真空键合技术制作三层 结构的 MEMS 器件的研究
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真空键合技术制作三层 结构的 MEMS 器件的研究
杨国渝1 , 税国华1 , 张正元1 ,2 , 温志渝1
(11 中国电子科技集团电子第 24 研究所 , 重庆 400060 ; 21 重庆大学光电工程学院 , 重庆 400060) E2mail :zhang 45678 @fom. com
摘要 : 采用真空键合技术 ,成功地将表面具有深度不同的硅槽或框架结构的硅圆片与另外两个硅 圆片贴合形成三层夹心结构 ,经高温退火处理 ,得到一种粘合牢固的硅“三明治”体 。这种“三明治” 体的上下两个硅片仍可进行 IC 加工 ,为 M EMS 传感部分和测试电路的三维一体化集成打下了坚 实的基础 。 关键词 : 真空键合 ; 退火 ; 三层结构 ; IC 工艺 中图分类号 : TN405 文献标识码 : A 文章编号 : 167124776 (2003) 07/ 0820120202
单元芯片的内部结构 ,中间硅片形成的空框 ,为质量 块运动提供了空间 。
2 采用真空键合的三层结构
的制作工艺
2 . 1 硅材料制备 采用市售 75 或 100 双面抛光片 ,按要求对中
间硅片加工成腔体 、梁和质量块 ,如图 1 所示 。该硅 片除图形外 ,其余表面均为 SiO2 介质 ,上 、下硅片与 该硅片接触的部分为裸硅 。 2 . 2 硅片的清洗
1 引 言
近 年 来 M EMS 技 术 迅 速 发 展 , 各 种 新 的 M EMS 加工技术和产品不断被开发出来 ,其中采用 硅基微电子工艺进行加工的产品 ,有些可以用类似 于微电子的硅2硅直接键合 SO I 材料制作 。本文介 绍的具有三层结构的 M EMS 器件就是采用微电子 加工技术和设备 ,先对一个硅片的两个表面进行三 维体加工 ,形成具有微腔或悬臂梁和质量块的结构 , 如图 1 所示 。作为 M EMS 器件传感部分的机械部 件 ,再与上 、下两个硅片贴合形成“三明治”夹心结 构 ,经退火后 ,上下两个硅片仍可按微电子加工技术
第二步 ,将上硅片与中硅片的另一个表面在该
真空室内贴合 ,真空室的真空度按 M EMS 器件的设
计要求确定 。经两次贴合 ,使三个硅片形成一整体 ,
真空键合完成 。
2 . 4 高温退火
将真空键合好的硅晶片在室温或 200 ℃以下送 入退火炉中 ,逐渐升温至 1000～1200 ℃,在此温度
图 3 三层结构整体破坏的芯片
图 2 三层结构的芯片
三层结构真空键合成功的关键与其他硅2硅直 接键合技术一样 ,首先要求硅片的平整度良好 。通 过长期实践 ,我们认为目前国内市售的硅片平整度 可满足要求 ,因而特别要防止硅片在加工过程中产 生的变形 。尤其是中间硅片 ,由于要加工成较复杂 的图形 ,需要经过多次高温氧化 、淀积氮化硅等 ,这 些工序都极易造成硅片变形 。硅片一旦变形 ,一般 都不能键合上 ,即使勉强键合上 ,在退火后的加工过 程中也会出现裂纹或上 、下硅片局部起泡的现象 。 图 2 所示单元芯片即为后续加工出现了裂纹 ,划片 形成单元芯片后 ,轻易就能将上硅片从界面分离开 。 而真正键合好的硅片 ,界面处的 SiO2 与上层 Si 形 成了化学键 ,只能整体被破坏 ,不会发生上 、下硅片 在界面处脱落 。图 3 为三层结构整体破坏的情况 。
[ 2 ] 何 进 ,王 新 ,陈星弼. 硅2硅直接键合的亲水处理及界面电 特性[J ] . 微电子学 1999 ,29 (5) :3542357.
