專利名稱：基于soi晶圓的mems結構制作及劃片方法
技術領域：
本發明涉及一種基于SOI晶圓的MEMS結構制作及劃片同步完成的方法，屬于微機電系統微細加工和晶圓劃片領域。
背景技術：
IC工業的發展，極大的推動了劃片技術的進步。現在普遍采用的劃片方法是基于金剛石刀片的砂輪磨削，該方法以其高效率、工藝簡單可控等優點而成為晶圓切割的主流。隨著微機電系統這一新興學科的發展及產業化進程的逐步加快，旋轉砂輪式劃片技術逐漸凸顯出嚴重缺陷砂輪磨削會產生機械振動，砂輪與硅片間的壓力和扭力會造成晶圓內應力，高壓的清洗液和冷卻水往往將MEMS結構沖壞，磨削產生的碎屑對結構表面和內部造成極大地污染，這些對MEMS器件都是致命的危害。 近年來，隨著MEMS研究的不斷深入，國內外研究人員及很多公司報道了多種劃片方法。日本YoshioAwatani等人在2002年提出了一種glass c即ping方法(DamageFree Dicing Method for MEMS Devices, International Conference on OpticalMEMS，Conferen Digestpp. 137-138， 2002)，把帶有腔體的玻璃片與MEMS晶圓鍵合，這樣玻璃帽就將結構罩住，對芯片形成永久保護，然后進行砂輪劃片，這樣可實現圓片級封裝；2004年，臺灣S. H. Tseng等人提到了使用厚光刻膠對MEMS結構進行保護的劃片方法(Solutionfor ReleasedCMOS-MEMSMulti-Project Wafer, DTIP， pp.55—59，lvol，2004)waterlilylO，當完成劃片之后，用化學試劑將光刻膠去除，然后干燥，得到良好的MEMS器件。上述報道均是在工藝過程中添加保護層然后采用傳統砂輪劃片的方法，永久保護層不利于MEMS器件與外界信號的交互，特別是對于要求敏感的光學器件，并且添加或去除保護層都需要額外的制造步驟和工藝，易導致成品率低，增加了成本。MEMS晶圓劃片的特殊性對傳統的劃片工藝提出了挑戰，研究人員逐漸考慮用激光技術劃片。常規激光劃片是利用高能激光束照射在晶圓表面，使被照射區域燒熔，再輔以手動方式達到裂片目的。缺點是熱影響區域大，污染嚴重，熱變形嚴重。法國Synova S. A.公司的B. Richerzhagen博士發明了 一禾中微水導激光劃片方法(Dicing of wafers bypatented water_jet_guided laser :thetotal damage—free cut，Proceedings of the Laser Materials ProcessingConference，pp. 197-200， 2005)，將激光束聚焦到一個噴嘴上，噴嘴處有微細的水柱(25 150 ym)流到晶圓的劃線區域，水柱相當于一個光纖，激光在水柱中發生全反射，這樣水柱一方面將激光束限制在水流中間，另一方面激光對晶圓產生的熱量能夠得到水流的及時冷卻，熱熔的殘渣同時被水流帶走。這種方法不燒傷器件、無應力，但仍然有水流和碎屑的存在，并且使用該技術須使用不會被激光切穿、透水的"激光膠帶"用于貼片，這種膠帶成本高昂，加之設備的昂貴，大大制約了其使用。