專利名稱：一種增強(qiáng)sog工藝微結(jié)構(gòu)鍵合強(qiáng)度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，具體涉及一種增強(qiáng)基于鍵合深刻蝕釋放標(biāo)準(zhǔn)工藝(silicon on glass, S0G)制造的微結(jié)構(gòu)鍵合強(qiáng)度的方法,特別應(yīng)用在基于SOG工藝制造的MEMS器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
九十年代以來(lái)，微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)進(jìn)入了高速發(fā)展階段，不僅是因?yàn)楦拍钚路f，而且是由于MEMS器件跟傳統(tǒng)器件相比，具有小型化、集成化以及性能更優(yōu)的前景特點(diǎn)。如今MEMS已經(jīng)廣泛用于汽車(chē)、航空航天、信息控制、醫(yī)學(xué)、生物學(xué)等領(lǐng)域。雖然各種MEMS器件的原理和結(jié)構(gòu)都不盡相同，但通過(guò)同一種加工方法來(lái)實(shí)現(xiàn)是 完全可能的，即標(biāo)準(zhǔn)工藝方法。鍵合深刻蝕釋放(silicon on glass, S0G)工藝是由北京大學(xué)開(kāi)發(fā)出來(lái)的一種標(biāo)準(zhǔn)工藝。這套工藝已得到廣泛的應(yīng)用，器件設(shè)計(jì)人員已利用這套工藝設(shè)計(jì)了幾十種器件，涉及了慣性、流體、射頻、自動(dòng)控制等領(lǐng)域的傳感器和驅(qū)動(dòng)器等。SOG工藝的大致流程如圖1所示，Ca)硅淺臺(tái)階腐蝕，定義錨點(diǎn)；(b)濺射金屬電極；(c)硅-玻璃陽(yáng)極鍵合；(d)深刻蝕釋放結(jié)構(gòu)。SOG工藝制造出來(lái)的器件，襯底材料為7740玻璃，器件結(jié)構(gòu)材料為單晶硅(Si)，由于利用溫度通常在350°C以上的陽(yáng)極鍵合工藝將兩基片粘接在一起，熱膨脹系數(shù)的不匹配，使鍵合界面存在著初始應(yīng)力，且面積越大應(yīng)力越大，而這種初始應(yīng)力會(huì)嚴(yán)重影響微結(jié)構(gòu)鍵合面的鍵合強(qiáng)度的大小，并且熱失配還可能會(huì)引起微結(jié)構(gòu)的位移偏差。一種減小這種由于熱失配而導(dǎo)致的應(yīng)力的方法是從工藝過(guò)程本身上解決問(wèn)題，使單晶硅片和玻璃片在鍵合時(shí)溫度不統(tǒng)一，對(duì)兩基片采用兩種不同溫度進(jìn)行陽(yáng)極鍵合，這種方法能有效的減小熱失配導(dǎo)致的初始應(yīng)力大小，從而增強(qiáng)鍵合強(qiáng)度。但這種方法在進(jìn)行陽(yáng)極鍵合時(shí)，需要對(duì)上下兩基片施加不同的穩(wěn)定溫度，對(duì)鍵合設(shè)備的要求很高，不容易實(shí)現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)上述問(wèn)題，提出一種增強(qiáng)SOG工藝微結(jié)構(gòu)鍵合強(qiáng)度的方法，從器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，利用結(jié)構(gòu)利于應(yīng)力釋放的優(yōu)點(diǎn)來(lái)減小工藝過(guò)程中帶來(lái)的問(wèn)題的影響，減小由于熱失配而導(dǎo)致的初始應(yīng)力，從而增強(qiáng)基于SOG工藝制造的微結(jié)構(gòu)的鍵合強(qiáng)度。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種減小熱失配應(yīng)力從而增強(qiáng)SOG工藝微結(jié)構(gòu)鍵合強(qiáng)度的方法，其特征在于，采用由多個(gè)錨點(diǎn)構(gòu)成的組合式錨點(diǎn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行微結(jié)構(gòu)鍵合。