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1、(10)申请公布号 CN 102367165 A (43)申请公布日 2012.03.07 CN 102367165 A *CN102367165A* (21)申请号 201110253613.2 (22)申请日 2011.08.31 B81C 1/00(2006.01) (71)申请人 华东光电集成器件研究所 地址 233042 安徽省蚌埠市经济开发区财院 路 10 号 (72)发明人 方澍 郭群英 徐栋 黄斌 陈博 王祖民 (74)专利代理机构 安徽省蚌埠博源专利商标事 务所 34113 代理人 杨晋弘 (54) 发明名称 一种基于 SOI 的 MEMS 器件电极互连方法 (57) 摘要 。
2、本发明涉及一种基于SOI的MEMS器件电极互 连方法， 采用在硅盖板 （2） 上制作金属互连导线 （2-8） 、 以及各种电隔离槽 （2-5、 2-6） ， 然后通过 金 - 硅共晶键合把 MEMS 器件结构层 （3） 与硅盖板 （2） 粘接在一起， 从而实现 MEMS 器件的电极通过 盖板上的金属导线互连在一起， 并引出到金属压 焊点上。本发明提供的方法克服了现有技术采用 的介质填充、 平坦化等工艺带来的技术难题， 简化 了工艺， 易操作， 适于各种 SOIMEMS 器件的制作。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 。
3、4 页 附图 3 页 CN 102367173 A1/1 页 2 1. 一种基于 SOI 的 MEMS 器件电极互连方法， 其特征在于包括以下步骤 ： a、 硅盖板的制作 ： （1） 在硅片表面生长一层 SiO2热氧化层 ； （2） 制作深孔 ： 在硅片正面采用光刻工艺， 光刻深孔， 用 KOH 溶液湿法腐蚀硅， 形成与金 属压焊点对应的深孔 ； （3） 在硅片背面溅射一层 Ti/Au 金属层 ； （4） 制作浅槽 ： 在硅片背面采用光刻工艺， 光刻浅槽图形， 然后腐蚀 Ti/Au、 干法刻蚀二 氧化硅、 DRIE深反应离子体刻蚀硅， 形成金-硅共晶键合的区域、 MEMS器件和金属压焊点容 纳。
4、区、 连接导线、 电隔离槽 ； b、 MEMS 器件敏感结构层的制作 ： （1） 金属压焊点制作 ： 在 SOI 硅片顶层硅上溅射一层 Ti/Au 金属层， 采用光刻工艺光刻 金属压焊点图形， 然后腐蚀金属层， 形成金属压焊点 ； （2） 浅槽刻蚀 ： 在顶层硅上采用光刻工艺光刻浅槽图形， 采用 DRIE 深反应等离子体刻 蚀硅， 形成浅槽 ； （3） 深槽刻蚀 ： 采用光刻工艺光刻深槽图形， 采用 DRIE 深反应离子体刻蚀硅至 SOI 硅 片中的埋层二氧化硅， 形成 MEMS 器件结构释放的深槽 ； （4） 结构释放 ： 采用气态HF酸腐蚀SOI中的埋层二氧化硅， 完成MEMS器件的结构释。
5、放， 形成可动的 MEMS 敏感结构 ； （5） 去除光刻胶 ： 对结构释放的 MEMS 器件芯片进行等离子去胶 ； c、 MEMS 器件结构层和硅盖板键合 ： （1） 金 - 硅共晶键合 ： 在双面光刻机中把硅盖板和 MEMS 器件结构层进行对准后， 放在 键合机中进行金 - 硅共晶键合， 完成 MEMS 器件结构层和硅盖板的粘接 ； （2） 刻穿硅盖板上的深孔 ： 对完成 MEMS 器件结构层和硅盖板键合后的圆片， 利用 DRIE 深反应离子体刻蚀硅， 使深孔刻穿， 暴露出金属压焊点。 权 利 要 求 书 CN 102367165 A CN 102367173 A1/4 页 3 一种基于 。
