專利名稱：一種基于soi的mems器件電極互連方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域。涉及一種基于SOI的MEMS器件電極互連方法。
背景技術(shù)：
SOI技術(shù)是在上個(gè)世紀(jì)80年代迅速發(fā)展起來，被成為21世紀(jì)的硅集成技術(shù)。隨著SOI工藝技術(shù)的逐漸成熟和SOI硅片成本的不斷降低，SOI應(yīng)用領(lǐng)域也逐漸擴(kuò)大，近年來廣泛應(yīng)用到MEMS領(lǐng)域。目前，國(guó)外SOI技術(shù)已經(jīng)比較成熟。很多研究機(jī)構(gòu)和公司MEMS器件，諸如壓力傳感器，慣性器件，高溫傳感器等，都已采用了 SOI技術(shù)。法國(guó)Tronic公司開發(fā)成功了 SOI工藝，對(duì)外進(jìn)行MEMS加工多年。法國(guó)的MEMSCAP公司開發(fā)了稱為S0IMUMP的 MEMS工藝技術(shù)，對(duì)外進(jìn)行代工；瑞典的Silex公司，也早已采用SOI硅片進(jìn)行器件加工。德國(guó)X-FAB公司采用SOI材料進(jìn)行MEMS器件加工，如今美國(guó)、西歐、日本，SOI技術(shù)正逐漸取代體硅加工技術(shù)，成為主流的微機(jī)械加工技術(shù)
SOI (Silicon-On-Insulator，絕緣襯底上的硅)技術(shù)是在頂層硅和背襯底之間引入了一層埋氧化層。用SOI材料作為MEMS的基片，通過ICP DRIE硅刻蝕工藝實(shí)現(xiàn)敏感單元。 SOI技術(shù)融合了體硅微加工技術(shù)和表面微加工技術(shù)，彌補(bǔ)了體微機(jī)械加工技術(shù)工藝可靠性和重復(fù)性較差的缺點(diǎn)，同時(shí)SOI中的二氧化硅夾層能用于微機(jī)械傳感器中電路部分與待測(cè)環(huán)境的隔離，降低寄生電容噪聲，提高了器件的性能。同時(shí)克服了表面微加工技術(shù)縱向尺寸太小，無法滿足高深寬比的缺點(diǎn)，并將表面微機(jī)械加工技術(shù)的縱向加工能力推進(jìn)到幾十Mffl 量級(jí)，從而擴(kuò)大了表面微機(jī)械技術(shù)的應(yīng)用范圍。目前SOI在MEMS應(yīng)用中，基于SOI材料的MEMS器件電極中，采用介質(zhì)填充，平坦化等工藝手段，從而實(shí)現(xiàn)從器件表面走金屬引線?，F(xiàn)有的SOI MEMS工藝方法技術(shù)難度大， 工藝技術(shù)復(fù)雜，成品率低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中采用介質(zhì)填充、平坦化等工藝手段，具有的技術(shù)難度大、工藝技術(shù)復(fù)雜、成品率低的缺陷，提供的一種基于SOI的MEMS器件電極互連方法。本發(fā)明的基本思路是采用在硅蓋板上制作金屬互連導(dǎo)線，然后通過金-硅共晶鍵合把MEMS器件結(jié)構(gòu)層與硅蓋板粘接在一起，從而實(shí)現(xiàn)MEMS器件的電極通過蓋板上的金屬導(dǎo)線互連在一起，并引出到金屬壓焊點(diǎn)上。該方法克服了介質(zhì)填充，平坦化等工藝帶來的技術(shù)難題，簡(jiǎn)化了工藝，易操作，適于各種SOI MEMS器件的制作。本發(fā)明的技術(shù)方案是
本發(fā)明包括制作硅蓋板和MEMS器件結(jié)構(gòu)層兩部分，主要的過程為 a、硅蓋板的制作
(ι)在硅片表面生長(zhǎng)一層S^2熱氧化層；
(2)制作深通孔制作深孔在硅片正面采用光刻工藝，光刻深孔，用KOH溶液濕法腐蝕硅，形成與金屬壓焊點(diǎn)對(duì)應(yīng)的深孔；
(3)在硅片背面濺射一層Ti/Au金屬層；
(4)制作淺槽在硅片背面采用光刻工藝，光刻淺槽圖形，然后腐蝕Ti/Au、干法刻蝕二氧化硅、DRIE深反應(yīng)離子體刻蝕硅，形成金-硅共晶鍵合的區(qū)域、MEMS器件和金屬壓焊點(diǎn)容納區(qū)、連接導(dǎo)線、電隔離槽；
