專利名稱：一種低溫等離子體活化直接鍵合的三維硅模具制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體直接鍵合及MEMS封裝領(lǐng)域，涉及模具制造技術(shù)，特別是涉及三維微型模具的制造方法，具體為一種低溫等離子體活化實(shí)現(xiàn)硅硅直接鍵合的制備方法。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，通訊、計(jì)算機(jī)、汽車電子、國(guó)防科技和其他消費(fèi)類產(chǎn)品對(duì)微電子封裝提出了更高的要求，即更小、更薄、更輕、多功能、高可靠、低功耗和低成本。同時(shí)，隨著科技產(chǎn)品微型化趨勢(shì)的發(fā)展，MEMS器件中的微型處理器、微執(zhí)行等零部件的需求越來(lái)越大，對(duì)于高性能的復(fù)雜三維微納結(jié)構(gòu)更是受到重視，其應(yīng)用越來(lái)越廣泛。在生產(chǎn)實(shí)際中，對(duì)微型零部件越來(lái)越大的需求，從而推動(dòng)了各種微成形技術(shù)中微模具的開發(fā)研究。由于在微成形工藝中，微模具尺寸非常小，模具的設(shè)計(jì)、制造以及材料的選擇發(fā)生了變化，傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)原則不能完全應(yīng)用于微型尺度；相應(yīng)地，微模具的加工已很難用傳統(tǒng)的數(shù)控加工、電火花加工等手段。目前所采用的LIGA等特殊的加工方法，成本高、效率低，并且在加工復(fù)雜三維型腔、控制表面粗糙度等方面還不能令人滿意。因此，開發(fā)出適合實(shí)際生產(chǎn)、高效、高精度的三維微模具加工工藝方法就成為MEMS微成形領(lǐng)域的關(guān)鍵問(wèn)題。鍵合技術(shù)作為一種微加工工藝中較新的工藝方法，可以將表面硅加工和體硅加工有機(jī)地結(jié)合在一起。直接鍵合相對(duì)于其它鍵合方式，有著明顯的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為鍵合技術(shù)研究中的重點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種低溫等離子體活化直接鍵合的三維硅模具制備方法，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)在低溫環(huán)境下大批量制備微米尺度的三維微型模具，具有成本低、效率高、精度高和柔性大的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明提供的一種等離子體活化直接鍵合的三維硅模具制備方法，其工藝步驟如下分層設(shè)計(jì)將待制備微模具進(jìn)行分層設(shè)計(jì)，選擇與分層數(shù)量相同、對(duì)應(yīng)層厚度相等的硅片作為每層的基底，需要鍵合的硅片表面為拋光面；厚度通常為150μπι ΙΟΟΟμπι;直接鍵合對(duì)已刻蝕出圖形的各硅片表面依次進(jìn)行等離子體活化、預(yù)鍵合、低溫退火四步工藝，完成多層硅片直接鍵合；劃片劃片批量得到帶有三維形腔的微模具。對(duì)于帶圖形的微模具，在分層設(shè)計(jì)與直接鍵合步驟之間進(jìn)行深硅刻蝕將各層硅片采用光刻及ICP深硅刻蝕的方法，刻蝕出待制備零件相應(yīng)各層的結(jié)構(gòu)圖形，然后再進(jìn)行濕法清洗。濕法清洗可以優(yōu)選下述的過(guò)程進(jìn)行對(duì)各硅片表面依次進(jìn)行丙酮超聲清洗、去離子水沖洗、甩干表面水顆粒，然后在80°c 120°C烘烤:3min lOmin。上述技術(shù)方案中，可以優(yōu)選下述處理過(guò)程完成直接鍵合
(1) 一次等離子體活化所有硅片的一個(gè)拋光表面，二次等離子體活化雙拋硅片的另一面；表面活化氣氛為氧氣，流量50sccm 150sccm、射頻功率50 150W、活化時(shí)間5 20s ；(2)對(duì)完成等離子體活化后的各硅片用去離子水沖洗，旋轉(zhuǎn)甩干加烘干，按照從上往下的順序?qū)?zhǔn)貼合所有硅片；(3)對(duì)貼合完成的多層硅片進(jìn)行退火，退火溫度160 300°C，退火時(shí)間3h 72h， 完成硅片的多層鍵合。