所述的硅片减薄方法，其特征在于，步骤S2中，在所述深硅刻蚀过程中，所述第一硅片的上表面的刻蚀深度为50至90μm。
6.如权利要求1或2或3或4所述的硅片减薄方法，其特征在于，步骤S4中，在所述减薄处理过程中，通过砂轮将所述第二硅片减薄至90至130μm。
7.如权利要求1或2或3或4所述的硅片减薄方法，其特征在于，步骤S4中，在所述顶硅刻蚀过程中，所述第二硅片的上表面的刻蚀深度为与减薄后的第二硅片厚度相同。
8.如权利要求1或2或3或4所述的硅片减薄方法，其特征在于，所述第一硅片和第二硅片为普通硅片。
9.如权利要求8所述的硅片减薄方法，其特征在于，步骤S5中，在所述减薄去硅处理过程中，先通过砂轮将所述第一硅片从下表面减薄至200至300μm，再通过刻蚀或腐蚀工艺将所述第一硅片从下表面减薄至50至90μm。
10.如权利要求1或2或3或4所述的硅片减薄方法，其特征在于，所述第一硅片为SOI硅片，所述第二硅片为普通硅片。
11.如权利要求10所述的硅片减薄方法，其特征在于，步骤S5中，在所述减薄去硅处理过程中，通过砂轮或刻蚀或腐蚀工艺将所述绝缘衬底上硅片减薄至埋氧层。
12.一种由权利要求1至11中任一项所述的硅片减薄方法所制得的薄硅片，其特征在于，所述薄硅片从下到上逐层设置有第一硅片、第一硅片热氧层、第二硅片热氧层以及第二硅片，所述薄硅片的厚度为180至200μm。
13.如权利要求12所述的薄硅片，其特征在于，所述第一硅片的厚度小于第二硅片，所述第一硅片的厚度为50至90μm，所述第二硅片的厚度为90至130μm。
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