6、SOI 的 MEMS 器件电极互连方法 技术领域 0001 本发明属于微电子机械技术领域。涉及一种基于 SOI 的 MEMS 器件电极互连方法。 背景技术 0002 SOI 技术是在上个世纪 80 年代迅速发展起来， 被成为 21 世纪的硅集成技术。随 着 SOI 工艺技术的逐渐成熟和 SOI 硅片成本的不断降低， SOI 应用领域也逐渐扩大， 近年来 广泛应用到 MEMS 领域。目前， 国外 SOI 技术已经比较成熟。很多研究机构和公司 MEMS 器 件， 诸如压力传感器， 惯性器件， 高温传感器等， 都已采用了 SOI 技术。法国 Tronic 公司开 发成功了 SOI 工艺， 对外进行 。
7、MEMS 加工多年。法国的 MEMSCAP 公司开发了称为 SOIMUMP 的 MEMS 工艺技术， 对外进行代工 ； 瑞典的 Silex 公司， 也早已采用 SOI 硅片进行器件加工。德 国 X-FAB 公司采用 SOI 材料进行 MEMS 器件加工， 如今美国、 西欧、 日本， SOI 技术正逐渐取 代体硅加工技术， 成为主流的微机械加工技术 SOI（Silicon-On-Insulator， 绝缘衬底上的硅） 技术是在顶层硅和背衬底之间引入了 一层埋氧化层。用 SOI 材料作为 MEMS 的基片， 通过 ICP DRIE 硅刻蚀工艺实现敏感单元。 SOI 技术融合了体硅微加工技术和表面微。
8、加工技术， 弥补了体微机械加工技术工艺可靠性 和重复性较差的缺点， 同时 SOI 中的二氧化硅夹层能用于微机械传感器中电路部分与待测 环境的隔离， 降低寄生电容噪声， 提高了器件的性能。 同时克服了表面微加工技术纵向尺寸 太小， 无法满足高深宽比的缺点， 并将表面微机械加工技术的纵向加工能力推进到几十 m 量级， 从而扩大了表面微机械技术的应用范围。 0003 目前 SOI 在 MEMS 应用中， 基于 SOI 材料的 MEMS 器件电极中， 采用介质填充， 平坦 化等工艺手段， 从而实现从器件表面走金属引线。现有的 SOI MEMS 工艺方法技术难度大， 工艺技术复杂， 成品率低。 发明内容。
9、 0004 本发明的目的是为了解决现有技术中采用介质填充、 平坦化等工艺手段， 具有的 技术难度大、 工艺技术复杂、 成品率低的缺陷， 提供的一种基于SOI的MEMS器件电极互连方 法。 0005 本发明的基本思路是 ： 采用在硅盖板上制作金属互连导线， 然后通过金 - 硅共晶 键合把 MEMS 器件结构层与硅盖板粘接在一起， 从而实现 MEMS 器件的电极通过盖板上的金 属导线互连在一起， 并引出到金属压焊点上。 该方法克服了介质填充， 平坦化等工艺带来的 技术难题， 简化了工艺， 易操作， 适于各种 SOI MEMS 器件的制作。 0006 本发明的技术方案是 ： 本发明包括制作硅盖板和 。
10、MEMS 器件结构层两部分， 主要的过程为 ： a、 硅盖板的制作 ： （1） 在硅片表面生长一层 SiO2热氧化层 ； （2） 制作深通孔 ： 制作深孔 ： 在硅片正面采用光刻工艺， 光刻深孔， 用 KOH 溶液湿法腐蚀 说 明 书 CN 102367165 A CN 102367173 A2/4 页 4 硅， 形成与金属压焊点对应的深孔 ； （3） 在硅片背面溅射一层 Ti/Au 金属层 ； （4） 制作浅槽 ： 在硅片背面采用光刻工艺， 光刻浅槽图形， 然后腐蚀 Ti/Au、 干法刻蚀二 氧化硅、 DRIE深反应离子体刻蚀硅， 形成金-硅共晶键合的区域、 MEMS器件和金属压焊点容 纳区。
11、、 连接导线、 电隔离槽 ； b、 MEMS 器件敏感结构层的制作 ： （1） 金属压焊点制作 ： 在 SOI 硅片顶层硅上溅射一层 Ti/Au 金属层， 采用光刻工艺光刻 金属压焊点图形， 然后腐蚀金属， 形成金属压焊点 ； （2） 浅槽刻蚀 ： 在顶层硅上采用光刻工艺光刻浅槽图形， 采用 DRIE 深反应等离子体刻 蚀硅， 形成浅槽 ； （3） 深槽刻蚀 ： 采用光刻工艺光刻深槽图形， 采用 DRIE 深反应离子体刻蚀硅至 SOI 硅 片中的埋层二氧化硅， 形成 MEMS 器件结构释放的深槽 ； （4） 结构释放 ： 采用气态HF酸腐蚀SOI中的埋层二氧化硅， 完成MEMS器件的结构释放，。
