CN1313813C - 微结构键合工艺检测方法及检测结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种微结构键合工艺结果的检测方法及用于该方法的检测结构。先设计包含微结构的硅结构版图；采用键合工艺方法制备微结构，硅结构和硅衬底或玻璃衬底通过键合面连接，硅结构至少有一端与键合面保有距离，并记录键合面积；用探针在没有键合的一端侧面推动硅结构，使之绕键合面发生形变直至单晶硅结构从键合面处断裂，并记录探针推点和键合面的距离和形变直至断裂过程的参数；根据所记录的上述数据，实现键合强度的检测。将复杂的MEMS器件检测技术，用简单的方法完成，解决了目前MEMS技术中微结构键合强度检测的难题，能满足多种MEMS器件加工时键合强度检测的需求。可应用于MEMS加工工艺技术领域。
Description
所属技术领域：
本发明涉及一种微电子机械系统(MEMS)加工工艺技术领域，尤其涉及一种微结构键合工艺结果的检测方法，以及用于该方法的检测结构。
背景技术：
MEMS作为起源于上世纪90年代的跨学科和先进制造技术对改善人们的生活质量、提高人们的生活水平以及增强国力起到了重要的作用。由于强烈的多学科交叉特征，MEMS的研究方式和加工技术就与生俱来的带有多样性。在众多的加工技术中，硅工艺正在逐渐成为MEMS工艺的主流，键合作为硅工艺中的一项关键技术，近年来被越来越多的采用。
“体硅MEMS器件集成化方法”(CN1431699)公开了一种体硅MEMS器件集成化方法其MEMS器件结构工艺部分在PYREX7740玻璃上采用键合工艺制造MEMS结构。
“面向多用户的键合-深刻蚀释放微电子机械加工方法”(CN1431142)也公开了一种先进的对准静电键合和高深宽比硅刻蚀技术。
但在MEMS器件的微结构中，键合区域的面积较传统的基片键合小的多；因此如何获得微结构键合强度的工艺参数就成为MEMS器件结构和工艺集成设计的一个难题。
将小片的键合样品粘在两块刚性较大的平版之间，再对平版施加拉力的传统检测方法已无法准确反应微结构键合的强度。其原因在于：1、上述方法使用的键合样品不能太小，否则无法操作；2、采用这种方法无法反应出由于微结构边长与面积比的变化和小尺寸效应对键合强度的影响。
如何获得真实的微结构键合强度已成为一个MEMS工艺技术中的一个难题。
发明内容：
本发明目的在于提供一种简单的微结构键合工艺的检测方法，并能反映小尺寸效应和微结构边长与面积比的变化对键合强度的影响。
本发明的另一目的在于提供一种用于上述方法的微结构键合工艺检测结构。
本发明的微结构键合工艺检测方法，其步骤包括：
1、设计包含微结构的硅结构版图；
2、采用键合工艺方法制备微结构，硅结构和硅衬底或玻璃衬底通过键合面连接，硅结构至少有一端与键合面保有距离，并记录键合面积；
3、用探针在没有键合的一端侧面推动硅结构，使之绕键合面发生形变直至单晶硅结构从键合面处断裂，并记录探针推点和键合面的距离，和形变直至断裂过程的参数；
4、根据所记录的上述数据，实现键合强度的检测。
上述硅结构为矩形单晶硅梁。
上述键合工艺方法为加中间层直接键合，静电键合，或热键合，或共熔键合方法。
在进行键合面间的键合对准前，对硅结构片的键合面进行清洗。