日本HAMAMATSU公司FumitsuguFukuyo等人提出一種新的干式激光劃片方法(Laser Processing Method and Laser Processing LaserApparatus，PatentNo :US6992026， 2006)，稱為Stealth Dicing (SD)，利用聚焦裝置將激光束能量點聚到晶圓內部，當聚焦在材料內部的激光強度迅速增強，材料就由結構緊湊、結合緊密的整體改變為結合松散、易于分裂的組織，然后通過擴張貼膜片，利用膜的張力分開芯片，完成劃片過程。SD方法無發熱、無應力損傷、無切屑，實現了完全干式切割，但劃片設備昂貴，還未能規模化應用。 MEMS器件加工材料和加工工藝的多樣化發展，為MEMS晶圓的劃片方法提供了進一步發展的空間，使得MEMS晶圓劃片在現有MEMS工藝條件的基礎上能夠更好的實現。當前SOI晶圓已經在MEMS工藝中廣泛使用，SOI晶圓結合深刻蝕工藝是高效率制作MEMS器件的極為重要的方法。參閱圖1，S0I晶圓分為三層頂層，中間二氧化硅層，基底層。 一般SOI晶圓的整體厚度在400 ii m左右，使用STS公司的ICP刻蝕設備，已經能夠完成寬度12 18 u m，深度500 um左右的深槽亥lj蝕(Anisotropic Silicon Trenches 300-500 u mDe印Employing Time Multiplexed Deep Etching, Sensors and Actuators A， val.91，pp. 381-385,2001)，利用這種ICP刻蝕的高深寬比效應，可以實現MEMS晶圓的劃片。
發明內容
為了克服現有MEMS晶圓劃片中存在的工藝風險大、設備昂貴、成品率低等不足，本發明提出一種基于SOI工藝的結構制作與劃片同步完成的方法，能夠不依賴于專門劃片設備，在現有MEMS結構制作設備和工藝條件的基礎上實現晶圓的的劃片。
本發明解決其技術問題，所采用的技術方案如下 本發明提出的基于SOI晶圓的MEMS結構制作及劃片方法，具體操作步驟為
步驟一 參閱圖1 (a)，對SOI晶圓100進行清洗和預烘處理； 步驟二 參閱圖1 (b)，在基底層3表面淀積一定厚度的深刻蝕掩蔽層4，深刻蝕掩蔽層4是金屬層或者二氧化硅層； 步驟三在頂層1表面淀積一定厚度的第一光刻膠層9，在深刻蝕掩蔽層4表面淀積一定厚度的第二光刻膠層5，并熱烘，參閱圖1(C); 步驟四使用下掩膜版150和上掩膜版152，對經過步驟三處理的晶圓進行雙面光刻，下掩膜版150和上掩膜版152的芯片單元尺寸相同、芯片排布相同且陰陽相同，參閱圖2 ;下掩膜版150上有下芯片單元14和下對準標記7，上掩膜版152上有上芯片單元16和上對準標記8，下芯片單元14是矩形塊，上芯片單元16是要制作的結構圖案；曝光的時候，第二光刻膠層5使用下掩膜版150，第一光刻膠層9使用上掩膜版152，并且下對準標記7與上對準標記8對準；經過光刻，第一光刻膠層9形成MEMS結構的圖案120，以及上劃片區112，參閱圖l(d); 步驟五以第二光刻膠層5為掩膜，對深刻蝕掩蔽層4進行刻蝕形成下劃片區110，參閱圖l(e); 步驟六去除第二光刻膠層5，并以深刻蝕掩蔽層4為掩膜，用感應耦合離子刻蝕方法刻蝕基底層3，直至刻蝕到中間二氧化硅層2停止，由于感應耦合離子對硅與二氧化硅有很高的選擇刻蝕比，因此當刻蝕到中間二氧化硅層2時，刻蝕自發停止；該步驟通過刻蝕