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其優(yōu)點(diǎn)是(1)相對(duì)于濕法直接鍵合，本發(fā)明的等離子體活化多層硅硅直接鍵合，是干法直接鍵合，其工藝操作簡(jiǎn)單，可控性高，污染小，鍵合率高(98%以上)、鍵合強(qiáng)度大(達(dá)到體硅強(qiáng)度)、整體工藝流程效率高；(2)本發(fā)明所有工藝都在低溫環(huán)境下，可以減小MEMS器件封裝時(shí)的局部應(yīng)力、增強(qiáng)材料的穩(wěn)定性；(3)本發(fā)明方法能夠在完整硅片上，同時(shí)加工制造出大量具有不同圖形、高深寬比的不同用途的三維微型硅模具。并且，制備出的微硅模具可以承受較大的壓力和較高的溫度。(4)本發(fā)明適用于高效、高精度制備MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))器件中帶有階梯、高深寬比的三維微型結(jié)構(gòu)(如微齒輪軸、微階梯軸、微泵等)的硅模具


圖1為本發(fā)明實(shí)施例一中待制備的三維微型零件的模具示意圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例一中的工藝流程圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例二中硅片雙層直接鍵合效果圖；圖4為本發(fā)明實(shí)施例三中三層硅片直接鍵合效果圖。圖5為本發(fā)明實(shí)施例四中帶有圖形的硅片直接鍵合效果具體實(shí)施例方式下面通過(guò)借助實(shí)施例更加詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明，但以下實(shí)施例僅是說(shuō)明性的，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不受這些實(shí)施例的限制。實(shí)施例一圖1為本實(shí)施例待制備的三維微型零件的模具，圖2為本發(fā)明實(shí)現(xiàn)此模具的工藝流程圖。將該零件在Z方向上分為4層，選擇4片相應(yīng)厚度的硅片，中間兩層硅片為雙拋硅片，最上方和最下方的硅片是單拋的。分別對(duì)各層硅片采用光刻及ICP (電感耦合等離子體)深硅刻蝕的方法，精確刻蝕出待制備零件相應(yīng)各層的結(jié)構(gòu)圖形，第一、三層硅片一次性刻穿，第二層硅片需要正反面各光刻、ICP刻蝕一次實(shí)現(xiàn)硅片內(nèi)的階梯行腔；光刻及ICP深硅刻蝕工藝為在潔凈的硅片拋光表面勻膠，光刻膠厚度10 μ m，使用karl suss MA6光刻機(jī)、采用光刻工藝制備出所需圖形；使用牛津儀器的Oxford Plasmalab ICP等離子刻蝕系統(tǒng)中的Bosch工藝，深硅刻蝕每 50次循環(huán)停止，冷卻Imin后再啟動(dòng)，直至刻蝕到所需深度；將硅片取出，浸泡在丙酮溶液去膠。對(duì)各硅片表面進(jìn)行丙酮超聲清洗、去離子水沖洗、用真空吸附的勻膠機(jī)旋轉(zhuǎn)甩干表面水顆粒，再用熱板80°C烘烤:3min ；一次等離子活化所有硅片的一個(gè)拋光表面，二次等離子活化雙拋硅片的另一面。 使用的等離子體設(shè)備為國(guó)產(chǎn)ME-RIE，表面活化氣氛為氧氣流量lOOsccm、射頻功率100W、活化時(shí)間k ；對(duì)完成活化后的各硅片用去離子水沖洗:3min，旋轉(zhuǎn)甩干加烘干，按照從上往下的順序?qū)?zhǔn)貼合所有硅片；對(duì)貼合完成多層硅片退火，溫度300°C，時(shí)間5h，完成硅片的多層鍵合。將完成多層鍵合后的硅片在Z方向整體進(jìn)行切割，得到帶有三維形腔的微模具。實(shí)施例二 圖3為低溫等離子體活化硅硅雙層直接鍵合效果圖，其工藝步驟對(duì)新出廠的2寸硅片裸片不進(jìn)行濕法清洗，直接進(jìn)行氧等離子體清洗及活化，流量50sCCm、射頻功率150W、活化時(shí)間20s ；對(duì)完成活化后的各硅片用去離子水沖洗3min，旋轉(zhuǎn)甩干加烘干，貼合硅片；對(duì)貼合完成多層硅片退火，溫度160°C，時(shí)間72h，完成硅片的雙層直接鍵合。實(shí)施例三圖4為三層硅片直接鍵合效果圖材料為2片單拋的兩寸硅片，1片雙拋的兩寸硅片；對(duì)新出廠的2寸硅片裸片不進(jìn)行濕法清洗，直接進(jìn)行氧等離子體清洗及活化。一次活化所有硅片的一個(gè)拋光表面，二次活化雙拋硅片的另一面。使用的等離子體設(shè)備為國(guó)產(chǎn)ME-RIE，表面活化氣氛為氧氣流量lOOsccm、射頻功率100W、活化時(shí)間k ；對(duì)完成活化后的各硅片用去離子水沖洗:3min，旋轉(zhuǎn)甩干加烘干，按照從上往下的順序?qū)?zhǔn)貼合所有硅片(雙拋硅片在中間層)；對(duì)貼合完成多層硅片退火，溫度300°C，時(shí)間12h，完成硅片的多層鍵合。