本发明的微结构键合工艺检测结构，包括硅结构和硅衬底或玻璃衬底，所述衬底硅结构上具备微结构，硅结构和硅衬底或玻璃衬底通过键合面连接，硅结构至少有一端与键合面保有距离。
所述硅结构为矩形单晶硅梁。
所述矩形单晶硅梁的一端侧面设探针定位槽，以使探针在推动矩形单晶硅梁的时候，推点能够定位。
本发明在键合之前同时设计了与键合面相配合的检测结构，通过对微结构的键合面施加定量或半定量的剪切力来折算出微结构的键合强度。采用这种微结构键合强度检测的方法，使用简单的检测手段就可以给出微结构定量的检测结果。
本发明是在总结了大量体硅MEMS器件检测技术的基础上创造出来的，具有工艺简单、检测方便并适用于多种MEMS器件的加工和检测，可以实现在现有的工艺平台内，对提高MEMS器件加工成品率有很大帮助，并可用以指导MEMS器件的设计。这项发明将复杂的MEMS器件检测技术，用比较简单的方法完成，解决了目前MEMS技术发展中MEMS结构中，微结构键合强度检测的难题，而且还充分利用了目前的加工技术。由于这项技术能够满足多种MEMS器件加工时键合强度检测的需求，因此也可以说是一种MEMS标准检测方法和结构。
本项发明的积极意义还在于降低MEMS器件设计门槛，可以让更多的人更专业的进入MEMS领域，利用这种简单实用的标准检测方案来检测各种功能的MEMS器件，将给MEMS技术的发展带来革命性的变化和发展。
附图说明：
图1-7为键合-深刻蚀释放MEMS工艺流程图
图1：热氧化300nm、第一面光刻
1--双面抛光硅片；3-光刻胶；
图2：BHF蚀SiO2、去胶、KOH腐蚀浅台阶
2-氧化硅；
图3：光刻、BHF腐蚀玻璃120纳米、溅射金属Ti/Pt/Au 160纳米
4--PYREX7740玻璃
图5：硅/玻璃键合对准、硅/玻璃静电键合
5--Ti/Pt/Au金属
图6：KOH腐蚀减薄硅片
6-释放检测结构前的PYREX7740玻璃
图7：双面光刻、高深宽比硅刻蚀(结构释放)
7-释放后在PYREX7740玻璃上的检测结构
图8：键合强度检测结构示意图(键合面内没有金属连线)
8-硅-玻璃键合锚点；9-硅结构10-探针定位槽
图9：键合强度检测结构示意图(键合面内压有金属连线)
11-金属连线
图10：键合强度检测示意图(俯视图)
12--PYREX7740玻璃
图11：键合强度检测示意图(侧视图)
具体实施方式：
本发明主要适用于各种采用键合工艺的微结构的键合强度检测(例如：以硅-玻璃键合、硅ICP深刻蚀)制作的MEMS微结构，另外本发明还可用于其它形式键合(如硅熔融键合直接、黏合剂粘结键合等)的微结构键合强度的检测。
本实施例以硅-玻璃键合，硅ICP深刻蚀的工艺具体说明，但不限制本发明在其他键合方法上的应用，具体的工艺流程见附图1-7及其说明。
硅-玻璃键合部分：
为了使键合强度更大，在进行所述键合面间的键合对准前，采用对硅结构片的键合面进行必要的清洗。尤其对放置时间过长的硅结构片，须经过如下严格的工艺清洗：
1.在NH4OH∶H2O＝1∶8～12的溶液中漂洗20～40分钟后，用去离子水冲洗；
2.在0.05～0.07M H2SO4溶液中浸泡10～30分钟后，用去离子水冲洗；
3.在转速为1500～2500转/分甩干机上甩3～5分钟。
本实施例键合的工艺参数为：
本底真空：低于0.3Pa；键合温度：365～480℃；键合时间：10～50分钟；
氮气工作压力：105Pa；键合施加压力：2×105Pa.
