[發(fā)明專利]一種壓電MEMS結(jié)構(gòu)親水性硅硅直接鍵合工藝

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910879204.X
• 申請日: 2019-09-18
• 公開（公告）號: CN110642221B
• 公開（公告）日: 2022-08-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王春慧;平鵬祥;邵金友;田洪淼;楊正杰;王小培;嚴(yán)超
• 申請（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類號: B81B7/02
• 分類號: B81B7/02;B81C1/00
• 代理公司: 西安智大知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所 61215
• 代理人: 賀建斌

一種壓電MEMS結(jié)構(gòu)親水性硅硅直接鍵合工藝，先在帶有壓電結(jié)構(gòu)圖案區(qū)的第一硅片上旋涂光刻膠作為壓電材料的第一保護(hù)層，將掩膜版圖案轉(zhuǎn)移到第一保護(hù)層上，在第一保護(hù)層上貼上一層聚酰亞胺作為第二保護(hù)層；再將第一硅片經(jīng)過氧等離子體表面活化、濕法活化處理；然后將另一塊不帶壓電材料且經(jīng)過MEMS工藝處理后具有體硅結(jié)構(gòu)的第二硅片經(jīng)過清洗，兩塊硅片通過Si?O?Si鍵實(shí)現(xiàn)預(yù)鍵合；本發(fā)明通過親水性硅硅低溫直接鍵合方法實(shí)現(xiàn)硅基壓電MEMS結(jié)構(gòu)與硅基基底的低溫、氣密性的高質(zhì)量有效鍵合，并且通過壓電材料的保護(hù)方法避免鍵合過程中化學(xué)清洗處理對任意壓電材料的損傷，可實(shí)現(xiàn)包含壓電材料的硅基壓電MEMS結(jié)構(gòu)與硅基基底的高可靠性鍵合。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種壓電MEMS結(jié)構(gòu)親水性硅硅直接鍵合工藝。

背景技術(shù)

壓電材料具備壓電效應(yīng)或者逆壓電效應(yīng)，能夠?qū)崿F(xiàn)電能與機(jī)械能之間的相互轉(zhuǎn)化，將其應(yīng)用于MEMS領(lǐng)域開發(fā)出的壓電MEMS結(jié)構(gòu)通過單片即可實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)、傳感、能量收集等功能，是應(yīng)用潛力巨大的熱點(diǎn)技術(shù)。包含壓電材料的硅基壓電MEMS結(jié)構(gòu)與硅基基底的有效鍵合，是開發(fā)壓電式微滴噴射打印頭、壓電微流體泵、壓電微傳感器等諸多壓電MEMS器件的關(guān)鍵甚至決定性因素，高可靠性的鍵合技術(shù)對于壓電MEMS技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要。

現(xiàn)有技術(shù)中，有采用陽極鍵合、硅硅熔融鍵合、金硅共晶鍵合等方法實(shí)現(xiàn)包含壓電材料的硅基壓電MEMS結(jié)構(gòu)與硅基基底的鍵合，但是由于其鍵合溫度一般在300-1200℃，大于多數(shù)壓電材料的居里溫度(如大部分PZT壓電陶瓷居里溫度在200-300℃)，會(huì)對壓電MEMS結(jié)構(gòu)的性能產(chǎn)生嚴(yán)重不利影響，這造成了陽極鍵合、硅硅熔融鍵合、金硅共晶鍵合等技術(shù)的應(yīng)用受限。同時(shí)由于較高的鍵合溫度會(huì)造成上下異質(zhì)結(jié)構(gòu)熱膨脹效應(yīng)的不匹配甚至翹曲，破壞壓電MEMS器件的對準(zhǔn)精度。聚合物黏結(jié)鍵合(如環(huán)氧樹脂黏結(jié)鍵合)的鍵合溫度可小于200-300攝氏度甚至達(dá)到室溫鍵合，因此在包含壓電材料的硅基壓電MEMS結(jié)構(gòu)與硅基基底的鍵合中也得到了應(yīng)用，但是由于其鍵合面的氣密性存在問題，并且鍵合可靠性差，在實(shí)際應(yīng)用中作為器件中的薄弱環(huán)節(jié)極大影響了壓電MEMS器件的壽命。采用硅硅直接鍵合的方法理論上可有效避免鍵合溫度、鍵合面等存在上述問題，但是硅硅直接鍵合方法需要在鍵合前對鍵合表面進(jìn)行化學(xué)清洗處理，該過程使用的化學(xué)試劑會(huì)對多數(shù)壓電材料產(chǎn)生損傷，造成壓電MEMS結(jié)構(gòu)的失效，這限制了硅硅直接鍵合方法在包含壓電材料的硅基壓電MEMS結(jié)構(gòu)與硅基基底的鍵合中的使用。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種壓電MEMS結(jié)構(gòu)親水性硅硅直接鍵合工藝，實(shí)現(xiàn)包含壓電材料的硅基壓電MEMS結(jié)構(gòu)與硅基基底的有效鍵合。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

一種壓電MEMS結(jié)構(gòu)親水性硅硅直接鍵合工藝，包括如下步驟：

第一步，在帶有壓電結(jié)構(gòu)圖案區(qū)的第一硅片1上旋涂光刻膠作為壓電材料的第一保護(hù)層2，其處理方法為：在帶有壓電材料4的第一硅片1周圍貼上一層膠帶5，使用勻膠機(jī)旋涂一層8微米厚度的光刻膠，95℃前烘10分鐘使光刻膠的溶劑揮發(fā)并且粘附在第一硅片1上；

第二步，將第一硅片1上周圍的膠帶5去除，使用一塊掩膜版進(jìn)行光刻，將掩膜版圖案轉(zhuǎn)移到第一保護(hù)層2上；掩膜版上的圖案與壓電材料4圖案一致，掩膜版上有圖案的區(qū)域?yàn)橥腹猓渌麉^(qū)域?yàn)椴煌腹猓皇褂霉饪虣C(jī)正面對準(zhǔn)，曝光30s，使用顯影液AZ400K與去離子水以1:3的配比混合溶液作為顯影液，顯影3分鐘，120℃堅(jiān)膜30分鐘；

第三步，在第一保護(hù)層2上貼上一層聚酰亞胺(PI膠帶)作為第二保護(hù)層3，聚酰亞胺的大小與第一硅片1的大小相同；

第四步，按體積比4:1的配比配制濃硫酸和過氧化氫的混合溶液，將準(zhǔn)備好的第一硅片1放入配制好的溶液中，放在恒溫?zé)岚迳霞訜嶂?10℃，恒溫保持30分鐘；使用特氟龍鑷子將硅片取出，放入裝有去離子水的容器中反復(fù)清洗10分鐘；