形成下劃片槽130，參閱圖l(f); 步驟七去除深刻蝕掩蔽層4，參閱圖l(g);
步驟八在基底層3粘帖藍膜6，參閱圖l(h); 步驟九以第一光刻膠層9形成的圖案120為掩膜，對頂層1進行感應耦合離子刻
4蝕，到達中間二氧化硅層2刻蝕停止，形成上劃片槽132、結構槽134以及未釋放的MEMS結構122，參閱圖l(i); 步驟十去除第一光刻膠層9，得到只靠中間二氧化硅層2連接的晶圓IO，參閱圖1 (j); 步驟^^一 用氫氟酸溶液浸泡以上步驟得到的晶圓IO，或者采用氣態HF釋放方法，進行中間二氧化硅層2的腐蝕；由于HF與Si02反應具有各向同性，暴露面積大的地方腐蝕速度快，利用這一效應，去除連接各芯片單元的二氧化硅，連通上劃片槽132與下劃片槽130，實現劃片；同時去除MEMS結構122下的部分二氧化硅，形成可動結構140和錨點142，得到結構完好的MEMS器件12，參閱圖1 (k)。 本發明的優點在于(1)采用SOI深刻蝕及釋放工藝進行劃片，無機械振動，無應力損傷，無發熱，無切屑產生，無污染，成品率高；(2)不需要昂貴的劃片設備，在現有MEMS工藝設備基礎上即可完成，成本低；(3)MEMS結構的制作過程與劃片過程同步進行，最后釋放時，器件結構與劃片同時完成，效率高。(4)無需添加臨時性或永久性保護層，不影響器件與外界信息的交互，由于釋放是與劃片同時完成的，中間工藝不致對MEMS可動結構造成破壞。
圖1是基于SOI晶圓的MEMS結構制作及劃片同步實現的工藝流程圖
圖l(a)是SOI晶圓結構示意圖，包括頂層1，中間二氧化硅層2和基底層3。
圖1 (b)是淀積深刻蝕掩蔽層4之后的結構示意圖。 圖l(c)是雙面涂膠后的結構示意圖，晶圓兩面分別為涂覆第二光刻膠層5和第一光刻膠層9。 圖l(d)是雙面光刻后的結構示意圖，第一光刻膠層9形成MEMS結構的圖案120和上劃片區112。 圖l(e)是刻蝕掩蔽層4后的結構示意圖，形成下劃片區110。
圖l(f)是刻蝕基底層3后的結構示意圖，形成下劃片槽130。
圖1 (g)是去除深刻蝕掩蔽層4后的結構示意圖。
圖1 (h)是粘帖藍膜6后的結構示意圖。 圖1 (i)是刻蝕頂層1后的結構示意圖，形成上劃片槽132、結構槽134及未釋放的MEMS結構122。 圖l(j)是去除第一光刻膠層9后的結構示意圖，形成只有中間二氧化硅層2相連接的晶圓10。 圖l(k)是HF腐蝕后的結構示意圖，MEMS結構的釋放與劃片同步進行，形成可動結構140，錨點142，以及線框圖中的完好的MEMS器件12.。
圖2是實現雙面光刻的掩膜版示意圖。 圖2(a)是下掩膜版150，包含下芯片單元14和下對準標記7，該掩膜版用于基底層3的光刻，下芯片單元14用于形成非劃片區。 圖2(b)是上掩膜版152，包含上芯片單元16和上對準標記8，該掩膜版用于頂層1的光刻，上芯片單元16是要復制的結構圖案，用于形成MEMS結構。
