[發(fā)明專利]一種高均勻性的大質(zhì)量塊MEMS結(jié)構(gòu)與制備方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010675643.1
• 申請(qǐng)日: 2020-07-14
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111908418A
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-11-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張樂(lè)民;劉福民;楊靜;張樹(shù)偉;劉宇;梁德春;崔尉;吳浩越
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京航天控制儀器研究所
• 主分類號(hào): B81B3/00
• 分類號(hào): B81B3/00;B81C1/00;B81C3/00
• 代理公司: 中國(guó)航天科技專利中心 11009
• 代理人: 張歡

本發(fā)明涉及一種高均勻性的大質(zhì)量塊MEMS結(jié)構(gòu)與制備方法，通過(guò)襯底層和結(jié)構(gòu)層晶圓鍵合與刻蝕技術(shù)，形成由固定錨區(qū)支撐的可動(dòng)質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)。首先在襯底層或結(jié)構(gòu)層晶圓上經(jīng)光刻、刻蝕形成錨區(qū)，通過(guò)晶圓鍵合的方式形成鍵合片，減薄鍵合片至所需厚度，刻蝕形成可動(dòng)質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)。為滿足大質(zhì)量塊MEMS結(jié)構(gòu)厚度高均勻性加工要求，在質(zhì)量塊底部設(shè)計(jì)減薄支撐錨區(qū)，晶圓鍵合后該錨區(qū)對(duì)質(zhì)量塊起到支撐作用。刻蝕時(shí)將對(duì)應(yīng)位置處結(jié)構(gòu)層去除，釋放質(zhì)量塊。與傳統(tǒng)的MEMS可動(dòng)質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)加工方式相比，該結(jié)構(gòu)在質(zhì)量塊底部設(shè)計(jì)有支撐錨區(qū)，避免了在減薄過(guò)程中，由于晶圓內(nèi)外氣壓差和所施加的壓力造成懸空的可動(dòng)質(zhì)量塊處減薄厚度不均勻的問(wèn)題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種大質(zhì)量塊MEMS結(jié)構(gòu)及制備方法。

背景技術(shù)

在微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)傳感器中常采用可動(dòng)質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)壓力、振動(dòng)、加速度、角速度等物理量的測(cè)量或轉(zhuǎn)換，可動(dòng)質(zhì)量塊的大小對(duì)傳感器的檢測(cè)靈敏度有著直接的影響。

一種常用的工藝制備方法是通過(guò)晶圓鍵合的方式實(shí)現(xiàn)兩層晶圓的鍵合，通過(guò)減薄及刻蝕的加工一側(cè)的晶圓，形成質(zhì)量塊。該方法在大質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)加工過(guò)程，存在的一個(gè)難題是大質(zhì)量塊下方懸空，無(wú)結(jié)構(gòu)支撐。在晶圓鍵合過(guò)程中為保證鍵合強(qiáng)度，常常需要抽真空，而為實(shí)現(xiàn)圓片級(jí)封裝或避免鍵合片內(nèi)部在后續(xù)清洗過(guò)程進(jìn)入顆粒或液體，常使鍵合晶圓周邊密封。這會(huì)造成鍵合片上質(zhì)量塊下方空腔氣壓較低，在結(jié)構(gòu)層減薄或拋光過(guò)程中，質(zhì)量塊處結(jié)構(gòu)層變薄，形變?cè)黾樱瑢?dǎo)致減薄厚度不均勻。除鍵合過(guò)程抽真空外，減薄與拋光過(guò)程的機(jī)械壓力也可能造成懸空的質(zhì)量塊處結(jié)構(gòu)形變，導(dǎo)致厚度不均勻。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題是：克服大質(zhì)量結(jié)構(gòu)加工過(guò)程中，由于鍵合晶圓片內(nèi)外氣壓差和減薄拋光過(guò)程所施加的壓力造成懸空的可動(dòng)質(zhì)量塊處結(jié)構(gòu)變形導(dǎo)致的減薄拋光厚度不均勻的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種高均勻性的大質(zhì)量塊MEMS結(jié)構(gòu)與制備方法。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種高均勻性的大質(zhì)量塊MEMS結(jié)構(gòu)，包含襯底層、結(jié)構(gòu)層和錨區(qū)層；由襯底層晶圓和結(jié)構(gòu)層晶圓通過(guò)晶圓鍵合實(shí)現(xiàn)；結(jié)構(gòu)層包含彈性梁、質(zhì)量塊和解支撐孔；錨區(qū)層包含支撐錨區(qū)和固定錨區(qū)；質(zhì)量塊與彈性梁相連，并通過(guò)固定錨區(qū)固定于襯底層上；多個(gè)解支撐孔分布在質(zhì)量塊中，解支撐孔下方對(duì)應(yīng)設(shè)置支撐錨區(qū)。

結(jié)構(gòu)層和錨區(qū)層均為硅材料，襯底層為硅、玻璃、石英、陶瓷或其他材料；當(dāng)襯底層為硅材料時(shí)，錨區(qū)層由結(jié)構(gòu)層硅晶圓或襯底層的硅晶圓加工形成；當(dāng)襯底層為非硅材料時(shí)，錨區(qū)層由結(jié)構(gòu)層的硅晶圓加工形成。

襯底層的厚度范圍為200～1000μm。

錨區(qū)層通過(guò)干法刻蝕或濕法腐蝕加工形成，錨區(qū)層的厚度范圍為2～100μm。

襯底層晶圓和結(jié)構(gòu)層晶圓之間的晶圓鍵合方式包括硅-硅直接鍵合、硅-氧化硅直接鍵合、硅-玻璃陽(yáng)極鍵合、共晶鍵合、焊料鍵合。

結(jié)構(gòu)層晶圓經(jīng)機(jī)械研磨減薄或濕法腐蝕減薄，厚度范圍為30～200μm。

彈性梁、質(zhì)量塊、解支撐孔以及結(jié)構(gòu)層晶圓上與固定錨區(qū)相對(duì)應(yīng)位置結(jié)構(gòu)均通過(guò)干法刻蝕加工形成。

支撐錨區(qū)在刻蝕前與結(jié)構(gòu)層晶圓相連；在刻蝕后，支撐錨區(qū)的對(duì)應(yīng)位置形成解支撐孔，支撐錨區(qū)與質(zhì)量塊分離。

所述的大質(zhì)量塊MEMS結(jié)構(gòu)的制備方法，包含以下步驟：

步驟一、在襯底層晶圓或結(jié)構(gòu)層晶圓表面涂覆光刻膠，光刻出支撐錨區(qū)和固定錨區(qū)圖形，并采用干法刻蝕機(jī)刻蝕晶圓形成支撐錨區(qū)和固定錨區(qū)結(jié)構(gòu)，之后去除光刻膠；

步驟二、將襯底層晶圓與結(jié)構(gòu)層晶圓鍵合；鍵合方式包括硅-硅直接鍵合、硅-氧化硅直接鍵合、硅-玻璃陽(yáng)極鍵合、共晶鍵合、焊料鍵合；

步驟三、將結(jié)構(gòu)層晶圓經(jīng)機(jī)械研磨減薄或KOH溶液濕法腐蝕減薄至30-200μm厚度；