b、MEMS器件敏感結(jié)構(gòu)層的制作
(1)金屬壓焊點(diǎn)制作在SOI硅片頂層硅上濺射一層Ti/Au金屬層，采用光刻工藝光刻金屬壓焊點(diǎn)圖形，然后腐蝕金屬，形成金屬壓焊點(diǎn)；
(2)淺槽刻蝕在頂層硅上采用光刻工藝光刻淺槽圖形，采用DRIE深反應(yīng)等離子體刻蝕硅，形成淺槽；
(3)深槽刻蝕采用光刻工藝光刻深槽圖形，采用DRIE深反應(yīng)離子體刻蝕硅至SOI硅片中的埋層二氧化硅，形成MEMS器件結(jié)構(gòu)釋放的深槽；
(4)結(jié)構(gòu)釋放采用氣態(tài)HF酸腐蝕SOI中的埋層二氧化硅，完成MEMS器件的結(jié)構(gòu)釋放， 形成可動(dòng)的MEMS敏感結(jié)構(gòu)；
(5)去除光刻膠對(duì)結(jié)構(gòu)釋放的MEMS芯片進(jìn)行等離子去膠；
c、MEMS器件結(jié)構(gòu)層和硅蓋板鍵合
(1)金-硅共晶鍵合在雙面光刻機(jī)中把硅蓋板和MEMS器件結(jié)構(gòu)層進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)后，放在鍵合機(jī)中進(jìn)行金-硅共晶鍵合，完成MEMS器件結(jié)構(gòu)層和硅蓋板的粘接；
(2)刻穿硅蓋板上的深孔對(duì)完成MEMS器件結(jié)構(gòu)層和硅蓋板鍵合后的圓片，利用DRIE 深反應(yīng)離子體刻蝕硅，使深孔刻穿，暴露出金屬壓焊點(diǎn)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于有效的解決了 SOI MEMS工藝中采用介質(zhì)隔離填充和溝槽介質(zhì)平坦化來實(shí)現(xiàn)金屬布線和電極引出的技術(shù)難題，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了 MEMS器件的高真空封裝。該方法簡(jiǎn)單易操作，適于各種SOI MEMS器件的制作，尤其表現(xiàn)在制作高性能的電容式MEMS器件上。


圖Ia是基于SOI的MEMS器件電極互連的結(jié)構(gòu)示意圖，該MEMS器件是通過金-硅共晶鍵合把硅蓋板和MEMS器件結(jié)構(gòu)層粘接在一起的，從而實(shí)現(xiàn)MEMS器件的電極互連與高真空封裝；
圖Ib是圖Ia中的深孔刻穿，最終形成的基于SOI的MEMS器件結(jié)構(gòu)示意圖； 圖Ic是圖Ib的A-A剖視圖； 圖加 圖2d是硅蓋板制作的主要工藝過程示意圖； 圖3a 圖!Be是MEMS器件敏感結(jié)構(gòu)的主要工藝過程示意圖。
具體實(shí)施例方式下面以高精度、高性能的電容式MEMS器件為例，說明基于SOI的MEMS器件電極互連的方法。(一)硅蓋板的制作
圖2中圖2-1 圖2-4為硅蓋板制作的主要工藝過程，具體說明為(1)生長(zhǎng)二氧化硅在清洗好的雙面拋光硅片2兩面分別生長(zhǎng)一層S^2熱氧化層2-1。 在熱氧化爐中，采用以下參數(shù)30分鐘A (升溫)+10分鐘干A (920°C)+660分鐘濕A (1100°C)+10分鐘干& (920°C)+N2 (降溫)，生長(zhǎng)SiO2厚度2Mm以上。該氧化層的目的是起電隔離和作為深孔刻蝕的掩蔽層作用，如圖加所示。(2)制作深孔在硅蓋板(即硅片2)正面采用光刻工藝，光刻深孔2-2圖形，用KOH 溶液濕法腐蝕硅，形成金屬壓焊露出的深孔2-2，如圖2b所示。(3)淀積Ti/Au金屬層在硅蓋板背面濺射一層Ti/Au金屬層2_3，Ti (0. 03Mm 0. 06Mm) / Au (0. 35Mm 0. 45Mm), Ti起粘附層的作用，Au是用于金-硅共晶鍵合及作為電容極板間連接導(dǎo)線。如圖2c所示。