專利名稱：帶有微腔的圖形硅片真空鍵合方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及硅微機械電子系統(tǒng)(MEMS)制造中的鍵合工藝，特別是涉及一種帶有微腔 的圖形硅片真空鍵合方法，它適用于微機電系統(tǒng)制造中的鍵合工藝。
(二)
背景技術(shù)：
微機電系統(tǒng)(MEMS)是利用半導(dǎo)體工藝，來制造整合機械及電子元件，以達(dá)到系統(tǒng)微小化 的目的。微電子機械系統(tǒng)(MEMS)制造中的鍵合工藝可以采用專用設(shè)備來實現(xiàn)(如SB6鍵 合設(shè)備)，針對一些特殊的MEMS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如高真空度的鍵合，就需要一些特殊的工藝和 裝置來實現(xiàn)。
特別是在制作MEMS傳感器時，需要兩個硅片鍵合在一起，其中一個硅片上制作有一定 深度和寬度的微腔，且要求微腔達(dá)到一定的真空度。 一種方法是采用國外的進(jìn)口設(shè)備，如德 國休斯公司的SB6鍵合設(shè)備，該設(shè)備不僅能夠抽真空，而且能加壓力、電極、加溫，真空度 能達(dá)到10S 0.5Pa。但是，當(dāng)硅片的微腔體內(nèi)要求達(dá)到高真空度時，即低于10^Pa (—般來 說，低真空范圍為103 10—1 Pa，高真空范圍為1(T1 10—6Pa)時，采用上述辦法實現(xiàn)就比 較困難了。另一種方法是通過大型高真空泵，如加速分子泵、冷凝泵，來實現(xiàn)硅片的微腔體 內(nèi)的高真空，但這些設(shè)備成本昂貴，而且會給工藝制作過程中帶來粘污，導(dǎo)致成品率下降。
(三)

發(fā)明內(nèi)容
為克服上述問題，本發(fā)明提供一種帶有微腔的圖形硅片真空鍵合方法，達(dá)到硅片的微腔 內(nèi)的高真空度要求。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的一種帶有微腔的圖形硅片真空鍵合方法，包括以下工藝步驟-
(1) 準(zhǔn)備一個4英寸帶有微腔的圖形硅片，以及一個4英寸普通硅片，其導(dǎo)電類型可以是N 型或P型，其晶向可以是(100)或(111)或(110);
(2) 對所述帶有微腔的圖形硅片進(jìn)行干法刻蝕，溫度為20 °C， SFe氣體流量為200-500 sccm， 時間為3-6秒；C4Fs氣體流量為200-500 sccm，時間為1-3秒，兩種氣體交替使用，直至其微 腔的內(nèi)壁表面粗糙，使表面粗糙度達(dá)到0.5-1.5 "m;
(3) 將所述帶有微腔的圖形硅片放入簡易予鍵合裝置中的承片架和對位臺上，將活動桿伸入 帶有微腔的圖形硅片的上方2 mm左右，再將普通硅片輕輕放下，其一部分邊緣與帶有微腔 的圖形硅片接觸，另一部分邊緣搭在活動桿上，其與帶有微腔的圖形硅片之間形成一定空隙, 關(guān)上簡易予鍵合裝置的真空室上蓋；
(4) 打開簡易予鍵合裝置的真空閥，進(jìn)行抽真空，時間15秒，使其內(nèi)部真空度達(dá)20000 Pa;
(5) 關(guān)閉簡易予鍵合裝置的真空閥，打開氧氣進(jìn)氣閥，充入純度達(dá)99.9999%的氧氣，時間為3秒，關(guān)閉氧氣進(jìn)氣閥；
(5) 重復(fù)步驟(4)和(5)的過程4-8次；
(6) 向外位動活動桿，使所述普通硅片靠自身重力自然下落，與所述帶有微腔的圖形硅片貼 合在一起，實現(xiàn)真空狀態(tài)下的予鍵合；
(7) 打開簡易予鍵合裝置的真空室上蓋，取出已經(jīng)予鍵合在一起的硅片；
(8) 將已予鍵合在一起的硅片放入高溫擴散爐，進(jìn)行高溫退火處理，溫度為1000-1200'C， 時間為8-15小時，氣氛為氧氣一氫氧合成氣一氧氣，最終實現(xiàn)帶有微腔的圖形硅片的真空鍵 合。
有益效果
本發(fā)明方法由于采取了以上技術(shù)方案，具有以下特點-
1) 本發(fā)明方法操作簡單，簡單易行，實現(xiàn)了帶有微腔的硅片鍵合的真空度，其微腔內(nèi)的真空 度能達(dá)到10—i 10—6 Pa。
2) 由于本發(fā)明方法不會帶來二次粘污，使帶有微腔的硅片鍵合成品率提高，可提高85%。