圖3是實施例一中基于SOI晶圓的MEMS光柵器件結構示意圖 圖4是實施例二中基于SOI晶圓的MEMS陀螺器件結構示意圖 圖5是本發明中基于SOI晶圓的MEMS結構制作與劃片同步制作完成后的結構示
意圖 其中1-頂層；2-中間二氧化硅層；3-基底層；4_深刻蝕掩蔽層；5_第二光刻膠 層；6-藍膜；7-下對準標記；8-上對準標記；9-第一光刻膠層；10-只有中間的二氧化硅層 2相連接的晶圓；12-MEMS器件；14-下芯片單元；16-上芯片單元；100-S01晶圓；110-下
劃片區;112-上劃片區;120-MEMS器件的圖案；122-未釋放的MEMS結構;130-下劃片槽;
132-上劃片槽；134-結構槽；140-可動結構；142-錨點；150-下掩膜版；152-上掩膜版；
160-光柵錨點；162-光柵可動結構；164-光柵二氧化硅層；166-光柵基底層；170-陀螺錨
點；172-陀螺可動結構；174-陀螺二氧化硅層；176-陀螺基底層
具體實施例方式實施例一 本實施例為基于SOI晶圓的MEMS光柵器件結構制作及劃片方法，參考圖l(a)
(k)，所述的光柵器件結構參閱圖3，具體操作步驟為 步驟一 參閱圖1 (a)，對SOI晶圓100進行清洗和預烘處理。 步驟二 在基底層3表面淀積厚500nm的深刻蝕掩蔽層4，深刻蝕掩蔽層4采用金
屬鋁材料，參閱圖l(b)。 步驟三在頂層1表面淀積1 i！ m厚的第一光刻膠層9，在深刻蝕掩蔽層4表面淀 積1 P m厚的第二光刻膠層5，并在110度溫度下熱烘1分鐘，參閱圖1 (c)。
步驟四使用下掩膜版150和上掩膜版152，對經過步驟三處理的晶圓進行雙面光 刻，下掩膜版150和上掩膜版152的芯片單元尺寸相同、芯片排布相同且陰陽相同，參閱圖 2。下掩膜版150上有下芯片單元14和下對準標記7，上掩膜版152上有上芯片單元16和 上對準標記8，下芯片單元14是矩形塊，上芯片單元16是要制作的光柵結構圖案。曝光的 時候，第二光刻膠層5使用下掩膜版150，第一光刻膠層9使用上掩膜版152，并且下對準標 記7與上對準標記8對準。經過光刻，第一光刻膠層9形成MEMS器件的圖案120， MEMS器 件的圖案120為光柵圖案，以及上劃片區112，參閱圖l(d)。 步驟五以第二光刻膠層5為掩膜，對深刻蝕掩蔽層4進行刻蝕形成下劃片區 110，參閱圖l(e)。 步驟六采用氧離子清洗方法去除第二光刻膠層5，并以深刻蝕掩蔽層4為掩膜， 用感應耦合離子刻蝕方法刻蝕基底層3，直至刻蝕到中間二氧化硅層2停止，由于感應耦合 離子對硅與二氧化硅有很高的選擇刻蝕比，因此當刻蝕到中間二氧化硅層2時，刻蝕自發 停止。該步驟通過刻蝕形成下劃片槽130，參閱圖1 (f)。
步驟七去除深刻蝕掩蔽層4，參閱圖1 (g)。
步驟八在基底層3粘帖藍膜6，參閱圖1 (h)。 步驟九以第一光刻膠層9形成的MEMS器件的圖案120為掩膜，對頂層1進行感 應耦合離子刻蝕，到達中間二氧化硅層2刻蝕停止，形成上劃片槽132、結構槽134以及未釋 放的MEMS結構122，未釋放的MEMS結構122為未釋放的光柵結構，參閱圖1 (i)。