實(shí)施例四圖5為帶有圖形的硅片直接鍵合效果圖，其工藝為對(duì)1片兩寸硅片采用光刻及ICP深硅刻蝕的方法，精確刻蝕出待制備零件的表面結(jié)構(gòu)圖形，然后對(duì)其表面進(jìn)行RCA溶液(體積比，氨水雙氧水去離子水=1 1 5)， 70°C清洗15min、去離子水沖洗、用真空吸附的勻膠機(jī)旋轉(zhuǎn)甩干表面水顆粒，再用熱板 100 °C 烘烤 5min ；對(duì)此硅片和另一個(gè)兩寸硅片裸片同時(shí)進(jìn)行氧等離子體清洗及活化，流量150sCCm、 射頻功率50W、活化時(shí)間IOs ；對(duì)完成活化后的各硅片用去離子水沖洗％iin，旋轉(zhuǎn)甩干加烘干，貼合硅片；對(duì)貼合完成多層硅片退火，溫度200°C，時(shí)間池，完成帶有圖形硅片的雙層直接鍵
I=I O以上所述為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，但本發(fā)明不應(yīng)該局限于該實(shí)施例和附圖所公開的內(nèi)容。所以凡是不脫離本發(fā)明所公開的精神下完成的等效或修改，都落入本發(fā)明保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求
1.一種等離子體活化直接鍵合的三維硅模具制備方法，其工藝步驟如下分層設(shè)計(jì)將待制備微模具進(jìn)行分層設(shè)計(jì)，選擇與分層數(shù)量相同、對(duì)應(yīng)層厚度相等的硅片作為每層的基底，需要鍵合的硅片表面為拋光面；直接鍵合對(duì)已刻蝕出圖形的各硅片表面依次進(jìn)行等離子體活化、預(yù)鍵合和低溫退火工藝，完成多層硅片直接鍵合；劃片劃片批量得到帶有三維形腔的微模具。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體活化直接鍵合的三維硅模具制備方法，其特征在于，對(duì)于帶圖形的微模具，在分層設(shè)計(jì)與直接鍵合步驟之間進(jìn)行深硅刻蝕將各層硅片采用光刻及ICP深硅刻蝕的方法，刻蝕出待制備零件相應(yīng)各層的結(jié)構(gòu)圖形，然后再進(jìn)行濕法清洗。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的等離子體活化直接鍵合的三維硅模具制備方法，其特征在于，直接鍵合的具體步驟為(3. 1) 一次等離子體活化所有硅片的一個(gè)拋光表面，二次等離子體活化雙拋硅片的另一面；表面活化氣氛為氧氣，流量50sccm 150sccm、射頻功率50 150W、活化時(shí)間5 20s ；(3. 2)對(duì)完成等離子體活化后的各硅片用去離子水沖洗，旋轉(zhuǎn)甩干加烘干，按照從上往下的順序?qū)?zhǔn)貼合所有硅片；(3. 3)對(duì)貼合完成的多層硅片進(jìn)行退火，退火溫度160 300°C，退火時(shí)間3 h 72h， 完成硅片的多層鍵合。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的等離子體活化直接鍵合的三維硅模具制備方法，其特征在于，濕法清洗的具體過(guò)程為對(duì)各硅片表面依次進(jìn)行丙酮超聲清洗、去離子水沖洗、甩干表面水顆粒，然后在 80°C 120°C烘烤 3min lOmin。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種低溫等離子體活化直接鍵合的三維硅模具制備方法，將待制備微模具在Z方向進(jìn)行分層設(shè)計(jì)；選擇適當(dāng)厚度的硅片作為每層基底，對(duì)各層硅片采用光刻及ICP(電感耦合等離子體)深硅刻蝕方法，精確刻蝕出模具對(duì)應(yīng)層的結(jié)構(gòu)圖形；然后將各硅片表面進(jìn)行清洗、等離子體活化、預(yù)鍵合、低溫退火工藝，完成多層硅片直接鍵合；最后劃片，批量得到三維微型硅模具。本發(fā)明適用于高效、高精度制備MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))器件中帶有階梯、高深寬比的三維微型結(jié)構(gòu)(如微齒輪軸、微階梯軸、微泵等)的硅模具。
文檔編號(hào)B81C1/00GK102431961SQ20111040255
公開日2012年5月2日 申請(qǐng)日期2011年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月7日
發(fā)明者卓銳, 史鐵林, 廖廣蘭, 張昆, 聶磊 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)