作者简介 : 杨国 渝 女 , 高 级 工 程 师 , 主 要 从 事 集 成 电 路 工 艺 技 术 和
M EMS 技术研究 。
Micronanoelectronic Fechnology/ J uly～Augus t 2003 1 21 微纳电子技术 2003 年第 7/ 8 期
内退火 2～3 h 。逐渐降温至 200 ℃以下取片 ,高温 下真空键合的 Si/ SiO2 界面形成稳定的 Si - O - Si 化学键 ,三个硅片形成牢固的整体晶片 。
3 实验结果及讨论
采用真空键合技术 ,硅片表面可以不经过“亲 水”处理 ,靠中间硅片的腔体与上 、下两硅片形成的 真空负压与外部大气压之间的压力差 ,使三个硅片 的 Si/ SiO2 界面在退火前形成物理接触 ,经过 1000 ℃以上高温退火后 ,上 、下硅片表面的硅原子与中间 硅片的 SiO2 形成了稳定的 Si - O - Si 化学键 。这 样键合好的三个硅片形成一个整体后 ,可按常规集 成电路工艺 ,对上 、下硅片进行加工 ,加工完毕后将 每个独立的 M EMS 单元分开 。图 2 为一个 M EMS
Abstract : The silicon sandwich of one wafer wit h difference dept h t renches or cantilever f rame st ruc2 t ure bonded wit h anot her two wafers is obtained by vacuum - bonding and high temperat ure annealing technology , and on it s up and down side , IC can be fabricated , t his is st rong base for t hree dimension integrated wit h M EMS sensor part s and measuring circuit . Key words : vacuum bonding ; annealing ; sandwich ; IC process
微纳电子技术 2003 年第 7/ 8 期 12 0 Micronanoelectronic Fechnology/ J uly～Augus t 2003
采用真空键合技术 ,使上 、中 、下三个硅片在真 空条件下贴合 ,由于中间硅片具有的微腔或空心部 分与上 、下硅片可形成密封的真空空间 ,在常压下 , 上 、下硅片自然对中间硅片产生一定压力 ,原始硅片 贴合时存在的微缝隙 ,在此压力作用下大部分会消 失或减少 ,提高了ndwich MEMS device by vacuum bonding
YAN G Guo2yu1 , SU I Guo2hua1 , ZHAN G Zheng2yuan1 ,2 , WEN Zhi2yu2
(1. The 24 t h Research I nstit ute , CETC , Chongqi ng 400060 , Chi na ; 2. Depart ment Optoelect ronic Engi neeri ng , Chongqi ng U niversity , Chongqi ng 400060 , Chi na)
用集成电路制作的常规清洗方法和常用的清洗 液如 H2 SO4/ H2O2 ,N H4·H20/ H2O2 和 HCl/ H2O2 煮 沸冲水后 ,用稀 HF 腐蚀掉硅表面的自然氧化层 ,冲 水甩干 ,中间硅片若有悬臂梁 、质量块不宜甩干的 , 采用烘干备用 。 2 . 3 真空键合
真空键合采用两步进行 : 第一步 , 将有图形的中间硅片的一个表面与下 硅片对位好后 ,在真空键合系统的真空室内贴合 ;
作为mems器件传感部分的机械部再与上下两个硅片贴合形成三明治夹心结经退火后上下两个硅片仍可按微电子加工技术具有腔体图形的硅片和设备进行氧化光刻深槽刻蚀金属化等操作mems传感部分和测试电路的一体化加工下硅片的有效接触面积减小从而增加了键合难度2003205215基金项目国家863资助项目2002aa404080微纳电子技术2003120micronanoelectronicfechnologyulyaugust2003采用真空键合技术下三个硅片在真空条件下贴合由于中间硅片具有的微腔或空心部下硅片可形成密封的真空空间在常压下下硅片自然对中间硅片产生一定压力原始硅片贴合时存在的微缝隙在此压力作用下大部分会消失或减少提高了成品率采用真空键合的三层结构的制作工艺硅材料制备采用市售75100双面抛光片按要求对中间硅片加工成腔体梁和质量块如图片除图形外其余表面均为sio2介质下硅片与该硅片接触的部分为裸硅硅片的清洗用集成电路制作的常规清洗方法和常用的清洗h2so4h2o2h4h20h2o2hclh2o2hf腐蚀掉硅表面的自然氧化层水甩干中间硅片若有悬臂梁质量块不宜甩干的真空键合真空键合采用两步进行将有图形的中间硅片的一个表面与下硅片对位好后在真空键合系统的真空室内贴合第二步将上硅片与中硅片的另一个表面在该真空室内贴合真空室的真空度按mems器件的设计要求确定
4 结 论
采用真空键合技术 ,省去了硅片直接键合进行 的“亲水”处理[2 ] ;真空键合制作三层结构的 M EMS 器件 ,由于中间硅片图形较复杂 ,键合操作时必须保 护好图形不受损伤 ;另外 ,保证每个硅片良好的平整 度是键合成功的关键条件 。 参考文献 :
[ 1 ] 张正元 ,杨国渝 ,温志渝. 真空压力传感器的硅2硅键合技术研 究[J ] . 压电与声光 ,2001 ,23 :86287.