具體來(lái)說(shuō)，上述方法是在進(jìn)行基于SOG工藝制造的MEMS器件時(shí)，將單個(gè)錨點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為組合式錨點(diǎn)(所占面積相等)，組合式錨點(diǎn)由多個(gè)錨點(diǎn)構(gòu)成，優(yōu)選為mXη陣列形式，具體形式包括2Χ2陣列，3X3陣列，4X4陣列，5X5陣列……等等，也可以是m關(guān)η。每個(gè)錨點(diǎn)可為正方形、矩形、圓形、橢圓形等形狀。如圖2所示，為正方形錨點(diǎn)，其中(a)圖為單個(gè)錨點(diǎn)形式，(b)圖為2X2陣列形式的組合錨點(diǎn)，(c)圖為3X3陣列形式的錨點(diǎn)，Cd)圖為4X4陣列形式的組合錨點(diǎn)。進(jìn)一步地，陣列數(shù)目方案的選擇理論上來(lái)說(shuō)陣列中錨點(diǎn)的數(shù)目越多越好，但由于存在顆粒、污染等等，當(dāng)鍵合面積小到一定程度時(shí)，會(huì)使鍵合質(zhì)量變得很差，反而使整體鍵合強(qiáng)度變小，即整體鍵合強(qiáng)度會(huì)先隨著陣列數(shù)目的增多而增大，到了某一個(gè)數(shù)目值之后，將隨著陣列中錨點(diǎn)數(shù)目的增多而減小。這個(gè)最優(yōu)數(shù)目可以通過(guò)拉伸或者剪切斷裂試驗(yàn)獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。進(jìn)一步地，陣列錨點(diǎn)間隙尺寸的選擇理論上來(lái)說(shuō)是間隙尺寸越小越好，當(dāng)尺寸小到某一個(gè)值d時(shí)，組合式錨點(diǎn)的整體鍵合強(qiáng)度將會(huì)等于單個(gè)錨點(diǎn)(所占面積相等)，而當(dāng)尺寸小于d時(shí)，組合式錨點(diǎn)優(yōu)于單個(gè)錨點(diǎn)。但并不能無(wú)限小下去，有兩個(gè)因素限制一是光刻所決定的最小間距；二是結(jié)構(gòu)利于應(yīng)力釋放所決定的間距限制。不過(guò)在MEMS工藝中前者通常相比后者大，即間隙尺寸最終由光刻所決定的最小間距決定，所以間隙尺寸取這個(gè)最小間距值。本發(fā)明還提供一種MEMS器件，采用上面所述的組合式錨點(diǎn)結(jié)構(gòu)。本發(fā)明提出了從MEMS器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度，對(duì)錨點(diǎn)的分布進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，從而減小工藝過(guò)程中帶來(lái)的熱失配應(yīng)力的思路。與現(xiàn)有的減小陽(yáng)極鍵合中熱失配應(yīng)力的方法相比，本方法的優(yōu)勢(shì)在于(I)不需要改變工藝流程以及工藝設(shè)備，只是從器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度，改變錨點(diǎn)分布特點(diǎn)，所以無(wú)須增加生產(chǎn)成本。(2)提高工藝成品率，減小由于顆粒等污染物造成的鍵合失效概率。這是由于隨著鍵合面積的減小，對(duì)于單個(gè)錨點(diǎn)，顆粒等污染物可能足以使其鍵合不上，而組合式錨點(diǎn)有效地避免了這一情況。(3)提高基于SOG工藝制造的MEMS器件的可靠性。這是由于首先組合式錨點(diǎn)的設(shè)計(jì)減小了陽(yáng)極鍵合過(guò)程中帶來(lái)的熱失配應(yīng)力，提高了微結(jié)構(gòu)鍵合強(qiáng)度，器件可靠性將有比較大的提高；其次由于單晶硅的脆性斷裂特點(diǎn)，組合式錨點(diǎn)增加了器件的抗沖擊能力。