12、 形成可动的 MEMS 敏感结构 ； （5） 去除光刻胶 ： 对结构释放的 MEMS 芯片进行等离子去胶 ； c、 MEMS 器件结构层和硅盖板键合 ： （1） 金 - 硅共晶键合 ： 在双面光刻机中把硅盖板和 MEMS 器件结构层进行对准后， 放在 键合机中进行金 - 硅共晶键合， 完成 MEMS 器件结构层和硅盖板的粘接 ； （2） 刻穿硅盖板上的深孔 ： 对完成 MEMS 器件结构层和硅盖板键合后的圆片， 利用 DRIE 深反应离子体刻蚀硅， 使深孔刻穿， 暴露出金属压焊点。 0007 本发明的优点在于 ： 有效的解决了 SOI MEMS 工艺中采用介质隔离填充和沟槽介 质平坦化来实现金。
13、属布线和电极引出的技术难题， 同时实现了 MEMS 器件的高真空封装。该 方法简单易操作， 适于各种SOI MEMS器件的制作， 尤其表现在制作高性能的电容式MEMS器 件上。 附图说明 0008 图 1a 是基于 SOI 的 MEMS 器件电极互连的结构示意图， 该 MEMS 器件是通过金 - 硅 共晶键合把硅盖板和 MEMS 器件结构层粘接在一起的， 从而实现 MEMS 器件的电极互连与高 真空封装 ； 图 1b 是图 1a 中的深孔刻穿， 最终形成的基于 SOI 的 MEMS 器件结构示意图 ； 图 1c 是图 1b 的 A-A 剖视图 ； 图 2a 图 2d 是硅盖板制作的主要工艺过程。
14、示意图 ； 图 3a 图 3e 是 MEMS 器件敏感结构的主要工艺过程示意图。 具体实施方式 0009 下面以高精度、 高性能的电容式 MEMS 器件为例， 说明基于 SOI 的 MEMS 器件电极互 连的方法。 0010 （一） 硅盖板的制作 图 2 中图 2-1 图 2-4 为硅盖板制作的主要工艺过程， 具体说明为 ： 说 明 书 CN 102367165 A CN 102367173 A3/4 页 5 （1） 生长二氧化硅 ： 在清洗好的双面抛光硅片 2 两面分别生长一层 SiO2热氧化层 2-1。 在热氧化炉中， 采用以下参数 ： 30 分钟 O2（升温） +10 分钟干 O2（92。
15、0） +660 分钟湿 O2 （1100） +10 分钟干 O2（920） +N2（降温） ， 生长 SiO2厚度 2m 以上。该氧化层的目的是 起电隔离和作为深孔刻蚀的掩蔽层作用， 如图 2a 所示。 0011 （2） 制作深孔 ： 在硅盖板 （即硅片 2） 正面采用光刻工艺， 光刻深孔 2-2 图形， 用 KOH 溶液湿法腐蚀硅， 形成金属压焊露出的深孔 2-2， 如图 2b 所示。 0012 （3） 淀积 Ti/Au 金属层 ： 在硅盖板背面溅射一层 Ti/Au 金属层 2-3， Ti（0.03m 0.06m） / Au（0.35m 0.45m） ， Ti 起粘附层的作用， Au 是用于。
16、金 - 硅共晶键合及作为 电容极板间连接导线。如图 2c 所示。 0013 （4） 制作浅槽 ： 在硅盖板背面采用光刻工艺， 光刻各种浅槽图形， 然后腐蚀 Ti/Au （常温下， 金腐蚀液 ： I2:KI:H2O=1:4:10 ； Ti 腐蚀液 ： HF 酸 :H2O=1:10） 、 干法刻蚀二氧化硅 （功 率 ： 700W ； 气体流量 CHF3： 50sccm,SF6:6sccm， He:130sccm ； 工作压力 ： 2200mTorr） 、 DRIE 深 反应离子体刻蚀硅 （RF功率 ： 600W ； 刻蚀过程 ： SF6流量130sccm,压力28mTorr,时间6s ； 钝 化过。
17、程 ： C4F8流量 85sccm， 压力 17mTorr, 时间 3s， 形成金 - 硅共晶键合的区域 2-3、 MEMS 器件的金属压焊点容纳区 2-2a、 连接导线 2-8， 电隔离槽 （2-4、 2-5、 2-6） 、 实现芯片与盖板 金 - 硅键合的高真空封装和 MEMS 器件的可动空间 2-7， 以及实现各电容极板间的互连与电 隔离等， 如图 2d 所示。 0014 （二） MEMS 器件敏感结构的制作 图 3-a 图 3-e 为 MEMS 器件敏感结构的主要工艺过程， 具体说明为 ： （1） 金属压焊点制作 ： SOI硅片3的结构为上下两层硅， 中间夹一层SiO2埋层。 先在清洗。