(4)制作淺槽在硅蓋板背面采用光刻工藝，光刻各種淺槽圖形，然后腐蝕Ti/Au (常溫下，金腐蝕液:I2:KI:H20=1 :4:10 ；Ti腐蝕液HF酸H2O=I: 10)、干法刻蝕二氧化硅(功率700W ；氣體流量 CHF3 :50sccm, SF6:6sccm, He: I3Osccm ；工作壓力2200mTorr)、DRIE 深反應(yīng)離子體刻蝕硅(RF功率600W ；刻蝕過程3 6流量130sccm，壓力^mTorr,時(shí)間6s ；鈍化過程C4F8流量85sccm，壓力17mTorr，時(shí)間3s，形成金-硅共晶鍵合的區(qū)域2_3、MEMS 器件的金屬壓焊點(diǎn)容納區(qū)2-2a、連接導(dǎo)線2-8，電隔離槽(2-4、2-5、2-6)、實(shí)現(xiàn)芯片與蓋板金-硅鍵合的高真空封裝和MEMS器件的可動(dòng)空間2-7，以及實(shí)現(xiàn)各電容極板間的互連與電隔離等，如圖2d所示。(二)MEMS器件敏感結(jié)構(gòu)的制作
圖3-a 圖3-e為MEMS器件敏感結(jié)構(gòu)的主要工藝過程，具體說明為 (1)金屬壓焊點(diǎn)制作S0I硅片3的結(jié)構(gòu)為上下兩層硅，中間夾一層SiO2埋層。先在清洗好的SOI硅片3頂層硅上濺射一層Ti/Au金屬層，厚度Ti(0. 03Mm 0. 06Mm)/Au(0. 5Mm 0. 6Mm)，光刻金屬壓焊點(diǎn)圖形，然后腐蝕金屬Ti/Au (常溫下，金腐蝕液I2KI H2O=I :4:10 ； Ti腐蝕液HF:HN03:H20=1:1:50)，最后形成金屬壓焊點(diǎn)北。金屬壓焊點(diǎn)北是為MEMS器件應(yīng)用中各信號(hào)與外電路連接用。如圖3a所示。(2)淺槽刻蝕在頂層硅上光刻各種淺槽圖形，然后采用DRIE深反應(yīng)等離子體刻蝕硅，形成淺槽(3c、3d、3e)。淺槽的作用是讓蓋板上的金導(dǎo)線從槽中安全通過，不與該區(qū)域有電氣連接，實(shí)現(xiàn)電隔離。另外還可以起到結(jié)構(gòu)釋放時(shí)的深槽、釋放孔、電隔離槽的預(yù)刻作作。如圖北所示。(3)深槽刻蝕在頂層硅上涂光刻膠3f，光刻深槽(3c、3d)圖形，采用DRIE深反應(yīng)離子體刻蝕硅至SOI硅片中的埋層二氧化硅3a (RF功率600W ；刻蝕過程=SF6流量 130sccm,壓力 28mTorr,時(shí)間 6s ；鈍化過程C4F8 流量 85sccm，壓力 17mTorr,時(shí)間 3s)。 形成MEMS器件結(jié)構(gòu)釋放的深槽，如圖3c所示。(4)結(jié)構(gòu)釋放在上述工藝過完成后，不需去光刻膠，直接采用氣態(tài)HF酸腐蝕SOI 中的埋層二氧化硅3a(工作壓力lOOTorr，溫度50°C )，完成MEMS器件的結(jié)構(gòu)釋放3h，形成可動(dòng)的MEMS敏感結(jié)構(gòu)，如圖3d所示。(5)去除光刻膠3f 對(duì)結(jié)構(gòu)釋放的MEMS芯片進(jìn)行等離子去膠。如圖；^所示。(三)MEMS器件結(jié)構(gòu)層和硅蓋板鍵合
圖la、圖Ib為MEMS器件結(jié)構(gòu)層和硅蓋板鍵合的主要工藝過程，具體說明為 (1)金-硅共晶鍵合在雙面光刻機(jī)中把硅蓋板和MEMS器件結(jié)構(gòu)層進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)后，放在鍵合機(jī)中進(jìn)行金-硅共晶鍵合(溫度440°C ；鍵合壓力3000Torr ；真空度IOmTorr ；時(shí)間30分鐘)，完成MEMS器件結(jié)構(gòu)層和硅蓋板的粘接，從而實(shí)現(xiàn)敏感結(jié)構(gòu)中各電容的電極，通過蓋板 2上的金導(dǎo)線2-8實(shí)現(xiàn)互連，以及引出到金屬壓焊點(diǎn)北上。通過金-硅共晶鍵合也實(shí)現(xiàn)了 MEMS器件的高真空封裝，如圖la。