圖1是鍵合深刻蝕釋放(SOG)標(biāo)準(zhǔn)工藝的一般流程。圖2是單個(gè)錨點(diǎn)和組合式錨點(diǎn)的俯視示意3是帶有單一式錨點(diǎn)的懸臂梁結(jié)構(gòu)剖面圖和俯視圖。圖4是帶有陣列組合式錨點(diǎn)的懸臂梁結(jié)構(gòu)剖面圖和俯視圖。其中，1-硅；2-玻璃；3-金屬。
具體實(shí)施例方式下面通過(guò)具體實(shí)施例，并配合附圖，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明?；阪I合深刻蝕釋放標(biāo)準(zhǔn)工藝制造的MEMS器件從上到下可大致分為結(jié)構(gòu)、錨點(diǎn)、襯底(玻璃)三個(gè)主要部分。如圖3所示為帶有單個(gè)錨點(diǎn)的簡(jiǎn)單懸臂梁器件的剖面圖和俯視圖，其中結(jié)構(gòu)和錨點(diǎn)都是由單晶硅材料構(gòu)成，而襯底則是玻璃。由于單晶硅和玻璃材料的熱膨脹系數(shù)失配，導(dǎo)致在器件制成之后錨點(diǎn)底部，單晶硅和玻璃的界面產(chǎn)生初始熱應(yīng)力，這樣對(duì)整個(gè)器件結(jié)構(gòu)的可靠性帶來(lái)了一定的負(fù)面影響，當(dāng)懸臂梁受到橫向或者縱向上較大的沖擊力時(shí)，錨點(diǎn)處就會(huì)發(fā)生相應(yīng)的扭轉(zhuǎn)斷裂或者拉壓斷裂。本發(fā)明提供的方法是將單個(gè)錨點(diǎn)設(shè)計(jì)成如圖4所示的陣列組合式錨點(diǎn)，但與單個(gè)錨點(diǎn)設(shè)計(jì)所占的面積相同。進(jìn)一步需要確定的是陣列錨點(diǎn)之間的間隙尺寸和陣列數(shù)目(I)選擇陣列錨點(diǎn)之間的間隙尺寸。如圖4所示的組合式錨點(diǎn)相比如圖3所示的單個(gè)錨點(diǎn)，有兩個(gè)不同之處首先，組合式錨點(diǎn)更加有利于熱應(yīng)力釋放，這是因?yàn)闊釕?yīng)力的大小跟界面的半徑成正向的關(guān)系，組合式錨點(diǎn)每個(gè)錨點(diǎn)的面積比單個(gè)錨點(diǎn)形式小得多，即組合式錨點(diǎn)界面熱應(yīng)力會(huì)小很多，并且由于組合式錨點(diǎn)可以利用錨點(diǎn)的微小彎曲來(lái)釋放間隙處玻璃的熱應(yīng)力，這是對(duì)組合式錨點(diǎn)有利的因素；其次，組合式錨點(diǎn)間隙處缺失的部分對(duì)懸臂梁的抗扭轉(zhuǎn)或者抗拉壓不起任何作用，這是對(duì)組合式錨點(diǎn)有害的因素。隨著間隙尺寸的減小，前者有利因素的影響會(huì)越來(lái)越弱，后者有害因素的影響也越來(lái)越弱，但前者變化的比后者緩慢得多。即存在一個(gè)臨界尺寸，當(dāng)間隙小于這個(gè)尺寸時(shí)，組合式的錨點(diǎn)的整體鍵合強(qiáng)度(抗扭轉(zhuǎn)或者抗拉壓能力)比單一式錨點(diǎn)大。理論上，在不影響有利于應(yīng)力釋放這個(gè)優(yōu)勢(shì)以及大于光刻允許的最小間距時(shí)，間隙取越小越好。并且在MEMS工藝中，光刻允許的最小間距通常大于保持有利于應(yīng)力釋放的極限間距，故陣列錨點(diǎn)之間的間隙尺寸選取光刻允許的最小間距值。(2)選擇陣列數(shù)目。如圖4所示，陣列數(shù)目的增加，在所占面積相同的情況下，即會(huì)減小陣列中每個(gè)錨點(diǎn)的面積，即減小由于熱失配導(dǎo)致的熱應(yīng)力的大小，從而增加鍵合強(qiáng)度的大小。但對(duì)于陽(yáng)極鍵合工藝來(lái)說(shuō)，隨著鍵合面積的減小，顆粒、污染、硅片粗糙等因素的影響將會(huì)顯著增加，甚至當(dāng)減小到一定程度時(shí)，錨點(diǎn)將鍵合不上。即對(duì)于某一個(gè)固定面積的錨點(diǎn)區(qū)域來(lái)說(shuō)，將其設(shè)計(jì)成陣列組合錨點(diǎn)形式，會(huì)有一個(gè)最優(yōu)的陣列數(shù)目值。而這個(gè)最優(yōu)陣列數(shù)目值可以通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)獲得，即通過(guò)一系列的實(shí)驗(yàn)，可獲得最優(yōu)陣列數(shù)目與鍵合區(qū)所占面積一一對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)。