CN1230376C - 膜片的制造 - Google Patents
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Abstract
一种在圆片中蚀刻出空腔之后，利用精密磨削技术制造膜片的方法。公开了一种基于多孔硅牺牲层的使用，防止膜片变形的技术。
Description
技术领域
本发明涉及精密加工的硅膜片，更具体地说，涉及制造这种膜片的方法。
背景技术
许多微型机械器件的工作原理采用使用柔性膜片作为挠性部件，通常用作无源换能元件。含有柔性膜片的各种器件包括精密加工的压力传感器，麦克风及各种微型流体器件，例如微型泵及喷墨印刷头。
制造过程中膜片的几何公差，以及膜片与器件其它部分的热相容性对整体器件性能具有很大的影响，尤其是在诸如低压传感或者精确的皮升容量液体处理之类的应用中更是如此。
由于精密加工时代的开始，已在膜片的材料和几何形状控制方面，采用了不同的解决方案。压力传感器从其早期阶段就采用薄的硅膜片作为传感元件。简单地通过对暴露的硅区域进行各向异性蚀刻，同时借助计时蚀刻，或者借助诸如重硼掺杂或反向p-n结点形成之类的蚀刻终止(etch-stop)技术，控制膜片的厚度，形成膜片。
喷墨印刷头和微型泵中的挠性元件通过由不锈钢，玻璃或硅制成。
在E.Stemme和S.Larsson的“The piezoelectric capillaryinjector-A new hydrodynamic method for dot pattern generation”，IEEE Transactions on Electron Devices，Vol.ED-20，No.1，1973年1月，第14-19页中展示了不锈钢膜片的一个例子。
在K.Petersen的“Fabrication of an integrated planar siliconink-jet structure”，IEEE Transactions on Electron Devices，Vol.ED-26，No.12，1979年12月，以及A.Olsson，P.Enoksson，G.Stemme和E.Stemme的“Micromachined flat-walled valveless diffuserpumps”，Journal of Microelectromechanical Systems，Vol.6，No.2，1997年6月中展示了玻璃膜片的例子。
在T.Laurell，L.Wallman和J.Nilsson的“Design anddevelopment of a silicon microfabricated flow-through dispenser foron-line picolitre sample handling”，Journal of Micromechanics andMicroengineering 9(1999)，第369-376页，和C.Meinhart与H.Zhang的“The flow structure inside a microfabricated inkjet printhead”，Journal of Microelectromechanical Systems，Vol.9，No.1，2000年3月，第67-75页中给出了硅膜片的例子。
膜片材料的选择取决于整体制造工艺的相容性，就基于批量生产的标准显微机械加工技术来说，两种主要材料是玻璃和硅。使用玻璃的缺陷首先在于玻璃的精密机械加工很困难，其次在于玻璃与硅的热不相容性。就硅来说，不存在这些缺陷。
在大多数情况下，通过利用伴随蚀刻终止技术的硅蚀刻，形成硅膜片。US4872945描述了制造这种硅膜片的一种方法，在蚀刻硅圆片的另一面，以便控制硅圆片的厚度之前，有选择地在硅圆片的一面上蚀刻出一个空腔。
US5915168描述了制造空桥(air bridge)结构的覆盖物的方法。但是，这种结构的形成方式不灵活。
