專利名稱：一種增強sog工藝微結構鍵合強度的方法
技術領域：
本發明屬于微電子機械系統(MEMS)器件結構設計領域，具體涉及一種增強基于鍵合深刻蝕釋放標準工藝(silicon on glass, S0G)制造的微結構鍵合強度的方法,特別應用在基于SOG工藝制造的MEMS器件結構設計領域。
背景技術：
九十年代以來，微電子機械系統(MEMS)技術進入了高速發展階段，不僅是因為概念新穎，而且是由于MEMS器件跟傳統器件相比，具有小型化、集成化以及性能更優的前景特點。如今MEMS已經廣泛用于汽車、航空航天、信息控制、醫學、生物學等領域。雖然各種MEMS器件的原理和結構都不盡相同，但通過同一種加工方法來實現是 完全可能的，即標準工藝方法。鍵合深刻蝕釋放(silicon on glass, S0G)工藝是由北京大學開發出來的一種標準工藝。這套工藝已得到廣泛的應用，器件設計人員已利用這套工藝設計了幾十種器件，涉及了慣性、流體、射頻、自動控制等領域的傳感器和驅動器等。SOG工藝的大致流程如圖1所示，Ca)硅淺臺階腐蝕，定義錨點；(b)濺射金屬電極；(c)硅-玻璃陽極鍵合；(d)深刻蝕釋放結構。SOG工藝制造出來的器件，襯底材料為7740玻璃，器件結構材料為單晶硅(Si)，由于利用溫度通常在350°C以上的陽極鍵合工藝將兩基片粘接在一起，熱膨脹系數的不匹配，使鍵合界面存在著初始應力，且面積越大應力越大，而這種初始應力會嚴重影響微結構鍵合面的鍵合強度的大小，并且熱失配還可能會引起微結構的位移偏差。一種減小這種由于熱失配而導致的應力的方法是從工藝過程本身上解決問題，使單晶硅片和玻璃片在鍵合時溫度不統一，對兩基片采用兩種不同溫度進行陽極鍵合，這種方法能有效的減小熱失配導致的初始應力大小，從而增強鍵合強度。但這種方法在進行陽極鍵合時，需要對上下兩基片施加不同的穩定溫度，對鍵合設備的要求很高，不容易實現。
發明內容
本發明的目的是針對上述問題，提出一種增強SOG工藝微結構鍵合強度的方法，從器件結構設計的角度出發，利用結構利于應力釋放的優點來減小工藝過程中帶來的問題的影響，減小由于熱失配而導致的初始應力，從而增強基于SOG工藝制造的微結構的鍵合強度。為實現上述目的，本發明采用如下技術方案一種減小熱失配應力從而增強SOG工藝微結構鍵合強度的方法，其特征在于，采用由多個錨點構成的組合式錨點結構進行微結構鍵合。具體來說，上述方法是在進行基于SOG工藝制造的MEMS器件時，將單個錨點結構設計為組合式錨點(所占面積相等)，組合式錨點由多個錨點構成，優選為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η。每個錨點可為正方形、矩形、圓形、橢圓形等形狀。如圖2所示，為正方形錨點，其中(a)圖為單個錨點形式，(b)圖為2X2陣列形式的組合錨點，(c)圖為3X3陣列形式的錨點，Cd)圖為4X4陣列形式的組合錨點。進一步地，陣列數目方案的選擇理論上來說陣列中錨點的數目越多越好，但由于存在顆粒、污染等等，當鍵合面積小到一定程度時，會使鍵合質量變得很差，反而使整體鍵合強度變小，即整體鍵合強度會先隨著陣列數目的增多而增大，到了某一個數目值之后，將隨著陣列中錨點數目的增多而減小。這個最優數目可以通過拉伸或者剪切斷裂試驗獲得實驗數據。進一步地，陣列錨點間隙尺寸的選擇理論上來說是間隙尺寸越小越好，當尺寸小到某一個值d時，組合式錨點的整體鍵合強度將會等于單個錨點(所占面積相等)，而當尺寸小于d時，組合式錨點優于單個錨點。但并不能無限小下去，有兩個因素限制一是光刻所決定的最小間距；二是結構利于應力釋放所決定的間距限制。不過在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最小間距值。本發明還提供一種MEMS器件，采用上面所述的組合式錨點結構。本發明提出了從MEMS器件結構設計的角度，對錨點的分布進行合理的設計，從而減小工藝過程中帶來的熱失配應力的思路。