采用上述組合式錨點(diǎn)結(jié)構(gòu)，可以與現(xiàn)有工藝流程以及工藝設(shè)備兼容，只需要在器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)改變錨點(diǎn)的形狀及分布特點(diǎn)。下面以3X3陣列形式的組合式錨點(diǎn)為例，說(shuō)明含有3 X 3陣列形式錨點(diǎn)的MEMS器件的制備過(guò)程，器件選用最簡(jiǎn)單的單根懸臂梁器件，工藝選擇鍵合深刻蝕釋放標(biāo)準(zhǔn)工藝
I)設(shè)計(jì)版圖，值得注意的是，只需對(duì)錨點(diǎn)層的版圖進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，其他層版圖不變。錨點(diǎn)層的版圖改動(dòng)為將單個(gè)錨點(diǎn)拆分為3X3陣列形式，間隙設(shè)置為光刻以及刻蝕允許的最小間距，本套工藝為4um。2)制版,工藝流片,采用ASE (Advanced silicon etch,先進(jìn)娃刻蝕)方法刻蝕娃片，刻蝕深度為4um，刻出ANCHOR臺(tái)階，版圖選用步驟I)中設(shè)計(jì)的錨點(diǎn)層光刻版；3)采用BHF (Buffer HF，緩沖氫氟酸)腐蝕玻璃，腐蝕深度為1000 1200A,然后濺射Ti/Pt/Au,以防止footing效應(yīng)；4)硅片和玻璃片陽(yáng)極鍵合；5)1(0!1減薄硅面，余厚75±511111;6) ASE硅片，結(jié)構(gòu)釋放，得到單根懸臂梁器件。根據(jù)上面的制備方法，可制備不同陣列形式錨點(diǎn)設(shè)計(jì)的單根懸臂梁器件，通過(guò)對(duì)不同的懸臂梁器件進(jìn)行扭轉(zhuǎn)斷裂測(cè)試，即可得到不同陣列形式的錨點(diǎn)的扭轉(zhuǎn)鍵合強(qiáng)度的大小，并以此數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)庫(kù)。對(duì)于以后的MEMS器件設(shè)計(jì)，可依據(jù)此數(shù)據(jù)庫(kù)，選擇錨點(diǎn)的陣列數(shù)目，從而優(yōu)化設(shè)計(jì)，即增加器件鍵合微結(jié)構(gòu)的鍵合強(qiáng)度的大小。 以上通過(guò)一個(gè)實(shí)施例描述了本發(fā)明方法在MEMS器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一個(gè)應(yīng)用，即在帶有單一錨點(diǎn)的懸臂梁結(jié)構(gòu)中，將單個(gè)形式的錨點(diǎn)設(shè)計(jì)成陣列組合式錨點(diǎn)。但需要說(shuō)明的是，本發(fā)明方法適合其他任何基于鍵合深刻蝕釋放標(biāo)準(zhǔn)工藝制造的MEMS器件。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離本專利實(shí)質(zhì)的范圍內(nèi)，保持本發(fā)明中將單一式錨點(diǎn)重新設(shè)計(jì)為組合式錨點(diǎn)特征外，可對(duì)陣列錨點(diǎn)分布做一定的變化和修改，能應(yīng)用的器件類型也不一定只局限于基于鍵合深刻蝕釋放這套標(biāo)準(zhǔn)工藝制造。本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以權(quán)利要求所述為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種減小熱失配應(yīng)力從而增強(qiáng)SOG工藝微結(jié)構(gòu)鍵合強(qiáng)度的方法，其特征在于，采用由多個(gè)錨點(diǎn)構(gòu)成的組合式錨點(diǎn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行微結(jié)構(gòu)鍵合。