[发明专利]一种减小微悬浮结构在化学机械减薄抛光中变形工艺方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种减小微悬浮结构在化学机械减薄抛光中变形的工艺方法，属于微电子机械系统(MEMS)加工领域，特别涉及一种减小具有大面积悬浮结构的三维微机械器件的化学机械减薄抛光应力与应变的方法。

背景技术

MEMS传感器通常由三维微机械结构和检测电路及信号处理电路组成。MEMS体硅工艺加工的微结构具有深宽比高、敏感质量大、灵敏高等优点，因此广泛用于三维微结构的加工。

采用MEMS体硅工艺加工的三维微机械结构通常以单晶硅作结构材料，采用键合技术形成三维结构形式，然后根据设计要求进行硅结构层厚度减薄。目前，有两种硅结构层减薄方式，一种是化学湿法腐蚀，一种是化学机械抛光法(CMP)。化学湿法腐蚀减薄的优点是减薄速率快、成本低，缺点是结构的平整度和粗糙度差，对后序工艺及器件性能造成影响。而CMP技术综合了化学和机械抛光的优势，减薄抛光后的微结构具有表面光洁度和平坦度高、损伤低、抛光一致性好等优点，但缺点是减薄时造成结构残余应力大，硅片易产生翘曲变形，从而影响微传感器的性能。

三维微机械结构通常具有悬浮结构形式的可动部件，如微加速度计、微陀螺仪、微振荡器等。化学机械减薄抛光产生的残余应力会使这种结构产生翘曲变形，因此，需要采用合理工艺方法减小残余应力，减小结构的翘曲变形，从而提高微传感器的性能。

发明内容

本发明提出一种减小微悬浮结构在化学机械减薄抛光中变形的工艺方法，其目的旨在克服悬浮结构在减薄抛光工艺中由于应力造成的翘曲变形问题，提供了一种工艺补偿方法，即在悬浮结构释放前的腔体结构上增加辅助支撑结构，由于辅助支撑结构的作用，在减薄抛光过程中，腔体结构引入的应力大大减小。减薄抛光后，采用湿法腐蚀或干法刻蚀工艺去除辅助支撑结构，同时释放悬浮结构，释放后的悬浮结构的翘曲变形大大减小，成为独立的可动结构。

本发明的技术解决方案：一种减小微悬浮结构在化学机械减薄抛光中变形的工艺方法，其特征是用于化学机械减薄抛光的圆片为采用键合工艺形成的三维二层圆片，根据MEMS器件的设计要求，在需要减薄抛光的圆片背面有湿法腐蚀或干法刻蚀形成的腔体阵列，腔体阵列与衬底圆片形成键合面；腔体结构阵列在后序的干法刻蚀或湿法腐蚀工艺中被释放，形成由细梁结构如直梁或折叠梁支撑可动悬浮结构阵列；通过引入辅助支撑结构作为悬浮结构释放前的腔体结构的补偿结构。

本发明的技术效果：克服了悬浮结构在减薄抛光工艺中由于应力造成的翘曲变形问题，提供了一种工艺补偿方法，即在悬浮结构释放前的腔体结构上增加辅助支撑结构，由于辅助支撑结构的作用，在减薄抛光过程中，腔体结构引入的应力大大减小。减薄抛光后，采用湿法腐蚀或干法刻蚀工艺去除辅助支撑结构，同时释放悬浮结构，释放后的悬浮结构的翘曲变形大大减小，成为独立的可动结构。补偿结构的截面占有悬浮结构的截面比例很小，对于器件性能不会造成任何影响，该工艺补偿技术可应用于微惯性器件的加工工艺中，极大地提高了具有大面积悬浮结构的三维微机械器件的性能和成品率。

附图说明

下面结合附图，对本发明做出详细描述。

图1是需要减薄抛光的键合圆片。

图2是腔体阵列三维图。

图3是化学机械减薄抛光示意图。

图4是腔体结构的翘曲变形的示意图。

图5是补偿结构的截面类型的示意图。

图6是补偿结构的分布类型的示意图。

图7是增加补偿结构的腔体结构变形微小的示意图。

图8是增加补偿结构释放后的悬浮结构单元的示意图。

图中的1是腔体结构、2是补偿结构、3是抛光垫、4是旋转底盘、5是抛光液、6是夹具盘、7是蜡、8是圆片。

具体实施方式

1.本工艺中工艺片为两层键合圆片，如图1所示，其中需要减薄抛光的圆片的正面为减薄面，背面为键合面。根据设计需要，在背面采用湿法腐蚀或干法刻蚀形成腔体结构阵列，如图2所示。图3所示为化学机械减薄抛光示意图。腔体结构在化学机械减薄抛光工艺中，由于磨压块的压力作用，会造成腔体结构的翘曲变形，如图4所示。减薄抛光后，通过湿法腐蚀或干法刻蚀释放腔体结构，形成仅仅通过细梁与锚区相连的可动悬浮结构，由于减薄抛光引入的应力造成在悬浮结构中不能有效释放，将会在悬浮结构存在较大的残余变形，从而影响了器件的性能。