图 1 具有腔体图形的硅片
和设备进行氧化 、光刻 、深槽刻蚀 、金属化等操作 ,完 成 M EMS 传感部分和测试电路的一体化加工 。由 于中间硅片上的传感部件具有微腔或空心结构 ,使 其与上 、下硅片的有效接触面积减小 ,从而增加了键 合难度[1 ] 。
收稿日期 : 2003205215 基金项目 : 国家 863 资助项目 (2002AA404080)
杨国渝1 , 税国华1 , 张正元1 ,2 , 温志渝1
(11 中国电子科技集团电子第 24 研究所 , 重庆 400060 ; 21 重庆大学光电工程学院 , 重庆 400060) E2mail :zhang 45678 @fom. com
摘要 : 采用真空键合技术 ,成功地将表面具有深度不同的硅槽或框架结构的硅圆片与另外两个硅 圆片贴合形成三层夹心结构 ,经高温退火处理 ,得到一种粘合牢固的硅“三明治”体 。这种“三明治” 体的上下两个硅片仍可进行 IC 加工 ,为 M EMS 传感部分和测试电路的三维一体化集成打下了坚 实的基础 。 关键词 : 真空键合 ; 退火 ; 三层结构 ; IC 工艺 中图分类号 : TN405 文献标识码 : A 文章编号 : 167124776 (2003) 07/ 0820120202
单元芯片的内部结构 ,中间硅片形成的空框 ,为质量 块运动提供了空间 。
2 采用真空键合的三层结构
的制作工艺
2 . 1 硅材料制备 采用市售 75 或 100 双面抛光片 ,按要求对中
间硅片加工成腔体 、梁和质量块 ,如图 1 所示 。该硅 片除图形外 ,其余表面均为 SiO2 介质 ,上 、下硅片与 该硅片接触的部分为裸硅 。 2 . 2 硅片的清洗
1 引 言
近 年 来 M EMS 技 术 迅 速 发 展 , 各 种 新 的 M EMS 加工技术和产品不断被开发出来 ,其中采用 硅基微电子工艺进行加工的产品 ,有些可以用类似 于微电子的硅2硅直接键合 SO I 材料制作 。本文介 绍的具有三层结构的 M EMS 器件就是采用微电子 加工技术和设备 ,先对一个硅片的两个表面进行三 维体加工 ,形成具有微腔或悬臂梁和质量块的结构 , 如图 1 所示 。作为 M EMS 器件传感部分的机械部 件 ,再与上 、下两个硅片贴合形成“三明治”夹心结 构 ,经退火后 ,上下两个硅片仍可按微电子加工技术
第二步 ,将上硅片与中硅片的另一个表面在该
真空室内贴合 ,真空室的真空度按 M EMS 器件的设
计要求确定 。经两次贴合 ,使三个硅片形成一整体 ,
真空键合完成 。
2 . 4 高温退火
将真空键合好的硅晶片在室温或 200 ℃以下送 入退火炉中 ,逐渐升温至 1000～1200 ℃,在此温度
图 3 三层结构整体破坏的芯片
图 2 三层结构的芯片
三层结构真空键合成功的关键与其他硅2硅直 接键合技术一样 ,首先要求硅片的平整度良好 。通 过长期实践 ,我们认为目前国内市售的硅片平整度 可满足要求 ,因而特别要防止硅片在加工过程中产 生的变形 。尤其是中间硅片 ,由于要加工成较复杂 的图形 ,需要经过多次高温氧化 、淀积氮化硅等 ,这 些工序都极易造成硅片变形 。硅片一旦变形 ,一般 都不能键合上 ,即使勉强键合上 ,在退火后的加工过 程中也会出现裂纹或上 、下硅片局部起泡的现象 。 图 2 所示单元芯片即为后续加工出现了裂纹 ,划片 形成单元芯片后 ,轻易就能将上硅片从界面分离开 。 而真正键合好的硅片 ,界面处的 SiO2 与上层 Si 形 成了化学键 ,只能整体被破坏 ,不会发生上 、下硅片 在界面处脱落 。图 3 为三层结构整体破坏的情况 。
[ 2 ] 何 进 ,王 新 ,陈星弼. 硅2硅直接键合的亲水处理及界面电 特性[J ] . 微电子学 1999 ,29 (5) :3542357.
