CN110642221A - 一种压电mems结构亲水性硅硅直接键合工艺 - Google Patents

一种压电mems结构亲水性硅硅直接键合工艺 Download PDF

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Abstract

一种压电MEMS结构亲水性硅硅直接键合工艺，先在带有压电结构图案区的第一硅片上旋涂光刻胶作为压电材料的第一保护层，将掩膜版图案转移到第一保护层上，在第一保护层上贴上一层聚酰亚胺作为第二保护层；再将第一硅片经过氧等离子体表面活化、湿法活化处理；然后将另一块不带压电材料且经过MEMS工艺处理后具有体硅结构的第二硅片经过清洗，两块硅片通过Si‑O‑Si键实现预键合；本发明通过亲水性硅硅低温直接键合方法实现硅基压电MEMS结构与硅基基底的低温、气密性的高质量有效键合，并且通过压电材料的保护方法避免键合过程中化学清洗处理对任意压电材料的损伤，可实现包含压电材料的硅基压电MEMS结构与硅基基底的高可靠性键合。

Description

一种压电MEMS结构亲水性硅硅直接键合工艺
技术领域
本发明属于MEMS(微机电系统)技术领域，具体涉及一种压电MEMS结构亲水性硅硅直接键合工艺。
背景技术
压电材料具备压电效应或者逆压电效应，能够实现电能与机械能之间的相互转化，将其应用于MEMS领域开发出的压电MEMS结构通过单片即可实现驱动、传感、能量收集等功能，是应用潜力巨大的热点技术。包含压电材料的硅基压电MEMS结构与硅基基底的有效键合，是开发压电式微滴喷射打印头、压电微流体泵、压电微传感器等诸多压电MEMS器件的关键甚至决定性因素，高可靠性的键合技术对于压电MEMS技术的发展至关重要。
现有技术中，有采用阳极键合、硅硅熔融键合、金硅共晶键合等方法实现包含压电材料的硅基压电MEMS结构与硅基基底的键合，但是由于其键合温度一般在300-1200℃，大于多数压电材料的居里温度(如大部分PZT压电陶瓷居里温度在200-300℃)，会对压电MEMS结构的性能产生严重不利影响，这造成了阳极键合、硅硅熔融键合、金硅共晶键合等技术的应用受限。同时由于较高的键合温度会造成上下异质结构热膨胀效应的不匹配甚至翘曲，破坏压电MEMS器件的对准精度。聚合物黏结键合(如环氧树脂黏结键合)的键合温度可小于200-300摄氏度甚至达到室温键合，因此在包含压电材料的硅基压电MEMS结构与硅基基底的键合中也得到了应用，但是由于其键合面的气密性存在问题，并且键合可靠性差，在实际应用中作为器件中的薄弱环节极大影响了压电MEMS器件的寿命。采用硅硅直接键合的方法理论上可有效避免键合温度、键合面等存在上述问题，但是硅硅直接键合方法需要在键合前对键合表面进行化学清洗处理，该过程使用的化学试剂会对多数压电材料产生损伤，造成压电MEMS结构的失效，这限制了硅硅直接键合方法在包含压电材料的硅基压电MEMS结构与硅基基底的键合中的使用。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种压电MEMS结构亲水性硅硅直接键合工艺，实现包含压电材料的硅基压电MEMS结构与硅基基底的有效键合。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种压电MEMS结构亲水性硅硅直接键合工艺，包括如下步骤：
第一步，在带有压电结构图案区的第一硅片1上旋涂光刻胶作为压电材料的第一保护层2，其处理方法为：在带有压电材料4的第一硅片1周围贴上一层胶带5，使用匀胶机旋涂一层8微米厚度的光刻胶，95℃前烘10分钟使光刻胶的溶剂挥发并且粘附在第一硅片1上；