微结构本身由高度：60□m至80□m，宽度：200□m至800□m长度：200□m至1500□m的矩形单晶硅梁和PYREX7740玻璃或硅衬底两部分构成，在单晶硅结构和PYREX7740玻璃或硅衬底之间通过键合进行连接，在检测时通过使用探针拨动单端键合的单晶硅梁(从没有键合的一端侧面推动)，并使之发生一定的形变直至单晶硅结构从键合面断裂，从而达到检测不同键合面积的MEMS微结构键合强度，(检测键合面积从6□m×6□m至200□m×200□m不等)。图8所示为键合键合面内没有任何金属时的键合强度检测结构，图9所示为键合键合面内有金属连线时的键合强度检测结构，图10所示为键合强度检测结构示意图(俯视图)，图11所示为键合强度检测结构示意图(侧视图)。
硅-玻璃键合的键合面积大小范围和检测悬梁的长度范围：
硅-玻璃纯键合时(键合面内没有金属)：
| 键合面积(长×宽)(um2) | 单端固支梁(长×宽×厚)(um) | 单端固支梁1(um) |
| 1.6×6， 36 | 300×26×80 | 247 |
| 2.8×8， 64 | 300×28×80 | 246 |
| 3.9×9， 81 | 300×29×80 | 246 |
| 4.13×13， 169 | 300×33×80 | 243 |
| 5.17×17， 289 | 300×37×80 | 241 |
| 6.20×20， 400 | 300×40×80 | 240 |
| 7.25×25， 625 | 300×45×80 | 238 |
| 8.30×30， 900 | 300×50×80 | 240 |
| 9.40×40， 1600 | 500×100×80 | 565 |
| 10.50×50， 2500 | 500×150×80 | 607 |
| 11.60×60， 3600 | 500×200×80 | 596 |
| 12.70×70， 4900 | 500×250×80 | 605 |
| 13.80×80， 6400 | 500×250×80 | 614 |
| 14.90×90， 8100 | 500×300×80 | 1456 |
| 15.100×100， 10000 | 500×400×80 | 1423 |
| 16.110×110， 12100 | 500×400×80 | 1444 |
| 17.120×120， 14400 | 500×400×80 | 1449 |
硅-玻璃键合面压有金属时(键合面内压有金属连线)：
| 键合面积(长×宽，um2) | 压入anchor下金属电极有效面积(长×宽，um2) | 金属电极个数和间距及位置(um) |
| 1.90×90，8100 | 20×20×2400×2 | 2，20两根电极在同侧 |
| 2.90×90，8100 | 20×20×2400×2 | 两根电极相对 |
| 3.100×100，10000 | 20×20×3400×3 | 3，10三根电极在同侧 |
| 4.100×100，10000 | 20×20×3400×3 | 三根电极相对 |
| 5.110×110，12100 | 30×20×3600×3 | 3，10三根电极在同侧 |
| 6.110×110，12100 | 30×20×3400×3 | 三根电极相对 |
| 7.120×120，14400 | 40×20×3200 | 3，10三根电极在同侧 |
| 8.120×120，14400 | 42×20×3200 | 3，10三根电极在同侧 |
硅ICP深刻蚀部分：
硅等离子体感应耦合深刻蚀可以将硅微结构进行释放，具体工艺参数和说明为：
1.气体流量：
SF6：130sccm；C4F8：100sccm；O2：19.5sccm；
Gas stabilization 10秒
2.时间：
Passivate time：C4F8：100sccm 7秒over-runtime 0.5秒；coin Power 600wCycle time：SF6：130sccm；O2：19.5sccm 7秒over-runtime 1秒；coin Power 600wPlaten Power：13w
总的刻蚀时间(Process Time)：45分钟-到55分钟；
3.APC angel：62度
4.刻蚀使用的背片时单硅片上溅射铝的材料。
Claims (7)
1、一种微结构键合工艺检测方法，其步骤包括：
1)设计包含微结构的硅结构版图；
2)采用键合工艺方法制备微结构，硅结构和硅衬底或玻璃衬底通过键合面连接，硅结构至少有一端与键合面保有距离，并记录键合面积；
3)用探针在没有键合的一端侧面推动硅结构，使之绕键合面发生形变直至硅结构从键合面处断裂，并记录探针推点和键合面的距离和形变直至断裂过程的参数；
4)根据所记录的上述数据，实现键合强度的检测。
2、如权利要求1所述的微结构键合工艺检测方法，其特征在于所述硅结构为矩形单晶硅梁。
3、如权利要求1所述的微结构键合工艺检测方法，其特征在于所述键合工艺方法为加中间层直接键合，静电键合，或热键合，或共熔键合方法。
4、如权利要求1或3所述的微结构键合工艺检测方法，其特征在于在硅结构和硅衬底或玻璃衬底通过键合面连接前，对硅结构片的键合面进行清洗。
5、一种微结构键合工艺检测结构，包括硅结构和硅衬底或玻璃衬底，所述硅结构上具备微结构，硅结构和硅衬底或玻璃衬底通过键合面连接，其特征在于硅结构至少有一端与键合面保有距离。
6、如权利要求5所述的微结构键合工艺检测结构，其特征在于所述硅结构为矩形单晶硅梁或板。
7、如权利要求5或6所述的微结构键合工艺检测结构，其特征在于所述矩形单晶硅梁的一端侧面设探针定位槽。
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