[发明专利]一种基于硅/玻璃阳极键合的微器件可动结构制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种微机电系统（MEMS）传感器与制动器，尤其是涉及可应用于微器件可动结构制备的一种基于硅/玻璃阳极键合的微器件可动结构制备方法。 

背景技术

微机电系统（MEMS）传感器与制动器已广泛应用于航天、汽车、通讯以及医疗等领域，其中，可动结构是MEMS传感器与制动器的核心，因此可动结构的制备工艺成为MEMS制造中的关键。 

传统的可动结构制备工艺可以分为两类：一种为基于晶圆键合；另一种为基于牺牲层。 

基于晶圆键合的可动结构制备工艺是MEMS传感器中最常用的可动结构制备方法。以SOG（硅/玻璃键合组合片）工艺为例，其工艺步骤如下：步骤1、采用湿法腐蚀工艺在玻璃上刻蚀出槽结构；步骤2、采用阳极键合工艺，将玻璃与硅片粘贴在一起，形成硅/玻璃组合片；步骤3、采用研磨或者湿法腐蚀工艺对组合片的硅层减薄，保证硅层厚度降至要求厚度；步骤4、对减薄后的组合片硅层刻蚀，使硅上结构处于玻璃刻蚀槽的上部，从而制备出的可动结构。该方法由于工艺成熟，成本低，因此被广泛应用于MEMS传感器与制动器的加工中。但是减薄工艺精度的不稳定性以及低的可靠性极大限制了采用该工艺加工硅结构层厚度小于50μm的MEMS器件。这主要由于传统的研磨减薄工艺，制备硅结构层的厚度均匀性较差，总厚度偏差一般至少在3～5μm以上。而高精度的湿法减薄工艺能够保持厚度均匀性在1μm以下，例如超声腐蚀法制备硅膜（曾毅波，超声技术在硅湿法腐蚀中的应用，光学精密工程，2009年1月），然而由于腐蚀过程中超声振动作用，组合片内玻璃刻蚀槽对应区域的悬空硅层，在厚度减少至80μm以下后会发生破裂。 

基于牺牲层的可动结构制备工艺是MEMS加工中的另一类可动结构制备工艺方法，根据牺牲层的类型可以将这一方法分为两类，一是基于表面牺牲层的可动结构制备工艺，即利用表面微加工工艺，通常为氧化、沉积、涂覆、光刻等方式在基底表面形成结构层与牺牲层的薄膜结构，然后将下层牺牲层腐蚀并保留上层结构层，使结构层与基底分离制备可动结构。由 于基于表面牺牲层的可动结构制备工艺中，结构层与牺牲层都是通过MEMS微工艺沉积在基底之上，沉积过程中会产生较大的应力，对应的形变会很大程度地影响传感器性能。另一类为基于体牺牲层的可动结构制备工艺，主要为SOI（绝缘衬底上的硅）工艺。SOI工艺步骤如图2所示，工艺步骤如下：步骤1、参考图2（a），采用离子注入工艺在基底硅中掺入氧元素，从而硅体中间形成一层厚度可控的SiO₂（二氧化硅）牺牲层，即SOI片；步骤2、参考图2（b），采用刻蚀工艺，在结构硅层上刻蚀出结构；步骤3、参考图2（c），采用湿法腐蚀工艺，腐蚀刻蚀结构下方的牺牲层SiO₂，从而制备悬空的可动结构。SOI工艺由于中间牺牲层的良好绝缘性能减小了寄生电容，结构层厚度可控性更高，是一种通用的MEMS传感器与制动器的可动结构制备工艺，如微加速度计、微陀螺仪、微压力传感器等均可以采用这种加工工艺（Moon Chul Lee,A high yield rate MEMS gyroscope with a packaged SiOG process,J.Micromech.Microeng.）。但是由于SOI片加工困难，成本高，应力大，导致基于体牺牲层的可动结构制备工艺无法被大规模应用于MEMS可动结构的制备中。 

阳极键合技术是MEMS加工中常用的一项工艺，主要是针对硅基与玻璃，在一定温度和电场的作用下，使紧密贴合的硅与玻璃在界面上发生化学键连接，最终实现硅与玻璃的永久粘贴，形成硅/玻璃组合片。近期试验发现，阳极键合后硅与玻璃界面处会形成一层特殊的SiO₂层，该层SiO₂相较于玻璃本身在氢氟酸中的腐蚀速率更快，并且试验证明该层SiO₂的宽度由键合温度与电压决定，是一层自然形成，且可用以制备MEMS器件可动结构的牺牲层。 

发明内容

本发明目的在于针对传统可动结构的加工工艺较困难、成本高、加工厚度均匀性较差等问题，提供一种基于硅/玻璃阳极键合的微器件可动结构制备方法。 

本发明包括以下步骤： 

1）将玻璃片与硅片键合在一起，形成硅/玻璃组合片以及中间的牺牲氧化层； 

2）将步骤1）得到的硅/玻璃组合片的硅片减薄并抛光； 

3）在减薄后的硅片上刻蚀出可动结构；