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述多個(gè)錨點(diǎn)以mXn陣列形式排列。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述組合式錨點(diǎn)結(jié)構(gòu)中各錨點(diǎn)的底面形狀為下列中的一種或多種正方形、長(zhǎng)方形、圓形、橢圓形。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述陣列中m=n。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述陣列為下列中的一種2X2陣列、3X3陣列、4 X 4陣列、5 X 5陣列。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于通過(guò)拉伸或者剪切斷裂試驗(yàn)確定使所述組合式錨點(diǎn)結(jié)構(gòu)的鍵合強(qiáng)度最大的錨點(diǎn)數(shù)目，并作為所述組合式錨點(diǎn)中錨點(diǎn)的數(shù)目。
7.如權(quán)利要求1或6所述的方法，其特征在于，通過(guò)如下兩個(gè)因素確定所述組合式錨點(diǎn)中錨點(diǎn)間的間隙尺寸光刻允許的最小間距、保持有利于應(yīng)力釋放的極限間距。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于所述間隙尺寸為所述光刻允許的最小間距。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在設(shè)計(jì)MEMS器件版圖時(shí)，僅對(duì)錨點(diǎn)層的版圖進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，其它層版圖不變。
10.一種MEMS器件，其特征在于，采用權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的組合式錨點(diǎn)結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種增強(qiáng)SOG工藝微結(jié)構(gòu)鍵合強(qiáng)度的方法，該方法采用由多個(gè)錨點(diǎn)構(gòu)成的組合式錨點(diǎn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行微結(jié)構(gòu)鍵合。該組合式錨點(diǎn)優(yōu)選為陣列形式?？梢酝ㄟ^(guò)拉伸或者剪切斷裂試驗(yàn)確定使組合式錨點(diǎn)結(jié)構(gòu)的鍵合強(qiáng)度最大的錨點(diǎn)數(shù)目，并作為組合式錨點(diǎn)中錨點(diǎn)的數(shù)目?？梢酝ㄟ^(guò)光刻允許的最小間距、保持有利于應(yīng)力釋放的極限間距兩個(gè)因素確定組合式錨點(diǎn)中錨點(diǎn)間的間隙尺寸。本發(fā)明還提供一種采用所述組合式錨點(diǎn)結(jié)構(gòu)MEMS器件；本發(fā)明通過(guò)對(duì)錨點(diǎn)的分布進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)以減小工藝過(guò)程中帶來(lái)的熱失配應(yīng)力，從而增強(qiáng)基于SOG工藝制造的微結(jié)構(gòu)的鍵合強(qiáng)度，能夠顯著提高工藝成品率，提高基于SOG工藝制造的MEMS器件的可靠性。
文檔編號(hào)B81C1/00GK103011056SQ201210501839
公開(kāi)日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2012年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月29日
發(fā)明者何軍, 張大成, 黃賢, 趙丹淇, 林琛, 王瑋, 楊芳, 田大宇, 劉鵬, 李婷, 羅葵 申請(qǐng)人:北京大學(xué)