CN1899952A - 压力传感器硅谐振膜的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压力传感器硅谐振膜的制造方法，用于微电子机械系统(MEMS)压力传感器中的硅悬梁的制作。该方法步骤包括：1.将第一和第二原始硅片进行加工，形成带硅谐振膜的SOI硅片；2.在第三原始双面抛光硅片上进行加工，形成有图形的硅衬底片；3.将所述有图形的硅衬底片与所述SOI硅片进行键合，形成键合片；4.对键合片采用减薄、腐蚀、漂SiO2层工艺进行处理，暴露出在有图形的硅衬底上的所述硅谐振膜。采用本发明的方法，可获得不易破裂的压力传感器硅谐振膜，且制作出的硅谐振膜厚度薄，均匀性好，能大大提高压力传感器硅谐振膜制作的成品率。
Description
(一)技术领域
本发明涉及微电子机械系统加工领域，特别是关于一种MEMS压力传感器硅谐振膜(梁、桥)的制造方法。
(二)背景技术
微电子机械系统(MEMS)是利用半导体工艺，来制造整合机械及电子元件，以达到系统微小化的目的。目前，已经开发出来包括悬梁、桥、针尖、孔、金字塔、坑、横梁等三维机械结构。形成这些三维结构必须要有符合要求的硅谐振膜，而硅谐振膜的主要制作工艺则为硅-硅键合减薄抛光技术。
硅-硅键合减薄抛光技术是将一个硅片与另一有图形的硅片键合，进行高温退火处理，使两硅片键合在一起，再将其中一硅片减薄、抛光，获得所需的硅谐振膜。这种方法的优点是硅谐振膜厚度可根据需要随意控制。但是，它最大的缺点是硅谐振膜在形成过程中非常容易破裂，且硅谐振膜的均匀性差，导致硅谐振膜制作的成品率低。其主要原因是图形硅片同硅片键合后，硅键合片需要机械减薄，在减薄工艺过程中，由于硅的碎性，硅谐振膜在减薄砂轮的机械作用力下很容易破裂，从而使其成品率很低，且硅谐振膜的厚度、均匀性很难保证。
(三)发明内容
本发明的目的是提供一种压力传感器硅谐振膜的制造方法，使硅谐振膜不易破裂，并且将硅谐振膜做到较薄(1～5μm)的厚度范围，且均匀性好，以提高硅谐振膜制作的成品率。
为实现上述目的，本发明的压力传感器硅谐振膜的制造方法，其包括以下步骤：
1.将第一和第二原始硅片进行加工，形成带硅谐振膜的SOI硅片；
2.在第三原始双面抛光硅片上进行加工，形成有图形的硅衬底片；
3.将所述有图形的硅衬底片与所述带硅谐振膜的SOI硅片进行键合，形成键合片；
4.对键合片采用减薄、腐蚀、漂SiO2层工艺进行处理，暴露出在有图形的硅衬底上的所述硅谐振膜。
所述将第一和第二原始硅片进行加工，形成带硅谐振膜的SOI硅片步骤包括：
(1)根据设计要求选取第一和第二原始硅片，并在第二原始硅片上采用常规氧化工艺，生长1.0～1.2μm的氧化层(SiO2层)；
(2)将第一原始硅片和生长了SiO2层的第二原始硅片进行常规清洗、亲水处理；
(3)在室温下将第一原始硅片与第二原始硅片上的SiO2层进行预键合，再在氧气气氛中、950～1200℃温度下进行键合；
(4)对第一原始硅片进行减薄、抛光，使形成带硅谐振膜的SOI硅片。
所述在第三原始双面抛光硅片上进行加工，形成有图形的硅衬底片步骤包括：
(1)根据设计要求选取第三双面抛光硅片；
(2)采用常规干法刻蚀工艺，形成有图形的硅衬底片。
将所述有图形的硅衬底片与所述带硅谐振膜的SOI硅片进行键合，形成键合片步骤包括：
(1)将所述有图形的硅衬底片的表面进行常规CMP抛光；
(2)将所述带硅谐振膜的SOI硅片和所述有图形的硅衬底片进行常规清洗、亲水处理；
(3)将所述带硅谐振膜的SOI硅片和所述有图形的硅衬底片在室温下进行预键合，再在氧气气氛中、950～1100℃温度下进行键合，并在该键合片周围形成SiO2氧化层。
所述对键合片采用减薄、腐蚀、漂SiO2层工艺进行处理，暴露出在有图形的硅衬底上的所述硅谐振膜步骤包括：