第二步，将第一硅片1上周围的胶带5去除，使用一块掩膜版进行光刻，将掩膜版图案转移到第一保护层2上；掩膜版上的图案与压电材料4图案一致，掩膜版上有图案的区域为透光，其他区域为不透光；使用光刻机正面对准，曝光30s，使用显影液AZ400K与去离子水以1:3的配比混合溶液作为显影液，显影3分钟，120℃坚膜30分钟；
第三步，在第一保护层2上贴上一层聚酰亚胺(PI胶带)作为第二保护层3，聚酰亚胺的大小与第一硅片1的大小相同；
第四步，按体积比4:1的配比配制浓硫酸和过氧化氢的混合溶液，将准备好的第一硅片1放入配制好的溶液中，放在恒温热板上加热至110℃，恒温保持30分钟；使用特氟龙镊子将硅片取出，放入装有去离子水的容器中反复清洗10分钟；
第五步，按1:1:2的配比配制氢氧化铵、过氧化氢和去离子水的RCA1混合溶液，将第四步已经清洗过的第一硅片1放入RCA1混合溶液中，用恒温热板加热至85℃，恒温保持15分钟；使用特氟龙镊子将第一硅片1取出，放入装有去离子水的容器中反复清洗10分钟，取出用氮气吹干；
第六步，氧等离子体表面活化：将表面清洗好的第一硅片1放入氧等离子体清洗机中做表面活化处理，活化面为第一硅片1无压电结构面；
第七步，湿法活化处理：按5:2:4的配比配制氢氧化铵、过氧化氢和去离子水的混合溶液作为化学活化试剂，将经过氧等离子体处理的第一硅片1放入化学活化试剂中，热板加热至80℃煮沸，15分钟后用特氟龙镊子取出放入去离子水中冲洗；
第八步，将另一块不带压电材料且经过MEMS工艺处理后具有体硅结构的第二硅片6经过第四步至第七步同样方法清洗；
第九步：将第一硅片1与第二硅片6放入去离子水中，两个经过清洗和表面处理的硅片在表面形成了硅烷醇键(Si-OH)且使表面形成亲水性，将待键合的两个表面贴紧，取出后放入具有与硅片相同大小的模具中进行对准后形成具有压电材料的MEMS结构；在已经贴紧对准后的硅片上下表面放滤纸，使用圆柱棍模具，按压表面，以使第一硅片1与第二硅片6之间的水分均匀的分散开，同时滤纸吸收完第一硅片1与第二硅片6上下表面的水分；
第十步，将对准贴紧好的压电MEMS结构放在两块表面平坦的玻璃板7之间，施加力，保持15小时；两块硅片之间的硅烷醇基通过分子聚合形成Si-O-Si键，两块硅片通过Si-O-Si键实现预键合；
第十一步，将预键合好的压电MEMS结构放入马弗炉中150℃退火10小时，以增强Si-O-Si的分子键能以进一步加强键合强度；
第十二步，去除表面的光刻胶和聚酰亚胺胶带。
所述的第一步中第一保护层2使用的光刻胶是正性光刻胶或者易去除的光敏聚合物。
所述的第一步中第一保护层2使用的光刻胶厚度为4um～20um。
所述的第二步中显影液是浓度为5‰的NaOH溶液。
所述的第一步中压电材料是任何具有正压电效应和负压电效应的材料。
所述的第八步中MEMS工艺包含接触式曝光光刻、显影、ICP干法刻蚀和硅基湿法腐蚀。
所述的第九步中使用滤纸吸收硅片表面水分能够更换为使用硅片清洗机甩干。
本发明通过亲水性硅硅低温直接键合方法实现硅基压电MEMS结构与硅基基底的低温、气密性的高质量有效键合，并且通过压电材料的保护方法避免键合过程中化学清洗处理对任意压电材料的损伤，可实现包含压电材料的硅基压电MEMS结构与硅基基底的高可靠性键合。
附图说明
图1为本发明硅片1的示意图。
图2为本发明在硅片1上制作第一保护层2的俯视图。
图3为本发明图形化的第一保护层2的示意图。
图4为本发明在第一保护层2上制作第二保护层3的示意图。
图5为本发明第二保护层3的俯视图。
图6为本发明预键合过程施压示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种压电MEMS结构亲水性硅硅直接键合工艺，包括以下步骤：