18、 好的SOI硅片3顶层硅上溅射一层Ti/Au金属层， 厚度 ： Ti （0.03m0.06m） /Au （0.5m 0.6m） ， 光刻金属压焊点图形， 然后腐蚀金属 Ti/Au（常温下， 金腐蚀液 ： I2:KI:H2O=1:4:10 ； Ti 腐蚀液 ： HF:HNO3:H2O=1:1:50） ， 最后形成金属压焊点 3b。金属压焊点 3b 是为 MEMS 器件 应用中各信号与外电路连接用。如图 3a 所示。 0015 （2） 浅槽刻蚀 ： 在顶层硅上光刻各种浅槽图形， 然后采用 DRIE 深反应等离子体刻 蚀硅， 形成浅槽 （3c、 3d、 3e） 。 浅槽的作用是让盖板上的金导线从槽中。
19、安全通过， 不与该区域 有电气连接， 实现电隔离。另外还可以起到结构释放时的深槽、 释放孔、 电隔离槽的预刻作 作。如图 3b 所示。 0016 （3）深槽刻蚀 ： 在顶层硅上涂光刻胶 3f, 光刻深槽 (3c、 3d) 图形， 采用 DRIE 深 反应离子体刻蚀硅至 SOI 硅片中的埋层二氧化硅 3a（RF 功率 ： 600W ； 刻蚀过程 ： SF6流量 130sccm, 压力 28mTorr, 时间 6s ； 钝化过程 ： C4F8流量 85sccm， 压力 17mTorr, 时间 3s） 。 形成 MEMS 器件结构释放的深槽， 如图 3c 所示。 0017 （4） 结构释放 ： 在上。
20、述工艺过完成后， 不需去光刻胶， 直接采用气态 HF 酸腐蚀 SOI 中的埋层二氧化硅 3a （工作压力 100Torr， 温度 ： 50） ， 完成 MEMS 器件的结构释放 3h， 形成 可动的 MEMS 敏感结构 , 如图 3d 所示。 0018 （5） 去除光刻胶 3f ： 对结构释放的 MEMS 芯片进行等离子去胶。如图 3e 所示。 0019 （三） MEMS 器件结构层和硅盖板键合 图 1a、 图 1b 为 MEMS 器件结构层和硅盖板键合的主要工艺过程， 具体说明为 ： （1） 金-硅共晶键合 ： 在双面光刻机中把硅盖板和MEMS器件结构层进行对准后， 放在键 说 明 书 CN。
21、 102367165 A CN 102367173 A4/4 页 6 合机中进行金 - 硅共晶键合 （温度 440 ； 键合压力 3000Torr ； 真空度 10mTorr ； 时间 30 分 钟） ， 完成 MEMS 器件结构层和硅盖板的粘接， 从而实现敏感结构中各电容的电极， 通过盖板 2 上的金导线 2-8 实现互连， 以及引出到金属压焊点 3b 上。通过金 - 硅共晶键合也实现了 MEMS 器件的高真空封装， 如图 1a。 0020 （2） 刻穿金属压焊点上的深孔 2-2 ： 对完成 MEMS 器件结构层和硅盖板键合后的 圆片， 利用 DRIE 深反应离子体刻蚀硅 （RF 功率 ： 。
22、600W ； 刻蚀过程 ： SF6流量 130sccm, 压力 28mTorr, 时间 6s ； 钝化过程 ： C4F8流量 85sccm， 压力 17mTorr, 时间 3s， 使深孔刻穿， 暴露 出金属压焊点 3b， 如图 1b 所示。 0021 （3） 如图 1c, 硅盖板 2d 的最外圈为器件密封环 2-10， 金属压焊点 3b 周围是压焊 点密封环 2-9， 中间部分是金导线 2-8 以及器件敏感结构。 说 明 书 CN 102367165 A CN 102367173 A1/3 页 7 图 1a 图 1b 图 1c 说 明 书 附 图 CN 102367165 A CN 102367173 A2/3 页 8 图 2a 图 2b 图 2c 图 2d 图 3a 说 明 书 附 图 CN 102367165 A CN 102367173 A3/3 页 9 图 3b 图 3c 图 3d 图 3e 说 明 书 附 图 CN 102367165 A 。