(1)用常规机械减薄方法减薄硅键合片上带硅谐振膜的SOI硅片上部的第二原始硅片及其表面的SiO2层，保留50～60μm厚度的硅层。
(2)采用常规化学腐蚀方法，腐蚀所保留的50～60μm厚度的硅层；
(3)用氢氟酸(HF)漂掉SiO2层，暴露出在有图形的硅衬底硅片上的所述硅谐振膜。
有益效果：
本发明由于采取了以上技术方案，其具有以下特点：1)本发明利用一个具有硅谐振膜的SOI片与有图形硅片键合的方式，实现了硅谐振膜转移到有图形的硅衬底片表面，能方便地制作出压力传感器的硅谐振膜；2)使用本发明的方法，避免了在制作硅谐振膜时遭受减薄的机械力，使制作出的硅谐振膜不易破裂；3)使用本发明的方法，可使制作出的硅谐振膜厚度很薄(1～5μm左右)，且均匀性达到±0.5μm。4)本发明的方法同一般硅-硅键合方法相比，其制作出的硅谐振膜厚度减小了50％，整个芯片的合格面积提高了50％以上，因而使用本发明方法能大大提高压力传感器硅谐振膜的成品率。
(四)附图说明
图1是本发明将第一和第二原始硅片加工形成带硅谐振膜的SOI硅片的剖面示意图；
图2是本发明将第三原始双面抛光硅片形成有图形的硅衬底片的剖面示意图；
图3是本发明将所述有图形的硅衬底片与所述带硅谐振膜的SOI硅片进行键合后形成键合片的剖面示意图；
图4是本发明对硅键合片上带硅谐振膜的SOI硅片上部的第二原始硅片及其表面的SiO2层进行减薄后的具有保留硅层的剖面示意图；
图5是本发明腐蚀掉硅键合片上的保留硅层后的剖面示意图；
图6是本发明暴露出在有图形的硅衬底硅片上的所述硅谐振膜后的剖面示意图。
(五)具体实施方式
下面结合具体实施例及附图，对本发明作进一步详细说明。
本发明压力传感器硅谐振膜的制造方法包括工艺步骤：
1.将第一和第二原始硅片进行加工，形成带硅谐振膜1的SOI硅片，其工艺步骤：
(1)根据设计要求，选取4英寸，N型或P型，厚度500μm、晶向(100)或(111)或(110)的第一原始硅片和第二原始硅片3。在第二原始硅片3上采用常规氧化工艺，生长1.0～1.2μm的氧化层2(SiO2层)；
(2)将第一原始硅片和生长了SiO2层2的第二原始硅片3使用1#液(NH4OH∶H2O2∶H2O＝1∶2∶7)、2#液(HCL∶H2O2∶H2O＝1∶2∶7)清洗，再在H2SO4∶H2O2＝3∶1的溶液中、温度120℃下进行亲水处理，时间10～15min；
(3)将第一原始硅片和生长在第二原始硅片3上的SiO2层，在室温下采用SUSS公司的CL200预键合机进行预键合，再在氧气气氛、950～1200℃温度下，采用GK-6设备进行键合；
(4)对第一原始硅片采用OKatomo公司的VG202MKI机进行减薄，再采用IEPC WESTECH公司AVANTI472抛光机进行抛光，形成带硅谐振膜1的SOI硅片，如图1所示。
2.在第三原始双面抛光硅片上进行加工，形成有图形的硅衬底片4，其工艺步骤：
(1)根据设计要求选取4英寸、P型双面抛光硅片；
(2)采用常规干法刻蚀工艺(ALCAT公司的EL601E机，温度50℃、SF6+C4F8气氛下，时间5min)形成有图形的硅衬底片4，如图2所示。
3.将所述有图形的硅衬底片4与所述带硅谐振膜1的SOI硅片进行键合，形成键合片，
其工艺步骤：
(1)将所述有图形的硅衬底片4的表面进行常规CMP抛光；
(2)将所述带硅谐振膜1的SOI硅片和所述有图形的硅衬底片4，使用1#液(NH4OH∶H2O2∶H2O＝1∶2∶7)、2#液(HCL∶H2O2∶H2O＝1∶2∶7)进行清洗，再在H2SO4∶H2O2＝3∶1的溶液中、温度120℃下进行亲水处理，时间10～15min；
(3)将所述带硅谐振膜1的SOI硅片和所述有图形的硅衬底片4，采用SUSS公司的CL200预键合机进行预键合，再在氧气气氛中，在950～1200℃温度下，采用GK-6设备进行键合，时间5～8h，形成键合片，如图3所示。同时，在整个键合片的四周形成1.5μm左右的SiO2层5。