3) 由于采用了簡易的予鍵合裝置，而無需使用昂貴的進(jìn)口機器，大大降低了硅片鍵合的加工 成本。
(四)


圖1本發(fā)明的帶有微腔的圖形硅片的示意圖2是本發(fā)明帶有微腔的圖形硅片與普通硅片鍵合在一起后的示意圖； 圖3是本發(fā)明方法中使用的簡易予鍵合裝置的示意圖。
(此簡易予鍵合裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)俯視圖和剖面圖請參見實用新型"一種在硅片上制作真空微 腔的予鍵合裝置"03234160.1中的說明書附圖)
具體實施方式
下面結(jié)合具體實施例及附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。 本發(fā)明的帶有微腔的圖形硅片真空鍵合方法，其包括以下工藝步驟-
(1) 準(zhǔn)備一個4英寸帶有微腔的圖形硅片1,以及一個4英寸普通硅片2，其導(dǎo)電類型可以 是N型或P型，其晶向可以是(100)或(111)或(110)，電阻率根據(jù)實際設(shè)計需要而定， 一般為1-10 Q cm。
(2) 對帶有微腔的圖形硅片1進(jìn)行干法刻蝕，設(shè)備為ALCATEL公司的A601E機，工藝條 件溫度20 。C, SFs氣體流量200-500 sccm，時間3-6秒;C4F8氣體流量200-500 sccm，時 間l-3秒，兩種氣體交替使用，氣體純度均為99.999%，直至其微腔的內(nèi)壁表面12粗糙，使 表面粗糙度達(dá)到0.5-1.5 um，如圖1所示。
以下的操作步驟在10級以下的凈化空間內(nèi)進(jìn)行。
本發(fā)明方法中使用的簡易予鍵合裝置的示意圖如圖3所示。此簡易予鍵合裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)俯視圖和剖面圖請參見實用新型"一種在硅片上制作真空微腔的予鍵合裝置"03234160.1 中的說明書附圖。(3) 將所述帶有微腔的圖形硅片l，放入簡易予鍵合裝置中的承片架3和對位臺4上，將活 動桿5伸入帶有微腔的圖形硅片l的上方2mm左右，再將普通硅片2輕輕放下，其一部分 邊緣與帶有微腔的圖形硅片1接觸，另一部分邊緣搭在活動桿5上，靠活動桿5支撐，其與 帶有微腔的圖形硅片1之間形成一定空隙，如圖3所示。關(guān)上簡易予鍵合裝置的真空室上蓋 6。(4) 打開簡易予鍵合裝置的真空閥7，進(jìn)行抽真空，時間15秒，使其內(nèi)部真空度達(dá)20000 Pa， 可通過真空計9讀出數(shù)據(jù)，。(5) 關(guān)閉簡易予鍵合裝置的真空閥7，打開氧氣進(jìn)氣閥8，充入純度達(dá)99.9999%的氧氣，使 真空計9的讀出數(shù)據(jù)為零，時間3秒，關(guān)閉氧氣進(jìn)氣閥8。(5) 重復(fù)步驟(4)和(5)的過程4一8次，使整個予鍵合容器和硅片1的微腔內(nèi)部全部充 滿為氧氣。(6) 向外位動活動桿5，使普通硅片2靠自身重力自然下落，與帶有微腔的圖形硅片1貼合， 實現(xiàn)了真空狀態(tài)下的予鍵合。(7) 打開簡易予鍵合裝置的真空室上蓋6，取出已經(jīng)予鍵合在一起的硅片，兩個硅片之間已 形成一個閉合的微腔10。此時，予鍵合在一起的硅片的真空微腔內(nèi)的真空度只有20000 Pa。(8) 將予鍵合在一起的硅片放入高溫擴散爐(型號為L4513II-49/ZM)，進(jìn)行高溫退火處理，溫度1000—1200'C，時間8-15小時，氣氛氧氣一氫氧合成一氧氣。這樣，鍵合在一起的硅片的微腔體內(nèi)的少量氧成份與微腔粗糙內(nèi)表面12的硅反應(yīng)，生成Si02層ll，逐漸消 耗，最終，實現(xiàn)帶有微腔的圖形硅片的真空鍵合。帶有微腔的圖形硅片與普通硅片鍵合在一 起后的示意圖如圖2所示。此時，根據(jù)理想氣體方程式PV-RTn，可以推算出^[腔體內(nèi)的真空度。在方程式中，P 為微腔內(nèi)部的壓強(真空度)，V為微腔的體積，R為比例常數(shù)，T為絕對溫度，n為氧分子 摩爾數(shù)(可以用分子個數(shù)表示)。式中，T、 R為定值，V在高溫前后變化量只有0."/。