步驟十去除第一光刻膠層9，得到只靠中間二氧化硅層2連接的晶圓IO，參閱圖 1 (j)。 步驟i^一 采用氣態HF釋放方法，進行中間二氧化硅層2的腐蝕。由于HF與Si02
反應具有各向同性，暴露面積大的地方腐蝕速度快，利用這一效應，去除連接各芯片單元的 二氧化硅，連通上劃片槽132與下劃片槽130，實現劃片；同時去除未釋放的MEMS結構122 下的部分二氧化硅，形成可動結構140和錨點142，得到結構完好的MEMS器件12， MEMS器 件12為光柵器件，參閱圖l(k)。光柵器件結構圖參閱圖3。
實施例2 : 本實施例為基于SOI晶圓的MEMS陀螺器件結構制作及劃片方法，參考圖l(a)
(k)，所述的陀螺器件結構參閱圖4，具體操作步驟為 步驟一 對如圖1 (a)所示的SOI晶圓100進行清洗和預烘處理。 步驟二 在基底層3表面淀積厚2 ii m的深刻蝕掩蔽層4，深刻蝕掩蔽層4采用二
氧化硅材料，參閱圖l(b)。 步驟三在頂層1表面淀積0. 9 ii m厚的第一光刻膠層9，在深刻蝕掩蔽層4表面 淀積0. 9 ii m厚的第二光刻膠層5，并在90度溫度下熱烘1分鐘，參閱圖1 (c)。
步驟四使用下掩膜版150和上掩膜版152，對經過步驟三處理的晶圓進行雙面光 刻，下掩膜版150和上掩膜版152的芯片單元尺寸相同、芯片排布相同且陰陽相同，參閱圖 2。下掩膜版150上有下芯片單元14和下對準標記7，上掩膜版152上有上芯片單元16和 上對準標記8，下芯片單元14是矩形塊，上芯片單元16是要制作的陀螺結構圖案。曝光的 時候，第二光刻膠層5使用下掩膜版150，第一光刻膠層9使用上掩膜版152，并且下對準標 記7與上對準標記8對準。經過光刻，第一光刻膠層9形成陀螺結構的圖案120，以及上劃 片區112，參閱圖l(d)。 步驟五以第二光刻膠層5為掩膜，對深刻蝕掩蔽層4進行刻蝕形成下劃片區 110，參閱圖l(e)。 步驟六采用丙酮去除第二光刻膠層5，并以深刻蝕掩蔽層4為掩膜，用感應耦合
離子刻蝕方法刻蝕基底層3，直至刻蝕到中間二氧化硅層2停止，由于感應耦合離子對硅與
二氧化硅有很高的選擇刻蝕比，因此當刻蝕到中間二氧化硅層2時，刻蝕自發停止。該步驟
通過刻蝕形成下劃片槽130，參閱圖1 (f)。 步驟七去除深刻蝕掩蔽層4，參閱圖1 (g)。 步驟八在基底層3粘帖藍膜6，參閱圖1 (h)。 步驟九以第一光刻膠層9形成的陀螺結構的圖案120為掩膜，對頂層1進行感應 耦合離子刻蝕，到達中間二氧化硅層2刻蝕停止，形成上劃片槽132、結構槽134以及未釋放 的MEMS結構122，未釋放的MEMS結構122為未釋放的陀螺結構，參閱圖1 (i)。
步驟十去除第一光刻膠層9，得到只靠中間二氧化硅層2連接的晶圓IO，參閱圖 1 (j)。 步驟十一 采用氫氟酸溶液釋放方法，進行中間二氧化硅層2的腐蝕。由于HF與 Si02反應具有各向同性，暴露面積大的地方腐蝕速度快，利用這一效應，去除連接各芯片單 元的二氧化硅，連通上劃片槽132與下劃片槽130，實現劃片；同時去除未釋放的MEMS結構 122下的部分二氧化硅，得到可動結構140和錨點142，得到結構完好的MEMS器件12，MEMS器件12為陀螺器件，參閱圖l(k)。陀螺器件結構圖參閱圖4.