與現有的減小陽極鍵合中熱失配應力的方法相比，本方法的優勢在于(I)不需要改變工藝流程以及工藝設備，只是從器件結構設計的角度，改變錨點分布特點，所以無須增加生產成本。(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，對于單個錨點，顆粒等污染物可能足以使其鍵合不上，而組合式錨點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的設計減小了陽極鍵合過程中帶來的熱失配應力，提高了微結構鍵合強度，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，組合式錨點增加了器件的抗沖擊能力。
圖1是鍵合深刻蝕釋放(SOG)標準工藝的一般流程。圖2是單個錨點和組合式錨點的俯視示意3是帶有單一式錨點的懸臂梁結構剖面圖和俯視圖。圖4是帶有陣列組合式錨點的懸臂梁結構剖面圖和俯視圖。其中，1-硅；2-玻璃；3-金屬。
具體實施例方式下面通過具體實施例，并配合附圖，對本發明做進一步的說明。基于鍵合深刻蝕釋放標準工藝制造的MEMS器件從上到下可大致分為結構、錨點、襯底(玻璃)三個主要部分。如圖3所示為帶有單個錨點的簡單懸臂梁器件的剖面圖和俯視圖，其中結構和錨點都是由單晶硅材料構成，而襯底則是玻璃。由于單晶硅和玻璃材料的熱膨脹系數失配，導致在器件制成之后錨點底部，單晶硅和玻璃的界面產生初始熱應力，這樣對整個器件結構的可靠性帶來了一定的負面影響，當懸臂梁受到橫向或者縱向上較大的沖擊力時，錨點處就會發生相應的扭轉斷裂或者拉壓斷裂。本發明提供的方法是將單個錨點設計成如圖4所示的陣列組合式錨點，但與單個錨點設計所占的面積相同。進一步需要確定的是陣列錨點之間的間隙尺寸和陣列數目(I)選擇陣列錨點之間的間隙尺寸。如圖4所示的組合式錨點相比如圖3所示的單個錨點，有兩個不同之處首先，組合式錨點更加有利于熱應力釋放，這是因為熱應力的大小跟界面的半徑成正向的關系，組合式錨點每個錨點的面積比單個錨點形式小得多，即組合式錨點界面熱應力會小很多，并且由于組合式錨點可以利用錨點的微小彎曲來釋放間隙處玻璃的熱應力，這是對組合式錨點有利的因素；其次，組合式錨點間隙處缺失的部分對懸臂梁的抗扭轉或者抗拉壓不起任何作用，這是對組合式錨點有害的因素。隨著間隙尺寸的減小，前者有利因素的影響會越來越弱，后者有害因素的影響也越來越弱，但前者變化的比后者緩慢得多。即存在一個臨界尺寸，當間隙小于這個尺寸時，組合式的錨點的整體鍵合強度(抗扭轉或者抗拉壓能力)比單一式錨點大。理論上，在不影響有利于應力釋放這個優勢以及大于光刻允許的最小間距時，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力釋放的極限間距，故陣列錨點之間的間隙尺寸選取光刻允許的最小間距值。(2)選擇陣列數目。如圖4所示，陣列數目的增加，在所占面積相同的情況下，即會減小陣列中每個錨點的面積，即減小由于熱失配導致的熱應力的大小，從而增加鍵合強度的大小。但對于陽極鍵合工藝來說，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顯著增加，甚至當減小到一定程度時，錨點將鍵合不上。即對于某一個固定面積的錨點區域來說，將其設計成陣列組合錨點形式，會有一個最優的陣列數目值。而這個最優陣列數目值可以通過設計實驗獲得，即通過一系列的實驗，可獲得最優陣列數目與鍵合區所占面積一一對應的數據庫。采用上述組合式錨點結構，可以與現有工藝流程以及工藝設備兼容，只需要在器件結構設計時改變錨點的形狀及分布特點。下面以3X3陣列形式的組合式錨點為例，說明含有3 X 3陣列形式錨點的MEMS器件的制備過程，器件選用最簡單的單根懸臂梁器件，工藝選擇鍵合深刻蝕釋放標準工藝