使用蚀刻减小硅圆片厚度的一个显著缺陷是所花的时间较长。举例来说，在标准情况下，借助使用氢氧化钾(KOH)水溶液的各向异性蚀刻除去200微米的硅，需要3-4小时。此外，该工艺依赖于诸如温度之类的条件。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种制造位于空腔上的膜片的方法，该方法包括通过磨削减小第一圆片的厚度，形成膜片，同时利用先前由牺牲材料形成的牺牲区域支承所述膜片，并除去所述牺牲材料，从而在膜片下提供一个空腔。
磨削的优点在于其纯机械特性及时间效率。利用硅磨削除去200微米的硅一般需要5分钟，并且和温度无关，从而能够以这种方式高精度快速制造柔性硅膜片。
通过磨削圆片一个表面，减小圆片的厚度，并在相反表面上形成空腔，可在该空腔上方制造膜片。
另一方面，可在另一个圆片中形成空腔，并在磨削一圆片之前，把所述另一个圆片键合到所述一圆片上。
可在减小圆片厚度之前或之后，形成空腔。
可以包括蚀刻在内的各种方式形成空腔。
在磨削过程中，可支承膜片，以便防止膜片的变形。通常，该支承由在磨削后被除去的牺牲层提供。
在优选实施例中，初生空腔可用作牺牲层。就硅圆片来说，这可通过形成牺牲层的多孔硅来实现。
使用的圆片可以只支承一个膜片。但是，出于经济的原因，最好是在同一圆片上制造多个膜片。
通过根据本发明的第一方面，制造位于空腔上方的膜片，并在该膜片上键合具有与该空腔连通的喷嘴的第二圆片，可制造按需滴(drop-on-demand)分配器。可在这两个圆片上制造多个这种器件。
可在键合步骤之前减小厚度。但是，为了提高处理的简易性，通常在厚度减小步骤之前，进行键合步骤。
圆片可由包括玻璃在内的各种材料制成，不过，在优选实施例中，圆片由诸如硅之类的半导体制成。
根据应用，可在膜片上形成各种传感器或致动器结构。这些包括(但不局限于)气动，热，静电，压敏及压电器件。就压电器件来说，可键合到膜片上。但是，最好把顶部电极，底部电极和压电元件丝网印刷到膜片上。最好在除去牺牲层之前，进行该丝网印刷工艺。
附图说明
下面将参考附图，说明本发明的例子，其中：
图1是用于精确磨削硅圆片的设备的示意图；
图2a-2j表示了制造全硅按需滴分配器所涉及的工艺步骤；
图3是表示膜片挠曲机理的示意横截图；
图4a，4b表示了生产多孔硅的过程，以及含有在硅圆片中形成的多孔硅的空腔的示意图；
图5表示了在没有支承物的情况下形成的膜片的剖面图；
图6表示了在存在多孔硅支承物的情况下，形成的膜片的剖面图；
图7表示了含有压电传感器的按需滴分配器；
图8a-8c表示了利用两个圆片制造的位于空腔上方的膜片；
图9a-9c表示了位于空腔上方的膜片，这里在磨削过程中，该空腔由多孔硅支承；
图10表示了具有多个相同膜片的圆片。
具体实施方式
图1表示了固定在圆片夹持器2上的硅圆片1。砂轮3和硅圆片1高速旋转。在旋转过程中，使砂轮3保持与硅圆片1直接接触，并在硅圆片1上施加一定的压力。从而借助砂轮3的金刚石齿牙4稳定地磨蚀硅圆片1。从硅圆片1除去的材料数量由测厚规5控制。
该工艺是纯机械的，和诸如温度或圆片掺杂浓度无关。硅圆片1的精确磨光分成两个阶段：粗磨和精磨。
在粗磨阶段中，从硅圆片1上除去硅的速率约为250微米/分钟，圆片厚度公差为25微米。在精磨阶段中，从硅圆片1上除去硅的速率约为20微米/分钟，圆片厚度公差为0.5微米。
图2a-2j中表示了通常用于制造按需滴分配器的工艺步骤。如图2a和2b中所示，从在两个硅圆片20a和20b的正面和背面上沉积厚度1000埃的氮化硅层21a-21d开始该工艺过程。通常，硅圆片20a和20b可以是具有n型掺杂或p型掺杂，直径10厘米，初始厚度为525±25微米的硅圆片。随后，在硅圆片20a上的氮化硅层21a上刻出直径一般为6毫米的圆形图案，并利用等离子体蚀刻，蚀刻硅圆片20a上的氮化硅层，从而形成如图2c中所示的蚀刻掩模22。在硅圆片20b上的氮化硅层21c上刻出方孔，并且类似地利用等离子体蚀刻工艺蚀刻氮化硅层21c，从而形成如图2d中所示的蚀刻掩模23。下一步骤由形成如图2e中所示空腔24的硅圆片20a各向异性蚀刻，以及形成如图2f中所示圆片通孔25的硅圆片20b各向异性蚀刻组成。空腔的深度一般为25-75微米。随后如图2g和2h中所示，从硅圆片20a和20b上剥去氮化硅层21a-21d。随后利用硅直接键合工艺(silicon directbonding process)，如图2i中所示，键合硅圆片20a和20b，使硅圆片20b中的圆片通孔25位于硅圆片20a中的空腔24的中心。图2j中所示的该工艺的下一步骤，也是最后步骤是精确磨光硅圆片20a，以便控制膜片26的厚度。