作者简介 : 杨国 渝 女 , 高 级 工 程 师 , 主 要 从 事 集 成 电 路 工 艺 技 术 和
M EMS 技术研究 。
Micronanoelectronic Fechnology/ J uly～Augus t 2003 1 21 微纳电子技术 2003 年第 7/ 8 期
内退火 2～3 h 。逐渐降温至 200 ℃以下取片 ,高温 下真空键合的 Si/ SiO2 界面形成稳定的 Si - O - Si 化学键 ,三个硅片形成牢固的整体晶片 。
3 实验结果及讨论
采用真空键合技术 ,硅片表面可以不经过“亲 水”处理 ,靠中间硅片的腔体与上 、下两硅片形成的 真空负压与外部大气压之间的压力差 ,使三个硅片 的 Si/ SiO2 界面在退火前形成物理接触 ,经过 1000 ℃以上高温退火后 ,上 、下硅片表面的硅原子与中间 硅片的 SiO2 形成了稳定的 Si - O - Si 化学键 。这 样键合好的三个硅片形成一个整体后 ,可按常规集 成电路工艺 ,对上 、下硅片进行加工 ,加工完毕后将 每个独立的 M EMS 单元分开 。图 2 为一个 M EMS
Abstract : The silicon sandwich of one wafer wit h difference dept h t renches or cantilever f rame st ruc2 t ure bonded wit h anot her two wafers is obtained by vacuum - bonding and high temperat ure annealing technology , and on it s up and down side , IC can be fabricated , t his is st rong base for t hree dimension integrated wit h M EMS sensor part s and measuring circuit . Key words : vacuum bonding ; annealing ; sandwich ; IC process
微纳电子技术 2003 年第 7/ 8 期 12 0 Micronanoelectronic Fechnology/ J uly～Augus t 2003
采用真空键合技术 ,使上 、中 、下三个硅片在真 空条件下贴合 ,由于中间硅片具有的微腔或空心部 分与上 、下硅片可形成密封的真空空间 ,在常压下 , 上 、下硅片自然对中间硅片产生一定压力 ,原始硅片 贴合时存在的微缝隙 ,在此压力作用下大部分会消 失或减少 ,提高了ndwich MEMS device by vacuum bonding
YAN G Guo2yu1 , SU I Guo2hua1 , ZHAN G Zheng2yuan1 ,2 , WEN Zhi2yu2
(1. The 24 t h Research I nstit ute , CETC , Chongqi ng 400060 , Chi na ; 2. Depart ment Optoelect ronic Engi neeri ng , Chongqi ng U niversity , Chongqi ng 400060 , Chi na)
用集成电路制作的常规清洗方法和常用的清洗 液如 H2 SO4/ H2O2 ,N H4·H20/ H2O2 和 HCl/ H2O2 煮 沸冲水后 ,用稀 HF 腐蚀掉硅表面的自然氧化层 ,冲 水甩干 ,中间硅片若有悬臂梁 、质量块不宜甩干的 , 采用烘干备用 。 2 . 3 真空键合
真空键合采用两步进行 : 第一步 , 将有图形的中间硅片的一个表面与下 硅片对位好后 ,在真空键合系统的真空室内贴合 ;
作为mems器件传感部分的机械部再与上下两个硅片贴合形成三明治夹心结经退火后上下两个硅片仍可按微电子加工技术具有腔体图形的硅片和设备进行氧化光刻深槽刻蚀金属化等操作mems传感部分和测试电路的一体化加工下硅片的有效接触面积减小从而增加了键合难度2003205215基金项目国家863资助项目2002aa404080微纳电子技术2003120micronanoelectronicfechnologyulyaugust2003采用真空键合技术下三个硅片在真空条件下贴合由于中间硅片具有的微腔或空心部下硅片可形成密封的真空空间在常压下下硅片自然对中间硅片产生一定压力原始硅片贴合时存在的微缝隙在此压力作用下大部分会消失或减少提高了成品率采用真空键合的三层结构的制作工艺硅材料制备采用市售75100双面抛光片按要求对中间硅片加工成腔体梁和质量块如图片除图形外其余表面均为sio2介质下硅片与该硅片接触的部分为裸硅硅片的清洗用集成电路制作的常规清洗方法和常用的清洗h2so4h2o2h4h20h2o2hclh2o2hf腐蚀掉硅表面的自然氧化层水甩干中间硅片若有悬臂梁质量块不宜甩干的真空键合真空键合采用两步进行将有图形的中间硅片的一个表面与下硅片对位好后在真空键合系统的真空室内贴合第二步将上硅片与中硅片的另一个表面在该真空室内贴合真空室的真空度按mems器件的设计要求确定
4 结 论
采用真空键合技术 ,省去了硅片直接键合进行 的“亲水”处理[2 ] ;真空键合制作三层结构的 M EMS 器件 ,由于中间硅片图形较复杂 ,键合操作时必须保 护好图形不受损伤 ;另外 ,保证每个硅片良好的平整 度是键合成功的关键条件 。 参考文献 :
[ 1 ] 张正元 ,杨国渝 ,温志渝. 真空压力传感器的硅2硅键合技术研 究[J ] . 压电与声光 ,2001 ,23 :86287.
图 1 具有腔体图形的硅片
和设备进行氧化 、光刻 、深槽刻蚀 、金属化等操作 ,完 成 M EMS 传感部分和测试电路的一体化加工 。由 于中间硅片上的传感部件具有微腔或空心结构 ,使 其与上 、下硅片的有效接触面积减小 ,从而增加了键 合难度[1 ] 。
收稿日期 : 2003205215 基金项目 : 国家 863 资助项目 (2002AA404080)