4.对键合片采用减薄、腐蚀、漂SiO2层工艺进行处理，在有图形的硅衬底上暴露出所述的硅谐振膜1，其工艺步骤：
(1)将键合片上部分的第二原始硅片3及其SiO2层，采用OKatomo公司的VG202MK II机进行常规机械减薄，减薄的厚度为450μm，如图4所示；
(2)将保留有50μm至60μm厚度的硅层的第二原始硅片3的键合片，放入浓度为50％、恒温70℃的碱性溶液(KOH)中腐蚀，腐蚀的过程中均匀搅拌，直到第二原始硅片3的保留硅层腐蚀完，如图5所示。腐蚀速度保持在1.0μm/min；
(3)将上述腐蚀完保留硅层的键合片，用去离子水冲洗10min，再用配制的氢氟酸(HF∶H2O＝1∶2)，将硅片表面漂至脱水为止，即腐蚀掉键合片上部剩余的SiO2层2，在有图形的硅衬底上暴露出所述的硅谐振膜1，如图6所示。同时，在整个键合片的四周形成1.5μm的SiO2层5也被腐蚀掉。
上述所描述的加工工艺及其参数、化学溶液、加工设备等，除已描述的外，其余的均为本领域普通技术人员所知的常用技术，不再加以详述。
上述的“第一原始硅片”、“第二原始硅片”、“第三原始硅片”中的“第一”、“第二”、“第三”等仅为叙述方便而已。
Claims (5)
1.一种压力传感器硅谐振膜的制造方法，其包括以下步骤：
(1)将第一和第二原始硅片进行加工，形成带硅谐振膜的SOI硅片；
(2)在第三原始双面抛光硅片上进行加工，形成有图形的硅衬底片；
(3)将所述有图形的硅衬底片与所述带硅谐振膜的SOI硅片进行键合，形成键合片；
(4)对键合片采用减薄、腐蚀、漂SiO2层工艺进行处理，暴露出在有图形的硅衬底上的所述硅谐振膜。
2.如权利要求1所述的压力传感器硅谐振膜的制造方法，其特征在于：所述将第一和第二原始硅片进行加工，形成带硅谐振膜的SOI硅片步骤包括：
(1)根据设计要求选取第一和第二原始硅片，并在第二原始硅片上采用常规氧化工艺，生长1.0～1.2μm的氧化层(SiO2层)；
(2)将第一原始硅片和生长了SiO2层的第二原始硅片进行常规清洗、亲水处理；
(3)在室温下将第一原始硅片与第二原始硅片上的SiO2层进行预键合，再在氧气气氛中、950～1200℃温度下进行键合；
(4)对第一原始硅片进行减薄、抛光，使形成带硅谐振膜的SOI硅片。
3.如权利要求1所述的压力传感器硅谐振膜的制造方法，其特征在于：所述在第三原始双面抛光硅片上进行加工，形成有图形的硅衬底片步骤包括：
(1)根据设计要求选取第三双面抛光硅片；
(2)采用常规干法刻蚀工艺，形成有图形的硅衬底片。
4.如权利要求1所述的压力传感器硅谐振膜的制造方法，其特征在于：将所述有图形的硅衬底片与所述带硅谐振膜的SOI硅片进行键合，形成键合片步骤包括：
(1)将所述有图形的硅衬底片的表面进行常规CMP抛光；
(2)将所述带硅谐振膜的SOI硅片和所述有图形的硅衬底片进行常规清洗、亲水处理；
(3)将所述带硅谐振膜的SOI硅片和所述有图形的硅衬底片在室温下进行预键合，再在氧气气氛中、950～1100℃温度下进行键合，并在该键合片周围形成SiO2氧化层。
5.如权利要求1所述的压力传感器硅谐振膜的制造方法，其特征在于：所述对键合片采用减薄、腐蚀、漂SiO2层工艺进行处理，暴露出在有图形的硅衬底上的所述硅谐振膜步骤包括：
(1)用常规机械减薄方法减薄键合片上带硅谐振膜的SOI硅片上部的第二原始硅片及其表面的SiO2层，保留50～60μm厚度的硅层。
(2)采用常规化学腐蚀方法，腐蚀所保留的50～60μm厚度的硅层；
(3)用氢氟酸(HF)漂掉SiO2层，暴露出在有图形的硅衬底硅片上的所述硅谐振膜。
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