(2)刻穿金屬壓焊點(diǎn)上的深孔2-2 對(duì)完成MEMS器件結(jié)構(gòu)層和硅蓋板鍵合后的圓片，利用DRIE深反應(yīng)離子體刻蝕硅(RF功率600W ；刻蝕過程=SF6流量130sCCm，壓力 28mTorr,時(shí)間6s ；鈍化過程C4F8流量85sccm，壓力17mTorr，時(shí)間3s，使深孔刻穿，暴露出金屬壓焊點(diǎn)北，如圖Ib所示。(3)如圖lc，硅蓋板2d的最外圈為器件密封環(huán)2-10，金屬壓焊點(diǎn)北周圍是壓焊點(diǎn)密封環(huán)2-9，中間部分是金導(dǎo)線2-8以及器件敏感結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1. 一種基于SOI的MEMS器件電極互連方法，其特征在于包括以下步驟a、硅蓋板的制作(ι)在硅片表面生長(zhǎng)一層S^2熱氧化層；(2)制作深孔在硅片正面采用光刻工藝，光刻深孔，用KOH溶液濕法腐蝕硅，形成與金屬壓焊點(diǎn)對(duì)應(yīng)的深孔；(3)在硅片背面濺射一層Ti/Au金屬層；(4)制作淺槽在硅片背面采用光刻工藝，光刻淺槽圖形，然后腐蝕Ti/Au、干法刻蝕二氧化硅、DRIE深反應(yīng)離子體刻蝕硅，形成金-硅共晶鍵合的區(qū)域、MEMS器件和金屬壓焊點(diǎn)容納區(qū)、連接導(dǎo)線、電隔離槽；b、MEMS器件敏感結(jié)構(gòu)層的制作(1)金屬壓焊點(diǎn)制作在SOI硅片頂層硅上濺射一層Ti/Au金屬層，采用光刻工藝光刻金屬壓焊點(diǎn)圖形，然后腐蝕金屬層，形成金屬壓焊點(diǎn)；(2)淺槽刻蝕在頂層硅上采用光刻工藝光刻淺槽圖形，采用DRIE深反應(yīng)等離子體刻蝕硅，形成淺槽；(3)深槽刻蝕采用光刻工藝光刻深槽圖形，采用DRIE深反應(yīng)離子體刻蝕硅至SOI硅片中的埋層二氧化硅，形成MEMS器件結(jié)構(gòu)釋放的深槽；(4)結(jié)構(gòu)釋放采用氣態(tài)HF酸腐蝕SOI中的埋層二氧化硅，完成MEMS器件的結(jié)構(gòu)釋放， 形成可動(dòng)的MEMS敏感結(jié)構(gòu)；(5)去除光刻膠對(duì)結(jié)構(gòu)釋放的MEMS器件芯片進(jìn)行等離子去膠；c、MEMS器件結(jié)構(gòu)層和硅蓋板鍵合(1)金-硅共晶鍵合在雙面光刻機(jī)中把硅蓋板和MEMS器件結(jié)構(gòu)層進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)后，放在鍵合機(jī)中進(jìn)行金-硅共晶鍵合，完成MEMS器件結(jié)構(gòu)層和硅蓋板的粘接；(2)刻穿硅蓋板上的深孔對(duì)完成MEMS器件結(jié)構(gòu)層和硅蓋板鍵合后的圓片，利用DRIE 深反應(yīng)離子體刻蝕硅，使深孔刻穿，暴露出金屬壓焊點(diǎn)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于SOI的MEMS器件電極互連方法，采用在硅蓋板(2)上制作金屬互連導(dǎo)線(2-8)、以及各種電隔離槽(2-5、2-6)，然后通過金-硅共晶鍵合把MEMS器件結(jié)構(gòu)層(3)與硅蓋板(2)粘接在一起，從而實(shí)現(xiàn)MEMS器件的電極通過蓋板上的金屬導(dǎo)線互連在一起，并引出到金屬壓焊點(diǎn)上。本發(fā)明提供的方法克服了現(xiàn)有技術(shù)采用的介質(zhì)填充、平坦化等工藝帶來的技術(shù)難題，簡(jiǎn)化了工藝，易操作，適于各種SOIMEMS器件的制作。
文檔編號(hào)B81C1/00GK102367165SQ20111025361
公開日2012年3月7日 申請(qǐng)日期2011年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月31日
發(fā)明者徐棟, 方澍, 王祖民, 郭群英, 陳博, 黃斌 申請(qǐng)人:華東光電集成器件研究所