，可以 忽略不計，從方程式中可以看出，P與n是一種正比關(guān)系。當(dāng)P為20000 Pa、 V為1.2X10—8 m3、 T為300K、 R為22.4 J/mol.K時，根據(jù)方程式n-PV/RT,計算出在予鍵合后、高溫鍵合前，其微腔10內(nèi)部的氧分子有3.57X10'8mo1，即有氧 分子2.15X10"個(lmol為6.02XK^個分子)。因此，在進(jìn)行了步驟(8)的高溫鍵合后， 氧分子不斷地與硅反應(yīng)生成二氧化硅(02+Si = Si02)，在經(jīng)過8-15小時后，氧分子數(shù)逐漸減 少，氧分子就只有約2.15X10" 2.15X1(^個，從而使微腔10內(nèi)部的真空度達(dá)到2X1(T1 2 X10一3 Pa。上述所描述的加工工藝及其參數(shù)、化學(xué)溶液、加工設(shè)備等，除已描述的外，其余的均為 本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所知的常用技術(shù)，不再加以詳述。
權(quán)利要求
1.一種帶有微腔的圖形硅片真空鍵合方法，其包括以下工藝步驟(1)準(zhǔn)備一個4英寸帶有微腔的圖形硅片，以及一個4英寸普通硅片，其導(dǎo)電類型可以是N型或P型，其晶向可以是(100)或(111)或(110)；(2)對所述帶有微腔的圖形硅片進(jìn)行干法刻蝕，溫度為20℃，SF6氣體流量為200-500sccm，時間為3-6秒；C4F8氣體流量為200-500sccm，時間為1-3秒，兩種氣體交替使用，直至其微腔的內(nèi)壁表面粗糙，使表面粗糙度達(dá)到0.5-1.5μm；(3)將所述帶有微腔的圖形硅片放入簡易予鍵合裝置中的承片架和對位臺上，將活動桿伸入帶有微腔的圖形硅片的上方2mm左右，再將普通硅片輕輕放下，其一部分邊緣與帶有微腔的圖形硅片接觸，另一部分邊緣搭在活動桿上，其與帶有微腔的圖形硅片之間形成一定空隙，關(guān)上簡易予鍵合裝置的真空室上蓋；(4)打開簡易予鍵合裝置的真空閥，進(jìn)行抽真空，時間15秒，使其內(nèi)部真空度達(dá)20000Pa；(5)關(guān)閉簡易予鍵合裝置的真空閥，打開氧氣進(jìn)氣閥，充入純度達(dá)99.9999％的氧氣，時間為3秒，關(guān)閉氧氣進(jìn)氣閥；(5)重復(fù)步驟(4)和(5)的過程4-8次；(6)向外位動活動桿，使所述普通硅片靠自身重力自然下落，與所述帶有微腔的圖形硅片貼合在一起，實現(xiàn)真空狀態(tài)下的予鍵合；(7)打開簡易予鍵合裝置的真空室上蓋，取出已經(jīng)予鍵合在一起的硅片；(8)將已予鍵合在一起的硅片放入高溫擴散爐，進(jìn)行高溫退火處理，溫度為1000-1200℃，時間為8-15小時，氣氛為氧氣一氫氧合成氣-氧氣，最終實現(xiàn)帶有微腔的圖形硅片的真空鍵合。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種帶有微腔的圖形硅片真空鍵合方法。本發(fā)明方法的主要工藝步驟(1)將所述帶有微腔的圖形硅片放入簡易予鍵合裝置中的承片架和對位臺上，再將普通硅片輕輕放下，其一部分邊緣與帶有微腔的圖形硅片接觸，另一部分邊緣搭在活動桿上；(2)打開簡易予鍵合裝置的真空閥，進(jìn)行抽真空；(3)打開氧氣進(jìn)氣閥，充入氧氣；(4)重復(fù)步驟(2)和(3)的過程4-8次；(5)向外位動活動桿，使所述普通硅片與所述帶有微腔的圖形硅片貼合在一起，實現(xiàn)真空狀態(tài)下的予鍵合；(6)將予鍵合在一起的硅片進(jìn)行高溫退火處理。本發(fā)明方法操作簡單，簡單易行，實現(xiàn)了帶有微腔的硅片鍵合的高真空度，達(dá)10^-1-10^-3Pa，且無需使用昂貴的進(jìn)口設(shè)備，大大降低了加工成本。它適用于微機電系統(tǒng)中的鍵合工藝。
文檔編號B81C3/00GK101327906SQ20081007001
公開日2008年12月24日 申請日期2008年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月22日
發(fā)明者建 馮, 俊 徐, 譚開洲 申請人:中國電子科技集團公司第二十四研究所