第一步，在带有压电结构图案区的第一硅片1上旋涂光刻胶作为压电材料的第一保护层2，第一保护层2的光刻胶厚度为4um～20um，其处理方法为：在带有压电材料4的第一硅片1周围贴上一层胶带5，使用匀胶机旋涂一层8微米厚度的光刻胶，95℃前烘10分钟使光刻胶的溶剂挥发并且粘附在第一硅片1上，如图1、图2所示；
第二步，将第一硅片1上周围的胶带5去除，使用一块掩膜版进行光刻，将掩膜版图案转移到第一保护层2上；掩膜版上的图案与压电材料4图案一致，掩膜版上有图案的区域为透光，其他区域为不透光；使用光刻机正面对准，曝光30s，使用显影液AZ400K与去离子水以1:3的配比混合溶液作为显影液，显影3分钟，120℃坚膜30分钟，所得图案如图3所示；
第三步，在第一保护层2上贴上一层聚酰亚胺(PI胶带)作为第二保护层3，聚酰亚胺的大小与第一硅片1的大小相同，如图4、图5所示；
第四步，按体积比4:1的配比配制浓硫酸和过氧化氢的混合溶液，注意在配制过程是放热过程，应当将过氧化氢溶液缓慢倒入浓硫酸溶液中，用玻璃棒缓慢搅拌放热；将准备好的第一硅片1放入配制好的溶液中，放在恒温热板上加热至110℃，恒温保持30分钟；使用特氟龙镊子将硅片取出，放入装有去离子水的容器中反复清洗10分钟；
第五步，按1:1:2的配比配制氢氧化铵、过氧化氢和去离子水的RCA1混合溶液，将第四步已经清洗过的第一硅片1放入RCA1混合溶液中，用恒温热板加热至85℃，恒温保持15分钟；使用特氟龙镊子将第一硅片1取出，放入装有去离子水的容器中反复清洗10分钟，取出用氮气吹干；
第六步，氧等离子体表面活化：将表面清洗好的第一硅片1放入氧等离子体清洗机中做表面活化处理，活化面为第一硅片1无压电结构面；
第七步，湿法活化处理：按5:2:4的配比配制氢氧化铵、过氧化氢和去离子水的混合溶液作为化学活化试剂，将经过氧等离子体处理的第一硅片1放入化学活化试剂中，热板加热至80℃煮沸，15分钟后用特氟龙镊子取出放入去离子水中冲洗；
第八步，将另一块不带压电材料且经过MEMS工艺处理后具有体硅结构的第二硅片6经过第四步至第七步同样方法清洗；
第九步：将第一硅片1与第二硅片6放入去离子水中，两个经过清洗和表面处理的硅片在表面形成了大量硅烷醇键(Si-OH)且使表面形成亲水性，将待键合的两个表面贴紧，取出后放入具有与硅片相同大小的模具中进行对准后形成具有压电材料的MEMS结构；在已经贴紧对准后的硅片上下表面放滤纸，使用圆柱棍模具，以适当的力按压表面，以使第一硅片1与第二硅片6之间的水分均匀的分散开，同时滤纸吸收完第一硅片1与第二硅片6上下表面的水分；
第十步，将对准贴紧好的压电MEMS结构放在两块表面平坦无颗粒的玻璃板7之间，施加约1500N的力，保持15小时；两块硅片之间的硅烷醇基通过分子聚合形成Si-O-Si键，两块硅片通过Si-O-Si键实现预键合，如图6所示；
第十一步，将预键合好的压电MEMS结构放入马弗炉中150℃退火10小时，以增强Si-O-Si的分子键能以进一步加强键合强度；
第十二步，撕除已经键合好的压电MEMS结构器件表面的聚酰亚胺胶带，再分别放入丙酮和无水乙醇中浸泡10分钟取出表面的光刻胶，为保证光刻胶去除干净可将该压电MEMS结构器件放入氧等离子体干法去胶机中去除肉眼不可见的光刻胶。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (7)

1.一种压电MEMS结构亲水性硅硅直接键合工艺，其特征在于，包括如下步骤：
第一步，在带有压电结构图案区的第一硅片(1)上旋涂光刻胶作为压电材料的第一保护层(2)，其处理方法为：在带有压电材料(4)的第一硅片(1)周围贴上一层胶带(5)，使用匀胶机旋涂一层(8)微米厚度的光刻胶，95℃前烘10分钟使光刻胶的溶剂挥发并且粘附在第一硅片(1)上；