I)設計版圖，值得注意的是，只需對錨點層的版圖進行重新設計，其他層版圖不變。錨點層的版圖改動為將單個錨點拆分為3X3陣列形式，間隙設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,先進娃刻蝕)方法刻蝕娃片，刻蝕深度為4um，刻出ANCHOR臺階，版圖選用步驟I)中設計的錨點層光刻版；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；4)硅片和玻璃片陽極鍵合；5)1(0!1減薄硅面，余厚75±511111;6) ASE硅片，結構釋放，得到單根懸臂梁器件。根據上面的制備方法，可制備不同陣列形式錨點設計的單根懸臂梁器件，通過對不同的懸臂梁器件進行扭轉斷裂測試，即可得到不同陣列形式的錨點的扭轉鍵合強度的大小，并以此數據建立數據庫。對于以后的MEMS器件設計，可依據此數據庫，選擇錨點的陣列數目，從而優化設計，即增加器件鍵合微結構的鍵合強度的大小。 以上通過一個實施例描述了本發明方法在MEMS器件結構設計中的一個應用，即在帶有單一錨點的懸臂梁結構中，將單個形式的錨點設計成陣列組合式錨點。但需要說明的是，本發明方法適合其他任何基于鍵合深刻蝕釋放標準工藝制造的MEMS器件。本領域的技術人員應當理解，在不脫離本專利實質的范圍內，保持本發明中將單一式錨點重新設計為組合式錨點特征外，可對陣列錨點分布做一定的變化和修改，能應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準工藝制造。本發明的保護范圍應以權利要求所述為準。
權利要求
1.一種減小熱失配應力從而增強SOG工藝微結構鍵合強度的方法，其特征在于，采用由多個錨點構成的組合式錨點結構進行微結構鍵合。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于所述多個錨點以mXn陣列形式排列。
3.如權利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述組合式錨點結構中各錨點的底面形狀為下列中的一種或多種正方形、長方形、圓形、橢圓形。
4.如權利要求2所述的方法，其特征在于所述陣列中m=n。
5.如權利要求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.如權利要求1所述的方法，其特征在于通過拉伸或者剪切斷裂試驗確定使所述組合式錨點結構的鍵合強度最大的錨點數目，并作為所述組合式錨點中錨點的數目。
7.如權利要求1或6所述的方法，其特征在于，通過如下兩個因素確定所述組合式錨點中錨點間的間隙尺寸光刻允許的最小間距、保持有利于應力釋放的極限間距。
8.如權利要求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.如權利要求1所述的方法，其特征在于在設計MEMS器件版圖時，僅對錨點層的版圖進行重新設計，其它層版圖不變。
10.一種MEMS器件，其特征在于，采用權利要求1至8中任一項所述的組合式錨點結構。
全文摘要
本發明公開一種增強SOG工藝微結構鍵合強度的方法，該方法采用由多個錨點構成的組合式錨點結構進行微結構鍵合。該組合式錨點優選為陣列形式。可以通過拉伸或者剪切斷裂試驗確定使組合式錨點結構的鍵合強度最大的錨點數目，并作為組合式錨點中錨點的數目。可以通過光刻允許的最小間距、保持有利于應力釋放的極限間距兩個因素確定組合式錨點中錨點間的間隙尺寸。本發明還提供一種采用所述組合式錨點結構MEMS器件；本發明通過對錨點的分布進行合理的設計以減小工藝過程中帶來的熱失配應力，從而增強基于SOG工藝制造的微結構的鍵合強度，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B81C1/00GK103011056SQ201210501839
公開日2013年4月3日 申請日期2012年11月29日 優先權日2012年11月29日
發明者何軍, 張大成, 黃賢, 趙丹淇, 林琛, 王瑋, 楊芳, 田大宇, 劉鵬, 李婷, 羅葵 申請人:北京大學