權利要求
一種基于SOI晶圓的MEMS結構制作及劃片方法，其特征在于，包括如下步驟步驟一對SOI晶圓100進行清洗和預烘處理；步驟二在基底層(3)表面淀積一定厚度的深刻蝕掩蔽層(4)；步驟三在頂層(1)表面淀積一定厚度的第一光刻膠層(9)，在深刻蝕掩蔽層(4)表面淀積一定厚度的第二光刻膠層(5)，并熱烘；步驟四使用下掩膜版(150)和上掩膜版(152)，對經過步驟三處理的晶圓進行雙面光刻，下掩膜版(150)和上掩膜版(152)的芯片單元尺寸相同、芯片排布相同且陰陽相同；下掩膜版(150)上有下芯片單元(14)和下對準標記(7)，上掩膜版(152)上有上芯片單元(16)和上對準標記(8)，下芯片單元(14)是矩形塊，上芯片單元(16)是要制作的結構圖案；曝光的時候，第二光刻膠層(5)使用下掩膜版(150)，第一光刻膠層(9)使用上掩膜版(152)，并且下對準標記(7)與上對準標記(8)對準；經過光刻，第一光刻膠層(9)形成MEMS結構的圖案(120)，以及上劃片區(112)；步驟五以第二光刻膠層(5)為掩膜，對深刻蝕掩蔽層(4)進行刻蝕形成下劃片區(110)；步驟六去除第二光刻膠層(5)，并以深刻蝕掩蔽層(4v為掩膜，用感應耦合離子刻蝕方法刻蝕基底層(3)，直至刻蝕到中間二氧化硅層(2)自發停止，形成下劃片槽(130)；步驟七去除深刻蝕掩蔽層(4)；步驟八在基底層(3)粘帖藍膜(6)；步驟九以第一光刻膠層(9)形成的圖案(120)為掩膜，對頂層(1)進行感應耦合離子刻蝕，到達中間二氧化硅層(2)刻蝕停止，形成上劃片槽(132)、結構槽(134)以及未釋放的MEMS結構(122)；步驟十去除第一光刻膠層(9)，得到只靠中間二氧化硅層(2)連接的晶圓(10)；步驟十一進行中間二氧化硅層(2)的腐蝕，去除連接各芯片單元的二氧化硅，連通上劃片槽(132)與下劃片槽(130)，實現劃片；同時去除MEMS結構(122)下的部分二氧化硅，形成可動結構(140)和錨點(142)，得到結構完好的MEMS器件(12)。
2. —種如權利要求1所述的基于SOI晶圓的MEMS結構制作及劃片方法，其特征在于， 所述步驟二中的深刻蝕掩蔽層(4)是金屬層或者二氧化硅層。
3. —種如權利要求1所述的基于SOI晶圓的MEMS結構制作及劃片方法，其特征在于， 所述步驟十一中進行中間二氧化硅層(2)的腐蝕，采用的方法是用氫氟酸溶液浸泡。
4. 一種如權利要求1所述的基于SOI晶圓的MEMS結構制作及劃片方法，其特征在于， 所述步驟十一中進行中間二氧化硅層(2)的腐蝕，采用的方法是用氣態HF釋放。
5. —種如權利要求1所述的基于SOI晶圓的MEMS結構制作及劃片方法，其特征在于， 所述步驟六中去除第二光刻膠層的方法為采用氧離子清洗方法或采用有機溶劑浸泡。
全文摘要
本發明公開了一種基于SOI晶圓的MEMS結構制作及劃片方法，屬于微機電系統微細加工和晶圓劃片領域。該方法的關鍵在于利用ICP刻蝕的高深寬比效應，采用一張MEMS結構掩膜版與一張與其對應的掩膜版，對SOI晶圓的正反兩面進行常規的MEMS加工工藝，包括涂膠、光刻、刻蝕、釋放等，實現MEMS結構制作與晶圓劃片同步完成。本發明的優點(1)無機械振動，無應力損傷，無發熱，無切屑產生，無污染，成品率高；(2)不需要昂貴的劃片設備，在現有MEMS工藝設備基礎上即可完成，成本低；(3)MEMS結構的制作過程與劃片過程同步完成，效率高。(4)無需添加臨時性或永久性保護層，不影響器件與外界信息的交互，釋放是與劃片同時完成的，中間工藝不致對MEMS可動結構造成破壞。
文檔編號B81C3/00GK101734613SQ20091021928
公開日2010年6月16日 申請日期2009年12月3日 優先權日2009年12月3日
發明者喬大勇, 孫瑞康, 李太平, 李曉瑩, 燕斌, 虞益挺 申請人:西北工業大學