第二步，将第一硅片(1)上周围的胶带(5)去除，使用一块掩膜版进行光刻，将掩膜版图案转移到第一保护层(2)上；掩膜版上的图案与压电材料(4)图案一致，掩膜版上有图案的区域为透光，其他区域为不透光；使用光刻机正面对准，曝光30s，使用显影液AZ400K与去离子水以1:3的配比混合溶液作为显影液，显影3分钟，120℃坚膜30分钟；
第三步，在第一保护层(2)上贴上一层聚酰亚胺(PI胶带)作为第二保护层(3)，聚酰亚胺的大小与第一硅片(1)的大小相同；
第四步，按体积比4:1的配比配制浓硫酸和过氧化氢的混合溶液，将准备好的第一硅片(1)放入配制好的溶液中，放在恒温热板上加热至110℃，恒温保持30分钟；使用特氟龙镊子将第一硅片(1)取出，放入装有去离子水的容器中反复清洗10分钟；
第五步，按1:1:2的配比配制氢氧化铵、过氧化氢和去离子水的RCA1混合溶液，将第四步已经清洗过的第一硅片(1)放入RCA1混合溶液中，用恒温热板加热至85℃，恒温保持15分钟；使用特氟龙镊子将第一硅片(1)取出，放入装有去离子水的容器中反复清洗10分钟，取出用氮气吹干；
第六步，氧等离子体表面活化：将表面清洗好的第一硅片1放入氧等离子体清洗机中做表面活化处理，活化面为第一硅片1无压电结构面；
第七步，湿法活化处理：按5:2:4的配比配制氢氧化铵、过氧化氢和去离子水的混合溶液作为化学活化试剂，将经过氧等离子体处理的第一硅片(1)放入化学活化试剂中，热板加热至80℃煮沸，15分钟后用特氟龙镊子取出放入去离子水中冲洗；
第八步，将另一块不带压电材料且经过MEMS工艺处理后具有体硅结构的第二硅片(6)经过第四步至第七步同样方法清洗；
第九步：将第一硅片(1)与第二硅片(6)放入去离子水中，两个经过清洗和表面处理的硅片在表面形成了硅烷醇键(Si-OH)且使表面形成亲水性，将待键合的两个表面贴紧，取出后放入具有与硅片相同大小的模具中进行对准后形成具有压电材料的MEMS结构；在已经贴紧对准后的硅片上下表面放滤纸，使用圆柱棍模具，按压表面，以使第一硅片(1)与第二硅片(6)之间的水分均匀的分散开，同时滤纸吸收完第一硅片(1)与第二硅片(6)上下表面的水分；
第十步，将对准贴紧好的压电MEMS结构放在两块表面平坦的玻璃板(6)之间，施加力，保持15小时；两块硅片之间的硅烷醇基通过分子聚合形成Si-O-Si键，两块硅片通过Si-O-Si键实现预键合；
第十一步，将预键合好的压电MEMS结构放入马弗炉中150℃退火10小时，以增强Si-O-Si的分子键能以进一步加强键合强度；
第十二步，去除表面的光刻胶和聚酰亚胺胶带。
2.根据权利要求1所述的一种压电MEMS结构亲水性硅硅直接键合工艺，其特征在于：所述的第一步中第一保护层(2)使用的光刻胶是正性光刻胶或者易去除的光敏聚合物。
3.根据权利要求1所述的一种压电MEMS结构亲水性硅硅直接键合工艺，其特征在于：所述的第一步中第一保护层(2)使用的光刻胶厚度为4um～20um。
4.根据权利要求1所述的一种压电MEMS结构亲水性硅硅直接键合工艺，其特征在于：所述的第二步中显影液是浓度为5‰的NaOH溶液。
5.根据权利要求1所述的一种压电MEMS结构亲水性硅硅直接键合工艺，其特征在于：所述的第一步中压电材料是任何具有正压电效应和负压电效应的材料。
6.根据权利要求1所述的一种压电MEMS结构亲水性硅硅直接键合工艺，其特征在于：所述的第八步中MEMS工艺包含接触式曝光光刻、显影、ICP干法刻蚀和硅基湿法腐蚀。
7.根据权利要求1所述的一种压电MEMS结构亲水性硅硅直接键合工艺，其特征在于：所述的第九步中使用滤纸吸收硅片表面水分能够更换为使用硅片清洗机甩干。
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