在厚膜片(厚度＞150微米)和/或深腔的情况下，由于在磨光之后，圆片厚度仍足以提供机械强度和稳定性，因此可以使用单个圆片。从而可以按照图2a，2c，2e，2g，2i中所示的硅圆片20a的程序，而不用在磨光之前，键合硅圆片20a和硅圆片20b。以这种方式制造出已厚度150微米的膜片。但是，对于厚度小于100微米的薄膜片，尤其是当和浅的空腔相结合时，使用单个基体会导致圆片很脆。这样，在磨光之前，最好键合硅圆片20a和硅圆片20b。以这种方式获得了厚度小于100微米的膜片。
由于因磨削齿牙施加的压力引起的膜片挠曲，因此在磨光过程中，会由于膜片区域中硅材料的不均匀除去，发生一定程度的膜片挠曲。图3中对此进行了说明，图3表示了具有膜片51的硅圆片50。砂轮52施加的压力导致膜片弯曲，从而在膜片51的直径方向上，从硅圆片50上除去的硅的数量不是固定的。
由于朝着膜片的中心，其挠性逐渐增大，并且由于在磨光过程中，在其下面缺少支承物，因此膜片将挠曲，最大挠曲位于其中心，最小挠曲在其边缘附近(参见图3)。这又会导致从膜片上不均匀地除去硅材料(在边缘附近，除去的硅材料较多，在中心附近，除去的硅材料较少)，从而将引起膜片顶部区域和底部区域之间的差异，导致膜片弯曲。
防止膜片弯曲的最简单方法是在蚀刻空腔和形成膜片之前，磨削圆片。但是，这种解决方案只适应于对于要处理的单个圆片来说，整个空腔和膜片厚度足够大的情况。
在膜片较薄，和/或在磨削之前，必须键合硅圆片(参见图2i，2i)的情况下，必须为膜片提供易于除去的支承。
提供这种支承的一种适当技术涉及在磨削之前，在空腔中形成多孔硅。
利用多孔硅作为支承物的一个例证制备方法包括下述步骤：
1.对两批硅圆片进行干式氧化，产生厚度约为60-150埃的氧化层。
2.在这两批硅圆片上沉积厚度约为3000-4000埃的氮化硅。
3.按照和图2c中所示的硅圆片20a相同的方式，构制第一批硅圆片正面上的氮化硅图形，以便形成空腔窗口。利用等离子体蚀刻，除去第一批硅圆片背面上的氮化硅和干燥氧化物。
4.在第一批圆片的正面上暴露出的硅窗口中，形成多孔硅。
5.随后通常利用正磷酸，除去第一批圆片正面上的氮化硅层。
6.按照图2b，2d，2f，2h中所示的关于硅圆片20b的方式，处理第二批圆片。当氮化硅被除去时，留下了底层的氧化物。
7.随后利用对准硅直接键合工艺(aligned silicon direct bondingprocess)。
8.随后利用精确磨削工艺，在多孔硅区域上方形成硅膜片。
9.随后借助化学蚀刻，除去多孔硅。
图4a中表示了步骤4中使用的多孔硅形成工艺。夹具70含有酸混合物，通常为比率为1∶1∶2的氢氟酸，乙醇和水。把硅圆片71和电极72a及72b一起悬浮在该溶液中，使电流在它们之间流动。施加的电流密度为4-9毫安/平方厘米。利用钨丝卤素灯从背面照射硅圆片71。
图4b中表示了具有氧化物76和氮化硅层75的硅圆片74的放大视图。多孔硅77形成于空腔78中。以这种方式可形成各种深度的多孔硅，多孔硅厚度取决于电流密度和处理持续时间。
在形成多孔硅之后，并且在键合之前，通过把一部分硅圆片浸入氢氧化钾水溶液(40％wt)中片刻，可从一些空腔中除去多孔硅。这便于在下一步骤中评估同一圆片内，多孔硅对膜片弯曲幅度的效果。
图9a表示了具有含有多孔硅131的空腔的圆片130。磨削圆片130，以便形成如图9b中所示的膜片132。在磨削过程中，多孔硅131支承膜片132。随后除去多孔硅131，留下如图9c中所示的位于膜片132下面的空腔133。
在磨削之后，并且在除去多孔硅之前，利用来自于TencorInstruments的Alpha Step 200测量设备，勘测膜片的弯曲。发现在磨削过程中，多孔硅的存在极大地抑制了膜片变形。图5和6表示了厚度50微米的两个膜片的挠曲剖面。图5中所示的剖面是在没有支承的情况下形成的膜片的挠曲剖面，而图6表示了在存在多孔硅支承物的情况下，形成的膜片的挠曲剖面。
从这些剖面可清楚地看出，提供呈多孔硅形式的膜片支承物降低了变形量。
此外，可看出在存在位于其下的多孔硅的情况下形成的膜片的剖面在形状上几乎是平直的，不同于在没有位于其下的多孔硅的情况下形成的膜片，该膜片具有弯曲的剖面。
如图6中所示，在存在位于其下的多孔硅的情况下形成的膜片的某些剖面表现出位于剖面100中心的小尖101。
膜片中心小尖101的存在可用下述事实解释，即，在空腔底部的中心，存在蚀刻穿过底部圆片的开孔。在磨削过程中，对于位于该开孔上方的膜片区域来说，不存在任何支承物。从而在磨削过程中，位于该开孔上方的膜片区的弯曲程度将大于膜片其它部分的弯曲程度，最终导致在该区域中形成较高的磨削后变形。这可由在蚀刻穿孔位于主空腔范围之外的样品中，在剖面中没有观察到尖顶的事实得到证实。
多少产生一点变形的事实起因于在多孔硅表面和另一键合圆片的表面之间存在缝隙，所述缝隙由具有多孔硅的圆片上的氧化物薄层和/或磨削前/磨削中，发生的对多孔硅的可能损伤引起。在不存在氧化物层的情况下，膜片的挠曲很小，或者实际上被消除了。
可利用附着于膜片26上的压电式传感器，启动按照图2a-2i中所示的工艺步骤制造的按需滴分配器。
图7中表示了具有位于膜片112上的压电式传感器111的按需滴分配器。在膜片112的上面，丝网印刷底部电极114。随后利用压电粘胶，把压电式传感器111丝网印刷到底部电极114上。底部电极占用的面积大于压电式传感器111占用的面积，以便于电连接。最后，把顶部电极115丝网印刷到压电式传感器111上。
通过在从空腔113中除去多孔硅116之间，进行丝网印刷过程，以便在丝网印刷过程中，为空腔提供支承物。
也可在蚀刻空腔之前，进行丝网印刷过程。
这种技术的优点在于不必在每个膜片上粘贴单个压电圆盘，从而可提供更稳定的附着，从而损坏较少，并且器件可重复性较高。此外，和把单个压电圆盘粘贴到膜片上相比，该技术更适于批量生产。
通过利用如图8a-8c中所示的两个圆片，能够在空腔上方加工膜片。在图8a中，存在圆片120和具有蚀刻通孔126的圆片121。如图8b中所示，这两个圆片被键合在一起，形成键合的圆片对122。随后，磨削该圆片对，形成如图8c中所示的位于空腔125上方的膜片124。
出于经济的原因，通常在单个圆片上制造多个相同的膜片。图10表示了具有14个膜片141的圆片140。可按照这里描述的任意一种方法制造膜片141。
Claims (10)
1.一种制造位于空腔上的膜片的方法，该方法包括通过磨削减小第一圆片的厚度，形成膜片，同时利用先前由牺牲材料形成的牺牲区域支承所述膜片，并除去所述牺牲材料，从而在膜片下提供一个空腔，
其中第一圆片包含硅，牺牲材料包含多孔硅。
2.按照权利要求1所述的方法，其中通过磨削第一圆片的一个表面，减小该第一圆片的厚度，并在第一圆片的相反表面上形成空腔。
3.按照权利要求1所述的方法，其中由在磨削第一圆片之前键合到所述第一圆片上的第二圆片进一步支承第一圆片。
4.按照权利要求1所述的方法，其中通过蚀刻形成所述空腔。
5.按照权利要求1所述的方法，其中还包括在第一圆片上制造多个相同的膜片。
6.一种制造按需滴分配器的方法，该方法以如下步骤制造位于空腔上的膜片：通过在第一圆片上形成牺牲材料的区域，磨削减小第一圆片的厚度，形成膜片，同时利用由所述牺牲区域支承所述膜片，并除去所述牺牲材料，从而在膜片下提供一个空腔；并在该膜片上键合具有与该空腔连通的喷嘴的第二圆片。
7.按照权利要求6所述的方法，其中还包括在厚度减小步骤之前，进行键合步骤。
8.按照权利要求6所述的方法，其中第一圆片由硅制成，牺牲材料包括多孔硅。
9.按照权利要求6所述的方法，其中还包括把顶部电极、底部电极和压电元件丝网印刷到膜片上。
10.按照权利要求9所述的方法，其中还包括在除去牺牲材料之前，丝网印刷顶部电极、底部电极和压电元件。
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